(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
槽体と、
槽体を横断するように延在し、槽体の内部を上下に区画するデッキ板とを備え、
槽体が、デッキ板と液面との間に空間部を確保するようにしてデッキ板から下方に液体を収容すると共に、空間部に連通して気体を空間部に流入させる気体流入口及び液体の注入口を備える液収容室と、デッキ板の上にあって、気液分離空間と気体流出口とを有し、気体から同伴液体を分離する気液分離室とにデッキ板によって区画され、
加えて、上部及び下部に開口を有し、上部でデッキ板を貫通して気液分離室に連通し、下部で液体に浸漬して液収容室の空間部を上下方向に延在する管体で形成され、管体の内側に液体を導入し、かつ管体の外側から下部の開口を介して管体の内側の液体に気体を流入させ、気体と液体とが緊密に混合し上方の気体域に流出する気体が液体を同伴するスーパージェットバブリング層を管体の内側に形成するようにしたジェットバブリング管と、
最外列のジェットバブリング管を側方から取り囲むようにして、槽体の側壁と最外列のジェットバブリング管との間の空間部に配置された筒状体で形成され、かつ筒状体を貫通する孔を備えた気体導入リングと、
上端部でデッキ板を貫通して気液分離室と連通し、下端部でジェットバブリング管より深く液体に浸漬するように上下方向に配設された管体で形成され、気液分離室で気体から分離された同伴液体を液収容室に戻す液下降管と
を備え、スーパージェットバブリング層における気体の液滴同伴速度が６〜８ｍ／ｓであり、スーパージェットバブリング層における気泡のホールドアップが平均して０．４〜０．６であり、ジェットバブリング管の下部の開口径が１０〜１５ｍｍであることを特徴とする排煙脱硫用ジェットバブリングリアクター。
【請求項２】
ジェットバブリング管内の気体の流量が、ジェットバブリング管の単位断面積当たり４，０００Ｎｍ３／ｍ２／ｈ〜１５，０００Ｎｍ３／ｍ２／ｈの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の排煙脱硫用ジェットバブリングリアクター。
【請求項３】
液体を攪拌する攪拌手段が液収容室に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の排煙脱硫用ジェットバブリングリアクター。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気体と液体とを高い接触効率で接触させて、気体と液体とを反応させたり、気体を液体に吸収させたり、気体を液体で増湿冷却したりする気液接触法及びその装置に関し、更に詳細には新規なジェットバブリング方式を利用した気液接触装置、即ちジェットバブリングリアクターに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
気体を液体に吸収させたり、気体と液体とを反応させたりする際に、従来から採用されている気液接触機構の主なるものは、充填層方式の気液接触機構及びスプレー方式の気液接触機構である。
充填層方式の気液接触機構では、塔又は槽に充填材を充填して充填層を形成し、通常、充填層の上部から液体を下向きに流し、充填層の下部から気体を上向きに流して、充填層内で気液接触させている。
スプレー方式の気液接触機構では、塔上部にスプレーノズルを設け、塔下部から気体を上向きに流す一方、スプレーノズルから液体を気体に向け噴霧して、噴霧した液体と気体とを塔内で気液接触させている。
【０００３】
しかし、充填層方式の気液接触機構は、気液接触効率が比較的高いものの、偏流等の問題から大規模な装置には不向きである。一方、スプレー方式の気液接触機構は、構造が簡単なものの、気液接触の効率が低いために気液接触部の容積が大きくなるという欠点がある。
しかも、両者とも、充填層の面積当たり大きな流量で液体を流下させたり、また気液接触部の面積当たり大きな流量で液体をスプレーしたり必要があるので、大型の液体送入ポンプを必要とし、設備費と動力費が嵩み、更に液体としてスラリーを使用する場合には、摩耗によるトラブルが発生し易い。
【０００４】
そこで、高い気液接触効率を達成するために、スプレー方式や充填層方式の気液接触機構のようなガス連続相気液接触機構とは異なり、液側が連続相であることを特長とするジェットバブリング方式の気液接触機構を本発明者らは、開発し、実用化している。
以下に、ジェットバブリング方式の気液接触機構を備えたリアクター、即ちジェットバブリングリアクター（以下、簡単にＪＢＲと言う）について例を挙げて説明する。ＪＢＲ１０は、図７に示すように、上から順にそれぞれ槽体を横断するように設けられた気体出口室１２及び気体入口室１４と、液体を収容する下部の液体収容室１６とに区画されている。
気体出口室１２と気体入口室１４とは、槽体を横断して水平に伸びる上部デッキ板１８によって仕切られ、気体入口室１４と液体収容室１６とは、上部デッキ板１８にほぼ平行に伸びる下部デッキ板２０によって仕切られている。下部デッキ板２０は、液体２２の液面より上方に位置し、その間に気体流出用の空間部２４を形成している。
【０００５】
