(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに異なる密度特性を持った液相の第１物質と、非混和液層、固相、または気相である第２物質との少なくとも２つの物質の間の相互作用を生成する多相段階受動リアクタであって、
該多相段階受動リアクタは、
前記第１物質と第２物質とを当該リアクタに受け入れる入力端と、
前記第１物質と第２物質とを当該リアクタから排出する排出端と、
前記入力端と排出端との間に流路を形成する複数の段階とを備え、
流路の各段階は、隣接する段階の各曲率中心が互いに流路の反対側に位置するように曲線流路が構成され、
前記流路が、第１部材と第２部材の向かい合った波形の表面の間の隙間に形成されたチャンネルを決定していることを特徴とする多相段階受動リアクタ。
【請求項２】
前記第１部材は、前記第１部材と第２部材の隙間を調整するために第２部材に対して相対的に軸上で再配置可能であることを特徴とする請求項１に記載の多相段階受動リアクタ。
【請求項３】
前記流路は、放射状の流路であり、
第１部材と第２部材の向かい合う表面によって、半径が順次拡大する複数の輪状の段階が形成されていることを特徴とする請求項１、２の何れか１つに記載の多相段階受動リアクタ。
【請求項４】
第１部材と第２部材の向かい合う表面の間に形成される隙間は、一定の隙間となっていることを特徴とする請求項３に記載の多相段階受動リアクタ。
【請求項５】
前記入力端は、第１部材の軸上に配設されていることを特徴とする請求項３、４の何れか１つに記載の多相段階受動リアクタ。
【請求項６】
前記入力端と排出端の間の流量差を適応させるように構成されていることを特徴とする請求項３〜５の何れか１つに記載の多相段階受動リアクタ。
【請求項７】
前記多相段階受動リアクタは、外側枠を備えた第２部材と内側核部を備えた第１部材の互いに向き合う表面間に形成された直径が変化するほぼ輪状のチャンネルから構成されていることを特徴とする請求項１、２の何れか１つに記載の多相段階受動リアクタ。
【請求項８】
前記外側枠と内側核部の間に形成される隙間は、流路の経路に沿って可変であることを特徴とする請求項７に記載の多相段階受動リアクタ。
【請求項９】
前記外側枠と内側核部の間に形成される隙間は、流路の経路に沿って一定であることを特徴とする請求項７に記載の多相段階受動リアクタ。
【請求項１０】
前記多相段階受動リアクタの外側枠と内側核部の向き合う両面の間の流路ギャップを変化させれるよう、外側枠に対して内側核部を軸方向に位置変更することにより、リアクタの送流特性を変えることが可能に構成されていることを特徴とする請求項７〜９の何れか１つに記載の多相段階受動リアクタ。
【請求項１１】
前記多相段階受動リアクタの内側核部は、互いに端部が結合された複数の核部材から構成されていることを特徴とする請求項７〜１０の何れか１つに記載の多相段階受動リアクタ。
【請求項１２】
前記多相段階受動リアクタの外側枠および／もしくは内側核部が、中心軸上に同軸載置されていることを特徴とする請求項７〜１１の何れか１つに記載の多相段階受動リアクタ。
【請求項１３】
前記外側枠と内側核部の向き合う面の間に形成される隙間に内側枠が配設され
、同心で実質的に輪状であり半径が変化する２つのチャンネルが、前記外側枠と内側枠の向かい合う面の間と、前記内側枠と内側核部の向かい合う面の間とに形成されていることを特徴とする請求項７〜１２の何れか１つに記載の多相段階受動リアクタ。
【発明の詳細な説明】
発明の分野
本発明は、非混和性液相、固相、あるいは、気相の第２物質との、液相である第１物質の相間相互作用を促進させる多相段階受動リアクタに関する。
発明の背景
例えば、浮遊物処理における発泡を促進させるための泥水の曝気などの、２つ、あるいは、それ以上の相の混成および／または溶解を必要とするような工業的あるいは産業的な処理方法は、数多くある。固相および／まはた気相の液相への溶解を必要とするその他の適用例として、分離酸化、アルカリや酸溶液および／または泥水のｐＨ制御、侵出、イオン交換処理、卑金属の侵出とガス洗浄、熱交換処理、溶液抽出などがある。
