JP2003513778A - 液体噴射型圧縮機 - Google Patents

液体噴射型圧縮機

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Abstract

(57)【要約】 気体は、圧縮される気体を圧縮機内に吸引する圧縮機内への高速液体注入を得るために、高圧、例えば、少なくとも16atm、下で注入される液体を使用することにより、液体噴射型圧縮機内において高圧、例えば、少なくとも7atm、に圧縮される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 (技術分野) この発明は、圧縮を行うために液体を使用することにより気体を圧縮する方法
に関する。
【0002】 (発明の背景) エダクター(eductors)は、大気圧以下の圧力から大気圧までに気体を圧縮す
ることにより減圧状態を発生させるために使用されてきた。該エダクターの動作
原理は、「液体噴射型気体ポンプのための噴射分散及び混合用スロートの長さ」
( R.G.Cunningham & R.J.Dopkin著、Journal of Fluid Engineering、1974
年9月号、第216−226頁)に開示されるように、より高い圧力にまで、特
に、13psia(0.88atm、88.88KPa)である出発ガスから5
0psia(3.4atm、343.4KPa)にまで、の気体の圧縮へと拡大
されてきた。こういった意味合いで、エダクターは、液体噴射型圧縮機と言われ
る場合がある。すなわち、液体が気体を圧縮するために使用される。上記JOF
Eの論文に開示されているように、気体の圧縮は、165psia(11.2a
tm、1120Kpa)までの圧力のもとでノズルから液体を軸方向に注入する
ことにより起こる。液体は、チューブの長さ方向に沿って注入される。このこと
が、圧縮される大気圧以下の圧力の気体をチューブ内へ吸引し、その結果として
、気体と混合された状態になる小滴に液体を分散する。したがって、チューブは
、混合スロートと言われてきた。次に、小液滴の混合気は、運動エネルギを犠牲
にして圧力が上昇している、すなわち、液体の速度が減少されている拡散ゾーン
と言われる膨張容積ゾーンに入る。混合スロートにおける小滴の気体との混合の
組み合わせ及び拡散ゾーンにおける速度の減少が、液体の運動量及び運動エネル
ギそれぞれを気体の圧縮に変える。該気体は、さらなる使用のために、例えば、
遠心分離機により、その次に液体から分離され得る。
【0003】 化学産業が直面している1つの問題は、安全な方法での反応性気体(reactive
gases)の圧縮の問題である。残念ながら、化学プロセスに供給されている反応
剤気体(reactant gases)のような多くの反応性気体は、従来の機械的なダイア
フラム式又はピストン式圧縮機による圧縮熱により爆発の危険性をはらんでいる
ことを知られている。ある場合には、気体は自動点火し、あるいは爆発力で時期
を早めて重合するかもしれない。
【0004】 (発明の概要) 液体噴射型圧縮機が、以前に得られたよりももっと高い圧力にまで、すなわち
、少なくとも7atm(707KPa)にまで、さらには25atm(2525
KPa)あるいはそれ以上の高圧にまでも、気体を安全に圧縮するために動作さ
れ得ることが見出された。したがって、本発明のプロセスは、吸引チューブ内に
少なくとも16atm(1616KPa)の圧力下で液体を軸方向に注入するこ
と、前記吸引チューブ内に圧縮される気体を吸引し、該チューブ内で注入された
液体と接触させること、前記チューブ内で前記気体に接触する前記液体の速度が
前記チューブ内において小滴に分散させ、前記小滴と前記気体の混合気を形成す
ること、それによって、前記液体の運動量を前記気体に移動させること、前記混
合気を減速された区域に随意に送り、それによって前記液体の運動エネルギを前
記気体に移動させること、そしてその結果として前記気体の少なくとも7atm
までの圧縮を得ることを備えている。気体の圧縮の大部分、例えば、圧縮の少な
くとも85%は、吸引チューブ内で起こる。追加圧縮のための減速された区域の
使用は、プロセスの最大の成果を与えるが、この区域は、チューブ内での圧縮が
圧縮された気体の意図された使用に対して十分である場合には省略されてもよい
【0005】 好ましい実施形態において、圧縮される気体は、化学反応に供給される気体と
して有益な反応剤気体のような反応性気体である。
【0006】 (詳細な説明) 図1において、液体噴射型圧縮機2は、中空チューブ4から成り、該チューブ
の中空内部は、圧縮機の混合スロート6を画定している。混合スロートの直径は
、その長さ方向に沿って一定であることが好ましい。液体注入ノズル8は、チュ
ーブ4の上流端近傍に位置し、該ノズルは、スロート6(チューブ)の長軸11
沿いに照準を向けているオリフィス12を有している。液体は、例えば、ポンプ
