(57)【要約】【課題】流動媒体混合物におけるフラクションの分離の速度および質を、限られた投資で増加させる。【解決手段】本発明は、流動媒体混合物を少なくとも２つのフラクションに分離するための装置であって、回転手段と、分離すべきフラクションの質量密度における差を物理的に増加させるための手段と、媒体用の供給口と、分離された媒体混合物のフラクションのうちの１つを放出するための第１の放出口と、を含む装置に関する。本発明はまた、流動媒体混合物を分離するための方法に関する。【選択図】図１
2008500896.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流動媒体混合物を、異なる質量密度を備えた少なくとも２つのフラクションに分離するための装置であって、
−分離すべき前記流動混合物を回転させるための回転手段と、
−前記分離すべきフラクションの質量密度における差を物理的に増加させるための、前記媒体の流れ方向の上流で前記回転手段に接続された手段と、
−質量密度に影響を及ぼす前記手段に接続された、前記分離すべき媒体混合物のための供給口と、
−前記分離された媒体混合物のフラクションの１つを放出するための、前記回転手段に接続された第１の放出口と、
を含む装置。
【請求項２】
前記装置が、前記分離された媒体混合物の第２の成分を放出するための、前記回転手段に同様に接続された第２の放出口を設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記回転手段が、供給チャネルの回転アセンブリによって形成されることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記回転手段が、少なくとも１つのサイクロンによって形成されることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
【請求項５】
質量密度に影響を及ぼす前記手段が、膨張手段を含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
質量密度に影響を及ぼす前記手段が、冷却手段を含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
前記冷却手段が、前記媒体の流れ方向において、前記膨張手段の上流に配置されることを特徴とする、請求項５または６に記載の装置。
【請求項８】
流動媒体混合物を、異なる質量密度を備えた少なくとも２つのフラクションに分離するための方法であって、
Ａ）分離すべき混合物を供給する処理ステップと、
Ｂ）前記分離すべき混合物における前記分離すべきフラクションの質量密度における差を物理的に増加させる処理ステップと、
Ｃ）前記分離すべき流動混合物の回転を引き起こす処理ステップと、
Ｄ）前記分離されたフラクションの少なくとも１つを放出する処理ステップと、
を含む方法。
【請求項９】
前記分離すべき混合物の前記フラクションの質量密度が、前記混合物を膨張させることによって、処理ステップＢ）中に増加されることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記混合物が、処理ステップＣ）中に前記混合物が分離される前に、冷却されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記混合物が、膨張される前に冷却されることを特徴とする、請求項８または９に記載の方法。
【請求項１２】
天然ガスが、処理ステップＡ）中に供給されることと、処理ステップＢ）中に、前記天然ガスの温度が、膨張の結果として、−５０℃未満または−６０℃未満の温度に低下され、それによって、たとえばＣＯ2およびＨ2Ｓなど、前記天然ガスに存在する前記汚染フラクションが、少なくとも実質的に位相を変え、これらの汚染フラクションが、処理ステップＣ）中に炭化水素フラクションから分離され、前記汚染物質を少なくとも部分的に除去された前記炭化水素フラクションが、処理ステップＤ）中に放出されるようになることと、を特徴とする、請求項８〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流動媒体混合物を、異なる質量密度を備えた少なくとも２つのフラクションに分離するための装置であって、分離すべき流動混合物を回転させるための回転手段を含む装置に関する。本発明はまた、流動媒体混合物を、異なる質量密度を備えた少なくとも２つのフラクションに分離するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
