JP2005007251A - 気液接触装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液体旋回流により負圧を発生させて気液混合流体を噴出する気液噴流発生装置を用いた水の浄化及び溶存酸素補給等に好適な気液接触装置であって、ポンプが支障なく運転でき、かつコスト低減性にも優れた該装置の提供。
【解決手段】液体流入口と混合流体噴出開口と気体吸引管とを具備した、液体旋回流により負圧を発生させて気液混合流体を噴出する円筒状気液噴流発生装置を、該噴出開口より下部に液体取出口を具備する液体収納容器内に備え、かつ前記液体取出口と前記液体流入口とをポンプを介して接続する液体移送管を備えた気液接触装置であって、該開口は、その流体移動方向中央の断面形状が、その出口側が少なくとも流体の流入側から流出側に向かって次第に拡大する連続する曲線とをなす形状であり、かつ前記開口出口と前記液体取出口間の該開口面に直交する距離を前記円筒状気液噴流発生装置の内径の２．５倍以下とする。

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トリクロロエチレン等の揮発性有機化合物で汚染された水の浄化及び溶存酸素補給等に好適な気液接触装置に関する。より詳しくは、液体の旋回流を形成し、その旋回流により負圧を発生させ、その負圧により気液混合流体を噴出する気液噴流発生装置を用いた、前記した揮発性有機化合物で汚染された水の浄化及び溶存酸素補給等に好適な気液接触装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
河川や湖沼の水浄化、あるいは生活排水等の汚水の浄化を行う方法として古くから被処理液中の好気性微生物による生物酸化作用を利用することが行われており、その微生物の活性化のために被処理水中に空気の微細気泡を送り込み気液接触を行うことも従前から行われている。そのための微細気泡発生装置には、細孔を有する散気管、多孔板、あるいは回転翼等の各種構造のものが従前から利用されており、これによって気液接触が行われている。
【０００３】
その散気管あるいは多孔板を用いて気泡を発生させる装置を用いた気液接触では、気体は細孔を通過して水中に供給されるが、使用するにしたがって細孔は次第に狭くなり、ついには閉塞が起こり、気泡サイズのバラツキあるいは気泡発生率の低下が発生し、気泡の供給が不安定になり、また気泡発生量に制約もある。さらに、攪拌作用が不充分であることから、限られた容量の処理液に対しては有効であるものの湖沼等の大容量の液処理は不可能である。
【０００４】
また、回転翼等を用いる機械的方法による気泡発生装置を用いた気液接触は、回転する翼により導入された気体を細分化して気泡発生するものであり、消費エネルギーが大きく、気泡サイズのバラツキも大きいという欠点がある。本発明者らは、これら問題点を解消すべく、サイズ１ｍｍ以下の気泡を大量に発生できること、並びに該気泡と処理液との混和率及び接触効率を向上させることなどを目的として、液体の旋回流を形成し、その旋回流により発生した負圧を利用するエアレーターと通称する気液噴流発生装置を提案した（特開平１０−２３０１５０号公報）。
【０００５】
この気液噴流発生装置は、図２に図示するように、両端部に端板を有する円筒状の旋回流発生容器と、その円筒状部の接線方向に設けた液体流入口と、一側端板の中央部に設けられ、他側端板に設けられた流体噴出開口に向かって延びる気体吸引管と、他側端板の中央部に設けられた混合流体噴出開口とを具備するものであり、該液体流入口に水を供給して気体吸引管から空気を吸引し、水と吸引された空気とを前記流体噴出開口から水中に噴出することにより小さいサイズの気泡を大量に発生させることができる。
【０００６】
