JP2005161174A - 気体溶解方法及び気体溶解装置 - Google Patents

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Koichi Ishii
浩市 石井
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Yokogawa Electric Corp
横河電機株式会社
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Abstract

【課題】 気体と共に液体を筒体の下部側から噴射させるようにして、流速のエネルギーを泡の発生には使用せず、渦の発生にのみ使用するようにしたことで、渦の圧力(遠心力)によって、気体の溶解を促進させた気体溶解方法及び気体溶解装置を提供する。
【解決手段】 気体溶解装置は、液体を吸引吐出するポンプと、このポンプの吸引側及び/又は吐出側に溶解させる気体を注入する気体注入手段と、気体と攪拌された液体が流入され該気体の溶解を促進させる密閉溶解タンクと、この密閉溶解タンク内の液体を排出する排出配管とを備えた気体溶解装置であって、ポンプからの導通管を密閉溶解タンクの下部に、この密閉溶解タンク内で渦を巻くようにこの密閉溶解タンクの径の接線方向に配設したことである。
【選択図】 図1

Description

本発明は、気体溶解方法及び気体溶解装置に関し、詳しくは液体(水など)中に効率良く、かつ制御性良く、気体(酸素、オゾンなど)を混合、溶解させる気体溶解方法及び気体溶解装置に関するものである。
半導体プロセスではオゾンなどの気体を水などの液体中に溶解させ、機能水として使用している。又、排水処理施設や汚れた河川・湖沼等においては、予め空気や酸素等の気体を溶解した水を水中に放出することにより、水中の溶存酸素量を増大させて、微生物の活動を活発にして汚水の浄化を行う装置が知られている。
従来技術における気体溶解装置は、特開平9−168777号公報、特開平11−207162号公報に開示されており、それは、図6に示すように、溶存酸素濃度が低い水を吸い上げるポンプ112と、ポンプ112の吸引側或いは吐出側に設けた空気、酸素、オゾン等の気体を注入する気体注入部113aと、注入された気体と液体を攪拌させるラインミキサ114と、ラインミキサ114で攪拌された気体と液体を吐出するノズル115と、ノズル115からの攪拌された気体と液体を渦状態で受け入れる長尺な密閉溶解タンク116とからなり、導通管117には調節弁118aが設けられ、密閉溶解タンク116の底部には液体を排出するための排出管119が設けられ、この排出管119には調節弁118bが設けられている。又、密閉溶解タンク116には、直接空気、酸素、オゾン等を注入する気体注入部113bを備えた構成になっている。
このような構造をした気体溶解装置は、溶存酸素濃度の低い原水をポンプ112にて汲み上げる。この時、ポンプ112の吸引側又は吐出側から酸素を注入する。注入された酸素ガスは、ポンプ112の羽根車や配管、ラインミキサ114などにより攪拌・破砕され、小さな気泡となる。
この気泡を含んだ水を円筒形をした密閉溶解タンク116内に渦を巻くように密閉溶解タンク116上部からノズル115を介して噴出する。
密閉溶解タンク116内の水は激しく泡立ちながら渦を巻く。渦の圧力により、酸素の溶解が進むと共に気泡として残っている未溶解の酸素ガスは水より質量が軽いために渦の中心部に集まり、これにより気液の分離が行なわれる。密閉溶解タンク116の上部には気体溜まりができ、気泡を含まない高溶存酸素濃度の水が排出管119より吐出する。
密閉溶解タンク116内の液面は、酸素ガスの供給量を調節(ON/OFF)することにより、所定レベルに保たれる。
尚、ポンプ112の吸引側は通常負圧になっており、特に注入する仕掛けが無くとも酸素ガスを注入することができる。但し、過大なガス量を吸引させると、ポンプ112が泡噛み(キャビテーション)を起こしてしまい送液が不可能となる。小さなポンプ(せいぜい100L/min程度まで)を使用した場合でも送液量の5%以上のガスを吸引させることは難しい。又、大きなポンプでは、元々キャビテーションを起こし易いことから、吸引側に酸素ガスを注入することは行われない。
