(57)【要約】開示される方法は、流体分離器における凝縮及び分離を改善する方法であって、-  初期にガス状の少なくともいくつかの成分が過飽和となり凝縮するように、流体混合物を流路のスロート領域において遷音速又は超音速まで加速させることにより膨張させ冷却し；-  少なくともいくつかの凝縮した成分をスロート領域の下流の場所にて流路中の流体混合物から除去し；更に-  流路を流れる流体混合物を紫外（ＵＶ）光源などの放射源（１０）によって照射することにより少なくともいくつかの過飽和成分の凝縮を改善し、該放射源は水銀、水、芳香族炭化水素、二酸化炭素、硫化水素及び／又は他の成分を励起し且つ／又はイオン化し凝縮させることによって他の過飽和流体成分の凝縮核を形成する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体分離器において凝縮及び分離を改善する方法であって、
-  初期にガス状の少なくともいくつかの成分が過飽和となり凝縮するように、流体混合物を流路のスロート領域において加速させることにより膨張させ冷却し；
-  少なくともいくつかの凝縮した成分をスロート領域の下流の場所にて流路中の流体混合物から除去し；更に
-  流路を流れる流体混合物を放射源によって照射することにより少なくともいくつかの過飽和成分の凝縮を改善し；また
-  流体混合物をスロート領域において遷音速又は超音速まで加速させることでほぼ断熱的に冷却する、
ことを特徴とする前記方法。
【請求項２】
流体混合物が天然ガスを含み、選択された波長スペクトルの電磁放射で流体混合物を照射することにより励起及び／又はイオン化された１以上の流体成分を除去するために用いられる請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記選択された波長スペクトルを、励起及び／又はイオン化される少なくとも１種の流体成分の少なくとも１つのスペクトル線に一致するように選択する請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記励起及び／又はイオン化された流体成分が水銀、水、芳香族炭化水素、二酸化炭素及び／又は硫化水素を含む請求項２又は３に記載の方法。
【請求項５】
放射源が紫外（ＵＶ）放射を含んだ放射スペクトルを、スロート領域付近又はスロート領域の上流の場所にて流路の壁に設けられた窓を通して発する請求項１に記載の方法。
【請求項６】
放射源が２５３．５６ｎｍのＵＶ放射を発する請求項４に記載の方法。
【請求項７】
-  少なくとも１種の初期にガス状の成分を励起状態にする波長スペクトルの放射を発する第１の放射源によって流体混合物を照射するステップと；
-  続いて、第１の放射源の場所より下流の場所にて第１の放射源とは異なる波長スペクトルの放射を流路中に発する第２の放射源によって流体混合物を照射することで、第１の放射源により励起状態にされていた少なくとも１種のガス状成分をイオン化するステップと；
-  イオン化された成分を、水のような極性物質などのイオン上で核となる過飽和蒸気を含んだ流体にさらすことで、イオン化された成分を含んだ小滴を生成するステップと；
を含む請求項１に記載の方法。
【請求項８】
第１の放射源により励起状態にされた成分が水銀、水、芳香族炭化水素、二酸化炭素及び／又は硫化水素を含む請求項７に記載の方法。
【請求項９】
イオン上で核になる蒸気の濃度を監視し、この濃度が選択された値より低い場合には、イオン上で核になる蒸気を照射領域付近の場所にて流体流に注入する請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
分離器が、
-  ほぼ管状の流路及びスロート領域；
-  流路を流れる流体混合物に旋回運動を付与する旋回付与手段；及び
-  スロート領域及び旋回付与手段の下流の流体通路に設けられ、中心出口通路と環状出口通路とを備えた流体分離領域であって、液体が濃縮された流体部分が環状出口通路を流れ、液体が希薄な流体部分が中心の出口通路を流れるように、環状出口通路が中心出口通路を同軸状に包囲する前記流体分離領域、
