JPH07509181A - 一定量の流れる液体に一定量の気体を溶解させる方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 一定量の流れる液体に一定量の気体を溶解させる方法および配置構成 本発明は、請求項１の前提部に記載された、一定量の流れる液体に一定量の気体 を溶解させる方法、およびこの方法を実施するための配置構成に関するものであ る。

冒頭に記載した種類の方法、およびこの方法を実施するための配置構成は、たと えばハフマンス社（ＲＤヴエンロ、オランダ）の会社印刷物「ハフマンス二酸化 炭素測定・制御プラント」ＡＣＭＯ５型の２〜５ページに記載されている。この 印刷物に記載された、前記の方法を実施するための配置構成においては、炭酸ガ スとビールを、いわゆるカーボネーション装置で合流させる。炭酸ガス管はビー ル管の中央で終了し、炭酸ガスの分布は静的混合部材を通して行われる。カーボ ネーション装置の後段に接続された溶解区間は、別の静的混合部材によって、目 標とする物質交換（液体中に気体を吸収すること）にとって必要な前提である泡 分布が維持されるように配慮する。

気体と液体の物質交換のためのプロセス工学上および流体工学上の諸前提は十分 に知られている。気体を液体に供給して液体中に分散させ、液体が貫流する断面 全体に均質に分布させなければならない。いわゆる平衡曲線、すなわち気体と液 体との溶解平衡は、与えられた管圧力と与えられた温度のもとて液体に可溶な最 大気体量を提供する。この溶解平衡に基づく気体量は、正確な量で液体に添加す れば、理論的には無限に長い時間にわたって液体中に溶解できる。それゆえ、実 際には原則として溶解平衡の達成は断念し、可変な運転パラメータの選択によっ て、平衡濃度（飽和濃度とも言う）と最終的に生じる所望の実際濃度との間に十 分な濃度勾配が与えられるように配慮する。さらに、低圧、高温、溶解すべき気 体の高い目標濃度、および通常は低い流速によって吸収が困難になることが十分 知られている。静的混合器およびそれに続く溶解区間内で圧力損失が生じると、 流路全体にわたって静的圧力が、少なくとも徐々に減少し続け、このことがまた 局所的平衡濃度を決定する。この局所的平衡濃度が減少すると、物質交換に決定 的に影響する有効濃度勾配も減少する。

公知の配置構成は特定量の流れる液体における所定の量の気体の溶解を、十分知 られている手段によって目指すものなので、この配置構成によっては当該分野に おける公知技術を越えるプロセス工学上または装置上の長所は得られない。

公知のカーボネーション装置で後段の溶解区間と組み合わせて達成可能な物質交 換を改善できるような、物質交換を強化する方法および配置構成を探求する過程 で、当業者は雑誌ｒｃｈｅｍ、Ｉｎｇ、Ｔｅｃｈ、６４Ｊ　（１９９２）ＮＯ１ ８，７６２ページに、「上方から気体を送入するループリアクタの形成と水力学 的パラメータの測定」という題の論文に出会う。ここには、特に次のように書か れている。

「低粘度の液体への気体送入のために、化学工業および生物学的廃水浄化におい て、噴射駆動式のループリアクタがますます多用されている。リアクタ頭部に配 置されている２成分ノズルを通して、気体と液体をコンパクトリアクタに供給す る。このノズルは放射器モードでも注入器モードでも運転できる。この２成分ノ ズルを通して供給された気体と液体の混合物は、環状室から吸収された２成分混 合物と一緒に、循環パイプ中を下方に流れる。リアクタの下端部では、液体の一 部が吸収される。液体の他の部分は、気体と一緒に環状室中を上方に流れる。リ アクタの上端部で気体の一部が流出するのに対し、他の部分は液体と一緒に再び リアクタ内の循環に入る。」 ループリアクタとは、全体流を包含し明確に案内された、液相系または液化系の 循環を少なくとも１回行う装置を意味する。その際、循環流に通過流を重ねるこ とができ、そうすることによって「ループ」状の流動状態が生じる。内部循環を 有するループリアクタと、外部循環を有するループリアクタとがある。

