(57)【要約】【解決手段】  本発明は、気液接触器ならびに排水洗浄のシステムおよび方法に関する。特に、等間隔に離間された複数の平坦な液体ジェットを生成するノズルアレイを有する個別供給ノズルバンクに関する。液体ジェットは、気体による乱れを最小限に抑えるような形状を持つ。本発明の実施形態は、液体流入口および液体流出口、ならびに、気体流入口および気体流出口を含む複数のモジュールを備える気液接触器に関する。ノズルアレイは、液体流入口および気体流入口と連通している。ノズルアレイは、液体の補充を高速に行いつつ、気体流による乱れを最小限に抑えると共に気体流と液体流との間の相互作用を最大限に高めるような形状を持つ複数の平坦な液体ジェットを等間隔に離間させて生成する。【選択図】  図１
2012504044.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバと、
前記チャンバに結合されている気体流入口と、
前記チャンバに結合されている気体流出口と、
前記反応チャンバに結合されている流体プレナムと、
個別供給ノズルバンクと、
前記反応チャンバに結合されている気体流体分離器と
を備え、
前記個別供給ノズルバンクは、前記液体プレナムに結合されているノズルアレイを有しており、前記ノズルアレイは、実質的に平面的な液体ジェットを複数提供し、前記複数の液体ジェットはそれぞれ、平面シート状の液体を含み、前記複数の液体ジェットは、実質的に平行な平面内に位置している装置。
【請求項２】
前記流体プレナムは、少なくとも１つの側方チャネルに結合されている主要供給チャネルを有しており、前記少なくとも１つの側方チャネルは個別供給ノズルバンクに結合されている請求項１に記載の装置。
【請求項３】
複数の個別供給ノズルバンクをさらに備える請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記ノズルバンクは、
ノズルバンクと、
前記ノズルバンクに結合されている供給チャンバと
を有し、
前記チャンバは、
前記ノズルバンクに結合されている第１の側壁と、
前記ノズルバンクおよび前記第１の側壁に結合されている第２の側壁と、
前記ノズルバンクおよび前記第２の側壁に結合されている第３の側壁と、
前記ノズルバンク、前記第３の側壁、および前記第１の側壁に結合されている第４の側壁と
を含み、
前記第１の側壁、前記第２の側壁、前記第３の側壁および前記第４の側壁、ならびに、前記ノズルバンクは、前記ノズルバンクの反対側の端部に開口を持つチャンバを形成しており、前記開口は、流体が供給されるように構成されている供給管に結合されている請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記供給チャンバはさらに、挿入体を含む請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記供給チャンバはさらに、前記ノズルアレイの各ノズルに個別に液体流を供給するように構成されている複数の供給チャネルを含む請求項４に記載の装置。
【請求項７】
前記チャンバは、厚みが約１ｃｍ以上の範囲内である請求項４に記載の装置。
【請求項８】
前記チャンバは、前記ノズルバンクより上の高さが、約１ｃｍから約８ｃｍの範囲内である請求項４に記載の装置。
【請求項９】
前記供給管は、少なくとも１つの端部に開口を持ち、前記少なくとも１つの側方チャネルに結合されている請求項４に記載の装置。
【請求項１０】
前記供給管は、Ｏリングの封止部または溶接部によって前記少なくとも１つの側方チャネルに結合されている請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの側方チャネルは、第１の側方チャネルおよび第２の側方チャネルを含む請求項２に記載の装置。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの側方チャネルは、第１の側方チャネルおよび第２の側方チャネルを含み、前記第１の側方チャネルは前記供給管の第１の端部に結合されており、前記第２の側方チャネルは前記供給管の第２の端部に結合されている請求項４に記載の装置。
【請求項１３】
前記ノズルアレイは、複数の楕円形状のノズルを含む請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記複数の楕円形状のノズルは、短径が約０．５ｍｍから約１．５ｍｍの範囲内であり、長径が約０．７５ｍｍから約５ｍｍの範囲内である請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記複数の楕円形状のノズルは、短径が約０．６ｍｍから約１．０ｍｍの範囲内であり、長径が約１．５ｍｍから約２．５ｍｍの範囲内である請求項１３に記載の装置。
【請求項１６】
前記複数のノズルの切り込み深さは、０．０５４インチ、０．０５６インチ、０．０５８インチ、および、これらの組み合わせから成る群から選択される請求項１３に記載の装置。
【請求項１７】
前記装置は、モジュラー式の気液接触器を備える請求項１３に記載の装置。
【請求項１８】
前記ノズルアレイは、等間隔に離間している複数のノズルを含む請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
前記気体流入口からの気体は、並流方向に流れる請求項１に記載の装置。
【請求項２０】
前記気体流入口からの気体は、向流方向に流れる請求項１に記載の装置。
【請求項２１】
前記装置は、気液接触器、蒸留器、および、ジェットポンプ装置から成る群から選択される請求項１に記載の装置。
【請求項２２】
前記ノズルバンクおよび前記流動チャンバは、銅、ニッケル、クロム、スチール、アルミニウム、コーティング金属、および、これらの組み合わせから成る群から選択される材料を有する請求項４に記載の装置。
【請求項２３】
前記ノズルバンクおよび前記流動チャンバは、構造用ポリマー、ポリイミド、これらの合成物、および、これらの組み合わせのうち少なくとも１つを有する請求項１に記載の装置。
【請求項２４】
複数の個別供給ノズルバンクをさらに備え、各ノズルバンクはノズルアレイを有し、２つの隣接するノズルバンクのノズルはジグザグ状に配置されている請求項１に記載の装置。
【請求項２５】
前記ノズルアレイは、約０．１ｃｍより長く離間している少なくとも２つのノズルを含む請求項１に記載の装置。
【請求項２６】
前記ノズルアレイは、一列に並べられている複数のノズルを含む請求項１に記載の装置。
【請求項２７】
前記ノズルアレイは、約０．２５ｍｍ２から約２０ｍｍ２の範囲内の投影断面積を持つ少なくとも１つのノズルを含む請求項１に記載の装置。
【請求項２８】
実質的に平面的な複数の液体ジェットを提供する複数のノズルと、
前記複数のノズルに結合されている供給チャンバと、
前記供給チャネルに結合されている少なくとも１つの流入口と
を備え、
前記複数の液体ジェットはそれぞれ、平面シート状の液体を含み、前記複数の液体ジェットは実質的に平行な平面内に位置している個別供給ノズルバンク装置。
【請求項２９】
前記複数のノズルのうち少なくとも１つは、楕円形状を持つ請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
前記供給チャンバは、
前記ノズルバンクに結合されている第１の側壁と、
前記ノズルバンクおよび前記第１の側壁に結合されている第２の側壁と、
前記ノズルバンクおよび前記第２の側壁に結合されている第３の側壁と、
前記ノズルバンク、前記第３の側壁、および、前記第１の側壁に結合されている第４の側壁と
を有し、
前記第１の側壁、前記第２の側壁、前記第３の側壁、および、前記第４の側壁、ならびに、前記ノズルバンクは、前記ノズルバンクとは反対側の端部に開口を持つチャンバを形成しており、前記開口は、流体が供給されるように構成されている供給管に結合されている
請求項２８に記載の装置。
【請求項３１】
前記供給チャンバはさらに、挿入体を含む請求項３０に記載の装置。
【請求項３２】
前記供給チャンバはさらに、前記ノズルアレイの各ノズルに個別に液体流を供給するように構成されている複数の供給チャネルを含む請求項３０に記載の装置。
【請求項３３】
気液接触器で気相分子を処理する方法であって、
ノズルアレイを含む個別供給ノズルバンクを複数用いて、実質的に平面的な複数の液体ジェットを形成する段階と、
少なくとも１つの反応性または可溶性の気相分子を含む気体を供給する段階と、
前記気相分子と前記複数の液体ジェットとの間の物質移動相互作用によって前記気相分子の少なくとも一部を除去する段階と
を備え、
前記複数の液体ジェットはそれぞれ、平面シート状の液体を含み、前記複数の液体ジェットは実質的に平行な平面内に位置している方法。
【請求項３４】
前記物質移動相互作用は、物質移動容積係数が約１ｓｅｃ−１から約１５００ｓｅｃ−１の範囲内である請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記物質移動相互作用は、物質移動容積係数が約５ｓｅｃ−１から約１５０ｓｅｃ−１の範囲内である請求項３３に記載の方法。