また、この気液噴流発生装置は、気体を吸引する駆動力は流動する液体であり、この流動する液体により発生する負圧により気体が吸引されるものであるから、この気液噴流発生装置には、駆動用の装置は特段必要はなく、しかも容器と配管のみであるから、構造は簡単でかつ小型にできる。さらに、発生した気泡は、微細で均一であり、大量に発生させて水の浄化に使用した場合には、浄化性能を著しく向上させることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らが提案したエアレーターと称する気液噴流発生装置は、前記したとおり優れた特性を備えており、この特性をさらに向上させるべく、その後もこの装置に関し鋭意研究開発に努めており、その結果、流体噴出開口を図２に図示するところの特殊な形状とすることによりエネルギー効率及び気泡発生効率に優れた気液噴流発生装置の開発に成功し既に特許出願した（特願２００２−８６０８７）。
【０００８】
この新たに開発した特殊な形状の混合流体噴出開口を持つ気液噴流発生装置に関し各種テストを行ったところ、この度、発生した混合流体は、斜め下方向に移動し、横方向への移動は相当あるものの、垂直方向、すなわち下部への進行距離が小さいことが判明した。さらに、発生した混合流体における気泡と液体との分離性が極めて優れていることも判明した。
【０００９】
本発明者は、この知見に基づいて、液体収納容器中の液体を取り出し、気液噴流発生装置の液体流入口に循環する液体移送管の取入口、すなわち液体収納容器の液体取出口を流体噴出開口から十分に離間することなく、すなわち、両者を比較的近接設置した構造にして気液接触装置を運転したところ、気泡が循環ポンプ内に進入することもなく、ポンプは支障なく運転できることが判明した。また、その結果、装置が小型化でき、かつ設置面積を低減できることから、コスト低減性にも優れたものとすることができた。
【００１０】
したがって、本発明は、液体の旋回流を形成し、その旋回流により負圧を発生させ、その負圧により気液混合流体を噴出する気液噴流発生装置を用いた水の浄化及び溶存酸素補給等に好適な気液接触装置において、液体収納容器中の液体を取り出し、気液噴流発生装置の液体流入口に循環するポンプが付設された液体移送管の液体取入口、すなわち液体収納容器の液体取出口と、流体噴出開口とを比較的近接設置してもポンプが支障なく運転でき、かつコスト低減性にも優れている気液接触装置を提供することを発明の解決課題、すなわち目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決した気液接触装置を提供するものであり、その気液接触装置は、液体流入口と、混合流体噴出開口と、気体吸引管とを具備した、液体旋回流により発生した負圧を利用して気液混合流体を噴出する円筒状気液噴流発生装置を、前記流体噴出開口より下部に液体取出口を具備する液体収納容器内に備え、かつ前記液体取出口と前記液体流入口とをポンプを介して接続する液体移送管を備えた気液接触装置において、該開口は、その流体移動方向中央の断面形状が、その出口側において少なくとも流体の流入側から流出側に向かって次第に拡大する連続する曲線となっている形状であり、かつ前記開口出口と前記液体取出口間の開口面に直交する距離が前記円筒状気液噴流発生装置の内径の２．５倍以下であることを特徴とするものである。
【００１２】
そして、本発明の気液接触装置では、混合流体噴出開口が前記したとおり特殊な形状を有することから、該流体噴出開口から噴出した気液噴流は、比較的水平方向、すなわち横方向に移動するために垂直方向、すなわち直下にはさほど進行せず、かつ発生した気泡と液体との分離性が極めて優れていることから、気泡は前記流体噴出開口から余り離れた下側の位置まで到達することがない。
【００１３】
そのため液体収納容器中に噴出した液体を取り出し、気液噴流発生装置の液体流入口に循環する液体移送管の液体取入口、すなわち液体収納容器の液体取出口を前記流体噴出開口に比較的近接して配置することができる。すなわち、両者を比較的近接して設置しても気泡が循環ポンプ内に進入することもなく、ポンプが支障なく運転できる。また、その結果、装置が小型化でき、かつ設置面積を低減できることから、コスト低減性にも優れたものとすることができた。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明するが、この図面は好適な実施の形態を示すものであって、本発明はこれによって何ら限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載によって特定されるものであることはいうまでもない。
