JP2001502962A - ガスと流体を混合するための方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、流体に処理剤を添加するための方法と装置に係わり、具体的に言えば、ガス（通常は、空気）を流体（例えば、汚水）に混合して溶解させるための方法と装置に関するものである。本発明による方法および装置の特徴要件は、ガスと流体両方を混合器内に自由に流入できるようにすること、加圧されたガスが流体に溶解できるように、または小さな気泡として流体と混合可能となるように、混合器により圧力を発生させること、混合器内で過剰ガスを分離すること、また加圧状態下において、流体と流体中に溶解したガス／流体と共に混合したガスを混合器から排出することである。

Description

【発明の詳細な説明】 ガスと流体を混合するための方法と装置 本発明は、ガス（気体）に処理剤を添加するための方法と装置に係わり、具体 的に言えば、ガス（通常は、空気）を流体（例えば、汚水）に混合して溶解させ るための方法と装置に関するものである。 この目的のために使用されている多くの異なった方法と装置が知られている。 しかしながら、ここでは一つの先行技術装置のみに言及する。その装置は、フィ ンランド特許８６３８１号に開示されている、流体にガスを溶解させるための理 論について見てみよう。とりわけ、水に対するガスの溶解度は、ある係数を伴っ て、ガスの圧力に直接比例し、また温度に反比例することが、この特許文献に教 示されている。従って、例えば、流体の圧力を数気圧上昇させることにより、通 常の大気圧状態に比較し、溶解ガスの体積が対応量で増大することを確定できる 。温度の上昇は、０℃（ケルビン温度＋２７３°Ｋ）に対応する溶解度を下げる 。これは、普通の温度比に対応して換算される。すなわち、もしも＋２０℃の状 態であれば、溶解度が、比２７３／２９３（すなわち０．９３１７４０６倍の値 ）だけ、０℃状態から低下する。各気体（ガス）は、技術表から読みとることが できる、それ自身の係数を有しており、この係数は溶解度値にも影響する。溶解 度は、流体の体積単位に対するガスの体積単位の比（Ｎｃｍ³／ｃｍ³）または流 体の重量単位に対するガスの体積単位の比（Ｎｃｍ³／ｇ）で与えられる。 実際問題、最も普通の使用は、例えば、汚水処理に関連して、または湖の水お よび池の水に空気を入れる場合に、水に空気を溶解させることに関係する。ここ で、空気中の酸素（空気の約２０％は酸素である）が実質的な役割を演じている 。酸素は、例えば、水中の魚の生存環境を提供しており、また水中の酸素量は少 なくとも４〜５ｍｇ／リッターでなければならない。通常の酸素量は６ｍｇ／リ ッターを超えており、また超えるべきである。水中で成長して、酸化、腐敗し、 水路一面にはびこって、富栄養化する有機化合物によって酸素が消費される。そ のような事態の発生を防止するために、通常、汚水は浄水プラントで処理され、 固 形物ができるだけ完全に除去され、最終的に、有機残滓が酸化される（すなわち 、生物学的に処理される）。この課程は、水中に溶解した大量の酸素を必要とす ることが多い。 この目的のために使用される、多くの異なる方法が存在する。最も一般的な方 法は、コンプレッサーによる圧縮空気を用い、これを、底部に連通して設置され た粉砕化ノズルを通じて汚水受けの底部にまで吹き込むことである。気泡が小さ ければ小さい程、空気の溶解は早くなる。それゆえに、粉砕化ノズルにより極め て小さい気泡を製造することが企図される。このことは空気の吹き込みに余分な 圧力を必要とする。溶解度は、いかに液面以下深く、粉砕化ノズルを配置するか にのみ影響されるため、この圧力は主に水中の空気の分散のために使用されてし まう。したがって、この方法は、実現することが技術的に容易であるために広く 使用されているとしても、経済的ではない。非経済的であることに加えて、この 手段は更なる欠点、例えば、圧縮空気中の不純物によりノズルが詰まってしまう という欠点も有する。 