(57)【要約】【課題】  従来の装置を改善する。【解決手段】  この装置は、縦型リアクター本体１を備え、その内部に向けて処理溶液を流入する３構成からなり、この流入により流動床を形成しつつ、溶液が垂直上昇方向への循環が可能となる。反応性金属、例えば粒状の鉄がリアクター上部から投入される。リアクター本体１は、ラッパ形状の最終工程コンパートメント６に連通しており、その内部にはリアクター効率改善を目的とするソノトロード７が溶液中に沈められている。溶液と反応性金属との混合物は、リアクター本体１内で超音波及び／又は電磁的に活性化される。この装置の下部に設置されている流入用チェンバー２は、好ましくは、円錐形状または台形状からなり、且つ上方に広がり、不活性のビーズ、例えばガラスかプラスチック素材からなるビーズを備えてなり、これによりリアクター本体１内、入口部分の流動床の流動性と均一性の改善が図られる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
縦型リアクター本体(1)と、リアクター下端部分における処理溶液流入手段(2)と、リアクターへの反応性金属投入手段と、リアクターの上端部分からの排出手段(4)と、溶液活性化手段とを備えてなる流動床内における液体／固体作用を利用する装置であり、リアクター本体(1)上端部分にラッパ形状の最終工程コンパートメント(6)を備えてなり、該最終コンパートメント(6)内には超音波発振エレメントが溶液中に浸されていることを特徴とする流動床内における液体／固体作用を利用する装置。
【請求項２】
リアクター本体(1)が垂直方向で平行な複数のコンパートメント（11）に区分化されていることを特徴とする請求項１に記載の流動床内における液体／固体作用を利用する装置。
【請求項３】
リアクター本体(1)がシリンダーの形状を有してなり、コンパートメント（11）が、同心で輪形のシリンダー形状を有していることを特徴とする請求請２に記載の流動床内における液体／固体作用を利用する装置。
【請求項４】
前記縦型コンパートメント（11）は、垂直で平坦な壁面で区分化されていることを特徴とする請求請２に記載の流動床内における液体／固体作用を利用する装置。
【請求項５】
リアクター本体(1)下端部分に、上方に向けて広がる円錐あるいは台形の流入用チェンバー(2)を含むことを特徴とする請求請１乃至４に記載の流動床内における液体／固体作用を利用する装置。
【請求項６】
不活性素材のビーズ(12)が、流入用チェンバー(2)内に配置されていることを特徴とする請求請５に記載の流動床内における液体／固体作用を利用する装置。
【請求項７】
前記ビーズ(12)が、ガラス、プラスチック素材、またはアルミニウムからなることを特徴とする請求請６に記載の流動床内における液体／固体作用を利用する装置。
【請求項８】
リアクター本体(1)と流入用チェンバー(2)との間にハニカム型のグリル(13)を含むことを特徴とする請求請５〜７に記載の流動床内における液体／固体作用を利用する装置。
【請求項９】
前記活性化手段として、超音波変換機(15)がリアクター本体(1)周辺に配置されていることを特徴とする請求請1〜８に記載の流動床内における液体／固体作用を利用する装置。
【請求項１０】
リアクター本体(1)周辺に設置された電磁石(16)が活性化手段であり、前記電磁石(16)を垂直に且つ交互に移動させる移動手段を備えてなることを特徴とする請求請１〜８に記載の流動床内における液体／固体作用を利用する装置。
【請求項１１】
電磁石(16)ブロックボード(17)を有し、且つ反応性金属を形成する磁性鉄粒子に残留する残留磁気排除用の消磁用電磁石(20)を含むことを特徴とする請求請1０に記載の流動床内における液体／固体作用を利用する装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流動床内における液体／固体作用を利用する装置に関するものであり、具体的には、縦型リアクター本体、リアクター下端部分の処理溶液流入手段、リアクターへの反応性金属投入手段、リアクター上端部分からの排出手段そして溶液活性化手段を備えてなる流動床内における液体／固体作用を利用する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
数ある応用例の中でのリアクターは、液体環境下での物理的そして／または化学的反応を利用する目的で流動床を具備している。
