JP7105134B2 - 気液分離装置 - Google Patents

Description

本発明は、気泡を含有する液体から気泡を分離する気液分離装置に関する。

液体から気泡を除去することが可能な気液分離装置は、化学プラントや食品加工等の多くの分野で利用されている。気液分離装置の構造として、液体に旋回流を生じさせ、遠心力を利用して液体と気泡を分離するものがある。

例えば特許文献１には、洗浄槽と仕切りを備える洗浄装置が開示されている。洗浄槽内に供給された洗浄液は仕切りによって形成される流路を通過することによって旋回流を生じ、洗浄液に含まれる微細気泡によって被洗浄物が洗浄される。気泡は旋回流によって旋回流の中央部を上昇し、洗浄槽から排出される。

特開２０１１－３６８１５号公報

本発明は、簡易的な構造で液体と気泡を分離することが可能な気液分離装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本技術に係る気液分離装置は仕切板を備える。上記仕切板は、液入口が設けられた上流側空間と液出口が設けられた下流側空間に区画された内部空間を有し、上記上流側空間において液体に旋回流を生じさせる機構を備える旋回流タンクに装着され、上記内部空間を上記上流側空間と上記下流側空間に区画する仕切板であって、上記仕切板の外周側の部分である第１の部分と、上記仕切板の内周側の部分である第２の部分と、上記第１の部分と上記第２の部分の間の部分である第３の部分とを有する。
上記第３の部分は、上記上流側空間に面する第１の面と、上記下流側空間に面する第２の面を備える。
上記第３の部分には、上記第１の面と上記第２の面に連通する複数の貫通孔が設けられている。

この構成によれば、旋回流タンクの上流側空間で旋回流が形成されると、液体に含まれる気泡は旋回流タンクの外周領域に沿って移動する。さらに旋回流が継続すると、液体に含まれる気泡は遠心力差で旋回流の内周領域に移動する。このため、仕切板の外周側の部分である第１の部分と、内周側の部分である第２の部分の間に位置する第３の部分に貫通孔を設けることにより、気泡は貫通孔を通過せず、液体のみが貫通孔を通過する。これにより、液体のみが上流側空間から下流側空間に移動し、液出口から排出される。即ち、液体から気泡を除去することが可能となる。

上記仕切板は、上記上流側空間及び上記下流側空間からみて円形状を有し、上記仕切板の中心から上記仕切板の外周までの距離を１としたときに、上記複数の貫通孔は、貫通孔の中心が０．３以上０．５以下の範囲内に設けられていてもよい。

上記第１の部分は、上記上流側空間に面する第３の面と、上記下流側空間に面する第４の面を備え、
上記第１の面は、上記第３の面に対して上記上流側空間に突出した面であってもよい。

上記第２の部分は、上記上流側空間に面する第５の面と、上記下流側空間に面する第６の面を備え、
上記第１の面は、上記第５の面に対して上記上流側空間に突出した面であってもよい。

上記貫通孔の上記第１の面及び上記第２の面における直径に対する上記第１の面と上記第２の面の距離は、０．７以上であってもよい。

上記目的を達成するため、本技術に係る気液分離装置は、旋回流タンクと、仕切板とを具備する。
上記旋回流タンクは、液入口が設けられた上流側空間と液出口が設けられた下流側空間に区画された内部空間を有し、上記上流側空間において液体に旋回流を生じさせる機構を備える。
上記仕切板は、上記旋回流タンクに装着され、上記内部空間を上記上流側空間と上記下流側空間に区画する仕切板であって、上記仕切板の外周側の部分である第１の部分と、上記仕切板の内周側の部分である第２の部分と、上記第１の部分と上記第２の部分の間の部分である第３の部分とを有し、
上記第３の部分は、上記上流側空間に面する第１の面と、上記下流側空間に面する第２の面を備え、上記第３の部分には、上記第１の面と上記第２の面に連通する複数の貫通孔が設けられている。

