JPH0147201B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は少くとも一方が液体である２つの流体
相間に質量移動をを行う装置とこの装置の使用法
とに係るものである。 「質量移動」とは第１の流体相用の溶質である
物質の少くとも一部分である第２の液体相から第
１の流体相への移動またはその逆を意味し、この
場合に第１の流体は(a)液体であり、(b)第２の流体
をほぼ不混和性で(c)第２の流体相よりも密度が大
である。化学および石油化学産業に広く使用され
ている吸収および蒸留方法が典型的な質量移動方
法である。 英国特許第757149号明細書から２つの流体相間
の質量移動速度はこれら流体が回転式質量移動装
置内における従来公知の充填材を通り流れている
間に流体を約2000ｍ^-2にまで加速することにより
増大できることが知られている。本出願人のヨー
ロツパ特許出願公開第2568A号明細書には回転式
移動装置に少くとも1500m²／m³の界面面積を有す
る透過性機素を使用することにより質量移動速度
を更に増大できることが記載されまた本出願人の
ヨーロツパ特許出願公開第20055A号には(a)約150
ミクロン以下のいわゆる「相等直径」を有するス
ランド、フアイバー、フイブリルまたはフイラメ
ントから成る透過性機素を使用するか(b)この透過
性機素を回転させてその細孔を通り流れる流体を
約5000ｍ秒²以上に平均加速するかもしくはその
両方により質量速度を増大することができる。 前記した装置において透過性機素がデイスクか
環の形式であり、フアイバーの集りかゆるく巻い
たテープから成る場合には、透過性機素は前記し
た装置において高速度回転せしめられる以前と回
転せしめられるとほぼ均一で均質に見えるが、高
速度で回転中透過性機素の一部分が他の部分に相
対的に透過性機素に空隙が生じるように運動し、
装置が不鈎合いになり、透過性機素の空隙率が変
化しまた装置の性能が低下する傾向がある。 デイスクまたは環の形状の透過性機素が少くと
も第１のテープをデイスクまたは環の回転軸に対
し垂直な平面において緊張をかけて巻くことによ
りそのような欠点が少くとも軽減されると判つ
た。 従つて、本発明は少くとも第１のものが液体で
ある２つの流体相間に質量移動し、自体の対称軸
線を中心として回転可能な少くとも１つのほぼ環
状の透過性機素（以下に定義する）と、第１の流
体を透過性機素に充填する手段と、透過性機素か
ら流体の少くとも１つかその誘導体を排出する手
段とを備え、透過性機素がその軸線を中心として
緊張をかけてテープを巻きテープを緊張状態に保
持するため係止することにより形成されているこ
とが特徴である装置を提供するものである。 本発明は更にまた少くとも１つのほぼ環状の透
過性機素（後記に定義する）に流体を充填するこ
とと、透過性機素をその対称軸線を中心として流
体が第１の流体が該軸線から半径方向に外方に流
れて透過性機素の細孔を通り流れる際に少くとも
150ｍ秒^-2に平均加速されるよう回転させること
と、流体の１つの少くとも一部分を透過性機素か
ら回収することとから成り、透過性機素が前記軸
線のまわりに該軸線を横切る平面においてテープ
を巻きテープを緊張状態に保持することにより形
成されていることを特徴とする２つの流体相間に
質量移動する方法を提供するものである。 時計方向であろうが反時計方向であろうがテー
プの巻き方向は本発明の装置の運転において透過
性機素が回転することによりテープを機素の軸線
のまわりに締め付ける傾向があるようにすること
が好ましい。 「透過性機素」とは(a)流体が細孔を通過でき、
細孔の壁面が流体が流れることのできる曲りくね
つたほぼ連続状通路を形成し(b)通過する流体を後
記まるが少くとも150ｍ秒^-2の平均加速するよう
回転可能である本発明の装置の機素を意味する。 「テープ」という用語の範囲にはテープ、リボ
ン、ストリツプ等が含まれる。 テープは一層かまたは、たとえば、チユーブま
たはいわゆる「ストツキング」をつぶすことにな
り形成した複数の層のテープでも良い。テープは
