WO2023176827A1

WO2023176827A1 - 回転式反応器

Info

Publication number: WO2023176827A1
Application number: PCT/JP2023/009833
Authority: WO
Inventors: 伸洋丸岡
Original assignee: 国立大学法人東北大学
Priority date: 2022-03-14
Filing date: 2023-03-14
Publication date: 2023-09-21

Abstract

中心軸線（Ｃ）を回転中心とする筒状に形成され、内部に第一媒体（１１）が流通する伝熱筒体（３）と、伝熱筒体（３）より径方向の外側に配置され、伝熱筒体（３）との間に第一媒体（１１）と異なる第二媒体（１２）が流通する外筒（４）と、伝熱筒体（３）より径方向の外側に設けられ、伝熱筒体（３）側へ向かって径方向に沿って延びる羽根（６）と、伝熱筒体（３）と外筒（４）との間の反応空間に流体を流入させる供給装置（７）と、を備え、伝熱筒体（３）は、外筒（４）に対して中心軸線（Ｃ）回りに回転可能に支持されている。

Description

回転式反応器

　本発明は、回転式反応器に関する。
　本願は、２０２２年３月１４日に出願された日本国特願２０２２－０３９５９２号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　従来、互いに異なる種類の流体同士（例えば液体と気体）を撹拌、混合することにより、流体同士の反応や液体の蒸発等を行わせるための反応器が知られている。このような反応器では、流体同士の反応を効率よく生じさせるための技術が種々提案されている。

　例えば特許文献１（日本国特開平９－２７６６７５号公報）には、気液反応を生じさせる気液接触装置であって、液体が入った撹拌槽と、液中に配置されて回転軸回りに回転する回転体と、回転体の下方から気体を液中に吹き込む気体供給源と、を備える気液接触装置の構成が開示されている。回転体は、上下一対の円板を一組みとして重ね合わせ、下方の円板の中央には流入口が形成されている。各円板の互いに対向する面には、他方の円板側に開口する筒状の小室が多数配列して形成され、上方の円板の小室と下方の円板の小室とは互いの小室が対向する他の小室に連通する様に位置を違えて配列されている。

　特許文献１に記載の技術によれば、回転体の下方から吹き込まれた気体及び液体の混合流体は、円板の流入口から各小室に流入する。流入した混合流体が回転体の遠心力により回転体の外部へ排出される間に、各小室への流入による渦流の発生やキャビテーションの発生により、気体が分散される。これにより、微細化した気泡が撹拌槽内に排出されるので、気液接触面積を増加させることができるとされている。

日本国特開平９－２７６６７５号公報

　ところで、これらの反応器においては、さらなる反応速度の高速化が望まれている。特許文献１に記載の技術にあっては、回転体近傍とそれ以外の場所で気泡のサイズや密度が異なる場合がある。このため、特許文献１に記載の技術にあっては、気液接触面積（反応界面積）を最大化できていないおそれがあった。したがって、従来技術にあっては、反応界面積を増大させることにより、より伝熱速度を増大させるとともに反応速度を増大させる点において課題があった。

　そこで、本発明は、従来技術と比較して、伝熱速度を増大させるとともに反応速度を増大させることができる回転式反応器を提供することを目的とする。

　上記の課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用している。

（１）本発明の一態様に係る回転式反応器は、中心軸線を回転中心とする筒状に形成され、内部に第一媒体が流通する伝熱筒体と、前記伝熱筒体より径方向の外側に配置され、前記伝熱筒体との間に第一媒体と異なる第二媒体が流通する外筒と、前記伝熱筒体より径方向の外側に設けられ、前記伝熱筒体側へ向かって前記径方向に沿って延びる羽根と、前記伝熱筒体と前記外筒との間の反応空間に流体を流入させる供給装置と、を備え、前記伝熱筒体は、前記外筒に対して前記中心軸線回りに回転可能に支持され、前記反応空間には、互いに相の異なる複数相の流体が供給される。

（２）上記（１）に記載の回転式反応器において、前記複数相の流体は、少なくとも気体と液体とを含んでよく、前記羽根に対して前記伝熱筒体が相対回転することにより前記反応空間内に流入した前記気体を分散させ、反応界面積を増大させてもよい。

（３）上記（２）に記載の回転式反応器において、前記液体は、アルカリ性溶液であってもよく、前記気体は、二酸化炭素であってもよい。

（４）上記（２）に記載の回転式反応器において、前記液体は、海水であってもよく、前記気体は、空気であってもよい。

（５）上記（１）から（４）のいずれか一つに記載の回転式反応器において、前記供給装置は、ポンプと、前記ポンプに接続され、前記反応空間に前記流体を供給する供給管と、を備えてもよい。

　本発明によれば、従来技術と比較して、伝熱速度を増大させるとともに反応速度を増大させることができる回転式反応器を提供できる。

第１実施形態に係る回転式反応器の断面図である。図１のＩＩ－ＩＩ線に沿う断面図である。反応空間における水素イオン指数（ｐＨ）の経時変化を示すグラフである。反応空間における吸収速度の経時変化を示すグラフである。水素イオン指数（ｐＨ）と吸収速度との関係を示すグラフである。二酸化炭素濃度と吸収速度との関係を示すグラフである。ｐＨ８近傍における伝熱筒体の回転数と容量係数との関係を示すグラフである。ｐＨ１０近傍における伝熱筒体の回転数と容量係数との関係を示すグラフである。第２実施形態に係る回転式反応器の断面図である。

　以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明するが、本発明は図面に限定されるものではない。なお、以下の説明及び図面中、同一又は相当する要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する場合がある。

（第１実施形態）
　図１は、第１実施形態に係る回転式反応器１を水平方向から見た断面図である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線に沿う断面図である。
　図１に示す回転式反応器１は、反応空間２６中に存在する種々の物質（請求項における「互いに相の異なる複数相の流体」）に所定の反応を生じさせるにあたり、これらの反応を効率良く生じさせるための装置である。「反応空間中に存在する種々の物質」として、本実施形態では液体及び気体を例に説明するが、固体が含まれていてもよい。水と油のような、不混和な複相の液体でもよい。以下の説明では、「反応空間中に存在する種々の物質」を単に「流体」という場合がある。本実施形態における「反応」とは、異なる物質同士の化学的な反応や、液体の蒸発、凝縮、吸収、析出等を含む。