【０００３】
国際出願公開番号第WO 00/47318号と欧州特許出願第14109号においては、流動床の液体／固体の反応を利用したいくつかの装置を開示しており、その中でセメンテーション反応用であり、その効率は磁気活性化により改善されている。
【０００４】
【特許文献１】国際公開第００／４７３１８号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、従来の装置の改善を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る装置は、縦型リアクター本体(1)と、リアクター下端部分における処理溶液流入手段(3)と、リアクターへの反応性金属投入手段と、リアクターの上端部分からの排出手段(4)と、溶液活性化手段とを備えてなる流動床内における液体／固体作用を利用する装置であり、リアクター本体(1)上端部分にラッパ形状の最終工程コンパートメント(6)を備えてなり、該最終コンパートメント(6)内には超音波発振エレメントが溶液中に浸されていることを特徴としている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明によれば、装置のリアクター本体上端部分に、ラッパ形状の最終工程コンパートメントが備えられており、その中には超音波発振エレメントが溶液内に沈められており、このことによって目的が達成される。その他のメリットと特性は、本発明を達成する手段について説明していく中でより明らかになるものであるが、これら手段は単に具体例として提示されるものであり、本発明に制限を加えるものではなく、添付の概略図に示されている。
【０００８】
図１で示されるように、この装置は、従来のように垂直で且つ非常に高さのあるリアクター本体１からなるが、このリアクター本体１はリアクター中間部分と下端部分に処理溶液流入手段である流入用チェンバー２を備えている。流入用チェンバー２は、投入管３に接続され、且つ逆流防止バルブが取り付けられており、リアクター本体１内に処理溶液を流入するように構成されており、投入管3から排出手段である排出管４までの間で溶液が垂直方向上昇サイクルとなり流動床を形成するようになっている。リアクター上端部の供給システム５は、例えば粒状の鉄のような反応性金属をリアクター内に導入するのに用いられる。溶液と反応性金属との混合物は、リアクター本体１内において適確な作用手段によって活性化されるが、図１では示されていない。
【０００９】
本発明では、装置は上記構成に加えて、上部において広がる形状の最終工程コンパートメント6を含んでいる。リアクター上部内で、このようにして、区間（section）が可変する流動床が形成される。超音波またはソノトロード７発振エレメントが、最終工程コンパートメント6内の溶液に沈められており、さらには、そのコンパートメント上部の一番広い所であることが望ましい。最終工程コンパートメント6の一番広い部分の断面が、リアクター本体1の断面と同等か、少なくとも２倍の大きさである事が望ましい。
【００１０】
リアクター最終工程コンパートメント6内のラッパ形状が、この箇所のリアクター内の溶液の線速度を大幅に減速させるように作用する。例えば、リアクター本体内の速度と比較したとき、最終工程コンパートメント6内の溶液速度を少なくとも30％減速させることが可能である。作用金属粒子と溶液との間の相対的減速が、その時点でゼロに近いのだが、作用金属と溶液との間の相互作用時間が増加し、その結果、金属粒子と溶液との間の反応交換移動係数が上昇する。
【００１１】
最終工程コンパートメント6内に沈められた超音波あるいはソノトロード7発振エレメントが、最終工程コンパートメント6内の溶液と反応性金属ビーズ間の液体／固体界面における化学反応を活性化する。これらエレメントは、化学反応の反応速度を改善し、反応後に作られる（電位が）貴なる素材の剥離を促すのであるが、それがなければ、反応性金属ビーズ上に定着し続けることになる。
【００１２】
ソノトロード7の設置については、例えば、排出管4の下部にある最終工程コンパートメント6の仕切り壁と連動する組立用枠（図面に無し）の上に設置し得る。図２は、公知のソノトロー7の具体化手段を示していて、該手段によると、突出部が形成されたロッドと連動する圧電素子８を含み、ロッド上には１つ若しくは多数のヘッド10（例えば6本）が配置され、これらヘッドは振動／共振作用エレメントを構成する。
