JPH05123554A - 気液接触装置およびオゾン水製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 微細な気泡により気体の逸散損失が少ない優
れた気液接触反応を行うこと。 【構成】 円柱状の気液接触槽１と、気液接触槽１に液
体を噴出し当該液体の噴流による負圧により気体を吸引
してこれを噴出液体と共に気液接触槽１に気泡として供
給するエゼクタ式ガスノズル９とを用い、エゼクタ式ガ
スノズル９が気液接触槽１の接線方向に噴射を行うよ
う、エゼクタ式ガスノズル９の取付方向姿勢を設定す
る。エゼクタ式ガスノズル９により気体の分散が行われ
るから、微細気泡が得られ、これによって気液の接触面
積が飛躍的に増加する。気液接触槽１にこれの中心軸線
周りの横旋回流が生じ、気泡はこの横旋回流に乗って気
液接触槽内を旋回するようになり、これにより気泡が気
液接触槽１の周壁に衝突する度合が低減され、また気液
接触槽１に滞留する時間が延長される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、気液接触装置およびオ
ゾン水製造装置に関し、特に吸収等の気液接触反応のた
めの気泡塔式の気液接触装置およびオゾン水製造装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】気体中の成分を液中に溶解させる如き吸
収等の気液接触反応を行うための気液接触装置は従来よ
り種々の型式のものが開発、実用化されており、その一
つとして、気体を気泡として液中に噴出して気液接触を
行う気泡塔式の気相分散型の気液接触装置が知られてい
る。

【０００３】気泡塔式の気液接触装置は、気液接触槽
（塔）内底部に配置されたエアーストンと称される多孔
質構造の気体分散器、散気管等より気体を液中に分散噴
出し、これによる気泡状態の気体と液体との接触により
吸収等の化学反応を行わしめるものである。この気液接
触装置に於いては、気液接触効率の向上のために、気泡
が細かいこと、気泡の槽内滞留時間が長いことを要求さ
れる。

【０００４】例えば、オゾン水の製造は、従来、気液接
触槽（反応槽）内の底部に配置された多孔質構造の気体
分散器、散気管等よりオゾンガスを水中に分散噴出し、
気泡状態のオゾンガスと水との接触により、オゾンガス
を水中に溶解させることにより行われている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】エアーストンと称され
る如き多孔質構造の気体分散器、散気管等より気体を液
中に分散噴出した場合に発生する気泡は、気泡径がミリ
メートル単位と巨大であり、このため気液の接触面積が
大きくならず高い気液接触効率が得られない。

【０００６】このため所要の気液接触反応状態を得るた
めには、背の高い大型の気泡塔が必要になり、これは設
備費、運転費の高騰を招くことになる。

【０００７】特に、従来の気液接触槽を用いたオゾン水
の製造に於いては、水に対するオゾンガスの溶解は極く
僅かであるためほとんどのオゾンガスが浮上逸散する問
題がある。この逸散オゾンガスは、オゾンガスの大気中
放出による障害の発生を回避するために、活性炭・触媒
等によるオゾンキラーにより分解処理して排出する必要
があり、逸散オゾンガス量が多いと、これの分解処理量
も多くなり、分解処理装置の負荷が大きくなる。

【０００８】また気泡は気液接触槽の液中を上昇するに
従って気泡合体により大きくなり、気液の接触面積を更
に小さくすることになるから、従来は気液接触槽の中段
部に多孔板等による再分散器を設置することが行われて
いる。しかし多孔板等による気泡の再分散では、気泡は
あまり小さくならず、さほど気液接触効率を高めること
はできない。