を備えたサイクロン分離器である請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
-  少なくともいくつかの初期にガス状の流体成分が凝縮するように、流れる流体混合物を加速することで膨張させて冷却するためのスロート領域を備えた流路と；
-  スロート領域の下流の流路に配置された分離領域であって、少なくともいくつかの凝縮された成分がスロート領域の下流の場所にて流路中の流体混合物から除去される前記分離領域と；
-  流路を流れる流体混合物の少なくとも１種の成分の凝縮を改善するための放射源と；
を備える流体分離器であって、
-  流体混合物がスロート領域において遷音速又は超音速まで加速されることでほぼ断熱的に冷却され加速されるように、スロート領域が構成される前記流体分離器。
【請求項１２】
流体分離器が遷音速又は超音速サイクロン流体分離器であり、放射源が２５３．６５ｎｍの波長を有する紫外線を発する請求項１１に記載の流体分離器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は流体分離器における凝縮及び分離を改善する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体分離器において流体混合物を分離することは欧州特許ＥＰ１０１７４６５-Ｂ並びに欧州特許出願ＥＰ１４３８５４０-Ａ及びＥＰ１４９９４１９-Ａから公知であり、この流体混合物は、流路のスロート領域において加速されて流体混合物が膨張され冷却された後に少なくともいくつかの初期ガス状の成分と少なくともいくつかの凝縮された成分とが流路のスロート領域の下流地点で流体混合物から除去される。
【０００３】
欧州特許ＥＰ１０１７４６５-Ｂ及び欧州特許出願ＥＰ１４３８５４０-Ａから公知の分離器は、流体混合物を遷音速又は超音速まで加速できる実質的に円筒状の流路を有するサイクロン分離器であり、加速した流体混合物に１以上の旋回付与羽根によって旋回運動を起こさせる。欧州特許ＥＰ１０１７４６５-Ｂから公知のサイクロン流体分離器では、１以上の旋回付与羽根が流体通路のスロート領域より下流に設けられ、欧州特許出願ＥＰ１４３８５４０-Ａから公知のサイクロン流体分離器では、旋回付与羽根が流体通路のスロート領域より上流に設けられている。
【０００４】
欧州特許出願ＥＰ１４９９４１９-Ａは、帯電した小滴の噴霧が分離器に注入され、スリット状又は管状のノズルで流体流が遷音速又は超音速に加速されることで膨張し冷却する分離器を開示する。この分離器は帯電した小滴を引き付ける帯電した壁を有し、この帯電した小滴が、多相流体流における初期にガス状の他の成分（その少なくともいくつかがノズル内で冷却されると過飽和になる）に対する核形成源として機能する。
【０００５】
日本国公開特許公報ＪＰ１０２７７３５５は、半導体製造用のクリーンルームに送風される空気から汚染物質を除去する方法を開示しており、汚染物質の核形成を改善するためにＵＶ光源が用いられる。この送風機は空気を冷却しないので、水及び他の汚染物質の凝縮が起こる温度まで空気を冷却するために大型の空気冷却装置が必要とされる。したがって、この公知の方法では、電力消費量の大きい設備のために多額の費用を要する。
【０００６】
Ｈ．Ｕｃｈｔｍａｎｎ，Ｒ．Ｄｅｔｔｍｅｒ，Ｓ．Ｄ．Ｂａｒｏｖｓｋｉｉ及びＦ．Ｈｅｎｓｅｌによる論文「過飽和水銀蒸気中で光の作用により誘起される核形成（Photoinduced nucleation in supersaturated mercury vapour）」（１９９８年６月１５日発行、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、１０８巻、２３号）には、水銀蒸気の原子により吸収される電磁放射で過飽和水銀蒸気が照射されると核形成速度が増すことが開示されている。この論文に記載の実験は、上方向熱拡散室の中で行われた。