【００１５】
本発明の気液接触装置１においては、図１に図示するとおり液体流入口１４と、混合流体噴出開口１６と、気体吸引管１５とを具備した液体旋回流により発生した負圧を利用して気液混合流体を噴出する円筒状気液噴流発生装置１０を液体収納容器２内に備えており、かつその液体収納容器２は、前記容器２内の液体を取り出してポンプ４により前記液体流入口１４に移送する液体取出口５と液体移送管６とを備えている。
【００１６】
本発明の気液接触装置１では、液体は液体流入口１４より円筒状気液噴流発生装置１０内に接線方向から導入され、該液体は円筒状気液噴流発生装置１０内に液体旋回流を形成する。そのため該旋回流により負圧が発生し、この負圧により気体吸引管１５から空気を吸引する。その結果、混合流体噴出開口１６から気液混合流体を液体収納容器２内に噴出し、小さいサイズの気泡を大量に発生させることができ、効率的な気液接触が行われる。
【００１７】
本発明では、混合流体噴出開口１６の形状は、流体移動方向中央の断面形状が、その出口側において少なくとも流体の流入側から流出側に向かって次第に拡大する連続する曲線とする特殊な形状であり、この形状を採用することにより、該噴出開口１６より噴出した気泡の下側方向への到達距離を短くすることができる。そのため該開口１６の出口と前記液体取出口５間の該開口面に直交する距離Ｌを前記円筒状気液噴流発生装置の直径の２．５倍以下とすることができるものであり、このように短くしても気泡が循環ポンプ内に進入することもなく、ポンプが支障なく運転できるものである。
【００１８】
なお、図１に図示した気液接触装置においては、液体移送管に流量計８及び気体吸引管に流量計９が設置されているが、これは液体移送管中の液体の流量及び気体吸引管から吸引される空気の流量を測定するためのものである。これら流量計は、気液接触装置の通常作動時におけるポンプ移送される液体量と、それに伴って吸引される空気量との関係が求めるものであり、水の浄化あるいは溶存酸素補給等のために行う気液接触装置は、これらが存在しなくても作動し、本来の機能を十分に発揮することができる。
【００１９】
図２は、本発明の気液接触装置１で使用する円筒状気液噴流発生装置１０の一例を図示するものであり、その噴流装置１０は、円筒状の旋回流発生容器１１の円筒状部の接線方向に液体流入口１４、両端部に端板１２及び１３を有するものであり、その液体流入口側端板１２の中央部には流体噴出開口１６に向かって延びる気体吸引管１５、液体流入口の反対側端板１３には流体噴出開口１６が備えられている。
【００２０】
この図示された円筒状気液噴流発生装置１０が備える流体噴出開口１６の直径は、端板１３の中央部が最も狭く、そこを中心として入口１６ａと出口１６ｂが最も広くなっていて、入口側と出口側とは相似形となっている。その出口側の形状は、流体移動方向中央の断面形状が、その最も狭い中央部から流出側に向かって次第に拡大する連続した曲線となっている。
【００２１】
この図２の態様では、前記した通り下側端板１３は、気液混合流体の移動方向における中央部が最も狭く、そこを中心として入口１６ａと出口１６ｂが最も広くなっているが、本発明では、流体噴出開口１６の形状は、図３に図示するとおりの別の態様としてもよい。すなわち、この場合には、前記開口は、流体移動方向中央の断面形状が、入口が最も狭く、その入口から出口に向かって次第に拡大する連続した曲線とする形状となる。また、その場合の形状は、丁度前記図２の態様の出口側半分の形状となる。
【００２２】
本発明では、混合流体噴出開口１６の形状を、前記したとおりの特殊な形状とするものであり、この形状を採用することにより気液混合流体が噴出開口から横方向に噴出することになり、そのため下側方向への到達距離が短くなる、その結果、本発明では該開口１６の出口１６ｂと前記液体取出口５間の開口面に直交する距離Ｌを前記円筒状気液噴流発生装置の直径の２．５倍以下とすることができ、好ましくは２．０倍以下にすることができる。
【００２３】
また、本発明においては、前記したとおり気液混合流体は噴出開口から横方向に噴出するが、それにもかかわらずその横方向への移動距離は以外に短いものであり、気液の分離性が優れていることも判明した。すなわち、気液混合流体は、気液噴流発生装置１０の内径の４倍以下の距離を移動する前に、気泡が液体と分離することがわかった。さらに、好ましい場合には２．５倍以下の距離を移動する前に分離することもわかった。
