JP5068163B2 - 固液接触装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、主として化学工業において、固体と液体とを接触させて、洗浄、精製、抽出、含浸、反応、溶解等の操作を行うための固液接触（または固−液接触）装置に関し、特に固液接触効率が高い連続多段攪拌型固液接触装置およびこれを用いる固液接触方法に関する。

従来より、固体またはスラリー中の固体粒子と処理液とを接触処理させる（固−液接触処理を行う）方法としては、接触効率の高い向流連続接触方式が有利であるとされている。少量の固液接触量で均一かつ高効率の処理を行うには、それぞれの流れのデッドゾーンやショートパスをなくすとともに固液界面の表面更新が促進されるよう固液の混合を良くすることが望ましいが、一方で混合を良くすると固液流れの軸方向にも逆混合が発生し、これが接触効率を大幅に悪化させることにもなり、両者を両立することは困難であった。

良好な固液混合状態を保ちつつ逆混合を減らす手法としては、室内の流路を仕切板で複数室に仕切ることにより多段化を行うこともあるが、各室間において対向する流れによっても逆混合が発生するため思うようには接触効率が良くならない。逆混合を減らすには各室間の流路断面積を小さくすることで室間の移動量を減らすことも効果的であるが、他方処理能力が減るため現実的ではない。

これらを改善すべく、接触を充分行うための混合（ミキサー）部と、これを分離してそれぞれの対向流を均一に保つ分離（セトラー）部とに分離したミキサー・セトラー型抽出装置が広く一般に知られているが、機能が分離されたそれぞれの部分に必要容積を確保するので装置が大きくなる。特許文献１に記載されているように縦型多段式にするなどして装置容積を小型化する手法も数多く紹介されている。しかしこの方式の装置は、どうしてもセトラー部の流れに不均一な部分を生じやすく、結果として固体側の処理が一定になりにくいため、特に固体が目的生成物となる、洗浄や含浸の操作を行う装置には不向きであった。

他にも固液抽出操作では、固体側はベルト、バスケット、スクリューなどのコンベアによる移動層を形成して、液を向流方式あるいは十字流方式にて幾度も固体移動層を貫流させるという方式が一般的に採用されているが、やはり固体側の均一な処理が難しく、固体の洗浄、含浸といった固体側が製品となるような場合は懸念が残る。

装置内デッドゾーンやショートパスを防止する方法としては特許文献２において、多段槽の各槽に上下運動可能の攪拌翼を設けることが記載されているが、その一方で逆混合を少なくすることには特に配慮されていない。

また特許文献３〜５には、攪拌多段室型接触装置において環状仕切板と攪拌翼あるいはディスクを備えた攪拌軸との間あるいは攪拌軸に固定された回転ディスクの間を室間開口とし、かつ軸方向に厚みをとることで軸方向流れの逆混合防止する方法が記載されているが、いずれも各槽間流れが阻害される形であり、処理量を犠牲にして逆混合を防止していると言える。

このように均一かつ高効率の固液接触処理を行うべく、固液の混合を良くする一方で、逆混合を少なくし、かつ処理流量を減らさない工業規模で利用できる固液接触装置については今まであまり検討されてこなかった。
特公昭５４−１２２６５号公報 特公昭３６−１３０５９号公報 特公昭４９−４１０２９号公報 特公昭５０−８７１３号公報 特公昭５１−１８９０３号公報

本発明は、接触効率が高い連続多段攪拌室型固液接触装置を提供することを主要な目的とする。

本発明の別の目的は、固液流れの均一性が高く、構造が簡単でスケール・アップが容易な固液接触装置を提供することにある。

本発明の更なる別の目的は、上記固液接触装置を用いる効率的な固液接触方法を提供することにある。

本発明の縦型固液接触装置は、上述の目的を達成するために開発されたものであり、連通口を有する仕切板により互いに区画されて垂直方向に連設された複数の攪拌室を備え、各攪拌室には半径方向吐出型の攪拌翼と垂直方向に延長するように内側側壁に固着された一以上のバッフルとを設け、上部には固体スラリー入口および液体出口を設け、下部には液体入口および固体出口を設けてなる縦型固液接触装置において、前記攪拌翼と一以上のバッフルとをそれぞれ各攪拌室の概ね下半分の領域内に設けてなることを特徴とし、互いに密度差を有する固体と液体との相互接触を促進するに適した縦型固液接触装置である。

本発明の固液接触装置においては、各攪拌室を上下に非対称に構成し、各攪拌室において、固液接触効率の改善に寄与する下側の攪拌領域と上側の整流領域とを設けることにより、軸方向流れの逆混合を防止しつつ固液接触効率の改善に成功したものである。

また、本発明の固液接触方法は、上記固液接触装置を用いて互いに密度差を有する固体と液体との相互接触を行うに際して、攪拌時の固液混合物のレイノルズ数（Ｒｅ）が５００〜５０００００の範囲となるように攪拌し、装置の最大負荷に対して６０％以上の負荷率で固体流を供給することを特徴とするものであり、負荷率が上昇するにつれて、固液接触効率が改善されるという実験結果に基づいている（後記実施例参照）。

図１は、本発明の縦型（ないし塔型）向流固液接触装置の一実施例の模式縦断面図であり、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線矢視方向断面図である。この例では、通常の系がそうであるように密度が相対的に大である固体粒子（あるいはこれを含むスラリー）と密度が相対的に小なる液体との固液接触用に設計されている。

図１を参照して、該装置は、概ね塔頂部１、本体部２および塔底部３からなる。本体部２は、複数の攪拌室、この例では４つの攪拌室２１〜２４に分割され、各攪拌室間は中央に開口４を設けた仕切板５により区画されている。また各攪拌室２１〜２４には、その下側に偏在する形態で、好ましくは各攪拌室の下半分の領域内に入る形態で、平パドル攪拌翼６およびバッフル７が配置されている。各攪拌室２１〜２４に配置された半径方向吐出型攪拌翼の一例としての平パドル攪拌翼６は、塔頂部１および本体部２を貫通する共通攪拌軸８に回転可能に固着されており、バッフル７（この例では４枚で、円周方向に互いに等間隔に配置されている）は、高さ方向に延長するように攪拌室内壁に固着されている。

