JP2013530821A - Continuous processing reactor and method of use thereof - Google Patents
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Abstract
流体の連続処理のための反応器を有するシステムが本明細書において提供される。概して、反応器は、外側容器に関連して処理または使用される流体を収容する外側容器と、エネルギー交換表面として機能する外側容器内に設置された内側容器と、流体の処理が沿って実施可能な、外側容器と内側容器との間で規定された環状空間と、を含む。連続薄膜反応器は、例えば、蒸留、蒸発、液体−液体または固体−液体−液体反応、有機反応、冷却および脱塩を実施するように用いることができる。Provided herein is a system having a reactor for continuous processing of fluids. In general, the reactor is capable of performing fluid processing along with an outer container that contains a fluid to be processed or used in connection with the outer container, an inner container installed in the outer container that functions as an energy exchange surface. And an annular space defined between the outer container and the inner container. Continuous thin film reactors can be used, for example, to perform distillation, evaporation, liquid-liquid or solid-liquid-liquid reactions, organic reactions, cooling and desalting.
Description
本願発明は、処理反応器、さらにとりわけ、処理される流体に高い熱伝達率、高い物質移動速度、高い混合速度および高い他の輸送(transport)速度を与えることができる連続処理反応器に関する。 The present invention relates to process reactors, and more particularly to continuous process reactors that can provide a processed fluid with high heat transfer rates, high mass transfer rates, high mixing rates, and high other transport rates.
化学反応過程における一般的な問題は、所望の製品を効率的に製造するように、いかにして反応器内において適切な流体力学を達成するかである。反応成分の分子が、触媒を含む反応の他の成分に接触するように反応物が混合される必要がある。気体反応物の存在は、反応効率を向上させるように気体成分と液体成分との間の境界における表面積の増加を更に必要するであろう。 A common problem in chemical reaction processes is how to achieve proper fluid dynamics in the reactor so as to efficiently produce the desired product. The reactants need to be mixed so that the reaction component molecules come into contact with other components of the reaction including the catalyst. The presence of gaseous reactants will further require an increase in surface area at the boundary between the gaseous and liquid components to improve reaction efficiency.
反応成分間における混合と接触とを改善するように、薄膜反応器は、とりわけ、処理チャンバーの内面(すなわち、処理表面)への触媒のコーティングを含むように構成されている。さらに、処理チャンバーの処理表面への触媒の接着を向上させるように、ゾルゲルまたはウォッシュコート(またはウォッシュコーティング、washcoating)を処理表面に塗布できる。しかしながら、コーティングは、時間とともに磨耗する傾向があり、不可避的に非活性化する。 In order to improve mixing and contact between the reaction components, the thin film reactor is configured to include, among other things, a coating of the catalyst on the inner surface of the processing chamber (ie, the processing surface). In addition, a sol gel or washcoat (or washcoating) can be applied to the treatment surface to improve the adhesion of the catalyst to the treatment surface of the treatment chamber. However, the coating tends to wear with time and inevitably deactivates.
成分間の表面積増加の要求に対処するように、いくつかの薄膜反応器は、処理される材料(例えば、流体等)を内壁上に供給するように用いることができる回転分配器を含むように構成されている。しかしながら、これらの反応器は、処理される材料について強力な熱交換と短い滞留時間とを組み合わせるために、このような構成は、材料が処理チャンバーに入ると、処理チャンバーとソース(または熱源、source)との間における急激の温度差に起因して材料を急速に膨張させることがあり、処理チャンバーの内壁上に材料の不均一な広がりをもたらす。 To address the need for increased surface area between components, some thin film reactors include a rotating distributor that can be used to feed the material to be processed (eg, fluid, etc.) onto the inner wall. It is configured. However, because these reactors combine strong heat exchange and short residence time for the material being processed, such a configuration can be used when the material enters the processing chamber and the processing chamber and source (or source of heat). ) Due to the rapid temperature difference between them and the material, the material may expand rapidly, resulting in a non-uniform spread of the material on the inner wall of the processing chamber.
他の薄膜反応器は、処理される材料を内壁(すなわち、処理表面)上に分配するように、処理チャンバーの内壁に適用できる1以上の回転ワイパーを備えている。しかしながら、処理表面上へのワイパーの直接接触は、材料の汚染と、ワイパーと反応器の内壁との望ましくない磨耗と、をもたらすであろう。更に、必要なワイパーの配置に起因し、処理チャンバーの内壁について実質的に全体の長さに沿った均一な薄膜を得ることは問題として残る。粘性流体の存在下において、不均一な流れに起因して材料の堆積が生じるであろう。このことが起こり、堆積した材料がワイパーに接触すると、回転システムは、機械的バランスを失う恐れがあり、回転を損なうかもしれない。 Other thin film reactors include one or more rotating wipers that can be applied to the inner wall of the processing chamber to distribute the material to be processed onto the inner wall (ie, the processing surface). However, the direct contact of the wiper on the treated surface will result in material contamination and undesirable wear between the wiper and the inner wall of the reactor. Furthermore, due to the required wiper placement, it remains a problem to obtain a uniform thin film along the entire length of the inner wall of the processing chamber. In the presence of viscous fluid, material deposition will occur due to non-uniform flow. If this happens and the deposited material contacts the wiper, the rotating system can lose mechanical balance and may impair rotation.
薄膜反応器は、また、回転盤を備えており、処理される流体が、回転盤から処理チャンバーの処理表面上に分配される。不幸にも、このような反応器は、十分に長い滞留時間を有するようには構成されておらず、大規模処理には適していない。更に、薄膜反応器の現在の構成では、これらの薄膜反応器は、高い輸送速度(すなわち、処理される流体に関連した比較的高い、熱伝達率、物質移動速度、混合速度またはそれらの組合せ)を備える能力を欠いている。 The thin film reactor also includes a turntable, and the fluid to be processed is distributed from the turntable onto the processing surface of the processing chamber. Unfortunately, such reactors are not configured to have a sufficiently long residence time and are not suitable for large scale processing. Further, in the current configuration of thin film reactors, these thin film reactors have high transport rates (ie, relatively high heat transfer rates, mass transfer rates, mixing rates or combinations thereof associated with the fluid being processed). Lacks the ability to have
従って、処理表面上で処理される流体または材料の実質的に均一な薄い分配を与えることができ、反応成分間の混合および/または接触を向上でき、十分に長い滞留時間を与えることができ、比較的高い輸送速度を与えることができ、高い処理量を与える構成を備えた薄膜反応器の必要性がある。 Thus, a substantially uniform thin distribution of the fluid or material being processed on the processing surface can be provided, mixing and / or contact between the reaction components can be improved, and a sufficiently long residence time can be provided, There is a need for a thin film reactor with a configuration that can provide relatively high transport rates and provide high throughput.
本願発明の1つの実施形態によれば、流体を処理するための反応器が備えられる。反応器は内面を有する外側容器を含み、処理される流体を該内面に接触して収容できる。1つの実施形態では、外側容器の内面は、処理される流体が実質的に均一な薄膜の状態で降下でき、比較的高い、熱伝達率、物質移動速度、混合速度、他の輸送速度またはそれらの組合せを有することができるように構成できる。外側容器の内面は、付加的な表面積を生成するように形状パターン(profiled pattern)を備え、処理される液体が、取り扱い(treatment)、処理(processing)、分離、滞留時間の増加の1つまたはそれらの組合せを容易にするように付加的な表面積に亘って流れることができる。反応器は、また、処理される流体のための熱交換面として働く外面を有する、外側容器内に設置された内側容器をも含む。1つの実施形態では、内側容器は、熱交換流体が内面に接触して流れることができる内面を含む。熱交換流体は、概して、内側容器の外面と外側容器の内面との間に温度差を与えるように、処理される流体の温度と異なり得る温度を有する。反応器は、経路を備えるために外側容器と内側容器との間に規定された環状空間を更に含み、流体の処理は、該経路に沿って実施できる。1つの実施形態では、環状空間は、外側容器と内側容器との間の温度差を維持し、処理される流体に比較的高い輸送速度を与えるように構成できる。さらに、環状空間は、処理される流体との相互作用のための第2の流体を収容できる。1つの実施形態では、第2の流体は、処理される流体の流れに対して逆流となるように環状空間内を移動できる。パッキング材料(packing material)のベッド(または床、bed)は、表面積を増加させるように環状空間内に備えられ、大量の処理される流体が、その輸送速度を向上させるために該表面積に亘って接触でき、かつ環状空間に亘って実質的に均一な温度分布を与える。 According to one embodiment of the present invention, a reactor for treating fluid is provided. The reactor includes an outer vessel having an inner surface and can contain the fluid to be treated in contact with the inner surface. In one embodiment, the inner surface of the outer container allows the fluid to be treated to descend in a substantially uniform thin film and is relatively high in heat transfer rate, mass transfer rate, mixing rate, other transport rate or those Can be configured to have a combination of The inner surface of the outer container is provided with a profiled pattern to create an additional surface area so that the liquid to be treated can be one of treatment, processing, separation, increased residence time or It can flow over additional surface area to facilitate their combination. The reactor also includes an inner vessel located within the outer vessel having an outer surface that serves as a heat exchange surface for the fluid being processed. In one embodiment, the inner container includes an inner surface through which heat exchange fluid can flow in contact with the inner surface. The heat exchange fluid generally has a temperature that may differ from the temperature of the fluid being processed so as to provide a temperature difference between the outer surface of the inner container and the inner surface of the outer container. The reactor further includes an annular space defined between the outer vessel and the inner vessel to provide a path, and fluid treatment can be performed along the path. In one embodiment, the annular space can be configured to maintain a temperature difference between the outer and inner containers and provide a relatively high transport rate for the fluid being processed. Furthermore, the annular space can contain a second fluid for interaction with the fluid to be treated. In one embodiment, the second fluid can move in the annular space such that it is in reverse flow with respect to the fluid flow being processed. A bed of packing material is provided in the annular space to increase the surface area so that a large amount of processed fluid can be spread over the surface area to increase its transport rate. It can be contacted and provides a substantially uniform temperature distribution over the annular space.
