(57)【要約】気体および液体のような２つ以上の流体を混合する方法が提供される。この方法は、この混合物にビキャビテーションを誘導して、流体の少なくとも１つを多くの比較的小さな単位に変化する工程、この小さな単位をこの混合物に均一に分布させる工程を包含する。好ましい実施形態において、キャビテーションを誘導する工程は、複数の凹凸（例えば、穴）を有して形成された回転ディスクを有するチャンバにこの混合物を導入する工程を包含する。このキャビテーションはまた、この混合物内のｖａｎ  ｄｅｒ  Ｗａａｌｓ引力を無力化して、混合を増強する。
2004530529.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つ以上の異なる流体を混合する方法であって、該方法は、以下の工程：
（ａ）一方の流体を他の流体に導入して、混合物を形成する工程；
（ｂ）該混合物にキャビテーションを誘導して、該流体の少なくとも１つを、多くの相対的に小さな単位に変化させる工程；および
（ｃ）該混合物に、該小さな単位を均一に分布させる工程、
を包含する、方法。
【請求項２】
請求項１に記載の２つ以上の異なる流体を混合する方法であって、前記流体の少なくとも１つが気体であり、ここで、工程（ｂ）において、該気体が、前記誘導したキャビテーションによって、多くの相対的に小さい泡に変化される、方法。
【請求項３】
請求項２に記載の２つ以上の異なる流体を混合する方法であって、一方の流体が、前記気体によって酸素負荷される、方法。
【請求項４】
請求項２に記載の２つ以上の異なる流体を混合する方法であって、前記混合物中の成分が前記気体によって酸化される、方法。
【請求項５】
請求項１に記載の２つ以上の異なる流体を混合する方法であって、前記流体が液体であり、ここで、該方法が、該液体の乳化を生じる、方法。
【請求項６】
請求項１に記載の２つ以上の異なる流体を混合する方法であって、前記流体の１つが、エマルジョンであり、そして該方法が、該エマルジョンのその構成成分への分離を生じる、方法。
【請求項７】
請求項１に記載の２つ以上の異なる流体を混合する方法であって、前記流体の１つが懸濁粒子を有する液体であり、ここで、該流体の別の１つが気体であり、該方法が、該液体から該粒子を分離するために、該粒子の起泡分離を生じる、方法。
【請求項８】
請求項１に記載の２つ以上の異なる流体を混合する方法であって、ここで、前記流体の１つが加熱気体であり、該流体の別の１つが液体であり、該方法が、該加熱気体から該液体への熱の移動を生じる、方法。
【請求項９】
請求項１に記載の２つ以上の異なる流体を混合する方法であって、ここで、工程（ｂ）が、複数の凹凸を有して形成される回転ディスクを有するチャンバに前記混合物を導入する工程を包含し、該回転ディスク上の該凹凸が該混合物中にキャビテーションを誘導する、方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の２つ以上の異なる流体を混合する方法であって、ここで、前記回転ディスク上の前記凹凸が、該ディスクに形成された穴である、方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の２つ以上の異なる流体を混合する方法であって、ここで、前記ディスクが周囲を有し、そして前記穴が、該ディスクの周囲に形成される、方法。
【請求項１２】
流体内の分子化合物を酸化する方法であって、該方法は、以下の工程：
（ａ）酸化剤を該流体に導入して、混合物を生成する工程；
（ｂ）該流体と接触する該酸化剤の全表面積を最大化するために、該混合物中にキャビテーションを誘導して、該酸化剤を多くの相対的に小さな単位に変化させる工程；および
（ｃ）該流体に該酸化剤の単位を均一に分布させて、該酸化剤と該分子化合物の分子との間の接触の確率を増加させる工程、
を包含する、方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の流体内の分子化合物を酸化する方法であって、該流体中の分子間のｖａｎ  ｄｅｒ  Ｗａａｌｓ引力を無力化して、前記酸化剤と該流体内の該分子化合物の分子との間の接触の確率をさらに増加させる工程、をさらに包含する、方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の流体内の分子化合物を酸化する方法であって、前記ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｗａａｌｓ引力を無力化する工程が、工程（ｂ）で誘導されたキャビテーションに該流体を供する工程を包含する、方法。
【請求項１５】
請求項９に記載の流体内の分子化合物を酸化する方法であって、ここで、該流体が燃焼されるための燃料であり、そして酸化されない場合に、該分子化合物が、該燃料の燃焼の際に、環境毒を生成する、方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の流体内の分子化合物を酸化する方法であって、ここで、該流体が、黒液である、方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の流体内の分子化合物を酸化する方法であって、ここで、該分子化合物が、硫化ナトリウムである、方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の流体内の分子化合物を酸化する方法であって、ここで、前記酸化剤が、酸素である、方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の流体内の分子化合物を酸化する方法であって、ここで、工程（ａ）が、空気を前記黒液に導入する工程を包含し、該空気が酸素を含む、方法。
