JPH0613114B2 - 液体からガスを除去する方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、回転装置において実施される、ガスがいくら
か溶けることのできる液体からそのガスを除去する方
法、とくに水から脱気する方法およびその際使用する回
転装置に関するものである。 多くの工業上の目的に対して、水はできるだけ溶解酸素
がないことが望まれる。他の場合には、溶解酸素は許さ
れないが、メタン、窒素または二酸化炭素のような他の
溶解ガスは受入れられる。 例えば、水をボイラに供給するのに使用することを望む
場合、すべての溶解ガスは通常そこから除去される。ボ
イラ給水中に存在する酸素および二酸化炭素はボイラの
腐食を生じ窒素のような不活性ガスは通常同時に好まし
くない溶解ガスとして便利に除去される。 他の例を挙げれば、水を含油層に噴射しそこに穿設した
井戸からの油の生産を促進するのに使用する場合、もし
そうでなければ地層の孔におけるバクテリヤの発生がし
ばしば促進され孔が埋められ油の置換が阻止されるた
め、水中に酸素のないことが必要である。しかしながら
他のガス例えばガス状炭化水素は、そのような噴射水に
おいては容易に許容される。 これらすべての目的に対し、酸素および／または他の好
ましくない溶解ガスは水から除去されなければならな
い。この除去を達成するため、いわゆる“脱気装置”ま
たは“脱ガス装置”の設計範囲が発展してきた。これら
の装置は、水が低圧を受けるかまたは置換ガスが大気
圧、低圧、または高圧において水に通される、静的装置
である。 これらの方法で処理される大量の水は大きい容器および
補助的装置を必要としまたかなりの資本投資を意味して
いる。したがって使用される容器の大きさを減少する方
法を発明することへの大きい誘因が存在する。さらに、
水処理が海上で、例えば船舶用のボイラ給水装置の運転
においてまたは海上の油井用の噴射水の脱気において、
実施される場合、処理装置の容積および／または重量を
減少する何等かの方法はきわめて望ましい目標である。 本出願人のヨーロッパ特許第0089128A号明細書には、水
から溶解ガスを置換する方法が記載され、その方法は水
が、重力による加速度より大きい、回転軸線に対して半
径方向の、加速度を受けるような速度で回転する、大き
い表面積のロータにおいて、水を薄いフィルムとして連
続したガス相を通して流す方法である。薄いフィルムは
連続的に分割され、すなわち、平均流体密度が水の密度
よりガスの密度に一層近いような、水滴を形成する。 本発明の方法および装置は、単位時間に単位質量の液体
からガスを除去するためかなり小さい直径のロータを使
用することができまた上記ヨーロッパ特許明細書に記載
されたロータおよび方法に比較して少なくとも動力消費
を５分の１に減少することができる。 本発明によれば、液体が孔を通って半径方向外向きに流
れるときの重力による加速度より大きい、回転軸線に対
して半径方向の、加速度を受けるような速度で回転す
る、ロータ内に設置された透過性要素の孔において液体
が置換ガスと逆流接触することを含む、ガスが少しばか
り溶解する液体からそのガスを除去する方法において、
前記逆流接触は連続相の液体と分散相のガスとによって
実施され、透過性要素の半径方向外側区域から排出され
る液体はロータの一部を形成する室に変向されかつその
室に収集され、ロータの半径方向内側区域において前記
室から排出されることを特徴とする液体からガスを除去
する方法が提供される。 本発明による方法によって処理される液体は有機質もし
くは好ましくは無機質とすることができる。 好ましくは本発明の第１の特徴に従う方法によって処理
される液体は水であり少しばかり溶解するガスは空気ま
たは酸素である。 少しばかり溶解するガスは液体と化学的に反応しないど
のようなガスとすることもできる。水に対して少しばか
り溶解しうるガスとしては中でも酸素、水素または窒素
が挙げられる。 本発明の別の特徴によれば、(a)その回転軸線の周りに
同軸に設置された第１環状室、および第１環状室に設置
されかつその孔を通して水が半径方向外向きに流れる透
過性要素を備えたロータ、(b)脱気される水を第１環状
室の半径方向内方区域に供給する装置、(c)置換ガスを
第１環状室の半径方向外側区域に供給する装置および
(d)ロータから排出されるべき水を収集する装置を有す