　回転式反応器１は、中心部材２と、伝熱筒体３と、外筒４と、複数の羽根６と、供給装置７と、を備える。
　中心部材２は、中心軸線Ｃを中心とする円筒状に形成されている。中心部材２は、中心軸線Ｃに沿う方向を長軸方向として延びている。中心軸線Ｃは、例えば鉛直方向に沿って延びている。中心部材２は、ステンレス等の強度の高い材料により形成されている。以下の説明において、中心部材２の中心軸線Ｃに沿う方向を軸方向といい、軸方向と直交する方向を径方向といい、軸方向回りの方向を周方向という場合がある。

　中心部材２は、取付基部１３と、中心部材本体１４と、導入管１５と、排出管１６と、を有する。取付基部１３は、軸方向の一端部（上方側の端部）に設けられている。取付基部１３は、中心軸線Ｃを中心とする円筒状に形成されている。取付基部１３は、中心部材２よりも軸方向の一方側に設けられたハウジング２０に固定されている。具体的に、ハウジング２０は、中心軸線Ｃと同軸上に設けられた筒状突出部２１を有し、筒状突出部２１の内周部に取付基部１３の一端部が挿入されている。取付基部１３は、筒状突出部２１に挿入された状態でボルト等の締結部材によりハウジング２０と固定されている。なお、取付基部１３は、例えば溶接等、締結以外の方法によりハウジング２０に固定されてもよい。取付基部１３及びハウジング２０が一体形成されてもよい。

　中心部材本体１４は、取付基部１３の他端部（下方側の端部）に接続されている。中心部材本体１４は、取付基部１３から軸方向の下方へ向かって延びている。中心部材本体１４は、取付基部１３よりも直径の小さい円筒状に形成されている。中心部材本体１４の下端部は開放されている。このように形成された取付基部１３及び中心部材本体１４の内側は、第一媒体１１が流通可能な空洞となっている。第一媒体１１は、中心部材２の内部を軸方向の上方から下方へ向かって流通し、下端部から中心部材の外に放出される。なお、中心部材２及び取付基部１３は、例えば別々に形成された後に締結部材により互いに固定されてもよく、一体形成されていてもよい。取付基部１３と中心部材本体１４の外径を同等にしてもよい。例えば、取付基部１３及び中心部材本体１４の一方を軸方向に延長して取付基部１３及び中心部材本体１４の他方を兼ねる構成としてもよい。

　導入管１５及び排出管１６は、中心部材２の軸方向におけるハウジング２０側の端部（一端部）に設けられている。導入管１５及び排出管１６は、取付基部１３の内側に設けられている。導入管１５は、中心部材本体１４の一端部に連結されている。導入管１５は、中心部材本体１４の内部へ第一媒体１１を供給する。排出管１６は、中心部材本体１４より径方向の外側において、軸方向の他方から一方へ移動してきた第一媒体１１を排出する。

　図１及び図２に示すように、伝熱筒体３は、中心部材２より径方向の外側に配置されている。伝熱筒体３は、中心軸線Ｃと同軸な円筒状に形成されている。伝熱筒体３の軸方向に沿う長さは、中心部材２の軸方向に沿う長さより長い。伝熱筒体３より径方向の内側、すなわち径方向において伝熱筒体３と中心部材２との間には、中心部材２を介して流入する第一媒体１１が流通する。

　伝熱筒体３は、本体部３０と、第一閉塞部材３１と、第二閉塞部材３２と、を有する。　本体部３０は、中心軸線Ｃと同軸な円筒状に形成されている。本体部３０は、熱伝導性が良好な材料により形成されている。伝熱筒体３の材料としては、例えばアルミニウムや銅等が挙げられる。なお、伝熱筒体３の材料としては、上述した材料以外に、例えばステンレスやチタンなどを用いてもよい。この場合、特に耐食性が要求される環境下で好適である。さらに、媒体が溶融塩等である場合には、伝熱筒体３の材料としてセラミックス等を用いてもよい。

　第一閉塞部材３１は、本体部３０の軸方向におけるハウジング２０側の開口を閉塞している。第一閉塞部材３１は、本体部３０と接続されている。第一閉塞部材３１と中心部材２との間の所定の箇所には、シール部２７が設けられている。シール部２７は、伝熱筒体３内の第一媒体１１が外部に漏洩することを抑制している。
　第二閉塞部材３２は、本体部３０の軸方向におけるハウジング２０とは反対側の開口を閉塞している。第二閉塞部材３２は、本体部３０の内周面に取り付けられている。第二閉塞部材３２は、中心部材本体１４の下端部に対して下方に間隔をあけて設けられている。第一閉塞部材３１及び第二閉塞部材３２が設けられることにより、伝熱筒体３内の第一媒体１１は、中心部材２の導入管１５及び排出管１６を通じてのみ内外と連通可能となっている。

　第二閉塞部材３２には、第二軸受１８を介して中継部材３３が接続されている。第二軸受１８は例えば転がり軸受である。第二軸受１８の内周面に第二閉塞部材３２が固定されている。第二軸受１８は、第二閉塞部材３２の下端部に取り付けられている。中継部材３３は、第二軸受１８の外周面に固定されている。中継部材３３の下端部は、外筒４に接続されている。よって、伝熱筒体３の本体部３０及び第二閉塞部材３２と、外筒４と、は互いに相対回転可能とされている。

　なお、中継部材３３を設けることなく第二軸受１８と外筒４とを直接接続してもよい。すなわち、第二軸受１８の内周面に第二閉塞部材３２が固定され、第二軸受１８の外周面に詳しくは後述する外筒４が固定されてもよい。