【請求項３６】
前記物質移動相互作用は、物質移動容積係数が約１０ｓｅｃ−１から約１００ｓｅｃ−１の範囲内である請求項３３に記載の方法。
【請求項３７】
前記気体を供給する段階は、気体流量と反応チャンバの容積との比が約１００ｍｉｎ−１から約１０００ｍｉｎ−１の範囲内である気体を供給する段階を有する請求項３３に記載の方法。
【請求項３８】
等間隔に離間されるアレイ状の平坦な前記複数の液体ジェットを形成する段階は、約２ｐｓｉから約３０ｐｓｉの範囲内の液圧で前記平坦な複数の液体ジェットを形成する段階を有する
請求項３３に記載の方法。
【請求項３９】
アレイ状の平坦な前記複数の液体ジェットのうち少なくとも１つは、幅が約１ｃｍよりも大きい請求項３３に記載の方法。
【請求項４０】
アレイ状の平坦な前記複数の液体ジェットのうち少なくとも１つは、幅が約１ｃｍから約１５ｃｍの範囲内である請求項３３に記載の方法。
【請求項４１】
アレイ状の平坦な前記複数の液体ジェットのうち少なくとも１つは、厚みが約１０μｍから約１０００μｍの範囲内である請求項３３に記載の方法。
【請求項４２】
アレイ状の平坦な前記複数の液体ジェットのうち少なくとも１つは、厚みが約１０μｍから約２５０μｍの範囲内である請求項３３に記載の方法。
【請求項４３】
アレイ状の平坦な前記複数の液体ジェットのうち少なくとも１つは、厚みが約１０μｍから約１００μｍの範囲内である請求項３３に記載の方法。
【請求項４４】
アレイ状の平坦な前記複数の液体ジェットのうち少なくとも１つは、長さが約５ｃｍから約３０ｃｍの範囲内である請求項３３に記載の方法。
【請求項４５】
アレイ状の平坦な前記複数の液体ジェットのうち少なくとも１つは、長さが約５ｃｍから約２０ｃｍの範囲内である請求項３３に記載の方法。
【請求項４６】
アレイ状の平坦な前記複数の液体ジェットのうち少なくとも１つは、速度が１５ｍ／ｓｅｃ未満である請求項３３に記載の方法。
【請求項４７】
アレイ状の平坦な前記複数の液体ジェットのうち少なくとも１つは、速度が約５ｍ／ｓｅｃから約１５ｍ／ｓｅｃの範囲内である請求項３３に記載の方法。
【請求項４８】
前記気相分子は、硫黄酸化物、窒素酸化物、二酸化炭素、アンモニア、酸性気体、アミン、ハロゲン、および、酸素のうち少なくとも１つを含む請求項３８に記載の方法。
【請求項４９】
前記気相分子は、硫黄酸化物を含む請求項３８に記載の方法。
【請求項５０】
前記気相分子は、二酸化炭素を含む請求項３８に記載の方法。
【請求項５１】
前記気相分子は、窒素酸化物を含む請求項３８に記載の方法。
【請求項５２】
前記気相分子は、アミンを含む請求項３８に記載の方法。
【請求項５３】
前記気相分子は、塩素を含む請求項３８に記載の方法。
【請求項５４】
前記平面的な複数の液体ジェットは、水、アンモニア、アンモニウム塩、アミン、アルカノールアミン、アルカリ塩、アルカリ土類塩、過酸化物、および、次亜塩素酸塩のうち少なくとも１つを含む請求項３８に記載の方法。
【請求項５５】
前記平面的な複数の液体ジェットは、カルシウム塩溶液およびマグネシウム塩溶液のうち少なくとも１つを含む請求項３８に記載の方法。
【請求項５６】
前記平面的な複数の液体ジェットは、海水を含む請求項３８に記載の方法。
【請求項５７】
前記平面的な複数の液体ジェットは、ブラインを含む請求項３８に記載の方法。
【請求項５８】
気液接触器で気相分子を処理する方法であって、
ノズルアレイを含む個別供給ノズルバンクを複数用いて、実質的に平面的な複数の液体ジェットを形成する段階と、
少なくとも１つの反応性または可溶性の気相分子を含む気体を供給する段階と、
前記気相分子と前記複数の液体ジェットとの間の物質移動相互作用によって前記気相分子の少なくとも一部を除去する段階と
を備え、
前記複数の液体ジェットはそれぞれ、平面シート状の液体を含み、前記複数の液体ジェットは実質的に平行な平面内に位置しており、前記実質的に平面的な複数の液体ジェットは、水性スラリーで形成されている方法。
【請求項５９】
アレイ状の平坦な前記複数の液体ジェットのうち少なくとも１つは、厚みが約１０μｍから約１０００μｍの範囲内である請求項５８に記載の方法。
【請求項６０】
アレイ状の平坦な前記複数の液体ジェットのうち少なくとも１つは、厚みが約１０μｍから約２５０μｍの範囲内である
請求項５８に記載の方法。
【請求項６１】
アレイ状の平坦な前記複数の液体ジェットのうち少なくとも１つは、長さが約５ｃｍから約３０ｃｍの範囲内である請求項５８に記載の方法。
【請求項６２】
アレイ状の平坦な前記複数の液体ジェットのうち少なくとも１つは、長さが約５ｃｍから約２０ｃｍの範囲内である請求項５８に記載の方法。
【請求項６３】
アレイ状の平坦な前記複数の液体ジェットのうち少なくとも１つは、速度が１５ｍ／ｓｅｃ未満である請求項５８に記載の方法。
【請求項６４】
アレイ状の平坦な前記複数の液体ジェットのうち少なくとも１つは、速度が約５ｍ／ｓｅｃから約１０ｍ／ｓｅｃの範囲内である請求項５８に記載の方法。
【請求項６５】
前記スラリーは、粒径が最高約５００ミクロンである請求項５８に記載の方法。
【請求項６６】
前記スラリーは、粒径が最高約３００ミクロンである請求項５８に記載の方法。
【請求項６７】
前記スラリーは、粒径が最高約８０ミクロンである請求項５８に記載の方法。
【請求項６８】
前記スラリーは、固体濃度が約０．２％（ｗ／ｗ）から約３０％（ｗ／ｗ）の範囲内である請求項５８に記載の方法。
【請求項６９】
前記固体濃度は、約１０％（ｗ／ｗ）から約２５％（ｗ／ｗ）の範囲内である請求項５８に記載の方法。
【請求項７０】
前記気相分子は、硫黄酸化物、窒素酸化物、二酸化炭素、アンモニア、酸性気体、アミン、ハロゲン、および、酸素のうち少なくとも１つを含む請求項５８に記載の方法。
【請求項７１】
前記気相分子は、硫黄酸化物を含む請求項５８に記載の方法。
【請求項７２】
前記気相分子は、二酸化炭素を含む請求項５８に記載の方法。
【請求項７３】
前記気相分子は、窒素酸化物を含む請求項５８に記載の方法。
【請求項７４】
前記気相分子は、アミンを含む請求項５８に記載の方法。
【請求項７５】
前記気相分子は、塩素を含む請求項５８に記載の方法。
【請求項７６】
前記平面的な複数の液体ジェットは、水、アンモニア、アンモニウム塩、アミン、アルカノールアミン、アルカリ塩、アルカリ土類塩、過酸化物、および、次亜塩素酸塩のうち少なくとも１つを含む請求項５８に記載の方法。
【請求項７７】
前記平面的な複数の液体ジェットは、カルシウム塩溶液およびマグネシウム塩溶液のうち少なくとも１つを含む請求項５８に記載の方法。
【請求項７８】
前記平面的な複数の液体ジェットは、海水を含む請求項５８に記載の方法。
【請求項７９】
前記平面的な複数の液体ジェットは、ブラインを含む請求項５８に記載の方法。
【請求項８０】
気液接触器で気相分子を処理する方法であって、
ノズルアレイを含む個別供給ノズルバンクを複数用いて、複数の液滴が分布している不安定な液体ジェットを複数形成する段階と、
少なくとも１つの反応性または可溶性の気相分子を含む気体を供給する段階と、
前記気相分子と分布している前記複数の液滴との間の物質移動相互作用によって前記気相分子の少なくとも一部を除去する段階と
を備える方法。
【請求項８１】
前記分布している複数の液滴は、サイズが約５０μｍから約２ｍｍの範囲内である液滴を含む請求項８０に記載の方法。
【請求項８２】
前記分布している複数の液滴は、実質的に均一に分布している複数の液滴を含む請求項８０に記載の方法。
【請求項８３】
前記不安定な液体ジェットを複数形成する段階は、プレナム圧を約１３ｐｓｉから約７５ｐｓｉの範囲内にして動作する段階を有する請求項８０に記載の方法。
【請求項８４】
複数の前記不安定な液体ジェットのうち少なくとも１つは、速度が１５ｍ／ｓｅｃよりも高い請求項８０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本願は、米国特許出願第１２／４５９，６８５号（発明の名称：「気液接触器ならびに排水清浄のシステムおよび方法」、出願日：２００９年７月６日）の一部継続出願であり、当該特許出願に基づく優先権を主張する。また、米国特許仮出願第６１／１００，５６４号（発明の名称：「気体状汚染物質を除去するシステム」、出願日：２００８年９月２６日）、米国特許仮出願第６１／１００，６０６号（発明の名称：「気液接触システムおよび気液接触方法」、出願日：２００８年９月２６日）、および、米国特許仮出願第６１／１００，５９１号（発明の名称：「気液接触器ならびに排水清浄のシステムおよび方法」、出願日：２００８年９月２６日）の恩恵を主張する。上記特許文献はいずれも、全ての記載内容を参照により本願に組み込まれるものとする。また、本願は、米国特許出願第１２／０１２，５６８号（発明の名称：「二相反応器」、出願日：２００８年２月４日）の主題に関連している。当該米国特許出願は、米国特許出願第１１／０５７，５３９号（発明の名称：「二相反応器」、出願日：２００５年２月１４日）の継続出願であり、すでに米国特許第７，３７９，４８７号として特許されている。両出願共に、記載内容は全て参照により本願に組み込まれるものとする。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、気液接触器ならびに排水洗浄のシステムおよび方法に関する。特に、等間隔に離間された複数の平坦な液体ジェットを生成するノズルアレイに関する。液体ジェットは、液体の補充を高速に行いつつ、気体流による乱れを最小限に抑えると共に気体流と液体流との相互作用を最大限に高めるような形状を持つ。