る回転装置において、ロータはさらに水が半径方向内方
に流通する第２環状室を有し、第２環状室は第１環状室
に隣接して前記軸線の周りに同軸に設置されかつ両方の
室の半径方向外側区域を通して第１環状室に流体的に連
通し、第２環状室は第１環状室の内径より大きい内径を
有し、水および置換ガスが前記供給する装置によって透
過性要素に供給され、水は半径方向外方に連続した相と
して流れ、一方ガスは分散相として半径方向内方に流
れ、水は前記収集する装置によって第２環状室の半径方
向内方区域から収集されることを特徴とする回転装置が
提供される。 好ましくは、第２環状室に、転向した水と接触し、それ
がロータから排出される前にその運動エネルギの少なく
ともかなりの部分を吸収しその部分をロータに伝達して
その回転を促進する装置が設けられる。上記装置が第２
環状室の面に配置された多数のベーンの型式とするのが
便利であり、そのベーンが第１環状室を第２環状室から
分離する部材上に設置されるのが好ましい。 本発明において使用される置換ガスは処理される液体が
溶解種として許容しうるいずれかのガスである。“ガ
ス”なる語には蒸気すなわち水蒸気が含まれる。 本発明の方法が実施される態様はそれが実施される各適
用例の特殊な要求に依存する。とくに、それは利用しう
る水の性質、生産される水の要求される特性および溶解
した酸素を置換するための置換ガスの利用可能性に依存
する。例えば、もし生産水がボイラとくに高圧で運転す
るボイラに、給水するため使用されるものであるなら
ば、すべてのガスをきわめて低い濃度まで除去する必要
がある。しかして、高圧ボイラへの典型的給水は、100
万部当たり0.7部(ppm)の酸素濃度をもつことが要求され
る。溶解した窒素および二酸化炭素を同時に置換する一
方、この程度の低い酸素レベルを達成するため、きわめ
て適した置換ガスは水蒸気である。溶解したガスを水蒸
気によって水から置換する効果は水の温度上昇すること
であるから、脱気蒸気としての水蒸気の使用は、水がい
かなる場合にもこの目的のため加熱されることが必要で
あるため、ボイラ供給物にとって特殊な価値である。 油井に噴射する水の準備において酸素以外の他のガスの
置換は重要でない。しかして、置換ガスとして油と一緒
に生産されるガス状生産物を使用することは可能であり
かつきわめて便利である。実際、これはメタンおよび／
またはエタン、または適当な状況における二酸化炭素ま
たは窒素のようなガス状炭化水素とすることができる。
油井が陸上にあるとき、給水は生の河川水であるのが望
ましくまたは或る同様の清水の水源からの水道水または
恐らくその目的のためとくに穿設された井戸から生産さ
れた水とすることができる。陸上では、置換ガスは井戸
自体からの天然ガス、または一緒に生産された窒素およ
び／または二酸化炭素、または噴射目的のためとくに生
産されまたは輸入された窒素および／または二酸化炭素
とすることができる。海上の井戸に関して、噴射用のも
っとも便利な水源は海水でありまたもっとも便利な置換
ガスは井戸からのガス流、もし利用しうるならば、とく
に一緒に生産された天然炭化水素ガスである。もし望む
ならば、脱気後の水はそれが含油層に噴射される前に井
戸において一緒に生産された水と混合することができ
る。しかしながら一般的にそのような水はそれがこのよ
うに使用するのに適当なものとなる前に通常ある処理の
形式、例えば精密濾過を必要とするため一緒に生産され
た水を噴射することは適当でない。 水の通常の脱気に関して、酸素除去器(oxygenscavenge
r)ができるだけ残留酸素を除去するため屡々脱気水にあ
るいは脱気中の水に付加される。しかして、最初数ppm
例えば10ppmの酸素を含み、通常例えば0.05ppmの値に脱
気された海水は酸素濃度をさらに下げるため酸素除去器
によって処理することができる。本発明の方法を使用す
る際、物理的方法によって受入れうる酸素濃度レベルま
で脱気することが経済的であり、かくして多くの場合化
学的除去器の必要性を回避するものと信ぜられる。その
ような低い酸素濃度のレベルを保つために半径方向長さ
が一層大きい透過性要素を使用することが必要であるこ
とが認められている。 上記の第１環状室に設置される透過性要素は本発明の第
２の特徴に従う装置の運転状況でそこを通る水およびガ
スの流れを許し、そしてそこを通って流れるガス気泡を
