JP2013233526A - 気体溶解装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低流量の流体でも気体を効率よく溶解させることが可能な気体溶解装置を提供する。
【解決手段】上下に貫通する孔７を有する液滴生成部８と、この液滴生成部８の下側に配置され、液体取出口１２を有する気体溶解槽６とを備えた気体溶解装置１である。液滴生成部８の上側から供給された流体が液滴生成部８の孔７を通過して液滴が生成され、この液滴は、落下により気体溶解槽６に供給される。液滴の気液界面を介して気体が液滴中に溶解し、気体が溶解した液体が生成される。この液体は、液体取出口１２から気体溶解槽６の外部に流出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、気体溶解装置に関する。

本出願人は、２つの仕切り壁によって内部が気液混合槽、大泡流出防止槽、気液分離槽に区画された溶解タンクを備えた気体溶解装置を提案している（特許文献１）。

特許文献１の気体溶解装置では、流体の噴出により気液混合槽内に流体を導入している。このとき、流体は、溶解タンクの上壁部や仕切り壁に衝突し、跳ね返り、次第に気液混合槽の底部に溜まっていく。また、上壁部の内面に衝突し、跳ね返る流体は、気液混合槽に貯留する流体の液面に衝突し、流体を攪拌する。このときの攪拌などによって、溶解タンク内に貯留している気体と流体が混合され、また、気液混合流体が噴出するとき、気液混合流体中の気体も合わせて気体と流体が混合され、気体の溶解が促進され、気体が溶解した液体が生成される。これは、流体の攪拌による剪断によって気泡として混合される気体を細分化し、流体と接触する表面積を大きくしたことによる。

このように特許文献１の気体溶解装置は、気液接触面積を大きくするために多くの流量の流体を必要とする。このため、流量の多い流体に気体を溶解させるには適した装置であるが、低流量の流体に気体を溶解させることは難しい。

一方、加圧空気導入口および処理水導入口を上部に設けた密閉容器型のベッセルと、このベッセルの中心位置内部に回転可能に軸受された回転板とを備えた加圧式気体混和装置（気体溶解装置）が知られている（特許文献２）。回転板は、その周囲には多数の開口部が形成された有底容器として構成されており、処理水導入口から導入された処理水がこの回転板に供給されるようになっている。回転板に供給された処理水は、回転板の回転による遠心力によってベッセルの内周壁めがけて水滴の形で飛ばされる。ベッセル内は加圧空気導入口から吹き込まれた加圧空気が満たされており、水滴は、この加圧空気内を飛翔して空気が混和される。ベッセルの内周壁に到達した水滴は、水膜として内周壁表面を回りながら流下し、加圧空気と接触し、空気が混和される。

このように特許文献２の加圧式気体混和装置は、処理水を水滴の形でベッセルの内周壁に飛ばし、水膜としてベッセルの内周壁表面を流下させるなどして気液接触面積を大きくしている。このため、処理水が低流量であっても気体を溶解させることは可能であると考えられる。

特開2010−227782号公報 特開平10-235174号公報

しかしながら、特許文献２の加圧式気体混和装置は、回転板からの処理水の流出速度によってはベッセルの内周壁に衝突した処理水が跳ね返ってその内周壁表面に水膜を形成しないこともあり、回転板の回転速度の加減が難しいという問題がある。処理水がベッセルの内周壁において跳ね返るような場合、通常、処理水は回転板から高速で流出し、また跳ね返り速度も高速であるため、空気との接触時間は短いものとなり、処理水中に空気を十分に溶解させることができない。

本発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、低流量の流体でも気体を効率よく溶解させることが可能な気体溶解装置を提供することを課題としている。

上記の課題を解決するために、本発明の気体溶解装置は、上下に貫通する孔を有する液滴生成部と、この液滴生成部の下側に配置され、液体取出口を有する気体溶解槽とを備え、前記液滴生成部の上側から供給された流体が前記液滴生成部の前記孔を通過して液滴が生成され、この液滴は、落下により前記気体溶解槽に供給され、液滴の気液界面を介して気体が液滴中に溶解し、気体が溶解した液体が生成され、この液体は、前記液体取出口から前記気体溶解槽の外部に流出することを特徴とする。

