JP4615079B2

JP4615079B2 - 塔方式の気液接触装置

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Publication number: JP4615079B2
Application number: JP33832199A
Authority: JP
Inventors: 洋一下井; 太起夫安達
Original assignee: Tsukishima Kankyo Engineering Ltd
Current assignee: Tsukishima Kankyo Engineering Ltd
Priority date: 1999-10-25
Filing date: 1999-10-25
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2019-10-25
Also published as: JP2001120982A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明の気液接触装置は、気体（ガス）と液体とを接触させる際に、液量に比べてガス量が少ない場合、いわゆる気液比が小さいときに効果的で、種々の産業における各種分野に適用することができる。
すなわち、本発明の装置は、基本的な要素技術である気液接触を効率的に行うものであり、例えばガス中の成分を液側に吸収させたり、液中の成分をガス側に放散させる場合や、ガス中の成分を液側に吸収させると同時に液中の成分をガス側に放散させる場合、さらには気液接触による反応装置として用いることができる。
具体的には、オゾン水特に高濃度オゾン水の製造に使用し、得られたオゾン水は、電子工業分野におけるシリコンウエハー、液晶の洗浄、食品分野における製造装置や機具の殺菌や、野菜類、医療機器、プール水等の殺菌等に用いることができる。また、オゾンガスとの気液接触反応では、水中の有機化合物の酸化分解、廃水中のＣＯＤ物質の酸化分解、着色廃水の脱色、パルプ工業におけるパルプの漂白等に適用できる。
さらには、排水中の有機物質等の放散除去、例えば廃水からのクロロホルム、ベンゼン、トルエン、キシレン等の除去、臭気廃水からの硫化水素、メチルメルカプタン、ジメチルサルファイド等の臭気物質の除去・低減や、飲料水、ボイラ水、炭酸水等からの酸素除去、液中への炭酸ガス等の溶解等に利用できる。
【０００２】
【従来の技術】
気液接触装置としては、スプレー塔、ぬれ壁塔、充填塔、トレー塔（以下このような様式を塔式気液接触装置と称する）、エジェタター、気泡槽、スタティックミキサー（以下このような様式を気泡式気液接触装置と称する）等が知られており、代表的なものは充填塔てある。従来においては殆どの場合、充填塔はガスを処理するため、多くはガス洗浄の目的で用いられてきた。例えば、排煙脱硫に代表される大気汚染の防止方法は、ガス洗浄の典型的な例である。このような場合には、いかに被処理ガスを大量に処理するかが、設計上の重要な因子となる。しかしあまりガス量が多いと液が降下しなくなる現象、いわゆるフラッディングを起こすことと、ブロワーの動力費がかかるため、適切なガス負荷が選定される。この値としては、密度補正した空塔ガス速度ｕで表わすと、一般にｕ＝１〜２ｍ／ｓｅｃのガス速度が採用されている。
【０００３】
一般にガス速度Ｕとは、充填塔が空の状態でガスが通過する速度であり、充填物が占める容積を差し引いた容積、すなわち空間率とは無関係なものである。
また、ガスの中には、水素（分子量＝２）のように軽いガス、空気（分子量＝２９）のように普通のガス、塩素（分子量＝７１）のように重いガスに至るまで、密度（ρ）の異なる各種のガスが存在する。充填塔で扱う最も一般的な空気やスチームにおいても、圧力や温度によって密度は大きく異なってくる。このように密度の異なる各種のガスを、一様にガス速度Ｕで表示しても、それが持っている運動エネルギーは異なってくる。
このため、同一運動エネルギーを有するガス速度を表示するには、下記（１）式で定義されるガス密度を補正したガス速度ｕが用いられ、ｕで表示すれば密度に関係なく運動エネルギーは一定である。（１）式中の１．２という数字は、常温、常圧の空気密度１．２ｋｇ／ｍ^３を表し、これを用いて密度を無次元化することにより、種々の密度のガスを、常温、常圧空気に換算したガス速度として表示することが可能となる。

【０００４】
