JP2004243173A

JP2004243173A - 気泡発生装置、揚液装置、攪拌装置及び気泡発生方法

Info

Publication number: JP2004243173A
Application number: JP2003033797A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Takeishi; 芳明武石
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2003-02-12
Filing date: 2003-02-12
Publication date: 2004-09-02

Abstract

【課題】良好なＣＯ_２ガスの溶解制御性及び気泡発生性を有するとともに良好なメンテナンス性を有し、１０ｍｍ以下の径の微細な気泡を均一に安定して発生できる気泡発生装置を提供する。
【解決手段】ガス吹込み手段１３にガスを供給するためのガス供給室１４とを内蔵するガスヘッダ１５を備え、管体１２の内周面１２ａの略接線方向へ向けてガスを吹き込むための複数のガス吹込み口１１ａ〜１１ｈを有するガス吹込み手段１３であって、管体１２の内部を上方へ流れる液体にガスを吹き込んでこの液体に管体１２の中心軸の周りを旋回する旋回流を発生させることによって気泡を発生させる旋回流発生手段１１と、管体１２の内部に吹き込まれるガスに脈動を付与する脈動発生手段１７とを備える気泡発生装置１０である。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気泡発生装置、揚液装置、攪拌装置及び気泡発生方法に関する。具体的には、本発明は、例えばガス（エア）リフトポンプや化学反応槽等において、径が１０ｍｍ以下の微細な気泡を均一に発生するための技術に関するものであり、特に、ガスリフト効果を利用して海水を揚水するとともにＣＯ_２ガスを海水に溶解させるための、いわゆるＧＬＡＤシステムに好適に用いることができる気泡発生装置及び気泡発生方法と、これらを応用した揚液装置及び攪拌装置とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、近年、化石燃料の消費に伴う様々な問題の解決が世界的な規模で求められている。これらの問題のうち人為的な産業活動に伴って大量に排出される炭酸ガスが奏する温室効果に起因した地球の温暖化は、最近の５０年間に極めて急速に進行している。このため、排出される炭酸ガスを如何に処理して地球の温暖化を抑止するかは、緊急かつ重要な課題である。
【０００３】
ところで、排出されたＣＯ_２ガスの約４５％は大気中に残留するが、約２８％は海洋に吸収され、さらに残りは植物に固定されるという報告がある。また、海洋へのＣＯ_２ガスの吸収速度は低いものの、その量的吸収能力は、化石燃料の可採埋蔵量の全量を消費し尽くしたと仮定しても海水がＣＯ_２ガスで飽和することはない程に、桁外れに大きい。
【０００４】
このため、海洋のこのようなＣＯ_２ガスの吸収能力に着目し、例えば火力発電所等から放出されるＣＯ_２ガスを海洋に効率よく固定するシステム（ＧＬＡＤシステム；ＧａｓＬｉｆｔＡｄｖａｎｃｅｄＤｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍｆｏｒＣＯ_２）が既に提案されている。
【０００５】
図１１は、公知のＧＬＡＤシステム１の一例を模式的に示す説明図である。図１１に示すように、このＧＬＡＤシステム１では、海面下２００〜４００ｍに配置されたガスインジェクタ２から、例えば火力発電所等（図示しない）から放出されたＣＯ_２ガスあるいはＣＯ_２混合ガスを揚水管３に吹き込み、揚水管３の内部を気泡４が浮上することによるガスリフト効果により周囲の新海水５を吸引するとともに気泡中のＣＯ_２ガスを海水に溶解させる。そして、ドレイン管６によりＣＯ_２ガス溶解海水７を海面下１０００〜３０００ｍの深海に送り込む。このＧＬＡＤシステム１では、ＣＯ_２ガスの溶解による海水の酸性化で海水ｐＨが６．５以下に低下して海棲生物の生息環境を破壊しないように、ＣＯ_２ガスの溶解が制御される。このＧＬＡＤシステム１は、緊急避難的かつ繋ぎの処置ではあるものの、ＣＯ_２ガスの実現可能な処理策として有効である。なお、図１１における符号８は、ガス分離器である。
【０００６】
このように、ＧＬＡＤシステム１ではガスインジェクタ２はいわばシステム全体の心臓部であるため、ガスインジェクタ２には、海水のガスリフト効率の向上や、ＣＯ_２ガスの溶解制御性及び定常性の確保を図るために、液中に適正な大きさの気泡４を安定的に発生することが要求される。
【０００７】
具体的には、ガスインジェクタ２には、海水の揚水を確実に行うとともにＣＯ_２ガスを海水中に溶解させて海底に効率よく固定するため、１０ｍｍ以下の径の均一な微細な気泡４を安定的かつ均一に形成することが求められる。また、このガスインジェクタ２は海面下２００〜４００ｍの海中に設置されることから、できるだけメンテナンスフリー化が図れる簡素な構造であることも重要である。
【０００８】
公知のガスインジェクタによる気泡の発生方法を表１にまとめて示す。表１に示すように、細孔からガスを吹込む方法（非特許文献１、２）、液体エジェクタによるガス吸込方法（非特許文献３、４）、超音波印加による方法（非特許文献５）、さらには高電圧印加による方法（非特許文献６〜８）等があり、それぞれについて研究開発が行われている。また、表１にはこれらを応用した特許文献１〜４も併せて示す。
【０００９】
【表１】