【背景技術】
【０００３】
気体を液体に吸収させる処理工程は、さまざまな気液接触システムにおいて鍵となる処理工程である。気液接触器は、気液反応器としても知られており、二相の間の界面領域が液体表面上およびバルク液体内に形成される表面体積反応器に分類することができる。表面気液反応器としては、回転ディスクおよび液体ジェット接触器等、多くの例が挙げられる。回転ディスク型生成器では、ディスク（回転子）が部分的に液体内に浸漬されており気体流に暴露されている。溶液の薄膜が、回転子表面上に形成されると共に、並流試薬の気体流と接触する。ディスクが回転すると、液体試薬と気体との接触が新しくなる。体積型の気液反応器では、気相が小さい泡となってバルク液体中に分散する。このような気泡は、球状または不規則な形状を持ち、気体スパージャによって液体中に導入され得る。気泡は、物質移動を大きくするべく、機械的に撹拌され得る。
【０００４】
多くの気液接触システムでは、液相への気相の移動速度は、液相物質移動係数「ｋ」、界面の表面積「Ａ」、および、バルク流体と気液界面との間の濃度傾斜「ΔＣ」によって制御される。このため、液体へ気体が吸収される実際の速度は以下の式によって表される。
【数１】
2012504044.tif 000003
式中、変数は反応器の単位体積当たりの気体吸収速度（モル／（ｃｍ３ｓ））、φは単位界面面積当たりの平均吸収速度（モル／ｃｍ２ｓ））、ａは単位体積当たりの気液界面面積（ｃｍ２／ｃｍ３またはｃｍ−１）、ｐおよびｐｉは試薬気体のバルク気体内および界面上での分圧（バール）、ＣＬ＊は既存の気相分圧ｐｉと平衡となっている液相側濃度（モル／ｃｍ３）、ＣＬ（モル／ｃｍ３）はバルク液体内に溶解した気体の平均濃度、ｋＧ（モル／ｃｍ２＊ｓ＊バール）およびｋＬ（ｃｍ／ｓ）は気相側物質移動係数および液相側物質移動係数である。
【０００５】
関連技術分野では、気体接触システムにおいて物質移動および比表面積を最大限に大きくする方法として多くの方法が開発されている。主なものでは、気体スパージャ、濡れ壁ジェット、および、噴霧または霧化を利用する。気液接触器の選択は、気体流／液体流、物質移動、および、化学反応の性質等の反応条件に応じて決まる。関連技術分野で利用されている気液反応器の一部の物質移動特性を表１にまとめている。気体吸収速度を最適化するためには、「ｋＬ」、「ａ」、および、「ＣＬ＊−ＣＬ」のパラメータを最大値にする必要がある。多くの気液反応システムでは、ＣＬ＊の溶解度が非常に低いので、濃度傾斜の制御に限度がある。このように、高効率の気液流反応器を設計する上で主に考慮すべきパラメータは、物質移動、および、界面表面積と反応器体積との比であり、後者は比表面積というパラメータとしても知られている。
【表１】
2012504044.tif 000004
さまざまな気液接触反応器において、性能は界面接触面積に左右される。例えば、化学酸素ヨウ素レーザ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｏｘｙｇｅｎ  Ｉｏｄｉｎｅ  Ｌａｓｅｒ：ＣＯＩＬ）は、塩素ガス（Ｃｌ２）および塩基性過酸化水素（ＢＨＰ）から成る化学燃料に基づきレーザエネルギーを生成する。この反応によってデルタ状態の一重項酸素が生成され、一重項酸素によってＣＯＩＬが駆動される。現在の技術水準では、液状のＢＨＰの円形噴流とＣｌ２ガスとを混合させて、デルタ状態の一重項酸素を生成している。通常の生成器では、噴流の直径は、３５０ミクロンのオーダ以下である。噴流を形成するべく、液状のＢＨＰは、高密度で孔が形成されているノズルプレートを加圧下で通って押し出される。この結果、Ｃｌ２ガスに接触する界面表面積が大きくなる。表面積が大きくなると、生成器のサイズはより小型になり、レーザキャビティに分配され得る励起酸素の収率が高くなる。噴流をより小型にして且つより高密度で配置すると、比表面積は改善されるが、詰まりおよび破損が発生しやすくなってしまう。塩素と塩基性過酸化水素との反応によって塩基性過酸化水素を生成するのに用いられるアルカリ金属水酸化物の塩素塩が生成されるので、詰まりは深刻な問題である。また、詰まりが発生すると塩基性過酸化水素のモル濃度範囲に制限が課され、一重項酸素の収率およびレーザ出力が低減してしまう。ＣＯＩＬシステムの構成要素のうち最も重量が大きいのは、この化学燃料である。燃料の生成につきものの問題が発生すると、重量が大きくなり、ＣＯＩＬレーザの効率が全体的に低下してしまう。このため、現在の設計水準よりも効率が高く重力が小さいＣＯＩＬレーザが必要である。
【０００６】
別の例を挙げると、気液接触器は、好気性発酵プロセスにおいても利用される。好気性発酵では、酸素が最も重要な試薬の１つである。酸素は、水溶液に対する溶解度は低いが、培養成長を維持するために需要は高い。商業用の発酵槽（＞１０，０００Ｌ）では、物質移動容量係数ｋＬａを高めるべく、撹拌気泡分散を利用する。撹拌によって、溶解した酸素のバルク液体内の移動が促進され、気泡の合体が分解され、気泡の周囲を取り囲む境界層が低減される。このようなシステムでは、反応器内の気泡の数を大きくすると共に気泡の直径のサイズを小さくすることによって、界面面積を大きくする。しかし、微生物への酸素の物質移動は依然として、気泡の界面表面積が比較的小さいことと、および、気泡の滞留時間が短いことによって制限されてしまう。現在のスパージャシステム（気泡拡散方式）では、物質移動容量係数ｋＬａが比較的小さい（約０．２／ｓ）ので、上述したような物質移動の問題を解消するべく、界面表面積を最大限に大きくする新しい方法が所望されている。
【０００７】
産業上の用途向けにシステムを設計するに当たっては、コストおよび効率の両方に考慮しなければならない。従来の認識では一般的に、両方が同時に最適化される可能性はないとされている。気液接触器の場合、従来の認識は、化学処理、生物学的処理、汚染制御、または、動的な流動システムにおいて気相化学物質を液相に反応または溶解させることを必要とする同様の処理等、産業上の用途に留まっているのが一般的である。
【０００８】
一例として、汚染制御に利用される場合、湿式処理で対象化合物を除去する標準的な方法としては、液相の微細液滴を気相の流れに対して１８０度反対方向で落下させる向流流動システムが挙げられる。通常は、重力を利用して液相を塔の底部にある捕捉用汚水槽へと導く。気相の流れは、同じ塔の内部を上方向に向いている。この気相はこの後、さらに処理されるべく捕捉されるか、または、大気中に放出される。
【０００９】
塔は、より大規模な化学的処理を内部で可能とするべく、所望の処理のサイズに対して線形に、長さまたは直径を増減させる必要がある。現在の論理的方法論では、単一ユニットプロセスの資本コストは一般的にサイズに対して線形に増減しないので、単一ユニットプロセスの規模を大きくする。
【００１０】
標準的な向流型、重力型、または、エアロゾル／液滴型の気液接触器の別の問題点として、重力の影響が液滴の浮力よりも大きくなるように気体流の速度を十分に遅くしなければならない点が挙げられる。いずれにしても、接触時間が長いために一般的に液体状の反応物は大部分が蒸発してしまい、二次的な処理または放出の前にこの蒸気の大部分を捕捉する必要がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
したがって、本発明は、関連技術の限界および欠点に起因して生じる問題のうち１以上の問題を実質的に解決する気液接触器ならびに排水清浄のシステムおよび方法を提供する。
【００１２】
本発明の利点として、物質移動容量係数が高くなり、この結果として小型化が実現されるので、低圧吸着処理が可能となって、システム全体にわたって必要なポンプ機能が最小限に抑えられる点が挙げられる。
【００１３】
本発明の別の利点として、関連技術に比べてシステムの占有面積が小さい気液接触器が提供される点が挙げられる。
【００１４】
本発明のさらに別の利点として、モジュール設計の気液接触器が提供される点が挙げられる。
【００１５】
本発明のさらに別の利点として、平坦なジェットの比表面積が大きくなり（例えば、厚みの小さい平坦な液体ジェットが実現される）、性能が改善された気液接触器が提供される点が挙げられる。
【００１６】
