JP5147200B2 - 油水分離装置 - Google Patents

Description

本発明は油水分離装置に係わり、特に、処理槽に送る処理液に空気を溶解せしめ、空気を溶解した処理液を処理槽内の処理液中に吐出し、処理液に溶解した空気を気泡として処理槽内の処理液に供給することによって処理液中の油分を気泡で浮上させ油水の分離を行う浮上分離法による油水分離装置に関するものである。

従来の浮上分離法による油水分離装置は、下記の特許文献１に記述されたものでは、大容量の処理槽からポンプで汲み上げた処理液にポンプ入口で空気を混合し、ポンプ出口の気液混合手段で更に空気を混合・溶解させた後に処理液を処理槽内に戻し、その際圧力弁（又はノズル）から噴射，減圧することによって微細気泡を発生させて、この微細気泡が処理液中の油分に付着することで油分が水中を浮上し、油と水分が分離するようにしている。

特開２００５−２４６１８３号公報

上記従来技術において、気液混合手段の出口までに処理液中に溶解できなかった空気は処理槽内で大気泡となり浮上分離性能を低下させるので、圧力弁と処理槽をつなぐ大気泡除去器を設け、この大気泡除去器には大気泡のみを分離排出する大気泡排出管を設けている。

この装置の油分離能力を高めるためには処理液中に溶解する空気量を多くする必要があり、気液混合手段の容積を大きくして処理液滞留時間を長くする方法が有効であるが、装置が大型になる。

また、処理対象が空気圧縮機のドレンの場合は少量の処理液が連続して排出され、大気中の水分量によってその流量および油分濃度が変化する。また、油水分離装置自体の設置面積が限定されることがあり、処理槽を小型にすることが望まれる。

装置を単純に小型化すると、処理槽内を上下する循環流が強くなり、一旦液面上まで浮上した油粒子が水の下降流に乗って処理槽底部近傍まで下降するため、油分濃度が一定値以下にはならない。

油分分離性能を向上させるべく圧力弁から大量の微細気泡を発生させるように圧力弁から噴出させる処理液量を増加させると、処理槽内を上下する循環流は一層強くなり、油水分離性能が低下する。

それゆえ本発明の目的は、小型の処理槽であっても低油分濃度まで高速で処理できる浮上分離法に基づく油水分離装置を提供するものである。

上記目的を達成するために本発明では、処理槽に送る処理液に空気を溶解せしめ、空気を溶解した処理液を処理槽内の処理液中に吐出し、処理液に溶解した空気を気泡として処理槽内の処理液に供給することによって処理液中の油分を浮上させ油水の分離を行う油水分離装置において、空気を溶解した処理液を処理槽内の処理液中に吐出するものとしてノズルを用い、該ノズルにおける空気を溶解した処理液の吐出側に該ノズルから離れるに従って流路面積が大きくなる形状のディフューザを設け、該ノズルにおける空気を溶解した処理液の吐出方向は該ディフューザの内壁面に沿ったものとした。

さらに、該ディフューザの内壁面は円錐状であり、該ノズルにおける空気を溶解した処理液の吐出方向は該ディフューザにおける円錐状内壁面の放射方向に対し傾斜しているようにした。

本発明によれば、ノズルから吐出される処理液の主流がディフューザ壁面近傍を流れることによってディフューザ中心近傍が負圧になり、この領域にノズル側に戻る逆流を生じ、ディフューザ壁面近傍を流れる処理液の主流の一部とディフューザ中心近傍におけるノズル側に戻る逆流とで処理液の循環流が構成され、溶解しなかった空気は循環流によって粉砕され、微細気泡になる。

ノズルにおける空気を溶解した処理液の吐出方向がディフューザにおける円錐状内壁面の放射方向に対し傾斜しているようにすると、ノズルから吐出される処理液の主流は強い旋回流となり、ディフューザ中心近傍におけるノズル側に戻る逆流とで構成される処理液の循環流は、圧力が低下することと捻りが加わることで溶解しなかった空気を強力に粉砕し、一層微細気泡となる。