酸素を水に溶解させる別の方法は、種々の大きな混合器を用いることである。 これらの機器内では、大量の水が空気中に水滴形態で飛揚し、それによって、同 時に通気が水滴に接触する。その結果として、酸素が処理水に溶解する。この方 法は、例えば、木材処理業における汚水処理のために使用されている。しかしな がら、処理される流体が大量であるにもかかわらず、エネルギー経済の見地から は効率的な方法であるとは考えられない。 流体中で早い速度で回転するローターを使って、自己吸引またはその他の方法 のいずれかにより圧縮空気をローターに供給する方法がある。ローターは空気と 流体を混合し、効率的に空気を粉砕する。高効率および低効率の両者が報告され ている。 フィンランド特許第８６３８１号に開示されている装置は、溶解すべきガスを 流体と混合するポンプに基づいており、このポンプは、ポンプの吸引開口に独立 したガス用入日導管が付設されており、それによって羽根車（インペラ）によっ て引き起こされた吸引効果が所望体積のガスを、羽根車（インペラ）およびポン プ・ハウジング内に吸引する。ポンプの加圧された出口パイプは、加圧混合装置 を具備し、この加圧混合装置で流体とガスが加圧下で加圧混合装置を通って過剰 ガス分離器に流れる時に、その流体とガスが互い完全に混ざり合う。 この先行技術装置では、流体が、バルブによって制御されながら該バルブを通 ってポンプの吸引導管に流れる。従来のポンプが、前記方法で制御された吸引側 の流れのような流体をポンピングできないというのは、斯かる先行技術装置を象 徴している。吸引導管は、ポンプ・ハウジング内の羽根車に流れを導く。吸引導 管５は、ガス流を直接羽根車に導くためのパイプを具備する。この場合、ガス流 は制御バルブによって最も良く制御される。ポンプの出口に連結された圧力側に おいては、加圧混合装置が配置され、またその後に制御バルブが設置されている 。制御バルブからの出口流は、混合装置内で所望圧が得られるように制御できる 。この先行技術装置に、公知の圧力計制御を含めることもできる。 羽根車に向かう入口流が適切であるかまたは所望量に絞られている場合、ガス 流は流体に吸引され、ガス流に取り込まれて羽根車へ向かうだろう。ガス体積が 適切で圧力側が調整されると、直ちに、配管内荷重またはバルブのいずれかによ って、気体（ガス）で飽和した流体流が生じる。この流れの圧力が、例えば大気 圧にまで低下すると、過剰のガスが分子レベルの気泡として流体から放出される だろう。この過剰ガスは、固形物、油、グリース、毛くず状の沈殿物、滓、また は集合して表面に浮上する類似の粒子に付着しやすい。この現象（すなわち、ガ スの分離）は多くの異なる用途（例えば、浮遊）で利用可能である。 空気は、酸素よりも４倍の割合で窒素を含み、また水中の窒素溶解度は酸素の 溶解度のほぼ半分であるため、窒素の大部分（約７０％）が気体（ガス）状態で 流体中に残るだろう。状況次第であるが、この部分は気泡として流体中に残るか 、または分離ガス分離器により除去できるだろう。ガス分離器自体は公知である が、この先行技術装置では、ガス分離器の上部に集積したガスが放出される圧力 を選択するための制御可能なバルブを使用することが必須である。この圧力範囲 は、バルブ又はバルブの後に存在する配管によって生じるポンプの対抗圧よりも 低い。 しかしながら、前述の装置は、空気と流体を混合するという単純な仕事にとっ て不必要に複雑であるように思える。第一に、前記装置は、ポンプに入る流体流 を調節するためのバルブをポンプの吸引側に必要とする。同様に、混合されるべ きガスのための、制御バルブを有する独立の吸引導管が必要である。しかしなが ら、ポンプの加圧側に配置された、制御バルブおよびガス分離器を有する加圧混 合装置は、この先行技術装置の中で最も複雑な装置である。この場合、従来の遠 心ポンプは問題外である。何故なら、遠心ポンプは、ガス状の流体をポンピング できないからである。 