特許 7601667 反応装置及び反応方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-09

(45)【発行日】2024-12-17

(54)【発明の名称】反応装置及び反応方法

(51)【国際特許分類】

   C02F 3/28 20230101AFI20241210BHJP

   B01J 8/26 20060101ALI20241210BHJP

   B01J 8/32 20060101ALI20241210BHJP

   C02F 1/28 20230101ALI20241210BHJP

【ＦＩ】

C02F3/28 A

C02F3/28 B

B01J8/26

B01J8/32

C02F1/28 D

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2021041638

(22)【出願日】2021-03-15

(65)【公開番号】P2022141374

(43)【公開日】2022-09-29

【審査請求日】2023-09-12

(73)【特許権者】

【識別番号】000002107

【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002826

【氏名又は名称】弁理士法人雄渾

(72)【発明者】

【氏名】長田 啓司

【審査官】相田 元

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－１０４０５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２３９９２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－２０８５６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－０４２３５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－２２４６６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－２８６０１５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ０２Ｆ ３／２８－ ３／３４

Ｃ０２Ｆ ３／０２－ ３／１０

Ｃ０２Ｆ ３／１２

Ｃ０２Ｆ ３／１４－ ３／１６

Ｃ０２Ｆ ７／００

Ｃ０２Ｆ １１／００－１１／２０

Ｃ０２Ｆ １／２８

Ｂ０１Ｊ ８／００－ ８／４６

Ｂ０１Ｄ １５／００－１５／４２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

最小流動化速度の異なる２種類以上の粒子が流動化してなる流動層を形成する反応装置において、
流体が第１の流速で通過する第１流速領域と、
流体が第２の流速で通過する第２流速領域と、を備え、
前記第１の流速と前記第２の流速は、異なる流速であり、
前記第１の流速は、第１の粒子及び第２の粒子の最小流動化速度よりも大きく、
前記第２の流速は、第１の粒子の最小流動化速度よりも小さく、第２の粒子の最小流動化速度よりも大きいことを特徴とする、反応装置。

【請求項2】

前記第１の粒子と前記第２の粒子の比重差が、１．２倍以上であることを特徴とする、請求項１に記載の反応装置。

【請求項3】

前記第１の粒子により形成される層の断面積と、前記第２の粒子により形成される層の断面積とが異なるものであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の反応装
置。

【請求項4】

最小流動化速度の異なる２種類以上の粒子が流動化してなる流動層を用いた反応方法において、
前記流動層に対し、
流体が第１の流速で通過する第１流速領域と、
流体が第２の流速で通過する第２流速領域と、を形成し、
前記第１の流速と前記第２の流速は、異なる流速であり、
前記第１の流速は、第１の粒子及び第２の粒子の最小流動化速度よりも大きく、
前記第２の流速は、第１の粒子の最小流動化速度よりも小さく、第２の粒子の最小流動
速度よりも大きいことを特徴とする、反応方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、反応装置及び反応方法に関するものである。特に、流動層を形成する反応装置及び反応方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

槽内に充填した粒子を流体（気体又は液体）により流動させて流動層を形成し、流体と粒子の接触による反応を行う反応装置が知られている。流動層を形成する反応装置は、固定層を形成する反応装置と比べ、目詰まりの発生や圧力損失の増加を抑制することが可能であり、化合物の製造、粒子の乾燥処理、流体中の溶存物質の吸着・付着による分離等、幅広い分野で活用されている。

【0003】

特許文献１には、流動層を形成する反応装置として、槽内部の上下方向に仕切壁を設け、流体と粒子の混合効率を高め、かつ、粒子の飛び出しを抑制するものが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開平２－７５３０４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に記載されているように、流動層を形成する反応装置においては、１種類の粒子を用いて流動層を形成することが一般的である。
一方、流体と粒子の接触による反応として、複数の反応工程を経る必要がある反応系の場合、それぞれの反応工程に適した粒子を選択した反応装置を複数設けることとなり、装置全体の規模が大きくなるという問題がある。

【0006】

ここで、反応装置の省スペース化のために、複数の反応工程を一槽式の反応装置で行おうとする場合、特許文献１に記載されたような仕切壁の構造は、粒子全体を一体的に流動化させるものであるが、性質（特に流動性）の異なる複数の粒子に対する一体的な流動化は困難である。このため、反応装置内における均一な流動性を維持することができず、反応工程を適切に進めることができないという問題がある。

【0007】

本発明の課題は、複数種類の粒子により形成される流動層を利用する反応装置及び反応方法において、均一な流動性を維持させることができる反応装置及び反応方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明者は、上記の課題について鋭意検討した結果、最小流動化速度の異なる２種類以上の粒子が流動化してなる流動層を形成する反応装置において、流体が異なる流速で通過する複数の領域を設け、かつそれぞれの領域における流速を粒子の性質に応じた範囲とすることで、一槽内で均一な流動性を維持できることを見出して、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、以下の反応装置及び反応方法である。

【0009】

上記課題を解決するための本発明の反応装置は、最小流動化速度の異なる２種類以上の粒子が流動化してなる流動層を形成する反応装置において、流体が第１の流速で通過する第１流速領域と、流体が第２の流速で通過する第２流速領域と、を備え、第１の流速は、第１の粒子及び第２の粒子の最小流動化速度よりも大きく、第２の流速は、第１の粒子の最小流動化速度よりも小さく、第２の粒子の最小流動化速度よりも大きいという特徴を有する。
本発明の反応装置によれば、２種類以上の粒子が流動化してなる流動層を形成する反応装置において、粒子の性質（最小流動化速度）に応じた流体流速の領域を複数設けることで、反応装置内にそれぞれの粒子ごとの流動層が形成され、反応装置全体として均一な流動性を維持することが可能となる。また、一つの槽内で複数の反応工程を進行させることができるため、反応装置としての省スペース化と処理効率向上が可能となる。

