JP2012035205A - 気液及び液液混合装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】反応用気体（液体）の供給量が多いと気泡の微細化が進まず、他方、反応用気体（液体）の供給量が少ないと、気泡の微細化は進むものの気泡流による撹拌力が低下してしまうという課題の解決を目的とする、気液または液液混合装置を提供する。
【解決手段】インペラー３０の回転翼背面の負圧を利用して気体または液体を吸引する混合装置において、インペラーを少なくとも２つの領域に分け、第１の領域ａには第１の流体（液体または気体）を供給して微細化を図り、第２の領域ｂには第２の流体（気体）を供給して気泡流による撹拌を図ることにより、効率的な撹拌を実現する。
【選択図】図２

Description

本発明は、気液及び液液混合装置及び方法に関する。

空気などの気体を液中に効率良く供給する装置として、回転するインペラーの背面に発生する負圧を利用して気体を導入する自吸方式の曝気装置が従来知られている。すなわち、インペラーに沿う円筒パイプの孔から空気が吸込まれるもの（特開昭５９−１６０５１６号）、円筒パイプの通気口と通気可能に固定した中空箱型のインペラーの背面に気体噴出孔を穿設したもの（特開昭５９−２０３６９３号）、円筒パイプの下端部と間隙を保つインペラーを、前記円筒パイプを貫通する駆動軸に取付け間隙部から気体を導入するもの（特開昭５９−２０３６９４号）、円筒パイプに螺旋状に取付けたインペラーの回転方向の背面に沿う円筒パイプに螺旋状に気体噴出口を取付けたもの（特開昭６０−１１４３３１号）等がある。

これらの装置は、いずれも自吸式で、多量の気体を極微粒気泡として液中に発生させることができることから、気液の混合装置としても有用であり、例えば、アルカリ水の中和方法および装置（特開平０７−１００４７２号）、悪臭ガスの脱臭方法および脱臭装置（特開平０７−１４８４１６号）等が提案されている。

特開昭５９−１６０５１６号 特開昭５９−２０３６９３号 特開昭５９−２０３６９４号 特開昭６０−１１４３３１号 特開平０７−１００４７２号 特開平０７−１４８４１６号

これらの方法は、インペラーの回転方向の背面に発生する負圧を応用する構造のため、液中に強力な真空圧を発生させ、小さなエネルギーで気体を液中に吸引する。インペラーを覆う筒状体により形成される導入空間より、インペラー回転領域内には液体と気体が同時に供給され、回転翼の剪断力で気体を極微粒気泡化し、それ自体、混合効率を高めると同時に、気泡流が液体を連行することにより液体の撹拌効率を向上させる。

しかし、導入空間による気体の供給は、周囲の液体も吸引されるので自吸量には限界がある。そのため撹拌能力が十分でなく、気体供給量を多くするにはブロワーなどが必要になる。また、インペラーで自吸できる量とインペラーで剪断できる量には限界があるため、気体の供給量が多いと、気泡の微細化が進まず、他方、気体の供給量が少ないと、気泡の微細化は進むものの気泡流による撹拌力が低下してしまう。

