JP4919385B2

JP4919385B2 - ガス溶解方法および装置

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Publication number: JP4919385B2
Application number: JP2006003359A
Authority: JP
Inventors: 紀子大信
Original assignee: Organo Corp
Current assignee: Organo Corp
Priority date: 2006-01-11
Filing date: 2006-01-11
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2026-01-11
Also published as: JP2007185559A

Description

本発明は、ガス溶解モジュールを用いたガス溶解方法および装置に関し、とくに、運転中常時所望のガス溶解濃度範囲内に精度よく維持できるようにしたガス溶解方法および装置に関する。

例えば脱気水に半透膜を用いたガス溶解モジュールを介してガスを溶解させる方法および装置が知られている。溶解対象ガスとしては、窒素、水素、二酸化炭素、酸素、オゾンなどが挙げられる。ガス溶解モジュールを介してガスを溶解させる場合、飽和溶解度以上であれば気体側は正圧となるが、飽和溶解度以下に溶解させる場合には、気体側は負圧となる。通常気体側には水側からガス溶解膜（半透膜）を水蒸気が抜けて凝縮水として排出されるため、その凝縮水を抜く必要が出てくる。この時、他のガスが混入しては困るので、ガス側が大気開放にならないように、通常は、凝縮水は正圧であれば凝縮水を溜めるドレインポットを設ける。例えば図１に示すように、原水１（例えば、脱気純水）に対し半透膜２を用いたガス溶解モジュール３を介して溶解させるべきガス４を溶解させてガス溶解水５を得るに際し、半透膜２を通して気体側に生成される凝縮水を溜めるドレインポット６を設け、ドレインポット６に凝縮水を溜めて、一定時間もしくは一定容量毎に凝縮水排出系の弁V1（通常運転時は閉）を開けて排出する方式をとって凝縮水の排出を行なっている（例えば、特許文献１、２）。

しかし、気体側が負圧となった場合は、弁V1を開けても水は排出されないばかりか水が逆流して大気が混入する可能性もあり、図２に示すような排出方式を採るのが普通である。すなわち、凝縮水排出時は、ドレインポット６への凝縮水供給系の弁V2を閉めてから、弁V3（通常運転時は閉）を開いて押し出し用のガスをドレインポット６内に入れて、弁V1を開けて凝縮水を押し出す。この時、ドレインポット６内の圧力は、押し出し用ガスの圧力とほぼ同じ圧力まで上昇する。その後弁V1、V3を閉め、弁V2を開けると、ドレインポット６内に充満したガスの影響でガス溶解モジュール３のガス側の圧力が上がるため、凝縮水排出後に一時ガス溶解濃度が上昇することになり（例えば、図３に図示）、場合によっては安定した濃度のガス溶解水を得ることができなくなることが問題となっていた。

図２の例では押し出し用のガスとしては溶解させるガスと同じガスを使用しているが、溶解させるガスとは異なるガスを使用する場合もあり、その場合は窒素を使用するのが一般的である。最近では、そのガス溶解濃度の設定値は厳しくなってきており、設定値±20％以内という厳しい数値を求められることも増えてきており、現状の技術では対応が難しくなってきた。
特開平１１−３１９５２６号公報特開平１１−１２８７０４号公報

そこで本発明の課題は、上記のような問題点に着目し、凝縮水の排出制御に伴うガス溶解濃度の変動を抑え、常時安定したガス溶解濃度を維持可能なガス溶解方法および装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、鋭意検討した結果、凝縮水排出後のガス溶解濃度上昇は、ドレインポットの容積や押し出しに使用するガス圧が影響し、ドレインポットの小容積化や押し出しに使用するガス圧の低下によって改善ができることを見出した。

また、凝縮水排出後のガス溶解濃度上昇は、ドレインポットの容積や押し出しに使用するガス圧が影響し、ドレインポットの小容積化や押し出しに使用するガス圧の低下によって改善はできるが、凝縮水排出後の濃度上昇をゼロとすることは困難である。上昇をほぼゼロにするための方法として、押し出し用のガスにてドレインポット内が正圧になった後、その正圧分のガスをガス排出手段（例えば、真空ポンプ）で系外へ排気し、通常運転時の圧力まで戻した後に合流させることで、従来の方法で問題となっていた凝縮水排出後のガス溶解濃度のピークを抑えることができることを見出した。

