JP2005530604A - 浮上槽に導入する液体の圧力飽和装置および圧力解放装置 - Google Patents
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Abstract
本発明は、圧力によってガスで液体を飽和させる装置に関し、この装置は、加圧ガスで満たされている飽和容器(1)、当該飽和容器(1)の頂部において飽和容器(1)の中に液体を注入する1個またはそれより多くのノズル(8)、飽和容器(1)において1個またはそれより多くのノズル(8)の下に配置される管(溶解管)(4)(頂部で開き底部で閉じている)、1個またはそれより多くのノズル(8)に付随するすべての溶解管(4)、および、飽和容器(1)の底部にあり溶解管(4)の下流の液体排出口(16)を含む。本発明は、加圧下でガスを注入することにより当該ガスで液体を飽和させる装置であって、浮上槽の中に(圧力)緩和の後の当該液体を導入するために、当該ガスの(圧力)緩和装置と組み合わせた装置にも関する。
Description
本発明は、ガスによる液体の圧力飽和装置および浮上槽(フローテーションセル)に減圧液体を導入するための圧力解放装置と組み合わせたそのような装置に関する。
浮上装置は水性懸濁液から固体を取り除くのに有用である。この場合、気泡が懸濁液に導入され、この泡が固体に付着して液体表面に浮かぶ。次いで、これらの粒子をスキマーによって表面から取り除くことができる。微細な気泡を発生させるための既知の方法は、3−10バールの圧力の下、水のストリームを空気で飽和させることである。次いで、この圧力飽和水を精製すべき水にバルブを経由して添加する。この過程の間に、浮上装置において飽和圧力から周囲圧と加えられた静水圧とを加えた圧力までの自発的な圧力降下がバルブをわたって起こり、その結果として、ガスの溶解度が急に減少する。次いで、微細な気泡の生成により過剰のガスを分離する。
現在利用可能な圧力飽和および圧力解放のシステムは以下の不利点を示す。
− 発泡が影響されやすいこと
− 飽和の空時収率が低いこと
− 高度な設備が要求されること、従って構成費用が高いこと
− 発泡が影響されやすいこと
− 飽和の空時収率が低いこと
− 高度な設備が要求されること、従って構成費用が高いこと
本発明の課題は、従来技術のシステムの不利点を有さない圧力飽和装置および圧力解放装置を提供することである。
本発明の課題は、
− 圧力飽和容器
− 圧力飽和容器の頂部において圧力飽和容器に液体を注入する1個またはそれより多くのノズル
− 圧力飽和容器において1個または複数のノズルの下に配置され、頂部で開き、底部で閉じている管(溶解管)(各溶解管には1個またはそれより多くのノズルが割り当てられている)
− 圧力飽和容器の底部で溶解管の下方にある液体出口
を含む圧力飽和装置によって達成される。
− 圧力飽和容器
− 圧力飽和容器の頂部において圧力飽和容器に液体を注入する1個またはそれより多くのノズル
− 圧力飽和容器において1個または複数のノズルの下に配置され、頂部で開き、底部で閉じている管(溶解管)(各溶解管には1個またはそれより多くのノズルが割り当てられている)
− 圧力飽和容器の底部で溶解管の下方にある液体出口
を含む圧力飽和装置によって達成される。
1個またはそれより多くのノズル、好ましくは常套のスムーズ・ジェットノズルを経由して、ガス、好ましくは空気で飽和すべき液体を圧力飽和容器の頂部に導入する。これらのノズルは、圧力飽和容器の蓋にねじ留めされていてよい。ノズルにおける圧力低下は、稼働状態下で1バール未満、好ましくは0.5バール未満である必要がある。
ノズルの直径は最も狭いフロー断面において4mmよりも広いギャップ幅を有し、微細粒子に起因する閉塞を排除できる。加えて、上流の逆流洗浄可能スクリーンフィルターによってノズルを保護することができる。
供給される液体、好ましくは水のストリームを、あらかじめ個々の供給管に細分することができる。個々のノズルを通る液体流を、上流または下流の遮断要素によって、例えば一連の遮断バルブによって、各ノズルについて別々にその都度コントロールすることができる。このようにして、圧力飽和容器に供給される液体の流量を要求に従って設定することができる。