流動媒体混合物の分離には、極めて様々な適用例がある。本明細書において、媒体混合物は、パウダーまたはエアゾールなどの固形物部分と混合可能な少なくとも１つの液体またはガスの混合物を意味すると理解される。例として、ガス／ガス混合物、ガス／液体混合物、液体／液体混合物、ガス／固体混合物、液体／固体混合物、または１つもしくは複数の追加フラクションを提供されたかかる混合物がある。流動媒体混合物の分離は、たとえば、液体浄化、（煙道）ガス浄化およびパウダー分離の様々な適用例から周知である。粒径の大きな差および／または質量密度の大きな差があるフラクションの分離は、比較的簡単である。濾過およびスクリーニングなどのプロセスにおける分離目的のために、大規模に用いられる。質量密度の差がより小さいフラクションの分離においては、化学分離技術ならびに／または沈降分離および遠心分離などの分離技術が用いられる。確かに、大量の媒体混合物を処理する場合には、化学分離技術は、それほど経済的ではなく、通常はまた、それほど環境にやさしくはない。沈降分離によるフラクションの分離は、時間を必要とし、大量の媒体混合物を処理する場合には、容積の大きな貯蔵槽を用いることが必要であり、それはとりわけ費用がかかる。別の技術は、遠心機またはサイクロンで混合物を回転させることにより混合物に求心力を印加することによって、分離すべきフラクションの質量密度における差を利用する。この技術は、通常は、短時間に所望レベルの分離を実現するのに十分な選択能力はない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、流動媒体混合物におけるフラクションの分離の速度および質を、限られた投資で増加させる目的を有する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この目的のために、本発明は、緒言で述べたタイプの装置であって、さらに、分離すべきフラクションの質量密度における差を物理的に増加させるための回転手段に、媒体の流れ方向の上流で接続された手段と、質量密度に影響を及ぼす手段に接続された、分離すべき媒体混合物のための供給口と、分離された媒体混合物のフラクションの１つを放出するための、回転手段に接続された第１の放出口と、を含む装置を提供する。装置にはまた、分離された媒体混合物の第２の成分を放出するための、同様に回転手段に接続された第２の放出口を設けるのが好ましい。本発明によれば、回転手段の分離効率は、分離すべきフラクションの質量密度における差が増加するように、媒体が回転手段に到達する前に混合物の少なくとも一部の質量密度に影響を及ぼすことによって増加される。分離すべきフラクションの質量密度における差の増加は、たとえば、混合物の温度を変化させる（状況により加熱または冷却）ことによって行なうことができる。かくして、（フラクションに及ぼされる求心力における差の増加の結果として）回転によってフラクションを互いに分離することが、より簡単になる。本明細書において、次のことが注目される。すなわち、フラクションの分離は、２つのフラクションの平均質量密度にかなりの差が生じるように、２つのフラクションを少なくとも部分的に分離することを意味すると理解されるということである。完全な（１００％）分離は、実際には実現するのが難しい。分離すべきフラクションの質量密度におけるより大きな差を今や有する混合物の回転の結果として、より軽いフラクションは、回転の内側へ少なくとも実質的に移動し、より重いフラクションは、回転の外側へ少なくとも実質的に移動する。これは、混合物に関連するフラクションの少なくとも１つを用いるための選択肢を増やす分離である。この使用可能な（「浄化された」）フラクションは、分離後であっても、別の望ましくないフラクションの一部をまだ有している（「別のフラクションで汚染されている」）可能性があるが、しかしこの他のフラクションは、元の混合物におけるこの望ましくないフラクションの存在より著しく少ない。媒体の続く処理によって、この目的に必要とされる大きな設備なしに（すなわち、装置は非常にコンパクトな形状を取ることができる）、意外に高い分離効率が結果としてもたらされ、また媒体を、短期間、処理しさえすればよい。媒体混合物が少なくとも１つのガスフラクションを含み、かつ媒体混合物が、高圧下で装置を通して搬送される場合には、装置は、さらに小さな形状（より小さな体積を備えた）にすることができる。
