JP2005532161A - 二相ｃｏ２を移送気体媒体に注入するための方法およびデバイス - Google Patents

Abstract

本発明は、二相（気体＋固体）二酸化炭素を移送気体媒体に注入する方法に関し、この方法は、低温膨張により液体ＣＯ_２を二相ＣＯ_２に変換し、それを、不活性ガスの存在下で、処理すべき気体媒体のコアに注入することにある。また、本発明は前記方法を実行するためのデバイスに関する。

Description

本発明は二相“気体＋固体”ＣＯ_２を移送気体媒体に注入するための方法およびデバイスに関する。

ＣＯ_２は多くの工業用途において使用される：炭化、ｐＨ調節および塩基試薬の中和はとりわけこの例である。二酸化炭素は液体媒体または気体媒体に注入されるであろう。

ＣＯ_２は場合によって気体または液体の形態で液体媒体に注入される。

二酸化炭素を気体媒体に注入する場合、通常の解決策はそれを気体単一相の形態で注入することである。最も多くの場合１４から２０ｂａｒ程度の圧力および−３５から−２０℃程度の温度で、液化された形態で送り、かつこの形態でタンクに貯蔵するので、その後それを蒸発させることが必要である。この蒸発は、エネルギーが電気的起源であるか、または現場で入手可能な水蒸気によって供給されるかのいずれであっても、操作の面および投資の面の両方で高いコストを必要とする気化器の現場での存在が必要である。さらに、気体の二酸化炭素供給ラインも関連する付属品（ゲートバルブ、バルブなど）もかさばり、かつ高価である。従って、二酸化炭素を気体媒体に注入するための従来のデバイスは最適化されておらず、これらのデバイスは大量のＣＯ_２を注入する場合に特に適していない。

固体の形態でまたは二酸化炭素スノーとしてのＣＯ_２の使用はさらに表面洗浄用として知られている。

US 4,747,421は半導体産業分野における基板の表面上のフォトレジスト膜の除去のための固体ＣＯ_２の使用を記載している。

EP 0 631 846は工具室の内部表面を洗浄するためのエアロゾルを製造するように設計された装置を記載している。

EP 0 288 263は固体と気体の二酸化炭素の混合物を使用して基板表面上の小さな粒子を除去するための装置を記載している。

US 4,389,820は表面のスケール除去のために加速された昇華性の粒子の流れを発生させるように設計された機械を開示している。ＣＯ_２の使用は表面汚染だけでなく大気汚染も防ぐ。

さらに、FR 2 198 778は鋳物を作る方法および装置を記載しており、その方法では、液体化学成分の混合物を気化するとき、および追加すべき成分の量を調節するときの両方で、触媒量の気体成分を送るために気体の二酸化炭素を使用する。

しかし、引用したどの文献もＣＯ_２による移送気体媒体の富化には関連していない。

本発明の目的は、二酸化炭素を、特に大量に、反応性または非反応性の加圧された移送気体媒体を収容するチャンバに注入するという問題の解決策を提供することである。

他の目的はこの方法を実施することができる注入デバイスを提供することである。

本発明の特徴および利点は以下の記載を読むことによって明らかになるだろう。

本発明は、第一に、液体二酸化炭素から、チャンバの内部に存在する処理すべき加圧された移送気体媒体に二酸化炭素を注入する方法に関し、この方法は以下の工程：
−直接膨張デバイスによって、液体二酸化炭素を二相“気体＋固体”二酸化炭素に変換する工程と；
−処理すべき加圧された移送気体媒体を収容するチャンバの壁を貫通した注入器を用いて、生成した二相二酸化炭素を処理すべき気体媒体に注入する工程と；
−直接拡張デバイスと注入器との間で不活性ガスを二酸化炭素に注入する工程とを含む。

二酸化炭素を“気体＋固体”の形態で注入し、処理すべき気体媒体を取り囲むチャンバの壁を通して、処理すべき気体媒体へ直接的に注入を実行する。前記チャンバは例えば回路中に存在するラインまたはパイプラインでよい。液体二酸化炭素の二相二酸化炭素への変換は低温膨張デバイスと呼ばれる直接膨張デバイスを利用する。このデバイスは、可変流バルブタイプであり、まず第１に前記流体流れを制約し、次にフロー直径の増加によりガスを膨張させる効果を有し、前記デバイスからの出口での圧力がＣＯ_２の三重点のそれに相当するように圧力減少をもたらす。液体ＣＯ_２は気体のＣＯ_２および固体のＣＯ_２（二酸化炭素スノー）の混合物に変換される。こうして、注入の間に、本発明の方法はその気相の少なくとも２０倍の密度を有する低温流体を用いる。二酸化炭素の注入をチャンバの壁を貫通した注入器を使用して実行し、“気体＋固体”混合物を、気体媒体を移送させる前記パイプラインの中心に移送させる。さらに、低温バルブからの出口での二酸化炭素への不活性ガスの注入により、バルブからの出口および注入器からの出口で気体媒体中での閉塞を防ぐ。不活性ガスは、二相ＣＯ_２が循環する前記デバイスの様々な構成要素の領域にガスが広がることを確実にすることにより、異物、特に水分による汚染を防ぎ、かつ幾何構造が不活性ガスによる吸い込みなしにはその循環を困難にするであろう場所での二酸化炭素スノーの蓄積を防ぐ。

