JP7052878B2 - 気液混合ノズル - Google Patents

Description

本開示は、気液混合ノズルに関する。

気体を液体に溶解させるための方法として、特許文献１に記載されるように、加圧容器で気液を混合して気体を溶解させる気体溶解促進法が知られている。また新たな気体溶解促進法として、非特許文献１に記載されるように、微細気泡を発生させる方法が提案されている。一方で、特許文献２～５に記載されるように、微細気泡を生成するノズルの開発がなされている。これらのノズルは、たとえば水処理装置や化学反応器等に用いられる。

微細気泡生成ノズルは、たとえば特許文献２に記載されるように、流路の入口側を形成する流入部と、流路の出口側を形成する吐出部と、流入部と吐出部との間に設けられた気泡生成部とを備える。気泡生成部の断面積は、流入部の断面積や吐出部の断面積よりも小さくなっている。すなわち、気泡生成部は、微細気泡生成ノズルの流路において最も小さい断面積を有する。特許文献３に記載される微細気泡生成ノズルも、テーパ部と拡大部との間に形成されて、最も小さい断面積を有する喉部を備える。特許文献４に記載される微細気泡発生器も、大管径部と円錐状流路との間に形成されて、大管径部の流路の径よりも相対的に小さな径を有する小管径部を備える。

特開2017-51892号公報 特開2012-170849号公報 特許第5825852号公報 特許第4942434号公報 特許第4328904号公報

九州経済産業局、「ファインバブル活用事例集」、2017年2月、P.3、［2017年9月12日検索］インターネット（URL：http://www.kyushu.meti.go.jp/seisaku/kankyo/jirei/fbjirei.pdf）

上記した従来のノズルは、微細気泡を生成することによる気体溶解促進を目的として開発されている。しかしながら、従来のノズルは、微細気泡の生成に着目されており気体の溶解に関して最適化されているとは言えず、気体の溶解に関しては改良の余地が残されている。具体的には、より低い動力で気体の溶解量を増やすことのできる気液混合ノズルが求められている。

本開示は、同一のポンプ動力で気体の溶解量を増やすことのできる気液混合ノズルを説明する。

本開示の一態様は、入口部と、出口部と、入口部および出口部の間に配置された喉部と、が中心軸線に沿ってそれぞれ形成され、入口部、喉部、および出口部が接続されて気体および液体の流路をなす気液混合ノズルであって、気体および液体が流入する入口部であって、所定の第１内径を有すると共に、第１内径よりも流路の内径を縮小させる環状の縮小端面を含む入口部と、縮小端面の下流側に接続されて、第１内径よりも小さい第２内径を有すると共に中心軸線の方向に長さを有する管状の喉部と、喉部の下流側に接続されて流路の内径を拡大させる環状の拡大端面を含むと共に、第２内径より大きい第３内径を有する出口部と、を備え、中心軸線を含む断面において、縮小端面のなす角度は１８０度であり、喉部の第２内径に対する長さの比は、１５以上である。

本開示の一態様によれば、同一のポンプ動力で気体の溶解量を増やすことができる。

図１は、一実施形態に係る気液混合ノズルの中心軸線を含む断面図である。 図２は、変形形態に係る気液混合ノズルの一部を拡大して示す断面図である。 図３は、総括酸素移動容量係数の測定試験に用いた装置を示す図である。 図４は、実施例および各比較例におけるポンプ動力と総括酸素移動容量係数の関係を示す図である。 図５（ａ）～図５（ｃ）は、それぞれ、比較例１～３に係る気液混合ノズルの中心軸線を含む断面図である。