【請求項２０】
気体と液体とを混合する方法であって、該方法は、該気体を該液体に導入して混合物を生成し、そして該混合物を、キャビテーションゾーンを通して移動させて、該気体を微視的な泡に変化させる工程を包含し、該キャビテーションゾーンにおいて、キャビテーションが該混合物中で導入される、方法。
【請求項２１】
請求項２０に記載の気体と液体とを混合する方法であって、前記気体の微視的な泡を該液体に均一に分配する工程をさらに包含する、方法。
【請求項２２】
請求項２１に記載の気体と液体とを混合する方法であって、該液体内の分子間のｖａｎ  ｄｅｒ  Ｗａａｌｓ引力を無力化して、該気体と該液体との混合を増加させる工程をさらに包含する、方法。
【請求項２３】
請求項１に記載の２つ以上の異なる流体を混合する方法であって、ここで、該液体の１つが燃料であり、そして該流体の別の１つが気体であり、該方法は、燃焼効率を高めるために、該燃料の霧化を生じる、方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（関連出願に対する参照）
本出願は、２０００年５月１７日に出願された、同時係属中の米国仮特許出願番号第６０／２０４，８３８号の出願日の利益を主張する。
【０００２】
（技術分野）
本発明は、一般的に、混合することに関し、より詳細には、工業的適用のために、異なる流体（例えば、気体および液体）または２つの異なる液体を混合するための方法およびデバイスに関する。
【０００３】
（発明の背景）
異なる流体（例えば、気体および液体）または２つの異なる液体を一緒に混合することは、多くの工業的適用を有する。例えば、酸素および液体の混合は、生物学的目的のための水の酸素化、および燃焼効率を高めるための燃焼の前の燃料の酸素化のような適用を有する。空気および液体の混合は、パルプおよび紙、織物、ならびに液体から懸濁した粒子材料を分離するための起泡分離として公知のプロセスにおける他の工業において使用され得る。工業用スタックガスを液体（例えば、水）と混合することは、環境汚染物質をそのスタックガスから、大気へのその放出の前に除くために有用である。異なる流体（例えば、油および水）の混合は、エマルジョンの作製において工業的用途を有する。さらに、既存のエマルジョンは、一旦それらが分解され離れると構成成分の再結合を妨げるための阻害剤として作用する別の気体または流体（例えば、メタン）とそのエマルジョンを混合することによって、その構成成分に分離され得る。
【０００４】
気体／液体混合の１つの特定の工業的用途は、パルプおよび紙工業であり、ここで、黒液（木材チップの蒸煮の副生成物である）が、しばしば、ボイラーにおける燃料として燃焼させられることによってリサイクルされる。このようなリサイクルは、経済的には効率的であるが、未処理の黒液が１リットル当たり４０ｇ以上もの濃さであり得る濃度の硫化ナトリウム（Ｎａ２Ｓ）を含むという事実から、放出の問題が生じる。結果として、未処理の黒液が燃焼する場合、そこに含まれる硫化ナトリウムは、二酸化ナトリウム（ＳＯ２）および硫化水素（Ｈ２Ｓ）に変換される。これらは、全還元型硫黄（ｔｏｔａｌｌｙ  ｒｅｄｕｃｅｄ  ｓｕｌｆｕｒ）（ＴＲＳ）化合物として公知である。ＴＲＳ化合物は、環境に対して非常に有害であり、従って、高度に調節され、ボイラースタックガスの成分として大気に放出されてはならない。従って、黒液は、しばしば、ＴＲＳ放出を減少または除去するために、燃焼される前に処理される。
【０００５】
燃焼前に黒液を処理する１つの方法は、気体／液体混合プロセスにおいてその黒液を空気と混合するかまたは攪拌ことである。このように混合する場合、黒液内の硫化ナトリウムは、化学的酸化／還元または空気中の酸素分子との「レドックス（ｒｅｄｕｘ）」反応において酸化され、それによって、チオ硫酸ナトリウム（Ｎａ２Ｓ２Ｏ３）に変換される。硫化ナトリウムとは異なり、チオ硫酸ナトリウムは、安定な化学状態で存在し、従って、処理された黒液がボイラーにおいて燃焼される場合、化学反応に関与しない。代わりに、チオ硫酸ナトリウムは、単に、ボイラーの底に沈殿し、ここで、それはスメルト（ｓｍｅｌｔ）として排出される。
【０００６】
一般的に気体および液体、特に空気および黒液を混合する先行技術の工業的方法は、気泡の形態の空気を黒液に導入し、そしてこの混合物を攪拌して空気の気泡を砕きそしてこの液体中にそれらの気泡を分布させる工程を包含する。もちろん、目的は、空気中の酸素分子が黒液中の硫化ナトリウム分子と化学的に反応する、つまり黒液中の硫化ナトリウム分子を「酸化」し、黒液の燃焼の間、それらを不活性にすることである。１つの先行技術のプロセスにおいて、このような混合は、液体を攪拌しながら、空気の気泡に衝突しそして切り刻む羽根を有する、回転式機械的ビーターで達成される。しかし、このようなシステムの問題は、より大きな気泡は、ビーターの羽根のサイズより小さなサイズに切断も切り刻まれもし得ないので、生じる空気の気泡のサイズに自然な下限があることである。従って、黒液と接触する空気の気泡の複合性の全表面積（ｔｏｔａｌ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  ｓｕｒｆａｃｅ  ａｒｅａ）は、厳しく制限される。結果として、空気の気泡内の酸素分子が、黒液内の硫化ナトリウム分子と接触し、そして酸化する可能性は、減少する。