【0010】

また、本発明の反応装置の一実施態様としては、第１の粒子と第２の粒子の比重差が、１．２倍以上であるという特徴を有する。
この特徴によれば、特段の操作を必要とせず、第１の粒子からなる層と、第２の粒子からなる層が形成された積層状態を形成することが可能であり、第１流速領域及び第２流速領域の形成及び維持が容易となる。

【0011】

また、本発明の反応装置の一実施態様としては、第１の粒子は、活性炭であり、第２の粒子は、グラニュールであるという特徴を有する。
この特徴によれば、嫌気処理を行うためのグラニュールと、嫌気処理の阻害物質を除去する吸着剤としての機能及び一部の嫌気性微生物を付着・担持させる担体としての機能に優れた活性炭とを、一つの槽内で組み合わせて用いることができる。この反応装置を用いることで、槽が一つであっても嫌気処理を進行させることができ、嫌気処理に係る設備の省スペース化を可能が可能となる。また、この反応装置を嫌気処理に適用することで、阻害物質による嫌気処理の阻害を軽減し、嫌気処理の効率向上が可能となる。

【0012】

上記課題を解決するための本発明の反応方法は、最小流動化速度の異なる２種類以上の粒子が流動化してなる流動層を用いた反応方法において、流動層に対し、流体が第１の流速で通過する第１流速領域と、流体が第２の流速で通過する第２流速領域と、を形成し、第１の流速は、第１の粒子及び第２の粒子の最小流動化速度よりも大きく、第２の流速は、第１の粒子の最小流動化速度よりも小さく、第２の粒子の最小流動化速度よりも大きいという特徴を有する。
本発明の反応方法によれば、２種類以上の粒子が流動化してなる流動層を用いた反応において、粒子の性質（最小流動化速度）に応じた流体流速の領域を複数設けることで、それぞれの粒子ごとの流動層が形成され、均一な流動性を維持した状態で反応を進行させることが可能となる。また、一つの槽内で複数の流動層を形成することができ、複数の反応工程を進行させることが可能となる。これにより、反応に係る設備の省スペース化と処理効率向上が可能となる。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、複数種類の粒子により形成される流動層を利用する反応装置及び反応方法において、均一な流動性を維持させることができる反応装置及び反応方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の第１の実施態様に係る反応装置の概略説明図である。

【図2】本発明の第１の実施態様に係る反応装置において用いられる第１の粒子及び第２の粒子の最小流動化速度、並びに、第１の流速及び第２の流速の関係を示す概略図である。

【図3】本発明の第１の実施態様の反応装置による嫌気処理に係る概略説明図である

【図4】本発明の第２の実施態様に係る反応装置の概略説明図である。

【図5】本発明の第３の実施態様に係る反応装置の概略説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、図面を参照しつつ本発明に係る反応装置及び反応方法の実施態様を詳細に説明する。なお、実施態様に記載する反応装置については、本発明に係る反応装置を説明するために例示したにすぎず、これに限定されるものではない。また、本実施態様に記載する反応方法についても、本発明に係る反応装置を用いた反応方法を説明するために例示したにすぎず、これに限定されるものではない。

【0016】

本発明の反応装置及び反応方法は、流体と粒子の接触による反応全般に利用されるものである。本発明の反応装置及び反応方法は、特に、有機物を含む排水の嫌気処理において好適に利用されるものである。

【0017】

本発明における流体は、液体及び気体のいずれかであってもよく、液体及び気体の両方であってもよい。すなわち、本発明の反応装置及び反応方法は、固液二相流、気液二相流、あるいは固気液三相流のうち、いずれを利用するものでもよい。また、本発明における流体は、本発明の反応装置に対し、原料、媒体、あるいは処理対象物を含有する被処理物として導入されるものであってもよい。
例えば、本発明における流体としては、原料として、モノマーの原料となる複数種類のガスの組み合わせ（アセチレンガスと酢酸蒸気の組み合わせ）など、公知の組み合わせからなるものが挙げられる。
また、本発明における流体としては、例えば、媒体として機能するものとして、粒子の混合や乾燥のためのエアーが挙げられる。なお、エアーとしては、常温の空気以外に、乾燥効率を高めるために、燃焼ガスなどの高温ガスを用いることが挙げられる。
さらに、本発明における流体としては、例えば、処理対象物として有機物を含む排水が挙げられる。処理対象である有機物を含む排水とは、食品工場、化学工場、紙パルプ工場等の各種工場から排出される工業排水や下水などの生活排水が挙げられる。なお、有機物を含む排水はこれに限定されるものではないが、嫌気性下で生物処理が可能な有機物を含む排水が、本発明における流体として特に好ましい。このような排水としては、例えば、家畜糞尿、汚泥（余剰汚泥）を含む有機性排水などが挙げられる。
以下、本発明における流体として、主に処理対象物を含有する被処理物（有機物を含む排水）について説明するが、これに限定されるものではない。

【0018】

［第１の実施態様］
図１は、本発明の第１の実施態様の反応装置の概略説明図である。
本実施態様における反応装置１Ａは、図１に示すように、内部に複数の粒子（第１の粒子Ｐ１及び第２の粒子Ｐ２）が投入され、流体Ｆ０を導入することで流動層を形成する反応槽２Ａを備えるものである。本実施態様においては、流体Ｆ０を液体としたものについて説明を行う。
また、反応槽２Ａに対して流体Ｆ０を導入するための導入配管であるラインＬ１と、反応槽２Ａから排出される流体Ｆ１を系外に排出するための排出配管であるラインＬ２を有している。なお、図１の各矢印は流体の流れを示すものであり、特に白抜きの矢印は流体流速（空塔速度）を示している。