気体出口室１２は出口ダクト２６に接続し、その下の気体入口室１４は入口ダクト２８に接続している。また、液体と接触した後の気体（以下、液接触気体と言う）を空間部２４から気体出口室１２に流入させるガスライザとして、複数本のパイプ状の連通管３０（図７では、簡単に３本のみ図示）が気体入口室１４を貫通して、空間部２４と気体出口室１２とを連通させている。
多数のガス吹込み管（ガススパージャー）３２が、上端部で気体入口室１４に連通し、下端部で液体２２に浸漬するように下部デッキ板２０から下方に下降している。その下端部には多数の小さな開口が設けてある。
【０００６】
気体は、気体入口室１４を経て、ガス吹込み管３２から液体内に吹き込まれ、ガス吹き込み管３２の外側の液体内に微細な気泡となって流出し、液連続相気液接触領域であるジェットバブリング層を形成し、そこで気液接触する。その後、気体は、ガスライザー３０及び気体出口室１２を経由して系外に流出する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、気液接触を伴う反応を進行させる反応器、気液接触を伴う吸収を進行させる吸収塔をよりコンパクトな構造にするためには、より気液接触効率の高い気液接触機構を開発することが必要である。
そこで、本発明の目的は、従来に比べて、更に気液接触効率が高くなるような気液接触機構を備えたジェットバブリングリアクターを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、研究と実験を重ねた末に、気液接触効率の高い新規なジェットバブリング方式を開発し、本発明を完成するに到った。
【０００９】
本発明に係る排煙脱硫用ジェットバブリングリアクター（以下、ＪＢＲと言う）は、槽体と、
槽体を横断するように延在し、槽体の内部を上下に区画するデッキ板とを備え、
槽体が、デッキ板と液面との間に空間部を確保するようにしてデッキ板から下方に液体を収容すると共に、空間部に連通して気体を空間部に流入させる気体流入口及び液体の注入口を備える液収容室と、デッキ板の上にあって、気液分離空間と気体流出口とを有し、気体から同伴液体を分離する気液分離室とにデッキ板によって区画され、
加えて、上部及び下部に開口を有し、上部でデッキ板を貫通して気液分離室に連通し、下部で液体に浸漬して液収容室の空間部を上下方向に延在する管体で形成され、管体の内側に液体を導入し、かつ管体の外側から下部の開口を介して管体の内側の液体に気体を流入させ、気体と液体とが緊密に混合し上方の気体域に流出する気体が液体を同伴するスーパージェットバブリング層を管体の内側に形成するようにしたジェットバブリング管と、
最外列のジェットバブリング管を側方から取り囲むようにして、槽体の側壁と最外列のジェットバブリング管との間の空間部に配置された筒状体で形成され、かつ筒状体を貫通する孔を備えた気体導入リングと、
上端部でデッキ板を貫通して気液分離室と連通し、下端部でジェットバブリング管より深く液体に浸漬するように上下方向に配設された管体で形成され、気液分離室で気体から分離された同伴液体を液収容室に戻す液下降管と
を備え、スーパージェットバブリング層における気体の液滴同伴速度が６〜８ｍ／ｓであり、スーパージェットバブリング層における気泡のホールドアップが平均して０．４〜０．６であり、ジェットバブリング管の下部の開口径が１０〜１５ｍｍであることを特徴としている。
【００１０】
本発明に係る排煙脱硫用ジェットバブリングリアクターでは、気体と液体とを気液接触させることにより、目的に応じて、気体と液体とを反応させたり、気体を液体に吸収したり、気体を液体で増湿、冷却したり、気体を液体で減湿したりする。
本発明では、液体を収容したジェットバブリング管の外側から管下部の開口を介して気体を従来に比べて高速で管内側に導入して管内にスーパージェットバブリング層を形成させる。
管内の好適な気体の流量は、管体の単位断面積当たり４，０００Ｎｍ３／ｍ  ２／ｈ〜１５，０００Ｎｍ３／ｍ２／ｈの範囲である。
スーパージェットバブリング層を形成している領域から上方の気体域に流出する気体は液体を同伴するので、上方の気体域で気体から液体を分離し、気体を系外へ送り出す。一方、分離された液体は、液体層に戻す。
【００１１】
気体導入リングは、好適には、上端がデッキ板に連結され、下端がジェットバブリング管の下端より下方に延びて、運転中液体に浸漬しているようにする。断面形状は、円形でも多角形でも良い。気体導入リングと槽体側壁との間隔は、気体の流速を考慮して決めれば良く、好適には、気体流入口から離れるにつれて狭くなるようにするが、実用的には同じ間隔で良い。また、気体導入リングと最外列のジェットバブリング管との間は、最外列のジェットバブリング管への気体の流入に支障がない限り、特に制約はない。
貫通孔の寸法、個数及び分布は、気体が槽体の周方向に見てジェットバブリング管に向かって半径方向に一様な速度分布で流入するようにするば良く、必ずしも一様な分布で貫通孔を設ける必要はない。気体導入リングの上下方向の貫通孔の位置も、制約はなく、空間部の気液分離機能、ジェットバブリング管への流入の良否等を考慮して決定すれば良い。貫通孔の形状も、制約はなく、円形でも楕円形でも、角形でも良い。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、実施例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
