JPH0262300B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、大気圧よりも圧力の高い雰囲気にお
いて、気体を液体（溶媒）に連続的に溶解させて
移送するための方法と該方法に用いて有効な装置
に関するものである。

［従来の技術］ 加圧下、即ち大気圧以上の圧力下で気体を液体
に溶解させるための方法・装置としては、下記(a)
〜(c)に示すものが知られている。

(a) ポンプ・コンプレツサ・圧力タンク等により
構成される装置。この装置は、液体を収納した
圧力容器中のコンプレツサで気体を送り込み、
該圧力容器中に液体と気体を滞留させ、ほぼ静
的な状態で気体を液面から溶解させるものであ
る。

(b) 上記(a)の圧力タンクに撹拌機を取付け、気体
の溶解を促進させるようにした装置。

(c) 上記(a)又は(b)の圧力タンク内に邪魔板等の充
てん物を設けた装置。

［発明が解決しようとする問題点］ 前記(a)の溶解装置によれば、圧力タンク内にお
ける気液の接触面積が非常に少なく、しかも溶解
は静的な状態で行なわれていた。このため気液の
溶解効率が低く、圧力タンクを相当大形にしない
と溶解に要する時間が長くなつてしまうという問
題点があつた。また前記(b)の溶解装置のように、
圧力タンク内に撹拌機を設ければ溶解は多少促進
されるが、液面でのみ気体が溶解することに変わ
りはない。さらに撹拌機を駆動するための動力を
新たに設けなければならず、圧力タンクと撹拌機
との間にはシール構造を設けなければならない。
なお理論的には、特殊な回転羽根を用いて強い撹
拌力を与えれば、気体をタンク内で液中に分散さ
せることができると思われるが、未溶解の気体を
残して溶解液だけをタンク外に抜き出すために
は、さらにもう一基別のタンクを設けなければな
らず実用的でない。また前記(c)の溶解装置によれ
ば、(a)又は(b)の装置よりも溶解効率は若干向上す
るが、前述した問題点が解決されたわけではな
い。

また前記(a)〜(c)のような従来の装置によつて気
体を静的に溶解させるためには、圧力タンク内に
ある液体の液面位置を制御する必要がある。この
ため圧力タンク内に導入する気体の量を調節する
手段や、圧力タンク内の未溶解の気体を分離する
気体抜弁等の設備等を設ける必要があり、装置全
体が複雑で高価なものになつてしまうという問題
点があつた。

［発明の目的］ 本発明者は、気体を液体に効率よく溶解させる
ためには一般に気液の接触時間を長くすると共に
気液の接触チヤンスを多くすることが必要であ
り、そのためには微細化された気体を液中に過剰
に存在せしめ、撹拌を与えればよいと考えるに到
つた。即ち前述した従来の装置・方法によれば、
圧力タンク内に微細化された気体を過剰に存在さ
せて撹拌することができなかつたものと考えた。
そこで本発明者は、微細な気泡を液中に過剰に存
在させて撹拌することにより気液の接触時間及び
接触チヤンスを増し、気体を液体に効率よく溶解
させることのできる気体の溶解移送方法と該方法
に有用な装置を提供することを目的とした。

［問題を解決するための手段］ 前記の目的を達成し、従来の問題点を解決する
ため、本発明に係る気体の溶解移送方法は、気体
及び液体をサイクロンに圧送し、該流体をサイク
ロン内で撹拌・滞留させることによつて気体を液
体中に分散・溶解させると同時に遠心力により気
液分離し、前記サイクロンのアンダーフロ口から
溶解液を外部に抜き出すと共に過剰の分散気体を
含む液体をサイクロンのオーバフロ口から抜き出
してインゼクタ内を通過させ、インゼクタ内を通
過する流体の運動エネルギに応じた吸引力で該イ
ンゼクタで気体を吸引させると共にこの流体にさ
らに液体を加え、前記サイクロンに再び圧送させ
るようにしたことを特徴としている。また本発明
に係る気体の溶解移送装置は、気体及び液体を圧
送するポンプと、前記ポンプから供給された気体
及び液体を内部で撹拌・滞留させて気体を液体中
に分散・溶解させると共に、遠心力により気液が
分離されて溶解液がアンダーフロ口から抜き出さ
れるサイクロンと、前記サイクロンから抜出され
た過剰の分散気体を含む液体が通過し、通過する
流体の運動エネルギに応じた吸引力で気体を内部
に吸引するインゼクタと、前記インゼクタの流出
口と共に前記ポンプの吸込口に接続された液体の
液入口と、を具備することを特徴としている。