液体ＣＯ_２を通常１０×１０^５から２２×１０^５Ｐａの間（すなわち１０から２２ｂａｒの間）の圧力および通常−３５°から−２０℃の間の温度で供給する。

特定の実施形態によると、二相二酸化炭素を気体媒体のコアに注入し、部分的に並流で、かつ部分的に向流でガス流に分配するように二相二酸化炭素を注入する。このように、ガスのコアに、すなわち壁から離れたガス流に二酸化炭素を注入することにより、ＣＯ_２の良好な混合および吸い込みが確実になり、こうしてそれが蓄積することを防ぐ。次に、ＣＯ_２の温度（−８０℃）を考慮に入れると閉塞が生じる危険性は非常に大きい。したがって、これを直ちに処理すべき気体媒体に分散させることが必須である。注入器の幾何構造の他に、本発明によって二相ＣＯ_２に注入される不活性ガスの存在も閉塞の危険性を制限することを可能にする。

この不活性ガスは存在する化学種だけでなく調節デバイス（フロー調節バルブ、本発明特有の注入器など）にも不活性でなければならない。不活性ガスとして、利用できる液体二酸化炭素の一部の蒸発によって生じ、低温膨張デバイスの上流で抜き出される二酸化炭素を使用することは特に好都合である。ＣＯ_２は新たな化学種を導入しないので、それは拡大解釈すれば不活性ガスとしてもみなせることに気付くであろう。

注入される二酸化炭素の量は好ましくは達成すべき物理的または化学的パラメータの設定値に関連して調節され、このパラメータの測定は、注入点から下流で気体媒体中において行われる。従って、本発明の可変流低温バルブはこの設定値に関して制御される。

さらに、異常の場合、例えば処理すべき気体媒体において圧力が高すぎる場合、そこでの温度が低すぎる場合、または主要パラメータと考えられる他のパラメータが警告閾値を超えた場合に、液体ＣＯ_２の供給を遮断するために、オン／オフ型の安全低温バルブを可変流低温バルブの上流に配置することもできる。設備のオペレータがこのバルブを制御することもできる。可変流低温バルブへの供給が遮断されたとき、不活性ガスのわずかな流れを維持することによって、デバイスの弱い構成要素が保護される。

他の特徴によると、本発明は液体二酸化炭素からの二酸化炭素でガス流を富化する方法に関する。

特定の実施形態によると、それは以下の工程：
−直接膨張デバイスによって、液体二酸化炭素を二相“気体＋固体”二酸化炭素に変換する工程と；
−富化すべきガス流を収容するチャンバの壁を貫通した注入器を用いて、生成した二相二酸化炭素を富化すべきガス流に注入する工程と；
を含み、
かつ直接膨張デバイスと注入器との間で不活性ガスを二酸化炭素に注入する工程を含む。

また、本発明は先に定義した方法の１つを実行するための二酸化炭素注入デバイスに関し、これは：
−可変流膨張バルブ（液体二酸化炭素が供給されるように設計されている）、およびチャンバの壁を貫通し気体媒体のコアに達している対応する注入器と；
−上部において膨張バルブの排出器に接続され（膨張バルブは可変流バルブであると理解される）、側部でガス供給に接続され、かつ下部において壁を貫通した注入器に接続されるＴ継手と；
−膨張バルブに液体ＣＯ_２を供給する手段と；
−Ｔ継手に不活性ガスを供給する手段と
を含むことを特徴とする。

賢明には前記注入器の末端は：
−二相ＣＯ_２を部分的に並流で、部分的に向流でガス流に分配する二つの傾斜を有する偏向板と；
−ガス流の移送軸に分配するように配置された、二相ＣＯ_２を排出するための２つの排気孔
からなる。

好ましくは、前記注入器は前記チャンバの幅の半分と等しい長さにわたって前記チャンバに入っている。そして、好ましい変形によれば、前記デバイスは、低温膨張デバイスの上流で、注入デバイスに不活性ガスを供給するために、利用できる液体二酸化炭素の一部を抜き出して気化させる手段を含む。したがって、このデバイスは、単一の二酸化炭素供給源に接続して作動することができる。また、適用サイトに存在する不活性ガス、または圧縮空気を使用することも可能であり、不活性ガスは得られる混合物の挙動を改変してはならず、装置に対して禁忌であってはならないことが理解される。