本発明の目的は、異なる相の２つ以上の物質の相間相互作用を促進させるための多相段階受動リアクタや方法を提供することである。以下の本発明の説明における「相間相互作用」という語は、例えば、酸化、還元、飽和、イオン交換、溶解などの化学反応に限らず、衝突、破断、摩擦、圧縮、押出、エネルギー伝達などによる、作用する相が異なった相対密度にて特定されるような機械的相互作用を含む２つ以上の相間の相互作用を意味する。
発明の要約
本発明による多相段階受動リアクタは、その第１と第２の物質の相がそれぞれ異なる密度特性をもっており、液相の第１物質を、非混液和相、固相、または、気相である第２物質と相間で相互作用させる多相段階受動リアクタであって、前記の第１と第２の物質の流路を構成する複数の段階から成り、各段階は、流路の片側にその曲率中心が位置するような曲線流路を構成できるよう形状設定されており、少なくとも１つの段階では唯２つの向き合う面がこの流路を形成しており、続く段階では曲率中心が流路の反対側に位置しており、物質が第２物資のリアクタ内を通過するとき、相間の相互作用を促進させるよう、最初は一方向へ、次に反対方向へ、第２物質の粒子が第１物質中を強制移動されることを特徴とする。
普通の曲線上の点における曲率とは、その正接が固定軸となる曲線の弧長さに対する角度の（その点での）変化率である。その曲率は曲率半径の逆数であり、問題となる点での（凹部側の）曲線に接する円の半径である。円とは、曲率円であって、その中心はその地点での曲線の曲率中心である。曲線が曲率中心の周囲を追従しないかぎり、曲率中心は曲線での異なる点で変化する。それゆえ、流路の片側に位置する曲率中心は、曲率中心の軌跡を決定する。「流路の片側に位置する曲率中心」をもつ曲線流路に関しては、流路の片側に位置する少なくとも１つの曲率中心を意味するものであり、リアクタの各段階で決まる曲線流路においては、１つ以上の曲率中心が存在することが、理解できよう。
一般的には前記の各段階での流路は、基本的に同じ形状である。
好ましくは、前記の各段階は、流路中の粒子の乱流渦がほぼ解消、あるいは、少なくとも最小限になるよう、スムーズな曲面の流路が構成できるよう形状設定されている。それゆえ前記リアクターにより、液相の第１物質に対して、異なる相の１つ以上の物質の溶解が実行できる。例えば、液相の第１物質への、固相の第２物質および気相の第３物質の溶解である。
本発明では、前記の流路は、リアクタの外側枠と内側核部の互いに向き合う表面間に形成された直径が変化するほぼ筒状のチャンネルである。好適には、前記外側枠部は互いに端部が結合された複数の枠部材から成り、前記の内側核部は互いに端部が結合された複数のコア部材から成る。
別の適用例では、前記の流路は、その第１と第２の波状表面の頂点部と底部とが並設されている、第１の波状表面とその第１波状表面に対向する第２の波状表面の間に形成された波状チャンネルで構成されている。
本発明のさらにまた別の実施例においては、その第１と第２の物質の相がそれぞれ異なる密度特性をもっており、液相の第１物質と、非混液和相、固相、または、気相である第２物質との相間相互作用を促進させる方法であって、前記の第１と第２の物質を曲線形状の多段階流路に沿って強制送流させる工程から成り、各段階は、流路の片側にその曲率中心が位置するような曲線流路を構成できるよう形状設定されており、少なくとも１つの段階では唯２つの向き合う面がこの流路を形成しており、続く段階では曲率中心が流路の反対側に位置しており、物質が第２物資の流路内を通過するとき、相間の相互作用を促進させるよう、最初は一方向へ、次に反対方向へ、第２物質の粒子が第１物質中を強制移動されることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
本発明の主旨をより理解できるよう、以下に多相段階受動リアクタのいくつかの実施例を付随の図面を参照にして詳しく説明する。
図１（ａ）は、本発明の多相段階受動リアクタの第１の実施例を示す図１（ｂ）のＢ−Ｂ線における断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の多相段階受動リアクタのＡ−Ａ線における断面図である。