【実施例】
全体的構成
本発明に係るＪＢＲは、気体を液体中に従来に比べて高速（スーパー）吹き込み（ジェットバブリング）して液連続相で気液接触を行わせる。
以下に、ボイラー排煙を気体とし、石灰石スラリーを液体（以下、吸収反応液と言う）として気液接触させ、排煙中の亜硫酸ガスなどの有害物質を除去する場合のＪＢＲの構成の一例を挙げて、本発明に係るＪＢＲを説明する。
本ＪＢＲ５０は、図１に示すように、排煙中の亜硫酸ガスなどの有害物質を吸収するスーパージェットバブリング吸収部５４（以下、簡単に吸収部５４と言う）と、吸収反応液を収容し、吸収部５４で吸収した亜硫酸を中和、酸化し、石膏に転化する吸収反応液部５６（以下、簡単に反応液部５６と言う）と、気液分離部５８とを備える。
【００１３】
吸収部５４は、吸収反応液の液面上に設けられたデッキ板６４に上端が取り付けられ、下端が吸収反応液中に浸漬するように垂直に配設された多数のジェットバブリング管６６から成り、これらのジェットバブリング管６６の下端部には開口６８が設けられている。
排煙は、ジェットバブリング管６６の外側の空間部６２から開口６８を経て高速でジェットバブリング管６６の内側の吸収反応液へ流入し、その内部で気泡を多数発生させ、高性能気液接触領域であるスーパージェットバブリング層をジェットバブリング管６６の内側に形成する。
排煙中の亜硫酸ガスなどの有害物質が、このスーパージェットバブリング層で吸収、除去される。排煙は、図１に示すように、更に後で図５及び図６を参照して詳述するように、気泡状となってジェットバブリング管６６内の管壁近傍を上昇し、ジェットバブリング管６６の上端でスーパージェットバブリング層から離脱し、気液分離室５８を経て清浄なガスとしてＪＢＲ５０の外に排出される。
【００１４】
一方、吸収された亜硫酸を含む吸収反応液は、気液分離室５８で清浄化ガスから分離され、図１に矢印で示すように、ジェットバブリング管６６内の中央部及び液下降管７０を下降して反応液部５６に戻る。
反応液部５６は、適当な攪拌手段７２を有する固体懸濁液層であり、ここには石灰石スラリーが吸収剤として石灰石スラリーポンプ（図示せず）によって石灰石スラリー供給管７１を経由して供給される。更に、空気が酸化剤として気泡状で空気吹き込み管７４から供給される。排煙から吸収反応液に吸収された亜硫酸は、反応液部５６に収容された吸収反応液内で、石灰石と空気により、中和、酸化されて石膏となり、生成した石膏は上記攪拌手段７２で懸濁層中で緩やかに流動されつつ成長を続ける。
【００１５】
各部の詳細
空間部
空間部６２は、デッキ板６４と吸収反応液の液面との間の空間を言い、天井面はデッキ板６４で、側面はＪＢＲ５０の側壁及びジェットバブリング管の管壁で、下面は吸収反応液の液面で、それぞれ規定される空間であって、ジェットバブリング管６６（以下、原則として符号６６は省略する）がこの空間部６２を上下方向に延びている。
排煙導入ダクト３４を経由して流入する排煙は、空間部６２により各ジェットバブリング管に対して一様な流速分布に分散され、ジェットバブリング管下端の開口６８からジェットバブリング管の内側に高速で流入し、管内に泡出してスーパージェットバブリング層を形成する。
【００１６】
気体導入リング
入口ダクト３４から空間部６２を介してジェットバブリング管６６に排煙を導入する際、ＪＢＲの水平断面に対して排煙をできるだけ均一に分布するには、ＪＢＲの外周から排煙をリング状にＪＢＲ内に導き、数カ所から均等にジェットバブリング管に向け流入させることが望ましい。
そこで、本実施例では、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、円形の貫通孔７８を有する円筒状の気体導入リング７６をジェットバブリング管群を包囲し、上端でデッキ板６４に連結し、下端で運転中常時吸収反応液に浸漬するようにして、槽体と最外列のジェットバブリング管の間の空間部６２に設けている。
ガス導入リングの形状は、これに限ることなく、断面多角形でも良く、また、更に多数の貫通孔を設けても良い。
【００１７】
ガス冷却部
排煙が高温の場合には、入口ダクト３４とＪＢＲ５０の排煙導入口との間にガス冷却部５２を設け、そこで予め排煙を増湿冷却することもできる。ガス冷却部５２は、緩やかに断面積が拡大するガス導管で形成され、導管内にスラリー状の吸収反応液をスプレーするスプレーノズル６０を備えている。ガス冷却部５２では、高温の排煙とスプレーされた吸収反応液とが接触し、吸収反応液中の水が排煙中に蒸発して、排煙はほぼ飽和温度の４０〜６０℃まで増湿冷却される。
増湿冷却された排煙は、蒸発しなかった残部の吸収反応液を同伴して空間部６２へ流入する。
残部吸収反応液は、空間部６２で排煙から分離されて落下し、反応液部５６の吸収反応液層に即座に混合され、冷却された排煙のみが吸収部５４に入る。固形物を含む吸収反応液が、従来のように水平なデッキ板上を流れることなく、直接に反応液部５６へ流下するので、従来のように、固形物がデッキ板上に付着、堆積するという問題は生じない。
【００１８】
気液分離室