すなわち、本発明に係るガス溶解方法は、半透膜を用いたガス溶解モジュールの液体側に原水を通水し、気体側に溶解用ガスを供給して原水中に溶解させ、前記半透膜を通して液体側から気体側に抜ける水蒸気によって生成された凝縮水をドレインポットに溜めた後、一旦ドレインポットへの凝縮水の供給系を閉じ、次にドレインポットに押し出し用ガスを供給して凝縮水をドレインポットから排出し、しかる後に、ドレインポットへの押し出し用ガスの供給系を閉じるとともにドレインポットからの凝縮水の排出系を閉じた後、ドレインポットへの凝縮水の供給系を再度開くガス溶解方法において、前記押し出し用ガスの圧力（ｘ〔ｋｇｆ／ｃｍ²〕）と、前記ドレインポットの凝縮水排出後の液面までの容積（ｙ〔ｍｌ〕）とを、ｘとｙとのグラフにおいて、近似式ｙ＝−６２８Ｌｎｘ＋４５４の曲線以下の領域内に設定または制御することを特徴とする方法からなる（第１の方法）。なお、上記近似式におけるＬｎは自然対数関数である。

この第１の方法における上記近似式は試験によって求められたものである。前述の図２に示した装置あるいはそれと同等の装置を用いて、押し出し用ガスの圧力とドレインポットの凝縮水排出後の液面までの容積との関係を調べた結果、図４に示すような関係があることが判明した。図４に示した関係において、前述の如くガス溶解濃度の許容変動値を±20％以内とした場合、図５に示すように、近似式ｙ＝−６２８Ｌｎｘ＋４５４の曲線以下の領域内に設定または制御することにより、ガス溶解濃度の許容変動範囲内に納めることができることになる。つまり、図４の結果より、設定値+20％以内とするためには押し出し用のガス圧力とドレインポットの容積を図５に示す近似曲線の下の領域に設定すればよいことになる。この場合、ドレインポットの容積とは、排出する凝縮水の容積ではなく、図２に示した弁V2から凝縮水排出後のドレインポット内液面までの容積である。

また、本発明に係るガス溶解方法は、半透膜を用いたガス溶解モジュールの液体側に原水を通水し、気体側に溶解用ガスを供給して原水中に溶解させ、前記半透膜を通して液体側から気体側に抜ける水蒸気によって生成された凝縮水をドレインポットに溜めた後、一旦ドレインポットへの凝縮水の供給系を閉じ、次にドレインポットに押し出し用ガスを供給して凝縮水をドレインポットから排出し、しかる後に、ドレインポットへの押し出し用ガスの供給系を閉じるとともにドレインポットからの凝縮水の排出系を閉じた後、ドレインポットへの凝縮水の供給系を再度開くガス溶解方法において、前記ドレインポットへの凝縮水の供給系を再度開く前に、前記ドレインポット内の凝縮水排出後の液面までの空間からガスを真空ポンプにより排出して該空間内の圧力を前記押し出し用ガス供給前の圧力まで低下させることを特徴とする方法からなる（第２の方法）。

この第２の方法は、例えば図６〜図８に示すように実施できる。図において、破線ラインが作動中のラインを示している。また、図中、真空ポンプ以外の構成要素については、図２と同じ符号を用いている。図６に示すように、ドレインポット６内に凝縮水が溜められ、凝縮水が溜まったら、図７に示すように、それまで開けられていた弁V2を閉めて弁V3、弁V1を開け、押し出し用ガス（この例の場合、溶解ガスを利用しているが、別の供給系として溶解ガスとは別の押し出し用ガスを用いてもよい。）をドレインポット６内に供給してドレインポット６内の凝縮水を排出する。凝縮水排出後、図８に示すように、弁V3、V1を閉め、弁V4を開き、ドレインポット内の凝縮水排出後の液面までの空間からガスを排出して該空間内の圧力を低下させるドレインポット内ガス排出手段としての真空ポンプ７を運転してポット内ガスを排出して上記空間内の圧力を通常運転時のガス圧まで低下させる。ガス圧が所定値まで低下したら弁V4を閉じ、真空ポンプ７を停止して、弁V2を開ける。それによって図６の状態に戻る。