【０００７】
一般的に先行技術の気体／液体混合方法、特に黒液酸化プロセスのさらなる悪化させる問題および限定は、混合装置の機械的ビーターの羽根によって作り出される気泡が、黒液中に均一に分布しない傾向があるという事実から生じる。代わりに、気泡は、それらの相対的に大きなサイズを一部原因とし、そしてこのプロセスの機械的性質を一部原因として、液体の相対的な空隙によって分離される気泡のポケットに塊となるかまたは濃縮する傾向ある。これは、さらに、空気の気泡内の酸素分子が硫化ナトリウム分子と接触するかまたは硫化ナトリウム分子を「見つけ出す」可能性を減少し、従って、酸化プロセスの効率を減少する。この非効率性に取り組むために、硫化ナトリウムを酸化するのに必要な空気の量を攪拌機に多くの回数注入し、そして酸化の可能性を増加させるために実質的に混合時間を増加させることが必要であり得る。しかし、酸化効率を増加するこのような力任せな（ｂｒｕｔｅ  ｆｏｒｃｅ）方法は、混合プロセスに必要とされる時間、エネルギー、および資源を実質的に増加し、従って、それ自体の非効率性を導く。
【０００８】
黒液の酸化に適用される先行技術の気体／液体混合方法の最後の限定は、液体内の分子が、ファンデルワールス引力として公知の弱い分子力によって互いに引き付けられるという事実によって課せられる。これは、相互に引き付けられる群に一緒に集まる分子を生じる。多くの場合において、酸化されるために気泡内の酸素分子と接触する必要がある硫化ナトリウムは、液体内の他の分子によってこのような群内に取り囲まれ得、従って、気泡および酸素分子との接触から遮蔽され得る。これらの場合において、硫化ナトリウム分子の酸化は、導入される気体の容積または混合プロセスの長さに関わらず、生じ得ない。これは、機械的ビーターの羽根によって液体に与えられるエネルギーがファンデルワールス引力を切断しそして補足された分子を自由にするのに必要とされるエネルギーよりもかなり少ないという事実に少なくとも一部起因する。次いで、実際に、液体内の分子ファンデルワールス引力は、従来の気体／液体混合技術を用いて酸化され得る黒液内の硫化ナトリウム分子の割合に物理的制限を課す。
【０００９】
従って、パルプ産業および製紙産業において、黒液の酸化に適切な気体／液体混合方法および装置により、先行技術のプロセスの問題点、欠点および制限を克服することの固有の必要性が存在する。より具体的には、異なる流体（この流体は、気体および液体である）、異なる液体などを混合する新しくかつ独特な方法（この方法は、非常に効率的である）により、短時間でかつ必要とされる最小のエネルギーおよび資源で実質的に完全な混合が得られ、そして酸化適用の場合において、分子のファンデルワールス引力により与えられる酸化効率における物理学的な制限を克服する必要性が存在する。この必要性は、本発明が主に関連する方法およびこの方法を実施するための装置を準備することである。
【００１０】
開示および議論を明瞭にするために、本発明は、本明細書中で主に、例えば、パルプ産業および製紙産業において黒液中の硫化ナトリウムのような環境汚染物質の酸化への適用の文脈において、議論されている。このような適用は、本発明を実施する最良の形態であるとして、本発明者によって考えられている。しかし、本発明の方法および装置は、実質的に任意の状況に適用可能であり、異なる流体が産業目的または商業目的のために共に混合されることが、理解されそして認められる。例えば、本発明は、種々のプロセスのためにパルプ産業および製紙産業のみにおいて適用可能であり、このプロセスとしては、ガス化前にミクロ混合する工程、直接接続したエバポレーターにおいて煙道ガスを黒液と共に混合する工程、芒硝および黒液を混合する工程、パルプ乾燥する工程、汚泥脱水する工程、酸素脱木質化、パルプをオゾンまたは他の適切な気体と共に混合することによってパルプを漂白する工程、ならびに回収ボイラー中での使用前の黒液の霧化が挙げられる。石油産業において、本発明は、特に、ミクロ混合を使用するタイトエマルジョン（ｔｉｇｈｔ  ｅｍｕｌｓｉｏｎ）の分離および重油の改良に適用可能である。食品加工産業において、本発明の混合方法論が、均一化、酸化、およびスパイス混合プロセスで適用される。環境産業における適用としては、液体もしくは液体成分の酸化／還元、濃縮およびエバポレーション、ＢＯＤおよびＣＯＤ還元、起泡分離、ならびに燃料通気（ｆｕｅｌ  ａｅｒａｔｉｏｎ）が挙げられる。従って、黒液の酸化の文脈における本明細書中での本発明の議論は、本発明の限定として解釈されるべきではなく、本発明を実施する好ましい実施形態または適用および最良の形態を示すだけのものとして解釈されるべきである。
【００１１】
（発明の要旨）