フアイバーから形成することが好ましいが、特に
好ましいのは編むか組むか更に特に好ましいのは
編むことにより形成されるが、たとえば、適当な
金属フオイルに穿孔することにより非繊維材から
形成する可能性を除外するものではない。 「フアイバー」という用語はフアイバー、フイ
ブリル、フイラメント、ストランド等およびその
混合物を含む。 本発明の装置の透過性機素が１本またはそれ以
上の本数の適当なフアイバーを編むことにより形
成されたテープから成る場合には、テープは少く
とも前記した、たとえば５％の緊張の下に巻か
れ、テープの停止応力を僅かに上回る。好ましい
のは停止応力の少くとも２倍の緊張をかけて巻か
れる。 「停止応力」とは前記した１本またはそれ以上
の数のフアイバーを少くとも緊張させずにテープ
にかけられる最大の引張応力を意味する。停止応
力以下の引張応力が編んだテープにかけられたテ
ープの長さを増大する場合、編んだテープのルー
プはゆがみ細長く伸び引張応力が解放されるとゆ
るむ。停止応力より高い引張応力が編んだテープ
にかけられると、前記した１本またはそれ以上の
数の適当なフアイバーが緊張せしめられ停止応力
以下の引張応力をかけた編んだテープと比較され
ると、編んだテープの長さを可成り増大するには
引張応力が可成り増大してテープは引張応力が解
放されると元の長さにまでゆるまない。 本発明の装置に使用する透過性機素を形成する
ためテープが巻かれる引張応力が高ければ高い程
透過性機素がその層が装置の運転中に分離するこ
となく耐え得る応力はそれぞれ高いことは理解で
きよう。テープにその幅が透過性機素に所望の軸
線方向深さにまで減少されるような引張応力をか
けることがしばしば便利である。モノフイラメン
トを編んで作つたテープが切れるまでに耐えられ
る引張応力には上限があるということは理解でき
よう。テープが200ミクロン以下の直径のモノフ
イラメントを編んでテープを作る場合、テープが
切れる引張応力がしばしば停止応力の10倍以下、
たとえば、停止応力の約５倍であると判つた。 平均加速は次の等式により定義される、すなわ
ち、 a_n（＝2πＮ／60）²（r₀ ²＋r₁ ²／２）^1/2 上式においてＮは１分毎の回転数で示した軸線
を中心とする透過性機素の回転速度、r₀は前記し
た軸線から透過性機素の半径方向内面までのｍで
表わした距離、r₁は前記した軸線から透過性機素
の半径方向外面までの距離である。 本発明の装置に使用する透過性機素は少くとも
90％の空隙率を有していることが好ましい。透過
性機素が少くとも93％の空隙率を有していること
が好ましく更にまた95％の空隙率を有しているこ
とが一層好ましい。 本発明の装置に使用する透過性機素は少くとも
1500m²／m³の界面積、特に少くとも3000m²／m³の
界面積を有していることが好ましい。 「界面積」とは流体が透過性機素の単位体積当
に接触できる透過性機素の表面積を意味する。 「空隙率」とは自由空間である透過性機素を形
成する環の体積の100分比を意味する。 「流体」とは本発明の装置が運転される温度と
圧力とにおける気体または液体の如き物質かその
混合物を意味する。たとえば、第２の流体が気体
である場合には、この気体は１種の気体か複数の
気体の混合物で良く、第１の流体または第２の流
体（これが液体である場合）もしくはその両方は
純粋な液体か液体中の１種またはそれ以上の種類
の溶質の溶液で良く、この溶質は気体、液体また
は固体で良い。 本発明の装置において流体にかける平均加速は
約5000ｍ秒^-2以上であることが好ましく、その理
由は平均加速が約5000ｍ秒^-2以上に増大すると質
量移動速度がいちじるしく増大することがしばし
ばあるからである。 本発明の装置における透過性機素がフアイバー
から成るテープで形成されている場合には、フア
イバーはモノフイラメントが好ましく、特に好ま
しいのは約150ミクロン以下の相等直径を有する
モノフイラメントが特に好ましい。たとえば、透
過性機素は120ミクロン直径のワイヤモノフイラ
メントを編んだテープから形成できる。 相当直径d_eは次の等式により定義される、すな
