JP2014050842A - 液−液混合物を分離する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スペースの必要性や遅い分離速度を克服し、効率よく液と液とを分離する液−液混合物を分離する方法を提供すること。
【解決手段】液−液混合物を容器のチャンバに供給し、液−液混合物は重い成分と軽い成分を有し、容器は入口、軽い成分の出口、重い成分の出口、軽い成分の出口を通る軽い成分の流れを調節する第１の弁、および重い成分の出口を通る重い成分の流れを調節する第２の弁を含み、容器を、重い成分が回転軸線から半径方向外方に容器の周囲壁に対して集まり、軽い成分が半径軸線に向って集まるように、流体混合物が前記チャンバ内に供給されるように、容器を通り延在する回転軸線の回りに回転させ、第１の弁を、軽い成分が第１の圧力で排出するように設定し、第２の弁を、重い成分が第２の圧力で排出するように設定し、第２の圧力は、重い成分と軽い成分との間の境界線が回転軸線からある半径距離でチャンバ内に得られるように第１の圧力と異ならせる。
【選択図】図８

Description

本発明は、有機及び無機物質で汚染された水を処理するための液−液混合物を分離する方法に関する。一実施形態においては、本発明は、高速度で固体と液体とを分離する回転圧力容器に関する。別の実施形態においては、本発明は、激しい負荷の乱れに対処可能な液−液分離方法に関する。

水の浄化は、飲料水と産業用水の両者を得るために追求されている古くからの行為である。工業化の進展に伴って、産業用水の使用は一般的に環境への汚染された水の排出を伴うために、水の浄化は新たな重要性を持ってきた。環境への関心が高まって来るにつれ、環境に排出される水は益々高い基準に従うようになってきた。こうして、溶解している汚染物質及び粒子状汚染物質の両方を実質的に減らす水処理方法を見出すための努力が行われてきた。

水の浄化の一つの態様は、時間がかかり及び／又は沢山の装置を要するが、液体−固体の分離である。古くは、粒子を含んだ大量の水が静止状態に保たれる沈殿池や沈降濃縮機が使用されていた。ストークス流の状態であっても、混合物に作用する重力によって粒子は液体から分離するであろう。

沈降濃縮機を使用する場合の一つの欠点は、或る程度の流量を得るには非常に大型の装置を使用する必要があることである。したがって、水の浄化システムが大型にならざるを得ないことの多い立て込んだ市街地領域では、これの使用は実用的ではない。結果として、沈降濃縮機は、粒子を含んだ液体を沈降濃縮機の中心に連続的に流し込んで、清浄化された上澄み液と濃縮されたスラッジとを作るのに開発されてきた。沈降濃縮機の底から出ていく濃縮されたスラッジは、この降濃縮機に供給される全水量の１０％から３０％に達する水を含んでいる。

従来の沈降濃縮機は、高速式沈降濃縮機の出現によってここ十年程の間に改良された。この高速式沈降濃縮機は、底流物質の泥ラインの下にまで延在している中心の供給縦穴を有する。したがって、この沈降濃縮機に入ってくるすべての水は、フィルタ媒体として作用するスラッジを必ず通過する。スラッジをフィルタとして使用することによって固体−液体の分離の速度が増加するが、従来の沈降濃縮機のそれよりも僅かに上回るに過ぎない。その上、高速式沈降濃縮機は非常に大きくなければならず、その結果、大きな占有面積を有し、多くの場合にその使用が実用的でない。

この技術において求められているものは、従来技術で経験したようなスペースの必要性や遅い固−液分離速度を克服する粒子含有液の浄化システムである。このような装置、システム及び方法がここに開示され、請求されている。