(不図示)により高圧下でノズル8に供給され、この液体がオリフィス12を介
し、高速流れ10としてスロートに沿って軸方向に注入されることを引き起こす
。チューブ4の上流端は、圧縮される気体用の1又はそれ以上の入口16を備え
付けられ、液体のスロートへの注入が該入口を介してスロート内への気体の吸引
を引き起すように、ノズル8を包囲する気体マニホールド部分14に開口してい
る。チューブ(スロート)の下流端19は、外方に向かって広がっている円錐状
壁20により画定されているディフューザー18に開口している。チューブ4、
マニホールド14及びディフューザー18は、断面で円形であり、チューブ4の
長軸に同軸であることが好ましい。上述したように、圧縮機は、チューブ4の下
流端19で終わっていてもよい。
【0007】 動作に関して、液体は、チューブ4へのそして該チューブの長軸方向に沿う高
速注入用ノズルに供給される。この注入は、入口16を通り、マニホールド14
を回って、チューブ4のスロート内への(圧縮される)気体の吸引を引き起こし
、注入された液体と接触状態にする。吸引された気体は、液体流れ10を覆い、
いたるところで液体流れに接触する。吸引された気体と高速液体流れとの間のこ
の接触の結果は、チューブの下流端19近傍の領域22において気体との混合気
を形成する小液滴への流れの分散である。チューブ4は、流れ10が下流端19
に達する前に小滴に分散するのに十分な長さを持っている。小液滴/気体の混合
気は、チューブより大きい断面積(容積)のために混合気の速度を減少させるデ
ィフューザー18(該ディフューザーが存在する場合)内に入る。
【0008】 図2は、オリフィス12の好ましいオリフィス形状を示している。図において
、ノズル8は、オリフィス12が中心に配置されているプレート24で終わって
いる。プレート24は、例えば、溶接によりノズルハウジング26に取り付けら
れている。オリフィス12は、チューブの長軸に平行なランド面28及び該ラン
ド面から下流側に連続して同心円状に傾斜している面30を備えている。その結
果、オリフィスのランド面28がノズルから注入される液体流れに対してナイフ
様の出口を提供することになる。ランド面の幅は、1−3mmにあることが好ま
しい。ナイフ様出口の効果は、小滴への液体流れの分散を助けることにある。そ
れで、チューブ(及びスロート)の長さを最小限にすることができ、それによっ
て、流れとスロート6を画定しているチューブの内壁との間の摩擦のような流体
エネルギの損失を最小限にすることができる。
【0009】 気体の圧縮の大部分は、気体に作用している小液滴を介して気体への液体の運
動量の移動を伴って、スロートの領域22において起こる。そして、気体の圧縮
は、ベルヌーイの定理(流れの面積が増大し、それによって速度が減少する時、
運動エネルギは、位置エネルギ(圧力)に転換される。)に従って、その結果と
しての気体への液体の運動エネルギの移動により、ディフューザーにおいて完了
する。圧縮された気体は、次に、遠心分離機のような気/液分離装置により液体
から分離されてもよい。
【0010】 少なくとも7atmまでの気体の圧縮が、チューブ4内へ非常に高速度で、ノ
ズル8を経由して該チューブ内に液体を供給することにより得られる。また、こ
の高速度は、ノズルへの液体入力に高圧を課することにより得られる。少なくと
も16atmの圧力が、この結果を達成するために必要とされる。この結果が得
られる液体噴射型圧縮機の構造の例が、下記(実施例)欄において示されるであ
ろう。
【0011】 気体の望ましい圧縮が増大するにつれて、入口16を介して圧縮機に導入され
る気体が少なくとも絶対圧で2atm(202KPa)のような大気圧以上の圧
力とすることが好ましい。液体噴射型圧縮機により気体の圧力を、(入口16を
通過する)流入気体の圧力の10倍以上にも増加させることは難しい。したがっ
て、20atm(2020KPa)以上の圧力への圧縮が望まれる場合には、ま
た、それに相応して流入気体圧力を増加させることが望まれる。液体噴射型圧縮
機により得られる気体圧力の増加は、流入気体圧力の4−8倍であることが好ま
しい。例え流入気体が圧力をかけられているとしても、それにもかかわらず、流
入気体は、該流入気体の速度よりも大きい液体流れ10の速度の効力によって、
スロート6に沿って注入される高速流れ10による吸引作用を受けている。流入
気体の圧縮は、流入気体の望ましい圧力を得るために、例えば、機械的圧縮機に
よるような従来の手段により得られてもよいが、また、第2の液体噴射型圧縮機
の使用により得られてもよい。その場合、第1の圧縮機からの出力気体の圧縮が
第2の圧縮機において増加される。追加の圧縮機は、所望の最終圧縮を得るため
に、連続して使用されてもよい。
【0012】 また、ノズルへの液体の容積流量は、流入気体の容積流量が液体の容積流量の
3倍未満であるようにすることが好ましい。