塔頂部１には、固体（スラリー）入口配管９１および液体出口配管９４が、塔底部３には液体入口配管９２および固体（スラリー）出口配管９３が設けられている。塔頂部１は、配管９１から導入された固体（スラリー）が配管９４から排出される液体流による軸方向逆混合を受け難いように、必要に応じて、本体部２に比べて約１〜４倍に拡大された流路面積とされている。

このような構成の装置において、配管９１から塔頂部１に導入された固体（スラリー）は、本質的な逆混合を受けることなく、第１の攪拌室２１に導入され、攪拌室２１の下方に偏在した平パドル攪拌翼６に吸引されて、半径方向に吐出され、同様に攪拌室下方に偏在してその内壁に固着されたバッフル７の作用により分割されて翼取付位置の上側では上昇流が生じ、下側では下降流が生ずる。より詳しくは、上記のように下方に偏在して、攪拌翼６およびバッフル７を設けた結果、攪拌翼６に吸引された固体（スラリー）を主とする流れは、図中に矢印で示すように翼の下側では小さな循環流、翼のすぐ上では下側よりは相対的に大きな循環流を形成し、攪拌室２１の天井部では相対的に固体粒子濃度が（わずかではあるが）小さい穏やかな流れを形成する。このため、仕切板５の中央開口４の外周近傍では、固体粒子濃度の大な下降流が、また攪拌軸８の周囲の開口４の中心部では、液体入口９２から導入された液体に富む上昇流が生じ、この上昇流は翼６に吸引されて、翼上方から導入された固体（スラリー）との攪拌混合を受ける。これら一連の流体作用により、攪拌室２１内において、配管９１から導入された固体（スラリー）と配管９２から導入された液体との固液接触が軸方向逆混合を抑制した状態で効果的に達成される。

次いで、攪拌室２１から攪拌室２２へ導入された固体粒子に富む流れは、（攪拌室２１中と同様に）比較的穏やかな流れの攪拌室２２の天井部領域（いわば整流域）において本質的な軸方向逆混合を受けることなく、室下方に設けられた平パドル翼６およびバッフル７による半径方向吐出流攪拌および整流作用下に、配管９２から導入された液体との効率的な固液接触処理を受ける。

更に同様な固液接触処理は、攪拌室２３，２４においても繰り返され、このような軸方向逆混合を抑制した状態での効率的な固液接触処理の繰り返しにより、全体として高い固液接触効率が達成されるものと解される。

上記した攪拌室２１〜２４を含む本体部２中においては、配管９２から導入される液体に比べて、配管９１が導入される固体（スラリー）中の固体粒子は密度が大であるため、相対的に大なる重力の作用下での沈降作用と攪拌翼６による相対的に大なる動圧の作用下での下降流形成により、下方へと推進移動される。この作用および逆混合の抑制が、本発明の装置においては、容積当りの処理効率が高い理由であると考えられる。

本発明の装置は、上述のように固体と液体の密度差を利用しているので、攪拌槽（室）内における固体と液体の密度に差があることが必要である。その意味において、固液密度比、即ち、（［固体の見掛け密度］／［液体の密度］）または（［液体の密度］／［固体の見掛け密度］）は、１．０３〜２０．０、好ましくは１．０５〜１０．０、更に好ましくは１．１０〜５．０、である。固液密度比が１．０３より小さい場合、固液の分離は不良となり、また固液密度比が２０．０を越える場合、固液の接触効率が低下する。

次いで、本体部２で固液接触を受けた固体（スラリー）は、次いで塔底部３において、本質的な逆混合を伴わない状態で配管９２より導入された液体と接触し、その底部配管９３から固体（スラリー）として排出される。

他方、配管９２から導入された液体は、配管９１から導入された固体（スラリー）との間で、塔底部３での穏やかな固液接触、本体部２での攪拌を伴う固液接触、塔頂部１での穏やかな固液接触を受けた後、塔頂部１の上部配管９４から排出される。

なお上記説明における各攪拌室２１〜２４における翼６の下部での比較的小さな循環流、翼６の上部での比較的大きな循環流、開口４の外周部での下降流、および開口４の中心での上昇流などの存在は、透明な本体部２を形成することにより、その外側からの流体観察の結果として確認されている。

図１の装置は、配管９１から固体（スラリー）が導入され、配管９２から液体が導入されて装置内で固液接触が行われる任意の単位操作に適用可能であり、その具体例には、洗浄、精製、抽出、含浸、反応、溶解が含まれる。

本発明の固液接触装置を良好な固液接触効率で運転するためには、各攪拌室内の固液混合物に適切な混合状態を与えることが好ましく、これは実験的に攪拌レイノルズ数（Ｒｅ）が５００〜５０００００、より好ましくは８００〜１０００００、特に好ましくは１２００〜３００００の範囲内であることが確認されている。すなわち、各攪拌室内における固液接触効率（段効率）は一般にＲｅの増大とともに増大するが、Ｒｅが一定値を超えて増大すると、隣接攪拌室間での逆混合が多くなり段効率が低下するという実験事実に基づく。攪拌レイノルズ数（Ｒｅ）は、例えば化学工学会編「化学工学便覧（第６版）」（丸善（株）発行）にも記載されるように
［数１］
Ｒｅ＝ρｎｄ^２／μ …… （１）
で表わされるものであり、ここでρ：攪拌室内スラリー液の平均密度［ｋｇ／ｍ^３］、ｎ：攪拌回転数［１／ｓ］、ｄ：攪拌翼径［ｍ］、μ：攪拌室内スラリー液の粘度［Ｐａ・ｓ］である。例えば、直接測定による、あるいは日本化学会編「化学便覧（第４版）」（丸善（株）発行）等の文献に記載の、ρ，μ等の物性値を用いてＲｅを計算することができ、その計算の一例は、後記実施例１に詳細に記載する通りである。

また、図１で代表される本発明の固液接触装置は、装置の最大負荷の近傍で運転することにより良好な固液接触効果が得られることが確認されている。通常は装置への負荷が増えると滞留時間が減少し、また逆混合流も増えるので、装置の効率は低下する。しかし本発明装置の場合、負荷の増加に比較して逆混合流の増加が極めて少ないために、滞留時間の減少による負の効果を上回り、負荷の増加によって装置の効率はむしろ上昇するものと考えられる。より具体的には装置の許容処理流量の最大値を最大負荷として、その６０％以上、より好ましくは８０％以上、更に好ましくは９０％以上の処理流量で運転することが好ましい。ここで、最大負荷すなわち処理流量の最大値は実験的に以下のようにして決定することができる。