分割する能力を有する。好ましくは透過性要素は少なく
とも80％の空隙率を有する。典型的には透過性要素は細
かいゲージのファイバ、フィラメントまたはストランド
から形成される。透過性要素は一体構造のあるいは、も
し望むならばもとの場所に、多数の部分または層から組
み立てられたものとすることができる。しかして要素は
編んだまたは織った布、例えばメタルクロス；しわ状メ
ッシュ(crumpled mesh)；ファイバ、もし望むならば焼
結または接着材結合により強化された、例えばメタリッ
ク・ファイバの乱雑なまたは整列したマットまたは他の
団塊；金属粒子の焼結団塊；または、例えば金属または
好ましくはプラスチックの、網状フォームとすることが
でき、網状プラスチック・フォームは水と同じ密度を有
し、そこでロータに発生する力は一層小さくなる。適当
な材料の例は、例えばロータの回転軸線を包囲するかま
たは回転軸線に設置される支持体の周りに層をなして巻
回される、例えば“ニットメッシュ(Knitmesh)”の商標
名で販売されている、編んだメタル・クロス、および便
利には積層されて透過性要素を形成する、例えば“レテ
ィメット(Retimet)”の商標名で販売されている、骨格
状金属フォームを含んでいる。好ましくは、そのような
配置は使用中ロータの平衡を保つのに役立つため、透過
性要素は第１環状室内に同軸に設置される環の形式のも
のである。典型的には透過性要素は第１環状室全体に配
置される。 典型的には、単位時間内の容積で測った水の流量は、少
なくとも置換ガスの流量の10倍であり、そのことはエネ
ルギの有効な節約をもたらす。 ガスが透過性要素の外側区域に供給される圧力は中でも
第１環状室の外側半径およびロータが回転される速度に
依存する。例えば、100rpmで回転するロータ内に設置さ
れた外径0.25ｍの第１環状室に対してガスは典型的には
約２×10⁵Ｎｍ^-2の圧力で供給される。 典型的には、第１環状室の軸線方向長さは第２環状室の
軸線方向長さの1.5倍と２倍の間にある。しかしなが
ら、上記値は厳密なものでなく上記値以外の値も使用し
うる。 好ましくは第１環状室の内径は第２環状室の内径の７５
％と９５％の間にある。しかしながら、上記範囲外の比
率も使用しうることの可能性を排除するものでない。 溶液が受ける半径方向加速度は回転軸線からの距離とと
もに変化するため、溶液が受ける平均半径方向加速度
（a_m）を参照することは便利である。すなわち： ここに、Ｎは毎分当たりのロータ回転数、ｒ_０は第１環
状室の半径方向最内側部分の軸線からの距離そしてｒ_１
は前記室の半径方向最外側部分の軸線からの距離であ
る。水が受ける平均加速度は好ましくは少なくとも300
ｍ sec^-2、とくに少なくとも1000ｍ sec^-2であり、ま
た10000ｍ sec^-2以上であるのが有利である。しかして
重力(g)による加速度によって、平均加速度は約30ｇま
たは100ｇもしくは1000ｇ以上となる。 重力によるものの何倍にもなる加速度を達成するように
ロータを回転するのに必要な回転速度は、上記の式から
明らかなようにロータの大きさおよび選択された加速度
にのみ依存する。しかして、内径0.15ｍおよび外径0.25
ｍのロータによって、もし水が700ｍ sec^-2の平均半径
方向加速度を受けることを望むならば、ロータを毎分約
550回転することが必要である。もし加速度を約1000ｍ
sec^-2とするならば、回転速度は毎分650回転程度とす
べきである。一般に、本発明の方法に使用するロータの
回転速度は毎分50および10000回転の間、例えば毎分100
および5000回転好ましくは毎分500および2000回転の間
にあるであろう。 ロータは意図した使用状態によって要求される機械的強
度および耐蝕の各特性を併有するいかなる材料から構成
してもよい。しかして、清水の処理のため、所望の特性
は静的脱器装置において通常使用される不銹鋼の一つの
使用によって解決することができる。海水の脱気に対し
ては、銅基海水用合金の一つ、例えばアドミラルティ合
金またはキュプロ・ニッケル合金を使用することができ
る。同様に海水に対して、ニッケルおよびクロームの合
金と同様にチタニウム金属がきわめて適している。或る
使用条件、とくに静止した海水に対する長期の露出を意
図しない場合には、クローム、ニッケルおよびモリブデ
ンを含む或る種の不銹鋼が適している。 本発明は、単に例示として、本発明において使用する装