本発明者らは、上記のような混合装置において、インペラーを少なくとも２つの領域に分け、第１の領域には第１の流体（液体及び／または気体）を供給して微細化を図り、第２の領域には第２の流体（気体）を供給して気泡流による撹拌を図ることにより、効率的な撹拌が実現できることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は以下の装置及び方法に関する。
［１］剪断部を有する回転翼を備えたインペラーと、中心軸に回転軸を有する筒体とを含み、前記剪断部は、前記インペラーを前記回転軸の一方の端に接続した際に該剪断部の一部が筒体内において筒体内壁と間隙を保って保持されるように構成され、前記筒体はさらに前記間隙に気体及び／または液体を導入し得る気体／液体導入口を有するとともに、前記接続時に筒体外に位置するインペラー部分が仕切板によって回転軸に垂直に仕切られていることを特徴とする気液または液液混合装置。
［２］前記回転軸の少なくとも一部が中空であり、前記インペラーが前記剪断部とは反対側の端部またはその近傍にフランジを有し、前記回転軸が、前記仕切板と前記フランジの間の領域において開口部を有する前記１に記載の気液または液液混合装置。
［３］前記インペラーが前記剪断部の一部において、回転翼の半径方向長さが残りの部分の半径方向長さよりも小さい切欠部を有する前記１または２に記載の気液または液液混合装置。
［４］前記インペラーが前記切欠部において、切欠部の内縁から外縁までのドーナツ状フランジを有する前記３に記載の気液または液液混合装置。
［５］回転するインペラーの背面に発生する負圧を利用して反応液または溶媒である液体中に連続的に、気体及び／または液体である反応物及び／または混合成分である流体を導入し気液または液液混合を行う方法において、インペラーを少なくとも２つの領域に区分し、１の領域においては前記反応物または混合成分である流体を導入するとともに、他の少なくとも１の領域においては撹拌用の気体を導入することにより気液または液液混合を行う方法。
［６］前記撹拌用の気体が反応に関わらない気体である前記５に記載の方法。
［７］前記撹拌用の気体が反応物または混合成分である前記５に記載の方法。
［８］反応物または混合成分のうち、反応または溶解できずに水面上に放出された未反応もしくは未溶解気体を回収して反応液または溶媒中に導入する前記５に記載の方法。
［９］反応液が酸性液体または塩基性液体であり、反応物である液体がpH中和剤であり、撹拌用気体が空気である前記５に記載の方法。
［１０］反応液が水または水性液体であり、反応物である気体が炭酸ガスであり、撹拌用気体が空気及び／または炭酸ガスである前記５、７または８に記載の方法。

本発明の方法及び装置は、回転するインペラーの背面に発生する負圧を利用して反応液または溶媒（以下、「処理液」ともいう。）中に導入する自吸式気液または液液混合装置を用い反応物または混合物（例えば、溶質）である流体の微細気泡または微小液滴を発生させて、前記気体または液体と反応液または溶媒との接触面積を高め、同時に撹拌用気体による気泡流を発生させて前記気液混合または前記液液混合を効率よく進行させる。また、前記気体または液体の導入についても、従来のガスボンベから供給、液体は薬注ポンプを用いる場合と比較して、制御の安定性、圧損が少ないことによる省エネ等においても利点を有する。

このように、反応に関わる物質と撹拌に寄与する物質とを別々に供給することが可能になるため、反応にかかわる物質の供給量と関係なく、十分量の撹拌用気体を供給することができる。また、撹拌用インペラー領域は上下に仕切板とフランジを備えているため、回転翼背面に生じる負圧は大きくなる。そのため、導入空間内のインペラー領域よりも自吸量が多く、処理液中に大量の気体を供給でき、撹拌力が高くなる。さらに気体と気体を反応させる場合、自吸量が多いため、ブロワーなどを使用することなく、処理液上に放出された未反応ガスを反応ガスとして再度処理液中に供給することができる。

本発明方法の第１の実施形態を説明する模式的断面図。 本発明方法の第２の実施形態を説明する模式的断面図。 本発明装置で用いるインペラーの第１の形態を示す斜視図。 本発明装置で用いるインペラーの第２の形態を示す斜視図。 本発明方法の第３の実施形態を説明する模式的断面図。 本発明装置で用いるインペラーの第３の形態を示す斜視図。 本発明装置における気体／液体導入口の別の態様を説明する模式的断面図。

本発明は、剪断部を有する回転翼を備えたインペラーと、中心軸に回転軸を有する筒体とを含み、前記剪断部は、前記インペラーを前記回転軸の一方の端に接続した際に該剪断部の一部が筒体内において筒体内壁と間隙を保って保持されるように構成され、前記筒体はさらに前記間隙に気体または液体を導入し得る気体／液体導入口を有するとともに、前記接続時に筒体外に位置するインペラー部分が仕切板によって回転軸に垂直に仕切られていることを特徴とする気液または液液混合装置を提供する。