前述した従来の塔式の気液接触装置では、密度補正した空塔ガス速度ｕとしてｕ＝１〜２ｍ／ｓｅｃのガス速度が採用され、それよりもガス量の少ないケースには、０．１＜ｕ＜１ｍ／ｓｅｃの条件では経済的理由から、また、ｕ＜０．１ｍ／ｓｅｃの条件では性能的理由から、いずれも適した装置とは言えないものであった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、ガス量の少ない気液接触操作において、効率的に気液接触を行うことができる装置を提供するものである。そして、本発明の装置は、各種用途における気液接触操作に適用することが可能な基本的なものとすると共に、構造的には簡易な装置とすることを意図したものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、塔の上部に被処理液の導入口と排ガスの出口、該塔の下部にガスの導入口と気液接触後の被処理液の取り出し口を備え、その間にガス逆流防止板で仕切られた充填層を二つ以上設け、前記ガス逆流防止板は、液孔を設けた一枚の板に、中空でガスを通すガス孔が貫通したガスライザーを複数本設けて、前記液孔を前記ガスライザーのガス孔の開口よりも大きくしたものであって、ガス逆流防止板の設置間隔Ｈが２ｍ以下で、前記設置間隔Ｈと塔径Ｄとの比Ｈ／Ｄが５以下を満足し、ガス逆流防止板におけるガス孔の開口率が、ガス孔全面積として塔断面積の５％以下とした被処理液と導入したガスとを向流接触させる塔方式の気液接触装置である。
本発明の気液接触装置では、ガス逆流防止板で仕切られた空間内に設置される充填層に代えて、ぬれ壁構造としてもよい。
そして、前記の充填塔方式の気液接触装置では、密度補正した空塔ガス速度（ｕ）としては０．１ｍ／ｓｅｃ以下であることが望ましい。ガス密度で補正した値ｕは、充填物の圧力損失を表示するために用いられる数値でもあるが、本発明の主題である少量のガスが液によって充填塔の中を上下に混合される程度を表す指標ともなり、前記の（１）式で定義されるｕとして０．１ｍ／ｓｅｃ以下のガス量では、ガスの上下方向での混合割合が大きくなるためである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
従来の気泡式気液接触装置で、ガス量の少ない場合に低効率となる理由を考察すると、以下のような理由が考えられる。
これまでの気液接触装置でガス量の少ない場合、例えば低濃度のオゾン水製造等には、気泡が細かくでき、装置としてコンパクトであることから、エジェクターや気泡槽等の気泡式気液接触装置が多用されている。しかし、従来の気泡式気液接触装置では、並流もしくはタンクフローで、いずれも一段操作であること、および気泡が分散相のため物質移動速度（Ｋ_Ｌａ）が小さいために、ガス量の少ない場合には性能を低下させる原因となっていた。
ガスが水に溶解する場合、気泡界面積を通してガス側から液側にガスが移動し、吸収が起こる。これは物質移動速度（Ｋ_Ｌａ）という数値で定量化される。
この数値のａが気泡界面積であり、気泡面積を増大させることはＫ_Ｌａを増大させることを意味する。気泡槽やエジェタターの設計にあたってはいかに細かい気泡を形成させるか、すなわちいかに大きなＫ_Ｌａの装置を設計するかということに留意されていたが、ガス量が少ないケースでは元々気泡の絶対量が少ないため、気泡をどのように細かくしてもガスの吸収率を増大させることは困難である。
【０００８】
第二の理由は、気液平衡の問題である。
水中のガス濃度と気体中の特定ガス濃度の間には気液平衡が成立しており、その関係はヘンリー則という関係で表示できることは周知の通りである。
例えばオゾン水中のオゾン濃度が１ｐｐｍから１０ｐｐｍと１０倍になった場合を考えると、水中のオゾン濃度が１０倍になれば、ガス中のオゾン濃度もヘンリー則に従って１０倍になるが、気泡槽やエジェタターは一段処理で一過性であるから、ガスは水中のオゾン濃度に平衡な状態で排出され、オゾン水におけるオゾン濃度が高くなる程、排出されるガスの割合も増加することになり、全体としてのオゾンの吸収率（回収率）は悪化する。
しかし、平衡濃度に達するためにはＫ_Ｌａが無限に大きい装置が必要であり、実際は平衡値にすら達することができないため、オゾン等のガスの回収率は理論値よりさらに小さくなることが実装置のデータから観測される。
【０００９】
気泡槽やエジェクターは、前述のごとくガス量が少ない場合には、良好な気液の接触効率を期待することが難しい。このため、相を入替えてガスを連続相とすると、液の回りは常にガスで充満していることになり、Ｋ_Ｌａを増大させることが可能となる。
