JP6377569B2 - 流体吹込装置及びこれを用いた化学反応装置 - Google Patents

Description

本発明は、流体吹込装置及びこれを用いた化学反応装置に関する。

液体と流体とを混合して化学反応させる化学反応装置において、流れを伴った液体に流体を吹き込んで、液体と流体との間で物質移動、熱移動、化学反応等の反応を生じさせる方法が様々な産業分野において用いられている。これらの反応は液体と流体との界面を介して生じるため、液体と流体とが接触する界面の面積を大きくすることで、反応効率を向上させることができる。

界面の面積を大きくする方法としては、多数の小孔が設けられたノズルから気体を供給することで、液体中に微細な気泡を多量に供給する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−３３４５５６号公報

しかしながら、上記方法では、ノズルに設けられた小孔の開口径が小さいため、気泡と液体とが反応して固体が生成される場合や、固体粒子が懸垂している液体に気泡を供給する場合には、液体中の固体粒子によってノズルの小孔が目詰まりすることがある。その結果、ノズルから液体中に気泡を安定的に供給することができなくなることがある。

そこで、本発明の一つの案は、微細な気泡又は液滴を安定的に液体中へ供給することが可能な流体吹込装置を提供することを目的とする。

一つの案では、流れを伴った液体に流体を吐出する流体吹込装置であって、前記液体の流れを変化させることで、前記液体中に圧力差を形成する偏流部材と、前記液体中における圧力差が形成された領域に前記流体を吐出する吹込管とを有し、前記偏流部材は、前記吹込管よりも下流側に設けられ、前記吹込管に取り付けられている、流体吹込装置が提供される。

一態様によれば、微細な気泡又は液滴を安定的に液体中へ供給することができる。

本発明の一実施形態に係る気体吹込装置の概略図である。 本発明の一実施形態に係る気体吹込装置を用いたときの流体シミュレーションによる液体の流線を示す図である。 本発明の一実施形態に係る気体吹込装置の他の例を示す概略図（その１）である。 本発明の一実施形態に係る気体吹込装置の他の例を示す概略図（その２）である。 本発明の一実施形態に係る気体吹込装置の他の例を示す概略図（その３）である。 実施例１で生成された気泡を説明するための図である。 実施例１で生成された気泡の直径と発生頻度を示すグラフである。 実施例２で生成された気泡を説明するための図である。 比較例１で生成された気泡を説明するための図である。 比較例１で生成された気泡の直径と発生頻度を示すグラフである。 実施例１及び比較例１で生成された気泡の直径の累積頻度分布を示すグラフである。 実施例３で生成された気泡を説明するための図である。 実施例３で生成された気泡の直径の累積頻度分布を示すグラフである。

以下、本発明の流体吹込装置の一例として、流れを伴った液体に対して流体の一例としての気体を吹き込む気体吹込装置について説明するが、本発明はこの点において限定されるものではなく、流れを伴った液体に液体を吹き込む液体吹込装置であってもよい。なお、液体吹込装置の場合には、吹き込まれる液体と吹き込む液体とが異なる液体の場合に適用可能である。

図１は、本発明の一実施形態に係る気体吹込装置の概略図である。具体的には、図１（ａ）及び（ｂ）は、各々、本発明の一実施形態に係る気体吹込装置の概略側面図及び概略斜視図である。図２は、本発明の一実施形態に係る気体吹込装置を用いたときの流体シミュレーションによる液体の流線を示す図である。

以下、上流側から下流側に向かって同一の方向に直線的に流れている液体（図１の矢印Ｌｆ参照）中に、垂直方向の上方側から気体吹込管１１を挿入することで、液体に対して気体を吐出する場合を例として説明する。なお、図１（ａ）において、紙面に対して垂直方向がＸ方向、上下方向がＹ方向、左右方向がＺ方向である。

図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、本発明の一実施形態に係る気体吹込装置は、気体吹込管１１と、偏流部材１２とを有する。