ポンプの吐出側に酸素を注入する場合は、ポンプの吐出圧より大きな圧力にて注入するか、又はエジェクタにより負圧にさせて吸引させる。
配管内の乱流だけでも酸素ガスは攪拌・破砕することはできるが、ラインミキサ114を設置すればより効率良く酸素を溶解することができる。但し、湖沼などの溶存酸素を向上させるために環境中の水を吸引し酸素を溶かす場合は、ラインミキサ114が詰まりの原因となることもあるので使用には注意が必要となる。
特開2002−346351号公報に開示されている気体溶解装置は、図7に示すように、図6に示すものとほぼ同じ構成になっており、溶存酸素濃度が低い水を吸い上げるポンプ112と、ポンプ112の吸引側に、空気、酸素、オゾン等の気体を調節弁118eを介して注入する気体注入部113bと、気体注入部113bから調節弁118cを介して注入された気体と液体を攪拌させるラインミキサ114と、ラインミキサ114で攪拌された気体と液体を吐出するノズル115と、ノズル115からの攪拌された気体と液体を渦状態で受け入れる長尺な密閉溶解タンク116とからなり、導通管117には調節弁118aが設けられ、密閉溶解タンク116の底部には液体を排出するための排出管119が設けられ、この排出管119には調節弁118bが設けられている。
そして、密閉溶解タンク116内にはノズル115からの液体が衝突する邪魔板120を備えた構成になっており、密閉溶解タンク116上部には大気を放出する流量制限機構である調節弁118dを備えた大気排出管121を備えた構成になっている。
このような構成からなる気体溶解装置は、密閉溶解タンク116内の水面下に配置された邪魔板120に向かって、ノズル115から水を噴出させることにより、邪魔板120への衝突圧力を利用すると共に激しく泡立てることにより酸素を溶解する。
特開平9−168777号公報 特開平11−207162号公報 特開2002−346351号公報
ここで、従来技術で説明した気体溶解装置は、ノズルから放出された水流が水面に衝突する時の圧力エネルギーと、液面での泡立ちを良くすることで気液接触表面積が大きくなり、効率良く酸素を溶解している。
しかしながら、これらの方式は、水流が水面へ衝突する時の速度を大きくするためにノズルにより吐出径を絞っている為、圧力損失が発生し、エネルギー効率を低下させているという問題がある。
本発明は、水などの液体中に、酸素、オゾン等の気体を効率よく溶解させる装置を提供すると共に、溶解の為に必要とされるポンプの吐出圧力を下げ、エネルギー効率を上昇させると共に、供給ガスの再利用を図ることのできる装置を実現することを目的としたものである。
このような目的を達成するために、本発明の気体溶解方法及び気体溶解装置は、次に示す構成を有するものである。
(1)気体溶解方法は、ポンプにより汲み上げた液体に気体を注入するとともに、該気体を注入した液体を円筒形状の密閉溶解タンクの下部側からタンク内に渦を巻くように流入させ、発生する渦を利用して気体の溶解を促進するようにしたことを特徴とする。
(2)前記気体を溶解した液体を前記密閉溶解タンクの上部から排出することを特徴とする(1)に記載の気体溶解方法。
(3)前記密閉溶解タンクの上部に溜まる未溶解気体を前記液体に注入される気体に還流することを特徴とする(1)または(2)に記載の気体溶解方法。
(4)気体溶解装置は、液体を吸引および吐出するポンプと、該ポンプの吸引側及び/又は吐出側において前記液体に溶解させるべき気体を注入する気体注入手段と、前記気体の前記液体への溶解を促進する円筒形状の密閉溶解タンクと、前記ポンプより吐出された液体を前記密閉溶解タンクに流入させる導通管と、前記密閉溶解タンク内の液体を排出する排出配管とを備えた気体溶解装置であって、前記導通管を前記密閉溶解タンクの下部にしかも流入する液体がこのタンク内で渦を巻くように配設したことを特徴とする。
