JP5850913B2 - 浸漬型反応器 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前段部に記載の二酸化塩素を水に添加する装置に関する。さらに本発明は、塩素ガスを水に添加する装置及び本発明に係る装置が沈められている水槽に関する。

この種の装置は、国際公開第２００４０７８６４８号パンフレット及び国際公開第２００３０００５８６号パンフレットの組み合わせにおいて公知である。

二酸化塩素（ＣｌＯ_２）は、水の殺菌時に殺生物剤として使用される毒性の高い爆発性の化学物質である。水の例は、飲料用水、プール用水又は工業用水、特に冷却水である。

二酸化塩素の危険性及び低安定性に基づいて、二酸化塩素は、輸送や保管に向かず、その代わりに直接使用現場において、特に処理したい水中で合成される。

二酸化塩素の多様な合成法が公知である。工業規模で二酸化塩素は、しばしば亜塩素酸ナトリウム又は塩素酸ナトリウムから、塩酸、塩素又は硫酸／過酸化水素の使用下で生成される。

亜塩素酸塩／酸法では、塩酸（ＨＣｌ）を亜塩素酸ナトリウム（ＮａＣｌＯ_２）と反応させて、二酸化塩素、水（Ｈ_２Ｏ）及び食塩（ＮａＣｌ）を生成する：

亜塩素酸塩／塩素法では、反応の化学量論的関係は次式で表される：

塩素酸塩法では、硫酸（Ｈ_２ＳＯ_４）を過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）及び塩素酸ナトリウム（ＮａＣｌＯ_３）と反応させて、二酸化塩素、硫酸ナトリウム（Ｎａ_２ＳＯ_４）、酸素（Ｏ_２）及び水を生成する：

ドイツ連邦共和国実用新案第２０２００４００５７５５号明細書において公知の、二酸化塩素を水に添加する装置では、二酸化塩素を形成する２つの反応成分が、水管路内に設置された混合管に導入される。この水管路を介して、処理したい水が供給・排出される。両側で開放した混合管は、同軸的に水管路内を延在する。この装置の欠点は、混合管が流動抵抗として水管路内に乱流を惹起することにあり、乱流は、混合管内に伝わり、反応に悪影響を及ぼす。

直接国際公開第２００３０００５８６号パンフレットの参照を指示する国際公開第２００４０７８６４８号パンフレットにおいて公知の、本発明の前提をなす装置では、混合管が水管路外に存在している。水管路中には、むしろサクションチャンバが配置されている。サクションチャンバには、処理したい供給水が、先細りしたノズルによって噴入される。サクションチャンバの横断面は、ノズル、及びサクションチャンバから続く排水管路と比較して、明らかに大きいので、サクションチャンバ内に負圧が発生する。サクションチャンバには、排水管路に対して半径方向で延びる混合管が開口している。混合管に開口する２つの供給管路を介して、それぞれ１つの反応成分、すなわち水性の硫酸と、過酸化水素中に含まれる塩素酸ナトリウムとが、混合管に供給される。上述の負圧は、混合管を通してこれらの成分を吸い込む。混合管内でこれらの成分は、混合され、塩素酸塩法にしたがって反応して、特に二酸化塩素を生成する。

次に、サクションチャンバ内で、噴入された水による反応混合物の希釈がなされる。その結果、排水管路を介して所望の二酸化塩素含有量を有する水が装置を後にする。

強い発熱性を示す硫酸法を制御するために、水性の硫酸のための供給管路に冷却装置が設けられている。これにより、装置の構造は、比較的複雑化してしまう。

特開２００２−２２０２０７号公報において公知の、二酸化塩素を水に添加する装置は、次亜塩素酸塩／亜塩素酸塩に基づく方法を２段階で実施する：
１段目：

２段目：

このために、まず、２つの反応成分、すなわち次亜塩素酸ナトリウム（ＮａＣｌＯ）と塩酸（ＨＣｌ）とが、混合され、混合管の第１の区分において反応させられる。第１の区分の終端には、混入開口が配置されている。混入開口を通して、亜塩素酸ナトリウム（ＮａＣｌＯ_２）が第３の反応成分として混入される。

次に、混合管の第２の区分内で２段目の反応が起こる。２段目の反応において最終的に二酸化塩素が発生する。混合管の第２の区分の端部には、サクションチャンバが配置されている。サクションチャンバ内で、二酸化塩素は、二酸化塩素濃度を高めたい水と混合され、排水管路を介して排出される。