置の一実施例を示す添付図面を参照してさらに説明され
る。 本発明は、単に例示として、本発明に使用する装置の一
実施例を示す添付図面を参照してさらに説明される。 第１図において、ロータ１０はそれが室１２内において
回転される軸１１上に取付けられている。ロータはその
外壁２９にポート１４を備えた第１環状室１３、および
カラー１６、リップ１７およびプレート２０上に設置さ
れたベーン３０を備えた第２環状室１５を含み、第１お
よび第２環状室はポート１８を介してガス流を通しまた
プレート２０の外周に隣接した多数のポート１９を介し
て液体流を通す。第１環状室には、（図示しない）保持
手段により所定位置に保持され網状プラスチックフォー
ムの同心層から組立てられた、環状の透過性要素２１が
設置されている。多数のガス供給管２２が壁２９上にま
た第１環状室の基部３２上に取付けられ、その管２２は
ガスを軸１１と同心に設置され軸受２４を介してそれと
共に回転しうる、流入管２３からポート１４および透過
性容器２１の半径方向外面に隣接して配置された噴射管
３１に供給する。その下部に、多数のポート２６を備え
た水流入管２５は第１環状室１３に突入している。水流
出管２７およびガス流出管２８は室１２からそれぞれ水
およびガスの排出を許す。 作用において、酸素含有水は水流入管２５およびポート
２６を介して、環状室１３とともに回転する、透過性要
素２１の半径方向内面に供給され、その割合で酸素含有
水は環状室内において連続相を形成する。水は透過性要
素２１の孔を通して全体的に半径方向外方に流れそこで
水は重力による加速度の約５０倍の平均遠心加速度を受
けまたそこで水は置換ガス、例えば、メタンおよびエタ
ンの混合物と接触する。脱気された水は透過性要素の半
径方向外面を離れついで多数のポート１９を通って第２
環状室１５に流入する。室１５において、水はその運動
エネルギのかなりの部分をロータの回転を助けるため使
用するベーン３０に与える。室１５が水で充満すると水
は溢れてロータ１０からリップ１７において室１２内に
排出する。脱気された水は室１２からポート２７を通っ
て排出する。 上記のガス混合物は第１環状室１３にガス供給管２２お
よび２３、ポート１４および噴射管３１を通って透過性
要素２１に侵入せしめるのに十分な圧力で導入される。
ガスは、気泡の流れとして、全体的に内向きに、水の流
れと逆方向に、透過性要素２１の孔を通って流れる。透
過性要素内において気泡は透過性要素のストランドによ
って連続的に分割される。孔内において、ガス／水接触
が起こりそれにより酸素は水からガス相に移行される。
ガスは透過性要素２１の内面から出現し、それは第１環
状室からポート１８を通って流れガス排出管２８を通っ
て除去される。 本発明は下記の例を参照してさらに説明される。 例１ この例は本発明による装置の作用によって得ることので
きる動力消費の減少を示している。 第１図に示されたような回転装置の第１環状室におい
て、軸方向長さ0.5ｍおよび半径0.4ｍを有する回転装置
は、100グレードの網状プラスチックフォームから作ら
れた内径0.15ｍ、外径0.25ｍ、および軸方向長さ0.30ｍ
の環状透過性要素を設置され；第２の室の内径は1.18ｍ
であった。ロータは1000rpmで回転され、一方、酸素含
有水は204ｍ／時で透過性要素の半径方向内面にそして
6.3×10^-3標準m³／秒の窒素が第１環状室の半径方向外
面に供給された。ロータに供給された水の中の酸素濃度
およびロータから排出された水の中の酸素濃度から、な
された全仕事（すなわち窒素を圧縮する動力プラス液体
を加速するためなされた仕事）は8.5kwであったことが
計算された。 ヨーロッパ特許第89128号明細書に示された回転質量移
送装置を使用する比較テストにおいて、同様の酸素濃度
の減少に対してなされた仕事は、50kwであった。 例２ この例は本発明の方法において得ることのできる小型の
水泡を示す。この小型の水泡はそのような方法において
得ることのできるよい質量移送係数に寄与するものと信
ぜられる。 第１図に示されたような装置において空気／水方式に対
する下記の条件の下で下記の寸法（直径mm）の水泡を得
ることができることが分かった。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の第２の特徴を備えた装置の一型式の垂