本願発明の別の実施形態では、流体を処理する方法が提供される。当該方法は、初期に、処理される流体を外側容器内に、その内面に接触するように導入する工程を含む。この工程において、取り扱われ、処理され、および/または分離される流体の能力を向上させ、処理される流体が、比較的高い、熱伝達率、物質移動速度、混合速度またはそれらの組合せを有することができるように、処理される流体の実質的に均一な薄膜の流れが外側容器の内面に接して与えられてよい。1つの実施形態では、処理される流体は、実質的に細かい液滴または繊維状の要素を外側容器の内面上に形成するように、回転様式で供給されてよい。この方法は、また、処理される流体の温度と異なる温度の熱交換面を有する内側容器を外側容器内に備える工程を含む。この工程では、処理される流体の温度と異なる温度で供給された熱交換流体を内側容器の内面に接して分配できる。熱交換流体の分配は、内側容器の内面上に実質的に細かい液滴または繊維状の要素を形成するように、回転様式であってよい。この方法は、外側容器内で処理される流体に比較的高い輸送速度を与えるように、外側容器と内側容器との間の経路に亘って温度差を維持する工程を更に含む。1つの実施形態において、該維持する工程は、内側容器の外面と外側容器の内面との間に比較的短い距離を有する経路を備えることを含む。さらに、第2の流体を経路内に移動でき、処理される流体と相互作用することができる。1つの実施形態では、第2の流体は、処理される流体の流れに対して逆流となるように移動できる。所望する範囲で、パッキング材料のベッドは、表面積を増加させるように経路内に位置でき、処理される流体が、輸送速度の増加のために該表面積に亘って接触できる。このような実施形態では、大量の処理される流体が、外側容器内および経路内に導入できる。 In another embodiment of the present invention, a method for treating a fluid is provided. The method initially includes introducing the fluid to be treated into the outer container so that it contacts the inner surface. In this step, the ability of the fluid to be handled, processed and / or separated is improved, and the fluid being processed has a relatively high heat transfer rate, mass transfer rate, mixing rate or combinations thereof. A substantially uniform thin film flow of the fluid to be treated may be provided against the inner surface of the outer container. In one embodiment, the fluid to be treated may be supplied in a rotating manner to form substantially fine droplets or fibrous elements on the inner surface of the outer container. The method also includes providing an inner container within the outer container having a heat exchange surface at a temperature different from the temperature of the fluid being processed. In this step, the heat exchange fluid supplied at a temperature different from the temperature of the fluid to be processed can be distributed in contact with the inner surface of the inner container. The distribution of the heat exchange fluid may be in a rotational manner so as to form substantially fine droplets or fibrous elements on the inner surface of the inner container. The method further includes maintaining a temperature differential across the path between the outer container and the inner container so as to provide a relatively high transport rate for the fluid being processed in the outer container. In one embodiment, the maintaining includes providing a path having a relatively short distance between the outer surface of the inner container and the inner surface of the outer container. In addition, the second fluid can be moved into the path and interact with the fluid being processed. In one embodiment, the second fluid can move in a reverse flow relative to the fluid flow being processed. To the extent desired, a bed of packing material can be positioned in the path to increase the surface area, and the fluid being processed can be contacted over the surface area for increased transport speed. In such embodiments, a large amount of fluid to be processed can be introduced into the outer container and into the pathway.
本願発明の処理反応器および処理方法は、有機システムに関連した液体−液体または固体−液体−液体相互作用を含む様々な用途(とりわけ、蒸留、蒸発、過熱した蒸気の冷却、紫外線および/またはマイクロ波初期反応、脱塩および二酸化炭素の除去)のために利用できる。 The processing reactor and processing method of the present invention can be used in a variety of applications including liquid-liquid or solid-liquid-liquid interactions associated with organic systems (especially distillation, evaporation, cooling of superheated steam, ultraviolet and / or microscopic). Wave initial reaction, desalting and carbon dioxide removal).
それぞれの反応器を通って処理される流体のための複数の通路が輸送速度を増加できるように、本願発明の反応器は、順番に(または直列に、in series)配置できる。このシステムにおけるそれぞれの反応器は、必要に応じて、異なる機能のために構成できる。または、本願発明の反応器は、第3の容器と内側容器との間に別の環状空間を備えるように内側容器内に第3の容器を含み、このような反応器を通って処理される流体のための複数の通路を可能にする。必要に応じて、追加の容器が更に備えられ、それぞれが従来の内側容器内に首尾よく設置される。 The reactors of the present invention can be arranged in sequence (or in series) so that multiple passages for the fluid being processed through each reactor can increase the transport rate. Each reactor in this system can be configured for different functions as required. Alternatively, the reactor of the present invention includes a third container in the inner container so as to provide another annular space between the third container and the inner container, and is processed through such a reactor. Allows multiple passages for fluid. If necessary, additional containers are further provided, each successfully installed within a conventional inner container.
本願発明の1つの実施形態によれば、材料の連続処理のための反応器を有する処理システムが提供される。反応器は、反応成分間の混合および/または接触を向上させるように処理される材料に十分に長い滞留時間を与えることができ、かつ比較的高い輸送速度を与えることができ、高い処理量を与える。 According to one embodiment of the present invention, a processing system is provided having a reactor for continuous processing of materials. The reactor can provide a sufficiently long residence time for the material being processed to improve mixing and / or contact between the reaction components, and can provide a relatively high transport rate, resulting in high throughput. give.
反応器は、概して、外側容器に接触して処理または使用される材料(例えば、流体および/または固体)を収容する外側容器と、エネルギー交換面として機能するように、外側容器内に置かれた内側容器と、外側容器と内側容器との間で規定された環状空間(比較的高い輸送速度を与えるように外側容器および内側容器に沿って温度差を与えることができる)と、を含み、処理される材料に関連して高い処理量を与える。 The reactor is generally placed within the outer vessel to function as an energy exchange surface with an outer vessel containing materials (eg, fluids and / or solids) that are processed or used in contact with the outer vessel. An inner container and an annular space defined between the outer container and the inner container (which can provide a temperature difference along the outer container and the inner container to provide a relatively high transport rate) and processing. High throughput is associated with the material being processed.
