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JP4786775B2 - 反応器の液体を攪拌しこの液体にガスを注入する装置 - Google Patents

反応器の液体を攪拌しこの液体にガスを注入する装置 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明の主題は、反応器の液体を攪拌しこの液体内にガスを注入する装置であり、反応器の上に配置され、垂直出力軸を備え、その端に液体に浸された少なくとも１つの軸流流動組立体を有する駆動装置を備える。
【０００２】
【従来の技術】
液体内に注入されるガスは酸素の割合が２０から１００％に変化する酸化されたガスか、二酸化炭素、オゾン化ガス、バイオガスなどのいずれかであり得る。ガスが注入される液体は、特に産業廃水の生物学的処理に使用される反応器に配置され、その高さは一般に２から10メータ深さで変化する。
【０００３】
以下において“反応器”は自然な“深ざら”（潟、池、湖など）および壁が比較的互いに閉じたあるいは遠く離れている、上空間が閉じたあるいは開いている“タンク”の両方を意味する。これらのシステムがガスを注入されることを可能にする反応器は全般的に活性化されたスラッジを含む。それ故これらの反応器は自然の深ざらであってもよく、あるいは接近して間隔を置いた壁を有する上空間開放の反応器、または圧力をかけてもかけなくてもよい閉じた反応器であってもよい。
【０００４】
水の生物学的処理の分野において、ガスが表面また深ざらの底に注入されることによる種々の型のシステムが知られている。例えば、ブラシが攪拌を起こすことにより液体内に空気が移送されることを可能にする表面タービンがある。このような装置は小さな水深のためにのみ使用され得るものであり、限定された酸化容量を有する。
【０００５】
ＰＲＡＸＡＩＲテクノロジ会社からの特許ＥＰ−0 583 509は、中空軸に置かれその運転中伴出するプロペラと、ガスおよび液体が浸漬されたカバーの下に置かれ、渦が液体の表面から生じることにより主として特徴付けられたシステムを開示する。このように形成されたガス/液体混合物は下方向に推進される。ガスはカバーの半径全体にわたって対応している作用の半径内に溶解されない上昇である泡立ちを起こし、ガスはカバーで再注入されるように集められる。供給ガスの入力および排出はカバー内の液体の最適レベルと同様に、カバーの下で一般に圧力により調整される。
【０００６】
述べられた移送効率は非常に良いが、このシステムの限界は主に以下である：▲１▼カバーのそれと同様な半径と水の比較的小さな深さに制限された作用領域、▲２▼ＣＯ２、Ｎ２および活性化されたスラッジ応用の場合に生物学的活性化から発生する他のガスを有するガス相の豊富さ、および排気を行う必要がＯ２の損失を起こすこと、▲３▼カバーの下での圧力調整の複雑さ、▲４▼高圧でのガスの使用：以下のＶＳＡまたはＭＰＳＡ（圧力下であるいは真空再発生で吸着により運転しているオンサイト製造ユニット）でブースターを使用する必要。
【０００７】
ガスの注入と攪拌手段を有する多孔性の“底”システムも知られている。これらのシステムは固定されかつ限定された酸化容量を有し塞がりやすい。最後にジェットまたはブランド名“Ventoxal”により知られたガス（酸素富化空気または純粋酸素）の注入装置を備えた他の“底”装置がある。出願人により開発された“Ventoxal”システムはポンプと、ベンチュリー型注入システムと、流れ分配機およびエジェクタ/ノズル対からなり、ガス注入圧力が水深に依存し、主に1.5×10５パスカル絶対値より大きく存続する。得られる攪拌は深ざらの底に満足であるが、体積の残り物において平均であるかも知れない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