【００１０】
これらの気泡の発生方法のうちで細孔からガスを吹込む方法は、孔形状により、オリフィス、ドリルホール、細管又は多孔体を用いた方法に分類することができ、さらにガス吹き込みと突起とによる気泡分散を利用するエアレータ（非特許文献９）がある。
【００１１】
【非特許文献１】
高橋照男、宮原敏郎：単一円孔より形成される気泡容積−蓄気質容積の影響−，化学工学論文集、第５巻第５号（１９７９），４５３．
【非特許文献２】
Ｐａｍｐｅｒｉｎ，Ｏ．ａｎｄＲａｔｈ，Ｈ．Ｊ．：ＩＮＦＬＵＥＮＣＥｏｆＢＵＯＹＡＮＣＹＯＮＢＵＢＢＬＥＦＯＲＭＡＴＩＯＮＡＴＳＵＢＭＥＲＧＥＤＯＲＩＦＩＣＥ，ＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅｖｏｌＶｏｌ．５０Ｎｏ．１９（１９９５），３００９．
【非特許文献３】
大竹伝雄、東稔節治、久保井亮一、高橋保夫、中尾勝実：液体エジェクターによるガスの分散、化学工学論文集、第５巻第４号（１９７９，３６６．）
【非特許文献４】
大成博文、前田邦男、松尾克美、蔵重裕二、石川並木、津田朗宏：海水マイクロバブル発生技術について，土木学会第５４回年次学術公演会、ＶＩＩ −７４（平成１１年９月），１４８．
【非特許文献５】
実吉純一、菊池喜充、能本乙彦：超音波技術便覧（新訂版）、日刊工業新聞社、昭和５９年１２月，１６５１．
【非特許文献６】
佐藤正之、黒田正和、佐賀井武：気泡生成に対する高電圧印加の効果、化学工学論文集，第５巻第４号（１９７９），３８０．
【非特許文献７】
Ｏｇａｔａ，Ｓ．，Ｔａｎ，Ｋ．，Ｎｉｓｈｉｊｉｍａ，Ｋ．ａｎｄＣｈａｎｇ，Ｊ．Ｓ．：ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＩｍｐｒｏｖｅｄＢｕｂｂｌｅＤｉｓｒｕｐｔｉｏｎａｎｄＤｉｓｐｅｒｓｉｏｎＴｅｃｈｎｉｑｕｅｂｙａｎＡｐｐｌｉｅｄＥｌｅｃｔｒｉｃＦｉｅｌｄＭｅｔｈｏｄ，ＡｌＣｈＥＪｏｕｒｎａｌ，Ｖｏｌ．３１Ｎｏ．１（１９８５），６２．
【非特許文献８】
Ｔｓｏｕｒｉｓ，Ｃ．，Ｓｈｉｎ，Ｗ．Ｔ．ａｎｄＹｉａｃｏｕｍｉ，Ｓ．：Ｐｕｍｐｉｎｇ，ＳｐｒａｙｉｎｇａｎｄＭｉｘｉｎｇｏｆＦｌｕｉｄｓｂｙＥｌｅｃｔｒｉｃＦｉｅｌｄｓ，ＣａｎａｄｉａｎＪ．ｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｖｏｌ．７６（１９９８），５８９．
【非特許文献９】
西華産業株式会社：完全メンテフリー省エネ型排水設備用散気装置（ＯＨＲ型エアレータ）、カタログ．
【特許文献１】
特開平８−１００２１０号公報
【特許文献２】
特開平６−３３９７６８号公報
【特許文献３】
特開２００２−１９１９４９号公報
【特許文献４】
特開２００２−１１３３４０号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
オリフィス、ドリルホール又は細管を用いて気泡を発生する方法は、確かにメンテナンスフリーであるものの、形成した孔径によって、ガス吹き込み量及び気泡径の制御範囲が圧力により著しく制限され、制御の幅が狭い。
【００１３】
すなわち、多量のガスを吹き込んで１０ｍｍ以下の径の微細な気泡を発生させるためには、小径の孔を多数設ける必要があり、孔加工コストが嵩むとともに、これら孔の目詰まり対策等の管理を行う必要が生じる。
【００１４】
また、多孔体を用いて気泡を発生する方法は、特に多孔体の目詰まりが問題となり、吹き込みガスのフィルタリング及び多孔体の清掃（逆洗あるいは交換）等の管理を充分に行う必要がある。
【００１５】
また、エアレータ方式により気泡を発生する方法は、衝突板や突起の管理（付着対策や摩耗対策）が必要となる。
液体エジェクタによるガス吸込方式は、液体吹き込み量により吸込ガス量及び気泡径をある程度制御することはできるものの、液体加圧装置及びエジェクタの管理（摩耗交換等）が必要になってしまいコストが嵩む。
【００１６】
さらに、超音波あるいは高電圧を印加する方式では、電流や電圧を制御すれば気泡径を制御することは確かに可能であるが、超音波発振器や電圧印加電極の設置及びこれらの定期管理が必要となり、コストが嵩む。
【００１７】
このように、気泡を発生する技術はこれまでにも多数の研究が行われ、多数の発明が提案されてはいるものの、公知の発明では、気泡発生の安定性及びメンテナンス性をいずれも高レベルで満足することはできなかった。
【００１８】