反応器
図1を参照して、1つの実施形態によれば、本願発明の処理システムは、とりわけ連続処理のための反応器10を備えてよい。図示するように、反応器10は、処理される流体を収容するための外側容器11を含む。1つの実施形態では、外側容器11は、処理される1または複数の流体(および必要に応じて外側容器11に接触して使用される任意の材料)を内部に収容できる本体部12を含む。1つの実施形態では、本体部12は実質的に円筒形状であり、上端部121と底端部122とを含んでよい。本体部12は、本体部12の上端部121と底端部122との間で延在している、内面123と向かい合った外面124とを含んでもよい。1つの実施形態では、内面123は、処理される流体を、内面123に接して、または内面123上に入れることができるように構成されてよい。1つの実施形態では、処理される流体は、実施的に均一な薄膜の状態で矢印125の方向に内面123の長さに沿って下方に流れることができる。1つの実施形態では、内面123に沿った流体の実質的に均一な流れは、例えば、重力の力によって容易にすることができる。流体が、薄膜として実質的に均一に流れることができることによって、流体は、比較的高いレベルのエネルギー効率で取り扱い、処理および/または分離によく適合でき、比較的高い輸送速度(すなわち、熱伝達率、物質移動速度および/または混合速度)を流体に与える。本願発明の1つの実施形態によれば、外側容器11の内面123上に与えられた薄膜の流れは、約1.0ミクロンから約1.0cmまでの範囲の厚さを有することができる。しかしながら、当然ながら、本願発明の反応器10はこの様式で制限されることを意図しないため、与えられた範囲よりも小さい、または与えられた範囲よりも大きい厚さも、また特定の用途に応じて検討される。
Referring to the reactor Figure 1, according to one embodiment, the processing system of the present invention, among other things may comprise a
外側容器11が、熱伝達率、物質移動速度、混合速度および/または高い他の関連した輸送速度を更に向上させる要求がある範囲で、処理される流体に比較的高い輸送速度を与えるように構成できる際、内面123は、付加的な表面積を生成するように形成でき、処理される流体が該付加的な表面積に亘って流れることができる。とりわけ、流体がそれに亘って流れることができる付加的な表面積を与えることによって、熱の伝達が流体へ(または流体から)生じることができる滞留時間または滞留期間が増加できる。内面123の形状パターンは、また、内面123に沿って流れている流体の表面張力を増加することを支援でき、内面123に沿った液体の実質的に薄く均一な膜を維持することを支援できる。内面123のための形状パターンの例は、溝である。1つの実施形態では、溝は、水平に、垂直に、ジグザグパターンで、または任意の他の構成で設置できる。溝は内面123に沿って備えることができるがしかし、任意の他の形状パターン(例えば、ギザギザ、凹凸(bump)、起伏(undulation))が輸送速度を増加させるのに支援できる限り、その形状パターンが備えられてよい。
The
本体部12の内面123に形状パターンを与えることに加えて(または代わりに)、内面123は、取り扱い、処理および/または分離を容易にするコーティングを含むことができ、内面123に沿って流れている液体に比較的高い輸送速度を与える。1つの実施形態では、このコーティングは、任意の化学的、物理的、電気的、磁気的または他のタイプの既知の技術特性を有してよい。
In addition to (or instead of) providing a shape pattern to the
当然のことながら、外側容器11の本体部12は、円筒形状として図示されるがしかし、例えば、三角形、正方形、六角形、八角形等の任意の形状もしくは構成、または任意の所定の長さおよび直径の任意の他の幾何学的構成を用途に応じて備えてよい。さらに、本体部12は、金属、金属合金、プラスティック、ガラス、石英、セラミックを含む任意の固体材料、または熱の伝達を可能にし、所定の温度で維持し、および/または必要に応じて温度の変化を可能にする任意の他の固体材料により作られてよい。
Of course, the
更に図1を参照して、反応器10の外側容器12は、とりわけ、本体部12の内面123に沿って処理され、かつ降下している流体を収集および除去するように構成された底部13を含んでもよい。さらに、底部13は、処理される流体に接触した使用のために、外側容器11内に他の1または複数の流体を導入するように構成されてもよい。1つの実施形態では、底部13は、本体部12と一体であってよい。または、底部13は、実質的な液体密封シールを備えるように本体部12に取り外し可能に固定されてよい。実質的な液体密封シールを備えるように、本体部12と底部13とが、相補的に係合するフランジ131を備え、該フランジが、ネジ、ナットおよびボルトの使用を介して、互いに固定できる。液体密閉シールを強化するように、ラバーoリングまたは他の同様のシールを、相補的に係合するフランジ131の間に備えることもできる。実質的な液体密閉シールを備えることができる限り、当然に、他の構成がフランジ131の使用以外に利用されてよい。さらに、所望する範囲で、底部13が本体部12に旋回可能に固定されてよい。
Still referring to FIG. 1, the
底部13内に収集された処理される流体の除去を可能にするように、少なくとも1つの排出口132を底部13に沿った場所に設置でき、収集された流体の除去が十分に達成できる。1つの実施形態では、底部13から除去された液体は、排出口132の近くに設置された集水溝(図示せず)内に、または任意の他の従来技術の手段を介して収集できる。または、外側容器11内に流体を導入するように、注入口133を底部13に沿って任意の場所に設置でき、流体を、底部13を通って導入できる。所定の用途において、底部13を通って反応器10内に導入できる他の流体との干渉を最小限にするように、本体部122の内面123に沿って流れている液体が、排出口132を通って他の液体が存在することができる底部13内において下方に流れるのを実質的に防止するように、仕切板134を排出口132に隣接して設置できる。
At least one
図示するように、底部13は放物線形状であってよい。しかしながら、当然ながら、底部13が、円錐形もしくは平らであり、または本体部12の底端部122の幾何学的な形状を補完できる任意の他の幾何学的な形状を備えてよい。底部13を1または複数の流体を収容するように用いることができるように、底部13は、金属、金属合金、プラスティック、ガラス、石英、セラミックを含む、本体部12が作られる材料と同じような任意の固体材料、または所定の温度で維持でき、および/もしくは必要に応じて温度の変化を可能にする任意の他の固体材料により作られてよい。
As shown, the bottom 13 may be parabolic. However, it will be appreciated that the bottom 13 may be conical or flat, or may have any other geometric shape that can complement the geometric shape of the
反応器10の外側容器11は、外側容器11内で処理される流体を保持するための上部14を更に含んでよい。底部13に類似した上部14は、本体部12と一体であってよい。または、上部14は、実質的な液体密封シールを備えるように本体部12に取り外し可能に固定されてよい。実質的な液体密封シールを備えるように、本体部12と上部14とは、相補的に係合するフランジ141を備え、該フランジは、ネジ、ナットおよびボルトの使用を介して、互いに固定できる。液体密閉シールを強化するように、ラバーoリングまたは他の同様のシールが、相補的に係合するフランジ141の間に備えることもできる。実質的な液体密閉シールを備えることができる限り、当然に、他の構成が、フランジ141の使用以外に利用されてよい。さらに、所望する範囲で、上部14が本体部12に旋回可能に固定されてよい。
The
1つの実施形態では、上部14は、液体と気体とを含む任意の流体(本体部12の内面123に沿って流れている流体の処理に接触して用いられてよい)の除去を可能にするように、少なくとも1つの排気管(exhaust)142を備えてよい。排気管142は、内面123に沿った流体の処理の間、外側容器11を加圧することに用いることができる任意の気体を解放するように用いられてもよい。図示するように、上部14は、放物線形状であってよい。しかしながら、当然ながら、上部14が、円錐形、平らであり、または本体部12の上端部121の幾何学的な形状を補完できる任意の他の幾何学的な形状を備えてよい。更に、上部14が、高圧に耐える必要があるかもしれないため、上部14は、金属、金属合金、プラスティック、ガラス、石英、セラミックを含む、本体部12が作られる材料と同じような任意の固体材料、または所定の温度で維持でき、および/もしくは必要に応じて温度の変化を可能にする任意の他の固体材料により作られることが好ましいであろう。
In one embodiment, the upper portion 14 allows for the removal of any fluid, including liquids and gases (which may be used in contact with processing fluid flowing along the
排気管(exhaust)、注入口または排出口(outlet)として言及されるこれらの開口部(openings or aperture)は、外側容器11からの流体を導入または除去するように用いることができることに留意すべきである。
It should be noted that these openings or apertures, referred to as exhausts, inlets or outlets, can be used to introduce or remove fluid from the
図1を更に参照すると、外側容器11に加えて、反応器10は、外側容器内に設置されかつ外側容器11の内面123(すなわち、処理表面)に沿って流れている流体のために熱交換面を備えるように構成された内側容器15を更に含んでよい。1つの実施形態では、内側容器15は、実質的に円筒形状であり、かつ外側容器11内に同心円状に設置され、内側容器15と外側容器11とが、互いに実質的に軸方向に一直線になり得る。さらに、内側容器15は、外側容器11の直径よりもある程度小さい直径を有し、環状空間16は、経路を備えるように内側容器15と外側容器11との間で規定され、外側容器11の内面123に沿った流体の処理を該経路に沿って実施できる。1つの実施形態では、内側容器15および外側容器11のサイズおよび直径、または一方の容器の他方の容器に対するサイズおよび直径の相対的な比率は、特定の用途によって変更および決定できる。外側容器11内に位置した内側容器15を支持するように、内側容器15は、直立して、またはレッグ(leg)151上に設置されてよい。レッグ151が、外側容器11の底部13内に設置され、流体の流れが、底部13全体に亘って維持される必要があるかもしれないため、流体の流れがレッグ151を通過して進行できるように、レッグ151は多孔質であってよい。