　このように形成された伝熱筒体３は、中心軸線Ｃを回転中心として回転可能に構成されている。具体的に、図１に示すように、伝熱筒体３は、中心部材２の軸方向の両端部にそれぞれ配置された軸受１７，１８を介して、中心部材２に対して回転可能に支持されている。両端部に配置された軸受のうちハウジング２０側に位置する第一軸受１７は、例えば内輪、外輪及び転動体を有して構成される転がり軸受である。第一軸受１７の内輪は、取付基部１３に挿入されて固定されている。第一軸受１７の外輪は、伝熱筒体３の第一閉塞部材３１の内周面に固定されている。なお、第一軸受１７は、環状に形成された滑り軸受であってもよい。

　両端部に配置された軸受のうちハウジング２０と反対側に位置する第二軸受１８は、例えば中心軸線Ｃと同軸上に配置された転がり軸受である。第二軸受１８の外周面は、中継部材３３に固定されている。第二軸受１８の内周面には、第二閉塞部材３２が固定されている。
　伝熱筒体３の外周部には、駆動ベルト２２が巻回されている。駆動ベルト２２は、ハウジング２０に設けられたモータ２３に連結されている。モータ２３が駆動することにより、伝熱筒体３は、駆動ベルト２２によって駆動され、中心軸線Ｃを中心として回転する。なお、駆動ベルト２２の駆動動力は、モータに限られず、例えば水力や風力等の動力であってもよい。

　外筒４は、伝熱筒体３と同軸な円筒状に形成されている。外筒４は、伝熱筒体３より径方向の外側に所定の間隔をあけて配置されている。径方向において外筒４より内側かつ伝熱筒体３より外側の空間は、第一媒体１１とは異なる第二媒体１２が流通可能となっている。本実施形態において、第一媒体１１の温度と、第二媒体１２の温度と、は異なる。第二媒体１２は、例えば液体である。この外筒４と伝熱筒体３との間の空間は、第二媒体１２を含む各種流体を撹拌及び混合して流体に所定の反応を生じさせる反応空間２６となっている。外筒４は、その内部の媒体が流出しないように閉塞された水槽状に形成されている。外筒４の上端部は、例えば伝熱筒体３の第一閉塞部材３１と隙間をあけて配置されている。或いは、外筒４の上端部は、第一閉塞部材３１との間にシール材等を介して接続されている。外筒４は回転不能に形成されている。換言すれば、伝熱筒体３は、外筒４に対して相対回転可能に支持されている。なお、外筒４は、例えば上端部及び下端部が不図示の閉塞板により閉塞されていてもよい。

　複数の羽根６は、伝熱筒体３と外筒４との間に配置されている。換言すれば、複数の羽根６は、反応空間２６内に配置されている。図１に示すように、複数の羽根６は、外筒４に取り付けられている。羽根６は、羽根本体４２を有する。

　図１及び図２に示すように、羽根本体４２は、外筒４から伝熱筒体３へ向かって径方向に沿って延びている。羽根本体４２は、周方向において等間隔に複数設けられている。本実施形態において、羽根本体４２は、軸方向に長い長方形板状に形成され、図２に示すように、上方から見て伝熱筒体３の径方向に延びるように配置されている。羽根本体４２は、例えば金属材料により形成されている。図２に示すように、羽根本体４２の径方向内側に位置する先端部４２ａと、伝熱筒体３の外周面と、の間には隙間Ｓが設けられている。換言すれば、複数の羽根６は、伝熱筒体３に対して径方向の外側に離間して設けられている。なお、例えば後述する製塩プロセスなどの固相が出る系では、複数の羽根６は、伝熱筒体３と密着して配置されてもよい。

　羽根本体４２は、径方向外側に位置する基端部４２ｂにおいてそれぞれ外筒４の内周面に取り付けられている。これにより、伝熱筒体３が回転した際、羽根本体４２は非回転となっている。

　このように形成された羽根６は、伝熱筒体３の回転時に、伝熱筒体３に対して相対回転する（実際には伝熱筒体３が回転する）。これにより、伝熱筒体３が流体を誘導し、誘導された流体が羽根６に当たって方向が変わることにより撹拌が促進される。反応空間２６内の流体を撹拌するとともに、反応空間２６内に供給された気体を剪断して細かく分散させる役割を果たすものである。このように気泡を微細化させることにより、気泡全体としての表面積を増加させ、第二媒体１２との反応を促進することが可能となり、反応速度が向上する。さらに、羽根６は、流体を撹拌することにより、反応空間２６内の物質の移動を促進し、これにより反応空間２６内における反応速度を向上させる役割を果たす。

　図１に示すように、供給装置７は、外筒４の外部に設けられている。供給装置７は、伝熱筒体３と外筒４との間の反応空間２６に流体を供給する。本実施形態において、供給装置７は、例えば液体及び気体をそれぞれ反応空間２６へ供給する。供給装置７は、タンク７０と、供給管７１と、回収管７３と、ポンプ７５と、第二の供給管７７と、を備える。

　タンク７０は、外筒４の外部に設けられている。タンク７０には、反応空間２６へ供給するための液体が貯蔵されている。
　供給管７１は、タンク７０と反応空間２６とを接続している。供給管７１は、外筒４の下部に接続されている。供給管７１は、タンク７０内の液体を反応空間２６の下部に供給する。
　回収管７３は、タンク７０と反応空間２６とを接続している。回収管７３は、外筒４の上部に接続されている。回収管７３は、反応空間２６内の液体及び気体の少なくとも一方を回収してタンク７０に戻す。

　ポンプ７５は、供給管７１の途中に設けられている。ポンプ７５が駆動すると、供給管７１を介してタンク７０から反応空間２６へ液体が供給されるとともに、反応空間２６内が高圧となることにより、反応空間２６内の流体（液体及び気体）が回収管７３を介してタンク７０に戻される。このようにポンプ７５を駆動させることにより、供給装置７は、反応空間２６内の流体を循環させている。

　第二の供給管７７は、供給管７１とは別に設けられている。第二の供給管７７は、外筒４の端部に接続されている。第二の供給管７７は、反応に用いる所定の気体を反応空間２６の下部に供給する。なお、第二の供給管７７の出口は、供給管７１に接続されていてもよい。この場合、気体とタンク７０内の液体との混合流体が反応空間２６の下部に供給される。

