(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が本質的に螺旋状に流れることができるベースハウジングであって、それぞれ壁を有する上端および下端と、前記２つの端の間に延びた中心軸（４）とを備えた分離室（３）を有する、ベースハウジング（２）と、さらに円錐形の前記分離室内に配置され、前記ベースハウジングの前記中心軸と同心の中心分離管であって、第１の表面プロファイルを有する内側断面に面する表面と、第２の表面プロファイルを有する内側断面から離れる方向に面する表面とを有する本質的に円筒形の壁を備えた、中心分離管（５）とを備えた、前記流体の少なくとも２つの相を分離するためのサイクロン分離器であって、前記ベースハウジングは、上端に、内側半径を備え、前記流体用の少なくとも１つの本質的に接線方向に取り付けられた入口開口部（７）を備えたヘッド部（６）、ならびに断面を備えた少なくとも１つの軽質フラクション出口開口部（８）を有し、下端に、少なくとも１つの拡張室（９）および少なくとも１つの重質フラクション出口開口部（１０）を有し、前記拡張室が、前記中心分離管を受け入れるために、前記中心軸に対して同心円状に配置された中心ピン（１４）を、その基部上に有し、前記ピンは、本質的に前記中心分離管の下端の高さまで延び、前記分離室は、少なくとも部分的に、前記下端の方向に、好ましくは一定の円錐角αで段階的に円錐状に先細りになり、前記分離室と前記拡張室との間の移行部に、前記中心分離管を安定化し、軽質フラクションの流れを制御するために、スタビライザ（１５）が設けられ、前記スタビライザが、それぞれ前記内側断面に面する表面と前記内側断面から離れる方向に面する表面とを有する第１および第２の環状かつ本質的に同心の壁を有し、両方の壁は平面に配置され、前記第１および／または前記第２の壁はフィン角δのフィン（１６）を有し、前記スタビライザは、特にロックによって、半径方向に延びる穿孔によって前記下端の前記ベースハウジングの内側で前記ベースハウジングに取り外し可能に接続され、前記第１の壁は、少なくとも前記拡張室の前記中心ピンの部分でロックされ、前記第１の壁が、前記内側断面から離れる方向に面する前記表面に前記フィンを有し、前記第２の壁が、前記内側断面に面する前記表面に前記フィンを有し、
前記第１の壁の前記フィンと前記第２の壁の前記フィンが本質的に接触しない
ことを特徴とする、サイクロン分離器。
【請求項２】
前記円錐角αが、約０．１〜５°、好ましくは約０．２〜３°、特に好ましくは約０．５〜１．５°である
ことを特徴とする、請求項１に記載のサイクロン分離器。
【請求項３】
前記中心分離管がその長さに沿って本質的に連続し、前記分離室の下端まで本質的に延び、前記中心分離管と前記下端の壁との間に隙間（１１）が設けられる
ことを特徴とする、請求項１または２に記載のサイクロン分離器。
【請求項４】
前記中心分離管の壁には、前記ベースハウジングの下半分の領域に放射状の円周方向の穿孔（１２）がある
ことを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のサイクロン分離器。
【請求項５】
前記穿孔が、本質的に直線形状、ジグザグ形状、曲がりくねった形状、円弧形状、螺旋形状、蛇行形状、ドット形状、リング形状、楕円形、長方形、正方形、台形、星形、三日月形、三角形、五角形および／または六角形および／または前述の形状のハイブリッド形である
ことを特徴とする、請求項４に記載のサイクロン分離器。
【請求項６】
前記中心分離管の壁の前記穿孔の面積が、前記軽質フラクション出口の断面に対して約５０〜１０００％、好ましくは約７５〜２００％、特に好ましくは約１００〜１５０％である
ことを特徴とする、請求項４または５のいずれか一項に記載のサイクロン分離器。
【請求項７】
前記中心分離管の前記円筒形の壁の前記第１および／または前記第２の表面プロファイルが、本質的に波形、階段状もしくは傾斜状、および／または前述の表面プロファイルのハイブリッド形である
ことを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載のサイクロン分離器。
【請求項８】
前記中心分離管が、特にロックにより、前記ヘッド部の前記軽質フラクション出口開口部に取り外し可能に接続され、および／または特にロックにより、前記拡張室の基部に取り外し可能に接続される
ことを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のサイクロン分離器。
【請求項９】
前記拡張室が、特にロックにより、前記分離室の前記下端に取り外し可能に接続される
ことを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載のサイクロン分離器。
【請求項１０】
前記第１の壁の前記フィンと前記第２の壁の前記フィンが、回転可能に取り付けられている
ことを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載のサイクロン分離器。
【請求項１１】
円弧運動経路に沿って前記フィンを移動させるように設計された誘導要素が設けられ、その上に前記第１の壁の前記フィンおよび前記第２の壁の前記フィンが取り付けられている
ことを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載のサイクロン分離器。
【請求項１２】
前記誘導要素が誘導レールであり、前記フィンは、前記運動経路に垂直な回転軸の周りで前記誘導レールに回転可能に取り付けられている
ことを特徴とする、請求項１１に記載のサイクロン分離器。
【請求項１３】
前記フィン角δが、約５〜９０°、好ましくは約２０〜７０°、特に好ましくは約３０〜６０°である
ことを特徴とする、請求項１から１２のいずれか一項に記載のサイクロン分離器。
【請求項１４】
前記スタビライザが交換可能である
ことを特徴とする、請求項１から１３のいずれか一項に記載のサイクロン分離器。
【請求項１５】
前記ベースハウジング、前記拡張室、および前記スタビライザが、少なくとも部分的に、硬質ゴム、ポリアミド、繊維強化ポリアミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリオキシメチレン、ポリエチレンテレフタレート、繊維強化ポリエチレンテレフタレート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、エチレンクロロトリフルオロエチレン、パーフルオロアルコキシアルカンコポリマー、テトラフルオロエチレンヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレンパーフルオロメチルビニルエーテル、スチール、ステンレス鋼、アルミニウム、および／またはそれらの混合物からなる群から選択される摩耗性安定材料から製造される
ことを特徴とする、請求項１から１４のいずれか一項に記載のサイクロン分離器。
【請求項１６】
