JP2022518328A - 連続する流れにある液体の処理のための方法、反応室、及びシステム - Google Patents

Abstract

本発明は、連続する流れにある液体処理の方法、反応室、及びシステムに関し、方法は、ａ）液体を、反応室の少なくとも１つの流入口を通じて受け、反応室の流入区間へと向かわせ、ｂ）流入区間において液体の流れを気液二相流に変換し、ｃ）気液二相流を反応室の電界が印加される中央区間へと向かわせ、ｄ）中央区間を通過する気液二相流の気体成分を、気液二相流と電界との間の相互作用の結果としてイオン化し、ｅ）反応室の中央区間にわたって非平衡プラズマを生成させるイオン化領域が、中央区間に印加される電界の制御によって保たれ、ｆ）イオン化領域での気液二相流を、反応室の中央区間から離れた排出区間へと導き、気体成分を脱イオン化させ、速度を低下させ、気液二相流が凝縮し、及びｇ）排出区間から反応室の少なくとも１つの排出口を通じて処理済み液体の流れを排出する、ステップを含むことを特徴とする。

Description

[0001]本発明は、液体を、高強度電界により一時的にイオン化される二相流に変換し、イオン化領域を保持し、非平衡プラズマを発生させて、前記液体中の有機化合物の分解と微生物の不活性化を促進する、連続する流れにある液体の処理のための方法に関する。

[0002]それに加えて、本発明は、連続する流れにある液体を処理するための、液体を二相流に一時的に変換し、反応室内部で前記二相流をイオン化する反応室に関する。

[0003]最後に、本発明はまた、本発明の反応室を含む、連続する流れにある液体の処理のためのシステムにも関する。

背景
[0004]主に水の浄化を目的とした、信頼性が高く且つコンパクトな液体処理システムに対する需要の高まりに促され、業界は非従来型と考えられる様々な処理メカニズムを考案してきた。前記処理メカニズムの中で、流体処理のためのプラズマの使用を挙げることができる。

[0005]これに関して、“Methods and device for in-stream aqueous medium treatment”と題する欧州特許第３３２１２３３号では、反応室内部では音速が低下することから超音速気液二相流を使ってプラズマが被処理液体のストリームに適用される反応器が検討されている。前記公報によれば、その中で開示されている処理メカニズム、特にプラズマを実装するだけで、既知の病原体微生物の全てが短時間で除去される。

[0006]しかしながら、欧州特許第３３２１２３３号では、液体を効率的に処理することができ、反応室を通過する気液二相流の中のプラズマの定常状態を生成し、それゆえ有機及び無機化合物が分解され、微生物が不活性化された状態で存在する液体の生成を促進する液体処理のための方法、反応室、及びシステムを提供することに関しては何も述べられていない。

[0007]さらに、米国特許第９０２３２１４号及び米国特許第０４７５７１３号は、プラズマ粒子を液体に、より具体的には気体媒質中に懸濁する液体の液滴に適用することによって、前記二相性混合物中での様々な相互作用を促進するプロセスを開示している。この点に関して、本発明は、引用された特許をさらに発展させたものであり、引用特許で開示されているプロセスと装置の効率と有効性を向上させる。本発明は実際に、前記処理に関わる液体処理メカニズム、反応室、及びシステムの全面的な発展を含み、気液二相流における流体の変換及びその後の気相のイオン化し、非平衡プラズマを生成する水処理のための最適な解決策を提供する。

[0008]このプロセスは、低温で連続流れ下での化学反応を促進し、フリーラジカル、加水分解、及び酸化還元反応及びその他の反応を生じさせる。技術的応用の幾つかは、有機化合物を分解し、微生物を不活性化することに向けられている。

発明の説明
[0009]本発明は、連続する流れにある液体処理の方法に関し、前記方法は：
ａ．反応室内で処理するための液体の流れを、前記反応室の少なくとも１つの流入口を通じて受け、前記処理のための液体の流れを反応室の流入区間へと向かわせるステップと、
ｂ．前記流入区間において処理のための液体の流れを気液二相流に変換するステップと、
ｃ．気液二相流を反応室の、電界が印加される中央区間へと向かわせるステップと、
ｄ．前記中央区間を通過する気液二相流の気体成分を、気液二相流と印加される電界との間の相互作用の結果としてイオン化するステップと、
ｅ．イオン化領域を保持して、反応室の中央区間にわたって非平衡プラズマを生成させ、前記イオン化領域は、前記中央区間に印加される電界を制御することによって保たれるステップと、
ｆ．イオン化領域での気液二相流を反応室の、中央区間から離れた排出区間へと向かわせ、そこには電界が印加されず、気体成分の脱イオン化を生じさせ、気液二相流の速度を低下するようにして、その結果、気液二相流が凝縮するステップと、
ｇ．前記排出区間から反応室の少なくとも１つの排出口を通じて処理済み液体の流れを排出するステップと、
を含む。

[0010]ある実施形態によれば、反応室内に流体の流れを受けるステップはまた、液体の流れを反応室へと向かう乱流状態で加圧し、加速させることも含む。それに加えて、乱流状態で加速される液体の流れは、反応室の流入区間内の圧力降下を生じさせ、気液二相流がそれを形成する相間の大きい接触面を有することを促進する。

[0011]ある実施形態によれば、液体流れを気液二相流に変換するステップは、被処理液体中に溶解する気体の部分的放出とその部分的蒸発により促進される。

[0012]ある実施形態によれば、反応室の中央区間に気液二相流を導くステップは、前記気液二相流を、それが反応室のその中央区間の内壁と接触するような方法で向かわせることを含む。