［作 用］ 気体及び液体がポンプに吸込まれると、気体は
ポンプの内部で細かく砕かれ、液体中に分散され
ると共に一部は液体中に溶解する。ポンプから吐
出した流体はサイクロンに流入し、前記流体はサ
イクロン内を回転運動することによつて撹拌さ
れ、撹拌・滞留によつて気体は液体にさらに溶解
していく。サイクロン内において、未溶解の気体
をより多く含む液体は遠心力によつてサイクロン
の中心部に多く集まり、他方では気体の溶解した
流体は液出口から外部に抜き出される。そして未
溶解の気体を含む液体はサイクロンから抜き出さ
れてインゼクタに供給され、インゼクタ内を流出
口に向けて通過していく。この時、インゼクタ内
を通過していく流体の運動エネルギの大小に応じ
た吸引力で、インゼクタ内は相応量の気体が吸込
まれ、該気体は前記流体中に分散される。そして
インゼクタを通過した流体は液入口から供給され
る液体と合流して前記ポンプの吸込口に入り、再
び圧縮されてサイクロンに送り込まれる。即ち、
未溶解の気体を含む液体はサイクロン・インゼク
タ・ポンプの間で循環しており、この液体が含む
気泡の割合に応じてインゼクタでは吸気量が自己
コントロールされている。従つて本発明によれば
気液の接触チヤンスが多く、接触面積も大きいの
で、気体の溶解を効率よく短時間で行うことがで
きる。

［実施例］ 本発明の一実施例を第１図〜第６図によつて説
明する。

第１図は本実施例に係る気体の溶解移送装置１
を示す模式図であり、同図中２は、気体を液体に
分散・溶解させると共に、該流体を後述するサイ
クロン３に圧送するためのポンプである。一般
に、通常の渦巻ポンプでは、流入する流体中に気
体の占める割合が大になると、振動・異音・回転
羽根の異常摩耗等を起す他、流体を吐出できなく
なつたり、吐出が間欠的になつてしまう等の不都
合を生ずる場合がある。本発明者は、このような
不都合の生ずる原因がインペラ部の流体通路の形
状にあると考え、さらに流体通路の断面積が入口
側よりも出口側で大きいことに原因があることを
確認した。そこで本実施例に用いられるポンプ２
においては、後述するようにインペラ部が多くの
気体を液体と共に圧送できるような構造とされて
いる。第２図ａに示す４は、駆動軸５が取付けら
れるボス６ａを有する主盤６と、該主盤６の一方
の側面に設けられた複数の羽根７とによつて構成
されるインペラ本体である。そして該インペラ本
体４の羽根７には、中央部に孔８ａが形成された
円盤形の側板８が固着されており、インペラ９を
構成している。第２図ａに示すように、前記羽根
７は、円弧状にカーブした爪形の断面形状を有し
ており、各羽根７と主盤６の側面と側板８の内面
とによつて複数の流体通路１が構成されている。
通常の渦巻ポンプにおける流体通路と異なり、こ
の流体通路１０は、第２図ｂに示すように、楕円
形状の入口１１側の断面積が大きく、楕円形状の
出口１２側の断面積の方が小さくなつており、そ
の壁面は角部のないなめらかな形状とされてい
る。但し製作コスト等の都合によつては、流体通
路１０の断面形状は、四角形状のような角部を有
するものとしてもよい。また前記両断面積は、流
体通路１０内における流体の見掛け流速（一定時
間内に流れる流体の見掛け体積をその時間で除し
た値）が一定になるように、出口１２で流体圧力
と圧送しようとする気・液の混合割合等によつて
設定する。例えば、水６m³／ｈ、空気２m³／ｈを
混合移送しようとする場合、出口１２での流体の
圧力を５Kgｆ／cm²とすれば気体の体積は約1/5に
圧縮されるので、入口１１側の断面積Ａ及び出口
１２側の断面積A′は次式によつて定めることが
できる。