１段目の反応において毒性の高い塩素ガスＣｌ_２が発生するので、この装置においては、常に、塩素ガスＣｌ_２が混入開口を通して外部に逃げることがないようになっていなければならない。

欧州特許出願公開第０１１９６８６号明細書において公知の、水中の二酸化塩素濃度を高める装置では、両反応成分が専ら水ジェットポンプによって圧送される。成分の調量は、適当な弁を介して実施される。この解決手段の欠点は、これらの弁が比較的手間を要して調整されねばならないことにある。このために、成分の供給管路中に体積流量計が必要である。

最後に、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００８０４９７３４号公報において公知の、不連続式の二酸化塩素製造方法及び二酸化塩素製造装置では、装置が水中に配置される。バッチ運転の欠点は、反応運転及び洗浄運転の必要な制御である。

これらの従来技術に関して、本発明の課題は、冒頭で述べた本発明の前提をなす装置を改良して、装置が簡単かつ頑強に形成されており、２つの反応成分に基づく種々異なる二酸化塩素合成の安全な実施を可能にすることである。

この課題は、混合管に、二酸化塩素濃度を高めたい、反応成分を含まない混入水を混入させる混入開口を設けることにより解決される。

したがって本発明の対象は、第１の反応成分を供給する第１の供給管路と、第２の反応成分を供給する第２の供給管路と、両反応成分を混合して反応させ、二酸化塩素を生成する混合管であって、一端において、両供給管路が開口し、他端において、二酸化塩素濃度を高めたい供給水をノズルによって噴入可能なサクションチャンバが配置されている混合管と、サクションチャンバから下流に延びる排水管路と、を備える、二酸化塩素を水に添加する装置であって、混合管が、二酸化塩素濃度を高めたい、反応成分を含まない混入水を、混合管に混入させる少なくとも１つの混入開口を有する、二酸化塩素を水に添加する装置である。

本発明の基本思想は、保護作用を有する混合管内で、二酸化塩素を得る成分の反応を比較的高濃度で実施し、反応の終了後、発生した二酸化塩素をサクションチャンバへの流入前に急激に混入水により希釈することにある。その結果、高濃度で存在する二酸化塩素の分解は阻止され、かつ二酸化塩素の濃度は、既に混合チャンバ内で安全な領域にシフトされる。

原則的には、混入開口を開口部の上流に配置することも可能である。しかし、上流への配置は、過度に速い希釈につながるので、開口部から流出する反応成分がもはや完全には反応しなくなってしまう場合がある。このことを回避するために、混入開口は、好ましくは、供給管路の、混合管への両開口部の下流に配置されている。

既に従来技術において実証されているように、ノズルと排水管路とは、サクションチャンバの領域で、互いに同軸的に配置されているとよい。

混合管が、少なくともサクションチャンバの領域で、ノズル及び排水管路に対して半径方向に延在するようにした装置の一態様も実証されている。

上述の態様は、混合管の、サクションチャンバとは反対側の端部を閉鎖し、両供給管路が貫通するベースプレートと、混合管にベースプレートとサクションチャンバとの間で軸方向力を加えるクランプセットとにより、特に好ましく改変される。本態様は、機械的に特に安定であるので、本態様に係る装置は、混合管内での成分の爆発にも耐え得る。

サクションチャンバに対して混合管を半径方向に配向する代わりに、混合管は、少なくともサクションチャンバの領域で、ノズル及び排水管路に対して同軸的に延在してもよい。

好ましくは、本発明に係る装置は、塩酸と亜塩素酸ナトリウムとを反応させて二酸化塩素を特に大量に生成するために使用される。硫酸／亜塩素酸ナトリウム及び塩素／塩化ナトリウムの出発原料ペアの使用も可能である。相応の方法は、国際公開第２００９／０７７３０９号パンフレットあるいは国際公開第２００９／０７７２１３号パンフレットに開示されている。

反応を促進する流動状況を混合管内に形成するために、混合管の縦横比（Ｓｃｈｌａｎｋｈｅｉｔｓｇｒａｄ）は、５〜８であることが望ましい。縦横比とは、この関連において、混合管の長さの内径に対する比と解される。管の横断面が円形でないときは、内径として、混合管の横断面積と等しい面積の円の直径を援用すべきである。長さは、混合管の、反応が進行する「活性の区分」において、つまり、反応成分の供給管路の、最も下流側に配置された開口部から、混入水のための、最も上流側に配置された混入開口までが測定される。