【０００９】本発明は、従来の気相分散型の気液接触装
置に於ける上述の如き問題点に着目してなされたもので
あり、その目的は、微細な気泡により高効率の気液接触
を行い、優れた気液接触反応のもとに気体の逸散損失が
少ない高性能気液接触装置およびこの気液接触装置を用
いたオゾン水製造装置を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述の如き目的は、本発
明によれば、円柱状の気液接触槽と、前記気液接触槽に
液体を噴出し当該液体の噴流による負圧により気体を吸
引してこれを噴出液体と共に前記気液接触槽に気泡とし
て供給するエゼクタ式ガスノズルとを有し、前記エゼク
タ式ガスノズルは前記気液接触槽の接線方向に噴射を行
うよう取付方向姿勢を設定されていることを特徴とする
気液接触装置によって達成される。

【００１１】本発明による気液接触装置に於いては、前
記気液接触槽の中心部にこれの軸線方向に延在する中心
棒体が固定配置されていてよく、更にはこの中心棒体の
上部にオバーフロー式の液取出し口が設けられていても
よい。

【００１２】また前記エゼクタ式ガスノズルは前記気液
接触槽の高さ方向に多段に設けられていてもよい。

【００１３】

【作用】上述の如き構成によれば、エゼクタ式ガスノズ
ルにより気体の分散が行われるから、気泡径が数十μｍ
単位の微細気泡が得られ、これによって気液の接触面積
が飛躍的に増加する。エゼクタ式ガスノズルからの液体
噴射により気液接触槽の中心軸線周りの横旋回流が生
じ、気泡はこの横旋回流に乗って気液接触槽内を旋回す
るようになる。これにより気泡が気液接触槽の周壁に衝
突する度合が低減され、また気液接触槽に滞留する時間
が延長される。

【００１４】

【実施例】以下に本発明の実施例を図面を用いて詳細に
説明する。

【００１５】図１及び図２は本発明による気液接触装置
の一実施例を示している。気液接触装置は、気液接触槽
（反応槽）１を有している。気液接触槽１は円形横断面
の円柱状をなしており、槽内には気液接触反応のための
液体Ｂが注入されている。この気液接触装置がオゾン水
製造装置として用いられる場合は、気液接触槽１の液体
Ｂは水であってよい。

【００１６】気液接触槽１の中心部には、中心棒体３が
槽底部より軸線方向に延在する形態にて立設固定されて
いる。中心棒体３は筒体により構成され、上端近傍の所
定位置にオバーフロー式の液取出し口５が開口形成され
ている。中心棒体３は下端部にて気液反応液搬送管７と
連通接続されている。

【００１７】気液接触槽１の周壁部の底部近傍にはエゼ
クタ式ガスノズル９が装着されている。エゼクタ式ガス
ノズル９は、噴射液体槽１１に貯容された、気液接触槽
１内に注入された液体Ｂと同一又は異種の液体Ａを噴射
し、この液体Ａの噴流による負圧により気体を吸引して
これを噴出液体と共に気液接触槽１に気泡として供給す
る。このエゼクタ式ガスノズル７は、図２によく示され
ている如く、気液接触槽１の接線方向に噴射を行うよう
取付方向姿勢を設定されている。

【００１８】噴射液体槽１１には液体圧送ポンプ１３が
設けられている。この液体圧送ポンプ１３は、下端部に
フィルタ１５を取り付けた液体汲み上げ管１７より噴射
液体槽１１の液体Ａを吸引し、吸引した液体Ａを加圧し
て液体圧送管１９へ圧送する。液体圧送管１９はエゼク
タ式ガスノズル９と接続され、途中には液体流量制御弁
２１と圧力計２３が取り付けられている。

【００１９】液体流量制御弁２１は可変絞り式の通常の
流量制御弁であってよく、これは、手動操作、あるいは
アクチュエータを用いて遠隔操作され、液体圧送管１９
を流れる液体Ａの流量を定量的に制御（換言すれば可変
設定）するようになっている。

【００２０】液体流量制御弁２１よりエゼクタ式ガスノ
ズル９側の液体圧送管１９には、これにより分岐して液
体Ａを噴射液体槽１１に戻すための液体還流管２５が接
続されている。液体還流管２５の途中には液体圧力制御
弁２７が取り付けらけている。