3m/secよりも大きい、好ましくは6m/secよりも大きい速度で液体を注入する。飽和すべき液体が達成すべき圧力飽和度に応じて注入速度を選択する。水の場合、90%より高い飽和度を得るためには注入速度が8m/secよりも大きく、95%より高い飽和度については10m/secよりも大きい必要がある。
圧力飽和容器において、各ノズルの液体は、初めにノズルと溶解管との間の中間領域にあるガスクッションを自由噴流(フリー・ジェット)の形で通過し、次いで溶解管に入る。各溶解管とそれに割り当てられるノズルとの間の距離は100−400mmの範囲、好ましくは150−250mmの範囲である。溶解管の中で液体は渦巻き、短時間の後に再び頂部において溶解管から出て行く。各ノズルから連続して液体が流入する結果、それぞれ割り当てられた溶解管は常に液体で満たされる。液体の自由噴流がガスクッションを通った結果、ガスの分子は同伴され気泡の形で溶解管の内部に導入される。溶解管における乱れおよび高い剪断力の結果、ガスと液体との間で激しい接触が起こり、その結果として液体がガスで飽和される。上昇する気泡は頂部から溶解管に流れ込む液体により繰り返し再分割され、溶解管の下部領域に運ばれる。
好ましくは各溶解管に1個のノズルを割り当てるが、複数のノズル、例えば4個のノズルを1個の溶解管に割り当てることもできる。
液体の溶解管における滞留時間は、第一に注入速度に依存し、そして第二に、割り当てられるノズルの液体出口における直径に対する溶解管の直径の比に依存する。
ここで、以下のことが当て嵌まる:割り当てられるノズルの直径に対する溶解管の直径の比が大きいほど、滞留時間が長くなる。割り当てられるノズルの直径に対する溶解管の直径の比を一定にして注入速度を上げると滞留時間が短くなる。好ましくは、割り当てられるノズルが1個の場合、そのノズルの直径に対する溶解管の直径の比は3〜8の範囲、好ましくは3〜5の範囲で、特に好ましくは4である。それゆえ、液体出口における直径が10mmのノズルを用いるとき、直径40mmの溶解管を用いるのが有利である。
1本の溶解管に4個のノズルを割り当てる場合、割り当てられたノズルのうちの1個の直径に対する溶解管の直径の比は6〜16の範囲、好ましくは3〜10の範囲、特に好ましくは8である。なぜなら、溶解管の直径が2倍であることはノズルを通る処理量が4倍であることを意味するからである。溶解管に割り当てられるノズルの数が他の数である場合には比を正しく適応させなければならない。
これらの条件下では、溶解管における液体の滞留時間は10秒未満、好ましくは5秒未満、特に好ましくは2.5秒未満である。
液体は溶解管からオーバーフローして容器の下方の領域に集まるか又は溜まり、そこでは、液体は容器底部にあって溶解管の下方にある液体出口を通って出て行くことができる。ガス飽和容器底部にある液体出口は、特に、ガス飽和容器からの液体の流出速度が50〜150m/hの範囲、好ましくは70〜90m/hの範囲となるような寸法にする。
容器に溜まった液体は泡フィルターの機能を有する。比較的大きな泡(d>100μm)は液体出口に一緒に入ることができない。それは、液体が下方へ動くよりも速く上昇するからである。ガスの供給をコントロールすることによりガス飽和容器内の液面の高さをコントロールする。
容器内の液面の高さ(レベル)を液面計によってコントロールすることができる。好ましくは、この目的のために、ガス飽和容器の外側に容器内部と連通している立て管(または鉛直管)をつなぐ。管内のフロートは高さを示す。好ましくは、フロートは磁気的に検出され得、最大値・最小値回路(オン・オフ回路)を作動させる。最小の場合にはガスの供給を自動的に停止する。最大の場合にはガスの供給を始める。容器内の最大圧力をガス供給ラインにあるガバナバルブ(またはレギュレータ)によって設定することができる。
最大値・最小値回路と組み合わせた液面計を用いて、圧力飽和容器における液面高さをコントロールするだけでなく、圧力飽和容器にガスを適切に供給することも確実にする。このように、溶解プロセスによって消費される量に等しい量のガスを液体に自動的に供給する。
発明課題の解法は、さらに、浮上槽に導入する液体の圧力飽和装置および圧力解放装置を含み、
− 浮上槽、