本開示の一態様は、入口部と、出口部と、入口部および出口部の間に配置された喉部と、が中心軸線に沿ってそれぞれ形成され、入口部、喉部、および出口部が接続されて気体および液体の流路をなす気液混合ノズルであって、気体および液体が流入する入口部であって、所定の第１内径を有すると共に、第１内径よりも流路の内径を縮小させる環状の縮小端面を含む入口部と、縮小端面の下流側に接続されて、第１内径よりも小さい第２内径を有すると共に中心軸線の方向に長さを有する管状の喉部と、喉部の下流側に接続されて流路の内径を拡大させる環状の拡大端面を含むと共に、第２内径より大きい第３内径を有する出口部と、を備え、中心軸線を含む断面において、縮小端面のなす角度は１８０度であり、喉部の第２内径に対する長さの比は、１５以上である。

この気液混合ノズルによれば、気体および液体が、入口部に流入し、次いで管状の喉部に流入する。入口部から喉部にかけて、環状の縮小端面によって流路の内径が縮小させられる。縮小端面のなす角度は１８０度である。入口部の第１内径よりも小さい第２内径を有する喉部は、第２内径の１５倍以上の長さを有する。このような構成を有する入口部および喉部によれば、同一のポンプ動力で気体の溶解量をより増やすことができる。溶解した気体を含む液体は、第２内径より大きい第３内径を有する出口部を通り、出口部に接続された配管または反応器に供給される。

いくつかの態様において、喉部の第２内径に対する長さの比は、３０以下である。この構成によれば、同一のポンプ動力で気体の溶解量をより増やすことができる。よって、トータルのエネルギー効率に優れる。

いくつかの態様において、入口部の第１内径に対する喉部の第２内径の比は、０．１２以上０．３７以下である。この構成によれば、喉部において気体を好適に溶解させることができる。

いくつかの態様において、気液混合ノズルは、入口部と喉部の間の角部に形成された面取り部を備える。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。本明細書において、「上流」または「下流」との語は、液体の流れを基準として用いられる。

図１を参照して、本実施形態の気液混合ノズル１０について説明する。気液混合ノズル１０は、たとえば水処理装置や化学反応器等に用いられる。気液混合ノズル１０は、水槽または反応器に接続された配管であって、気体および液体を供給する配管に組み込まれてもよい。すなわち、気液混合ノズル１０は、たとえば、気体を液体に溶解させるためのインライン式のノズルである。気液混合ノズル１０は、配管と水槽または反応器との間に設けられて、水槽または反応器内の液体に直接接触してもよい。気液混合ノズル１０は、気体が溶解された液体を水槽または反応器内の液体に直接吹き込むためのノズルであってもよい。気液混合ノズル１０が適用される液体は、たとえば水である。水とは、たとえば水処理装置によって処理される排水（廃水）もしくは汚水を含む概念である。気液混合ノズル１０が適用される液体は、水以外の液体であってよい。気液混合ノズル１０によって液体に溶解させられる気体は、たとえば酸素（空気）である。気液混合ノズル１０によって液体に溶解させられる気体は、酸素（空気）以外の気体であってよい。気液混合ノズル１０によって液体に溶解させられる気体は、たとえば、炭酸ガス、窒素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガス、水素ガス、オゾンガス、アンモニアガス等であってもよい。

図１に示されるように、気液混合ノズル１０は、内部に流路が形成された本体２０を備える。本体２０は、本体２０が接触する液体および気体に対して耐食性および耐熱性を有する材料からなる。本体２０は、樹脂製であってもよいし、金属製であってもよい。本体２０は、一体成形された構造を有してもよいし、後述の各部が別個に成形された後に互いに接合された構造を有してもよい。本体２０は、公知の方法によって製造され得る。

気液混合ノズル１０は、上流側の配管等に接続される入口接続部１４と、入口接続部１４に連続して形成された例えば円筒状の入口部１１と、入口部１１に連続して形成された例えば円管状の喉部１２と、喉部１２に連続して形成された例えば円筒状の出口部１３とを備える。これらの入口接続部１４、入口部１１、喉部１２および出口部１３は、本体２０の内部において、中心軸線Ｌに沿ってそれぞれ形成されている。これらの入口接続部１４、入口部１１、喉部１２および出口部１３は、たとえば、中心軸線Ｌに関して同軸上に位置するように形成される。入口接続部１４、入口部１１、喉部１２、および出口部１３が接続されて、気体および液体の流路をなしている。