分離のもう一つの態様は、機械工場や列車、バス等の洗車場における汚水溜めからオイルと水とを分離するための液−液分離システムを含む。他の液−液分離システムは、オイルと水を分離する必要のある食品工業で使用される。従来技術の問題点の一つは、分離器へのオイル／水の供給比率のバランスを乱す、浄化作用の際のオイルや水のサージ等の負荷の変動の影響である。分離器は一方の成分が間違った方の出口流に入ることを防ぐように制御されてはいるものの、一方又は他方の成分の破局的なサージは制御不能である。

液−液分離システムに対する別の試みは、約５％以下の密度の差を有する二つの不混和性の液体同士を分離することにある。密度が近いので、分離は益々難しくなる。

この技術において求められているものは、従来技術の問題点を解決する液−液分離方法である。

よって、本発明の液−液混合物を分離する方法は、液−液混合物を容器のチャンバに供給し、液−液混合物は重い成分と軽い成分を有し、容器は入口、軽い成分の出口、重い成分の出口、軽い成分の出口を通る軽い成分の流れを調節する第１の弁、および重い成分の出口を通る重い成分の流れを調節する第２の弁を含み、容器を、重い成分が回転軸線から半径方向外方に容器の周囲壁に対して集まり、軽い成分が半径軸線に向って集まるように、流体混合物が前記チャンバ内に供給されるように、容器を通り延在する回転軸線の回りに回転させ、第１の弁を、軽い成分が第１の圧力で排出するように設定し、第２の弁を、重い成分が第２の圧力で排出するように設定し、第２の圧力は、重い成分と軽い成分との間の境界線が回転軸線からある半径距離でチャンバ内に得られるように第１の圧力と異なる、ことを特徴とする。

本発明の液−液混合物を分離する方法は、スペースの必要性や遅い分離速度を克服し、効率よく液と液とを分離することができる。

本発明の固−液分離器を用いるプロセスの概要のブロックダイアグラムである。 本発明の固−液分離器の一実施形態の斜視図である。 本発明の固−液分離器の一実施形態の断面図である。 図３の線４Ａ−４Ａに沿う断面図である。 図３の線４Ｂ−４Ｂに沿う断面図である。 本発明の固−液分離器の一実施形態の容器内部の部分的組立体の斜視図であり、フィンおよびディスク組立体の一部分を見せている。 図３に示された固−液分離器の容器内部の部分的組立体の斜視図であり、フィンおよびディスク組立体のより完全な部分を見せている。 本発明の固−液分離器に利用され得るフィンの実施形態および代替のフィンの実施形態の平面図である。 本発明の固−液分離器に利用され得るフィンの実施形態および代替のフィンの実施形態の平面図である。 本発明の固−液分離器に利用され得るフィンの実施形態および代替のフィンの実施形態の平面図である。 図３に示された固−液分離器の容器内部の部分的組立体の斜視図であり、完成されたフィンおよびディスク組立体を見せている。 図３の線９−９に沿う立断面図である。 図３に示された固−液分離器の断面図であり、作動中の固−液分離器を示している。 本発明の液−液分離器の一実施形態の断面図である。 図１１に示された液−液分離器の容器内部の部分的組立体の斜視図であり、フィンおよび孔明きディスク組立体の一部分を見せている。 液−液分離器に入り且つ出る液流を制御する弁組立体の一実施形態を示すブロックダイアグラムである。 液−液分離器に入り且つ出る液流を制御する弁組立体の他の実施形態を示すブロックダイアグラムである。 ハイドロサイクロンと関係して液−液分離器を用いる本発明のプロセスの概要のブロックダイアグラムである。 分離器の代替の実施形態の断面図であり、球形の圧力容器が二重截頭円錐形圧力容器に置き換えられている。 図１６に示された分離器の容器内部の部分的組立体の斜視図である。

本発明は液−液分離方法に関する。圧力容器は球形または複合された截頭円錐形のような代わりの形態を有してもよい。圧力容器の両端は、容器を通って延在する長手方向すなわち回転軸線回りに急速に回転され得るように、取り付けられている。容器の一端には、流体混合物が圧力容器内に圧送される入口チャンネルが設けられている。容器の他端には、流体混合物の選択部分が容器を出る出口チャンネルが設けられている。

