WO2020070912A1 - 気液混合ノズル - Google Patents

気液混合ノズル

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WO2020070912A1
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gas
inner diameter
throat
inlet
mixing nozzle
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PCT/JP2019/015024
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English (en)
French (fr)
Inventor
有香 吉田
Original Assignee
株式会社Ihi
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/20—Mixing gases with liquids
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/40—Static mixers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B1/00—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means
    • B05B1/02—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to produce a jet, spray, or other discharge of particular shape or nature, e.g. in single drops, or having an outlet of particular shape

Definitions

  • the present disclosure relates to a gas-liquid mixing nozzle.
  • Patent Document 1 As a method for dissolving a gas in a liquid, a gas dissolution promoting method of mixing gas and liquid in a pressurized container to dissolve the gas is known as described in Patent Document 1. Further, as described in Non-Patent Document 1, a method of generating fine bubbles has been proposed as a new gas dissolution promoting method. On the other hand, as described in Patent Documents 2 to 5, nozzles for generating fine bubbles have been developed. These nozzles are used, for example, in water treatment devices and chemical reactors.
  • a microbubble generation nozzle includes an inflow portion that forms an inlet side of a flow path, a discharge portion that forms an outlet side of a flow path, and a flow path between the inflow portion and the discharge portion.
  • An air bubble generation unit provided.
  • the cross-sectional area of the bubble generation section is smaller than the cross-sectional area of the inflow section and the cross-sectional area of the discharge section. That is, the bubble generation unit has the smallest cross-sectional area in the flow path of the fine bubble generation nozzle.
  • the microbubble generation nozzle described in Patent Document 3 also includes a throat portion formed between the tapered portion and the enlarged portion and having the smallest cross-sectional area.
  • the microbubble generator described in Patent Document 4 is also formed between the large-diameter portion and the conical flow path, and has a small pipe having a diameter relatively smaller than the diameter of the large-diameter flow path. It has a diameter part.
  • the above-mentioned conventional nozzle has been developed for the purpose of promoting gas dissolution by generating fine bubbles.
  • the conventional nozzle focuses on the generation of fine bubbles and cannot be said to be optimized with respect to gas dissolution, and there is room for improvement with respect to gas dissolution.
  • a gas-liquid mixing nozzle capable of increasing the amount of dissolved gas with lower power is required.
  • This disclosure describes a gas-liquid mixing nozzle that can increase the amount of dissolved gas with the same pump power.
  • an inlet portion, an outlet portion, and a throat portion disposed between the inlet portion and the outlet portion are formed along a central axis, respectively, and the inlet portion, the throat portion, and the outlet portion are formed.
  • a gas-liquid mixing nozzle that is connected to form a gas and liquid flow path is an inlet portion into which gas and liquid flow, has a predetermined first inner diameter, and has an inner diameter of the flow path larger than the first inner diameter.
  • An inlet portion including an annular reduced end surface to be reduced; a tubular throat portion connected downstream of the reduced end surface and having a second inner diameter smaller than the first inner diameter and having a length in the direction of the central axis; An outlet having a third inner diameter larger than the second inner diameter, the outlet having a third inner diameter larger than the second inner diameter.
  • the angle formed is 180 degrees, and the angle to the second inner diameter of the throat The ratio of the length is 15 or more.
  • the amount of dissolved gas can be increased with the same pump power.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view including a central axis of a gas-liquid mixing nozzle according to one embodiment.
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing a part of a gas-liquid mixing nozzle according to a modified embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing an apparatus used for a measurement test of the overall oxygen transfer capacity coefficient.