以上略述したループリアクタ原理を、冒頭に記載した種類の方法に応用すること は必ずしも可能ではない。一方では、供給された気体の完全に除去できない部分 がリアクタの上端部から流出することが好ましくなく、不都合であろう。むしろ 、供給された気体量が事実上溶解することが追求されるが、そうすることによっ て物質収支が極めて簡単に形成される。他方では、ループリアクタの幾何学的関 係が固定されているので、運転条件の変化にこの方法を適応させる可能性は制限 されている。さらに、内部循環で運転するか外部循環で運転するかに関係な（、 ループリアクタは、特にリアクタのあらゆる領域を生物学的に申し分なく浄化す ることが極めて重要である。食品産業や飲料産業に使用する場合は、一方では、 格別清掃しやすい、もしくはＣＩＰ（ＣＩＰとは”ｃｌｅａｎｉｎｇ　ｉｎ　ｐ ｌａｃｅ　”の略で「貫流中に適当な場所で清掃可能」といった意味である）に 適した配置構成ではない、他方では、ループリアクタは、場合により圧力容器に 分類され、特定の安全技術上の要求を満たさねばならないが、そうすることによ って認可または監視を義務づけられることがあり、その結果として最初から技術 的コストがかかり、価格も高くなる。

ＤＥ３９２０４７２Ａ１により、気体添加操作が液体の流路の特定の箇所で、溶 解しない泡の融合によって概ね終了する、液体に気体を添加する方法が知られて いる。この溶解しないで融合した泡は、気体を添加すべき液体の流路のそれ以降 の区間において液体に改めて分散させて混合させるか、あるいは液体から分離さ れる。このために、上記の方法を実施する公知の装置は気体添加区間の端部に分 離装置を設けており、回転する液体中で溶解しない泡を遠心力によって液体から 分離できるようになっている。この分離装置は、回転する液体が回転放物面体を 形成する容器であり、その自由な表面を通して溶解していない泡が分離される（ 第４段３７〜５１行）。上記の事情に基づき、分離された物質流は純粋な気体流 であって、その再利用については言及されていない。

本発明の目的は、与えられた条件のもとで、液体中に事実上可溶な気体量を公知 の方法よりも増大させることである。さらに、この方法を実施する配置構成の構 造は単純でなければならず、貫流中に清掃可能（ＣＩＰ可能）であり、特定の実 用上の必要性への適応と制御はできる限り簡単でなければならない。

プロセス工学上の目的は、請求項１の特徴部に記載された特徴を応用することに よって達成される。提案された方法の好適な態様が、請求項２〜４に記載されて いる。この方法を実施するための配置構成は、請求項５の特徴を応用することに よって実現され、提案された配置構成の好適な態様がその他の従属請求項に記載 されている。

泡のない液体流と２相流として形成された気液流とに全体流を分離することによ って、一方では分離箇所がら引き続き運ばれた液体中に制御不可能な気体補給は 行われない。

他方では、この分離が部分流の還流の前提となる。還流した気液流は循環流とし て、通過流をなす、供給された気体未添加もしくは気体添加済みの液体流に重ね られる。この還流によって、循環流中に含まれている溶解していない泡を改めて 再分散させて、全体流中に均質に分布させることが可能となる。さらに、通過流 と循環流の合流地点での濃度勾配が増し、そこで２つの流れが重なることによっ て追加的に渦流が発生する。

公知の通気法や気体添加法（冒頭に略述したハフマンスの配置構成を代表とする ）がすべて１回の通過で気体溶解を追求し、したがって溶解すべき気体の達成可 能な実際濃度は比較的低いものにとどまらざるを得ないか、比較的長く、したが って相当の圧力損失を伴う混合区間および溶解区間を必要とするのとは異なり、 本出願の目的物においては、「溶解していない気体成分を液体から分離して還流 を繰り返す」という原理が一貫して実現されており、しかも溶解しない気体成分 は２相流（気液流）の形で、泡のない液体流から分離される。

本発明の方法の態様に設けられているように、還流する気液流に気体流を送入す ることが、プロセス工学的にも装置的にも好適であることが分かった。こうする ことによって、一方ではすでに２相流において新たに供給すべき気体流の分散が 行われ、他方では気体流を直接配管に送入する配置構成に比べて装置のコストを 少なくできる。なぜならば、還流すべき気液流を収容する還流管の公称断面は、 気体未添加の液体流を案内する配管部分よりも常に小さく形成されているからで ある。

提案された方法のもう１つの好適な態様に従い、供給された気体未添加もしくは 気体添加済みの液体流（通過流）と合流する前に、還流する気液流中の気体の少 なくとも一部を支持液体に再分散させる。この方策は、物質交換の一層の改善に 寄与する。

泡のない液体流と気液流への分離を強化および促進するために、本発明の提案さ れた方法の他の態様においては、合流した気液混合物を湾曲した経路に流動的に 案内し、これに必要な回転エネルギーを、流れる気液混合物のエネルギーから得 るようにしたが、その結果としてこのプロセス工程を比較的単純な装置で実現す ることができる。