（処理流量の最大値）
（イ）配管９１から供給される固体流量のほぼ全量が配管９３から排出される場合（例えば、固体の液体による洗浄、精製、抽出、含浸）。

図１の装置において、まず処理する個体と液体の処理比率を固液比として決める。次に攪拌翼６を１２００≦Ｒｅ≦３００００となる攪拌速度で回転させながら、配管９１からの固体供給流量と配管９２からの液体供給流量との比を、先に決めた固液比となるように固体と液体の供給流量を漸次増加していく。配管９１からの固体供給流量が配管９３からの固体排出流量を越える時が、その液体供給量と固体供給流量とがそれぞれの最大値であり、その合計値を最大処理流量とする。

（ロ）配管９１から供給される固体が装置内を流れる間に漸減する場合（例えば、固体の溶解）。

図１の装置において、まず液排出口９４における溶解した固体濃度の目標値（Ｃ（ｇ／ｍｌ）と固体の溶解率の目標値（Ｓ（％））を設定する。また、固体が全量溶解した時に液排出口での濃度が目標値（Ｃ）になるように固体供給流量（Ｆｓ）と液体供給流量（Ｆｌ）の比率（Ｆｓ／Ｆｌ）を設定し、その比率で固体供給流量（Ｆｓ）と液体供給流量（Ｆｌ）を少ない量から次第に増量していく。最初は、供給した固体の全量が溶解しているが、固体供給速度が固体の溶解速度を越えた時に固体排出口９３から固体が排出される。この時点で、装置内部の固体は装置上部の攪拌室２１には大量に、装置下部の攪拌室２４には少量分布しているので、液体供給量をそのままにして固体供給量だけを増やせば、装置下部の攪拌室２４での固体の分布量が増え、その結果装置全体での固液接触面積が増え、液排出口における溶解した固体の濃度は上昇する。つまり固体供給流量（Ｆｓ）と液体供給流量（Ｆ１）の比率（Ｆｓ／Ｆｌ）を高めれば液排出口における固体濃度を高めることができる。但し、固体の排出流量は漸増する。従って、固体供給流量を増やして上記比率（Ｆｓ／Ｆｌ）を高めながらかつ液体供給流量を増加した時、液排出口の濃度の目標値（Ｃ）または固体の溶解率の目標値（Ｓ）のいずれかが安定的に維持できなくなった時点が、固体供給量の最大値であり、その時の固体排出量が、固体排出量の上限である。

上記（ロ）の操作は、供給する固体と供給する液体を反応させて固体の一部あるいは全部が液体との反応に伴い漸減し液体排出口から排出する場合にも適用できる。

上記した、主として固体供給流量によって規定される図１の固液接触装置の最大負荷および固液接触効率は、主として、各攪拌室２１〜２４の寸法および各攪拌室間の仕切板５の開口比に依存する。

本発明者等の知見によれば、攪拌室２１〜２４の各々の高さ（Ｈ）と内径（Ｄ）との比（Ｈ／Ｄ）が０．１〜３．０、特に０．２５〜１．５とし、仕切板５の位置での攪拌室の断面積に対する連通口４の占める開口面積（連通口４を複数設ける場合はそれらの開口面積の合計）の割合が０．２〜２０％、特に１〜１０％、とすることが好ましく、これにより攪拌室内での逆混合を抑制しつつ、効率の良い固液接触が可能になる。固液密度比の大きい系で操作する場合、（Ｈ／Ｄ）は比較的小さくすることができ、装置全体の高さを低くすることができるが、固液密度比の小さい系で操作する場合は（Ｈ／Ｄ）を大きくして、室内上側の整流部形成を促すようにした方がよい。

配管９１から供給する固体（スラリー）を、固体粒子のみとするか、スラリーとするかは目的とする固液接触の種類および固体粒子単独での供給の容易性による。一般には固液接触の目的が許容するならば、スラリーの方が装置への供給は容易である。この場合の、スラリー化のための固／液比は、主としてスラリーの供給の容易性の観点で定まり、一般には大なる（スラリー化のための液の使用量が少ない）程好ましい。また、スラリー中の液は、できるだけ速やかに固体粒子から分離されて（また配管９２から導入される液との混合なしに）、配管９４から排出されることが好ましい。このためにも塔頂部１の断面積を本体部２よりも大として層流状態に近い状態を形成することが好ましい。

本発明を適用するための、攪拌室内における液体の粘度は、平パドルやディスクタービンなどの攪拌翼を使用する場合、０．０１×１０^−３〜１．０Ｐａ・ｓ、好ましくは０．０５×１０^−３〜０．５Ｐａ・ｓ、更に好ましくは０．１×１０^−３〜０．１Ｐａ・ｓである。１Ｐａ・ｓを超える高粘度域または０．０１×１０^−３より低い低粘度域では、室内下部攪拌領域の攪拌混合状態が悪化し、固液接触効率が低下する。

配管９１から導入されるスラリー化のための液体と、配管９２から導入される液体は同一であることが好ましい場合が多いが固液接触の用途によっては異なり得る。また異なる液体は互いに非相溶性であってもよいが、隣接する攪拌室間の整流性等の観点からは互いに相溶性であることが好ましい。

また配管９３からの排出流を、固体粒子のみとするか、スラリーとするかも目的とする固液接触の種類および後工程との適合性による。流動性の良いスラリーが望ましい場合も多いが、この場合にもスラリー中の液は、配管９２から塔底部３に導入された液があまり内部で混合されることなく、配管９３へと導かれて、固体粒子とともにスラリーとして排出されることが好ましい。すなわち、塔底部３内では、層流状態として主として固体粒子のみが液とは逆行して下方に流動する形態が好ましい。

上記図１の装置で代表される本発明の固液接触装置は、単位容積当りの処理能力が大きいという長所に加えて、スケールアップが容易であるという長所がある。

攪拌操作において小規模攪拌槽において得た流れの状況を維持するようにスケールアップを行う方法として攪拌翼先端速度一定や単位容積あたりの攪拌動力一定を基準にする方法、あるいは攪拌のレイノルズ数一定を基準にする方法が知られている。また固液系攪拌操作において粒子浮遊限界攪拌速度を維持するために、攪拌槽と攪拌翼や邪魔板などの槽内形状が相似で取り扱う固液状況も同じであるとき、単位容積あたりの攪拌動力が一定になるような回転数にすれば良いことも知られている。