ここで、剪断部とは回転翼の周縁を指し、前記剪断部の一部とは、筒体内において筒体内壁と回転翼とが比較的狭い間隙を保っており、この結果、回転翼の回転時に少なくとも筒体内壁と回転翼との間で剪断力が働く部位を指す。

インペラーの構成は上記の規定を満たす限りにおいて特に限定されない。インペラーの回転翼の半径方向長さが回転軸に沿って実質的に均一である場合も含まれるし、前記剪断部において、回転翼の半径方向長さが残りの部分の半径方向長さよりも小さい切欠部を有する場合も含まれる。回転翼の枚数や間隔等は、目的に応じて適宜設計すればよい。

筒体の構成も上記の規定を満たす限りにおいて特に限定されない。後述する実施例では気体及び／または液体を導入し得る気体／液体導入口を前記間隙の近傍にひとつ設けた例を示すが、これは説明の簡略化のためであり、前記間隙に気体及び／または液体を導入し得る限りにおいて、導入口は筒体のどの位置に設けてもよく、その数も複数でもよい。

この気液または液液混合装置のインペラー部が処理液中に位置するように設置し、回転軸を駆動することにより、インペラーの回転翼背面に負圧が生じ、仕切板で分割された一方には反応物（または混合物）である気体または液体が吸引され、処理液と混合・剪断されて微細気泡または微細液滴として処理液中に噴出される。一方、仕切板で分割された他方には撹拌用気体が吸引され、気泡流として処理液中に噴出される。

したがって、本発明によれば、回転するインペラーの背面に発生する負圧を利用して反応液または溶媒である液体中に連続的に、気体または液体である反応物または混合成分である流体を導入し気液または液液混合を行う方法において、インペラーを少なくとも２つの領域に区分し、１の領域においては前記反応物または混合成分である流体を導入するとともに、他の少なくとも１の領域においては撹拌用の気体を導入することにより気液または液液混合を行う方法が提供される。なお、本発明において「回転するインペラーの背面に発生する負圧を利用して（流体を）導入する」とは、流体の導入に前記負圧が少なくとも部分的に関わっていればよく、負圧にようる吸引に合わせて、後述する液体槽または気体槽側からガス圧、ポンプ圧も利用し加圧導入する構成も含まれる。

処理液は、気液混合または液液混合する際の液体であり、導入する気体及び／または液体との反応に供するための液体またはこれらと混合・溶解させるための溶媒等である。たとえば、水、酸性液体、塩基性液体、有機溶媒またはこれらの混合物である。より実際的には、導入する気体または液体を処理するための液体または導入する気体または液体によって処理されるための液体（たとえば、廃液）である。
導入する気体及び／または液体の種類は限定されないが、迅速かつ効率的な混合が必要な気体または液体が好ましい。なお、「気体及び／または液体」は、気体単体、気体混合物、液体単体、液体混合物、気体と液体の混合物（気体、液体は単体でも混合物でもよい）のいずれの場合も含む。混合物の場合、その導入口は同一でもよいし異なっていてもよい。すなわち、複数の導入口からそれぞれ別の気体／液体を導入してそれぞれの混合を行いつつ、さらにこれを処理液と反応させる３成分以上の混合にも用いることができる。

両者の組み合わせの例としては、処理液が水で導入する気体が炭酸ガスである場合、処理液が酸性液体または塩基性液体で導入する流体がpH中和剤である場合（たとえば、酸性液体とアンモニア、酸性液体と石灰水、塩基性液体と炭酸ガス、塩基性液体と炭酸、塩酸、硫酸など）、処理液が廃水で導入する気体が廃水処理剤である場合、処理液が水性液体で導入する気体が空気または酸素である場合、処理液が水性液体で導入する気体が殺菌剤・滅菌剤である場合、導入する気体が廃気ガスで、処理液が廃気ガス処理剤である場合、導入する気体が有毒ガスであり処理液が有毒ガス処理剤である場合、導入する気体が酸素であり処理液が動物等の成育用液体である場合、導入する気体が悪臭ガスであり処理液が悪臭成分と反応することが知られている物質を含む液体である場合、導入する気体が細菌等を含む気体であり処理液が殺菌剤成分を含む液体である場合等が含まれる。