発明の目的は、液体にガスを効果的に移送することを可能にし、粒子が浮遊状態に置かれることを可能にしかつそれを保持する攪拌を確保する、上述された型の液体を攪拌しこの液体にガスを注入する装置を提案する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、駆動装置の出力軸はまた液体に浸かった自動吸引タービンを支持しかつ出力軸により駆動可能であり、出力軸はその上端で駆動装置に結合され下端がタービンに開いているシリンダにより同軸に囲われ、シリンダの上端にはガスを軸およびシリンダにより限定された環状空隙に注入するための孔が穿孔される。
【００１０】
駆動装置の出力軸はタービンとプロペラを同じ速度で駆動する。
【００１１】
タービンの回転は駆動装置の出力軸を取り囲んでいる中空のシリンダを通してガスを吸い込ませる。このタービンは半径方向にガス/液体分散を推進する。
【００１２】
装置はタービンにより半径方向に排出されたガス/液体分散をプロペラに向ける手段を備える。
【００１３】
発明の一実施例によれば、前記手段はタービンを取り囲み、タービンから半径方向に出る流れをプロペラの方向に向けるように輪郭を描かれたデフレクターを形成している環状のボックスと、半径方向に配置されかつデフレクターに固定されたカウンターブレイドを形成するほぼ垂直な板を備える。
【００１４】
前記手段は好ましくは出力軸により回転駆動される付加的な攪拌流動組立体、あるいは好ましくは軸と同じ速度で回転する任意の他の手段を備えてもよい。
【００１５】
タービンを取り囲むデフレクターはガス/液体分散をプロペラに向けて下方に押し、プロペラはガス泡を底に向けて推進し、深ざらの攪拌を許容しているポンピング液体の流れを発生する。カウンターブレイドは移送と攪拌の見地から性能を最大限にするように種々の液体およびガスの流れを向けることを可能にする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
発明は限定されない例の方法でその実施例を示す添付図面を参照して以下に記述される。
【００１７】
図に表された装置は反応器に液体Ｌの攪拌とともにこの液体にガスの注入を許容するように意図され、このガスは好ましくは酸化させられているが、排他的ではない。
【００１８】
装置は、液体Ｌの表面上に配置され、垂直に伸びかつ部分的に液体Ｌに浸漬された回転出力軸２を設けた、例えばモータの駆動装置１を備える。出力軸２はその下端３に液体Ｌに浸漬されたプロペラ４を装着される。軸２はまたプロペラ４および液体Ｌの表面間に配置された自動吸引タービン５を支持し、したがってタービンは反応器に浸漬されかつプロペラ４と同じ速度で出力軸２により駆動され得る。出力軸２はシリンダ６により同心的に取り囲まれ、シリンダはその上端でそれ自体知られた漏れ防止装置７の介在により駆動装置１に結合され、その下端６ａは軸２と同軸的にタービン５内に開いている。
【００１９】
自動吸引タービン５は水平方向に置かれた２つの重ねられた円盤８、９と、円盤８、９間に置かれかつそれらに固定された一組の半径方向の羽根１１とからなる。上の円盤８に突出カラーにより限定された中央孔１２が作られ、その孔内にシリンダ６の下端６ａが挿入され、それ故、前記孔１２の端とともに環状空間１３を限定している。
【００２０】
シリンダ６の上端には軸２およびシリンダ６により限定された環状空隙１５にガスを注入するため孔１４が穿孔される。オリフィス１４にガスを注入するシステムはそれ自体知られており再表示されない。
【００２１】
出力軸２は円盤８および９を軸方向に貫通し、一方下方の円盤９に固定されており、それ故駆動装置１が作動されるとき、軸２はタービン５およびプロペラ４を同じ速度で回転駆動する。タービン５の回転はシリンダ６の方法でオリフィス１４を通して到着しているガスの吸引を生成し、同時にタービン５およびシリンダ６間の自由にされた環状空隙１３を通して導入された液体の部分の吸入を生じる。このガス/液体分散は泡の集合体として証明され、その大きさは主として１００μｍと２ｍｍの間である。
【００２２】
装置はまた、タービン５によりその羽根１１間で半径方向に排出されたガス/液体分散をプロペラ４の方向へ向ける手段を備える。記載された実施例において、これらの手段はデフレクターを形成している環状のボックス１６を備え、それは軸２と同心の２つの重ねられた中央穴１７、１８を開けられ、下方の穴１８の直径は上方の穴１７のそれよりも実質的に大きく、タービン５の直径（ｄ）に略等しい。