(5)前記密閉溶解タンクの上部側に前記排出配管を配設したことを特徴とする(4)に記載の気体溶解装置。
(6)前記密閉溶解タンクの上部にこのタンク内に溜まった未溶解気体を前記気体注入手段に還流させる気体還流手段を設けたことを特徴とする(4)または(5)に記載の気体溶解装置。
(7)前記密閉溶解タンクの上部にこのタンク内に溜まった未溶解気体を調節弁を備えた流量制限機構を介して大気中に放出する気体放出手段を設けたことを特徴とする(4)乃至(6)のいずれかに記載の気体溶解装置。
(8)気体溶解装置は、液体を吸引および吐出するポンプと、該ポンプの吸引側及び/又は吐出側において前記液体に溶解させるべき気体を注入する気体注入手段と、前記気体の前記液体への溶解を促進する円筒形状の密閉溶解タンクと、前記ポンプより吐出された液体を前記密閉溶解タンクに流入させる導通管と、前記密閉溶解タンク内の液体を排出する排出配管とを備えた気体溶解装置であって、前記密閉溶解タンクを上部で連通した2重円筒形状のタンクとするとともに、前記導通管を前記密閉溶解タンクにおける内側円筒の下部にしかも流入する液体がこのタンク内で渦を巻くように配設したことを特徴とする。
(9)前記密閉溶解タンクにおける外側円筒の下部側に前記排出配管を配設したことを特徴とする(8)に記載の気体溶解装置。
(10)前記密閉溶解タンクの上部にこのタンク内に溜まった未溶解気体を前記気体注入手段に還流させる気体還流手段を設けたことを特徴とする(8)または(9)に記載の気体溶解装置。
(11)前記密閉溶解タンクの上部にこのタンク内に溜まった未溶解気体を調節弁を備えた流量制限機構を介して大気中に放出する気体放出手段を設けたことを特徴とする(8)乃至(10)のいずれかに記載の気体溶解装置。
流速のエネルギーを泡の発生には使用せず、渦の発生にのみ使用することにより、渦の圧力(遠心力)によって、高いエネルギー効率で気体の溶解を促進することが可能になる。
又、未溶解のガスを気体注入箇所に還流させることにより、気体の有効利用を進めることができ、更に、酸素濃度が低下した気体溜まりの気体を溶解タンク外に放出することにより、溶解タンクから吐出される液体の溶存酸素濃度の低下を防止できる。
以下、本発明に係る気体溶解装置の様々な実施形態について、図面を参照して、以下説明する。
本願発明に係る第1の実施形態の気体溶解装置は、図1に示すように、溶存酸素濃度が低い液体である水を吸い上げるポンプ12と、ポンプ12の吸引側に設け、空気、酸素、オゾン等の気体を注入する気体注入部13と、ポンプ12からの攪拌された気体と液体を受け入れる長尺な密閉溶解タンク16とからなり、密閉溶解タンク16の下部側にポンプ12からの液体を供給する吐出配管である注入管15を備えた構成になっている。
ポンプ12に連結された導通管17は調節弁18dを介在させている。
注入管15は、密閉溶解タンク16の径の接線方向に沿った位置に配設されており、これによりポンプ12から吐出された液体が密閉溶解タンク16内で渦を巻きながら上方向に巻き上がる。
又、密閉溶解タンク16の上部には、液体を排出するための排出配管である排出管25を備え、この排出管25には調節弁18eが設けられて、排出する液体の量を制御できる構成になっている。更に密閉溶解タンク16の気体が溜まる上部位置に未溶解の気体を還流させる気体排出管21を備え、途中から大気に開放する大気開放管22、及び還流させる気体還流管23を備えた構成になっている。これら大気開放管22は調節弁18aを、気体還流管23は調節弁18bをそれぞれ介在させており、これらの調節弁18a、18bを制御することで、大気に開放するか又は還流させる気体の量を制御できる構成になっている。
気体注入部13は、調節弁18cを介在させて、ポンプ12に気体を送り込む構成になっており、この調節弁18cを調整することで、送り込む気体の量を制御し、所謂、泡噛み(キャビテーション)が起きないように制御する。