全体の微細気泡は、処理液に溶解した空気による微細気泡と上述した循環流において粉砕された微細気泡の合計となり、処理液をノズルから単調に吐出させた場合よりも増加する。

この結果、処理槽に供給したい微細気泡量は配管での少ない送液量で満たすことができて、送液速度を下げることができ、処理槽内の処理液中に吐出する空気を溶解した処理液の速度は低下し、処理槽内での処理液の循環流を少なくして、分離し液面に浮上した油分が下降することを防止でき、分離性能は向上する。

それで、処理槽は小さくても直接排水路へ排出可能な低油分濃度にまで高速にしかも確実に油水分離ができる。

以下、図に示す実施形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態である油水分離装置１０を示している。
図１において、処理槽１１の内部は遮蔽板１２により分離部８１と浮上油受け部８３とに区画してあり、分離部８１は処理液Ｗを収容して油水分離を行い、浮上油受け部８３では分離部８１で分離浮上し遮蔽板１２を溢流した油分６３を受ける（なお、請求項において記載する処理槽は図１における分離部８１を指している）。

この遮蔽板１２は、設計上の処理液面位置６１および浮上油面位置６２より高くなるように配置してある。

処理槽１１の下方外部には大気泡分離器１３があり、大気泡分離器１３の内部には処理液を吐出するノズル３３とディフューザ１５があり、大気泡分離器１３から分離部８１の上部に連通するように大気泡排出管１４が設けてある。

大気泡分離器１３の上部に下端部を接続してある大気泡排出管１４は処理槽１１の高さ方向の中間部近傍から分離部８１に挿入してあり、その上端部が処理液の上面近傍に開口するようにしてある。

大気泡分離器１３は止む無く生じる大気泡を抜くものであるが、加圧しておらず上部は開放状態にあり自由面になっていて、大気泡分離器１３から分離部８１に吐出される微細気泡に影響しないようになっている。

分離部８１には上部から清浄な処理液を排出する排出配管４１が設けてあり、分離部
８１の処理液面位置６１よりも下方から排出し、一旦、処理液面位置６１まで持ち上げ、その下流を処理液面位置６１よりも低い位置まで配管している。

この排出配管４１の途中にはバルブ４２を設けている。なお、分離部８１における排出配管４１の管座の周囲に分離部８１から排出配管４１へ流入する処理液に分離部８１を上昇中の微細気泡および油粒子が混入することを防止する仕切板１６を設けて吸入部８２を形成してある。

即ち、吸入部８２に流入・流下する処理液の速度よりも分離部８１を上昇中の微細気泡および油粒子の速度のほうが大きくなるようにして混入を防ぐようにしている。

分離部８１の底部には処理液循環系統を構成する配管３０を接続してあり、配管３０はバルブ３６を介して第１ポンプ３１に接続し、第１ポンプ３１の出口側は配管３７，気泡粉砕器（気泡粉砕手段）３８，配管３９を介して大気泡分離器１３部に設けたノズル３３に接続している。なお、気泡粉砕器（気泡粉砕手段）３８は、前記特許文献１に記載されたものである。

配管３０には空気を導入する空気供給管３５がバルブ３４を介して接続してあり、更に、処理液導入系統を構成する供給管２３を接続してあり、供給管２３に第２ポンプ２１とバルブ２２を設けてある。

浮上油受け部８３の底部には、油分６３を排出する油分排出管５１を設けてある。図示していないが、分離部８１の底部から外部に配管を設け、その途中にバルブを設けて、分離部８１内部の処理液Ｗを排出する必要がある場合にこれらを用いる。なお、供給管２３は分離部８１の下部に接続して処理液を分離部８１に直接供給するようにしてもよい。

図２は、大気泡分離器１３を示す縦断面図である。

大気泡分離器１３には、ノズル３３を取り付けている端面側の流路面積が小さく、ノズル３３から離れ分離部８１に近付くにつれて流路面積が大きくなる円錐状のディフューザ１５を設けており、流路面積の小さい流路の中心にノズル３３を取り付けている。