本発明に係る装置の特別な利点は、浸漬型反応器（Ｔａｕｃｈｒｅａｋｔｏｒ）として直接、水中の二酸化塩素濃度を高めたい水槽内に配置可能である点にある。これにより、安全性は、明らかに向上し、二酸化塩素合成に関して好ましくは高い出発原料濃度の利用が可能となる。事故が発生しても、装置を取り巻く水によって無害化される。

したがって、本発明の別の対象は、水槽であって、本発明に係る装置の少なくとも混合管が、混入開口を通して混入水が水槽から混合管に混入される程度に水槽中に沈められている水槽である。水槽は、好ましくは冷却塔の冷却カップ（Ｋｕｅｈｌｔａｓｓｅ）である。

装置が水槽中にあるとき、濃度を高める回路が閉回路をなすように、排水管路は、好ましくは同じ水槽に開口する。

濃度を高めたい供給水は、やはり水槽に起源を有するものであってよい。このために、水槽からノズルに延びる給水管路が、場合によっては圧力発生器の介在下で敷設される。択一的には、供給水は、水槽とは別の起源を有するものであってよい。

ところで、本発明に係る装置は、水中の塩素ガス（Ｃｌ_２）の濃度を高めるためにも使用可能である。このためには、単に１つの供給管路を省略して、残った供給管路により塩素ガスを混合管に導入する。

これにより本発明の対象は、塩素ガスを供給する供給管路と、塩素ガスを水と混合させる混合管であって、一端において、供給管路が開口し、他端において、塩素濃度を高めたい供給水をノズルによって噴入可能なサクションチャンバが配置されている混合管と、サクションチャンバから下流に延びる排水管路と、を備える、塩素ガスを水に添加する装置であって、混合管が、塩素ガス濃度を高めたい混入水を、混合管に混入させる少なくとも１つの混入開口を有する、塩素ガスを水に添加する装置である。この変化態様も、浸漬型反応器として運転可能である。

塩素ガスが混合管内で初めて作られるものでなくても、混合管内での急速な希釈を達成するために、水を混合管内に供給する第２の供給管路を設けると有意義である。このような装置は、構造的には、２つの反応成分を混合する装置に相当し、相違点は、両供給管路により反応成分が混合管内に到達するのではなく、一方では塩素ガスが、他方では水が混合管内に到達する点にある。

以下に、本発明について実施の形態を参照しながら詳細に説明する。

装置の断面図である。 装置の正面図である。 冷却塔の冷却カップ内の浸漬型反応器としての装置を示す図である。

［表１］３つの構成サイズの寸法及び通流量をまとめた表である。

図１及び図２は、本発明に係る二酸化塩素を水に添加する装置１を示す。この装置は、浸漬型反応器として完全に、水中の二酸化塩素濃度を高めたい水槽内に沈められる（図３参照）。

装置の核心部は、チタン材料から製造された混合管２である。混合管２は、円形の横断面を有している。混合管２は、ベースプレート３からサクションチャンバ４にかけて延在している。ベースプレート３は、混合管２の一端を閉鎖している。ベースプレート３を通して、図２にのみ看取可能に、２つの供給管路５ａ，５ｂが延在している。供給管路５ａ，５ｂは、２つの反応成分、例えば塩酸及び亜塩素酸ナトリウムを混合管２に別々に供給するために役立つ。両供給管路は、１つの共通の開口部６において混合管に開口している。もちろん、各々の供給管路は、混合管に独自の開口部を有していてもよい。反応成分に対して耐性を有しているように、ベースプレート３は、少なくとも供給管路５ａ，５ｂ及びその開口部６の領域においてＰＴＦＥから製造されている。ベースプレートの、化学物質に曝されない下側の部分は、装置１の残余の構成部分と同様、ステンレス鋼からなる。

反応成分ＨＣｌ（３０％）とＮａＣｌＯ_２（２５％）とは、ポンプ７ａ，７ｂによりそれぞれのタンク８ａ，８ｂからＰＴＦＥチューブ９ａ，９ｂを介して供給管路５ａ，５ｂに、そして供給管路５ａ，５ｂの開口部６を通して混合管２に流入する。混合管内で、これらの成分は反応して、二酸化塩素、食塩及び水を生成する。反応混合物は、ポンプ７ａ，７ｂにより混合管を通して圧送される。これにより、ポンプ７ａ，７ｂのみが反応成分の混合比を決定する。