この気体溶解装置においては、前記液滴生成部は、複数の孔が略等間隔に形成されていることが好ましい。

この気体溶解装置においては、前記気体溶解槽は、前記液体取出口の上側に、上下方向に延びる整流板を有することが好ましい。

本発明の気体溶解装置によれば、低流量の流体でも気体を効率よく溶解させることが可能である。

本発明の気体溶解装置の一実施形態を示した模式図であり、（ａ）は正面図であり、（ｂ）は平面図である。 図１（ｂ）に示した気体溶解装置のＢ−Ｂ断面における斜視断面図である。 図１（ａ）に示した気体溶解装置のＡ−Ａ断面図である。

図１は、本発明の気体溶解装置の一実施形態を示した模式図であり、（ａ）は正面図であり、（ｂ）は平面図である。図２は、図１（ｂ）に示した気体溶解装置のＢ−Ｂ断面における斜視断面図である。図３は、図１（ａ）に示した気体溶解装置のＡ−Ａ断面図である。

図１−３に示したように、気体溶解装置１は、略円形の上壁部２ａとこの上壁部２ａに対向する略円形の底壁部２ｂとこれら上壁部２ａおよび底壁部２ｂの周囲を囲む側壁部２ｃとを有した、縦長で円筒状の溶解タンク２を備えている。この溶解タンク２内には、後述する気体が溶解した液体において空気などの溶質となる気体が貯留している。
溶解タンク２の内部は、溶解タンク２の軸方向と直交する方向に設けられた板状の隔壁３によって、上側槽４と下側槽５の２つの槽に区画形成されている。下側槽５は気体溶解槽６を構成する。

溶解タンク２には、上壁部２ａに、その軸心付近に、流体導入口９を有する流入管接続部１０が軸方向に設けられている。流入管接続部１０には、溶媒となる水などの流体（液体）を送り出す流入管の一端部が接続される。なお、流入管接続部１０が設けられる位置は図示の例に限らず、後述する液滴生成部よりも上方の位置であれば適宜の位置に配置することができる。
この流入管接続部１０の流体導入口９を通じて溶解タンク２の上側槽４に流体が供給される。流体導入口９から供給される流体の流量は、後述する液滴生成部８において液滴が生成可能な程度の量であればよい。流体は、上側槽４に供給するに先立って、溶解タンク２内に貯留している気体と同じ種類の気体と混合して気液混合流体としておくこともできる。以下、流体単独（液体）および気液混合流体をまとめて「流体」と記載する。

隔壁３には上下に貫通する孔７が形成されており、このような隔壁３は液滴生成部８を構成する。上側槽４と気体溶解槽６とはこの孔７を通じて互いに連通している。図２において矢印Ｐで示すように、上側槽４に供給された流体は孔７を通過して液滴として気体溶解槽６に供給される。上側槽４に供給される流体に圧力を加えて孔７を通りやすくしてもよいが、この場合には、生成された液滴の落下するときの初速度が限りなくゼロとなるように、つまり、自由落下状態で流下するように、流体に加える圧力を低くすることが好ましい。生成された液滴が自由落下で流下すれば、気体溶解槽６における液滴と気体との接触時間をより長くすることができるので望ましい。孔７のサイズや形状は、液滴が生成可能なように適宜設定され、流体の粘度、流体の比重などにより決定される。例えば、流体が水の場合、孔径０．１〜２ｍｍの略円形状を有する孔とすることができる。

液滴生成部８においては、孔７は複数有していてもよい。この場合、各孔７は同一サイズおよび同一形状であってもよいし、各孔７で異なっていてもよい。孔７の数は、多いほど液滴の生成数が増え、気体が溶解した液体がより効率よく生成されるので好ましい。孔７の配置は、孔７のサイズや形状に応じて隣接する孔７と孔７との間の間隔を設定すればよい。図１−３に示した例では、隔壁３全面に一様に形成され、液滴同士が流下中に凝集しないように、隣接する孔７と孔７は略等間隔に配置されている。
このような孔７のサイズ、形状、数、配置などは、流体導入口９の位置やこの流体導入口９から上側槽４に流入する流体の流速などを考慮して設定することもできる。

液滴生成部８において生成された液滴は、落下により流下し、液滴生成部８の下側に位置する気体溶解槽６に供給される。
流体を液滴とすることで、液相（流体）に対する気相（気体）の比率が高まり、気相と液相との接触面積（気液接触面積）が増加する。流体中には気液界面を介して気体が溶解するので、このような気液接触面積の増加によって、気体の流体への溶解速度が上昇し、気体を効率よく溶解させることができる。液滴生成部８に供給される流体の流量は液滴が生成可能な程度の量であればよいので、本実施形態の気体溶解装置１では低流量の流体でも気体を効率よく溶解させることができる。