本発明の目的は、公知のガスインジェクタと少なくとも同等程度のＣＯ_２ガスの溶解制御性及び気泡発生性を有するとともに良好なメンテナンス性を有し、１０ｍｍ以下の径の微細な気泡を均一に安定して発生することができる、ＣＯ_２ガスの高効率海底固定システム用もしくは、一般のガス（エア）リフトポンプあるいは化学反応槽等における均一気泡発生装置用としても好適な気泡発生装置及び気泡発生方法と、これらを応用した揚液装置及び攪拌装置とを提供することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上述した課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、以下に列記する知見（１）〜（３）を得た。
【００２０】
（１）上述したＧＬＡＤシステムにおけるガスインジェクタとしての使用を考えると、海面下２００〜４００ｍに配置されるために良好なメンテナンス性を有することが強く求められ、そのためにはガス吹き込み部の形状は簡素である程よい。このため、ガス吹込口は、複雑な加工を伴わなくとも形成できるドリルホールや細孔であることが最も望ましい。
【００２１】
（２）気泡の微細化には、気液界面張力に打ち勝つ力を付与する必要があり、流体中における力として、攪拌等の機械的力以外として流れに伴う液体の剪断力を利用するのが良い。しかし、上述した液体エジェクタ方式では、液体の加圧装置が必要となり、システムの設備費及び運転コストが嵩む。そこで、ガスの吹込みにより液体に旋回流、具体的には液体を上方へ向けて流す管体の中心軸の周りを旋回する旋回流を発生させ、その旋回流が奏する剪断力を利用してガスを分断して微細な気泡を発生することが望ましい。
【００２２】
（３）気液界面張力を低下させることによりガス吹込口からの気泡離脱を促進することも考えられる。しかし、界面張力は添加剤等を注入しない限り一定である。これに対し、吹き込まれるガスに脈動を付与することにより、ガス吹込口からの気泡離脱を促進でき、見掛け上の界面張力の低下と同等の効果を期待することができる。
【００２３】
本発明者らは、これらの知見に基づいてさらに検討を重ねた結果、管体の内部を上方へ流れる液体にガスを望ましくは超音速で吹き込んで、この液体に旋回流を発生させること、さらに望ましくは吹き込まれるガスに脈動を付与することによって界面張力を制御でき、これにより、気泡発生の安定性及びメンテナンス性をいずれも高レベルで満足でき、上述した課題を解決できることを知見し、本発明を完成した。
【００２４】
本発明は、管体の内部を上方へ流れる液体にガスを吹き込んで該液体に旋回流を発生させることによって気泡を発生させる旋回流発生手段を備えることを特徴とする気泡発生装置である。具体的には、この本発明に係る気泡発生装置における旋回流は、管体の中心軸の周りを旋回する流れである。
【００２５】
この本発明に係る気泡発生装置では、旋回流発生手段が、管体の内周面の略接線方向又はこれに近似の方向へ向けてガスを吹き込むための複数のガス吹込み口を有するガス吹込み手段であることが、例示される。
【００２６】
これらの本発明に係る気泡発生装置が、さらに、管体の内部に吹き込まれるガスに脈動を発生させる脈動発生手段を備えることが望ましい。
これらの本発明に係る気泡発生装置が、さらに、旋回流発生手段と、この旋回流発生手段にガスを供給するためのガス供給室とを内蔵するガスヘッダを備え、かつ、管体が、上下方向に離間して配置されるとともにそれぞれの内部を液体が上方へ流れる第１の管体及び第２の管体を有し、ガスヘッダが、第１の管体と第２の管体との間に設けられることが、望ましい。
【００２７】
別の観点からは、本発明は、上下方向へ向けて配置されるとともに少なくとも下端部に開口を有する揚液管と、この揚液管の内部に１又は２以上設けられる上記の本発明に係る気泡発生装置とを備え、揚液管が、本発明に係る気泡発生装置によるガスリフト作用によって開口から液体を内部に流入させることにより、液体を上昇させることを特徴とする揚液装置である。
【００２８】
別の観点からは、本発明は、液体を収容するための容器と、この容器の内部に１又は２以上設けられる上記の本発明に係る気泡発生装置とを備えることを特徴とする攪拌装置である。
【００２９】
別の観点からは、本発明は、液体を収容するための横断面形状が略円形の容器と、この容器の内部に設けられてこの容器の内周面の略接線方向又はこれに近似の方向へ向けてガスを吹き込んでこの液体に旋回流を発生させることによって気泡を発生させるための複数のガス吹込み口とを備えることを特徴とする攪拌装置である。
【００３０】
さらに別の観点からは、本発明は、管体の内部を上方へ流れる液体にガスを吹き込んでこの液体に旋回流を発生させることによって気泡を発生させることを特徴とする気泡発生方法である。