前記中心分離管が、非常に安定したおよび／または耐摩耗性の材料、特にスチール、ステンレス鋼、アルミニウム、マグネシウム、繊維強化ポリアミド、繊維強化ポリエチレンテレフタレート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリフェニレンスルフィド、および／またはそれらの混合物から作られる
ことを特徴とする、請求項１から１５のいずれか一項に記載のサイクロン分離器。
【請求項１７】
前記サイクロン分離器がいくつかの部品で構成されている
ことを特徴とする、請求項１から１６のいずれか一項に記載のサイクロン分離器。
【請求項１８】
流体の少なくとも２つの相を分離するための請求項１から１７のいずれか一項に記載のサイクロン分離器の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の少なくとも２つの相を分離するためのサイクロン分離器、ならびにサイクロン分離器のベースハウジング、拡張室および／またはスタビライザを製造するための射出成形金型、ならびに流体の少なくとも２つの相を分離するための本発明のサイクロン分離器の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体、固体、および気体は、洗浄される媒体とは密度が異なる汚染物質で汚染されることがよくある。
【０００３】
これらの汚染物質は、例えば次のとおりであり得る。
−廃水処理プラント、プロセス水および／または廃水におけるマイクロプラスチック粒子および／または軽粒子および／または重粒子、
−塩含有水の脱塩プロセスにおける精製ステップとしての、塩水または汽水におけるマイクロプラスチック粒子および／または軽粒子および／または重粒子、
−製紙およびパルプ産業の繊維懸濁液およびプロセス水に含まれるマイクロプラスチック粒子および／または軽粒子および／または重粒子、
−一般的な洗浄のための液体流体中のマイクロプラスチック粒子および／または軽粒子および／または重粒子、
−ガス混合物（エアロゾル、粉塵など）中の重粒子、
−石油からの段階的な汚染物質、または石油化学処理によって汚染された水中の石油成分。
【０００４】
世界中で行われた多くの研究は、河川や内陸水だけでなく、海洋とその堆積物にマイクロプラスチックがますます蓄積していることを示している。これにより、実質的にすべての水生動植物のマイクロプラスチック汚染がすでに生じている。
【０００５】
この汚染の存在は、生物にとって外来のポリマー粒子の存在のためだけでなく、これら
の粒子の不利な化学的性質のためにより重大な問題を提示する。材料に関連する疎水性と比表面積が大きいため、有機汚染物質、残留薬物、およびあらゆる種類のホルモンを吸着することができる。これにより、ヒトにとって潜在的に危険な物質の最適なキャリアになる。蓄積する可能性のある物質には、とりわけ、食物連鎖を介してヒトに到達する可能性があり、ヒトに疾患を引き起こす疑いがある発癌性毒素が含まれる場合がある。
【０００６】
工業プロセス水からのマイクロプラスチック粒子と廃水処理プラントからの廃水との分離は、現在のプロセス工学において解決することが事実上不可能な問題に直面している。廃水処理プラントを使用して、既存のプロセスによってサイズが１ｍｍを超えるマイクロプラスチックフラクションを非常に高度に分離することは可能であるが、サイズが１ｍｍ未満の粒子はこれらのプロセスでは明らかに解決できない問題を引き起こす。数多くの研究により、河川、湖沼、海洋におけるマイクロプラスチックの負担の大部分は、廃水が排出される前に廃水処理プラントによって廃水から分離できないフラクションで構成されていることが示されている。これらのフラクションには、主に化粧品や洗剤からの研磨粒子、および洗浄プロセス中に廃水に入る合成衣類からの微細繊維が含まれる。マイクロプラスチック粒子は、影響を受ける水域の全体的な負担のかなりの部分を占めている。
【０００７】
現在の知識によると、そのような粒子は主にプラスチックを積極的または受動的に処理する産業の廃水処理プラントを経由して水に入る。これらの産業の１つは、製紙業界の古紙処理セグメントである。プラスチックは処理中の古紙に含まれる物質である。プラスチックはパルプ処理プロセスで大部分が分離されるが、プロセスステップで細かく砕かれたかなりのフラクションがプロセス水に入り、その後、企業の廃水処理プラントに入る。
【０００８】
それらのサイズとは別に、存在するマイクロプラスチック粒子の特別な特徴の１つは、例外なく水の密度に非常に近い比密度である。水とそこに見られるマイクロプラスチック粒子との間の比密度ならびにサイズの最小差は、特定の問題、すなわち、従来の廃水処理を使用して廃水からマイクロプラスチック粒子を除去することが不可能または不十分であるという問題を反映している。ここでの標準的なアプローチは、粗洗浄、生物学的分解、浮選、沈殿および精密濾過の原則を適用することである。これらの濾過プロセスには既存の欠点とプロセスエンジニアリングの高い複雑さがあるため、この方法での廃水処理は非常に費用がかかり、そのためほとんど利益を上げていない。
【０００９】
さらに、これらの濾過材ベースのプロセスは、固体全体を媒体から濾過するプロセスでのみ使用できるというプロセス技術的な制限がある。製紙中に繊維懸濁液からマイクロプラスチックを濾過する場合のように、絶対濾過ではなく、物理的特性に基づいた固体の分離または部分的分離が必要な場合、これらのシステムは、そのような従来のシステムの分離基準が粒子の大きさの観点からのみ定義され、材料の観点からではないため、使用できない。
【００１０】
したがって、サイクロン分離器は、製紙業界のプロセス水とパルプ懸濁液の処理にも役割を果たす。ここで、紙の品質とプロセスの安定性を定義する重要なプロセスステップは、いわゆる低密度汚染の除去である。主なフラクションでは、これはマイクロプラスチック粒子（ＰＥ、ＰＰ、および包装廃棄物からの発泡スチロール）と、ホットメルト粒子およびワックスで構成されている。現在、比密度が水の密度より低い低密度汚染は、リバースクリーナーサイクロン分離器を使用してパルプ懸濁液から除去されている。このために一般的に使用されるリバースクリーナーは、分離効率と操作時間効率に関して明らかな欠点を示し、生産のダウンタイムまたは紙品質の低下による直接的な経済的損失をもたらす。リバースクリーナーは、密度に基づいて物質を分離することができ、これにより、前記プラスチック粒子を紙粒子から特定の、しかし通常は十分ではない分離度まで分離することができる。ただし、粒子の密度が水の密度とわずかに異なるだけで、粒子のサイズが小
さすぎるため、リバースクリーナーはマイクロプラスチック粒子を適切に除去できない。
【００１１】
これらの汚染物質の存在は、生産される商品（紙、厚紙など）の品質の低下、および望ましくない汚染物質によるポンプ、コンプレッサ、または同様のアセンブリの損傷などのプロセス技術的な問題につながる可能性がある。さらに、汚染物質の除去は汚染物質の制限を遵守するための条件になる可能性があるため、これは環境関連の経済的結果にもつながる可能性がある（例えば、廃水処理プラントからの排水中のマイクロプラスチック負荷、排水中のバイオマス、化学的酸素要求量（ＣＯＤ）／生化学的酸素要求量（ＢＯＤ）、残留性有機汚染物質（ＰＯＰ）、吸着性有機ハロゲン化物（ＡＯＸ））。
