(57)【要約】【課題】簡易な構成で、流量および気液割合が経時的に大きく変化する気液多相流体を、高圧においても安全に、高い分離効率で気体と液体に分離することができる気液分離器を提供すること。【解決手段】平面視において帯状の部分円環形状である整流板２４が胴部２０の内壁面及び出口配管２２の外壁面の少なくとも一方に設置され、該整流板の短手方向の寸法Ｌ３は同心円状に設置される胴部内壁と出口配管外壁の寸法の二分の一より短く五分の一より長く、長手方向にらせん状に降下し、出口配管下部２２ａまで設けられており、鉛直方向での整流板の間隔差Ｌ２が入口配管２１の内径Ｌ１にほぼ等しい間隔にて設置されていることを特徴とする気液分離器。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気液多相流体を気体と液体とに分離する気液分離器であって、頂部、底部及びその間を連結する中空型の容器である胴部と、前記胴部の側面から気液多相流体を供給する入口配管と、上端が前記胴部の頂部に連結され下端が前記入口配管の下端よりも低い位置で開口した中空型の内筒であり前記頂部から気体を排出する出口配管と、前記胴部の底部から液体を排出し下部が水封されている貯水槽とを備え、平面視において、前記胴部の内壁面と、前記内筒の外壁面とは同心円状となっており、前記入口配管は、平面視において、前記胴部の外壁面と接する方向に設けられ、前記入口配管の管径は前記胴部の半径と前記出口配管の半径の差と同等あるいはより短く、前記入口配管の方向から見た側面視において、少なくとも前記入口配管の一方の側方は前記胴部の外壁面と一致し、他方側面は前記出口配管の外壁面より外側に位置する旋回流方式の気液分離器において、前記入口配管の出口より前記胴部の内壁面及び前記出口配管の外壁面の少なくとも一方に整流板を設け、前記整流板は平面視において環状であり、短手方向の寸法が前記胴部の直径と前記出口配管の直径の差の二分の一より短く五分の一より長く、長手方向にらせん状に降下し、前記出口配管下部の気体入口まで設けられており、鉛直方向での整流板の間隔差が前記入口配管の内径にほぼ等しい整流板を有することを特徴とする気液分離器。
【請求項２】
請求項１に記載の整流板がらせん状に下降する傾斜角度が、水平面に対して２〜１５度、好ましくは３〜９度であることを特徴とする気液分離器。
【請求項３】
請求項１あるいは２に記載の整流板が連続した帯状ではなく、前記出口配管の外壁面及び前記胴部の内壁面の少なくとも一方に部分的に設置されており、長手方向の長さがそれぞれ前記胴部の内壁周の四分の一から八分の一のものを複数枚設置し、平面視において帯状の整流板の周回での合計長さが前記胴部の内壁周の五分の四から二分の一であることを特徴とする気液分離器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小型で高性能の気液分離器に関し、特に、食品工場などから発生する高温の水、蒸気を含む排気ガスからなる気液多相流体を気体と液体に分離する気液分離器に関する。
【背景技術】
【０００２】
食品工場の調理、処理機械から発生する流体は、高温の水蒸気以外に空気、臭気性のガスおよび空気と同伴する水を含む。さらに、たんぱく質や油脂の固体の異物を含むこともある。したがって、排気ガスを適切に後処理工程の脱臭、排水処理するためには、あらかじめ空気、水および固体成分を分離することが不可欠である。
【０００３】
排気ガスからの固形分を含む水分の分離には、食品業界では、サイクロン方式の気液分離器が使用されてきた。サイクロン方式の気液分離器は、気体と液体の流れに回転力を与えた場合に発生する両者の遠心力の差を利用して気液分離を行う機構であり、可動部分がなく長期に安定的に使用できる。
【０００４】
図１に典型的なサイクロン方式の気液分離器を示す。図１では、気液流体の入口配管１１は垂直円筒形の胴部１０に向かって下降傾斜して接続し、垂直円筒の接線方向に取付けられている。この構造が入口配管１１に供給される気液多相流体に遠心力を与え、遠心力の大きい液体を内壁に沿わせて下降流を生み出して下部に誘導して取り出し、遠心力の小さい気体はサイクロン中央に集め出口配管１２より取り出すことを可能にする。これに加えて、入口配管１１の下降傾斜は、多相流に相分離をもたらす効果があり、サイクロン本体の気液分離効果を高める。