しかしこれらの方法は、多段攪拌槽（室）型固液接触装置をスケールアップする際、槽（室）間の逆混合を予測することが困難であり、設計どおりの接触効率を精度よく得ることは困難であった。本発明においては、単にＲｅを一定（の範囲）に規定するだけではなく、「攪拌室内における攪拌翼及びバッフルの位置の規定」と「Ｒｅを一定の範囲に規定」の両者を適切に組みあわせることによって、室間の逆混合流を抑制することに成功した。その結果、小スケールの実験で求めた接触効率が、スケールアップする際に精度よく使えることになり、設計精度が高まった。

（比較装置）
上述した本発明装置の本質的な効果は、各攪拌室において攪拌翼が、ほぼ中央の位置に配置され、且つバッフルが攪拌室高さのほぼ全域に亘って延長する従来型の連続多段攪拌型固液接触装置によっては得られない。

例えば図３は、このような従来型装置の一例の模式縦断面図であり、図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線矢視方向断面図である。図３および図４の装置は、図１および図２の装置と比べて、各攪拌室２１〜２４において、攪拌翼３６がほぼ中央に位置し、バッフル３７がほぼ全高さに亘って設けられている点のみが異なる。このような装置では、各攪拌室天井部近傍に整流域が形成されず、対応して隣接する攪拌室間の仕切板の中央開口において、下降流と上昇流の形成が阻害されて逆混合が生ずるために、本発明装置の本質的効果は失われてしまう。

（変形例）
上記において図１および図２を参照しつつ、本発明の縦型向流固液接触装置の好ましい一例について説明した。しかし、本発明の範囲内において、図１および図２の装置は各種変形が可能であることは当業者には容易に理解できよう。

例えば装置を構成する攪拌室数は図示の４に限らず、必要な理論固液接触段数に応じて、例えば２〜４００の範囲で変更可能であり、また配管９３からの固体（スラリー）を、更に図１と同様な構成の固液接触装置の配管９１に導入して処理する直列複数塔型固液接触装置とすることもできる。

また攪拌翼は、半径方向吐出型であれば、図示の平パドル翼に限らず、ディスクタービン翼など任意の翼形のものが用いられる。更に1攪拌室あたりのバッフルの数も、上記例の4に限らず、一般に１〜１２のバッフルが用いられるが、好ましくは、２〜８である。バッフルは、攪拌室内壁に垂直に設けることが一般的である。

本発明の連続多段攪拌室型固液接触装置においては、隣接攪拌室間の仕切板に設けた開口を通して、固体流と液体流とが整然として対向流（下向流と上昇流）として行き交うことを特徴とする。そして、図１の例では、この対向流は、仕切板中央に設けた単一の開口の円周部と中心部とに形成させているが、開口は単一に限らず複数設けてもよい。例えば、図１の例においては、上昇流を通すべき中央開口に加えて、下降流を主として通すべき開口を、内壁側に移動した複数の開口あるいは単一の環状開口として設けてもよい。

また図１の装置は、固体の密度が液体のそれより大である固液接触系の装置であるが、配管９２から固体（スラリー）を、配管９１から液体を導入すれば、図１の装置は液体より小さい密度の固体（例えば中空発泡粒子）と液体との固液接触に用いることもできる。この際には、当然配管９４が固体（スラリー）排出口に、配管９３が重流体排出口として機能する。また、塔頂部１および塔底部３の本体部２に対する相対的寸法変更等も望ましい場合が多いであろう。

（本発明装置の利用）
本発明の連続多段攪拌室型向流式固液接触装置は、茶、コーヒー、砂糖、香料、油脂、微量天然成分など固体中の有用成分の液体への抽出操作、精肉・魚肉などの水さらし、合成樹脂の重合溶媒回収や樹脂粒子や成形ペレットの洗浄、リサイクルプラスチックなどの洗浄固体中不要成分の洗浄操作、固体と液体との反応や液体と液体の反応により固体を生成する重合などの反応操作、液体成分の固体への含浸や固体表面リンス処理操作、固体の液体への溶解操作やコロイド沈殿の解膠操作などに幅広く使用することができる。

本発明の固液接触装置の好ましい利用例として、ＰＡＳ（ポリアリーレンスルフィド）重合スラリーからの重合溶媒回収のためのＰＡＳ樹脂粒子の洗浄あるいはその後の精製のための樹脂粒子の洗浄のための固液接触装置としての使用がある。

すなわち特開昭６１−２５５９３３号公報には重合工程で得られた粒子ＰＡＳを含む重合体スラリーの処理方法が記述されている。この処理方法では（１）ポリアリーレンスルフィド粒子、副生した結晶及び溶解塩化アルカリ並びにアリーレンスルフィドオリゴマーを含み液成分が主としてＮ−メチルピロリドンである重合スラリーを篩別によってポリアリーレンスルフィド粒子と結晶塩化アルカリ含有スラリーとに分離する工程、（２）該結晶塩化アルカリ含有スラリーを固液分離に付して、結晶塩化アルカリを得るとともに液成分を蒸留してＮ−メチルピロリドンを回収する工程、（３）該ポリアリーレンスルフィド粒子をアセトン等の有機溶媒および水で洗浄する工程、および（４）有機溶剤洗浄液より溶媒を蒸留回収する工程が記述されているが、本発明の固液接触装置は、上記（３）の工程の連続洗浄装置としても好適に利用できる。

以下、実施例および比較例により、本発明を更に具体的に説明する。

（実施例１）
図１（および２）に示す構成の固液接触装置に、配管９１からＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）スラリーを２５ｋｇ／ｈ、また配管９２から洗浄液として水を３７．５ｋｇ／ｈの割合で供給して連続固液接触処理を行った。装置の処理流量はスラリーと水の供給量の合計で６２．５ｋｇ／ｈとなる。該ＰＰＳスラリーの内訳は、ＰＰＳ粒子（乾燥基準）５ｋｇ／ｈ、水１６ｋｇ／ｈ、アセトン４ｋｇ／ｈであり、従ってＰＰＳ粒子を除いた液中アセトン濃度が２０重量％（スラリー中アセトン濃度が１６重量％）、スラリー中ＰＰＳ粒子濃度が２０重量％となる。また洗浄液とスラリー中のＰＰＳ粒子の比で定まる洗浄浴比Ｌ／Ｐは７．５（＝３７．５／（２５×０．２））となる。

