あなたの指先での事実:液体中のガス分散

2022 年 9 月 1 日 | スコット・ジェンキンス著、ケミカル・エンジニアリング・マガジン

ディフューザーを介して液体にガスを注入することは、化学プロセス産業 (CPI) における多くの作業の重要な側面です。 重要な用途には、さらなる反応（水素化、酸化、オゾン化など）のための反応ガスの液相への溶解のほか、飲料の炭酸化、発酵プロセスの刺激（図 1）、処理のための廃水の曝気、空気のストリッピングなどがあります。化学物質からの酸素、液体化学物質からの揮発性有機化合物 (VOC) の除去、燃料からの水分の除去など。 この 1 ページのリファレンスでは、物質移動速度、撹拌効果、機器の選択など、液体中のガス拡散の重要な側面に関する情報が提供されます。

図 1. ガス散布アプリケーションの例では、タンクの底にあるディフューザーバーが酸素を放出して発酵プロセスを刺激します。

スパージング システムの主な目的は、ガスから液体への物質移動効率 (液体に溶解している活性ガス成分の量と注入されるガスの量の比) を高めることです。 物質輸送効率が低いと、ガス注入率が高くなります。 この場合、ガス量の増加により、望ましい結果を達成するためのコストが増加します。 気体から液体への物質移動効率は、主に液相の物質移動抵抗によって制御されます。

高速かつ効率的な物質移動は微細気泡の伝播と相関しており、液体と接触する気体の表面積が増加します。

人工多孔質金属またはセラミック材料は、用途の要件に応じて微細な気泡を生成します。 多孔質材料により、非常に高い比表面積で大量のガスを通過させることができます。 たとえば、同体積の気体では、1 mm の気泡の気液接触表面積は 6.35 mm (1/4 インチ) の気泡の 6.35 倍になります [2]。

単位体積あたりの気体から液体への物質移動率は、KLa(C* – C) を使用して計算されます。ここで、KL は、拡散率、液体粘度、温度、混合に依存する液相物質移動係数です。 ; a は液体と接触する気泡の界面面積です。 C* は液体中のガスの飽和濃度です。 C はバルク液体中の濃度です。

高い表面積対体積比を有する小さな気泡を液体中に散布することにより、界面面積ａが増大し、気体の物質移動速度が向上する。 低純度ガスの代わりに高純度ガスが使用されるため、物質移動の駆動力 (C* – C) もガスの溶解速度に大きな影響を与えます。 例えば、純酸素による水中の飽和酸素濃度は空気よりも 5 倍高く、純酸素による酸素溶解速度は大幅に増加します。

スパージャーは、プロセスの設計と操作条件に基づいて選択されます。使用されるスパージャーのタイプと構成は、プロセスが連続プロセスであるかバッチであるか、ガス流量、タンク サイズ、機械的撹拌、操作などの要因によって異なります。圧力と温度。

建設資材。 金属製のスパージャーは高温、腐食性または酸化性の条件で使用されますが、セラミック製のスパージャーは穏やかな条件で十分です。

ガスの出口速度。 スパージャー表面でのガス出口速度は、スパージャーを選択するための重要な設計基準です。 出口速度に対する実際のガス体積流量は、タンクのヘッドスペース圧力 (PHeadspace)、スパージャーの液体ヘッド圧力 (PLiquid)、およびスパージャー エレメント全体の圧力降下 (ΔP) の合計である圧力 (P) を使用して計算されます。 スパージャーの最小表面積は、プロセスのガス出口速度制限に基づきます。

液相の機械的撹拌がない場合、静的スパージング操作の出口速度制限は最も低くなります。 液体がスパージャー表面に沿って高い強制速度を持つ撹拌タンクスパージングやダイナミックスパージングでは、ガス出口速度の制限が大幅に高くなり、同じガス流量に対してより小型のスパージャーが必要になります。 撹拌タンクスパージングと動的スパージングの出口速度制限は、それぞれインペラの速度と液体の速度に依存します。

アジテーション効果。 適切に設計されたスパージャーを使用することとは別に、ガスと液体の混合に重点を置くことが重要です。 化学プロセスの用途では、水素や酸素などの未反応の高純度ガスがシステムから排出されないように、反応容器が密閉されることがよくあります。 これらの用途では、反応器の運転条件に応じて、特別に設計された混合インペラが使用されます。 通常、1 つのインペラ タービンがスパージャーの上に配置され、ガス泡をせん断して分散させます。 ヘッドスペースガスを液相に取り込むために、液面での撹拌も必要になる場合があります。

ディフューザーのサイズ調整。 スパージャーのサイズは、多孔質スパージャー表面からの表面ガス出口速度に大きく依存します。 この値は、スパージャー表面積の平方フィートあたりの実際の立方フィート/分 (ACFM) から計算されます (ACFM/ft2)。 ACFM は、スパージャーで測定される液体の圧力と温度に基づいて計算されます (ACFM はガス圧力に基づいていません)*。

編集者注記 : このコラムのテキストの一部は、次の記事から転用されました: Air Products Inc.、Gas Sparging、Chem. 英語、2012 年 9 月、p. 21.

*追加の参考資料は、Mott Corp.、気液接触部品セレクターおよび設計ガイド、www.mottcorp.com です。