【００３１】
この本発明に係る気泡発生方法では、さらに、管体の内部に吹き込まれるガスに脈動を付与することが望ましい。
【００３２】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、本発明に係る気泡発生装置、揚液装置、攪拌装置及び気泡発生方法の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
【００３３】
図１は、この第１の実施の形態に係る気泡発生装置１０の構造を示す説明図であって、図１（ａ）は垂直断面の端面図、図１（ｂ）は水平断面の端面図である。
図１に示すように、本実施の形態の気泡発生装置１０は、旋回流発生手段１１を備える。この旋回流発生手段１１は、管体１２の内部を上方へ流れる液体にガスを吹き込んでこの液体に、管体１２の中心軸の周りを旋回する旋回流を発生させることによって気泡を発生させるものである。
【００３４】
本実施の形態では、旋回流発生手段１１として、管体１２の内周面１２ａの略接線方向へ向けてガスを吹き込むための複数（図示例では八つ）のガス吹き込み口１１ａ〜１１ｈを有するガス吹込み手段１３を用いた。
【００３５】
管体１２の上下方向の長さは、長過ぎると液体の流動抵抗が大きくなり、逆に短過ぎると旋回流の安定性及び旋回流のせん断力によるガスジェットの分断がいずれも不十分となり、気泡径やその均一性を保つことが容易ではなくなる。したがって、ガス吹き込み口１１ａ〜１１ｈの設置位置よりも上部の管体１２の長さは、管体１２の内径の０．５倍以上２０倍以下であることが望ましく、一方、ガス吹き込み口１１ａ〜１１ｈの設置位置よりも下部の管体１２の長さは、管体１２の内径の１倍以上１０倍以下であることが望ましい。
【００３６】
このガス吹込み手段１３は、図１（ｂ）に示す水平断面形状を有するとともに円周上に並設された八つのノズルブロック１３ａを有しており、隣接するノズルブロック１３ａ、１３ａの間にガス吹き込み口１１ａ〜１１ｈが、管体１２の内周面１２ａの略接線方向へ略水平に形成されている。
【００３７】
なお、本実施の形態とは異なり、ガス吹き込み口１１ａ〜１１ｈは管体１２の内周面１２ａの略接線方向とは若干ずれた近似の方向に向けてガスを噴出するように設けられていてもよく、また、ガス吹き込み口１１ａ〜１１ｈは水平方向に形成するのではなく、例えば水平方向よりも若干上向きとなるように形成してもよい。ガス吹き込み口１１ａ〜１１ｈは、いずれにしても、管体１２の内部に吹き込まれたガスが管体１２の中心軸の周りの旋回流を発生させることができるように、形成されていればよい。
【００３８】
そして、このガス吹込み手段１３は、このガス吹き込み手段１３にガスを供給するためのガス供給室１４を有するガスヘッダ１５の内部に設けられている。ガスヘッダ１５には一箇所以上（図示例では２箇所）のガス供給口１５ａが設けられている。
【００３９】
このガス供給口１５ａ、１５ａを介してガスをガス供給室１４に供給すると、ガス吹込み手段１３のガス吹き込み口１１ａ〜１１ｈから管体１２の内周面１２ａの略接線方向へ略水平にガスが吹き込まれる。
【００４０】
吹き込まれたガスジェットは、管体１２の内部に存在する液体に、管体１２の中心軸の周りを旋回する旋回流を誘起する。そして、誘起された液体の旋回流に起因する壁面せん断応力によってガスジェットは分断され、１０ｍｍ以下の径の微細な気泡が形成される。
【００４１】
この際、旋回流とともに流れるガスは、旋回流が奏する遠心力によって、液体より密度が小さいガス気泡が管体１２の中心へ向けて移行する。これにより、１０ｍｍ以下の径の微細な気泡は、水平面内において均一な密度に形成される。
【００４２】
このように、本実施の形態の気泡発生装置１０は、管体１２の内部を上方へ流れる液体にガスを吹き込んでこの液体に旋回流を発生させることによって気泡を発生させるものである。
【００４３】
ガス吹き込み口１１ａ〜１１ｈから吹き込まれるガスジェットを超音速にすると、管体１２の内部に形成される旋回流がより強化され、吹き込まれたガスジェットに作用する壁面せん断応力も大きくなり、これにより、気泡径の増大が抑制されて１０ｍｍ以下の径の微細な気泡を安定して発生することができるため、望ましい。
【００４４】
ここで、ガスジェットを超音速にするには、ガス吹き込み口１１ａ〜１１ｈからのガス流れを断熱流れと仮定すれば、ヘッダ内の静止ガスが圧力Ｐｉの雰囲気に噴出するジェットのマッハ数Ｍとノズル圧力Ｐｎとの関係は、熱力学的に（１）式により表されることとなる。
【００４５】
【数１】