簡単に記載すると、本発明は、その好ましい実施形態において、制御された様式で流体中でのキャビテーションを機械的に誘導することによって異なる流体を共に混合する、独特でかつ高い効率の方法を含む。この結果および目的は、微視的なレベルの混合、１種の流体の別の流体全体にわたる均一な分布、および流体中の分子間でのファンデアワールス引力の無力化を得ることである。好ましい実施形態および最良の態様において、本発明は、パルプ産業および製紙産業において、黒液内の硫化ナトリウムのような環境的に有害な化合物を、機械的に誘導される制御されたキャビテーションを使用して黒液中の空気を混合することによって、酸化する方法を含む。この結果として、有害化合物が実質的に完全に酸化され、従って、黒液が燃焼される場合に、環境毒素が発生されないことが保証される。
【００１２】
本発明の方法論は、黒液を酸化する文脈において、空気をバブル形態で、黒液の流れ中に導入および混入して、黒液と空気バブルの混合物を形成させる工程を包含する。次いで、液体／空気バブルの混合物は、ハウジング内の円筒状チャンバ内に配置された迅速なスピニング回転子を一般に備える、ヒドロソニック（ｈｙｄｒｏｓｏｎｉｃ）混合器に入れられる。この回転子は、回転子の周囲に形成された、比較的浅いホール（穴）またはボア（口径）の１個以上のアレイに提供される。本明細書中でキャビテーションゾーン（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ  ｚｏｎｅ）として言及される空間（スペース）は、回転子の周囲とハウジングチャンバ内の円筒状の壁との間に形成される。
【００１３】
気体バブルおよび黒液の混合物がキャビテーションゾーンを通過する場合、微視的なキャビテーションバブルは、連続的に発生し、そしてスピニング回転子の周囲においてボアの作用によって、混合物中で崩壊する。用語「キャビテーションゾーン（ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ  ｚｏｎｅ）」は、回転子の外側周囲（ここで、ボアが、形成される）とハウジングチャンバの円筒状の壁との間の領域のことをいうために本明細書中で使用される。これは、最も激しいキャビテーション作用が発生する場所である。しかし、キャビテーションは、例えば、回転子の端または面とハウジングと端または面との間のレザバまたは領域のような空間以外の領域において、低い強度ではあるが発生し得る。従って、「キャビテーションゾーン」は、最も激しいキャビテーションの領域をいうために本明細書中で使用されるが、キャビテーションは、ヒドロソニック混合器の他の領域におけるあるレベルでは発生し得ないという意味として解釈されるべきではない。これらのキャビテーションバブルの崩壊は、強烈かつ連続的なキャビテーションをキャビテーションゾーン中の気体／流体混合物中で引き起こし、そしてこのキャビテーションのエネルギーは、この混合物中の空気バブルを、かなりより小さなバブルまたはユニットに破壊するように作用する。空気バブルの最小のサイズは、先行技術の混合器に限定されないので、この空気バブルは、このキャビテーションよって、無数の実施的に微視的なバブルに変形される。従って、黒液と接触する空気バブルの総表面積は、先行技術の混合器での総表面積よりも有意により大きい。増加した表面積により、空気バブル内の酸素分子が、黒液内の硫化ナトリウム分子と接触して、酸化するようになる可能性が高くなる。さらに、回転運動およびキャビテーションの効果により引き起こされたキャビテーションゾーン内での比較的激しい攪拌のために、これらの微視的な空気バブルは、黒液全体にわたって、完全かつ均一に混合され、これにより、酸素分子と硫化ナトリウム分子との間の接触の可能性がさらに増加する。最後に、キャビテーションゾーン内のキャビテーションによって混合物に与えられるエネルギーは、黒液内の分子間のファンデアワールス引力を対処するのに十分なエネルギーよりも高い。これにより、分子の塊を別々に引き離し、そして黒液内の他の分子によって被覆されるか、または遮蔽され得る硫化ナトリウム分子を自由にする。次いで、この自由にされた分子は、微視的な空気バブルの一つの中の酸素分子と接触させて、酸化するのに利用可能である。
【００１４】
微小バブルの作製および均一な分布、ならびにファンデアワールス引力の無力化の結果として、黒液の硫化ナトリウム成分の実質的に完全な酸化は、ヒドロソニック混合器内において達成される。（当然、少量の酸化はまた、混合器の外側、例えば、このシステムの供給管および放出管において生じ得る）。さらに、このプロセスは、回転子の回転速度および黒液中に最初に導入された空気の量を選択することによって、正確に制御され得、その結果、完全な酸化が、最小時間、ならびに最小のエネルギーおよび必要とされる最小の空気の導入により達成される。この全成果は、先行技術の機械混合器を用いて可能となるよりも、かなりより効率的で、高速で、かつより効果的である気体／液体混合プロセスである。一旦、黒液中の硫化ナトリウムが酸化されると、処理される黒液は、ボイラー中で燃焼され得、最小の環境毒素が、煙道ガス中で発生し、大気に放出される。
【００１５】
従って、空気と黒液のような異なる流体を混合する方法が、ここに提供され、この方法により処理して、先行技術の問題点および欠点を克服する。この方法は、高い効率および効果であり、黒液または他の溶液内の標的成分の一質的に完全な酸化を生じる。本発明の方法論の、これらおよび他の、特徴、目的、および利点は、添付の図面（この図面は、以下のように簡単に記載されている）と組み合わせて解釈する場合、以下に記載の詳細な説明を検討することによってより明らかとなる。
【００１６】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