【0019】

反応槽２Ａは、流体Ｆ０と粒子（第１の粒子Ｐ１及び第２の粒子Ｐ２）の接触による反応を行うための槽である。図１に示すように、反応槽２Ａの下部に設けられたラインＬ１を介して流体Ｆ０が反応槽２に供給される。
また、本実施態様における反応槽２Ａは、第１流速領域Ａ１及び第２流速領域Ａ２を形成するために、仕切り板２０、２１を備えている。なお、第１流速領域Ａ１及び第２流速領域Ａ２、並びに仕切り板２０、２１については後述する。

【0020】

反応槽２Ａには、図１に示すように、反応槽２Ａの底部から見て、第１の粒子Ｐ１、第２の粒子Ｐ２の順に積層されており、流体Ｆ０はラインＬ１から反応槽２Ａ内に導入された後、第１の粒子Ｐ１、第２の粒子Ｐ２の順に通過し、流体Ｆ１としてラインＬ２から反応槽２Ａ外に排出される。
このとき、反応槽２Ａに流体Ｆ０を導入するラインＬ１は、反応槽２Ａ底部に設けられたディストリビュータ（分散管、分散板等）と接続し、反応槽２Ａ内に流体Ｆ０を導入することが好ましい。これにより、反応槽２Ａに導入された流体Ｆ０に係る流体流速の制御が容易となる。
なお、流体Ｆ０が反応槽２Ａ内で安定した上向流を形成するように、ラインＬ１又はラインＬ２にポンプを設けるものとしてもよい（不図示）。

【0021】

本実施態様における反応槽２Ａは、流体Ｆ０及び粒子（第１の粒子Ｐ１及び第２の粒子Ｐ２）が導入・投入され、槽内に保持できる構造を有するものであればよい。
また、本実施態様における反応槽２Ａに対し、反応工程の種類に応じて付帯する各種設備を設けることができる。例えば、反応装置１Ａにおける反応として、嫌気処理を行う場合、反応槽２Ａに、内部の水温調整手段、ｐＨ調整剤の投入手段、微生物が必要とする栄養源である窒素、リン、コバルト及びニッケル等の金属類を添加する手段を備えたものとしてもよい。特に、嫌気処理として酸生成菌及びメタン生成菌によるメタン発酵を行う場合、反応槽２Ａに付帯する設備として、メタンガスの回収、精製及び貯留を行う手段を備えるものとすることが好ましい。また、反応槽２Ａ内の上部に、メタンガス、処理水及び固体（後述する多孔質体Ｐや嫌気性微生物Ｍの凝集体等）を分離する分離装置を備えることが好ましい。

【0022】

本実施態様における粒子（第１の粒子Ｐ１及び第２の粒子Ｐ２）は、反応装置１Ａで行う反応工程の種類（反応装置１Ａに導入される流体Ｆ０の種類）に応じて選択する。
例えば、反応工程が化合物の製造に係るものである場合、原料となる流体Ｆ０と接触させる粒子としては、触媒として機能する金属触媒や多孔質体などが挙げられる。
また、反応工程が粒子の乾燥や混合に係るものである場合、媒体となる流体Ｆ０と接触させる粒子としては、乾燥対象や混合対象となる各種粒子が挙げられる。
さらに、反応工程が粒子に対する吸着・付着を伴う処理に係るものである場合、処理対象物を含有する被処理物となる流体Ｆ０と接触させる粒子としては、吸着材、ろ過材として機能する多孔質体のほか、処理対象物と接触して反応（分解又は合成）する成分を含み、反応媒体として機能する粒子状物質などが挙げられる。

【0023】

本実施態様の反応装置１Ａ内における反応工程としては、積層する粒子ごとに対応する反応工程を設定することが可能である。
例えば、第１の粒子Ｐ１と第２の粒子Ｐ２として、吸着対象の異なる吸着材を用いることで、反応装置１Ａ内で一つの反応工程（吸着処理）を多段で行うことが可能となる。また、第１の粒子Ｐ１と第２の粒子Ｐ２として、流体Ｆ０との接触による反応が異なるもの（例えば、吸着材と触媒、吸着材と反応媒体としての粒子状物質等）を組み合わせることで、反応装置１Ａ内で異なる反応工程を複数組み合わせることが可能となる。

【0024】

粒子（第１の粒子Ｐ１及び第２の粒子Ｐ２）の形状としては、特に限定されない。例えば、微粒子として用いるものであってもよく、成形体として用いるものであってもよい。成形体の形状としては、例えば、球状、ペレット状、ハニカム状、小円筒状、チューブ状、立方体状、直方体状等が挙げられる。また、第１の粒子Ｐ１と第２の粒子Ｐ２の形状は、同じであってもよく、異なるものであってもよい。

【0025】

本実施態様における第１の粒子Ｐ１と第２の粒子Ｐ２は、固定層から流動層への移行点となる最小流動化速度Ｕｍｆがそれぞれ異なる値を有するものであればよい。一般に、最小流動化速度Ｕｍｆは、粒子のサイズや比重（密度）に依存する。したがって、第１の粒子Ｐ１と第２の粒子Ｐ２は、組成、サイズ及び比重が全く異なるものを選択してもよく、サイズや比重が異なる同組成からなるものを選択してもよい。より具体的には、後述するように、第１の粒子Ｐ１としては吸着材としての多孔質体を用い、第２の粒子Ｐ２としては流体Ｆ０中の処理対象物と反応する反応媒体としての微生物の造粒物を用いた組み合わせのほか、第１の粒子Ｐ１及び第２の粒子Ｐ２を吸着材としての機能を有する多孔質体（活性炭やゼオライト等）とし、それぞれの多孔質体は、組成以外の性質（粒子サイズや多孔率等）や吸着対象が異なるものを用いた組み合わせとすることなどが挙げられる。これにより、一つの反応槽２Ａ内で、複数あるいは多段の反応工程を進行させることが可能となる。

