(57)【要約】  本発明は、流動媒体混合物を、異なる質量密度を有する少なくとも２つのフラクションに分離するための装置に関する。この装置は、分離すべき媒体混合物のための流入部を備えており、この流入部は、流動混合物を少なくとも第１および第２フラクションに分離するための第１分離手段に接続され、この第１分離手段は、第１および第２フラクションを排出するための第１および第２流出手段に接続される。この装置は、さらに、第２流出手段と第１分離手段の流入手段との間に、第２分離手段を含むフィードバックループを有する。本発明は、また、流動媒体混合物を、特許請求される装置を用いて、異なる質量密度を有する少なくとも２つのフラクションに分離する方法にも関する。この装置および方法は、特に天然ガスの精製において、より選択性の高い分離を得ることを可能にする。
2012521881.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流動媒体混合物を、異なる質量密度を有する少なくとも２つのフラクションに分離するための装置（１）であって、この装置（１）は、分離すべき前記媒体混合物のための流入部（２）を備えており、この流入部（２）は、前記流動混合物を少なくとも第１および第２フラクション（７、８）に分離するための第１分離手段（５）に接続され、この第１分離手段（４）は、前記第１および第２フラクション（７、８）を排出するための第１および第２流出手段に接続される、装置（１）において、前記第２流出手段と前記第１分離手段（４）の流入手段との間に、第２分離手段（１０）を含むフィードバックループをさらに有することを特徴とする、装置。
【請求項２】
前記装置が、分離すべき前記フラクションの質量密度における差異に物理的な影響を及ぼすための第１手段を含み、この第１手段は、媒体の流れ方向の上流側において前記第１分離手段に接続されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記装置が、分離すべき前記フラクションの質量密度における差異に物理的な影響を及ぼすための第２手段を含み、この第２手段は、媒体の流れ方向の下流側において前記第１分離手段に接続され、媒体の流れ方向の上流側において前記第２分離手段に接続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】
前記第１および／または第２分離手段が供給チャネルの回転アセンブリを含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
前記第１および／または第２分離手段がサイクロン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】
前記質量密度における差異に影響を及ぼす手段が膨張および／または圧縮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】
前記質量密度における差異に影響を及ぼす手段が冷却および／または加熱手段を含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
流動媒体混合物を、異なる質量密度を有する少なくとも２つのフラクションに分離する方法であって、
Ａ）フラクションに分離すべき媒体混合物を供給するステップと、
Ｂ）前記流動媒体混合物を、第１分離手段において、それが少なくとも第１および第２フラクションに分離するように処理するステップと、
Ｃ）少なくとも前記第１および第２フラクションを排出するステップと、
Ｄ）前記第２フラクションを、第２分離手段において、それが少なくとも第３および第４フラクションに分離するように処理するステップと、
Ｅ）少なくとも前記第３および第４フラクションを排出するステップと、
Ｆ）前記第４フラクションを前記第１分離手段に供給するステップと、
Ｇ）少なくともステップＢ）およびＣ）を繰り返すステップと、
を含む方法。
【請求項９】
前記ステップＢ）が、前記媒体混合物中の分離すべきフラクションの質量密度における差異を、その分離を生じさせる前に物理的に増大させるステップを含むことを特徴とする、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
ステップＤ）が、前記第２フラクション中の分離すべきフラクションの質量密度における差異を、その分離を生じさせる前に物理的に増大させるステップを含むことを特徴とする、請求項８または９に記載の方法。
【請求項１１】
ステップＤ）が、供給チャネルの回転アセンブリ内部において、前記流動媒体混合物および／または第２フラクションの回転を生じさせるステップを含むことを特徴とする、請求項８〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