【００１３】
最終工程コンパートメント6の出口において、溶液の体積と総体積（溶液と反応性金属粒子）との比である多孔率（透水率）は0.9を上回り得る。このようにして同流量であるなら、反応性金属粒子、例えば鉄粒子は、流動床外に排出管4方向へ押し流され、リアクター内により長く留まり、最終工程コンパートメント6内において活性化が継続される。排出される活性化金属ビーズの大きさは類似の活性化原理で処理される場合よりも十分小さい。この大きさにおける減少が、液体／固体接触面を増加させ、同時に反応速度を増加させる。したがって、リアクターから排出される溶液はさらに貴な金属を消費することになる。その結果、全体で使用される金属の割合は高くなり、そのため供給システム５からリアクターへの反応性金属ビーズの投入量を抑えることになる。供給システム５からリアクターに投入する反応性金属ビーズの流速及び直径を同様のものとした場合、金属の消費率は、90％のオーダに到達し得る。作用反応速度の改善で、リアクター全体の高さを低くすることになり、特に使用されるシステムの生産性が改善される。
【００１４】
それに加えて、特にセメンテーションの場合、溶液からの回収物である電位が貴なる金属の汚染リスクを減少させることにもなる。最終工程コンパートメントの大きさは、リアクター上端部より投入される反応性金属ビーズの大きさとリアクターの下端部分への流入時の溶液の流量とによって決定される。
【００１５】
図１，図２及び図３で示されているように、リアクター本体１は、リアクターの中間部分を構成し一様の面であるが、垂直かつ平行の多数のコンパートメント11に区分されることが望ましい。平行に並置したひとつづきの流動床が、このように形成される。図１のＡ−Ａ線断面の図３と図４においてそれぞれ示しているものは、垂直平面仕切り壁に区切られたコンパートメント11aの１の長方形断面リアクター本体1、そして、輪形で同心のシリンダー形状を持つコンパートメント11bに区切られる１のシリンダー型リアクター本体1である。
【００１６】
リアクター本体１とコンパートメント11の仕切り壁は、プラスチック素材を引抜き形材に使うことで実現されうるが、そのプラスチック素材の断面は正方形、長方形あるいは円形である。透明プラスチックを使用すれば、上方からリアクター本体１内部の反応性金属ビーズを目視することができる。リアクター本体１のモジュール組立てが、リアクター本体１に大きな機械的耐性を付与することになり、リアクターが変形することを防止することができ、その結果、仕切りのないリアクターに比べ、より多くの流動床の作業遂行が可能となる。
【００１７】
上記組立て方法によると、これまでは最高でも２ｍ程度の高さであったところが、３ｍ、４ｍさらには５ｍの高さに設計可能となる。
【００１８】
図１のリアクターの流入用チェンバー2は、円錐型（円形の台床断面）あるいは台形（長方形の台床断面）で、上方で広がる形状を有することが望ましい。
【００１９】
さらに、流入用チェンバー２には、溶液に対して不活性な、例えば、ガラス、プラスチックあるいはアルミニウムの素材のビーズが組み込まれており、それらビーズは、溶液の流動化とリアクター本体１への流入時の均一性を改善する目的を有している。流入用チェンバー２を満たしている不活性素材のビーズ12の粒度は、リアクターに投入される反応性金属ビーズの初期の粒度よりも大きい事が望ましい。流入用チェンバー２は、その他に、液体の速度によって生じる全ての乱流を防止すべく構成されている。これは、拡張された流入用チェンバー２によって得られるものであり、また、流入用チェンバー２は、液体の流れ及び速度を途切れさせることが可能なデフレクターを備えるようにしてもよい。
【００２０】
流入用チェンバー2 の容量は、流入の際の固有の全ての乱流現象と、全配管系及び／又は液体工程で機能する全システム内での液体溶液の流出とを減少させるよう計算されている。流入用チェンバー2 は、このようにしてこの装置の流体力学的パラメーターを明白な形で改善することを可能としている。
【００２１】
図１に示されたハニカム型のグリル13は、リアクター本体１と流入用チェンバー２との間に配設されることが望ましい。溶液は、このように流入用チェンバー２ からハニカム型のグリル13を通って、リアクター本体１へと流れる。これにより、リアクター本体１への溶液の流入の際には、液体の流入速度の制限と流入の均一化により乱流を制限することが可能となる。
【００２２】