したがって、本発明によれば、炭酸水の製造方法、酸性液体または塩基性液体の中和方法、廃水処理方法、殺菌・滅菌方法、廃棄ガス処理方法、有毒ガス処理方法、曝気方法（たとえば、高酸素濃度水の製造方法）、悪臭ガス処理方法等が含まれる。また、これらのほか、反応物または反応により混合装置が損傷したり機能を果たさなくならない限りにおいて任意の化学反応、溶解、混合に用いることができる。
撹拌用気体は上記の反応・溶解・混合に悪影響を与えないものであれば限定されないが、通常は、空気や窒素などの不活性気体である。反応物等として導入する気体と同一でもよく、たとえば、酸素、炭酸ガスなどでもよい。

以下、添付図面を参照しつつ本発明の構成を説明する。

実施例１
図１は本発明方法の実施形態を説明する断面図である。気液混合装置２０は、下部にインペラー３０を有する回転軸４０、及び前記回転軸４０を包囲し、かつ、その下端において前記インペラー上端の剪断部３２（本実施例においては切欠部を形成する）と間隙ｓを保つ筒体５０を備えている。この例において筒体５０は、さらに、間隙ｓの近傍に気体または液体を導入し得る気体／液体導入口５２を有する。

ここでインペラー３０は、図３に示すように、回転軸４０と連続し得る中心軸３４と切欠部３２を備えている。インペラー３０を前記回転軸４０に接続した際、切欠部３２が筒体５０内において筒体５０の内壁と間隙ｓを保って保持され、切欠部３２から（図において）下側は、筒体５０の外に位置する。

本発明では、この筒体５０の外に位置するインペラー部分が仕切板３６により２つの領域ａとｂに分割されていることが大きな特徴である。また、この領域ｂは好ましくは下部にフランジ３８を備えており、インペラーの中心軸３４には開口部３５が開口している。回転軸４０及び中心軸３４は中空であり、回転軸４０の（インペラーとは反対側の）上端４２は、本例では外部に開放されている。また、回転軸４０の上端４２側には駆動手段４４が設けられており、これにより回転軸４０は回転可能である。
気体／液体導入口５２はチューブ５４等により、気体／液体槽６０に接続している。

以下に本発明の装置による気液混合動作について説明する。
気液混合装置２０のインペラー側を液体（反応液または溶媒）１０内に設置し回転軸４０の回転を行うと、インペラー背面には負圧が生じ、インペラーの上部領域ａには、気体導入口５２、チューブ５４等を介して気体槽６０から気体が吸引される。吸引された気体は、間隙ｓからインペラーの上部領域ａにかけての空間で液体（反応液または溶媒）１０とともに剪断され、微細気泡として液体１０内に放出される。

従来の装置では、インペラーは上部領域ａに相当する部分しか有していないため、微細気泡はその後、浮上していく過程で液体１０と反応または混合（溶解）するものであった。

これに対し、本発明の装置では、インペラーは下部領域ｂを有し、回転軸４０の回転を行うと上端４２から回転軸４０及びインペラーの中心軸３４を通って液体１０の上に位置する大気が導入されインペラーの中心軸３４に設けられた開口部３５に吸引される。ここで、下部領域ｂは、上側に仕切板３６で、下側にフランジ３８を有するため、効率的に負圧が利用され、吸引された大量の大気が液体１０内に放出される。この結果、大きな気泡流が生じ、これに連行されるかたちで前記微細気泡を含む液体１０が撹拌され、微細気泡を構成する気体と液体１０との反応または混合（溶解）が効率的に進行する。