【0026】

特に、本実施態様における第１の粒子Ｐ１と第２の粒子Ｐ２は、それぞれの比重が異なるものを用いることが好ましい。このとき、第１の粒子Ｐ１と第２の粒子Ｐ２の比重差は１．２倍以上であることが好ましく、１．５倍以上であることがより好ましい。これにより、第１の粒子Ｐ１及び第２の粒子Ｐ２の最小流動化速度Ｕｍｆをそれぞれ異なるものとすることができるとともに、第１の粒子Ｐ１と第２の粒子Ｐ２を反応槽２に導入することで、特段の操作を必要とせず、反応槽２内において第１の粒子Ｐ１の層と第２の粒子Ｐ２の層が自然に積層状態を形成する。
なお、本実施態様における反応装置１Ａでは、第１の粒子Ｐ１の比重に対して、第２の粒子Ｐ２の比重のほうが小さいという大小関係に基づき、以下説明を行うものとする。

【0027】

第１の粒子Ｐ１と第２の粒子Ｐ２の組み合わせを比重に基づき選択する具体的な手段については、特に限定されない。例えば、それぞれの比重を直接測定あるいは算出することが可能な場合においては、得られた比重の値に基づき、第１の粒子Ｐ１と第２の粒子Ｐ２の組み合わせを選択するものとしてもよい。また、それぞれの比重が直接測定あるいは算出できない場合においては、試験的に第１の粒子Ｐ１と第２の粒子Ｐ２を混合し、二層に分離する組み合わせを選択し、反応槽２に投入するようにしてもよい。

【0028】

反応槽２に投入した第１の粒子Ｐ１と第２の粒子Ｐ２に対し、ラインＬ１を介して流体Ｆ０を導入することで、第１の粒子Ｐ１と第２の粒子Ｐ２を流動化させて反応槽２内に流動層を形成させる。
このとき、反応槽２内における流体流速（空塔速度）が一定であると、比重が軽く、最小流動化速度が第１の粒子Ｐ１よりも小さい第２の粒子Ｐ２の流動化に合わせた流体流速とした場合では、第１の粒子Ｐ１の流動化が生じない。一方、第１の粒子Ｐ１の流動化に合わせた流体流速とした場合では、第２の粒子Ｐ２が過剰に流動化し、第２の粒子Ｐ２が槽外へ流出することが懸念される。

【0029】

本実施態様における反応装置１Ａは、反応槽２内に、流体Ｆ０が第１の流速ｖ１で通過する第１流速領域Ａ１と、流体Ｆ０が第２の流速ｖ２で通過する第２流速領域Ａ２とを形成し、かつ、第１の流速ｖ１及び第２の流速ｖ２の数値範囲を、第１の粒子Ｐ１の最小流動化速度Ｕｍｆ１及び第２の粒子Ｐ２の最小流動化速度Ｕｍｆ２を基準に設定するものである。

【0030】

本実施態様の反応装置１Ａにおいて用いられる、第１の粒子Ｐ１の最小流動化速度Ｕｍｆ１及び第２の粒子Ｐ２の最小流動化速度Ｕｍｆ２、並びに、第１の流速ｖ１及び第２の流速ｖ２の関係について、図２に基づき説明する。

【0031】

図２は、本実施態様の反応装置１Ａにおいて用いられる第１の粒子Ｐ１及び第２の粒子Ｐ２の最小流動化速度Ｕｍｆ１、Ｕｍｆ２、並びに、第１の流速ｖ１及び第２の流速ｖ２の関係を示す概略図である。なお、図２の縦軸は圧力損失を示し、横軸は流体の流速を示すものである。

【0032】

図２は、槽内に投入されたそれぞれの粒子（第１の粒子Ｐ１及び第２の粒子Ｐ２）が固定層の状態から流動層を形成するまでの流速－圧力損失の関係を示す概略図であり、流速の増加とともに圧力損失が増加し、あるところから圧力損失が一定となることを示すものである。ここで、圧力損失が増加している間は、粒子は十分に流動化しておらず、固定層の状態のままであることを示しているが、圧力損失が一定となったところでは、粒子が十分に流動化し、流動層を形成していることを示している。そして、圧力損失が一定となり始める流速は粒子ごとに異なり、この流速が各粒子における最小流動化速度Ｕｍｆとなる。

【0033】

本実施態様における反応装置１Ａにおいては、図２に示すように、第１の流速ｖ１が、第１の粒子Ｐ１の最小流動化速度Ｕｍｆ１及び第２の粒子Ｐ２の最小流動化速度Ｕｍｆ２よりも大きく（ｖ１＞Ｕｍｆ１，ｖ１＞Ｕｍｆ２）、第２の流速ｖ２が、第１の粒子Ｐ１の最小流動化速度Ｕｍｆ１よりも小さく、第２の粒子Ｐ２の最小流動化速度Ｕｍｆ２よりも大きい（Ｕｍｆ１＞ｖ２＞Ｕｍｆ２）ものとする。
これにより、第１の流速ｖ１は、第１の粒子Ｐ１と第２の粒子Ｐ２を流動化させることのできる流体流速となり、第２の流速ｖ２は、第２の粒子Ｐ２のみを流動化させることのできる流体流速となる。したがって、第１の粒子Ｐ１、第２の粒子Ｐ２の順に流体Ｆ０が通過する反応槽２Ａ内においては、流体Ｆ０が第１の流速ｖ１で通過する第１流速領域Ａ１には、第１の粒子Ｐ１が流動化した流動層が形成され、流体Ｆ０が第２の流速ｖ２で通過する第２流速領域Ａ２には、第２の粒子Ｐ２が流動化した流動層が形成される。すなわち、一つの槽内で、それぞれの粒子（第１の粒子Ｐ１及び第２の粒子Ｐ２）ごとに流動層が形成されるため、反応装置１Ａ全体として、均一かつ安定した流動性を維持することが可能となる。