本発明の別の利点として、反応機能または清浄機能が同一である従来のシステムと比較すると、サイズ、占有面積、および工場施設が小型で、接触面積が大きいので、コストおよび用地の影響が非常に小さく、品質およびユニット間の整合性が高いモジュール式システムが提供される点が挙げられる。
【００１７】
本発明のその他の特徴および利点は、以下に記載し、一部のものについては以下の説明から明らかになるか、または本発明を実施することによって分かるものである。本発明の目的およびその他の利点は、本明細書および特許請求の範囲、ならびに、添付図面に具体的に記載した構成によって実現および達成される。
【００１８】
本発明の実施形態は、装置に関する。当該装置は、チャンバと、チャンバに結合されている気体流入口および気体流出口と、チャンバに結合されている流体プレナムとを備える。当該装置はさらに、個別供給ノズルバンクを備える。個別供給ノズルバンクは、液体プレナムに結合されているノズルアレイを有する。ノズルアレイは、実質的に平面的な液体ジェットを複数提供し、各液体ジェットは、平面シート状の液体を含む。複数の液体ジェットはまた、実質的に平行な平面内に位置している。当該装置はさらに、反応チャンバに結合されている気体流体分離器を備える。
【００１９】
本発明の別の実施形態は、個別供給ノズルバンク装置に関する。当該装置は、実質的に平面的な複数の液体ジェットを提供する複数のノズルを備える。複数の液体ジェットは、平面シート状の液体を含む。複数のノズルは、実質的に平行な平面内に位置する。供給チャンバは、複数のノズルに結合されており、少なくとも１つの流入口が供給チャネルに結合されている。
【００２０】
本発明のさらに別の実施形態は、気液接触器で気相分子を処理する方法に関する。当該方法は、ノズルアレイを含む個別供給ノズルバンクを複数用いて、実質的に平面的な複数の液体ジェットを形成する段階を備える。複数の液体ジェットは、平面シート状の液体を含み、実質的に平行な平面内に位置している。反応性または可溶性の気相分子を含む気体を、気液接触器に供給する。当該方法はさらに、気相分子と複数の液体ジェットとの間の物質移動相互作用によって気相分子の少なくとも一部を除去する。
【００２１】
本発明のさらに別の実施形態は、気液接触器で気相分子を処理する方法に関する。当該方法は、ノズルアレイを含む個別供給ノズルバンクを複数用いて、実質的に平面的な複数の液体ジェットを形成する段階を備える。複数の液体ジェットは、実質的に平面シート状の液体を含み、当該液体は、水性スラリーを含む。反応性または可溶性の気相分子を含む気体を、気液接触器に供給する。当該方法はさらに、気相分子と複数の液体ジェットとの間の物質移動相互作用によって気相分子の少なくとも一部を除去する。
【００２２】
本発明のさらに別の実施形態は、気液接触器で気相分子を処理する方法に関する。当該方法は、不安定な液体ジェットを複数形成する段階を備える。不安定な液体ジェットは、複数の個別供給ノズルバンクを用いて形成され、複数の液滴が分布している。反応性または可溶性の気相分子を含む気体を、気液接触器に供給する。当該方法はさらに、気相分子と分布している複数の液滴との間の物質移動相互作用によって気相分子の少なくとも一部を除去する。
【００２３】
上述した概略的な説明および後述する詳細な説明は共に、本発明を例示および説明するためのものであると理解されたく、要求に応じて本発明についてさらに説明を行うものである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
添付図面は、本発明のさらなる理解のために提供されており、本明細書に組み込まれてその一部を成すものであり、本発明の実施形態を図示し、以下の説明と共に参照することによって本発明の原理を説明するものである。
【００２５】
図面は以下の通りである。
【００２６】
【図１】本発明の実施形態に係る向流装置を示す断面斜視図である。
【００２７】
【図２】本発明の別の実施形態に係る並流装置を示す断面斜視図である。
【００２８】
【図３Ａ】図１および図２のノズル装置を示す斜視図である。
【００２９】
【図３Ｂ】図３Ａのノズル装置を示す分解斜視図である。
【００３０】
【図４Ａ】図３Ｂのノズルバンクを示す斜視図である。
【００３１】
【図４Ｂ】図４ＡのノズルバンクをラインＡ−Ａ´に沿って示す断面図である。
【００３２】
【図５】図４Ａおよび図６のノズルバンクを示す底面図である。
【００３３】
【図６】本発明の実施形態に係る装置を示す斜視図である。
【００３４】
【図７Ａ】例１に係る装置を示す図である。
【００３５】
【図７Ｂ】例１に係るノズルプレートの出口側を示す図である。
【００３６】
【図７Ｃ】例１に係るノズルプレートの入口側を示す図である。
【００３７】
【図７Ｄ】例１に係るジェットを正面から見た様子を示す写真である。
【００３８】
【図７Ｅ】例１に係るジェットを側面から見た様子を示す写真である。
【００３９】
【図８Ａ】例２に係るシステムを示す図である。
【００４０】
【図８Ｂ】例２に係るノズルバンクを示す図である。
【００４１】
【図９】例２に係るジェットを正面から見た様子を示す写真である。
【００４２】
【図１０Ａ】例３に係るチャネル挿入体を示す断面斜視図である。
【００４３】
【図１０Ｂ】図１０Ａのチャネル挿入体をラインＢ−Ｂ´に沿って示す断面斜視図である。
【００４４】
【図１１】例３に係るジェットを正面から見た様子を示す写真である。
【００４５】
【図１２Ａ】例４に係るノズルバンクを示す斜視図である。
【００４６】
【図１２Ｂ】図１２Ａのノズルバンクを示す断面斜視図である。
【００４７】
【図１２Ｃ】図１２Ａのノズルバンクを示す底面図である。
【００４８】
【図１２Ｄ】例４に係るジェットを正面から見た様子を示す写真である。
【００４９】
【図１３Ａ】例５に係る装置を示す斜視図である。
【００５０】
【図１３Ｂ】図１３Ａのノズルバンクを示す底面図である。
【００５１】
【図１３Ｃ】例５に係るジェットを正面から見た様子を示す写真である。
【００５２】
【図１３Ｄ】例５に係るジェットを正面から見た様子を示す写真である。
【発明を実施するための形態】
【００５３】
本発明は、気液接触器ならびに排水洗浄のシステムおよび方法に関する。特に、等間隔に離間された複数の平坦な液体ジェットを生成するノズルアレイに関する。液体ジェットは、気体による乱れを最小限に抑えるような形状を持つ。また、さまざまな実施形態からは、モジュールとしてまとめられる複数の小規模の単一ユニットプロセスが直接提供される。単一ユニットプロセスは、従来技術の欠陥を解消するように設計されている。単一ユニットプロセスをモジュール化することによって、システムは、プロセスの規模を受け入れられるように単にモジュールを整数倍することによって拡大／縮小させることができるので、小型化が可能となる。
【００５４】
本発明の実施形態は、気液接触器、蒸留装置、吸収装置、清浄装置、排出装置等の装置に関する。当該装置は、チャンバと、当該チャンバに結合されている気体流入口と、当該チャンバに結合されている気体流出口とを備える。流体プレナムは、反応チャンバに結合されている。当該装置は、米国特許出願第１２／４５９，６８５号（発明の名称：「気液接触器ならびに排水清浄のシステムおよび方法」、出願日：２００９年７月６日）に記載されているように複数のノズルを備えるとしてよい。当該米国特許出願の記載内容は全て、参照により本願に組み込まれる。反応チャンバにはさらに、気体流体分離器が結合されている。気体流体分離器は、当該装置内の気体と流体とを分離する。
【００５５】
別の実施形態によると、当該装置は、少なくとも１つの個別供給ノズルバンクを備える。個別供給ノズルバンクは、液体プレナムに結合されているノズルアレイを有しており、ノズルアレイは、実質的に平面的な液体ジェットを複数提供する。複数の液体ジェットはそれぞれ、平面シート状の液体を含み、複数の液体ジェットは実質的に平行な平面内に位置している。
【００５６】
本実施形態によると、２つ以上の個別供給ノズルバンクを利用して、互いに隣接するように配置するとしてよい。このようなノズルバンクに含まれるノズルは、複数の異なる構成を持つとしてよいが、例えば、ジグザグ状構成、非ジグザグ状構成を持つとしてよく、ノズルはサイズ、例えば、切り込み深さが不均一であるとしてもよい。ジグザグ状構成の一例を挙げると、第１のノズルバンクの第１のノズル列、第２のノズルバンクの第２のノズル列、および、第３のノズルバンクの第３のノズル列は、第２のノズル列が、第１のノズル列と第３のノズル列との間に配置され、両者に対してオフセットされるように配置される。
【００５７】
個別供給ノズルバンクは、液体プレナムとの間で流体が連通するように構成されているノズルアレイを有する。ノズルアレイは、実質的に平面的な液体ジェットを複数提供し、複数の液体ジェットは、実質的に平面シート状の液体として形成されており、実質的に平行な平面内に位置している。当該ノズルは、米国特許出願第１２／４５９，６８５号（発明の名称：「気液接触器ならびに排水清浄のシステムおよび方法」、出願日：２００９年７月６日）に記載されているように構成されているとしてよい。当該米国特許出願の記載内容は全て、参照により本願に組み込まれる。当該装置は、気体流入口から注入される気体が並流方向または向流方向に流れるように構成され得る。