【０００７】
米国特許第６，６６３，６９０号から、紫外線で水銀原子を選択的にイオン化した後に水銀原子を静電集塵することにより、石炭を燃料とする設備の排気から元素の水銀を除去することが公知である。
【０００８】
この公知の方法では、水銀原子が紫外線により励起され、異なる波長の放射を用いてイオン化され、過飽和水蒸気にさらされて帯電した小滴を生成し、この小滴が集められ煙突の底で煙道ガス流から除去される。したがって、この煙突は、帯電した小滴が上方向に移動する煙道ガス流から除去される液体沈降室として機能し、この煙道ガスの速度は、帯電した小滴が煙道ガス流により上方向に引きずられるのを防ぐのに十分なだけ小さい。
【特許文献１】欧州特許ＥＰ１０１７４６５-Ｂ
【特許文献２】欧州特許出願ＥＰ１４３８５４０-Ａ
【特許文献３】欧州特許出願ＥＰ１４９９４１９-Ａ
【特許文献４】日本国公開特許公報ＪＰ１０２７７３５５
【特許文献５】米国特許第６，６６３，６９０号
【非特許文献１】Ｈ．Ｕｃｈｔｍａｎｎ，Ｒ．Ｄｅｔｔｍｅｒ，Ｓ．Ｄ．Ｂａｒｏｖｓｋｉｉ及びＦ．Ｈｅｎｓｅｌによる論文「過飽和水銀蒸気中で光の作用により誘起される核形成（Photoinduced nucleation in supersaturated mercury vapour）」（１９９８年６月１５日発行、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、１０８巻、２３号）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
米国特許第６，６６３，６９０号から公知の水銀除去方法の欠点は、液体沈降室において液体成分が分離室の底に移動し沈降できるように低速度で流体混合物が液体沈降室を通過しなければならないことである。したがって、この公知の方法では多数の装置を使用しなければならない。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の目的は、大型の重力沈降室を必要としない流体分離方法を提供することである。
【００１１】
本発明の別の目的は、選択された成分を励起することで該成分の凝縮を改善し且つ／又は選択された成分をイオン化することで他の過飽和流体成分の凝縮核（極性成分など）を生成することにより、液相のイオン化成分の結合に加えて他の成分の凝縮も改善する流体分離方法を提供することである。
【００１２】
発明の概要
本発明によると、流体分離器において凝縮を改善する方法であって、
-  初期にガス状の少なくともいくつかの成分が過飽和となり凝縮するように、流体混合物を流路のスロート領域において加速させることにより膨張させ冷却し；
-  少なくともいくつかの凝縮した成分をスロート領域の下流の場所にて流路中の流体混合物から除去し；更に
-  流路を流れる流体混合物を放射源によって照射することにより少なくともいくつかの過飽和成分の凝縮を改善し；また
-  流体混合物をスロート領域において遷音速又は超音速まで加速させることでほぼ断熱的に冷却する、
前記方法が提供される。
【００１３】
初期に過飽和の蒸気成分が放射の吸収によってその基底状態から励起状態に移されると、励起された蒸気成分の均一な凝縮が促進されることが分かった。初期に過飽和の成分を放射の吸収によって励起状態に移すことによって均一な凝縮を促進することを、以後、光誘起核形成という。
【００１４】
放射の吸収によりイオン化状態に移された成分が、放射を吸収しない他の過飽和成分の不均一な凝縮を推進することも分かった。このことより、イオン化された成分は他のガス状の成分、特に極性分子に対して優先的な凝縮核として機能する。イオン化された成分によって他のガス状成分の凝縮を促進することを、以後、イオン誘起核形成という。
【００１５】