（回転式反応器を用いた二酸化炭素の吸収プロセス）
　次に、上述の回転式反応器１を用いた二酸化炭素の吸収プロセス（以下、吸収プロセスという）について説明する。
　吸収プロセスを実施する場合、第二媒体１２は、アルカリ性溶液である。具体的に、アルカリ性溶液とは、炭酸カリウム水溶液やアミン類などの吸収液である。以下、本実施形態では、第二媒体１２が炭酸カリウム水溶液である場合を例として説明する。第一媒体１１は、例えば第二媒体１２よりも低温の水である。なお、第一媒体１１は第二媒体１２より低温の流体であればよく、水以外の流体であってもよい。炭酸カリウム水溶液は、供給装置７のタンク７０から供給管７１を介して反応空間２６に供給される。さらに、第二の供給管７７からは、二酸化炭素が反応空間２６に供給される。つまり、吸収プロセスにおける回転式反応器１は、炭酸カリウム水溶液（液体）と二酸化炭素（気体）とを反応させる気－液反応系の反応器である。より具体的に、回転式反応器１は、アルカリ性の炭酸カリウム水溶液に酸性の二酸化炭素を溶解させることにより、二酸化炭素を吸収する化学的な反応を生じさせる。

　始めに、吸収プロセスにおける回転式反応器１の動作について説明する。回転式反応器１の動作時には、まず、供給装置７のポンプ７５、第一媒体１１を流通させるための不図示のモータポンプ、及び伝熱筒体３に接続されたモータ２３を駆動する。
　供給装置７のポンプ７５を駆動すると、反応空間２６内に炭酸カリウム水溶液が供給される。外筒４は密閉されているので、外筒４の下部から反応空間２６に流入した炭酸カリウム水溶液は、その水面が徐々に上方へ移動するように反応空間２６に溜まる。さらに、第二の供給管７７から二酸化炭素が供給される。

　さらに、不図示のモータポンプを駆動させることにより、伝熱筒体３の内部に第一媒体１１を流通させる。この結果、伝熱筒体３を介して第一媒体１１と第二媒体１２（炭酸カリウム水溶液）とが熱交換し、炭酸カリウム水溶液の温度が上昇する。

　ここで、反応空間２６では、アルカリ性の炭酸カリウム水溶液と酸性の二酸化炭素とを混合することにより、次の（１）式に示す化学反応が生じる。

　Ｋ２ＣＯ３＋ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ→２ＫＨＣＯ３　　　　　・・・（１）

　この結果、二酸化炭素が吸収され、炭酸水素カリウム水溶液（液体）が生成される。　その後、未反応の炭酸カリウム水溶液が回収管７３を通してタンク７０に戻され、供給管７１を介して再び反応空間２６に供給される。第二の供給管７７からは二酸化炭素が順次供給される。よって、炭酸カリウム水溶液を循環させることにより、二酸化炭素を継続的に吸収させることができる。なお、回収管７３は、例えば炭酸カリウム水溶液及び炭酸水素カリウムの両方を回収した後、炭酸カリウム水溶液だけを循環させるような分離装置を有していてもよい。

　さらに、伝熱筒体３に接続されたモータ２３を駆動することにより、伝熱筒体３が中心軸線Ｃ回りに回転する。外筒４及び羽根６に対して伝熱筒体３が相対回転すると、伝熱筒体３の回転に伴って旋回しようとする流体の流れが羽根６により規制されることにより、反応空間２６内の流体の流れに乱れが生じる。よって、反応空間２６内の流体が撹拌されるとともに、供給装置７から供給された気体（二酸化炭素）が羽根６の剪断力により細かく分散されて小さな気泡となる。これにより二酸化炭素と炭酸カリウム水溶液との接触面積、すなわち二酸化炭素と炭酸カリウム水溶液との反応界面積が増大する。よって、（１）式の化学反応が生じやすくなり、より効率良く二酸化炭素を吸収することが可能となる。

　次に、回転式反応器１の効果を説明するため、上述の吸収プロセスにおける実験結果について説明する。
　図３は、反応空間２６における水素イオン指数（ｐＨ）の経時変化を示すグラフである。
　図３において、グラフＧ１は、伝熱筒体３の回転数を零（回転無し）とした場合における反応空間２６内のｐＨの経時変化を示す。グラフＧ２からＧ４は、伝熱筒体３の回転数をそれぞれ１０００ｒｐｍ、２０００ｒｐｍ、３０００ｒｐｍとした場合のｐＨの経時変化を示す。

　図３に示すように、回転数によらず、時間の経過とともにｐＨ１１程度からｐＨ７程度まで徐々にｐＨが減少する。これは、アルカリ性の炭酸カリウム水溶液が酸性の二酸化炭素と反応し、中性に近づいた結果である。ここで、グラフＧ１とグラフＧ２からＧ４とを比較すると、伝熱筒体３の回転有りの場合（グラフＧ２からＧ４）、伝熱筒体３の回転無しの場合（グラフＧ１）と比較して、アルカリ性から中性へ変化するまでにかかる時間が短い。つまり、回転無しと比較して回転有りの場合には反応速度が速くなることがわかる。さらにグラフＧ２からＧ４を比較すると、回転数が１０００～３０００ｒｐｍの間において、伝熱筒体３の回転数が大きいほど反応速度が向上することがわかる。

　図４は、反応空間２６における吸収速度の経時変化を示すグラフである。
　図４のグラフＧ６は、伝熱筒体３の回転数を零とした場合における反応空間２６内の二酸化炭素の吸収速度の経時変化を示す。グラフＧ２からＧ４は、伝熱筒体３の回転数をそれぞれ１０００ｒｐｍ、２０００ｒｐｍ、３０００ｒｐｍとした場合の二酸化炭素の吸収速度の経時変化を示す。

