(57)【要約】【課題】限られた投資で、流動性媒材混合物の成分分離の、特に速度および品質を向上させるデバイスおよび方法を提供する。【解決手段】本発明は、流動性媒材混合物を、少なくとも二つの成分に分離するためのデバイスに関する。このデバイスは、分離すべき流動性混合物を回転させるための、フィード・チャネル（６）の回転アセンブリの形態にある回転手段（７）、回転手段へ連結する、分離すべき媒材混合物（５）のためのフィード、そして、分離された媒材混合物の成分の一つを排出するための、回転手段へ連結するアウトレットからなり、媒材混合物が、分離中、実質的に乱流を生じることを特徴とする。本発明は、また、流動性媒材混合物を分離するための方法に関する。【代表図】図１
2009527354.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流動性媒材混合物を、異なる質量密度を持つ少なくとも二つの成分に分離するためのデバイスであって、
分離すべき流動性混合物を回転させるための、フィード・チャネルの回転アセンブリの形態にある回転手段、
回転手段へ連結する、分離すべき媒材混合物のためのフィード、そして
分離された媒材混合物の成分の少なくとも一つを排出するための、回転手段へ連結するアウトレットからなり、
フィード・チャネルの少なくとも一つが、その中で媒材混合物が実質的に乱流を生じるように寸法決めされることを特徴とする、デバイス。
【請求項２】
フィード・チャネルの少なくとも一つが、その中のレイノルズ数が２５００を超えるように寸法決めされることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
フィード・チャネルの少なくとも一つが、その中のレイノルズ数が３０００を超えるように寸法決めされることを特徴とする、請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
デバイスが、圧力の下で媒材混合物を供給するための圧力手段からなることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載のデバイス。
【請求項５】
圧力が、少なくとも１０バールに到達することが可能であることを特徴とする、請求項４に記載のデバイス。
【請求項６】
圧力が、少なくとも１００バールに到達することが可能であることを特徴とする、請求項５に記載のデバイス。
【請求項７】
少なくとも一つの成分が、固体粒子からなることを特徴とする、前述の請求項のいずれかに記載のデバイス。
【請求項８】
固体粒子の直径ｄが、ｄ≧２ｄｐ１００%を満たし、この場合、ｄｐ１００%は、発生している遠心力の影響下で、層流内においてフィード・チャネルの下流端でチャネルの壁に到達する粒子の直径を表すことを特徴とする、請求項７に記載のデバイス。
【請求項９】
固体粒子の直径ｄが、ｄ≧２．５ｄｐ１００%を満たし、この場合、ｄｐ１００%は、発生している遠心力の影響下で、層流内においてフィード・チャネルの下流端でチャネルの壁に到達する粒子の直径を表すことを特徴とする、請求項８に記載のデバイス。
【請求項１０】
少なくとも一つのフィード・チャネルが、実質的に直線的な進行を持ち、その軸が、回転手段の回転軸と角度βを形成することを特徴とする、前述の請求項のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１１】
角度βが、β≦１０ｄｈ／Ｌを満たすように選択され、この場合、Ｌおよびｄｈは、それぞれフィード・チャネルの長さおよび水力直径を表すことを特徴とする、請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１２】
角度βが、β≦２ｄｈ／Ｌを満たすように選択されることを特徴とする、請求項１１に記載のデバイス。
【請求項１３】
流動性媒材混合物を、異なる質量密度を持つ少なくとも二つの成分に分離するための方法であって、
Ａ）分離すべき媒材混合物を供給する処理ステップ、
Ｂ）回転手段内で分離するために、流動性混合物を回転させる処理ステップ、なお、回転手段は、この目的のために設けられ、フィード・チャネルの回転アセンブリからなる、そして、
Ｃ）分離された成分の少なくとも一つを排出する処理ステップからなり、
処理ステップＢ）の間、流動のレイノルズ数は２０００を超え、媒材混合物は実質的に乱流を生じることを特徴とする、方法。
【請求項１４】
処理ステップＢ）の間、少なくとも一つのフィード・チャネル内における流動のレイノルズ数が、２５００を超えることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
処理ステップＢ）の間、少なくとも一つのフィード・チャネル内における流動のレイノルズ数が、５０００を超えることを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
処理ステップＢ）の間、分離すべき媒材混合物の圧力が、少なくとも１０バールに達することを特徴とする、請求項１３から１５のいずれかに記載の方法。
【請求項１７】
処理ステップＢ）の間、分離すべき媒材混合物の圧力が、少なくとも１００バールに達することを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
成分の少なくとも一つが固体粒子からなり、固体粒子の直径ｄが、ｄ≧２ｄｐ１００%を満たし、この場合、ｄｐ１００%は、発生している遠心力の影響下で、層流内においてフィード・チャネルの下流端でチャネルの壁に到達する粒子の直径を表すことを特徴とする、請求項１３から１７のいずれかに記載の方法。
【請求項１９】
成分の少なくとも一つが固体粒子からなり、固体粒子の直径ｄが、ｄ≧２．５ｄｐ１００%を満たし、この場合、ｄｐ１００%は、発生している遠心力の影響下で、層流内においてフィード・チャネルの下流端でチャネルの壁に到達する粒子の直径を表すことを特徴とする、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
少なくとも一つのフィード・チャネルに対して、
Ω．τ≦α．（Ｌ／ｄｈ）
の関係が成立し、
この場合、Ωは回転速度であり、τはフィード・チャネル内での処置時間を表し、Ｌおよびｄｈは、それぞれフィード・チャネルの長さおよび水力直径を表し、そしてαは２未満であることを特徴とする、請求項１３から１９のいずれかに記載の方法。
【請求項２１】
αが１未満であることを特徴とする、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
αが、０．５と１との間にあることを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流動性媒材混合物を、異なる質量密度を持つ少なくとも二つの成分へ分離するための、分離すべき流れる混合物を回転させるための回転手段からなるデバイスに関する。本発明は、また、流動性媒材混合物を、異なる質量密度を持つ少なくとも二つの成分へ分離するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
流動性媒材混合物の分離には、非常に多様な応用がある。本発明における媒材混合物は、少なくとも一つの液体または気体中に分散した、ミクロン、あるいはサブミクロン・サイズの、固体および／あるいは液体および／あるいは気体の粒子の混合物を意味する、と理解すべきである。例としては、気体と気体の混合気、気体と液体の混合物あるいはエアロゾル、液体と液体の混合物、気体と固体の混合物、液体と固体の混合物、または一つ以上の追加の成分を備えるそのような混合物である。流動性媒材混合物の分離は、液体浄化、（送気管）気体浄化や粉体分離等の種々の応用で知られている。粒子サイズにおける大きな差異や質量密度における大きな差異のある成分の分離は、比較的に単純である。この目的で、例えば、濾過やふるい分け等のプロセスが大規模に用いられる。質量密度の差異がより小さな成分の分離においては、化学的な分離技術や、例えば沈殿や遠心分離等の分離技術を用いる。大量の媒材混合物を処理する際は、化学的な分離技術は、比較的に経済的ではなく、また通常、環境にやさしいものではないことは確かである。沈殿による成分分離は、時間のかかるものであり、大量の媒材混合物を処理する場合は、巨大な貯水池を使用する必要があり、とりわけ高価である。もう一つの既知の技術は、成分の質量密度の差異を分離に利用し、遠心分離機またはサイクロン内で混合物を回転させることによって混合物に遠心力を加える。この技術は、通常、短時間で所望のレベルの分離を実現するのに十分に選択的なものではない。