該装置は、アクリル樹脂板製の内部が透視可能な４の攪拌室２１〜２４を有し、その各々は、内径Ｄ＝１０４ｍｍ、高さＨ＝１２５ｍｍ、攪拌軸８外径２０ｍｍ、開口４内径３２ｍｍを有する仕切板５、したがって仕切板開口率５．８％であった。また、各攪拌室には、攪拌翼径（２枚の合計として）６０ｍｍ（すなわちｄ＝０．０６ｍ）、翼幅２０ｍｍ（ｂ＝０．０２ｍ）の寸法の４枚の平パドル翼６を、互いに９０°の間隔でそれぞれ仕切板５の上方２２ｍｍ〜４２ｍｍに亘って攪拌軸８に固着し、また内壁の９０°間隔の４個所には、横幅１５ｍｍ、高さ６３ｍｍのバッフル７の計４枚を仕切板５の上方０ｍｍ〜６３ｍｍに亘って高さ方向に延長するように固着した。

上記において、攪拌軸８を攪拌回転数２００ｒｐｍ（すなわちｎ＝２００／６０＝１０／３（１／ｓ）、後記計算に示すように、攪拌室内平均攪拌レイノルズ数Ｒｅ＝６．８４×１０^３に相当する）で回転させた。この攪拌状態で上記の通り、配管９１からＰＰＳスラリーを２５ｋｇ／ｈ、配管９２から水を３７．５ｋｇ／ｈの割合で供給したところ、各攪拌室の下方部分にのみ設けた平パドル翼６およびバッフル７の作用により、例えば攪拌室２１について図１に矢印で示すように、翼６下側での比較的小さな循環流、翼６の上側での比較的大きな循環流、開口４の外周部での下降流および開口４の中心での上昇流、更に攪拌室上部での穏やかな流れ状態（矢印なし）で特徴付けられる流動状態が確認された。また、配管９４から廃液を３７．５ｋｇ／ｈで排出し、底部配管９３から洗浄済スラリーを、スラリー中粒子濃度２０重量％が維持されるように２５ｋｇ／ｈで排出した。この結果、排出スラリー中アセトン濃度（出口アセトン濃度）は０．２２重量％であった。

なお、上記装置において、洗浄浴比Ｌ／Ｐ＝７．５を維持したまま、配管９１へのスラリー供給量および配管９２への水供給量を増大していき、その合計値である処理量が６６ｋｇ／ｈ（ＰＰＳ粒子として５．３ｋｇ／ｈ）に到達した後は、これ以上処理量を増大しても、配管９３からのスラリー排出量は増大せず、攪拌室内部に固体が滞留する現象が見られたため、これを最大処理量と確認した。

従って、上記処理量６２．５ｋｇ／ｈ（ＰＰＳ粒子として５ｋｇ／ｈ）は最大負荷の９５％に相当する。

上記で示した攪拌室内平均攪拌レイノルズ数Ｒｅの計算方法は以下の通りである。

前記したようにＲｅは下記（１）式により求めることができる。（参考文献：化工便覧６版、化学便覧４版）：
［数２］
Ｒｅ＝ρｎｄ^２／μ …… （１）
ここで、ρ：攪拌室内スラリー液の平均密度［ｋｇ／ｍ^３］、ｎ：攪拌回転数［ｌ／ｓ］、ｄ：翼径［ｍ］、攪拌室内スラリー液の粘度［Ｐａ・ｓ］である。次ぎに、ρとμの求め方について示す。

（ｉ）スラリー液の平均密度ρ［ｋｇ／ｍ^３］
ρは（２）式により求めることができる：
［数３］
ρ＝φρｓ＋（１−φ）ρ１ …… （２）
ここで、ρ１：液体密度［ｋｇ／ｍ^３］、ρｓ：固体のみかけ密度［ｋｇ／ｍ^３］、φ：固体体積濃度［−］である。

（２）式のρ１は液体の体積と質量を精密に測定し、その質量を体積で除することにより求められるが、純物質やその混合物のときは便覧等に記載されているデータを用いてもよい。ρｓを求めるためには、まず固体の真密度ρｓｔをピクノメーター法により測定する。次にその固体をスラリー形成液体に浸漬させたのち液から引き上げ、直ぐその湿潤質量Ｗｗ［ｋｇ］を測定した後、液を除去して再度乾燥固体の質量Ｗｄ［ｋｇ］を測定し、（３）式により求められる：
［数４］
ρｓ＝ρ１×（（Ｗｗ−Ｗｄ）／Ｗｗ）＋ρｓｔ×（１−（Ｗｗ−Ｗｄ）／Ｗｗ）
…… （３）
ρｓ，ρ１は装置内の各部、特に軸方向に異なるので、最上段と最下段（ここでは第１段と第４段）について求めて、これを算術平均する。

φ（固体容積率）は、例えば装置の定常操作中に操作を停止して、装置内のスラリーを全量排出し、次にスラリーから固体を引き上げ、直ぐその質量Ｗｓを測定し、（４）式により求める。ここで、Ｖ１は装置内容積である：
［数５］
φ＝（Ｗｓ／ρｓ）／Ｖ１ …… （４）。

これら特性値を、実施例１については、以下のようにして求めた。

まず（３）式により、第１段と第４段におけるρｓを求めた。化学便覧４版のデータより、２０℃で、水の密度（ρｗ）：９９８（ｋｇ／ｍ^３）、アセトンの密度（ρａｃ）：７９１（ｋｇ／ｍ^３）、また第１段アセトン濃度（Ｃａｃ１）：４．５（重量％）、第４段アセトン濃度（Ｃａｃ２）：０．４３（重量％）の測定値をガスクロ法により得た。従って第１段水濃度（Ｃｗ１）：９５．５（重量％）、第４段水濃度（Ｃｗ２）：９９．５７（重量％）。これよりρ１を求めた。