わち、 d_e＝４×フアイバーの断面積／フアイバーの周
辺長さ （コルーソンおよびリチヤードソン両氏による
「化学工業」第１巻第２版第210頁）（Chemical
Engineering、Volume1、Second Edition″by
Coluson and Richrdson、page210） 使用する場合フアイバーの断面形状は、たとえ
ば、円形、３角形、十字形または３脚形で良いが
円形が好ましい。 本発明の装置に使用する環状の透過性機素で
は、環の外径は典型的には25cmないし５ｍの範囲
であり、内径は５cmないし１ｍである。 本発明の装置の透過性機素を巻いて形成するテ
ープは使用する回転速度において透過性機素の回
転中材料に生じる応力に耐える機械的強度を有す
る任意適当な材料で形成できる。この材料はそれ
が物理的に接触する流体による腐食がそれとの反
応に抵抗性を有するものが好ましい。透過性機素
を形成する材料には、特にガラス、プラスチツク
またはたとえばステンレス鋼、ニツケル、チタ
ン、タンルの如き特に化学的抵抗性金属が含まれ
る。材料は金属質のものが好ましいことがしばし
ば好ましい。あるいはまた、テープは適当な配分
にした２種またはそれ以上の種類の材料の合成物
で良い。たとえば、テープは鋼ワイヤと糸とを編
み合わせてチユーブを形成し次いでチユーブをつ
ぶすことにより形成できる。 透過性機素は１本のテープが複数のテープから
成ることができる。緊張をかけて巻いた複数のテ
ープが使用され同心の環の形状にして透過性機素
を形成する。たとえば、ワイヤメツシユの環は織
成したガラステープの環により取り巻くことがで
きる。あるいはまた、たとえば、２本の複数のテ
ープを２本のテープを交互にしたものとなるよう
同時に巻くことができる。複数のテープが同時に
巻かれる場合は１本のみに緊張をかけることが好
ましいことがしばしばある。 特定の透過性機素の界面積が増大するに従い、
機素にわたる圧力降下が増大しまた機素が詰まつ
たり流体があふれたりする可能性が増大する。簡
単な実験で所望の回転速度と流体の組合わせとに
対する適当な透過性機素が容易に判る。 本発明の装置における透過性機素は回転可能な
部材内に配置されることが好ましいことがしばし
ばある。 回転可能な部材が使用される場合には、透過性
機素は回転可能な部材の全体にかその一部分に配
置できる。透過性機素の寸法と回転可能な部材内
における機素の配置とはこの機素の密度と界面積
とまた流体の流れ特性とにより決めることができ
る。透過性機素が回転可能な部分の一部分内に配
置される場合、この機素は回転可能な部材の半径
方向外方部分内に配置することがしばしば有利で
あり、その理由は軸線からの距離が増大するに従
い、層を形成するため流体に作用する遠心力の大
きさが増大し、従つて、層の厚味が減少せしめら
れるからである。 使用する場合回転可能な部材は(a)使用する回転
速度での回転可能な部材の回転中材料に生じる応
力に耐える機械的強さと(b)使用中回転可能な部材
が回転する環境に耐える腐食抵抗とを有する任意
適当な材料で作ることができる。回転可能な部材
を作る典型的な材料には、特に、ステンレス鋼、
軟鋼、真ちう、アルミニウム、ニツケル、モネル
（Monel）が含まれる。適当な材料の選択は当業
者には問題がない。 透過性機素は少くとも１本のテープを適当な成
形具、たとえば、心棒またはスプールのまわりに
緊張をかけて巻くことにより形成され、この成形
具は回転可能な部材の少くとも１つの構成要素で
あることが好ましい。たとえば、回転可能な部材
は着脱自在のふたを有し３本またはそれ以上の
数、典型的には６本のピンがこの部材の軸線付近
に対称的に配置して設けてある中空状デイスクで
良く、これらピン量の組合わせのまわりにテープ
が巻かれる。テープが対称配置にしたピンの組合
わせのまわりに巻かれる場、使用するピンの数が
増すに従い、透過性機素の内面は円筒形状になる
傾向がある。 本発明の装置に使用する透過性機素を形成する
ため緊張をかけて巻いたテープはこのテープを巻
いた時にかけた張力の少くとも大部分であるが好
