JPH0547252B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は液中でガスを溶解する方法と装置に関
するものである。本発明は特に、限定するつもり
でないが、水性あるいは非水性の液体の中の構成
分の一つとして酸素または酸素を含むガス混合物
に関するものである。

出願人らの英国特許明細書No.1455567は液体処
理方法を開示しており、それは、液体の流れを取
り、その流れを加圧し、この加圧流の中へ処理ガ
スを導入してガスのいくらかがその中に溶解する
ようにし、溶解および未溶解ガスを含む流れを液
体のある容積の中へ乱流条件下で導入して、未溶
解ガスが液体のその容積の中で溶解するかあるい
は消費されるかのいずれかである微小気泡の形で
液体の容積の中に入るようにする、諸段階を含
む。

前記の英国特許明細書に記載の方法は、廃水中
に酸素を溶解して下水処理を改善するようにする
手段として特に、技術的および商業的に成功して
きた。出願人らは、この成功が少くとも一部はそ
の方法が同じ動力消費で以て操作される従来法よ
りはるかに多くのガスを液体本体中に保持するこ
とを可能にするという事実に基づくものと考えて
いる。この流れをガス気泡の運搬体として使用す
ることによつて、流れの中で運ばれるガス量が平
衡的に十分飽和した液体を精製させるのに必要と
する理論量へ限定されるだけである場合よりも著
しく多量のガスを、その流れの中で液体の主容積
の中へ運びこみかつ液体のその容積を加圧するこ
となくその中に溶解させることができる。この結
果は、その流れを液体主容積中へ大きい静水圧ヘ
ツド下の位置で導入することを必要とすることな
く得ることができる。

それにもかかわらず出願人らは出願人らの英国
特許明細書No.1455567に記載の方法と装置の効率
の改善を求め続けてきたが、この目的達成のため
のこような方法と装置を提供することが本発明の
目的である。

従つて、液中にガスを溶解する方法が提供され
るのであり、その方法は、液体の流れを加圧し、
ガスをこの加圧流の中へ導入し、この流の中で乱
流をつくらせてその中にガスのいくらかを溶解し
かつ液中で未溶解ガス気泡の分散液を形成するよ
うにし、この流を液体中のガス気泡の分散体とし
てこの流れが受けている圧力よりも実質的に低い
圧力にある液体のある容積の中の少くとも一つの
出口へ輸送し、そして、その流れを上記出口を通
して液体のその容積の中へ導入し得られる乱流が
実質上すべての残留未溶解ガス気泡を液体のその
容積中に溶解させるかあるいはそれによつて消費
されるようにし、その場合、流れの中で運ばれる
ガスのいくらかはその流れから比較的下流位置に
おいて採取されかつ上記の流れへ比較的上流位置
で戻される、諸段階から成り立つ。

本発明はまた液中にガスを溶解する装置を提供
するものであり、その装置は、液体の流れを加圧
する手段（例えばポンプ）、ガスが中に溶解され
るべき液のある容積を保持する槽、加圧手段の出
口を少くとも一つのノズル（あるいは類似物）と
連通して置いて加圧液体の流れを液体のその容積
の中へ導入する導管、ガスを導管中を流れる流れ
の中へ導入する手段、流れの中で乱流をつくり出
してその中にガスのいくらかを溶かしかつ液中の
未溶解ガス気泡の分散液を形成させるようにする
手段、ガスのいくらかを流れから導管中の比較的
下流の位置において採取する手段、並びに、上記
ガスを導管へ比較的上流の位置で戻す手段、から
成り立つ。