【０００５】
好ましい変形例において、回転手段は、供給チャネルの回転アセンブリによって形成される。かかる回転セパレータは、利点、すなわち、壁からの媒体の平均距離（半径方向における）が制限されており、それによって、分離の所望の程度が、比較的短時間（それは、軸方向における回転セパレータの比較的限られた長さに対応する）に達成できるという利点を有する。供給チャネルのかかる回転アセンブリの動作は、媒体の層流がチャネルに保持されている場合には、さらに、ポジティブな影響を受ける。反対に、媒体が、チャネルを通して乱流で搬送されることもまたあり得る。適用される流速は、状況に応じて変更するかまたは最適化することができる。
【０００６】
しかしながら、回転手段はまた、少なくとも１つのサイクロン（渦）、または代替として複数のサイクロンのアセンブリによって形成することができる。サイクロンの場合には、回転手段に静止形状を与えること、および媒体だけを回転させることが可能である。複数の（より小さな）サイクロンを利用することには、単一サイクロンに比べて、供給チャネルの回転アセンブリにおける利点に匹敵する利点がある。バッフルは、たとえば、決められたフラクションをバッフル上で凝縮させるために、かつサイクロンを制御するために、任意でサイクロンに配置することができる。
【０００７】
好ましい実施形態において、質量密度に影響を及ぼす手段には、膨張手段が含まれる。（任意に等方性の）膨張によって、媒体の温度を非常に短い時間内に低下させることができる。これは、たとえば、「ジュールトムソン」タイプの膨張冷却器またはタービンを利用することによって実現できる。別の選択肢は、冷媒によって冷却を引き起こすことであって、冷媒が、たとえば、別個の循環系において膨張され、かくして所望の低温レベルにされるようにすることである。分離すべき媒体の膨張と比較して、別個の冷媒を扱う利点は、たとえば、所望の冷却作用のために、この別個の冷媒を最適化できるということである。温度低下の利点は、これによってフラクションの密度が影響されるということである。したがって、特に好ましい効果を達成できるのは、混合物が同じ位相のフラクションからなり（たとえばガス／ガス混合物または液体／液体混合物）、その少なくとも１つのフラクションが、温度変化ゆえに相変化を経て、分離すべきフラクションの位相が互いに異なるようになる（それによって、たとえばガス／液体混合物、ガス／固体混合物または液体／固体混合物が結果として生じる）場合である。温度変化の結果としての物質の相変化のこの現象は、もちろん一般に周知の現象である。しかしながら、本発明は、回転による２つのフラクションの引き続く分離と結合された、相変化（またはいずれにせよ、分離すべきフラクションの質量密度における差の変化）の非常に有利な組み合わせに基づいている。次に、たとえばエアゾールまたはパウダー（固体）とガスの混合物は、回転手段を用いて容易に分離することができる。しかしながら、回転手段による分離のためには、分離すべき成分間の位相差を生じることは必要でないことが、特に注目される。装置は、同じ位相にあるフラクションの混合物（たとえば分散液体などの液体／液体混合物およびガス／ガス混合物）に等しく適用可能である。最良の可能な動作のためには、分離すべきフラクションの質量密度をできる限り異なるようにすることが、ここでは望ましい。
【０００８】
さらに別の好ましい変形例において、質量密度に影響を及ぼす手段には、能動または受動冷却手段を含むことができる。これらの冷却手段を直接配置して、分離すべきフラクションの質量密度を増加させることができる。特に有利な適用例では、冷却手段は、媒体の流れ方向において、膨張手段の上流に配置される。したがって、混合物は、膨張が始まる前に、最初に冷却され、次に、膨張の結果としてずっと低い温度レベルに達し、それによって、フラクションを分離するための特別な選択肢をもたらす。これは、たとえば（事前）冷却が環境への放散によって行なえる場合には、エネルギ的に非常に有利な解決法であり得る。これは、さらに発展した例に基づいて、以下でさらに説明する。本発明の可能な適用例のいくつかの例は、空気／窒素混合物の分離、水の脱気または脱ガス、空気の脱水、天然ガスの浄化である。