ステップＤ）が、サイクロン内部において、前記流動媒体混合物および／または第２フラクションの回転を生じさせるステップを含むことを特徴とする、請求項８〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記分離用の混合物のフラクションの質量密度における差異および／または前記第２フラクションの質量密度における差異を、前記混合物を膨張させることによって増大させることを特徴とする、請求項９〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記分離すべき混合物および／または前記第２フラクションを、それを回転させる前に冷却することを特徴とする、請求項８〜１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
冷却を膨張の前に実施することを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記ステップＢ）における前記媒体混合物の処理ステップが、その媒体混合物を、前記媒体混合物の（ｐ、Ｔ）図における目標点を共同で規定する圧力（ｐ）および温度（Ｔ）の状態にするステップであって、この場合、この目標点は、前記相図の液体線の下部にあり、かつ、固体線と液体線との間の交点に比較的近い位置にあるという条件を伴うステップを含むことを特徴とする、請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記目標点が、前記固体線と液体線の間との交点から５０℃および２０バールを超えて離れていないことを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記目標点が前記固体線の右側にあることを特徴とする、請求項１６または１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記目標点が前記固体線の左側にあることを特徴とする、請求項１６または１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記膨張が断熱的におよび／または等エントロピー的におよび／または等エンタルピー的に行われることを特徴とする、請求項１５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、異なる質量密度を有する少なくとも２つのフラクションに分離する装置であって、流動混合物をフラクションに分離する分離手段を備えた装置に関する。本発明は、また、流動媒体混合物を、異なる質量密度を有するフラクションに分離する方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
（流動）媒体混合物の分離は多くの多様な適用分野を有している。本明細書において、媒体混合物は、ミクロンまたはサブミクロンサイズの固体および／または液体および／または気体の粒子が少なくとも１つの液体または気体中に分散された混合物を意味することが理解される。例として、気体／気体混合物、気体／液体混合物またはエアゾール、液体／液体混合物、気体／固体混合物、液体／固体混合物、あるいは１つ以上の追加的なフラクションが加えられたこのような混合物がある。媒体混合物の分離は、例えば、液体清浄化、（排気）ガス清浄化および粉体分離の種々の適用分野から知られる。粒子径に大きな差異があるフラクション、および／または質量密度に大きな差異があるフラクションの分離は比較的簡単である。ろ過または篩い分けのような処理プロセスのこの目的に対しては大規模な設備が用いられている。例えば気体／気体混合物の場合のような質量密度における差異が小さいフラクションの分離においては、物理的または化学的吸収技術、および／または、沈殿および遠心分離のような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、化学的な分離技術は、経済性の点で劣り、しかも通常、環境に優しくない。沈殿によるフラクションの分離は、時間を要し、大量の媒体混合物を処理する場合は、大規模な容器の使用が必要になり、これには特に費用がかかる。
【０００３】
前段に述べたタイプの既知の装置がオランダ国特許第１０２６２９９号明細書に記載されている。この既知の装置は、供給チャネルの回転アセンブリの形態の分離手段であって、分離用の流動媒体を回転させる分離手段と、その回転手段に接続される、分離すべき媒体混合物用の供給装置と、分離処理された媒体混合物のフラクションを排出するための、回転手段に接続される流出部とを含む。回転供給チャネル内において、分離用の混合物の重いフラクションは、遠心力の作用の下で、軽いフラクションよりもさらに外側にその壁面に向かって移動し、従って分離が行われる。しかし、分離の選択性および効率は、さらに改善が可能である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、分離すべきフラクションに対する選択性を増大させることが可能な装置および方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この目的のため、本発明は請求項１による装置を提供する。