気液分離室５８でより効果的に気液分離を行うには、図２（ａ）に示すように、ジェットバブリング管の上方にキャップなどの気液分離板７９を配設し、重力による気液分離の前に衝突による気液分離を行わせることもできる。気液分離板の形状は、これに限らず平板でも、傘型でも良い。また、気液分離板の位置、大きさにも限定はない。
この気液分離室５８の天井部には、図１に示すように、スプレーノズルを多数配した洗浄装置５９が設けられ、水平なデッキ板６４を清澄な液で洗浄し、固形物（若しあれば）をスラリー化して流動化し、液下降管７０へ流し込むようにしている。
液下降管７０は、下端部がジェットバブリング管の開口６８より下方に達し、運転時には、吸収反応液に浸漬され、液シールがなされている。
ＪＢＲ５０の気液分離室５８を出た清浄なガスは、更にミストエリミネーターを経由してガス中の液滴を最終的に除去して煙突に送られ、大気へ放出される。
【００１９】
ジェットバブリング管
空間部６２の内部に垂直に配設されるジェットバブリング管は、上下端とも開放の管で形成されている。
ところで、空間部６２に排煙が流入しない状態では、ジェットバブリング管の下部を、好適には下端から上方に高さ約１００〜６００mmまでの部分を吸収反応液に浸漬させる程度の液量の吸収反応液が反応液部５６に収容されているので、流体的にはジェットバブリング管の下端が閉じられ、かつジェットバブリング管の内外の液面は等しい。
次に、排煙が空間部６２に充満するにつれて、空間部６２に接する吸収反応液の液面が下方に押し下げられ、ジェットバブリング管の外側の液面が下がるとともに管内の液面が上がる。
更に、空間部６２内の排煙の圧力が増大し、圧力が吸収反応液の液柱単位で浸漬深さになると、排煙がジェットバブリング管下部の開口６８から内側に流れ始める（図１で左端のジェットバブリング管を参照）。この時、ジェットバブリング管内に存在する液柱の深さ、つまりガス泡出時の浸液深、Ｈｂ（（図５（ｂ）参照）は、下記の式で表される。
Ｈｂ＝（１＋Ａｏ／Ａｉ）Ｈｓ                              （１）
ここに、Ｈｓ＝静止時の浸液深（図５（ａ）参照）、Ａｉ＝ジェットバブリング管全体の総断面積、Ａｏ＝空間部６２の横断面積である。
また、この時に必要な排煙の圧力、Ｐｏは、
Ｐｏ＝ρｌ（１＋Ａｉ／Ａｏ）Ｈｓ                          （２）
となる。ここにρｌ＝吸収反応液の密度である。
【００２０】
更に、空間部６２内の排煙の圧力が増大すると、液面がジェットバブリング管の下端から下方に押し下げられ、排煙の流路深が確保されて、所定の流量の排煙が流入する。この時、ジェットバブリング管の下端開口から管内の液柱側へのガスジェット流量、即ちジェットバブリング管外側から内側へのガス流量Ｑは、ガス入口速度分布が下端開口の周縁に沿って均一であるとして、下記の式で表現される。
Ｑ＝｛( ρl −ρv ）／ρv)｝0.5 ∫ c｛2g(H−X)｝0.5Lp(x)dx（３）
ここに、ρl ＝吸収反応液の密度、ρv ＝排煙の密度、c ＝定数、g ＝重力加速度、H ＝ガス流路深、X ＝ガス流路内での管下端からX 距離、Ｌｐ（ｘ）＝ガス流路幅（ｘの関数）であり、積分範囲は、ガス流路が下端開放の場合は０〜H までであり、下端にスカートがある時は、ｈｓ（スカート高さ）〜H ＋ｈｓである。
【００２１】
緊密に混合してなるジェットバブリング層の形成
さて、ジェットバブリング管内に緊密に混合してなる、安定したジェットバブリング層（以下、緊密に混合してなる、安定したジェットバブリング層を、単に「安定したジェットバブリング層」と言う）を形成するには、先ず、吸収反応液が圧力の高い管内から開口を通じて管の外側へ戻ろうとするのを外から内に押し返すだけのエネルギーを、排煙が保有しなければならない。つまり、空間部６２内の排煙の圧力が、（２）式のＰｏより高いことが必要である。
実験研究を続けた結果、安定なジェットバブリング層を形成する条件として、上述の排煙の圧力条件に加えて、更に本発明者らが見出した第一の条件は、従来のように多孔質の散気板を用いて初めから小さな気泡を生成させるのでなく、排煙を大きなガス塊にして噴出し、これを吸収反応液と衝突させて多数の小さな気泡に分散させることこそが、安定なジェットバブリング層を得る要諦であるということである。特に、スラリーのように固形物を含んでいる液にガスを気泡状に吹き込む時には、大きな開口面積にもかかわらず小さな気液が生ずるこのジェットバブリング方式が効果的であることは容易に納得できるであろう。
ガス塊の径は気液の性状にある程度依存するのであるが、排煙脱硫の場合では、一般に、分散した気泡径が約２〜３mmになることから、ガス塊は当然これより数倍大きい径となる。つまり、気泡の５倍の径、即ち径１０〜１５mm程度の開口径を有しておれば良い。
【００２２】
ジェットバブリング現象では、気泡のみならず吸収反応液の微粒子も発生するので、安定なジェットバブリング層形成のためには、第二の条件として、比重差から管外へ戻ろうとする微粒液滴を管外から管内へ戻すエネルギーを排煙が持っていなければならないことである。
第二の条件を満足するエネルギーは、ガスの液滴同伴速度６〜８ｍ／ｓとして知られている。
【００２３】
ジェットバブリング管の開口