【００２３】
ガス/液体分散をプロペラ４の方向へ向ける手段はまたカウンターブレイドを形成している一組の略垂直な板１９を備え、それはデフレクターボックス１６の周りに半径方向に配置され、かつボックスに固定される。この目的のため、各カウンターブレイド１９はデフレクターボックス１６の内側のある距離を越えて半径方向に挿入され、それはそれ自体知られた適当の手段、例えば溶接またはリベット留めによりボックスに固定される。カウンターブレイド１９はタービン５およびプロペラ４の周りに適当な数特定の角度間隔で配置され得る。プロペラ４の羽根の端が挿入されるであろう位置に切込み２１が、プロペラ４のレベルで各カウンターブレイド１９の内側縁に切り取られる。
【００２４】
カウンターブレイド１９は液体Ｌのレベルに略対応しているレベルからタービン５の直径ｄの0.7倍から12倍の全体の高さＨに亘って垂直方向に延在する（図１）。
【００２５】
記述された液体を攪拌しかつこの液体にガスを注入する装置は以下のように作動する。
【００２６】
駆動装置１がスイッチ投入されると、出力軸２は自動吸引タービン５および端末プロペラ４を同じ速度で回転駆動する。上部円盤８およびシリンダ６間の環状空隙１３に（図１の矢印により示したように）液体Ｌの部分があるので、ガスは孔１４を通して環状空隙１５に注入、即ち吸い込まれ、そこからそれはタービン５に向けて吸い込まれる。図１に２つの横からの矢印により示されたように、プロペラ４方向へ流れを向けるカウンターブレイド１９およびデフレクター１６の存在によって、少なくとも９０％の泡の分散が取り戻される。少なくとも２つの羽根４ａを備えているプロペラ４は、例えば１から５ｍ／秒の速度で深ざらの底に向かって泡の分散を推進する。適用された寸法および運転状態は泡が１０メータの深さに推進されることを可能にし、その間床の水平方向の速度は維持されており、それは深ざらの底の沈殿物の領域、即ち固体粒子の形成を防ぐまたは注意するに十分である（0.1ｍ／秒より大きいと言える）。
【００２７】
深ざらの底に投入された泡は、続いて中央軸２の周りの攪拌流動組立体（４、５）の周辺で上昇する。液体内でガス泡の存在する時間は（もし注入されたガスが酸化させられたなら）ガス相から液体相へ酸素の移送を確保するに十分である。酸素はこのようにしてバイオマス呼吸またはある混合物の酸化の目的のために使用される。
【００２８】
補償プロペラ４およびカウンターブレイド１９の存在により導入されたポンピングされた流れは、プロペラ４により放出されたパワー（モータ軸２に適用されたパワーの４０から９０％のパワー）に依存する半径内で拡散流動組立体４の周りの液体体積の攪拌を確保することを可能にする。この攪拌はスラッジおよびまたは固体粒子が浮遊状態に置かれることを可能にし、そのためプロペラ４により攪拌された全体積内のスラッジおよびまたは粒子の濃度が均質に減少されることを確保する。
【００２９】
オリフィス１４を通して注入されたガスが酸化させられているとき、活性化されたスラッジに酸素を移送しかつバイオマスを攪拌し、それによりスラッジの濃度を均質化することにより、上述の装置は産業または都市廃水の生物学的処理を行うことを可能にする。タービン５を取り囲むデフレクター１６はガス/液体分散をプロペラ４へ向けて下に押し、プロペラは反応器の底へガス泡を推進し、反応器の攪拌を許容している液体ポンピング流を生成する。カウンターブレイド１９は、移送および攪拌の見地から性能を最高にするように、種々の液体およびガスの流れを方向付けることを可能にする。
【００３０】
装置の実施例
タービン５の寸法
最適化の試みの後、タービン５の推定および寸法基準は以下（図１）の通りである：
Ｈ１＝0.1〜５ｄ（ｄはタービン５の直径である）
Ｈ２＝0.5〜２ｄ
Ｈ３＝0.1〜５ｄ
ｄ１＝0.01〜0.1＊ｄ（ｄ１はタービン５および各カウンターブレイド１９間の半径方向の距離である）
ｄ２＝0.01〜0.1＊ｄ（ｄ２は切込み２１および羽根４ａの端間の半径方向の距離である）
Ｌcp＝0.5〜２＊ｄ（Ｌcpは各カウンターブレイドの幅である）
Ｄh＝１〜２＊ｄ（Ｄhはプロペラ４の直径である）