以上のように、本技術によれば、簡易的な構造で液体と気泡を分離することが可能な気液分離装置を提供することが可能である。

本発明の実施形態に係る気液分離装置の斜視図である。 同気液分離装置の断面図である。 同気液分離装置が備える仕切板の斜視図である。 同気液分離装置が備える仕切板の断面図である。 同気液分離装置が備える仕切板の平面図である。 同気液分離装置が備える仕切板の一部の断面図である。 同気液分離装置の動作を示す模式図である。 同気液分離装置の動作を示す模式図である。 同気液分離装置が備える仕切板の貫通孔位置と気体流出率の関係を示すグラフである。 同気液分離装置の各部サイズの例を示す表である。 同気液分離装置と比較例の気体流出率の時間推移を示すグラフである。 同気液分離装置と比較例の気体流出率の平均値を示すグラフである。 同気液分離装置が備える仕切板の他の構成を示す断面図である。 同気液分離装置が備える仕切板の他の構成を示す断面図である。 同気液分離装置が備える仕切板の他の構成を示す断面図である。

本発明の実施形態に係る気液分離装置について説明する。以下の説明において鉛直方向をＺ方向とし、水平方向に沿った互いに直交する二方向をＸ方向及びＺ方向とする。

［気液分離装置の構成］
図１は、本実施形態に係る気液分離装置１００の斜視図であり、図２は気液分離装置１００の断面図である。これらの図に示すように、気液分離装置１００は、旋回流タンク１０１及び仕切板１０２を備える。

旋回流タンク１０１は液体を収容可能なタンクである。旋回流タンク１０１には、液入口１０３及び液出口１０４が設けられている。旋回流タンク１０１は、Ｘ－Ｙ平面での断面が円形状となる、Ｚ方向を中心とする円筒形状とすることができる。

旋回流タンク１０１の深さ（Ｚ方向）は１０００ｍｍ以下が好適である。旋回流タンク１０１の容量は特に限定されないが、１～１００Ｌ程度が好適である。また、旋回流タンク１０１の置換時間、即ち旋回流タンク１０１に収容された液体が入れ替わるのに要する時間は３０秒以上が好適である。

液入口１０３は、旋回流タンク１０１の内部空間に連通する開口であり、旋回流タンク１０１の鉛直上方に設けられ、液体を旋回流タンク１０１内に流入させる。液入口１０３には液入口配管１０５が接続されている。

液入口配管１０５は、旋回流タンク１０１の外周の接線方向に延伸しており、液入口１０３から旋回流タンク１０１に流入する液体が旋回流（図７参照）を形成するように構成されている。液入口配管１０５の配管サイズは、管内流速が１．０～１．５ｍ／ｓとなるものが好適であり、例えば８Ａ～２５Ａ（ＪＩＳ Ｇ ３４５９）を利用することができる。

液出口１０４は、旋回流タンク１０１に連通する開口であり、旋回流タンク１０１の鉛直下方に設けられ、液体を旋回流タンク１０１内から排出させる。液出口には液出口配管１０６が接続されている。液出口配管１０６の配管サイズは、液入口配管１０５と同等のものが好適である。

仕切板１０２は、旋回流タンク１０１の内部に、外周が旋回流タンク１０１の内周に一致するように装着され、旋回流タンク１０１の内部空間を２つの空間に区画する。図２に示すように、旋回流タンク１０１の内部空間のうち、仕切板１０２より鉛直上方側であって、液入口１０３側の空間を上流側空間１０１ａとし、仕切板１０２より鉛直下方側であって、液出口１０４側の空間を下流側空間１０１ｂとする。

図３は、仕切板１０２の斜視図であり、図４は仕切板１０２の断面図である。図５は仕切板１０２の平面図である。これらの図に示すように仕切板１０２は、凹凸が設けられた円板形状を有し、第１の部分１１１、第２の部分１１２及び第３の部分１１３を備える。

第１の部分１１１は、仕切板１０２の外周側の環状の部分であり、第２の部分１１２は、仕切板１０２の内周側の円板状の部分である。第３の部分１１３は、第１の部分１１１と第２の部分１１２の間の環状の部分である。