[0013]前記中央区間は少なくとも１対の電極を含むことができ、これは前記中央区間内で印加される電界を生成するための放電を生じさせる。これに関して、気液二相流の気体成分をイオン化するステップは、電極間での電界の印加を含み、その強度は前記気液二相流の気相の降伏電圧を超える。

[0014]ある実施形態によれば、気液二相流をプラズマの状態で反応室の排出区間へと向かわせるステップは、気液二相流を処理済み流体の流れに再変換することを含む。

[0015]ある実施形態によれば、電界は電極間の電位差を通じて生成でき、前記電位差は少なくとも１つの高周波電源によって印加される。これに関して、非平衡プラズマを生成するイオン化領域を保持するステップは、電極を通じて循環する電流を制限するための電流制限器の使用を含む。前記電流制限器は、電位差を印加する少なくとも１つの電源に組み込むことができる。

[0016]ある実施形態によれば、電界は電極間の電位差を通じて生成でき、前記電位差は少なくとも１つのＤＣ電源によって印加され、これは連続又はパルスモードで動作でき、これは電極を通じて循環する電流を制限するための電流制限器も含む。

[0017]前記電流制限器は、定常自動調整システムの形態の受動型又はフィードバックコントローラの形態の能動型とすることができる。

[0018]それに加えて、本発明は液体の処理のための反応室に関し、これは：
－反応室内で被処理流体の流れがそれを通じて受けられる少なくとも１つの流入口と、
－被処理流体の流れが気液二相流に変換される流入区間と、
－反応室に電界を印加するように構成された中央区間であって、中央区間を通過する気液二相流の気体成分をイオン化し、イオン化領域を保持するために、印加された電界を制御することによって中央区間にわたって非平衡プラズマを発生させるように構成された中央区間と、
－電界を有する中央区間の隣の排出区間であって、気体成分の脱イオン化が生じ、気液二相流の速度の低下が行われ、その結果、気液二相流の凝縮が発生する排出区間と、
－そこを通じて処理済み液体の流れが排出される排出口と、
を含む。

[0019]ある実施形態によれば、反応室の流入区間は少なくとも１つのノズルを含み、これは、液体の流れを乱流状態で加速させるために配置され、気液二相流が２相間で大きい接触面を有することを促進する。ノズルは排出区間を含むことができ、これは、ノズルの前記排出区間の断面積を増大させることによって反応室へと広がり、反応室の流入区間内の圧力降下を生じさせる。それに加えて、前記ノズルは、気液二相流を乱流状態で反応室の、主にその中央区間の内壁へと向かわせることができる。

[0020]ある実施形態によれば、反応室の内部空間は、反応室の排出区間まで乱流状態の気液二相流で満たされる。

[0021]ある実施形態によれば、中央区間は、前記中央区間内で印加される電界を生成するために放電を生じさせる少なくとも１対の電極を含む。これに関して、好ましい実施形態によれば、電極間の電界は、気液二相流の気相の降伏電圧を超える強度を有する。

[0022]最後に、本発明は、本発明による少なくとも１つの反応室を含む、連続する流れにある液体の処理のためのシステムにも関する。それに加えて、前記システムは少なくとも１つの電流制限器を含むことができ、これは反応室で印加される電界を制御することができ、電極を通じて循環する電流を制限する。

[0023]ある実施形態によれば、システムはまた、被処理流体を反応室に入る前に加圧し、０．５～１５０バール（ｇ）の範囲、より好ましくは２～７０バール（ｇ）の範囲に流体圧力を上昇させるために、反応室の上流の高圧ポンプも含む。それに加えて、システムは、少なくとも１つの高圧ポンプと反応室の少なくとも１つの流入口との間に設置された、反応室の供給する圧力を調整するための圧力ゲージを含むことができる。

[0024]１５０バール（ｇ）の供給圧力を加えることで、動作点で８２％の力学的エネルギを変換するためのノズルの効率を考慮して、約１５７ｍ／ｓのノズル排出速度に到達することが可能である。

[0025]排出口で真空ポンプを使用することにより、０．５バール（ｇ）の供給圧力で反応室を動作させることが可能であり、前記動作点での５０％の力学的エネルギを変換する効率を有するノズルを動作させると７ｍ／ｓの範囲の流速が得られる。

[0026]ある実施形態によれば、システムはまた、反応室の少なくとも１つの排出口に向かう、二相性流体の蒸気圧に近い値に到達する真空レベルを生成するために、反応室の下流の少なくとも１つの真空ポンプも含む。それに加えて、システムは、反応室の排出区間内の真空レベルを調整するために、反応室の少なくとも１つの排出口と少なくとも１つの真空ポンプとの間に設置された真空ゲージを含むことができる。

[0027]ある実施形態によれば、システムはまた、処理済み液体のスループットを調整するために、反応室の下流の流量ゲージも含む。

[0028]好ましい実施形態によれば、システムは少なくとも１つの高周波電源を含み、電界は反応室の中央区間内の少なくとも１対の電極間の電位差を通じて生成され、前記電位差は、少なくとも１つの電源によって印加され、少なくとも１つの電流制限器によって制御される。前記電流制限器は、電位差を印加する少なくとも１つの電源に組み込むことができる。

[0029]ある実施形態によれば、システムは少なくとも１つのＤＣ電源を含み、これは連続又はパルスモードで動作でき、電極を通じて循環する電流を制限するための電流制限器の使用も含み、電界は電極間の電位差によって生成される。

[0030]前記電流制限器は、定常的な自己調整システムの形態の受動型又はフィードバックコントローラの形態の能動型とすることができる。

[0031]システムのある実施形態によれば、反応室の排出区間内の少なくとも１つの排出口は排出口より大きい断面積を有する少なくとも１つの導管に接続され、それゆえ、気液二相流の液体流れへの再変換を容易にする。