いま、ガス開口が、図３（ｄ）に示すように、円管形ジェットバブリング管の下端管口で構成されるとすると、理論的には、ジェットバブリング管の下端開口の周縁全長に沿って、流路深さＨのドーナツ状ガス塊が生じる。管口で下端開口を構成した場合、計算によれば、上記二つの条件は、ほぼ満足されているので、管口で下端開口を構成した円管の形状が、機構的に最も単純なジェットバブリング管であると言える。
【００２４】
実際には、ドーナツ形状のガス塊は不安定であるから、ガス流路幅は、ガス流路深さと同じオーダーであることが望ましく、下端開口は、いわゆる櫛形形状の開口部として形成されることが望ましい。
取り扱う排煙の性状や吸収反応液の性状には幅があり、特にスラリーを吸収反応液として使用する場合には、閉塞のおそれがあるから、大きな寸法の開口が実際的であり、櫛形の場合、ジェットバブリング管の下端開口深さ、Ｈ（図３（ａ）参照）は、Ｈ＝０．０２５ｍ程度とするのが望ましい。
【００２５】
ジェットバブリング管の開口部の形状、寸法は、前述した第１の条件及び第２の条件を満足しておれば良く、好ましくは、開口径は前述のように１０〜１５mmの相当径を有しておれば良く、形状的には排煙によるジェットバブリング現象を発生させることができる限り、本発明では特に限定する必要はない。
形状については、管底面が開口した、いわゆる櫛形のスロット形状の開口６８ａ（図３（ａ）参照）に加えて、例えば管壁を貫通するように設けられた貫通孔状の開口６８ｂ（図３（ｂ）参照）があり、開口６８ｂの下方にスカート６８ｃ（図３（ｃ）参照）を有するものでもよい。図３（ｄ）に示すように、単に管を切断したような開口でも良い。
スカート６８ｃは、その長さＬを例えば１００〜５００mmと適当に長くして、ジェットバブリング管の下端より排煙が流出しないようにすれば、排煙の吹き出し速度は、開口の下端でも上記の臨界速度（６〜８ｍ／ｓ）を超えさせることが可能で（櫛形のスロット形状では水平方向のガス流速に２次曲線近似の分布があり、開口の下端では流速がゼロとなることに注目のこと）、ジェットバブリング層にスロッシングなどの液の揺動が起こらない利点はある。もっとも、スカートの部分はデッドゾーンになるので長期的には固形物が沈着するという欠点もあるので、トレードオフを考慮する必要がある。
スロット状の櫛形開口及び貫通孔状開口の場合、開口そのものの形状は、長孔で、隅については適当なアールをとったものが実用的であるが、丸孔、三角（上部にアールをとった台形を含む）孔、四角孔など、また、開口の配列も、上下には単段のほかに、二段あるいは三段など、左右には等間隔ピッチ配列の他に複数ピッチの採用などもあるが、これらは当業者の選択の範囲であって本発明では特に限定するものではない。
【００２６】
ジェットバブリング管の下端開口深さＨ（図３（ａ）参照）を２５mmとした場合、排煙は、ジェットバブリング管下端の開口から深さ約２５mmの排煙塊となってほぼ水平方向に管内に流入し、吸収反応液が充満している管内では排煙の浮力によって垂直方向に反転する。従って、管内側下部ではほぼ２５mm径のガス塊が存在する。
このガス塊は、浮力によって管内を管壁に沿って上昇しながら多くの気泡に分裂、分散する。気泡の径は、液の表面張力や粘度などによって定まり、約２〜３mmのものが大部分であるが、液との混合が十分に行われる前のものは、過渡的に不定形のガス塊の形状を示す。
【００２７】
ジェットバブリング層の高さ
生成した多くの気泡は、自己の浮力によって、あるいは排煙の圧力によってドライブされて吸収反応液を伴いながら管内を吹き上がる。管内の液の高さは気泡が含まれる分だけ動的に膨張して高くなるので、ジェットバブリング層の高さ、Ｈｊは、
Ｈｊ＝Ｈｂ／（１−Ф）                                  （４）
となる。ここに、Ｈｂ＝ガス泡出時の浸液深、Ф＝気泡のホールドアップである。Фはジェットバブリング層では平均して０．４〜０．６である。
この時に、ジェットバブリング管の外側で必要な排煙の圧力Poは、管内のジェットバブリング層が動的に膨張しても、相変わらず液相連続であるから、
Po＝ρl ｛(1＋Ai/Ao)Hs＋(Ai/Ao)H｝＋HjФρv             （５）
となり、泡出時に比べて少し大きくなる。
【００２８】
ジェットバブリング相の流動状態
水平方向に管内に流入した約２５mmの排煙塊は、吸収反応液が充満している管内で浮力によって上方へ方向を転じ、当初の排煙塊の径より２〜３倍大きい径のジェットバブリング塊（約５０〜７５mm）となって吹き上がり、次いで２〜mm径の気泡に分裂する。気泡は、管内ジェットバブリング層の高さＨｊに到達すると、ジェットバブリング相から分離し、ジェットバブリング層上方の気液分離室５８に集められる。
気泡に同伴された吸収反応液は、ここで気泡と別れ、下方に比重差で流下する。液の流れにはジェットバブリング流の約１０％の流路断面積を与えることが液の円滑な下降に必要である。そのためには、ジェットバブリング管の横断面で見て、管壁面に沿った幅５０〜７５mmの円環部分がジェットバブリング本体とすると、円環の内側の径約５０mmの円形部が液流部として機能する（図４参照）。従って、ジェットバブリング本体部と液流部とを考慮すると、ジェットバブリング管の直径は約１５０〜２００mmとするのが望ましい。
【００２９】
ジェットバブリング管の断面形状
