JPH0113896B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 気液反応の実施のための、気体が垂直に下方に
流れる液体内に導入され、液体流内で気泡を形成
して上から下へ進む方法が知られている（たとえ
ばChem.−Ing.Techn.50（1978）、第944ページ参
照）。化学反応を伴わない純粋の物理的吸収の場
合、この並流法では、最高でも単一の理論的吸収
段に対応する吸収度のみが達成されうる。

従つて、多数の吸収装置を前後に接続すること
がしばしば必要である。これは後の化学反応を伴
う場合においても、達成された吸収度が常にはこ
のために満足なものでない故に、同じことが云え
る。

従つて本発明の課題は、現在の技術の欠点を克
服し、特に純粋に物理的な吸収の場合においても
単一の理論吸収段に対応する以上の吸収度を単一
のガス接触装置で可能にする方法を創作すること
である。さらに本発明の課題は、対応するガス接
触装置を作ることにある。

この課題の解決のために気相と液相の並流と向
流の組合せ、すなわちカスケード状配列のガス接
触装置が提案される。

従つて、本発明は、ガス接触装置内を下方に流
れる液体の多段階ガス接触のための方法におい
て、少くとも二つの上下に配置された流下部より
なるガス接触装置を用い、その際、ガスを各流下
部の上端において供給し、かつ新規のガス供給は
最下方の流下部の上端でのみ行い、各々の隣接す
る流下部の間の液体流の速度をガスの気泡の分離
が起きるような速度に下げ、それによつて気泡を
各流下部の下端において分離し、そして分離され
た気泡を、好ましくは90％以上、外部に出し、そ
して各々の直上の流下部内に再び供給することを
特徴とする方法に関する。

更に、本発明は、少くとも上端で閉じた円筒状
の本体並びに液体及びガスのための供給装置及び
排出装置より実質的に成る、下方に流れる流体の
多段階ガス接触のための装置において、円筒状本
体が少くとも二つの上下に配置された流下部より
成り、その際、各流下部の上端にガス接触装置が
あり、各々の隣接する二つの流下部の間に気泡分
離のための流れの速度の減少のために拡張部が存
在すること及び各拡張部がガス出口を有し、その
際、上から二番目及びそれ以後の各々の拡張部の
ガス出口が、各々の直上の流下部のガス入口と管
により結合されていることを特徴とする上記装置
である。

本発明に従う方法により、好ましくは鉛直に下
方へ流れる液体のガス供給は各流下部（カスケー
ド段）の上部において、ガス入口を通しかつこの
ために適するガス分散装置を用いて、行われる−
ただし新規なガスはガス接触カスケードの最下方
の流下部の上部にのみ供給される。ガス分散装置
として、各々の流下部の円周に好ましくは放射状
に配置された孔開き板、焼結板、二成分ノズル等
が挙げられる。このガス分散装置の孔の直径は、
下方に運ばれるガスの平均気泡直径に影響を与
え、一般に２mm以下、好ましくは0.1mm〜１mmの
間である。さらに平均気泡直径に対して、液体の
流速（いわゆる空塔速度）並びに液体の表面張力
と粘度が関係する。出来るだけ小さな吸収装置の
長さを可能にするために、平均気泡直径は一般に
10mmを越えてはならない。好ましくは、それは
0.2mm〜６mmの間である。その際、比較的大きき
な気泡は比較的小さな気泡よりも大きな上昇速度
を持ち、このため系の規則性が劣ることを考慮せ
ねばならない。

空塔速度が吸収装置内のガスの滞留時間を決
め、そして出来るだけ短い吸収装置長さを得るた
めに合目的的に２ｍ／ｓ以下の値に調節される。
しかし好ましくは、これは１ｍ／ｓ以下であり、
ガス分離装置／流下部の直径の比が1.5〜2.0、ガ
ス分離装置の長さ／ガス分離装置の直径の比が
0.5〜2.0である場合に、例えば0.15〜0.6ｍ／secの
値が、特に良好な結果を与える。同様に、直径比
が2.0〜3.0、ガス分離装置の長さ／その直径の比
が2.0〜5.0の場合に、0.6〜1.0ｍ／ｓの空塔速度
が適当である。全体として特に0.2〜0.4ｍ／secの
空塔速度が好ましい。理論的に可能な下限は、液
の下降速度と気泡の上昇速度が等しく、気泡の停
止状態が形成されるような速度である。この値は
−気泡大きさ、ガス組成、温度、液体の性質及び
ガスと液体の密度比に依存するが−水と酸素の場
合は約0.18ｍ／ｓである。