　図４に示すように、回転数によらず、二酸化炭素の吸収速度が急激に上昇するタイミングが２箇所存在する。これは、実験開始からの経過時間に応じて反応空間２６中のｐＨが変化し、これにより二酸化炭素の状態が変化するためである。第一のピークは、実験開始から１００秒以内の比較的早いタイミングで発生し、第二のピークは、実験開始から１００秒以降の比較的遅いタイミングで発生する。第一のピークのタイミングは、回転数によらずほぼ同じタイミングである。しかしながら、第一のピークにおけるピーク値の大きさは、回転数が大きいほど大きい値となる。

　第二のピークのタイミングは、回転数が大きいほど早い。例えばグラフＧ９に示すように、回転数が最も大きい３０００ｒｐｍの場合、第二のピークは最も早く、実験開始から約１００秒後に生じる。グラフＧ８に示すように、回転数が２０００ｒｐｍの場合、実験開始から約１５０秒後に第二のピークが生じる。グラフＧ７に示すように、回転数が１０００ｒｐｍの場合、実験開始から約３００秒後に第二のピークが生じる。グラフＧ６に示すように、回転数が零の場合、第二のピークは最も遅く、実験開始から約７００秒後に生じる。さらに、第二のピークにおけるピーク値の大きさは、回転数が大きいほど大きい値となる。よって、回転数が大きいほど、吸収速度が速く、かつより早いタイミングで効率の良い吸収作用を奏することができることがわかる。

　図５は、水素イオン指数（ｐＨ）と吸収速度との関係を示すグラフである。図５は、吸収速度のｐＨ依存度を示している。
　図５のグラフＧ１０は、伝熱筒体３の回転数を零とした場合における吸収速度のｐＨ依存度を示す。グラフＧ１１からＧ１３は、伝熱筒体３の回転数をそれぞれ１０００ｒｐｍ、２０００ｒｐｍ、３０００ｒｐｍとした場合の吸収速度のｐＨ依存度を示す。

　図５に示すように、回転数によらず、二酸化炭素の吸収速度は、ｐＨ７～８程度のとき及びｐＨ１０～１１程度のときに他のｐＨのときと比較して増加する。グラフＧ１０とグラフＧ１１からＧ１３とを比較すると、いずれのｐＨにおいても、伝熱筒体３の回転有りの場合（グラフＧ１１からＧ１３）は、伝熱筒体３の回転無しの場合（グラフＧ１０）と比較して、二酸化炭素の吸収速度が早い。つまり、回転無しと比較して回転有りの場合には二酸化炭素をより効率的に吸収できることがわかる。さらにグラフＧ１１からＧ１３を比較すると、回転数が１０００～３０００ｒｐｍの間において、伝熱筒体３の回転数が大きいほど吸収速度が早いことがわかる。特にグラフＧ１０とＧ１３とを比較すると、ｐＨ７～８程度のとき、回転数が３０００ｒｐｍの場合の吸収速度は、回転無しの場合の吸収速度の約１０倍となっている。同様にグラフＧ１０とＧ１３とを比較すると、ｐＨ１０～１１程度のとき、回転数が３０００ｒｐｍの場合の吸収速度は、回転無しの場合の吸収速度の約５倍となっている。

　図６は、二酸化炭素濃度と吸収速度との関係を示すグラフである。図６は、吸収速度の二酸化炭素濃度依存度を示している。
　図６のグラフＧ１５は、伝熱筒体３の回転数を零とした場合における吸収速度の二酸化炭素濃度依存度を示す。グラフＧ１６からＧ１８は、伝熱筒体３の回転数をそれぞれ１０００ｒｐｍ、２０００ｒｐｍ、３０００ｒｐｍとした場合の吸収速度の二酸化炭素濃度依存度を示す。

　図６に示すように、グラフＧ１５とグラフＧ１６からＧ１８とを比較すると、伝熱筒体３の回転有りの場合（グラフＧ１６からＧ１８）は、伝熱筒体３の回転無しの場合（グラフＧ１５）と比較して、二酸化炭素の吸収速度が早い。つまり、回転無しと比較して回転有りの場合には二酸化炭素をより効率的に吸収できることがわかる。さらにグラフＧ１１からＧ１３を比較すると、回転数が１０００～３０００ｒｐｍの間において、伝熱筒体３の回転数が大きいほど吸収速度が早いことがわかる。

　さらに、伝熱筒体３の回転数が大きいほど、液中の二酸化炭素濃度が変化した際の吸収速度の変化率（グラフの傾き）が大きい。つまり、回転数が大きいほど、液中の二酸化炭素濃度に対する依存度が大きいことがわかる。よって、液中の二酸化炭素濃度を適切に調整することで、より効率よく二酸化炭素を吸収させることができる。

　図７は、ｐＨ８近傍における伝熱筒体３の回転数と容量係数との関係を示すグラフである。図８は、ｐＨ１０近傍における伝熱筒体３の回転数と容量係数との関係を示すグラフである。図７及び図８は、容量係数の回転数依存度を示している。容量係数は、吸収速度を決定するひとつのファクターであり、容量係数が大きいほど吸収速度が早い。
　図７のグラフＧ２１は、伝熱筒体３と羽根６との間に隙間Ｓを設けた場合における、回転数に対する容量係数の大きさを示す。グラフＧ２２は、伝熱筒体３と羽根６との間に隙間Ｓを設けた場合における、回転数に対する容量係数の改善率を示す。改善率とは、各回転数における容量係数を、回転数が零の場合の容量係数で除したものである。グラフＧ２３は、伝熱筒体３と羽根６との間に隙間Ｓを設けない場合における、回転数に対する容量係数の大きさを示す。グラフＧ２４は、伝熱筒体３と羽根６との間に隙間Ｓを設けない場合における、回転数に対する容量係数の改善率を示す。

　図７のグラフＧ２１及びＧ２３に示すように、容量係数は、回転数が増加するにつれて大きくなる。伝熱係数と羽根６との間に隙間Ｓを設けた場合（グラフＧ２１）の方が、隙間Ｓを設けない場合（グラフＧ２３）と比較して容量係数が大きい。グラフＧ２２及びＧ２４に示すように、回転数が増加するほど、改善率も増加することがわかる。