【０００９】
本発明はまた、流動媒体混合物を、異なる質量密度を備えた少なくとも２つのフラクションに分離するための方法であって、Ａ）分離すべき混合物を供給する処理ステップと、Ｂ）分離すべき混合物における分離すべきフラクションの質量密度における差を物理的に増加させる処理ステップと、Ｃ）分離すべき流動混合物の回転を引き起こす処理ステップと、Ｄ）分離されたフラクションの少なくとも１つを放出する処理ステップと、を含む方法に関する。この方法により、本発明による装置に基づいて、既に上記したような利点を実現することができる。本方法は、比較的小さなスルーフロー装置で実行することができる。なぜなら、別個の処理ステップが、非常に短い期間内（処理ステップＢおよびＣ）、個別的には１秒未満、通常は０．１秒未満、または１０もしくは５ミリ秒未満でさえ、実行することができるからである。これによって、大きな容量を含むことができるような寸法にされた関連装置を用いる長いプロセスが、不必要になる。処理ステップＢ）およびＣ）の独創的な組み合わせによって、先行技術によって可能だったよりもずっと簡単なフラクション分離の意外な利点が提供される。分離すべき混合物のフラクションの質量密度における差を増加させるための簡単な方法は、混合を膨張させることに基づいている。これに起因する温度の低下によって、非常に短い時間内に、分離すべきフラクションの質量密度における差を増加させる所望の効果が提供される。この効果は、極めて簡単な手段を利用するが、０．１秒未満または０．０５秒未満で得ることができる。分離すべきフラクションの質量密度における差を増加させる効果には、処理ステップＣ）中に混合物を分離する前に混合物を冷却することによって、さらにポジティブな影響を及ぼすことが可能であり、また混合物が、膨張される前に冷却される場合には、それはさらに望ましい。さらに、膨張は、混合物のさらに低い温度を結果としてもたらすことができる。
【００１０】
本方法の特定の好ましい適用例において、天然ガスが、処理ステップＡ）中に供給され、また処理ステップＢ）中に、天然ガスの温度が、膨張の結果として、−５０℃未満または−６０℃未満の温度に低下され、それによって、たとえばＣＯ2およびＨ2Ｓなど、天然ガスに存在する汚染物質のフラクションが、少なくとも実質的に位相を変え、これらの汚染フラクション（たとえばＣＯ2およびＨ2Ｓ）が、処理ステップＣ）中に、炭化水素フラクションから分離され、汚染物質を少なくとも部分的に除去された炭化水素フラクションが、処理ステップＤ）中に放出されるようになる。経済的に費用効率の高い方法で回収できる天然ガスの埋蔵量は、限られている。なぜなら、技術的に回収可能な天然ガスのかなりの部分が、好ましくないガスで汚染されているからである。確かに、それらが何十パーセントも天然ガスに存在する場合には、経済的に費用効率の高い方法で、炭化水素からこれらの汚染ガスを十分な程度まで分離することは、これまで可能ではなかった。
【００１１】
図に示す非限定的で例示的な実施形態に基づいて、本発明をさらに説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、たとえば天然ガスなどの汚染されたガスを浄化するための装置１を示す。汚染されたガスは、１００〜３００バールの圧力（通常は約２５０バールの典型的な圧力）下、１００℃超かまたは約１００℃の温度で、供給口２により矢印Ｐ1に従うように供給される。次に、矢印1に従うように供給されたガスは、熱交換器３において、たとえば大気中への冷却によって、冷却される。冷却ガスは、矢印Ｐ2に従うように、熱交換器３から絞り弁４へ流れる。矢印Ｐ2に従うように供給されたガスは、好ましくは等方的な方法で、絞り弁４によって、５〜２０バールのより低い圧力に膨張される。圧力の突然の低下の結果として、ガスの温度は低下（たとえば−５０℃未満の温度に）し、ガスに存在するフラクションの一部が位相を変えるようになる。結果として、ガス／蒸気混合物５（エアゾール）が、生成される。このガス／蒸気混合物５は、回転Ｒの結果として、回転子７のチャネル６を通して搬送され、それによって、蒸気は、回転シャフト８から遠い、回転子７におけるチャネル６の側面に当たって凝縮する。凝縮蒸気は、絞り弁４から遠い側における液滴９として回転子７から出る。たとえば液体ＣＯ2およびＨ2Ｓからなる液滴９は水盤１０に集められるが、この水盤１０は、液体ＣＯ2およびＨ2Ｓが矢印Ｐ3に従って放出されるように、ポンプ１１を作動させて空にすることができる。したがって、回転子７から出るガスが、ＣＯ2およびＨ2Ｓを少なくとも部分的に除去し、浄化ガスとして、矢印Ｐ4に従うように装置１から出る。