各々の近接する流下部の間に在る拡張部（ガス
分離装置）において、ここに入つてきたガス噴
流／液体噴流は運動量を交換して速度が遅くな
り、ガスを分離する。その際、乱流的自由噴射流
の状況に基づき、少くとも噴流の中心に在る気泡
は著しい距離を−実施例１の条件下で２ｍまで及
びそれ以上−キヤリーダウンされると予想され
る。しかし驚ろくべきことに、非常に短い距離の
後に−実施例１の条件下で約0.12ｍの後に−十分
な気泡の分離が得られることが判つた。さらに驚
ろくべきことに、気泡は少量のみがその上にある
流下部内に戻つて上昇するだけでなく、ガス分離
装置の横方向に働らく分力よつてこれの縁辺領域
への気泡上昇のみが主として起こるということが
判つた。これによつて、分離された気泡は下方に
流れる液体を妨害することなしに、たとえば張出
した環状段内に分離され、そして本発明に従い利
用される向流的効果を得るために直上の流下部の
ガス入口に進む。その際、ガスホールドアツプの
増加とともに、それにより自由管体積の減少によ
り同時に増加する液体速度に基づき、気泡の下方
へのキヤリーダウンの増加が予想されるにも拘ら
ず、ガスの分離が良くなることは大いに驚ろくべ
きことである。

これとの関係でさらに、前接する流下部での空
塔速度が例えば0.47ｍ／secであるとき、0.19ｍ／
secの形式的空塔速度（ガス分離装置の自由横断
面に関する空塔速度）において既に十分なガス分
離が達成できることが判つた。これは、0.19ｍ／
secの流下部空塔速度が気泡上昇のない運転を維
持するのであるから、予期しえないことである。
この条件下で、もぐつた流下部の下部からガス分
離装置の下端までで測つた有効分離装置長さは
0.7ｍより小さくされることができる。

ガス分離装置に続く流下部において空塔速度は
再びガス分離装置の数値よりも上昇する。この
時、この流下部内のガス供給に由来する気泡の無
視できない部分が、その上に存在するガス分離装
置内に上昇して、そしてここでその上に配置され
たガス流下部のガス接触位置に供給されたガスと
共に分離されることが判つた。この場合、この量
は、液体装入量が少くなる程、多くなる。この気
泡の逆行混入は、なかんずく、気泡の短い滞留時
間及び向流的効果の低下に基づき、吸収度の減少
をひき起す。

特に空塔速度が小さい場合に生じるこの難点は
驚ろくべき簡単な方法で、つまりガス分離装置の
直後でかつガス供給位置の前の空塔速度を、その
残りの部分の流下部における空塔速度より明白に
速い数値に上げることにより軽減される。従つ
て、この方法は本発明に従い好適である。一般に
この増加は、60〜300％、好ましくは80〜170％で
ある。これは液体の性質、ガス／液体の密度差、
ガス量、平均気泡直径及び空塔速度の絶対値に依
存する。ガス／液体の密度差及び空塔速度が小さ
くなる程、また平均気泡直径（あるいは大きな気
泡の割合と直径）が大きくなる程、必要な増加分
は大きくなる。増加のパーセントの上述の値を越
える場合には、その上に在るガス分離装置内の気
泡に対する好ましくない負圧吸引作用をもたら
す。さらに、ガス接触装置を流過するために必要
なエネルギー消費が増加する。流下反応器内の圧
損失のあまりに大きな増加はまた、それによつて
中間の圧縮なしで向流的にガスを移送することが
困難になるので、欠点である。このガス搬送は本
発明に従う系において、静水圧が反応器頭頂から
底へと増大するので、一般には中間圧縮なしで行
われる。