− 液体ラインを経由する液体供給が浮上槽の液体出口につながれた圧力飽和容器、
− 圧力飽和容器の液体出口と浮上槽への液体供給ラインとの間の液体ラインに配置された1個またはそれより多くの圧力解放バルブ、
を含んで成る。
− 浮上槽、
− 液体ラインを経由する液体供給が浮上槽の液体出口につながれた圧力飽和容器、
− 圧力飽和容器の液体出口と浮上槽への液体供給ラインとの間の液体ラインに配置された1個またはそれより多くの圧力解放バルブ、
を含んで成る。
浮上槽それ自体は既知であり、バッフルプレート、内部のポットおよび液体表面の外側部分での吸引により循環的にスキミングする装置を含む。液体の流入(例えば、汚水の流入)および精製された液体の流出(例えば清浄水の流出)をコントロールすることにより、浮上槽における浮遊物の除去率をコントロールする。
圧力飽和容器は圧力飽和に関する上述の本発明の装置のうちの1つであってよい。
各圧力解放バルブからの液体の流量を、上流または下流の遮断要素、例えばボールバルブによってコントロールすることができる。このようにして、異なるガス導入速度で浮上槽を操作することができる。
中間の遮断バルブを圧力飽和容器の液体出口と圧力解放バルブとの間に配置することができる。
圧力解放バルブは、1個またはそれより多くのノズルをねじ留めした穴のあいたプレートから成り得る。穴のあいたプレートをオリフィスプレートと同様の方法でフランジに取り付ける。圧力解放バルブに用いられるノズルは、市販の常套の簡単なラバール(Laval)ノズルのフロー輪郭を有してよい。
別法として、圧力解放バルブは、適当なフロー輪郭を有するスロットノズルまたは穴タイプノズルがミリング(ミルで削って加工)されたプレートから成り得る。
圧力解放バルブにおけるノズル径は、径の最も狭いフロー断面において4mmよりも広いギャップ幅を好ましくは有し、その結果として、微細粒子に起因する閉塞を排除できる。加えて、上流の逆流洗浄可能スクリーンフィルターによってノズルを保護することができる。
圧力解放バルブと浮上槽への供給ラインとの間に液体ライン部分が位置するのが好ましく、浮上槽のフィードに添加される前に、減圧された液体が10〜100cmの範囲、好ましくは10〜30cmの範囲のパス長を流れる。このことは、余分なガスを液体から完全に排除するため、および、30〜70μmの気泡径を有する細かく泡立った泡スペクトルを得るために有利である。
本発明の圧力飽和装置においては発泡をできる限り防ぐことが有利である。浮遊している泡は、ガス空間を横切る、ノズルからの液体ジェットにより破壊される。
溶解管における短い滞留時間(10秒未満)で、90%よりも高い圧力飽和状態に達することができるので、本発明の圧力飽和装置においては特に高い空時収率で飽和状態を成し遂げる。
圧力飽和および圧力解放に用いる本発明の装置は、非常に簡単な構成要素から作られ、従って発明装置を非常に安価で組み立てることができる。
圧力飽和および圧力解放に用いる本発明の装置について、個々のノズル要素の開閉により、液体処理量、従ってガスの導入を融通性のある方法でコントロールできることもまた有利である。
図1は、浮上槽10を有する圧力飽和/圧力解放を組み合わせたシステムの構成を示す。飽和に関して、浮上槽10のアウトフロー11からの清浄水を圧力飽和容器1に通す。容器の蓋2にねじ留めされている1個またはそれより多くの常套のスムーズ・ジェットノズル8を経由して、圧力飽和容器1の頂部において流量をコントロールする方法で導入を実施する。供給された水のストリームを、一連の遮断バルブ13によって個々に開閉することができる個々の供給管12の間であらかじめ細分する。
圧力飽和容器1において、液体は最初に自由噴流14の形でガスクッション3を通り抜け、次いで溶解管4の中に入る。液体はそこで渦巻き、少し後で頂部において再び出て行く。水は溶解管4からオーバーフローして容器1の下の領域5に集まるか、または溜まる。液体は容器1の底部の液体出口16を通って出て行く。
容器1における水位17を液面計によってコントロールする。好ましくは、この目的のために、容器の内部と連通する立て管6を容器1の外側につなぐ。管内の磁気による検知が可能なフロート18は液面17の位置を示し、ガスバルブ20とつながっている最大値・最小値回路19を作動させる。最小の場合にはガスの供給を自動的に止める。最大の場合にはガスの供給が開かれる。容器における最大圧力をガス供給ライン内のガバナバルブ21によって設定してよい。
