JP6673749B2 - 気液混合器 - Google Patents

Description

本発明は、例えばＬＮＧ等の低温液体にＬＮＧタンクから排出される蒸発ガスを直接接触させて混合する気液混合器に関する。
なお、混合する気体と液体については、特に限定されるものではない。

液体に気体を混合する気液混合器として、例えば特許文献１に開示のジェットミキサーがある。
特許文献１に開示のジェットミキサーは、「流体送給系に配設され、上流側の流体送入口と、下流側の流体送出口と、混合すべき気体または液体の送給口をそれぞれ外周壁に有する本体と、前記流体送入口と前記流体送出口との間に介挿固定され、かつ液体にスロットトル効果を与える貫通路と該流路の外周壁に穿設された複数の小孔を有する噴射管とを含むものである。」（特許文献１の請求項（１）参照）

特開平４−４５８３２号公報

液体流路となる貫通路の外周壁の小孔を介して気体が液体流路内の液体に供給される際、本体（気体供給部）の上側の空間は比重の軽い気体で満たされるが、本体の下側の空間は比重の重い液体で満たされることになる。そのため、例えば、液体としてＬＮＧ（−１６０℃程度）のような低温液体を流し、気体として蒸発ガス（４０℃程度）を前記低温液体に混合する場合、気液混合器の下部と上部との間で１００℃を越えるような大きな温度差が生じることになる。

気液混合器を水平に設置する場合は、蒸発ガスで満たされる上部側は伸び、低温液体で満たされる下部側は収縮するため、本体に対して、上に凸の湾曲形状に曲げるような曲げ応力が生じる。このため、本体の送入口、送出口との接続部から液体の漏れが発生する可能性があり、曲げ応力が大きい場合には塑性変形に至ったり破壊を生じたりする可能性もある。
また、気液混合器を鉛直に設置する場合は、液体流路と気体供給部との間でやはり大きな温度差が生じ、液体流路と外筒との間で熱膨張・収縮差による応力が発生することになる。
なお、気体の予冷却装置を設ければ気体の温度を低下させて温度差を低減することができるが、別途冷却装置が必要となり、装置が複雑になるという問題がある。

本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、供給される気体と液体の温度差に起因する変形による弊害のない気液混合器を提供することを目的としている。

（１）本発明に係る気液混合器は、液体に気体を直接接触させて前記液体に前記気体を混合、溶解、あるいは前記気体を液化させる気液混合器であって、一端側に液体供給口を、他端側に混合流体排出口を有すると共に、周壁に前記気体が流入するための気体流入孔を有し、内部を通流する液体に前記気体流入孔から前記気体を流入させて両者を混合する気液混合部と、該気液混合部の外周との間に所定の隙間が形成された状態で前記気液混合部を覆うように設けられて、前記気体流入孔を介して前記気液混合部に気体を供給する気体供給部と、一端側に気体供給管が接続される気体供給管接続部を有し、他端側に気体注入口を有し、前記気体供給部に気体を注入する気体注入部とを備え、前記気体注入口は、設置状態において最下位の前記気体流入孔よりも下方に配置されており、前記気体流入孔を介して流出して前記気体供給部に滞留した液体中に前記気体を注入するようにしたことを特徴とするものである。

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記気体注入部における前記気体供給管接続部は、設置状態において最上位の前記気体流入孔よりも上方に設けられていることを特徴とするものである。

（３）また、上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、前記気液混合部は、ベンチュリ形状に形成されており、前記気体流入孔は、前記ベンチュリ形状におけるのど部よりも下流側に設けられていることを特徴とするものである。

（４）また、上記（１）乃至（３）のいずれかに記載のものにおいて、前記気液混合部を流路方向で２分割された筒状部材で形成し、該２分割された筒状部材の上流側に配置される筒状部材の下流側端部を、下流側に配置される筒状部材の上流側端部に挿入したことを特徴とするものである。

（５）また、上記（３）に記載のものにおいて、前記ベンチュリ形状の気液混合部を、前記のど部において流路方向で２分割すると共に、上流側を内管、下流側を外管とした嵌め合い部を設けたことを特徴とするものである。