【００４６】
この（１）式においてＭ＞１とすればよく、一般的な常温のガスでは比熱比は、κ＝１．２（エタン等）〜１．６６（ヘリウム、アルゴン等）であり、この値を（１）式に代入すると、
【００４７】
【数２】

【００４８】
となる。すなわち、ガス吹き込み口１１ａ〜１１ｈの内部の圧力を、管体１２内の雰囲気圧力（液中においてはそこの静水頭）の１．７７〜２．０５倍以上とすればよい。
この気泡発生装置１０は、図１（ａ）及び図１（ｂ）では図示していないが、ガス供給口１５ａへのガス供給管路の途中に、管体１２の内部に吹き込まれるガスに脈動を付与する脈動発生手段が設けられている。
【００４９】
はじめに、管体１２の内部に吹き込まれるガスに脈動を付与することにより気泡離脱の効果が存在することを検討する。
内径ｄの液中ノズルからのガス離脱がガスの浮力と表面張力との釣り合いにより発生すると仮定すると、
【００５０】
【数３】

【００５１】
が成り立つ。ただし、ｇは重力加速度（ｍ／ｓ^２）を示し、δは離脱気泡径（ｍ）を示し、ρ_ｌは液体密度（ｋｇ／ｍ^３）を示し、σは表面張力（Ｎ／ｍ）を示す。
いま、ガス供給量ｑ（ｍ^３／ｓ）に対して周波数ｆで変動量Δｑの脈動を与えた時の気泡離脱間隔をτとすると、
【００５２】
【数４】

となり、
【００５３】
【数５】

【００５４】
となる。ただし、ｆは変動周期（ｓ^−１）であり、ｑはガス供給量（ｍ^３／ｓ）であり、Δｑはガス供給量変動幅（ｍ^３／ｓ）であり、ｔは時間（ｓ）であり、Ｔは気泡離脱間隔（ｓ）である。
【００５５】
すなわち、脈動振幅Δｑ／ｑ及び周波数ｆを変化させれば、離脱周期を制御できることがわかる。さらに、ガス脈動により界面張力σが小さくなれば、離脱周期はさらに小さくなり、気泡の微細化制御も期待できる。
【００５６】
図２〜図４は、ガス供給管路１６の途中に設けられた各種の脈動発生手段１７、１８、１９の構成例を示す説明図であり、図２は機械的脈動発生手段１７を示し、図３は音響的脈動発生手段１８を示し、図４は自励振動的脈動発生手段１９を示す。
【００５７】
図２に示す機械的脈動発生手段１７は、ガス供給管路１６の一部にこの管路１６と連通するシリンダ２０を設け、このシリンダ２０内でピストン２１を往復させることにより脈動を発生する。
【００５８】
図３に示す音響的脈動発生手段１８は、ガス供給管路１６の一部にこの管路１６と連通する音響室２２を設け、この音響室２２内にスピーカ２３を設置し、アンプ２４を介してスピーカ２３からある周波数の音を発生させることにより脈動を発生する。
【００５９】
図４に示す自励振動的脈動発生手段１９は、ガス供給管路１６の一部に、ガス流速を増大させる絞り機構２５とその下流にくさび形、三角形、矩形、平板又は円形の物体２６を設置し、高速ガス流れが物体に衝突するときのエッジトーン２７及び物体後流に発生するカルマン渦２８による振動をともに利用することにより脈動を発生する。
【００６０】
なお、ガスへの脈動付与には脈動周波数が関係する。脈動周波数が１０Ｈｚ未満であるとガスの高速吹き込みに対して脈動の効果が薄く、また脈動周波数が１０００Ｈｚ超では脈動発生方法における脈動振幅を大きく確保することができず、やはり脈動の効果が薄くなる。したがって、脈動周波数としては１０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下であることが望ましく、３０Ｈｚ以上５００Ｈｚ以下とすると、１０ｍｍ以下の径の微細な気泡を均一に形成できるため、より望ましい。
【００６１】
以下、本実施の形態の気泡発生装置１０を、上述したＧＬＡＤシステムにおけるガスインジェクタとして適用可能であることを、超音速でガスを吹込む場合の吹込みノズルの口径及び吹込量の制御性との関係で、説明する。
【００６２】
まず、吹込口径に関して検討する。いま、液深さＨ（圧力Ｐ_ｉ）に設置されたガス吹込口からＰ_ｎの圧力でガスを吹込むとし、吹込ガス量は、揚液量のα％とすると、
【００６３】
【数６】

ただし、
【００６４】
【数７】

【００６５】
【数８】

【００６６】
となる。ただし、ａは音速（ｍ／ｓ）であり、Ｄは溶解管内径（ｍ）であり、ｄはノズル径（ｍ）であり、Ｍはマッハ数（−）であり、Ｎはノズル数（−）であり、Ｐは圧力（Ｐａ）であり、Ｒはガス定数（ｍ^２／ｓ^２／Ｋ）であり、Ｔは温度（Ｋ）であり、Ｖは揚液平均流速（ｍ／ｓ）であり、αはボイド率（−）であり、κは比熱比（−）であり、ρ_ｇはガス密度（ｋｇ／ｍ^３）であり、添字のｏは標準状態を示し、ｎはノズル内を示し、さらにｉは溶解管内（雰囲気）を示す。
【００６７】
超音速で吹き込まれるとすると、ノズル内マッハ数Ｍ＝１であるから（６）式は、
【００６８】
【数９】