前述したように、本発明の方法は、パルプおよび紙産業における黒液中の環境的に有害な化合物の酸化への適用についての内容で記載される。これは、好ましい適用および本発明を実施するベストモードを表す一方で、本発明が、異なる流体の混合が必要とされる場合はいつでも多数の他の適用を有することが理解される。これに関して、他の混合する環境における本発明の適用の多数の例が、黒液酸化へのその適用の詳細な説明に従って、記載される。
【００１７】
ここで、図面（類似の参照番号は、幾つかの図を通して類似の部品をさす）をより詳細に参照して、図１は、本発明を実施するためのハイドロソニック（ｈｙｄｒｏｓｏｎｉｃ）ミキサーの好ましい実施形態を例示する。ハイドロソニックミキサー１１は、内部円柱チャンバ１５を規定する円柱ハウジング１２を備える。例示の実施形態において、ハウジング１２は、端部板１４によってキャップされたケーシング１３から形成され、端部板１４は、ボルト１６でケーシングに固定される。しかし、明らかに、ハウジング１２は、例えば、２つの端部板によってキャップされた中央円柱殻部のような他の方法で形成されてもよい。
【００１８】
円柱ローター１７は、ハウジングの円柱チャンバ１５内に配置され、軸方向に延びる軸１８上に取り付けられる。この軸１８は、ローターのいずれかの側に、ベアリングアセンブリ１９内で軸受けされ（ｊｏｕｒｎａｌ）、このベアリングアセンブリ１９は次いで、ベアリングアセンブリハウジング２１内に取り付けられる。このベアリングアセンブリハウジング２１は、ボルト２２のような適切なファスナーによって、ハウジング１２に固定される。軸１８は、電動モーター４６のような動力手段に結合するために、ベアリングハウジング２１の１つから突出する（図２）。従って、ローター１７は、軸１８に結合されたモーター４６を起動することによって矢印２３の方向に、円柱チャンバ１５内でスピンまたは回転され得ることが分かる。
【００１９】
ローター１７は、比較的浅い穴または孔２４の形態で、１つ以上の円周方向に延びる不規則性のアレイを有して形成される外表面を有する。例示の実施形態において、ローター１７に、空洞２６によって分離された孔２４の２つのアレイが設けられ、この目的は、以下により詳細に記載される。しかし、孔の２個未満または２個より多いアレイが、ハイドロソニックミキサー１１の意図される適用に依存して、所望されるローターの外表面内に設けられ得ることが理解されるべきである。さらに、穴または孔とは別の不規則性もまた、設けられ得る。ローター１７は、円柱チャンバ１５に対して寸法決めされ、この円柱チャンバ内に、ローターは、ローターの外表面とチャンバ１５の円柱壁との間の空間（本明細書中で、空洞区域３２と呼ばれる）を規定するように収納される。
【００２０】
入口ポート２５は、ハウジング１２内に設けられ、この入口ポート２５は、ハウジング内で内部チャンバ１５に混合される流体を供給するためにある。供給導管３０は、入口ポート２５に結合される。液体供給導管２７は、黒液のような液体をハイドロソニックミキサー１１に供給するために供給導管３０に結合される。ガス供給導管２８は、液体供給導管２７を通して流れる液体流内に気泡の形態でガスを導入かつ飛沫同伴するために、液体供給導管２７と連結する。
【００２１】
黒液酸化の場合、この内容において本発明が記載されるが、黒液は、液体供給導管２７を通してポンプ上げされ、空気（酸素を含む）は、ガス供給導管２８を通して供給される。液体供給導管２７とガス供給導管２８との接合部において、黒液および空気は、黒液２９の流れの中に飛沫同伴された比較的大きな空気泡３１の形態でガス／液体混合物を形成する。黒液および空気泡のこの混合物は、示されるように、供給導管３０および入口ポート２５を通して、ハウジング１２の円柱チャンバ１５に方向付けられる。例示の実施形態において、入口ポート２５は、ベアリングアセンブリ１９上の過度の応力を防止するために、ローター１７上の液圧を同等にするために、ハウジング１２のいずれかの側に設けられる。しかし、この特定の構成は、本発明を限定せず、所望される場合、入口ポートの他の構成も設けられ得る。
【００２２】
出口ポート３５は、ハウジング１２内に設けられ、例示の実施形態では、孔２４のアレイの中間または間にあるローターの領域内の空洞区域３２と連結するために、ハウジングの円柱壁内に位置決めされる。この方法での出口ポート３５の位置は、ガス／液体混合物の全容量が孔２４のアレイの少なくとも１つを移動し、従って、ハイドロソニックミキサー１１を出る前に空洞区域を通して移動することを確実にする。さらに、ローターの空洞２６と整列した内側チャンバ１５の領域内の出口ポート３５の位置は、出口ポート３５が孔２４のアレイと整列される場合に起こり得る空洞損傷を防止する。出口導管３３は出口ポート３５に結合され、これは、ハイドロソニックミキサー１１から処理された黒液および過剰の空気を受け取り、そして処理された黒液からの過剰な空気の分離および処理された黒液の後の使用のために離れた位置にそれを送達するためにある。
【００２３】
作動中において、図１のハイドロソニックミキサー１１は、本質的に以下のように、黒液内の環境的に有害な化合物を酸化するために機能する。多くの他の化合物の中でも、環境的に有害な化合物である硫化ナトリウムを含む黒液が、液体供給導管２７を通して供給導管３０にポンプ上げされる。空気は、ガス供給導管２８を通して、黒液の流れに供給され、空気および黒液は、黒液２９内に飛沫同伴された比較的大きな空気泡３１から構成される混合物を形成する。この黒液／空気泡混合物は、供給導管３０を通して移動し、ローター１７のいずれかの側の供給ポート２５を通してチャンバ１５に入る。