この方法を実施するための配置構成は通過流、全体流および循環流のいずれの区 域においても単純な配管の形で構成できるので、極めて清掃しやすく、したがっ てＣＩＰに適った流動区域およびプラント区域が生じ、これらは関連規則に従う 圧力容器を含まない。還流管内に配置された第２の搬送装置によって、上に提案 したプロセス工学的方策に従い、供給された気体未添加もしくは気体添加済みの 液体流と合流する前に、還流すべき気液流中の気体の少なくとも一部を支持液体 に特に簡単に再分散させ、還流管断面にわたって均質に分布させることができる 。このことは物質交換の一層の改善に役立つ。さらに、第２の搬送装置によって 、提案された配置構成は著しく簡単に制御できるので、運転条件の変化に適応さ せることは非常に簡単である。

第２の搬送装置の後方で還流管に気体流を送入することによって、泡の再分散に 好都合に影響する性質を、新たに供給された気体流に対しても利用できる。さら に、上述したように、この実施態様においては、気体流を直接配管に送入するよ うにした配置構成の態様に比べて装置コストは減少する。

分離装置を遠心分離機として、しかも提案された配置構成のもう１つの態様に設 けられているように、第１の実施態様において液体サイクロンとして構成するこ とにより、泡のない通過流と２相流（気液流）として形成された通過流とに全体 流を分離することが特に簡単に、それにもかかわらず効果的に可能である。その 際、還流管は液体サイクロンの浸漬管に接続される。

分離装置を液体サイクロンとして構成する場合において、特定の運転条件のもと でいわゆる「竜巻」を生じるが、そうすることによって渦中心に集まる気体の一 部は分離装置内に同心に配置された出口管に運ばれる。この場合、液体に気体が 少なくとも一定程度添加されるまでは気体を分離装置内に保持し、２相流（気液 流）の排出に用いられる浸漬管のみを通して流出できるように、特別の構造的な 予防策が必要である。

分離装置が容器として形成されており、この容器では入口管が接線方向に流入し て、出口管が流動方向の延長上で接線方向に流出しており、この出口管の出口側 端面の境界面を越えて、浸漬管が軸線方向に、かつ容器の外套面と同心的に一部 容器内部に進入していて、浸漬管が他方では還流管に接続されていると、分離性 能は、液体に極端に多量の空気が添加された状態でも、分離装置を液体サイクロ ンとして構成した場合に比べて改善される。この態様においては、出口管も入口 管も容器の外套区域に配置されている。

このように構成することによって、この区域で回転する脱気液体を排出できるこ とが好都合である。中央部、すなわち容器軸線の区域で回転し、かつ気体を多量 に添加した液体は、２相流（気液流）として浸漬管を通して分離装置から出るこ とが可能である。この場合に本質的なのは、泡を容器の外套区域から軸線区域に 分離するのに必要な滞留時間が、容器を貫流する気液混合物に提供されるように 、浸漬管が分離装置の出口側区域に配置されていることである。

容器が細長い円筒として形成されており、その外套の高さＨが直径りより著しく 大きく、好ましくはＨ／Ｄ＝３〜６であるならば、非常に単純で高性能の分離装 置が得られる。

提案された配置構成のもう１つの態様で設けられているように、第２の搬送装置 が自動吸入式回転ポンプ、好ましくはバイパスポンプとして形成されていると、 まだ溶解していない泡を還流すべき気液流に再分散させ、かつ均質に分布させる 点で特に効果的であることが分かった。自動吸入式回転ポンプは、構造が比較的 単純なポンプで、２相合合物も純粋な気体も搬送でき、自浄作用があり、摩耗せ ず、したがって保守コストは低（てすむ。

以下、提案された方法を実施するための配置構成の実施例を図面に基づいて簡単 に説明する。

図１は、液体サイクロンとして構成された分離装置を有する、本発明の方法を実 施するための配置構成の第１の実施例の概念図である。

図２は、本発明の方法を実施するための配置構成の第２の実施例であり、分離装 置は本発明の特に好適な実施態様に従って構成されている。

図２ａは、入口管、出口管および浸漬管に対する接続部を有する、図２に従う分 離装置の平面図である。

配置構成（図１）は配管１からなり、これは配管部分１ａおよび１ｂからなる。

配管部分１ａは、静的混合装置５に流入し、場合によってはこれに溶解区間５ａ が続く、混合・溶解装置全体が、溶解区間５ａのみからなることも可能である。

静的混合装置５は、若干の静的混合器もしくは混合部材または相前後して接続し た数個の混合器によって構成できる。以下、静的混合装置は「静的混合器５」と 呼ぶ、静的混合器５もしくは溶解区間５ａは、分離装置６０入ロ管６ａに接続さ れており、この分離装置において本発明に従って気液流と泡のない液体流への気 液混合物の分離が行われる。配管１は、分離装置６の後方ではその流動区域内に 配置された出口管６ｂを通して配管部分１ｂにつながっている０分離装置６の頭 部には還流管７が接続されていて、浸漬管６ｃを通して分離装置６の内部に進入 し、他方では第２の送入部９で配管部分１ａに流入している。

