(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの液相及び１つの気相を含む混合すべき密度差のある複数の流体を、水平配管中を移送し、該水平配管内部に固定した４５°方向に交差する邪魔板で形成されたスタティックミキサエレメントを９０°位相をずらして直列に複数個接続したスタティックミキサ部を通過させ、ついで短冊状のプレートをその長手方向と直角に捻った捻れフィンエレメントをパイプ断面全面にわたって束ね接合した捻れフィン束部を通過させることにより、前記複数の流体を混合する多相流体混合方法。
【請求項２】
少なくとも１つの液相及び１つの気相を含む混合すべき密度差のある複数の流体を混合する多相流体混合装置であって、水平配管内部に、４５°方向に交差する邪魔板で形成されたスタティックミキサエレメントを９０°位相をずらして直列に複数個接続したスタティックミキサ部と、短冊状のプレートをその長手方向と直角に捻った捻れフィンエレメントをパイプ断面全面にわたって束ね接合した捻れフィン束部とを備え、前記スタティックミキサ部の下流側に前記捻れフィン束部を連接させて固定したことを特徴とする多相流体混合装置。
【請求項３】
前記捻れフィンエレメントのプレート面に、複数の穴を長手方向に並べて設けたことを特徴とする請求項２に記載の多相流体混合装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多相流体の静止型混合技術に関し、特に気体と液体の二相からなる流体を混合する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
油ガス田で採取される油・ガスは、坑井に接続しているパイプ内においては、油、水、気体からなる三相流である。
図４は、液体と気体の二相からなる流体が水平に設置されたパイプ内を移送されるときの流れの様子を説明する図である。図４（Ａ）は、矢印の順に、流速が大きくなったときの流体の流れの状態の変化を示しており、図４（Ｂ）は、マンデーネ（Ｍａｎｄｈａｎｅ）らの流体様式線図であるが、液相と気相の見掛けの各流速と流れの状態との関係を示す代表的なものである。
【０００３】
図４からも分かるように、気・液二相からなる流体の流れは複雑な流れ模様を呈しており、前記した坑井に接続しているパイプ内の流れは、液体が比重の異なる油、水の二相と、気体の三相からなるので、より複雑な形態をしているものと考えられ、タービンメータ等推測式流量計により、この流量を測定しようとする場合、油・水・気を均質に混合すると共に、流れを整流化（旋回流、偏流等を除去）しないと正しい計測値が得られなかった。
【０００４】
従来、スタティックミキサと称する可動部分が全くない静止型混合撹拌器が、開発されており、上記図４に示すような複雑な形態の流体を、パイプ内部に固定されたスタティックミキサを通過させるだけで混合することができ、また、比較的小さい圧力損失ですむものである。
スタティックミキサの構造として、種々のものが考案されているが、その中でも、４５°方向に交差する邪魔板で形成されたスタティックミキサエレメントを複数個接続したものが、比較的短い距離で撹拌効果が高いものとして知られている。
実公平８−４０９９号公報には、そのような構造のスタティックミキサの一例であって、簡単な成形加工・組立により得られるスタティックミキサエレメントに関する発明が記載されている。
【０００５】
図３は、この従来のスタティックミキサの構成を示す図である。
１は、混合すべき流体の流れるパイプで、２は、流体の流入口、３は、流出口、５（１〜４）は、平板を打ち抜いて４５°方向に交差する邪魔板で形成されたスタティックミキサエレメントである。
従来のスタティックミキサは、パイプ１の水平配管部内に、スタティックミキサエレメント５を９０°位相をずらして直列に複数個（図面では４個）接続して固着したものから構成されて、流入口２から混合すべき流体を流し、流出口３の下流で混合された流体を得るようになっている。
このスタティックミキサに、気・液二相からなる流体を流すと、気・液は混合されるが、液体中に含まれる各気泡は細分化されず、その大きさも不揃であり、下流には旋回流が発生するという欠点がある。さらに、２種類以上の液体では、比較的効率の良いとされるスタティックミキサエレメントでも、気体と液体のように密度差の大きい二相流体では混合効率があまり高くないので、十分に混合するためには、スタティックミキサエレメントの数を多くする必要があり（通常４個程度）、１スタティックミキサエレメント当たり小さい圧力損失もスタティックミキサエレメントの数に比例して増加し、全体では大きな数値となり問題であった。