【０００３】
序文で述べたタイプの既知のデバイスが、ＮＬ８７００６９８に説明されている。このデバイスは、分離すべき流れる混合物を回転させるための、フィード・チャネルの回転アセンブリの形態にある回転手段、分離すべき媒材混合物のための、回転手段に連結するフィード、分離された媒材混合物の成分を排出するための、回転手段に連結するアウトレットからなる。回転フィード・チャネル内では、遠心力の影響を受け、分離すべき混合物のより重い成分は、チャネルの壁の方へ、軽い成分よりも外側へ移動されて、分離が生じる。ＮＬ８７００６９８から既知であるデバイスの欠点は、比較的に低い圧力でのみ使用が可能であるため、分離の進行速度が遅いことである。分離の選択度も改善が可能である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、限られた投資で、流動性媒材混合物の成分分離の、特に速度および品質を向上させるデバイスおよび方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、この目的のために、請求項１に明示する特徴を持つ、序文に明記したタイプのデバイスを提供する。本発明によって提供されるデバイスは、フィード・チャネルの少なくとも一つが、その中で媒材混合物が実質的に乱流を生じるように寸法決めされる。少なくとも一つのフィード・チャネル内のレイノルズ数は、２０００を超えることが好ましく、２５００よりも大きいことがより好ましく、３０００よりも大きいことがさらに好ましく、そして５０００よりも大きいことが最も好ましい。任意のプロセス条件に対してフィード・チャネルの少なくとも一つを、その中に実質的に乱流が生じるように寸法決めすることは、驚くべきことに、デバイスの分離性能に必然的に悪影響を与えることなく、分離速度を向上させることができる。一般に、フィード・チャネルの乱流は、フィード・チャネルの壁への重い成分の移動を妨げる二次的な流れを起こすと想定されているため、これは驚くべきことである。このことは、とりわけ、分離すべき成分が、ミクロンおよびミクロン以下のレベルのサイズの粒子、特に固体粒子からなる媒材混合物の場合にそうである。本発明によるデバイスは、したがって、そのような媒材混合物を分離するために、とりわけ有利に適用できる。本発明によるデバイスを用いて特に有利な方法で分離できる混合物は、約０．１から約５ミクロンまでの直径の固体粒子からなる。
【０００６】
本発明によるデバイスの好適変形例は、単一に結ばれた断面を持つフィード・チャネルからなる。第一の変形例においては、これは、各フィード・チャネルが、３６０°未満の角度で回転軸の周りに方位角的に延びる、その全長に実用的に沿って延びる断面を持つため、回転軸へ３６０°を超える角度での方位角的な流れが実質的に防止されることを意味すると理解すべきである。第二の変形例においては、単一に結ばれた断面は、各々のフィード・チャネルが、３６０°未満の角度で回転軸の周りに方位角的に延びるため、回転軸へ３６０°を超える角度での方位角的な流れが、各フィード・チャネル内で実質的に防止されることを意味すると理解すべきである。この場合、各フィード・チャネルは、その全長に実質的に沿って延びる壁部を備え、そして分離は、回転軸に対して半径方向および方位角方向に制限される。第三変形例においては、単一に結ばれた断面は、各々のフィード・チャネルが、３６０°未満の角度で回転軸の周りに方位角的に延びるため、回転軸へ３６０°を超える角度での方位角的な流れが、各フィード・チャネル内で実質的に防止されることを意味すると理解すべきであり、この場合、各フィード・チャネルは、その全長に実質的に沿って延びる単一壁によって囲まれる。
【０００７】
フィード・チャネルの数は、原則として、広い限度内で選択できるが、半径方向におけるフィード・チャネルの数は、少なくとも５に達することを推薦する。例えば、１５から１０００であり、少なくとも３０であることがより好ましい。そして少なくとも５０であることが最も好ましい。少なくとも５本のフィード・チャネルが、回転軸に対してほとんど相互に平行に延びることが好ましい。
【０００８】
注意すべきは、本発明の文脈における成分の分離は、二つの成分の平均質量密度に有意差が生じるように成分を少なくとも部分的に分離することを意味する、と理解すべきことである。完全な（１００%）分離を実際に実現するのは困難である。分離すべき成分の混合物を回転させると、軽い成分は、回転の内側へ少なくとも実質的に移動し、より重い成分は、回転の外側へ少なくとも実質的に移動することになる。可能な応用としては、混合物に関して少なくとも一つの成分の利用オプションを向上させる分離がある。この使用に耐える（「浄化した」）成分は、分離後でさえも、もう一つの望まない成分を未だに含む（「他の成分」で汚染されている）可能性がある。しかし、この他の成分の存在は、本来の混合物中におけるこの望まない成分の存在よりも著しく小さい。フィード・チャネルの、回転アセンブリの形態にある回転分離器には、（半径方向における）壁からの媒材の平均距離が制限され続けるという長所がある。このため、比較的短時間で所望の分離度が達成できる。（これは、高軸方向速度と組み合わせた回転分離器の軸方向における比較的制限された長さに対応する、そのため、より多くの流量を処理できる）。適用すべき流速は、状況に応じて変化させることができる、あるいは最適化できる。少なくとも一つのフィード・チャネルを通して乱流状態下で導く媒材の処理は、膨大な装置を必要とせずに、予想外の高い分離効率を生じる（すなわち、デバイスが非常に簡潔な形態を採ることが可能である）。そして、媒材は、短時間だけデバイス内で処理される必要がある。
【０００９】
媒材混合物を高圧の下でデバイスを通過させるなら、デバイスは、（より少ない容積で）さらに小型化できる。したがって、本発明によるデバイスの好適実施例は、フィード・チャネルへ圧力下で媒材混合物を供給するための圧力手段からなり、この圧力は、少なくとも１０バールに達することが好ましく、そして少なくとも１００バールに達することがより好ましい。媒材混合物の回転分離のためのデバイスは、チャネル内の流れが層状になるように寸法決めされたフィード・チャネルからなる。すべてのフィード・チャネル内に層流を生じさせることを確実にするために、レイノルズ数Ｒｅは、２０００未満でなければならない。この場合、Ｒｅは次式で定義する。
Ｒｅ＝ｗ０ｄｈ／ｖ  
このとき、ｗ０は、フィード・チャネルを通る媒材混合物の平均軸方向速度であり、ｖは媒材混合物の運動粘性率を表し、そしてｄｈはフィード・チャネルの水力直径である。水力直径は、次式で定義する。
ｄｈ＝４Ａ０／Ｓ  
Ａ０は、チャネルの断面の表面積であり、Ｓは円周である。運動粘性率は、次式で計算できる。
ｖ＝μ／ρ