６＋２／Ａ＝６＋0.4／A′ 次に前記ポンプ２の吐出口１３は、サイクロン
３に接続連通されている。サイクロン３は、ポン
プ２から供給される流体を加圧下で撹拌・滞留さ
せて気体を液中に溶解させるための流体槽であ
る。第３図に示すように、このサイクロン３は円
筒形の上半部３ａと略円錐形の下半部３ｂとを有
しているが、下半部３ｂの円錐角は、実験的には
20゜前後にすると好結果が得られる。そして前記
ポンプ２の吐出口１３から導かれた配管Ｐ１は、
バルブＶ１及び圧力計Ｇ１を介して上半部３ａの
側面に対し接線方向で接続連通しているが、その
接続部の断面形状は、サイクロン３の周方向に沿
つて細長い角型が好ましい。また上半部３ａの中
央部にはオーバフロ口としての循環流体抜出口１
４が設けられ、配管Ｐ２が接続連通されている。
本実施例のようにサイクロン３を縦置にする場合
には、循環流体抜出口（オーバフロ口）１４に接
続される配管Ｐ２は、サイクロン３の内部に突出
させない方が好ましい。そしてサイクロン３の下
端部にはアンダーフロ口としての溶解液の液出口
１５が設けられている。この液出口（アンダーフ
ロ口）１５には配管Ｐ３が接続連通され、該配管
Ｐ３にはＶ２が設けられている。また、このサイ
クロン３には圧力計Ｇ２が設けられている。

本実施例のサイクロン３は縦置であるが、これ
と略同形状のサイクロン３′を横置にして用いる
場合は、第４図ａ，ｂに示すように、循環流体抜
出口（オーバフロ口）１４と配管Ｐ２の間に緩傾
斜のコーン１６を設けるとよい。また装置全体を
小形化し、あるいは製造コストを低く押えたい場
合には、第５図ａ，ｂに示すような円筒形のサイ
クロン１７を用いてもよい。このような円筒形の
サイクロン１７は、前記サイクロン３，３′に比
べて流体に加わる遠心力が小さいので流体の分離
性は若干劣るが、溶解しにくい気体を扱う場合に
は有効である。

次に、前記サイクロン３の循環流体抜出口（オ
ーバフロ口）１４に接続された配管Ｐ２は、流量
計Ｇ３及びバルブＶ３を介してインゼクタ１８の
流入口１９に接続されている。第６図に示すよう
に、インゼクタ１８は、中央に流体の通過する径
路が設けられたパイプ形状の装置であり、流入口
１９から絞り穴２１のある中央部にかけては内径
が絞りこまれるテーパ状に形成され、中央部から
流出口２０にかけては内径が拡大するテーパ状に
形成されている。そして中央部の外周面には、前
記絞り穴２１に連通する吸引口２２が形成されて
おり、流入口１９から流出口２０へ向けて通過す
る流体の運動エネルギによつて、該吸引口２２か
ら気体が吸込まれるように構成されている。また
吸引口２２の内部には逆止弁２３が設けられてお
り、流入口１９から流出口２０へ向かう流体が吸
引口２２から外部へ吐出しないようになつてい
る。またインゼクタ１８の流入口１９には円盤形
のひねり羽根２４が回動自在に設けられており、
気体の吸引力を安定させると共に、インゼクタ１
８内に吸込んだ気体を効果的に微細化できるよう
になつている。なお、このような円盤形のひねり
羽根２４のかわりに、圧損の少ないプロペラ状の
羽根を設けてもよい。

