JPH0113897B2 - - 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）、944ページ参
照〕。この操作法の欠点は、反応器自由横断面に
対して約４cm／ｓという比較的小さな最大ガス負
荷にある。 従つて本発明の課題は現在の技術の欠点を克服
し、特に単一のガス接触装置で比較的高い総ガス
装入量を可能にする方法を創作することである。
更に別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、複数の、垂直に直列
に接続された気相と液相の並列流、並びにカスケ
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、ガス供給を各
流下部の上端において行い、かつ各々の隣接する
流下部の間の液体流の速度を、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、好ましくはその90％以上を外部に出すことを
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
離のための流下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することを
特徴とする装置に関する。 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。ガ
ス分散装置としてたとえば、各流下部の円周に放
射状に配置された孔開き板、焼結板、二成分ノズ
ルなどが挙げられる。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0.1〜１mmの
間にある。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、有利には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／ｓ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、気泡の浮遊
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。 各々の隣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全く、その上にある流下
部内に戻つて上昇せず或は少量のみが上昇するだ
けでなく、ガス分離装置の横方向に働らく分力に
よつてこれの縁辺領域への気泡上昇のみが主とし
て起きることが判つた。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
く、たとえば張出した環状段内に分離される。そ
の際、ガスホールドアツプの増加とともに、自由
管体積の減少による液体速度の増加に基づき気泡
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、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
気泡の逆混合はなかんずく、気泡の短い滞留時間
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
驚ろくべく簡単な方法で、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、流下
部の残りの部分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。 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体積比
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バールで実
施することが有利である。 本発明に従い実施される実施態様において、新
規のガスは各流下部のガス入口に供給され、そし
てそれに属するガス分離装置のガス出口からこの
流下部を去る。一方、液体は最初の流下部の上部
から入り、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）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。その際一般に、高さの横幅に対す
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。 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
各々の上端の下方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、この管のすぼまりの直後に在る。 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有利には1.4：１
〜３：１、好ましくは1.6：１〜2.5：１、またガ
ス分離装置の中の高さに対する比は有利には
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
こ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−
気泡の逆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、横断面積のすぼまりを
ガス入口の上に持つ。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の他に同時
に、ガス接触装置を流過する流体の出口孔をも持
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、その際、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比
較的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硝酸塩溶
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いる。ま
た、流下カスケード反応器内でガスが並列である
ことにより、流下カラムのほつそりしている程度
（Schlankheitsgrad）が高くなる。これは流下系
において特別の利点となる。なぜなら流下系は、
比較的短い吸収装置長の場合のその比較的少いガ
ス負荷（一般に５cm³／cm²・ｓより少ない）に基づ
き、望ましくない高さ−直径比をもつ反応器構成
をとることになるからである。 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。そこに示される流下カスケード
吸収装置は二つの流下部１及び１′、及びそれに
属するガス分離装置（拡張部）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は液体出口である。５は最初のガス
入口、６は二番目のガス入口を示し、一方、７は
最初のガス分離装置のガス出口、８は二番目のガ
ス分離装置のそれを示す。 実施例 １ 用いたガス分離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0.24ｍ延びている。ガス
分離装置として各々、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。 流体の流入量は15m³／ｈ、ガスの流入量は
432N／ｈである。 各段階のあとで、94.9％のオゾン吸収度が得ら
れ、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＝最初の吸収段階の前の入口ガス中の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、各ガス出口管を出すガス量をガスメーターで
測定する。液体に吸収されたガス量を考慮に入れ
て、都度の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
い場合のガス収支は、これによつて成程ガス分離
装置はその良好な作用を害されないが、しかしガ
ス分離装置の下に供給されたガスの大きな部分が
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（下記の表１を参
照）。

【表】 表から判るように、著しい気泡の逆混合があ
る。即ち第２番目のガス供給位置からの空気が第
１番目の分離装置内へ直接、上昇して入る。この
量は液体の流入量が多くなる程、少くなる。 実施例 ２ ガス分離装置がガスホールドアツプの増加と共
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0.35
ｍ／secの一定の空塔速度で稼動し、そしてガス
流入量（及び従つてガスホールドアツプ）を変え
る。ガス分離の程度は都度同じ流下部においてガ
ス出口のガスメーターにより測定される。ガス流
入量を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】

図は本発明の方法及び装置の実施態様を図示す
る。

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なるガス接触装置を
   用い、その際、ガス供給を各流下部の上端におい
   て行い、かつ各々の隣接する流下部の間の液体流
   の速度を、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すこと
   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 液体の流下速度が0.1〜１ｍ／ｓ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してのみ、新
   鮮な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下
   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することを特徴とする装
   置。 ６ 上から二番目及びそれ以後の流下部が、前接
   する拡張部の直後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。