この場合、μは動粘性率であり、そしてρは媒材混合物の密度である。本発明は、異なる質量密度を持つ二つの成分への媒材混合物の分離に関して悪影響を及ぼすことなく、フィード・チャネルの少なくとも一部に乱流を発生できるという、驚くべき洞察に基づいている。少なくとも一つのフィード・チャネルは、本発明に従って、そこへ、選択したプロセス条件の下で実質的に乱流が発生するように寸法決めされる。レイノルズ数は、プロセス条件（より正確には、フィード・チャネルを通過する媒材混合物の平均軸方向速度ｗ０、そしてフィード・チャネルの水力直径ｄｈ）に、そして（プロセス条件に依存する）媒材混合物の運動粘性率ｖに依存するため、少なくとも一つのフィード・チャネルの寸法は、選択媒材混合物および選択プロセス条件に基づいて、より正確には、デバイスに対して選択したプロセス条件の範囲に基づいて決定される。この範囲を、任意の媒材混合物に対して決定したら、少なくとも一つのフィード・チャネルの寸法は、レイノルズ数に対する上式から容易に決定できる。
【００１０】
気体に対するμの規模は、１０−５ｋｇ／（ｍｓ）である。大気圧では、気体の密度は約１ｋｇ／ｍ３であるため、ｖは１０−５ｍ２／ｓ程度になる。既知の回転粒子分離装置のフィード・チャネル内に層流が生じることを確実にするために、プロセス条件およびチャネル寸法は、実際、レイノルズ数が２０００よりも著しく低くなるよう、一般的に、約１０００に達するように選択される。既知の分離プロセスにおいては、ｗ０は５ｍ／ｓ程度であり、そしてｄｈは２ｍｍ程度である。本発明によるデバイスは、既知のデバイスよりも非常に高い圧力および／あるいは高スループット速度で運転できる。媒材混合物、例えば気体混合物に圧力を加えると、その密度は増加するが、動粘性率の変化は、一般に、非常に小さい。圧力を、例えば１０バールに増加すると、運動粘性率は、すぐに１０分の１に小さくなり、これによって、レイノルズ数は、１０，０００の値へ上昇し得る。１００バールの圧力では、レイノルズ数は、約１００，０００以上の値へ上昇し得る。本発明によるデバイスは、そのような高圧で、この目的のためにフィード・チャネルの通過流面を不必要に大きくすることなく、運転できる。これは、デバイスの分離効率を高める。プロセス産業、そして石油およびガス産業における粒子分離を含み、多くの実装置は、通常、高圧で運転される。
【００１１】
デバイスの回転手段のフィード・チャネルは、所望の形状を持つことができる。したがって、それらを、長さ方向にランダムな曲線に、あるいは逆に、ほぼ直線にすることが可能である。本発明に必要ではないが、複数のフィード・チャネルは、一般的に、回転手段の回転軸に実質的に相互に平行に配置された、単一に結ばれた壁によって形成できる。媒材混合物を少なくとも二つの成分へ分離するための既知のデバイスでは、フィード・チャネルの壁は、回転手段の回転軸にほとんど平行に延びなければならない。そうでなければ、フィード・チャネルの軸に直交する平面内の回転分力が、コリオリ力を引き起こすため、チャネル軸に直交する平面内のフィード・チャネル内に内部渦巻きが発生して、これが分離プロセスに悪影響を及ぼす。本発明のデバイスのもう一つの利点は、回転手段の回転軸に対してゼロではない角度βを形成する軸を持つフィード・チャネルを備えても、良好な分離効率を持つことである。したがって、本発明によるデバイスは、稼働させるのに、既知のデバイスよりも手間がかからない。
【００１２】
β≦１０ｄｈ／Ｌを満たすように角度βを選択することが有利であることが分かっている。この場合、Ｌおよびｄｈは、それぞれフィード・チャネルの長さおよび水力直径を表す。β≦２ｄｈ／Ｌを満たすように角度βを選択することが最も好ましい。回転粒子分離装置のフィード・チャネル（回転フィルタ・エレメント）の製造、取り付け、そして作動が、特に上述の規準を満たすように行われるなら、高圧下でさえ、および／またはチャネル断面が小さいおよび／あるいは分離すべき媒材混合物の粘性が低い場合さえ、分離プロセスが、気づくほどに中断されるようなことは起こらない。
【００１３】
最善な稼働には、分離すべき成分の質量密度に可能な限りの差異があることが望ましい。必要に応じて、本発明によるデバイスは、この目的で、質量密度に影響を与える手段を、回転手段の前に、すなわち、媒材の流向における上流に配置して備えてもよい。質量密度に影響を与える手段は、例えば、膨張手段からなる。（オプションとして等方性）膨張によって、例えば、「ジュール・トムソン」タイプまたはタービンの膨張冷却器を適用することによって、媒材の温度を、非常に短い時間で低下させることができる。もう一つのオプションは、例えば、別個の循環システムで膨張させることで所望の低温レベルを得ることが可能な冷却媒体によって、冷却を行うことである。成分の密度は、減温に影響を受ける。混合物が同じ相を持つ成分からなる（例えば、気体と気体の混合物、または液体と液体の混合物）ならば、とりわけ良好な結果を得ることができる。それらの少なくとも一つの成分が、温度変化から相変化を経て、分離すべき成分の相が、相互に異なるようになる（これによって例えば、気体と液体の混合物、気体と固体の混合物、または液体と固体の混合物が生じる）。温度変化の結果としての物質の相変化の、この現象は、もちろん、一般に知られた現象である。しかし、回転手段による分離にとって、分離すべき成分間に相の違いを生じさせることは、必須なものでない。デバイスは、同じ相にある成分の混合物（例えば、分散させた液体と、気体および気体の混合物等、液体と液体の混合物）に対して、等しく適用できる。本発明のいくつかの可能な応用例としては、空気と窒素の混合物の分離、水の脱気、すなわち気体除去、空気の除湿、天然ガスの浄化などがある。
【００１４】
本発明は、また、次の処理ステップからなる、流動性媒材混合物を、異なる質量密度を持つ少なくとも二つの成分へ分離するための方法に関する。Ａ）分離すべき媒材混合物を供給する処理ステップ、Ｂ）この目的のために設けられた、フィード・チャネルの回転アセンブリからなる回転手段内で、分離すべき流動性混合物を回転させる処理ステップ。この際、流動のレイノルズ数は２０００を超え、媒材混合物は実質的に乱流を生じる。そしてＣ）分離された成分の少なくとも一つを排出する処理ステップ。本発明による方法は、処理ステップＢ）の間、少なくとも一つのフィード・チャネル内における流動のレイノルズ数が、２５００を超えるように実行することが好ましい。そして５０００を超えることがより好ましい。本発明の方法によれば、本発明によるデバイスに基づいて上記に既に説明したような利点が実現できる。この方法は、分離処理ステップが高圧で、しかも極短時間内、例えば１秒未満、通常０．１秒未満で、あるいは１０または５ミリ秒未満でさえも実行できるため、比較的小通過流のデバイスで実行できる。上記に既に説明したように、方法は、少なくとも１０バールの圧力で実行することが好ましい。そして少なくとも１００バールであれば、より好ましい。これによって、大容積の関連デバイスを伴う冗長なプロセスは、不必要になる。
【００１５】
本発明によるデバイスは、原則として、すべての考え得る媒材混合物を、少なくとも二つの成分へ分離するために適用できる。好適実施例は、少なくとも一つの成分が固体粒子からなるという特徴を持つ。本発明のデバイスは、そのような好適混合物の分離において、最高の結果を達成する。
【００１６】
本方法の特定な好適応用例では、ｄ≧２ｄｐ１００%を満たす平均直径ｄの粒子からなる媒材混合物が、デバイスへ供給される。この場合、ｄｐ１００%は、発生している遠心力の影響下で、層流内においてフィード・チャネルの下流端でチャネルの壁に到達する粒子の直径を表す。この特徴的な直径は、例えば、実験によって、または計算によって、熟練者が容易に決定できる。粒子の直径ｄがｄ≧２．５ｄｐ１００%を満たすならば、追加の利点も得られる。特にこれらの条件の下で迅速な分離が、必然的に分離度を損なうことなく達成できるということが分かっている。上述の平均直径を持つ粒径分布で粒子を提示した場合、フィード・チャネル内に層流が発生する既知の方法の場合とほぼ同じ分離効率を達成できることが分かっている。
【００１７】
本発明による方法は、少なくとも一つのフィード・チャネル内に乱流が発生するようにプロセス条件を選択する限り、原則として、広範囲の回転手段の回転速度および処置時間で実行できる。しかしながら、本方法の特定な好適応用例では、回転速度および処置時間は、少なくとも一つのフィード・チャネルに対して、