【００６９】
となる。
このため、溶解及び揚液に必要な最適値α、Ｖに対してインジェクタノズル圧力Ｐｎのみで制御できる。ちなみに、内径５００ｍｍの溶解管内において、ボイド率α＝１〜３０％、揚液流速Ｖ＝０．５〜５ｍ／ｓと考え、ＣＯ_２ガスをインジェクション部の圧力の２倍で吹き込むと仮定すると、０．５〜２０ｍｍの口径の吹き込みノズルを４〜３２個程度設置すればよい。このため、設計製作上の問題も生じない。
【００７０】
さらに、管体１２の内部に吹き込まれるガスに脈動を付与すれば、上述したＧＬＡＤシステムにおけるガスインジェクタとして用いることができ、これにより、１０ｍｍ以下の径の微細な気泡を安定して発生できる。
【００７１】
図５は、本実施の形態の気泡発生装置１０をガスインジェクタとして用いた揚液装置（ガスリフトポンプ）３０の構成例を示す説明図である。
この揚液装置３０は、上下方向に離間して配置され、内部を液体が上方へ流れる第１の管体３１及び第２の管体３２と、第１の管体３１と第２の管体３２との間に配置されるガスヘッダ１５とを備える気泡発生装置１０、１０と、この気泡発生装置１０、１０を内部に収容する揚液管３３とを備える。ガスヘッダ１５の内部には、第２の管体３２の内周面の略接線方向へ向けてガスを吹き込むための八つのガス吹き込み口１１ａ〜１１ｈを有するガス吹込み手段１１と、このガス吹き込み手段１１にガスを供給するためのガス供給室１４とが設けられる。
【００７２】
そして、揚液管３３が、気泡発生装置１０、１０によるガスリフト作用によって、下端部から液体を内部に流入させることにより、液体を上昇させる。
このときの発生気泡径及び揚液装置３０の揚液特性を、図６に示す従来の揚液装置３４と比較する。なお、図６に示す揚液装置３４は、揚液管３０にガス吹き込みのための内径１．４５ｍｍの細管３５を均等間隔で１６本接続されて、構成される。
【００７３】
具体的には、本実施形態の揚液装置３０では、内径８２．２ｍｍの管体１２の周方向８箇所に内径１．４５ｍｍの吹き込みノズル１１ａ〜１１ｈを設けた。管体１２の長さは、吹き込みノズル１１ａ〜１１ｈより上側が１５０ｍｍ、下側が１００ｍｍである。また、気泡発生装置１０は、揚液管３３の径が２６０ｍｍ、高さが６ｍの透明管の下部に取り付け、吹き込みガスは圧縮空気を用い、揚液体として水道水を用いた。なお、吹込ガス量及び揚液量は、それぞれ渦流量計及び電磁流量計を用いて測定した。
【００７４】
供給ガスへの脈動の付与の有無による影響も併せて調査した。脈動は、図２に示す機械的脈動発生手段１７を用いて発生し、脈動周波数は８３Ｈｚである。また、発生気泡径は、揚液管３３内を上昇する気泡を写真撮影し、画像解析により各気泡の短径ｄｓ（上昇方向）と長径ｄｌ（上昇方向に直角方向）を計測し、上昇気泡を回転楕円体として次式により等価球形ｄｍとして求めた。
【００７５】
【数１０】

【００７６】
図７は、揚液装置３０、３４について発生気泡の等価径ｄｂ（ｍｍ）とガス吹き込み量Ｑｇ（Ｎｍ^３／ｍｉｎ）との関係を示すグラフである。
脈動を付与しない場合、ガス吹込量が少ない範囲では、揚液装置３０による発生気泡の等価径は、揚液装置３４による発生気泡の等価径と略同様であるが、ガス吹込量が大きくなると揚液装置３４では発生気泡の等価径が大きくなるのに対し、揚液装置３０では僅かに大きくなる程度であり、揚液装置３４に比較すると発生気泡の等価径は１／２程度である。
【００７７】
また、脈動を付与する場合、ガス吹込量が少ない範囲では、発生気泡の等価径は、脈動がない場合より僅かに小さいが、ガス吹込量が多くなると脈動の有無の影響は認められなくなる。つまり、吹き込むガスヘの脈動の付与は吹き込み量が少ない場合に有効である。
【００７８】
図８は、図７と同じ条件における揚液装置３０、３４の揚液量Ｑｌ（ｍ^３／ｍｉｎ）とガス吹き込み量Ｑｇ（Ｎｍ^３／ｍｉｎ）との関係を示すグラフであり、揚液装置３０、３４の揚液特性を比較して示す。
【００７９】
揚液装置３０では脈動付与の有無に関わらず揚液特性は、揚液装置３４の揚液特性と殆ど同等であるが、吹き込み量が大きい範囲では僅かに小さくなる。
このように、本実施の形態の揚液装置３０は、管体１２の略接線方向にガスを吹き込むことによって液体の上昇流に旋回流を誘起させることを大きな特徴とするが、上述したように、その旋回強度を上昇するためには、ガスを超音速で吹き込むことが効果的である。
【００８０】
ここで、ガスを超音速で吹き込む条件として、上述したように、ガス吹き込み口１１ａ〜１１ｈの内部の圧力を、吹き込み雰囲気圧力の１．７７〜２．０５倍以上とすればよい。しかしながら、ガス吹き込み口１１ａ〜１１ｈのノズル径により吹込みガス量が変化する。すなわち、ノズル径が大き過ぎると吹き込みガス量が増加し、液体の上昇流を阻害する。このため、本発明の基本的な考え方、すなわち液体の流れとの相互干渉を利用して均一に気泡を発生することが、達成できなくなることがある。したがって、揚液装置３０のガス吹き込み口１１ａ〜１１ｈの径及び本数は、以下のように限定することが望ましい。
【００８１】
（９）式より、
【数１１】