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the pump power and the overall oxygen transfer capacity coefficient in Examples and Comparative Examples.
  • FIGS. 5A to 5C are cross-sectional views including the central axis of the gas-liquid mixing nozzle according to Comparative Examples 1 to 3, respectively.
  • an inlet portion, an outlet portion, and a throat portion disposed between the inlet portion and the outlet portion are formed along a central axis, respectively, and the inlet portion, the throat portion, and the outlet portion are formed.
  • a gas-liquid mixing nozzle that is connected to form a gas and liquid flow path is an inlet portion into which gas and liquid flow, has a predetermined first inner diameter, and has an inner diameter of the flow path larger than the first inner diameter.
  • An inlet portion including an annular reduced end surface to be reduced; a tubular throat portion connected downstream of the reduced end surface and having a second inner diameter smaller than the first inner diameter and having a length in the direction of the central axis; An outlet having a third inner diameter larger than the second inner diameter, the outlet having a third inner diameter larger than the second inner diameter.
  • the angle formed is 180 degrees, and the angle to the second inner diameter of the throat The ratio of the length is 15 or more.
  • gas and liquid flow into the inlet and then into the tubular throat.
  • the inner diameter of the flow path is reduced by the annular reduced end face.
  • the angle between the reduced end faces is 180 degrees.
  • the throat having a second inner diameter smaller than the first inner diameter of the inlet has a length that is at least 15 times the second inner diameter. According to the inlet and the throat having such a configuration, the amount of dissolved gas can be further increased with the same pump power.
  • the liquid containing the dissolved gas passes through an outlet having a third inner diameter larger than the second inner diameter, and is supplied to a pipe or a reactor connected to the outlet.
  • the ratio of the length of the throat to the second inner diameter is 30 or less. According to this configuration, the amount of dissolved gas can be further increased with the same pump power. Therefore, the total energy efficiency is excellent.
  • the ratio of the second inner diameter of the throat to the first inner diameter of the inlet is no less than 0.12 and no more than 0.37. According to this configuration, the gas can be suitably dissolved in the throat.
  • the gas-liquid mixing nozzle includes a chamfer formed at a corner between the inlet and the throat.
  • the gas-liquid mixing nozzle 10 is used for, for example, a water treatment device or a chemical reactor.
  • the gas-liquid mixing nozzle 10 is a pipe connected to a water tank or a reactor, and may be incorporated in a pipe that supplies gas and liquid. That is, the gas-liquid mixing nozzle 10 is, for example, an in-line type nozzle for dissolving a gas into a liquid.
  • the gas-liquid mixing nozzle 10 may be provided between the pipe and the water tank or the reactor, and may directly contact the liquid in the water tank or the reactor.
  • the gas-liquid mixing nozzle 10 may be a nozzle for directly blowing a liquid in which a gas is dissolved into a liquid in a water tank or a reactor.
  • the liquid to which the gas-liquid mixing nozzle 10 is applied is, for example, water.
  • Water is a concept that includes, for example, wastewater (wastewater) or sewage treated by a water treatment device.
  • the liquid to which the gas-liquid mixing nozzle 10 is applied may be a liquid other than water.
  • the gas dissolved in the liquid by the gas-liquid mixing nozzle 10 is, for example, oxygen (air).
  • the gas dissolved in the liquid by the gas-liquid mixing nozzle 10 may be a gas other than oxygen (air).
  • the gas dissolved in the liquid by the gas-liquid mixing nozzle 10 may be, for example, carbon dioxide gas, nitrogen gas, helium gas, argon gas, hydrogen gas, ozone gas, ammonia gas, or the like.
  • the gas-liquid mixing nozzle 10 includes a main body 20 having a flow path formed therein.
  • the main body 20 is made of a material having corrosion resistance and heat resistance to a liquid and a gas with which the main body 20 contacts.
  • the main body 20 may be made of resin or metal.
  • the main body 20 may have an integrally molded structure, or may have a structure in which each part described later is separately molded and then joined to each other.