Ω．τ≦α．（Ｌ／ｄｈ）
を満たすように選択する。この場合、Ωは回転速度であり、τはフィード・チャネル内での処置時間を表し、Ｌおよびｄｈは、それぞれフィード・チャネルの長さおよび水力直径を表す。そしてαは２未満である。Ω≦Ωｃｒであり、Ωｃｒが
Ωｃｒ＝α．（Ｌ／ｄｈ）／τ
である、そのような好適方法においては、分離プロセスは、一般に非常に効果的に進行し、内部循環によって、気づくほどに中断されることはない。Ω＞Ωｃｒである方法においては、内部循環がプロセスに悪影響を与え、Ωｃｒよりも高速な回転の結果として、粒子の分離からの収量の増加が失われるということが分かっている。したがって、回転速度は、３Ωｃｒ未満となるように選択することが好ましい。高回転速度は、物質負荷が大きく、多くのエネルギーを必要とするため、実用的に、回転速度の最高値を２Ωｃｒに制限することには、さらに利点がある。また、最高値をΩｃｒにすることは、より好ましい。方法は、αが０．５と１の間になるように適用することが最も好ましい。
【００１８】
本方法は、特に天然ガスを浄化するために適用される。方法のそのような好適応用例では、処理ステップＡ）で、天然ガスが供給され、追加の処理ステップで、膨張の結果、天然ガスの温度が−５０℃の、あるいは−６０℃未満の温度へ低下する。これによって、天然ガス中に存在する汚染物質の成分、例えばＣＯ２およびＨ２Ｓは、少なくとも実質的に相が変化する。処理ステップＢ）で、汚染成分（例えばＣＯ２およびＨ２Ｓ）は、炭化水素の成分から分離され、処理ステップＣ）で、少なくとも部分的に除去された汚染物質と共に炭化水素の成分が排出される。この好適方法によれば、不要なガスで汚染された技術的に回収可能な天然ガスは、経済的に費用効果が良い方法で、その中に存在する炭化水素から十分な程度に分離可能である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明による方法およびデバイスは、天然ガス内の凝集可能な液体状の成分、例えば、天然ガス内に存在する水霧質、または、そのより重い成分を分離するために用いることもできる。例えば、分離ステップの前に媒材混合物を冷却することによって、そのような成分は液滴へ凝結する。それから、そのように形成された液滴を、フィード・チャネル内で他の成分から分離する。したがって、天然ガスは効率的な方法で乾燥できる。また、例えば、より重い成分を分離する場合には、そのように形成された石油製品を収集することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下の図面に示す非限定的な実施例に基づいて、本発明をさらに説明する。
【００２１】
図１は、例えば天然ガス等の、汚染された気体を浄化するためのデバイス１を示す。汚染気体は、１００から５００バールの、またそれ以上へ変化し得る圧力（典型的な圧力は、例えば約２５０バールに達する）、また約１００℃あるいはそれ以上の温度の下で、フィード２によって矢印Ｐ１に従って供給される。矢印１に従って供給された気体は、それから、例えば大気へ冷却する手段等の熱交換器３内で図示の好適方法に従って冷却される。冷却された気体は、矢印Ｐ２に従って、熱交換器３からスロットル・バルブ４へ流出する。矢印Ｐ２に従って供給された気体は、スロットル・バルブ４により、５から２０バールの低圧へ、望ましくは等方性を持って膨張される。圧力の突然の降下によって、気体の温度は、（例えば、−５０℃よりも低い温度へ）降下するため、気体内に存在する成分の一部の相が変化する。その結果、気体および霧質の混合物５（エアロゾル）が発生する。この気体霧質混合物５は、回転Ｒの結果として、ロータ７のフィード・チャネル６を通して運ばれることにより、霧質が、回転シャフト８から遠隔な、ロータ７のフィード・チャネル６の側面で凝縮する。５から２０バールの圧力では、気体霧質混合物５の運動粘性率ｖが、１０−６ｍ２／ｓ程度になる。フィード・チャネル６を通る気体霧質混合物５の通過フィード速度は、幅広い限度内で選択できることは明らかであるが、経済的な運用に適した軸方向通過フィード速度ｗ０は、通常、５ｍ／ｓ程度である。通常プロセス条件に基づいて、フィード・チャネル６の直径は、チャネル６におけるレイノルズ数が少なくとも２０００に達するように選択する。図示の好適変形例においては、フィード・チャネル６は、２ｍｍの水力直径を持ち、これは、約１０，０００のレイノルズ数に相当する。したがって、フィード・チャネル６内の流動は、実質的に乱流である。凝縮された霧質は、スロットル・バルブ４から遠隔な側で、液滴９としてロータ７から流出する。例えば、液体ＣＯ２およびＨ２Ｓからなる液滴９は、ボウル１０内に収集され、ポンプ１１を作動させることによって、液体ＣＯ２およびＨ２Ｓは、ボウルから矢印Ｐ３へ従って排出される。したがって、ロータ７から流出する気体は、ＣＯ２およびＨ２Ｓが少なくとも部分的に除去され、浄化気体としてデバイス１から矢印Ｐ４へ従って流出する。熱交換器３およびスロットル・バルブ４の使用を推薦するが、これらのコンポーネントは、本発明に必須なものではないことを明示する。
【００２２】
フィード・チャネル内に収集した粒子物質は、ハウジングから、フィード・チャネルの回転アセンブリを取り外し、それを清掃して再び組み入れることによって、あるいは取り外した回転アセンブリを清掃済み回転アセンブリで置換することによって、そこから除去できる。フィード・チャネルの回転アセンブリは、例えば、振動を与えることによって、音波を発生することによって、または、望ましくは高圧の下でフィード・チャネルにスプレーすることによって、あるいは空気または他の気体あるか液体媒材でスプレーすることによって、その位置で、必要ならば作動中に清掃可能である。
【００２３】
本発明によって、運転中、フィード・チャネル６内に実質的に乱流が発生することを確実にすることによって、平均的な変動しない軸流に加えて、速度場内に時間に依存する、そして位置に依存する変動が発生することになる。その結果、分離すべき成分粒子は、層流内の路に相当する平均的な経路の周りで、ジグザクに移動する。この経路は、平均的な軸方向の速度と、ロータ７に起因する遠心力の結果として放射状に外側へ向かう変動しない経路とによって決定される。乱流がない場合、ｄｐ１００%の直径を持つ粒子が収集されるチャンスは、正確に１００%になる。フィード・チャネル６内の滞在中、そのような粒子は、遠心力の結果として、チャネル６の直径に等しい半径方向の変位を経る。本発明によれば、チャネル６内に実質的に乱流が存在するため、直径ｄｐ１００%を持つ粒子の収集効率は、フィード・チャネル６内に層流が占めるように寸法取りされた既知のデバイスにおける場合よりも低くなる（例えば、１００%から約８０%へ減少する）ことが予期できる。図２は、本出願の文脈において、気体霧質混合物５の分離すべき成分の平均直径ｄｐと、この同じ成分の、層流内においてフィード・チャネル６の終端で完全に分離されるであろう平均直径ｄｐ１００%との比率と定義した標準化成分直径２１に対して設定した分離度２０（すなわち、収集効率）の進行を示す。この平均直径ｄｐ１００%は、例えば、フィード・チャネル内に層流が生じるようにプロセス条件を変更することによって、単純な方法で実験的に決定できる。この目的のために、チャネル直径を減らすことも可能である。曲線２２は、既知のデバイス（フィード・チャネル６内の層流）に対する進行を示し、曲線２３は、本発明によるデバイス（フィード・チャネル６内の乱流）に対する進行を示す。予期することとは対照的に、図２は、通過フィード速度をより高速にできるという事実にもかかわらず、分離度２０が、層流に対する場合よりも、気づくほどには少なくないことを示している。さらに、約０．５ｄｐ１００%より小さく、２．５ｄｐ１００%よりも大きな粒子に対しては、本発明によるデバイスの分離度２０が、既知のデバイスのそれと同じレベルに達することが分かっている。
【００２４】