下流において、サクションチャンバ４の直前に、混合管２の壁に、計６つの混入開口１０が設けられている。混入開口１０を通して水が流動し、サクションチャンバの負圧によって駆動され、水中に沈められた装置の周囲から混入水として混合管２に流入し、そして発生したばかりの二酸化塩素を急激に希釈する。混合管２は、混入水の混入前に成分の反応が完了しているように寸法設定されている。このために、混合管２には、開口部６から混入開口１０に至る反応区分に沿って、約５．４の縦横比が与えられている（図面は、正しい縮尺で示したものではない。）。

表１は、装置の３つの可能な構成サイズの実際の値を例示している。各々の構成サイズは、２ｇ／ｌのＣｌＯ_２含有量を有する水／二酸化塩素溶液を生産する。
表１

サクションチャンバ４の形態は、ほぼ従来技術に相当する。二酸化塩素濃度を高めたい供給水は、給水管路１１を介して、先細りしたノズル１２に導入される。ノズル１２内で供給水の流速は著しく上昇する。サクションチャンバ４の横断面は、ノズル１２の出口横断面より明らかに大きいため、噴入される供給水の圧力は、サクションチャンバ内で著しく低下する。その結果、吸引作用が生じて、反応成分及び混入水を混合管２からサクションチャンバ４内に吸い込み、サクションチャンバ４内で渦動させ、つまり、さらに希釈させる。混合物は、排出水として排水管路１３を介して装置１を後にする。

給水管路１１と排水管路１３とは、少なくともサクションチャンバ４の領域において混合管２に対して半径方向で延在している。このことは、混合管がクランプセット１４によりサクションチャンバ４とベースプレート３との間で締め付け可能であるという利点を有している。クランプセット１４、サクションチャンバ４、混合管２及びベースプレート３を介して、閉じた力伝達経路が形成されている。閉じた力伝達経路は、装置内で成分が爆発したときに装置が破裂することを防止する。また、混合管、ベースプレート及びサクションチャンバは、クランプセットにより摩擦力結合（ｋｒａｆｔｓｃｈｌｕｅｓｓｉｇ：摩擦力による束縛）式に互いに接合されている。その結果、これらの構成部材の、この材料組み合わせの場合に問題となることが多い素材結合（ｓｔｏｆｆｓｃｈｌｕｅｓｓｉｇ）は、省略される。さらにクランプセット１４は、チューブ９ａ，９ｂのための引っ張り負荷軽減部材１５ａ，１５ｂと、水槽内に装置１を沈めるアイボルト１６とを有している。

特に好ましくは、本発明に係る装置は、つまり浸漬型反応器として、水中の二酸化塩素濃度を高めたい水槽内で運転される。このために装置は、少なくとも混入開口が水面下に位置するまで、水槽内に沈められる。最も好ましくは、装置は完全に水槽内に沈められる。装置のベースプレートは底面と接触していてよい。

図３は、発電所冷却塔の例での使用を示す。冷却塔１７においては、自体公知の形式で、発電所の排熱又はその他のプロセスの排熱を伴う冷却水が冷却される。このために冷却塔１７の下側には、「冷却カップ１８」が存在する。冷却カップ１８内には、大量の冷却水が存在する。冷却水ポンプ１９は連続的に、冷たい冷却水を冷却カップ１８から取り出し、図３には示さない冷却したいプロセスへと供給する。このプロセスから、温められた冷却水が、戻り管路２０を介して冷却塔に還流し、冷却塔の内面に沿って冷却カップ１８に流れ落ちる。その際、冷却水は、煙突効果（Ｋａｍｉｎｅｆｆｅｋｔ）に基づいて冷却塔１７を上昇する気流によって冷却される。

冷却塔１７内での生物の成長を阻止するために、冷却水には、強殺生物性の二酸化塩素が添加される。

この目的のために、装置１は、浸漬型反応器として、処理したい水で満たされた冷却カップ１８内に完全に沈められ、ベースプレート３でもって冷却カップ１８の底に載置されている。混合管２は、処理したい水の中を鉛直方向に延びている。両反応成分は、それぞれのタンク８ａ，８ｂからチューブ９ａ，９ｂを介して、調量ポンプ７ａ，７ｂにより駆動されて装置１内に圧送される。供給水は、冷却回路に起源を有するものであり、戻り管路２０から引き出された給水管路１１により装置１に導入される。圧送圧力は、最終的に冷却水ポンプ１９によって形成される。供給水は、サクションチャンバ内で、生成されたばかりの二酸化塩素及び混入開口１０を介して冷却カップ１８から装置１に流入した混入水と混ざり、排水管路１３を介して冷却カップ１８に戻される。