入口接続部１４は、気液混合ノズル１０の入口側の端部に位置する。入口接続部１４の内面には、たとえば雌ねじが形成される。入口接続部１４には、配管が接続される。入口接続部１４の内径は、たとえば入口部１１の第１内径φ１と略等しい。入口接続部１４は、中心軸線Ｌの方向に第４長さＬ４を有する。なお、入口接続部１４は、省略されてもよい。その場合、入口部１１が、気液混合ノズル１０の入口側の端部に位置する。なお、入口接続部１４の外周面に、雄ねじが形成されてもよい。

入口部１１には、入口接続部１４を通じて、気体および液体が流入する。入口部１１に流入する液体は、たとえば気液混合ノズル１０よりも上流側に設けられたポンプによって、入口部１１に供給される。入口部１１に流入する気体は、気液混合ノズル１０よりも上流側において、入口接続部１４に接続された配管内に、ブロワ等によって供給される（図３に示される試験装置参照）。入口部１１に流入する気体を、エジェクタ等によって自給させてもよい。入口部１１は、所定の第１内径φ１を有する。入口部１１は、中心軸線Ｌの方向に第１長さＬ１を有する。これらの第１内径φ１および第１長さＬ１は、気液混合ノズル１０内を流れる液体の流量や気体の供給量等によって決定されてもよい。

入口部１１は、流路の内径を縮小させる環状の縮小端面１１ｂを含む。縮小端面１１ｂは、入口部１１の下流端に位置する。本実施形態では、縮小端面１１ｂは、中心軸線Ｌに直交する平面に平行である。すなわち、図１に示されるように、中心軸線Ｌを含む断面において、縮小端面１１ｂのなす角度αは１８０度である。縮小端面１１ｂは、入口部１１の第１内径φ１を有する円筒部と、喉部１２の入口端と、を接続する壁面である。なお、本実施形態の気液混合ノズル１０は、図１に示される断面を中心軸線Ｌ周りに３６０度回転させた立体と等しい形状を有する。

喉部１２は、入口部１１と出口部１３との間に配置されている。喉部１２は、気液混合ノズル１０内に形成された流路の内で、もっとも狭い（直径の小さい）流路である。喉部１２は、気液混合ノズル１０内に形成された流路の内で、中心軸線Ｌの方向にもっとも長い流路である。喉部１２は、入口部１１の縮小端面１１ｂの下流側に接続されている。喉部１２は、たとえば一定の第２内径φ２を有している。喉部１２の第２内径φ２は、入口部１１の第１内径φ１よりも小さい。入口部１１の第１内径φ１に対する喉部１２の第２内径φ２の比は、好ましくは、０．１２以上０．３７以下である。入口部１１の第１内径φ１に対する喉部１２の第２内径φ２の比は、より好ましくは、０．１５以上かつ０．２未満である。入口部１１の第１内径φ１に対する喉部１２の第２内径φ２の比が、０．１５未満であってもよく、０．２以上であってもよい。入口部１１の第１内径φ１は、入口部１１が円筒部とその他の部分（たとえば、縮小端面の一種としてのテーパ部等）とを含む場合には、その円筒部の内径である。

喉部１２は、中心軸線Ｌの方向に第２長さＬ２を有する。この第２長さＬ２は、液体に対する気体の溶解量（溶解度）を高める観点で設定されている。特に、第２長さＬ２は、喉部１２の内径を基準にして定められている。喉部１２の内径として、喉部１２が内径一定の円管状である場合には、喉部１２の第２内径φ２がそのまま用いられる。喉部１２の断面形状が円形以外（たとえば楕円や、２つの円の一部分を重ね合わせたメガネ形状等）である場合には、喉部１２の内径は、その断面積と同じ面積を有する円の直径として算出され得る。喉部１２の断面形状が中心軸線Ｌの方向で変化する場合には、喉部１２の内径は、第２長さＬ２を有し喉部１２の全容積と同じ容積を有する円柱の直径として算出され得る。