Still referring to FIG. 1, in addition to the
図示するように、内側容器15は、反応器10内で熱交換面として働くように構成された本体部17を含んでよい。とりわけ、内側容器の本体部17は外面171と内面172とを含み、熱交換流体が、外面171および内面172に沿って矢印173の方向に流れてよい。1つの実施形態では、内側容器15の内面172に沿って流れている熱交換流体は、外側容器12の内面123に沿って流れている処理される流体と異なる温度で供給されてよい。異なる温度を有した熱交換流体を供給することによって、外側容器12の内面123に沿って流れている流体の取り扱い、処理および/または分離の際に、比較的高い輸送速度を容易にするように外側容器11の内面123と内側容器15の外面171との間の環状空間16に亘って温度差が生じ得る。熱交換流体の例は、水、油、グリコール混合物、ダウサーム(商標登録)または熱交換を実施できる任意の流体を含む。
As shown, the
1つの実施形態では、熱交換流体が実質的に均一な薄膜の状態で内面172の長さに沿って下方に流れることができるように、外側容器の内面123に類似した、内側容器15の内面172が構成されてよい。1つの実施形態では、内面172に沿った熱交換流体の実質的に均一な流れは、例えば重力によって容易にすることができる。本願発明の1つの実施形態によれば、内側容器15の内面172に与えられた薄膜の流れは、約1.0ミクロンから約1.0cmの範囲の厚さを有してよい。しかしながら、本願発明の内側容器15がこの様式で制限されるように意図されないため、与えられた範囲よりも小さい(または大きい)厚さが、特定の用途に応じて検討されてもよいことに留意すべきである。
In one embodiment, the inner surface of the
比表面張力の増加を支援し、内側容器15の内面172に沿った流体の実質的に薄く均一な膜を維持するように、内面172が、外側容器11の内面123に沿って備えられた形状パターンと類似した形状パターン(図示せず)を備えることができる。内側容器15の内面172のための形状パターンの例は、溝を含む。1つの実施形態では、当該溝は、水平に、垂直に、ジグザグパターンで、または任意の構成で備えられてよい。溝は、内面172に沿って備えられてよいがしかし、例えば、ギザギザ、凹凸(bump)、起伏(undulation)などの他の形状パターンが、薄膜の流れの均一性を向上させることに支援できる限り、該形状パターンを備えることができる。
A shape in which the
当然ながら、内側容器15の本体部17は、円筒形状として図示されるがしかし、例えば、三角形、正方形、六角形、八角形等の任意の形状もしくは構成、または任意の所望の長さおよび直径の任意の他の幾何学的な構成を用途に応じて備えてよい。さらに、本体部17は、外側容器11の内面123と内側容器15の外面171との間に亘って温度差を生ずるように、金属、金属合金、プラスティック、ガラス、石英、セラミックを含む任意の固体材料、または熱の伝達を可能にし、所定の温度で維持され、および/もしくは必要に応じて温度の変化を可能にする任意の他の固体材料により作られてよい。
Of course, the body portion 17 of the
反応器10の内側容器15は、本体部17の内面172から降下している熱交換流体を収集および除去するための底端部18を含んでもよい。1つの実施形態では、本体部17に実質的な密着流体シールを備えるように、底端部18は本体部17と一体であってよい。底端部18から収集された流体の除去を可能にするように、出口ポート181が備えられてよい。1つの実施形態では、出口ポート181は、外側容器11の底部13と流体輸送路であり、熱交換流体は、内側容器15から外側容器11の底部13内に出ることができ、その後、熱交換流体は、排気口182を通過して除去できる。図示するように、底端部18は、円錐形状であってよい。しかしながら、当然ながら、底端部18は、放物形状もしくは平らであり、または底端部18が熱交換流体を内側容器15内に保持するように機能できる限り、任意の他の幾何学的な形状で備えられてよい。
The
反応器10の内側容器15は、内側容器15内に熱交換流体を保持するための上端部19を更に含んでよい。1つの実施形態では、上端部19は、本体部17に実質的な密閉流体シールを備えるように、本体部17と一体であってよい。底端部18と同様に、内側容器15の上端部19は、円筒形状であってよい。しかしながら、当然ながら、上端部19が、放物線状もしくは平らであり、または上端部19が、内側容器15内に熱交換流体を維持するように機能できる限り、任意の他の幾何学的な形状で備えられてよい。
The
本願発明の1つの実施形態では、内側容器15の上端部19と底端部18とは、内側容器の本体部17のために備えられた材料と同じような任意の固体材料により作られてよい。このような材料の例は、金属、金属合金、プラスティック、ガラス、石英、セラミックス、または熱の伝達を可能にし、所定の温度で維持され、および/もしくは必要に応じて温度の変化を可能にする任意の他の固体材料を含む。
In one embodiment of the present invention, the
上述したように、外側容器11の内面123と内側容器15の外面171との間の温度差を維持し、取り扱い、処理および/または分離を容易にし、内面123に沿って流れている流体に比較的高い輸送速度を与えるように、環状空間16が、外側容器11の内面123と内側容器15の外面171との間に設置されてよい。本願発明の1つの実施形態では、環状空間16が、経路を備え、外側容器11の内面123に沿った流体の処理が該経路に沿って実施できるため、環状空間16は、降下している処理される流体に接触し、かつ影響を及ぼすために、少なくとも第2の流体(すなわち、気体または液体)を環状空間16内に入れることができる構成を備えてよい。1つの実施形態では、第2の流体は、環状空間16内で上方に(すなわち上昇する流れ)移動でき、かつ矢印125の方向に沿って処理される流体の降下している流れに対して逆流となるように矢印161の方向に沿って移動できる。上昇している第2の流体と降下している処理される流体との間に逆流の流れを形成することによって、第2の流体と処理される流体との間の界面における接触部が、比較的高い輸送速度を与える比較的大きい表面積に亘って増加できる。
As described above, the temperature difference between the
さらに、形状パターンを有する、外側容器11の内面123および内側容器15の外面171の1つまたは両方を備えることによって、環状空間16内の降下している流体と上昇している流体との間で接触が起こり得る滞留時間または滞留期間が、実質的に増加できる。内側容器15の外面171に示すパターン174のような形状パターンが利用されてよい。または、溝、ギザギザ、凸凹、起伏のような他の形状パターンが用いられてよい。さらに、これらのパターンのそれぞれは、上述したように、水平に、垂直に、ジグザグパターンで、または任意の他の構成で備えられてよい。説明する目的のために、示される形成パターン174は、外側容器11の内面123および内側容器15の内面172のそれぞれに実施できる。環状空間16内のプロセスの滞留時間を増加させることによって、1つの実施形態では、該プロセスは、比較的より高い、エネルギー効率および他の処理効率を得ることができる。
Furthermore, by providing one or both of the
本願発明の1つの実施形態によれば、環状空間16は、約0.2cmから約2cmまでの範囲の幅を有して備えられてよい。しかしながら、任意のサイズ幅を有する環状空間を用いることができることを理解すべきである。環状空間16を横切る比較的短い距離に起因して、環状空間16内に形成できる温度差または温度勾配は、比較的より高いエネルギー効率および処理効率をもたらすこともできる。更に、反応器10の構成に起因して、環状空間16は、反応速度に影響を及ぼすために、所定の用途に関連して真空条件下で維持できる。当然ながら、第2の流体が環状空間16内に移動できることに起因して、排出口132に隣接して設置された仕切板134のサイズおよび構成は、仕切板134が内側容器15と接触せずに環状空間16内まで延在することを可能にする。そのようにして、仕切板134の存在は、環状空間16内への第2の流体の流入を危うくすることを回避し、流体を外側容器11の内面123から排出口132を通って移動する十分な長さを維持している。
According to one embodiment of the present invention, the
外側容器11の内面123に沿って処理される流体に輸送速度を更に与え、かつ増加させるように、内面123に沿って流れている流体を加熱または冷却するためのソースとして働くように、熱ポンプジャケット111のようなエネルギーソースが、外側容器11の本体部12周辺に環状に備えられてよい。例えば、環状空間16内において、降下している処理される流体と上昇している第2の流体との間の相互作用が、降下している流体のある程度の温度変化をもたらす場合、ジャケット111は、降下している流体の温度を必要に応じて所望の温度が達成されるまで上げまたは下げて調節するように用いられてよい。
A heat pump to act as a source for heating or cooling the fluid flowing along the
1つの実施形態では、ジャケット111は、任意の商用の熱ポンプであり、誘導要素(inductive element)、抵抗要素(resistive element)または導電要素(conductive element)を含んでよい。ジャケット132は、熱的性能を改善する付加的な要素を更に含んでよい。または、ジャケット111は、熱ポンプの代わりに、相対的に上昇した温度または相対的に冷たい温度の流体がジャケット111を通り抜けることができ、外側容器11の内面123に沿って流れている流体を加熱または冷却するためのソースとして働くように構成されてよい。そのようにして、ジャケット111は、気体、液体、固体、または流体がジャケット111を出入りできるポート112を含んでよい。1つの実施形態では、ジャケット111は、金属、金属合金、プラスティック、ガラス、石英、セラミック、または高温もしくは冷温を維持、かつ与えることができる任意の他の材料により作られてよい。
In one embodiment, the
本願発明の反応器10の利点の1つは、処理するための外側容器11の内面123に沿った実質的に均一な薄膜を与える能力である。そのため、反応器10は、1つの実施形態によれば、図1に図示するような流体供給システム101を利用する。1つの実施形態では、供給システム101は、処理される流体をソース(図示せず)から外側容器11内に導入するように構成された経路102を含んでよい。供給システム101は、経路102と流体輸送路である、円盤のような第1の回転可能な部材103をも含むことができ、経路102からの流体は、必要に応じて、連続的に移動でき、その後、第1の回転可能な部材103によって外側容器11の内面123上に供給できる。
One advantage of the