【００２１】液体圧力制御弁２７は、リリーフ圧を定量
的に可変設定できる設定圧可変型のリリーフ弁であって
よく、エゼクタ式ガスノズル９に与える液体Ａの圧力を
定量的に制御するようになっている。

【００２２】次に図３、図４を用いてエゼクタ式ガスノ
ズル９について説明する。エゼクタ式ガスノズル９はノ
ズル本体５７を有しており、ノズル本体５７には液体圧
送管１９を接続されて液体Ａを供給される液体通路５９
が形成されている。ノズル本体５７の先端側には液体ノ
ズル部材６１が着脱可能に嵌合装着されており、液体ノ
ズル部材６１の先端部にはノズル本体５７の先端面中心
部より前方へ突出してノズル細管６５が精密嵌合により
固定装着されている。ノズル細管６５に形成された液体
噴孔６３は、液体通路５９と連通しており、液体通路５
９より液体Ａを与えられて、これを前方へ噴出するよう
になっている。この場合、ノズル細管６５の外径ｄ₁ は
０．６〜１．６ｍｍ、内径ｄ₂ 、即ち液体噴孔６３の口
径は０．３〜１．２ｍｍ程度であってよい。

【００２３】ノズル本体５７には吸引ガス通路６７が形
成されており、吸引ガス通路６７は一端にてニップル６
９によりガス吸引管２９と接続されている。ノズル本体
５７の円筒部外周にはノズル取付フランジ部７２を有す
る筒状のアウタケース７３がＯリング７５により気密状
態にて嵌合装着されている。吸引ガス通路６７は他端に
てノズル本体５７とアウタケース７３との間に形成され
た環状通路７６に連通している。環状通路７６は、ノズ
ル本体５７の液体ノズル部材装着部の周りに形成されて
ノズル本体５７の先端面に開口した複数個の吸引ガス通
路７７の各々と連通している。

【００２４】ノズル本体５７の先端部外周には、ガスノ
ズル位置決め用のスペーサリング８１とシムリング８３
がＯリング７９により気密に着脱可能に嵌合装着され、
更にキャップ状のガスノズル部材８５が交換可能にねじ
係合により固定装着されている。ノズル本体５７の先端
面とガスノズル部材８５との間には吸引ガス通路７７と
連通関係にある吸引ガス室８６が形成されており、この
吸引ガス室８６の中心部にノズル細管６５がこれを横切
って延在されている。

【００２５】ガスノズル部材８５の先端部中央には吸引
ガス室８６よりガスノズル部材８５の先端面に開口した
ガス噴孔８７が形成されている。ガス噴孔８７は、ノズ
ル細管６５の外側にこれと同心に形成され、液体噴孔６
３の軸心と同心位置にて液体噴孔６３よりの液体噴出方
向に沿って延在する平行通路部８９を備えている。この
平行通路部８９の長さＬは１〜６ｍｍ程度に設定され、
内径ｄｇは０．８〜２．０ｍｍ程度に設定されてよい
（図４参照）。

【００２６】上述の如き寸法設定によりノズル細管６５
の外周面と平行通路部８９の内周面との間にガスリング
層が形成され、このガスリング厚さδｇは（ｄｇ−
ｄ₁ ）／２により決まり、これは０．１〜０．２ｍｍの
範囲に設定される。また平行通路部８９の始端に対する
ノズル細管６５の先端の相対位置ΔＬは０〜−６ｍｍ程
度に設定され、この調整は厚さが異なったシムリング８
３の交換により行われる（尚、ΔＬの値が負であること
は、ノズル細管６５の先端が、第４図において平行通路
部８９始端の左側に位置することを意味し、ΔＬの値が
正であることは、ノズル細管６５先端が平行通路部８９
始端の右側に位置することを意味する）。

【００２７】上述のガス吸引管２９は、図１に示されて
いる如く、オゾンガス等、気液接触反応のための気体の
供給源３１と接続され、エゼクタ式ガスノズル９の吸引
ガス通路６７にガスを供給するようになっている。ガス
吸引管２９には、吸引ガス微少流量制御弁３３が接続さ
れている。