まず、各段のアセトン濃度の重量％（Ｃａｃ１、Ｃａｃ２）を容量％（Ｆａｃ１、Ｆａｃ２）に換算した：
［数６］
第１段のアセトン濃度（容量％）（Ｆａｃ１）
＝１００＊（Ｃａｃ１／ρａｃ）／（Ｃａｃ１／ρａｃ＋Ｃｗ１／ρｗ）
＝（１００）（４．５／７９１）／（４．５／７９１＋９５．５／９９８）
＝５．６１
第４段のアセトン濃度（容量％）（Ｆａｃ２）
＝１００＊（Ｃａｃ２／ρａｃ）／（Ｃａｃ２／ρａｃ＋Ｃｗ２／ρｗ）
＝（１００）（０．４３／７９１）／（０．４３／７９１＋９９．５７／９９８）
＝０．５４
従って、
第１段における液体密度ρ１１
＝（Ｆａｃ１／１００）＊（ρａｃ）＋（（１００−Ｆａｃ１）／１００）＊（ρｗ）
＝（０．０５６１）（７９１）＋（１−０．０５６１）（９９８）＝９８６ｋｇ／ｍ^３
第４段における液体密度ρ１２
＝（Ｆａｃ２／１００）＊（ρａｃ）＋（（１００−Ｆａｃ２）／１００）＊（ρｗ）
＝（０．００５４）（７９２）＋（１−０．００５４）（９９８）＝９９７ｋｇ／ｍ^３
以上より、装置内の平均の液密度ρ１＝（９８６＋９９７）／２＝９９２ｋｇ／ｍ^３を得た。

次に実測により、Ｗｗ＝１ｋｇ、Ｗｄ＝０．５ｋｇ、ρｓｒは１３００ｋｇ／ｍ^３であった。これを（３）式に代入すると、第１段と第４段におけるρｓ１及びρｓ２は、
ρｓ１＝（９８６）（０．５）＋（１３００）（０．５）＝１１４３ｋｇ／ｍ^３
ρｓ２＝（９９７）（０．５）＋（１３００）（０．５）＝１１４９ｋｇ／ｍ^３
以上より、平均の固体密度ρｓ＝（１１４３＋１１４９）／２＝１１４６ｋｇ／ｍ^３を得た。

次に（４）式により、以下のようにしてφを求めた：
［数７］
装置内容積Ｖ１
＝（室数）＊（室内径）^２＊（３．１４／４）＊（室高さ）
＝（４）（０．１０４）＾２（０．７８５）（０．１２５）＝０．００４２５ｍ^３
Ｗｓを測定したところ１ｋｇであった。ρｓａｖ＝１１４６ｋｇ／ｍ^３であるので、これを（４）式に代入して、
φ＝（１／１１４６）／（０．００４２５）＝０．２。

（２）式に第１段と第４段の液密度及び固体密度に対応する平均値を代入することによってスラリーの密度ρが得られた：
ρ＝（０．２）（１１４６）＋（１−０．２）（９９２）＝１０２２ｋｇ／ｍ^３。

（ｉｉ）平均粘度μ［Ｐａ・ｓ］
［数８］
μ＝μ１［１−（φ／０．６２）］^{（−１．５５）}
ここで、μ１［Ｐａ・ｓ］は液粘度で各種粘度測定装置により測定できるが、純物質やその混合物のときは便覧等に記載されているデータを用いてもよい。

実施例１の場合
２０℃で化学便覧４版のデータより、２０℃で水１．０×１０^−３Ｐａ・ｓ、アセトン０．４×１０^−３Ｐａ・ｓ
［数９］
第１段では μ１１＝（０．０５６１）（０．４×１０^−３）＋（１−０．０５６１）（１０^−３）＝０．９６６×１０^−３
μ１＝０．９６６×１０^−３［（１−０．２／０．６２）］^{（−１．５５）}＝１．８×１０^−３
第４段では μ１２＝（０．００５４）（０．４×１０^−３）＋（１−０．００５４）（１０^−３）＝１．０×１０^−３
μ２＝１．０×１０^−３［（１−０．２／０．６２）^{（−１．５５）}＝１．８×１０^−３
故にμ＝（μ１＋μ２）／２＝１．８×１０^−３Ｐａ・ｓ
従って実施例１における攪拌レイノルズ数Ｒｅは以下のように計算される：
［数１０］
Ｒｅ＝ρｎｄ^２／μ＝１０２２×（１０／３）×（０．０６）^２／（１．８×１０^−３）＝６．８×１０^３。

装置、運転条件および運転結果の概容を、下記例のものとともに後記表１にまとめて示す。

（参考例１）
上記実施例１と同じ攪拌状況を維持し、また洗浄浴比Ｌ／Ｐ＝７．５を維持しながら、配管９１へのスラリー供給量と配管９２への水供給量の合計値である処理量を３７．５ｋｇ／ｈ（ＰＰＳ粒子として３ｋｇ／ｈ）まで減少させた。このときの出口アセトン濃度は０．６０重量％であった。装置内平均攪拌レイノルズ数Ｒｅは６．８２×１０^３であり、処理量３７．５ｋｇ／ｈは最大負荷の５７％に相当する。

（参考例２）
参考例１の攪拌回転数を４ｒｐｍまで減少させた。このとき装置内平均攪拌レイノルズ数Ｒｅが１．３７×１０^２となる。この攪拌状態で、洗浄浴比Ｌ／Ｐ＝７．５を維持しながら、配管９１へのスラリー供給量と配管９２への水供給量の合計値である処理量を３７．５ｋｇ／ｈ（ＰＰＳ粒子として３ｋｇ／ｈ）としたとき出口アセトン濃度は１．４０重量％であった。

なお、上記装置において、攪拌状況と洗浄浴比Ｌ／Ｐ＝７．５を維持したまま、配管９１へのスラリー供給量および配管９２への水供給量を増大していき、その合計値である処理量が４０ｋｇ／ｈに到達した後は、これ以上処理量が増大しても、配管９３からのスラリー排出量は増大せず、攪拌室内部に固体が滞留する現象が見られたため、これを最大処理量として確認した。したがって上記処理量３７．５ｋｇ／ｈ（ＰＰＳ粒子として３ｋｇ／ｈ）は最大負荷の９５％に相当する。