【００８２】
となる。ここで、前述のように一般的な常温のガスにおいては、比熱比はκ＝１．２（エタン等）〜１．６６（ヘリウム、アルゴン等）であり、さらに上述した（２）式を考慮すると、
【００８３】
【数１２】

【００８４】
となる。
ここで、ボイド率α及び揚液平均流速Ｖは上述したように、α＝１〜３０％、Ｖ＝０．５〜５ｍ／ｓ、０℃におけるガスの音速は、ａ_ｎ＝（κＲＴ_ｎ）^０．５＝２０５（塩素）〜１２７０（水素）ｍ／ｓであり、Ｔ_ｎ／Ｔ_ｉ＝１と考えると、
【００８５】
【数１３】

【００８６】
とすれば、殆どの吹込みガス量に対応できる。
さらに、液体の旋回流発生の対称性を考慮して、ガス吹き込み口の数Ｎを最低２と考えると、
【００８７】
【数１４】

【００８８】
となる。すなわち、本発明におけるガス吹き込み口１１ａ〜１１ｈの径は、管体１２の内径の０．０６倍以下とすれば、殆どの吹込みガス量に対して充分な均一気泡の発生効果が得られるため、望ましい。
【００８９】
このように、本実施の形態の揚液装置３０は、管体１２の内面の略接線方向へ超音速でガスを吹き込むことによる揚液への旋回流の付与と、吹込みガスに脈動を付与することにより界面張力の制御とをともに利用するため、超音速のガスジェットによる吹込部の強い乱れによりＣＯ_２ガスの溶解が促進されるとともに、吹き込んだガスも分断され微細気泡化する。
【００９０】
さらに、管体１２の接線方向へのガスの吹込により、揚液に旋回流が誘起され、その遠心力により、比重が小さい気泡は揚液管３３の中心部に移行し、管壁からガスを吹き込んでも揚液管３３の中心部への気泡の分散が充分に可能である。この旋回流とガス脈動とにより、揚液管３３の内面からの気泡離脱も促進され、さらなる気泡微細化が可能になるとともに気泡形成の制御性も向上する。
【００９１】
なお、揚液管３３が非円形管の場合には、円滑な旋回流の形成が難しい。したがって、揚液管３３が非円形管である場合には、例えば上述した図５にも示すように、本実施の形態の気泡発生装置１０を揚液管３３の下部の適当な位置に設置すればよい。
【００９２】
以上説明したように、本実施の形態によれば、管体１２の液体に旋回流を誘起し、この旋回流の剪断力を利用してガスを分断するため、１０ｍｍ以下の微細な気泡を均一にかつ安定して発生することができる。
【００９３】
さらに、本実施の形態によれば、ガスの超音速吹き込み及び供給ガスへの脈動を付与することにより、よりいっそう、気泡の微細化及び均一化を図ることができる。このため、上述したＧＬＡＤシステムに好適に用いることができる。
【００９４】
（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態を説明する。なお、以降の実施の形態の説明では、上述した第１の実施の形態と相違する点を説明し、共通する部分については同一の図中符号を付すことにより、重複する説明を省略する。
【００９５】
図９は、本発明に係る気泡発生装置１０−１を利用した攪拌装置３６の垂直断面図である。
この攪拌装置３６は、液体を収容するための容器３７と、この容器３７の内部に１又は２以上設けられた本発明に係る気泡発生装置１０−１、１０−１とを備える。
【００９６】
この攪拌装置３６は、容器３７の水平断面形状が円形でなく、容器３７の周壁に吹き込みノズルを設置しても旋回流の誘起が難しい場合に好適である。すなわち、気泡発生装置１０−１を容器３７の底部に設置し、容器３７に収容された液体と反応させる不活性ガスを吹き込めば、容器３７の内部の液体は、図中矢印で示す方向に循環させて攪拌することができる。
【００９７】
なお、不活性ガス以外のガスを用いれば、化学反応装置として液体と気体との反応を効率良く促進できる。さらに、反応装置としてではなく、汚泥等の微生物が生育する環境下で空気等酸素含有ガスを吹き込めば微生物ばっ気槽等として微生物の活性化を促進することもできる。
【００９８】
（第３の実施の形態）
図１０は、第３の実施の形態の攪拌装置３８を示す説明図で、図１０（ａ）は垂直断面図、図１０（ｂ）は底部の水平断面図である。
【００９９】
本例では、円筒形状の容器３９の底部の周壁３９ａにガス吹き込み口４０ａ〜４０ｄを設け、容器３９の底部の周壁３９ａの略接線方向に不活性ガスを吹き込むと、容器３９に収容された液体に旋回流を誘超するとともに、小気泡の上昇により容器３９内が強攪拌される。
【０１００】
なお、以上の各実施の形態では、液体に気体を反応させる形態を示したが、本発明はこの形態に限定されるものではなく、液体としてスラリーを用いれば固体、気体及び液体の反応を促進することもできる。
【０１０１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明により、公知のガスインジェクタと少なくとも同等程度のＣＯ_２ガスの溶解制御性及び気泡発生性を有するとともに良好なメンテナンス性を有し、１０ｍｍ以下の径の微細な気泡を均一に安定して発生することができる、ＣＯ_２ガスの高効率海底固定システム用もしくは、一般のガス（エア）リフトポンプあるいは化学反応槽等における均一気泡発生装置用としても好適な気泡発生装置及び気泡発生方法と、これらを応用した揚液装置及び攪拌装置とを提供できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係る気泡発生装置の構造を示す説明図であって、図１（ａ）は垂直断面の端面図、図１（ｂ）は水平断面の端面図である。
【図２】ガス供給管路の途中に設けられた機械的脈動発生手段の構成例を示す説明図である。
【図３】ガス供給管路の途中に設けられた音響的脈動発生手段の構成例を示す説明図である。
【図４】ガス供給管路の途中に設けられた自励振動的脈動発生手段の構成例を示す説明図である。
【図５】第１の実施の形態の気泡発生装置をガスインジェクタとして用いた揚液装置の構成例を示す説明図である。
【図６】従来の揚液装置の構成例を示す説明図である。
【図７】揚液装置について発生気泡の等価径ｄｂ（ｍｍ）とガス吹き込み量Ｑｇ（Ｎｍ^３／ｍｉｎ）との関係を示すグラフである。
【図８】図７と同じ条件における揚液装置の揚液量Ｑｌ（ｍ^３／ｍｉｎ）とガス吹き込み量Ｑｇ（Ｎｍ^３／ｍｉｎ）との関係を示すグラフである。
【図９】第２の実施の形態の攪拌装置の垂直断面図である。
【図１０】第３の実施の形態の攪拌装置を示す説明図で、図１０（ａ）は垂直断面図、図１０（ｂ）は底部の水平断面図である。
【図１１】公知のＧＬＡＤシステムの一例を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
１０気泡発生装置
１１旋回流発生手段
１１ａ〜１１ｈガス吹込み口
１２管体
１２ａ内周面
１３ガス吹込み手段
１４ガス供給室
１５ガスヘッダ
１７脈動発生手段