当然ながら、1つの実施形態では、部材103は、回転が遠心動作をもたらす様式で、経路102から受容された流体を部材103周辺(すなわち、端部)に向かって外側に移動するように構成できる。部材103の回転は、部材103周辺の流体を部材103から離れ、外側容器11の内面123上に、実質的に細かい液滴または繊維状の要素に更に連続的に分離できる。内面123上への実質的に細かい液滴または繊維状の要素の連続的な供給は、処理される流体が内面123に沿って降下するように実質的に均一な薄膜を形成することができる。
Of course, in one embodiment, the
図1に示す実施形態では、部材103は、外側容器11内の細長いチューブ104上に設置され、経路102から離れてよい。図示したように細長いチューブ104は、外側容器11の底部13を通って内側容器15内まで延在し、かつ内側容器15の上端部19を通過して延在してよく、経路102と実質的に軸方向に一直線になる。1つの実施形態では、チューブ104は、排出口182内に同軸に設置でき、内側容器15から排出する流体が出ることができる。
In the embodiment shown in FIG. 1, the
供給システム101は、チューブ104と流体輸送路であり、内側容器15内に設置された第2の回転可能な部材105を含んでもよい。1つの実施形態では、第2の回転可能な部材105は、内側容器15の内面172上に、熱交換流体の実質的に均一な薄膜を供給するように用いられてよい。図示するように、第2の部材105は、孔を開けることができ、チューブ104に沿って移動された流体を第2の部材105から供給できる。
The supply system 101 is a
第1の回転可能な部材103と同様に、第2の回転可能な部材105は、回転が遠心動作をもたらすこのような様式で、チューブ104から受容された流体を部材105周辺(すなわち、端部)に向かって外側に移動するようにも構成できる。第2の部材105の回転は、周辺の流体を実質的に細かい液滴または繊維状の要素として、内側容器15の内面172上に、パーフォレーション(perforation)を通って更に連続的に供給できる。内面172上への実質的に細かい液滴または繊維状の要素の連続的な供給は、実質的に均一な薄膜を内面172に沿って降下している処理される流体として形成することを可能にする。
Similar to the first
供給システム101は、例えば、矢印106で示される方向へのチューブ104の回転と、従って部材103、105の回転とを作動するように構成されたモーター(図示せず)を更に含んでよい。1つの実施形態では、モーターは、部材103が位置するのと反対のチューブ104の端部に連結され、かつ十分な速度で回転するように構成されてよい。1つの実施形態では、モーターの回転速度は、必要に応じて回転速度を変更できるように制御されてよい。例えば、流体の流動速度が変化した場合、モーターの回転速度は、薄膜の均一な分配を確実にするように変更できる。
The delivery system 101 may further include a motor (not shown) configured to operate, for example, rotation of the
図2に示すように、供給システム101内の第1の回転可能な部材103の位置は、経路102から離れているように図示されるがしかし、回転部材103が経路102に実質的に接触して、経路102と流体輸送路になり得るように、構成されてよい。図2に示す実施形態では、経路102は、チューブ104の延長であり、チューブ104と実質的に軸方向に一直線であってよい。すなわち、内側容器15の上端部19から延在し、外側容器11の上部14を通過して延在し続けるように、チューブ104は延長されてよい。他方では、第1の回転可能な部材103は、その周辺に開口部(図示せず)を含み、回転可能な部材103内に移動された流体は、部材103内から開口部を通って、外側容器11の内面123上に供給できる。モーター(図示せず)は外側容器11の上部14から延在しているチューブ104の端部に連結され、矢印20の方向にチューブ104の回転を作動してよい。当然に、所望する範囲で、モーターは、外側容器11の底部13に隣接した、チューブ104の反対の端部に代わりに連結されてよい。
As shown in FIG. 2, the position of the first
図2に図示すように、第1の回転可能な部材103が供給する目的のために回転可能であり、かつその周辺に開口部を備えることができる限り、中空の円盤、中空のチューブまたは任意の他の構成であってよい。しかしながら、当然ながら、図3に示すように、回転可能な部材103が、第2の回転可能な部材105に類似した構成を備えることもできる。特に回転可能な部材103は、複数のパーフォレーションを備え、チューブ104の経路102に沿って移動された流体は、回転可能な部材103内に存在でき、そこから供給できる。
As shown in FIG. 2, as long as the first
図4を参照して、そこでの所定の用途のために、反応器10の環状空間16は、薄膜の流体を収容する代わりに、大量の処理される流体で満たされてよい。このような1つの実施形態では、本出願の連続反応器10は、環状空間16内にパッキング材料40のベッドを備えてよい。パッキング材料40のベッドは、表面積を増加させるように用いることができ、大量の処理される流体は、輸送速度を増加させるように該表面積に亘って接触できる。1つの実施形態では、パッキング材料40は、流体を処理できる滞留時間または滞留期間を増加させるように、メッシュ状の材料、気泡、モノリス(monolith)または処理される流体が通過する必要がある実質的に入り組んだ(または曲がりくねった、tortuous)経路を有することができる任意の他の材料を含んでよい。このような1つの実施形態では、反応は、処理される流体の存在下で、環状空間16内に導入される逆流する気体を含んでよい。この導入によって、逆流する気体は、大量の流体内に気泡を生成でき、かつパッキング材料40のベッドを通過できる。さらに、パッキング材料40のベッド内の入り組んだ通路の存在と、パッキング材料40の存在とが、それぞれの気泡を結合するように働く、または多数のより小さい気泡に分割するように働くことができる。このようにして、処理される流体との反応のためのたくさんのより多い気泡全体に亘って表面積の増加が生じることができる。1つの実施形態では、より小さい気泡が生成されるにつれて、パッキング材料40のベッドは、環状空間16内の大量の流体中に気泡を実質的に均一に分配するように機能できる。
Referring to FIG. 4, for certain applications therein, the
所望する範囲で、パッキング材料40は、取り扱い、処理および/または分離を容易にする触媒層によりコーティングでき、比較的高い輸送速度を伴う、環状空間16を通って流れている流体を更に向上させる。1つの実施形態では、例えば、外側容器11の内面123を介したジャケット11によっておよび/または内側容器15の外面171を介した熱交換流体によって特定の用途に応じてパッキング材料40は加熱または冷却できる。更に、加熱または冷却する際、環状空間16内のパッキング材料の存在は、環状空間16に亘って実質的に均一な温度分布を与えることができる。
To the extent desired, the packing
作業
図1を再び参照して、作業中、処理される流体は、概して、経路102を通過して反応器10の外側容器11内に実質的に連続して導入されてよい。処理される流体は、次に、第1の回転自在な部材103上(または内部)に移動され、部材103の回転による遠心力に起因して、部材103周辺(すなわち端部)に向かって外側に移動できる。部材103の回転は、周辺の流体を実質的に細かい液滴または繊維状の要素として部材103から外側容器11の内面123上に更に連続して供給させる。内面123上への実質的に細かい液滴または繊維状の要素の連続的な供給は、処理される流体が内面123に沿って降下するように実質的に均一な薄膜を形成することができる。
Referring back to operation FIG. 1, during operation, the fluid to be processed may generally be introduced substantially continuously through the
処理される流体が経路102を通って導入される頃に、処理される流体の温度と異なる温度の熱交換流体が、チューブ104を通って内側容器15に実質的に連続して導入されてよい。この熱交換流体は、その後に、第2の回転自在な部材105内に移動され、再び、回転部材105によってもたらされる遠心力に起因して、熱交換流体は、部材105周辺に向かって移動する。それ故、第1の回転可能な部材103と同様に、熱交換流体は、実質的に均一な薄膜が内面172に沿って流れることができるように、実質的に細かい液滴または繊維状の要素として内側容器15の内面172上に連続的に供給できる。
As the fluid to be treated is introduced through
所定の用途では、例えば、気体−液体反応において、逆流する流体(すなわち、気体)が、外側容器11の底部13上の注入口133を介して環状空間16内に導入できる。このような流体は、内側容器15の外面171に沿って環状空間16内に移動され、外側容器11の内面123に沿って移動している降下する処理される流体(すなわち、液体)と相互作用することができる。環状空間16に沿って逆流する流体の存在は、降下している流体の反応、取り扱い、処理または分離の効率を向上できる。このような効率の向上は、降下している流体との接触部の増加の結果となり、および/または降下している流体と上昇している逆流する流体との間の境界における表面積の増加の結果となり得る。このような用途では、降下している流体と上昇している逆流する流体との間の連続的な相互作用に基づいて生じた反応は、それぞれの流体の温度に影響を及ぼすことができる(発熱反応)。そのため、降下している処理される流体の温度は必要に応じてジャケット111によって制御できるがしかし、内側容器15の外面171に沿って逆流する流体の温度は、内側容器15の内面172に沿って移動している熱交換流体によって制御できる。
In certain applications, for example, in a gas-liquid reaction, a backflowing fluid (ie, gas) can be introduced into the
降下している処理される流体が、外側容器11の内面123に沿って流れ、一旦、降下している処理される流体が、底部13に到達すると、排出口132内に移動され、反応器10から除去されてよい。同じように、降下している熱交換流体が、一旦、内側容器15の底端部18に到達すると、降下している熱交換流体が、出口ポート181を通過し、排気口182を通って反応器10から除去されてよい。
The descending processed fluid flows along the
本願発明の反応器10の構成に起因して、処理される流体の実質的に均一な薄膜の流れと、処理される流体と逆流する流体との間の相互作用のための表面積の増加および滞留時間の増加と、を与える反応器10の能力と、狭い環状空間16に亘って温度勾配を形成するように、処理される薄膜の流体と熱交換流体との間に温度差を与える能力と、を備えた本願発明の反応器10は、取り扱い、処理および/または分離を向上でき、このような流体に比較的高い、熱伝達率、物質移動速度および/または混合速度のような輸送速度を与える。さらに、実質的に大きい表面積に亘って流体の実質的に均一な薄膜を連続的に供給する能力に起因して、本願発明の反応器10が、関与した1または複数の流体の実質的に高い処理量の処理を提供できる。