特に、流動媒体混合物を、異なる質量密度を有する少なくとも２つのフラクションに分離するための装置が提供される。この装置は、分離すべき媒体混合物のための流入部を備えており、この流入部は、流動混合物を少なくとも第１および第２フラクションに分離するための第１分離手段に接続され、この第１分離手段は、第１および第２フラクションを排出するための第１および第２流出手段に接続される。この装置は、さらに、第２流出手段と第１分離手段の流入手段との間に、第２分離手段を含むフィードバックループを有することを特徴とする。
【０００６】
本発明によれば、既知の装置に、第１分離手段の流出部に接続されかつその流入部に再接続される第２分離手段を設けることによって、装置の分離効率が増大する。
【０００７】
本発明によれば、本発明による装置が、特に、分離すべき媒体混合物のための流入部を備えており、この流入部は第１処理手段に接続され、この第１処理手段は、少なくとも、流動混合物が少なくとも第１および第２フラクションに分離するように流動混合物を回転させるための第１回転手段を含み、この第１回転手段は、第１および第２フラクションを排出するための第１および第２流出手段に接続される。さらに、この装置は、媒体の流れ方向の下流側において第２流出手段に接続される第２処理手段を含み、この第２処理手段は、少なくとも、第２フラクションが少なくとも第３および第４フラクションに分離するように第２フラクションを回転させるための第２回転手段を含み、この第２回転手段は、第３および第４フラクションを排出するための第３および第４流出手段に接続され、この第３流出手段は、第１処理手段および／または第１回転手段の流入部に再接続される。
【０００８】
好ましい一実施形態においては、本発明による装置が、分離すべきフラクションの質量密度における差異に物理的な影響を及ぼすための第１手段を含み、この第１手段は、媒体の流れ方向の上流側において第１分離手段に接続される。別の好ましい実施形態においては、装置が、さらに、分離すべきフラクションの質量密度における差異に物理的な影響を及ぼすための第２手段を含み、この第２手段は、媒体の流れ方向の下流側において第１分離手段に接続され、媒体の流れ方向の上流側において第２分離手段に接続される。
【０００９】
これらの好ましい実施形態によれば、媒体が分離手段に到達する前に、分離すべきフラクションの質量密度における差異が好適に増大するように混合物の少なくとも一部分の質量密度に影響を及ぼすことによって、分離手段の分離効率がさらに増大する。分離すべきフラクションの質量密度における差異の増大は、例えば混合物の温度を変化させる（状況に応じて加熱または冷却する）ことによって生じさせることができる。この結果、回転によってフラクションを相互に分離することが（フラクションに作用する求心力の差異の増大の結果として）簡単になる。この場合、フラクションの分離というのは、２つのフラクションの平均質量密度における有意の差異が生じるような、２つのフラクションの少なくとも部分的な分離を意味すると理解される点が注記される。すなわち、完全な分離（１００％）は実際には実現が困難であろう。分離手段が回転手段を含む好ましい場合は、そして、分離用のフラクションの質量密度における差異が増大された状態での混合物の回転の結果として、より軽いフラクションは少なくとも実質的に回転の内側に移動し、より重いフラクションは少なくとも実質的に回転の外側に移動するであろう。これは、混合物に比べて、少なくとも一方のフラクションの使用の可能性を増大する分離である。通常、分離後に、この使用可能なフラクション（精製プロセスにおいてはこれが「清浄化」フラクションであろう）は、なお、もう一方の好ましくないフラクション（精製プロセスにおいてはこれが「汚染」フラクションであろう）を一部含むことがあり得る。但し、この好ましくない他のフラクションの存在量は、当初の混合物におけるその存在量よりも遥かに少なくなっているであろう。逆に、好ましくない（「汚染」）フラクションは、第１分離手段における処理後に、なお、使用可能な（「清浄化」）フラクションを一部含むことがあり得る。第２フラクションが媒体混合物の好ましくないフラクションに相当する場合には、本発明に従って第２分離手段を設けることによって、好ましくないフラクションにおける使用可能なフラクションの存在量がさらに低下し、従って、分離効率および選択性が増大する。本発明の装置の付加的な利点は、それが小型の形態として具現化し得る点にある。さらに処理時間が一般的に短い。
【００１０】