図に示された例において、４つの数であるカウンターブレイド１９はタービンの軸線に関して半径方向に向けられる。それらは少なくとも２つであり、その輪郭はロータ（プロペラ）の幾何学的な形を抱き込む。
【００３１】
カウンターブレイドは接線方向の流れを容器の底方向に向けられた軸線方向の流れに変換するように付加された。それらの数は表面に向かって上昇しているガス/液体分散の完全な周囲領域に亘って分布する狙いで経験的に限定された。
【００３２】
これらのカウンターブレイドは液体の表面から始まり、タービンの直径の多くとも１２倍に等しい深さに下降されるのが有利である。表面に関するそれらの位置はタービンの停止に導く渦の形成を回避するために必要である。
【００３３】
ガス/液体分散を回復するためのプロペラに関して、羽根４ａの数は２から１２に変化する。それはガス/液体比の見地からタービンの作動範囲に関して閉塞の危険を制限するような方法で限定される。
【００３４】
ガス/液体分散の回復の率は、付加的な流動組立体２２（図２）、例えば２つまたはそれ以上の羽根を有するプロペラを付加することにより増加できる利点がある。この流動組立体２２は表示されたように出力軸２に固定されることができ、環状ボックス内の液体の周辺速度を増加することを可能にする。
【００３５】
タービンの運転パラメタは以下の通りである：
−液体のレベルおよびタービンの上部円盤間の距離である浸漬Ｉ
−回転の速度Ｎ
−ガス流量Ｑg
−ガス注入圧力Ｐg
これら運転パラメタの推定基準は以下の通りである。
【００３６】
−Ｉ/ｄ 0.01〜５：公称値＝0.4
−変形されたフルード数＝Ｆr＊＝Ｎ２＊ｄ２/ｇ＊Ｉ＝内部力/地球引力
Ｆr＊＝0.1〜２５：公称値＝1.1〜2.5
Ｆr＊ < 0.1 => 非常に弱いガス吸引
Ｆr＊ >２４ => 閉塞の危険
−消費パワー＝Ｎpパワー数でＮ３＊ｄ５＊Ｎp＝ｆ（Ｆr＊）
発明による申し出た装置の実行のモードは以下の通りである。
【００３７】
−連続運転：
−回転の固定速度での運転であり、ガス流量の調整は流体ラインに置かれた流量制御部材により行われる、
−可変速度および可変ガス流量の運転であり、タービンの運転の最適状態が常に保持される。
【００３８】
−交互/シーケンス運転：
ガスの注入と共に攪拌およびガスの注入なく攪拌の交互の相により、およびまたは可変速度での攪拌の交互の相により周期的に運転する。かかる運転はその十分な正当性を発見し、単一深ざら硝化/脱窒に関して特に興味がある。
【００３９】
運転状態の範囲は以下の通りである：
−吸収されたＫg02/ｋWhにおいて測定された正味特定入力（ＮＳＩ）は0.5〜８で変化してもよい。
【００４０】
−タービン５の吸引容量はこのタービンにより消費されるｋWh毎にガスの50Ｎm3/ｈに達してもよい。
【００４１】
攪拌速度は50〜1000回転/分である。
【００４２】
タービン５の浸漬/直径比は0.01〜５の値である。
【００４３】
変形されたフルード数は略0.1〜２５である。
【００４４】
深ざらにおける水深は通常２〜１０ｍである。
【００４５】
−プロペラ４およびタービン５間の消費パワー比は40/60〜90/10に変化されてもよい。
【００４６】
液体は以下の一つであり得る：活性化されたスラッジ、産業または都市消費廃水、“プロセス”水、海水、濃縮スラッジ。
【００４７】
上述のシステムは以下を含み得る。
【００４８】
−物理−化学分離プロセス（沈殿タンク、浮遊作用物、薄膜、フィルタなど）と結合された圧力のもとで作動しあるいはしない、閉じたまたは開いた生物学的およびまたは化学的反応器のいずれか、
−または排気の方法でガスの上空間内のガス内容物の制御を有する圧力の下で作動する生物学的およびまたは化学的反応器。
【００４９】
深い深ざら（水深７メートル位以上）、または既に装備された設備の場合、システムは“Ventoxal”のように空気または酸素型深ざら底移送システムとともに作動できる。
【００５０】
【発明の効果】
発明による装置は以下の利点を有する：
▲１▼低圧（0.7×10５パスカル絶対値から）でのガスの吸引が、外気または再圧縮工程なしにサイトで製造され、あるいは他の工程またはサイト使用ガスのプロセスから向けられた酸素の使用の吸引を許容する、