図２は、前記多相段階受動リアクタの第２の実施例の部分破断斜視図である。
図３は、前記多相段階受動リアクタの第３の実施例の部分破断斜視図である。
図４は、前記多相段階受動リアクタの第４の実施例の部分破断斜視図である。
図５は、図４の第４実施例の変更例の断面図である。
図６（ａ）と（ｂ）は、図４の実施例のさらに別の変更例の断面図である。
図７は、前記多相段階受動リアクタの第５の実施例の断面図である。
好適実施例の詳細な説明
図１に示されているように、多相段階受動リアクタの第１実施例の装置１０は、異なった相の２つ以上の物質の通過流路を構成している、本例では図１（ａ）のＣ、Ｄ、Ｅの３段階に分かれた複数階層から成る。各階層Ｃ、Ｄ、Ｅには、その流路１２の片側に曲面の中心が位置する曲線流路１２が設けられている。図１（ａ）から明かなように、例えば、階層ＤとＥのような隣接する階層の曲面の中心１４と１６とは互いに流路１２の反対側に位置しているので、運転時においては、リアクタ１０を通過する物質のうち、（密度が小さい相である）第２物質の粒子は、方向転換による慣性運動のため最初は一方向へ続いて反対方向へと、第１物質間を強制移動させられる。
例えば、典型的な適用例として、液体、気体、固体の粒子などの３相全部が共存する状態で、まず流入孔１８からリアクタ１０内へポンプにて導入される。気体と固体の粒子の液体に対する比率や混合体速度は、流路１２の通常の送流方向に液体の送流が行われるよう選択できる。各相間の相対密度が異なるため、混合体が流路１２内を所定方向へと送流される間、それぞれ違う慣性力が相にかかることになる。そのため、粒子がリアクタ１０のＤ階層を通過するときに、固体粒子は曲率中心１４から離れて曲半径Ｒ２を有する曲線部２０の外側に向かって移動する。同時に、気体成分は、曲中心１４に近づく方向へ、曲半径Ｒ１をもつ曲線部２０の内側に向かって移動する。なお液体物質は、隣接するＥ階層の曲線部２２に向かう通常送流方向へ流れる傾向をもっている。
そして物質がリアクタ１０の次のＥ階層へ流入すると、慣性力の方向が変わることになり、固体粒子は、Ｅ階層の曲率中心１６に向かう方向から離れて、曲半径Ｒ２を有する曲線部２２の外側に向かって前の反対方向へと移動する。同時に、気体成分は、曲中心１６の方向へ曲線部２２の内側に向かって強制移動される。リアクタ１０の各階層において３相全部が移動するので、液相内における固相と気相の交差移動の結果、３相間での激しい連続的な相互作用が発生する。そのため、一方では、気相を横切って固体が強制移動するため気体が小さい泡状に分解し、それら泡成分は液相内を連続的に移動するさいにさらに細かい糸状や板状に細分化されるが、他方では、移動する固体粒子は破断流や粒子間摩擦に曝されることになる。そこで流路内の曲線部の反対側への衝突により、流路壁では固体粒子の激しい摩擦が発生する。このようにして、どの相も集中することが絶えず阻止されて、通常の送流量において所定量に留まることができないので、大きな気体粒子や不活性量が発生することはない。しかも、相が流路の１カ所に隔離されることもないため、つまり、流路の曲率中心の位置が変わるという多相相互作用の連続動作を妨げない。
相間相互作用を促進させるための前記リアクタ内で発生する別の現象に、送流室内の内壁の凸部上でのガスの薄膜の形成がある。ガス粒子が曲線部２０の内側（壁凸部）へ強制移動されるとき、その一部が送流室の側壁に付着する。そのガス粒子は、側壁表面で押し返されたり汚染したりして、ガスの薄膜を形成するが、その薄膜は液相内を強制移動されて、次の段階での反対側の側壁凸部に向かう。そのガス薄膜は、一段階から次の段階へ接続する変曲点付近にて側壁から離脱する。