【００１２】
サイクロン分離器の従来技術は、一般に同一の基本設計によって定義されている。これは、３つ以上の入口と出口を持つ通常円錐形のベースボディによって特徴付けられる。入口は通常、円錐の幅の広い端に接線方向に配置される。軽質フラクション出口は通常、円錐の上側の中央にあるが、重質フラクション出口は円錐の先細りの端にある。動作中、処理のために導入された流体は、通常接線方向に円錐の上側に供給され、それにより回転流に誘導される。一定の流入によって駆動されるこの流れは、サイクロン分離器の先細りの端に向かって螺旋状に下降する。この流路は、自由な流れ反転を引き起こし、その結果、流体（渦）の（螺旋状の）円形の流れの中心で部分的な流れが上向きに移動する。この部分的な流れは、比密度、つまり質量が高い汚染物質の負荷が相対的に低いことを特徴とし、サイクロン分離器の上部の中央に排出される。より高い比重の粒子で濃縮されたフラクションは、サイクロン分離器の先細りの端から排出される。サイクロン分離器では、回転によって引き起こされる遠心力によって、異なる密度の成分への分離が発生する。これは、遠心力が大きいほど分離精度が高いことを意味する。従来技術は、この長く知られた技術に基づいてサイクロン分離器の複数の異なる設計オプションを定義している。ただし、サイクロン分離器の一般的な構造がどのように変更されたかに関係なく、例外なくこれらの共通の特徴は、内部渦の自由な流れ反転である。
【００１３】
既知のサイクロン分離器の欠点は、特に、構造的特徴から生じる内部渦の自由な流れ反転に起因する。流れ反転の場所と強度、したがって分離効率は、構造的条件とプロセス技術的条件に大きく依存するため、サイクロン分離器の古典的な設計は、外部要因の変化に対する感度のための理由である（例えば、体積流量、流入受入拒否率、圧力差、媒体の粘度、汚染度）。これはまた、渦内にさまざまな不利な流れ条件を引き起こし、その結果、流体の相分離のより高い精度、したがって流体の相分離のより高い効率が達成されない。このため、状況条件、特に前述の外部条件の変化に動的に適応する能力の欠如は不利である。
【００１４】
例えば、ドイツ登録特許第９３６４８８号は、ガスから塵の微粒子を分離するための遠心分離器（サイクロン集塵機）を開示しているが、これは、構造的状況により、回転と流れを確実に制御するために、例えば分離する相のタイプとプロパティなどの変更されたプロセス条件と要件に十分に対応できない。
【発明の概要】
【００１５】
本発明の目的は、従来技術から知られている欠点を少なくとも部分的に克服することである。
【００１６】
上記の目的は、本発明の請求項１に記載のサイクロン分離器によって解決される。サイクロン分離器の好ましい実施形態は、従属請求項の主題である。
【００１７】
流体の少なくとも２つの相を分離するための本発明によるサイクロン分離器が、流体が本質的に螺旋状に流れることができるベースハウジングであって、それぞれ壁を有する上
端および下端と、２つの端の間に延びた中心軸とを備えた分離室を有する、ベースハウジングと、さらに円錐形の分離室内に配置され、ベースハウジングの中心軸と同心の中心分離管であって、第１の表面プロファイルを有する内側断面に面する表面と、第２の表面プロファイルを有する内側断面から離れる方向に面する表面とを有する本質的に円筒形の壁を備えた、中心分離管とを有する。本発明によるサイクロン分離器は、ベースハウジングが、その上端に、内側半径を備え、流体用の少なくとも１つの本質的に接線方向に取り付けられた入口開口部を備えたヘッド部、ならびに断面を備えた少なくとも１つの軽質フラクション出口開口部を有し、その下端に、少なくとも１つの拡張室と少なくとも１つの重質フラクション出口開口部を有することを特徴とする。
【００１８】
本発明によるサイクロン分離器は、分離室が、好ましくは一定の円錐角αで、少なくとも部分的に漸進的に下端の方向に円錐状に先細りになることを特徴とする。これにより、本質的に渦内の流れ条件が好適に等しくなる。この結果、より大きな遠心力を加えて、破壊的で不利な流れを減らすことができる。
【００１９】
本発明の意味の範囲内で、「円錐形の」とは、中心軸に本質的に垂直である断面が狭くなることを意味する。
【００２０】
本発明の意味の範囲内で、「流体」は、任意の流動性の、すなわち、固体、気体および／または液体の媒体を包含する。特に、これには、少なくとも２つの相を有する液体、気体および／または固体ベースの流体、特に、そのかさ密度に関して位相が異なるそのような流体が含まれる。
【００２１】
本発明の意味の範囲内で、「少なくとも２つの相を有する流体」とは、物理的もしくは物理化学的方法またはその組み合わせによって少なくとも部分的に相を互いに分離できる少なくとも２つの相の不均一混合物を意味する。特に、これには、少なくとも２つの完全に混和しない液相もしくは固相の混合物、または少なくとも１つの気相および少なくとも１つの液相および／または少なくとも１つの固相の混合物、ならびに少なくとも１つの液相および少なくとも１つの固相、ならびにエアロゾル、固体混合物、泡、エマルジョン、分散液および懸濁液が含まれる。これには、１つまたは複数の物質（二次相）が別の連続物質（一次媒体、連続相）に分散している多相混合物も含まれる。
【００２２】
本発明の意味の範囲内で、「相」とは、その内部で物理的な値の突然の変化が発生せず、化学組成が均一な空間領域を意味する。相は、液体および／または固体および／または気体のすべてまたは部分的または単独であってもよい。相は、抽出物または製品、あるいはその両方であってもよい。
【００２３】
少なくとも２つの相を有する流体の相の意図的な分離は、例えば次のとおりであり得る。
−液体からの液体（２相エマルジョンの相分離など）
−気体からの液体（およびその逆）
−固体からの液体（およびその逆）
−液体からの気体（およびその逆）
−固体からの固体（およびその逆）
−気体からの固体（およびその逆）
ここで、少なくとも２つの相は互いに異なる密度のものであり、少なくとも１つのより軽い相は、中心分離管を介して軽質フラクション出口開口部を通して分離され、少なくとも１つの重い相は重質フラクション出口開口部を通して分離される。
【００２４】
流体の相の分離は、主に物質の洗浄または浄化に役立つことができる。したがって、本
発明により、液体、固体、または気体の一次流れは、他の相および／または幾つかの他の相の望ましくない物質の相から解放され得る。
【００２５】
本発明の意味の範囲内で、「マイクロプラスチック」とは、約５ｍｍ以下の高分子プラスチック粒子を意味し、約１ｍｍ未満のものは、本発明にとって特に興味深い。
【００２６】
現在の状況による円錐角αは、ベースハウジングの中心軸からのずれを意味し、特に、正と負の角度は円錐角として理解される。
【００２７】
本発明によるサイクロン分離器の好ましい実施形態によれば、円錐角αは約０．１〜５°、好ましくは約０．２〜３°、特に好ましくは約０．５〜１．５°である。