このような構成からなる気体溶解装置において、先ず、ポンプ12で導通管17を介して液体を吸引すると同時に、気体注入部13からポンプ12の吸引側に気体である酸素を注入する。また、この水は吐出配管である注入管15を介して円筒形の密閉された密閉溶解タンク16内に渦を巻くように、その下部から噴出される。ここで、図2に示すように、水を円筒の中心軸からずらして接線方向成分を持たせて噴出すれば、タンク内で渦を巻くことになる。
密閉溶解タンク16内では、渦の圧力を利用して、酸素の溶解を進めるので、渦を巻く速度は速い必要がある。従って、ポンプ12から吐出される水の流速から比べて密閉溶解タンク16の径は小さい必要があるため、細長い形状となる。
密閉溶解タンク16内では渦を巻いているため、気泡として残っている未溶解の酸素ガスは水より重さが軽いことから渦の中心部に集まり、未溶解ガスの分離が行われる。尚、図1に示すように、密閉溶解タンク16の上部には未溶解ガスの気体溜まり24ができる。また、密閉溶解タンク16内では上部へ行くほど気体の溶解が進むので、上部に設けられた排出管25からは、溶解の進んだ水(気体溶解水)が排出される。
未溶解ガスは徐々に増えるので、密閉された密閉溶解タンク16内においては、その水面レベルは低下する。水面レベルが低下し続け、排出管25の位置まで達すると未溶解ガスも水と一緒に放出されてしまうので、気体環流管23を介して、気体溜まり24の未溶解ガスをポンプ12の吸引側に還流させたり、大気開放管22を介して、気体溜まり24の未溶解ガスを大気に放出し、水面レベルを一定以上に制御する。
密閉溶解タンク16上部の気体溜まり24の酸素ガスを再度気体注入部13側に還流させることにより、酸素ガスの利用効率を高めることができる。
水の中には、通常、酸素の他に窒素や炭酸ガス等が溶け込んでいる。そこに、酸素ガスを溶け込ませると、今まで水に溶けていたこれらのガスが、気相への再放出を生じる。
又、使用する酸素ガスには、純酸素ガスを使用する場合もあるが、空気から酸素を濃縮するPSA(Pressure Swing Adsorption)方式や膜方式を使用することが多い。
PSA方式は酸素濃度が90〜95%程度、膜方式は30%程度の酸素富化ガスが得られる。
残りは、窒素やアルゴンが主な成分となる。これらのガスに比べて、酸素のほうが溶けやすいことから、未溶解のガスの酸素濃度は徐々に低下してくる。
従って、気体溜まり24のガスを、密閉溶解タンク16外に放出して、気体溜まり24の酸素濃度低下を防止する必要がある。これには、気体溜まり24の酸素濃度がある濃度以下になったら排出する方式、時間を決めて定期的に排出する方式、ある水位以下に密閉溶解タンク16内の水位レベルが下がったら排出する方式がある。
次に、本願発明に係る第2の実施形態の気体溶解装置について、図面を参照して説明する。
本願発明に係る第2の実施形態の気体溶解装置は、図3に示すように、液体への気体の注入をポンプ12の吐出側でも行うようにしたものである。図において、前記図1と同様のものは同一符号を付して示す。ポンプ12の吐出側にはラインミキサ14が設けられ、ラインミキサ14には第2の気体注入部13bから気体が供給される。第2の気体注入部13bは、調節弁18fを介在させており、この調節弁18fを調整することで、ラインミキサ14に送り込む気体の量を制御する。
また、気体還流管23は、ポンプ12の吸引側に還流させる第1の還流管26aと、ラインミキサ14に還流させる第2の還流管26bとに分岐され、第1の還流管26aは調節弁18bを介してポンプ12に気体を還流させ、第2の還流管26bは調節弁18gを介してラインミキサ14に気体を還流させる。
このような構成からなる気体溶解装置においては、ポンプ12の吸引側で気体(酸素)をキャビテーション(泡噛み)させない程度で注入させるとともに、ポンプ12の吐出側でも気体を注入し、ラインミキサ14で乱流とすることにより、密閉溶解タンク16に供給する以前に液体(水)に気体を効率よく混合させることができる。
次に、本願発明に係る第3の実施形態の気体溶解装置について、図面を参照して説明する。
本発明に係る第3の実施形態の気体溶解装置は、密閉溶解タンクを二重管にして、第1の実施形態でのタンクの上部で発生するすり鉢状の液面が乱されないようにして渦の効果を十分に発揮させる構造にしたものである。
