JP2012521277A - 高圧液体を用いる工程のための効率的な方法 - Google Patents

Abstract

流れの間で圧力移動を用いることにより様々な工程をより効率的に実行する方法。これらの方法は、析出反応器（１９）、地下空間（４９）温度制御システム、および発熱を伴う化学処理器（７１）を含む広い範囲の処理と組み合わせて用いるのに応用可能である。等圧回転式圧力交換ユニット（２９、５５、８１）が使用されることが好ましい。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、参照によりその開示を本明細書に組み込む２００９年３月２０日出願の米国仮出願第６１／１６１，９７７号明細書の優先権を主張する。

本発明は、圧力析出（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ）、高圧液体流を冷却するようなことにより高温工程を制御すること、および地下空間に液体を効率的に供給し使用することを伴うものなど、様々な高圧動作、または高圧液体を用いる工程をより効率的に実行する方法に関する。

ポンプを駆動して液体に加圧するための動力のコストが全世界にわたって絶えず上昇しているので、高圧液体を伴う工程の方法をより効率的に実施して、このようにコストがかかる電気エネルギーを節約できるかどうかを調査することが重要になってきた。より効率的に動作できるよう大幅に修正することが可能な高圧液体の使用法を伴う、いくつかの工程があることが分かってきた。

米国特許第５，９２５，７３７号明細書 米国特許第６，５６２，９５２号明細書 米国特許第５，３３８，１５８号明細書 米国特許第６，６５９，７３１号明細書

高圧液体中に存在する高圧エネルギーを慎重に保存することによって、このような液体を伴う、より効率的に実施することができる様々な方法および／またはプロセスがあることが分かってきた。このような保存の要点は、高圧を一方の液体流からもう一方まで、高圧流の圧力を消散させることなく移すことができるエネルギー回収デバイスを使用することにある。

特定の一態様では、本発明は、高圧析出を効率的に行う方法を提供し、この方法は、
（ａ）溶解した溶質またはコロイド懸濁液を有する供給流を供給するステップと、
（ｂ）前記供給流の圧力を少なくとも約５００ｐｓｉ（３４４８０００Ｐａ）（３５バール）まで引き上げるステップと、
（ｃ）ステップ（ｂ）の前記高圧流を反応器に移すステップと、
（ｄ）前記高圧流を前記反応器内で処理して析出物を形成させるステップと、
（ｅ）前記反応器内の、前記高圧の取り出された前記流れを、ステップ（ａ）で供給された前記供給流と交換することにより高圧を維持しながら、溶質が枯渇した、またはコロイド懸濁液が枯渇した流れを、前記反応器から引き出して、前記加圧するステップ（ｂ）の主要部を実施するステップと、
（ｆ）前記析出物を前記高圧液体から分離するステップとを含む。

別の特定の態様では、本発明は、地下鉱山まで効率的に水を送り出し、それを地表に取り戻す方法を提供し、この方法は、
液体の源を用意するステップと、
前記液体が下降して流れる重力流を生じさせて、冷却が必要な少なくとも地下１０００フィート（３０５メートル）の鉱山に入れるステップと、
前記液体流の圧力をほぼ大気圧まで低減するステップと、
前記大気圧の液体流を前記鉱山内で利用するステップと、
使用された液体流の圧力を、その圧力を下方に流れる液体流の圧力と交換することによって増大させるステップと、
前記再加圧され使用された液体流を地表まで返すステップとを含む。

別の特定の態様では、本発明は、高圧流の温度を効率的に調整する方法を提供し、この方法は、
ほぼ同じ圧力に保持しながら加熱または冷却されることが望ましい、少なくとも約５００ｐｓｉ（３４４８０００Ｐａ）（３４バール）の高圧液体の第１の流れを供給するステップと、
前記第１の高温液体流を低圧動作用に設計された熱交換器に通して流すステップであって、熱交換器が、（１）前記第１の流れを冷却して少なくとも約５０°Ｆ（１０℃）低い温度を有する第２の冷たい液体流を生じさせる目的で、冷たい流体に直接入る熱を排斥する、または（２）前記第１の流れを加熱して少なくとも約５０°Ｆ（１０℃）高い温度を有する第２の暖かい液体流を生じさせる目的で、暖かい流体から熱を吸収する、ステップと、
熱交換器に第１の高温液体流が入る前に、高圧の前記第１の液体流を熱交換器から出る第２の液体流と交換して、減圧された第１の液体流および再加圧された第２の液体流を生成するステップと、
前記再加圧された第２の液体流を、前記第１の流れが出て行ったときのおおよその圧力で前記反応器まで返すステップとを含む。