Due to the configuration of the
実施例1:液体−液体または固体−液体−液体反応
図1、2、3および5に図示した実施形態に示すように、本願の反応器10は、有機システムに関連した流体−流体反応または固体−流体−流体反応に適用可能である。当然ながら、本明細書および本出願全体に亘って用いられる用語流体は、気体と液体とを含む。従って、反応器10は、例えば、気体−液体、液体−液体、固体−気体−液体反応または任意の他の組合せに適用可能である。
Example 1: Liquid-Liquid or Solid-Liquid-Liquid Reaction As shown in the embodiments illustrated in FIGS. 1, 2, 3 and 5, the
1つの実施形態では、図1、2および3に図示した反応器10は、高圧および高温が用いられる有機システムのための特定の用途(例えば、水素添加、酸化、重合、脱アルキル化、アルキル化、メチル化、カルボキシル化、脱カルボキシル化およびとりわけフィッシャートロップ(Fisher-Tropps))を有する。この用途は、石炭スラリーからの有機製品の製造、または供給原料として、天然ガス、メタノールもしくは他の有機液体または気体の混合物を用いたジメチルエーテル(DME)の製造に更に有益であり得る。エステル交換およびエステル化プロセスを用いた、ディーゼルエンジンのための低い遊離脂肪酸を有したバイオ燃料および供給原料の製造に更に適用可能であってよい。
In one embodiment, the
図1〜3では、液体−気体反応において、処理される液体は、最初に、経路102を通って第1の回転可能な部材103上に連続的に導入されてよい。液体は、水、溶媒、化学薬品、消毒剤、油、塩水、メタノール、エタノール、液体触媒、スラリータイプの触媒または任意の他の種類の流体を含んでよい。一旦、回転可能な部材103上においては、回転部材103からの遠心力は、液体を実質的に細かい液滴または繊維状の要素として外側容器11の内面123上に連続して分散させるように働き、内面123上の流体の連続した実質的に均一な薄膜を形成する。処理される液体が経路102を通って導入される頃に、逆流する気体は、外側容器11上の注入口133を通って環状空間内に導入されてよい。この気体は、内側容器15の外面171に沿って環状空間16内に移動され、外側容器11の内面123に沿って移動している降下する液体と相互作用することができる。このような気体の例は、水素、酸素、空気、合成気体、CO2、窒素または任意の他の反応性ガスもしくは非反応性ガスを含むことができる。
In FIGS. 1-3, in a liquid-gas reaction, the liquid to be treated may first be continuously introduced onto the first
この液体−気体反応において、例えば、発熱反応が生じてよい。そのため、降下している流体の温度は、降下している流体を所望の温度で維持するように、ジャケット111によって制御できる。上昇している逆流する気体に関して、その温度を制御するように、降下している流体の温度と異なる温度の熱交換流体がチューブ104を通って内側容器15に実質的に連続して導入できる。この熱交換流体は、その後、第2の回転可能な部材105内に移動され、回転部材105により与えられる遠心力に起因して、この熱交換流体は、内面172に沿った、連続した実質的に均一な薄膜を生成するように、実質的に細かい液滴または繊維状の要素として内側容器15の内面172上に連続的に分散される。
In this liquid-gas reaction, for example, an exothermic reaction may occur. Thus, the temperature of the descending fluid can be controlled by the
降下している処理される液体が、外側容器11の内面123に沿って流れ、一旦、降下している処理される液体が、底部13に到達すると、排出口132内に移動され、反応器10から除去されてよい。同様に、一旦、降下している熱交換流体が、内側容器15の底端部18に到達すると、降下している熱交換流体は、出口ポート181を通過して移動され、排気口182を通過して反応器10から除去されてよい。上昇している逆流する気体に関して、上昇している逆流する気体は、排気管142を通って除去されてよい。所望する範囲で、コンデンサが、効率的な収集のために除去された逆流する気体を凝縮するように備えられてよい。更に、適切な場合には、環状空間16に沿った反応は、反応速度に影響を及ぼすために真空下で維持されてよい。
The descending processed liquid flows along the
別の実施形態では、図4に図示するように、反応器10は固体−流体−流体反応に用いられ、環状空間16内にパッキング材料40のベッドを含んでよい。パッキング材料40のベッドは、表面積を増加させるように用いられ、降下している大量の処理される流体は、輸送速度を更に増加させるように該表面積に亘って接触できる。さらに、パッキング材料40は、降下している流体が通過する必要があり、かつおよび/または降下している液体を処理できる滞留時間を増加できる実質的に入り組んだ経路を備えることができる。そのため、パッキング材料40は、降下している液体に比較的高い輸送速度を更に与え、取り扱い、処理および/または分離を更に容易にするように働くことができる。パッキング材料40は、例えば、ジャケット11によっておよび/または内側容器15内の熱交換流体によって特定の用途に応じて加熱または冷却されてもよい。加熱または冷却する際、環状空間16内のパッキング材料の存在は、環状空間16に亘って実質的に均一な温度分布を与えることができる。
In another embodiment, as illustrated in FIG. 4, the
実施例2:蒸留および蒸発
図5に図示した実施形態に示すように、本願発明の反応器50は、蒸発および蒸留プロセスに用いられてよい。蒸発および蒸留プロセスは、例えば、油、エタノール、メタノール、グリセリンまたは他の組成物(compound)から水を除去することを含む。さらに、このようなプロセスは、例えば、重油から軽質スイート原油、バイオディーゼルとグリセリン混合物とからメタノール、グリセリンからメタノール、重油から軽い有機物(light organics)、のような重い有機物から軽い有機物を除去することを含んでよい。更に、このようなプロセスは、高分子分散体からエチルアセテートのような有機溶剤を除去すること、または解重合プロセスの間に有機溶媒またはモノマーを除去することを含んでよい。このプロセスは、また、水の脱塩、フルーツジュースの濃縮、スープ、ミルクのような食品材料の濃縮、地下水からの軽い有機物の除去、処理される水(すなわち、工場廃水)からの溶解した有機物の除去、熱いアミン溶解物からの二酸化炭素、水からの硫化水素、のような液体からの溶解した気体の除去、スラリーの濃縮および様々な他の用途に用いられてもよい。
Example 2: Distillation and Evaporation As shown in the embodiment illustrated in FIG. 5, the
重い有機物から軽い有機物を除去する用途では、外側容器11の内面123は、例えば、ジャケット111によって加熱され、内側容器15の外面171は、内側容器15の内面172に沿って流れている実質的に冷却された流体によって冷却されてよい。さらに、外側容器11と内側容器15との間の環状空間16は、反応速度を向上させるために真空下で維持されてよい。
In applications that remove light organics from heavy organics, the
1つの実施形態では、上述した条件下において、蒸発または蒸留される軽い有機物または材料を含む液体は、経路102を通って導入され、第1の回転可能な部材103によって、外側容器11の加熱された内面123上に均一に沿って分配されてよい。薄膜の液体が、加熱された内面123を降下すると、蒸気が、内面123に沿って生じ、その後、蒸気が、外側容器15の相対的により冷たい外面171に接触してよい。相対的により冷たい外面171に接触する際、蒸気は凝縮して、液体に相変化してよい。それから、この凝縮された液体は、内側容器15の外面171に沿って下方に流れ、外側容器11の底部13で収集できる。蒸気から液体の形態へのこの相変化は、環状空間16内の実質的に短い距離(通常、外側容器11の内面123と内側容器15の外面171との間の距離)に亘って起こり得る。この構成の1つの利点は、より重い組成物からより軽い組成物を分離するためのエネルギー効率の良い方法を提供することである。
In one embodiment, under the conditions described above, a liquid containing light organics or materials to be evaporated or distilled is introduced through
この特定のプロセスを伴うエネルギー効率またはエネルギーの節約を更に向上させるように、処理される液体を、熱交換流体としても用いることができる。とりわけ、相対的に低温の処理される液体は、チューブ104を通って内面172に沿って内側容器15内に移動できる。この液体が内面172に沿って降下すると、外側容器11の内面123に沿って降下している処理される流体から生じた蒸気は、内側容器15の外面171に接触できる。蒸気からの熱エネルギーは、その後、内側容器15の内面172に沿って降下している相対的に低温の処理される流体により吸収できる。高い温度となった内面172に沿ったこの液体は、内側容器15の底端部18で収集され、経路102と第1の回転部材103とを通って外側容器11の内面123上に移動できる。この液体が内面123に沿って降下すると、その蒸気は、内側容器15の内面172に沿った流体を加熱するように、再び、内側容器15の相対的により低温の外面171に接触できる。一旦、この循環が確立されると、エネルギーを節約するようにジャケット111を除去して、本明細書に記載されたプロセスが、高いエネルギー効率で進行できる。
The treated liquid can also be used as a heat exchange fluid to further improve the energy efficiency or energy savings associated with this particular process. In particular, the relatively cold treated liquid can move through the
外側容器11の上部14に向かって移動した全ての凝縮していない蒸気のために、コンデンサが、このような残りの蒸気を凝縮するように備えられてよい。1つの実施形態では、コンデンサは、排気管142を通過した凝縮していない蒸気を受容するように、外側容器11の外側に位置し、排気管142と流体輸送路であってよい。または、コンデンサは、外側容器104内に位置してよい。1つの実施形態では、コンデンサは、コイル51の形態で排気管142内に位置してよい。