水は、中間の遮断バルブ22を経由して、1個またはそれより多くの圧力解放バルブ7を通り、その後の液体ライン部分29を経由して、浮上槽10の供給ライン23に流れ込む。個々の圧力解放バルブ7を、下流のボールバルブ24により開閉することができる。
図2aは、対応するフロー輪郭を有する穴タイプノズルまたはスロットノズル220がミリングされたプレート210からなる圧力解放バルブ200を示す。穴のあいたプレート210をオリフィスプレートと同様にフランジ230に取り付ける。
図2bは、1個またはそれより多くの常套のノズル260をねじ留めした穴のあいたプレート250から成る圧力解放バルブ240を示す。
実験で用いた圧力飽和槽30は透明プラスチックから作製した、図3に対応する容器31であった。この容器は1000mmの長さで直立し、内径が190mmの管状反応器であった。反応器内では、長さが500mmで底が閉じている溶解管32が4個の鋼棒に固定されて同心状に吊されており、溶解管の上端と圧力飽和槽の蓋との間の距離は150mmであった。従って、溶解管32の内側に入るまで150mmの距離は、容器31の中に入る液体の自由噴流でなければならない。この場合、自由噴流は、図4に示す輪郭を有するスムーズ・ジェットノズル33を経由して発生した。ノズル33の出口におけるフロー断面は円形であり、直径が8mmであった。容器31内の(液面)高さ34を溶解管32の上端より下方150mmにコントロールした。
圧力飽和槽30の頂部において圧縮空気の供給を行った。このとき、供給ラインからの圧力を常套のガバナバルブによって3バールまで下げた。また、ガバナバルブと反応器との間にさらにつながれた電磁弁が存在し、この電磁弁は(液面)高さが最高に達した場合には開き、最低の場合には閉じた。結果として、容器内の圧力は3バールで実質的に一定であった。
水は図5で示す膨張ノズル50を経由して容器31から脱ガス容器に流れ込んだ。脱ガス容器から流れるガスの流量をガスメーターにより測定した。
膨張ノズル50は、最も狭い点において、直径4.7mmの円形のフロー断面を有した。最も広い点においては直径が28mmであった。
実験装置を1.5m3/hの液体処理量で操作した。この場合に達成される水の飽和度は95%であった。スムーズ・ジェットノズルによる圧力降下は0.4〜0.5バールであった。
この場合において、圧力解放容器に導入されたガスが液体に溶解することなく膨張ノズル50を通過した気泡であるということを排除できた。
容器31の透明な外管により、容器内で下向きに流れている液体が底部領域で澄んでいる、従って気泡がない状態であることをはっきりと見ることができた。従って、圧力解放容器に導入されたガスは、あらかじめ溶解状態でのみ存在し、次いで膨張により再び解放されたガスのみであった。
飽和度を計算するために、所定の温度および圧力において熱力学的平衡にある水での空気の達成し得る最大溶解度を基準に用いた。飽和度は実験において達成された溶解度(パーセント)である。
このとき、飽和槽の中に入る水は大気圧において空気であらかじめ飽和されていることに留意しなければならない。
フローが閉じた脱ガス容器に入らずに、約1m3の液体を保持する丸い透明な浮上槽10に入ることを除いては、実施例1と同様の方法で実験を行った。この場合において、図1に示すのと同様に、膨張ノズル7を経て減圧された水を、直立している供給管23の中へ水平の液体ライン部分29を経由して加えた。
得られた気泡のスペクトルを評価するために、浮上槽において液体の表面の下に形成されているバブル・カーペットの空間構造、カーペットの白色度および比較的大きな気泡の急上昇に起因する表面乱れを用いた。
上述の実験条件のもと全ての態様において、外観は、良好な浮上結果に不可欠であると経験的に示されている基準に相当した。明示された典型的な気泡パターンは直径30μm〜80μmの気泡寸法分布であることを示した。
尚、良好な気泡スペクトルを得るために、膨張ノズル7の終端と供給管23の中央との間に有利には200mmの距離が存在しなければならなかった。