化学的および／または物理的反応を高圧で効率的に実行する方法を示す概略図である。 操業鉱山などの地下空間で、例えば環境を効率的に冷却するために地表水の液体流を効率的に使用する方法を示す概略図である。 例えば発熱を伴う化学プロセスの制御のために液体流の圧力をほぼ同じに維持しながら、高温流をその温度が低下するように効率的に冷却する方法を示す概略図である。

例えば少なくとも約５００ｐｓｉ（３４４８０００Ｐａ）（３５バール）の圧力、具体的には約８００ｐｓｉ（５５１６０００Ｐａ）（５５バール）を超える圧力である超大気圧でより効率的に作用する、様々な化学および／または物理プロセスがあることが知られている。本出願の目的では、圧力は、特に指示がない限り「ゲージ」圧、すなわち大気圧を超える量を表すと理解されたい。これらの中には、タンパク質の処理にかかわるものもあるが、他は、溶解した溶質またはコロイド懸濁液を含有する液体流からの金属の析出に関係する。例えば、タンパク質の分野では、インスリンおよびアルブミンの溶液を有機溶液中で、例えば１０００〜２０００ｐｓｉゲージ（６８９５０００〜１３７９００００Ｐａゲージ）の高圧で処理して所望の微粒子を生成すると有利である。また、乳清の水溶液を二酸化炭素と共に高圧で処理して乳清タンパク質を分画し、それらの沈殿を生じさせることも知られている。一般に圧力析出と呼ばれてきた技法を用いて、水素および／または硫黄含有ガスと共に処理することによって高圧下で効率的に析出させることができる、金属イオンの溶液の処理法が多数ある。また、酸または同様のものを用いて鉱石または他の原材料のコロイド懸濁液を処理して、圧力浸出と呼ばれる技法のもとで金属の析出を生じさせることも知られている。

図１は、圧力析出の一種の例示的な工程の概略図である。大気圧で低圧給水ポンプ１３に供給するための液体の槽１１の概略図が示されている。ポンプからの放出物は分割され、最初に小さな高圧ポンプ１５に供給するために使用され、高圧ポンプ１５は、液体を反応器１９の入口１７に送り出すために使用されて反応器１９を高圧液体で満たし、そこで処理が行われる。反応物は、超大気圧の二酸化炭素を含むことができるライン２１を通して任意選択で反応器１９に供給される。処理が十分に進んで析出が生じた後、出口ライン２３を通して流れを引き出し、任意選択で分離器２５に送り出し、流れが高圧である間、そこで粒状析出物を除去することができる。このようなプロセスの例には、特許文献１および特許文献２に示されているものが含まれる。

反応器１９からの高圧液体流は、図１のエネルギー回収ユニット２９の右側端部に入る入口ライン２７に供給される。特許文献３および特許文献４に示されているものなど、回転式エネルギー回収ユニットが好ましいことがあるが、Ｃａｌｄｅｒ ＡＧから市販されているＤｗｅｅｒエネルギー回収デバイスなど、当技術分野で知られている他の種類のこのような等圧デバイスを使用することもできる。低圧ポンプ１３はまた、低圧供給液体流をエネルギー回収ユニット２９の反対側端部の入口３１に供給する。好ましいエネルギー回収ユニットは、どんな補助モータ駆動も用いずに動作し、反応器を出る高圧出口流の圧力を、低圧ポンプ１３によって入口３１に供給される供給原料流に移す。こうして移した結果、高圧供給流が、反応器１９を出る流れの圧力の例えば約９７％になる圧力で、ユニット２９の左側端部の出口３３を出ることになる。循環ポンプ３５が、エネルギー回収ユニットを出る液体を引き込み、この流れを反応器の入口１７に供給する際のライン損失を克服する。システムが動作している限り、処理されている液体のほぼ全部の流れは、エネルギー回収ユニット２９によって加圧され、高圧ポンプ１５は、たとえ動作したとしても少ししか動作しない。反応器を出てからその高圧をエネルギー回収ユニット２９に移動した液体流は、ユニットの右側端部の出口３７を通って出て行き、任意選択で分離器３９に供給されることが、特に分離器が反応器１９とエネルギー回収ユニット２９の間のラインに含まれていない場合にありうる。一部のプロセスでは、出口流が高圧である間、粒状析出物を微粒子として分離することができるが、他のプロセスでは、圧力低下の後で析出物を分離する方がより効率的である。任意選択の分離器３９からの液体排出の処置は、当該のプロセスに応じて、供給液体槽１１へのリサイクル流４１としての部分的な返還とすることができ、またはそうしないで、別のプロセスステップにつながるライン４３の中にすべて導くこともできる。