流体混合物は天然ガスを含んでもよく、本方法は水銀、水、芳香族炭化水素、二酸化炭素及び／又は硫化水素などの１以上の流体成分を除去するのに使用でき、当該流体成分は、励起及び／又はイオン化される流体成分の１種の少なくとも１つのスペクトル線に一致するよう選択された波長スペクトルの電磁放射で流体混合物を照射することによって励起及び／又はイオン化される。好ましくは、本方法は、
-  少なくとも１種の初期にガス状の成分を励起状態にする波長スペクトルの電磁放射を発する第１の放射源によって流体混合物を照射するステップと；
-  第１の放射源とは異なる波長スペクトルの電磁放射を流路中に発する第２の放射源によって流体混合物を照射することで、第１の放射源により励起状態にされていた少なくとも１種のガス状成分をイオン化するステップと；
-  イオン化された成分を、水のような極性物質などのイオン上で核となる過飽和蒸気を含んだ流体にさらすことで、イオン化された成分を含んだ小滴を生成するステップと；
を含む。
【００１６】
分離器が、
-  ほぼ円筒状の流路及びスロート領域；
-  流路を流れる流体混合物に旋回運動を付与する旋回付与手段；及び
-  スロート領域及び旋回付与手段の下流の流体通路に設けられ、中心出口通路と環状出口通路とを備えた流体分離領域であって、液体濃縮流体部分が環状出口通路を流れ、液体欠乏流体部分が中心の出口通路を流れるように、環状出口通路が中心出口通路を同軸状に包囲する前記流体分離領域、
を備えたサイクロン分離器であり得る。
【００１７】
本発明の流体分離器は、
-  少なくともいくつかの初期にガス状の流体成分が凝縮するように、流れる流体混合物を加速することで膨張させて冷却するためのスロート領域を備えた流路と；
-  スロート領域の下流の流路に配置された分離領域であって、少なくともいくつかの凝縮された成分がスロート領域の下流の場所にて流路中の流体混合物から除去される前記分離領域と；
-  流路を流れる流体混合物の少なくとも１種の成分の凝縮を改善するための放射源と；
を備え、
-  流体混合物がスロート領域において遷音速又は超音速まで加速されることでほぼ断熱的に冷却され加速されるように、スロート領域が構成される。
【００１８】
流体分離器は遷音速又は超音速サイクロン流体分離器を使用でき、放射源は例えば水銀原子を励起する２５３．６５ｎｍ波長を含んだスペクトルを有する放射を発することができる。
【００１９】
本発明による方法及び装置のこれらの特徴及びその他の特徴、態様及び利点が、添付図面を参照して特許請求の範囲、要約及び好ましい態様についての以下の詳細な説明において記載される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は西洋ナシ形の中心体１を備えた旋回入口装置を有するサイクロン慣性分離器を示し、中心体１上に一連の旋回付与羽根２が取り付けられ、中心体１は、中心体１と分離器ハウジングとの間に環状流路３が形成されるように、分離器の中心軸Ｉに対して同軸状に分離器ハウジングの内部に配置される。分離器は、管状スロート部４を更に備え、使用中、旋回する流体流が管状スロート部４から発散流体分離室５中に放出され、発散流体分離室５は、ガス状成分のための中央の第１出口導管７と凝縮可能な濃縮流体成分のための外側の第２出口導管６とを備える。中心体１はほぼ円筒状の細長いテール領域８を有し、流れを真っ直ぐにするブレード９群がテール領域８上に取り付けられる。中心体１の最大の外側の幅又は直径２ＲＯ  ｍａｘは、管状スロート部４の最小の内側の幅又は直径２Ｒｎ  ｍｉｎよりも大きい。
【００２１】
旋回付与羽根２は中心軸Ｉに対して或る角度（α）をなす方向に配置され、流体流中に循環（Γ）を作り出す。αは２０°〜５０°とするのが好ましい。続いて、流体流を環状フロー領域３に流入させる。
【００２２】
旋回付与羽根２の下流の環状空間３では、旋回する流体流が高速度、好ましくは遷音速又は超音速の速度まで膨張され、流体通路４の平均環形半径が徐々に小さくなる。
【００２３】