【００５８】
本実施形態によると、流体プレナムは、少なくとも１つの側方チャネルに結合されている主要供給チャネルを有する。側方チャネルは、個別供給ノズルバンクに結合されており、流体をノズルに供給する。この流体は、液体、気体、または、液体および気体の混合物であってよく、液体は、水性スラリー等の固体を含むとしてよい。
【００５９】
好ましい実施形態によると、個別供給ノズルバンクは、ノズルプレートに結合されている供給チャンバを有する。供給チャンバは、ノズルプレートに結合されている第１の側壁と、ノズルプレートおよび第１の側壁に結合されている第２の側壁と、ノズルプレートおよび第２の側壁に結合されている第３の側壁と、ノズルプレート、第３の側壁、および第１の側壁に結合されている第４の側壁とを含む。第１の側壁、第２の側壁、第３の側壁および第４の側壁、ならびに、ノズルプレートは、ノズルプレートの反対側の端部に開口を持つチャンバを形成する。開口は、流体が供給されるように供給管に結合されている。この結合は、タングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶接、レーザ溶接等の溶接によって成されているとしてよい。
【００６０】
好ましい実施形態によると、供給チャンバは挿入体を含む。挿入体は、ノズルプレート内の各ノズルに個別に液体流を供給するように構成されている複数の供給チャネルを含む。供給管は、少なくとも１つの端部に開口を持ち、プレナムの少なくとも１つの側方チャネルに結合されている。供給管は、Ｏリングの封止部または溶接結合部によって結合されている。チャンバは、厚みが少なくとも約１ｃｍである。チャンバは、ノズルバンクより上の高さが、約１ｃｍから約８ｃｍの範囲内である。
【００６１】
好ましい実施形態によると、ノズルプレートは、実質的にＵ字形状、Ｖ字形状、または、その他の形状を持つ構成要素を含む。ノズルは、より好ましい実施形態によると、楕円形状である。ある実施形態によると、楕円形状のノズルは、短径が約０．５ｍｍから約１．５ｍｍの範囲内であり、長径が約０．７５ｍｍから約５ｍｍの範囲内である。好ましい実施形態によると、楕円形状のノズルは、短径が約０．６ｍｍから約１．０ｍｍの範囲内であり、長径が約１．５ｍｍから約２．５ｍｍの範囲内である。ノズルは、米国特許出願第１２／４５９，６８５号（発明の名称：「気液接触器ならびに排水清浄のシステムおよび方法」、出願日：２００９年７月６日）を参照しつつ説明したように、切り込み深さが、例えば、０．０５４インチ、０．０５６インチ、０．０５８インチ、および、これらの組み合わせとなるように構成されるとしてよい。当該米国特許出願の記載内容は全て、参照により本願に組み込まれる。好ましい実施形態によると、ノズルアレイは、等間隔で離間された複数のノズルから構成される。少なくとも１つのノズルは、投影断面積が約０．２５ｍｍ２から約２０ｍｍ２の範囲内である。
【００６２】
ノズルバンクおよび流動チャンバは、例えば、銅、ニッケル、クロム、スチール、アルミニウム、コーティング金属、および、これらの組み合わせといったさまざまな材料で形成され得る。また、このような材料としてはさらに、構造用ポリマー、ポリイミド、これらの合成物、および、これらの組み合わせが挙げられるとしてよい。
【００６３】
本発明の別の実施形態は、気液接触器で気相分子を処理する方法に関する。当該方法は、ノズルアレイを含む個別供給ノズルバンクを複数用いて、実質的に平面的な複数の液体ジェットを形成する段階を備える。複数の液体ジェットは、実質的に平面シート状の液体を含み、実質的に平行な平面内に位置している。反応性または可溶性の気相分子を供給し、当該気相分子と液体ジェットとの間の物質移動相互作用によって気相分子の少なくとも一部を除去する。別の実施形態によると、液体は水性スラリーを含むとしてよい。水性スラリーは、固体濃度が約０．２％（ｗ／ｗ）から約３０％（ｗ／ｗ）の範囲内であるとしてよい。好ましい実施形態では、水溶液は、固体濃度が約１０％（ｗ／ｗ）から約２５％（ｗ／ｗ）の範囲内である。
【００６４】
気相分子は、米国特許出願第１２／４５９，６８５号（発明の名称：「気液接触器ならびに排水清浄のシステムおよび方法」、出願日：２００９年７月６日）に記載されているように、複数の異なる気相分子を含むとしてよい。当該米国特許出願の記載内容は全て、参照により本願に組み込まれる。例えば、気相分子は、硫黄酸化物、窒素酸化物、二酸化炭素、アンモニア、酸性気体、アミン、ハロゲン、および、酸素のうち少なくとも１つを含むとしてよい。好ましい実施形態では、気相分子は、石炭火力発電所等の燃焼プロセスで発生する二酸化炭素を含む。
【００６５】
液体ジェットは、米国特許出願第１２／４５９，６８５号（発明の名称：「気液接触器ならびに排水清浄のシステムおよび方法」、出願日：２００９年７月６日）に記載されているように、汚染物質および／または他の流体を分離するべく吸着流体を含むとしてよい。当該米国特許出願の記載内容は全て、参照により本願に組み込まれる。例えば、液体ジェットは、水、アンモニア、アンモニウム塩、アミン、アルカノールアミン、アルカリ塩、アルカリ土類塩、過酸化物、次亜塩素酸塩、および、これらの組み合わせを含むとしてよい。好ましい実施形態では、液体ジェットは、カルシウム塩溶液およびマグネシウム塩溶液を含む。液体ジェットは、海水溶液、または、ブライン溶液を含むとしてよい。
【００６６】
ある実施形態によると、物質移動相互作用は、物質移動容積係数が約１ｓｅｃ−１から約１５００ｓｅｃ−１の範囲内である。好ましい実施形態では、物質移動相互作用は、物質移動容積係数が約５ｓｅｃ−１から約１５０ｓｅｃ−１の範囲内である。より好ましい実施形態では、物質移動相互作用は、物質移動容積係数が約１０ｓｅｃ−１から約１００ｓｅｃ−１の範囲内である。物質移動相互作用は、米国特許出願第１２／４５９，６８５号（発明の名称：「気液接触器ならびに排水清浄のシステムおよび方法」、出願日：２００９年７月６日）に記載されている。当該米国特許出願の記載内容は全て、参照により本願に組み込まれる。
【００６７】
本発明のある実施形態によると、ガスを供給する際の流量はさまざまな値に設定するとしてよく、例えば、対容量比は約１００ｍｉｎ−１から約１０００ｍｉｎ−１の範囲内である。また、好ましい実施形態では、装置に流入する流体の流量は、例えば、２ｐｓｉから約１５ｐｓｉの間で変動するとしてよい。アレイの平坦な液体ジェットは、速度が１５ｍ／ｓｅｃ未満であり、より好ましくは、約５ｍ／ｓｅｃから約１５ｍ／ｓｅｃの範囲内である。
【００６８】
本発明のある実施形態では、アレイの平坦な液体ジェットは、幅が約１ｃｍよりも大きく、例えば、好ましい実施形態では、約１ｃｍから約１５ｃｍの範囲内であるとしてよい。平坦な液体ジェットは、厚みが約１０μｍから約１０００μｍの範囲内であってよく、より好ましくは、約１０μｍから約２５０μｍの範囲内であってよく、さらに好ましくは、約１０μｍから約１００μｍの範囲内であってよい。平坦な液体ジェットは、長さが約５ｃｍから約３０ｃｍの範囲内であってよく、より好ましくは、約５ｃｍから約２０ｃｍの範囲内であってよい。全てのジェットが、厚み、幅、および、長さについて上述した範囲を満たしている必要はないことに留意されたい。しかし、好ましい実施形態によると、複数のジェットは、幅、長さ、および、厚みにおいて、略一定である。
【００６９】
本発明のさらに別の実施形態によると、気液接触器で気相分子を処理する方法に関する。当該方法は、ノズルアレイを含む個別供給ノズルバンクを複数用いて、複数の液滴が分布している不安定な液体ジェットを複数形成する段階を備える。当該方法は、少なくとも１つの反応性または可溶性の気相分子を含む気体を供給する段階と、気相分子と分布している複数の液滴との間の物質移動相互作用によって気相分子の少なくとも一部を除去する段階とを備える。
【００７０】
本実施形態によると、複数の動作条件を組み合わせることによって、例えば、プレナム圧を高くすると共に高密度で複数のノズルを配置してノズルアレイを形成することによって、複数の液滴が分布した複数のジェット同士を衝突させる。好ましい実施形態によると、液滴の分布は、高密度で、略均一である。分布している液滴は、サイズが約５０ミクロンから約２ｍｍの範囲内であり、液体部分容積の範囲は０．５％から２０％である。プレナム圧が大きくなると、ノズルに供給される液体の速度は速くなり、結果として水に関して競合することになり、平坦なジェットが不安定になる。ジェットにおける不安定性は、少なくとも２通りの現れ方がある。第１の現れ方として、水流と同軸方向および横軸方向（ノズル間競合の方向）の両方向に沿って、ジェットがパルス化する。ジェットのパルス化は、プレナム流量が高いことに起因して発生し、隣接するノズル間で競争が発生して、ジェットの幅が変動する。競争によって各ノズルの流量が変動して、ジェットのパルス化が発生する。第２の現れ方として、最適条件下にある場合にこのような種類のジェットで見られる線形シート不安定性の発生が加速される。