【０００５】
しかし必ずしも気液分離効率は高くなく、近年では  前記サイクロンの中空型の胴部の下部の外形をしぼったベンチュリー式吸引器を採用している。それにより気体出口配管の入り口付近での旋回流の流速が大きくなり気液効率は大きく向上した。
【０００６】
しかし上記のベンチュリー型吸引器の構造では流量、気液の成分比などにより気液分離効率が一定せず、都度、設計、製作する必要があり、その構造ともあいまって製造費用は高くなり、中小の食品工場では工場の操業に見合った気液分離器を入手できない場合が多かった。さらに上記のベンチュリー型サイクロン式の気液分離器においては、入口配管から胴部に導入された気液２相流体は、旋回流の段階では、主として胴部の周方向の速度成分を有しており、その後胴部の中心軸近傍に集合させられて出口配管の開口部から出口配管内へ流入される段階では、主として胴部の軸方向の速度成分を有している。従って、かかる胴部の周方向の速度成分から軸方向の速度成分へと流れの方向が急激に変化させられるとき、気液２相流体には、比較的大きな圧力損失が発生する。
【０００７】
上記の課題を解決するために、種々の発明が行われている。特許文献１においては、気液分離器を、気液分離前の気液２相流体が内部を旋回しながら通過可能な導入通路と、前記導入通路の気液２相流体の流出側開口に対して軸方向に所定距離離れて対向するように設けられて気液分離後の気相が通過可能な導出口と、前記導入通路の流出側開口を径方向に所定距離離れた外方から包囲する気液分離可能な外筒と、前記外筒に設けられて気液分離後の液相を排出可能な排出筒とを備える構成とした。これによれば、気液分離器内部に導入された気液２相流体は、その流れの方向が急激に変化させられることがなく、気液分離器内部にて発生する気液２相流体の圧力損失は前述したサイクロン式の気液分離器に比して小さいものとなる。しかしこの方式では圧力損失による流量減少は少ないが、分離器の構造が複雑で必ずしも気液分離効率は高くない。
【０００８】
特許文献２においては、ベンチュリー型胴部の下部より分離される水分の受水部を別装備で設け、気液分離後の気体と液体部分の分離効率を上げている。しかしこの方式では分離器の構造が複雑になり、かつ設備数が増え、全体システムが大きくなり製造費用が高くなる。
【０００９】
特許文献３においては、胴部の中心軸と同軸に配置した胴部と出口配管を有する気液分離器に胴部および出口配管中央軸に向かって鉛直に設置された入口配管より気液２相流体が導入される部分の側部および下部にガイド板を設置せしめることで旋回流を発生させる。
しかしこの構造では前記のベンチュリー型の課題を解決しておらず、必ずしも気液分離効率は高くない。
【００１０】
既に述べたように、特許文献１に開示されている気液分離器では、気液分離効率が向上せず、従来のサイクロン方式気液分離器よりも劣る。また、特許文献２及び特許文献３に開示されている気液分離器では、構造が複雑であり、気液多相流体の圧力損失も大きい。食品工場の操業はクッカーなどの運転が間欠的で排気ガスの量、成分ともに大きく変化する。上記の従来技術では必ずしもそのような排気ガスの変化に対応できず気液分離効率は期待ほど高くなく、また設備費用も多大であった。
【００１１】
製作の容易な簡易な構造でサイクロン式特長を生かし圧力損失を出来るだけ少なくし気液分離効率を高める工夫を追求し、ベンチュリー型の胴部を有しない円筒形の胴部を有する旋回流方式の気液分離器において気体出口配管である内筒の下部が広がり、前記胴部の内壁と前記内筒の下部の広がり末端が接しないことを特徴とする本発明にいたった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００３−１９０７２５号公報。
【特許文献２】特開平６−４７７３９号公報。
【特許文献３】特開２０１１−１８３２７８号公報。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