本発明による方法と装置は流れの中のガス質量
対液体質量の比率の増大させそれによつて出願人
らの英国特許明細書1455567に記載の方法の溶解
効率を増すことを可能にするものである。ガス溶
解効率増大の利点は、前記特許明細書に記載の方
法を用いる場合に必要とされるよりも低い動力消
費において（すなわち、流れをより低い圧力にか
けることにより）ガスを溶解させる特別な要請を
満たす際に、必要ならば、得ることができる。好
ましくは、流れの中へはじめに導入されたガスの
容積で約60％までをその流れから取りそして比較
的上流の位置へ戻す。このガスは好ましくは上記
の流れから分離される。好ましくは、このような
ガスを分離しかつ戻すために、導管からのガス用
出口が上記の比較的下流位置に存在する。液体中
のガス気泡分散体は出口開口を過ぎて流れるので
ガスのいくらかは自然に出口開口を通つて上記導
管から、かつ出口開口から導管の比較的上流の位
置へ戻つて通ずる管の中へ流れる傾向がある。本
発明による装置の一つの好ましい具体化において
は、この管は上記の流れが通つて流れるベンチユ
リーのスロートにおいて終り、それによつて、ガ
スを導管の比較的下流の位置から引き出しそれを
比較的上流の位置へ戻す何らかの外部ポンプを備
える必要性をなくする。希望する場合には、液体
流へ戻されつつあるガスははじめにその中へ導入
されるガスと組合わせてよい。

導管の比較的下流の位置からその比較的上流の
位置へ通ずる上記の管は好ましくはその中に制扼
部をもち循環されるガス量を制限するようにす
る。好ましくは、この制扼部はフロー制御弁が設
けられ、それは代表的には手動で操作できる。

循環ガスを入つてくるガスと組合わせることは
必要ではない。一つの代案は循環ガスをそれがは
じめに導入される場所の下流で導入することであ
る。好ましくは、ガス用の主要入口はガスと液体
との得られる混合物がその混合物中の音速より低
い速度で移動する領域において存在する。この流
れは次に好ましくは超音速へ加速されて流れの中
のガス気泡の寸法を小さくするのに有効な衝撃波
をつくり出しかつそれによつて波中で特に小さい
ガス気泡の分散体を形成させる。制約部は循環ガ
スを流れの中へ引きこむのに用いるベンチユリー
によつて提供されてよい。液中のガス分散体中の
音速はガス自身中の音速より実質的に低く、酸素
−水素については、50フイート／秒の程度であ
る。ガスと液体の分散体が超音速に至るときの得
られる衝撃波はガスが比較的小さい寸法の気泡を
形成させるのに特に有効であることが見出され
る。

衝撃波がつくり出される場所の下流において、
流れの速度は好ましくは一度際び超音速以下へ落
される。しかし、好ましくは流れの速度は分散体
中の音速以上の値へ上記出口のすぐ上流の領域に
おいて上げてガス気泡の寸法をさらに小さくする
のに有効な第二の衝撃波をつくり出させるように
する。この第二の衝撃波は好ましくはもう一つの
制扼部中を代表的には出口または各々の出口のす
ぐ上流において、流を通過させることによつてつ
くり出される。第二の衝撃波は液体中のガスの分
散体が液体の主体容積の中へ入るさらにすぐ直前
において気泡の寸法を小さくするのに有効であ
る。代表的には液体の主体容積は大気へ開放され
たタンクの中に保持される。

出口は代表的には一つまたは一つより多くの孔
を中にもつ管の形をとり、それらを通して液中ガ
ス分散体が液体の主体容積の中へ入る。

本発明による方法と装置は付属図面を参照して
例としてここで記述される。図において、第１図
は生化学的酸素必要量をもつ水に酸素を吹込む装
置を描くものであり、第２図は第１図に示す装置
の部分を形成する散布パイプの端末図である。

付属図面の第１図および第２図を参照すると、
上方開放タンク２は生化学的酸素必要量をもつ廃
水のある容積４を含む。その底に近く、タンク２
は管８と連通する出口６をもち、管８はそこを流
れて通る液体を加圧するよう適合させたポンプ１
０の入口端において終る。ポンプ１０の出口は長
くのびた導管１２と連通し、これは液体の容積４
の中で底およびそれの側面に近い領域において配
置した散布パイプ１４の中で終つている。パイプ
１４は出口孔１６の複数個をもち、これらはタン
クのもう一つの側の方へ面している。パイプ１４
の代りに、単独の出口ノズルを用いてもよい。