その構成を、図4に示す。図において、前記図1および図3と同様のものは同一符号を付して示す。
密閉溶解タンク16Aは、中央に設けた円筒形状の内側有底筒体26と、この内側有底筒体26の外側に所定の間隔を持って配置した外側有底筒体27とからなる二重管で形成され、内側有底筒体26から溢れた液体を外側有底筒体27で受け入れるようにしたタンクである。
密閉溶解タンク16Aにおける内側有底筒体26の下部側には、ポンプ12からの吐出配管である注入管15aが配設され、外側有底筒体27の下部側には、液体を排出するための排出配管である排出管25aが配設されている。また、密閉溶解タンク16Aの液体が溜まる上部位置には、未溶解の気体を還流させる気体排出管21が配設されている。
このような構成からなる気体溶解装置においては、ポンプ12から吐出された水は注入管15aを介して、密閉溶解タンク16Aの内側有底筒体26内に噴出され、渦を巻きながら上部方向に移動する。また、内側有底筒体26から溢れた水は外側有底筒体27に流れ込み、外側有底筒体27の下部位置に設けられた排出管25aを通して、気体溶解水として外部に排出される。
ここで、密閉溶解タンク16Aの内側有底筒体26内では、渦の圧力を利用して、酸素の溶解を進めるので、渦を巻く速度は速い必要がある。従って、ポンプ12から吐出される水の流速から比べて内側有底筒体26の径は小さい必要があるため、細長い形状となる。
内側有底筒体26内では渦を巻いているため、気泡として残っている未溶解の酸素ガスは水より重さが軽いことから渦の中心部に集まり、未溶解ガスの分離が行われる。尚、図4に示すように、密閉溶解タンク16Aの上部には未溶解ガスの気体溜まり24ができる。
このように、密閉溶解タンク16Aを二重管とし、内側有底筒体26の下部から水を噴出させ、外側有底筒体27の下部から気体溶解水を排出するように構成すると、水の流路を延長し、気体の溶解をさらに促進させることができるとともに、気体溜まり24の液面位置に関係なく、安定した排出量の気体溶解水を得ることができる。
なお、未溶解ガスの増加により気体溜まり24の液面が低下しても、内側有底筒体26内の液面は変化しないので、気体溜まり24における液面の調整は、外側有底筒体27における液面を監視することにより行われる。
また、内側有底筒体26内の液面が変化しないので、内側有底筒体26内で発生する渦を利用して、安定に気体の溶解を行うことができる。
次に、本願発明に係る第4の実施形態の気体溶解装置について、図面を参照して説明する。
本発明に係る第4の実施形態の気体溶解装置は、図5に示すように、液体への気体の注入をポンプ12の吸引側でも行うようにしたものである。図において、前記図3および図4と同様のものは同一符号を付して示す。ポンプ12の吸引側および吐出側には第1の気体注入部13aおよび第2の気体注入部13bから気体が供給される。また、気体還流管23は、ポンプ12の吸引側に還流させる第1の還流管26aと、ラインミキサ14に還流させる第2の還流管26bとに分岐され、第1の還流管26aは調節弁18bを介してポンプ12に気体を還流させ、第2の還流管26bは調節弁18gを介してラインミキサ14に気体を還流させる。
このような構成からなる気体溶解装置においては、ポンプ12の吸引側で気体(酸素)をキャビテーション(泡噛み)させない程度で注入させるとともに、ポンプ12の吐出側でも気体を注入し、ラインミキサ14で乱流とすることにより、密閉溶解タンク16に供給する以前に液体(水)に気体を効率よく混合させることができる。
気体と共に液体を筒体の下部側から噴射させるようにして、流速のエネルギーを泡の発生には使用せず、渦の発生にのみ使用するようにしたことで、渦の圧力(遠心力)によって、高いエネルギー効率で気体の溶解を促進することが可能になる。
又、未溶解のガスを気体注入箇所に還流させることにより、気体の有効利用を進めることができ、更に、酸素濃度が低下した気体溜まりの気体を溶解タンク外に放出することにより、溶解タンクから吐出される液体の溶存酸素濃度の低下を防止できる。