既に述べたように、特許文献１、特許文献２に開示されている気液分離器及び流量計測装置では、形状が複雑であり製作面や高圧における安全性の面では、特許文献３に開示されている気液分離器よりも劣る。また、特許文献３に開示されている気液分離器では、気液多相流体を気液分離するための十分な遠心力が得られないし、気液多相流体の圧力損失も大きい。
【００１４】
本発明は、以上のような技術的課題に鑑みてなされたものである。本発明の態様によれば、簡易な機器の構成で、流量および気液割合が経時的に大きく変化する気液多相流体を、高温、高圧においても安全に、高い分離効率で気体と液体に分離することができる気液分離器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
請求項１の発明は気液多相流体を気体と液体とに分離する気液分離器であって、頂部、底部及びその間を連結する中空型の胴部を有する容器と、前記胴部の側面から気液多相流体を供給する入口配管と、上端が前記胴部の頂部に連結され下端が前記入口配管の下端よりも低い位置で開口した中空型の内筒であり前記頂部から気体を排出する出口配管と、前記胴部の底部から液体を排出し下部が水封されている貯水槽とを備え、平面視において、前記胴部の内壁面と、前記出口配管の外壁面とは同心円状となっており、前記入口配管は、平面視において、前記胴部の外壁面と接する方向に設けられ、前記入口配管の管径は前記胴部の半径と前記出口配管の半径と同等あるいはより短く、前記入口配管の方向から見た側面視において、少なくとも前記入口配管の一方の側方は前記胴部の外壁面と一致し、他方側面は前記出口配管の外壁面より外側に位置する旋回流方式の気液分離器において、前記入口配管の出口より前記胴部の内壁面及び前記出口配管の外壁面の少なくとも一方に整流板を設け、前記整流板は平面視において環状であり、短手方向の寸法が前記胴部の直径と前記出口配管の直径の差の二分の一より短く五分の一より長く、長手方向にらせん状に降下し、前記出口配管下部の気体入口まで設けられており、鉛直方向での整流板の間隔差が前記入口配管の内径にほぼ等しい整流板を有することを特徴とする。
【００１６】
請求項２の発明は請求項１に記載の整流板がらせん状に下降する傾斜角度が、水平面に対して２〜１５度、好ましくは３〜９度であることを特徴とする。
【００１７】
請求項３の発明は請求項１あるいは２に記載の整流板が連続した帯状ではなく、前記出口配管の外壁面及び前記胴部の内壁面の少なくとも一方に部分的に設置されており、長手方向の長さがそれぞれ前記胴部の内壁周の四分の一から八分の一のものを複数枚設置し、平面視において帯状の整流板の周回での合計長さが前記胴部の内壁周の五分の四から二分の一であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１記載の発明によれば、図２に示すごとく、頂部、底部及びその間を連結する中空型の容器である胴部２０と、前記胴部の側面から気液多相流体を供給する入口配管２１と、上端が前記胴部の頂部に連結され下端が前記入口配管の下端よりも低い位置で開口した中空型の内筒であり前記頂部から気体を排出する出口配管２２と、前記胴部の底部から液体を排出し下部が水封されている貯水槽２３とを備え、平面視において、図３のごとく前記胴部の内壁面と、前記出口配管の外壁面とは同心円状となっており、前記入口配管２１は、平面視において、前記胴部２０の外壁面と接する方向に設けられ、前記入口配管２１の管径は前記胴部２０の直径と前記出口配管２２の直径の差の二分の一あるいはより短く、前記入口配管２１の方向から見た側面視において、少なくとも前記入口配管２１の一方の側方は前記胴部の外壁面と一致し、他方壁面は前記出口配管２２の外壁面より外側に位置する旋回流方式の気液分離器において、図２や図４の模式図のごとく前記入口配管２１の出口より前記出口配管の外壁面及び前記胴部２０の内壁面の少なくとも一方に整流板２４を設け、前記整流板２４は図３のごとく平面視において環状であり、図５のごとく短手方向の寸法Ｌ３が前記胴部２０の半径と前記出口配管２２の半径の差の二分の一より短く五分の一より長く、長手方向にらせん状に降下し、前記出口配管下部２２ａの気体入口まで設けられており、鉛直方向での整流板２４の間隔差が前記入口配管２１の内径にほぼ等しい整流板を有する気液分離器を採用することにより効率よく気液多相流体より液体を分離することが可能になった。