本発明に係るガス溶解装置は、半透膜を用いてその液体側に原水を通水し気体側に溶解用ガスを供給して原水中に溶解させるガス溶解モジュールと、前記半透膜を通して液体側から気体側に抜ける水蒸気によって生成された凝縮水を溜めるドレインポットと、前記ガス溶解モジュールから前記ドレインポットへの凝縮水供給系と、ドレインポットへの凝縮水押し出し用ガス供給系と、ドレインポットからの凝縮水排出系とを備え、凝縮水をドレインポットに溜めた後、一旦前記凝縮水供給系を閉じ、次に前記押し出し用ガス供給系と前記凝縮水排出系を開いて凝縮水をドレインポットから排出し、しかる後に、前記押し出し用ガス供給系を閉じるとともに凝縮水排出系を閉じた後、凝縮水供給系を再度開くようにしたガス溶解装置において、前記押し出し用ガスの圧力（ｘ〔ｋｇｆ／ｃｍ²〕）と、前記ドレインポットの凝縮水排出後の液面までの容積（ｙ〔ｍｌ〕）とを、ｘとｙとのグラフにおいて、近似式ｙ＝−６２８Ｌｎｘ＋４５４の曲線以下の領域内に設定または制御する手段を設けたことを特徴とするものからなる（第１の装置）。なお、上記近似式におけるＬｎは自然対数関数である。

また、もう一つの本発明に係るガス溶解装置は、半透膜を用いてその液体側に原水を通水し気体側に溶解用ガスを供給して原水中に溶解させるガス溶解モジュールと、前記半透膜を通して液体側から気体側に抜ける水蒸気によって生成された凝縮水を溜めるドレインポットと、前記ガス溶解モジュールから前記ドレインポットへの凝縮水供給系と、ドレインポットへの凝縮水押し出し用ガス供給系と、ドレインポットからの凝縮水排出系とを備え、凝縮水をドレインポットに溜めた後、一旦前記凝縮水供給系を閉じ、次に前記押し出し用ガス供給系と前記凝縮水排出系を開いて凝縮水をドレインポットから排出し、しかる後に、前記押し出し用ガス供給系を閉じるとともに凝縮水排出系を閉じた後、凝縮水供給系を再度開くようにしたガス溶解装置において、前記凝縮水供給系を再度開く前に、前記ドレインポット内の凝縮水排出後の液面までの空間からガスを排出して該空間内の圧力を前記押し出し用ガス供給前の圧力まで低下させるドレインポット内ガス排出手段としての真空ポンプを設けたことを特徴とするものからなる（第２の装置）。

本発明で使用するガス溶解モジュールに使用する半透膜としては、液体を透過させないが気体を透過させるものであればいかなるものでもよい。このような膜としては例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン製の膜や、ポリ四フッ化エチレン等のフッ素樹脂製の膜、更にはポリスルホン製、シリコンゴム製等の膜が挙げられる。膜構造としては、微多孔膜、均質膜、不均質膜、複合膜、ポリプロピレン微多孔膜層でウレタン等の薄膜をサンドイッチしたいわゆるサンドイッチ膜などいずれも使用できる。

モジュールの形状としては、中空糸状、管状（チューブ状）、平膜状等種々の形状を使用できる。

本発明にて溶解するガスとしては、特に制限はなく、アルゴン、ヘリウム等の希ガス類、酸素、窒素、オゾン、炭酸ガス、アンモニア、塩素、塩化水素、窒素酸化物、また、これらの混合物など使用目的によって適宜選択できる。