この環状の膨張中に次の２つのプロセスが起こる。
（１）フロー中の熱又はエンタルピー（ｈ）がΔｈ＝−１／２Ｕ２の量で減少することで、最初に相平衡に達するフロー成分が凝縮される。これにより、小さな液体又は固体の粒子を含んだ霧フローの旋回が生じる。
（２）接線速度成分が実質的に次式に従う平均環形半径Ｕφに逆比例して増加する。,
Ｕφ，ｆｉｎａｌ＝Ｕφ，ｉｎｉｔｉａｌ・（Ｒｍｅａｎ，ｍａｘ／Ｒｍｅａｎ，ｍｉｎ）
【００２４】
このことにより、流体粒子の遠心加速（ａｃ）が強力に高められ、最終的にはａｃ＝（Ｕφ，ｆｉｎａｌ２／Ｒｍｅａｎ，ｍｉｎ）のオーダーになる。
【００２５】
管状スロート部４では、流体流をより高い速度に更に膨張させてもよいし、ほぼ一定の速度に維持してもよい。前者の場合には、凝縮が継続し粒子が質量を増す。後者の場合には、凝縮は一定の緩和時間の後に停止する。両方の場合において、粒子は遠心作用によって分離器ハウジングの内壁に隣接したフロー領域の外周（分離領域という）にドリフトする。粒子がこのフロー領域の外周にドリフトする時間が、管状スロート部４の長さを決定する。
【００２６】
管状スロート部４の下流では、濃縮された凝縮可能な「湿性」流体成分が発散流体分離室５の内面付近に集まる傾向にあり、「乾性」ガス状流体成分は中心軸Ｉの場所又はその付近に集められる。そこで、濃縮された凝集可能な「湿性」流体成分が一連のスロット、（微小）多孔質部を介して外側の第２流体出口６に放出され、一方、「乾性」ガス状成分は中央の第１流体出口導管７に放出される。
【００２７】
発散する第１流体出口導管７では、流体流が更に減速されて、残りの運動エネルギーがポテンシャルエネルギーに変換される。発散する第１出口導管は、流れを真っ直ぐにするための羽根９群を備えて循環エネルギーを回収する。一般に凝縮は同時に起こる２つのプロセスとして説明される。すなわち、新しい小滴の形成（核形成という）と既存の小滴の更なる成長である。核形成速度Ｊは、１秒当たり１立方メートル当たり形成される新しい小滴の数として定義される。核形成速度Ｊは物質の特性、物質の蒸気分圧及び温度に依存する。
【００２８】
本発明のサイクロン流体分離器は紫外（ＵＶ）放射源１０を備え、紫外（ＵＶ）放射源１０は環状領域３と管状スロート部４との間の壁中に設けられた透明な窓１１を通じて多相流体流に放射を送り込み、この放射は、少なくとも幾つかの流体成分（例えば、水銀、芳香族化合物、硫化水素（Ｈ２Ｓ）、及び／又は二酸化炭素（ＣＯ２）など）により吸収されてこれらの成分を励起し核形成を促進するような波長スペクトルを有する。
【００２９】
水銀の通常の均一な核形成のみが生じる場合には、水銀の核形成速度はたいへん小さいのでサイクロン分離器において水銀蒸気を天然ガスから除去できない。
【００３０】
水銀及び他の種々のガス状化合物の場合、蒸気分子により吸収される放射で蒸気を照射すると核形成の速度が大幅に高められる。この明細書及び特許請求の範囲では、この現象を光誘起核形成という。水銀蒸気について、水銀原子の光励起により生じる光誘起核形成の強力な効果が観測された。
【００３１】
水銀を含有した天然ガス流を正確な波長λ１及び強度の放射で照射することにより、サイクロン流体分離器において水銀を除去できる程度まで水銀の核形成速度を高めることができる。
【００３２】
好ましくは水銀原子の励起は２５３．６５ｎｍのＵＶ放射で照射することにより実現される。図１では、スロート領域４において放射が当てられており、ここでは最大の核形成速度を達成するために流体混合物が低温に冷却される。
【００３３】
水銀の高い質量密度が、凝縮した水銀小滴をガス流から効率的に分離することに貢献する。
【００３４】