【００７１】
本発明の別の実施形態によると、ジェットは、パルス化と各ジェットの線形シート不安定性とによって隣接するジェット同士が衝突して液滴の分布が形成されるように、互いに離間されて配置される。このように衝突することによって、速度が高速化し、例えば、約５ｍ／ｓから約１０ｍ／ｓ以上の範囲内となる。液滴の速度が高速化するのは、ノズルから流出する際のジェットの初期速度が、例えば、約５ｍ／ｓから約１０ｍ／ｓ以上の範囲内と高いためである。液滴の速度を高速化すると共に液滴のサイズにバラツキを持たせると、外力、例えば、気流または重力によって生じる力が液滴に及ぼす影響が最小限に抑えられ、全体的な液滴の運動量が不変となる。さらに、液滴の速度は、表面積が大きくなったので、反応を高めるのに十分な程度に低い。
【００７２】
液滴生成器は、ノズルの切り込み深さ（ＤＯＣ）、ノズル間距離、ノズルバンク間距離、動作プレナム圧のうち少なくとも１つを調整して、表面張力および／または粘度を低減する促進剤を利用して、および、自然に発生するジェットの不安定性を増幅するべくこれらを組み合わせることによって、実現され得る。例えば、ノズルの切り込み深さが小さくなると、ジェットの不安定性を与えるための動作圧は小さくなる。また、ノズル間距離が小さくなっても、ジェットの不安定性を与えるための動作圧は小さくなる。動作プレナム圧が大きくなると、ジェットの速度が高くなり、コリジョンによってジェットに不安定性が与えられる。また、促進剤も用いられて、ジェットの幅を大きくする傾向がある表面張力を低減するとしてよい。このため、ジェット間の衝突が多くなり、自然に発生するジェットの不安定性が増幅される。最後に、粘度を低減する促進剤は、流体の感受性を高める傾向があり、ジェットが変形するので、自然に発生するジェットの不安定性が増幅される傾向がある。
【００７３】
好ましい実施形態によると、気液接触器は、ＤＯＣが０．０５２のノズルを複数有し、ノズル間距離が約２ｍｍで、ノズルバンク間距離が約２ｃｍで、安定化部を有さないノズルアレイを備える。各ノズルについては、米国特許出願第１２／４５９，６８５号（発明の名称：「気液接触器ならびに排水清浄のシステムおよび方法」、出願日：２００９年７月６日）にさらに詳しく説明されている。当該米国特許出願の記載内容は全て、参照により本願に組み込まれる。気液接触器は、プレナム圧を１５ｐｓｉ以上に設定して動作して、バラバラになる複数の不安定なジェットを生成する。気液接触器は、プレナム圧を約１７ｐｓｉから約７５ｐｓｉの範囲内に設定して動作することが好ましく、プレナム圧を約１７ｐｓｉから約３０ｐｓｉの範囲内に設定して動作することがより好ましい。
【００７４】
別の好ましい実施形態によると、気液接触器は、ＤＯＣが０．０５４のノズルを複数有し、ノズル間距離が約２ｍｍで、ノズルバンク間距離が約２ｃｍで、安定化部を有さないノズルアレイを備える。各ノズルについては、米国特許出願第１２／４５９，６８５号（発明の名称：「気液接触器ならびに排水清浄のシステムおよび方法」、出願日：２００９年７月６日）にさらに詳しく説明されている。当該米国特許出願の記載内容は全て、参照により本願に組み込まれる。気液接触器は、プレナム圧を１３ｐｓｉ以上に設定して動作して、バラバラになる複数の不安定なジェットを生成する。気液接触器は、プレナム圧を約１５ｐｓｉから約７３ｐｓｉの範囲内に設定して動作することが好ましく、プレナム圧を約１５ｐｓｉから約２８ｐｓｉの範囲内に設定して動作することがより好ましい。
【００７５】
さらに別の好ましい実施形態によると、気液接触器は、ＤＯＣが０．０５６のノズルを複数有し、ノズル間距離が約２ｍｍで、ノズルバンク間距離が約２ｃｍで、安定化部を有さないノズルアレイを備える。気液接触器は、プレナム圧を１１ｐｓｉ以上に設定して動作して、バラバラになる複数の不安定なジェットを生成する。気液接触器は、プレナム圧を約１１ｐｓｉから約７１ｐｓｉの範囲内に設定して動作することが好ましく、プレナム圧を約１３ｐｓｉから約２６ｐｓｉの範囲内に設定して動作することがより好ましい。
【００７６】
ノズルのＤＯＣが大きくなると、つまり、ノズル寸法が大きくなると、ジェットに不安定性を与えるために必要なプレナム圧の値が小さくなる。これは、ＤＯＣが大きくなるか、または、ノズルサイズが大きくなると、ノズルを通過する流体の速度が速くなるためである。
【００７７】
以下では本発明の実施形態を詳細に説明する。本発明の実施形態の例を添付図面に図示している。
【００７８】
図１は、本発明の実施形態に係る向流装置を示す断面斜視図である。
【００７９】
図１を参照しつつ説明すると、向流装置の概略を参照番号１００で図示する。装置１００の動作を説明すると、気体流は参照番号１０２で示されており、流体流は参照番号１０４で示されている。複数の個別供給ノズルバンク１０６は、互いに隣接するように配置されている。個別供給ノズルバンク１０６は、第１の側方チャネル１１０および第２の側方チャネル１１２に結合されている主要供給チャネル１０８を有する流体プレナムとの間で流体が連通するように構成されているノズルアレイを有する。当該装置は、チャンバ１１４と、気体流入口１１６と、気体流出口１１８と、液体流入口１２０と、液体流出口１２２とを備える。当該装置はさらに、米国特許出願第１２／４５９，６８５号（発明の名称：「気液接触器ならびに排水清浄のシステムおよび方法」、出願日：２００９年７月６日）に記載されているように気液分離器（不図示）を備える。当該米国特許出願の記載内容は全て、参照により本願に組み込まれる。個別供給ノズルバンクは、実質的に平面状の液体ジェット１２４を複数提供するように構成されている。各液体ジェットは、実質的に平面シート状の液体を含む。複数の液体ジェットは、互いに略平行な平面内に位置する。
【００８０】
図２は、本発明の実施形態に係る並流装置を示す断面斜視図である。図２を参照しつつ説明すると、並流装置の概略を参照番号２００で図示する。装置２００の動作を説明すると、気体流は参照番号２０２で示されており、流体流は参照番号２０４で示されている。複数の個別供給ノズルバンク１０６は、互いに隣接するように配置されている。個別供給ノズルバンク１０６は、第１の側方チャネル１１０および第２の側方チャネル１１２に結合されている主要供給チャネル１０８を有する流体プレナムとの間で流体が連通するように構成されているノズルアレイを有する。当該装置は、チャンバ１１４と、気体流入口２０８と、気体流出口と、液体流入口１２０と、液体流出口とを備える。当該装置はさらに、米国特許出願第１２／４５９，６８５号（発明の名称：「気液接触器ならびに排水清浄のシステムおよび方法」、出願日：２００９年７月６日）に記載されているように気液分離器（不図示）を備える。当該米国特許出願の記載内容は全て、参照により本願に組み込まれる。個別供給ノズルバンクは、実質的に平面状の液体ジェット２０６を複数提供するように構成されている。各液体ジェットは、実質的に平面シート状の液体を含む。複数の液体ジェットは、互いに略平行な平面内に位置する。
【００８１】
図３Ａはノズル装置を示す斜視図である。図３Ｂは、図３Ａのノズル装置を示す分解斜視図である。図４Ａは、図３Ｂのノズルバンクを示す斜視図である。図４Ｂは、図４ＡのノズルバンクをラインＡ−Ａ´に沿って示す断面図である。図５は、図４Ｂの個別供給ノズルバンクを示す底面図である。
【００８２】
図３Ａから図５を参照しつつ説明すると、ノズル装置では、複数の個別供給ノズルバンク１０６が互いに隣接するように配置されている。個別供給ノズルバンク１０６は、第１の側方チャネル１１０および第２の側方チャネル１１２に結合されている主要供給チャネル１０８を有する流体プレナムとの間で流体が連通するように構成されているノズルアレイを有する。個別供給ノズルバンク１０６は、Ｏリング封止部材または関連技術分野で公知のその他の封止部材のような封止機構１２６によって、第１の側方チャネル１１０および第２の側方チャネル１１２に結合されている。本実施形態によると、第１の側方チャネル１１０は、第１の側方チャネルを利用可能とするためのアクセスプレート１２８を有する。第２の側方チャネル１１２も同様に、アクセスプレート１３０を有する。アクセスプレート（１２８、１３０）は、ネジ、リベット等の取着機構によって接続されている。言うまでも無く、アクセスプレート（１２８、１３０）はさらに、対応する側方チャネルに溶接されているとしてもよい。第１の側方チャネル１１０および第２の側方チャネル１１２は、接続箇所１３２において、ネジ、リベット、溶接等の取着機構によって主要供給チャネル１０８に結合されている。関連技術分野で公知のように、全ての接続箇所において封止層を用いて、例えば、可鍛性物質等の漏れを防ぐとしてよい。取着プレート１３４を用いて、当該ノズル装置を反応チャンバに結合するとしてよい。