酸素供給管１８は導管１６中でそれのポンプ１
０の出口に近くかつ下流の領域において終る。酸
素は管１８から導管１２を通つて流れる流れの中
へ導入される。酸素は代表的には源（図示せず）
から加圧流の中へ酸素を入らせるのに十分な昇圧
で供給される。この源は圧縮ガス状酸素のボンベ
あるいは真空断熱の液体酸素蒸発器の一つまたは
一つ以上であつてよい。高速で流れている液体に
酸素を導入できるのは、液体が高速で移動する
と、その液体の圧力が低下するためである（ベル
ヌーイ定理参照）管１８と導管１２との結合部の
下流でスロート２０をもつベンチユリー２０があ
る。導管２６はベンチユリー２０のスロート２２
の中の一端と、導管１２の壁の中で導管１２の下
流領域においてパイプ１４に近く形成される出口
開口２４の中の他端と、において終つている。操
作にあたつては、ベンチユリー２０を通る液体の
流れはスロート２２においてその静圧の低下をお
こし、液体から遊離しかつ導管２６に入るガスが
導管２６に沿つてベンチユリー２０の方向に引か
れかつベンチユリー２０を通つて流れる液体の中
へ導入されるようになる。代表的には、液体の流
れから遊離し導管２６に入るのはより大きいガス
気泡である。管１２を通して流れる液体の中に未
溶解の気泡が含まれている。未溶解の気泡には浮
力があるので、管１２と管２４との分岐のところ
で未溶解の気泡の浮力によつて気泡は管２４の方
に行く。その分岐のところで特別な装置を設ける
必要がない。このようにして、溶解効率が増加す
る。フロー制御弁２８が管２６の中に置かれ、ガ
スが開口２４からベンチユリー２０へ循環される
速度を調節するよう手動で調節できる。代表的に
は、循環速度はガスが導管１２の中へ管１８から
導入される速度の20％から60％であるよう選ばれ
る。

第１図に示す装置の運転を開始するためには、
ポンプ１０を始動させ、それがタンク２から水の
流れを引き出す。ポンプ１０はその中を通る液体
の圧力を２から４絶対気圧の範囲の圧力へ上げる
ことができる種類のものである。酸素を次に管１
８からポンプ１０を出て導管１２中を流れる加圧
流の中へ導入する。酸素は導管１２中の支配圧力
下で溶解酸素で液体を飽和させるのに必要である
平衡値をこえる２倍から10倍の速度で添加するこ
とが好ましい。従つて、流れ１２の中へ導管１８
を通して導入される酸素の大部分は未溶解のまま
で残り、水中の比較的粗い酸素気泡の分散液が管
１８と導管１２との接合部のすぐ下流において形
成する。導管１２のこの領域における流れの速度
は分散体中の音速よりも低くただしガス気泡を乱
流によつて分散状に保つのに十分であるように調
節される。速度が低すぎると淀んだ流れあるいは
層流がつくり出され、このような条件は避けねば
ならないことを出願人らは発見した。それ以下で
は淀んだ流れがおこる限界値はいずれの特定装置
についても経験的に決定することができ、存在す
る気泡の寸法範囲に関係する。一般的には、この
限界値は約２ｍ／秒より低くない。ベンチユリー
２０の上流端とスロート２２との間の領域におい
ては、液中ガス分散液の流れの速度は分散体中で
音速をこえる値に達する。従つて、衝撃波がベン
チユリー２０の上記領域内でつくり出される。そ
の結果、酸素の比較的粗い気泡はその衝撃波から
生ずる乱流によつてより小さいあるいはより微小
の気泡に剪断される。これは水中で酸素がさらに
少量溶解するのを助ける。ベンチユリー２０のス
ロート２２中を通過したのち、加圧流はベンチユ
リーが広がるにつれて、流れの中で気泡を分散状
に維持するのになおも十分である音速以下の速度
へ戻るまで減速される。流は導管１２に沿つて流
動するので酸素気泡がさらに水中で徐々に溶解す
る。導管１２の長さは導管に沿つておこる圧力降
下を考慮して流れの中でガスの最適量を溶解する
よう選ばれる。流れは散布パイプ１４の孔を通過
するのでそれは分散体中の音速をこえた速度へも
う一度加速される。従つて、第二の衝撃波がつく
られ、この衝撃波は流れが水の主体容積４の中に
入りそれと混合するときに多数のきわめて小さい
酸素気泡をつくり出すのに有効である。孔１６は
各々代表的には50mmあるいはそれ以上の範囲にあ
る直径をもつ。水中の酸素気泡分散体は各々の孔
１６を放射ジエツトの形で出る。残留酸素の大部
分が、タンク２中で液体表面から実質的量の酸素
が未溶解で排出されることなしに液体の主体容積
の中に溶けるかあるいはそれによつて消費される
のは、水の主体容積４に入る気泡の寸法および孔
１６を通して液体の流れを散布することによつて
その中につくり出される乱流とである。（流れの
加圧は、流れの中で未溶解酸素と平衡で保持でき
る溶解酸素量を増し、そしてまた分散体中で運ば
れるガス気泡の溶解を助けるのに利用される流れ
中の運動エネルギーもつくり出すことが理解でき
る。）代表的には、液体の主要本体に入るガス気
泡の寸法は0.01から0.15mmの範囲にある。