【００２８】吸引ガス微少流量制御弁３３は、ニードル
弁等による微少可変絞りを有する流量制御弁等により構
成され、ガス吸引管２９を流れる吹き込みガスの流量を
定量的に可変制御するようになっている。

【００２９】次に上述の如き構成よりなる気液接触装置
の作用について説明する。

【００３０】気液接触反応を行うに際しては、液体圧送
ポンプ１３が運転され、これにより噴射液体槽１１の液
体Ａが加圧されて液体圧送管１９へ圧送される。液体Ａ
は液体流量制御弁２１により流量を制御される。また液
体圧力制御弁２７が液体Ａの圧力に応じて開弁し、これ
により余剰の液体Ａが液体還流管２５を通って噴射液体
槽１１に戻され、液体圧送管１９の液体Ａの圧力が液体
圧力制御弁２７のリリーフ圧に応じて調整される。

【００３１】これによってエゼクタ式ガスノズル９の液
体通路５９には、液体流量制御弁２１により流量を制御
され、また液体圧力制御弁２７により圧力を調整された
液体Ａが圧送される。従ってエゼクタ式ガスノズル９の
液体通路５９に供給される液体Ａの流量は液体流量制御
弁２１の流量設定値に応じて定量的に可変設定され、ま
たこの液体Ａの圧力は液体圧力制御弁２７の設定リリー
フ圧に応じて定量的に可変設定されることになる。

【００３２】エゼクタ式ガスノズル９の液体通路５９に
供給された液体Ａは、液体ノズル部材６１内を通過して
ノズル細管６５の液体噴孔６３よりガス噴孔８７へ向け
て高速噴出される。この液体Ａの噴流束の外周部には液
体Ａの噴出流速に応じて負圧が発生し、これによりガス
供給源３１のガスが、吸引ガス微少流量制御弁３３によ
り流量を制御されつつガス吸引管２９を経て吸引ガス室
８６より液体Ａの噴流束の外周部に沿ってガス噴孔８７
の平行通路部８９内に吸い込まれる。そして、このガス
が、液体Ａの噴流により剪断され、気泡径が数十μｍ単
位の微細な気泡となって液体Ａと共に気液接触槽１内の
液体Ｂ中へ噴出する。

【００３３】この場合、気泡径は、液体流量制御弁２１
による液体Ａの噴射流量と液体圧力制御弁２７によるエ
ゼクタ式ガスノズル９に対する液体Ａの供給圧及び、吸
引ガス微少流量制御弁３３によるガス流量の少なくとも
一つの制御により適正値に可変設定される。本実施例に
よれば特に、前記吸引ガス微少流量制御弁３３を絞るこ
とにより、小径の気泡を発生させることができる（すな
わち、吸引ガス微少流量制御弁３３の開放度を小さくす
るにつれて気泡径を小さくすることができる）。

【００３４】エゼクタ式ガスノズル９は、上述の如く気
液接触槽１の接線方向に噴射を行うよう取付方向姿勢を
設定されているため、このエゼクタ式ガスノズル９から
の噴流により、気液接触槽１内に、図２に矢印線Ｓによ
り示されている如く、気液接触槽１の中心軸線周りの横
旋回流、即ち中心棒体３の周りを旋回する液体Ｂの旋回
流が生じ、気泡はこの液体Ｂの旋回流に乗って気液接触
槽１内を旋回しつつ浮力により上昇するようになる。

【００３５】これにより気泡が気液接触槽１の周壁に衝
突する度合（および気泡同士が衝突する度合）が低減さ
れて微細気泡径が小径のまま保たれ、また気液接触槽１
内に於ける気泡の流路長が単純浮上である場合に比して
延長されて気液接触槽１内に於ける気泡の滞留時間が延
長される。