最後に、図３は、分離すべき混合物が矢印Ｐ３０へ従って供給される、マルチ分離デバイス３０を表す。混合物が冷却器３１内で冷却された後、その冷却混合物は、矢印Ｐ３１へ従ってタービン３２へ流入する。タービン３２を通過した後、分離すべき成分の質量密度の差異がより大きくなった混合物は、図式的に示した回転分離器３３へ流入する。第一の、例えば気体の成分は、回転分離器３３からアウトレット３４を通り、矢印Ｐ３３へ従って流出する。第二の成分（例えば、冷たい液体成分）は、回転分離器３３から第二のアウトレット３５を通り、矢印Ｐ３４へ従って流出する。第二の成分は、それから、連結されたもう一つのタービン３６および回転分離器３７へ送られ、そこで、第二の液体成分中に残留する（回転分離器３３内で既に分離された気体成分と同じである、あるいは同じでない）気体成分を、矢印Ｐ３５へ従って分離する目的で、新たな分離プロセスが実行される。その気体成分は、第一の回転分離器３３内で既に分離された気体成分と一緒に流出する。回転分離器３７内で分離された液体成分は、熱交換器３１の効率を高めるため、戻し導管３８を通して矢印Ｐ３６へ従って熱交換器３１へ戻される。熱交換器３１内で、第二の回転分離器３７からの液体成分は、クーラントとして機能し、その後、アウトレット３９を通り、矢印Ｐ３７へ従ってデバイス３０から流出する。注目すべきは、第二の成分（Ｐ３４）の代わりに、あるいは、ちょうど第二の成分（Ｐ３４）のように、例えば、アウトレット３４に連結するこの図に示していないタービン、そしてそれに連結する回転分離器によって、回転分離器３３から流出する第一の成分（Ｐ３３）を、新たな分離プロセスにかけることもできることである。既に分離された成分の再分離は、オプションとして、また、連続二回を超えて実行できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、本発明によるデバイスを示す概略図である。
【図２】図２は、標準粒径での分離度の進行を、パーセントで図式的に示す。
【図３】図３は、本発明による複数の分離デバイスの代替変形実施例を表す概略図である。
【図１】
2009527354.tif 000003
【図２】
2009527354.tif 000004
【図３】
2009527354.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成20年2月28日(2008.2.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流動性媒材混合物を、異なる質量密度を持つ少なくとも二つの成分に分離するための方法であって、
Ａ）分離すべき媒材混合物を供給するステップ、
Ｂ）この目的のために設けられた、フィード・チャネルの回転アセンブリからなる回転手段内で分離するために、フィード・チャネル内の媒材混合物の流れが実質的に乱流であるという条件で、流動性混合物を回転させるステップ、そして、
Ｃ）分離された成分の少なくとも一つを排出するステップからなり、
フィード・チャネルのアセンプリの回転速度が、
Ω．τ≦α．（Ｌ／ｄｈ）
という条件を満たす、
上式におけるΩが回転速度であり、τがフィード・チャネル内での処理時間を表し、Ｌおよびｄｈが、それぞれフィード・チャネルの長さおよび水力直径を表し、そしてαが２未満である、方法。
【請求項２】
αが１未満であることを特徴とする、請求項１による方法。
【請求項３】
αが、０．５と１との間にあることを特徴とする、請求項２による方法。
【請求項４】
成分の少なくとも一つが、粒子からなり、粒子の平均直径ｄが、ｄ≧２ｄｐ１００%を満たし、この場合、ｄｐ１００%は、発生している遠心力の影響下で、層流内においてフィード・チャネルの下流端でチャネルの壁に到達するであろう粒子の直径を表す、前記請求項のいずれかによる方法。
【請求項５】
成分の少なくとも一つが粒子からなり、粒子の直径ｄが、ｄ≧２．５ｄｐ１００%を満たすことを特徴とする、請求項4による方法。
【請求項６】
処理ステップＢ）の間、フィード・チャネル内における流動のレイノルズ数が、２５００を超えることを特徴とする、前記請求項のいずれかによる方法。
【請求項７】
処理ステップＢ）の間、フィード・チャネル内における流動のレイノルズ数が、５０００を超えることを特徴とする、請求項６による方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流動性媒材混合物を、異なる質量密度を持つ少なくとも二つの成分へ分離するための、分離すべき流れる混合物を回転させるための回転手段からなるデバイスに関する。本発明は、特に、流動性媒材混合物を、異なる質量密度を持つ少なくとも二つの成分へ分離するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
流動性媒材混合物の分離には、非常に多様な応用がある。本発明における媒材混合物は、少なくとも一つの液体または気体中に分散した、ミクロン、あるいはサブミクロン・サイズの、固体および／あるいは液体および／あるいは気体の粒子の混合物を意味する、と理解すべきである。例としては、気体と気体の混合気、気体と液体の混合物あるいはエアロゾル、液体と液体の混合物、気体と固体の混合物、液体と固体の混合物、または一つ以上の追加の成分を備えるそのような混合物である。流動性媒材混合物の分離は、液体浄化、（送気管）気体浄化や粉体分離等の種々の応用で知られている。粒子サイズにおける大きな差異や質量密度における大きな差異のある成分の分離は、比較的に単純である。この目的で、例えば、濾過やふるい分け等のプロセスが大規模に用いられる。質量密度の差異がより小さな成分の分離においては、化学的な分離技術や、例えば沈殿や遠心分離等の分離技術を用いる。大量の媒材混合物を処理する際は、化学的な分離技術は、比較的に経済的ではなく、また通常、環境にやさしいものではないことは確かである。沈殿による成分分離は、時間のかかるものであり、大量の媒材混合物を処理する場合は、巨大な貯水池を使用する必要があり、とりわけ高価である。もう一つの既知の技術は、成分の質量密度の差異を分離に利用し、遠心分離機またはサイクロン内で混合物を回転させることによって混合物に遠心力を加える。この技術は、通常、短時間で所望のレベルの分離を実現するのに十分に選択的なものではない。
【０００３】
序文で述べたタイプの既知のデバイスが、ＮＬ８７００６９８に説明されている。このデバイスは、分離すべき流れる混合物を回転させるための、フィード・チャネルの回転アセンブリの形態にある回転手段、分離すべき媒材混合物のための、回転手段に連結するフィード、分離された媒材混合物の成分を排出するための、回転手段に連結するアウトレットからなる。回転フィード・チャネル内では、遠心力の影響を受け、分離すべき混合物のより重い成分は、チャネルの壁の方へ、軽い成分よりも外側へ移動されて、分離が生じる。ＮＬ８７００６９８から既知であるデバイスの欠点は、比較的に低い圧力でのみ使用が可能であるため、分離の進行速度が遅いことである。分離の選択度も改善が可能である。
【０００４】
同様のデバイスは、ＷＯ２００５／１１８１１０Ａ１に開示されている。この文書の３ページ、３から５行には、フィード・チャネル内では層流が好ましいが、乱流条件下でフィード・チャネルを通して、分離すべき媒材を移送できる可能性が述べられている。特定な処理条件に応じて、デバイス（そして、特にチャネル寸法）は、しかるべく選択できる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、限られた投資で、流動性媒材混合物の成分分離の、特に速度および品質を向上させるデバイスおよび方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、この目的のために、次の処理ステップからなる、流動性媒材混合物を、異なる質量密度を持つ少なくとも二つの成分へ分離するための方法を提供する。Ａ）分離すべき媒材混合物を供給するステップ、Ｂ）この目的のために設けられた、フィード・チャネルの回転アセンブリからなる回転手段内で、フィード・チャネル内の媒材混合物の流れが実質的に乱流であるという条件で、分離すべき流動性混合物を回転させるステップ。そしてＣ）分離された成分の少なくとも一つを排出するステップ。この場合、フィード・チャネルのアセンプリの回転速度は、次の条件を満たす。