吹出し弁付き排出管14が流入用チェンバー2 下部の側面に設置されているのは、流入用チェンバー２内部のビーズ12を排出するためと、さらに、必要とあらば流動床のビーズを排出するためである。
【００２３】
リアクター本体１内の流動床の活性装置は、特にリアクター内で使用する反応性金属ビーズの型式によって適宜選択されている。特に超音波及び／又は電磁波が使用可能である。
【００２４】
図５では、リアクター本体１ 内のコンパートメント11の区分化がされていないことから、活性装置は超音波型式にすることができる。複数の超音波変換機15を内蔵し、それら変換機は図2で示されたソノトロードと同タイプで、それぞれ1個から７個のアクティブなヘッドを有することが望ましい。超音波変換機15は、リアクタ―本体１の上から下へと配設され、好ましくは、リアクター側面の化学反応速度を増加させるために、リアクター本体１周辺の側面上に相互に位置をずらせて設置される。
【００２５】
超音波変換機は、例えば、20cmから100cmごとに規則正しく交互に、リアクター本体１の左右対称の構成を考慮に入れて配置される。この型によって得られる作用としては、亜鉛のような非磁性体金属ビーズの使用を可能にし、比重に応じて大きさとのバランスを取りつつ、異種のビーズを流動床に設置することを可能とすることである。
【００２６】
図６に示されているように、リアクター本体１にはコンパートメント11による区分化が困難であることから、この活性装置は電磁石を利用した形式とすることが可能である。この型式の活性装置は、セメンテーション型リアクターに特に適合している。なお、その中に用いられる反応性金属ビーズには鉄が含まれる。この活性装置には、電磁石16（図7）が含まれることが好ましく、例えば、それぞれの電磁石の構成は、軟鉄の鉄心に巻かれる銅線コイル状で、それら電磁石を組み込んだ樹脂サポート（thermical-compatible  resin  support）を、リアクター本体１を取り囲むように配置するのである。好ましい具体化手段としては、電磁石16をブロックボード17上に組み込むことでひとつの可動性台を形成し、この台を図6の矢印18で示すように垂直方向に交互に動かすというものある。
【００２７】
ブロックボード17の移動速度は、例えば、0〜1m/s 間で変化する。500kgにも達することもある電磁石の重量を支持するブロックボード17を交互に運動させ得る機械システムは、例えば、2本の縦方向等長のレール19と、１本の強化ポリプロピレンの駆動ベルトと、数本の表面硬化加工済みアルミニウムプーリーとから構成され、さらに自動制御手段（図には示されていない）を有することが望ましく、非同期電気モーター１台を備える。
【００２８】
これらは、好ましくは、樹脂サポートに浸されたコイルからなる。その樹脂は、反応活性化目的の作用性電磁石16をも同時に取り囲む。消磁用電磁石20は、作用を持つ床の一部若しくは全部を構成する鉄磁気素材上の作用性電磁石16が引き起こす残留磁気を取り去るか、少なくとも最低限に抑えるためのものである。そのため、消磁用電磁石20は、磁極と位相との対置に接続され、残留磁気のみに働くよう作用電磁石16より弱く設定されている。このことで、化学反応の異なる反応速度を改善し得る。
【００２９】
具体例としては、リアクター本体1が幅1.2mと厚さ10 cmであるセメンテーションリアクターが達成されるが、これは1200cm2規模を持つ中間部分の有効面に相当している。モデュールベースで多孔率およそ0.5、線速度およそ12 cm/s、を達成するようなリアクターであるならば、２価の銅イオンのセメンテーションが溶液流量50m3/hで可能であり、流動床は平均直径2.5 mmの鉄ビーズで機能する。
【００３０】
セメンテーションリアクターの流入用チェンバー2 は、20 × 10cmの長方形の底面を有し、リアクター本体1の規模（10 × 120cm）に達するように上方にいくにしたがって広がっていく。流入用チェンバー２は、50 cmの高さで、不活性素材の、例えば、アルミニウム、プラスチック素材、あるいはガラスのビーズ12で満たされ、0.3cm と、1〜2cm間の粒度を持つ。流入用チェンバー２内の不活性素材からなるビーズ12の量は、極めてわずかに膨張するビーズ床が形成されるように計算されている。
【００３１】