一般的には、ジェットバブリング管の横断面形状は円形であるが、それは材料の入手容易性及び経済性が大きな理由であって、本発明はジェットバブリング管を特定の形状に限定するものではない。本発明では、例えば、ジェットバブリング管の横断面は、円の他に、楕円や卵形の曲線輪郭断面、あるいは三角形、正方形、五角形、六角形など多角形輪郭断面、更には溝（トラフ）形状の平板構造など任意の形状を採用することができる。
ジェットバブリング管の断面積が円形でない場合は、相当管径（＝４×断面積／浸辺長）を円管の直径とすることにより、円管と同様に取り扱うことができる。例えば、幅Ｗの平板構造は、相当管径は４×Ｗ／２＝２Ｗとなり、同じ間隙を有する円管に比べて性能的には粗な基本気液接触手段であると言える。
【００３０】
ジェットバブリング管の標準的寸法
以上の説明から、本発明の基本気液接触機構の単位手段、即ちジェットバブリング管は、標準的には、直径約１５０〜２００mmの円管で、下端から下方に２５mmのところをガス流路深さとして、排煙が流速約１０Nm／ｓで水平に管内の吸収反応液に噴出するものである。
実用規模の排煙脱硫装置は、多数のジェットバブリング管が必要であって、これらのジェットバブリング管をデッキ板から下方に延在させるようにデッキ板に配列することになる。
ジェットバブリング管は、その上端のところで水平なデッキ板を貫通して保持され、デッキ板上が気液分離室５８となる。
【００３１】
ジェットバブリング管の配置
円管からなるジェットバブリング管を水平なデッキ板上に配置するには、正三角形及び正方形配置の二つが標準的である。
デッキ板の直径Ｄｓと、管配置のピッチＰT と、管の数Ｎとの間には、管配置の際のデッドスペースなどを考慮した上で次の関係がある。
Ｎ＝Ｃ（ＤS ／ＰT ）2                                     （６）
ここに、Ｃ＝０．８６（正三角形配置）、０．７５（正方形配置）である。
管を最密に配置した場合は、ＰT ＝Ｄｊ（ジェットバブリング管の径）であるが、取付け上の制約もあり、実用的にはこのような配列は難しく、ＰT ＝１．２５Ｄｊとなることが普通である。
なお、ＰT ＝１．２５Ｄｊの時のジェットバブリング管の総面積とＪＢＲの断面積の比は、簡単な計算から０．４８〜０．５５となる。
【００３２】
ジェットバブリング管内の気液接触作用
以下、上下端で開口した径２００mmの円筒管を用いた最も簡単なジェットバブリング管を例にして、ジェットバブリング管内部における気液接触作用を詳述する。
図５（ａ）は排煙導入前のジェットバブリング管内外の吸収反応液の状態を示す（排煙の流入量、Ｇｓは、Ｇｓ＝０）。円筒管内外の液面は同じ高さにあって、ジェットバブリング管の下端は液面からＨｓの深さにある。
図５（ｂ）は少量の排煙（Ｇｓ＝約６０Nm3 ／ｍ2 ／ｈ）を導入した時の管内の状態を示している。管の外側の液面は、排煙の圧力によって管の下端より上に数mmの高さまで押し下げられ、排煙は、一旦、吸収反応液内に潜り、下端から径数mm程度の気泡群となって管内に上昇する。気泡群は、管の下端から内壁面近傍を旋回して上昇し、しかも、吸収反応液の中を相互に独立してゆっくり上昇するので、管内の吸収反応液は、ほとんど静止した状態を示す。Ｈｂは、管の内外の液面の差を示す。
【００３３】
図６（ｃ）は、更にガス量を増加させた時（Ｇｓ＝約４００Nm3 ／ｍ2 ／ｈ）の管内の状態を示している。管の外側の液面は、管下端より数cm下方に押し下げられ、排煙は下端周辺長の一部から径数cm程度の気泡塊となって管内に吹き込まれる。気泡塊は、管の下端面で圧力により押し潰され、径数mmの気泡がたくさん集まった気泡群となる。気泡群は、管壁の内壁面近傍を旋回して上昇しつつ、吸収反応液を吸引する。
この吸収反応液の液流は、Ｌ＝約５００ｍ3 ／ｍ2 ／ｈ程度の単位断面積当たりの流量Ｌで、矢印で示すように、最初は気泡と共に管内を上昇し、次いで気泡が上方のガス層へ離脱するにつれて下方に流れを転じ、管内の中央部に液下降流を形成する。下降した液流は、再び噴出気泡群に吸引され、液循環回路を管内に形成する。この状態は、従来的な気泡層に近い流動である。
【００３４】
図６（ｄ）は、更にガス量を増加させた時（Ｇｓ＝約４，２００Nm3 ／ｍ2 ／ｈ）の管内の状態を示している。管の外側の液面は、管下端より数cm下方に押し下げられ、排煙は下端周辺長のほぼ全長から径数cm程度の気泡塊となって管内に吹き込まれる。気泡塊は、管の下端面で圧力により押し潰され、径数mmの気泡群となる。気泡群は、管壁の内壁面近傍を急速に上昇する。上昇する気泡群には液がより一層強く吸引され、一方気泡群はこの液の流れに衝突して、気泡が更に小さく分裂する。この際、一部の気泡は合一するが、また液流と衝突して再分裂する。
液の流れは、Ｌ＝約８，４００ｍ3 ／ｍ2 ／ｈ程度の単位断面積当たりの流量Ｌで、気泡との衝突のために乱されて気泡群の中で液の上昇と下降を繰り返して、明快な液循環回路を形成しない。一方、気泡も一部が下降する液流に伴われる。従って、管内の気液の循環は不規則である。少量、例えば約２００mg／Nm3 程度の液滴が排煙に同伴されるが、気液分離室５８で分離され、デッキ板６４に開口している液降下管７０から再び反応液部５６へ戻される。
この段階の気液接触現象は、従来的なジェットバブリング現象とほぼ同じである。
【００３５】