圧力飽和槽において、異なる出口穴(またはオリフィス)および異なる供給速度を有するノズルを取り付けたことを除いては、実施例1と同様の装置を用いた。
結果として、ノズルヘッドにおいて自由噴流の種々の出口速度が生じた。ノズルヘッドにおける出口速度は、反応器内で達成される飽和度に影響を及ぼすということを見出した(図6)。
出口速度は1秒につき6〜11mの範囲で変更した。このとき、得られる飽和度は0.8〜0.95に増加した(図6)。実施例1に記載のように、脱ガスの間に測定されたガス流量により飽和度を決定した。
実施例3に相当する実験を繰り返した。実験に用いる用水に100ppmのエタノールを添加した。エタノールの添加は水中の気泡の合体を抑制する。結果として生じる非常に微細な気泡は、合体状態下に比べて全体として大きな表面積を有する。
ノズルヘッドでの流速が9〜10m/sのとき、0.97〜0.98の飽和度が得られることを見出した。
実施例4と同様の方法で、実験に用いる用水に100ppmのメルソラート(Mersolat)を発泡剤として添加した。ガス飽和容器における気泡層の成長が大幅に抑制された。インジェクター(または注入器)の原理により操作する圧力飽和槽においては、これらの条件下では過度に泡立つことが当業者には知られている。
実施例2と同様の方法で、透明な浮上槽10で減圧実験を行った。このとき、膨張バルブ7と浮上槽の供給管23との間の液体配管部分29の管長を変更した。最適な気泡パターンは、膨張バルブ7の出口と供給管23の中央との間が200mmの距離のときに初めて得られた。
Claims (31)
- ガスを用いた液体の圧力飽和装置であって、
− ガスで満たされる圧力飽和容器(1)、
− 圧力飽和容器(1)の頂部において圧力飽和容器(1)に液体を注入するための1個またはそれより多くのノズル(8)、
− 圧力飽和容器(1)において1個または複数のノズル(8)の下に配置され、頂部で開き、底部で閉じている管(溶解管)(4)(各溶解管(4)には1個またはそれより多くのノズル(8)が割り当てられている)、
− 圧力飽和容器(1)の底部で溶解管(4)の下方にある液体出口(16)
を含んで成る装置。 - 液体が水であることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- ガスが空気であることを特徴とする請求項1または2に記載の装置。
- ノズル(8)が、スムーズ・ジェットノズルであることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の装置。
- 稼働状態下のノズル(8)における圧力降下が1バール未満、好ましくは0.5バール未満であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の装置。
- ノズル(8)を圧力飽和容器(1)の蓋(2)にねじ留めすることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の装置。
- ノズル(8)が、その最も狭いフロー断面において4mmよりも広いギャップ幅を有することを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の装置。
- 個々のノズル(8)を通る液体の流量を、上流または下流の遮断要素(13)を用いて別々にその都度コントロールし得ることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の装置。
- 3m/secを上回る、好ましくは6m/secを上回る速度で液体を注入することを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の装置。
- 8m/secを上回る、好ましくは10m/secを上回る速度で水を注入し、結果として、90%より高い、好ましくは95%より高い水の飽和度を達成することを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の装置。
- 各溶解管(4)に1個のノズル(8)を割り当てることを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載の装置。