次に、前記インゼクタ１８の吸引口２２には配
管Ｐ４が接続されている。該配管Ｐ４にはバルブ
Ｖ４及び流量計Ｇ４が接続されており、気体の流
入口２８は所定圧力の気体中に開放されている。
またインゼクタ１８の流出口２０に接続された配
管Ｐ５は、前記ポンプ２の吸込口２５に接続され
たＴ管２６の一方の開口端から同管内に挿入され
ている。またＴ管２６の他方に開口端にはバルブ
Ｖ５を介して配管Ｐ６が接続されており、該配管
Ｐ６の端部が流体の液入口２７とされている。

次に、以上のように構成された装置を用いて行
なう気体の溶解移送方法について説明する。

図示しない駆動手段によつてポンプ２を駆動さ
せ、ポンプ２に液体と気体を供給する。インペラ
部９に吸込まれた液体と気体は、なめらかな形状
の流体通路１０を移動しながら加圧される。本実
施例のポンプ２におけるインペラ部９の流体通路
１０は、圧縮前の流体が通過する入口１１側の断
面積が大きく、圧縮後の流体が通過する出口１２
側の断面積を小さくしてある。従つて、液体と圧
縮性流体である気体とを一緒に圧送すると、流体
通路１０内の入口１１から出口１２にかけて流体
の見掛け流速（一定時間内に流れる流体の見掛け
体積をその時間で除いた値）が一定になるので、
流体通路１０内に圧力の異なる領域が生ずること
はなく、流体通路１０内に有害な渦が発生する等
の不都合がおきることはない。特に本実施例にお
いては、流体通路１０の壁面は角部のないなめら
かな形状とされているので、壁面と流体との低抗
はどの部分でも一様であつて、壁面を摩耗させる
可能性のある流体の渦が特定の部分に発生する恐
れもない。このように、インペラ部９に吸入され
た気体及び液体は滑らかな形状の流体通路１０内
を渦を発生させることなく一定の流速で円滑に移
送されるので、相当量の気体を液体と共に圧送し
た場合でも、ポンプ２の運転中に異音や振動等の
障害が発生することはなく、かつ流体通路１０の
壁面が異常に摩耗することもない。そしてインペ
ラ部９において、吸入された気体は加圧されて細
く砕かれ、液体中に分散・混合されると共に一部
は液体中に溶解する。

ポンプ２から突出した流体はサイクロン３に流
入し、この流体はサイクロン３内を加圧下で激し
く回転運動しながら撹拌され、撹拌・滞留によつ
て気体は液体にさらに溶解していく。サイクロン
３内において、未溶解の泡状の気体をより多く含
む液体は遠心力によつてサイクロン３の中心部に
多く集まる。また会合して体積を増すことにより
溶解しにくくなつた気体も中心部に集まつてく
る。他方、気体の溶解した液体（溶解度）は回転
しながらサイクロン３の下半部３ｂに移動してい
き、液出口（アンダーフロ口）１５を通り、弁Ｖ
２を経て外部の目的場所（図示せず）に移送され
る。この場合、弁Ｖ２の開度等を適宜に調節する
ことによつて液出口（アンダーフロ口）１５から
出る溶解液の量は一定とされているので、サイク
ロン３を含む本装置の系内の圧力は一定に保たれ
ている。

前記未溶解の気体を含む液体は、循環流体抜出
口（オーバフロ口）１４から抜出されてインゼク
タ１８の流入口１９に供給され、インゼクタ１８
内を流出口２０に向けて通過していく。この時、
通過していく流体の運動エネルギによつて、イン
ゼクタ１８内に吸引口２２から気体が吸引され
る。気体の吸引力は、通過していく流体の運動エ
ネルギの大小、即ち該流体が含む気体の量によつ
て異なる。例えば循環流体抜出口（オーバフロ
口）１４より抜出された流体が多くの気体を含む
場合、該流体の運動エネルギは小さいので、イン
ゼクタ１８内に吸引される流体の量は少なくな
る。逆に該流体が空気をほとんど含まなければ、
その運動エネルギに対応する強い吸引力でインゼ
クタ１８内には多量の気体が吸込まれる。このよ
うに本実施例の装置１では、気体の吸引量は自己
コントロールされている。そして、インゼクタ１
８で吸込まれた気体は、サイクロン３から液体と
共に送られてきた未溶解の気体と共に、このイン
ゼクタ１８内で微細化され、液中に分散・混合さ
れる。また本実施例では、インゼクタ１８にひね
り羽根２４が設けられているので、気体の吸引状
態は安定している。