このガスが連続相となっている装置の代表例は充填塔である。充填塔で気液接触操作を行うと塔内はガスで満たされ、その中を液が分散相として降下してくる。この様にするとガスを吸収させるための気液界面積を増大させることができる。
充填塔は向流操作が可能で、ガスが連続相を形成することができるために、ガスの吸収や放散には適した方法と考えられるが、充填塔を用いる場合には別の問題が生じてくる。
すなわち、ガス量が少ない場合には、ガスの液による巻き込み現象、バックミキシングによる逆混合現象が生じ、向流操作の実現が難しかった。
【００１０】
この逆混合現象は、充填塔をマルチベンチュリーとして考えると理解が容易である。エジェクターまたはベンチュリーという装置は、実験室ではアスピレーターとして知られているが、これらは全て同一原理、すなわちベルヌーイの定理で知られ、高速の流体が負圧を生じさせるという原理を応用した装置である。
一般の充填塔操作ではガス速度が１ｍ／ｓｅｃ以上であり、このようなガス量ではガスの運動エネルギーが大きいために、ガスの液による巻き込み現象は存在するものの相対的に無視できる程小さく、事実上ピストンフローとして流れ、向流操作を実現することが可能となる。ところがガス量が少なく、ガスが静止状態に近いかまたはガス速度が遅い場合には、ガスは液により巻き込まれて、液の動きに伴って共に下方に移動するようになる、これがバックミキシングである。これによつて、上下方向のガスの濃度差が非常に小さくなる。
【００１１】
向流操作は、物質移動とか熱移動等において推進力を大きくするための重要な操作であるが、逆混合現象が生じると、この向流が阻害されて気液接触の効率を低下させる。
本発明では、塔内にガス逆流防止板を設置することで、低ガス流量においても気液接触操作における向流操作の阻害要因であるバックミキシングを防止することに成功した。
塔を用いた気液接触操作における液の巻き込み現象、すなわちバックミキシングを阻止するために、液の降下する孔（液孔）とガスが上昇する孔（ガス孔）とを設けた板（ガス逆流防止板）を、塔の途中に挿入するようにした。ガス孔は通常液面から上に突き出るように細孔が開けられている。ガスは圧力を持って吹き出ているので、液は細孔を避けて液溜りに降下していく。液は一旦ガス逆流防止板の上に溜まった後、ガス逆流防止板に開けられた液孔を通ってさらに下層の充填層に降下していく。この時ガスも液も均一に分散されるよう孔の間隔は例えば１００ｍｍピッチ程度で開けられる。
【００１２】
ガス逆流防止板の孔径の設計をする場合、液孔に関しては細すぎると液面が上昇し、充填物を液に浸すため、充填層を構成している有効充填物表面積の減少、すなわち性能低下をもたらし、大きすぎると液面が低くなりすぎ、液の均一分布に支障をもたらす。これは塔径が大きくなると塔の多少の傾き、水平度が影響を及ぼし、塔の反対個所では液深に差異を生じるようになる。この時に液深が深い場合には、その影響は僅かとなるが、浅いと液の偏流の原因となるためである。
【００１３】
一方、ガス孔に関しては、細すぎると圧力損失が大きくなり、結果として液面がその圧損に打ち勝つまでに上昇することになり、液孔を細くしたのと同様に、充填物を液に浸すため、有効充填物表面積の減少、すなわち性能低下をもたらすことになる。反対にガス孔が大きすぎるとその孔を通して液が降下し、ガスを巻き込むためガス逆流防止板の効果を阻害する。
また、ガス孔はガスライザーを設置して、ガスが均一に充填層に分散され、液との良好なる接触を行うようにすることが望ましい。ガス孔の開口する方向は、ショートパスを避けて、充墳層全体での気液接触に悪影響を及ぼさないように配慮する。
【００１４】
本発明の塔方式の気液接触装置を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明装置の基本的な構成を示す説明図である。塔１の中には、ガス逆流防止板２で仕切られた充填層３が二つ以上設けられている。塔１の上部には、被処理液の導入口４と排ガスの出口５、該塔の下部には、ガスの導入口６と気液接触後の被処理液の取り出し口７が配置されている。
ガス逆流防止板におけるガス孔の開口率は、バックミキシングを阻止し、気液接触の効率をよくするために、塔断面積に対するガス孔全面積として５％以下とする。