１ 装置
２ 混合管
３ ベースプレート
４ サクションチャンバ
５ａ 供給管路１
５ｂ 供給管路２
６ 開口部
７ａ ポンプ
７ｂ ポンプ
８ａ タンク
８ｂ タンク
９ａ チューブ
９ｂ チューブ
１０ 混入開口
１１ 給水管路
１２ ノズル
１３ 排水管路
１４ クランプセット
１５ａ 引っ張り負荷軽減部材
１５ｂ 引っ張り負荷軽減部材
１６ アイボルト
１７ 冷却塔
１８ 冷却カップ
１９ 冷却水ポンプ
２０ 戻り管路

Claims (12)

1. 第１の反応成分を供給する第１の供給管路（５ａ）と、
   第２の反応成分を供給する第２の供給管路（５ｂ）と、
   両反応成分を混合して反応させ、二酸化塩素を生成する混合管（２）であって、一端において、前記の両供給管路（５ａ，５ｂ）が開口し、他端において、二酸化塩素濃度を高めたい供給水をノズル（１２）によって噴入可能なサクションチャンバ（４）が配置されている混合管（２）と、
   前記サクションチャンバ（４）から下流に延びる排水管路（１３）と、
   を備える、二酸化塩素を水に添加する装置（１）であって、
   前記混合管（２）は、二酸化塩素濃度を高めたい、反応成分を含まない混入水を、前記混合管（２）に混入させる少なくとも１つの混入開口（１０）を有することを特徴とする、二酸化塩素を水に添加する装置。
2. 前記混入開口（１０）は、前記供給管路（５ａ，５ｂ）の、前記混合管（２）への両開口部（６）の下流に配置されている、請求項１記載の装置。
3. 前記ノズル（１２）と前記排水管路（１３）とは、前記サクションチャンバ（４）の領域で、互いに同軸的に配置されている、請求項１又は２記載の装置。
4. 前記混合管（２）は、少なくとも前記サクションチャンバ（４）の領域で、前記ノズル（１２）及び前記排水管路（１３）に対して半径方向に延在する、請求項３記載の装置。
5. 前記混合管（２）の、前記サクションチャンバ（４）とは反対側の端部を閉鎖し、前記の両供給管路（５ａ，５ｂ）が貫通するベースプレート（３）と、前記混合管（２）に前記ベースプレート（３）と前記サクションチャンバ（４）との間で軸方向力を加えるクランプセット（１４）とを備える、請求項４記載の装置。
6. 前記混合管（２）は、少なくとも前記サクションチャンバ（４）の領域で、前記ノズル（１２）及び前記排水管路（１３）に対して同軸的に延在する、請求項３記載の装置。
7. 前記混合管（２）の縦横比は、最も下流側に配置された開口部（６）から、最も上流側に配置された混入開口（１０）までを測定して、５〜８である、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
8. 塩素ガスを供給する供給管路と、
   塩素ガスを水と混合させる混合管であって、一端において、前記供給管路が開口し、他端において、塩素濃度を高めたい供給水をノズルによって噴入可能なサクションチャンバが配置されている混合管と、
   前記サクションチャンバから下流に延びる排水管路と、
   を備える、塩素ガスを水に添加する装置であって、
   前記混合管は、塩素ガス濃度を高めたい混入水を、前記混合管に混入させる少なくとも１つの混入開口を有することを特徴とする、塩素ガスを水に添加する装置。
9. 水を前記混合管に供給する第２の供給管路を備え、該第２の供給管路は、前記混合管の、第１の供給管路も開口する端部において開口している、請求項８記載の装置。
10. 水槽であって、請求項１から９までのいずれか１項記載の装置（１）の少なくとも混合管（２）が、前記混入開口（１０）を通して混入水が前記水槽から前記混合管（２）に混入される程度に前記水槽中に沈められていることを特徴とする水槽。
11. 前記排水管路（１３）は前記水槽に開口する、請求項１０記載の水槽。
12. 前記水槽から前記ノズル（１２）に延びる給水管路（１１）を備える、請求項１０又は１１記載の水槽。

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