　図８のグラフＧ２５は、伝熱筒体３と羽根６との間に隙間Ｓを設けた場合における、回転数に対する容量係数の大きさを示す。グラフＧ２６は、伝熱筒体３と羽根６との間に隙間Ｓを設けた場合における、回転数に対する容量係数の改善率を示す。グラフＧ２７は、伝熱筒体３と羽根６との間に隙間Ｓを設けない場合における、回転数に対する容量係数の大きさを示す。グラフＧ２８は、伝熱筒体３と羽根６との間に隙間Ｓを設けない場合における、回転数に対する容量係数の改善率を示す。

　図８のグラフＧ２５及びＧ２７に示すように、ｐＨ１０の近傍においても、容量係数は、回転数が増加するにつれて大きくなる。伝熱筒体３と羽根６との間に隙間Ｓを設けた場合（グラフＧ２５）の方が、隙間Ｓを設けない場合（グラフＧ２７）と比較して容量係数が大きい。グラフＧ２６及びＧ２８に示すように、回転数が増加するほど、改善率も増加することがわかる。

　さらに、図７と図８とを比較すると、ｐＨ１０近傍の場合（図８参照）、ｐＨ８近傍の場合（図７参照）と比較して、隙間Ｓの有無による影響が大きいことがわかる。さらに、図７のグラフＧ２２及びＧ２４、図８のグラフＧ２６及びＧ２８より、回転数を３００ｒｐｍとした場合、回転無しの場合と比較して１０から４０倍の改善率が得られることがわかる。つまり、回転数を増加させた場合、回転無しの場合と比較して吸収速度が向上することがわかる。

　本実施形態の回転式反応器１によれば、伝熱筒体３の外側かつ外筒４の内側の反応空間２６では、第二媒体１２と、供給装置７により供給された流体（本実施形態では気体）と、が混合されて所定の反応（例えば化学的な反応や吸収、蒸発、析出、凝縮等）が生じる。外筒４には、伝熱筒体３側へ向かって径方向に延びる羽根６が設けられ、伝熱筒体３は、外筒４及び羽根６に対して中心軸線Ｃを中心として回転する。伝熱筒体３が回転すると、反応空間２６内の第二媒体１２と供給装置７からの気体との混合流体は、伝熱筒体３の回転に伴って中心軸線Ｃ回りに旋回する。反応空間２６には羽根６が設けられているので、羽根６と伝熱筒体３とが相対回転することにより、混合流体の流れに乱れが生じる。これにより、反応空間２６内の混合流体が撹拌されるとともに、供給装置７から供給された気体が羽根６の剪断力により細かく分散される。気体が分散されることにより、気体の表面積、すなわち第二媒体１２との反応界面積が増大する。よって、第二媒体１２と気体とをより効率良く反応させ、反応速度を向上することができる。さらに、羽根６を用いた強力な撹拌作用により、反応空間２６内の物質移動を促進し、より反応速度を向上できる。

　伝熱筒体３の内側には第一媒体１１が流通し、伝熱筒体３の外側かつ外筒４の内側には、第一媒体１１と温度が異なる第二媒体１２が流通する。これにより、伝熱筒体３を介して第一媒体１１と第二媒体１２との間で熱交換が行われる。よって、反応空間２６における流体の温度を調節し、反応をより促進できる。さらに、羽根６は伝熱筒体３に向かって延びているので、例えば熱交換により伝熱筒体３の外周面に析出が生じた場合であっても、羽根６により析出した物質を除去できる。よって、熱交換を効果的に行いつつ、物質移動の促進により反応速度を向上できる。
　したがって、従来技術と比較して、伝熱速度を増大させるとともに反応速度を増大させることができる回転式反応器１を提供できる。

　伝熱筒体３の内側には中心部材２が設けられ、中心部材２と伝熱筒体３とは互いに相対回転可能に構成されている。本実施形態において、伝熱筒体３は、両端部に設けられた軸受け１７，１８を介して回転可能に支持される。よって、伝熱筒体３を安定的に回転させることができる。さらに、伝熱筒体３の回転が安定するので、より高い回転数で伝熱筒体３を回転させることができる。伝熱筒体３を高回転させることにより、供給装置７により供給された流体（本実施形態では気体）をより細かく分散させるとともに、撹拌力を向上できる。これにより、反応速度をより一層向上させることができる。

　供給装置７は、液体及び気体を反応空間２６へ流入させる。回転式反応器１は、羽根６に対して伝熱筒体３が相対回転することにより反応空間２６内に流入した気体を分散させる。気体を細かく分散させることにより、特に気－液反応における反応速度を向上できる。

　反応空間２６に流入する液体は炭酸カリウム水溶液であり、反応空間２６に流入する気体は二酸化炭素である。これにより、例えば二酸化炭素を炭酸カリウムに溶かすことにより、二酸化炭素を炭酸カリウム水溶液に吸収させることができる。よって、特に二酸化炭素の吸収プロセスや二酸化炭素の分離プロセス等の用途として回転式反応器１を適用できる。

　供給装置７は、ポンプ７５と、反応空間２６内に流体を供給する供給管７１と、反応空間２６内の流体を回収する回収管７３と、を備える。供給装置７は、反応空間２６内の流体を循環させる。これにより、反応空間２６内における物質の移動をより一層促進できる。よって、反応速度を向上できる。供給装置７は反応空間２６の下部に接続され、回収管７３は反応空間２６の上部に接続される。このため、伝熱筒体３の回転により生じた下方から上方へ向かう旋回流の流れに沿って流体を循環させることができる。よって、効率的に流体を循環させることができる。

　第一媒体１１は、第二媒体１２と温度が異なる。これにより、反応空間２６における流体の反応が効率的に行われる温度で反応させることができる。よって、反応空間２６における流体の反応速度を向上できる。