【００２４】
前記したとおりであるから、本発明では、液体収納容器の内径は、気液噴流発生装置の内径の４倍以下にすることができ、好ましくは２．５倍以下にすることもでき、これらのことも採用することにより、一層先の優れた点を効果的に発揮させることできる。なお、この倍率が低下することに伴って、気液混合流体が気液接触装置の内壁に到達する可能性が高まるが、到達した場合においても、気泡は内壁に沿って多少下方に移動するものの、そこから上昇するので、前記液体取出口５まで下降する可能性は低い。
【００２５】
したがって、本発明では、該噴出開口１６を特殊な形状とすると共に、該開口１６の出口と前記液体取出口５間の該開口面に直交する距離Ｌを前記のとおりにする点が特徴であり、このように前記両者間の距離を短くしても気泡が循環ポンプ内に進入することもなく、ポンプが支障なく運転できるものである。そして、本発明では、このようにすることにより、装置全体が小型化でき、かつ設置面積を低減できることから、コスト低減性にも優れたものとすることができる。
【００２６】
本発明において、円筒状気液噴流発生装置に配置される空気を吸引する気体吸引管１５の先端の位置については、特に制限されることはないが、該先端と流体噴出開口との間に空気芯が負圧により発生するところまで延伸していることが必要である。また、該先端の形状についても特に制限されるものではないが、前記空気芯が形成され易く、安定していることのできる形状がよく、それには先端は外径が先細りであるのがよく、またその部分の内径も少し狭いのがよい。
【００２７】
次ぎに、本発明の気液接触装置の作動に関し、図１及び図２に基づいて更に言及するに、
この気液接触装置では、円筒状気液噴流発生装置１０内にその円筒状部の接線方向に接続された液体流入管１４からまず水を供給するものであり、その供給により該気液噴流発生装置１０の器壁に沿って旋回しながら下降する水の旋回流が形成される。その形成に伴い該気液噴流発生装置１０内に負圧が発生し、気体吸引管１５から空気が吸引され、その流入口１５ａと下側端板１３の中央部の流体噴出開口１６との間に空気芯が形成される。その結果、該流体噴出開口１６から、該開口の下側に存在する液中に流体が噴出される。
【００２８】
その気液混合流体は、流体噴出開口１６から噴出した後気液分離し、液体は液体収納容器２に接続された液体移送管５の吸引口、すなわち液体取出口からポンプ４により吸引され、再び円筒状気液噴流発生装置１０の旋回流発生容器１１の円筒状部の接線方向に接続された液体流入管１４に供給される。ここに供給された液体は、旋回流発生容器１１で再度旋回流を形成して該発生容器１１内に負圧を発生させ、気体吸引管１５から空気を吸引して流体噴出開口１６から気液混合流体を噴出するものであり、本発明の気液接触装置は、これを何回も繰り返すことになる。
【００２９】
【実施例】
本発明について、実施例をあげて更に具体的に説明するが、本発明はこの実施例によって何等限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載によって特定されるものであることはいうまでもない。
【００３０】
図１に図示する基本構造を持つ本発明の気液接触装置を用いて気液接触試験を行った。その際気液噴流発生装置及び液体収納容器に関し、それぞれの内径が異なる表１に示す２種のものを用いて試験を行った。その試験結果も同表に示す。試験例１では、気液噴流発生装置及び液体収納容器は、それぞれの内径が４０ｍｍ及び９０ｍｍのものを使用し、流体噴出開口と液体取出口間の該開口面に直交する距離、すなわち垂直間距離Ｌを８０ｍｍとした。
【００３１】
【表１】

【００３２】
その結果、循環ポンプには、気泡が進入することはなく、液体収納容器の液体は順調に気液噴流発生装置の液体流入口に移送することができた。
また、循環ポンプによる液体の循環量及び気体吸引管から吸引された空気量を、それぞれ流量計８及び９により測定した。その結果、両者の量比は、ほぼ１対１であり、循環ポンプが順調に運転できている場合には、この付近で空気が吸引できることもわかった。