２５３．６５ｎｍのＵＶ放射を発する放射源１０として低圧水銀ランプを使用できる。流量が１００万Ｎｍ３／日で水銀濃度が２００μｇ／Ｎｍ３の一般的なガス流において水銀原子のすべてを励起するためには、水銀原子により吸収される５．５Ｗの最小放射パワーが必要である。水銀蒸気の他に２５３．６５ｎｍ放射を吸収する天然ガスの他の成分は、ベンゼン、トルエン及びキシレンなどの芳香族化合物である。一般的な天然ガスの組成では、芳香族化合物の全濃度は０．１モル％以下であり、その場合、芳香族化合物による２５３．６５ｎｍ放射の吸収は水銀による吸収と同じ大きさのオーダーである。したがって、２５３．６５ｎｍ放射の必要なパワーは数十ワットのオーダーであり、これは１つ又は少数の低圧水銀ランプからなる放射源１０により供給できる。
【００３５】
図２は図１に記載のサイクロン流体分離器に実質的に類似したサイクロン流体分離器を示し、水銀又は他の成分を励起状態に（Ｈｇの場合、好ましくは６３Ｐ１状態を介して）上げる波長λ１を含んだ放射を発する第１の放射源２０と、励起された水銀又は他の成分をイオン化する１以上のその他の波長λ２，λ３，…λｎの放射を発する第２の放射源２１とを備える。これに続いて、ガス流中に存在する１以上の蒸気がイオン上で核形成し、イオンを含んだ液滴がガス流の旋回運動によって除去される。
【００３６】
天然ガス中の水銀蒸気の場合、天然ガス中に存在する水蒸気が水銀イオン上で核を成し、それに続いて、水銀を含んだ水滴上でアルカンの不均一な凝縮が生じる。その後、形成された凝縮液滴がガス流の旋回運動により除去される。
【００３７】
２つの放射源２０及び２１が配置されている点を除いて、図２に示される遠心分離装置の構成は、図１に示される装置の構成と同様であり、対応する構成要素は図１に示される参照番号と同じ参照番号で示される。
【００３８】
図２では、第１の放射源２０と第２の放射源２１の両方が、旋回付与羽根２の上流にて分離器の入口領域に配置されている。第１の放射源２０が水銀及び／又は他の原子を励起し、その後に第２の放射源２１が励起された水銀及び他の原子をイオン化する。
【００３９】
随意に、水銀イオンと電子の急速な再結合を防止するために、＋符号で示された電場が照射領域の下流に印加されて、解放された電子をガス流から取り除く。本明細書及び特許請求の範囲で用いられる場合、原子の励起なる用語は、原子の１以上の電子がより高い軌道に上げられることを意味し、原子のイオン化なる用語は、少なくとも１つの電子が原子から解放されることで、残ったイオンが正の電荷を有することを意味する。
【００４０】
図２に示される態様では、第１の放射源２０が少なくともいくらかの水銀及び／又は他の原子を励起し、それに続いて第２の放射源２１が多相流体混合物中の励起された水銀及び／又は他の原子のうち少なくともいくらかをイオン化する。
【００４１】
水銀及び／又は他の初期にガス状の流体成分についての光イオン化は、様々な方法で実施できる。
【００４２】
Ｈ．Ｚｏｂｅｌの論文「Ｒｅｓｏｎａｎｔｅ  Ｍｅｈｒ-Ｐｈｏｔｏｅｎ-Ｉｏｎｉｓａｔｉｏｎｓ  Ｆｌｕｇｚｅｉｔｓｐｅｋｔｒｏｓｃｏｐｙ  ｕｎｄ  Ｑｕｅｃｋｓｉｌｂｅｒ」（１９９７年、ＧＫＳＳ  Ｆｏｒｓｃｈｕｎｇｓｚｅｎｔｒｕｍにより発行）には、２５３．６５ｎｍ光子の吸収により水銀原子を６３Ｐ１準位に励起する先行ステップによって水銀原子をイオン化するのが好ましいと記載されている。図２に示された本発明の態様では、これは第１の放射源２０によって発することができる。この励起状態から、エネルギーが５．５５ｅＶより高い光子の吸収によって１ステップにて水銀をイオン化してもよいし、第２の（より高い）励起状態を介して２ステップにてイオン化してもよい。
【００４３】
米国特許第６，６６３，６９０号には以下のスキームが記載されている。
６３Ｐ１（４３５．８３ｎｍ）→７３Ｓ１（４３５．８３ｎｍ）→イオン化
別のスキームとして、
６３Ｐ１（３１２．６ｎｍ）→６３Ｄ２（５７７．０ｎｍ）→イオン化
【００４４】
いずれの場合でも、励起状態の短い寿命ゆえに、放射源２０及び２１をその相互の距離を短く、好ましくは２５ｃｍ未満に配置し、且つ／又は管の同じ領域に配置する必要がある。
【００４５】