【００２４】
この混合物は、供給ポート２５から高速で回転しているローター１７の周囲に移動し、そしてボア２４領域中のキャビテーションゾーン３２に入る。以前に発行された本発明者らの米国特許第５，１８８，０９０号（この開示は、参考として本明細書中で援用される）にかなり詳細に記載されるように、キャビテーションゾーン３２内で、数百万の微視的キャビテーションバブルが、迅速に移動しているローター上ボア２４内、およびその周りで、この混合物中に形成される。これらのキャビテーションバブルは、不安定であるので、その形成後に急速に崩壊する。結果として、数百万の微視的キャビテーションバブルは、ローターのボア２４内、およびその周りで、連続的に形成および崩壊し、キャビテーション誘導衝撃波（強力ではあるが、局所的なプロセスにおいて、この混合物を介して伝播する）を生じる。
【００２５】
黒液および比較的大きな気泡の混合物が、キャビテーションゾーン３２の中へ移動し、そしてそこを通過する際に、この混合物中の気泡が、微視的キャビテーションバブルが形成するときに、この微視的キャビテーションバブルによって衝撃され、さらにこのキャビテーションバブルが崩壊するときに生じるキャビテーション衝撃波によって衝突される。このことは、比較的大きな気泡の、より小さな気泡への「細分」を生じる。より小さな気泡自身は、極めて迅速に起こるプロセスにおいてさらにより小さな気泡に細分されるなどである。気泡のより小さな気泡への縮小を引き起こすキャビテーションバブルは、微視的サイズであるので、先行技術の機械的混合方法に固有の生じる気泡サイズの実際的な下限は、存在しない。従って、最初の気泡は、キャビテーションゾーン内で、連続的に細分され、そして極めて小さい数百万の微視的気泡に縮小される。この結果、先行技術の混合方法において可能な黒液との総接触気泡表面積よりもかなり大きな黒液との総接触気泡表面積を生じる。結果として、気泡中の酸素分子が、黒液中の硫化ナトリウム分子を「見つけ」そして接触する可能性が、非常に大きくなる。
【００２６】
黒液と接触する空気の非常に大きな表面積を生じることに加えて、キャビテーションゾーン内の乱流キャビテーション作用を伴なうハウジング内のローターの迅速な回転運動は、非常に小さな気泡（非常に均一な様式で、黒液全体に分布するように作られる）を生じる。このことは、気泡内の酸素分子が、黒液内の硫化ナトリウム分子と接触する可能性をさらに増加する。この液体全体へのこのような均一な気泡の分布は、ローターを駆動する電気モーターによって消費された電流を観察することによって、確認されている。気泡が、黒液中に導入されるとき、この電流は、迅速に平衡点に達し、この平衡点は、黒液への空気の所定の流れに対して極めて一定に保たれる。気泡が均一に分布しなかった場合、モーターにより消費される電流は、このモーターが、黒液内で多かれ少なかれ均一に分布したバブルのポケットに遭遇したときに、ゆらぐ。従って、均一な電流の消費が、黒液全体へのバブルの均一な分布を確認する。
【００２７】
最後に、キャビテーションゾーン内での激しいキャビテーション作用は、黒液中の分子間の分子ファンデルワールス引力を破壊するか、または弱めるための十分なエネルギーを混合物に伝える。これは、黒液中の分子クラスターの破壊を生じ、これによって、この液体中の他の分子によって、包囲および遮蔽され得る硫化ナトリウム分子を放出する。次いで、これら放出された分子は、気泡中の酸素分子との接触に利用可能となり、これによって酸化される。従って、本発明の方法論はまた、分子レベルで黒液に影響し、黒液中の酸化される硫化ナトリウム分子を増強および増加する。
【００２８】
黒液を処理し、その環境に有害な化合物を、記載したように酸化した後に、これを、残留している気泡と共にチャンバー１５から流出ポート３５を通して流出させる。この時点で、黒液中の過剰の空気は、より大きな気泡へと迅速に凝集し始める。このより大きな気泡は、その浮力によって黒液から自然に分離する。酸化された黒液（これは、先行技術の混合プロセスを用いるよりも、実質的により少ない量の硫化ナトリウムを含む）は、受容できないレベルの上記のような環境毒素の生成なしに、通常の方法で燃料として使用され得る。
【００２９】
図２は、パルプ工業および製紙工業での工業的設定において、黒液を酸化するために、本発明の適用を簡略化した概略形式で示している。本発明によるハイドロソニックミキサー１１は、従来の電気モーター４６によって作動し、このモーターは、このミキサー内のローターを高速でスピンまたは回転させる。ホールディングタンク４１は、未処理の黒液４２を含む。未処理の黒液４２は、ホールディングタンク４１から、ポンプ４３によって、ハイドロソニックミキサー１１の流入ポートへ排出される。空気が、気体供給コンジット２８を通って黒液の流れに供給され、泡の形態で混入される。黒液の流れに供給される空気の体積は、バルブ４４によって制御可能である。黒液／気泡の混合物が、ハイドロソニックミキサー１１を通過するときに、黒液中の環境に有害な化合物が、酸化され、上記のように不活性にされる。次に、処理された黒液および過剰な空気３４が、貯留タンク４８に送られ、ここで黒液４９中の過剰な空気５１は、黒液の表面に浮遊することにより、自然に分離する。過剰な空気は、排気口５２を通って排気され得る。次に、残留黒液（その環境に有害な化合物が酸化されている）は、製紙プロセスに必要な場合に、熱を提供するための環境的にきれいな引続く燃焼のためにコンジット５３およびバルブ５４を通って貯留タンク４８から排出され得る。