図５に示すように第１の部分１１１の外周の直径を径Ｄとする。径Ｄは、旋回流タンク１０１の内径に一致する。第３の部分１１３の外周の直径を径Ｄ１とすると、径Ｄ１は０．６５Ｄ以上０．７Ｄ以下が好適である。また、第２の部分１１２の外周の直径を径Ｄ２とすると、径Ｄ２は、０．２Ｄ以上０．４Ｄ以下が好適である。

図４に示すように、第３の部分１１３は、上流側空間１０１ａに面する第１の面１１３ａと、下流側空間１０１ｂに面する第２の面１１３ｂを有する。

第１の部分１１１は、上流側空間１０１ａに面する第３の面１１１ａと、下流側空間１０１ｂに面する第４の面１１１ｂを有する。

第２の部分１１２は、上流側空間１０１ａに面する第５の面１１２ａと、下流側空間１０１ｂに面する第６の面１１２ｂを有する。

以下、図４に示すように第２の面１１３ｂに沿った面を基準面Ｌとする。図６は、各面の高さを示す断面図である。

同図に示すように第１の面１１３ａは、第３の面１１１ａ及び第５の面１１２ａに対して上流側空間１０１ａ側に突出した面であり、即ち、第３の面１１１ａ及び第５の面１１２ａは第１の面１１３ａより基準面Ｌからの高さが低い面である。第３の面１１１ａ及び第５の面１１２ａは同一平面上の面であってもよく、基準面Ｌからの高さが異なる面であってもよい。

図６に示すように、第３の面１１１ａに対する第１の面１１３ａの高さを高さＴ１とすると、高さＴ１は５ｍｍ以上が好適である。また、第５の面１１２ａに対する第１の面１１３ａの高さを高さＴ２とすると、高さＴ２は７ｍｍ以上が好適である。

第２の面１１３ｂ、第４の面１１１ｂ及び第６の面１１２ｂは同一平面上の面であってもよく、基準面Ｌからの高さが異なる面であってもよい。

第３の部分１１３には、第１の面１１３ａと第２の面１１３ｂに連通する複数の貫通孔１１４が設けられている。

図５に示すように、貫通孔１１４の直径を径Ｈとする。また、図６に示すように貫通孔１１４の深さ、即ち第１の面１１３ａと第２の面１１３ｂの距離を深さＳとする。

貫通孔１１４の径Ｈ及び貫通孔１１４の数は、後述するように貫通孔１１４を通過する液体の流速（以下、貫通流速）が０．１５ｍ／ｓ以下となるように設定する。ただし、貫通孔１１４の径Ｈは１０ｍｍ以上が好適である。貫通孔１１４の数は２つ以上であればよい。貫通孔１１４のアスペクト比（深さＳ／径Ｈ）は０．７以上が好適である。

貫通孔１１４の形成位置は、Ｐ．Ｃ．Ｄ（Pitch Circle Diameter：貫通孔１１４の中心を通過する円の直径）で表される。図５において貫通孔１１４のＰ．Ｃ．Ｄを径Ｄ３として示す。貫通孔１１４のＰ．Ｃ．Ｄについては後述する。

［気液分離装置の動作］
気液分離装置１００の動作について説明する。図７及び図８は、気液分離装置１００の動作を示す模式図である。

液入口１０３から旋回流タンク１０１の内部空間に気泡を含有す液体を供給すると、図７において矢印で示すように、上流側空間１０１ａ内で旋回流が生じる。液体は、旋回流を形成しながら貫通孔１１４を通過して下流側空間１０１ｂに流入し、液出口１０４から排出される。図７及び図８において、旋回流を形成する液体の液面Ｅを示す。

気泡は、上流側空間１０１ａの外周を流れる旋回流に沿って上流側空間１０１ａの外周領域（図中Ａ）に移動する。仕切板１０２の外周側の部分である第１の部分１１１には貫通孔が設けられておらず、また、第１の面１１３ａが第３の面１１１ａに対して突出しているため、気泡の貫通孔１１４への移動が妨げられ、気泡は貫通孔１１４を通過しない。