- 割り当てられたノズル(8)の直径に対する溶解管(4)の直径の比が、3〜8の範囲、好ましくは3〜5の範囲、特に好ましくは4であることを特徴とする請求項11に記載の装置。
- 各溶解管(4)に4個のノズル(8)を割り当てることを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載の装置。
- 割り当てられたノズル(8)が4個の場合において、割り当てられたノズル(8)の直径に対する溶解管(4)の直径の比が6〜16の範囲、好ましくは3〜10の範囲、特に好ましくは8であることを特徴とする請求項13に記載の装置。
- 各溶解管(4)と割り当てられたノズル(8)との間の距離が100−400mmの範囲、好ましくは150−250mmの範囲であることを特徴とする請求項1〜14のいずれかに記載の装置。
- 溶解管(4)内の液体の滞留時間が10秒未満、好ましくは5秒未満、特に好ましくは2.5秒未満であることを特徴とする請求項1〜15のいずれかに記載の装置。
- ガス飽和容器(1)の底部にある液体出口(16)を、ガス飽和容器(1)からの液体の流出速度が50〜150m/hの範囲、好ましくは70〜90m/hの範囲となるような寸法にすることを特徴とする請求項1〜16のいずれかに記載の装置。
- ガスの供給をバルブ(25)でコントロールすることによってガス飽和容器(1)内の液面の高さ(17)をコントロールすることを特徴とする請求項1〜17のいずれかに記載の装置。
- さらにまた、装置が液面計を有することを特徴とする請求項1〜18のいずれかに記載の装置。
- 液面計が立て管(6)であって、容器の内部と連通してガス飽和容器(1)の外側とつながっていて中にフロート(18)が配置される立て管(6)であることを特徴とする請求項19に記載の装置。
- フロート(18)が磁気的に検出されることを特徴とする請求項20に記載の装置。
- フロート(18)が、圧力飽和容器(1)へのガスの供給をコントロールする最大値・最小値回路(19)を作動させることを特徴とする請求項20または21に記載の装置。
- 容器(1)におけるガスの最大圧力を、ガス供給ライン(20)にあるガバナバルブ(21)で設定できることを特徴とする請求項1〜22のいずれかに記載の装置。
- 浮上槽に導入する液体の圧力飽和装置および圧力解放装置であって、
− 浮上槽(10)
− 液体ライン(15、23)を経由する液体供給が浮上槽(10)の液体出口(16)につながれた圧力飽和容器(1)、
− 圧力飽和容器(1)の液体出口(16)と浮上槽(10)への液体供給ライン(23)との間の液体ライン(23)に配置された1個またはそれより多くの圧力解放バルブ(7)
を含んで成る装置。 - 圧力飽和容器(1)が、請求項1〜20のいずれかに記載の圧力飽和容器であることを特徴とする請求項24に記載の装置。
- 圧力飽和容器(1)の液体出口(16)と圧力解放バルブ(7)との間の液体ライン(15)に中間の遮断要素(22)を配置することを特徴とする請求項24または25に記載の装置。
- 各圧力解放バルブ(7)からの液体流量を上流または下流の遮断要素(24)によってコントロールできることを特徴とする請求項24〜26のいずれかに記載の装置。
- 圧力解放バルブ(7、240)が、1個またはそれより多くのノズル(260)をねじ留めした穴のあいたプレート(250)から成ることを特徴とする請求項24〜27のいずれかに記載の装置。
- 圧力解放バルブ(7、200)が、穴タイプノズルまたはスリットノズル(220)がミリングされたプレート(210)から成ることを特徴とする請求項24〜27のいずれかに記載の装置。
- 10〜100cm、好ましくは10〜30cmの範囲の長さの液体ライン部分(29)を、圧力解放バルブ(7)と浮上槽への供給管(23)の中央との間に配置することを特徴とする請求項24〜29のいずれかに記載の装置。
- 圧力解放バルブ(7)が、その最も狭いフロー断面において4mmより広いギャップ幅を有することを特徴とする請求項24〜30のいずれかに記載の装置。
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