直断面図。 １０……ロータ、１１……軸、１２……室、１３……第
１環状室、１４……ポート、１５……第２環状室、１６
……カラー、１７……リップ、１８……ポート、１９…
…ポート、２０……プレート、２１……透過性要素、２
２……ガス供給管、２３……ガス流入管、２４……軸
受、２５……水流入管、２６……ポート、２７……水流
出管、２８……ガス排出管、２９……外壁、３０……ペ
ーン、３１……噴射管、３２……ベース

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】液体が孔を通って半径方向外向きに流れる
   ときの重力による加速度より大きい、回転軸線に対して
   半径方向の、加速度を受けるような速度で回転する、ロ
   ータ内に設置された透過性要素の孔において液体が置換
   ガスと逆流接触することを含む、ガスが少しばかり溶解
   する液体からそのガスを除去する方法において、前記逆
   流接触は連続相の液体と分散相のガスとによって実施さ
   れ、透過性要素の半径方向外側区域から排出される液体
   はロータの一部を形成する室に変向されかつその室に収
   集され、ロータの半径方向内側区域において前記室から
   排出されることを特徴とする液体からガスを除去する方
   法。 【請求項２】水を脱気するための特許請求の範囲第１項
   に記載の液体からガスを除去する方法。 【請求項３】置換ガスが、蒸気、ガス状炭化水素、二酸
   化炭素または窒素である特許請求の範囲第２項に記載の
   液体からガスを除去する方法。 【請求項４】水が天然の供給源から得られる特許請求の
   範囲第２項に記載の液体からガスを除去する方法。 【請求項５】供給源が川、井戸または海である特許請求
   の範囲第４項に記載の液体からガスを除去する方法。 【請求項６】単位時間あたりの容積で測った、液体の流
   量がガスの流量の少なくとも１０倍である特許請求の範
   囲第１項に記載の液体からガスを除去する方法。 【請求項７】水が受ける平均加速度が少なくとも３００
   ｍ sec^-2である特許請求の範囲第１項に記載の液体か
   らガスを除去する方法。 【請求項８】(a)その回転軸線の周りに同軸に設置され
   た第１環状室(13)、および第１環状室(13)に設置されか
   つその孔を通して水が半径方向外向きに流れる透過性要
   素(21)を備えたロータ、 (b)脱気される水を第１環状室の半径方向内方区域に供
   給する装置(25)、 (c)置換ガスを第１環状室の半径方向外側区域に供給す
   る装置(23,14)および (d)ロータから排出されるべき水を収集する装置(27) を有する回転装置において、 ロータはさらに水が半径方向内方に流通する第２環状室
   (15)を有し、第２環状室(15)は第１環状室に隣接して前
   記軸線の周りに同軸に設置されかつ両方の室(13,15)の
   半径方向外側区域を通して第１環状室に流体的に連通
   し、第２環状室は第１環状室の内径より大きい内径を有
   し、水および置換ガスが前記供給する装置(25,23,14)に
   よって透過性要素(21)に供給され、水は半径方向外方に
   連続した相として流れ、一方ガスは分散相として半径方
   向内方に流れ、水は前記収集する装置(27)によって第２
   環状室(15)の半径方向内方区域から収集されることを特
   徴とする回転装置。 【請求項９】第２環状室が変向した水と接触しその運動
   エネルギのかなりの部分を変換してロータの回転を促進
   する手段を含む特許請求の範囲第８項に記載の回転装
   置。 【請求項１０】透過性要素が少なくとも80％の空隙率を
   有する特許請求の範囲第８項に記載の回転装置。 【請求項１１】透過性要素が細かいゲージのファイバ、
   フィラメントまたはストランドから形成されている特許
   請求の範囲第８項に記載の回転装置。 【請求項１２】透過性要素がプラスチックの網状フォー
   ムから形成されている特許請求の範囲第８項に記載の回
   転装置。 【請求項１３】第１環状室の内径が第２環状室の内径の
   78％と95％の間にある特許請求の範囲第８項に記載の回
   転装置。 【請求項１５】透過性要素が第１環状室と同軸に設置さ
   れた環の形式のものである特許請求の範囲第８項に記載
   の回転装置。