ましいのは巻いた時にかけたままの緊張状態に保
持されるよう係止される。テープの外端部は適当
な手段により透過性機素の本体に取り付けるのが
便利である。たとえば、１本またはそれ以上の本
数のピンをテープの外端部に押し通し次いでテー
プを巻く心棒に取り付けることができる。 第１の流体が回転中の透過性機素を通り半径方
向に外方に流れるに従い、第１の流体にかける圧
力は増大する。従つて、逆流が使用されると、透
過性機素に第２の流体を充填するため、第２の流
体がそれを透過性機素に充填される時のこの機素
の位置では第１の流体を充填する圧力よりも大な
圧力で充填する必要のあることは理解できよう。 透過性機素が回転可能な部材内に支持される場
合、透過性機素に第１の流体を供給する手段は典
型的には流体が通り流れることができる回転可能
な部材に設けたオリフイスから成る。回転可能な
部材が中空状デイスクの場合には、供給手段は軸
線方向に配置されると便利であるが、供給手段を
検素の回転軸線と透過性機素に第２の流体を供給
する手段との中間に位置決めすることもできる。
第１の流体がいくつかの成分の混合物である場合
には、これら成分は、同一かたとえば同心の管の
如き別々の供給手段を通して透過性機素に供給す
ることもできる。 回転可能な部材内に支持された透過性機素が本
発明の装置に使用される場合には、第１の流体ま
たは成分もしくはその誘導体を回転可能な部材か
ら排出する手段は典型的には回転軸から離れた回
転可能な部材の周囲に設けた複数のオリフイスか
ら成り、流体はこのオリフイスを通りスプレイと
して出ることができる。 回転可能な部材内に支持された透過性機素が本
発明の装置において第２の流体または成分もしく
はその誘導体を回転可能な部材から排出する手段
は典型的には回転可能な部材に設けた１つまたは
それ以上の数のオリフイスから成り、第２の流体
または成分もしくはその誘導体はこのオリフイス
を通り流れることができる。 回転可能な部材が内部に環状の透過性機素が配
置されている中空状デイスクである場合には、オ
リフイスは軸線方向に配置されることが好まし
い。 透過性機素またはもし使用するならば回転可能
な部材は、たとえば、ハウジングまたはケーシン
グの如き固定の流体収集手段内に装着され、この
流体収集手段内には透過性機素からその回転軸か
ら離れた個所から排出される流体、または成分も
しくはその誘導体が収集される。更にまた、回転
の流体収集手段が密封されたハウジングの形式で
ある場合には、第２の流体はこのハウジングに供
給され次いで、たとえば、回転可能な部材に設け
た適当に配置されているオリフイスを経て透過性
機素に排出される。 透過性機素に大きい面積の液面を形成するに
は、第１の流体または第２の流体（この第２の流
体が液体の場合）もしくは両方の流体が透過性機
素の細孔の壁面のほぼ全体を「ぬらす」ことが好
ましいことが理解できよう。透過性機素のぬれは
ある程度動的要因に左右されるがもし平衡湿潤条
件にめぐまれれば助けられる。従つて、透過性機
素に僅かな界面張力を有する流体は透過性機素の
微孔の表面から機素に対し大きな界面張力を有す
る流体を変位させる傾向があり、この変位は２つ
の流体間の小さな界面張力により助けられる。透
過性機素の「湿潤」を良くするため、透過性機素
の細孔の表面を湿潤剤で被覆するか少くとも一方
の流体に湿潤剤を加えることが好ましい。たとえ
ば、第１の流体が水であり透過性機素の細孔が疎
水面を有している場合、たとえば、透過性機素が
ポリテトラクロロエチレンフアイバーのマツトか
ら成る場合には、たとえば、ドデシル硫酸ナトリ
ウムまたはモンフラー（Monflur RTM）界面活
性剤の如き界面活性剤を水に加えることができ
る。第１の第２の流体が液体の場合には、細孔の
壁面を第１の流体により先づ湿潤することが好ま
しいことがしばしばある。 それぞれが典型的にはハウジングである適当な
流体収集手段が設けてある複数の透過性機素を一
連に流体流連通して接続できる。流体収集手段と
してはハウジング以外にも円周方向の溝とそれに
関係した前記した如き着脱自在の手段とを使用す