このように液滴生成部８で生成された液滴は、気体溶解槽６内の気相中を流下し、液滴の気液界面を介して液滴（流体）中に気体が溶解し、気体が溶解された液体が生成される。この液体は、次第に気体溶解槽６の底部に溜まっていく。また、流下する液滴は、貯留する液体の液面に衝突し、液面直下の液体を攪拌する。

このときの攪拌などによっても、溶解タンク２内に貯留している気体と液体が混合され、気体の溶解が促進される。一方、乱流が発生しやすくもなっており、落下中に液滴同士が凝集し、溶解効率が低下することがある。そこで、本実施形態のように、気体溶解槽６に、整流板１１を設けることができる。この整流板１１は、上下方向（鉛直方向）に延び、後述する液体取出口１２の上側に設けられる。気体溶解槽６に貯留する液体の液面以下の位置に設けられてもよい。この整流板１１によって、液体の液面直下に生じる液体の流れが整流され、図２において矢印Ｑで示すように、流れの向きが上下方向に一様となる。また、液滴の凝集を抑えることができ、その結果、溶解効率の低下を抑制することができる。

整流板１１は、液体の流れの圧力損失の原因となることもあるので、圧力損失を極力低く抑えるために、その厚みを薄いものにすることが好ましい。一方、上下方向の長さについては、長いほど液体の整流に寄与し、液体の流れの方向を制御することができる。また、液体をより効果的に整流する上では整流板１１の数は多いほど好ましい。このような観点から、本実施形態のように、溶解タンク２の軸心から側壁部２ｃに向かって複数の整流板１１を放射状に配置することが望ましい。

気体溶解槽６には、溶解タンク２の底壁部２ｂに、液体取出口１２を有する流出管接続部１３が設けられている。この流出管接続部１３は、液体取出口１２が底壁部２ｂの軸心付近に位置するように底壁部２ｂの内側面に沿って横方向に設けられている。流出管接続部１３には、気体溶解槽６で生成した、気体が溶解した液体を浴槽などの供給部に送り出す流出管の一端部が接続される。
このように溶解タンク２の底壁部２ｂに流出管接続部１３が設けられているので、未溶解の気体による気泡が液体中に混合されていたとしても、液面付近に存在する大きな気泡の流出を抑制することができる。気泡は、上側ほど密に存在し、液面付近の大きな気泡は、液面から離れた底部付近にはあまり存在しない。液体は、気体溶解槽６の底部から流出管接続部１３の液体取出口１２を通じて気体溶解槽６の外部に流出し、取り出されるため、大きな気泡の流出が抑制される。

以上のとおり本発明の気体溶解装置は、流体を液滴にして気相と液相との接触面積を大きくし、気体溶解槽内の気相中において高い溶解効率で流体中に気体を溶解している。低流量の流体でも液滴とすることができるので、本発明の気体溶解装置は、低流量の流体でも気体を効率よく溶解させることができる。また、特別な駆動装置や動力源などを要せずに液滴の生成や液滴への気体溶解が可能であるなど、省エネルギー化が実現されており、しかもメンテナンス性に優れ、取扱いが容易な簡単な構造である。

１ 気体溶解装置
６ 気体溶解槽
７ 孔
８ 液滴生成部
１１ 整流板
１２ 液体取出口

Claims (3)

1. 上下に貫通する孔を有する液滴生成部と、この液滴生成部の下側に配置され、液体取出口を有する気体溶解槽とを備え、前記液滴生成部の上側から供給された流体が前記液滴生成部の前記孔を通過して液滴が生成され、この液滴は、落下により前記気体溶解槽に供給され、液滴の気液界面を介して気体が液滴中に溶解し、気体が溶解した液体が生成され、この液体は、前記液体取出口から前記気体溶解槽の外部に流出することを特徴とする気体溶解装置。
2. 前記液滴生成部は、複数の孔が略等間隔に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の気体溶解装置。
3. 前記気体溶解槽は、前記液体取出口の上側に、上下方向に延びる整流板を有することを特徴とする請求項１または２に記載の気体溶解装置。

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