Ω．τ≦α．（Ｌ／ｄｈ）
を満たすように選択する。この場合、Ωは回転速度であり、τはフィード・チャネル内での処理時間を表し、Ｌおよびｄｈは、それぞれフィード・チャネルの長さおよび水力直径を表す。そしてαは３未満である。Ω≦Ωｃｒであり、Ωｃｒが
Ωｃｒ＝α．（Ｌ／ｄｈ）／τ
である本発明による方法においては、分離プロセスは、一般に非常に効果的に進行し、内部循環によって、気づくほどに中断されることはない。Ω＞Ωｃｒである方法においては、内部循環がプロセスに悪影響を与え、Ωｃｒよりも高速な回転の結果として、粒子の分離からの収量の増加が失われるということが分かっている。高回転速度は、物質負荷が大きく、多くのエネルギーを必要とするため、実用的に、回転速度の最高値を、α＝２であるΩｃｒに制限することには、さらに利点がある。また、最高値を、α＝１であるΩｃｒにすることは、より好ましい。本発明による方法は、αが０．５と１の間にあるという特徴を持つことが最も好ましい。
【０００７】
本発明による方法は、特定な処理条件下で、特にフィード・チャネルの回転アセンブリの臨界回転速度未満で、層流条件下で典型的に得られる分離効率に相当する分離効率を乱流条件下で達成できるという洞察に基づいている。
【０００８】
本発明による方法は、処理ステップＢ）の間、少なくとも一つのフィード・チャネル内における流動のレイノルズ数が、２５００を超えるように実行することが好ましい。そして５０００を超えることがより好ましい。この方法は、分離処理ステップが高圧で、しかも極短時間内、例えば１秒未満、通常０．１秒未満で、あるいは１０または５ミリ秒未満でさえも実行できるため、比較的小通過流のデバイスで実行できる。上記に既に説明したように、方法は、少なくとも１０バールの圧力で実行することが好ましい。そして少なくとも１００バールであれば、より好ましい。これによって、大容積の関連デバイスを伴う冗長なプロセスは、不必要になる。
【０００９】
本発明によるデバイスおよび方法は、原則として、すべての考え得る媒材混合物を、少なくとも二つの成分へ分離するために適用できる。好適実施例は、少なくとも一つの成分が固体粒子からなるという特徴を持つ。本発明のデバイスは、そのような好適混合物の分離において、最高の結果を達成する。
【００１０】
本発明による方法のもう一つの好適実施例では、ｄ≧２ｄｐ１００%を満たす平均直径ｄの粒子からなる媒材混合物が、デバイスへ供給される。この場合、ｄｐ１００%は、発生している遠心力の影響下で、層流内においてフィード・チャネルの下流端でチャネルの壁に到達する粒子の直径を表す。この特徴的な直径ｄｐ１００%は、例えば、実験によって、または計算によって、熟練者が容易に決定できる。
【００１１】
粒子の直径ｄがｄ≧２．５ｄｐ１００%を満たすならば、追加の利点も得られる。特にこれらの条件の下で迅速な分離が、必然的に分離度を損なうことなく達成できるということが分かっている。上述の平均直径を持つ粒径分布で粒子を提示した場合、フィード・チャネル内に層流が発生する既知の方法の場合とほぼ同じ分離効率を達成できることが分かっている。
【００１２】
本発明による方法は、フィード・チャネルの少なくとも一つが、その中で媒材混合物が実質的に乱流を生じるように寸法決めされるデバイス内で実行できる。フィード・チャネル内のレイノルズ数は、２０００を超えることが好ましく、２５００よりも大きいことがより好ましく、３０００よりも大きいことがさらに好ましく、そして５０００よりも大きいことが最も好ましい。任意の処理条件に対してフィード・チャネルの少なくとも一つを、その中に実質的に乱流が生じるように寸法決めすること、そして本発明の処理条件に従って分離方法を実行することは、驚くべきことに、デバイスの分離性能に必然的に悪影響を与えることなく、分離速度を向上させることができる。一般に、フィード・チャネルの乱流は、フィード・チャネルの壁への重い成分の移動を妨げる二次的な流れを起こすと想定されているため、これは驚くべきことである。このことは、とりわけ、分離すべき成分が、ミクロンおよびミクロン以下のレベルのサイズの粒子、特に固体粒子からなる媒材混合物の場合にそうである。本発明によるデバイスは、したがって、そのような媒材混合物を分離するために、とりわけ有利に適用できる。本発明によるデバイスを用いて特に有利な方法で分離できる混合物は、約０．１から約５ミクロンまでの直径の固体粒子からなる。
【００１３】
本発明によるデバイスの好適変形例は、単一に結ばれた断面を持つフィード・チャネルからなる。第一の変形例においては、これは、各フィード・チャネルが、３６０°未満の角度で回転軸の周りに方位角的に延びる、その全長に実用的に沿って延びる断面を持つため、回転軸へ３６０°を超える角度での方位角的な流れが実質的に防止されることを意味すると理解すべきである。第二の変形例においては、単一に結ばれた断面は、各々のフィード・チャネルが、３６０°未満の角度で回転軸の周りに方位角的に延びるため、回転軸へ３６０°を超える角度での方位角的な流れが、各フィード・チャネル内で実質的に防止されることを意味すると理解すべきである。この場合、各フィード・チャネルは、その全長に実質的に沿って延びる壁部を備え、そして分離は、回転軸に対して半径方向および方位角方向に制限される。第三変形例においては、単一に結ばれた断面は、各々のフィード・チャネルが、３６０°未満の角度で回転軸の周りに方位角的に延びるため、回転軸へ３６０°を超える角度での方位角的な流れが、各フィード・チャネル内で実質的に防止されることを意味すると理解すべきであり、この場合、各フィード・チャネルは、その全長に実質的に沿って延びる単一壁によって囲まれる。
【００１４】
フィード・チャネルの数は、原則として、広い限度内で選択できるが、半径方向におけるフィード・チャネルの数は、少なくとも５に達することを推薦する。例えば、１５から１０００であり、少なくとも３０であることがより好ましい。そして少なくとも５０であることが最も好ましい。少なくとも５本のフィード・チャネルが、回転軸に対してほとんど相互に平行に延びることが好ましい。
【００１５】
注意すべきは、本発明の文脈における成分の分離は、二つの成分の平均質量密度に有意差が生じるように成分を少なくとも部分的に分離することを意味する、と理解すべきことである。完全な（１００%）分離を実際に実現するのは困難である。分離すべき成分の混合物を回転させると、軽い成分は、回転の内側へ少なくとも実質的に移動し、より重い成分は、回転の外側へ少なくとも実質的に移動することになる。可能な応用としては、混合物に関して少なくとも一つの成分の利用オプションを向上させる分離がある。この使用に耐える（「浄化した」）成分は、分離後でさえも、もう一つの望まない成分を未だに含む（「他の成分」で汚染されている）可能性がある。しかし、この他の成分の存在は、本来の混合物中におけるこの望まない成分の存在よりも著しく小さい。フィード・チャネルの、回転アセンブリの形態にある回転分離器には、（半径方向における）壁からの媒材の平均距離が制限され続けるという長所がある。このため、比較的短時間で所望の分離度が達成できる。（これは、高軸方向速度と組み合わせた回転分離器の軸方向における比較的制限された長さに対応する、そのため、より多くの流量を処理できる）。適用すべき流速は、状況に応じて変化させることができる、あるいは最適化できる。少なくとも一つのフィード・チャネルを通して乱流状態下で導く媒材の処理は、膨大な装置を必要とせずに、予想外の高い分離効率を生じる（すなわち、デバイスが非常に簡潔な形態を採ることが可能である）。そして、媒材は、短時間だけデバイス内で処理される必要がある。