図１の多相段階受動リアクタ１０における各段階は、物質の流れでの乱流渦が解消できるよう、あるいは、少なくとも最小になるようなめらかな曲線の流路が形成できる形状設定になっている。そのような循環渦および／または乱流部分は、異なる相の分離を発生させ、うず流における非静止流および／またはエネルギー損失を発生させるため、リアクタ１０の効率的な作用に悪い影響を与える傾向がある。本実施例では、流路は、所定の高さと幅の比率（Ｈ：Ｗ）をもつ断面が長方形の波形チャンネルにて形状特定されている。そして、実際の曲面の中心あるいは曲率中心の位置が流路の片側から他方側へ、例えば、段階ＤとＥでの曲率中心１４、１６のように、交互に変化するような方法で、送流室の側壁はスムーズな曲線で構成されている。このようにして、送流パターンにおいて非連続性を生成することなく慣性場の方向が交互に変わることになり、流量内でみかけの循環渦および／または流場が発生しないのである。それゆえ、交差干渉送流にて作成される機械的および化学的相互作用における完全な制御が達成できる。
図１の実施例では、長方形状の鋼製フレーム２４にてリアクタの外枠部の側壁を形成しており、１対の鋼板２６によりリアクタ１０の上壁と底壁とを形成している。リアクタ内の送流室は、例えば、ポリウレタンを所望の形状に切断した、適度な剛性の材質の２個のブロックで構成されている。別の方法として、リアクタ１０の各段階を、上部と底板２６の間のフレーム２４内に複数のポリウレタン部品を並べて形成しても構わない。後者の構造は、損傷や摩耗があった場合にはリアクタ内の各段階を交換できるという長所をもつ。図２には、本発明の多相段階受動リアクタの第２の実施例３０が図示されている。この実施例での複数の波形チャンネル３２は、図１の波形チャンネルの形状と同様である。リアクタ３０のチャンネルの深さつまり高さＨは、その幅Ｗに比べて大きくしており、多量の物質の多相混合物を収容できるよう、同じ形状の複数のチャンネルが互いに平行に設置されている。図１の実施例と同様に、送流方向を変える慣性場がチャンネル３２の各流路３４で発生するため、リアクタ３０内でも、同様の相間相互作用および送流特性が達成できる。例えば、ＦとＧの段階がリアクタ３０を通過する物質の流路を形成するように、各チャンネル３２は複数の段階から成る。第１の実施例では、流路の片側へ偏った曲率中心をもつ流路構成にて１つの段階が形成されていて、続く段階では流路の他方側に曲率中心が位置している。そして、リアクタ３０を通過する多相混合物の振動あるいは震動する送流にて生成する遠心力により、液相内での異なる相の交差移動が起こるので、同様の相間相互作用が発生する。
図３は、本発明の多相段階受動リアクタの第３実施例４０で、物質の多相混合体が放射方向流路４２を流れるようになっている。放射方向流路４２は第１本体４４と第２本体４６の間に形成されており、第１と第２本体４４、４６は整合する円板波面状に構成されている。そして多相の混合物は、第１本体４８に軸方向に設置された流入口４８を経由して第１と第２本体４４、４６の間のギャップ部へ流れ込む。多相の混合物が放射方向流路４２内を外方向へ流れるとき、円板波形状に構成された半径方向に広がる複数の円形段階部を通過することになる。前述の実施例のように、リアクタ４０の各円形段階も、放射方向流路４２の片側にその曲率中心がある曲線流路を形成するような形状設定されている。さらに、隣接する段階でのそれぞれの曲率中心は流路４２の反対側にあって、前述実施例と同じような交互の慣性場を作成している。そのためリアクタ４０も同様の送流を行えるので、前述の実施例での軸方向対称形状にて流路４２内での交差移動により相間の混成や相互作用が発生させることができる。
本実施例の多相リアクタ４０は別の長所を備えており、第１第２本体４４、４６とを互いに軸方向へ移動させることにより流路の高さＨが調整可能であるため、慣性状態の発生における一般送流速度を制御して、相間の相互作用が促進できる。このような流路特性の変動により、摩耗をカバーしたり流量を変化させることができ、または、処理要件の変動に従って所望の慣性効果や交差移動を修正することができる。
図３の実施例は、例えば、温浸処理の前のアルミ精錬のベイヤー工程におけるリカー材を過熱するなどの、特にスラリー質における熱交換を促進するのにも有効である。迅速にスラリーを高温に過熱させるためには、飽和蒸気をスラリーに混ぜる。そして、蒸気が凝縮して、熱がスラリーに遷移する。この熱交換を促進するため相間の相互作用が高まるよう、蒸気とスラリーとが多相リアクタ４０へポンプ注入されるのである。気相の水（蒸気）がスラリーと相互作用して、飽和水分が凝縮するので、リアクタ内で多相混合体流量がかなり減少する。この流量変化はリアクタ４０の設計上で計算済みであって、その円形状により、流出量に比べた流入量の流量差を特性化処理している。