酸素を流れの中へベンチユリー２０のスロート
２２においてではなく、導管１８を通じて導入す
ることにより、水中の酸素気泡分散体の速度が超
音速に達するときにつくり出される衝撃波が利用
される。酸素がすべてベンチユリー２０のスロー
ト２２を通して加圧流中に導入された場合には、
衝撃波は上流で生成されない。

流れは出口開口２４が位置している導管１２に
沿つて流動するので、液体が直線で流動する傾向
が存在し、一方、比較的少ない運動量のガスは液
体から遊離し（特に、大気泡）そして導管１２側
面において導管２６の入口の中へ流動する傾向が
ある。このように、分散体からのガスのいくらか
の遊離が存在する。代表的には、ガスはそれと一
緒にガス中に随伴する液体の少量あるいは実質的
でない量を運ぶ。ベンチユリー２０によつてつく
り出される吸引力はこのガスを導管２６の中へ、
従つてベンチユリーのスロート２０の中へ引込む
のに有効である。弁２８はこのようにして循環さ
れる酸素の量を管１８を通して導管１２の中へ導
入される量の20−60％へ制限するように設定され
る。ベンチユリー２０の出口と出口２４が置かれ
ている導管１２の部分との間の導管１２のその長
さの中で流れ中の未溶解酸素気泡の割合をそのよ
うに増すことによつて、流れ中で酸素を溶解させ
る駆動力が増し、従つて酸素溶解の総括的動力効
率を増すことができる。最適効率のためには、そ
のような酸素が循環されない場合よりも短かい長
さの、ベンチユリー２０と出口２４との間の導管
を使用することが可能であるかもしれない。ある
いはまた、同じ量の酸素はポンプ１０中でより低
い操作圧において溶解させることができる。代表
的には、ポンプ１０を操作するのに必要とされる
電力の５％から10％またはそれ以上の程度が節約
されるかもしれない。