液入口１０３からの液体の供給が継続し、旋回流の流速が大きくなると、図８に示すように、気泡は遠心力差によって上流側空間１０１ａの内周領域（図中Ｂ）に移動する。仕切板１０２の内周側の部分である第２の部分１１２には貫通孔が設けられておらず、また、第１の面１１３ａが第５の面１１２ａに対して突出しているため、気泡の貫通孔１１４への移動が妨げられ、気泡は貫通孔１１４を通過しない。

このように、液入口１０３から旋回流タンク１０１の内部空間に気泡を含有す液体が供給されると、液体は、上流側空間１０１ａから貫通孔１１４を介して下流側空間１０１ｂに流入し、液出口１０４から排出される。第３の部分１１３に複数の貫通孔１１４が設けられていることにより、上流側空間１０１ａ内の旋回流が下流側空間１０１ｂに伝搬することが防止されている。

気泡は第１の部分１１１又は第２の部分１１２によって上流側空間１０１ａに留まり、液出口１０４からほとんど排出されない。これにより、気液分離装置１００によって液体から気泡が除去され、気液分離がなされる。

なお、上述のように貫通孔１１４のアスペクト比（深さＳ／径Ｈ）は０．７以上が好適である。これは、貫通孔１１４のアスペクト比が０．７未満であり、即ち径Ｈに対して深さＳが小さいと、上流側空間１０１ａ内の旋回渦が下流側空間１０１ｂに伝搬し、気泡が貫通孔１１４を通過しやすくなるためである。

なお、気液分離装置１００によって気液分離が可能な液体は典型的には水であるが、気液分離装置１００は他にも水と同等の性質を有する液体の気液分離に用いることが可能である。

［貫通孔の位置について］
第３の部分１１３における貫通孔１１４の位置について説明する。図９は、貫通孔１１４の位置と気泡の流出率の関係を示すシミュレーション結果のグラフである。横軸の貫通孔位置は、仕切板１０２の中心から外周までの距離を１とした場合の、仕切板１０２の半径方向における貫通孔１１４の中心の位置であり、仕切板１０２の直径（図５中、径Ｄ）に対する貫通孔１１４のＰ．Ｃ．Ｄ（図５中、径Ｄ３）の比率に一致する。

縦軸は、気泡の流出率であり、液入口１０３から流入した気泡の全量が液出口１０４から排出された場合の流出率を１とする。

同図に示すように、貫通孔１１４の中心が０．２以上０．５以下の範囲内に位置する場合、気泡の流出率は小さい。一方、貫通孔１１４の中心の位置が０．５を超えると、気泡の流出率は大きくなる。これは、貫通孔１１４が仕切板１０２の外周側に位置すると、上流側空間１０１ａ（図７参照）の外周領域Ａに集められた気泡が貫通孔１１４を通過しやすくなるためである。

また、貫通孔１１４の中心の位置が０．２を未満であると、気泡の流出率は大きくなる。これは、貫通孔１１４が仕切板１０２の外周側に位置すると、上流側空間１０１ａ（図８参照）の内周領域Ｂに集められた気泡が貫通孔１１４を通過しやすくなるためである。

このため、仕切板１０２の中心から外周までの距離を１とした場合に仕切板１０２の半径方向における貫通孔１１４の中心の位置は０．３以上０．５以下の範囲内が好適である。

［気液分離装置のサイズ例］
図１０は、気液分離装置１００の各部サイズの一例を示す表である。同図に示すように、旋回流タンク１０１の容量が５Ｌ、旋回流タンク１０１に供給する液体の流量（供給流量）が１０Ｌ／ｍｉｎの場合、旋回流タンク１０１内の液体が置換されるタンク置換時間は３０秒となる。

また、液入口配管１０５及び液出口配管１０６のサイズを１０Ａとすると、管内流速は１．０８ｍ／ｓとなり旋回流の角速度は１６．７ｒａｄ／ｓとなる。

仕切板１０２の貫通孔１１４の径Ｈを１２ｍｍ、貫通孔１１４の数を１０、貫通孔１１４の深さＳを１０ｍｍとすると、貫通孔１１４を通過する液体の流速（貫通流速）は０．１５ｍ／ｓとなる。