本発明の根拠は、ガス混合装置およびこれと関連して配置されるであろう他の 装置の両方の構造を単純化することであり、また可能であれば遠心ポンプを使用 することである。 ガス混合装置と関連して設置される他の装置に関して、前記フィンランド国特 許による装置は、湖や池の曝気／酸化に使用するため、また木材処理業の汚水の 曝気／酸化に使用するために提案されたものであることに留意すべきである。ま た、前記特許文献による装置を使用する時、均一な液体流がポンプの入口側に入 ることを確実にする必要がある点に注意する価値がある。換言すれば、ポンプの 吸引側に特別なバッファー・タンク（緩衝タンク）を設けて（必要ならば、独立 して設置する）、十分な流体流を確保しなければならない。 本発明は、入口側および圧力側いずれにも特別な装置を必要としないが、プロセ ス（工程）中に直接的配置可能な、簡単な混合装置を提供するものである。前記 特許で開示された装置は、例えば、ポンプの後に配置されるべき、我々にとって 既知のその他の気体混合装置のような、別体混合装置を必要とする。 本発明による方法や装置の特徴用件は、添付された請求の範囲の記載から明ら かになるだろう。 以下、本発明による方法と装置の詳細を図面を引用して説明する。 図１は、本発明の好適例装置の概略図である。 図１によれば、本発明装置は混合器１２、入口パイプ１０、分離されたガス用 の出口装置１４そして加圧パイプ１６から主に成っている。本発明装置は流体と ガスが入口パイプ１０を通じて混合器１２に自由に流入する機能を有する。本発 明装置は、たとえ流体と気体の比が任意であっても機能できる。したがって、例 えば、入口パイプの横断面積の半分が表面より下にあり、他の半分が湖の上にあ るようなパイプを通じて、空気を入れるべき湖の水を湖の表面から採取すること が可能である。換言すれば、装置は大気圧条件下いかなる入口圧も必要とせず運 転される。混合器１２は昇圧混合装置であり、流体をパイプ１０を通じて加圧パ イプ１６へとポンピングするようになっている。本発明の特徴的構成は、例えば 、大容量のガスもまた入口パイプ１０を通じて混合器に入ること、混合器のポン ピング容量は、混合器に進入できる量よりも多量の流体流用として設計しておく ことが好ましいこと、また加圧パイプまたは少なくともその内部の流れが混合器 に入る流体流で好適に調整されることである。このため以下に述べることが起き る。混合器の容量の観点からすると比較的少量の流体が混合器に入るため、混合 器１２は、少量の流体が加圧パイプに流れるような圧力を発生させることができ る。しかしながら、この場合、混合器のローターが混合器に入ったガスを混合器 のハウジングに向ってポンピングすると同時に、流体の一部がポンプ内に残って 循環する。したがって混合器内の加圧された同じ空間内にガスと流体の両者が存 在し、それによって、普通の環境で可能な程度に流体中へガスが溶解する。 流体に溶解するための時間をガスに与えるために、混合器に適切な遅延が設定 されている。この遅延に効果を有する要因は、当然、流入する流体流に関連する 混合器の容量、混合器の加圧パイプの寸法、およびバルブによる積極的制御等で ある。 本発明の別の応用は、実際には流体中にガスが溶解するのではなく、小さな気 泡として流体中に混合される装置にある。この場合、ポンプ・ハウジングは、溶 解に必要とする高圧でなく相対的に高容積流を必要とする。この種の装置は、特 に、例えば、排棄紙パルプの処理に好適であり、処理インクや浮遊により除去さ れるその他の粒子が除去される。本発明は、当然のことながら、浮遊に関するそ の他の用途にも同様に適用できる。 混合器内に導かれた流体とガスの比は実際上任意であるため、混合器はロータ ーの前部に集積する余剰ガスを除去するためのガス分離装置を具備している。も しも、混合器内に余剰ガスが集積すると、ガスで充満し、もはや加圧することも また、結果としてガスを溶解することもできなくなってしまう。混合器は、例え ば、浮遊プラントに入る流体流を処理するため、または浮遊プラントの散布水循 環のために設置されてもよい。 