したがって、このようなスタティックミキサを用いて前述の油・水・気の三相からなる流体を混合した後、その流量をタービンメータ等の推定式流量計で計測しても、圧力損失は大なるも、正確な流量を得ることはできなかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記問題点に鑑み、多相からなる流体、特に気体と液体の二相からなる流体を、気泡の大きさを細かくすると共に、均一に液体中に分散させ且つ小さな圧力損失でもって、下流部に旋回流を発生させることなく効率よく混合する方法及び装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の多相流体混合手段は、混合すべき多相流体を、水平配管中に設けた従来のスタティックミキサを通過させ、大まかな混合をし、次に短冊状のプレートを捻った捻れフィンエレメントを重なることなくパイプ断面全てを覆うように複数本束ねた捻れフィン束を通過させることで、多相流体を均一に、特に一方が気体である気・液流体の場合、気泡を微細化し、あたかも均質な一つの流体かのように、その流動状態に影響されなく扱えるような状態に混合するようにしたものである。
【０００８】
請求項１の発明は、少なくとも１つの液相及び１つの気相を含む混合すべき密度差のある複数の流体を、水平配管中を移送し、該水平配管内部に固定した４５°方向に交差する邪魔板で形成されたスタティックミキサエレメントを９０°位相をずらして直列に複数個接続したスタティックミキサ部を通過させ、ついで短冊状のプレートをその長手方向と直角に捻った捻れフィンエレメントをパイプ断面全面にわたって束ね接合した捻れフィン束部を通過させることにより、前記複数の流体を混合する多相流体混合方法である。
【０００９】
請求項２の発明は、少なくとも１つの液相及び１つの気相を含む混合すべき密度差のある複数の流体を混合する多相流体混合装置であって、水平配管内部に、４５°方向に交差する邪魔板で形成されたスタティックミキサエレメントを９０°位相をずらして直列に複数個接続したスタティックミキサ部と、短冊状のプレートをその長手方向と直角に捻った捻れフィンエレメントをパイプ断面全面にわたって束ね接合した捻れフィン束部とを備え、前記スタティックミキサ部の下流側に前記捻れフィン束部を連接させて固定したことを特徴とする多相流体混合装置である。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項２に記載の多相流体混合装置において、前記捻れフィンエレメントのプレート面に、複数の穴を長手方向に並べて設けたものである。
【００１１】
（作用）
以下、多相流体の混合において、問題となるのは密度が大きく異なる流体同士の混合であるので、もっとも典型的な例として気体と液体の二相からなる流体について説明するが、他の流体の場合も同様に適用でき、それ以上の効果が得られることは明らかである。
水平配管では、密度の大きい流体、たとえば液体が下側、密度の小さい流体、たとえば気体は上側を流れてくる。最初に通過するスタティックミキサエレメントは、邪魔板を管軸方向に対して下から上方向と上から下方向へと４５°方向に交差配置してあるので、液体をパイプ断面上側に押し上げ、気体を下側に押し込むませようとし、パイプ断面の上・下方向に両流体を衝突混合させる。次のスタティックミキサエレメントは、同じスタティックミキサエレメントを水平方向に位相が９０°ずらされているのでパイプ断面の水平方向に気・液は混合される。しかしながら、この段階では、十分な流体同士の均質化、気・液流体の場合の気泡の微細化は得られない。
【００１２】
次いで通過する捻れフィン束部は、捻れフィンエレメントに沿って流体が流れることにより流体に回転運動を与えて、せん断力を発生させ、気泡を連続的に切断する作用をするとともに、捻れフィンエレメントはパイプ断面において、ほぼ対称位置になるように配置されているので、流体の回転運動が互いに干渉し、全体的には直角方向の流れ成分がゼロとなり旋回流の発生が抑制される。
その結果、本発明によれば、気・液二相流体を下流に旋回流の発生させることなく気泡の微細化を行い効率よく混合することが可能になった。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明は、基本的には、従来のスタティックミキサ部と、捻れフィン束部を組み合わせ用いたものである。
前者のみで、例えばスタティックミキサエレメントの数を増やし、混合効果を高めようとしても圧力損失△Ｐが大きくなるわりに、気泡の微細化が出来ず、気液の均質化が達成されない。
また、後者のみでは、気・液のように大きい密度差があってパイプ断面を上下に分かれて流れてくるような流体を均一に混合することは出来ず、パイプ断面下側には、液体の割合が大きく、パイプ断面上側は、気体の割合が大となる傾向の混合となる。
【００１４】
そこで、本発明は、両者の特性をうまく取り入れることで、前記課題を解決したものである。
（発明の実施例）
以下、本発明の実施の形態を、実施例により説明する。
（実施例１）