本発明は、使用したタイプの分離器に制限されるのではなく、多くの種類の分離器が使用可能である点に留意するべきである。好ましい一実施形態においては、第１および／または第２分離手段が供給チャネルの回転アセンブリを含む。このような回転分離器は、媒体粒子の壁面への（半径方向の）平均距離が限定されるという利点を有する。これによって、所望の分離程度を、（回転分離器の軸方向の相対的に限定された長さに対応する）比較的短時間で達成できる。このような供給チャネルの回転アセンブリの運転は、チャネル内で媒体の層流が維持されるとさらに良い方向の影響を受ける。逆に、媒体を、乱流としてチャネル内を通して運ぶことも可能である。適用されるべき流速は、状況に応じて変えることまたは最適化することができる。
【００１１】
さらに別の好ましい実施形態においては、第１および／または第２分離手段がサイクロンを含む。分離手段の補充手段として、少なくとも１つのサイクロン（渦）、あるいは代替的に複数のサイクロンのアセンブリを用いることも可能である。サイクロンの場合は、分離手段を定置形態として、媒体のみを回転させることができる。複数の（小型）サイクロンの利用は、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匹敵する利点を有する。サイクロンには、場合によって、バッフルを設けることが可能であり、それによって、例えば、特定のフラクションをバッフル上に凝縮させ、かつサイクロンを制御できる。
【００１２】
さらに別の好ましい実施形態においては、質量密度に影響を及ぼす手段が、能動的または受動的な冷却および／または加熱手段を含む。この冷却手段は、分離用のフラクションの質量密度を直接的に増大させるために、配備することが可能である。特に有利な一適用例においては、この冷却手段が、第１分離手段、第２分離手段、あるいはそれらの両方に対して、媒体の流れ方向において膨張手段の上流側に配置される。その結果、混合物は、膨張開始前に最初に冷却され、従って、膨張の結果としてさらに低い温度レベルに達し、それによって、フラクション分離に対して追加の選択肢を提供する。これは、例えば、（予備）冷却を環境への消散によって生じさせることができる場合には、エネルギー的に非常に有利な解決策になり得る。これについては、本明細書において、さらに進展させた例に基づいて以下に詳述するであろう。
【００１３】
本発明は、流動媒体混合物を、異なる質量密度を有する少なくとも２つのフラクションに分離する方法にも関する。本発明の方法は、本明細書に記述する装置を有利に使用し、かつ、次のステップ、すなわち、
Ａ）フラクションに分離すべき媒体混合物を供給するステップと、
Ｂ）その流動媒体混合物を、第１分離手段において、それが少なくとも第１および第２フラクションに分離するように処理するステップと、
Ｃ）少なくとも第１および第２フラクションを排出するステップと、
Ｄ）第２フラクションを、第２分離手段において、それが少なくとも第３および第４フラクションに分離するように処理するステップと、
Ｅ）少なくとも第３および第４フラクションを排出するステップと、
Ｆ）第４フラクションを第１分離手段に供給するステップと、
Ｇ）少なくともステップＢ）およびＣ）を繰り返すステップと、
を含む。
【００１４】
すでに上記に述べたように、ステップＢ）が、媒体混合物中の分離すべきフラクションの質量密度における差異を、その分離を生じさせる前に物理的に増大させるステップを含むと有利であり、さらに、ステップＤ）も、第２フラクション中の分離すべきフラクションの質量密度における差異を、その分離を生じさせる前に物理的に増大させるステップを含むと一層好ましい。
【００１５】
流動媒体混合物および／または第２フラクションの分離は、回転手段において流動媒体混合物および／または第２フラクションの回転を生じさせることによって行うことが好ましい。本発明による方法は、流動媒体混合物および／または第２フラクションの回転を、供給チャネルの回転アセンブリにおいて生じさせるステップを含むことが好ましい。このような回転分離器は、壁面からの媒体の（半径方向の）平均距離が限定されるという利点を有し、所望の分離程度を、（回転分離器の軸方向の相対的に限定された長さに対応する）比較的短時間で達成できる。このような供給チャネルの回転アセンブリの運転は、チャネル内において媒体の層流が好適に維持されるとさらに良い方向の影響を受ける。逆に、媒体を、乱流としてチャネル内を通して運ぶことも可能である。
【００１６】
この方法の別の好ましい実施形態においては、流動媒体混合物および／または第２フラクションの回転を、サイクロン（渦）内で、あるいは代替的に複数のサイクロンのアセンブリによって生じさせる。サイクロンの場合は、分離手段を定置形態として、媒体のみを回転させることが可能である。複数の（小型）サイクロンの利用は、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匹敵する利点を有する。サイクロンには、場合によって、バッフルを設けることが可能であり、それによって、例えば、定められたフラクションをバッフル上に凝縮させ、かつサイクロンを制御できる。
【００１７】