【００１６】
媒材混合物を高圧の下でデバイスを通過させるなら、デバイスは、（より少ない容積で）さらに小型化できる。したがって、本発明によるデバイスの好適実施例は、フィード・チャネルへ圧力下で媒材混合物を供給するための圧力手段からなり、この圧力は、少なくとも１０バールに達することが好ましく、そして少なくとも１００バールに達することがより好ましい。媒材混合物の回転分離のための既知のデバイスは、チャネル内の流れが層状になるように寸法決めされたフィード・チャネルからなる。すべてのフィード・チャネル内に層流を生じさせることを確実にするために、レイノルズ数Ｒｅは、２０００未満でなければならない。この場合、Ｒｅは次式で定義する。
Ｒｅ＝ｗ０ｄｈ／ｖ  
このとき、ｗ０は、フィード・チャネルを通る媒材混合物の平均軸方向速度であり、ｖは媒材混合物の運動粘性率を表し、そしてｄｈはフィード・チャネルの水力直径である。水力直径は、次式で定義する。
ｄｈ＝４Ａ０／Ｓ  
Ａ０は、チャネルの断面の表面積であり、Ｓは円周である。運動粘性率は、次式で計算できる。
ｖ＝μ／ρ
この場合、μは動粘性率であり、そしてρは媒材混合物の密度である。本発明は、異なる質量密度を持つ二つの成分への媒材混合物の分離に関して悪影響を及ぼすことなく、フィード・チャネルの少なくとも一部に乱流を発生できるという、驚くべき洞察に基づいている。少なくとも一つのフィード・チャネルは、本発明に従って、そこへ、選択した処理条件の下で実質的に乱流が発生するように寸法決めされる。レイノルズ数は、処理条件（より正確には、フィード・チャネルを通過する媒材混合物の平均軸方向速度ｗ０、そしてフィード・チャネルの水力直径ｄｈ）に、そして（処理条件に依存する）媒材混合物の運動粘性率ηに依存するため、少なくとも一つのフィード・チャネルの寸法は、選択媒材混合物および選択処理条件に基づいて、より正確には、デバイスに対して選択した処理条件の範囲に基づいて決定される。この範囲を、任意の媒材混合物に対して決定したら、少なくとも一つのフィード・チャネルの寸法は、レイノルズ数に対する上式から容易に決定できる。
【００１７】
気体に対するμの規模は、１０−５ｋｇ／（ｍｓ）である。大気圧では、気体の密度は約１ｋｇ／ｍ３であるため、ｖは１０−５ｍ２／ｓ程度になる。既知の回転粒子分離装置のフィード・チャネル内に層流が生じることを確実にするために、処理条件およびチャネル寸法は、実際、レイノルズ数が２０００よりも著しく低くなるよう、一般的に、約１０００に達するように選択される。既知の分離プロセスにおいては、ｗ０は５ｍ／ｓ程度であり、そしてｄｈは２ｍｍ程度である。本発明によるデバイスは、既知のデバイスよりも非常に高い圧力および／あるいは高スループット速度で運転できる。媒材混合物、例えば気体混合物に圧力を加えると、その密度は増加するが、動粘性率の変化は、一般に、非常に小さい。圧力を、例えば１０バールに増加すると、運動粘性率は、すぐに１０分の１に小さくなり、これによって、レイノルズ数は、１０，０００の値へ上昇し得る。１００バールの圧力では、レイノルズ数は、約１００，０００以上の値へ上昇し得る。本発明によるデバイスは、そのような高圧で、この目的のためにフィード・チャネルの通過流面を不必要に大きくすることなく、運転できる。これは、デバイスの分離効率を高める。プロセス産業、そして石油およびガス産業における粒子分離を含み、多くの実装置は、通常、高圧で運転される。
【００１８】
デバイスの回転手段のフィード・チャネルは、所望の形状を持つことができる。したがって、それらを、長さ方向にランダムな曲線に、あるいは逆に、ほぼ直線にすることが可能である。本発明に必要ではないが、複数のフィード・チャネルは、一般的に、回転手段の回転軸に実質的に相互に平行に配置された、単一に結ばれた壁によって形成できる。媒材混合物を少なくとも二つの成分へ分離するための既知のデバイスでは、フィード・チャネルの壁は、回転手段の回転軸にほとんど平行に延びなければならない。そうでなければ、フィード・チャネルの軸に直交する平面内の回転分力が、コリオリ力を引き起こすため、チャネル軸に直交する平面内のフィード・チャネル内に内部渦巻きが発生して、これが分離プロセスに悪影響を及ぼす。本発明のデバイスのもう一つの利点は、回転手段の回転軸に対してゼロではない角度βを形成する軸を持つフィード・チャネルを備えても、良好な分離効率を持つことである。したがって、本発明によるデバイスは、稼働させるのに、既知のデバイスよりも手間がかからない。
【００１９】
β≦１０ｄｈ／Ｌを満たすように角度βを選択することが有利であることが分かっている。この場合、Ｌおよびｄｈは、それぞれフィード・チャネルの長さおよび水力直径を表す。β≦２ｄｈ／Ｌを満たすように角度βを選択することが最も好ましい。回転粒子分離装置のフィード・チャネル（回転フィルタ・エレメント）の製造、取り付け、そして作動が、特に上述の規準を満たすように行われるなら、高圧下でさえ、および／またはチャネル断面が小さいおよび／あるいは分離すべき媒材混合物の粘性が低い場合さえ、分離プロセスが、気づくほどに中断されるようなことは起こらない。
【００２０】
最善な稼働には、分離すべき成分の質量密度に可能な限りの差異があることが望ましい。必要に応じて、本発明によるデバイスは、この目的で、質量密度に影響を与える手段を、回転手段の前に、すなわち、媒材の流向における上流に配置して備えてもよい。質量密度に影響を与える手段は、例えば、膨張手段からなる。（オプションとして等方性）膨張によって、例えば、「ジュール・トムソン」タイプまたはタービンの膨張冷却器を適用することによって、媒材の温度を、非常に短い時間で低下させることができる。もう一つのオプションは、例えば、別個の循環システムで膨張させることで所望の低温レベルを得ることが可能な冷却媒体によって、冷却を行うことである。成分の密度は、減温に影響を受ける。混合物が同じ相を持つ成分からなる（例えば、気体と気体の混合物、または液体と液体の混合物）ならば、とりわけ良好な結果を得ることができる。それらの少なくとも一つの成分が、温度変化から相変化を経て、分離すべき成分の相が、相互に異なるようになる（これによって例えば、気体と液体の混合物、気体と固体の混合物、または液体と固体の混合物が生じる）。温度変化の結果としての物質の相変化の、この現象は、もちろん、一般に知られた現象である。しかし、回転手段による分離にとって、分離すべき成分間に相の違いを生じさせることは、必須なものでない。デバイスは、同じ相にある成分の混合物（例えば、分散させた液体と、気体および気体の混合物等、液体と液体の混合物）に対して、等しく適用できる。本発明のいくつかの可能な応用例としては、空気と窒素の混合物の分離、水の脱気、すなわち気体除去、空気の除湿、天然ガスの浄化などがある。
【００２１】
本発明による方法は、特に天然ガスを浄化するために適用される。方法のそのような好適応用例では、処理ステップＡ）で、天然ガスが供給され、追加の処理ステップで、膨張の結果、天然ガスの温度が−５０℃の、あるいは−６０℃未満の温度へ低下する。これによって、天然ガス中に存在する汚染物質の成分、例えばＣＯ２およびＨ２Ｓは、少なくとも実質的に相が変化する。処理ステップＢ）で、汚染成分（例えばＣＯ２およびＨ２Ｓ）は、炭化水素の成分から分離され、処理ステップＣ）で、少なくとも部分的に除去された汚染物質と共に炭化水素の成分が排出される。この好適方法によれば、不要なガスで汚染された技術的に回収可能な天然ガスは、経済的に費用効果が良い方法で、その中に存在する炭化水素から十分な程度に分離可能である。
【００２２】