気体吹込管１１は、Ｙ方向を長手方向とし、Ｙ方向からの平面視における形状が円形である管状部材である。気体吹込管１１の一端（図１の−Ｙ方向の先端）には、気体を吐出する吐出口１１ａが設けられている。気体吹込管１１の他端には、気体吹込管１１に気体を供給する気体供給源が接続されている。そして、気体供給源から供給される気体は、気体吹込管１１の一端に設けられた吐出口１１ａから吐出される。係る気体吹込管１１の吐出口１１ａを液体中に挿入した後、吐出口１１ａから気体を吐出させることで、液体中に気体が吐出される。

偏流部材１２は、吐出口１１ａよりも下流側に設けられ、液体の流れを変化させることで、偏流部材１２よりも上流側の圧力が偏流部材１２よりも下流側の圧力に対して高くなるように、液体中に圧力差を形成する部材である。具体的には、例えば図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、偏流部材１２は、平面視において底辺が液体の流れの上流側に配置された三角形状を有する板状部材である。そして、偏流部材１２は、吐出口１１ａよりも下流側に、板状部材の表面が液体の流れに対して所定の角度θ（以下「迎え角θ」という。）の傾きをもって設けられている。

また、偏流部材１２は、液体の流れの上流側に位置する部分が液体の流れの下流側に位置する部分よりも吐出口１１ａの近くに設けられ、液体の流れの上流側に位置する部分が気体吹込管１１に取り付けられている。

係る構成を有する気体吹込装置において、吐出口１１ａから吐出される気体は、吐出口１１ａの近傍を流れる液体と接触する。

このとき、上流側から下流側に向かう液体の流れＬｆは、図１（ｂ）及び図２に示すように、吐出口１１ａよりも下流側に設けられた偏流部材１２によって遮蔽される。このため、偏流部材１２の下流側は、偏流部材１２の上流側と比較して低圧となっている。すなわち、偏流部材１２の上流側と下流側との間に圧力差が形成されている。そして、液体は、圧力が高い領域から圧力が低い領域に向かって流動する性質があるため、偏流部材１２によって形成された圧力差によって、偏流部材１２の底辺から頂点に向かう辺の近傍において、偏流部材１２の上流側から下流側に向かって回り込む。その結果、偏流部材１２の底辺から頂点に向かう辺の近傍では、渦状の液体の流れが形成される（図１（ｂ）の矢印Ａ参照）。

そして、吐出口１１ａから吐出される気体は、渦状の液体の流れによるせん断作用によって細かく分断され、微細な気泡となる。すなわち、微細な気泡を液体中に供給することができる。

また、前述の気体吹込装置では、偏流部材１２が気体吹込管１１の外部である吐出口１１ａの下流側に設けられている。このため、液体と気体とが反応して固体が生成される場合や、固体粒子が懸垂している液体に気体を供給する場合であっても、液体中の固体粒子によって吐出口１１ａが閉塞することを抑制することができる。結果として、気体を安定的に液体中に供給することができる。

以上に説明したように、本発明の一実施形態に係る気体吹込装置は、液体の流れを変化させることで、液体中に圧力差を形成する偏流部材１２と、液体中における圧力差が形成された領域に流体を吐出する気体吹込管１１とを有する。このため、微細な気泡を安定的に液体中へ供給することができる。

以上、図面を参照しながら本発明の一実施形態に係る流体吹込装置について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。

前述の気体吹込装置では、偏流部材１２が平面視において三角形状を有する構成について説明したが、本発明はこの点において限定されるものではなく、平面視における形状としては、例えば矩形、菱形、円形、楕円形、半円形であってもよい。

このように、偏流部材１２としては、種々の形状を有する構成が挙げられるが、以下の観点から平面視において三角形状を有することが好ましい。すなわち、偏流部材１２が平面視において三角形状を有する場合、図１（ｂ）に示すように、偏流部材１２の底辺から頂点に向かう２辺の近傍に形成される渦状の液体の流れが、偏流部材１２の頂点に近づくにつれて互いに近づくように形成される。これにより、渦状の液体による気体に対するせん断作用が特に大きくなるため、特に微細な気泡を液体中へ供給することができる。