[0032]ある実施形態によれば、システムは直列又は並列に相互に接続される２つ又はそれ以上の反応室を含むことができる。

図面の簡単な説明
[0033]下記の図面は本発明の一部として示され、これらは本発明の好ましい実施形態を表しており、したがって、これらは特許請求される発明の定義を限定すると考えるべきではない。

本発明のある実施形態による連続する流れにある液体の処理のための反応室の図である。 本発明のある実施形態によるシステムの主要油圧構成要素を含む、連続する流れにある液体の処理のためのシステムの概略図である。 内部に低圧乱流気液二相流の流体力学的状態を生成する反応室の、気液二相流が凝縮する排出ゾーンまでの略図である。 実験的試験で得られたデータと比較される予想モデルによるＰ_Ｍｉｎの比較グラフである。 排出区間における異なる真空レベルでの特定の送出動作のグラフである。 電極間の距離を示す、反応室の概略図である。 反応室の静電モデルの軸対称図と印加される長さ方向の電界の強度曲線である。 本発明の反応室の電極の詳細を示す図である。 プラズマの異なる動作状態に関する電流／電圧曲線のグラフである。 本発明のある実施形態による受動負荷、共振タンク、及び反応室のモデルの図である。 本発明のシステムの、イオン化を行わない場合とプラズマを利用する場合の２つの領域における周波数の共振応答のグラフである。 本発明のある実施形態による受動負荷、共振タンク、及び反応室のモデルに対応する図である。

好ましい実施形態の詳細な説明
[0034]本明細書に添付の図面を説明することによって、本発明を、それを構成する異なる態様に分けることによって本発明の好ましい実施形態を定義する。

油圧関係
油圧システム
[0035]被処理液体は高圧ポンプを通じて加圧され、これは圧力を反応室の、前記反応室の流入区間への入口において、例えば２～７０バール（ｇ）の範囲に上昇させる。流体の加圧によって、反応室にエネルギが供給されたときにプラズマの生成を可能にする流体力学的状態を生成するのに必要な圧力が提供される。供給圧力は、図２においてわかるように、圧力ゲージを通じて調整される。

[0036]それに加えて、真空ポンプは、流体の蒸気圧に近い値に到達可能な真空レベルを生成するために反応室の排出口に追加できる。真空ポンプの実装により、反応室の入口における、流体力学的状態を生成するのに必要な圧力が低くなる。排出区間内の真空レベルは、図２においてわかるように、真空ゲージを通じて、流体の蒸気圧より高いレベルに調整される。

[0037]最後に、流量は、図２においてわかるように、排出口における流量ゲージを通じて制御される。

[0038]それに加えて、図１は好ましい実施形態による反応室のより詳細な略図であり、その構成要素の幾つか、特にアクティブ部分を明示する。図１はまた、反応室が軸方向のフォーマットに配置されていることを示しており、これは反応室の円筒形の構成により得られる。

反応室内の流体力学的状態の一般的特性
[0039]反応室において、被処理液体は、特に流入区間において乱流高速気液二相流に変換される。前記区間では、反応室内部の圧力は液体の蒸気圧に近い点まで低下する。

[0040]気液二相流の気体部分は液体の部分的蒸発、液体及びプラズマ反応ガスの脱気から生成される。外部気体の注入はない。

[0041]反応室内部の流入区間で生成された気液二相流は、相間の接触面を最大にし、プラズマ生成時にイオン化された気体が流体に与える影響を改善するために、乱流であるという特性を有する。

乱流
[0042]この方法の解釈において、乱流とは、圧力及び速度の高速な空間的－時間的変化を特徴とする不規則な流動領域である。

[0043]気液二相流の乱流は当初、反応室の流入区間に設置できるノズルにより生成され、前記ノズルは反応室内部での乱流の形成を促進するために流れのエネルギを使用する各種のメカニズムのほか、前記効果を高めるのに役立つ、超音速等の外部の能動メカニズムを有することができる。

[0044]ノズル内で生成される乱流が相間の接触面を増大させることができるようにするために、ノズル排出口は、その断面積を増大させることによって反応室へと拡張させられる。現在の設計では、液体体積分率に対する気体体積分率の比は例えば５～７０の範囲であり、それゆえ、相間の大きい接触面を得ることができる。

[0045]０．６ｍｍの絞り部を有するノズルを備える、例えば内径９．８ｍｍの反応器において、気相の体積分率は液相のそれの２７０倍とすることができる。

[0046]それに加えて、１．５ｍｍの絞り部を有するノズルを備える内径２．６１ｍｍの反応器において、気相の体積分率は液相のわずか２倍とすることができる。

圧力降下
[0047]気液二相流の圧力が低いことによって、プラズマの発生が容易となり、気相の電気的降伏電圧が低下する。圧力降下は、反応室内部のその流入区間においてノズルから排出される高速流れを拡張させることによって生じ、これは例えば１５～６０ｍ／ｓの間で変化する速度に到達する。

[0048]圧力降下は流体の部分的断熱蒸発及び部分的脱気を引き起こし、それゆえ反応室の内部空間は、図３に示されるように、反応室の排出口まで乱流気液二相流で満たされる。

気液二相流の凝縮
[0049]反応室の、排出区間に向かう排出口において、気液二相流の凝縮が起こり、気液二相流の速度は非弾性衝突において低下し、運動エネルギが失われ、それによって圧力と密度が上昇する。気液二相流の凝縮ゾーンの後で液相が生成され、液体体積分率に対する気体体積分率は、気液二相流の中の気体成分がイオン化される場合、例えば５０～０．２５へと変化する。凝縮ゾーンの概略図が図３に示されている。