【００２８】
本発明によるサイクロン分離器の別の好ましい実施形態によれば、中心分離管はその長さに沿って本質的に連続し、分離室の下端まで本質的に延び、中心分離管と下端の壁との間に隙間が設けられる。
【００２９】
本発明によるサイクロン分離器になされた修正の結果として、連続中心分離管が分離室の下端まで本質的に延び、中心分離管と下端の壁との間に隙間が残り、驚くべきことに、流れ反転はサイクロン分離器の上部領域で抑制される。このように誘導された回転の結果として、重力場は、中心分離管の下端の入口開口部の領域、いわゆる分離ゾーンで著しく増加する。言い換えれば、本発明によるこの実施形態により、処理される流体は、規定の方法で、中央分離の周りに螺旋状に分離室全体を強制的に通過させられ、それによって従来のサイクロン分離器に典型的な、中心に広がる内部渦の形成を抑制し、中心分離の方向に流れる。これは、軽質フラクションの分離が発生する分離ゾーンの領域内まで流れ反転が発生しないことを意味する。その結果、流れ反転は、規定の方法で渦内に位置決めされ、好適には、従来技術のように外部要因の影響を受けない。したがって、驚くべきことに、一方では、従来技術と比較してより高い重力が達成され、他方では、不明確な乱流を伴うゾーンが回避され、それにより、リジェクトの分離精度および分離効率が大幅に向上する。このように、本発明による本実施形態の分離プロセスは、従来技術のサイクロン分離器の技術の基本原理に基づいているだけでなく、分離ゾーンでの軽質フラクション相の規定された除去を伴う、人工重力によって誘発された加速された沈降と浮揚に基づいている。これにより、サイクロン分離器の以前から知られている従来技術で使用される汚染物質を除去するための分離プロセスが大幅に改善された。したがって、本発明の範囲内で、サイクロン分離器の基本原理が採用され、革新的に修正されて、低レベルの異物のみで汚染されている非常にきれいな媒体、および洗浄される媒体の密度に近い比密度の異物でもさらに洗浄し、少なくとも部分的に、水相と比較したマイクロプラスチックなどの異物、例えば、流体相と比較した密度差が最小の微粒子を除去できる。
【００３０】
本発明によるサイクロン分離器の別の好ましい実施形態では、中心分離管の壁は、ベースハウジングの下半分の領域に放射状の円周方向の穿孔を有する。
【００３１】
穿孔のある中心分離管の壁のこの領域は、流れに誘導される導入流体の軽質フラクションと重質フラクションが分離されるゾーンを画定する。
【００３２】
本発明によるサイクロン分離器の別の好ましい実施形態では、穿孔は、本質的に直線形状、ジグザグ形状、曲がりくねった形状、円弧形状、螺旋形状、蛇行形状、ドット形状、リング形状、楕円形、長方形、正方形、台形、星形、三日月形、三角形、五角形および／または六角形および／または前述の形状のハイブリッド形である。
【００３３】
導入された流体の軽質フラクションは、穿孔を通して重質フラクションから中央で除去
される。ベースハウジングの下半分の領域における中心分離管の壁の穿孔のサイズ、形状、配置および分布の本発明による修正により、特定の軽質フラクションの除去パラメータが個別に制御可能になる。例えば、これにより、分離速度の微調整が可能になり、および／または固体軽質フラクションの場合、分離される固体軽質フラクションの除外サイズの調整も可能になる。補足的に、中心分離管の表面構造も本発明に従って修正することができる。全体として、言及された可能な修正により、サイクロン分離器の効率は、高度に個別化された状況依存の方法で調整することができる。
【００３４】
本発明によるサイクロン分離器の別の好ましい実施形態によれば、中心分離管の壁の穿孔面積は、軽質フラクション出口の断面に対して約５０〜１０００％、好ましくは約７５〜２００％、特に好ましくは約１００〜１５０％である。
【００３５】
本発明によるサイクロン分離器の別の好ましい実施形態によれば、中心分離管の円筒壁の第１および／または第２の表面プロファイルは、本質的に波形、階段状もしくは傾斜状、および／または前述の表面プロファイルのハイブリッド形ある。
【００３６】
本発明によるサイクロン分離器の別の好ましい実施形態によれば、中心分離管の周りに同心円状に延びる流れ誘導要素が、サイクロン分離器の上端のベースハウジングの内壁に設けられ、流れ誘導要素の湾曲した半円形の内壁領域は、流れ誘導要素によって形成された横方向半径ｒの容積に関して、部分的に本質的に凹状であり、前記流れ誘導要素は、入口開口部に本質的に直接接続された本質的に螺旋状の部分を有する。
【００３７】
本発明の意味の範囲内で、「螺旋部」とは、螺旋および／またはねじ形状の巻き部を意味する。
【００３８】
流れ誘導要素の設計により、流体の体積流を、流れ損失を最小限に抑えて、回転を引き起こすような方法で、本質的に円錐形の分離室の上端に接線方向に導入することができる。この修正により、分離室の上端内部の体積流は、分離ゾーンの方向において最初の本質的な螺旋回転から中心分離管の周りでほぼ一定の半径方向および垂直方向の速度で回転できるように、流れ誘導要素によって迂回される。
【００３９】
本発明の別の好ましい実施形態では、螺旋部において、スロープ角βが約３〜２３°、好ましくは約８〜１８°、特に好ましくは約１２〜１４°である。
【００４０】
本発明の意味の範囲内で、「スロープ角」は、導入された流体が独立して流れる中心軸に対する螺旋部の内壁面の角度を意味する。
【００４１】
本発明の別の好ましい実施形態では、螺旋部において、半径方向の傾斜角γは、約＋／−１５°、好ましくは約＋／−５°、特に好ましくは約＋／−１°である。
【００４２】
本発明の意味の範囲内で、「傾斜角」とは、中心軸を垂直に二等分する平面に対するベースハウジングの内壁面間の角度を意味する。
【００４３】
本発明の別の好ましい実施形態では、流れ誘導要素の横方向半径ｒとヘッド部の内側半径との間の比は、約０．０４〜１．００、好ましくは約０．１〜０．７、特に好ましくは約０．２〜０．４である。
【００４４】
この場合、「内側半径」とは、ヘッド部の内壁面からサイクロン分離器の中心軸までの半径を意味する。
【００４５】
本発明によるサイクロン分離器の別の好ましい実施形態によれば、中心分離管は、特にロックにより、ヘッド部の軽質フラクション出口開口部に取り外し可能に接続され、および／または特にロックにより、拡張室の基部に取り外し可能に接続される。本発明の好ましい実施形態によれば、拡張室は、少なくとも２つの部分、特にいくつかの部分から構成される。あるいは、中心分離管とヘッド部は１つのコンポーネントとして製造される。さらに代替的に、中心分離管のホルダを、中心分離管の圧着／接着結合された実施形態によって取り外すことができる。
【００４６】
本発明の意味の範囲内で、「取り外し可能に接続される」とは、少なくとも２つのコンポーネントが、例えば、フランジ接続、プラグ接続、および／または当業者にとって都合が良いと思われる別の方法によって、特にロックまたはクランプされて、好ましくは直接的におよび／または非積極的に互いに接合されていることを意味する。
【００４７】