λ１＝２５３．６５ｎｍのＵＶ放射の放射源２０として低圧水銀ランプを使用できる。流量が１００万Ｎｍ３／日で水銀濃度が２００μｇ／Ｎｍ３の一般的なガス流において水銀原子のすべてを励起するためには、水銀原子により吸収される５．５Ｗの放射パワーが必要である。水銀蒸気の他に２５３．６５ｎｍ放射を吸収する天然ガスの他の成分は、芳香族化合物、主にベンゼン、トルエン及びキシレンである。一般的な天然ガスの組成では、芳香族化合物の全濃度は０．１モル％以下であり、その場合、芳香族化合物による２５３．６５ｎｍ放射の吸収は水銀による吸収と同じ大きさのオーダーである。したがって、２５３．６５ｎｍ放射の必要なパワーは数十ワットのオーダーであり、これは１つ又は少数の低圧水銀ランプにより供給できる。
【００４６】
上記の例で用いられている波長３１２．６ｎｍ、４３５．８３ｎｍ及び５７７．０ｎｍは、中圧及び高圧水銀ランプのスペクトル中の輝線である。６３Ｐ１準位から１ステップでのイオン化は、例えば、低圧水銀ランプからの１８５ｎｍ放射、ＡｒＦエキシマーレーザーからの１９３ｎｍ放射又はＸｅ２エキシマーランプからの１７２ｎｍ放射により実現できる。
【００４７】
イオン化においてはすべての波長に対してレーザー源を使用することもできる。
一般に、励起原子が他の原子又は分子に衝突すると、励起原子がより低い励起状態又は基底状態に崩壊し得る。６３Ｐ１状態に励起した水銀原子の場合、より低い６３Ｐ０状態への衝突遷移は、基底状態への遷移よりも数倍起こりやすい。水銀の６３Ｐ０状態はいわゆる準安定状態であり、このことは基底状態への自発的な遷移又は基底状態への放射誘起の遷移が極めて起こりそうにないことを意味する。６３Ｐ０状態から基底状態への衝突誘起の遷移確率はまた、６３Ｐ１状態に対する大きさよりも小さいオーダーである。
【００４８】
高圧キャリヤーガス中の水銀蒸気の場合、衝突頻度は非常に高い。したがって、６３Ｐ０状態を介して行われるイオン化方法を使用するのが有利であるか又は必要でさえある。例えば、
基底状態（２５３．６５ｎｍ）→６３Ｐ１
（衝突崩壊）→６３Ｐ０（１９３ｎｍ）→イオン化
ここで、イオン化は１９３ｎｍのＡｒＦエキシマーレーザーを用いて６３Ｐ０状態から１ステップで実現される。別法として、１７２ｎｍのＸｅ２エキシマーランプ又は低圧水銀ランプの１８５ｎｍの輝線を最後のステップで使用できる。
【００４９】
６３Ｐ０状態からイオン化を実現する他の方法としては、次のものがある。
６３Ｐ０（４０４．７ｎｍ）→７３Ｓ１（４０４．７ｎｍ）→イオン化
又は
６３Ｐ０（２９６．７ｎｍ）→６３Ｄ１（５７７．０ｎｍ）→イオン化
これらの方法で用いられる波長λ１，λ２，λ３，…λｎは、中圧水銀ランプ及び高圧水銀ランプのスペクトル中の輝線である。別法として、レーザーを用いてこれらの波長を発生させることもできる。
【００５０】
最適なイオン化方法の選択は、公知のイオン化方法の理論上の効率、天然ガスの他の成分による異なる波長の吸収量、異なる波長のための強力な放射源２０及び２１の利用可能性、及び光学付属機器の伝達効率に基づいて行われる。
【００５１】
６３Ｐ０、７３Ｓ１及び６３Ｄ１などの量子力学的な表記の説明は、Ｄａｖｉｄ  Ｊ．Ｇｒｉｆｆｉｔｈｓによる著書「Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｔｏ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｍｅｃｈａｎｉｃｓ」〔リード・カレッジ（Ｒｅｅｄ  Ｃｏｌｌｅｇｅ）、ＩＳＢＮ０-１３-１２４４０５-１〕の９０及び９１頁に記載されている。
【００５２】
図３は上流加速領域５０と管状中流領域５１と下流分離領域５５とを有するサイクロン流体分離器を示し、上流加速領域５０では、流体流５３が超音速まで加速されることで膨張及び冷却され、管状中流領域５１は超音速の流体流に渦５４を生じさせる１以上の翼５２を備え、下流分離領域５５では、管状渦ファインダー５６が凝縮物の希薄な中央のガス状流５７を凝縮物の濃縮された環状流５８から分離する。