（６）また、上記（１）乃至（５）のいずれかに記載のものにおいて、前記気体供給部に供給された気体を分散する充填物を充填したことを特徴とするものである。

本発明に係る気液混合器は、一端側に液体供給口を、他端側に混合流体排出口を有すると共に、周壁に前記気体が流入するための気体流入孔を有し、内部を通流する液体に前記気体流入孔から前記気体を流入させて両者を混合する気液混合部と、
該気液混合部の外周との間に所定の隙間が形成された状態で前記気液混合部を覆うように設けられて、前記気体流入孔を介して前記気液混合部に気体を供給する気体供給部と、
一端側に気体供給管が接続される気体供給管接続部を有し、他端側に気体注入口を有し、前記気体供給部に気体を注入する気体注入部とを備え、
前記気体注入口は、設置状態において最下位の前記気体流入孔よりも下方に配置されており、前記気体流入孔を介して流出して前記気体供給部に滞留した液体中に前記気体を注入するようにしたことにより、液体が例えばＬＮＧのように極低温であり、気体がＬＮＧの蒸発ガスのように相対的に高温であり、気体と液体との温度差が大きい場合であっても、気体は必ず液体中を通過して気体供給部に注入されるので、通液時に気体の温度が液体の温度に近づくことで、気体供給部内の温度差が緩和され、気液混合器の上下で温度差が小さくなり、温度差に起因する液体の漏れや気液混合器の塑性変形や破壊を防止できる。

本発明の実施の形態１に係る気液混合器の説明図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の矢視Ａ−Ａ断面図である。 本発明の実施の形態１に係る気液混合器の説明図であり、気体注入部の他の態様の説明図である。 本発明の実施の形態１に係る気液混合器の他の態様の説明図である。 図３に示した気液混合器における気体注入部の他の態様の説明図である。 図３に示した気液混合器の使用方法の一例を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る気液混合器の説明図である。 本発明の実施の形態３に係る気液混合器の説明図である。

［実施の形態１］
本実施の形態に係る気液混合器１は、例えばＬＮＧのような低温の液体にＬＮＧの蒸発ガスのように前記液体よりも相対的に高温の気体を直接接触させて前記低温液体に前記蒸発ガスを液化させて混合する気液混合器１であって、図１に示すように、気体２と液体３を混合する気液混合部５と、気液混合部５に気体２を供給する気体供給部７と、気体供給部７に気体２を注入する気体注入部９を備えている。
本実施の形態の気液混合器１は、液体３及び混合流体が水平方向に流れる水平設置タイプのものである。
以下、各構成を詳細に説明する。

＜気液混合部＞
気液混合部５は、一端側に液体供給口１１を、他端側に混合流体排出口１３を有すると共に、周壁に気体２が流入するための気体流入孔１５を有し、内部を通流する液体３に気体流入孔１５から気体２を流入させて両者を混合するものである。
液体供給口１１には、液体３を供給する液体供給管１７が接続され、混合流体排出口１３には混合流体を排出する混合流体排出管１９が接続されている。

本実施の形態の、気液混合部５は、円筒管形状であるが、本発明の気液混合部５の形状は特に限定されない。
周壁に設けられた気体流入孔１５に関し、本例では複数設けているが、本発明においては、少なくとも２つ設けてあればよい。もっとも、気体流入孔１５の孔径を小さくして複数設けることで、気体２を分散して流入させることができ、流入した気体２が液体３に速やかに混合されるという効果が得られる。

図１においては、気液混合部５と液体供給管１７との境界部及び気液混合部５と混合流体排出管１９との境界部を破線で示しているが、実機では破線部がフランジや溶接による接続部となる。

＜気体供給部＞
気体供給部７は、気液混合部５の外周との間に所定の隙間が形成された状態で気液混合部５を覆うように設けられた外筒体からなり、気体流入孔１５を介して気液混合部５に気体２を供給するものである。気体供給部７を構成する外筒体の両端部は、気液混合部５に気密状態で接合されている。

＜気体注入部＞
気体注入部９は、図１に示すように、一端側に気体供給管２１が接続される気体供給管接続部２２を有し、他端側に気体注入口２３を有し、気体供給部７に気体２を注入するものである。
本発明においては、気体供給部７に滞留した液体３中に気体２を注入する必要があるため、気体注入口２３は、設置状態において最下位の気体流入孔１５よりも下方に配置される。
本例の気体注入部９は、気体供給部７の周壁に設けられた短管によって形成されており、気体注入口２３は、気体供給部７の底壁に位置しているので、この要件を満たしている。