さらに、分離室は、例えばクランプによって、サイクロン分離器の入口開口部を備えたヘッド部に取り外し可能に接続され得る。あるいは、分離室と入口開口部を備えたヘッド部は、１つのコンポーネントとして製造される。
【００４８】
本発明によるサイクロン分離器のさらに別の好ましい実施形態によれば、拡張室は、中心分離管を受け入れるために、中心軸に対して同心円状に配置された中心ピンを基部に有し、前記中心ピンは、本質的に中心分離管の下端の高さまで延びている。
【００４９】
本発明によるサイクロン分離器の別の好ましい実施形態では、少なくとも１つの重質フラクション出口開口部は本質的に接線方向に取り付けられている。このようにして、排出体積流量（重相）は可能な限り最小限の流量損失で分離室から除去され、それにより重質フラクション出口開口部に向けられる。
【００５０】
本発明によるサイクロン分離器の別の好ましい実施形態では、拡張室は、特にロックにより、円錐形分離室の下端に取り外し可能に接続される。
【００５１】
本発明によるサイクロン分離器の別の好ましい実施形態によれば、中心分離管を安定化し、軽質フラクションの流れを制御するために、分離室と拡張室との間の移行部にスタビライザが設けられる。
【００５２】
本発明によるサイクロン分離器の別の好ましい実施形態によれば、スタビライザは、それぞれ内側断面に面する表面と内側断面から離れる方向に面する表面とを有する第１および第２の環状かつ本質的に同心の壁を有し、ここで、両方の壁は平面に配置され、第１および／または第２の壁はフィン角δのフィンを有し、スタビライザは、特にロックによって、半径方向に延びる穿孔によって下端のベースハウジングの内側に取り外し可能に接続され、第１の壁は、少なくとも拡張室の中心ピンの部分でロックされる。
【００５３】
本発明によるサイクロン分離器の別の好ましい実施形態によれば、第１の壁は、内側断面から離れる方向に面する表面にフィンを有し、第２の壁は、内側断面に面する表面にフィンを有する。
【００５４】
本発明によるサイクロン分離器の別の好ましい実施形態によれば、第１の壁のフィンと第２の壁のフィンは本質的に接触しない。
【００５５】
本発明によるサイクロン分離器の別の好ましい実施形態によれば、第１の壁のフィンと第２の壁のフィンは一緒になって少なくとも１つのブリッジ接続を形成する。
【００５６】
本発明によるサイクロン分離器の別の好ましい実施形態では、少なくとも１つの形成されたブリッジ接続はシームレスであるか、別の好ましい実施形態では非シームレスであり、ギャップを形成するように設計されているか、あるいは少なくとも２つの形成されたブリッジ接続の別の好ましい実施形態によれば、ブリッジ接続は、シームレスと非シームレスのブリッジ接続のハイブリッド形式である。
【００５７】
本発明によるサイクロン分離器の別の好ましい実施形態によれば、第１の壁のフィンおよび第２の壁のフィンは、例えばピボットまたはヒンジベアリングによって、回転可能に取り付けられる。
【００５８】
このようにして、フィン角δは、それぞれのプロセス要件に合わせて柔軟に調整できる。
【００５９】
本発明によるサイクロン分離器の別の好ましい実施形態によれば、円弧運動経路に沿ってフィンを移動させるように設計された誘導要素が設けられ、その上に第１の壁のフィンおよび第２の壁のフィンが取り付けられる。
【００６０】
本発明によるサイクロン分離器の別の好ましい実施形態によれば、誘導要素は誘導レールであり、フィンは、運動経路に垂直な回転軸の周りで誘導レールに回転可能に取り付けられる。
【００６１】
このようにして、フィン角δは、それぞれのプロセス要件に合わせて柔軟に調整できる。
【００６２】
本発明によるサイクロン分離器の別の好ましい実施形態によれば、フィン角δは、約５〜９０°、好ましくは約２０〜７０°、特に好ましくは約３０〜６０°である。互いにシームレスなブリッジ接続を形成するフィンは、同じフィン角δを有する。互いに非シームレスなブリッジ接続を形成するフィンは、同じまたは異なるフィン角δを有することができる。
【００６３】
スタビライザは、一方では中心分離管を安定化するだけでなく、逆圧を制御し、それによって渦の回転を制御し、他方では軽質フラクションの流れを制御する働きをする。
【００６４】
水平面とフィンのスロープとの間の角度として定義されるフィン角δを調整することにより、垂直速度成分、したがってサイクロン分離器の保持時間と回転強度を制御できる。これにより、設置と試運転の後、例えば、フィン角δを変更することにより、マイクロプラスチック負荷、平均粒子サイズと密度、または異なる流体特性など、例えば分離する相のタイプおよびプロパティなどの、状況や要件の変化に既存のユニットを適合させることができる。これは、固定フィン角δのフィンを有するスタビライザを交換するか、誘導要素が存在する場合、状況に応じてフィン角δを調整することで行うことができる。あるいは、フローパラメータに影響を与えるため、または単にフローパラメータへの影響を補助するために、フローバーを分離室の内壁および／または内側の断面に面している中心分離管の円筒壁の表面に配置することができる。変化するプロセス条件に対応するために、寸法決めと設置の後に、スタビライザによって流れに影響を与える機能を使用することもできる。したがって、このタイプのサイクロン分離器は高度なカスタマイズ性を提供し、アプリケーションの分野を大幅に拡大するのに役立つ。
【００６５】
本発明によるサイクロン分離器の別の好ましい実施形態によれば、スタビライザは交換可能である。
【００６６】
さらに、別の好ましい実施形態によれば、中心分離管が分離室の方向でその下端の領域で拡張可能であるように設計されることは、本発明の意味の範囲内である。これにより、存在する外部条件に応じて中心分離管の断面を調整できる。拡張可能になるように管を設計するための対応する修正は、当業者に知られており、参照されている。これらには、例えば中心分離管用のわずかに弾性のある材料の使用、および／または中心分離管の中心軸に平行に延びる材料のくぼみの使用が含まれる。さらに、この目的のために、中心分離管を２つ以上の部品から構成することができる。スタビライザの補足として、このような修正は、分離円錐内の設定圧力を制御／調整し（圧力補償）、それにより中心分離管内の流れ条件を安定させ、軽質フラクションの流れを制御して、例えば分離性能を向上させるのに役立つ。
【００６７】
拡張可能であるように設計された中心分離管の好ましい実施形態によれば、その周囲を制限するために適切な締結手段、例えば拡張室の中心ピンを中心分離管に接続するフランジなどを中心分離管の下部領域に設けることができる。
【００６８】
本発明によるサイクロン分離器の別の好ましい実施形態によれば、ベースハウジング、拡張室、およびスタビライザは、少なくとも部分的に、硬質ゴム、ポリアミド、繊維強化ポリアミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリオキシメチレン、ポリエチレンテレフタレート、繊維強化ポリエチレンテレフタレート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、エチレンクロロトリフルオロエチレン、パーフルオロアルコキシアルカンコポリマー、テトラフルオロエチレンヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレンパーフルオロメチルビニルエーテル、スチール、ステンレス鋼、アルミニウム、および／またはそれらの混合物からなる群から選択される摩耗性安定材料から製造される。