【００５３】
スプレー注入管６０が加速領域の上流に配置され、負に帯電した流体の噴霧６１を小さな開口６２を介して分離器に注入する。このスプレー注入管６０は、注入された噴霧が負に帯電するように負の電気ポテンシャルを有する。分離器は第１の放射源６６と第２の放射源６８とを更に備え、これらの放射源は、分離器の加速領域５０の上流の壁に設けられた窓６７を介して放射を照射し、分離器を通って流れる天然ガス流中の水銀及び／又は初期にガス状のその他の成分のイオン化を促進する。
【００５４】
好ましくは、第１の放射源（１又は複数）６６はλ１＝２５３．６５ｎｍのＵＶ放射を発し、第２の放射源（１又は複数）６７は好ましくは１以上の異なる波長λ１，λ３，…λｎ、の放射を発し、水銀又は他のガス状成分の正イオンを生じさせる。これらのカチオンは、注入管６０により注入された負に帯電した小滴の表面に吸収される。
【００５５】
負に帯電した小滴が分離器内部の外周に引き付けられて合体して液膜又はスラリーを形成し分離器ハウジングの内面に沿って濃縮された凝縮物の環状出口ポート６３に流入するように、管状中流領域５１及び下流分離領域５５の内面は正の電気ポテンシャルを有する。
【００５６】
放射源６６及び６７による水銀及び／又は初期にガス状の他の成分のイオン化と、帯電したスプレー注入管６０を介した流体の注入と、電気ポテンシャルがスプレー注入管６０とは反対の内面を有する分離領域の使用とによって、図３に記載の遷音速又は超音速流体分離器の分離効率がかなり改善される。図３に示されるサイクロン流体分離器は、図１及び２に示される種類の分離器とすることもできる。
【００５７】
図１〜３に示される遷音速又は超音速流体分離器を通って流れる天然ガス又は他の多相流体流中の水銀、芳香族化合物、硫化水素、二酸化炭素又は他の成分の光誘起凝縮及び／又はイオン誘起凝縮によって、冷却された流体流中の他の過飽和蒸気成分に対して凝縮核を与えることで、放射源１０、２０、２１及び／又は６６により励起されてなく且つ／又はイオン化されていない他の成分の凝縮もまた生じることが分かる。したがって、いくつかの成分の光誘起及び／又はイオン誘起核形成と、その他のいくつかの成分の温度誘起凝縮との間で共働効果が得られる。
【００５８】
本明細書及び特許請求の範囲において用いられるときには、超音速なる用語は、多相流体中の局所的な音速よりも高い速度にて多相流体流が分離器を流れることを意味し、遷音速なる用語は、多相流体中の音速の少なくとも０．８倍の速度にて多相流体流が分離器を流れることを意味する。例えば合成ガス、石炭ガス、生物ガス、プロセスガス、排気ガス、煙道ガスなどのような（個体粒子を含んだ又は含まない）多成分天然ガス及び／又は他の任意の多成分ガスを分離するための流体分離器において凝縮及び分離を改善するのに本発明の方法を使用できることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の分離器の第１の態様の縦断面概略図であり、少なくとも１種の流体成分の光誘起核形成により凝縮を促進するために放射源を備える。
【図２】本発明の分離器の第２の態様の縦断面概略図であり、少なくとも１種の流体成分のイオン誘起核形成により凝縮を促進するために好ましくは２つの放射源を備える。
【図３】噴霧が注入されると共に、放射源が流体分離効率を改善するよう構成されているサイクロン流体分離器の縦断面概略図である。
【符号の説明】
【００６０】
１    中心体
２    旋回付与羽根
３    環状流路
４    管状スロート部
５    発散流体分離室
６    第２出口導管
７    第１出口導管
８    テール領域
９    ブレード
１０  紫外（ＵＶ）放射源
１１  透明窓
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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