【００３３】
試験例２では、気液噴流発生装置及び液体収納容器は、それぞれの内径が２００ｍｍ及び３５５ｍｍのものを使用し、流体噴出開口と液体取出口間の垂直間距離Ｌを２００ｍｍとした。その結果、循環ポンプには、気泡が進入することはなく、液体収納容器の液体は順調に気液噴流発生装置の液体流入口に移送することができた。また、循環ポンプによる液体の循環量及び気体吸引管から吸引される空気量をそれぞれ流量計８及び９により測定した。その結果、両者の量比はこの場合にもほぼ１対１であり、循環ポンプが順調に運転できている場合には、この付近で空気が吸引できることもわかった。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の気液接触装置では、混合流体噴出開口が前記したとおり特殊な形状を有することから、該流体噴出開口から噴出した気液噴流は、比較的水平方向、すなわち横方向に移動するために垂直方向、すなわち直下にはさほど進行せず、かつ発生した気泡と液体との分離性が極めて優れている。その結果気泡は前記流体噴出開口から余り離れた下側の位置まで到達することがない。
【００３５】
また、そのため液体収納容器中に噴出した液体を取り出し、旋回流発生容器の液体流入口に循環する液体移送管の液体取入口、液体収納容器の液体取出口は、前記流体噴出開口に比較的近接して配置することができる。すなわち、両者を比較的近接して設置しても気泡が循環ポンプ内に進入することもなく、ポンプが支障なく運転できる。さらに、その結果、装置が小型化でき、かつ設置面積を低減できることから、コスト低減性にも優れたものとすることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の気液接触装置を図示するものである。
【図２】本発明の気液接触装置に使用する気液噴流発生装置の一例の構造を図示するものである。
【図３】本発明に使用する気液噴流発生装置の流体噴出開口の別の態様を図示するものである。
【付号の説明】
１ 気液接触装置
２ 液体収納容器
４ ポンプ
５ 液体取出口
６ 液体移送管
１０ 円筒状気液噴流発生装置
１２ 端板
１３ 端板
１４ 液体流入口
１５ 気体吸引管
１６ 混合流体噴出開口
１６ｂ 出口

Claims (5)

1. 液体流入口と、混合流体噴出開口と、気体吸引管とを具備した、液体旋回流により発生した負圧を利用して気液混合流体を噴出する円筒状気液噴流発生装置を、前記流体噴出開口より下部に液体取出口を具備する液体収納容器内に備え、かつ前記液体取出口と前記液体流入口とをポンプを介して接続する液体移送管を備えた気液接触装置において、該開口は、その流体移動方向中央の断面形状が、その出口側において少なくとも流体の流入側から流出側に向かって次第に拡大する連続する曲線となっている形状であり、かつ前記開口出口と前記液体取出口間の該開口面に直交する距離が前記円筒状気液噴流発生装置の内径の２．５倍以下であることを特徴とする気液接触装置。
2. 前記円筒状気液噴流発生装置が、両端部に端板を有する円筒状の旋回流発生容器と、その円筒状部の接線方向に設けた液体流入口と、一側端板の中央部に設けられ、他側端板に設けられた混合流体噴出開口に向かって延びる気体吸引管と、他側端板の中央部に設けられた混合流体噴出開口とを有するものである請求項１に記載の気液接触装置。
3. 前記流体噴出開口は、流体の移動方向における端板の中央部が最も狭く、端板の旋回流発生容器内部側及び外部側が広くなっており、かつ流体移動方向中央の断面形状が前記最狭部から前記内部側及び外部側に向かって次第に拡大する連続する曲線となっている請求項２に記載の気液接触装置。
4. 前記流体噴出開口は、端板における発生容器最内部が最も狭くて、最外部が最も広くなっており、かつ流体移動方向中央の断面形状が該最内部から該最外部に向かって次第に拡大する連続する曲線となっている請求項２に記載の気液接触装置。
5. 前記液体収納容器の内径が、円筒状気液噴流発生装置の内径の４倍以下である請求項１ないし４のいずれか１項に記載の気液接触装置。

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