各流下部のオゾン含有ガスの平均滞留時間は、
一般に１ｍの流下部当り約0.2〜60秒、好ましく
は0.5〜10秒である。液体のガスに対する容積比
は一般に４：１より大きく、好ましくは７：１よ
り大きい。その際、一般に、吸収度は液体のガス
に対する容積比の増大と共に上昇する。原則とし
て、４：１より小さい比もまた可能であるが、し
かしその時、大きな気泡の形成及びそれと結びつ
いての、ガス接触装置頭頂でのガス団塊
（Gaspolsters）の発生の危険が生じる。このガス
団塊形成により、ガス接触装置は強制的に空にさ
れうる。

本発明に従う方法は常圧で実施されうる。しか
し吸収度を高めるために、高められた圧、たとえ
ば60バールまで、好ましくは１〜16バールで稼動
することが有利である。

本発明に従い実施される並流原理と向流原理の
組合せの方法において、新規なガスは最下方の流
下部のガス入口にのみ入れられ、そして種々の段
階を経た後に最後に最上方のガス分離装置のガス
出口からガス接触装置を去つてゆく。これに対し
て液体は最初の流下部の上端から供給され、そし
て最下方のガス分離装置の液体出口から装置を去
る。

本発明に従う装置は−上述のように−好ましく
は同じ長さと同じ直径を持つ、少くとも二つの流
下部（カスケード段階）より成る。寸法は原則的
に臨界的ではなく、望む吸収度及び組込まれる流
下部の数に従う。一般に、高さの横巾に対する比
が１より大きい、好ましくは３より大きい流下部
が好ましい。

流下部の長さは0.2〜３ｍが合理的であること
が判つた。好ましい数値は0.3〜１ｍである。そ
のとき問題の横巾は、望む液体及びガスの流適量
から自動的に与えられる。

各流下部は、上部にガス入口及び既に詳細に述
べたガス分離装置を備える。その際、ガス入口は
好ましくは、全流下部長さに関して、流下部の
各々上端の下方０％〜30％に在る。本発明に従い
好んで用いられる管のすぼまりが在る場合には、
ガス入口は二番目の及びその後の流下部内の、こ
の管のすぼまつた部分の直後に在る。

好ましくは、最上方の流下部の上部は尖つて
（円錐形に）いる。何故なら、これによつて著し
く簡単な方法でガス団塊の発生が減少されるから
である。この場合にこの尖部（この円錐）の傾き
は臨界的ではない：一般に尖部（円錐）をなす壁
の間の角度は３〜15゜好ましくは５〜10゜である。
液相のための入口孔は好ましくはこの尖部（この
円錐）の最上部にある。

各流下部に接続する拡張部（ガス分離装置）
は、それの流下部あるいは自体が接続する流下部
の直径より大きな直径をもつ槽よりなる。その
際、この直径の大きさは、この横断面積拡大によ
りこの領域内の液体速度が気泡の上昇速度を下廻
るように低下されるよう選ばれる。これにより気
相と液相の分離が起きる。その際、この直径の正
確な数値はいくつかのルーチーン的な測定により
容易に決められる。その際、ガス分離装置の直径
の流下部直径に対する比は合目的的に1.4：１〜
３：１、好ましくは1.6：１〜2.5：１、またガス
分離装置の幅の高さに対する比は合目的的に
0.5：１〜５：１、好ましくは0.5：１〜２：１で
ある。

このガス分離装置の中に好ましくは突き出し
た。上方の流下部により、一種の小室が出来、そ
の上端にガス出口孔が在る。各流下部の沈潜深さ
はガス分離装置の高さに関して概ね10％〜80％、
好ましくは20〜40％である。

ガス分離装置に続く流下部は−上述のように−
気泡の送混合を阻止するために好ましくは、流下
部の各々の横断面積の概ね60％〜300％、好まし
くは80％〜170％であるが、ガス入口上部の横断
面積のすぼまりを持つ。このすぼまりの長さは一
般に、各流下部の長さに関して20％〜60％、好ま
しくは20％〜40％である。より大きな横断面積の
すぼまりは上述した負圧吸引作用をもたらす：さ
らにすぼまりが増すと共に当然、圧損及びエネル
ギー消費が増大する。すぼまりは孔開き板、邪魔
板、オリフイス、ノズル、焼結板、並びに金網で
あることもできるが、好ましくはベンチユリ管と
して構成される。この場合、しかし液体流のキヤ
リーダウン及びガス団塊形成の危険が生れる。