塔１の上部に設けられている被処理液の導入口４から塔内に導入された被処理液と、該塔１の下部にあるガスの導入口６から導入したガスとを、塔内の充填層３を通過させ向流接触させるものである。
尚、塔内の圧力を増大させるとガスが液体に溶解しやすくなることは、よく知られていることであり、本発明の装置を用いて気液接触を行う場合に、加圧してもよいことは当然である。
【００１５】
ガス逆流防止板として最も簡単なものは、平板に孔を開けた形式のオリフィス板が考えられるが、オリフィス板の場合には、ガスと液の通るところが同じため、液とガスの分散が不確実になり易いので、本発明で用いるガス逆流防止板としては、分散を確実にするために、ガスライザーを設置して、ガスはガスライザーを通して上昇させ、液は液孔から下降するようにする。このようにガスライザーを設けたガス逆流防止板の一例を図２に示す。図では液孔１２を設けた板１０に、ガスライザー１１を複数本設けてある。ガスライザーは中空で、ガスを通すように直径数ｍｍの孔が貫通している。液を通すための液孔１２は、ガスライザーの開口よりもやや大きくするが、これらの数値は固定的なものではなく、本装置の使用目的や使用条件によって適宜選定すればよい。
【００１６】
ガス逆流防止板としては、ガス逆流防止板が、一枚の板にガス孔と液孔とを備え、それ自身が充墳物を支持する支持板の役割を兼ね備えている様式であっても、一枚の板にガス孔と液孔とを備え、前記ガス逆流防止板とは別の支持板により充填物を支持している様式であってもよい。
ガス逆流防止板におけるガス孔が液孔より高い位置にあり、かつ液面より上に位置し、ガスの噴き出し方向としては、ガスが均一に充填層に分散され、液との良好なる接触を行うように設計することが望ましい。
【００１７】
尚、塔１の上部にある被処理液の導入口４と最上部の充填層の間には、充填層が多い場合にはガス逆流防止板を設けなくともよいが、図１のガス逆流防止板２’のごとくに他の個所と同形または異なる形のものを設けておくことが望ましい。この部分は、充填層の表面に被処理液を均一に散布供給するためのものであり、他の一般的な液分散器で代替することも可能である。
【００１８】
充填層は二つ以上設置し、その数が多い方が効率としてはよくなるため、５段以上、好ましくは８段、より好ましくは１０段以上とすることがよい。図３に充填層を８段設置した本発明の装置の外観図を示した。設置する充填層の段数についての上限は基本的には存在しないが、装置の使用目的、設置場所の条件や経済性によって決定すればよい。
充填層を形成する充填物としては、不規則充填物であっても規則充填物であってもよく、ガス逆流防止板によって区分された塔内の空間部に可能なかぎり密な状態で充填される。
充填物は前述のように、ガス逆流防止板２の上に載せてもよいし、ガス逆流防止板とは別の目皿やサポートグリッドなどで支持するようにしてもよい。
【００１９】
本発明の気液接触装置では、ガス逆流防止板で仕切られた空間内に設置される充填層３に代えて、ぬれ壁構造としても同様の効果を発揮することができる。
本発明でいうぬれ壁構造とは、既存のぬれ壁塔の内部の構造と同じように、熱交換器のように多数のぬれ壁管を管板に取り付けた構造の部材である。例えば図４に示すように、管板１５に垂直円管からなるぬれ壁管１６を取り付けたもので、塔１内では、被処理液はぬれ壁管１６の内壁に沿って液膜状に流下し、管の内側を上昇するガスと向流接触させるものである。
【００２０】
ガス逆流防止板の上下方向の間隔を、どの程度に設置するかも性能を決める上で重要な要素である。
通常の充填塔の液再分散器は、充填層高さＨと充填塔の塔径Ｄとの比率Ｈ／Ｄが５以上、もしくは充填層高さＨ１０ｍ以下の数値を満足するような間隔で設置されている。しかし、このような長い間隔ではガス量の少ない操作においては、ガスの逆流が生じて効率の低下を招くため、本発明の装置では、なるべく狭い間隔でガス逆流防止板を設置する。一方あまりガス逆流防止板を設置する間隔が狭いと、ガス逆流防止板上に滞留する液の液深で充填物が漬かり、効率がかえって悪くなるうえ、設備費もかかることになる。このため、本発明では、ガス逆流防止板の間隔は、ガス逆流防止板の設置間隔Ｈが２ｍ以下で、ガス逆流防止板の設置間隔Ｈと塔径Ｄとの比Ｈ／Ｄが５以下を満足するように設置する。ガス逆流防止板の間隔は、充填塔の塔径によっても異なってくるため、本発明ではＨ／Ｄが５以下、好ましくは３前後の間隔で設置を行うようにすることが望ましい。例えば充填塔の塔径が２００ｃｍΦであれば、ガス逆流防止板の間隔は４０ｃｍ程度であり、塔径が大きくなるに従って、間隔を離すようにする。例えば塔径が３００ｃｍΦになれぱ、６０ｃｍから１５０ｃｍの間隔で設置する。しかし、設置間隔が２００ｃｍを越えないようにする。