必要ならば、管１８と導管１２の間の接合は上
記導管１２に外接しかつそれと例えば導管壁中の
孔を通じて連通する環状室（図示せず）から成り
立つことができる。類似の配置は管２６からベン
チユリーのスロートの中へガスを導入するのに使
用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は生化学的酸素要求量をもつ水へ酸素を
含ませるための装置を図解する模型的線図であ
り、第２図は第１図に示す装置の部分を形成する
散布パイプの端末図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 液体中にガスを溶解する方法であつて；液体
   の流れを加圧し、そのガスを加圧された流れに導
   入し、その流れの中に乱流をつくつてその中へガ
   スのいくらかを溶解させかつ液体中で未溶解ガス
   気泡の分散液を形成させるようにし、この流れを
   液体中にガス気泡分散液としてこの流れが受けて
   いる圧力より実質上低い圧力にある液体のある容
   積の中の少くとも一つの出口へ送り、そしてこの
   流れを上記出口を通して液体のその容積の中へ導
   入して得られる乱流が実質上すべての残留未溶解
   ガス気泡を液体のその容積の中に溶解させるかあ
   るいはそれによつて消耗されるようにし、その際
   この流れの中で運ばれるガスのいくらかを比較的
   下流の位置でそれから取りかつこの流れへ比較的
   上流の位置で戻す；諸段階を含むガス溶解方法。 ２ 流れの中へもともと導入されるガスの容積で
   約60％までをそれから採つて比較的上流の位置へ
   戻す、特許請求の範囲第１項に記載の方法。 ３ ガスを流れから分離または放出されることに
   よつてその流れから採取する、特許請求の範囲第
   １項または第２項に記載の方法。 ４ 上記の比較的上流の位置が上記の流れが流れ
   るベンチユリーのスロートによつて規定される、
   前記特許請求の範囲各項のいずれかに記載の方
   法。 ５ 上記の比較的下流の位置とベンチユリーのス
   ロートとの間の連通を提供するガス通路が存在
   し、それによつて上記の流れから放出されるガス
   を上記の比較的下流の位置からベンチユリーのス
   ロートの中へ抜出す、特許請求の範囲第４項に記
   載の方法。 ６ 上記の通路がフロー制御弁を有している特許
   請求の範囲第５項に記載の方法。 ７ 上記のガスが加圧した流れの中へ上記の比較
   的上流の位置の上流で導入される、前記特許請求
   の範囲各項のいずれかに記載の方法。 ８ 液中ガスの混合物を形成し、得られる混合物
   が該混合物中の音速より低い速度でまず移動し、
   その流れがその後超音速へ加速され、それによつ
   て衝撃波がつくり出されかつその流れの中のガス
   気泡の寸法が小さくされる、特許請求の範囲第７
   項に記載の方法。 ９ 上記の衝撃波が流れを上記ベンチユリー中を
   通過させることによつてつくり出される、特許請
   求の範囲第８項記載の方法。 １０ 流れの速度が衝撃波がつくり出される場所
   の下流で音速以下の速度へ落され、次いで超音速
   へ再び増されそれによつて衝撃波がつくり出され
   る、特許請求の範囲第８項または第９項に記載の
   方法。 １１ 上記の第二の衝撃波が出口あるいは各々の
   出口のすぐ上流でつくり出される、特許請求の範
   囲第１０項に記載の方法。 １２ 上記のガスが酸素である、前記特許請求の
   範囲各項のいずれかに記載の方法。 １３ 上記の液体が水である、前記特許請求の範
   囲各項のいずれかに記載の方法。 １４ 液体中でガスを溶解する装置であつて；液
   体の流れを加圧するための手段、ガスが溶解され
   るべき液体のある容積を保持する槽、加圧された
   液体を液体のその容積の中へ導入するための少く
   とも一つのノズル（あるいは類似物）と連通する
   加圧手段の出口を設定する導管、ガスを導管中を
   流れる流れの中へ導入する手段、流れの中に乱流
   をつくらせてその中にガスのいくらかを溶解しか
   つ液中の未溶解ガス気泡の分散液を形成させるよ
   うにする手段、流れからガスのいくらかを導管の
   比較的下流の位置において取る手段、および該ガ
   スを比較的上流の位置で導管へ戻す手段、を含む
   装置。 １５ 上記の加圧手段がポンプである、特許請求
   の範囲第１４項に記載の装置。 １６ 上記のガスを分離し戻させるために導管中
   のガス用出口開口が上記下流位置において存在し
   かつ出口開口から導管の比較的上流位置へ通ずる
   パイプが存在する、特許請求の範囲第１４項また
   は第１６項に記載の装置。 １７ 上記パイプがフロー制御弁を有している、
   特許請求の範囲第１６項に記載の装置。 １８ 上記パイプがベンチユリーののどにおいて
   終りこのベンチユリーを通して上記の流れが装置
   運転中に流れる、特許請求の範囲第１５項から第
   １７項のいずれかに記載の装置。 １９ 上記のパイプがベンチユリーののどに外接
   しかつそれと連通する室の中で終り、上記の流れ
   が装置運転時にベンチユリーを通過する、特許請
   求の範囲第１４項から第１７項のいずれかに記載
   の装置。 ２０ 上記ガスを導管の中へ導入する上記手段が
   ベンチユリーの上流で導管と連通する、特許請求
   の範囲第１８項または第１９項に記載の装置。