図６（ｅ）は更に一層ガス流量を増加させた時（Ｇｓ＝約１４，１００Nm3 ／ｍ2 ／ｈ）の管内の状態を示している。吸収反応液の液面は管の下端より下数cmに押し下げられ、排煙は、下端周辺長のほぼ全長から気柱状ないし連続した気体塊の流れとなって管内に吹き込まれる。気柱塊は、管の下端面で圧力により押し潰され、数cmの気泡塊となる。気泡塊は、管内を急速に上昇する。上昇する気泡塊は吸収反応液に衝突して分裂し、多量の気泡群となる。一方、吸収反応液は、多量の気泡群により一層吸引されて、Ｌ＝約５３，４００ｍ3 ／ｍ2 ／ｈ程度の単位断面積当たりの流量Ｌになる。気泡群はこの液の流れに衝突して、気泡が更に小さく分裂する。この際、一部の気泡は合一するが、また液流と衝突して再分裂する。
吸収反応液の流れは、気泡との衝突のために乱されるが、気泡群の上昇速度が大きいので、液は管内では下降せず、大部分が排煙と一緒に管内を上昇して気液分離室５８に流出する。
気液分離室５８では、排煙の流速が急速に低下するので、排煙に同伴した吸収反応液は、排煙流から分離されて、一部が液降下管７０から流れ落ち、残部がジェットバブリング管内下部に戻り、矢印で示すように、大きな液循環回路を形成する。これが本発明のスーパージェットバブリング現象である。
【００３６】
以上の吸収反応液と排煙の混合層の状態は、主として排煙の流量Ｇｓによって定まるが、管下端のガス入口の形状によっても影響される。
排煙が管内に流入する開口の開口縁が上述のように簡単な直線状の場合は、大気泡塊が出来やすく、大気泡塊が上昇した後、吸収反応液がその空間に入り込み、排煙の出口が閉じられるため、排煙の管内への吹き出し方が間欠的になり、管内のジェットバブリング層も周期的な動きをし勝ちである。この現象は、開口縁を櫛形にし、始めから小さな気泡塊を作り、更に開口での排煙の流速を上げることにより、軽減される傾向にある。
ところで、本発明のジェットバブリング管内に拘束されたスーパージェットバブリング層では、この周期的な動きの波長は、ジェットバブリング管の直径の２倍程度の大きさに限定されるので、ジェットバブリング管が数多くあるＪＢＲでは、全体としては振動数としては大きくなり、準安定な流動性が達成される。逆にこの振動によって気液動きが激しくなるので、気液の接触効率が向上するという利点も存在する。
【００３８】
本ＪＢＲによる脱硫率
以上のように、本発明のスーパージェットバブリング気液接触機構は優れた気液接触効率を有する。次に、スーパージェットバブリング気液接触機構による脱硫率の向上を説明する。
本発明のような液相連続の気液接触層での脱硫率ηは、吸収反応液層での反応が速く、気相からの亜硫酸ガスの吸収速度が律速の場合、例えば、１９９６年１月丸善株式会社から刊行の「化学反応と反応器設計」の３４２ページに記載の次式（７）により求めることができる（この記載を本明細書に参考文献として引用する）。
η≒１−exp ｛−（ＫG ａπ／ＧM ）Ｚf ｝                （７）
ここに、ＫG ＝総括ガス容量係数（kgmol ／ｍ2 ／ｈ／atm ）、ａ＝比表面積（ｍ2 ／ｍ3 ）、π＝全圧（atm ）、ＧM ＝ガス流量（kgmol ／ｍ2 ／ｈ）、Ｚf ＝気液接触層高さ（ｍ）である。
ＫG は、ガス／液に固有の物質の拡散係数と、ガスと液の性状及び流動状態に影響される境膜厚さに依存し、ＧM が大きいと大きくなる。ＧM が大きくなると、境膜の厚さが小さくなるからである。本発明の場合は、ＫG ∞ＧM 0.5 程度であることが測定されている。ａは単位容積の中の気液接触面積の割合を示し、単位容積中の気泡容積、つまり空隙率Φに比例し、気泡の径Ｄp に反比例する。ＧM が小さい場合、例えばＧM ≦５０Ｎｍ3 ／ｍ2 ／ｈでは、ガスを送入するにつれて空隙率が比例的に増大し、一方気泡径はほぼ一定に保たれるので、ａ∞ＧM 程度となる。本発明のスーパージェットバブリング層ではジェットバブリング管に小さな径の気泡が既に最大密度に近く存在するので、ａ自体は大きな値であるが、ＧM への依存度は、それ程大きくない。測定によれば、ａ∞ＧM 0.32程度であり、全体としては、ＫG ａ∞ＧM 0.82程度である。（７）式の（ＫG ａπ／ＧM ）の項は、ＧM -0.17 に比例し、ガス流量の増大に従って、少しずつではあるが、小さくなる。
一方、本発明の場合、ジェットバブリング層がジェットバブリング管一杯に充満して、上部で気液分離室に連通するので、Ｚf は、ジェットバブリング管の高さに対応している。ガス側の圧力損失は、ジェットバブリング管の高さに空隙率Φを乗じた、ガス流量ＧM によらない一定値を示す。また、任意のガス流量ＧM に対して所定のηを得るには、ジェットバブリング管の高さを（７）式に従って変えれば良い。
【００３９】
本実施例のＪＢＲを備えた排煙脱硫装置を実際に運転して、亜硫酸ガスを２２００ppm 含む温度１２０℃の１０５万Nm3 ／ｈの排煙を処理したところ、計算通り、脱硫率は約９６％に達し、排煙の圧力損失は約２６０mmＨ2 Ｏであった。
排煙の増湿冷却に用いた工業用水は約５０ｍ3 ／ｈ、石膏スラリーの抜き出し量は約６０ｍ3 ／ｈ、石灰石スラリーの供給量は約３０ｍ3 ／ｈであった。酸化用空気は、モーター動力４２０kWの湿式（ナッシュ式）空気圧縮機を用いて１６，０００Nm3 ／ｈを水分飽和の状態でＪＢＲへ挿入した。また、約２００ｇ／ｌの濃度で晶析した石膏を含有するスラリーをＪＢＲの下部から抜き出しポンプ３６により抜き出し、石灰石スラリー供給管７１より石灰石スラリーポンプ（図示せず）で連続的にＪＢＲに補給した。