本願発明に係る第1の実施形態の気体溶解装置の構造を示した説明図である。 同、密閉溶解タンクを上部からみた説明図である。 本願発明に係る第2の実施形態の気体溶解装置の構造を示した説明図である。 本願発明に係る第3の実施形態の気体溶解装置の構造を示した説明図である。 本願発明に係る第4の実施形態の気体溶解装置の構造を示す説明図である。 従来技術における気体溶解装置の構造を示す説明図である。 従来技術における気体溶解装置の構造を示す説明図である。
符号の説明
12 ポンプ
13 気体流入部
13a 第1の気体流入部
13b 第2の気体流入部
14 ラインミキサ
15 注入管
15a 注入管
15b 注入管
16 密閉溶解タンク
16A 密閉溶解タンク
16B 密閉溶解タンク
17 導通管
18a 調節弁
18b 調節弁
18c 調節弁
18d 調節弁
18e 調節弁
18f 調節弁
18g 調節弁
21 排出管
22 大気開放管
23 気体還流管
24 気体溜まり
25 排出管
25a 排出管
25b 排出管

Claims (11)

  1. ポンプにより汲み上げた液体に気体を注入するとともに、該気体を注入した液体を円筒形状の密閉溶解タンクの下部側からタンク内に渦を巻くように流入させ、発生する渦を利用して気体の溶解を促進することを特徴とする気体溶解方法。
  2. 前記気体を溶解した液体を前記密閉溶解タンクの上部から排出することを特徴とする請求項1に記載の気体溶解方法。
  3. 前記密閉溶解タンクの上部に溜まる未溶解気体を前記液体に注入される気体に還流することを特徴とする請求項1または2に記載の気体溶解方法。
  4. 液体を吸引および吐出するポンプと、該ポンプの吸引側及び/又は吐出側において前記液体に溶解させるべき気体を注入する気体注入手段と、前記気体の前記液体への溶解を促進する円筒形状の密閉溶解タンクと、前記ポンプより吐出された液体を前記密閉溶解タンクに流入させる導通管と、前記密閉溶解タンク内の液体を排出する排出配管とを備えた気体溶解装置であって、前記導通管を前記密閉溶解タンクの下部にしかも流入する液体がこのタンク内で渦を巻くように配設したことを特徴とする気体溶解装置。
  5. 前記密閉溶解タンクの上部側に前記排出配管を配設したことを特徴とする請求項4に記載の気体溶解装置。
  6. 前記密閉溶解タンクの上部にこのタンク内に溜まった未溶解気体を前記気体注入手段に還流させる気体還流手段を設けたことを特徴とする請求項4または5に記載の気体溶解装置。
  7. 前記密閉溶解タンクの上部にこのタンク内に溜まった未溶解気体を調節弁を備えた流量制限機構を介して大気中に放出する気体放出手段を設けたことを特徴とする請求項4乃至6のいずれかに記載の気体溶解装置。
  8. 液体を吸引および吐出するポンプと、該ポンプの吸引側及び/又は吐出側において前記液体に溶解させるべき気体を注入する気体注入手段と、前記気体の前記液体への溶解を促進する円筒形状の密閉溶解タンクと、前記ポンプより吐出された液体を前記密閉溶解タンクに流入させる導通管と、前記密閉溶解タンク内の液体を排出する排出配管とを備えた気体溶解装置であって、前記密閉溶解タンクを上部で連通した2重円筒形状のタンクとするとともに、前記導通管を前記密閉溶解タンクにおける内側円筒の下部にしかも流入する液体がこのタンク内で渦を巻くように配設したことを特徴とする気体溶解装置。
  9. 前記密閉溶解タンクにおける外側円筒の下部側に前記排出配管を配設したことを特徴とする請求項8に記載の気体溶解装置。
  10. 前記密閉溶解タンクの上部にこのタンク内に溜まった未溶解気体を前記気体注入手段に還流させる気体還流手段を設けたことを特徴とする請求項8または9に記載の気体溶解装置。
  11. 前記密閉溶解タンクの上部にこのタンク内に溜まった未溶解気体を調節弁を備えた流量制限機構を介して大気中に放出する気体放出手段を設けたことを特徴とする請求項8乃至10のいずれかに記載の気体溶解装置。
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