【００６９】
例えば、射出成形法を使用して、これらの個々のコンポーネントを簡単に製造できるほか、この材料の選択は、最大の耐久性と耐用年数を確保することを目的としている。
【００７０】
別の好ましい実施形態では、ベースハウジング、拡張室、およびスタビライザは、少なくとも部分的に、耐摩耗性プラスチック、好ましくはポリアミドから作られる。熱可塑性の特性により、ポリアミドは射出成形プロセスで優れた成形が可能であり、さらに熱溶接により修正できる。これにより、関連するコンポーネントを簡単かつ費用対効果の高い方法で製造することができる。
【００７１】
本発明によるサイクロン分離器の別の好ましい実施形態によれば、中心分離管は、非常に安定したおよび／または耐摩耗性の材料、特にスチール、ステンレス鋼、アルミニウム、マグネシウム、繊維強化ポリアミド、繊維強化ポリエチレンテレフタレート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリフェニレンスルフィド、および／またはそれらの混合物から作られる。
【００７２】
中心分離管は、一方では安定化コンポーネントとして作用し、他方では乱流による破壊的な振動を受けないように非常に剛性でなければならないため、非常に安定したおよび／または耐摩耗性の材料から製造する必要がある。
【００７３】
本発明によるサイクロン分離器の別の好ましい実施形態によれば、サイクロン分離器はいくつかの部品から構成される。
【００７４】
本発明のさらなる目的は、ベースハウジング、拡張室、および／またはスタビライザを製造するための射出成形金型である。これにより、本発明によるサイクロン分離器および／またはサイクロン分離器の（中央）コンポーネントの製造が容易になる。これにより、
とりわけ、組み立てられたサイクロン分離器のメンテナンスと検査が容易になる。特に、これにより、ツールの必要性を最小限に抑え、低レベルの予備知識で、サイクロン分離器を一人で設置および保守することが可能になる。
【００７５】
本発明はさらに、流体の少なくとも２つの相を分離するための本発明によるサイクロン分離器の使用に関する。
【００７６】
本発明は、好ましい例示的な実施形態を参照して以下に説明され、それにより、当業者に直接明らかであるような変形および／または拡張もこれらの例に適用できることに留意されたい。さらに、これらの例示的な実施形態は、変形および拡張が本発明の範囲内にあるという効果に対する本発明の限定を表すものではない。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明によるサイクロン分離器の好ましい実施形態の上面図である。
【図２】本発明によるサイクロン分離器の好ましい実施形態の側面図である。
【図３】図２の本発明によるサイクロン分離器のベースハウジングの断面図である。
【図４】本発明によるサイクロン分離器の好ましい実施形態の別の側面図である。
【図５】図４の本発明によるサイクロン分離器のベースハウジングの断面図である。
【図６】図３の分離室の下端の拡大断面図である。
【図７】本発明によるモジュール式に構成されたサイクロン分離器の分解図である。
【図８】本発明による円錐角αを有するサイクロン分離器のベースハウジングの断面図である。
【図９】本発明による流れ誘導要素を備えたサイクロン分離器のヘッド部の好ましい実施形態の底面の上面図である。
【図１０】本発明による流れ誘導要素を備えたサイクロン分離器のヘッド部の好ましい実施形態の側面図である。
【図１１】本発明による流れ誘導要素を備えたサイクロン分離器のヘッド部の好ましい実施形態の半径方向の縦断面図である。
【図１２】側面半径ｒの図１１の詳細図（Ｆ）である。
【図１３】傾斜角γの縦断面図である。
【図１４】流れ誘導要素の螺旋部の垂直方向の断面平面（Ｈ−Ｈ）、およびスロープ角βを示す別の縦断面図である。
【図１５】本発明によるサイクロン分離器のための本発明のスタビライザの第１の好ましい実施形態においてフィン角δを有する上面図である。
【図１６】本発明によるサイクロン分離器のための本発明のスタビライザの第１の好ましい実施形態において接線方向の断面平面を示す上面図である。
【図１７】本発明によるサイクロン分離器のための本発明のスタビライザの第１の好ましい実施形態の接線方向の縦断面図である。
【図１８】本発明によるサイクロン分離器のための本発明のスタビライザの第２の好ましい実施形態の斜視図である。
【図１９】本発明によるサイクロン分離器のための本発明のスタビライザの第２の好ましい実施形態の上面図である。
【図２０】本発明によるサイクロン分離器のための本発明のスタビライザの第２の好ましい実施形態の接線方向の縦断面図である。
【図２１】本発明によるサイクロン分離器の使用中の分離原理の概略図である。
【図２２】マイクロプラスチック粒子で汚染された廃水の工業的処理（廃水処理プラント）でのサイクロン分離器の使用の好ましい実施形態に基づく本発明によるサイクロン分離器の３段カスケード接続図である。
【図２３】本発明によるサイクロン分離器のプロトタイプのスタビライザの入口圧力およびフィン角δの関数としての体積流量およびマイクロプラスチック負荷を示す図である。
【図２４】本発明によるサイクロン分離器のプロトタイプのスタビライザの入口圧力およびフィン角δの関数としての体積流量およびマイクロプラスチック負荷を示す別の図である。
【図２５】本発明によるサイクロン分離器のプロトタイプのスタビライザの入口圧力およびフィン角δの関数としての体積流量およびマイクロプラスチック負荷を示すさらに別の図である。
【図２６】本発明によるサイクロン分離器のプロトタイプのスタビライザの入口圧力およびフィン角δの関数としての体積流量およびマイクロプラスチック負荷を示すさらに別の図である。
【図２７】本発明によるサイクロン分離器のプロトタイプのスタビライザの入口圧力およびフィン角δの関数としての体積流量およびマイクロプラスチック負荷を示すさらに別の図である。
【図２８】本発明によるサイクロン分離器のプロトタイプのスタビライザの入口圧力およびフィン角δの関数としての体積流量およびマイクロプラスチック負荷を示すさらに別の図である。
【発明を実施するための形態】
【００７８】