【0013】 本発明は、HCl、HBr、HFを含むハロゲン化水素酸、塩素、フッ素のよ
うなハロゲンガス、メタン、エタン及びプロパンのような脂肪族炭化水素、エチ
レン、プロピレン、ブテン、ブタジエン及びアセチレンのようなオレフィン炭化
水素及び塩化ビニル、フッ化ビニル、フッ化ビニリデン、クロロトリフルオロエ
チレン及びテトラフルオロエチレンのようなハロゲン化有機化合物、のような有
機及び無機の全ての気体に適用可能である。気体は、液体流れとの接触により気
体から取り除かれる、浮遊固体粒子や小液滴のような、浮遊微粒子を含んでいて
もよい。圧縮される気体に適合するどのような液体が使用されてもよい。「適合
する」とは、液体が望まれていない方法で気体と相互作用しないことを意味する
。通常、このことは、反応が望まれていない限り、液体は、気体と反応しないこ
とを意味する。溶解するか又は混合気の1つの成分と反応するかのどちらかによ
り、液体が、気体混合気の一部(成分)と相互に作用する一方、残りの気体を圧
縮することがまた望ましいかもしれない。液体の例としては、水、水性媒体及び
有機液体を含んでいる。本発明の圧縮プロセスは、また、気体を圧縮している間
に該気体を冷却するのに使用され得る点で有利である。したがって、流入気体は
、少なくとも50℃の温度であってもよい。そして、液体流れは、気体を圧縮し
ている間に40℃以下の温度に該気体を冷却する。この冷却作用は、早すぎる反
応及び/又は爆発の可能性を最小限にするように、圧縮の熱の影響を弱める点に
おいて明白な利点を提供する。圧縮された気体からの液体の分離に関して、その
ような液体は、高圧下でノズル8に供給される液体を提供する循環ポンプに再循
環されてもよい。
【0014】 本発明のプロセスにおける気体の圧縮は、また、圧縮された気体を全部又は一
部液化させる(凝縮させる)のに十分な高い圧縮を含んでいてもよい。次に、凝
縮された液体は、液体が非混合性、例えば、水と炭化水素液、である時、デカン
テーションのような従来の液体/液体分離により、流れ10の液体と分離されて
もよい。
【0015】 本発明は、化学反応への供給に対して望まれるような気体を高圧に圧縮するこ
とに対して特に有利である。該気体は、熱過敏性であってもよく、例えば、他の
方法を使用している気体圧縮により生成される熱に曝されると分解や爆発する傾
向があるものであってもよい。圧縮機2における液体の存在は、気体が圧縮され
る時、気体を冷却し、実質上等温圧縮させる。したがって、圧縮は、50℃以下
の温度で実行され得る。圧縮機2においては、金属対金属の接触により引き起こ
される局所的な高温を発生する恐れのある機械的部品の動きはなにもない。気体
が圧縮機により凝縮される時、例えば圧縮機がピストンタイプのものである場合
にはあるであろうような該圧縮機の損害の危険は何もない。
【0016】 (実施例) これらの実施例においては、液体噴射型圧縮機は、ステンレス鋼で作られ、以
下の寸法を有している。
【0017】 チューブ4(スロート)の内径 0.546in(1.39cm) チューブ4の長さ 15in(38.1cm) ノズルオリフィスの直径 0.34in(0.86cm) スロート入口までのノズルオリフィスの距離 1.6in(3.8cm) 放出端におけるディフューザーの直径 0.742in(1.88cm)
ディフューザーの長さ 2.5in(6.35cm)
【0018】 以下の表において、C36は、プロピレンであり、C22は、アセチレンであ
り、TFEは、テトラフルオロエチレンであり、オイル(OIL)は、モービル
社製のSHC−224である。気体圧縮を行うのに使用される液体は、31−3
3℃の温度にある。
【0019】
【表1】
【0020】 実施例1の実験においては、圧縮されたプロピレンは、出口温度が、起きてい
る圧縮量での飽和温度以下であることから、スロート内で凝縮される。
【0021】 実施例2は、炭化水素オイルを使用した無水HClの高圧圧縮を示している。
【0022】 実施例3は、圧縮と冷却が同時に行われていることを示している。
【0023】 実施例4においては、HCl/窒素ガス混合気は、それぞれ50/50モル%
であり、HClは、水との直接接触により気体流れから取り除かれる。該HCl
は、水中に吸収され(溶解され)、それによって、圧縮されるのは、流入気体の
うちの窒素成分である。スロート内に注入される水流れは、例えば水を主成分と
する溶液によって置き換えられてもよい。その場合において、HClは、主成分
と反応し、塩溶液を形成し、それによって、圧縮された窒素からHClを取り除
く。
【0024】 実施例5及び6は、反応性気体−アセチレン及びテトラフルオロエチレン−の
等温圧縮を示している。
【0025】 実施例は、また、圧縮の大部分(85%以上)がチューブ4のスロート6内で
行われることを示している。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のプロセスに使用され得る液体噴射型圧縮機の概略側断面図である。