【００２１】
本発明で使用するガス逆流防止板に外見上似た装置として、蒸留に用いられるトレーと充填塔に用いられる液再分散器とがあるが、本発明に用いられているガス逆流防止板とは次の点で異なるものである。
まず、トレーであるが、ガスの逆流を防止する機能としては本発明と同様であると考えられる。しかし、トレーは基本的には気泡槽を垂直方向に並べたものであり、ガスは連続相ではなく分散相となって、トレー上に溜まった液の中を泡鐘から気泡となって吹き出し液中を上昇し、その間に物質移動が起こる。ガス（蒸気）量の大きな操作においてはトレーは有効であるが、本発明の対象となっているガス量の小さな操作では、気泡槽と同様にＫ_Ｌａが小さいため、物質移動は極めて緩慢となり、いたずらにトレーの段数を増やさなくてはならず実用的ではない。従ってトレーと、本発明のガス逆流防止板とは異なる装置である。
【００２２】
また、充填塔に用いられる液の再分散器（液再分散器）も、ガス逆流防止板と良く似た形状をしているが、これは充填層を流れ落ちる液が降下するに従って壁に偏ったり、均一でなくなった液を再び集めて、均一に再分散し、充填塔の機能を維持しようとするものであり、設置されている目的が相違している。
従って、液再分散器では、本発明と設置間隔等が異なっている。
本発明ではガス逆流防止板をもっと狭い間隔、すなわちガス逆流防止板の設置間隔Ｈが２ｍ以下で、塔径Ｄと前記設置間隔Ｈとの比Ｈ／Ｄが５以下を満足する範囲で設置するようにする。また、ガス孔の全面積の塔断面積に対する割合（ガス孔の開口率）も、液再分散器では１０〜２０％以上必要であるのに対して本発明では５％以下、好ましくは３％以下であり、液再分散器のガス孔の径も８０〜１００ｍｍであるのに対して、本発明の場合には１０ｍｍ以下である。このように目的の相違が、ガス孔開口率等の数値の相違となって表れていることが判る。
【００２３】
【実施例】
本発明装置の使用例として以下にいくつかを例示し、その詳細を説明する。
１）オゾン水の製造
オゾン水は、最近水道水やプールの殺菌、食品の殺菌等に用いられるようになったが、いずれも１ｍｇ／ｌ（以下ｐｐｍとして表示する）程度の低濃度のオゾン水として製造されることが多かった。このように低濃度のオゾン水を製造する場合には、気泡槽やエジェクターを用いても、実用上支障があるわけではなかった。
しかし５ｐｐｍを越えるような高濃度オゾン水の需要が増えるに従って、これまでの気泡槽やエジェクターをそのまま用いるとオゾンの利用率が極端に悪くなり、例えば１５ｐｐｍの高濃度オゾン水を製造する場合には、吸収されたオゾン、すなわち回収オゾンは僅か１０％程度で、供給されたオゾンの９０％程度が放出された。また、野菜類の殺菌に用いる８ｐｐｍの高濃度オゾン水を製造する場合の回収率は１９％であった。
【００２４】
最初に、従来の気泡式気液接触装置としてエジェクターを選び、その理論回収率と、実測値の説明を行う。
１０ｐｐｍのオゾン水を、水温２０℃と５℃の条件で製造する場合の理論回収率を計算する。但し、装置へ導入する入口オゾンガスの濃度は１００ｇ／Ｎｍ^３とした。
２０℃、５℃に対するオゾンの水に対するヘンリー定数（Ｈ）は、夫々Ｈ＝３７６０、Ｈ＝２１８０（ａｔｍ／ｍｏｌｆｒ）である。
液相オゾン濃度ｘ＝１０ｍｇ／ｌ＝３．７５ｍｏｌｐｐｍに対するガス相オゾン濃度ｙ（ｍｏｌｐｐｍ）は（２）式で表される。
ｙ＝Ｈｘ（２）
上記の（２）式とヘンリー定数から以下のようになり、
ｙ＝３７６０×３．７５×１０^−６×１０^３×４８／２２．４＝３０ｇＯ_３／Ｎｍ^３（２０℃）（３）
ｙ＝２１８０×３．７５×１０^−６×１０^３×４８／２２．４＝１７．４ｇＯ_３／Ｎｍ^３（５℃）（４）
入口ガス中のオゾンガス濃度Ｉ００ｇＯ_３／Ｎｍ^３に対して、水温２０℃の場合の出口におけるオゾンガス濃度は３０ｇＯ_３／Ｎｍ^３である。全ガス量（Ｏ_３＋Ｏ_２）＝イナートガス量（Ｏ_２）の関係が概略成立するので、イナートガス１Ｎｍ^３当たりの水に溶解したオゾン量は１００−３０＝７０ｇであり、理論的なオゾン回収率は７０％となる。
水温２０℃で１０ｐｐｍのオゾン水を製造したときのオゾン回収率の実測値は１５％で、前記の理論回収率７０％と比べかなり小さな値となっており、少量の気泡を短時間接触させるだけのエジェクターの場合にはＫ_Ｌａ値が非常に小さいコンタクターであるかが判る。