[0050]凝縮ゾーンは反応室の排出ゾーンの中で安定している傾向があり、図３に示されるように、排出口において反応室をより大きい内径を有する管に接続すると、内断面積が大きくなる。

低圧乱流気液二相流の形成のための条件
[0051]反応室内部で気液二相流の低圧状態を保持するためには、流れの、それが反応室から出る前のその凝縮中に低速になるときの運動量の変化による反応力が、排出圧力と内圧との間の圧力差の力より大きい必要がある。

[0052]以下の表現は、力のバランスに基づく満たすべき条件を表す：
Ｆ_{運動量の変化}＞Ｆ_圧力
ΔＶｍ＞Ａ（Ｐ_２－Ｐ_ｖ）。

[0053]式中、ΔＶは気液二相流の凝縮が起こるときの崩壊時の気液二相流の速度変化であり、Ａは気液二相流の凝縮が起こる場所の断面積であり、Ｐ_２は排出圧力であり、Ｐ_ｓは反応室内部の圧力を表す流体の蒸気圧であり、ｍは質量流量である。

[0054]排出区間の直後の反応室の外では、断面積Ａの増大によって、低圧乱流気液二相流の状態を保持するために要求される反応力が急激に増大する。気液二相流の凝縮ゾーンが安定するのはこの点である。

最小動作圧力を設定するためのモデル
[0055]必要な最低供給圧力を設計レベルで評価するために、反応室の内部空間と排出区間との間の圧力差により生じる力のバランスと、流れが反応室の排出区間の直前で低速になるときの運動量の変化に基づいて、モデルを発展させた。

[0056]このモデルの使用によって、液体の加圧に関わる圧力の需要を減らし、送出動作を削減するために、設計を最適化できる。

[0057]以下に、反応室の最小動作圧力を予測するモデルを提示する。

[0058]Ｐ_Ｍｉｎの計算の解釈において、反応室内部の圧力は流体の蒸気圧Ｐ_ｖと考えられる。Ａ_１は反応室の流入区間におけるノズル絞り部の断面積に対応し、Ａ_２は反応室のその中央区間における内断面積である。η_ノズルとη_運動量は、それぞれノズルの効率と軸方向の運動量の効率である。これらのパラメータは経験的に特定される。

最小圧力モデルの評価
[0059]η_ノズルとη_運動量の平均値を使用すると、実験的な方法で得られた予測モデルから得られる結果を既知の反応室の２つの場合で比較し、２０℃の水での流体力学的状態を生成することができる。下表に、モデルに供給するための反応室のパラメータを示す。

[0060]図４の図で、調整されたモデルはこのモデルを使って既に評価した反応室又はプラズマ反応器の場合の最小動作圧力を予測できることがわかる。

ノズル効率の計算
[0061]ノズル効率η_ノズルは、圧力変化の運動エネルギへのエネルギ変換の効率と考えられる。η_運動量は、質量流量と印加された圧力差ΔＰの関数として表現できる。式中、Ａ_１はノズル絞り部の面積であり、ｐ_Ｌｉｑは液体密度である。

[0062]η_ノズルを経験的に計算するために、反応室の動作点を含むノズルに印加される圧力差において掃引を行った。プラズマ反応室の現在の設計では、η_ノズルは例えば０．２～０．９５の範囲である。

軸方向運動量の効率の計算
[0063]軸方向運動量η_運動量の効率は、反応室に沿った流れの軸方向速度の損失による気液二相流の運動量の損失に対応する。このパラメータは、ノズルストリームの形状、使用されるディフューザの種類、及びそれらのアラインメントに加えて、反応室の内壁の長さ、径、及び真円度等の構成上の要素に依存する。この要素は、最小動作圧力の式中のη_運動量を解くことによって実験的に得られる。

[0064]本発明の幾つかの反応室では、η_運動量の値は、その幾何学的特徴及びストリームの形状に応じて例えば０．１０～０．９９で変化する。得られた値によって、既に試行されたものと同様の幾何学的特徴とノズルを有する反応室の設計におけるη_運動量を予測できる。η_運動量の値は、反応室内部の速度の変化及び壁に衝突したときに失われるエネルギ量の指標として使用できる。

送出動作
[0065]現在の設計では、送出動作に関わるエネルギ消費は、必要なエネルギのかなりの部分、例えばシステムの全消費量の１０～８０％を使用する。

[0066]図２に示される高圧ポンプ及び真空ポンプにより形成されるアセンブリの送出動作は、吸引ゾーンにおける真空レベルを増大させると削減できる。

[0067]排出ゾーンでの圧力降下は、図４において評価されたモデルの、送出動作における主な消費である最小供給圧力による圧力需要を縮小するのに役立つ。

[0068]先にＲ２として特定した反応室を使用した具体的な送出動作を、反応室の出口における気泡含有量が例えば１８％の場合に、反応室の最小動作圧力を予測するモデルを使って、排出圧力を供給のそれに関連付けるための圧力の最小需要に基づいて評価するとき。排出口における異なる真空レベルでシステムを動作するのに必要な送出動作を図にすることが可能である。

[0069]図５の曲線において、反応室の出口への排出圧力を流体の蒸気圧より低くすることはできないことがわかる。

[0070]排出圧力を下げた場合、流体力学的状態を低いエネルギ需要で生成できるが、ノズルの流入区間における圧力は、乱流を増大させ、気液二相流の相間の接触面を大きくするために必要な力学的エネルギを有するように十分に高くする必要がある。したがって、供給圧力の低下が気液二相流の相間の接触面を損なわない場合、真空の使用が好都合である。

真空ポンプ
[0071]真空ポンプは、気泡含有量がその体積組成の８５％に到達し得る流れを扱えるべきである。設計要件として、液相を気相とは別に加圧するために、ウォータリングコンプレッサ又は分相器等の技術を使用することが好都合である。