ディフューザ１５における円錐状内壁面の広がり角度は３０〜４０度が有効で、３５度近傍が好ましく、この実施例では４０度とした。

ノズル３３は処理液を放射状に噴射する型式であり、ノズル３３から噴射した処理液は外観上は点線矢印で示すコーン状の流れ９１となる。コーン状の流れ９１の広がり角度はディフューザ１５における円錐状内壁面の広がり角度と同じか広めが良い。そうすることで、ディフューザ１５における円錐状内壁面に沿ったコーン状の強力な流れ９１が形成される。

次にその動作を説明する。
図１の油水分離装置１０は分離部８１に処理液を一定量供給し、処理を行った後に排出する間歇運転法で処理する。なお、この運転法は冬季などの空気圧縮機から発生するドレン量（処理液量）が少ないが、油分濃度が高い場合に有効である。

先ず、処理槽１１の分離部８１に清水または処理済液を充満させた状態で第１ポンプ
３１を運転する。この時、バルブ３４，バルブ３６は開放状態にしてある。

この運転を行うと、分離部８１内部の清水または処理済液は第１ポンプ３１により配管３０から汲み上げられ、配管３７，３９や気泡粉砕器３８を経てノズル３３から大気泡分離器１３に吐出され分離部８１に戻る処理液循環が行われ、第１ポンプ３１での仕事により分離部８１内部の清水または処理済液の温度が上昇し、密度が小さくなる。

続いて処理液循環系統の運転を停止し、処理液供給系統のバルブ２２を開放にして第２ポンプ２１を運転し、処理液を所定量供給する。処理液は配管３０および配管３７，気泡粉砕器３８，配管３９，ノズル３３，大気泡除去器１３から分離部８１に流入する。

新たに供給する処理液は分離部８１内の処理液よりも温度が低く密度が大きいために分離部８１の底部に溜り、上部の密度が小さい処理液は吸入部８２から排出配管４１，バルブ４２を経由して排出される。例えば、分離部８１の遮蔽板１２上端から下方の容積が
４０Ｌ，分離部８１の処理液Ｗの温度が３２０Ｋ，処理液供給系統から供給（導入）する処理液の温度が２８３Ｋ，処理液の供給量が２０Ｌ／ｈの場合に、処理済液のみを３０Ｌ以上排出可能である。

次に、バルブ２２，４２を閉状態とし、バルブ３４を開状態として、第１ポンプ３１を作動させ、処理液循環系統を運転する。

バルブ４２は閉止してあり処理液中に気泡（後述するように、空気供給管３５から流入した空気を気泡化したもの）が存在することにより、処理液面位置６１は排出配管４１の最高位置よりも高くなる。この状態では、分離部８１内部の処理液面位置６１上側に浮上油が溜まるが、浮上油面位置６２よりも遮蔽板１２を高く配置している。

バルブ３６からの清水または処理済液が配管３０を流れることによって、空気供給管
３５側が負圧となり、空気が空気供給管３５から流入する。流入した空気は配管３０内を流れる液体に混合し、第１ポンプ３１で加圧される過程で溶解する。

溶解しきれなかった空気は第１ポンプ３１下流の気泡粉砕器３８の下部から流入して溶解量が増加し、空気の溶解した液体と一緒にノズル３３から大気泡分離器１３内に吐出する。

ノズル３３から吐出することで圧力の加わっていた液体および気体は減圧され、水に溶解していた空気は微細気泡となり、溶解しきれなかった空気は大気泡となる。

気泡粉砕器３８を設けることによって大気泡が細かくなり、気泡と液体との接触面積が増加するとともに滞留時間も長くなるので、大気泡は大幅に減少する。

つぎにノズル３３を出た液体と気体は、ディフューザ１５内を放射状に流れる。ディフューザ１５内の流れは図２に示すように液体の主流９１がディフューザ１５の壁面近傍を流れることによってディフューザ１５壁面静圧が低下し、液体の主流９１を引き付ける。この結果、液体の主流９１は放射角度が大きくなり、ディフューザ１５の中心軸１００近傍部の処理液量が減少して中心部の圧力が低下する。