  • the main body 20 can be manufactured by a known method.
  • the gas-liquid mixing nozzle 10 has an inlet connection portion 14 connected to an upstream pipe or the like, a cylindrical inlet portion 11 formed continuously with the inlet connection portion 14, and a continuously formed inlet portion 11.
  • a cylindrical throat portion 12 formed and a cylindrical outlet portion 13 formed continuously with the throat portion 12 are provided.
  • the inlet connection part 14, the inlet part 11, the throat part 12, and the outlet part 13 are respectively formed along the central axis L inside the main body 20.
  • the inlet connection portion 14, the inlet portion 11, the throat portion 12, and the outlet portion 13 are formed so as to be coaxial with respect to the central axis L, for example.
  • the inlet connection part 14, the inlet part 11, the throat part 12, and the outlet part 13 are connected to form a gas and liquid flow path.
  • the inlet connection part 14 is located at the end of the gas-liquid mixing nozzle 10 on the inlet side.
  • a female screw is formed on the inner surface of the inlet connection portion 14. Piping is connected to the inlet connection part 14.
  • the inner diameter of the inlet connection part 14 is, for example, substantially equal to the first inner diameter ⁇ 1 of the inlet part 11.
  • the inlet connection portion 14 has a fourth length L4 in the direction of the central axis L.
  • the inlet connection part 14 may be omitted.
  • the inlet 11 is located at the inlet-side end of the gas-liquid mixing nozzle 10.
  • an external thread may be formed on the outer peripheral surface of the inlet connection portion 14.
  • the liquid flowing into the inlet 11 is supplied to the inlet 11 by, for example, a pump provided upstream of the gas-liquid mixing nozzle 10.
  • the gas flowing into the inlet 11 is supplied by a blower or the like into a pipe connected to the inlet connector 14 on the upstream side of the gas-liquid mixing nozzle 10 (see a test apparatus shown in FIG. 3).
  • the gas flowing into the inlet 11 may be self-supplied by an ejector or the like.
  • the inlet 11 has a predetermined first inner diameter ⁇ 1.
  • the inlet 11 has a first length L1 in the direction of the central axis L.
  • the first inner diameter ⁇ 1 and the first length L1 may be determined by the flow rate of the liquid flowing in the gas-liquid mixing nozzle 10, the supply amount of the gas, and the like.
  • the inlet 11 includes an annular reduced end face 11b for reducing the inner diameter of the flow path.
  • the reduced end face 11 b is located at the downstream end of the entrance 11.
  • the reduced end face 11b is parallel to a plane orthogonal to the central axis L. That is, as shown in FIG. 1, in the cross section including the central axis L, the angle ⁇ formed by the reduced end face 11b is 180 degrees.
  • the reduced end surface 11 b is a wall surface that connects the cylindrical portion of the entrance 11 with the first inner diameter ⁇ 1 and the entrance end of the throat 12.
  • the gas-liquid mixing nozzle 10 of the present embodiment has the same shape as a solid body obtained by rotating the cross section shown in FIG. 1 around the central axis L by 360 degrees.
  • the throat 12 is disposed between the inlet 11 and the outlet 13.
  • the throat portion 12 is the narrowest (small diameter) channel among the channels formed in the gas-liquid mixing nozzle 10.
  • the throat portion 12 is the longest flow path in the direction of the central axis L among the flow paths formed in the gas-liquid mixing nozzle 10.
  • the throat part 12 is connected to the downstream side of the reduced end face 11b of the entrance part 11.
  • the throat portion 12 has, for example, a constant second inner diameter ⁇ 2.
  • the second inner diameter ⁇ 2 of the throat part 12 is smaller than the first inner diameter ⁇ 1 of the inlet part 11.
  • the ratio of the second inner diameter ⁇ 2 of the throat portion 12 to the first inner diameter ⁇ 1 of the inlet portion 11 is preferably 0.12 or more and 0.37 or less.
  • the ratio of the second inner diameter ⁇ 2 of the throat portion 12 to the first inner diameter ⁇ 1 of the inlet portion 11 is more preferably 0.15 or more and less than 0.2.
  • the ratio of the second inner diameter ⁇ 2 of the throat 12 to the first inner diameter ⁇ 1 of the inlet 11 may be less than 0.15, or may be 0.2 or more.
  • the first inner diameter ⁇ 1 of the inlet portion 11 is the inner diameter of the cylindrical portion when the inlet portion 11 includes a cylindrical portion and another portion (for example, a tapered portion as a kind of a reduced end surface).