装置的に特に単純なために非常に好適な本発明の第１の態様において、軽量装置 １０を通して案内された、気体供給Ｇに用いられる気体管３は、還流管内に配置 された第２の搬送装置８の後方で、送入部４を通して還流管７に流入する。送入 部４は、本発明に従う配置構成の別の態様に設けられているように、配管１内の 流動方向を基準にして第２の送入部９の箇所に、あるいはその前方もしくは後方 に配置することもできる（送入部４で流入する気体管３の破線で示した部分）。

円筒形容器として構成された分離装置６（図２）は、接線方向に流入する入口管 ６ａと、流動方向の延長上で接線方向に流出する出口管６ｂを有している。この ことは、分離装置６（図２ａ）の平面図から明らかである。分離装置６の動作に とって、入口管６ａと出口管６ｂが互いにどのような包囲角（容器断面で見て） をなすかは重要ではない。

決定的なのは、容器内で回転流に衝撃がなく、したがって必然的に流動方向にお いて出口管６ｂに到達できる点である。さらに、分離装置６が容器軸線を基準に して垂直、水平または空間中の任意の傾斜位置に配置されているかは、分離装置 の動作にとっては重要ではない、しかしながら、本質的なのは、浸漬管６ｃが分 離装置６の容器の出口側端面の境界面を越えて、軸線方向に、かつ容器の外套面 と同心的に一部容器内部に進入していて、他方では還流管７に接続されているこ とである。分離装置６の入口管６ａと出口管６ｂは、すでに図１に従う配置構成 に関連して説明したのと同じ仕方で全配室構成に組み込まれている。

気体未添加の液体量ＬＬ（液相）が、配管部分１ａを通して供給され（図１．２ および２ａ参照）、回転ポンプであることができる第１の搬送装置２によって配 置構成内を運ばれる。その際に、液体量Ｌ１はいわゆる通過流をなしている。気 体管３を通して、気体量Ｇ（気相）の供給が行われる。原則として絞り弁および 制御弁として構成された配置装置１０によって、全体流Ｇを調整できる。気体管 ３が還流管７に流入する送入部４では、２相流として形成された気液流Ｃ”／Ｌ ２と気体流Ｇとの合流が行われる。その際に、全気体成分Ｇ十Ｇ＊はその延長上 で還流管７を通して少なくとも一部はすでに支持液体Ｌ２に再分散させることが できる。第２の送入部９で、配管部分ｌａ内の気体未添加の液体流Ｌ１が、還流 管７内の気液流（Ｇ十Ｇ”　）／Ｌ２と合流する。それから２つの流れは、その 延長上で静的混合器５および場合によっては接続される溶解区間５ａを通してそ れぞれ所望の物質交換に入る。

静的混合器５および場合によって設けられる溶解区間５ａには、液体流ＬＬ（通 過流）に加えて、還流管７内に発生する流れが送られる。分離装置６を本発明に 従って構成することにより、還流管７内には２相流として形成された気液流Ｇ′ ″／Ｌ２が存在する。後者はいわゆる循環流をなし、第２の送入部９と分離装置 ６との間の配管ｌ内部で通過流Ｌ１に重ねられる。配管部分１ｂと連通した、分 離装置６の出口管６ｂを通して、泡のない液体流Ｌ１１　（液相）が排出される 。第２の搬送装置８は、ある運転条件のもとでは、２相流Ｇ”／Ｌ２のほかに、 泡のない液体Ｌ２と純粋な気体Ｇ０を搬送しなければならないので、自動吸入式 回転ポンプ、好ましくはバイパスポンプとして構成されている。第２の搬送装置 ８が、要求された搬送特性を有する限り、他のポンプ、たとえば回転式排水形ポ ンプ、特にベーンポンプまたは噴射ポンプで置き換えることができるのは言うま でもない。

図１〜２ａに示す、提案された方法を実施するための配置構成は、いわゆるビー ルのカーボネーションに特に適している。ビールのカーボネーションとは、ビー ルの炭酸ガスを濃縮することを言う。この場合、今日の醸造技術は、特定量のビ ールに所定量の炭酸ガスが完全に溶解することを要求する。それゆえ、この種類 のカーボネーションプラントの設計基準は、ビール中に一定の炭酸ガス濃度を確 保することと、これを完全に、したがって泡なしに溶解させることである。