［実施例と比較例の比較結果について］
本発明の実施例と比較例の比較結果について説明する。実施例は気液分離装置１００であり、比較例は気液分離装置１００から仕切板１０２を除いた構成である。

図１１は、気体流出率の時間推移を示すグラフである。気体流出率は、０．０２体積％の割合で気泡を混入させた液体を液入口から継続して旋回流タンクに供給した場合に、液出口から排出される液体に含まれる気泡の割合を示す。

図１２は、図１１に示す気体流出率の、旋回流タンク内の液体が置換されるまでの平均値を示すグラフである。同図に示すように、実施例では比較例に対して気体流出率が小さく、液体から気泡を除去することが可能である。

［変形例］
仕切板１０２の構成は上述のものに限られない。図１３乃至図１５は、仕切板１０２の他の構成を示す断面図である。

図１３に示すように、第５の面１１２ａは、第１の面１１３ａと同一平面上に位置し、即ち、第２の部分１１２と第３の部分１１３は、基準面Ｌからの高さが同一であってもよい。

また、図１４に示すように、第３の面１１１ａは、第１の面１１３ａと同一平面上に位置し、即ち、第１の部分１１１と第３の部分１１３は、基準面Ｌからの高さが同一であってもよい。

さらに、図１５に示すように、第５の面１１２ａ及び第３の面１１１ａは第１の面１１３ａと同一平面上に位置し、即ち、第１の部分１１１、第２の部分１１２及び第３の部分１１３は、基準面Ｌからの高さが同一であってもよい。

図１３乃至図１５のいずれの構成であっても、貫通孔１１４を通過する気泡を抑制することは可能である。しかしながら、第１の面１１３ａが第３の面１１１ａ及び第５の面１１２ａより突出した構成（図４参照）では内周側と外周側からの貫通孔１１４への気泡の流入を効果的に防止できるため、最も高い効果が得られる。

また、気液分離装置１００では、上述のように液入口配管１０５が旋回流タンク１０１の外周の接線方向に延伸するように設けられることによって上流側空間１０１ａ内の液体に旋回流を生じさせるものにしたが、この構成に限られない。例えば上流側空間１０１ａの内部に撹拌翼を設け、撹拌翼を回転させることによって旋回流を生じさせてもよい。

１０１…旋回流タンク
１０１ａ…上流側空間
１０１ｂ…下流側空間
１０２…仕切板
１０３…液入口
１０４…液出口
１０５…液入口配管
１０６…液出口配管
１１１…第１の部分
１１１ａ…第３の面
１１１ｂ…第４の面
１１２…第２の部分
１１２ａ…第５の面
１１２ｂ…第６の面
１１２ａ…面
１１３…第３の部分
１１３ａ…第１の面
１１３ｂ…第２の面
１１４…貫通孔

Claims (5)