上記のように構成された気液混合器１の動作及び効果について説明する。
液体供給管１７を通じて供給される低温の液体３が液体供給口１１から気液混合部５に供給される。気液混合部５に液体３が供給されると、液体３の一部は気体流入孔１５を介して気体供給部７に流出して気体供給部７の底部等に滞留するが、この滞留する液体３の液面の高さは、最も上位の気体流入孔１５と最も下位の気体流入孔１５との間となる（図１（ｂ）参照）。この理由は以下の通りである。

気体供給部７に供給された気体２は気体流入孔１５から気液混合部５に入るため、少なくとも1個の気体流入孔１５は気体２の流通路として気体２側に露出していることが必要であり、従って気体供給部７の液位は最も高い位置にある気体流入孔１５よりも低くなる。
供給される気体２の流量が多くなるほど、気体流入孔１５を流れる気体２の通過圧損とのバランスにより、より多くの気体流入孔１５が気体２側に露出するようになり液面（液位）は低下する。液面が低下する際、気体供給部７に滞留している液体の一部は気体流入孔１５を通して気液混合部５に再流入することになる。しかし、最も下に位置する気体流入孔１５まで液位が低下すると、気体供給部７に滞留している液体は気液混合部５に再流入することができなくなるため、気体流量が増大しても液位は低下しなくなる。従って気体供給部７の液位は最も低い位置にある気体流入孔１５よりも低くなることはない。

上述の通り、気体供給部７には、最も上位の気体流入孔１５と最も下位の気体流入孔１５との間に液面を有する液体３が滞留する。
他方、気体供給部７には、気体注入部９の気体注入口２３を介して相対的に高温の気体２が供給される。このとき、気体注入口２３が気体供給部７の底壁に設けられているため、供給された気体２は必ず低温の液体３中を通過することになり、液体３によって冷却される。このため、通液後の気体温度は液体温度に近くなり、その結果、気液混合器１の上下の温度差による曲げ変形に起因する液体３の漏れや気液混合器１の塑性変形や破壊を防止できる。また、気体２の冷却装置を別途設けるよりも装置が簡素になる。
気体供給部７に供給された気体２は気体流入孔１５を介して気液混合部５に入り、液化されて液体３に混合され、混合流体排出口１３を介して混合流体排出管１９に排出される。

なお、上記の説明では、気体注入口２３が気体供給部７の底壁に設けられている例を示したが、設置状態において気体注入口２３が最下位の気体流入孔１５よりも下方に配置されるという条件を満たせば、気体注入部９は図１に示したものに限られず、例えば図２に示すように、気体供給部７を外部上方から内部下方に貫通するように設けられた管部材によって形成してもよい。

管部材は、図２（ａ）に示すような直管でもよいし、図２（ｂ）に示すような屈曲管であってもよい。
気体注入部９を管部材で形成する場合、図２に示すように、気体供給管接続部２２が、設置状態において最上位の気体流入孔１５よりも上方に配置されるようにするのが好ましい。この理由は以下の通りである。
上述したように、気体供給部７には、気体流入孔１５を介して液体３が流出して滞留するが、気液混合器１の運転時におけるその液面の最高位は最上位の気体流入孔１５の位置となる。換言すれば、気体供給部７の液面は、最上位の気体流入孔１５の位置よりも上に上がることはない。したがって、気体供給管接続部２２を最上位の気体流入孔１５の位置よりも上方にすることで、低温の液体３が気体供給管２１に流入するのを防止でき、気体供給管２１において温度差に起因する変形が生ずることがない。

また、上記の例では気体注入部９や気体注入口２３が単数の場合を示したが、これらは複数であってもよい。つまり、気体注入部９を複数設けることで気体注入口２３が複数になるような場合や、一つの気体注入部９に複数の気体注入口２３を設けるような場合であってもよい。