図１は、本発明の多相流体混合装置の一実施例を示す図である。図１（Ａ）は、正面図、図１（Ｂ）は、左側面図、図１（Ｃ）は、捻れフィンエレメントの構成を示す図である。図３に示した構成要素と同一のものには同じ符号を付した。
【００１５】
１は、混合すべき流体の流れるパイプで、２は、流体の流入口、３は、流出口、４は、スタティックミキサ部、５（１、２）は、スタティックミキサ部４のスタティックミキサエレメント、６は、捻れフィン束部で、７（１〜１９）は、捻れフィン束部６を構成する捻れフィンエレメントで、８（１〜１９）は、捻れフィンエレメント７を固定するリングである。
【００１６】
本発明は、パイプ１の水平配管部内に、上流側にスタティックミキサ部４、下流側に捻れフィン束部６を近接配置して固定し、パイプ１の流入口２から、混合すべき流体を流し、流出口３から、混合流体を得る。
本実施例において、パイプの上流側のスタティックミキサ部４は、前記従来例として説明したものと同じスタティックミキサエレメント（複数邪魔板を４５°方向に交差させたもの）を９０°位相をずらせて２個連接したものを用いている。  また、捻れフィン束部６は、短冊状のプレートをその長手方向と直角に捻った捻れフィンエレメント７の両端をリング８に固着し、そのリング同士を、図１（Ｂ）の側面図に示すようにパイプ断面全面にわたって概ね１９個束ね接合した構成となっている。
【００１７】
以下、本実施例の多相流体混合装置に、気・液二相流体を流したときの各特性について、説明する。
なお、比較のため、前記従来技術として説明したスタティックミキサ（図３）（以下、「比較例」という。）に同一条件で同一流体を流したときの各特性の測定結果を並べて示した。なお、この比較例は、本実施例のスタティックミキサ部を２個連接したものに相当し、スタティックミキサエレメント５を４個接続したものである。
図５は、本実施例（本発明）と、前記比較例（従来技術）の抵抗係数と流量の特性を示す図である。
比較例では抵抗係数が５．９（単位：Ｍｐａにおいて）と大きく、口径５０Ａのとき、圧力損失△Ｐは０．３Ｍｐａ  ａｔ  ３ｍ／ｓ（流速）にもなる。それに対し、本実施例では、抵抗係数が３．４となり、圧力損失△Ｐは、比較例に比べて約１／２になった。
このことは、捻れフィン束部ではほとんど圧力損失がないことを示している。
【００１８】
図６は、上流からボイド率（気液混合比率）を変えて混合装置に流入させ、その下流で測定したボイド率計の出力波形を示す。図６（Ａ）は、本実施例（本発明）、図６（Ｂ）は、比較例（従来技術）の測定波形で、図６（Ｃ）は、出力波形と気泡の大きさの関係を説明する図である。（図面において、下方のデータがよりボイド率が高い流体の場合のものである。）
図６（Ｃ）で説明するように、ボイド率計の出力波形の波幅は、気泡の径を表しており、これによると比較例のものは、気泡の大きさも大きく、いろんな径のものが分布していることが分かる。それに対し、本実施例のものは、気泡の大きさが細かく且つ均一であることが分かる。
このことは、本実施例における捻れフィン束部を流体が通過する際、各捻れフィンエレメントの表面に沿って流体が流れるので、流体が回転させられ、流体にせん断力が作用し、流体の中に含まれる気泡は、連続的につぎつぎと切断され、微細化されると考えられる。
【００１９】
図７は、混合装置のパイプ断面Ｘ−Ｙ方向の気・液混合比率の分布を流量をパラメータとして測定した図である。図６（Ａ）は、本実施例（本発明）、図６（Ｂ）は、比較例（従来技術）のものである。
図面からも明らかなように、パイプ断面Ｘ−Ｙ方向のボイド率が本実施例の方が、参考例に比べてパイプ中心部が平坦となっており、パイプ断面にわたり気・液が十分に混合されていることが分かる。
また、比較例では、下流に、旋回流が発生する（約５〜１０％）のが観察されたのに対し、本実施例では、旋回流の発生が見られなかった。前記したように各捻れフィンエレメントは、それに沿って流れる流体に回転運動を与えるが、捻れフィンエレメントは、パイプ断面にほぼ対称位置に配置されているため、回転運動による遠心力は互いに打ち消しあって、遠心力のない流れ（旋回流なし）となるものと考えられる。
【００２０】
（実施例２）
図２は、本発明の多相流体混合装置の他の実施例を示す図である。
実施例１のものと共通する構成要素には同一符号を付してある。本実施例に係る混合装置は、実施例１のものと比べ全体構成は、同じであるが、捻れフィンエレメント７の構成が相違する。図２（Ｃ）に示すように、各フィンに円形の穴８が、並べて設けられている。
本実施例の特性（図示せず。）も、実施例１のものとほとんど変わらなかったが、混合装置下流の気・液混合流体に含有される気泡の大きさは、実施例１のものに比べてより細かく且つ均一になることが分かった。
これは、捻れフィンエレメントに設けられた穴により、気泡の切断が促進されたものと考えられる。