図２に、地下空間を効率的に冷却する例示的な工程が概略的に示されている。この地下空間では、地下の相当な距離、例えば約１０００フィート（３０５メートル）のところの地球の熱、およびモータなどによって発生する熱のために温度が快適レベルを超えて上昇することになり、冷却が必要になる。加えて、地下鉱山では他にも洗浄、清掃などのために水が必要とされ、この場合、使用された水流はまた、地表に返す必要もある。前記地下空間の冷却は、例えば、簡単な低圧ポンプ４５を介して注入される冷水流の供給によって効率的に行うことができ、低圧ポンプ４５は、おそらく２，３００フィート（７５０メートル）以上下向きに操業地下鉱山４９まで通じている下向流ライン４７を満たす。冷液体流は、例えば適切なレベルの鉱山の大気が全体にわたって循環する大きな表面領域を備えたものである熱交換器５１に供給される前に、前述したものと同様のエネルギー回収ユニット５５の高圧入口５３に供給される。このユニット内で、圧力は、約７５０ｐｓｉ（５１７２０００Ｐａ）（５２バール）からほぼ大気圧まで低下させることができ、次に、ユニットの低圧出口５７から熱交換器５１に供給される。熱交換器５１は、高圧液体を収容するようにも、それを用いて動作するようにも構成する必要がないので、非常に低コストで作ることができ、ずっと薄い壁による優れた熱伝達のために高い効率がもたらされる。次に、熱交換器５１からの加熱された液体の出口流５９は、エネルギー伝達ユニット５５の反対側端部まで返され、そこで低圧入口６１を通って入り、その圧力は、下降流がユニットの左側端部の入口パイプ５３に入ったときの圧力近くまで引き上げられる。ユニット５５を介していくらか少量の高圧液体の潤滑漏洩があるので、小さな注入ポンプ６３が設けられて、図示のようにエネルギー回収ユニットをバイパスすることによって、わずかの付加的な量の低圧液体を供給する。このようにして、下降流の圧力の約９７％が回収され、これは、今はもう暖かい液体を地表に返すのに十分である。下向流ラインおよび上向流ラインにおける約９０ｐｓｉ（６２０６００Ｐａ）（６バール）のライン損失は、地表ポンプ４５から供給される圧力で都合よく克服できる可能性がある。別法として、ライン損失は、地上レベルで都合よく配置できる吸引ポンプ６５を上向流ライン中に備えて補償することもできる。

全体工程の検討により、地下空間における冷却液または洗浄液を効果的に使用することは、この総合的な方法によって非常に経済的に実現されることが示された。地表レベル液体が操業鉱山レベルまで下降する重力流が利用され、ここで重力流は、低圧熱交換デバイス内で大気から熱を吸収するために最も効率的に使用され、この低圧熱交換デバイスは、重力流の圧力を根本的に低減することによって可能になり、または他の動作の目的に使用される。重要なことには、そのようなエネルギー回収デバイスの戦略的配置の結果、低圧熱交換デバイスを利用するためのこのような圧力の低減は、使用された液体流を地表まで返すのに必要なエネルギーのほぼ全部を供給するような方法で行われる。地表ポンプおよび注入ポンプ６３によって最小限の量のエネルギーしか消費する必要がないので、補助伝動機構を必要としないエネルギー回収ユニットが利用される場合には特に、全体の状況が極めて好都合なものになることが分かる。例えば、非常に効率的な地下施設の冷却が、単に液体の冷却流を地表レベルの入口点を通して供給し、その流れを地表に返すのに必要な圧力水頭の約１％を供給するように地表ポンプ４５を駆動することによって実現される。