1. 液入口が設けられた上流側空間と液出口が設けられた下流側空間に区画された内部空間を有し、前記上流側空間において液体に旋回流を生じさせる機構を備える旋回流タンクに装着され、前記内部空間を前記上流側空間と前記下流側空間に区画する仕切板であって、
   前記仕切板の外周側の部分である第１の部分と、前記仕切板の内周側の部分である第２の部分と、前記第１の部分と前記第２の部分の間の部分である第３の部分とを有し、
   前記第３の部分は、前記上流側空間に面する第１の面と、前記下流側空間に面する第２の面を備え、
   前記第３の部分には、前記第１の面と前記第２の面に連通する複数の貫通孔が設けられ 、
   前記仕切板は、前記上流側空間及び前記下流側空間からみて円形状を有し、前記仕切板の中心から前記仕切板の外周までの距離を１としたときに、前記複数の貫通孔は、貫通孔の中心が０．３以上０．５以下の範囲内に設けられ、
   前記第１の部分は、前記上流側空間に面する第３の面と、前記下流側空間に面する第４の面を備え、
   前記第１の面は、前記第３の面に対して前記上流側空間に突出した面である
   仕切板を備えた気液分離装置。
2. 液入口が設けられた上流側空間と液出口が設けられた下流側空間に区画された内部空間を有し、前記上流側空間において液体に旋回流を生じさせる機構を備える旋回流タンクに装着され、前記内部空間を前記上流側空間と前記下流側空間に区画する仕切板であって、
   前記仕切板の外周側の部分である第１の部分と、前記仕切板の内周側の部分である第２の部分と、前記第１の部分と前記第２の部分の間の部分である第３の部分とを有し、
   前記第３の部分は、前記上流側空間に面する第１の面と、前記下流側空間に面する第２の面を備え、
   前記第３の部分には、前記第１の面と前記第２の面に連通する複数の貫通孔が設けられ 、
   前記仕切板は、前記上流側空間及び前記下流側空間からみて円形状を有し、前記仕切板の中心から前記仕切板の外周までの距離を１としたときに、前記複数の貫通孔は、貫通孔の中心が０．３以上０．５以下の範囲内に設けられ、
   前記第２の部分は、前記上流側空間に面する第５の面と、前記下流側空間に面する第６の面を備え、
   前記第１の面は、前記第５の面に対して前記上流側空間に突出した面である
   仕切板を備えた気液分離装置。
3. 請求項１又は２に記載の気液分離装置であって、
   前記貫通孔の前記第１の面及び前記第２の面における直径に対する前記第１の面と前記第２の面の距離は、０．７以上である
   気液分離装置。
4. 液入口が設けられた上流側空間と液出口が設けられた下流側空間に区画された内部空間を有し、前記上流側空間において液体に旋回流を生じさせる機構を備える旋回流タンクと、
   前記旋回流タンクに装着され、前記内部空間を前記上流側空間と前記下流側空間に区画する仕切板であって、前記仕切板の外周側の部分である第１の部分と、前記仕切板の内周側の部分である第２の部分と、前記第１の部分と前記第２の部分の間の部分である第３の部分とを有し、
   前記第３の部分は、前記上流側空間に面する第１の面と、前記下流側空間に面する第２の面を備え、前記第３の部分には、前記第１の面と前記第２の面に連通する複数の貫通孔が設けられ 、
   前記仕切板は、前記上流側空間及び前記下流側空間からみて円形状を有し、前記仕切板の中心から前記仕切板の外周までの距離を１としたときに、前記複数の貫通孔は、貫通孔の中心が０．３以上０．５以下の範囲内に設けられ、
   前記第１の部分は、前記上流側空間に面する第３の面と、前記下流側空間に面する第４の面を備え、
   前記第１の面は、前記第３の面に対して前記上流側空間に突出した面である仕切板と
   を具備する気液分離装置。
5. 液入口が設けられた上流側空間と液出口が設けられた下流側空間に区画された内部空間を有し、前記上流側空間において液体に旋回流を生じさせる機構を備える旋回流タンクと、
   前記旋回流タンクに装着され、前記内部空間を前記上流側空間と前記下流側空間に区画する仕切板であって、前記仕切板の外周側の部分である第１の部分と、前記仕切板の内周側の部分である第２の部分と、前記第１の部分と前記第２の部分の間の部分である第３の部分とを有し、
   前記第３の部分は、前記上流側空間に面する第１の面と、前記下流側空間に面する第２の面を備え、前記第３の部分には、前記第１の面と前記第２の面に連通する複数の貫通孔が設けられ 、
   前記仕切板は、前記上流側空間及び前記下流側空間からみて円形状を有し、前記仕切板の中心から前記仕切板の外周までの距離を１としたときに、前記複数の貫通孔は、貫通孔の中心が０．３以上０．５以下の範囲内に設けられ、
   前記第２の部分は、前記上流側空間に面する第５の面と、前記下流側空間に面する第６の面を備え、
   前記第１の面は、前記第５の面に対して前記上流側空間に突出した面である仕切板と
   を具備する気液分離装置。

Images