また、上記の例は気液混合器１を、液体３及び混合流体が水平方向に流れる水平設置タイプのものであったが、本発明の気液混合器１は、図３に示すように、気液混合部５を液体３及び混合流体が縦方向に流れる縦方向設置タイプのものも含む。この場合においても、設置状態において気体注入口２３が最下位の気体流入孔１５よりも下方に配置されるようにする。図３において、図１と同一部分には同一の符号を付してある。

なお、縦方向設置タイプの場合にも、図４に示すように、気体供給部７を管部材で形成してもよい。この場合も、気体供給管接続部２２が、設置状態において最上位の気体流入孔１５よりも上方に配置されるようにするのが好ましい。

次に、上記のように構成された本実施の形態の気液混合器１の使用方法について、図３に示した気液混合器１を例に挙げて、図５に基づいて説明する。
図５は、気液混合器１を、ＬＮＧを貯留する貯留槽２５から送出されるＬＮＧにＬＮＧの蒸発ガスを混合するために使用した例であり、図５において、２７は貯留槽２５内のＬＮＧから発生する蒸発ガスを抜き出す蒸発ガス抜出し管２７、２９は蒸発ガス抜出し管２７によって供給される蒸発ガスを圧縮する蒸発ガス圧縮機２９であり、蒸発ガス圧縮機２９によって圧縮された蒸発ガスは調節弁３０が設けられた気体供給管２１を介して気液混合器１に供給される。

また、貯留槽２５には、ＬＮＧを送出する送出管３１が接続され、送出管３１にはプライマリポンプ３３が設けられている。送出管３１から送出されたＬＮＧは液体供給管１７を介して気液混合器１に供給される。
混合流体排出管１９には混合液をさらに昇圧するセカンダリポンプ３５が設けられ、さらにその下流側には低温液体を気化する気化器３７が設けられている。

ＬＮＧが液体供給口１１を介して気液混合部５に供給される。また、気体供給管２１によって供給される蒸発ガスが気体注入口２３を介して気体供給部７に供給される。
運転状態では、気体供給部７に供給された蒸発ガスが気体流入孔１５を介して気液混合部５を流れるＬＮＧに供給されて混合され、再液化される。

このとき、気液混合部５を流れるＬＮＧの一部は、気体流入孔１５から流出して気体供給部７内に流入する。一方、気体供給部７には気体注入口２３から蒸発ガスも供給されており、この供給された蒸発ガスは、気体注入口２３が最も下位の気体流入孔１５よりも下方の気体供給部７の底部に設けられているため、必ず気体供給部７のＬＮＧ中を通過して冷却される。
これによって、蒸発ガスの温度が低下して気体供給部７内の温度差が緩和され、気液混合器１の上下で温度差が小さくなり、温度差による曲げ変形に起因するＬＮＧの漏れや気液混合器１の塑性変形や破壊を防止できる。

［実施の形態２］
本実施の形態を図６に基づいて説明する。図６において、図１に示した部位と同等部分には同一の符号を付してある。
本実施の形態に係る気液混合器３９は、気液混合部５をベンチュリ形状に形成したものであり、気体流入孔１５は、前記ベンチュリ形状におけるのど部４１よりも下流側に設けられている。
また、ベンチュリ形状ののど部４１に、外管と内管の嵌め合い部を設け、上流側を内管とし、下流側を外管としている。
その他の構成は、実施の形態１と同様である。
なお、のど部４１とは、ベンチュリ形状において最も流路断面積が絞られた部位のことをいう。

本実施の形態においても、実施の形態１と同様の効果を奏することができる。
また、気液混合部５をベンチュリ形状にしたことで、液体３の乱れを促進して供給される気体２をより分散し、混合効果を促進できる。
さらに、気体流入孔１５をベンチュリ形状におけるのど部４１よりも下流側に設けたことにより、供給された気体２がのど部４１で滞ることがなく、またベンチュリ形状部を流れる液体３の流速が増したことによる吸引効果によって気体２が気液混合部５内に効果的に流入して、効率的な混合、再液化ができる。