【0034】

なお、第１の粒子Ｐ１の最小流動化速度Ｕｍｆ１及び第２の粒子Ｐ２の最小流動化速度Ｕｍｆ２については、図２に示すように、流速－圧力損失の関係に基づく算出を行うこと以外にも、各種実験に基づく公知の実験式や演算式により算出することが可能であり、例えば、Ergun式及びその変形式のほか、Wen-Yu式などを用いることが挙げられる。

【0035】

本実施態様における反応装置１Ａとしては、上述した第１流速領域Ａ１及び第２流速領域Ａ２を形成することができるものであればよく、具体的な構造及び手段については特に限定されない。
以下、反応装置１Ａにおける第１流速領域Ａ１及び第２流速領域Ａ２の形成に係る一例として、反応槽２内に設ける構造物（仕切り板２０、２１）について、図１に基づき説明する。

【0036】

図１に示すように、本実施態様における反応装置１Ａには、反応槽２内に仕切り板２０、２１を設けている。
仕切り板２０は、下部が広がった漏斗状構造を有し、反応槽２内において第１の粒子Ｐ１により形成される層の高さよりも低くなるように設けられる。これにより、図１に示すように、反応槽２Ａ内の一部に、断面積の小さい狭小流路２０ａが形成される。この狭小流路２０ａを通過する流体流速を第１の流速ｖ１とし、この第１の流速ｖ１で流体Ｆ０が通過する領域を第１流速領域Ａ１とする。
ここで、第１の流速ｖ１は、狭小流路２０ａの断面積及びラインＬ１から導入される流体Ｆ０の流速により決定される。したがって、第１の流速ｖ１の制御については、上述した数値範囲内（ｖ１＞Ｕｍｆ１，ｖ１＞Ｕｍｆ２）となるように、仕切り板２０（狭小流路２０ａ）の設計、あるいはラインＬ１から導入される流体Ｆ０の流速制御を行うことが挙げられる。
そして、第１流速領域Ａ１は、第１の粒子Ｐ１の最小流動化速度Ｕｍｆ１及び第２の粒子Ｐ２の最小流動化速度Ｕｍｆ２よりも大きい流体流速（第１の流速ｖ１）で流体Ｆ０が通過するため、この第１流速領域Ａ１においては、第１の粒子Ｐ１が流動化し、流動層を形成する。
なお、この第１流速領域Ａ１の高さが、第１の粒子Ｐ１により形成される層の高さと略同じ高さとなるように、仕切り板２０の高さ、あるいは反応槽２Ａに投入する第１の粒子Ｐ１の投入量を設定することが好ましい。

【0037】

一方、仕切り板２０のない領域には、第２の粒子Ｐ２により形成される層があり、第１の流速ｖ１よりも遅い第２の流速ｖ２で流体Ｆ０が通過する。この領域を第２流速領域Ａ２とする。
ここで、第２の流速ｖ２は、反応槽２Ａの断面積及びラインＬ１から導入される流体Ｆ０の流速により決定される。したがって、第２の流速ｖ２の制御については、上述した数値範囲内（Ｕｍｆ１＞ｖ２＞Ｕｍｆ２）となるように、反応槽２Ａの断面積（槽径）の設計、あるいはラインＬ１から導入される流体Ｆ０の流速制御を行うことが挙げられる。
そして、第２流速領域Ａ２は、第１の粒子Ｐ１の最小流動化速度Ｕｍｆ１より小さく、第２の粒子Ｐ２の最小流動化速度Ｕｍｆ２よりも大きい流体流速（第２の流速ｖ２）で流体Ｆ０が通過するため、この第２流速領域Ａ２においては、第２の粒子Ｐ２が流動化し、流動層を形成する。

【0038】

上述したように、反応槽２Ａ内では、第１の粒子Ｐ１と第２の粒子Ｐ２が積層状態となっており、流動化した際にもこの積層状態を維持することが好ましい。このため、図１に示すように、反応槽２Ａ内において、第１流速領域Ａ１と第２流速領域Ａ２の間に、仕切り板２１を設けることが挙げられる。

【0039】

仕切り板２１としては、図１に示すように、反応槽２Ａの側壁側に取り付けられ、中心部が開口する構造を有するものが挙げられる。これにより、第１流速領域Ａ１において狭小流路２０ａを介して第１の流速ｖ１で上昇した第１の粒子Ｐ１が、狭小流路２０ａの外側（反応槽２Ａの側壁側）に沿って下降する際に、第２の粒子Ｐ２を巻き込むことを抑制し、第１の粒子Ｐ１により形成される層（第１流速領域Ａ１）と第２の粒子Ｐ２により形成される層（第２流速領域Ａ２）とが混ざり合い、積層状態が乱れることを抑制することができる。
なお、第１の粒子Ｐ１と第２の粒子Ｐ２の比重差やサイズ差が大きい等、第１流速領域Ａ１における上向流及び下降流によって、第１流速領域Ａ１と第２流速領域Ａ２の積層状態の乱れが生じにくい場合、仕切り板２１の構造を省略するものとしてもよい。