本発明を実行する１つの方法を非限定的な例として示す。この例は本発明によるデバイスの概略図である図１、および本発明による注入器の例を表す図２および図２Ａによって説明される。図２Ａは図２の注入器の先端のＡＡ軸に沿う断面図である。

注入デバイス１は、チャンバ３への加圧のもとで移送状態にある気体媒体２に“気体＋液体”二相二酸化炭素を、そしてこれを二酸化炭素貯蔵タンク４から、供給するように設計されている。タンク中では、液体二酸化炭素は１４×１０^６から２０×１０^６Ｐａの間（すなわち１４から２０ｂａｒの間）の圧力、および−３５℃から−２０℃の間の温度で貯蔵されている。

デバイス１は、タンク４から可変流低温バルブ６へ延びる液体ライン５で形成される液体ＣＯ_２供給ラインを含む。可変流低温バルブ６は、注入点より下流で気体媒体において測定されるパラメータ“Ａ”の調節をもたらす。ステンレス鋼でできたフィルターカートリッジを備えたフィルター７がバルブ６の上流に設置され、パイプラインに存在することがある固体不純物から弁座を保護するために液体二酸化炭素の濾過をもたらす。フィルター７の上流でライン５に挿入されて、オン／オフ型の低温安全弁が配置され、それは制御デバイス９が、制御下にある安全パラメータが閾値を超過したことを検出したときに、バルブ６の低温ＣＯ_２供給を遮断する。膨張低温バルブ（図には示していない）が、安全弁８から下流で、後者が閉じた後に、ラインを保護する。

デバイス１は、この場合気体ＣＯ_２である不活性ガスを供給するためのラインをさらに含む。前記ラインは、順番に、気化器１０、膨張デバイス１１、手動で調節される流れを伴うバルブ１２、伝送器を有するフローメータ１３および逆止弁１４からなる。

Ｔ継手１５は、バルブ６からの出口に位置する排出器からくる二相ＣＯ_２を上部に、かつ不活性ガス（気体ＣＯ_２）を側部に供給され、下部において、二相ＣＯ_２混合物のチャンバ３内の加圧された移送気体媒体２への注入を保証する注入器１６に接続される。

注入器１６は気体媒体を移送するパイプラインの中央にＣＯ_２を移送させる。ＣＯ_２の注入がない場合は、Ｔ継手１５および注入器１６の内部は、少量だが連続的な不活性ガスの流れにより、処理すべき媒体から保護される。

パラメータ“Ａ”を制御−調節するユニットはパラメータ“Ａ”の値を移送パイプラインで測定し、“Ａ”から受けるシグナルもそれに伴う別の安全パラメータ（処理すべき気体媒体の温度および圧力など）から生じるシグナルも（制御デバイス９を通して）処理する。それは、“Ａ”の関数として、可変流低温バルブ６が開かれている量を制御し、パラメータ“Ａ”をその設定値に維持する。それはまた、安全パラメータに影響を及ぼす重大な故障の場合または一部のオペレータに処理の権限を拒否する場合に安全低温バルブ８の閉鎖を制御するだけでなく、操作モード（通常他のバルブと同期する）に従って排気弁の開放または閉鎖を制御する。制御ユニットのこの制御を、参照しないが、ＡＩＴ測定伝送器（“Ａ”パラメータの測定）、ＰＩＴ測定伝送器（気体媒体２中の圧力の測定）およびＴＴ測定伝送器（媒体２の温度の測定）から伝達される情報に基づいて実行する。記載していない他の構成要素、特に承認タイプのバイナリー情報または本方法に特有の他のパラメータをこの制御ユニットに組み込んでもよい。

図２は、より詳細に、本発明による注入器の例を示す。

注入器１６はバルブ６からの出口にある排出器１７からくる二相ＣＯ_２、および気体ＣＯ_２からなる不活性ガスを供給される。この供給はＴ継手１５によりなされ、それは側部入口１８の高さで不活性ＣＯ_２を、上部で１７からくる二相ＣＯ_２を受け取る。断熱材料、例えばポリスルフォンでできた注入器１６は、気体媒体２を移送させるパイプライン３の中央に、“気体＋固体”混合物を導く。

注入器１６は：
−その末端に、二相ＣＯ_２の一部を向流で、他の一部を並流で、循環している気体媒体２に導くように６０°の角を形成する二つの傾斜を持つ偏向板１９と；
−その下部に、移送軸における配置によってその出口をふさぐことなしに、低流速であっても二相ＣＯ_２を排出するための、およびそれを気体媒体の移送軸に分配するための、二つの排出孔２０と
を備えている。