図３は、入力流７３が供給される反応器７１などの中で進行する高圧プロセスを概略的に示す。このプロセスは、液体材料の圧力低下ではなく温度低下が必要なものである。このような例の１つには、本質的に大きな発熱が伴い、そのため反応を制御しておくには冷却が必要な化学プロセスがある。他の吸熱性のプロセスでは、そうしないで熱を供給することが望ましいこともある。様々な冷却または加熱の方法を使用することができるが、図３は、先にちょうど論じた種類の低圧熱交換器７５を利用した特に経済的な構成を示す。こうしたものでは、資本コスト節減と、より効率的な熱交換の両方が実現する。冷却応用例が示されており、高圧高温の液体の側留７７が主処理容器７１から出口を通して取り出され、高圧入口７９まで送り出されてエネルギー回収ユニット８１に入る。このようなユニットの構造は、液体の流れの流入および流出が効果的に圧力交換を推進し、そのため外部動力源が不要になるようなものである。さらに、処理器７１を出るライン７７には大きな圧力低下がなく、そのため処理チャンバ内に所望の高圧が維持され、高圧のどんな消散も回避される。エネルギー回収ユニット８１では、高温側留の圧力は、ユニットの反対側端部に入る液体流に移され、それによってその圧力が、他方の端部にその流れが入るときの圧力まで実質的に低下する。例えば、約１０００ｐｓｉ（６８９５０００Ｐａ）（６９バール）で主容器７１を出る高温流は、低圧熱交換器７５につながるユニット８１の出口８３で、その圧力を大気圧のほんの上まで、例えば約１０ｐｓｉ（６８９５０Ｐａ）（０．７バール）まで、低下させることできる。このような大きい表面積の交換器は、経済的に構築して比較的低い圧力の液体に対処することができ、流れの温度は、例えば約４００°Ｆ（２０４℃）から約１００°Ｆ（３８℃）まて、大気、もしくは熱交換器設計によって決まる他の任意の利用可能なガスまたは液体との熱交換によって効率的に降下させることができる。加熱応用例では、少なくとも約５０°Ｆ（１０℃）の適切な温度上昇を効率的に生じさせることができ、温度上昇がより大きいと節約がさらに大きくなりうることを理解されたい。熱交換器の出口ライン８５は、エネルギー回収ユニット８１の他方の端部で低圧入口導管８７に接続される。小型ポンプ８９は、熱交換器によるライン損失を補償するために、このラインに含まれることが好ましい。

エネルギー回収ユニット８１では、今はもう冷却された液体流が、入口導管７９に入る容器７１からの元の高温出口流７７の圧力の約９７％に等しい数値まで戻される。回転式エネルギー回収ユニット８１の高圧出口９１は、主容器７１の側面入口に接続されて流れをそこに返し、循環ポンプ９３は、このライン９５中に設けられてエネルギー回収ユニットから出る流体を引き出し、この返りの流れを主容器まで送り出し、ここでは返ってくる冷たい側留が容器内の液体と混合し、所望の温度制御が行われる。小型ポンプ９７もまた、ユニット８１の高圧側面からの潤滑漏洩に対処するために組み込まれる。高圧出口流９９は、ほぼ所望の目標とされた温度で容器７１を出る。

全体として、このような構成により、反応区域内の所望の反応温度を経済的および効率的に維持し、または単純に徹底的に製品流の温度を低減させる一方で、製品流の高圧を、それが全体工程の別の箇所に移されるように維持する、極めて効果的な方法が得られることが分かる。節減が、資本コストが極めて低く動作効率が大きい低圧熱交換器を利用する能力によるだけでなく、このような冷却を行うためのポンプ動力の必要性を最小限にすることによってもたらされる。

本発明は、特定の好ましい実施形態に関して説明してきたが、当業者には明らかであるように、添付の特許請求の範囲に示された本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更および修正を加えることができることを理解されたい。

Claims (20)