図１〜図５は、サイクロン分離器の好ましい実施形態について、図１に上面図、図２および図４に側面図、ならびに図２と図４の本発明によるサイクロン分離器のベースハウジングの断面図を示している。図１、図２、および図４は、入口開口部、ヘッド部、中心分離管、中心軸、軽質フラクション出口開口部、重質フラクション出口開口部を備えたベースハウジングを示している。入口開口部と軽質フラクション出口開口部の接続がヘッド部にあることは明らかである。図３および図４は、図１、図２および図４の要素に加えて、上端と下端を備えた分離室、流れ誘導要素を備えたヘッド部、拡張室、直線状の穿孔を有する中心分離管、および分離室の下端の壁を示している。中心分離管は、ヘッド部の内側にフランジで固定されている。円錐形の分離室は、クランプ（ここでは図示せず）によって（入口開口部を備えた）ヘッド部にフランジで固定されている。また、中心ピンと、中心ピンの周囲に配置されたフィン付きのスタビライザ（図示せず）も明らかである。拡張室は、クランプ（図示せず）で分離室の下端にフランジで固定されている。
【００７９】
図６は、図３の分離室の下端を通る断面の拡大断面を開示している。中心ピンで区切られた拡張室が明らかである。スタビライザは中心ピンの周りに配置され、下端のベースハウジングの内側にある半径方向に延びる穿孔を介してベースハウジングにクランプされ、それによって取り外し可能に接続され、スタビライザの第１の壁は拡張室の中心ピンの部分でクランプされ、それにより所定の位置にロックされる。
【００８０】
図７による例示的な実施形態は、本発明によるサイクロン分離器の分解図を示している。サイクロン分離器は、個々のコンポーネントからモジュール方式で構成されていることがわかる。フィンを備えたスタビライザは、円錐形の分離室から拡張室への移行時にクランプされ得る。
【００８１】
図９から図１４では、本発明による流れ誘導要素を備えたサイクロン分離器のヘッド部の好ましい実施形態について、図９の底面の上面図と図１０の側面図、ならびに図１１の半径方向の縦断面図、図１２の側面半径ｒの図１１による詳細図（Ｆ）、ならびに図１３の傾斜角γを有する縦断面図が示されており、断面平面（Ｈ−Ｈ）が描かれた図１４の半径方向の縦断面図はスロープ角βの垂直縦断面図を示している。
【００８２】
図１５〜図１７は、本発明によるサイクロン分離器のための本発明のスタビライザの第１の好ましい実施形態について、図１５のフィン角δの上面図、図１６の接線方向の断面
平面（Ａ−Ａ）を示す上面図、ならびに図１６の接線方向の縦断面図を示している。第１の壁と第２の壁のフィンが接触し、それによってブリッジ接続が形成されることは明らかである。
【００８３】
図１８〜図２０は、本発明によるサイクロン分離器のための本発明のスタビライザの第２の好ましい実施形態について、図１８の斜視図および図１９の上面図、ならびに図２０の接線方向の縦断面図を示している。第１の壁と第２の壁のフィンが本質的に接触していないことは明らかである。
【００８４】
図２１は、本発明による連続した中心分離管を備えたサイクロン分離器の好ましい実施形態の使用中の一般的な分離原理の概略図を示している。導入された混相流体は、入口開口部を介してヘッド部の分離室の上端に到達する。流体が下向きに一定の円錐角αで先細りになっている円錐に半径方向に導入された後、流体は回転運動をする。重力と変位により、流体は円錐の頂点の方向に円形の経路を移動する。そこで、流体の軽い相が、中心分離管の穿孔を通して分離ゾーンの領域の中央に引き出される。本発明によるサイクロン分離器における人工的に生成された遠心力および流れ反転の結果として、流体の主媒体（重い二次相）よりも比重が重い粒子が分離室の内壁に押し付けられ、それにより、より軽い比重（軽い二次相）を有する流体の粒子が中心に凝集する。この効果は、体積流量を制御することで活用できるため、重い粒子（重い二次相）が下端にある重質フラクション出口開口部から分離され、それにより主媒体が軽質フラクション出口開口部から分離されるか、または、軽い粒子（軽い二次相）が上端にある軽質フラクション出口開口部から分離され、それに応じて重い主媒体が重質フラクション出口開口部から分離される。
【００８５】
さまざまな境界条件を考慮した広範なシミュレーションを含む予備作業中に、一方では機能的なターボ機械として、他方では分離装置としての本発明によるサイクロン分離器の可能性が分析され、評価された（本事例は、マイクロプラスチックで汚染された水の例に基づいている）。この作業の過程で行われたテストでは、単一のサイクロン分離器で５００ｌ／ｍｉｎ〜７００ｌ／ｍｉｎの体積流量を処理できることが示された。結果を分析すると、この設計サイズが有利であることが明らかになり、遠心力は２００ｍ／ｓ２〜３０００ｍ／ｓ２、好ましくは５００ｍ／ｓ２〜２５００ｍ／ｓ２、特に好ましくは７００ｍ／ｓ２〜２０００ｍ／ｓ２、特に９００ｍ／ｓ２〜１７５０ｍ／ｓ２である。
【００８６】
以前の開発作業中に実行された分離シミュレーションの理論結果を検証するために、本発明によるサイクロン分離器のプロトタイプは、１：４．４のスケールでＳＬＳラピッドプロトタイピングプロセスを使用して設計され、繊維強化ポリアミドから製造され、実験室規模で運用および評価されている。理想的な条件下で、１：４．４プロトタイプの分離効率のＣＦＤシミュレーションは、２．５ｂａｒの動作圧力で約３０％の分離効率が期待できることを示した。プロトタイプは、３０リットルの供給で閉回路として動作した。分離原理を評価するのに十分な、入口で意図された最大圧力２．５ｂａｒを達成するために、それぞれ８００Ｗの出力と０メートルのポンプヘッドで６０ｌ／ｍｉｎの容量を有する２つの遠心ポンプが並んで設置された。本発明によるサイクロン分離器のプロトタイプへの入口圧力、およびプロトタイプからの出口圧力は、ボールバルブによって手動で調整された。軽質フラクションと重質フラクションの体積流量を重量測定により決定し、それにより、入口でのそれぞれの体積流量を決定した。マイクロプラスチックの分離効率も、軽質フラクションと重質フラクションの体積流量の精密濾過によって重量測定により評価された。分離効率は、入口圧力の変数と、使用するスタビライザのフィン角δを変更して評価された。マイクロプラスチックの基準として、平均粒子サイズが５００μｍ未満のＰａｌｌｍａｎｎ社のＨＤＰＥパウダーを使用した。基準物質として、この粉末は、粒子サイズと材料密度に関して、将来のプロセスで見られる可能性の高い汚染を最も厳密に表している。水の密度に非常に近い密度を持つＨＤＰＥは、除去が最も難しい粒子クラスとして
評価の範囲内であると見なされる。実施した一連のテストのテストパラメータは次のとおりである。
−入口圧力：１ｂａｒ；１．６ｂａｒ；２．５ｂａｒ
−供給量：２１ｌ／ｍｉｎ〜３３ｌ／ｍｉｎ
−スタビライザのフィン角δ：３２．５°；４５°；５７．５°；７０°
−マイクロプラスチック負荷：０．１ｇ／ｌ〜１．０ｇ／ｌ
−マイクロプラスチック粒子：ＨＤＰＥ／およそ０．９６ｇ／ｃｍ３／平均サイズ＜５００μｍ
【００８７】