ることもできる。適当と思われる時には隣接した
透過性機素を互いに接続する管路に適当なポンプ
を設けることができることは理解できよう。透過
性機素は共通の軸線に沿い任意に装着できる。流
体は同じ方向に流れることができるが、対流で流
れることが好ましいことがしばしばある。 本発明に係る装置は、特に、吸収、離脱、対流
抽出、蒸留および均質化方法に使用できる。 透過性機素が緊張をかけて巻いたテープから成
る本発明の装置は透過性機素がゆるく巻いた同様
な編みテープから成る装置よりも質量移動と充満
な特性とがすぐれている。 質量移動特性を良くするということは、移動ユ
ニツトの高さを低くすることを意味し、充満特性
を良くするということは、充満点が少くともコー
ルソンおよびリチヤードソン両氏による「化学工
学」第２巻第１版第411頁に定義したシヤウツ
ド・ロボ曲線（Sherwood−Lobo curve）に少
くとも近いは多くの場合にはそれより高いという
ことを意味する。 本発明を以下に本発明に係る２つの流体層間に
質量移動を行う装置を例示する添付図面を参照し
て説明する。 先づ第１図と第２図とを参照すると、中空状デ
イスクの形式にした回転可能な機素１は基部２と
複数のオリフイス（図示せず）が設けてある円筒
形外壁３と環４とから成りシヤフト５に装着さ
れ、機素１はこのシヤフトにより反時計方向に回
転せしめられている。回転可能な機素１の回転軸
を中心として対称的に環状の透過性機素が装着さ
れ、この機素は６本のピン７のまわりに所望の緊
張をかけてテープを巻くことにより形成されてい
る。テープは透過性機素が回転可能な機素内に装
着されるとテープが透過性機素の中心から外側に
まで延びる時計方向らせんに見えるような方向に
巻かれる。この具体例に使用される金属のモノフ
イラメントで形成されたテープは登録商標
“Knitmesh”の下に販売されている。 回転可能な機素はほぼ円筒形の容器８内に軸線
方向に配置され、この容器８は室９を形成しそれ
ぞれ９に気体を導入したりそれから液体を排出し
たりする管路１０，１１が設けてある。液体は液
体送給パイプ１２を経て装置に導入され、このパ
イプは容器８の軸線方向に配置され下端部に一連
の排出スロツト１３が設けてあり長さの一部分に
わたり気体排出パイプ１４と同心である。液体シ
ール１５が回転可能な機素の頂部４に設けてあ
る。 装置を運転すると、送給パイプ１２により供給
された液体はスロツト１３を経て透過性機素６の
内面にスプレイされ遠心力により半径方向に外方
に押しやられる。気体は管路１０を経て装置に入
り、液体シール１５は気体が透過性機素をバイパ
スするのを防止し気体は透過性機素の細孔を押し
通されて液体と接触する。液体は外壁３に設けた
オリフイス１３を経て回転可能な検素から室９内
に排出されこの室９から排出管路１１を経て排出
される。気体は透過性機素６からその内面で排出
されガス排出パイプ１４を経て装置を出る。 本発明の種々の面を本発明に例示する以下の実
施例を参照して説明する。 実施例 １−３ 編んだテープから透過性機素を作る一般的手順 恒久的に伸びが生じるまで増大する負荷をテー
プにかけテープの停止応力を測定した。 テープの更に１つの試料を停止応力をかけるに
必要な負荷より大きい負荷をかけて鋼製基部に対
し適当な配向にして取り付けた６本のピンにより
形成した心棒上で巻いて軸線方向深さが2.3cm、
内径が9.6cm、外径が21.6cmの透過性機素を形成
した。テープの外端部はそれを透過性機素の本体
に取り付けることにより係止した。 使用したテープの詳細とテープを巻いた条件と
が第１表に示してある。 透過性機素は第１図と第２図とに示した如きも
のであるが透明なふたを有する中空状デイスクに
別々に装着して水が25時間にわたり１分毎に５リ
ツトルの割合で流れている間に1000ｍ秒^-2の平均
加速で回転させた。回転中の透過性機素をストロ
ボスコープでながめたがテープの層の分離は観察
されなかつた。 １つの比較試験において、ゆるく巻いたテープ
で形成した透過性機素を使用した。試験の開始時
と終了時とにテープの内層は第３図に示した如く