同様に１ｐｐｍ〜３０ｐｐｍのオゾン水を製造する場合の理論回収率および実測値を比較して表１にまとめて示した。
【００２５】
【表１】

【００２６】
表１からは、温度（水温）が高いほど、またオゾン水のオゾン濃度が高いほど、オゾンの理論回収率は小さくなることが判る。
また、１０ｐｐｍ（＝１０ｍｇ／ｌ＝１０ｇ／ｍ^３）のオゾン水を製造する場合を例にあげると、オゾンガス濃度を１００ｇ／Ｎｍ^３として、液１００ｍ^３／ｈｒに対して、必要全ガス量は１０Ｎｍ^３／ｈｒである。この場合の液負荷５０ｍ^３／ｍ^２ｈｒとすると、ガス速度はＵ≒ｕ＝０．００１４ｍ／ｓｅｃであり、通常の充填塔のガス速度ｕ＝１ｍ／ｓｅｃに比べて１／１００以下の極めて小さな値になっていることが判る。この場合オゾンガスの残りのガスつまりイナートガスは、通常空気か酸素であり、１気圧の場合はＵ＝ｕと考えて差し支えない。また例えば２気圧に加圧した場合の密度補正をしたガス速度はｕ＝０．００１４×２^０．５＝０．００２ｍ／ｓｅｃとなる。
【００２７】
次に、本発明の塔方式の気液接触装置を用いて、出口オゾン水のオゾン濃度を１０ｐｐｍにする場合のオゾン回収実験を行い、オゾン回収率を測定した。尚、一部に比較のための実験も含まれている。
ガス逆流防止板は図２に示した形式であり、ガス逆流防止板のガス孔開口率は、ガスライザーの孔径を調整して変化させた。
◇塔径＝３０ｃｍΦ
◇充填物＝Ｎｏ．０．５ラシヒスーパーリング（ラシヒ社の登録商標）
◇充填物総高＝２００ｃｍＨ
◇ガス逆流防止板の設置間隔／段数＝２０ｃｍＨ／１０段、４０ｃｍＨ／５段
および２００ｃｍＨ／１段
尚、ここでいう段数は、充填塔内に設けられた充填層の数を表わしている。
◇入口のオゾンガス濃度＝１００ｇ／Ｎｍ^３および２５０ｇ／Ｎｍ^３
◇圧力＝１ａｔｍおよび２ａｔｍ
◇水の温度＝２０℃
◇ガス逆流防止板のガス孔開口率＝０．０５％および１０％
これらの条件を表２のように組み合わせてオゾン水製造の実験を行った。尚、出口オゾン水のオゾン濃度は全て１０ｐｐｍ（ｍｇ／ｌ）の同一条件で比べた。
【００２８】
【表２】

【００２９】
実験番号１〜実験番号３を比較することにより、Ｈ／Ｄ比のバックミキシングと、オゾン回収率への影響が明らかとなる。実験番号１と実験番号４からは、ガス孔開口率の影響を見ることができる。また、実験番号５は、充填塔内の圧力によるオゾンの回収率への影響を確認したものである。
【００３０】
◇Ｈ／Ｄ比の影響
実験番号３（比較例）の場合は、充填層を１層だけとして、高さ２００ｃｍＨ（１段）としたものであり、塔径３０ｃｍΦであることを考慮すれば、液の分散ムラが生じる高さではなく、一般には液再分散器を設置する程の高さではない。従って、実験番号１のごとくガス逆流防止板の設置間隔２０ｃｍＨ（１０段）や実験番号２の４０ｃｍＨ（５段）という状態は、これまでの液再分散器の通常の概念から言えば設置数が多すぎ、結果として充填物による各充填層高さが低すぎ、つまり過度に小さなＨ／Ｄ比であり、このような設計は徒に設備を増大させ、不合理な設計であるとされてきたところである。
しかし、実験番号１のオゾン回収率は９５％を示し、一方比較例の実験番号３のオゾン回収率は５５％であり、実験番号１では実験番号３に比べて７割以上多くのオゾンを回収できることが判明した。これはガス逆流防止板が、液再分散器としての機能を発揮したためではなく、ガス逆流防止としての機能を発揮したためにオゾン回収率の増大が生じたものである。
【００３１】
実験番号２のオゾン回収率は８０％であり、実験番号１の場合の回収率を下回ったが、実験番号３（比較例）の回収率を上回っている。
【００３２】
また、ガス速度をガス滞留時間という数値で置き換えるとさらに理解が容易となる。
普通の充填塔ではガス速度が速いために、ガスは数秒しか塔内に滞留しないのに対して、本実施例ではガスの滞留時間は約１時間程度であった。従ってこの間、殆ど停止状態にあるガスは塔内で完全混合されて、物質移動には不可欠なる操作である向流操作が阻害され、実験番号３のように低い回収率を示したのである。
実験番号３は殆ど完全混合の系であり、この場合の理論回収率は前記の表１に示す通り７０％であり、実験番号３の５５％というオゾン回収率は、理論値により近い数値であるといえる。
比較のため同一条件（圧力１ａｔｍ、水温２０℃、オゾン水のオゾン濃度１０ｍｇ／ｌ）におけるエジェクターの実測されたオゾン回収率は１５％であり（表１参照）、普通の充填塔でもエジェクターよりは、オゾン回収率は改善されていることが実験番号３の結果より理解される。