A condenser may be provided to condense such remaining steam for all uncondensed steam that has moved towards the top 14 of the
外側容器11の加熱された内面123上に分配された全ての液体が蒸発しなくてもよいことにも留意すべきである。そのため、このような液体は、内面123を下方に流れることができ、外側容器11の底部13の排出口132を通過してよい。必要に応じて、このような液体は、再処理するために経路102を再度通って(戻って)再循環されてよい。
It should also be noted that not all liquid dispensed on the heated
または、集水溝(catch basin)は、底部13の排出口132から除去された液体を収集するように反応器50の底部に位置してよい。外面171を降下し、かつ底部13に堆積した凝縮された液体のために、分離した集水溝が、注入口133を通るこのような流体を収集するように備えられてよい。
Alternatively, a catch basin may be located at the bottom of the
実施例3:過熱した蒸気の冷却(deheating)
図6に図示された実施形態では、本願発明の反応器60は、過熱した蒸気の冷却または蒸気の脱過熱(過熱防止、desuperheat)に関連して用いられてよい。外側容器11の内面123および内側容器15の外面171の両方が、過熱した蒸気に対してある程度より低い(より冷たい)温度で維持できる。
Example 3: Deheating of superheated steam
In the embodiment illustrated in FIG. 6, the
外側容器11の内面123を相対的に低い温度に維持するように、相対的に低温の液体が、経路102を通って導入され、第1の回転可能な部材103によって外側容器11の内面123上に実質的に均一に沿って分配されてよい。加えて、またはこれに代えて、ジャケット111は、内面123をこのような相対的に低い温度で維持するように、所定の温度レベルに設定されてよい。内側容器15の外面171を同じような相対的に低い温度に維持するように、相対的に低温の液体がチューブ104を通って内側容器15内に導入されてよい。それに続いて、この流体は、第2の回転可能な部材105内に移動され、その後、内側容器15の内面172上に実質的に均一に沿って分配されてよい。
A relatively cool liquid is introduced through the
上述した条件下において、過熱した蒸気は、外側容器11の上部14の排気管142を通って外側容器11内に注入されてよい。1つの実施形態では、過熱した蒸気は、例えば、ミクロスケールからナノスケールまでの範囲の水粒子の降下物(precipitation)として供給できる。それから、蒸気は、環状空間16内に移動され、一方の側面において、外側容器11の相対的に低温の内面123に接触し、他方の側面において、内側容器15の相対的に低温の外面171に接触する。さらに、過熱した蒸気が相対的に低温の環状空間16に入る際、第1の回転部材103から供給された低温の流体と衝突する。回転部材103から供給された相対的に低温の流体との接触は、過熱した蒸気を所定のレベルまで下げて冷却する役割を果たす。それから、蒸気が、環状空間16に沿って移動する際、蒸気は、収集のために更に冷却され、凝縮して液化されてよい。
Under the conditions described above, the superheated steam may be injected into the
とりわけ、1つの実施形態では、過熱した蒸気が、環状空間16内を通り、供給された相対的に低温の液体中を通過する際、該蒸気は、供給された液体にいくらかの熱的エネルギー(すなわち、熱)を伝達し、かつ外側容器104の内面123上に供給された液体によって押し付けられてよい。1つの実施形態では、供給された液体は、蒸気の粒子をコーティングする(すなわち、その場コーティングプロセス(in-situ coating process))ように働き、内面123上に蒸気を押し付けることができる。蒸気が外側容器11の内面123上に押し付けられると、蒸気は、内面123に沿って維持される相対的に低い温度によって再び冷却されてよい。さらに、蒸気が、環状空間内または内面123に沿って供給された液体に熱を伝達すると、温度の増加によって液体の気化を生じてもよい。環状空間16内に生じた蒸気は、内側容器15の相対的に低温の外面171によって凝縮されてもよい。供給された流体と、外側容器11の内面123および内側容器15の外面171とのこの連続的な相互作用は、過熱した蒸気を急激に冷却するように働くことができる。それから、冷却された蒸気は、凝縮して、内側容器15の外面171および外側容器11の内面123に沿って、かつ蒸気を収集できる外側容器11の底部13に向かって下方に流れることができる。
In particular, in one embodiment, when the superheated vapor passes through the
当然ながら、過熱した蒸気の冷却は、上述したように同方向の流れにより実施されてよいが、逆流する流れの構成で実施されてもよい。すなわち、蒸気は、第1の回転部材103から供給された相対的に低温の流体に対して逆流する方向に導入できる。
Of course, the cooling of the superheated steam may be performed by the flow in the same direction as described above, but may be performed by the configuration of the reverse flow. That is, the steam can be introduced in a direction in which the steam flows backward with respect to the relatively low temperature fluid supplied from the first rotating
実施例4:UVまたはマイクロ波開始反応
図7に図示した実施形態に示すように、本願発明の反応器70は、光重合、水処理もしくは消毒のような紫外線(UV)開始反応(または紫外線誘起反応、ultraviolet initiated reaction)、または医薬品の製造のための有機反応に関連して用いられてよい。さらに、反応器70は、マイクロ波開始反応(またはマイクロ波誘起反応、microwave initiated reaction)に関連して用いられてもよい。とりわけ、マイクロ波エネルギーは、熱を与えるためのソースとして、および有機反応のための活性化助剤(とりわけ、石炭スラリー、液体有機物、薬を含む有機反応と、のソウダストおよび他の木材ベースの製品をセルロースに変換する有機反応と、のための活性化助剤)として用いられてよい。マイクロ波エネルギーは、水の高いエネルギー効率での蒸発、脱塩プロセスおよび二酸化炭素捕集および回収目的のためにも用いられてよい。例えば、マイクロ波およびUV波からのエネルギーは、流体中の病原菌およびバクテリアを破壊させるように働くことができる。本願発明は、この様式で限定されることを意図していないため他のエネルギーソースも可能である。
Example 4: UV or Microwave Initiated Reaction As shown in the embodiment illustrated in FIG. 7, the
マイクロ波を用いた水の脱塩および処理における使用のために、反応器70は、図1に関連して示されるのと実質的に同じ様式で配置されてよい。1つの実施形態では、塩を含んだ液体は、経路102を通って導入され、第1の回転可能な部材103によって外側容器11の加熱された内面123上に均一に沿って分配されてよい。概ね同じ時間に、相対的に低温の液体が、チューブ104を通って内側容器15内に導入されてよい。それに続いて、この流体は、第2の回転可能な部材105内に移動され、その後に、内側容器15の内面172上に実質的に均一に沿って分配されてよい。
For use in the desalination and treatment of water using microwaves, the
塩を含んだ液体の実質的に均一な薄膜が、容器11の内面123に沿って移動する際、外側容器11の本体部12の周辺に位置したマイクロ波生成装置71のようなエネルギーソースは、マイクロ波の放射が本体部12の壁を介して伝達するように作動し、容器11の内面123に沿って流れている塩を含んだ流体を加熱してよい。これにより、塩を含んだ流体の薄膜が気化する。当然ながら、そのエネルギーが外側容器11内の処理される流体に影響を与える必要があるが、内側容器15内の熱交換流体に影響を与える必要がない、マイクロ波ジェネレーター71のようなエネルギーソースを用いる際、外側容器11の本体部12は、このようなエネルギーが、外側容器11の本体部12を通過できる材料により作られ、内側容器15は、このようなエネルギーに影響を受けない材料により作られる。
When a substantially uniform thin film of liquid containing salt moves along the
その後、生じた蒸気は、環状空間16を横断し、内側容器15の相対的に低温の外面171に向かって、移動してよい。相対的に低温の外面171との接触においては、蒸気は、液体に凝縮でき、内側容器15の外面171を降下することができる。凝縮された液体は、その後、外側容器11の底部13内から収集できる。1つの実施形態では、当該プロセスは、真空条件下の環状空間16により実施されてよい。または、当該プロセスは、大気または大気よりも高圧の条件下で実施されてよい。
The resulting vapor may then travel across the
当然ながら、すべての流体はマイクロ波の放射によって加熱されなかった。そのため、外側容器11の内面123に沿って流れている加熱された流体は、底部13の排出口132を通って収集され、経路102を通って外側容器11内に再度通って(戻って)再循環されてよい。このようにして、このプロセスが開始した後、処理される塩を含んだ流体を加熱するように、それほど多いエネルギーは、マイクロ波ソース71から必要とされない。結果として、この構成は、蒸留のための実質的なエネルギー効率システムを有することができる。
Of course, all fluids were not heated by microwave radiation. Therefore, the heated fluid flowing along the
ある例では、マイクロ波の放射の使用に加えて、処理される流体に存在できる全ての病原菌またはバクテリアを破壊するように、紫外線(UV)の放射が用いられてもよい。 In one example, in addition to the use of microwave radiation, ultraviolet (UV) radiation may be used to destroy any pathogens or bacteria that may be present in the fluid being treated.