1. 高圧析出を効率的に行う方法であって、
   （ａ）溶解した溶質またはコロイド懸濁液を有する供給流を供給するステップと、
   （ｂ）前記供給流の圧力を少なくとも約５００ｐｓｉ（３４４８０００Ｐａ）（３５バール）まで引き上げるステップと、
   （ｃ）ステップ（ｂ）の前記高圧流を反応器に移すステップと、
   （ｄ）前記高圧流を前記反応器内で処理して析出物を形成させるステップと、
   （ｅ）前記反応器内の、前記高圧の取り出された前記流れを、ステップ（ａ）で供給された前記供給流と交換することにより高圧を維持しながら、溶質が枯渇した、またはコロイド懸濁液が枯渇した流れを、前記反応器から引き出して、前記加圧するステップ（ｂ）の主要部を実施するステップと、
   （ｆ）前記析出物を前記高圧液体から分離するステップと
   を含むことを特徴とする、方法。
2. 前記分離するステップが、前記圧力交換するステップの前に実行されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記分離するステップが、前記圧力交換するステップの後に実行されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記圧力交換するステップが、等圧回転式圧力交換ユニット内で行われることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記供給流が、溶解したタンパク質を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記高圧流が二酸化炭素と共に前記反応器内で処理されて析出物を形成することを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記圧力交換するステップが等圧回転式圧力交換ユニット内で行われることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記供給流が金属イオンを含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記高圧流が、不溶解性の金属硫化物を形成させる硫黄含有化合物と共に前記反応器内で処理されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記圧力交換するステップが、等圧回転式圧力交換ユニット内で行われることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 地下鉱山まで効率的に水を送り出し、それを地表へと取り戻す方法であって、
    液体の源を用意するステップと、
    前記液体が下降して流れる重力流を生じさせて、冷却が必要な少なくとも地下１０００フィート（３０５メートル）の鉱山に入れるステップと、
    前記液体流の圧力をほぼ大気圧まで低減するステップと、
    前記大気圧の液体流を前記鉱山内で利用するステップと、
    前記使用された液体流の圧力を、その圧力を前記下方に流れる液体流の圧力と交換することによって、増大させるステップと、
    前記再加圧され使用された液体流を地表まで返すステップと
    を含むことを特徴とする、方法。
12. 前記圧力交換するステップを終えた前記減圧された液体流が、温度が少なくとも約１００°Ｆ（３８℃）上昇した低圧熱交換器を通って流れて加熱された液体流が生じ、これが次に再加圧され地表に返されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記第１の液体が大気圧で清掃作業に使用されて前記使用された液体流を生じさせることを特徴とする請求項１１または１２に記載の方法。
14. 前記圧力交換するステップが等圧回転式エネルギー回収ユニット内で行われることを特徴とする請求項１１または１２に記載の方法。
15. 高圧流の温度を効率的に調整する方法であって、
    ほぼ同じ圧力に保持しながら加熱または冷却されることが望ましい、少なくとも約５００ｐｓｉ（３４４８０００Ｐａ）（３４バール）の高圧液体の第１の流れを供給するステップと、
    前記第１の高温液体流を低圧動作用に設計された熱交換器に通し、これが（１）前記第１の流れを冷却して少なくとも約５０°Ｆ（１０℃）低い温度を有する第２の冷たい液体流を生じさせる目的で、冷たい流体に直接入る熱を排斥するか、または（２）前記第１の流れを加熱して少なくとも約５０°Ｆ（１０℃）高い温度を有する第２の暖かい液体流を生じさせる目的で、暖かい流体から熱を吸収する、ステップと、
    前記熱交換器へのその流入の前に、高圧の前記第１の液体流を前記熱交換器から出る前記第２の液体流と交換して、減圧された第１の液体流および再加圧された第２の液体流を生成するステップと、
    前記再加圧された第２の液体流を、前記第１の流れが出て行ったときのおおよその圧力で前記反応器まで返すステップと
    を含むことを特徴とする、方法。
16. 前記第１の高圧流が処理反応器から除去され、前記第２の流れがプロセス反応器に返されることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記第１の高圧流の温度が下げられることを特徴とする請求項１５または１６に記載の方法。
18. 前記圧力交換するステップが、等圧回転式エネルギー回収ユニット内で行われることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. 前記第１の高圧力流の温度が上げられることを特徴とする請求項１５または１６に記載の方法。
20. 前記圧力交換するステップが、等圧回転式エネルギー回収ユニット内で行われることを特徴とする請求項１９に記載の方法。

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