出口部１３は、気液混合ノズル１０の出口側の端部に位置する。出口部１３は、喉部１２の下流側に接続されて流路の内径を拡大させる環状の拡大端面１３ｂを含む。本実施形態では、拡大端面１３ｂは、中心軸線Ｌに直交する平面に平行である。すなわち、中心軸線Ｌを含む断面において、拡大端面１３ｂのなす角度βは１８０度である。出口部１３は、拡大端面１３ｂの外周縁に接続され、所定の第３内径φ３を有する円筒部を含む。出口部１３の第３内径φ３は、喉部１２の第２内径φ２よりも大きい。拡大端面１３ｂは、喉部１２の出口端と、出口部１３の第３内径φ３を有する円筒部と、を接続する壁面である。出口部１３は、中心軸線Ｌの方向に第３長さＬ３を有する。なお、出口部１３の内面には、たとえば雌ねじが形成される。出口部１３には、配管が接続されてもよい。なお、出口部１３には、雌ねじが形成されなくてもよい。出口部１３の外周面に、雄ねじが形成されてもよい。

続いて、喉部１２の第２長さＬ２について説明する。喉部１２の内径（本実施形態では第２内径φ２）に対する喉部１２の第２長さＬ２の比は、１５以上である。喉部１２の内径に対する喉部１２の第２長さＬ２の比は、好ましくは、３０以下である。喉部１２の内径に対する喉部１２の第２長さＬ２の比は、より好ましくは、２５以下であり、さらにより好ましくは、２０以下である。喉部１２の内径に対する喉部１２の第２長さＬ２の比は、３０より大きくてもよく、４０より大きくてもよい。

この気液混合ノズル１０によれば、気体および液体が、入口部１１に流入し、次いで管状の喉部１２に流入する。入口部１１から喉部１２にかけて、環状の縮小端面１１ｂによって流路の内径が縮小させられる。縮小端面１１ｂのなす角度αは１８０度である。入口部１１の第１内径φ１よりも小さい第２内径φ２を有する喉部１２は、第２内径φ２の１５倍以上の第２長さＬ２を有する。このような構成を有する入口部１１および喉部１２によれば、同一のポンプ動力で気体の溶解量をより増やすことができる。溶解した気体を含む液体は、第２内径φ２より大きい第３内径φ３を有する出口部１３を通り、出口部１３に接続された配管または反応器に供給される。従来の微細気泡生成ノズルでは、微細気泡を生成するということは、液体に溶解できなかった気体が微細気泡として残っている状態であることを意味する。あるいは、溶解させた気体を微細気泡として発生させている状態であることを意味する。このため、従来のノズルは、気体の溶解に関して最適化されているとは言えず、改良の余地が残されている。本実施形態の気液混合ノズル１０によれば、効率よく気体を溶解させることができる。本実施形態の気液混合ノズル１０によれば、従来法と比較し、同じ水／気体量で気液混合ノズル１０を通過させた場合、効率よく気体を溶解させることができる。より詳細には、同じ圧力（ポンプ動力）を加えた場合（図４参照）と、同じ流量で流した場合のいずれでも気体の溶解量を増やすことができる。

また、気液混合ノズル１０の設計にあたっては、混合したい気体の液体に対する溶解度や溶解速度から、適切な圧力（ポンプ動力）を決定することができる。例えば、溶解しやすい気体であれば０．１ＭＰａ程度、溶解しにくい気体であれば０．３ＭＰａ程度等というように、圧力を決定することができる。そして、決定した圧力に対して、喉部１２の太さをベルヌーイの式（ベルヌーイの定理）で決定する。喉部１２の長さが長い方が、気液反応時間が長くなるので好ましい。気液混合ノズル１０に気体および液体が混合された流体を流すと、喉部１２を通過する際に気体が引きのばされ、ちぎれて（破断されて）、気体の溶解が促進する。