これは既に説明したとおりに、充填塔における充填層では、ガスが連続相を形成しているために、エジェクターより大きなＫ_Ｌａを得ることができるためである。
【００３３】
◇ガス孔開口率の影響
実験番号４（比較例）に用いられたガス逆流防止板のガス孔開口率を、充填塔における通常の液再分散器の開口率の低い方の値である１０％にしたところ、オゾン回収率は６４％となり、ガス逆流防止板の設置が全くない実験番号３の回収率５５％よりはやや改善された値になっている。
しかし、実験番号１のオゾン回収率９５％に比べると明らかにバックミキシングが起こっていることが判る。すなわち１０％という大きな開口率のガス孔では、このガス孔を通してガスは塔内で上下方向に混合、攪拌され、向流操作を阻害していることが理解できる。
【００３４】
◇圧力の影響
充填塔を利用して気液接触させる際に、圧力を増大させるとガスが溶解しやすくなるため、圧力を高くした実験番号５のオゾン回収率は９８％で、実験番号１の９５％を上回ることを確認した。
【００３５】
２）オゾン反応装置としての利用
現在多くの産業で洗浄工程でアルコール等の有機物が使用され、これらを含む排水が発生し、強力な紫外線で有機物を酸化して、炭酸ガスと水に分解する方法等が試みられている。しかし電気消費量が大きく経済性に間題がある。
また、オゾン水で酸化する方法も考えられるが、前述したように従来法のエジェクターを用いて高濃度のオゾン水を製造することは、オゾン回収率が１５％以下と低く、同様に経済性が低かった。
【００３６】
本発明の塔方式の気液接触装置をオゾンコンタクターとして用いると、液中に含まれている有機物を経済的に分解することが可能になる。
図３のような本発明の装置を用い、塔上部から有機物を含む被処理液と酸化促進剤を投入する。塔下部からは、オゾンガスを導入する。被処理液とオゾンは、塔内を通過する際に、ガス逆流防止板で仕切られた各充填層において反応し、有機物は分解される。
有機物の酸化速度は有機物濃度とオゾン濃度のｎ次反応である。このため、被処理液が塔底に近づくに従って、有機物濃度が小さくなると反応速度は遅くなる。ところが向流操作ではオゾン濃度［Ｏ_３］は塔底で最大であるから、有機物濃度が希薄でも濃度の高いオゾンにより反応は速やかに行われる。
また、有機物とオゾンとが、当量で反応が完了すれば遊離オゾンは生じないことになるが、実際には遊離のオゾンを残存させないと反応は完了しない。従って必要オゾン量は、分解反応に費やされたオゾンと系外に排出される遊離オゾンとの合計量となる。充填塔内では被処理液の周りがオゾンで囲まれる形になり、オゾンは連続相を形成し、反応は速やかに完了する。因みにオゾンが充填塔に滞留する時間は１時間程度であり、普通の充填塔操作では１ｍ／ｓｅｃ程度のガス速度のために、滞留時間が数秒であることに比べると、いかにガス量が少ない系であるかが理解できる。
このような系ではガスは静止状態と考えられ、普通の充填塔ではガスは液に巻き込まれ完全に混合し、向流操作が実現しないばかりではなく、ショートパスしたオゾンガスは反応しないまま、充填塔の外に排出され損失となる。このようにして従来のエジェクターや充填塔の場合には、オゾンの利用割合が１８％程度であったものが、塔方式の本発明装置を使用することでオゾンを効率的に溶解させることができ、その利用率を大幅に改善することができる。このため、従来の方法では、オゾン発生装置（オゾナイザー）を数基要するところが、それよりも大幅に少なくしても同様の反応を実施することを可能とした。
【００３７】
３）廃水処理
廃水中に含まれている有害性物質、例えばクロロホルム等のトリハロメタン類を、廃水から除去しようとするときに、一般的には空気曝気により放散処理する方法がある。すなわち、クロロホルム等の揮発性を利用して、空気中に移行させる方法である。
この時除去の難易性の目安として揮発性物質（液体、ガス体の両方を含む）の溶解度を表す値としてヘンリー定数がある。ヘンリー定数Ｈ（ａｔｍ／ｍｏｌｆｒ）を、大気圧で割った値をｍとすると
ｍ＝Ｈ／π
このｍ値が大きい程、分離は容易であり、またｍ値が大きくなるように温度を高くしたり、圧力を下げたりして運転条件の選定を行う。ｍ値が大きい程、放散処理に要する空気量は少なくて済むことになる。
放散に要するガス量を選定する目安となる値にストリッピングファクター、λという値があり以下の式で定義され、一般にλ＝１になるように液ガス比を決定する。