気液二相流のプレコンディショニングゾーン
[0072]プレコンディショニングゾーンとは、気液二相流の液相が反応室の内壁に到達し得るために必要な、流入区間におけるノズル出口からの距離である。

[0073]プレコンディショニングゾーンの後にアクティブゾーンがあり、そこでは気液二相流の気体成分がイオン化される。このようにして、気液二相流と接触する電極の冷却が確実に行われ、ノズルと第一の電極との間の電気的絶縁が改善される。

反応室内部の相間交換面の最大化
[0074]気液二相流の相間の接触面を最大にするために、個別にも又は組み合わせても使用される方法と方略を以下に示す。
ａ．供給圧力の高圧化。圧力を高めることは、より小さい液滴を形成するのに役立つが、送出動作の増大が関わるため、それのエネルギ需要が大きい。
ｂ．ノズルの発散角度の増大。ディフューザは、ノズルの絞りゾーンの前に方向と空洞現象の変化をもたらす乱流を発生させる。ディフューザの使用によって、反応室内のストリームの発散はより広がるが、その使用には、それが霧状の液滴を反応室の内壁に向かわせ、気液二相流の相間の接触面を縮小するため、幾つかの欠点があり得る。発散角度を増大させるために使用される機構の幾つかは以下のとおりである：
ｉ．混合型ディフューザ
ｉｉ．オリフィス板型ディフューザ
ｉｉｉ．複数の穴を有するオリフィス板ディフューザ。
ｃ．反応室の内壁と接触するときの流れの配置を回避するための、反応室内部の流れの乱流を増大させるための要素の組み込み。

電気関係
[0075]乱流気液二相流は、反応室の電極により印加される電界を通じてイオン化され、これは、電位差がアクティブゾーン内の二相性媒質の降伏電圧を超えられることを前提とする。これを実現するために、反応室の形状、電極に印加可能な最大電圧、及び流体の蒸気圧の間に高い依存性がある。この依存性を分析するための簡単な方法は、パッシェンの法則によるものであり、電圧（及びしたがって最大電界）、電極の距離、及び電極の構成条件が同様である場合の気体の蒸気圧の間に、次式で示されるような関係がある。

式中のパラメータ：
Ｐｖ（Ｔ）：温度に依存する流体の蒸気圧を表す。この方法の場合（蒸発は真空により行われるため、水の加熱は不要）、動作温度範囲は約４℃～４５℃であり、したがって蒸気圧は８１３．５Ｐａ～９５９４．４Ｐａの範囲であり、これは気圧よりはるかに低く、このような条件下で動作するように設計された電源により、きわめて広い動作範囲が得られる。パッシェンの法則により、温度が低いほど圧力が低下し、それゆえ、降伏電圧を超えるのも容易となり、それによって電極間距離を増大させることができる。
ｄ_ｅ：電極間距離。構成が一定の場合、これは特定の電圧での最大電界を設定する。距離が長くなると、気液二相流をイオン化するためにより高い電圧が必要となる。
ａ、ｂ：気液二相流による調整と電極及び反応室の構成の両方を考慮した、具体的なモデルのためのパッシェンのモデルの調整パラメータ。
Ｖ_ｂ：これは、気体のイオン化を開始するために電源が原理上発することになる電圧である。

[0076]これらのパラメータを相応に調整することによって、図６に示されるような、電極間の距離（ｄｅ）、蒸気圧、及び電源により発せられる最大電圧の間の相関関係が確立される。

[0077]一般に、電極間距離だけでは前記電圧を推定できない。構成及び誘電係数が電界の生成において非常に重要な役割を果たし、それゆえに、反応室の設計には、最大電界とその分布を推定するための静電シミュレーションを行うべきである。

[0078]図７は、実際の反応室の軸対称シミュレーションを示しており、体積内の電界の分布を観察できる。それに加えて、反応室内部の長さ方向経路を通じた電界の強度のグラフも示される。この情報は非常に有益であり、それは、これによって気体成分のイオン化が始まるゾーンを識別して、気体成分の前記イオン化が正しい位置で行われるのを確実にすることができ、安定したプラズマチャネルを生成するために両電極間に導電経路が生成され得るからである。この特定のケースでは、電界は反応室の中央ゾーンにおいて最大であり、これはまさにプラズマ生成が意図される場所である。

[0079]容量性電極の使用により、電荷を気液二相流に容量的に注入することができ、それゆえ、プラズマの均質化が容易となり、反応室の壁の誘電媒質を分散放電を印加するための媒質として使用することで、図８に示されるように反応室の壁から内部までの分散された電気経路が生成される。この構成はコンデンサに似ていることに気付かれるかもしれず、これは反応室の壁に近いゾーンにおける容量コンパートメントを反映している。この実装により、プラズマの均質化が改善され、反応室の壁に付着する際の液滴の親和力が低下し、反応室内での液相とプラズマとの間の改善された相互作用が得られる。

[0080]気体成分で生成される非平衡プラズマは、例えば０．１４４～７Ｗ／ｍｍ３の範囲のエネルギ密度を有する。

[0081]例えば、１．５ｍｍの絞り部を有するノズルを備え、プラズマ形成のアクティブゾーンの長さが３５ｍｍである、内径２．６１ｍｍのプラズマ反応器を使用した場合、８８０Ｗを使って７Ｗ／ｍｍ３のエネルギ密度に到達できる。

[0082]それに加えて、０．６ｍｍの絞り部を有するノズルを備え、プラズマ形成のアクティブゾーンの長さが５００ｍｍである、内径９．８ｍｍのプラズマ反応器を使用した場合、５００Ｗを使って０．０１３３Ｗ／ｍｍ３のエネルギ密度に到達できる。