実施例5:二酸化炭素除去
二酸化炭素捕集および回収目的での使用のために、図1、2および3に図示した反応器を含む上述した反応器のいずれもが、上述の記載と実質的に同じ様式で用いられてよい。
Example 5: Carbon dioxide removal For use for carbon dioxide capture and recovery purposes, any of the reactors described above, including the reactors illustrated in Figs. 1, 2 and 3, are substantially as described above. May be used in the same manner.
気体の二酸化炭素を吸収できる液体を用いた1つの実施形態では、このような液体のプールは、気体の二酸化炭素を含有する環境に曝され、二酸化炭素を液体内に吸収し、この環境から二酸化炭素を除去できる。一旦、二酸化炭素で飽和すると、液体は、経路102を通って導入され、第1の回転可能な部材103によって外側容器11の加熱された内面123上に均一に沿って分配されてよい。概ね同じ時間に、二酸化炭素を吸収できる上昇している逆流する気体の流れが、環状空間16内に導入されてよい。
In one embodiment using a liquid capable of absorbing gaseous carbon dioxide, such a pool of liquid is exposed to an environment containing gaseous carbon dioxide and absorbs carbon dioxide into the liquid from which the carbon dioxide is absorbed. Carbon can be removed. Once saturated with carbon dioxide, liquid may be introduced through the
飽和した液体の実質的に均一な薄膜が、容器11の内面123に沿って移動する際、外側容器11の本体部12の周辺に位置した、マイクロ波または流体のパイプのような加熱装置71は、容器11の内面123に沿って流れている飽和した流体を加熱するように作動できる。他方で、逆流する気体の流れが、相対的により低い温度で維持されてよい。そのため、相対的に低温の液体が、チューブ104を通って内側容器15内に導入されてよい。それに続いて、この流体は、第2の回転可能な部材105内に移動され、その後、内側容器15の内面172上に、実質的に均一に沿って分配される。
When a substantially uniform thin film of saturated liquid moves along the
上昇している逆流する気体の流れが、加熱された飽和した液体に接触する際、逆流する気体は、飽和した液体と相互作用し、液体から二酸化炭素を吸収できる。液体は、それから、内面123を下方に移動し、かつ外側容器11の底部13の排出口132を通って移動し続け、収集でき、または経路102内に再度通って(戻って)再循環できる。上昇している逆流する気体の流れが二酸化炭素で飽和すると、外側容器11の上部14の排気管142を通って除去できる。二酸化炭素で飽和した気体の流れは、その後に、カーボナイト製品を製造するように他の液体または材料と混合できる。
When the rising back-flowing gas stream contacts the heated saturated liquid, the back-flowing gas can interact with the saturated liquid and absorb carbon dioxide from the liquid. The liquid can then travel down the
実施例6
図8に示すように、1つの実施形態では、図1〜7に図示した反応器の全てに類似した反応器80が順番に配置され、互いに流動輸送路になるように構成され、全ての上記の用途が、順番に連続して実施され、または当該反応器もしくは同じような反応器の構成を通る流体のための複数の通路を可能にする。反応器の全ての可能な組み合わせが、順番に実施され、この順番は、任意の最大数の反応器として制限されなくてもよいことに留意すべきである。
Example 6
As shown in FIG. 8, in one embodiment,
図9に示すように、更なる実施形態では、順番に反応器を備える代わりに、本願発明の反応器10が、少なくとも第3の容器90を含むように構成でき、第3の容器90は内側容器15内に設置され、第3の容器90の外面と内側容器15の内面172との間に第2の環状空間を備える。この構成では、外側容器11と内側容器15との間の環状空間16に沿って流れている流体および/または気体は、内側容器15と内側容器15内の第3の容器90との間に位置する環状空間91に再び移動されてよい。この再移動は、上端部19の開口部92と内側容器15の底端部18の開口部93とを通って達成できる。この構成によって、反応器10を通過する複数の通路で処理される流体が輸送速度を増加できる。第4の容器も第3の容器の内部に設置でき、第3の環状空間を備えることに留意すべきである。この構成は、付加的な第5、第6または任意の付加的な容器を必要に応じて繰り返して備えることができる。
As shown in FIG. 9, in a further embodiment, instead of sequentially providing reactors, the
当然に、複数の通路が好ましい場合、図1〜7の反応器のいずれかの環状空間16から捕集された流体および/または気体が、必要に応じて複数の通路のために環状空間16に再度通って(戻って)再循環できる。
Of course, if multiple passages are preferred, fluid and / or gas collected from any of the
本願発明が、これらの実施形態を参照して記載され、当業者によって様々な変化が為され、同様のものが、本願発明の本当の精神と範囲とから逸脱せずに置換されてよいことを理解すべきである。さらに、多くの修正が、本願発明の精神と範囲とから逸脱せずに特定の状況、指示、材料および問題の構成、1または複数の処理工程に適合するように為されてよい。全てのこのような修正は、本明細書に添付した特許請求の範囲内において制限されていることを意図している。 The present invention has been described with reference to these embodiments, and various changes can be made by those skilled in the art, and similar ones may be substituted without departing from the true spirit and scope of the present invention. Should be understood. In addition, many modifications may be made to adapt a particular situation, instruction, material, and configuration of matter, problem (s), or steps, without departing from the spirit and scope of the present invention. All such modifications are intended to be limited within the scope of the claims appended hereto.
Claims (49)
前記処理される流体のための熱交換面として機能する外面を有する、前記外側容器内に設置された内側容器と、
それに沿って前記流体の処理を実施可能な経路を備えるために前記外側容器と前記内側容器との間で規定された環状空間であって、前記外側容器と前記内側容器との間の温度差を維持し、前記処理される流体に比較的高い輸送速度を与えるように構成された環状空間と、
を含むことを特徴とする反応器。 An outer container having an inner surface and capable of containing the fluid to be treated in contact with the inner surface;
An inner container installed in the outer container having an outer surface that serves as a heat exchange surface for the fluid to be treated;
An annular space defined between the outer container and the inner container to provide a path along which the fluid can be processed, and a temperature difference between the outer container and the inner container is determined. An annular space configured to maintain and provide a relatively high transport rate to the treated fluid;
The reactor characterized by including.
前記処理される流体の温度と異なる温度の熱交換面を有した内側容器を、前記外側容器内に備える工程と、
前記処理される流体に比較的高い輸送速度を与えるように、前記外側容器と前記内側容器との間の経路に亘って温度差を維持する工程と、
を含む、流体を処理する方法。 Introducing the fluid to be treated into the outer container so as to contact the inner surface;
Providing an inner container with a heat exchange surface at a temperature different from the temperature of the fluid to be treated in the outer container;
Maintaining a temperature differential across the path between the outer container and the inner container so as to provide a relatively high transport rate to the treated fluid;
A method of treating a fluid comprising:
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