本発明による方法は、さらに、分離用の混合物のフラクションの質量密度における差異および／または第２フラクションの質量密度における差異を、混合物を膨張させることによって、および／または冷却によって増大させるという特徴を有することが好ましい。この場合、冷却は、膨張の前に実施するのが最も好ましい。
【００１８】
本発明によれば、膨張は、この目的に適切な、それ自体既知の任意の膨張手段において実施できる。膨張によって、媒体の温度を非常に短時間で低下させることができる。膨張は、「ジュール−トムソン（ｊｏｕｌｅ  ｔｈｏｍｓｏｎ）」型の膨張冷却器を適用することによって具現化することが好ましい。このような膨張冷却器においては、媒体混合物は等エンタルピー的に冷却され、それによって、圧力を、温度とは相対的に独立に低下させることができる。別の選択肢は、冷却を冷却媒体によって行う方法である。冷却媒体は、所望の低温レベルに達するように、例えば別個の循環システムにおいて膨張させる。膨張は、タービンを用いて等エントロピー的（または断熱的）に遂行することが望ましい。このような冷却においては、圧力および温度が一緒に低下する。別個の冷却媒体による操作の利点は、分離用の媒体そのものの膨張に比べて、例えば、この別個の冷却媒体を所望の冷却作用に対して最適化できる点にある。上記のように、温度の低下はフラクションの密度に影響を及ぼす原因になる。次のような場合には、特に好ましい効果が実現される。すなわち、混合物が同じ相を有する複数のフラクションから構成され（例えば、気体／気体混合物または液体／液体混合物）、温度変化によって、その内の少なくとも１つのフラクションに、分離用のフラクションの相が互いに異なるような相変化が生じる場合（これによって、例えば気体／液体混合物、気体／固体混合物または液体／固体混合物が生じる場合）である。温度変化の結果としての物質の相変化の現象は、もちろん一般的に周知の現象である。しかし、本発明は次のような認識に基づいている。すなわち、相変化（あるいは、いずれの場合にも、分離用のフラクションの質量密度における差異における変化）と、引き続いて媒体混合物を第１分離、好ましくは回転にかけることとを組合せ、さらにこれに、第２分離、好ましくは媒体混合物の少なくとも一部分の回転を含む前記のフィードバックループを組み合わせると、非常に有利な分離が可能になるという認識である。
【００１９】
しかし、回転手段による分離については、分離用の構成要素間の相の違いを作り出すことは必ずしも必要ではないことは明確に注記される。この装置は、同じ相にあるフラクションの混合物（例えば、分散液のような液体／液体混合物および気体／気体混合物）にも等しく適用可能である。この場合、最良の可能な操作のためには、分離用のフラクションの質量密度ができるだけ大きく異なるようにすることが望ましいのである。
【００２０】
媒体混合物の（ｐ、Ｔ）図（温度に対する圧力の図）は、一般的に、媒体混合物の複数のフラクションが１つの相を形成する領域（混合領域）と、複数のフラクションの少なくとも一部分が異なる相を形成するほぼ閉じられた領域（分離（ｄｅｍｉｘｉｎｇ）領域）とによって特徴付けられる。一般的に、さらに、気体領域、液体領域および固体領域が区分され、この場合、気体領域は平均的により高温の位置にあり、逆に、固体領域は低圧かつ低温にある。いくつもの線、特に、圧力と温度との組合せの間の境界であって、その下側では（他の相に加えて）液体相も生じる境界を示す液体線と、圧力と温度との組合せの間の境界であって、その下側では（他の相に加えて）固体相も生じる境界を示す固体線とが、これらの領域を区画する。この好ましい実施形態によれば、目標点が、固体線および液体線の交点に比較的近い位置に置かれる。
【００２１】
本発明による特に好ましい方法は、ステップＢ）における媒体混合物の処理ステップが、媒体混合物を、媒体混合物の（ｐ、Ｔ）図における目標点を共同で規定する圧力（ｐ）および温度（Ｔ）の状態にするステップを含むという特徴を有する。この場合、この目標点は、相図の液体線の下部にあり、かつ、固体線と液体線との間の交点に比較的近い位置にあるという条件がある。媒体混合物を第１回転手段において回転させる前に上記で規定した目標点に達するように、媒体混合物を冷却および膨張させることによって、分離の選択性が最大化されることが判明した。しかし、第２フラクションが、増大した第１フラクションの量を含む可能性があり、これは望ましくないという点が欠点になり得る。この問題は、第２フラクションを回転させ、かつその流出分を第１分離手段に再供給するステップを好適に含む第２分離手段における処理を設けることによって、十分に解決される。意外なことに、両手段を適用することによって、分離用のフラクションの少なくとも１つに対する選択性が、既知の方法に比べてさらに高められるのである。換言すれば、前記の少なくとも１つのフラクションがより純粋な形で分離され、その場合、精製された媒体混合物中の所望のフラクションはより高い程度において存在したままである。より具体的には、従来の場合よりも純粋なフラクションに分離可能な媒体混合物が得られる。各フラクションは一般的に他のフラクションを含む程度が低い可能性がある。