なお、凝縮水をガス溶解モジュール内からドレインポットまで排出するための配管の口径は、細すぎると凝縮水が全く排出されなかったり、凝縮水の排出が不十分になるため、凝縮水が安定して排出される口径である必要がある。凝縮水の排出が不十分な状態でガス溶解装置が運転された場合、凝縮水がガス側の膜内にある一定量以上溜まると、ガスを溶解させるための有効面積が低下するので、ガス溶解濃度が低下してしまう。凝縮水の排出が充分に行われるために必要な口径は、ガス溶解モジュール出口からドレインポットまでの長さや構造によって変わるため、規定するのは難しいが内径φ12ｍｍ以上であることが好ましい。

本発明に係るガス溶解方法および装置によれば、従来凝縮水を排出後に問題となっていたガス溶解濃度の変動を適切に抑えることが可能となった。本発明の第１のガス溶解方法および装置によれば、ドレインポットの小容積化および押し出しに使用するガス圧を下げることによって、長期間にわたって安定した濃度のガス溶解水を得ることができる。また、本発明の第２のガス溶解方法および装置によれば、凝縮水排出後に、押し出しガスによって正圧になったドレインポット内のガスを真空ポンプ等で排出して、通常運転時と同等のガス圧とすることによって、長期間にわたって安定した濃度のガス溶解水を得ることができる。

以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明するが、本発明はこれらの実施態様によりなんら制限されるものではない。

実施例１（本発明の第１のガス溶解方法および装置の実施例）
図９に示すように（図６〜図８と共通の符号を使用している）、微多孔膜ポリプロピレン中空糸でできた半透膜２を用いたガス溶解モジュール３に、溶存酸素濃度1ppb以下、溶存窒素濃度1ppm以下まで脱ガスされた脱気純水を原水１として液体側に通水し、ガス供給側には溶解ガス４として窒素ガスを1.2L/minにて供給して、7m³/hの窒素溶解水（ガス溶解水５）を作成し３ケ月間連続して運転した。設定濃度は12±2ppmである。通常運転時は、溶存窒素濃度は12ppm±2ppm、系内のガス圧は-0.03MPaと安定していた。弁V2から凝縮水排出終了時のドレインポット６内液面（レベルセンサー下部（ＬＳ低）に達した時の液面）までの容積は500ｍｌで、凝縮水の量がレベルセンサー上部（ＬＳ高）に達した時に、レベル計より信号を送って、弁V2を閉め、次に弁V3、弁V1を開けて押し出し用の窒素ガスを0.3kgf/cm²の圧力でドレインポット内に送りドレインポット６内に溜まった凝縮水を排出した（PIは圧力計を示している）。凝縮水が排出し終わったらドレインポット６内のレベル計から信号を送って弁V3、弁V1を閉める。次に弁V2を開けて通常運転時に戻る。凝縮水がレベルセンサー上部まで溜まる毎にこの凝縮水排出作業を繰り返した。なお、ドレイン配管は内径φ25ｍｍを使用、凝縮水は約20ｍｌ／ｈの流量で安定して排出されていた。

３カ月運転を行なったが、このように図５に示した領域内に設定あるいは制御することにより、凝縮水排出作業を行なっても溶存窒素濃度12ppm±2ppmの窒素溶解水を安定して製造することができた。

実施例２（本発明の第２のガス溶解方法および装置の実施例）
図１０に示すように（図６〜図８と共通の符号を使用している）、微多孔膜ポリプロピレン中空糸でできた半透膜２を用いたガス溶解モジュール３に、溶存酸素濃度1ppb以下、溶存窒素濃度1ppm以下まで脱ガスされた脱気純水を原水１として通水し、ガス供給側には溶解ガス４として窒素ガスを1.2L/minにて供給して、7m³/hの窒素溶解水（ガス溶解水５）を作成し３ケ月間連続して運転した。設定濃度は12±2ppmである。通常運転時は、溶存窒素濃度は12ppm±2ppm、系内のガス圧は-0.03MPaと安定していた。弁V2から凝縮水排出終了時のドレインポット６内液面（レベルセンサー下部（ＬＳ低）に達した時の液面）までの容積は1000ｍｌで、凝縮水の量がレベルセンサー（ＬＳ高）に達した時に、レベル計より信号を送って、弁V2を閉め、次に弁V3、弁V1を開けて押し出し用の窒素ガスを1kgf/cm²の圧力でドレインポット内に送りドレインポット内に溜まった凝縮水を排出した（PIは圧力計を示している）。凝縮水が排出し終わったらドレインポット内のレベル計から信号を送って弁V3、弁V1を閉める。次に、弁V4を開けて真空ポンプ７を運転し、ドレインポット６内の空間８からガスを系外に排出して、ガス圧が通常運転時である、-0.03MPaになったところで真空ポンプ７を停止するとともに弁V4を閉じ、弁V2を開けた。凝縮水がレベルセンサー上部まで溜まる毎にこの凝縮水排出作業を繰り返した。なお、ドレイン配管は内径φ25ｍｍを使用、凝縮水は約20ｍｌ／ｈの流量で安定して排出されていた。