ディフューザ１５の中心軸１００近傍部の圧力が低下することで、中心軸１００近傍の領域には大気泡が分離して集められると共に下流からノズル３３側に移動する逆流９２が形成され、液体の主流９１と逆流９２で循環流９３となる。この流れは非常に速く、集まった大気泡の一部が粉砕され、微細気泡となる。

ここで、ディフューザ１５における円錐状内壁面の広がり角度は３０〜４０度が有効である理由を説明する。

本発明者らの検討によれば、ノズルから処理液の噴射を液中で行うと、ノズルから処理液を大気中に噴射する場合に比較して、液体と処理液の粘性によって放射方向への処理液の噴射速度は急速に減少し、噴射角は狭いものとなる。大気中での噴射角が通常製品の最大角度である１２０度のノズルは液中の噴射角は４０度となる。

そのため、ディフューザ１５における円錐状内壁面の広がり角度を４１度以上とすると、ノズル３３から噴射した処理液とディフューザ１５における円錐状内壁面の間に隙間ができて、この隙間にも循環流ができ、中心部の循環流９３の旋回エネルギーが減少し、気泡粉砕能力が低下する。そのため、４０度以下が良い。

また、ディフューザ１５における円錐状内壁面の広がり角度は３０度未満では、流路断面積が減少し、中心部の下流方向の速度が増加し、循環流は下流に移動するだけでなく循環量も減少し、同様に気泡粉砕能力が低下するため、３０度以上が良い。

なお、円錐状内壁面の広がり角度が３０度程度となるノズルは、大気中での噴射角が
９０度以下のものに相当する。

発生する微細気泡量の比較を図４に示しており、実施形態Ａに示すように、気泡粉砕器３８を設けることによって微細気泡発生量が増加し、大気泡除去器１３内にディフューザ１５を設けることによって微細気泡発生量は更に増加している。

どうしても微細化しえなかった気泡については、気泡径が大きくなるほど液中上昇速度が速い特性を持っているので、大気泡分離器１３で大気泡だけが大気泡分離器１３上部に溜まり、大気泡排出管１４から分離部８１の上方部へ排出される。

従って、大気泡分離部１３の出口から微細気泡のみを含む液体が分離部８１に流出する。この液体は分離部８１に存在する液体と混合し、減速しながら流れる。分離部８１内下部では第１ポンプ３１の吸込み口である配管３０へ向かう下降循環流が形成され、分離部８１上部では微細気泡の上昇に伴う弱い循環流が形成されている。

分離部８１下部の強い循環流が分離部８１上部の弱い循環流と一体になると、微細気泡が循環流から分離できなくなる。第１ポンプ３１下流に空気粉砕機３８を設け、大気泡除去器１３内部にディフューザ１５を設けることによって大気泡の発生を抑え、微細気泡の供給を増加せしめ、大気泡除去器１３から流出する液体流量を少なくして流出に伴う循環流を弱めるだけでなく、配管３０に吸い込まれる液体の下降速度が低下することによっても分離部８１内での処理液Ｗの循環流が弱くなるので、微細気泡は循環流の影響を受けずに浮上できるようになる。

この運転状態を保つと大気泡除去器１３から微細気泡と共に油粒子が流出し、油分に微細気泡が付着浮上し、油分が分離できる。

上述したように、大気泡除去器１３から流出する処理液の量が少なくて分離部８１では下降する循環流が弱められている一方で微細気泡量は多いので、油分は微細気泡に殆ど付着して浮上し、浮上しても循環流で下降することがないために、容積が小さい分離部８１であっても油分を確実に分離できる。