【００２２】
この好ましい実施形態によれば、目標点は、固体線と液体線との間の交点に比較的近い位置に置かれるべきである。比較的近いという表現は、目標点が、固体線と液体線との間の交点から５０℃および２０バールを超えて離れていない、より好ましくはその交点から４０℃および１５バールを超えて離れていない、最も好ましくはその交点から３０℃および１０バールを超えて離れていないことを意味する。
【００２３】
好ましい一実施形態においては、目標点が固体線の右側にある。この場合、実際の分離前の媒体混合物は液体相および気体相を含むであろう。この実施形態においては、第２フラクションは液体相を含み、気体相は溶解している。この第２フラクションは、第２分離手段において容易に第３フラクションおよび第４フラクションに分離される。この第３フラクションは、主として液体のフラクションであり、当初の流動媒体混合物に再び加えるために第１分離手段に再供給される。第４フラクションは主として、排出される気体のフラクションである。
【００２４】
別の好ましい実施形態においては、目標点が固体線の左側にある。この場合、実際の分離前の媒体混合物は液体相、固体相および気体相を含むであろう。この実施形態においては、第２フラクションは液体相を含み、固体物質および気体相は溶解している。この第２フラクションは、第２分離手段において容易に第３フラクションおよび第４フラクションに分離される。この第３フラクションは、主として固体／液体のフラクション（スラリ）であり、当初の流動媒体混合物に再び加えるために第１分離手段に再供給される。第４フラクションは主として、排出される気体のフラクションである。固体の量を制限して、例えばポンプによってダクトなどを通して容易に輸送可能なスラリを構成することが有利である。
【００２５】
目標点への温度の低下は、例えば、媒体混合物を能動的または受動的冷却手段に送り込むことによって実現できる。本発明にとって必須ではないが、温度がほとんど一定圧力で低下すると有利である。ほとんどの媒体混合物の場合、温度は室温から低下させるので、全体としての媒体混合物に相分離が生じることになるであろう。本発明のいくつかの可能な適用例は、空気／窒素混合物、ＣＯ2／窒素混合物、ＣＯ2／Ｈ2混合物の分離、水の脱空気または脱ガス、空気の脱水、および天然ガスの清浄化である。この方法は、例えば天然ガスのような気体／気体混合物をフラクションに分離する目的で適用することが好ましい。この場合には、目標点への温度低下は、気体状態から液体状態への相変化をもたらすであろう。膨張の結果としてさらに大幅に低い最終温度（および最終圧力）に達するために、膨張開始の前に媒体混合物を最初に再冷却することによって、分離用のフラクションの少なくとも１つに、液体から気体への相変化、この場合、最も揮発性が高いフラクションへの相変化が生じるであろう。この結果、ガスの気泡を含む液体マトリックスを有する媒体混合物、換言すれば気泡化構造が得られる。このような混合物は、高い選択性をもって分離できることが判明しており、この選択性は、気体混合物を気体相から膨張させる方法によって達成し得る選択性よりも高い。
【００２６】
本発明による方法は、別個の処理ステップを、非常に短時間で、例えば、個別には１秒未満、通常０．１秒未満、あるいはさらに１０ミリ秒または５ミリ秒未満で遂行できるので、相対的に小型のスルーフロー装置で実施可能である。これによって、関連装置が大容積を含むことができるようなサイズのものになる非常に長いプロセスは不要になる。
【００２７】
本発明による方法の特に好ましい適用は、媒体混合物が天然ガスを含むこと、および、目標点を、天然ガス混合物中に存在するメタンフラクションが気体（または蒸気）相に変化するように選択することを特徴とする。目標点を、相図の液体線の下部にあるように、かつ、固体線と液体線との間の交点の比較的近くに位置するように選択すると、液体／気体混合物におけるメタン蒸気のフラクションが最大化される。このメタンフラクションは第１フラクションとして排出され、その場合、代表的なメタン濃度は８６モル％〜９６モル％の間である。
【００２８】
別の好ましい実施形態によれば、媒体混合物中に存在する例えばＣＯ2およびＨ2Ｓのような汚染フラクションの少なくとも１つが相変化するように、目標点が選択され、その（第２）フラクションは、第１回転手段において少なくとも部分的にメタンフラクションから分離され、続いて、第２回転手段において回転にかけられて、メタン（第３）フラクションからＣＯ2／Ｈ2Ｓ（第４）フラクションが少なくとも部分的に分離される。この場合、メタン（第３）フラクションは第１回転手段に再供給される。
【００２９】