図４は、本発明の多相段階受動リアクタのさらに別の実施例５０で、流路５２は、リアクタの外側枠５４と内側核部５６の向き合う両面の間に形成された直径が変化するほぼ輪状のチャンネルで構成されている。普通は、リアクタの外側枠５４は端部が互いに結合された複数の同形シェルで構成されており、同様に内側核部５６も端部が互いに結合され中心軸上に同軸載置（図示しない）あるいはそのように設定指示されている複数のコア部材から成る。例えば、図４の段階ＨとＩのように曲線流路５２を形成して、それら外側枠部材や内側コア部材にてリアクタの複数段階が構成されている。
前記リアクタ５０の各段階は、流路５２の片側に曲面の中心がくるよう形状設定してあり、続く段階では曲面の中心が流路５２の反対側３にそれぞれ位置している。そのため、本実施例のリアクタ５０もまた、流路５２内での慣性場の方向変換により前述の実施例と同様の相間の相互作用を発生させることができる。長所として、外側枠５４と内側核部５６の向き合う両面の間の流路ギャップを変化させれるよう、外側枠５４に対して内側核部５６を軸方向に位置変更することにより、リアクタ５０の送流特定を変えることが可能である。
前記説明の実施例のそれぞれにおいて、その曲率中心は流路の反対側にくるけれども、各段階での曲面は続く段階の曲面と同じである。しかしながら、適用例によっては、流路の曲率中心を段階によって変えることが望ましい場合がある。曲面の変動により、第１と第２の物質が所定段階から次の段階へと送流されるとき、その流路方向での加速および／または減速動作させる。そして、そのような流速の変化により相間の相互作用が促進されるのである。
前記の混成、溶解、分散、その他作用を達成する目的で、リアクタの流量を相対的に多量の液体やスラリーに直接排出する必要がある適用例においては、流路の凸部側での物理的壁形状がなくても続く段階の流路の曲面域を形成できる。図４の実施例の変更例である、そのようなタイプの構成例が図５に示されている。図５は多相段階受動リアクタ６０の断面図であって、流路６２は、外側枠６４と内側核部６６の向き合う両面の間に形成された直径が変化するほぼ輪状のチャンネルで構成されている。リアクタ６０の構造は図４のもとをほぼ同じだが、リアクタ排出孔６８においては、それに近接する送流液内に事実上の曲率中心７２が存在するような凹部壁７０にて流路が形成されている。リアクタのこの段階では凸部が存在しないということは、密度が低い相でも送流液内の事実上の曲率中心７２方向へ移動できることを意味する。
前記リアクタの排出孔での同様の送流パターンは、図６に示されたようにリアクタ最終部を構成することにより形成できる。図６のリアクタ８０も図４の実施例の別の変更例であって、それぞれが外側枠８４と内側枠８６、および、前記内側枠８６と内側核部８８の向き合う両面の間に形成された直径が変化するほぼ輪状のチャンネルで構成された２つの同心の流路８２を備えている。このリアクタの排出孔９０では、図６（ｂ）から明らかなように、逆流を生成できるよう閉止壁つまり境界壁が存在しない。しかしながら、送流パターンは、そのような壁の存在や必要性に関係なく、その排出孔に近接する送流液内に事実上の曲率中心９２が位置するような曲線流路が形成できる状態にしてある。
図５と６の両実施例では、密度の低い相が前段階の凸部壁近辺から流れ出るときに、排出孔での事実上の曲率中心に向けて強制移動されることになる。しかし前段階にような移動できる物理的壁面がないので、流速や相対密度などの送流特性に従って、排出孔域での多量の液体内へ微細に分散される。
前記実施例のどの曲率中心も、リアクタの流路に沿った基本送流方向にほぼ垂直な平面上に位置している。これにより、所定段階から続く段階への乱流の伝播を防止することができる。慣性場により基本送流方向に垂直な方向に変わるので、基本送流方向への本流から分流することになる。それゆえ、１つの段階で生成された渦流は、次の段階での慣性場の反転により消滅させられるのである。