  • the throat portion 12 has a second length L2 in the direction of the central axis L.
  • the second length L2 is set from the viewpoint of increasing the amount of gas dissolved in the liquid (solubility). In particular, the second length L2 is determined based on the inner diameter of the throat portion 12.
  • the throat portion 12 is a circular tube having a constant inner diameter
  • the second inner diameter ⁇ 2 of the throat portion 12 is used as it is.
  • the inner diameter of the throat portion 12 is a circle having the same area as the cross-sectional area. It can be calculated as a diameter.
  • the inner diameter of the throat 12 is calculated as the diameter of a cylinder having the second length L2 and having the same volume as the entire volume of the throat 12. Can be done.
  • the outlet 13 is located at the end of the gas-liquid mixing nozzle 10 on the outlet side.
  • the outlet part 13 includes an annular enlarged end face 13b connected to the downstream side of the throat part 12 to increase the inner diameter of the flow path.
  • the enlarged end face 13b is parallel to a plane orthogonal to the central axis L. That is, in the section including the central axis L, the angle ⁇ formed by the enlarged end surface 13b is 180 degrees.
  • the outlet portion 13 is connected to the outer peripheral edge of the enlarged end surface 13b and includes a cylindrical portion having a predetermined third inner diameter ⁇ 3.
  • the third inner diameter ⁇ 3 of the outlet portion 13 is larger than the second inner diameter ⁇ 2 of the throat portion 12.
  • the enlarged end surface 13b is a wall surface that connects the outlet end of the throat portion 12 and the cylindrical portion of the outlet portion 13 having the third inner diameter ⁇ 3.
  • the outlet 13 has a third length L3 in the direction of the central axis L.
  • a female screw is formed on the inner surface of the outlet portion 13, for example.
  • a pipe may be connected to the outlet 13.
  • the outlet 13 does not have to be formed with a female screw.
  • a male screw may be formed on the outer peripheral surface of the outlet 13.
  • the ratio of the second length L2 of the throat 12 to the inner diameter of the throat 12 (the second inner diameter ⁇ 2 in the present embodiment) is 15 or more.
  • the ratio of the second length L2 of the throat 12 to the inner diameter of the throat 12 is preferably 30 or less.
  • the ratio of the second length L2 of the throat portion 12 to the inner diameter of the throat portion 12 is more preferably 25 or less, and even more preferably 20 or less.
  • the ratio of the second length L2 of the throat 12 to the inner diameter of the throat 12 may be greater than 30 or greater than 40.
  • gas and liquid flow into the inlet 11 and then into the tubular throat 12.
  • the inner diameter of the channel is reduced by the annular reduced end surface 11b.
  • the angle ⁇ formed by the reduced end surface 11b is 180 degrees.
  • the throat portion 12 having a second inner diameter ⁇ 2 smaller than the first inner diameter ⁇ 1 of the inlet portion 11 has a second length L2 which is 15 times or more the second inner diameter ⁇ 2. According to the inlet portion 11 and the throat portion 12 having such a configuration, the amount of dissolved gas can be further increased with the same pump power.
  • the liquid containing the dissolved gas passes through the outlet 13 having the third inner diameter ⁇ 3 larger than the second inner diameter ⁇ 2, and is supplied to a pipe or a reactor connected to the outlet 13.
  • generating microbubbles means that a gas that could not be dissolved in the liquid remains as microbubbles.
  • conventional nozzles cannot be said to be optimized with respect to gas dissolution, leaving room for improvement.
  • the gas-liquid mixing nozzle 10 of the present embodiment the gas can be efficiently dissolved.
  • the gas can be dissolved more efficiently when the gas-liquid mixing nozzle 10 is passed through the gas-liquid mixing nozzle 10 with the same amount of water / gas as compared with the conventional method. More specifically, the amount of dissolved gas can be increased both when the same pressure (pump power) is applied (see FIG. 4) and when the gas flows at the same flow rate.
  • an appropriate pressure can be determined from the solubility and dissolution rate of the gas to be mixed in the liquid.
  • the pressure can be determined to be about 0.1 MPa for a gas which is easily dissolved, about 0.3 MPa for a gas which is hardly dissolved, and the like.