技術的に回収可能な天然ガスのかなりの部分は好ましくないガスで汚染されているので、経済的にコスト効率的に回収可能な天然ガスの埋蔵量は限られている。確かに、この好ましくないガスが天然ガス中に数十％の濃度で存在すると、経済的にコスト効率的に、これらの汚染ガスを炭化水素から十分な程度に分離することはこれまで不可能であった。本発明による方法はこの欠点を有していない。
【００３０】
次に、本発明を、以下の図面に示す非限定的な典型的実施形態に基づいてさらに詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明による装置の概略図である。
【図２】本発明による方法によって分離できる天然ガス混合物の（ｐ、Ｔ）図の例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
図２は、本発明の方法で清浄化し得る、例えば天然ガスのような汚染ガスの相図である。さらに具体的には、これはＣＨ4／ＣＯ2／Ｈ2Ｓ混合物の相図である。ｙ軸は圧力１００を示し、温度２００はｘ軸に沿って示される。この相図は、さらに、媒体混合物の複数のフラクションが１つの相を形成する領域（ＧまたはＬで示される）（混合領域）と、フラクションの少なくとも一部分が異なる相を形成するほぼ閉じられた領域（Ｇ＋Ｌ、Ｌ＋ＳおよびＧ＋Ｌ＋Ｓで示される）（分離領域）とを含む。領域Ｇにおいて媒体混合物は気体であり、領域Ｌにおいて媒体混合物は液体である。領域Ｇ＋Ｌにおいては、液体および気体の混合物が存在する。この例の場合、ＣＯ2およびＨ2Ｓが液体相で、ＣＨ4が気体相で存在する。領域Ｇ＋Ｌ＋Ｓにおいては、気体、液体および固体の混合物、具体的には、気体相のＣＨ4と、液体相のＨ2Ｓと、固体相のＣＯ2とが存在する。図２には示されていないが、温度がさらに低下するとＨ2Ｓが固体相に変化することも可能である。いくつかの線、特に、圧力１００と温度２００との組合せの間の境界であって、その下側では（他の相に加えて）液体相Ｌも生じる境界を示す露点または液体線１１０と、圧力１００と温度２００との組合せの間の境界であって、その下側では（他の相に加えて）固体相Ｓも生じる境界を示す固体線１２０とが、関係する領域を区画する。また、相図は、臨界点１４０、すなわち気体相および液体相が互いに平衡状態にある、当業者には一般的に知られた概念の点を示している。図２の相図は、例としてのみ提示されたものであること、および、この方法はさらに多くのフラクションを含む媒体混合物の分離にも適用可能であること、従ってさらに複雑な相図を扱う場合があることは明らかであろう。点１５０は、固体線１２０と液体線１１０との間の交点として定義される。
【００３３】
図１を参照すると、例えば天然ガスのような汚染ガスを清浄化するための装置１が示されており、この装置１において本発明による方法を実施できる。汚染ガスは、矢印Ｐ1に従って供給ライン２から、５０〜１５０バールの間の圧力（通常約９０バールの典型的な圧力）および例えば１００℃を超える温度において供給される。ガスは、必要であれば、予備処理ユニット２０において予備処理してもよい。矢印Ｐ1に従って供給されるガスは、続いて熱交換器３において、例えば大気中への冷却によって冷却される。この冷却は、通常、天然ガスをその臨界温度よりも低い温度、例えば図２に示す温度Ｔ1にするようなものになる。温度Ｔ1へのガスの冷却はほとんど一定圧力において行うことが好ましい。温度Ｔ1においてガスは液体相である。適切な温度Ｔ1は、例えば約−６０℃である。このように冷却された液体は、熱交換器３から矢印Ｐ2に従って膨張器４に流れる。矢印Ｐ2に従って供給される液体を、膨張器４によって、好ましくは等エントロピー的に、交点１５０に比較的近くかつ液体線１１０より下の低圧、例えば２５〜４５バールの間の圧力に膨張させる。この等エントロピー的な圧力および温度の低下は、図２において破線１３０で示されている。この突然の圧力降下の結果として、液体の温度は、液体中に存在するフラクションの一部分が相変化するような最終温度Ｔ2（および対応する最終圧力ｐ2）に降下するであろう。本発明によれば、目標点１６０の最終圧力（ｐ2）および温度（Ｔ2）は、交点１５０の圧力および温度に比較的近いことが好ましい。この温度は交点１５０に対応する温度から±５０℃の範囲内にあり、圧力は交点１５０に対応する圧力から±２０バールの範囲内にあることが好ましい。さらに詳細には、液体の天然ガス中に存在する主たる構成成分のＣＨ4の一部分が、膨張によって気体相に転化するであろう。臨界点１４０より下の温度Ｔ1から目標点１６０に達すると、ガスの気泡を含む液体混合物が生成する。しかし、臨界点１４０を超える温度から目標点１６０に冷却（および／または膨張）することも可能である。このような場合には、液泡を含むガスが得られる。目標点１６０を、相図の液体線１１０の下部にあるように、かつ、固体線１２０と液体線１１０との間の交点１５０の比較的近くに位置するように選択することによって、液体／気体混合物におけるメタン蒸気のフラクションが最大化される。ＣＯ2およびＨ2Ｓの汚染フラクションは液体相の中に残ったままである。結果的に、ガスの気泡を含む液体マトリックスを有する媒体混合物が形成される。