【００３０】
上記のように、本発明の方法論は、パルプ工業および製紙工業における黒液中の環境に有害な化合物を酸化するという状況において記載した。しかし、この方法は、広範な種々の工業的プロセスに等しく適用可能であり、そのいくつかを以下に簡単に議論する。
【００３１】
１．酸化：用語「酸化」は、２つの化合物間で化学反応が起こる場合の、この２つの化合物間の相互作用をいうために本明細書全体にわたって使用されている。上に議論された黒液の酸化の場合のように、酸化は、酸素との化学反応を包含するが、本明細書中で使用される場合、用語「酸化」は、このような反応に限定するを意図せず、むしろ任意の元素および／または化合物間の化学反応を含むことを意図する。このような反応は、古典的酸化／還元反応および他の型の化学反応を含み得る。上に議論されるようなパルプ工業および製紙工業における黒液中の環境に有害な化合物の酸化は、酸化に関する本発明の１つの適用例である。他の例として、排水処理工業における生物学的酸素要求量（ＢＯＤ）および化学的酸素要求量（ＣＯＤ）の基準を満たし、その後、処理した排水を河川に廃棄すること、が挙げられるが、これらに限定されない。パルプ工業および製紙工業における黒液の酸化に加えて、白液もまた、漂白操作で使用するために酸化され得る。広範には、本発明の方法論は、物質または化合物（１以上の物質の必須の部分）間で化学反応が起こるような方法で、１つの物質が別の化合物と混合される、任意の状況に適用可能である。
【００３２】
（２．酸素化）  液体分子間に酸素分子がトラップされ、そしてファンデルワールス引力によって保持されるような様式で、酸素（または別の気体）を液体と混合することは、酸素化として公知である。酸素化は、気体分子と液体分子との間の化学反応が起こらずに、気体分子が液体中に溶解し、そして液体分子間に緩く保持される点で、酸化とは異なる。液体の酸素化は、例えば、ボイラーにおける燃焼効率を高めるための、燃料および燃料油の酸素化において、ならびに水生動物に必須の酸素を提供するための、養魚水槽および他の水生生物タンクにおける水の酸素化において、適用を有する。酸素化された飲料水もまた、多くの人の間で人気が出ている。
【００３３】
液体の効率的かつ効果的な酸素化は、大部分は酸化と同じ様式で、本発明の方法を用いてもたらされ得る。気泡の形態の空気が、酸素化されるべき液体に導入され、そしてこの混合物が、ハイドロソニックミキサーに導入され、このミキサー内で、これらの空気の気泡が、キャビテーション効果によって何百万もの微視的気泡に転換される。次いで、これらの微視的な空気の気泡は、液体全体にわたって均一に分布し、そして同時に、液体分子間のファンデルワールス引力が、キャビテーション効果によって弱められるかまたは遮断される。引き続いて、これらの分子がファンデルワールス引力によって再度クラスター化し始めると、空気または酸素分子が、液体分子のクラスター内にトラップおよび保持され、そしてこの液体が酸素化される。極度に小さな空気の気泡、均一な分布、およびファンデルワールス効果に起因して、本発明の方法論は、先行技術より大いに高められた酸素化効率を生じる。
【００３４】
（３．煙道ガスからの熱抽出）  いくつかの適用において、炉およびボイラーから出る煙道ガスから熱を抽出すること、ならびにこの抽出された熱を有益な様式（例えば、液体を加熱するため）で使用することが望ましい。熱い煙道ガスと液体との混合は、煙道ガスの熱を液体へと移動させる１つの方法である。他の方法（例えば、液体に浸漬された熱交換器に気体を通すこと）もまた、この目的を達成するために使用されてきた。本発明の方法論は、熱を熱い煙道ガスから液体へと移動させる際に、特に効率的である。このような適用において、熱い煙道ガスは、液体の流れに導入され、そしてこの混合物が、ハイドロソニックミキサー内に指向される。このミキサー内で、酸化および酸素化においてと同様に、煙道ガスは、液体全体にわたって均一に分布する。熱い煙道ガスの気泡と液体との間の接触の大きな複合面積に起因して、この気体の熱は、液体に効率的かつ効果的に移動される。従って、そうでなければ大気中に損失されるかまたは先行技術を用いては非効率的に移動される熱エネルギーは、この液体に移動され、そしてこの液体を加熱する。次いで、（今は冷却された）煙道ガスおよび（今は加熱された）液体が分離され得、そして煙道ガスが、大気に放出され得る。従って、本発明の方法は、煙道ガスの熱を回収および使用するための、高度に効率的かつ効果的なプロセスに適用され得る。
【００３５】