最後尾のガス分離装置はガス出口とならんで同
時に、ガス接触装置を流過する液体の出口孔をも
持つ。

本発明に従う装置のための材料としては、この
ために慣用の全ての工作材料たとえば鋼、特殊鋼
又はガラスが考慮され、ガラスが腐蝕性の液体又
はガスのためにも特に適している。

必要な場合には本発明に従うガス接触装置のよ
り多数を前後に接続することが目的にかなうもの
であり得る。

本発明に従う方法あるいは装置は、種々の液体
への種々のガスの吸収、場合により、液体の成分
又は不純物の何かと吸収されたガスとの後の反応
を伴う場合の吸収のために適している。たとえ
ば、硝酸生成のための硝気の吸収、加水分解のた
めのホスゲンの吸収又は酸化のための亜硫酸塩溶
液の空気とのガス接触が挙げられる。さらにここ
で、飲料水処理又は廃水浄化の分野における水の
オゾン含有ガスによるガス接触もまた挙げられ
る。その際、特に、ドイツ国特許出願公開第
2556328号明細書に記載される方法が有利である。
そこでは、処理されるべき水流の一部のみが高め
られた圧下でオゾンを与えられ、次にこれは水流
の主部と、常圧で再び一緒に混ぜられる。このド
イツ国特許出願公開の明細書にこの目的のために
記載される充填塔は、本発明に従う流下カスケー
ド吸収装置により置き換えられ、そしてそれに対
応してオゾン含有ガスは下方の吸収装置頭頂に供
給され、液体と向流で上方に進む。

最後に、本発明に従う装置は、液体に溶解した
ガスの除去のための脱ガス装置としてもまた使用
され得る。

本発明に従う装置は、そのコンパクトな構成法
及びその少ない空間占有によつて優れており、ま
たその高い段数に基づき、高い流過量の場合に高
い吸収度を可能にする。それはさらに、一つの単
一の流下反応器ユニツトにおいて向流原理の利用
を可能にする。

添付図面は、本発明に従う方法及び装置の実施
態様を図示する。そこに再び示す流下カスケード
吸収装置は、三つの流下部１，１′及び１″及びそ
れに属するガス分離装置（拡張部）２，２′及び
２″より成る。最上方の流下部１の頭頂は尖つて
いる。３は液体入口、４は液相の出口である。５
を経て、新規のガスの供給が行われ、一方６を通
つて流下吸収装置からガスが出てゆく。それぞれ
管７あるいは８を通つて、ガス分離装置２′又は
２″からのガスが、向流作用を可能にするために、
各々の直上の流下部のガス入口に供給される。９
及び９′はベンチユリ状の管のすぼまりを作る。

実施例 １ 用いたガス接触装置は図のものに対応して、
各々１ｍの長さと0.15ｍの直径をもつガラス製の
管状の流下部二つよりなる。上方の流下部の円錐
尖部の角度は10゜である。それに属する、同様に
ガラス製の二つのガス分離装置は、各々が0.5ｍ
の長さと0.25ｍの直径をもつ。装置全体の長さは
2.3ｍであり、各々の流下部の、それに属するガ
ス分離装置内の沈潜深さは0.3ｍである。下方の
流下部の上端（従つて、上方のガス分離装置と第
二のガス入口の間）にベンチユリ状の管のすぼま
りが在り、これは最も狭い位置で0.10ｍの直径を
持ち、かつ長さ方向に0.24延びている。ガス分散
装置として各々４つの放射状に配置された孔開き
板を用いる。ここで、板当りの孔の数は128、孔
の直径は0.5mmである。ガス入口（孔開き板の）
の、各流下部の頭頂からの距離は約0.3ｍである。