喉部１２の第２内径φ２に対する第２長さＬ２の比は、３０以下である。この構成によれば、同一のポンプ動力で気体の溶解量をより増やしつつ、必要なエネルギー（ポンプの動力等）の増大を抑えることができる。よって、トータルのエネルギー効率に優れる。

入口部１１の第１内径φ１に対する喉部１２の第２内径φ２の比は、０．１５以上０．２未満である。この構成によれば、喉部１２において気体を好適に溶解させることができる。

入口部１１の角度（縮小端面１１ｂのなす角度）の溶解効率に対する影響は、９０度と１８０度において、明確な違いが無い若しくは少なかった。その場合、入口部１１の角度が小さい方が、エネルギーの損失が小さいと考えられる。入口部１１の角度が小さく、かつ内径が同じ場合、傾斜部分の長さが長くなると損失が大きくなると考えられる。そこで図２に示されるように、入口部１１と喉部１２の間の角部に形成された面取り部１６を備える構成とすることで、エネルギー損失を抑えられる。面取り部１６は、たとえば、環状の角部の全周にわたって形成される。面取り部１６は、丸面であってもよく、角面であってもよい。面取り部１６が丸面である場合、面取り部１６の曲率半径Ｒは、たとえば下記式（１）で表される。ここで、φ１―φ２は、縮小端面１１ｂの径方向の長さに相当する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られない。

（総括酸素移動容量係数の測定試験）
以下、実施例１に係る気液混合ノズル１０と、比較例１～３に係る各種の気液混合ノズルとを用いて、総括酸素移動容量係数を測定する試験を行った。試験に用いた装置を図３に示す。この試験装置１００は、水Ｗを収容する水槽１０１と、水槽１０１に接続された流入配管１０２および戻り配管１０４と、これらの間に設けられたポンプ１０３とを有する。流入配管１０２には、実施例に係る気液混合ノズル１０（または比較例に係る気液混合ノズル）が組み込まれている。流入配管１０２には、気液混合ノズルとポンプ１０３との間において圧力計１０６が設けられる。戻り配管１０４には、流量計１０７が設けられる。水槽１０１には、水槽１０１内の水Ｗの溶存酸素（ＤＯ）を測定するＤＯ計１０８と、水Ｗの温度を測定する温度計１０９とが設けられる。ＤＯ計１０８は、水Ｗに浸漬されたＤＯセンサ１０８ａを含む。温度計１０９は、水Ｗに浸漬された温度センサ１０９ａを含む。

水槽１０１は、大気開放のもとに設置した。水槽１０１の容量は１８Ｌであった。気体入口から、１００ｍｌ／ｍｉｎの流量にて、空気を供給した。測定開始時のＤＯは１．５ｍｇ／Ｌとした。総括酸素移動容量係数（ＫＬａ）の算出条件は、ＤＯ値５～７ｍｇ／Ｌを切り出して（抽出して）、下記式（２）によって算出した。

ここで、Ｃ_１：ｔ１時間後のＤＯ濃度（ｍｇ／Ｌ）
Ｃ_２：ｔ_２時間後のＤＯ濃度（ｍｇ／Ｌ）
（出展：https://www.jstage.jst.go.jp/article/jriet1972/11/10/11_10_739/_pdf）

試験に用いた気液混合ノズルの諸元について説明する。実施例１に係る気液混合ノズルについて説明する。
＜実施例１に係る気液混合ノズル１０＞
第４長さＬ４：１８ｍｍ
第１長さＬ１：２９ｍｍ
第２長さＬ２：６０ｍｍ
第３長さＬ３：１８ｍｍ
第１内径φ１：２４ｍｍ
第２内径φ２：４ｍｍ
第３内径φ３：Ｒｃ３／４
角度α ：１８０度
角度β ：１８０度