この運転を繰り返すと、浮上油が上部に溜まり、浮上油面位置６２と処理液面位置６１との差が大きくなる。処理液面位置６１が遮蔽板１２と同一高さになるまで続行することによって、浮上した油分は遮蔽板１２を溢流（オーバフロー）し、浮上油受け部８３へ流出させ、分離した油分６３は配管５１から回収する。

通常のスクリュー圧縮機では一週間の連続運転により浮上油が約１mm溜まるので、一週間に１回程度排出する。この排出時期は運転時間で決定するだけでなく、浮上油量，浮上油厚さを測定することによっても決定できる。

浮上油を排出した後の分離部８１における処理液Ｗの油分濃度は低いので、処理液循環系統を運転して分離部８１における処理液Ｗを昇温させ、その後、処理液供給系統から処理液を供給して分離部８１の上部から処理済液を排出させるとともに下部に未処理の処理液を充満させてから、再び処理液循環系統を運転して油水分離を行う。

この処理液供給系統から処理液を間歇的に供給する間歇運転方法では、分離部８１内に清水または処理済液と約５０％の処理液を混合して処理することになるので、油分を高濃度から所定の低濃度まで下げることになる。浮上油分離法は油分濃度の高い領域は処理能力が高く、中間濃度までは高速で処理できる。そして残った少量の油分すなわち低濃度の処理液は処理能力が低いが、分離部８１内部に存在する量だけ処理することになるので比較的短い時間で処理できる。

そして、処理済液は、バルブ４２の開放により分離部８１の上部である吸入部８２から微細気泡の上昇速度よりも遅い速度で吸込まれて排出配管４１から自然流出する。

図３は、他の実施形態になる油水分離装置１０のディフューザ１５とノズル３３の組み合わせを含む大気泡除去器１３を示し、図３（ａ）は大気泡除去器１３の縦断面図で、図３（ｂ）は図３（ａ）の矢示方向に見た大気泡除去器１３の横断面図である。

ノズル３３における処理液の吐出方向（一点鎖線の矢印で示す方向）は図３（ｂ）に示すように、ディフューザ１５の内壁面に沿っているだけでなく、ディフューザ１５における円錐状内壁面の放射方向（点線の矢印で示す方向）に対し傾斜させている。

処理液はノズル３３からシート状に吐出させるが、分離した形で吐出させても良い。

そのために、ノズル３３から吐出された空気を溶解した処理液は旋回流９４となり、ディフューザ１５下流の大気泡除去器１３における直管部では大きな旋回流９５となって分離部８１側へと流入する。

旋回流９４，９５は、図２の実施例１と同様に中心部を低圧化し逆流による循環流を形成（構成）して大気泡を集めて粉砕するが、旋回による遠心分離で油分を含む処理液と空気を強力に分離し、大気泡は中心部に集まり捻られて強力に粉砕され、微細気泡が一層増加することになる。

図４の実施形態Ａに点線で追加して示すように、大気泡除去器１３内に旋回流９４，
９５を生じるノズル３３を設けることによって、微細気泡量は更に増加する。

微細気泡量が増加すればするだけ、第１ポンプ３１を通過する処理液循環系統での循環速度を下げ、分離部８１での処理液Ｗの循環流の流速を下げることが可能となり、益々油水分離性能は向上する。また、第１ポンプ３１や気泡粉砕器３８を小型のものとし、装置全体の小型化が図れるだけでなく、気泡粉砕器３８を省略することも可能となる。

気泡粉砕器３８を除去した場合の微細気泡量を図４の実施形態Ｂで示した。ここで、気泡粉砕器３８を除去したもの（気泡粉砕器なし）は、気泡粉砕器３８が無いだけでなく、ディフューザがなく、ノズルの処理液吐出方向を分離槽側に単純に向けただけのものである。

また、点線で示す微細気泡発生量はノズルによる処理液吐出で旋回流を形成した場合のものである。

次に、連続運転法について説明する。この運転法は春から秋に掛けて、特に夏場における空気圧縮機で発生するドレンのように、処理液量が多いが油分濃度が低い場合（低いとは云っても、そのまま廃棄すると環境汚染となり、排出基準以下にすべき濃度は持っているものを指す。）に好適である。