また、前述の気体吹込装置では、偏流部材１２が気体吹込管１１の外側に配置されている構成について説明したが、本発明はこの点において限定されるものではない。偏流部材１２は、例えば図３に示すように、気体吹込管１１を液体の流れに対して所定の角度（例えば６０°）で切断することにより、気体吹込管１１の吐出口１１ａが形成された側に延在するように設けられていてもよい。係る構成では、気体吹込管１１を切断するという簡単な方法によって、偏流部材１２を設けることができる。また、仮に気体吹込管１１の吐出口１１ａが閉塞した場合であっても、気体吹込管１１を液体の流れに対して所定の角度で切断することで容易に吐出口１１ａが閉塞した状態を解消することができる。

さらに、図３に示すように、気体吹込管１１の内部に、液体が吐出口１１ａから侵入して気体吹込管１１の内部を逆流することを抑制する逆流抑制部材１３が設けられていてもよい。逆流抑制部材１３としては、特に限定されるものではないが、例えば気体吹込管１１の内径と同一又は略同一の外径を有し、図３の矢印で示す方向に移動可能な円板状の部材とすることができる。

また、偏流部材１２は、例えば図４及び図５に示すように、気体吹込管１１の先端部分のうち、液体の流れの上流側に位置する部分を除去し、下流側に位置する一部分を残した後、残した部分を下流側の方向に、気体吹込管１１の長手方向から所定の角度（例えば３０°、４５°）折り曲げることより、気体吹込管１１の吐出口１１ａが形成された側に延在するように設けられていてもよい。

また、前述の気体吹込装置では、気体吹込管１１が挿入される方向として、垂直方向の上方から下方に向かって挿入される構成について説明したが、本発明はこの点において限定されるものではない。例えば気体吹込管１１は、垂直方向の下方から上方に向かって挿入される構成であってもよく、水平方向から挿入される構成であってもよい。

このように、気体吹込管１１が挿入される方向としては種々の構成が挙げられるが、吐出される気体の運動量が浮力で減殺され、気体の移動方向が液体の流れにより容易に制御できるという観点から、垂直方向の上方から下方に挿入される構成が好ましい。

また、偏流部材１２は、気体吹込管１１に取り付けられることなく、別途設けられた支持機構により液体中に保持されていてもよい。この場合、偏流部材１２が設けられる位置は、ナビエ-ストークス方程式を解いて求められる気体の軌跡上とする。具体的に説明すると、気体を上向きに吹き込む際は吐出口よりも上に配置し、気体を下向きに吹き込む際は、吐出口の近くでは吐出口よりも下に、遠くでは上に配置する。

また、本発明の一実施形態に係る気体吹込装置は、吐出口１１ａから吐出される気体として、液体に含まれる物質と化学反応する物質を用いることで液体と気体との界面において液体と気体とを化学反応させる化学反応装置の一部として用いられる。化学反応装置は、例えば液体が収容される容器と、液体に気体を供給する気体吹込装置とを備え必要に応じて気体の流速を上げる流送装置や、気体の流量を減らす流量調整弁を備える。

以上に説明したように、本発明の一実施形態に係る気体吹込装置によれば、微細な気泡を安定的に液体中へ供給することができる。このため、液体と気体とが接触する界面の面積を大きくすることができる。結果として、液体と気体とを化学反応させる化学反応装置において、気体と液体中に含まれる物質との間の反応効率を向上させることができる。

なお、気体の種類としては、例えば酸素、塩素、水素、硫化水素等を用いることができ、液体の種類としては、例えば水溶液、有機溶媒、液体塩素、熔融金属等を用いることができる。

以下、実施例により詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
実施例１では、流速１．６ｍ／秒で水平方向に流れる水中に、水の流れに対して垂直方向の上方から図１に示した気体吹込管１１と偏流部材１２とを有する気体吹込装置を挿入し、吐出口１１ａから水中に空気を３Ｌ／分の流量で吐出させた。なお、気体吹込管１１の直径を７ｍｍ、偏流部材１２の迎え角θを４０°とした。

また、気体吹込装置から水中に空気を吐出させたときの気泡の生成挙動の可視化を行った。図６は、実施例１で生成された気泡を説明するための図である。なお、図６において、左側が水の流れの上流側であり、右側が水の流れの下流側である。