上記では気液混合の例について説明したが、液液混合の場合、気体槽６０が液体槽６０に代わるほかは、実質的に同様であり、 具体的には、液液混合装置２０のインペラー側を液体（反応液または溶媒）１０内に設置し回転軸４０の回転を行うと、インペラー背面には負圧が生じ、インペラーの上部領域ａには、液体導入口５２、チューブ５４等を介して液体槽６０から液体が吸引される。吸引された液体は、間隙ｓからインペラーの上部領域ａにかけての空間で液体（反応液または溶媒）１０とともに剪断され、微小液滴として液体１０内に放出される。一方、吸引された大量の大気が液体１０内に放出され、インペラーの下部領域から大きな気泡流が生じる点は同様であるので、これに連行されるかたちで前記微小液滴を含む液体１０が撹拌され、微小液滴を構成する液体と液体１０との反応または混合（溶解）が効率的に進行する。さらに、液液混合においては、液体導入と合わせて上記領域ａにおいて不活性な気体を合わせて導入することにより（例えば、流体導入口５２を複数設けその一部から気体を導入する）、微小液滴の形成が促進される。

なお、この態様においては、液体１０中には液上の大気が取り込まれて撹拌用気体として用いられる。一方、気液混合のために気体槽６０から吸引された気体のうち、未反応（未溶解）の微細気泡は最終的には液上まで浮上する。したがって、このシステム全体を閉鎖した空間内（たとえば、タンク内）に設けた場合、未反応（未溶解）の反応用（混合用）気体は最終的には液上の大気に混入し、インペラー下部領域ｂから撹拌用気体としても利用される。あるいは、別の態様として、反応液（混合液）を全体として空間内（たとえば、タンク内）に封じ、本発明の混合装置はその閉鎖空間を画する部材（たとえば、タンク壁面）を貫くかたちとすれば、液体１０中への撹拌用気体は常に同じ気体となる。この場合、閉鎖空間上部からの気体排出口を設ければ撹拌用気体で希釈された未反応（未溶解）の反応用（混合用）気体が得られるので、これから反応用（混合用）気体を分離して、あるいはそのまま、気体槽６０に循環して再度、インペラー上部領域ａから微細気泡として液体１０中に導入してもよい。

実施例２
この態様では、筒体５０がその内部に仕切板５６を備えており、筒体５０内部が上部空間ｐと下部空間ｑに分割されている。下部空間ｑはインペラーの上部領域ａに連絡する。仕切板５６は上部空間ｐと下部空間ｑの間の流体の流通を実質的に妨げるものであればよい。また、上部空間ｐには気体導入口５８が設けられ、回転軸４０には気体導入口４６が設けられる。回転軸４０の上端は閉鎖され、そのまま、または適当な連結手段を介して駆動手段４４（たとえば、モーター）に連結される。以上の点以外の構成は実施例１と同様である。

この態様では、撹拌用気体は気体導入口５８から導入され筒体５０内部の上部空間ｐに入る。回転軸４０を駆動すると、撹拌用気体は上部空間ｐから気体導入口４６→回転軸４０内→インペラーの中心軸３４内→開口部３５→インペラー下部領域ｂへと吸引され、そこから液体１０中に噴出される。その後の作用は実施例１と同様である。
なお、上記の説明では、筒体５０の内部に仕切板５６を設けた態様として説明したが、筒体５０の一部の径を絞り、これにより上部空間ｐと下部空間ｑ（後者はインペラーの上部領域ａに連絡する）とに分割することも可能である。

実施例３
この態様では、図４に示すように、インペラー３０が、その切欠部３２の内縁から外縁までのドーナツ状フランジ７０を有する。これにより、インペラー上部領域ａは切欠部３２を含む上部領域ａ１と残りの上部領域ａ２に分割される。以上の点以外の構成は実施例１または２と同様である。
この場合、上部領域ａ１は、液体１０とはほとんど接していないため、上部領域ａ１で発生した負圧はほとんどが気体／液体導入口５２からの気体／液体の吸引に寄与することになる。吸引された気体／液体は上部領域ａ２において液体１０と混合して剪断される。したがって、吸引効率、剪断効率をともに高めることができる。

実施例４
この態様では、図５に示すようにインペラーの中心軸３４の下端に気体導入口３７が設けられており、これは適当な連結手段を介してチューブ（図示していない。）に連結されている。回転軸４０の上端は閉鎖され、そのまま、または適当な連結手段を介して駆動手段４４（たとえば、モーター）に連結される。以上の点以外の構成は実施例１、実施例２または実施例３と同様である。この態様では、撹拌用気体はインペラー下部から導入されることになる。