（回転式反応器を用いた製塩プロセス）
　次に、上述の回転式反応器１を用いた製塩プロセスについて説明する。
　製塩プロセスにおいて、第二媒体１２は、海水である。第一媒体１１は、例えば第二媒体１２よりも高温の水である。なお、第一媒体１１は第二媒体１２より高温の流体であればよく、水以外の流体であってもよい。海水は、供給装置７のタンク７０から供給管７１を介して反応空間２６に供給される。さらに、第二の供給管７７からは、乾燥空気が反応空間２６に供給される。つまり、吸収プロセスにおける回転式反応器１は、海水（液体）と空気（気体）とを反応させる気－液反応系の反応器である。より具体的に、本実施形態の製塩プロセスは、海水を蒸発させて塩化ナトリウムを析出させるプロセスであって、特に乾燥空気に海水中の水分を溶け込ませることにより、海水の蒸発速度を向上させるプロセスである。

　製塩プロセスにおける回転式反応器１の動作は、吸収プロセスにおける動作と同等である。すなわち、供給装置７のポンプ７５を駆動することにより、反応空間２６内に海水が供給され、第二の供給管７７から乾燥空気が供給される。不図示のモータポンプを駆動させることにより、伝熱筒体３の内部に高温の第一媒体１１を流通させる。この結果、伝熱筒体３を介して第一媒体１１と第二媒体１２（海水）とが熱交換し、海水の温度が上昇し、さらに海水が蒸発して塩化ナトリウムを析出する。

　未反応の海水は回収管７３を通してタンク７０に戻され、供給管７１を介して再び反応空間２６に供給される。第二の供給管７７からは乾燥空気が順次供給される。モータ２３を駆動することにより、伝熱筒体３が中心軸線Ｃ回りに回転する。これにより、反応空間２６内の流体が撹拌されるとともに、供給装置７から供給された乾燥空気が羽根６の剪断力により細かく分散されて小さな気泡となる。これにより、乾燥空気と海水との反応界面積が増大する。よって、化石燃料や電気を使って沸騰させる従来法と比較して、１００度以下でも乾燥が進行し、温泉熱や温排水を使うことが可能となるので、省エネルギー化することができる。

　本実施形態の回転式反応器１によれば、反応空間２６に流入する液体は海水であり、反応空間２６に流入する気体は空気である。これにより、例えば海水を蒸発させて塩化ナトリウムを析出させる製塩プロセスの用途として回転式反応器１を適用できる。さらに、微細化された乾燥空気を海水中に分散させることにより、海水を蒸発させ易くすることができる。よって、効率的な反応を促進させ、製塩に係るエネルギーを小さく抑えることができる。

　さらに、伝熱筒体３と羽根６とが相対回転するので、例えば伝熱筒体３の外周面に付着した塩化ナトリウムやその他の不純物等からなる付着物を、羽根６で剥ぎ取ることができる。ここで、製塩プロセスでは、羽根６が伝熱筒体３と密着している。これにより、伝熱筒体３の外周面に付着物が付着することによる伝熱効率の低下を抑制できる。よって、無駄なエネルギー消費を抑制し、より短時間で効率的に製塩プロセスを実施できる。

　ここで、製塩プロセスのように固形物が析出するプロセスにおいては、析出した物質（例えば、上述の製塩プロセスおける塩）を回転式反応器１から除去（回収）する方法として、例えば以下の例が挙げられる。
　１つ目は、回転式反応器１内で乾固させる、いわゆるバッチプロセスである。この場合、例えば、原料となる流体（本実施形態では海水）の供給を行った後、所定の時間経過後に析出物を取り出す工程を行う。析出物を回収した後、再び原料を供給する。これらの工程を繰り返すことにより、析出物を回収する。
　２つ目は、析出物をスラリー状にまで濃縮し、液体とともに抜き出す方法である。
　３つ目は、上記２つ目の方法に加え、さらに、析出物の回収と原料の供給を連続して行う方法である。例えば、回転式反応器１の下部に回転による攪拌力が及ばない領域を設け、沈降した析出物を少量の液体とともに抜き出すとともに、回転式反応器１の上方から新しい原料を供給する。この方法によれば、原料の供給と析出物の回収を同時に行えるので、連続運転が可能となり、作業効率を向上できる。

（第２実施形態）
　次に、本発明に係る第２実施形態について説明する。図９は、第２実施形態に係る回転式反応器１の断面図である。以下の説明において、上述した第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して適宜説明を省略する。
　第２実施形態では、伝熱筒体３の内側にも羽根（内羽根２０５）が設けられている点において上述した第１実施形態と相違している。

　第２実施形態において、回転式反応器１は、第１実施形態の構成に加えさらに内羽根２０５を備える。
　内羽根２０５は、中心部材２と伝熱筒体３との間に配置されている。内羽根２０５は、中心部材２に取り付けられている。内羽根２０５は、伝熱筒体３が回転した際に伝熱筒体３の内周面に摺接する。内羽根２０５は、内羽根固定部２３５と、内羽根本体２３６と、を有する。

　内羽根固定部２３５は、中心部材２の外周部に固定されている。内羽根固定部２３５は、中心軸線Ｃを中心とする円筒状に形成されている。
　内羽根本体２３６は、内羽根固定部２３５の外周部に取り付けられている。内羽根本体２３６は、周方向において等間隔に複数設けられている。内羽根本体２３６は、周方向を板厚方向とし、軸方向に長い長方形板状に形成されている。内羽根本体２３６は、軸方向から見て、内羽根固定部２３５から径方向の外側に向かって放射状に延びている。内羽根本体２３６のうち径方向内側に位置する基端部２３６ｂは、内羽根固定部２３５の外周部と接続されている。内羽根本体２３６は、例えば樹脂材料やゴム等の弾性体により形成されている。

　内羽根本体２３６の径方向外側に位置する先端部２３６ａは、基端部２３６ｂよりも高い柔軟性を有している。高い柔軟性を有するとは、外部から作用した応力に対して変形量が大きいことを言い、例えば固定端に接続された基端部２３６ｂよりも自由端である先端部２３６ａほど変位量が大きくなるような構成を含む。例えば基端部２３６ｂから先端部２３６ａへ向かうにつれて材料の強度が低下するように形成することで先端部２３６ａに高い柔軟性を持たせるようにしてもよい。先端部２３６ａにスリットや孔等を形成することにより、先端部２３６ａに高い柔軟性を持たせるようにしてもよい。
　内羽根本体２３６の先端部２３６ａは、伝熱筒体３の内周面に摺接する。より具体的に、伝熱筒体３が回転すると、内羽根本体２３６は、伝熱筒体３の回転方向における進行方向側に沿って湾曲した状態で、伝熱筒体３の内周面に摺接する。よって、内羽根本体２３６は、伝熱筒体３の回転中において常に伝熱筒体３に摺接することが可能となっている。