このリアクターのラッパ形最終工程コンパートメント6は、80cmの高さがあり、最高2.8m2の断面積を有している。最終工程コンパートメント6内では、流体の線速度がおよそ5.1cm/sと非常にゆるやかである。この部分は、超音波変換機を利用して活性化する。流動床外に引出された鉄微粒子をより長く留まらせるように働き、直径は、0.8〜0.5mmの間である。
【００３２】
最終工程コンパートメント6底面での平均多孔率は、約0.7に近いが、排出管４レベルでは0.9以上である。引出された粒子は、約0.4 mmの直径を有する。リアクターの最終工程コンパートメント6（チェンバー）を拡大することで、そこでの鉄消費量（金属消費量）を80％から90%だったものを95％から98%に移行させることができる。
【００３３】
図5において示されている具体例では、活性装置が超音波変換機15で構成され配置されている。溶液中に浸漬されているソノトロードはチタン製であり、バイブレーションノードと呼ばれる振動の結節となる部分を有している。その部分はソノトロードに基板金属に固定された圧電素子体を挿入して位置決めされる（図示せず）。
【００３４】
コンパートメント11によって区分化されたリアクター本体１のモジュラー式組立方法によると、リアクター本体１の高さを増すことができ、その結果、少なくともひとつの要因2である溶液の最終銅含有量を減らすことができる。
【００３５】
次の具体例は、同じリアクター本体１において最終工程コンパートメント6の有無によるそれぞれの結果比較を可能とするものである。鉄粒子上のセメンテーションによるpH約２の6価の硫黄と硫酸銅4g/lの溶液の処理にリアクターが使用される。リアクター本体１は、高さ３ｍ、幅0.6m、厚さ0.1mである。それぞれが幅15cmのコンパートメント11を４つ備えている。
【００３６】
最終工程コンパートメント6が無い場合、溶液は、排出管から銅含有0.3g/lで 25m3/hの流量で流出してしまうが、104kgの析出物（回収物）に含まれる93kgの銅の製造を可能にするものなので、89％の回収率に相当する。鉄の消費量は、102.1kg で、80%の効率に相当する。出てきた粒度は、11.5kgで、0.4〜0.6mmの間の粒度である。
【００３７】
リアクター本体１上に設置するラッパ形状の最終工程コンパートメント6は、高さ80cm、最高断面積1.4m2、さらに、それぞれ1000ワットの３つの超音波発振エレメント7を備えており、排出管4から排出される溶液には、0.05 g/lの銅しか含まなくなる。得られた銅析出物は、102.1kgであり、これは、純度99％において98％を上回る回収率に相当する。
【００３８】
このようにコンパートメント6の存在により、1時間あたり6.25kgの銅の追加回収が可能となり、このことは連続運転の場合なら年間50 トンの追加エネルギー消費に相当する。
【００３９】
前述の装置は、このようにして、流動床リアクター本体１の持つ最も大きな制約を克服するものである。実際にこれらの制約事項は、溶液の流入、流動床上部の微粒子活性化そしてリアクター本体の仕切り壁の持つ機械耐性と密接に関連しており、仕切り壁が特にプラスチック素材の場合には、仕切り壁の持つ機械耐性と密接に関連しているが、上述のリアクターはこれら異なるパラメーターを改善し得る。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の１実施例の装置の概略図である。
【図２】図１の超音波発振エレメントの具体例を示している。
【図３】図１に記載のリアクター本体の変更例を示しており、Ａ−Ａ線断面図の長方形断面である。
【図４】図１に記載のリアクター本体の変更例を示しており、Ａ−Ａ線断面図の円形断面である。
【図５】図１の装置に相当し、超音波変換機を内蔵した装置の概略図である。
【図６】図１の装置に相当し、電磁気超音波を組み合せた装置の概略図である。
【図７】図６の活性装置である電磁石ブロックボード部分の断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１…リアクター本体
２…処理溶液流入手段（流入用チェンバー）
３…投入管
４…排出手段（排出管）
６…最終工程コンパートメント
１１…コンパートメント
１５…超音波変換機
１６…電磁石
１７…ブロックボード
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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