水処理における真空脱泡

きれいに見える水でも、実は問題が潜んでいる可能性があります。溶存ガス (酸素、二酸化炭素、窒素、その他の痕跡) は目に見えませんが、腐食を引き起こし、処理プロセスに干渉し、コンプライアンスの問題を引き起こします。ボイラー給水では、溶存酸素が鋼管や熱交換器を侵食します。飲料水では、過剰な二酸化炭素により pH が乱され、消毒が予測できなくなります。工業用冷却ループでは、溶解した空気がポンプのキャビテーションを引き起こし、熱伝達を低下させます。

真空脱気は、これらのガスを除去する最も効果的な方法の 1 つです。これは新しいアイデアではありません。発電所やボイラーハウスでは何十年も前から使用されていますが、規制の強化、エネルギーコストの上昇、水質仕様の要求の高まりにより、都市や工業用水の処理全体で新たな用途に導入されています。

この記事では、真空脱気の機能、それが重要な理由、および水処理プロセスに適切なシステムを選択する方法について説明します。

溶存ガスが問題となる理由

水に溶けている気体は偶然に存在するものではありません。それらは、大気との接触、曝気プロセス、または化学反応の副産物として侵入します。一度溶解すると、温度、圧力、化学平衡など、何かが変化するまで溶液中に留まります。

酸素最も悪名高いです。たとえ数ppmであっても、炭素鋼の配管やボイラーに深刻な腐食を引き起こす可能性があります。損傷は最初は必ずしも明らかではありません。それは孔食として始まり、その後漏れや故障へと加速します。ボイラー システムでは、酸素腐食が予定外のダウンタイムの主な原因です。

二酸化炭素溶解して炭酸を形成し、pH を低下させ、水を金属やコンクリートに対して攻撃的にします。飲料水では、pH 調整が複雑になり、アルカリ性化学物質の需要が増加する可能性があります。高純度の工業用水では、微量の CO₂ さえも導電率と抵抗率の測定に干渉します。

窒素はほとんど不活性ですが、溶液から出てくると気泡を形成してポンプのキャビテーションを引き起こし、熱伝達効率を低下させ、騒音が大きく非効率的な動作を引き起こします。

その他のガスメタン、硫化水素、塩素、揮発性有機物は特定の用途に現れます。臭気から毒性、爆発の危険性まで、それぞれに独自の問題が生じます。

共通しているのは、それらはすべて望ましくないということです。真空脱気をすることでそれらを取り出すことができます。

真空脱気の仕組み

原理は単純です。ガスは圧力が高いほどよく溶け、圧力が下がると溶液から出てきます。真空脱気装置では、水は低圧環境 (通常は絶対圧 0.02 ～ 0.2 bar) にさらされ、そこでは溶解ガスが溶けなくなります。それらは液相を離れ、真空システムによって運び去られます。

プロセスの効率は次の 3 つの要素によって決まります。

• 表面積。水が真空に与える表面積が増えるほど、ガスはより速く逃げます。このため、脱気装置はパッキン、トレイ、スプレー ノズルを使用して水を薄い膜や液滴に分解します。

• 滞在時間。ガスがバルク液体から拡散するのに十分な時間、水は真空中に留まらなければなりません。

• 真空レベル。絶対圧力が低いということは、ガスの溶解度が低いことを意味します。真空度を高めるとより多くのガスが除去されますが、製造コストも高くなります。

実際、ほとんどの水処理脱気装置は、溶存酸素と CO₂ の 90 ～ 99% の除去を達成します。正確な性能はシステム設計と流入ガス濃度によって異なります。

真空脱泡が使用される場所

ボイラー給水処理古典的なアプリケーションです。溶存酸素と CO₂ を除去することで、ボイラー、給水ヒーター、復水戻りラインの腐食を防ぎます。最新のボイラー システムでは、多くの場合、真空脱気と化学的脱酸素剤を組み合わせて 2 層防御を実現しています。

飲料水処理真空脱気を使用して過剰な CO₂ を除去し、pH を調整し、消毒効率を向上させます。また、地下水から揮発性有機化合物（VOC）やラドンを除去するためにも使用されます。

工業用冷却水溶解した空気がポンプのキャビテーションを引き起こし、熱交換器の性能を低下させるため、脱ガスによるメリットが得られます。空気を除去することで流れが安定し、エネルギー効率が向上します。

廃水処理真空脱気を使用して硫化水素などの臭気ガスを除去し、膜濾過または排出用の水を準備します。

高純度水システム製薬、半導体、発電所では、超低溶存ガスレベルを達成するために真空脱気を利用しています。

適切な真空システムの選択

真空ポンプは、あらゆる脱気システムの心臓部です。いくつかのテクノロジーが利用可能ですが、それぞれにトレードオフがあります。

液封ポンプ水分や液体のキャリーオーバーに耐えられるため、水の脱気には一般的に選択されます。堅牢かつシンプルで信頼性が高いです。ただし、アザラシ水を消費し、エネルギー効率は中程度です。