【００１９】
請求項２記載の発明によれば、請求項１に記載の整流板がらせん状に下降するが、図５のごとく、傾斜角度θが２〜１５度、好ましくは３〜９度であることにより圧力損失を少なく図２や図４の入口配管２１より胴部の下部の出口配管入口２２ａまで旋回流を効率的に保ち風速を損なうことなく遠心力を維持することにより、気液分離効率を向上することができる。
【００２０】
請求項３記載の発明によれば、請求項１あるいは２に記載の整流板２４は必ずしも連続した帯状である必要はなく、図２のように鉛直方向での整流板２４の間隔差Ｌ２が前記入口配管２１の内径Ｌ１にほぼ等しい間隔にて前記胴部２０の内壁面あるいは前記出口配管２１の外壁面の少なくとも一方に部分的に設置されておれば旋回流効率は高く維持できる。その際に図５のごとく整流板２４の長手方向の長さＬ４が前記胴部の内壁周の四分の一から八分の一のものを複数枚設置し、平面視において帯状の整流板２４の周回での合計長さが前記胴部の内壁周の五分の四から二分の一であればよい。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の気液分離効率を実験するためにサイクロン式気液分離器の寸法数値を食品工場設備のほぼ五分の一に縮小した簡易な試験装置を鉄製にて製作した。実験に用いた気液多相流体の気液成分比、温度は実際の食品工場と同等にし、風量は寸法尺度の二乗比とした。
【００２２】
本発明によれば、平面視において、図３のごとく工場からの気液混合流体の入口配管が、胴部の外壁面と気体出口配管である内筒の外壁に向かって設けられているため、入口配管付近では流体に対する遠心力を与え、圧力損失無く旋回流を起こし入口配管から離れた位置では遠心力により胴部の内壁面側に移動した液体を空隙から効率良く下部に流出させることができる。
【００２３】
また、本発明によれば、図２や図４のごとく、容器の胴部２０において気体出口配管下部２２ａと貯水槽２３の間に大きな空隙を有するように構成されているため、流量及び気液割合が経時的に大きく変化する気液多相流体を、高い分離効率で気体と液体に分離することができ下部空間が広くなることで圧力損失を極小にして分離した水を下部に貯水することができる。
【００２４】
（気液分離効率測定法）
水分の供給は所定の温度に熱せられた空気配管内に水を連続して噴霧した。得られた気液混合流体を入口配管より試験装置に導入し、２３の貯水槽の水面高さを時間ごとに測定した。液面の断面積×液面高さを水量とした。噴霧水量と増加水量の比を気液分離効率とした。
【００２５】
以下本発明の実施例を説明する。本発明の実施例では、鉄製装置を使用し寸法、風量の数値を一定のものにしたが本発明の実施形態では記載した内容に限定するものではないことは自明である。以下実施例及び比較例を具体的に説明する。
【実施例１】
【００２６】
図２及び図５に従い、鉄製のサイクロン式気液分離器を製作した。図２の胴部２０の内壁径は２００ｍｍである。出口配管２２の外径は１００ｍｍである。図５のごとく胴部内壁に短手方向の寸法Ｌ３が２０ｍｍであり、長手方向長Ｌ４が１００ｍｍの整流板を周回毎に４枚用い下降の平均角度θが５±１度にて溶接設置した。
【００２７】
空気の送風には富士電機製のＥＯ−６３Ｓを用い毎分４．５ｍ３送風した。配管の途中に市販のミスト噴霧ノズル（ミスト粒子径：５〜２０μ）を設置し水道水をポンプにて０．５ＭＰａに加圧して供給した。水道水の供給量は平均０．２Ｌ／分であった。
【００２８】
空気の風量を出口配管２２ｂ出口にて市販の羽根式風速計にて測定した数値に出口の断面積を乗じて求めた。供給水分量を水道水の減少量にて測定した。分離水量を本発明の気液分離器下部の貯水槽４点の平均液面高さに貯水槽表面積を乗じて求めた。気液分離効率を分離水量／供給水分量にて求めた。それぞれ３０分ごとに測定し表１にまとめた。また比較例との比較グラフを図６に示した。本発明の環状の整流板を胴部内壁面に設けることにより、比較例の整流板のない胴部内筒構造よりもすぐれた分離効率を示した。特に分離効率の立ち上がりが早い。