（４．起泡分離）  起泡分離とは、液体から分離されることが必要とされる懸濁粒子を有する液体に、空気（または別の気体）が導入され、そして混合されるプロセスである。一般に、空気分子および空気の小さな気泡は、一旦液体中に混合されると、この液体中の懸濁粒子を付着し、これらの粒子を液体の表面に浮遊させ、ここで、これらの粒子が除去され得る。起泡分離は、例えば、液体から懸濁繊維を除去するために、パルプおよび紙の産業において使用され得る。本発明の方法は、起泡分離に非常に適している。この適用のためにこの方法を実施する際には、空気が液体に導入され、そしてこの混合物が、ハイドロソニックミキサー内に指向される。このミキサー内で、空気の気泡が微視的な大きさに減少し、そしてこの液体全体にわたって均一に分布し、この液体から分離されるべき懸濁粒子をこれらの空気の気泡が付着する、より高い可能性を生じる。ハイドロソニックミキサーを出る際に、この液体は分離タンクに指向され得、このタンク内で、これらの粒子は、付着した空気の気泡の浮力の影響下で表面に浮遊し、そしてすくい取られ得るかまたは他の様式で除去され得る。
【００３６】
（５．類似しない流体の混合）  多くの産業的適用において、２つの類似しない流体（例えば、水および油）を混合してエマルジョンを形成することが所望である。コーキング材の作製ならびに油および水のエマルジョンの形成は、このような適用の例である。本発明の方法は、類似しない流体からエマルジョンを形成するために、効率的に適用され得る。より具体的には、流体の一方（例えば、水）が、他方の流体（例えば、油）の流れに導入され、そしてこの混合物が、ハイドロソニックミキサーに供給される。このミキサー内で、ローターを回転させることによって機械的に発生させられるキャビテーション気泡および衝撃波が、この液体に衝撃を与え、これらの液体を極度に小さなユニットまたは小滴に破壊する。次いで、これらの小滴が、このミキサー内の激しい攪拌によって、均一に一緒に分布する。これが、流体分子間のファンデルワールス引力の弱化または遮断と一緒になって、流体の小滴を互いに引き付けて「捕まえ」させ、密で均一なエマルジョンを形成する。
【００３７】
（６．乳化液体の分離）
いくつかの場合において、密なエマルジョン（ｔｉｇｈｔ  ｅｍｕｌｓｉｏｎ）をその成分液体に分離することが所望される。例えば、石油工業において、井戸からの石油は、油／水エマルジョンの形態を取り得、そしてさらなる処理の前に、この水を石油から分離することが必要となる。このことを達成する１つの方法は、気体（例えば、メタン）と、油／水エマルジョンとを混合して、石油と水分子との間のｖａｎ  ｄｅｒ  Ｗａａｌｓ引力を妨害することである。本発明の方法は、非常に信頼の置けかつ効率的な方法でこの目的を達成することが見出されている。より具体的に、気体（例えば、メタン）は、エマルジョンの流れに導入され、そしてこの混合物が、本発明によるハイドロソニック（ｈｙｄｒｏｓｏｎｉｃ）混合器に方向付けられる。この混合器において、エマルジョンにおける２つの流体分子の間のｖａｎ  ｄｅｒ  Ｗａａｌｓ引力が無力化され、そしてメタンガスが、微視的泡に変化され、そしてエマルジョンの均一に分布される。これらの条件において、メタンガス分子自体は、液体の一方に付着して、その液体の一方が他の液体と再結合することを防止し、それによってこのエマルジョンをその構成成分に分離し得る。次いで、この分離された液体は、従来の方法によって、別個に、取り出され得る。
【００３８】
（７．燃焼を増強するための燃料の霧化）
燃料が燃焼される前に燃料を霧化することは、熱および酸化剤にかなり大きな表面積の燃料を曝露することによって、この燃料の燃焼効率を増加させる。本発明の混合方法論は、燃料の霧化に十分適する。霧化適用において、気体（これは、燃焼をさらに増加させるための気体を含む酸素であり得るかまたは不活性気体であり得る）は、本発明によるハイドロソニック混合器中で燃料と混合される。この気体は、微視的泡にまで細かくされ、そしてこの流体に均一に分散される。次いで、この混合物は、ボイラーまたは他のデバイスに送達され得、このボイラーまたは他のデバイス中で、この燃料が燃焼され、ここで、非常に小さな液滴を含む霧化スプレーとして排出される。この燃料の燃焼効率は、それによって増加される。
【００３９】
本発明を、好ましい特定の実施例、実施形態、および方法論（これらは、本発明を実施する本発明者らに公知である最も良好な様式を表す）の点で、本明細書中に記載しそして開示してきた。しかし、本発明は、これらの例示的な実施形態に制限されず、そして多くの他の適用および変形が、本発明の範囲内で行われ得る。さらに、本発明の方法において使用される機械的に誘導されたキャビテーション効果のために本明細書中で例示したもの以外の構成を有するデバイスが、可能であり、この例示されたデバイスは、例示的な例証のみである。一般に、２つの異なる流体を混合する目的のために本明細書中に記載されるキャビテーション効果を生成し得る任意の機械的な装置は、本発明の範囲内にあると考えられる。開示された実施形態および方法論に対するこれらおよび多くの他の付加、欠失、および改変は、特許請求の範囲に記載される本発明の意図および範囲から逸脱することなく、当業者によって十分になされ得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、本発明に従って、ガスおよび液体のような異なる流体を混合するための装置の１つの好ましい実施形態を例示する部分断面図である。
【図２】
図２は、パルプおよび紙産業における使用のための黒液を酸化するためのシステムにおいて機能する図１の装置の概略図である。
【図１】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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