次に、インゼクタ１８を通過した流体は、配管
Ｐ５を経てＴ管２６内に送り込まれる。このＴ管
２６内には液入口２７から所定量の液体が供給さ
れている。前記流体と、系内に新たに供給された
液体とは、このＴ管２６内で合流し、前記ポンプ
２の吸込口２５に送り込まれる。

このように本実施例では、適当量の液体を系内
に供給すると共に適当量の溶解液をサイクロン３
から抜き出すことによつて装置系内の圧力を一定
に保つている。そして、未溶解の流体をむ一部の
流体を系内で循環させながらインゼクタ１８で吸
気量の自己コントロールを行ない、気体を液体に
効率よく溶解させている。即ち本実施例の装置１
では、流体を循環させていることから気・液の接
触チヤンスが多く、また気体を各所で繰返し微細
化していることから気・液の接触面積が大きいの
で、液面のみから静的に気体を溶解させていた従
来の装置・方法に比べて、気体の溶解を効率よく
行なうことができる。

本実施例のような気体の溶解移送装置１は、そ
の構造が簡単であるため製造コストが低くでき、
またポンプ２には異常摩耗等の障害が発生しにく
いインペラ部９を用いていることからメンテナン
スも楽である。従つて前記装置１は種々の分野で
有効に利用することができ、単に気体を液体に溶
解させるためだけでなく、他の目的に用いること
もできる。即ち前記装置１によれば、気体の一部
は液体に溶解され、残りの一部が微細な分散気泡
として液体中に混合されることになる。従つて前
記インゼクタ１８に流入する循環流体の量やイン
ゼクタ１８が吸込む気体の量、そしてサイクロン
３から吐出される溶解液の吐出量等をバルブ操作
等によつて調節すれば、液体中に溶解する気体と
液体中に混合する分散気泡の量・割合を任意に設
定することができる。液体中に溶解した気体は大
気圧下では気泡となつて析出するので、このよう
な析出気泡や、前記分散気泡を利用する廃水の浮
上分離施設に本装置１を用いれば、廃水の性質に
応じて分散気泡と析出気泡の割合・量を任意に調
節できるので好都合である。

次に、前記溶解移送装置１を試験した結果につ
いて具体例をあげて説明する。3.7KW×2900rpm
の通常の渦巻ポンプに、前記のような流体通路１
０を有するインペラ部９を取付ける。サイクロン
３は、内径約260mm、内容積19のものを用いる。
インゼクタ１８は、出入口部の内径が10mm程度
で、全長が約50mm、絞り穴２１の内径が３mm程度
のものを用いた。このインゼクタ１８の自吸空気
量は、インゼクタ１８の流入圧が4.Kgｆ／cm²・同
流入量が１／minのとき10N／minであるこ
とを実験的に確認している。

さて、ここで気体として空気、液体として水を
選択し、気体の流入口２８を大気に開放すると共
に液入口２７を図示しない水槽に接続し、種々の
条件下で本装置を運転した。その結果、液体
（水）流入量100／min、空気吸引量平均2.5
／min、サイクロン内圧力4.5Kgｆ／cm²、溶解
液抜出量100／min、循環液量が水だけの場合
10のとき、次のような結果が得られた。即ち、
得られた溶解液を大気圧下に放置した場合に析出
する空気量は2.5％であり、この状態でバルブ類
を調整することなく一昼夜運転しても、溶解液量
及び同液から析出する空気量には変動が見られな
かつた。但し空気吸引量は、流量計Ｇ４の指値か
ら０〜10／minの範囲で常に変動していた。