（参考例３）
参考例２の仕切板開口４内径を５２ｍｍに増大し、仕切板開口率を２１％とした装置を用いたところ、最大処理量が６６ｋｇ／ｈ（ＰＰＳ粒子として５．３ｋｇ／ｈ）に増大した。このとき装置内平均攪拌レイノルズ数Ｒｅが１．３８×１０^２となる。そこで洗浄浴比Ｌ／Ｐ＝７．５のまま、処理量を最大負荷の９５％に相当する６２．５ｋｇ／ｈ（ＰＰＳ粒子として５ｋｇ／ｈ）として固液接触処理を行った。このとき出口アセトン濃度は３．６０重量％であった。

（実施例２）
実施例１と同様に、図１に示す構成を示すが、但し、攪拌室内径Ｄ＝１０４ｍｍ、攪拌室高さＨ＝６３ｍｍ、攪拌軸８外径２０ｍｍ、仕切板開口４内径３２ｍｍ、従って仕切板開口率５．８％と高さＨを実施例１の半分にした装置を用いて固液接触操作を行った。また各攪拌室には、攪拌翼径６０ｍｍ、翼幅２０ｍｍの４枚の平パドル翼６を、それぞれ仕切板５の上方６ｍｍ〜２６ｍｍに亘って攪拌軸８に固着し、また内壁の９０°間隔の４個所には横幅１５ｍｍ、高さ３２ｍｍのバッフル７の計４枚を仕切板５の上方０ｍｍ〜３２ｍｍに亘って高さ方向に延長するように固着した。

上記において、攪拌軸８を２００ｒｐｍ（Ｒｅ＝６．８×１０^３）で回転させた。この攪拌状態で、配管９１から実施例１と同一組成のＰＰＳスラリーを１４ｋｇ／ｈ、配管９２から水を２１ｋｇ／ｈの割合で供給し、すなわち合計処理量が３５ｋｇ／ｈ（ＰＰＳ粒子として２．８ｋｇ／ｈ）で接触を行った。この結果、排出スラリー中アセトン濃度（出口アセトン濃度）は０．３２重量％であった。

なお、上記装置において、攪拌状況と洗浄浴比Ｌ／Ｐ＝７．５を維持したまま、配管９１へのスラリー供給量および配管９２への水供給量を増大していき、その合計値である処理量が３７ｋｇ／ｈに到達した後は、これ以上処理量が増大しても、配管９３からのスラリー排出量は増大せず、攪拌室内部に固体が滞留する現象が見られたため、これを最大処理量と確認した。したがって上記処理量３５ｋｇ／ｈ（ＰＰＳ粒子として２．８ｋｇ／ｈ）は最大負荷の９５％に相当する。

（参考例４）
上記実施例２と同じ攪拌状況を維持し、スラリー供給量および水供給量を洗浄浴比Ｌ／Ｐ＝７．５を維持しながら、配管９１へのスラリー供給量と配管９２への水供給量の合計値である処理量を２６．３ｋｇ／ｈ（ＰＰＳ粒子として２．１ｋｇ／ｈ）まで減少させた。このときの出口アセトン濃度は０．４７重量％であった。装置内平均攪拌レイノルズ数Ｒｅは６．８×１０^３であり、処理量２６．３ｋｇ／ｈは最大負荷の７２％に相当する。

（比較例１）
図１の代りに図３に示す装置を用いて、実施例１と同様な固液接触操作を行った。

図３の装置は、各攪拌室２１〜２４において、図１の攪拌翼６と実質的に同じ平パドル翼３６を、但し、各攪拌室の中央に位置させ、またバッフル７の代りに幅１５ｍｍ、高さ１２５ｍｍのバッフル３７をほぼ攪拌室の全高に亘って延長するように配置したものであり、その他の構成は図１とほぼ同様である。

この装置に、洗浄浴比Ｌ／Ｐ＝７．５で実施例１と同じＰＰＳ粒子スラリーおよび水を供給し、攪拌翼３６を実施例１と同じく２００回転（Ｒｅ＝６．８×１０^３）で回転させたところ、図３の攪拌室２１内に矢印で示すように、各攪拌室内においては攪拌翼の上下に同じ大きさの循環流が生じ、仕切板５の中央開口４近傍では隣接する攪拌室内の循環流がせめぎ合う形となり、図１のような中央開口４をまたぐ下降流および上昇流の形成は認められなかった。

実施例１と同様に洗浄浴比Ｌ／Ｐ＝７．５を維持すると最大処理量は７９ｋｇ／ｈ（ＰＰＳ粒子として６．３ｋｇ／ｈ）程度と判定され、その９５％にあたる７５ｋｇ／ｈ（ＰＰＳとして６ｋｇ／ｈ）の処理量で、固液接触を行うと、出口アセトン濃度は０．６２重量％であった。

（比較例２）
比較例１の４枚のバッフル３７の各々を図１のバッフル７のように、横幅１５ｍｍ、高さ６３ｍｍの寸法とし、仕切板５の上方０ｍｍ〜６３ｍｍに亘って高さ方向に延長するように固着した以外は比較例１と同じとした。攪拌翼を比較例１と同じく、２００ｒｐｍで回転させたところ装置内平均攪拌レイノルズ数Ｒｅは６．８×１０^３であった。

最大処理量は６６ｋｇ／ｈ（ＰＰＳ粒子として５．３ｋｇ／ｈ）に減少した。洗浄浴比Ｌ／Ｐ＝７．５のまま、処理量を最大負荷の９５％に相当する６２．５ｋｇ／ｈ（ＰＰＳ粒子として５ｋｇ／ｈ）として固液接触処理を行った。このとき出口アセトン濃度は０．５７重量％であった。

（比較例３）
比較例１の攪拌翼３６を、図１の攪拌翼６のように、高さ３２ｍｍに縮小し、仕切板５の上方２２ｍｍ〜４２ｍｍに亘って攪拌軸８に固着した以外は比較例１と同じとした。攪拌翼を比較例５と同じく、２００ｒｐｍで回転させたところ室平均攪拌レイノルズ数Ｒｅは６．８×１０^３であった。

最大処理量は７９ｋｇ／ｈ（ＰＰＳ粒子として６．３ｋｇ／ｈ）となった。洗浄浴比Ｌ／Ｐ＝７．５のまま、処理量を最大負荷の９５％に相当する７５ｋｇ／ｈ（ＰＰＳ粒子として６ｋｇ／ｈ）として固液接触処理を行った。このとき出口アセトン濃度は０．５６重量％であった。