【００８３】
図４Ａから図５を参照しつつ説明すると、個別供給ノズルバンク１０６は、ステンレス鋼管１４２で形成された。管は、縦方向に半分に切断された。ノズル１４０は、管１４２に切り込みを入れて形成された。ノズル１４０の間隔１４４は、所望の用途に応じた適切な範囲内に収まる値であってよく、例えば、約１ｍｍ以上の範囲であってよい。好ましい実施形態では、約１ｃｍ以上であってよい。管には、複数のノズルを形成した。管１４２は、プレート１４６に取着、例えば、溶接された。プレート１４６は、供給本体１４８に取着された。この結果、チャンバが形成された。チャンバの長さが大きくなると、実施例を挙げて説明するが、ノズルの安定性が高くなり、ノズルの指向性が高くなる。チャンバの寸法は、適宜調整するとしてよい。
【００８４】
また、本実施形態によると、ジェットの品質を改善するべく、任意で分割部材を利用するとしてもよい。1以上の分割部材１５０を利用するとしてよい。分割部材１５０によって、図４Ｂのノズルバンクの断面図に示すように、複数の分離した供給チャネル１５２が形成されるとしてよい。図５および図６を参照しつつ説明すると、複数の個別供給ノズルバンクが利用されている様子が示されている。本実施形態によると、８個のノズルバンク（１０６、１５６、１５８、１６０、１６２、１６４、１６６、１６８）を組み合わせてアレイを構成した。当該アレイは、液体ジェット間を通過して、各ノズルアレイから気体が流出するように構成されている。言うまでも無く、個別ノズルバンクの数は、装置の規模および所望の気体流および速度に応じて、増減し得るとしてよい。
【００８５】
また、本実施形態によると、隣接するノズルバンクのノズルは、互い違いになるように構成された。例えば、ノズルバンク１０６のノズルは、ノズルバンク１５６のノズルからオフセットされており、アレイ全体で交互にこのように配置されているので、隣接するノズルバンクの平坦なジェットは互い違いに位置することになる。隣接するノズルバンク間（中心線から中心線まで）の距離は、参照番号１５５で図示されており、範囲は約１．２以上であるとしてよい。隣接するノズル間の距離は、参照番号１４４で示されており、範囲は約１ｍｍから約１０ｍｍまでであるとしてよい。隣接するノズルバンクのノズル同士の間の距離は、参照番号１５４で示されており、範囲は約０．５ｍｍから約５ｍｍまでであるとしてよい。言うまでも無く、さまざまな点で構成を変更するとしてよく、例えば、アレイを構成しているノズルバンクのうち隣接するノズルバンク間の距離を変更するとしてもよいし、ノズル間の距離を変更するとしてもよい。好ましい実施形態によると、このような構成要素間の距離は、等間隔である。
【００８６】
＜実施例＞
＜実施例１＞
実施例１では、単一ジェット試験装置に基づき、通常動作条件下において水がノズルから流出する様子を説明した。当該装置は、図７Ａから図７Ｃを参照しつつ説明する。
【００８７】
図７Ａから図７Ｃを参照しつつ説明すると、当該装置の概略を参照番号７００で示す。当該装置は、動作チャンバ７０２と、液体流入口７０４と、流体流出口７０８と、気体流入口７１３と、気体流出口７１４とを備える。流体流出口７０８は、再循環ループに接続されており、ポンプ（不図示）および流体流入口７０４に結合されている。ノズルプレート７１２の上方のプレナム７０９の流体圧を測定するべく、圧力ゲージ（不図示）を装着する。プレナムは、プレート７１２の上方に形成されている密閉されたチャンバであり、寸法は幅が２２６ｍｍ、高さは２８．５ｍｍ、奥行きは２０ｍｍである。ノズルプレート７１２は、３個のノズルバンク７１４、７１６、および７１８を有する。この構成によると、各ノズルバンクにはノズルが３つ設けられている。具体的には、ノズルバンク７１６には、第１のノズル７２０、第２のノズル７２２、および、第３のノズル７２４が設けられている。ノズル同士の間は等間隔で離間しており、第１のノズル７２０と第２のノズル７２２との間の距離は４ｍｍである。ノズルバンク７１４、７１６、および７１８は、等間隔に離間している。この実施例では、ノズルバンク７１４とノズルバンク７１６との間の距離は約５ｃｍである。
【００８８】
各ノズル（７２０、７２２、７２４）は、管（不図示）に切り込み深さ（ＤＯＣ）を０．０５６インチとして切り込みを入れることによって形成された。この後、管を切断してプレートにレーザ溶接することによって、ノズルバンクを備えるプレートを形成した。管は、ステンレス鋼材料から形成されており、厚みは０．９０ｍｍであった。ノズルプレートは、ステンレス鋼材料から形成されており、厚みは４．７２ｍｍであった。各ノズルはまた、長径が２．６７ｍｍで短径が１．２ｍｍとなるように形成される。この実施例によると、ノズルバンク７１４およびノズルバンク７１８は、ビーズ状の蝋、つまり、高融点のパラフィンで充填することによって塞いだ。さらに、ノズルバンク７１６については、ノズル７２０およびノズル７２４もまた、同じ蝋材料で充填して、ノズル７２２の１つのみを動作可能とした。プレート７１２はこの後、装置７００内に図７Ａに示すように配置された。液体プレナム７０９はプレート７１２の上方に配置され、プレート７１２全体を略水平方向に液体が流れるように構成される。ノズル７２２の開口と液体プレナムとの面積比は、約１：３５０となる。
【００８９】
動作を説明すると、液体流入口７０４を用いて、外囲条件下の水道水をプレナム内に７０９に供給した。プレナム７０９内の圧力を示す圧力ゲージの値が約７ｐｓｉとなった。図７Ｄは、実施例１で形成されるジェットの面を示す写真である。図７Ｅは、実施例１で形成されるジェットを側面からみた様子を示す写真である。
【００９０】
図７Ｄおよび図７Ｅを参照しつつ説明すると、水がノズル７２２から流出して、平坦なジェット７２５を形成する。ジェット７２５は、長さが約１２ｃｍとなるように形成される。この長さは、参照番号７２６で表される測定値である。ジェットの長さは、ノズルの流出口からジェットが底部で再び１つになる箇所までの距離を測定した値である。部分７２８に示すように、線形シート不安定性がこの部分から始まり、ジェットが分散し始めている。分散長さは、ジェットの分散が始まった箇所からの長さである。ジェットの安定領域は、参照番号７３０によって図示されている。不安定領域は、参照番号７３２で示されており、本明細書に記載するように複数のジェットの位置が互いに近接している場合に重要になる。
【００９１】
＜実施例２＞
実施例２によると、アレイ状のジェットは、図８Ａに示す試験台装置によって形成された。当該システムの概略は、参照番号８００で示す。当該システム８００は、流体用排水ます８０２と、流体ポンプ８０４と、１つのノズルバンク８０６に接続されている配管設備を備える。流体は、再循環するようになっており、排水ます８０２からポンプへと流れてノズルバンク８０６を通過し、平坦なジェット８０８となった。平坦なジェット８０８は、排水ますに再び溜められた。ポンプから延びている配管網は、ノズルバンクのすぐ上流に接続されており、ノズルバンクの両側からの供給を可能とするように構成された。圧力ゲージ８１０は、流体経路のＴ字部分に配設され、ノズルバンクに供給される流体圧を測定した。
【００９２】
図８Ｂは、実施例２で用いたノズルバンクを示す図である。当該ノズルバンクの概略を、参照番号８１２で示す。ノズルバンク８１２は、長さが８インチで直径が０．５インチのステンレス鋼の管から形成された。この管の４インチの位置にある中央部分８１４は、幅が０．３７５インチの楕円を形成するように圧縮された。ノズルバンクには、複数のノズル８１６が設けられた。この実施例によると、ワイヤ放電加工（ＥＤＭ）を用いて管に切り込みを入れて、３２個のノズルを形成した。各ノズル８１６は、約２ｍｍの等間隔で互いから離間させた。この実施例では、ノズルを１つおきにテープで塞いで、１６個のノズルを利用したので、各ノズル間の距離は４ｍｍとなった。
【００９３】
図９は、実施例２で形成されたジェットを示す写真である。
【００９４】
図９を参照しつつ説明すると、実施例２の装置の動作では、１００％（ｗ／ｗ）のエチレングリコールを外囲温度でノズルバンクを通過させて流した。ノズルバンクの圧力を示す圧力ゲージ８１０の値は約１１ｐｓｉとなった。図９に示すように、内部ジェットは、ノズルバンク８１２の左側の１ｃｍの格子スケールで表されているように、ノズルバンク８１２から約５ｃｍ離れた箇所で一点にまとまった。外側ジェットは、ノズルバンク８１２から約２０ｃｍ離れた箇所で一点にまとまった。この実施例において、ジェットが一点に集中すると、ノズルバンクを互い違いになるように配置することに関して、問題が発生する。また、ジェットが一点に集まるために、ジェットの表面積は限られてしまっていた。
【００９５】
＜実施例３＞
実施例３によると、実施例２の試験台装置によってアレイ状のジェットを形成した。この実施例では、ノズルバンク８１２は、図１０Ａから図１０Ｂに示すチャネル挿入体で変更された。