本発明の一つの好適例は遠心ポンプであり、これはガス分離が可能であり、ま た混合器として使用可能である点に注意する価値がある。換言すれば、これは羽 根車に関連した装置であり、ポンプからガスを除去するための装置を有するポン プである。前記装置は、例えば、ポンプ羽根車内に具備された穴もしくは開口を 含み、ガスは穴もしくは開口を通じて羽根車の後部へ導かれる。また前記装置は 、通常は流体リングポンプ（ｒｉｎｇ ｐｕｍｐ）である真空装置を含み、これ はポンプの羽根車と同じ軸上に設置されているか、独立した駆動部分を備えてい るかいずれかであり、またポンプの外側に配置されているものである。この目的 のための適当なポンプは、例えば、ヨーロッパ特許公報０４７８２２８号に開示 されている。 本発明の更に別の適切な用途は、本発明装置に流入する流体の入口流に、凝集 剤や分散剤のようなプロセス（工程）中に必要となる様々な化学薬品を添加する ことである。 前述のように、先行技術よりも簡単かつ容易な装置が、ガスと流体を混合する ために開発された。装置の加圧パイプが、例えば、浮遊タンクに連結されてもよ いことが、本発明の好適例の特徴的構成であることに言及する価値がある。それ によって、同じ装置が同時に、空気と流体の混合、様々な浮遊化学薬品と流体の 混合、余剰気体の分離、および浮遊タンクに流体をポンピングすることに使用さ れる。本発明は、上述の好適例に限定されるものではなく、本発明の実際の範囲 は、添付の請求の範囲によって定義されることが判るだろう。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１０年１２月８日（１９９８．１２．８） 【補正内容】 請求の範囲 1. ガスと流体が混合器内に導入され、混合され、かつ混合器から排出される 、ガスと流体を混合する方法において、 （ａ）ガスと流体の両者を自由に、かつ任意の比率で混合器内（１２）に流入さ せる段階と、 （ｂ）上記ガスを流体に溶解させるか、または小さな気泡として流体と混合させ る段階と、 （ｃ）混合器（１２、１４）内の過剰気体を分離する段階と、 （ｄ）上昇した圧力の下で、混合器（１２）から、流体と、流体に溶解し、また は混合されているガスとを排出する段階とによって 特徴づけられるガスと流体を混合する方法。 2. 請求項１に記載された方法において、段階（ｂ）につき、上記ガスの上記 流体への溶解を増加させるために、混合器によって圧力を高めることを特徴とす る方法。 3. 請求項１に記載された方法において、流体と、流体中に溶解し、または混 合されているガスとを、混合器（１２）から工程中の次の段階（例えば、浮遊タ ンク）に排出することを特徴とする方法。 4. 請求項１、請求項２または請求項３に記載された方法において、流体が混 合器（１２）に流入する前に、工程中で使用されるべき化学薬品が液体に添加さ れ、混合器（１２）内で化学薬品が流体と混合されることを特徴とする方法。 5. 請求項１項、請求項２、請求項３または請求項４に記載された方法におい て、流体およびそれに混合されているガスの両者が、大気圧の下で、混合器（１ ２）に流入することを特徴とする方法。 ６．請求項１に記載された方法において、分離した過剰ガスが、真空装置によ って混合器（１２）から排出されることを特徴とする方法。 7. ガスと流体を混合する装置において、混合器（１２）が、ガスと流体の両 者のための入口導管、ガスと流体の混合物のための出口導管、および流体圧力を 高め、かつポンプからガスと流体の混合物を排出するための羽根車を有する遠心 ポンプであり、 前記遠心ポンプは、ガスと流体の両者のための共通の入口導管であって、ガス と流体を自由に、また任意の比率で前記遠心ポンプに流入させ前記入口導管と、 過剰ガスを分離するための装置と、前記遠心ポンプから過剰ガスを排出するため の導管とを有することを特徴とする装置。 8. 請求項７に記載された装置において、上記過剰ガスを分離するための装置 が、上記過剰ガスを上記羽根車の後部へ導くための、開口または同等の手段を羽 根車に具備していることを特徴とする装置。 