【図2】 図1の圧縮機を使用するのに好ましいオリフィスの側断面図である。

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 吸引チューブ内に少なくとも16atmの圧力下で液体を軸
    方向に注入すること、前記チューブ内に圧縮される反応性気体を吸引し、該チュ
    ーブ内で注入された液体に接触させること、前記チューブ内で前記気体に接触す
    る前記液体の速度が前記液体を前記チューブ内で小滴に分散させ、前記小滴と前
    記気体との混合気を形成すること、それによって、前記液体の運動量を前記気体
    に移動させること、前記混合気を減速された区域に随意に送り、それによって前
    記液体の運動エネルギを前記気体に移動させること、そしてその結果として前記
    気体の少なくとも7atmまでの圧縮を得ることを備えていることを特徴とする
    プロセス。
  2. 【請求項2】 前記チューブ内に吸引される前記気体は、少なくとも2at
    mの圧力未満であることを特徴とする請求項1に記載のプロセス。
  3. 【請求項3】 前記チューブ内に吸引される前記気体と前記液体との容積比
    は、3:1未満であることを特徴とする請求項1に記載のプロセス。
  4. 【請求項4】 前記気体は、少なくとも25atmまで圧縮されることを特
    徴とする請求項1に記載のプロセス。
  5. 【請求項5】 前記気体は、前記液体と相互に作用する成分を含み、それに
    よって、前記圧縮は、残っている前記気体の圧縮であることを特徴とする請求項
    1に記載のプロセス。
  6. 【請求項6】 前記成分は、前記液体に溶解することを特徴とする請求項5
    に記載のプロセス。
  7. 【請求項7】 前記成分は前記液体と反応することを特徴とする請求項5に
    記載のプロセス。
  8. 【請求項8】 前記気体は、前記液体によって前記気体から取り除かれる微
    粒子を含んでいることを特徴とする請求項1に記載のプロセス。
  9. 【請求項9】 前記気体は、少なくとも50℃の温度にあり、前記気体に接
    触している前記液体が前記圧縮中40℃未満の温度にまで前記気体を冷却するこ
    とを特徴とする請求項1に記載のプロセス。
  10. 【請求項10】 前記液体の注入は、ナイフ様の縁と下流傾斜部分を有する
    オリフィスを通る注入であることを特徴とする請求項1に記載のプロセス。
  11. 【請求項11】 前記反応性気体は、ハロゲン化水素酸ガス、ハロゲンガス
    、脂肪族炭化水素ガス、オレフィン炭化水素ガス及びハロゲン化有機化合物ガス
    からなる群から選択されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  12. 【請求項12】 前記反応性気体は、化学反応への供給原料であることを特
    徴とする請求項12に記載の方法。
  13. 【請求項13】 吸引チューブ内に少なくとも16atmの圧力下で液体を
    軸方向に注入するステップと、前記チューブ内に圧縮される反応剤気体を吸引し
    、該チューブ内で注入された液体に接触させるステップと、前記チューブ内で前
    記気体に接触する前記液体の速度が前記液体を前記チューブ内で小滴に分散させ
    、前記小滴と前記気体との混合気を形成するステップと、それによって、前記液
    体の運動量を前記気体に移動させるステップと、前記混合気を減速された区域に
    送り、それによって前記液体の運動エネルギを前記反応剤気体に移動させるステ
    ップと、及び、その結果として前記反応剤気体の少なくとも7atmまでの圧縮
    を得るステップとを備えていることを特徴とする化学反応に供給される気体を圧
    縮する方法。
  14. 【請求項14】 吸引チューブ内に少なくとも16atmの圧力下で液体を
    軸方向に注入することにより反応剤気体を圧縮するステップと;前記チューブ内
    に圧縮される反応剤気体を吸引し、該チューブ内で注入された液体に接触させ、
    前記チューブ内で前記気体に接触する前記液体の速度が前記液体を前記チューブ
    内で小滴に分散させ、前記小滴と前記気体との混合気を形成し、それによって、
    前記液体の運動量を前記気体に移動させ、前記混合気を減速された区域に送り、
    それによって前記液体の運動エネルギを前記反応剤気体に移動させそしてその結
    果として前記反応剤気体の少なくとも7atmまでの圧縮を得るステップと;及
    び前記圧縮された反応剤気体を化学反応に送るステップとを備えることを特徴と
    する化学プロセス。
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