回転可能な機素のピン７に接触していた。回転速
度を増すに従い、テープはピン７から外れ第４図
に示した如く半径方向外方に約900ｍ秒^-2で運動
し約8000ｍ秒^-2で、明確な３月形の間隙１６が第
５図に示した如く透過性機素６に見られた。従つ
て、緊張をかけて巻いたテープから作つた透過性
機素がゆるく巻いたテープから作つた透過性機素
よりも一層機械的に安定していることが判る。 実施例 ４ 実施例３において作つた環状の透過性機素を第
１図と第２図とに示した如き中空状デイスクに装
着した。透過性機素を回転させそれに水を充填し
て機素の細孔を通して半径方向外方に流れさせ他
方１分間に0.5m²にして「ホワイトスポツト」
（White spot）窒素を透過性機素に充填して半径
方向に内方に流れさせた。 透過性機素に充填しそれから排出した水中にお
ける酸素の濃度は溶解した酸素のプローブを使用
して測定し移動ユニツトの高さ（HTU）は次の
等式を使用して計算した、すなわち、 HTU＝r₁−r₀／1n 充填水中のO₂の濃度／排出水中におけ
るO₂の濃度 上式においてr₀とr₁とは前記した意味を有して
いる。この結果が第２表に示してある。 比較試験において、Retimet45（イーエツクス
ダンロツプ（exDunlop）（界面積2600m²／m³空隙
率95％）のブロツクから作つた透過性機素が使用
された。 第２表から、緊張をかけてテープを巻いて形成
した透過性機素を使用するとHTUの低い値で示
した如く一層高価なRetimet45で作つた透過性機
素よりも質量移動がすぐれていることが判ろう。

【表】 停止応力までの負荷
α：停止応力＝

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 自体の対称軸を中心として回転可能な環状の
   透過性機素と、該機素に第１の流体を充填する手
   段と、透過性機素に第２の流体を充填する手段
   と、流体の少くとも１つかまたはその誘導体を透
   過性機素から排出する手段とから成り少くとも第
   １の流体が液体である２つの流体相間に質量移動
   を行う装置において、透過性機素がテープを緊張
   をかけ前記軸線を中心とし該軸線を横切る平面に
   おいて巻きそしてテープを緊張状態に保持するた
   めそれを係止することにより形成されていること
   を特徴とする２つの流体相間に質量移動を行う装
   置。 ２ 装置の運転中透過性機素が回転してテープを
   透過性機素の軸線のまわりに緊張させるようテー
   プが巻かれる特許請求の範囲第１項の装置。 ３ テープが編んだテープである特許請求の範囲
   第１項または第２項の装置。 ４ テープが１本またはそれ以上の本数の金属フ
   イラメントから編んである特許請求の範囲第３項
   の装置。 ５ １本またはそれ以上の本数の金属フイラメン
   トがモノフイラメントである特許請求の範囲第４
   項の装置。 ６ モノフイラメントが約150ミクロン以下の相
   等直径を有している特許請求の範囲第５項の装
   置。 ７ テープを巻く張力が編んだテープの停止応力
   より少くとも５％高い特許請求の範囲第３項ない
   し第８項のいづれか１つの装置。 ８ 張力が停止応力の少くとも２倍である特許請
   求の範囲第７項の装置。 ９ 少くとも第１の流体が液体である２つの流体
   層間に質量移動を行う方法であり、少くともほぼ
   環状の透過性機素に流体を充填すること、第１の
   流体が透過性機素の軸線から半径方向に外方に流
   れて２つの流体が透過性機素の細孔を通過する際
   流体が少くとも150ｍ秒^-2の平均加速をかけられ
   るよう透過性機素をその対称軸線を中心として回
   転させることと、透過性機素から排出される流体
   の１つかまたはその誘導体の少くとも一部分を回
   収することから成る方法において、透過性機素が
   前記軸線のまわりに該軸線を横切る平面において
   張力をかけてテープを巻きそのテープを緊張状態
   に保持することにより形成されることを特徴とす
   る２相間に質量移動を行う方法。