λ＝ｍ／（Ｌ／Ｇ）
クロロホルムの場合は、おおよそｍ＝１０００程度のヘンリー定数を持っているから、Ｌ／Ｇは１０００、すなわちガス液比は１／１０００となり、ガス量は極めて少ない系である。これまでは従来の充填塔が用いられてきたが、性能が予想をはるかに下回る性能しか出なかった。
本発明の塔方式の気液接触装置を前記の廃水の処理に使用すると、効果的なストリッピングが実施できる。本発明の気液接触装置にて、揮発性物質を含む廃水を被処理液として導入し、スチームで放散処理を行うと、ｍ値が増大するため、キャリアガスが少なくなり、従来の充填塔に比べて使用するスチーム量を低減でき、従来方法に比べて効率的な処理が可能になる。
【００３８】
本発明の気液接触装置を適用できるこのような例としては、他にもパルプ工業から排出される硫化水素やメチルメルカプタン等の含まれている廃水から、それらを除去する際にも有用である。
【００３９】
以上の説明から、当業者ならば容易に本発明の内容が理解され、各種産業における要素技術である気液接触操作に本発明の装置が、広く利用できることも明らかである。
【００４０】
【発明の効果】
近年の需要の変遷で充填塔をガス処理用としてではなく、液処理用に用いられることが多くなってきた。例えば、水にオゾンを溶解させる、水に含まれる有機物をオゾンで分解させる、水に含まれる有機物をスチームで放散・除去させる、原料水に含まれる酸素を除去すると共に、炭酸ガスを吹き込む等、ある性質を持った液（多くの場合その液体は水および水溶液である場合が多いのであるが）を製造したり、処理したりする需要が増えてきた。このような場合、塔径の設計は必ずしもガス負荷で設計されるとは限らず、液負荷によって設計されることが多く、結果としてガス量が極めて少なくなることが多い。
すなわち、これまではｕ＝１〜２ｍ／ｓｅｃで設計されてきたものが、ｕ＝０．１ｍ／ｓｅｃ以下で設計する必要が生じてきた。本発明の気液接触装置は、前述のごとく気体（ガス）と液体とを接触させる際に、液量に比べてガス量が少ない場合、いわゆる気液比が小さいときに効果的で、種々の産業における各種の気液接触操作に適用することができる。
本発明の気液接触装置は、基本的な要素技術である気液接触を効率的に行うものであり、例えばガス中の成分を液側に吸収させたり、液中の成分をガス側に放散させる場合や、ガス中の成分を液側に吸収させると同時に液中の成分をガス側に放散させる場合等、さらには気液接触による反応装置として用いることができる。
本発明の気液接触装置を用いることにより、気液接触操作を効率化すると共に、原料ガスの製造・発生装置を少なくすることが可能となる。また、排ガスを処理する必要がある場合には、その処理負荷を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明装置の基本的な構成を示す説明図である。
【図２】ガスライザーを設けたガス逆流防止板の一例である。
【図３】充填層を８段設置した本発明の装置の外観図である。
【図４】ぬれ壁構造の説明図である。
１塔
２，２’ ガス逆流防止板
３充填層
４被処理液の導入口
５排ガスの出口
６ガスの導入口
７被処理液の取り出し口
１０ガス逆流防止板
１１ガスライザー
１２液孔
１３ガス孔
１５管板
１６ぬれ壁管

Claims

塔の上部に被処理液の導入口と排ガスの出口、該塔の下部にガスの導入口と気液接触後の被処理液の取り出し口を備え、その間にガス逆流防止板で仕切られた充填層を二つ以上設け、前記ガス逆流防止板は、液孔を設けた一枚の板に、中空でガスを通すガス孔が貫通したガスライザーを複数本設けて、前記液孔を前記ガスライザーのガス孔の開口よりも大きくしたものであって、ガス逆流防止板の設置間隔Ｈが２ｍ以下で、前記設置間隔Ｈと塔径Ｄとの比Ｈ／Ｄが５以下を満足し、ガス逆流防止板におけるガス孔の開口率が、ガス孔全面積として塔断面積の５％以下とした被処理液と導入したガスとを向流接触させる塔方式の気液接触装置。
充填層に代えてぬれ壁構造とした請求項１記載の塔方式の気液接触装置。
密度補正した空塔ガス速度（ｕ）が０．１ｍ／ｓｅｃ以下である請求項１または請求項２に記載の塔方式の気液接触装置。
ガス逆流防止板が、それ自身が充填物を支持する支持板の役割を兼ね備えている請求項１または請求項３に記載の塔方式の気液接触装置。
ガス逆流防止板が、前記ガス逆流防止板とは別の支持板により充填物を支持している請求項１または請求項３に記載の塔方式の気液接触装置。