図６に示すように、吐出口１１ａから水中に吐出された空気は、偏流部材１２の下流側において微細な気泡となった後に、速やかに下流側へ流されていることが確認できた。

続いて、図６の画像を用いて解析を行うことにより、気泡の直径（以下「気泡径」ともいう。）を算出した。なお、偏流部材１２が設けられた位置よりも下流側に存在する気泡を球と仮定したときの球の体積から気泡径を算出した。

算出した結果を図７及び図１１に示す。図７は、実施例１で生成された気泡の直径と発生頻度を示すグラフである。図１１は、実施例１及び比較例１で生成された気泡の直径の累積頻度分布を示すグラフである。なお、図７における横軸は気泡径（ｍｍ）を表し、縦軸は頻度（％）を表す。また、図１１における横軸は気泡径（ｍｍ）を表し、縦軸は累積頻度（％）を表す。なお、本願でいう頻度および累積頻度は体積基準のものである。

図７及び図１１に示すように、吐出口１１ａから吐出された空気のうちの８０％が直径２．１ｍｍ以下の気泡になっていることが確認できた。また、吐出口１１ａから吐出された空気のうちの９５％が直径２．８ｍｍ以下の気泡になっていることが確認できた。

なお、実施例１では、気体吹込管１１の先端に取り付けられた偏流部材１２の下流下向きに伸びる２つの辺により、液体の流れが三次元的な渦状となったと考えられる。そして、渦状となった液体の流れによるせん断作用によって、吐出口１１ａから吐出された空気が微細な気泡となったと考えられる。

（実施例２）
実施例２では、実施例１で用いた気体吹込装置に代えて、図３に示した気体吹込装置を用いて、実施例１と同様の方法により、気体吹込装置から水中に空気を吐出させたときの気泡の生成挙動の可視化を行った。図８は、実施例２で生成された気泡を説明するための図である。なお、図８において、左側が水の流れの上流側であり、右側が水の流れの下流側である。

図８に示すように、吐出口１１ａから水中に吐出された空気は、気体吹込管１１の偏流部材１２の下流側において微細な気泡となった後に、速やかに下流側へ流されていることが確認できた。

なお、実施例２では、気体吹込管１１の先端部分に、気体吹込管１１と一体的に形成された偏流部材１２により、液体の流れが三次元的な渦状となったと考えられる。そして、渦状となった液体の流れによるせん断作用によって、吐出口１１ａから吐出された空気が微細な気泡となったと考えられる。

（比較例１）
比較例１では、流速１．６ｍ／秒で水平方向に流れる水中に、水の流れに対して垂直方向の上方から偏流部材１２を有していない気体吹込装置を挿入し、吐出口１１ａから水中に空気を３Ｌ／分の流量で吐出させた。なお、偏流部材１２を有していない点以外は、実施例１の気体吹込装置と同様の構成を用いた。

また、実施例１と同様の方法により、気体吹込装置から水中に空気を吐出させたときの気泡の生成挙動の可視化を行った。図９は、比較例１で生成された気泡を説明するための図である。なお、図９において、左側が水の流れの上流側であり、右側が水の流れの下流側である。

図９に示すように、吐出口１１ａから水中に吐出された空気は、水の流れに乗ってゆっくりと下流側へと流されていることが確認できた。また、水中に吐出された空気の一部は水の流れによって小さい気泡となって下流側へと流されているが、水中に吐出された空気のほとんどは小さい気泡となることなく下流側へと流されていることが確認できた。

続いて、図９の画像を用いて解析を行うことにより、気泡径を算出した。なお、実施例１と同様の算出方法を用いた。

算出した結果を図１０及び図１１に示す。図１０は、比較例１で生成された気泡の直径と発生頻度を示すグラフである。なお、図１０における横軸が気泡径（ｍｍ）を表し、縦軸が頻度（％）を表す。

図１０及び図１１に示すように、吐出口１１ａから吐出された空気のうちの６６％が直径２．１ｍｍ以下の気泡になっていることが確認できた。また、吐出口１１ａから吐出された空気のうちの８１％が直径２．８ｍｍ以下の気泡になっていることが確認できた。