本発明による方法およびデバイスは、天然ガス内の凝集可能な液体状の成分、例えば、天然ガス内に存在する水霧質、または、そのより重い成分を分離するために用いることもできる。例えば、分離ステップの前に媒材混合物を冷却することによって、そのような成分は液滴へ凝結する。それから、そのように形成された液滴を、フィード・チャネル内で他の成分から分離する。したがって、天然ガスは効率的な方法で乾燥できる。また、例えば、より重い成分を分離する場合には、そのように形成された石油製品を収集することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下の図面に示す非限定的な実施例に基づいて、本発明をさらに説明する。
【００２４】
図１は、例えば天然ガス等の、汚染された気体を浄化するためのデバイス１を示す。汚染気体は、１００から５００バールの、またそれ以上へ変化し得る圧力（典型的な圧力は、例えば約２５０バールに達する）、また約１００℃あるいはそれ以上の温度の下で、フィード２によって矢印Ｐ１に従って供給される。矢印１に従って供給された気体は、それから、例えば大気へ冷却する手段等の熱交換器３内で図示の好適方法に従って冷却される。冷却された気体は、矢印Ｐ２に従って、熱交換器３からスロットル・バルブ４へ流出する。矢印Ｐ２に従って供給された気体は、スロットル・バルブ４により、５から２０バールの低圧へ、望ましくは等方性を持って膨張される。圧力の突然の降下によって、気体の温度は、（例えば、−５０℃よりも低い温度へ）降下するため、気体内に存在する成分の一部の相が変化する。その結果、気体および霧質の混合物５（エアロゾル）が発生する。この気体霧質混合物５は、回転Ｒの結果として、ロータ７のフィード・チャネル６を通して運ばれることにより、霧質が、回転シャフト８から遠隔な、ロータ７のフィード・チャネル６の側面で凝縮する。５から２０バールの圧力では、気体霧質混合物５の運動粘性率ｖが、１０−６ｍ２／ｓ程度になる。フィード・チャネル６を通る気体霧質混合物５の通過フィード速度は、幅広い限度内で選択できることは明らかであるが、経済的な運用に適した軸方向通過フィード速度ｗ０は、通常、５ｍ／ｓ程度である。通常処理条件に基づいて、フィード・チャネル６の直径は、チャネル６におけるレイノルズ数が少なくとも２０００に達するように選択する。図示の好適変形例においては、フィード・チャネル６は、２ｍｍの水力直径を持ち、これは、約１０，０００のレイノルズ数に相当する。したがって、フィード・チャネル６内の流動は、実質的に乱流である。凝縮された霧質は、スロットル・バルブ４から遠隔な側で、液滴９としてロータ７から流出する。例えば、液体ＣＯ２およびＨ２Ｓからなる液滴９は、ボウル１０内に収集され、ポンプ１１を作動させることによって、液体ＣＯ２およびＨ２Ｓは、ボウルから矢印Ｐ３へ従って排出される。したがって、ロータ７から流出する気体は、ＣＯ２およびＨ２Ｓが少なくとも部分的に除去され、浄化気体としてデバイス１から矢印Ｐ４へ従って流出する。熱交換器３およびスロットル・バルブ４の使用を推薦するが、これらのコンポーネントは、本発明に必須なものではないことを明示する。
【００２５】
フィード・チャネル内に収集した粒子物質は、ハウジングから、フィード・チャネルの回転アセンブリを取り外し、それを清掃して再び組み入れることによって、あるいは取り外した回転アセンブリを清掃済み回転アセンブリで置換することによって、そこから除去できる。フィード・チャネルの回転アセンブリは、例えば、振動を与えることによって、音波を発生することによって、または、望ましくは高圧の下でフィード・チャネルにスプレーすることによって、あるいは空気または他の気体あるか液体媒材でスプレーすることによって、その位置で、必要ならば作動中に清掃可能である。
【００２６】
本発明によって、運転中、フィード・チャネル６内に実質的に乱流が発生することを確実にすることによって、平均的な変動しない軸流に加えて、速度場内に時間に依存する、そして位置に依存する変動が発生することになる。その結果、分離すべき成分粒子は、層流内の路に相当する平均的な経路の周りで、ジグザクに移動する。この経路は、平均的な軸方向の速度と、ロータ７に起因する遠心力の結果として放射状に外側へ向かう変動しない経路とによって決定される。乱流がない場合、ｄｐ１００%の直径を持つ粒子が収集されるチャンスは、正確に１００%になる。フィード・チャネル６内の滞在中、そのような粒子は、遠心力の結果として、チャネル６の直径に等しい半径方向の変位を経る。本発明によれば、チャネル６内に実質的に乱流が存在するため、直径ｄｐ１００%を持つ粒子の収集効率は、フィード・チャネル６内に層流が占めるように寸法取りされた既知のデバイスにおける場合よりも低くなる（例えば、１００%から約８０%へ減少する）ことが予期できる。図２は、本出願の文脈において、気体霧質混合物５の分離すべき成分の平均直径ｄｐと、この同じ成分の、層流内においてフィード・チャネル６の終端で完全に分離されるであろう平均直径ｄｐ１００%との比率と定義した標準化成分直径２１に対して設定した分離度２０（すなわち、収集効率）の進行を示す。この平均直径ｄｐ１００%は、例えば、フィード・チャネル内に層流が生じるように処理条件を変更することによって、単純な方法で実験的に決定できる。この目的のために、チャネル直径を減らすことも可能である。曲線２２は、既知のデバイス（フィード・チャネル６内の層流）に対する進行を示し、曲線２３は、本発明によるデバイス（フィード・チャネル６内の乱流）に対する進行を示す。予期することとは対照的に、図２は、通過フィード速度をより高速にできるという事実にもかかわらず、分離度２０が、層流に対する場合よりも、気づくほどには少なくないことを示している。さらに、約０．５ｄｐ１００%より小さく、２．５ｄｐ１００%よりも大きな粒子に対しては、本発明によるデバイスの分離度２０が、既知のデバイスのそれと同じレベルに達することが分かっている。
【００２７】
最後に、図３は、分離すべき混合物が矢印Ｐ３０へ従って供給される、マルチ分離デバイス３０を表す。混合物が冷却器３１内で冷却された後、その冷却混合物は、矢印Ｐ３１へ従ってタービン３２へ流入する。タービン３２を通過した後、分離すべき成分の質量密度の差異がより大きくなった混合物は、図式的に示した回転分離器３３へ流入する。第一の、例えば気体の成分は、回転分離器３３からアウトレット３４を通り、矢印Ｐ３３へ従って流出する。第二の成分（例えば、冷たい液体成分）は、回転分離器３３から第二のアウトレット３５を通り、矢印Ｐ３４へ従って流出する。第二の成分は、それから、連結されたもう一つのタービン３６および回転分離器３７へ送られ、そこで、第二の液体成分中に残留する（回転分離器３３内で既に分離された気体成分と同じである、あるいは同じでない）気体成分を、矢印Ｐ３５へ従って分離する目的で、新たな分離プロセスが実行される。その気体成分は、第一の回転分離器３３内で既に分離された気体成分と一緒に流出する。回転分離器３７内で分離された液体成分は、熱交換器３１の効率を高めるため、戻し導管３８を通して矢印Ｐ３６へ従って熱交換器３１へ戻される。熱交換器３１内で、第二の回転分離器３７からの液体成分は、クーラントとして機能し、その後、アウトレット３９を通り、矢印Ｐ３７へ従ってデバイス３０から流出する。注目すべきは、第二の成分（Ｐ３４）の代わりに、あるいは、ちょうど第二の成分（Ｐ３４）のように、例えば、アウトレット３４に連結するこの図に示していないタービン、そしてそれに連結する回転分離器によって、回転分離器３３から流出する第一の成分（Ｐ３３）を、新たな分離プロセスにかけることもできることである。既に分離された成分の再分離は、オプションとして、また、連続二回を超えて実行できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は、本発明によるデバイスを示す概略図である。
【図２】図２は、標準粒径での分離度の進行を、パーセントで図式的に示す。
【図３】図３は、本発明による複数の分離デバイスの代替変形実施例を表す概略図である。
【国際調査報告】
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