３カ月運転を行なったが、このように真空ポンプ７を用いてドレインポット６内の圧力を通常運転時圧力と同等にしてからドレインポット６への凝縮水供給系を開くことにより、凝縮水排出作業を行なっても溶存窒素濃度12ppm±2ppmの窒素溶解水を安定して製造することができた。

比較例１（上記第１の方法および装置と第２の方法および装置に共通の比較例）
図１１に示すように（図６〜図８と共通の符号を使用している）、微多孔膜ポリプロピレン中空糸でできた半透膜２を用いたガス溶解モジュール３に、溶存酸素濃度1ppb以下、溶存窒素濃度1ppm以下まで脱ガスされた脱気純水を原水１として通水し、ガス供給側には溶解ガス４として窒素ガスを1.2L/minにて供給して、7m³/hの窒素溶解水（ガス溶解水５）を作成し３ケ月間連続して運転した。設定濃度は12±2ppmである。通常運転時は、溶存窒素濃度は12ppm±2ppm、系内のガス圧は-0.03MPaと安定していた。弁V2から凝縮水排出終了時のドレインポット６内液面（レベルセンサー下部（ＬＳ低）に達した時の液面）までの容積は1000ｍｌで、凝縮水の量がレベルセンサー（ＬＳ高）に達した時に、レベル計より信号を送って、弁V2を閉め、次に弁V3、弁V1を開けて押し出し用の窒素ガスを1kgf/cm²の圧力でドレインポット内に送りドレインポット内に溜まった凝縮水を排出した（PIは圧力計を示している）。凝縮水が排出し終わったらドレインポット６内のレベル計から信号を送って弁V3、弁V1を閉め、弁V2を開けた。凝縮水がレベルセンサー上部まで溜まる毎にこの凝縮水排出作業を繰り返した。なお、ドレイン配管は内径φ25ｍｍを使用、凝縮水は約20ｍｌ／ｈの流量で安定して排出されていた。

３カ月運転を行なったが、通常運転時は溶存窒素濃度12ppm±2ppmの窒素溶解水を安定して製造することができたが、凝縮水排出後に＋3〜5ppmの溶存窒素濃度の上昇が確認され設定濃度範囲から外れてしまった。

従来のガス溶解装置の概略機器系統図である。従来の別のガス溶解装置の概略機器系統図である。従来のガス溶解装置におけるガス溶解濃度の変動を示す特性図である。本発明の第１の方法における試験結果を示す、凝縮水排出後のドレンポット内空間容積とガス濃度変化（Δガス濃度）との関係図である。図４の結果から求めた近似式およびそれによる本発明規定領域を示す押し出しガス圧と凝縮水排出後のドレンポット内空間容積との関係図である。本発明の第２の方法における一ステップを示す概略機器系統図である。図６の次のステップを示す概略機器系統図である。図７の次のステップを示す概略機器系統図である。実施例１における概略機器系統図である。実施例２における概略機器系統図である。比較例１における概略機器系統図である。