ドライスクリューポンプオイルフリー動作と高効率を実現します。製品の純度とエネルギーコストが重要となる新規設置向けに指定されることが増えています。液体の侵入を避けるために上流での適切な分離が必要ですが、最新の設計は水蒸気を適切に処理します。

ルーツブロワーより深い真空やより高い容量を実現するために、他のポンプと組み合わせてブースターとして使用されることがよくあります。単独で湿式用途に使用することはできません。

スチームエゼクター蒸気は利用可能だが電気代が高価な場合はオプションです。可動部品はありませんが、蒸気を消費し、廃水を生成します。

正しい選択は、必要な真空レベル、ガス負荷、水温、施設の運用コストの優先順位によって異なります。

システム設計の考慮事項

真空脱気装置は単なるポンプではありません。このシステムには、脱気容器、パッキンまたはトレイ、配水、真空配管、および制御装置が含まれます。各コンポーネントはパフォーマンスに影響します。

容器の設計水が真空とどの程度よく接触するかを決定します。充填カラムは高い表面積を提供しますが、浮遊物質が付着する可能性があります。スプレー システムはシンプルですが、効率は低くなります。トレイのデザインはその中間に位置します。

水温温度が上昇するとガスの溶解度が低下するため、これは重要です。温水は脱気しやすくなりますが、真空ポンプにかかる蒸気負荷も増加します。

真空制御安定した動作には欠かせません。真空が深すぎると、水が蒸発して蒸気になる可能性があります。浅すぎると脱泡が不完全になります。自動制御バルブと圧力トランスミッターが設定値を維持します。

材料除去されるガスによる腐食に耐えなければなりません。二酸化炭素と硫化水素は特に攻撃的です。多くの場合、ステンレス鋼またはコーティングされたコンポーネントが指定されます。

メンテナンスとトラブルシューティング

真空脱気システムは比較的メンテナンスの手間がかかりませんが、メンテナンスフリーではありません。

ポンプ性能時間の経過とともに劣化します。シールの摩耗、内部腐食、汚れにより効率が低下します。真空レベルとポンプ電流を定期的に監視することで、問題を早期に発見します。

パッキンとトレイスケール、生物増殖、または懸濁物質で汚れる可能性があります。清掃や交換は定期的に行ってください。

真空漏れパフォーマンス低下の一般的な原因です。システムに空気が漏れると絶対圧力が上昇し、脱気効率が低下します。リークテストは定期メンテナンスの一部として行う必要があります。

水質システムの寿命に影響を与えます。硬水はスケールの原因となります。腐食性の水は材料を攻撃します。前処理が必要な場合があります。

まとめ

真空脱気は、水から溶存ガスを除去する実証済みの効果的な方法です。腐食を防止し、処理性能を向上させ、水質基準を満たすのに役立ちます。この技術はボイラー給水処理で十分に確立されており、飲料水、工業用冷却、および廃水において新たな用途を見出しています。

適切な真空ポンプ (液封、ドライスクリュー、またはハイブリッド システム) の選択は、特定の用途、必要な真空レベル、および施設の動作優先度によって異なります。適切に設計されたシステムは、長年にわたる信頼性の高いサービスを提供し、機器を保護し、水質を確保します。

技術的なよくある質問

Q: 水の脱気における標準的な真空レベルはどれくらいですか?
A: ほとんどの脱気装置は絶対圧 0.02 ～ 0.2 bar で動作します。正確なレベルは、除去されるガスと必要な除去効率によって異なります。

Q: 真空脱気では溶存酸素をすべて除去できますか?
A: 溶存酸素の 90 ～ 99% を除去できます。ボイラー給水の場合、残留酸素は通常、必要な低 ppb レベルを達成するために化学スカベンジャーによって処理されます。

Q: 真空脱気と膜脱気の違いは何ですか?
A: 真空脱ガスでは、低圧容器を使用してガスを除去します。膜脱気では、疎水性膜を使用してガスを水から分離します。膜システムはコンパクトですが、低流量および高純度の用途に適しています。

Q: ガス抜き用に液封ポンプとドライスクリューポンプのどちらを選択すればよいですか?
A: 液封ポンプは湿気をうまく処理し、堅牢ですが、封水を消費します。乾式スクリューポンプはエネルギー効率が高く、オイルフリーですが、良好な液体分離が必要です。どちらを選択するかは、水質、エネルギーコスト、メンテナンスリソースによって異なります。

Q: 真空脱気装置にはどのようなメンテナンスが必要ですか?
A: 真空レベル、ポンプ電流、シール状態を定期的にチェックします。パッキンまたはトレイに汚れがないか検査する必要があります。リークテストは定期的に行う必要があります。スケーリングを防ぐために水質前処理が必要な場合があります。