【0040】

以上のように、本実施態様における反応装置１Ａによれば、２種類以上の粒子が流動化してなる流動層を形成する反応装置において、粒子の性質（最小流動化速度）に応じた流体流速の領域を複数設けることで、反応装置１Ａ内にそれぞれの粒子ごとの流動層を形成することができ、反応装置１Ａ全体として均一な流動性を維持することが可能となる。また、一つの槽内で複数の反応工程を進行させることができるため、反応装置１Ａとしての省スペース化と処理効率向上が可能となる。

【0041】

以下、本実施態様の反応装置１Ａによる反応の一例として、有機物を含む排水に対する嫌気処理について説明する。
図３は、本実施態様の反応装置１Ａによる嫌気処理に係る概略説明図である。
図３に示すように、反応槽２Ａには、第１の粒子Ｐ１としての多孔質体Ｐと、第２の粒子Ｐ２としての嫌気性微生物Ｍが積層されている。そして、流体Ｆ０として、有機物を含む排水Ｗ０を反応槽２Ａに供給することで、反応槽２Ａ内部に収容する嫌気性微生物Ｍにより、排水Ｗ０中に含まれる成分の分解（嫌気処理）が行われる。嫌気処理後の処理水Ｗ１は、反応槽２Ａの上部に設けられたラインＬ２を介して反応槽２Ａから排出される。なお、このとき、反応槽２Ａを密閉系とし、嫌気的環境を維持することが好ましい。

【0042】

多孔質体Ｐは、多数の細孔を有する材料であればよく、例えば、活性炭、ゼオライト、シリカ、珪藻土、カオリンなどの無機吸着剤や、ゲル状吸着剤、ＰＶＡなどの有機吸着剤が挙げられる。特に、多孔質体Ｐとしては、嫌気性微生物Ｍによる嫌気処理を阻害する阻害物質を吸着する能力に加えて、嫌気性微生物Ｍを保持する能力が高いものを用いることが好ましい。このような多孔質体Ｐとしては、活性炭が挙げられる。

【0043】

嫌気性微生物Ｍは、有機物を嫌気処理することができる微生物であればよく、微生物の具体的な種類については特に限定されない。例えば、嫌気処理としてメタン発酵処理を行う場合、嫌気性微生物Ｍとしては酸生成菌及びメタン生成菌を用いるものとする。その他の嫌気性微生物Ｍとしては、硝酸・亜硝酸の還元を行う脱窒処理に用いられる脱窒菌や、硫酸の還元を行う硫酸還元処理に用いられる硫酸還元菌等が挙げられる。

【0044】

本実施態様の嫌気性微生物Ｍとしては、単離された微生物を用いるものであってもよく、他の反応設備等からの種汚泥を用いるものであってもよい。また、排水Ｗ０中に含まれる嫌気性微生物Ｍを活用するものであってもよい。

【0045】

また、嫌気性微生物Ｍの形態としては、特に限定されないが、例えばグラニュールと呼ばれる直径０．３～３ｍｍ程度の微生物の造粒物を用いるものとすることが挙げられる。グラニュールは、自己固定化作用（Self-immobilization）を利用した微生物塊であり、高い菌体濃度を維持することが可能である。したがって、嫌気性微生物Ｍとしてグラニュールを用いることで、嫌気性微生物Ｍを高濃度に維持した層が反応槽２Ａ内に形成される。

【0046】

本実施態様における多孔質体Ｐと嫌気性微生物Ｍは、上述したように、それぞれの比重差が１．２倍以上となるものを用いることが好ましい。これにより、多孔質体Ｐと嫌気性微生物Ｍを反応槽２Ａに導入することで、特段の操作を必要とせず、反応槽２Ａ内において多孔質体Ｐの層と嫌気性微生物Ｍの層が自然に積層状態を形成する。図３に示すように、反応槽２Ａにおいて排水Ｗ０が上向流で通過する場合、多孔質体Ｐの比重に対して、嫌気性微生物Ｍの比重が小さくなるような組み合わせのものを用いる。これにより、反応槽２Ａ内で、多孔質体Ｐの層の上に嫌気性微生物Ｍの層が形成された積層状態とすることが可能となる。

【0047】

また、本実施態様における反応装置１Ａを用いた嫌気処理として、メタン発酵処理を行う場合について具体的に説明する。
反応槽２Ａでメタン発酵処理を行う場合、反応槽２Ａ内部に収容する酸生成菌により、排水Ｗ０中の糖、蛋白質及び油分などの固体や高分子有機物を分解して、単糖類、アミノ酸、低級脂肪酸及び酢酸を生成する酸生成工程と、反応槽２Ａ内部に収容するメタン生成菌により、排水Ｗ０中の単糖類、アミノ酸、低級脂肪酸及び酢酸等の炭素源からメタンを生成するメタン生成工程により、メタン発酵が進行する。

【0048】

反応槽２Ａ内に供給された排水Ｗ０は、まず多孔質体Ｐと接触することで、排水Ｗ０中に含まれる嫌気性微生物Ｍの働きを阻害する阻害物質が除去される。なお、除去対象となる阻害物質は特に限定されないが、具体的な例としては、硫黄、アンモニア、油脂（脂肪酸）などが挙げられる。また、排水Ｗ０中の成分によっては、高濃度の有機酸が存在（あるいは発生）することで、嫌気性微生物Ｍの働きを阻害することも考えられる。このような場合においても、多孔質体Ｐによって有機酸を吸着し、排水Ｗ０中の有機酸濃度を低減させることで、嫌気性微生物Ｍの働きを阻害する阻害物質を除去することが可能となる。