  • the thickness of the throat 12 is determined by Bernoulli's formula (Bernoulli's theorem). It is preferable that the length of the throat portion 12 is longer because the gas-liquid reaction time becomes longer.
  • the ratio of the second length L2 to the second inner diameter ⁇ 2 of the throat portion 12 is 30 or less. According to this configuration, it is possible to further increase the required energy (such as the power of the pump) while increasing the amount of dissolved gas with the same pump power. Therefore, the total energy efficiency is excellent.
  • the ratio of the second inner diameter ⁇ 2 of the throat portion 12 to the first inner diameter ⁇ 1 of the inlet portion 11 is 0.15 or more and less than 0.2. According to this configuration, the gas can be suitably dissolved in the throat 12.
  • the effect of the angle of the inlet portion 11 (the angle formed by the reduced end face 11b) on the dissolution efficiency was not or little different between 90 degrees and 180 degrees. In that case, it is considered that the smaller the angle of the inlet 11 is, the smaller the energy loss is.
  • the angle of the inlet 11 is small and the inner diameter is the same, it is considered that the loss increases as the length of the inclined portion increases. Therefore, as shown in FIG. 2, energy loss can be suppressed by providing a configuration including a chamfered portion 16 formed at a corner between the inlet portion 11 and the throat portion 12.
  • the chamfer 16 is formed, for example, over the entire circumference of the annular corner.
  • the chamfered portion 16 may be round or angular.
  • the radius of curvature R of the chamfered portion 16 is represented by, for example, the following equation (1).
  • ⁇ 1 ⁇ 2 corresponds to the radial length of the reduced end surface 11b.
  • the test apparatus 100 has a water tank 101 for storing water W, an inflow pipe 102 and a return pipe 104 connected to the water tank 101, and a pump 103 provided therebetween.
  • the gas-liquid mixing nozzle 10 according to the example (or the gas-liquid mixing nozzle according to the comparative example) is incorporated in the inflow pipe 102.
  • the inflow pipe 102 is provided with a pressure gauge 106 between the gas-liquid mixing nozzle and the pump 103.
  • the return pipe 104 is provided with a flow meter 107.
  • the water tank 101 is provided with a DO meter 108 for measuring the dissolved oxygen (DO) of the water W in the water tank 101 and a thermometer 109 for measuring the temperature of the water W.
  • DO meter 108 includes DO sensor 108a immersed in water W.
  • the thermometer 109 includes a temperature sensor 109a immersed in the water W.
  • the water tank 101 was installed under open air.
  • the capacity of the water tank 101 was 18 L. Air was supplied from the gas inlet at a flow rate of 100 ml / min.
  • the DO at the start of the measurement was 1.5 mg / L.
  • the conditions for calculating the overall oxygen transfer capacity coefficient (KLa) were calculated by extracting (extracting) a DO value of 5 to 7 mg / L and using the following equation (2).
  • C 1 DO concentration after t1 hour (mg / L)
  • C 2 DO concentration after 2 hours t (mg / L) (Exhibition: https://www.jstage.jst.go.jp/article/jriet1972/11/10/11_10_739/_pdf)
  • First length L1 42.4 mm Breakdown of the first length L1: The length L1a of the cylindrical portion: 20 mm, the length L1b of the tapered portion: 22.4 mm Second length L2: 5 mm Third length L3: 20 mm First inner diameter ⁇ 1: 20 mm (inner diameter of cylindrical part) 2nd inner diameter ⁇ 2: 4mm Third inner diameter ⁇ 3: 20 mm Angle ⁇ : 40 degrees Angle ⁇ : 180 degrees
  • Example 1 was tested three times, and Comparative Examples 1 to 3 were each tested twice.
  • the test results are shown in Table 1 and FIG. FIG. 4 compares the pump power and KLa.
  • Example 1 As shown in Table 1 and FIG. 4, in Example 1, a higher KLa value was obtained as compared with Comparative Examples 1 to 3 when compared with the same pump power.

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Abstract

気液混合ノズルは、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、を備える。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。

Description

気液混合ノズル
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 ここで、Ｃ１：ｔ１時間後のＤＯ濃度（ｍｇ／Ｌ）
　　　　Ｃ２：ｔ２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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　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 (4)

  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または２に記載の気液混合ノズル。
  4. 　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１～３のいずれか一項に記載の気液混合ノズル。
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