以上により、実施例１及び実施例２では、比較例１の場合と比較して、微細な気泡を安定的に液体中へ供給することができることが確認できた。

（実施例３）
実施例３では、流速１．６ｍ／秒で水平方向に流れる水中に、水の流れに対して垂直方向の上方から図１に示した気体吹込管１１と偏流部材１２とを有する気体吹込装置を挿入し、吐出口１１ａから水中に空気を３Ｌ／分の流量で吐出させた。なお、気体吹込管１１の直径を７ｍｍとした。

係る条件下で、迎え角θを２５°、４０°、７０°、９０°に変化させたときの気体吹込装置から水中に空気を吐出させたときの気泡の生成挙動の可視化を行った。図１２は、実施例３で生成された気泡を説明するための図である。具体的には、図１２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は、各々、迎え角θを２５°、４０°、７０°、９０°としたときの気泡の生成挙動を可視化した画像である。なお、図１２において、左側が水の流れの上流側であり、右側が水の流れの下流側である。

図１２（ａ）から（ｄ）に示すように、吐出口１１ａから水中に吐出された空気は、偏流部材１２の下流側において微細な気泡となった後に、速やかに下流側へ流されていることが確認できた。また、迎え角θを４０°以上にすることで、特に微細な気泡が得られることが確認できた。

続いて、図１２の画像を用いて解析を行うことにより、気泡径を算出した。

算出した結果を図１３に示す。図１３は、実施例３で生成された気泡の直径の累積頻度分布を示すグラフである。なお、図１３における横軸は気泡径（ｍｍ）を表し、縦軸は累積頻度（％）を表す。

図１３に示すように、迎え角θを４０°以上にした場合、吐出口１１ａから吐出された空気のうちの９０％以上が直径２．８ｍｍ以下の気泡となっていることが確認できた。また、迎え角θを２５°にした場合、吐出口１１ａから吐出された空気のうちの８５％以上が直径２．８ｍｍ以下の気泡となっていることが確認できた。すなわち、迎え角θを４０°以上にすることで、特に微細な気泡が得られることが確認できた。

また、迎え角θを２５°、４０°、７０°、９０°に変化させたときの気体吹込装置から水中に空気を吐出させたときの気泡の直径の平均値（平均気泡径）を算出した。

算出した結果を表１に示す。

表１に示すように、迎え角θが４０°の場合、平均気泡径は１．８ｍｍであり、迎え角θが２５°、７０°、９０°の場合、平均気泡径は２．０ｍｍであった。すなわち、迎え角θが４０°の場合、迎え角θが２５°、７０°、９０°の場合よりも微細な気泡が得られることが確認できた。

１１ 気体吹込管
１１ａ 吐出口
１２ 偏流部材
１３ 逆流抑制部材
θ 迎え角
Ｌｆ 液体の流れ
Ａ 渦状の液体の流れ

Claims (7)

1. 流れを伴った液体に流体を吐出する流体吹込装置であって、
   前記液体の流れを変化させることで、前記液体中に圧力差を形成する偏流部材と、
   前記液体中における圧力差が形成された領域に前記流体を吐出する吐出口を有する吹込管と
   を有し、
   前記偏流部材は、前記吐出口よりも下流側に設けられ、前記吹込管に取り付けられている、
   流体吹込装置。
2. 前記偏流部材は、前記偏流部材よりも上流側の圧力が前記偏流部材よりも下流側の圧力よりも高くなるように、前記液体中に圧力差を形成する、
   請求項１に記載の流体吹込装置。
3. 前記偏流部材は、板状部材であり、前記板状部材の表面が前記液体の流れに対して所定の角度の傾きをもって設けられている、
   請求項１又は２に記載の流体吹込装置。
4. 前記偏流部材は、前記液体の流れの上流側に位置する部分が、前記液体の流れの下流側に位置する部分よりも前記吹込管の吐出口の近くに設けられている、
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の流体吹込装置。
5. 前記流体は、前記液体に含まれる物質と化学反応する物質を含む、
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の流体吹込装置。
6. 前記流体は、気体である、
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載の流体吹込装置。
7. 液体が収容される容器と、
   前記容器に収容された前記液体に流体を供給する請求項１乃至６のいずれか一項に記載の流体吹込装置と
   を備え、
   前記流体吹込装置から前記容器に収容された前記液体に対して前記流体を吐出させることで、前記流体と前記液体とを化学反応させる、
   化学反応装置。