【００９６】
図１０Ａは、実施例３に係るチャネル挿入体を示す断面斜視図である。図１０Ｂは、図１０Ａのチャネル挿入体をラインＢ−Ｂ´に沿って示す断面斜視図である。
【００９７】
図１０Ａおよび図１０Ｂを参照しつつ説明すると、チャネル挿入体の概略を参照番号１０００で示す。チャネル挿入体１０００は、ノズルバンク８１２の内壁に、反対側のノズルバンクの壁を利用して止めネジ（不図示）によって固定された。チャネル挿入体１０００は、アルミニウムブロックから形成された。このブロックに、ノズルバンク８１２に形成されたノズルの開口と一致するような複数のチャネル１００２を機械加工で形成した。チャネル挿入体に形成された個別チャネル１００２は、幅が約０．０３９インチ、長さが約０．１７５インチ、奥行きが約０．１９インチであった。チャネル挿入体の端部は、ノズルバンク内の流体の流れを容易にするべく斜めに形成され、片側は管の内部構造に合うように丸く形成されていた。本実施例によると、利用するノズルは５個で、残りのノズルはテープで塞いだ。ノズル間の間隔は４ｍｍであった。
【００９８】
図１１は、実施例３で形成されたジェットを示す写真である。
【００９９】
図１１を参照しつつ説明すると、実施例３に係る装置の動作では、チャネル挿入体１０００を利用しつつ、１００％（ｗ／ｗ）のエチレングリコールを外囲温度でノズルバンクを通過させて流した。ノズルバンクの圧力を示す圧力ゲージの値は、この実施例でも、１１ｐｓｉとなった。図示されているように、互いに平行で平坦なジェット１１００が複数形成された。平坦なジェットの安定領域は名目上、１５ｃｍであった。ジェットは、安定領域より下方では、まとまりがなくなって互いに混ざり合う。この場合、ジェットが安定しているので、ジェットを互い違いに配置することができるようになる。
【０１００】
＜実施例４＞
実施例４によると、アレイ状の平坦なジェットを実施例２で説明したシステムを用いて生成した。異なるノズルバンクを使用した。図１２Ａから図１２Ｃを参照しつつ説明する。ノズルバンクの概略を、参照番号１２００で示す。ノズルバンク１２００は、直径が０．２５インチのステンレス鋼管で形成された。この管は、長さが１０ｃｍで、長手方向に半分に切断された。ノズル１２０２は、上述したように、ワイヤＥＤＭを利用して管１２０４に切り込みを入れて形成された。ノズル間の間隔１２０３は、図１２Ｃに示すように、管に沿って約０．６ｃｍであった。管には１６個のノズルが形成された。この管をステンレス鋼製のプレート１２０６に溶接した。プレート１２０６は、機械加工されたステンレス鋼製の供給本体１２０８に溶接した。この結果、チャンバが形成された。供給管の中心線からノズル管までの距離は、約４ｃｍであった。チャンバの幅は、テーパー形状を持つので、供給管の最上部においては１．０１６ｃｍであり、ノズル管においては０．２５インチとなった。ノズルバンク１２００の内部には、ステンレス鋼製の分離部材１２１０を溶接した。各ノズル１４０２は、図８Ｂのノズルバンクの断面図に示したように、別個の供給チャネル１２１２を持つように構成された。このノズルバンクでは、各チャネルの高さは約１．２１インチで、分離部材１２１０は約０．２０１インチの間隔で配置されている。
【０１０１】
図１２Ｄは、実施例４で形成されるジェットを示す写真である。
【０１０２】
図１２Ｄを参照しつつ説明すると、実施例４に係る装置の動作では、１００％（ｗ／ｗ）のエチレングリコールを外囲温度でノズルバンクを通過させて流した。ノズルバンクの圧力を示す圧力ゲージの値は、この実施例でも、１１ｐｓｉとなった。図示されているように、互いに略平行で平坦なジェットが複数形成された。平坦なジェットの安定領域は名目上、１５ｃｍであった。ジェットは、安定領域より下方では、まとまりがなくなって互いに混ざり合う。この場合、ジェットが安定しているので、ジェットを互い違いに配置することができるようになる。
【０１０３】
また、この実施例では別の実験も行った。この実験では、分離部材１２１０を有さないノズルバンクを利用した。つまり、この構成によると、ノズルバンクは本例と同一であるが、分離部材１２１０が設けられなかった。平行なジェットを生成するためのノズルバンクの高さの最小値は５ｃｍであり、高さが５ｃｍ未満になると平坦なジェットは、実施例２で示したように、１つにまとまってしまうことが観察された。
【０１０４】
ノズルバンクの高さを５ｃｍから８ｃｍの間で設定した場合についても試験が行われた。つまり、供給管の中心線からノズル管までの距離が約５ｃｍから約８ｃｍで、内部分離部材１２１０は設けられなかった。ノズルバンクの高さを６ｃｍとした場合にノズルバンクで形成されたジェットが、ノズルバンクの高さを５ｃｍとした場合に形成されたジェットよりもわずかに平行である度合いが高いことが観察された。また、ノズルバンクの高さを６ｃｍ以上にして形成されたジェットは（ジェットの平行の度合いに関して）大きな改善は見られなかった。
【０１０５】
＜実施例５＞
実施例５によると、ジェット試験装置を用いて、水がノズルバンクアレイから流出して向流方向に流れている窒素ガスと相互作用する様子を説明する。当該装置は、図１に示す装置と同様に、動作チャンバと、流体プレナムと、気体流入口と、気体流出口と、流体プレナムに結合されている液体流入口と、流体流出口とを備えていた。
【０１０６】
しかし、この実施例では、図１３Ａに示すように７個のノズルバンク（１３０２、１３０４、１３０６、１３０８、１３１０、１３１２、１３１４）をアレイ状にまとめて、各ノズルバンク間を気体が通過するように構成した。各ノズルバンクは、実施例４で説明したものであった。図１３Ａを参照しつつ説明すると、液体プレナムは、供給バンクのうち２つについて、支持部材１３２０に結合されている第１の供給プレナム１３１６および第２の供給プレナム１３１８を有していた。この実施例によると、各ノズルバンクには複数のノズル１３２２が形成された。図１３Ｂを参照しつつ説明すると、バンク１３０２のノズルは、バンク１３０４のノズルとはオフセットされており、アレイ全体で交互にこのように配置されているので、図１３Ｂに示すように、隣接するノズルバンクの平坦なジェットは互い違いに位置することになる。隣接するノズルバンク間（中心線から中心線まで）の距離は、参照番号１３２４で図示されており、この実施例では１２．５ｍｍあった。隣接するノズル間の距離は、参照番号１３２６で示されており、この実施例では６ｍｍである。隣接するノズルバンクのノズル同士の間の距離は、参照番号１３２８で示されており、この実施例では３ｍｍである。
【０１０７】
ノズルバンクは、ノズルバンクを供給対象とする２つの側方プレナム（１３１６および１３１８）から成る供給プレナム内に配設されている。側方プレナムは、ステンレス鋼から機械加工で形成され、観察およびノズルバンク清浄のために取り外し可能なアクリル窓を含む。ノズルバンクは、Ｏリング１３３０を用いて側方プレナム内に封止されている。ノズルバンクおよび側方プレナムは、１つのステンレス鋼製の供給管（不図示）に取り付けられている。プレナム構造にはステンレス鋼製のフランジが取り付けられて、反応器の実装を可能とする。
【０１０８】
図１３Ｃは、実施例５で形成されるジェットを示す写真である。図１３Ｄは、実施例５で形成されるジェットを示す別の写真である。
【０１０９】
図１３Ｃおよび図１３Ｄを参照しつつ動作を説明すると、ノズルバンクアレイに水を流して、アレイ状の平坦で互い違いのジェットを生成する。流体プレナム上の圧力ゲージの測定値は、ノズルバンクに供給される圧力が１１ｐｓｉであった。図１３Ｃは、向流がなく、真空環境下で動作する場合のジェットを示す。気体は、反応容器の底部で導入され、ジェットの流れと反対向きになるように流れ、ノズルバンク間を通って反応器外へと流出した。図１３Ｄは、１００Ｔｏｒｒ且つ１３ｍ／ｓで向流で窒素ガスを供給しつつ動作する場合のジェットを示す。このようなアレイの場合には、外囲雰囲気条件でも真空条件でもジェットが非常に安定することが観察された。上述した向流がジェットに対して導入される場合、ジェットの挙動にほとんど差異は見られなかった。ジェットの最上部の表面は、向流があっても、平坦なままであった。ジェットは、真空でも、上述した流れであっても、相互に作用したり１つにまとまることはなかった。
【０１１０】
当業者には、本発明の意図または範囲から逸脱することなく本発明をさまざまな点で変形および変更し得ることが明らかであろう。このため、本発明は、請求項およびその均等物の範囲内に含まれる限りにおいて、本発明の変形例および変更例も含むものことを意図している。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１３Ｄ】
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【国際調査報告】
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2012504044.tif 000033