　第２実施形態の回転式反応器１によれば、伝熱筒体３の内周面近傍に形成される第一媒体１１の境膜を、伝熱筒体３が回転することによって剥ぎ取ることができる。これにより、伝熱筒体３の内周面近傍の伝熱抵抗が低減され、伝熱筒体３と第一媒体１１との間の熱移動速度が速くなり、熱交換を促進できる。内羽根２０５の先端部２３６ａは、基端部２３６ｂよりも柔らかいので、伝熱筒体３の回転動作に追従して先端部２３６ａが柔軟に変形する。これにより、伝熱筒体３が回転した際、常に伝熱筒体３と内羽根２０５とを接触させておくことができる。よって、より一層境膜の残留を抑制することで、熱交換における伝熱効率を向上することができる。

　なお、本発明の技術範囲は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
　例えば、上述の実施形態では、気体と液体とを反応させる気－液反応系の反応器として回転式反応器１を用いる例について説明したが、これに限られない。気体、液体、固体をそれぞれ任意の組み合わせで用いてもよい。液－液反応系の反応としては、例えば水等の水溶液と油等の油性の抽出溶媒を混合する例や、水と油と乳化剤のように、混合していくうちに一様になる媒体同士例等が挙げられる。気－液反応の他の反応としては、例えば水が蒸発する際の気化熱を利用した吸収式冷凍機が挙げられる。
　第二の供給管７７から液体が供給されてもよい。

　羽根６は、伝熱筒体３が回転した際に伝熱筒体３の外周面に摺接するように設けられてもよい。隙間Ｓの大きさや羽根６の個数、隙間Ｓの形状等は上述の実施形態に限られない。例えば羽根６のうち伝熱筒体３と対向する長辺の形状を、直線ではなく凹凸状や波形状に形成することにより、流体を通過させ易くしてもよい。羽根本体４２の形状は、上述した軸方向に沿う長方形板状に限定されない。羽根本体４２は、例えば軸方向に沿って螺旋状に形成されてもよい。
　伝熱筒体３の回転数は実施形態の数値に限定されない。

　伝熱筒体３及び外筒４における外径大きさ及び外径の比率は、図示された態様に限定されない。例えば外筒４に対して伝熱筒体３の外径を小さくした場合、反応空間２６の容積が大きくなり、反応空間２６に流入する流体の流量を増加させることができる。一方、外筒４に対して伝熱筒体３の外径を大きくした場合、伝熱筒体３の回転エネルギーを流体の撹拌力として高効率に利用できる。このように、反応させる流体の性質に応じて外径の大きさを変えてもよい。
　上述の実施形態では、回転式反応器を縦置きした場合について説明したが、これに限られない。回転式反応器を横置きで配置してもよい。

　第一媒体は、第二媒体と同程度の温度であってもよい。上述したとおり、第二媒体の温度は、第一媒体の反応を促進させるために適したものであればよい。上述の第１実施形態の吸収プロセスの他に、例えば乾燥プロセスや、熱に弱い反応生成物を得るプロセスの場合には、第二媒体を低温とすることで冷却する必要がある。
　羽根本体４２は、例えば外筒４の内周に取り付けられる代わりに、例えば外筒４の上下端部に取り付けられてもよいし、外筒４以外の部品に取り付けられてもよい。
　羽根本体４２は、周方向において等間隔に並んでいなくてもよい。
　第１実施形態の二酸化炭素吸収プロセスでは、二酸化炭素を吸収する溶媒として炭酸カリウム水溶液が用いられたが、これに限られない。例えば炭酸カリウム水溶液の代わりに、例えばアミン吸収液等を用いてもよい。
　第１実施形態の製塩プロセスにおいて、反応空間２６に供給される機体は乾燥空気ではなく、空気であってもよい。但し、乾燥空気を用いた場合は、より吸収速度（反応速度）が高められる点で優位性がある。
　供給装置７は無くてもよい。最初に入れた流体を濃縮するセミバッチ方式としてもよい。

　その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上述した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上述した実施形態を適宜組み合わせてもよい。

１：回転式反応器
２：中心部材
３：伝熱筒体
４：外筒
６：羽根
７：供給装置
１１：第一媒体
１２：第二媒体
１７：第一軸受（軸受）
１８：第二軸受（軸受）
２６：反応空間
７１：供給管
７３：回収管
７５：ポンプ
Ｃ：中心軸線

Claims

　中心軸線を回転中心とする筒状に形成され、内部に第一媒体が流通する伝熱筒体と、
　前記伝熱筒体より径方向の外側に配置され、前記伝熱筒体との間に第一媒体と異なる第二媒体が流通する外筒と、
　前記伝熱筒体より径方向の外側に設けられ、前記伝熱筒体側へ向かって前記径方向に沿って延びる羽根と、
　前記伝熱筒体と前記外筒との間の反応空間に流体を流入させる供給装置と、
　を備え、
　前記伝熱筒体は、前記外筒に対して前記中心軸線回りに回転可能に支持され、
　前記反応空間には、互いに相の異なる複数相の流体が供給される回転式反応器。
　前記複数相の流体は、少なくとも気体と液体とを含み、
　前記羽根に対して前記伝熱筒体が相対回転することにより前記反応空間内に流入した前記気体を分散させ、反応界面積を増大させる請求項１に記載の回転式反応器。
　前記液体は、アルカリ性溶液であり、
　前記気体は、二酸化炭素である請求項２に記載の回転式反応器。
　前記液体は、海水であり、
　前記気体は、空気である請求項２に記載の回転式反応器。
　前記供給装置は、
　　ポンプと、
　　前記ポンプに接続され、前記反応空間に前記流体を供給する供給管と、
　を備える請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の回転式反応器。