【００３６】この場合には、気泡径が数十μｍ単位の微
細気泡であることにより気液の接触面積が飛躍的に増加
すること、および、気泡が気液接触槽１の周壁に衝突す
る度合が少なく微細気泡状態を保たれること、並びに、
気泡が気液接触槽に滞留する時間が長いことにより、高
効率の気液接触が行われる。したがって又気体の逸散損
失が少ない気液接触反応が行われるようになる。また旋
回流による加速撹拌により気液境界面での濃度勾配が大
きくなり、このことによっても気液接触反応が活発にな
り、効率のよい気液接触反応が可能となる。

【００３７】上述の如き作用下にて、中心棒体３はこれ
の周りを旋回する液体Ｂの旋回流およびこれに伴う気泡
の旋回流の旋回中心に於ける圧損をなくし、またこの旋
回流に対して整流作用を与え、エゼクタ式ガスノズル９
からの噴流による気液接触槽１内に於ける液体Ｂおよび
気泡の旋回流を健全で、強いものにする。

【００３８】上述の如く、エゼクタ式ガスノズル９より
気液接触槽１内に液体Ａが噴出されることにより、気液
接触槽１に於ける液体Ｂの液位が上昇する。これにより
気液接触槽１の上層部にあって充分に気液接触反応を受
けた液体Ｂが、中心棒体３の液取出し口５よりオバーフ
ロー式に中心棒体３内に流入し、これより気液反応液搬
送管７へ流れて外部に取り出される。

【００３９】気液接触槽１内に於ける気泡の滞留時間
は、気液接触槽１内に発生する液体Ｂの旋回流に乗って
旋回する気泡の、軸線方向（即ち気泡上昇方向）の旋回
ピッチが小さいほど、気液接触槽１内に於ける旋回回数
が増え、これに応じて気液接触槽１内に於ける気泡流路
長が延長されることにより増大する。この気泡旋回ピッ
チは、気泡の旋回速度と液体Ｂの旋回速度との差により
気泡に作用する旋回方向、（換言すれば横方向）の力と
気泡に作用する浮力とにより決まり、横方向の力が強い
ほど気泡の浮上速度が遅くなって気泡旋回ピッチが小さ
くなる。

【００４０】図５のグラフは、２０℃の水中に空気の気
泡を発泡させた場合に、気泡に作用する横方向の速度と
気泡の浮上速度との関係を理論計算より求めた結果を示
している。このグラフより、横方向の力が強いほど気泡
の浮上速度が遅く、また気泡直径が小さいほど気泡の浮
上速度が遅くなることが解る。

【００４１】気液接触槽１内に於ける気泡は、旋回する
に従ってこれに作用する横方向の力が低減するから、気
泡の旋回ピッチは、図６に模式的に示されている如く、
旋回するに従って、換言すれば気液接触槽１内を上昇す
るに従って増大することになる。尚図６に於て、符号Ｐ
1 〜Ｐ3 は各旋回流の旋回ピッチを示している。

【００４２】気液接触槽１内に於ける気泡の滞留時間を
より一層長くして、気液接触反応の効率を上げる必要が
ある場合、あるいは気液接触槽１の小型化が要求される
場合は、図７に示されている如く、気液接触槽１にエゼ
クタ式ガスノズル９を多段に設ければよい。各段のエゼ
クタ式ガスノズル９はすべて、気液接触槽１の接線方向
に噴射を行うよう取付方向姿勢を設定される。

【００４３】この場合には、エゼクタ式ガスノズル９の
設置個数の増加により気液接触槽１に於ける発生気泡数
が増加し、このことにより気液の接触面積が増加する。

【００４４】また、この場合、気液接触槽１内を旋回す
る気泡は、その旋回上昇過程にて次段のエゼクタ式ガス
ノズル９よりの噴流により、旋回方向へ再付勢、再加速
される。これにより気泡に作用する横方向の力が気液接
触槽１の全域に亘って比較的大きい値に保たれ、気泡が
気液接触槽１内を旋回するに従って、旋回ピッチが大き
くなることがなくなり、気液接触槽１内に於ける気泡の
旋回回数が増加する。これにより、気泡の旋回回数の増
加に応じて気液接触槽１内に於ける気泡流路長が延長さ
れる。