【0049】

また、多孔質体Ｐに対して嫌気性微生物Ｍ（特に酸生成菌）が付着し、保持されることで、多孔質体Ｐは嫌気性微生物Ｍの担体としても機能する。これにより、多孔質体Ｐ周辺において排水Ｗ０中の有機物の分解が起こり、酸生成工程が進行する。つまり、多孔質体Ｐにより形成された領域は、酸生成領域となり、従来のメタン発酵処理における酸生成槽と同様の機能を有するものになる。

【0050】

多孔質体Ｐと接触した排水Ｗ０は、その後、嫌気性微生物Ｍと接触する。ここで、嫌気性微生物Ｍとして、酸生成菌及びメタン生成菌が含まれる。したがって、排水Ｗ０中の有機物に対して、酸生成工程及びメタン生成工程が進行し、メタン発酵処理が行われる。つまり、嫌気性微生物Ｍにより形成された領域は、嫌気処理領域として機能する。

【0051】

このように、一つの反応槽２Ａ内に多孔質体Ｐと嫌気性微生物Ｍの積層状態を形成し、排水Ｗ０をまず多孔質体Ｐに接触させることで、嫌気性微生物Ｍの働きを阻害する阻害物質を除去することが可能となる。また、多孔質体Ｐが嫌気性微生物Ｍを保持する担体としても機能することで、多孔質体Ｐにより形成された領域は酸生成菌を高濃度に保持した酸生成領域となり、排水Ｗ０中の有機物の分解及び酸生成が行われる。その後、酸生成処理された排水Ｗ０は、嫌気性微生物Ｍにより形成された領域からなる嫌気処理領域に導入され、酸生成処理により生成した生成物等を炭素源として、メタン発酵処理が進行する。

【0052】

以上のように、有機物を含む排水のメタン発酵処理において本実施態様の反応装置１Ａ及び反応方法を用いることで、複数の粒子を投入した一槽式の反応槽内で、それぞれの粒子ごとに流動層を形成し、均一な流動性を維持するとともに、メタン発酵処理における阻害物質を除去し、かつ酸生成工程を介してメタン生成工程に供給される炭素源を増やすことができる。これにより、嫌気処理を行う反応装置及び反応方法において、省スペース化を可能とするとともに、嫌気処理全体の効率を向上させることが可能となる。
なお、本実施態様において、嫌気処理として酸生成菌及びメタン生成菌によるメタン発酵について例示したが、これに限定されるものではなく、他の微生物による嫌気処理を行うものとしてもよい。

【0053】

上述したように、第１の実施態様における反応装置１Ａにおいては、第１流速領域Ａ１と第２流速領域Ａ２の形成手段として、反応槽内に構造物（仕切り板２０、２１）を設けるものを示したが、これに限定されるものではない。
以下、本発明の反応装置に係る他の実施態様として、第１流速領域Ａ１と第２流速領域Ａ２の形成手段に係る別態様について例示する。

【0054】

［第２の実施態様］
図４は、本発明の第２の実施態様の反応装置１Ｂの概略説明図である。
本実施態様に係る反応装置１Ｂは、図４に示すように、第１の実施態様における反応槽２Ａに代えて、反応槽２Ｂとして、２つの槽径を有し、断面積の異なる領域を形成する槽を設けるものである。
なお、本実施態様における反応装置１Ｂの構成のうち、第１の実施態様の反応装置１Ａの構成と同じものについては、説明を省略する。

【0055】

本実施態様における反応槽２Ｂは、反応槽２Ａ内に設けられた仕切り板２０による狭小流路２０ａによって、第１流速領域Ａ１と第２流速領域Ａ２を形成するものではなく、反応槽２Ｂそのものの構造により、第１流速領域Ａ１と第２流速領域Ａ２とを形成するものである。

【0056】

本実施態様における反応槽２Ｂは、第１の粒子Ｐ１により形成される層の断面積Ｓ１と、第２の粒子Ｐ２により形成される層の断面積Ｓ２が異なる構造を有するものである。また、第１の粒子Ｐ１により形成される層に対する流体流速（第１の流速ｖ１）、及び、第２の粒子Ｐ２により形成される層に対する流体流速（第２の流速ｖ２）が、上述した数値範囲内（ｖ１＞Ｕｍｆ１，ｖ１＞Ｕｍｆ２、及び、Ｕｍｆ１＞ｖ２＞Ｕｍｆ２）となるように、それぞれの断面積Ｓ１、Ｓ２（又は槽径Ｒ１、Ｒ２）の設計、あるいはラインＬ１から導入される流体Ｆ０の流速制御を行うものとする。

【0057】

反応槽２Ｂとしては、図４に示すように、断面積Ｓ２（又は槽径Ｒ２）が断面積Ｓ１（又は槽径Ｒ１）よりも大きくなるよう、反応槽２Ｂの一部が上方向に広がった漏斗状構造とすることが挙げられる。
これにより、第１の実施態様において反応槽２Ａ内に設けた仕切り板２０（狭小流路２０ａ）と同様、反応槽２Ｂ下部における第１流速領域Ａ１を通過する第１の流速ｖ１は、反応槽２Ｂ上部における第２流速領域Ａ２を通過する第２の流速ｖ２よりも大きくなるとともに、各最小流動化速度（Ｕｍｆ１、Ｕｍｆ２）との関係を満たすことが可能となる。