実施例５
実施例２の筒体構造において仕切板５６を有しない態様としたが、前記ｂの方が自吸力が大きいため、筒体内の気体は大部分が上部空間ｐから気体導入口４６→回転軸４０内→インペラーの中心軸３４内→開口部３５→インペラー下部領域ｂへと吸引され、そこから液体１０中に噴出された。

以上、本発明の態様を実施例により説明したが、これらは、本発明の範囲内でさまざまに変更可能であり、それはいずれも本発明に含まれる。例えば、上記実施例のいずれの態様においても、図６に示すような剪断部に切欠部を有しないインペラー１３０を用いることができる。また、図７に示すように、気体／液体導入口１００を複数設けることも可能である。なお、図７においては、インペラー１３０を用いた例を示したが、このインペラーに代えて剪断部の一部に切欠部を有する図３のインペラーやさらにドーナツ状フランジを有する図４のインペラーを用いることも可能である。また、気体／液体導入口の位置・数、撹拌用気体の導入位置、筒体の構成、インペラー形状は任意に組み合わせることができる。

本発明の装置・方法は、気液または液液の混合に効果的であるため、炭酸水の製造方法、酸性液体または塩基性液体の中和方法、廃水処理方法、殺菌・滅菌方法、廃棄ガス処理方法、曝気方法（たとえば、高酸素濃度水の製造方法）、悪臭ガス処理方法等、また、これらのほか、反応物または反応により混合装置が損傷したり機能を果たさなくならない限りにおいて任意の化学反応、溶解、混合に用いることができる。

１０ 処理液
２０ 気液または液液混合装置
３０ インペラー
４０ 回転軸
５０ 筒体
６０ 気体槽または液体槽

Claims (10)

1. 剪断部を有する回転翼を備えたインペラーと、中心軸に回転軸を有する筒体とを含み、前記剪断部は、前記インペラーを前記回転軸の一方の端に接続した際に該剪断部の一部が筒体内において筒体内壁と間隙を保って保持されるように構成され、前記筒体はさらに前記間隙に気体及び／または液体を導入し得る気体／液体導入口を有するとともに、前記接続時に筒体外に位置するインペラー部分が仕切板によって回転軸に垂直に仕切られていることを特徴とする気液または液液混合装置。
2. 前記回転軸の少なくとも一部が中空であり、前記インペラーが前記剪断部とは反対側の端部またはその近傍にフランジを有し、前記回転軸が、前記仕切板と前記フランジの間の領域において開口部を有する請求項１に記載の気液または液液混合装置。
3. 前記インペラーが前記剪断部の一部において、回転翼の半径方向長さが残りの部分の半径方向長さよりも小さい切欠部を有する請求項１または２に記載の気液または液液混合装置。
4. 前記インペラーが前記切欠部において、切欠部の内縁から外縁までのドーナツ状フランジを有する請求項３に記載の気液または液液混合装置。
5. 回転するインペラーの背面に発生する負圧を利用して反応液または溶媒である液体中に連続的に、気体及び／または液体である反応物及び／または混合成分である流体を導入し気液または液液混合を行う方法において、インペラーを少なくとも２つの領域に区分し、１の領域においては前記反応物または混合成分である流体を導入するとともに、他の少なくとも１の領域においては撹拌用の気体を導入することにより気液または液液混合を行う方法。
6. 前記撹拌用の気体が反応に関わらない気体である請求項５に記載の方法。
7. 前記撹拌用の気体が反応物または混合成分である請求項５に記載の方法。
8. 反応物または混合成分のうち、反応または溶解できずに水面上に放出された未反応もしくは未溶解気体を回収して反応液または溶媒中に導入する請求項５に記載の方法。
9. 反応液が酸性液体または塩基性液体であり、反応物である液体がpH中和剤であり、撹拌用気体が空気である請求項５に記載の方法。
10. 反応液が水または水性液体であり、反応物である気体が炭酸ガスであり、撹拌用気体が空気及び／または炭酸ガスである請求項５、７または８に記載の方法。