[0083]プラズマにより発生される熱は、流れにより排除される。熱を排除するための追加の装置は不要である。

[0084]イオン化の結果としてプラズマが生成されると、それは安定に動作する。このために、図９に示されるように、アーク放電（Ｈ）への遷移を回避するグロー放電（Ｅ－Ｈ）として知られる動作ゾーンで動作するために十分な電流が必要である。

[0085]そのために、電源は２つの異なる動作点で動作できるべきである：
ａ．パッシェンの法則による、気体のイオン化をトリガするのに必要な高電圧且つ低電流点。
ｂ．図９による点Ｅ及びＪ間のグロー放電及び非平衡アーク放電のゾーンにおいてプラズマ動作を保持するための、中程度の電圧及び制御された電流の動作点。

電源の動作
[0086]反応室は、プラズマが生成されていないときに開回路として動作するため、２つの異なる動作点で動作する問題を解決するために、大きな負荷が認められない（プラズマが生成されない）ときにエネルギを蓄積でき、したがって出口において電圧を数倍に高める共振モジュールを組み込んだ電源を設計した。共振器の隣にグロー放電モードで動作するのに必要な電圧と電流を提供する適正な巻数比で設計されたカスケード接続による昇圧変圧器がある。

[0087]図１０は、電源及び反応室の簡略モデルを示しており、これはＬＲ及びＣＲとしてシステムの共振周波数に調整されたＡＣ電源、インダクタンス及び磁化損失の理想的な変圧器（Ｌｋ及びＬｍ）、及びＲＬＣ電荷（Ｒｐ、Ｌｐ、Ｃｐ）として動作中の反応室としてモデル化され、システムには初期変換ステップから供給される。

[0088]このモデルは、前述のどちらの動作モードにおいても、２つの同様の二次応答曲線を有し、プラズマが生成されていないときには（図１１の赤い曲線Ｈｏ（Ｓ））、共振周波数で電圧ゲインの無限漸近線が生成され、プラズマが生成されているときには、抵抗曲線（図１１の青い曲線ＨＩ（Ｓ））に依存する有限ゲインが生成される。

[0089]このようにして、反応室の動作パラメータを調整でき、共振器と昇圧変圧器の両方の構成面が変更される。

[0090]図１２に示されるように、エネルギ供給システムは以下の主要構成要素を含む：
ａ．一定連続電圧源（ＶＤＣ）。
この電圧源はシステムにエネルギを提供し、特定の範囲で電圧に応じてシステムの出力を変更できる。
その基本的動作パラメータは以下のとおりである：
Ｖｏ：電圧源により発せられる連続電圧。
Ｉｏ（ｒｍｓ）：電圧源の出口において測定されるＲＭＳ値としての電流であり、Ｖｏ電圧と共にシステムへの入力電力を計算できる。
ｂ．交流電流の信号中の連続電圧を必要な共振周波数へと変換する反転ステップ。
その基本時の動作におけるパラメータは以下のとおりである：
Ｆｃ：システムの共振パラメータに合わせて調整されるべき切替周波数。
反転ステップで、システムの固有共振周波数で調整する、周波数を自動調整するためのシステムを使用できることは、大きな利点を生じさせる。これは、主としてプラズマ生成前の瞬間と後の瞬間との間で変化する前記共振周波数だけでなく、反応室のインピーダンスを変化させる液体の温度や導電性等の他の要因にもよる。
ｃ．プラズマが生成されないときにエネルギを蓄積し、そのイオン化を実現するために、電圧を徐々に増大させる共振ステージ。
その基本的な動作パラメータは以下のとおりである：
Ｆｒｅｓ：システムの残りの部分との最大結合を得るために選択されるべき共振周波数。
最適結合条件で、最大電圧ゲインが得られ、これはプラズマの安定性につながる。システムの周波数が共振周波数から大きくずれると、システムはプラズマ生成における安定性を失う。
Ｕｍａｘ：共振器に保存される最大エネルギ。理想的な共振器のモデルではエネルギの無限蓄積が可能であるが、現実には、インダクタ及びコンデンサがどちらも最大の動作電圧及び電流を有し、これを超えるとそれらが破壊されかねない。保存されるエネルギの量は、反応室の安定性要件と必要な最大電圧に依存する。
相互に電気的に絶縁された複数のストランドの撚線（Ｌｉｔｚワイヤ）を使用することによって、「表皮効果」によって生じる損失を減らすことができ、それは、５０ｋＨｚの周波数で銅製ストランドを使って動作する場合、表皮効果の深さは約２９２ｕｍとなるからである。
反応室に接続された電圧信号の共振周波数Ｆｒｅｓを高める場合、プラズマの生成は電極の誘電放電部分において改善され、これは、前記部分では、容量性挙動を有することによって、そのインピーダンスが周波数の増大と共に減少し、それによって電力を反応室内部によりよく伝達できるからである。
ｄ．すでに開始している場合のプラズマの安定した動作を可能にする巻数比を有する変圧器。
その基本的動作パラメータは以下のとおりである：
Ｎ１／Ｎ２：巻数比。
巻数比が同じままでＮ１とＮ２の両方の巻数が多くなると、変圧器の第一及び第二段階の磁気結合が改善され、それによってより高い電力伝達が可能となる。プラズマが生成されると、それはより高いレベルの瞬時電流を必要とし、それが、変圧器結合の設計の中でこの現象を考慮すべき理由である。
巻数比が低い（高い昇圧）と、プラズマ反応室に送達される電流を調整し、制限でき、放電がグロー放電領域内に保たれる。電流を制限することによって、反応室に送達される電力の最大量もまた制限され、それが、グロー放電領域に影響を与えることなく、所望の電力を提供するためには適当な巻数比を選択すべき理由である。
Ｌｋ：漏れインダクタンス。
Ｌｍ：磁化インダクタンス。
Ｖｐ：変圧器の一次側の電圧。
Ｉｐ：変圧器の二次側の電流。
漏れインダクタンスと磁化インダクタンスは何れも変圧器の一次側の巻数と共に増大し、これが、プラズマが生成されるときのシステムの共振周波数のドリフトがより小さくなることにつながる。
ｅ．プラズマが生成されているか否かに応じて可変的な負荷を有する反応室は、ＲＬＣシステムとしてモデル化でき、これは、それが構成要因による誘導及び容量性挙動を示すことができるからである。
その基本的動作パラメータは以下のとおりである：
Ｒｐ：抵抗構成要素はその動作のためにプラズマを放散させるエネルギ消費に対応する。
Ｌｐ：誘導構成要素はプラズマ中央チャネルにより生成される効果に対応する。
Ｃｐ：容量構成要素はほとんど、「容量電極」の効果に関連し、これは電界を増大させるが、流体と直接接触しない。