テストは、ＵｍｅｔｒｉｃｓＭｏｄｄｅ１０．１プログラムに基づいた統計的テスト計画および評価によって計画および実行された。図２３〜図２８は、テストの結果を等高線図として示している。これらは、完全な要因テスト計画とテスト結果のＭＬＲ適合に基づいている。それらでは、入口圧力がｘ軸に示され、使用されるスタビライザのフィン角δがｙ軸に示されている。図に応じて、さまざまな影付き領域は、ｌ／ｍｉｎ単位の体積流量値、またはそれぞれ、％で表される軽質フラクションと重質フラクションのマイクロプラスチック負荷を示している。図２３はｌ／ｍｉｎ単位の供給量値を示し、図２４はｌ／ｍｉｎ単位の軽質フラクション体積値を示し、図２５はｌ／ｍｉｎ単位の重質フラクション体積値を示し、図２６は％単位の軽質フラクション負荷を示し、図２７は１〜２．５ｂａｒの入口圧力が適用された場合の重質フラクション負荷を％で示し、図２８は７ｂａｒまでの高い入口圧力が適用された場合の重質フラクション負荷を％で示している。テスト結果は、わずか１．０ｂａｒの入口圧力と、結果のおよそ２１ｌ／ｍｉｎの体積流量、および３２．５°スタビライザを使用して、重質フラクションのマイクロプラスチック負荷を約１６％削減できることが有利であることを示している。入口圧力が２．５ｂａｒに増加し、したがって流量が５０％増加しておよそ３３ｌ／ｍｉｎになり、３２．５°スタビライザを使用すると、重質フラクションのマイクロプラスチック負荷のおよそ２３％の有利な削減が達成される。同時に、フィン角δを３２．５°から７０°に増加させると、一般に重質フラクションのマイクロプラスチック分離効率が低下するという効果があることは、すべてのテストポイントから明らかである。逆に、これは、フィン角δが大きいほど、水の密度よりも高い密度の粒子を分離する際の効率を高める効果があることを意味する。全体としてのテスト結果は、これまでに達成された２３％に基づくプロトタイプの設置の分離能力が、理想的なシステムでのＣＦＤシミュレーションの結果よりもおよそ７％少ないことを示した。プロトタイプテスト中に使用されたアプリケーションが理想的なシミュレーションの境界条件にはるかに対応していないという事実を考慮すると、達成された分離効率は初期の期待を超えている。作成したＭＬＲモデル（図２８、右下）を使用して分離効率を７ｂａｒの入口圧力に外挿すると、分離効率は５０％になる。５０％が分離される粒子サイズとして定義されるこの値、いわゆるＸ５０は、従来のサイクロン分離器と比較して本発明によるサイクロン分離器の効率を強調するために使用することができる。この比較により、サイクロン分離器の分離効率が得られ、Ｘ５０値で測定すると、従来のサイクロン分離器の分離効率の５６倍を超えている。
【００８８】
この計算の基礎となる式は次のとおりである。
【数１】
0006951807.tif 000002
ここで、
分離円錐の長さＬ＝０．２８０ｍ、
水の動粘度［２５°Ｃ／６ｂａｒ］η＝８９．３×１０-8ｍ２ｓ−１、
供給する軽質フラクションの比率ＲＲ＝０．５７、
供給する体積流量ＶＩ＝０．００１２２ｍ３／ｓ、
粒子密度（ＨＤＰＥ）ρＰ＝９６０．０００ｋｇ／ｍ３、
流体密度（水）［２５°Ｃ／６ｂａｒ］ρＨ２Ｏ＝９９７．０００ｋｇ／ｍ３、
ＬＦ出口径ＤＬＦ＝０．００６ｍ、
分離円錐径ＤＣ＝０．０１６ｍ、
入口径ＤＬＦ＝０．０１２ｍ
である。
【００８９】
驚くべきことに、これは、本発明によるサイクロン分離器の革新的な分離原理が、従来技術ではこれまで達成されなかった可能性を秘めていることを示している。結果を１：１スケールに外挿すると、サイクロン分離器の境界条件がシミュレーションの理想的な条件によりよく一致するため、効率の大幅な向上が期待できる。
【００９０】
図２２による例示的な実施形態は、マイクロプラスチック粒子で汚染された廃水の工業的処理（廃水処理プラント）で本発明によるサイクロン分離器を使用するための３段カスケード接続図を示している。図において、
【数２】
0006951807.tif 000003
を示している。
【００９１】
汚染された廃水およびプロセス水を本発明によるサイクロン分離器によって処理することにより、総体積流量のマイクロプラスチック負荷が軽質フラクション体積流量に移動する。これは、１段階プロセスでの総体積流量の約３０％であるので、特に大規模なシステムでは、処理を必要とする重要な軽質フラクションを表す。この量を減らし、同時に最終リジェクトフラクションのマイクロプラスチック濃度を高めるには、プロセス全体のプロセスエンジニアリングシーケンスを完全に閉じたカスケードとして設計する必要がある。この原則は、工業用プロセス水の用途にも同様に拡張できる。この場合、処理される廃水および／またはプロセス水は、並列に接続された高性能遠心ポンプのバンクによって、関連するバッファタンクから本発明によるサイクロン分離器に供給される。最初のマイクロプラスチック濃度のわずか１〜３％を含む第１段階で得られた洗浄済みフラクションは、工業用プロセス水、化学洗浄段階、または廃水処理プラント用途における出口チャネル（地表水または海洋）に供給できる。この場合、図示されたフルカスケードを介してさらなる洗浄が実行され、それぞれの軽質フラクションが次の段階に供給され、それぞれの重質フラクションが前の段階に戻される。これにより、第３段階までに、マイクロプラスチックの濃度と体積流量の同時減少がもたらされる。このプロセスは、統合プロセス制御システム（例えば、Ｓｉｅｍｅｎｓ  ＰＣＳ  ７）を介して完全に自動化された方法で規制および制御される。そのため、要員による最小限の外部サポート、制御、検査、および保守のみが必要である。特に、サイクロン分離器の保守および検査の容易さにより、好適には、工具の必要性を最小限にし、かつ最小限の予備知識で、サイクロン分離器を一人で設置および保守できることが可能になる。マイクロプラスチックの分離後、後続のプロセスステップでは、各廃水処理プラントまたは各事業会社で利用可能なオプションを使用してマイクロプラスチックを処分する。最近のほとんどすべての廃水処理プラントには、生産されるスラッジの量を減らすためのスラッジ乾燥段階が装備されており、ほぼすべての製紙業界の企業がリジェクトプレスを装備している。マイクロプラスチックの最大濃度を含むプロセスのリジェクトフラクションは、これらの乾燥段階の前に、スラッジまたは製紙業のリジェクトストリームのいずれかに供給する必要がある。これにより、スラッジまたはリジェクトストリームが乾燥中の濾過材として機能し、それによって濾過ケーキ内にマイ
クロプラスチックが保持される。これらの乾燥段階の濾液は廃水処理またはプロセス水に戻されるため、このプロセスを通じてマイクロプラスチックが再び放出されるリスクはない。
【図１】
0006951807.tif 000004
【図２】
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【図３】
0006951807.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
0006951807.tif 000023
【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
0006951807.tif 000027
【図２５】
0006951807.tif 000028
【図２６】
0006951807.tif 000029
【図２７】
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【図２８】
0006951807.tif 000031