【0058】

［第３の実施態様］
図５は、本発明の第３の実施態様の反応装置１Ｃの概略説明図である。
本実施態様に係る反応装置１Ｃは、図５に示すように、第１の実施態様における反応槽２Ａに代えて、反応槽２Ｃとして、第１の粒子Ｐ１により形成される層と第２の粒子Ｐ２により形成される層の境界部から流体Ｆ０を引き抜くラインＬ３を備えた槽を設けるものである。また、反応装置１Ｃは、ラインＬ３とラインＬ１を接続して、引き抜かれた流体Ｆ２を、ラインＬ１を介して反応槽２Ｃ底部へと返送するものである。
なお、本実施態様における反応装置１Ｃの構成のうち、第１の実施態様の反応装置１Ａの構成と同じものについては、説明を省略する。

【0059】

本実施態様における反応槽２Ｃは、反応槽の構造や反応槽に設けられた構造物によって、第１流速領域Ａ１と第２流速領域Ａ２を形成するものではなく、反応槽２Ｃ内における流体の流入量を変化させることで、反応槽２Ｃ内に第１の流速ｖ１と第２の流速ｖ２を生じさせ、第１流速領域Ａ１と第２流速領域Ａ２とを形成するものである。

【0060】

本実施態様における反応槽２Ｃは、第１の粒子Ｐ１により形成される層と、第２の粒子Ｐ２により形成される層の境界に、取水機能を有するラインＬ３を設けるものである。また、ラインＬ３とラインＬ１は接続されており、ラインＬ３により取水された流体Ｆ２は、ラインＬ１を介して流体Ｆ０と共に再度反応槽２Ｃ底部に導入される。
また、本実施態様における反応槽２Ｃは、装置設計や流速制御等の容易性を鑑み、反応槽２Ｃ全体にわたって断面積が同一となる構造を有することが好ましいが、反応槽２Ｂのように、異なる断面積を有するものとしてもよい。

【0061】

本実施態様における反応槽２Ｃにおいては、第１の粒子Ｐ１により形成される層には、ラインＬ１を介して導入される流体Ｆ０の流入量Ｑ１に加え、ラインＬ３を介して取水された流体Ｆ２の流入量Ｑ２分が追加されたものが通過することになる。一方、第２の粒子Ｐ２により形成される層には、元々の流体Ｆ０の流入量Ｑ１分が通過することになる。したがって、反応槽２Ｃ内の断面積が一様に同一であれば、第１の粒子Ｐ１により形成される層への流体の流入量が増加した分、第１の粒子Ｐ１により形成される層に対する流体流速（第１の流速ｖ１）は、第２の粒子Ｐ２により形成される層に対する流体流速（第２の流速ｖ２）よりも大きくなる。

【0062】

また、第１の粒子Ｐ１により形成される層に対する流体流速（第１の流速ｖ１）、及び、第２の粒子Ｐ２により形成される層に対する流体流速（第２の流速ｖ２）が、上述した数値範囲内（ｖ１＞Ｕｍｆ１，ｖ１＞Ｕｍｆ２、及び、Ｕｍｆ１＞ｖ２＞Ｕｍｆ２）となるように、流入量Ｑ１及び流入量Ｑ２の制御を行うものとする。

【0063】

これにより、反応槽２Ｃ下部における第１の粒子Ｐ１により形成される層（第１流速領域Ａ１に相当）を通過する第１の流速ｖ１は、反応槽２Ｃ上部における第２の粒子Ｐ２により形成される層（第２流速領域Ａ２に相当）を通過する第２の流速ｖ２よりも大きくなるとともに、各最小流動化速度（Ｕｍｆ１、Ｕｍｆ２）との関係を満たすことが可能となる。

【0064】

なお、上述した実施態様は反応装置及び反応方法の一例を示すものである。本発明に係る反応装置及び反応方法は、上述した実施態様に限られるものではなく、請求項に記載した要旨を変更しない範囲で、上述した実施態様に係る反応装置及び反応方法を変形してもよい。

【0065】

例えば、本実施態様の反応装置及び反応方法においては、反応槽の構造あるいは反応槽内に設けられる構造物の設計や、ラインＬ１を介して導入する流体Ｆ０の流速制御により、第１の流速ｖ１及び第２の流速ｖ２を制御することについて示したが、これに限定されるものではない。
例えば、第１の粒子Ｐ１及び第２の粒子Ｐ２のサイズや比重等を制御することにより、各最小流動化速度（Ｕｍｆ１及びＵｍｆ２）の値を制御することで、第１の流速ｖ１及び第２の流速ｖ２の制御を間接的に行うものとすることが挙げられる。これにより、反応装置自体を大幅に更新することなく、本発明の反応装置及び反応方法に係る効果を得ることが可能となる。

【産業上の利用可能性】

【0066】

本発明の反応装置及び反応方法は、複数の粒子を流動化してなる流動層を利用した各種反応に対し、広域に活用することができる。特に、本発明の反応装置及び反応方法は、有機物を含む排水の嫌気処理（特にメタン発酵処理）に対して好適に活用することができる。

【符号の説明】

【0067】

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 反応装置、２Ａ，２Ｂ，２Ｃ 反応槽、２０ 仕切り板，２０ａ 狭小流路、２１ 仕切り板、Ａ１ 第１流速領域、Ａ２ 第２流速領域、Ｆ０，Ｆ１，Ｆ２ 流体、Ｌ１～Ｌ３ ライン、Ｍ 嫌気性微生物（グラニュール）、Ｐ 多孔質体（活性炭）、Ｐ１ 第１の粒子，Ｐ２ 第２の粒子、Ｑ１，Ｑ２ 流入量、Ｒ１，Ｒ２ 槽径、Ｓ１，Ｓ２ 断面積、Ｕｍｆ１，Ｕｍｆ２ 最小流動化速度、ｖ１ 第１の流速、ｖ２ 第２の流速、Ｗ０ 排水、Ｗ１ 処理水

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】