さて、前述のように本発明の多相段階受動リアクタのいくつかの実施例を説明したが、その好適実施例のリアクタは以下のような重要な長所を備える。
（１）可動部分がないので、構造が単純にでき、保守が簡単である。
（２）適用例に応じて、リアクタの大きさを自在に拡大縮小できる。
（３）非常に効率がよくて相間の相互作用が向上するため、少ない量の試料でも従来の処理法と同じか、あるいは、それ以上の結果が達成できる。
（４）多量の処理を行える。
（５）レイノルド値が高くて混成特性がよいため、高い反応率が達成できる。
（６）搬送量を増やすことができる。
（７）混成率が高いので、１つの相を他相に微細に分散できる。
（８）各段階での出口付近で個相の摩砕が発生するので、表面清浄でき、新しい可能反応個体を浸出相に曝らせることができる。
前記リアクタの能力を説明するため、好適実施例の金浸出処理への応用について記述する。一般に金浸出処理では、金鉱石やシアン化物を含むスラリーの酸素添加が必要である。酸素ガスと共にスラリーを受動リアクタにポンプ送流することにより、スラリー内の酸素の溶解が加速されるので、浸出処理を促進させることができる。さらに、固体鉱石粒子の相間の相互作用によるリアクタ内での高い摩砕率により、より多くの金を液相内のシアン化物や酸素に曝らすことができる。現状のレイノルド値が高いので十分な局所的混成が可能となるため、原材料粒子の境界層の影響が少なくなる。高い裁断性と改善酸素添加の組合せの結果、浸出処理の効率が驚くほど向上する。
硫化性の金鉱石を使ったテストでは、スラリーがリアクタ内を通過する時間長であるたった１秒の滞留時間の後に、金の総内蔵量の６５％が溶液中に溶解された。金の総内蔵量の残りの３０％は、周知の装置においてさらに１２時間の滞留の後に溶液中に溶解した。それに比べて、従来の酸素添加と浸出処理の方法では、最大でも金の総内蔵量の６５〜７５％ていどであった。それゆえ、本発明の多相段階受動リアクタは、金の総内蔵量の６５％の溶解の点で、３６０００倍も効率がよいといえる。
前述のように本発明の多相段階受動リアクタの実施例において、上記内容に加えて、本発明の主旨を逸脱することなく、その他の変更や修正が可能なのは、当業者にとって明白なのは言うまでもない。例えば、各実施例の流路を、送流パターンの非連続性をなくすためや、渦乱流を最小限にするために、よりいっそうスムーズな表面にて構成しても構わない。交互の慣性場を生成できる曲線流路は図７のような段付壁面でも構成できるが、この場合は上記実施例に比べて効率が劣る。送流室の壁面を非連続性に構成すれぱ循環渦流や乱流を起こす傾向があるが、固体粒子の集積物が停留して、局所的に高い摩耗率やエネルギー損失を発生させれる。さらに本発明は、好適実施例であるスムーズな曲線送流室を備えた構造に限定されないのは、言うまでもない。
上記の実施例では３つかそれ以上の段階をもつ構造が説明してあるが、片方の段階での流路に事実上の曲率中心があるような、わずか２つの隣接段階でもリアクタは機能できる。さらに、少なくとも片方が液相である条件を満たせば、２つあるいはそれ以上の数の異なる相をリアクタにポンプ供給して相間の相互作用を起こせることが可能である。例として、表面張力や密度などが異なるため、簡単には混成されない２つの液相がある。砂粒子などの固体粒子も混合体に混成させて、相間の相互作用を促進することができる。さらにまた、リアクタの同じ流路を反対方向に互いに別の相を送流しても構わない。そして、それら全部の変更例や修正例も、前記の説明内容や下記の請求項に定義されている本発明の範囲を逸脱することなく、可能である。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図７】
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【図４】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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