以上の結果から、この装置によれば、空気自吸
量が自動コントロールされ、滞留時間11.4秒で析
出空気量2.5％の溶解液が連続的に得られること
が確認された。

前述した試験結果の一例と比較するため、第７
図に示すような溶解装置を構成し、空気を水に溶
解させた場合の運転例を示す。この装置系は、前
記サイクロン３を圧力タンク３０（容量240）
に置換えたもので、ポンプ２の吐出口１３及びイ
ンゼクタ１８の流入口１９は、圧力タンク３０の
下部に接続連通されている。また、圧力タンク３
０の下部には溶解液の抜出し口３１が設けられ、
同上部には気体抜弁３２が設けられている。図中
Ｇ５，Ｇ６は流量計、Ｇ７は圧力計である。

このような装置を種々の条件下で運転したとこ
ろ、液体（水）流入量60／min、空気吸引量平
均４／min、溶解液抜出量60／min、循環液
量が水だけの場合10／minのとき、析出空気量
が2.5％という結果が得られた。但し、この装置
では吸気量の自動コントロールが行なわれないの
で、圧力タンク３０内には余分な空気がたまつて
しまう。そこで図示しないレベル計によつて圧力
タンク３０内の液面位置を計測し、気体抜弁３２
等を人手によつて操作することで過剰の空気を抜
き出さなければならなかつた。さらに本例では滞
留時間が４分間も必要であり、前記実施例に比べ
て溶解効率がきわめて低いことが確認された。

［発明の効果］ 本発明に係る気体の溶解移送方法及び装置によ
れば、主としてポンプ及びインゼクタで加剰な気
体を微細化して液体内に分散させ、主としてサイ
クロン内では該流体を撹拌・滞留させることによ
つて気体を液体に溶解させている。そしてさら
に、未溶解の気体を含む一部の流体を系内で循環
させながらインゼクタで吸気量の自己コントロー
ルを行なつている。従つて本発明によれば、気体
を液体に効率よく短時間で溶解させることができ
るという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る装置の一実施例を示す模
式的構成図、第２図ａは同実施例におけるポンプ
の要部を示す一部切欠正面図、同図ｂは同ポンプ
における流体通路の形状を示す図、第３図ａ，ｂ
は同実施例におけるサイクロンの平面図及び正面
図、第４図ａ，ｂは横置型サイクロンを示す図、
第５図ａ，ｂはサイクロンの他の形態を示す平面
図及び正面図、第６図は同実施例におけるインゼ
クタの断面図、第７図は同実施例の装置と比較す
るために構成された圧力タンクを有する溶解装置
の全体構成図である。 １…気体の溶解移送装置（装置）、２…ポンプ、
３，３′，１７…サイクロン、１４…オーバフロ
口としての循環流体抜出口、１５…アンダーフロ
口としての溶解液の液出口、１８…インゼクタ、
２０…インゼクタの流入口、２５…ポンプの吸込
口、２７…液体の液入口。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 気体及び液体をサイクロンに圧送し、該流体
   をサイクロン内で撹拌・滞留させることによつて
   気体を液体中に分散・溶解させると同時に遠心力
   により気液を分離し、前記サイクロンのアンダー
   フロ口から溶解液を外部に抜き出すと共に過剰の
   分散気体を含む液体をサイクロンのオーバフロ口
   から抜き出してインゼクタ内を通過させ、インゼ
   クタ内を通過する流体の運動エネルギに応じた吸
   引力で該インゼクタで気体を吸引させると共にこ
   の流体にさらに液体を加え、前記サイクロンに再
   び圧送させるようにしたことを特徴とする気体の
   溶解移送方法。 ２ 気体及び液体を圧送させるポンプと、前記ポ
   ンプから供給された気体及び液体を内部で撹拌・
   滞留させて気体を液体中に分散・溶解させると共
   に遠心力により気液が分離されて溶解液がアンダ
   ーフロ口から抜き出されるサイクロンと、前記サ
   イクロンのオーバフロ口から抜出された過剰の分
   散気体を含む液体が通過し、通過する流体の運動
   エネルギに応じた吸引力で気体を内部に吸引する
   インゼクタと、前記インゼクタの流出口と共に前
   記ポンプの吸込口に接続された液体の液入口と、
   を具備することを特徴とする液体の溶解移送装
   置。