[0091]本発明を構成する態様の組合せを考え、その好ましい実施形態及び提示された設計上の検討事項によれば、エネルギ面で効率的であるだけでなく、例えば汚染水の処理においても有効な、連続する流れにある液体処理のための方法及びシステムで動作する反応室が得られる。

用語集
気泡：液体中に溶解しない気体。
気液二相流の凝縮：気液二相流と排出口の液体流れとの間の遷移であり、二相性流体は液相との非弾性衝突で低速になり、移動量の変動を反応室の外の液相を駆動する圧力に変換する。
気体－液体体積分率：気体部分の体積と液体部分の体積の割合。
液相：液体体積部分が気体体積部分よりはるかに大きい割合で溶解した気体と気泡を含む液体。
気液二相流：気体体積部分が液体体積部分よりはるかに大きい割合で溶解した気体、蒸気、気泡、及び懸濁液滴を含み、圧力が大気圧より低く、液体の蒸気圧より高い流体の流れ。
反応室：流入口を通じて高圧の液相の流体を受け取り、それを加速させ、それを霧状にし、ノズルを通じてその圧力を減速させ、それを気液二相流に変換し、それを電極を通じた電界の印加によってイオン化し、それを液相に凝縮させて、それを排出口から排出する装置。
乱流：圧力と速度の高速空間的－時間的変化により特徴付けられる不規則的な流れ。
ノズル：その入口と排出口との間の圧力の差によって流れの速度を高め、圧力の形態の力学的エネルギを運動エネルギに変換する要素。
降伏電圧：気液二相流内の電界を、誘電容量を破壊して、それをイオン化し、それゆえプラズマ生成を開始できるように増大させるのに必要な電圧。
部分的断熱蒸発：流れが、その飽和圧力より低いレベルへの圧力降下にさらされ、それによって強制的に部分的に蒸発させられる。これは断熱プロセスであるため、蒸発は液体の内部エネルギを使用する。
非弾性衝突：運動エネルギが保持されず、物体の速度が等しくなり、それゆえシステムの同じ量の運動量が保たれるような種類の衝突。
非平衡プラズマ：１０Ａ未満の励起電流で、大気圧より低い圧力において生成される低電流高電圧のプラズマの種類であり、以下の種類のプラズマの形成が含まれる：グロー放電、異常グロー放電、及び非熱アーク放電への遷移。
電流制限器：電荷へと循環可能な電流の最大量を制限する装置。この装置は、定常自動調整システムの形態の受動型又はフィードバックコントローラの形態の能動型とすることができる。

Claims (25)