また、ベンチュリ形状ののど部４１に、外管と内管の嵌め合い部を設けたことにより、気体供給部７の上下や、気体供給部７と気液混合部５との間に温度差が生じても嵌め合い部において外管と内管が相対移動できるため、軸方向の応力の発生を防止することができる。
また、気液混合部５を軸方向で分割することで、気液混合器３９の分解やメンテナンスが容易になるという効果も得られる。この場合、気体供給部７も軸方向に分割できるようにしておいても良い。
さらに、ベンチュリ形状においてのど部４１以外の拡径テーパ部に嵌め合い部を設けると、嵌め合い部向けに拡径しない平行部分を設ける必要があり、その分気液混合部５が長くなるが、ベンチュリ形状ののど部４１に内管と外管の嵌め合い部を設けることで、全体の長さを抑制できる。

なお、気液混合部５を流路方向で２分割された筒状部材で形成し、該２分割された筒状部材の上流側に配置される筒状部材の下流側端部を、下流側に配置される筒状部材の上流側端部に挿入する態様は、ベンチュリ型ものに限られず、図１に示したような気液混合部５が直管の場合にも適用でき、上述の効果を奏することができる。

［実施の形態３］
上記の実施の形態１、２においては気体供給部７が空洞のものを示したが、本実施の形態の気液混合器４２は、図７に示すように、供給される気体２を分散・整流して偏流を防止するための充填物４３を気体供給部７に充填するようにしてもよい。図７において、図１と同一部分には同一の符号を付している。

充填物４３としては、多孔質状のもの、球体を集めて接着剤で固定したもの、あるいは波板状のプレートやメッシュを組み合わせたもの、あるいは特許文献１に開示されているブロック状ばねを一体型に加工したもの等でもよい。

１ 気液混合器
２ 気体
３ 液体
５ 気液混合部
７ 気体供給部
９ 気体注入部
１１ 液体供給口
１３ 混合流体排出口
１５ 気体流入孔
１７ 液体供給管
１９ 混合流体排出管
２１ 気体供給管
２２ 気体供給管接続部
２３ 気体注入口
２５ 貯留槽
２７ 蒸発ガス抜出し管
２９ 蒸発ガス圧縮機
３０ 調節弁
３１ 送出管
３３ プライマリポンプ
３５ セカンダリポンプ
３７ 気化器
３９ 気液混合器（実施の形態２）
４１ のど部
４２ 気液混合器（実施の形態３）
４３ 充填物

Claims (5)

1. 低温の液体に該液体よりも相対的に高温の気体を直接接触させて前記液体に前記気体を混合、溶解、あるいは前記気体を液化させる気液混合器であって、
   一端側に液体供給口を、他端側に混合流体排出口を有すると共に、周壁に前記気体が流入するための気体流入孔を有し、内部を通流する液体に前記気体流入孔から前記気体を流入させて両者を混合する気液混合部と、
   該気液混合部の外周との間に所定の隙間が形成された状態で前記気液混合部を覆うように設けられて、前記気体流入孔を介して前記気液混合部に気体を供給する気体供給部と、
   一端側に気体供給管が接続される気体供給管接続部を有し、他端側に前記気体供給部に気体を注入する気体注入口を有する気体注入部としての管部材とを備え、
   該管部材は、前記気体供給部の外部上方から貫通して内部下方に延出するように設けられ、前記気体供給管接続部は、設置状態において最上位の前記気体流入孔よりも上方に設けられるとともに、前記気体注入口は、設置状態において最下位の前記気体流入孔よりも下方に配置されていて、前記気体流入孔を介して流出して前記気体供給部に滞留した液体中に前記気体注入口から前記気体を注入するようにしたことを特徴とする気液混合器。
2. 前記気液混合部は、ベンチュリ形状に形成されており、前記気体流入孔は、前記ベンチュリ形状におけるのど部よりも下流側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の気液混合器。
3. 前記気液混合部を流路方向で２分割された筒状部材で形成し、該２分割された筒状部材の上流側に配置される筒状部材の下流側端部を、下流側に配置される筒状部材の上流側端部に挿入したことを特徴とする請求項１又は２に記載の気液混合器。
4. 前記ベンチュリ形状の気液混合部を、前記のど部において流路方向で２分割すると共に、上流側を内管、下流側を外管とした嵌め合い部を設けたことを特徴とする請求項２記載の気液混合器。
5. 前記気体供給部に供給された気体を分散する充填物を充填したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の気液混合器。