（実施例）
本発明の方法を天然ガスの燃焼による蒸気をＣＯ_２で富化するために実行する。調節すべきパラメータ“Ａ”はこれら蒸気のＣＯ_２含有率である。最初は約８％のＣＯ_２含有率である蒸気を、本発明の方法により、紙製造方法におけるそれらの次の用途のために、１２から１８％の間の含有率に富化する。蒸気流速は約１２０００ｍ^３／時間である。蒸気中で１６％ＣＯ_２に達するように、使用するＣＯ_２の量は約１２００ｍ^３／時間ＣＯ_２（気体等量）である。この方法で富化される蒸気は炭酸カルシウムの製造に特に向いている。

これらの蒸気中の水蒸気の存在は、熱い蒸気と低温源との間の界面のために、特に注入器の開口の領域での、氷の形成の危険性に関する問題を引き起こす。この危険性は不活性乾燥ガスを用いる注入器の持続的な不活性化によってなくなる。

本発明の方法は特に原材料としてＣＯ_２を利用する多くの分野で応用できる。本発明に従って用いられる富化は気体ＣＯ_２を利用しないので、寸法の制約およびそれに関連する不利性がない。

したがって、本発明はそれ自体で汚染物質であるＣＯ_２を含む蒸気を有し、さらに原材料としてＣＯ_２を使用する産業設備に特に適している。

本発明の方法は、移送気体媒体をＣＯ_２で処理することが望まれる場合にも使用することができる。

ＣＯ_２がドープされた蒸気を使用してｐＨ調節を行うことも可能である。

したがって、本発明の方法は、工業的製紙のために炭酸カルシウムを製造するための蒸気のＣＯ_２富化に有利に応用することができる。

記載なし。 記載なし。 記載なし。

Claims (11)

1. 液体二酸化炭素から、チャンバの内部に存在する処理すべき加圧された移送気体媒体に二酸化炭素を注入する方法であって、以下の工程：
   −直接膨張デバイスによって、液体二酸化炭素を二相“気体＋固体”二酸化炭素に変換する工程と；
   −処理すべき加圧された移送気体媒体を収容するチャンバの壁を貫通した注入器を用いて、生成した二相二酸化炭素を処理すべき気体媒体に注入する工程と；
   を含み、かつ
   直接膨張デバイスと注入器との間で不活性ガスを二酸化炭素に注入する工程を含むことを特徴とする方法。
2. 二相二酸化炭素を気体媒体のコアに注入し、部分的に並流で、部分的に向流でガス流に分配するように注入することを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 不活性ガスは利用できる液体二酸化炭素の一部の蒸発によって生じ、低温膨張デバイスの上流で抜き出される二酸化炭素であることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
4. 処理すべき気体媒体に注入される二酸化炭素の量は、注入点から下流で気体媒体中において測定される、達成すべき物理的または化学的パラメータの設定値に関連して調節されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の方法。
5. ガス流を液体二酸化炭素からの二酸化炭素で富化する方法。
6. 以下の工程：
   −直接膨張デバイスによって、液体二酸化炭素を二相“気体−固体”二酸化炭素に変換する工程と；
   −富化すべきガス流を収容するチャンバの壁を貫通した注入器を用いて、生成した二相二酸化炭素を富化すべき前記ガス流に注入する工程と；
   を含み、
   かつ直接膨張デバイスと注入器との間で不活性ガスを二酸化炭素に注入する工程を含むことを特徴とする請求項５記載の方法。
7. −可変流膨張バルブ、およびチャンバの壁を貫通し気体媒体のコアに達している対応する注入器と；
   −上部において膨張バルブの排出器に接続され、側部でガス供給に接続され、かつ下部において壁を貫通した注入器に接続されるＴ継手と；
   −膨張バルブに液体ＣＯ_２を供給する手段と；
   −Ｔ継手に不活性ガスを供給する手段と
   を含むことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の方法を実行するための二酸化炭素注入デバイス。
8. 前記注入器の末端は：
   −二相ＣＯ_２を部分的に並流で、部分的に向流でガス流に分配する二つの傾斜を有する偏向板と；
   −ガス流の移送軸に分配するように配置された、二相ＣＯ_２を排出するための２つの排気孔
   からなることを特徴とする請求項７記載のデバイス。
9. 注入器は前記チャンバの幅の半分と等しい長さにわたってチャンバに入っていることを特徴とする請求項７または８記載のデバイス。
10. 低温膨張デバイスの上流で、注入デバイスに不活性ガスを供給するために、利用できる液体二酸化炭素の一部を抜き出して気化させる手段を含むことを特徴とする請求項７から９のいずれか１項記載のデバイス。
11. 炭酸カルシウムを製造するための、請求項５または６記載の方法の応用。

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