1. 連続する流れにある液体の処理の方法であって、
   ａ．少なくとも１つのノズルにより、乱流状態で液体の流れを加圧し、反応室に向かって加速させるステップと、
   ｂ．前記反応室内で前記反応室の少なくとも１つの流入口を通じて前記液体の流れを受け取り、前記液体の流れを前記反応室の流入区間へと向かわせるステップと、
   ｃ．前記流入区間において前記液体の流れを気液二相流に変換するステップと、
   ｄ．前記少なくとも１つのノズルにより、前記気液二相流を前記反応室の中央区間へと向かわせ、前記中央区間において電界が印加され、前記気液二相流が前記反応室の前記中央区間における内壁に接触するようにするステップであって、前記反応室における軸方向の運動量効率の値は０．１０～０．９９であるステップと、
   ｅ．前記中央区間を通過する前記気液二相流の気体成分を、前記気液二相流と前記印加される電界との間の相互作用の結果としてイオン化するステップと、
   ｆ．前記反応室の前記中央区間にわたって非平衡プラズマを生成させるイオン化領域を保つステップであって、前記イオン化領域は、前記中央区間において印加される前記電界を制御することによって保たれるステップと、
   ｇ．前記イオン化領域での前記気液二相流を、前記反応室の、前記電界が印加される前記中央区間から離れた排出区間へと向かわせ、前記気体成分の脱イオン化を生じさせ、前記気液二相流の速度を低下するようにし、前記気液二相流が凝縮するステップと、
   ｈ．前記排出区間から前記反応室の少なくとも１つの排出口を通じて処理済みの流体を排出するステップと、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記乱流状態で加速される前記流体の流れは、前記反応室の前記流入区間における圧力降下を生じさせ、前記気液二相流は、前記気液二相流を形成する相の間に大きい接触面を有することを促進することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記液体の流れを前記気液二相流に変換する前記ステップは、処理される前記液体中に溶解している気体の部分的放出及び前記溶解している気体の部分的蒸発によって促進されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記中央区間は、前記中央区間内で印加される前記電界を生成するために放電する少なくとも１対の電極を含むことを特徴とする、請求項１～３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記気液二相流においてプラズマの放電を得るステップは、前記電極間に、前記気液二相流の気相の降伏電圧を超える強度の電界を印加することを含むことを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 前記電界は前記電極間の電位差によって生成され、前記電位差は少なくとも１つの高周波電源により印加されることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記非平衡プラズマを生成する前記イオン化領域を保持する前記ステップは、前記電極を通じて循環する電流を制限するための電流制限器の使用を含むことを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 前記電流制限器は、前記電位差を印加する前記少なくとも１つの電源に組み込まれることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. プラズマの状態で前記気液二相流を前記反応室の前記排出区間へと導くことは、前記気液二相流を液体の流れに再変換することを含むことを特徴とする、請求項１～８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記プラズマのエネルギ密度は０．１４４～７Ｗ／ｍｍ^３であることを特徴とする、請求項１～９のいずれか１項に記載の方法。
11. 液体処理のための反応室であって、
    前記反応室内で処理される液体の流れがそれを通じて受けられる少なくとも１つの流入口であって、前記液体の流れは加圧される、少なくとも１つの流入口と、
    前記被処理液体の流れが気液二相流に変換される流入区間と、
    前記反応室内部で電界を印加するように構成された中央区間であって、前記中央区間を通過する前記気液二相流の気体成分をイオン化し、イオン化領域を保持するために、印加される前記電界を制御することによって前記中央区間にわたって非平衡プラズマを発生させる、中央区間と、
    前記電界を有する中央ゾーンの隣の排出区間であって、前記気体成分の脱イオン化が生じ、前記気液二相流の速度が低下させられ、その結果、前記気液二相流が凝縮する、排出区間と、
    前記排出区間を通じて処理済み液体の流れが排出される排出口と、
    を含み、
    前記反応室の前記流入区間は、乱流状態で前記液体の流れを加速させ、前記気液二相流が前記気液二相流を構成する相の間により大きい接触面を有することを促進するように配置された少なくとも１つのノズルを含み、
    前記少なくとも１つのノズルは、前記乱流状態で前記気液二相流の一部を前記反応室の、前記反応室の中央区間における内壁に向かって主に向かわせ、
    前記反応室の軸方向の運動量効率の値は０．１０～０．９９である
    ことを特徴とする反応室。
12. 前記ノズルは、前記反応室の内側へと広がる排出区間を、前記ノズルの前記排出区間の断面積が増大するようによって含み、前記反応室の前記流入区間内の圧力降下を生じさせることを特徴とする、請求項１１に記載の反応室。
13. 前記ノズルは、前記液体の流れを１５～６０ｍ／ｓの速度に到達させるために加速させることを特徴とする、請求項１１又は１２に記載の反応室。
14. 前記中央区間は、前記中央区間に印加される前記電界を生成するために放電する少なくとも１対の電極を含むことを特徴とする、請求項１１～１３のいずれか１項に記載の反応室。
15. 前記電極間の前記電界の強度は、前記気液二相流の気相の降伏電圧を超えることを特徴とする、請求項１４に記載の反応室。
16. 連続する流れにある液体の処理のためのシステムにおいて、
    処理のために流体の流れを受けるように配置された、請求項１１～１４のいずれか１項に記載の少なくとも１つの反応室と、
    前記反応室の前記中央区間において印加される前記電界を制御することができ、前記電極を通じて循環する前記電流を制限する少なくとも１つの電流制限器と、
    を含むことを特徴とするシステム。
17. 処理される前記流体を前記反応室に入る前に加圧し、流体圧力を２～７０バール（ｇ）の範囲に上昇させるために、前記反応室の上流に少なくとも１つの高圧ポンプを含むことを特徴とする、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記反応室の前記少なくとも１つの高圧ポンプと前記少なくとも１つの流入口との間に設置され、前記反応室の供給圧力を制御するための圧力ゲージを含むことを特徴とする、請求項１７に記載のシステム。
19. 前記反応室の前記少なくとも１つの排出口において真空レベルの圧力を生成するための前記反応室の下流に設けられる少なくとも１つの真空ポンプを含み、前記真空レベルの圧力は前記液体の蒸気圧に近い値に到達することを特徴とする、請求項１６～１８のいずれか１項に記載のシステム。
20. 前記反応室の前記少なくとも１つの排出口と前記少なくとも１つの真空ポンプとの間に設置され、前記反応室の前記排出区間内の真空レベルの圧力を制御するための真空ゲージも含むことを特徴とする、請求項１９に記載のシステム。
21. 前記処理済み液体の流量を制御するための、前記反応室の下流に設けられる流量ゲージを含むことを特徴とする、請求項１６～２０のいずれか１項に記載のシステム。
22. 前記システムは、少なくとも１つの高周波電源を含み、前記電界は、前記反応室の前記中央区間内の少なくとも１対の電極間の電位差によって生成され、前記電位差は前記少なくとも１つの電源により印加されることを特徴とする、請求項１６～２１のいずれか１項に記載のシステム。
23. 前記電流制限器が、前記電位差を印加する前記少なくとも１つの電源に組み込まれることを特徴とする、請求項２２に記載のシステム。
24. 前記反応室の前記排出区間内の前記少なくとも１つの排出口は、前記排出口より大きい断面積を有する少なくとも１つの導管に接続され、前記少なくとも１つの導管によって前記気液二相流の液相への再変換を容易にすることを特徴とする、請求項１６～２３のいずれか１項に記載のシステム。
25. 直列又は並列に相互に接続される２つ又はそれ以上の反応室を含むことを特徴とする、請求項１６～２４のいずれか１項に記載のシステム。

Images