油水分離装置１０の全体構成は図１の通りであり、大気泡除去器１３は図２または図３の実施例の構成としている。

先ず、準備として、間歇運転法と同様に、分離部８１に清水または処理済液を充満させた状態で第１ポンプ３１を作動させ処理液循環系統の運転する。

分離部８１の処理液Ｗが温まったら、バルブ２２，３４，４２を開き、第２ポンプ２１を運転し、処理液を所定量ずつ供給する。

微細気泡が大気泡除去器１３で発生され、分離部８１に供給されると、分離部８１において油水分離が起こり、分離した油分は浮上する。第２ポンプ２１の運転で処理液は所定量ずつ供給され続け、バルブ４２は開かれているので、供給された分が吸入部８２から排出配管４１，バルブ４２を経由して排出される。

そのまま運転を続け、分離部８１には分離した油分が溜まったら、一旦、バルブ４２を閉め、分離部８１の処理液面位置６１が遮蔽板１２と同一高さになるまで続行することによって、浮上した油分は遮蔽板１２を溢流（オーバフロー）し、浮上油受け部８３へ流出させ、分離した油分６３は配管５１から回収する。

その後、図示していない分離部８１の底部側に設けた配管から分離部８１の処理済みの処理液を排出させ、設定された処理液面位置６１に戻ったら、底部側の配管からの排出を止めて、連続運転（排出配管４１から処理済みの処理液を排出しつつ未処理の処理液を第２ポンプ２１で所定量ずつ連続して供給するのが、連続運転の所以）に戻る。

分離部８１に供給される微細気泡量が多いので、油水分離性能は高く、その分、分離部８１を小型化でき、小型化する代わりに第２ポンプ２１で供給する処理量を多くしても良い。

本発明の一実施形態を示す油水分離装置の全体系統図である。 図１に示した油水分離装置における大気泡除去器の縦断面図である。 本発明の他の実施形態の油水分離装置における大気泡除去器の縦断面図である。 実施例毎の微細気泡発生量を示す図である。

符号の説明

１０…油水分離装置、１１…処理槽、１２…遮蔽板、１５…ディフューザ、３１…第１ポンプ、３３…ノズル、３７，３９…配管、８１…分離部（処理槽）、８３…浮上油受け部。

Claims (5)

1. 処理槽に送る処理液に空気を溶解せしめ、空気を溶解した処理液を処理槽内の処理液中に吐出し、処理液に溶解した空気を気泡として処理槽内の処理液に供給することによって処理液中の油分を浮上させ油水の分離を行う油水分離装置において、
   空気を溶解した処理液を処理槽内の処理液中に吐出するものとしてノズルを用い、該ノズルにおける空気を溶解した処理液の吐出側に該ノズルから離れるに従って流路面積が大きくなる形状のディフューザを設け、該ノズルにおける空気を溶解した処理液の吐出方向は該ディフューザの内壁面に沿ったものであることを特徴とする油水分離装置。
2. 上記請求項１の油水分離装置において、
   該ディフューザの内壁面は円錐状であり、該ディフューザにおける円錐状内壁面の広がり角度は３０〜４０度であることを特徴とする油水分離装置。
3. 上記請求項１の油水分離装置において、
   該ディフューザの内壁面は円錐状であり、該ノズルにおける空気を溶解した処理液の吐出方向の広がり角度は該ディフューザの内壁面の広がり角度と同じか広めであることを特徴とする油水分離装置。
4. 上記請求項１の油水分離装置において、
   該ディフューザの内壁面は円錐状であり、該ノズルにおける空気を溶解した処理液の吐出方向は該ディフューザにおける円錐状内壁面の放射方向に対し傾斜していることを特徴とする油水分離装置。
5. 上記請求項１の油水分離装置において、
   処理槽に処理液を送る配管に気泡粉砕手段を設けてあることを特徴とする油水分離装置。

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