図５（ａ）～図５（ｃ）を参照して、比較例１～３に係る気液混合ノズルについて説明する。
＜比較例１に係る気液混合ノズル１０Ａ＞（図５（ａ）参照）
第１長さＬ１：２０ｍｍ
第２長さＬ２：５ｍｍ
第３長さＬ３：２０ｍｍ
第１内径φ１：２０ｍｍ
第２内径φ２：４ｍｍ
第３内径φ３：２０ｍｍ
角度α ：１８０度
角度β ：１８０度

＜比較例２に係る気液混合ノズル１０Ｂ＞（図５（ｂ）参照）
第１長さＬ１：２０ｍｍ
第２長さＬ２：５ｍｍ
第３長さＬ３：６０ｍｍ（テーパ部の長さ）
第１内径φ１：２０ｍｍ
第２内径φ２：４ｍｍ
第３内径φ３：２０ｍｍ
角度α ：１８０度
角度β ：７．９度×２＝１５．８度

＜比較例３に係る気液混合ノズル１０Ｃ＞（図５（ｃ）参照）
第１長さＬ１：４２．４ｍｍ
第１長さＬ１の内訳：
円筒部の長さＬ１ａ：２０ｍｍ、テーパ部の長さＬ１ｂ：２２．４ｍｍ
第２長さＬ２：５ｍｍ
第３長さＬ３：２０ｍｍ
第１内径φ１：２０ｍｍ（円筒部の内径）
第２内径φ２：４ｍｍ
第３内径φ３：２０ｍｍ
角度α ：４０度
角度β ：１８０度

以上の試験装置１００および各気液混合ノズルを用いて、総括酸素移動容量係数（ＫＬａ）の測定試験を行った。実施例１については３回の試験を行い、比較例１～３については各２回の試験を行った。試験結果を表１、図４に示す。図４では、ポンプ動力とＫＬａの比較を行っている。

表１および図４に示されるように、実施例１では、同等のポンプ動力で比較した場合に、比較例１～３に比して、高いＫＬａ値が得られた。

１０ 気液混合ノズル
１１ 入口部
１１ｂ 縮小端面
１２ 喉部
１３ 出口部
１３ｂ 拡大端面
１４ 入口接続部
１６ 面取り部
２０ 本体
Ｌ 中心軸線
Ｌ１ 第１長さ
Ｌ２ 第２長さ
Ｌ３ 第３長さ
α （縮小端面の）角度
β （拡大端面の）角度
φ１ 第１内径
φ２ 第２内径
φ３ 第３内径

Claims (5)

1. 入口部と、出口部と、前記入口部および前記出口部の間に配置された喉部と、が中心軸線に沿ってそれぞれ形成され、前記入口部、前記喉部、および前記出口部が接続されて気体および液体の流路をなす気液混合ノズルであって、
   前記気体および前記液体が流入する前記入口部であって、所定の第１内径を有すると共に、前記第１内径よりも前記流路の内径を縮小させる環状の縮小端面を含む前記入口部と、
   前記縮小端面の下流側に接続されて、前記第１内径よりも小さい第２内径を有すると共に前記中心軸線の方向に長さを有する管状の前記喉部と、
   前記喉部の下流側に接続されて前記流路の内径を拡大させる環状の拡大端面を含むと共に、前記第２内径より大きい第３内径を有する前記出口部と、を備え、
   前記中心軸線を含む断面において、前記縮小端面のなす角度は１８０度であり、
   前記喉部の前記第２内径に対する前記長さの比は、１５以上であり、前記喉部において、前記液体に対する前記気体の溶解が促進される、気液混合ノズル。
2. 前記喉部の前記第２内径に対する前記長さの比は、３０以下である、請求項１に記載の気液混合ノズル。
3. 前記喉部の前記第２内径に対する前記長さの比は、２０以下である、請求項２に記載の気液混合ノズル。
4. 前記入口部の前記第１内径に対する前記喉部の前記第２内径の比は、０．１２以上０．３７以下である、請求項１～３のいずれか一項に記載の気液混合ノズル。
5. 前記入口部と前記喉部の間の角部に形成された面取り部を備える、請求項１～４のいずれか一項に記載の気液混合ノズル。
   

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