符号の説明

１原水
２半透膜
３ガス溶解モジュール
４ガス溶解水
５溶解ガス
６ドレインポット
７真空ポンプ
８空間

Claims

半透膜を用いたガス溶解モジュールの液体側に原水を通水し、気体側に溶解用ガスを供給して原水中に溶解させ、前記半透膜を通して液体側から気体側に抜ける水蒸気によって生成された凝縮水をドレインポットに溜めた後、一旦ドレインポットへの凝縮水の供給系を閉じ、次にドレインポットに押し出し用ガスを供給して凝縮水をドレインポットから排出し、しかる後に、ドレインポットへの押し出し用ガスの供給系を閉じるとともにドレインポットからの凝縮水の排出系を閉じた後、ドレインポットへの凝縮水の供給系を再度開くガス溶解方法において、前記押し出し用ガスの圧力（ｘ〔ｋｇｆ／ｃｍ^２〕）と、前記ドレインポットの凝縮水排出後の液面までの容積（ｙ〔ｍｌ〕）とを、ｘとｙとのグラフにおいて、近似式ｙ＝−６２８Ｌｎｘ＋４５４の曲線以下の領域内に設定または制御することを特徴とするガス溶解方法。
半透膜を用いたガス溶解モジュールの液体側に原水を通水し、気体側に溶解用ガスを供給して原水中に溶解させ、前記半透膜を通して液体側から気体側に抜ける水蒸気によって生成された凝縮水をドレインポットに溜めた後、一旦ドレインポットへの凝縮水の供給系を閉じ、次にドレインポットに押し出し用ガスを供給して凝縮水をドレインポットから排出し、しかる後に、ドレインポットへの押し出し用ガスの供給系を閉じるとともにドレインポットからの凝縮水の排出系を閉じた後、ドレインポットへの凝縮水の供給系を再度開くガス溶解方法において、前記ドレインポットへの凝縮水の供給系を再度開く前に、前記ドレインポット内の凝縮水排出後の液面までの空間からガスを真空ポンプにより排出して該空間内の圧力を前記押し出し用ガス供給前の圧力まで低下させることを特徴とするガス溶解方法。
半透膜を用いてその液体側に原水を通水し気体側に溶解用ガスを供給して原水中に溶解させるガス溶解モジュールと、前記半透膜を通して液体側から気体側に抜ける水蒸気によって生成された凝縮水を溜めるドレインポットと、前記ガス溶解モジュールから前記ドレインポットへの凝縮水供給系と、ドレインポットへの凝縮水押し出し用ガス供給系と、ドレインポットからの凝縮水排出系とを備え、凝縮水をドレインポットに溜めた後、一旦前記凝縮水供給系を閉じ、次に前記押し出し用ガス供給系と前記凝縮水排出系を開いて凝縮水をドレインポットから排出し、しかる後に、前記押し出し用ガス供給系を閉じるとともに凝縮水排出系を閉じた後、凝縮水供給系を再度開くようにしたガス溶解装置において、前記押し出し用ガスの圧力（ｘ〔ｋｇｆ／ｃｍ^２〕）と、前記ドレインポットの凝縮水排出後の液面までの容積（ｙ〔ｍｌ〕）とを、ｘとｙとのグラフにおいて、近似式ｙ＝−６２８Ｌｎｘ＋４５４の曲線以下の領域内に設定または制御する手段を設けたことを特徴とするガス溶解装置。
半透膜を用いてその液体側に原水を通水し気体側に溶解用ガスを供給して原水中に溶解させるガス溶解モジュールと、前記半透膜を通して液体側から気体側に抜ける水蒸気によって生成された凝縮水を溜めるドレインポットと、前記ガス溶解モジュールから前記ドレインポットへの凝縮水供給系と、ドレインポットへの凝縮水押し出し用ガス供給系と、ドレインポットからの凝縮水排出系とを備え、凝縮水をドレインポットに溜めた後、一旦前記凝縮水供給系を閉じ、次に前記押し出し用ガス供給系と前記凝縮水排出系を開いて凝縮水をドレインポットから排出し、しかる後に、前記押し出し用ガス供給系を閉じるとともに凝縮水排出系を閉じた後、凝縮水供給系を再度開くようにしたガス溶解装置において、前記凝縮水供給系を再度開く前に、前記ドレインポット内の凝縮水排出後の液面までの空間からガスを排出して該空間内の圧力を前記押し出し用ガス供給前の圧力まで低下させるドレインポット内ガス排出手段としての真空ポンプを設けたことを特徴とするガス溶解装置。