この媒体混合物は、矢印Ｐ3に従って、供給チャネルの回転アセンブリ５の形態の第１回転手段に供給される。液体／ガス気泡混合物は回転子５のチャネルを通して運ばれ、回転子５の回転の結果として、ガスの気泡が供給チャネルの側面に当って凝縮する。凝縮したメタンガスの気泡は、膨張器４から離れた側で回転子５から離脱し、矢印Ｐ4に従って、清浄化ガスとしての第１フラクションとして排出される。必要な場合には、第１フラクションを、続けて、アミン処理のような従来方式の手段でさらに精製することができる。気体を液体相にするにはコンプレッサ６を用いることができる。第１フラクション７として排出��れるメタンフラクションは、通常、８６モル％〜９６モル％の間のメタン濃度を含む。
【００３４】
本発明によれば、その中に幾分かのメタンガスを含む液体のＣＯ2およびＨ2Ｓから実質的に構成される汚染液体相が、矢印Ｐ5に従って第２フラクション８として排出され、場合によっては熱交換器（図示なし）において冷却され、かつ、絞り弁９によって膨張される。その結果、メタンガスの気泡を含む液体マトリックスを有する第２フラクションが形成される。この第２フラクションの相図も曲線２１０として図２に示されている。この相図は、ＣＨ4およびＣＯ2の相対的な量が違うので、当初の混合物の相図とは異なっている点に留意頂きたい。例えば、ＣＯ2／ＣＨ4の５０／５０混合物の場合は、第２フラクションは、通常ＣＯ2／ＣＨ4の８０／２０混合物になるであろう。この媒体混合物は、矢印Ｐ6に従って供給チャネルの回転アセンブリ１０の形態の第２回転手段に供給される。第２フラクションは、目標点２６０が、図２において複数の好ましい目標点２６０によって例示されるように、第２フラクションの相図の液体線２１０の比較的近くに位置するような最終の圧力および温度に冷却および／または膨張することが好ましい。圧力は、液体線２１０に対応する圧力から±２０バールの範囲内にあることが好ましく、±１０バールの範囲内にあることがさらに好ましい。
【００３５】
液体／ガス気泡混合物は回転子１０のチャネルを通して運ばれ、回転子１０の回転の結果として、ガスの気泡が供給チャネルの側面に当って凝縮する。凝縮したメタンガスの気泡は、絞り弁９から離れた側で回転子１０から離脱し、矢印Ｐ７に従って第３フラクション１３として排出される。メタンガスを、液体相にするため、あるいは少なくとも第１回転手段５に対する流入条件に相当する状態にするため、コンプレッサ１１、および場合によっては加熱手段（図示なし）を用いることができる。本発明によれば、第３フラクション１３は、場合によっては熱交換器１５において冷却された後、矢印Ｐ８に従って第１回転手段５に再供給される。本発明によれば、ごく僅かな量のメタンガス（通常１モル％未満）をその中に含む液体のＣＯ2およびＨ2Ｓから実質的に構成される汚染液体相が、矢印Ｐ９に従って第４フラクション１４としてポンプ１２の作動により排出される。
【００３６】
図２を参照すると、本発明に従って、気体混合物を、気体が液体相になりかつ少なくとも１つのフラクションが固体相になるような圧力ｐ3および温度Ｔ3を有する目標点１７０に冷却および膨張することも可能である。ＣＨ4／ＣＯ2／Ｈ2Ｓ混合物を含有する典型的な天然ガスの場合は、Ｔ3は例えば約−６５℃以下であり、圧力は約４０バールとなるであろう。この実施形態においては、第２フラクションは固体のＣＯ2粒子をも含むであろう。このＣＯ2固体粒子は、続いて、液体のＨ2Ｓおよび気体のＣＨ4フラクション用の第２回転手段１０において分離される。
【００３７】
本発明による方法は多くの用途に用いることができる。炭化水素の任意の分離が、原理的に本発明の方法の主題を構成することができる。この場合、分離用のフラクションの蒸気点が異なっていることが好ましい。従って、この方法を、上記に詳述した天然ガスの精製目的に適用することができる。また、この方法をナフサ分解法に適用することも可能である。この場合は、上記の装置を通常の蒸留塔に代わるものとして用いることができる。さらに、この方法は、ポリオレフィンおよび他のポリマーの分離および精製にも適用できる。この方法および装置は、空気の濃縮、すなわち、窒素量の代わりに空気中の酸素量を増大することによる空気の精製にも特に好適に適用可能である。このような酸素富化空気は、燃焼装置における供給用として有利に使用できる。精製された供給空気中の酸素量が高いので、燃焼混合物中のＣＯ2の量も高く、従ってその分離も容易になるであろう。本発明の方法および装置の他の好ましい適用用途としては、天然ガスからの湿成分の分離、特にメタンからのペンタンの分離、石炭転換プロセスからのＣＯ2の分離、Ｎ2からのＣＯ2の分離、およびＨ2からのＣＯ2の分離が含まれる。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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