同様なカーボネーションの課題は、食品産業および飲料産業の他の分野で、液体 に極めて特定量の炭酸ガスを付加する必要のある（たとえばレモナード、ソフト ドリンク）場合に増大している。

提案された方法の基礎をなし、実際に泡なしで溶解可能なガス量をある程度高め る作用メカニズムについては、すでに冒頭で説明した。

Ｇ”／Ｌ２　８　６ａ　６

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．液体流（Ｌ１）と気体流（Ｇ）とを供給および合流させ、気体を液体中に分 散させて液体と混合し、一部を液体に溶解させ、溶解していない気体部分（Ｇ＊ ）を液体から分離するために、合流した気液混合物を湾曲した経路上に流動的に 案内する、一定量の流れる液体に一定量の気体を溶解させる方法、特にビールに 炭酸ガスを溶解させる方法において、泡のない液体流（Ｌ１＊）と２相流として 形成された気液流（Ｇ＊／Ｌ２）とに分離し、この気液流（Ｇ＊／Ｌ２）を還流 させて、供給された気体未添加もしくは気体添加済みの液体流（Ｌ１もしくはＬ １／Ｇ）と合流させて、これに泡を再分散させることを特徴とする方法。
2. ２．前記気体流（Ｇ）を還流する気液流（Ｇ＊／Ｌ２）に送入することを特徴と する請求項１に記載の方法。
3. ３．供給された気体未添加もしくは気体添加済みの液体流（Ｌ１；Ｌ１／Ｇ）と 合流する前に、還流する気液流（Ｇ＊／Ｌ２もしくは（Ｇ＋Ｇ＊）／Ｌ２）中の 気体（Ｇ＊；Ｇ＋Ｇ＊）を、少なくとも一部は支持液体（Ｌ２）に再分散させる ことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. ４．湾曲した経路上に流動的に案内するために必要な回転エネルギーを、流れる 気液混合物のエネルギーから得ることを特徴とする請求項１から３のいずれか１ 項に記載の方法。
5. ５．配管（１）内を流れる液体（Ｌ１）に気体（Ｇ）を送る送入部（４）と、配 管（１）の配管部分（１ａ）内の第１の搬送装置（２）と、その後段に配置され た混合装置（５）、好ましくは静的混合装置および／または場合によってはこれ に続く溶解区間（５ａ）と、回転する液体中で溶解しない泡を遠心力によって液 体から分離させる分離装置（６）とを具備し、前記分離装置（６）の入口管（６ ａ）に混合装置（５）または溶解区間（５ａ）が流入していて、この分離装置（ ６）の出口管（６ｂ）に配管（１）の延長配管部分（１ｂ）が接続されている配 置構成において、前記分離装置（６）の頭部に還流管（７）が接続されており、 この還流管（７）が他方では第２の送入部（９）で配管部分（１ａ）に流入して おり、前記還流管（７）内に第２の搬送装置（８）が設けられており、還流管（ ７）内の前記送入部（４）が第２の搬送装置（８）の後方または配管部分（１ａ ）に、しかも第２の送入部（９）の箇所に、あるいはその前方もしくは後方に配 置されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法を 実施するための配置構成。
6. ６．前記分離装置（６）が液体サイクロンとして構成されていて、前記還流管（ ７）が浸漬管（６ｃ）に接続されていることを特徴とする請求項５に記載の配置 構成。
7. ７．前記分離装置（６）が容器として形成されており、この容器では入口管（６ ａ）が接線方向に流入して、出口管（６ｂ）が流動方向の延長上で接線方向に流 出しており、この出口管の出口側端面の境界面を越えて、浸漬管（６ｃ）が軸線 方向に、かつ前記容器の外套面と同心的に一部容器内部に進入していて、前記浸 漬管（６ｃ）が他方では還流管（７）に接続されていることを特徴とする請求項 ５に記載の配置構成。
8. ８．前記容器が円筒形に形成されており、その外套の高さ（Ｈ）が直径（Ｄ）よ り著しく大きく、好ましくはＨ／Ｄ＝３〜６であることを特徴とする請求項７に 記載の配置構成。
9. ９．第２の搬送装置（８）が自動吸入式回転ポンプ、好ましくはバイパスポンプ として形成されていることを特徴とする請求項５から８のいずれか１項に記載の 配置構成。
10. １０．第２の搬送装置（８）が回転式排水形ポンプ、好ましくはベーンポンプと して形成されていることを特徴とする請求項５から８のいずれか１項に記載の配 置構成。