【００４５】以上に於ては、本発明を特定の実施例につ
いて詳細に説明したが、本発明は、これらに限定される
ものではなく、本発明の範囲内にて種々の実施例が可能
であることは当業者にとって明らかであろう。

【００４６】

【発明の効果】以上の説明から理解される如く、本発明
による気液接触装置によれば、エゼクタ式ガスノズルに
より気体の分散が行われるから、気泡径が数十μｍ単位
の微細気泡が得られ、これによって気液の接触面積が飛
躍的に増加し、またエゼクタ式ガスノズルの噴射方向か
らして気液接触槽にこれの中心軸線周りの横旋回流が生
じ、気泡はこの横旋回流に乗って気液接触槽内を旋回す
るようになり、これにより気泡が気液接触槽の周壁に衝
突する度合が低減され、また気液接触槽に滞留する時間
が延長されるから、高効率の気液接触が行われ、気体の
逸散損失が少ない優れた気液接触反応が行われるように
なる。

【００４７】本発明による気液接触装置を用いてオゾン
水の製造を行うと、気体の逸散損失が少ないことから、
逸散オゾンガス量が少なくなり、これの活性炭、触媒等
によるオゾンキラーにより分解処理量が少なくするか
ら、逸散オゾンの分解処理装置の負荷が軽減され、オゾ
ンキラーの寿命が延長されるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による気液接触装置の一実施例を示すブ
ロック線図である。

【図２】本発明による気液接触装置に用いられる気液接
触槽の一実施例を示す平面図である。

【図３】本発明による気液接触装置に用いられるエゼク
タ式ガスノズルの一実施例を示す縦断面図である。

【図４】本発明による気液接触装置に用いられるエゼク
タ式ガスノズルの噴孔部の拡大縦断面図である。

【図５】水中に空気の気泡を発泡させた場合に気泡に作
用する横方向の速度と気泡の浮上速度との関係を理論計
算より求めた結果を示すグラフである。

【図６】気液接触槽内に於ける気泡の旋回状態を模式的
に示す説明図である。

【図７】本発明による気液接触装置の他の実施例を示す
ブロック線図である。

【符号の説明】

１ 気液接触槽 ３ 中心棒体 ５ 液取出し口 ９ エゼクタ式ガスノズル １３ 液体圧送ポンプ ２１ 液体流量制御弁 ２７ 液体圧力制御弁 ３３ 微少流量制御弁 ５７ ノズル本体 ６１ 液体ノズル部材 ６３ 液体噴孔 ６５ ノズル細管 ８５ ガスノズル部材 ８７ ガス噴孔

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円柱状の気液接触槽と、前記気液接触槽
   に液体を噴出し当該液体の噴流による負圧により気体を
   吸引してこれを噴出液体と共に前記気液接触槽に気泡と
   して供給するエゼクタ式ガスノズルとを有し、前記エゼ
   クタ式ガスノズルは前記気液接触槽の接線方向に噴射を
   行うよう取付方向姿勢を設定されていることを特徴とす
   る気液接触装置。
2. 【請求項２】 前記気液接触槽の中心部にこれの軸線方
   向に延在する中心棒体が固定配置されていることを特徴
   とする請求項１に記載の気液接触装置。
3. 【請求項３】 前記中心棒体の上部にオバーフロー式の
   液取出し口が設けられていることを特徴とする請求項２
   に記載の気液接触装置。
4. 【請求項４】 前記エゼクタ式ガスノズルが前記気液接
   触槽の高さ方向に多段に設けられていることを特徴とす
   る請求項１乃至３のいずれかに記載の気液接触装置。
5. 【請求項５】 請求項１乃至４に記載の何れかの気液接
   触装置を用い、エゼクタ式ガスノズルより水と共にオゾ
   ンガスを気液接触槽の水中に噴出することを特徴とする
   オゾン水製造装置。