【００１３】
図２は、分離すべきガス混合物が、供給口２１により、矢印Ｐ10に従うように供給される分離装置２０を示す。接続タービン２２において混合物を圧縮して、後で接続熱交換器２３においてガス混合物をより効率的に冷却できるようにする。また、コンプレッサ２２により増加された圧力によって、装置２０全体は、より高い圧力レベル（たとえば１０〜５０バール）で動作することができるようにされ、それによって、装置２０は、この圧縮ステップが省略されることになった場合より、コンパクトな形状とすることができる。熱交換器２３における混合物の冷却後に、混合物はタービン２４に供給される。タービン２４に起因する圧力低下の影響ゆえに、混合物の温度が低下し、混合物のフラクションが液相に変化するようになる。タービン２４に接続されたサイクロン２５において、液体フラクションは、サイクロン２５に存在するバッフル２６上で凝縮する。バッフル２６から落下する液滴は滴受け２７に収集され、そこから液体フラクションは、さらに矢印Ｐ１１従うように放出される。ガスフラクションは、矢印Ｐ12に従うように、中央放出口２８を通ってサイクロンから出る。混合物の典型的な流速は、５〜１５メートル／秒、さらには特に１０ｍ／ｓである。
【００１４】
図３は、分離すべき混合物が矢印Ｐ30に従うように供給される多重分離装置３０の図を示す。冷却器３１における混合物の冷却後、今はもう冷却された混合物は、矢印Ｐ31に従うようにタービン３２に流れる。タービン３２を通過した後で、分離すべきフラクションの質量密度におけるより大きな差を今や備えた混合物は、概略的に示された回転セパレータ３３に流れる。第１の、たとえばガス状のフラクションが、矢印Ｐ33に従うように放出口３４を通って回転セパレータ３３から出る。第２のフラクション（たとえば冷えた液体フラクション）が、矢印Ｐ34に従うように第２の放出口３５を通って回転セパレータ３３から出る。次に、第２のフラクションは、別のタービン３６およびそれに接続された回転セパレータ３７に供給され、そこで新たな分離プロセスが、第２の液体フラクションに残っているガスフラクション（回転セパレータ３３において既に分離されたのと同じガスフラクションであっても、なくてもよい）を、矢印Ｐ35に従うように分離する目的で実行され、次に、このガスフラクションは、第１の回転セパレータ３３で既に分離されたガスフラクションと一緒に流れる。回転セパレータ３７で分離された液体フラクションは、熱交換器３１の効率を上げるために、矢印Ｐ36に従うように戻し導管３８を通って熱交換器３１に戻される。熱交換器３１において、第２の回転セパレータ３７から来た液体フラクションは、矢印Ｐ37に従うように放出口を介して装置３０から出る前に、冷却材として機能する。第２のフラクション（Ｐ34）の代わりに、またはちょうど第２のフラクション（Ｐ34）のように、回転セパレータ３３から出た第１のフラクション（Ｐ33）を、放出口３４に接続された、たとえばタービン（この図には示さず）およびタービンに接続する回転セパレータによって、新たな分離プロセスにさらすことができることが注目される。既に分離されたフラクションの新たな分離はまた、任意に、連続して３回以上実行することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明による装置の概略図を示す。
【図２】本発明による分離装置の代替実施形態変形例の概略図を示す。
【図３】本発明による多重分離装置の第２の代替実施形態変形例の概略図を示す。
【図１】
2008500896.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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2008500896.tif 000007
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