9. 請求項８に記載された装置において、上記過剰ガスを分離するための装 置が、更に、上記羽根車の後部からガスを排出するするための真空装置を有する ことを特徴とする装置。 10．請求項９に記載された装置において、上記真空装置は流体リングポンプで あり、ポンプ羽根車と同じ軸上に設置されているか、または独立した駆動部分を 備えているかのいずれかであり、また上記遠心ポンプの外側に設置されているこ とを特徴とする装置。 11．請求項７に記載された装置において、浮遊プラントの流体流をポンピング し、かつガスと上記流体流を混合するために使用されることを特徴とする装置。 12．請求項７に記載された装置において、浮遊プラントの散布水をポンピング し、かつガスと上記散布水を混合するために使用されることを特徴とする装置。 13．請求項７に記載された装置において、排紙パルプの脱インキ浮遊のために 使用されることを特徴とする装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1. ガスと流体を混合する方法において、 （ａ）ガスと流体の両者を混合器内（１２）に自由に流入させ、 （ｂ）混合器（１２）によって圧力を上昇させ、その圧力の下で流体中にガスを 溶解させるか、または小さな気泡として流体に混合させ、 （ｃ）混合器（１２、１４）内で過剰ガスを分離し、かつ （ｄ）上昇した圧力の下で、混合器（１２）から、流体と、流体に溶解し、また は混合されているガスとを排出することを特徴とするガスと流体を混合する方法 。 2. 請求項１に記載された方法において、流体と、流体中に溶解し、または流 体に混合されているガスとが、混合器（１２）から工程中の次の段階、（例えば 、浮遊タンク）に排出されることを特徴とする方法。 3. 請求項１または請求項２に記載された方法において、流体が混合器（１２ ）に流入する前に、工程中で使用されるべき他の化学薬品が流体に添加され、そ の化学薬品が混合器（１２）内で流体と混合されることを特徴とする方法。 4. 請求項１、請求項２または請求項３に記載された方法において、流体およ びこれに混合されるべきガスの両者が、大気圧の下で、混合器（１２）に流入す ることを特徴とする方法。 5. 請求項１に記載された方法において、分離した過剰ガスが真空装置によっ て混合器（１２）から排出されることを特徴とする方法。 6. ガスと流体を混合するための装置において、圧力を高め、過剰ガスを排出 する混合器（１２，１４）と、流体およびガス用の入口導管と、また流体および 過剰ガス用の出口導管を有することを特徴とする装置。 7. 請求項６に記載された装置において、混合器（１２）の入口流体と入口ガ スの両者に対して同一導管が用いられることを特徴とする装置。 8. 請求項６に記載された装置において、混合器（１２）が圧力を高めるため のローターを備え、また過剰ガスを混合器（１２）から排出するための装置（１ ４）を備えていることを特徴とする装置。 9. 請求項８に記載された装置において、ガス排出装置（１４）が、過剰ガス をローター後部空間に排出するための、ローターに設けた開口または同等の手段 を有することを特徴とする装置。 10．請求項９に記載された装置において、混合器からガスを排出するための真 空装置がローター後部空間に配設され、またはローター後部空間に連結されてい ることを特徴とする装置。 11．請求項８、請求項９たは請求項１０に記載された装置において、混合器（ １２）が遠心ポンプであることを特徴とする装置。 12．請求項６に記載された装置において、浮遊プラントの流体流をポンピング し、かつガスと上記流体流を混合するために使用されることを特徴とする装置。 13．請求項６に記載された装置において、浮遊プラントの散布水をポンピング し、かつガスと上記散布水を混合するために使用されることを特徴とする装置。 14．請求項６に記載された装置において、排紙パルプの脱インキ浮遊のために 使用されることを特徴とする装置。