このＪＢＲ８２を使用して、約１１ヵ月にわたり連続的に運転した結果では、排煙のガス損失の増加は、殆ど認められず、また、１年後の開放点検において、ＪＢＲ８２内の固形物の堆積、沈積及び閉塞も殆ど認められなかった。
【００４０】
本実施例のＪＢＲの効果
以上、説明したように、本実施例のＪＢＲ５０は、従来の気液接触機構に比べて著しく高い気液接触効率で気体と液体とを気液接触させるので、例えば排煙脱硫処理に適用した場合、コンパクトな槽体で高い脱硫率を達成できる。
また、気体導入リング７６を設けることにより、槽体の周方向に見て一様な半径方向流速でジェットバブリング管に向け排煙を導入できるので、ジェットバブリング管の気液接触効率をＪＢＲ全体にわたり一様に高い効率に維持できる。
また、気液接触領域がジェットバブリング管６６内に限定され、相互に独立しているので、変動が少なく、安定した脱硫率を達成できる。
更には、吸収反応液等により排煙を予め冷却する場合、排煙は気液分離空間として機能する空間部６２（デッキ板と吸収反応液の液面との空間）に先ず導入されるので、従来のように、水平なデッキ板上等に固形物が堆積して排煙の流路が狭くなり、排煙の圧力損失が増大するなどの問題がない。
【００４１】
【発明の効果】
本実施例の記載を含めて本発明に関する以上の詳細な説明から明らかなように本発明のＪＢＲは、新規な構成のジェットバブリング機構を備え、以下に挙げるような利点を有し、効果を奏する。
第１には、従来型のスプレー塔や充填塔とは異なって大型の液体循環ポンプを必要とせず、しかも気液接触領域の高さが低く、容積効率が高いというジェットバブリング方式の特長を更に発揮できることである。すなわち、排煙を吸収反応液に吹き込む際の単位断面積当たりの排煙開口面積（開口幅×ガス塊深さ）をより大きくして、排煙導入速度を従来より更に高速にすることが可能になり、これにより気液接触効率の高いスーパージェットバブリング層を形成することができるので、ＪＢＲの槽体の横断面積を従来より小さくできる。また、スーパージェットバブリング層の高さが、従来のジェットバブリング層の高さ１〜２ｍ程度から３〜５ｍ程度に高くなるので、気液の滞留・接触時間がそれだけ増大し、よい小さい浸液深さで高い気液接触効率を得ることができ、気体の圧力損失を減少させ、従って気体送風機の所要動力をそれだけ低減させることができる。
第２には、本ＪＢＲでは、スーパージェットバブリング層がジェットバブリング管の内側に形成されるので、液体の流動領域は、ジェットバブリング管内に局所化され、流動領域がＪＢＲの全面に広がっている従来のＪＢＲに比べて著しく狭くなり、揺動つまりスロッシング（仮に地震などで誘起されて起こることがあっても）は従来に比して極めて小さく押さえられる。また、液体の流体的安定性があるので、気液接触効率の変動も小さくなるという利点もある。
第３には、気体導入リングを設けることにより、槽体の周方向に見て一様な半径方向流速でジェットバブリング管に向け排煙を導入できるので、ジェットバブリング管の気液接触効率をＪＢＲ全体にわたり一様に高い効率に維持できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るジェットバブリングリアクターの一例の構成を示す模式図である。
【図２】図２（ａ）は図１のＪＢＲと同じ構成を備え、かつ導入リングと気液分離板を有するＪＢＲの模式的縦断面図、及び図２（ｂ）は図２（ａ）の矢視Ｉ−ＩでのＪＢＲの横断面図である。
【図３】図３（ａ）から（ｄ）は、それぞれ、ジェットバブリング管の下部開口の例を示す斜視図である。
【図４】ジェットバブリング管内の液下降領域を示す管横断面図である。
【図５】図５（ａ）及び（ｂ）は、図１に示すＪＢＲの運転時のジェットバブリング管内の状態を示す模式的縦断面図である。
【図６】図６（ｃ）から（ｅ）は、図５（ｂ）に続いて、図１に示すＪＢＲの運転時のジェットバブリング管内の状態を示す模式的縦断面図である。
【図７】従来のＪＢＲの構成を示す模式図である。
【符号の説明】
１０  従来のジェットバブリングリアクター
１２  気体出口室
１４  気体入口室
１６  液体室
１８  上部デッキ板
２０  下部デッキ板
２２  液体
２４  空間部
２６  出口ダクト
２８  入口ダクト
３０  ライザー
３２  ガス吹込み管
５０  ジェットバブリングリアクター
５２  冷却部
５４  スーパージェットバブリング吸収部（吸収部）
５６  吸収反応液部（反応液部）
５８  気液分離部
５９  洗浄装置
６０  スプレーノズル
６２  空間部
６４  デッキ板
６６  ジェットバブリング管
６８  開口
７０  液下降管
７１  石灰石スラリー供給管
７２  攪拌手段
７４  空気吹き込み管
７６  気体導入リング
７８  貫通孔
７９  気液分離板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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