（実施例３）
実施例１と同様に、図１に示す構成を示すが、但し、攪拌室内径Ｄ＝３１１ｍｍ、高さＨ＝１５６ｍｍ、攪拌軸８外径２０ｍｍ、仕切板開口４内径７５ｍｍ、従って仕切板開口率５．４％とスケールアップした装置を用いて固液接触操作を行った。また各攪拌室には、攪拌翼径１５０ｍｍ、翼幅３０ｍｍの４枚の平パドル翼６を、それぞれ仕切板５の上方２４ｍｍ〜５４ｍｍに亘って攪拌軸８に固着し、また内壁の９０°間隔の４個所には横幅４２ｍｍ、高さ７８ｍｍのバッフル７の計４枚を仕切板５の上方０ｍｍ〜７８ｍｍに亘って高さ方向に延長するように固着した。

上記において、攪拌軸８を攪拌回転数５０ｒｐｍで回転させた。このとき室内平均攪拌レイノルズ数Ｒｅが１．１×１０^４となる。この攪拌状態で、配管９１から実施例１と同じＰＰＳスラリーを２５０ｋｇ／ｈ、配管９２から水を３７５ｋｇ／ｈの割合で供給し、合計処理量が６２５ｋｇ／ｈ（ＰＰＳ粒子として５０ｋｇ／ｈ）のところで固液接触処理を行った。このとき、排出スラリー中アセトン濃度（出口アセトン濃度）は０．１６重量％であった。

なお、上記装置において、攪拌状況と洗浄浴比Ｌ／Ｐ＝７．５を維持したまま、配管９１へのスラリー供給量および配管９２への水供給量を増大していき、その合計値である処理量が６５８ｋｇ／ｈ（ＰＰＳ粒子として５２．６ｋｇ／ｈ）に到達した後は、これ以上処理量が増大しても、配管９３からのスラリー排出量は増大せず、攪拌室内部に固体が滞留する現象が見られたため、これを最大処理量と確認した。したがって上記処理量６２５ｇ／ｈ（ＰＰＳ粒子として５０ｋｇ／ｈ）は最大負荷の９５％に相当する。

（実施例４）
実施例３の装置攪拌回転数を３０ｒｐｍまで減少させて運転した。このとき装置内平均攪拌レイノルズ数Ｒｅが６．４×１０^３となる。この攪拌状態で、処理量を６２５ｋｇ／ｈ（ＰＰＳ粒子として５０ｋｇ／ｈ）に維持して実施例３と同様に固液接触操作を行った。このとき出口アセトン濃度は０．３２重量％であった。このときの最大処理量は６５８ｋｇ／ｈ（ＰＰＳ粒子として５２．６ｋｇ／ｈ）であった。

上記実施例、参考例、比較例での固液接触条件および結果の概要をまとめて下表１に記す。

上記表１に示すように、実施例１では、処理量が高く、且つ固液接触効率が高い（出口アセトン濃度が低く段効率が高い）。参考例１は、負荷率を低下すると却って固液接触効率が低下することを示す。参考例２ではＲｅが低いため、処理量および固液接触効率が低い。参考例３では開口率を増大することによりＲｅが低くても処理量は増大しているが、固液接触効率は一段と低下している。図３の装置を用いる比較例１、バッフル位置のみ本発明に従う比較例２および攪拌翼位置のみ本発明に従う比較例３では、いずれも固液接触効率が低い。実施例２は攪拌室高さを単純に減少しているが、ある程度良好な固液接触効率が得られている。また実施例３および４は、スケールアップして処理量を増大しても良好な固液接触効率が得られることを示している。

上述したように、本発明によれば、固液流れの均一性が良くて接触効率が高く、しかも構造が簡単で、スケールアップ容易な連続多段攪拌室型の（向流）固液接触装置ならびにこれを用いる効率的な固液接触方法が提供される。この装置は、洗浄、精製、抽出、含浸、反応、溶解等の主として化学工業における単位操作に幅広く適用可能である。

本発明の縦型固液接触装置の一実施例の模式縦断面図。 図１のＩＩ−ＩＩ線矢視方向断面図。 従来の縦型固液接触装置の一例の模式縦断面図。 図３のＩＶ−ＩＶ線矢視方向断面図。

符号の説明

１ 塔頂部
２ 本体部（２１〜２４：攪拌室）
３ 塔底部
４，４ａ 開口部
５ 仕切板
６，３６ 半径方向吐出型攪拌翼（平パドル翼）
７，３７ バッフル
８ 攪拌軸
９１ 固体（スラリー）入口配管
９２ 液体入口配管
９３ 固体（スラリー）出口配管
９４ 液体出口配管

Claims (7)

1. 連通口を有する仕切板により互いに区画されて垂直方向に連設された複数の攪拌室を備え、各攪拌室には半径方向吐出型の攪拌翼と垂直方向に延長するように内側側壁に固着された一以上のバッフルとを設け、上部には固体スラリー入口および液体出口を設け、下部には液体入口および固体出口を設けてなる縦型固液接触装置において、前記攪拌翼と一以上のバッフルとをそれぞれ各攪拌室の概ね下半分の領域内に設けてなることを特徴とする、互いに密度差を有する固体と液体との相互接触を促進するに適した縦型固液接触装置。
2. 該攪拌翼が平パドル翼である請求項１に記載の装置。
3. 該攪拌翼がディスク・タービン翼である請求項１に記載の装置。
4. 該仕切板の連通口が、複数の攪拌室の攪拌翼の共通攪拌軸の周囲に開口されている請求項１〜３のいずれかに記載の装置。
5. 各攪拌室の高さ（Ｈ）と内径（Ｄ）との比（Ｈ/Ｄ）が０．１〜３．０の範囲である請求項１〜４のいずれかに記載の装置。
6. 仕切板位置での攪拌室の断面積に対する連通口の開口面積の割合が０．２〜２０％である請求項１〜５のいずれかに記載の装置。
7. 上記請求項１〜６のいずれかに記載の固液接触装置を用いて互いに密度差を有する固体と液体との相互接触を行うに際して、攪拌時の固液混合物のレイノルズ数（Ｒｅ）が５００〜５０００００の範囲となるように攪拌し、装置の最大負荷に対して６０％以上の負荷率で固体流を供給する固液接触方法。

Images