Claims

管体の内部を上方へ流れる液体にガスを吹き込んで該液体に旋回流を発生させることによって気泡を発生させる旋回流発生手段を備えることを特徴とする気泡発生装置。
前記旋回流発生手段は、前記管体の内周面の略接線方向又はこれに近似の方向へ向けて前記ガスを吹き込むための複数のガス吹込み口を有するガス吹込み手段である請求項１に記載された気泡発生装置。
さらに、前記管体の内部に吹き込まれる前記ガスに脈動を発生させる脈動発生手段を備える請求項１又は請求項２に記載された気泡発生装置。
さらに、前記旋回流発生手段と、該旋回流発生手段に前記ガスを供給するためのガス供給室とを内蔵するガスヘッダを備え、かつ、前記管体は、上下方向に離間して配置されるとともにそれぞれの内部を液体が上方へ流れる第１の管体及び第２の管体を有し、前記ガスヘッダは、該第１の管体と該第２の管体との間に設けられる請求項２又は請求項３に記載された気泡発生装置。
上下方向へ向けて配置されるとともに少なくとも下端部に開口を有する揚液管と、該揚液管の内部に１又は２以上設けられる請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された気泡発生装置とを備え、前記揚液管は、該気泡発生装置によるガスリフト作用によって前記開口から液体を内部に流入させることにより、該液体を上昇させること
を特徴とする揚液装置。
液体を収容するための容器と、該容器の内部に１又は２以上設けられる請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された気泡発生装置とを備えることを特徴とする攪拌装置。
液体を収容するための横断面形状が略円形の容器と、該容器の内部に設けられて前記容器の内周面の略接線方向又はこれに近似の方向へ向けて前記ガスを吹き込んで該液体に旋回流を発生させることによって気泡を発生させるための複数のガス吹込み口とを備えることを特徴とする攪拌装置。
管体の内部を上方へ流れる液体にガスを吹き込んで該液体に旋回流を発生させることによって気泡を発生させることを特徴とする気泡発生方法。
さらに、前記管体の内部に吹き込まれる前記ガスに脈動を付与する請求項８に記載された気泡発生方法。