▲２▼バクテリアにより生成されるＣＯ２の再注入に帰することができるペーハー（ｐＨ）の問題を限定する、
▲３▼パワーが要求に合わせられる再結合流動組立体（４）が作動の広い半径を持ち、ガス/液体混合が深ざらの底に推進されることを可能にし、一方水深（７から１０メータ位）を考慮してさえ、攪拌の満足しうるレベルを達成する、
▲４▼ガスの攪拌および注入を緩和する可能性が前に示した運転の種々のモード（連続および交互/シーケンス運転）を許容する。
【００５１】
Ventoxalシステムと比較するとき、発明によるシステムは、ガスが外気圧または僅かに低い圧力で注入されることを可能にし、水深とガス流量によって少なくとも１０％〜５０％移送効率を増進できる。
【００５２】
システムは軸２に同軸に取り付けられたプロペラのように１つまたはそれ以上の軸流流動組立体を装着することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】液体を攪拌しこの液体内にガスを注入する発明による装置の実施例の垂直軸断面図である。
【図２】同様に異なった実施例として特に点線で示されたタービンを包んでいるデフレクターを示す図１の装置の正面図である。
【図３】図１および図２の装置のデフレクター内に配置された自動吸引タービンを表す斜視図である。
【符号の説明】
１…駆動装置、２…出力軸、４…プロペラ、５…自動吸引タービン、６…シリンダ、８，９…円盤、１２…中央孔、１３…環状空間、１４…孔、１５…環状空隙、１６…環状ボックス、デフレクター、１８…中央穴、１９…板、カウンターブレイド、２１…切込み

Claims (5)

  1. 容器内の液体を攪拌しこの液体内にガスを注入する装置であって、この装置は、駆動装置と、シリンダとを具備し、
    駆動装置は、容器上に配置され、下端を有する垂直な出力軸を備え、その出力軸の下端に液体に浸漬された少なくとも1つの軸流流動組立体を備え、
    シリンダは、上端と下端を有し、シリンダの上端を漏れを防止した状態で駆動装置に結合し、
    駆動装置の出力軸は、容器内に浸漬されかつ出力軸により駆動可能な自動吸引タービンを備え、この出力軸はシリンダにより同軸に囲まれ、出力軸とシリンダの間に環状空間を形成し、シリンダの下端は自動吸引タービン内に開いており、
    シリンダの上端は、出力軸とシリンダに形成された環状空間内にガスを注入する孔を備え、
    自動吸引タービンは、２つの重ねられた円盤と、円盤間に配置されかつそれらに固定された半径方向の羽根の組とを備え、２つの重ねられた円盤の１つは上方の円盤で、この上方の円盤にはシリンダの下端が挿入される中央孔を有し、シリンダの下端は前記中央孔の端部とともに、少なくとも部分的な環状空隙を形成し、この環状空隙を通って液体がタービン内に吸引されるようになっており、
    また自動吸引タービンにより半径方向に排出された分散ガス／分散液体を、軸流流動組立体の方向に向ける手段を備え、
    この軸流流動組立体の方向に向ける手段は、デフレクターを形成した環状ボックスを備え、自動吸引タービンを取り囲み、かつ自動吸引タービンから半径方向に出た流れを軸流流動組立体方向に向けるような形状に形成され、この環状ボックスの下面に形成された中央穴を備えており、
    更に、カウンターブレイドを形成するほぼ垂直な板が、半径方向に配列されかつデフレクターに固定された装置。
  2. 前記軸流流動組立体の方向に向ける手段がさらに付加的な攪拌流動組立体を備えている請求項１の装置。
  3. カウンターブレイドは数が少なくとも２つあり、かつ液体の表面のレベルに略対応しているレベルから垂直に延在し、全体の高さがタービンの直径の0.7倍から１２倍である請求項１又は２の装置。
  4. 軸流流動組立体がプロペラである請求項１乃至３のいずれかに記載の装置。
  5. プロペラの羽根が挿入されるようにカウンターブレイドに半径方向の切込みが切られた請求項４の装置。
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