以上、典型的な実施例について本発明の形態を説明したが、上記実施例以外に、いろんな変形が考えられる。
【００２１】
まず、組み合わせるスタティックミキサ部の構造として、前記従来例として説明したスタティックミキサエレメント（平板を打ち抜いて、４５°方向に交差する邪魔板で形成したもの）を９０°位相をずらせて２個連接したものを用いているが、これに限定されるわけではない。
そして、スタティックミキサ部と、捻れフィン束部の組み合わせとして、それぞれを形成するスタティックミキサエレメント及び捻れフィンエレメントの数、配置、順序を変えることができる。実際には、二相流体が水平配管内を移送されるとき、パイプ内を、液体が下側、気体は上側を流れてくる。従来のスタティックミキサエレメントは、平板が４５°方向に交差した邪魔板として形成されているので、液体をパイプ断面上側に押し上げ、気体を下側に押し込ませようとする。可視化管により観察すると、スタティックミキサエレメント２個あれば、前の１個で垂直方向に混合され、次いで９０°位相を変え水平方向に混合されることとなり、気・液はほぼ混合されることが分かった。
【００２２】
また、捻れフィン束部の捻れフィンエレメントは、それに沿って流体が流れることにより流体に回転運動を与え、発生するせん断力が、気泡を切断する作用をするものと考えられ、捻れフィン束部１ユニットで十分の混合効果があることがわかった。
さらに、捻れフィンエレメントについて、穴を設けることにより、さらに気泡の細分化が促進されることが判明したが、その穴の形状、位置、数をはじめ、捻れフィン束部の捻れフィンエレメントの数、寸法、捻れ回数、捻れ方向等いろんな変形が考えられる。
【００２３】
本発明は、水平配管における気・液二相流体のように、液相、気相が上下に分かれ、密度差があるものの混合に威力を発揮するので、応用分野としても、種々考えられる。
たとえば、前述の坑井からのパイプ内の油・水・気三相流をタービンメータ等推測式流量計で流量計測する時、その直前に配置する最適の混合装置となる。油・水・気三相流は、気・液の粘度、密度差から相対速度差（スリップ）が生じ、実ボイド率は、体積ボイド率と等しくはならず、相対速度差（スリップ）の補正が必要であるが、本発明の混合装置によれば、気・液が均質化される結果、実ボイド率＝体積ボイド率が得られる。実際この混合装置を利用することで、タービンメータによる油・水・気三相流の流量計測精度が大幅に、向上した。
同様に同じ理由により、この技術は、二相以上からなる流体の各相の流量を求める場合にも有用であることは明らかである。
【００２４】
また、熱伝導率が低い気体部分を破砕すれば、冷却効率が向上するので、原子力発電装置の冷却水管等にも供することが可能である。この場合は、気泡の微細化は、それほど必要ないので、圧力損失△Ｐ低減のためスタティックミキサのエレメント１個と捻れフィン束部の組み合わせで充分であろう。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、可動部分がまったくない簡単な構成で、混合に要する圧力損失が小さくてすみ、複数の流体が、特に密度の大きく異なる液体と気体であっても、中に混在する気泡を細分化出来、パイプ断面全体に均質化された混合流体が得られ、下流に旋回流の発生も起こらない多相流体混合方法及び装置を提供することができる。
また、捻れフィンエレメントに穴を設けることにより、液体中に混合される気泡をさらに微細化することができ、より均質化した混合流体が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の多相流体混合装置の一実施例の構成を示す図である。
【図２】  本発明の多相流体混合装置の他の実施例の構成を示す図である。
【図３】  従来のスタティックミキサの構成例を示す図である。
【図４】  気・液二相流体が水平に設置されたパイプ内を移送されるときの流れの様子を説明する図である。
【図５】  本発明と比較例の混合装置の流量に対する抵抗係数特性を示す図である。
【図６】  本発明と比較例の混合装置の下流で測定したボイド率計の出力波形を示す。
【図７】  本発明と比較例の混合装置のパイプ断面Ｘ−Ｙ方向の気・液混合比率（ボイド率）の分布を流量をパラメータとして測定した特性を示す図である。
【符号の説明】
１…パイプ、２…流入口、３…流出口、４…スタティックミキサ部、５（１〜４）…スタティックミキサエレメント、６…捻れフィン束部、７（１〜１９）…捻れフィンエレメント、８（１〜１９）…リング、９…穴。
【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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【図７】
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