ガス接触されるべき液体として水を用い、これ
は最初の流下部の頭頂に供給され、15℃の温度を
持つ。ガスとして、2.8体積％のオゾン含量をも
つオゾン含有酸素を供給する。吸収装置は1.1バ
ール（絶対圧）の圧力で稼動される。0.24ｍ／ｓ
の空塔速度において、即座に安定的に約５mmの平
均直径の気泡が作られる。

流体の流過量は15m³／ｈ、ガスの流過量は
432N／ｈである。

第一段階のあとで、94.9％のオゾン吸収度が得
られ、第２段階のあとでは99.8％である。ここで
吸収度は次のように定義される： o₃＝n°／_p3−n^AX／_p3／n°／_p3 ここで n⁰ _p3＝最初の吸収段階の入口ガス中のO₃のモル数 n^Ax _p3＝都度の段階の後の出口ガス中のo₃モル数 この実施例における流量収支を測定するため
に、各ガス出口管を出るガス量をガスメーターで
測定する。各々、液体に吸収されたガス量を考慮
に入れて供給したガス流と一致するガス出口量
は、各段階の後の定量的に行われたガス分離を明
白に示す。

これに対して、ベンチユリ状すぼまりを備えな
い場合のガス量収支は、これによつてなる程ガス
分離装置はその良好な作用を害されないが、しか
しガス分離装置に下に供給されたガスの約70％が
そのガス分離装置内に直接上昇して入り、望むよ
うに流下部内を下方に進まない。

実施例 ２ ガスホールドアツプを増加したガス分離装置が
更に良化することを示すために、次の実験を行
う：実施例１に従う装置（この場合には、ベンチ
ユリ管の最も狭い直径は全て0.095ｍである）を
0.35ｍ／secの一定の空塔速度で稼動し、そして
ガス流過量（及び従つてガスホールドアツプ）を
変える。ガス分離の程度は上方の流下部におい
て、ガス入口及びガス出口の各々のガスメーター
により測定される。ガス流過量を86／ｈから
345／ｈへ、そして最後に530／ｈに高める
と、92％のガス分離度が97％から99％へと増大し
た。

【図面の簡単な説明】

図は本発明方法の実施のための、及び本発明に
従う装置の例を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ガス接触装置内を下方に流れる液体の多段階
   ガス接触のための方法において、少くとも二つの
   上下に配置された流下部より成るガス接触装置を
   用い、その際、ガスを各流下部の上端において供
   給し、かつ新規のガス供給は最下方の流下部の上
   端でのみ行い、各々の隣接する流下部の間の液体
   流の速度をガスの気泡の分離が起きるような速度
   に下げ、それによつて気泡を各流下部の下端にお
   いて分離し、そして分離された気泡を外部に出
   し、そして各々の直上の流下部内に再び供給する
   ことを特徴とする方法。 ２ 気泡分離の直後の、別のガスを配量する前の
   液体流の速度を、各々の直後の流下部との間での
   気泡の逆混合を避けるような程度に高める特許請
   求の範囲第１項記載の方法。 ３ 空塔速度が１ｍ／ｓ以下である特許請求の範
   囲第１項又は第２項記載の方法。 ４ 最下方の流下部のガス入口を通じてのみ新規
   のガスが供給される特許請求の範囲第１項、第２
   項又は第３項記載の方法。 ５ 少くとも上端で閉じた円筒状の本体並びに液
   体及びガスのための供給装置及び排出装置より実
   質的に成る、下方に流れる液体の多段階ガス接触
   のための装置において、円筒状本体が少くとも二
   つの上下に配置された流下部より成り、その際、
   各流下部の上端にガス接触装置があり、各々の隣
   接する二つの流下部の間に気泡分離のための流れ
   の速度の減少のために拡張部が存在すること及び
   各拡張部がガス出口を有し、その際、上から二番
   目及びそれ以後の各々の拡張部のガス出口が、
   各々の直上の流下部のガス入口と管により結合さ
   れていることを特徴とする上記装置。 ６ 上から二番目及びそれ以後の各々の流下部
   が、前接する拡張部の直後でかつガス入口の前
   に、すぼまりを有する特許請求の範囲第５項記載
   の装置。 ７ すぼまりがベンチユリ管の形に構成される特
   許請求の範囲第６項記載の装置。