【実施例２】
【００２９】
図４及び図５に従い、鉄製のサイクロン式気液分離器を製作した。胴部２０の内壁径は２００ｍｍである。出口配管２２の外径は１００ｍｍである。胴部内壁に短手方向の寸法Ｌ３が２０ｍｍであり、長手方向長Ｌ４が１００ｍｍの整流板を周回毎に４枚用い下降の平均角度θが５±１度にて溶接設置した。出口配管下部端２２ａすなわち混合空気の胴部よりの入口部分を傾斜的に広げ入口を広げた。下部端２２ａｙ径は１６０ｍｍであった。前記胴部２０の内壁２０ａ径は２００ｍｍであり、胴部内壁２０ａと内筒の中央部外壁２２ｘの空隙は５０ｍｍであり、出口配管の下部端２２ａｙと胴部内壁２０ａとの空隙距離は２０ｍｍであり、胴部２０ａと出口配管外壁２２ｘとの空隙の４０％となる。
【００３０】
実施例１と同様に気液分離実験を行った。
【００３１】
３０分ごとに分離水量を測定し表１にまとめた。また比較例との比較グラフを図６に示した。本発明の環状の整流板を胴部内壁面に設けることにより、比較例の単純な内筒よりもすぐれた分離効率を示した。特に分離効率の立ち上がりが早い。
【００３２】
（比較例）
図１のごとく環状の整流板を胴部内壁面あるいは出口配管外壁に設置することなく実施例と同様の装置にて同様の実験を行った。結果を表１にまとめた。また実施例との比較グラフを図６に示した。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
この気液分離器においては胴部の形状や大きさ、出口配管下端と貯水槽間の広がり、胴部内壁面と出口配管外壁のいずれか一方に設置する整流板の幅や長さ、連続取り付けなどにこだわることなく自由度を大きく設計でき、かつ製作も容易である。工場の必要風量、気液混合状態、温度などが変化しても対応が容易である。また構成機器の材料を工場設備より発生する気体あるいは液体の性質に応じて適切な材料に変更することも自在である。さらに温度計、液面計、液面高さによる水量調節機構などの機器を含んで構成されていてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明によって、工場の異なる操業状態によっておこる温度、気液の成分比や風量の異なる気液混合流体の気液分離器の設計、製作がきわめて容易にかつ安価になるだけでなく、気液分離効率を簡単に向上することができ後工程の排ガス処理が容易になる。また構造が簡単なため、破損のおそれもなく製作後操業時のメンテナンスが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】通常のサイクロン式気液分離器の構造模式図を表す。
【図２】実施例１に係る気液分離器の垂直断面を側面視した模式図を表す。
【図３】実施例１，２に係る気液分離器の上方より平面視した模式図を表す。
【図４】実施例２に係る気液分離器の垂直断面を側面視した模式図を表す。
【図５】実施例１，２に係る整流板の模式図を表す。
【図６】実施例１，２と比較例の気液分離効率の比較グラフを表す。
【符号の説明】
【００３７】
１０・・・通常のサイクロン胴部。
１１・・・気液多相流体のサイクロンへの入口配管。
１２・・・液分離後の気体の出口配管。
１２ａ・・・サイクロン内で液体分離後の気体の出口配管下部入口。
１２ｂ・・・出口配管上部気体排出口。
１３・・・下部貯水槽。
２０・・・実施例に係るサイクロン胴部。
２０ａ・・・サイクロン胴部の内壁。
２１・・・気液多相流体のサイクロンへの入口配管。
２２・・・液分離後の気体の出口配管。
２２ａ・・・出口配管下部であり気体入口部分。
２２ｘ・・・出口配管中央部の外壁。
２２ａｙ・・・出口配管下部の最端部。
２２ｂ・・・出口配管上部気体排出口。
２３・・・下部貯水槽。
２４・・・整流板。
Ｌ１・・・入口配管の内径。
Ｌ２・・・整流板の間隔。
Ｌ３・・・整流板の短手方向の寸法。
Ｌ４・・・整流板の長手方向の寸法。
θ  ・・・整流板がらせん状に下降する傾斜角度。
【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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