本発明の第１の実施の形態では、液−液分離方法は、粒子状物質を液体から分離すべくデザインされている。この実施の形態では、複数のフィンが圧力容器内に配置されている。フィンは、長手方向軸線に平行に配列され、長手方向軸線から半径方向外方に突出している。各フィンの少なくとも一部は容器の壁に近接して配置され、その結果、フィンが容器の壁と相互に作用して容器を通って長手方向に延在する複数の個別の流れチャンネルを形成している。

長手方向軸線にほぼ直交して整列され長手方向軸線から半径方向外方に突出しているのは、離間された複数のディスクである。ディスクは、流れチャンネルを部分的に遮るようにフィンと交差している。ディスクは流体の流れを容器の長手方向軸線から離す方向および容器の壁に沿う方向に向ける。ディスクは、圧力容器の外壁までずっとは延在せず、ディスクの周囲と圧力容器の壁との間に流路を残している。

ディスクおよびフィンは流体流れを方向付けるという役割の他に、それらは互いのための構造的支持を提供している。ディスクおよびフィンは各々、対応するスロットを備えて形状付けられており、これにより各フィンは各ディスクにぴったりと係合し、組立てを容易とし、互いの構造的支持を提供する。よって、ディスクおよびフィンは互いのための支柱として作用するのみならず流れ変換体として機能する。

一つの実施形態では、長手方向軸線を取り囲んでいる最大直径において、下側流路は選択流れチャンネル間に延在している。下側流路は、フィンの端部を切り取るか、フィンの外縁に、またはそれに沿った所望の位置に孔または他のオリフィスを設けることにより形成される。以下に論ずるように、下側流路は分離された粒子成分が圧力容器から抽出されるように、隣接する流れチャンネル間を流れるのを可能にする。

容器の長手方向軸線に沿って配置されているのは排出チューブである。この排出チューブは、容器内に中心付けられて配置された入口端部と容器の外部と流体連結された出口端部とを有している。長手方向軸線から半径方向外方に突出しているのは複数の抽出チューブである。各抽出チューブは、排出チューブの入口端部に流体連結された第１の端部と容器の壁から短い距離に配置された反対の第２の端部を有している。各抽出チューブの第２の端部は対応する流れチャンネル内に配置されている。一つの実施形態では、各流れチャンネルに対して一つの抽出チューブが存在する。代替的な実施形態では、２つ以上の流れチャンネルに対して一つの抽出チューブのみが存在してもよい。この後者の実施形態では、下側流路が、抽出チューブを有さない流れチャンネルと抽出チューブが配置されている流れチャンネルとの間の流体連通をもたらすべく、用いられている。

固−液分離器の運転中、粒子状物質を包含している液体は入口チャンネルを通して回転容器内に圧送される。液体が容器に入ると、液体は半径方向のフィンにより画成されている流れチャンネルの一つ内に向けられる。流れチャンネル内にディスクを位置付けることが、液体に容器壁に向う半径方向外方に流れることを強いている。この位置では、液体は回転容器によって発生される最大の遠心力を受ける。加えられた遠心力の結果、液体内のより重い粒子状物質は長手方向軸線を取り囲む容器の最大内径部に流れ、そして集まる。粒子状物質から分離された残りの液体は容器の反対の端部に流れ続ける。浄化された液体は引き続き圧力解放弁により出口チャンネルを通って容器を出る。

典型的には流体スラリーの形態である粒子状物質は抽出チューブを通して容器から除去される。すなわち、粒子状物質は、集められた粒子状物質が抽出チューブの第２の端部の上に上昇するまで容器内に集まることが許される。この点で、排出チューブの出口端部に連結されている弁が開かれる。加圧された容器の内部および周りの環境間の圧力差の結果、粒子状物質は抽出チューブ内に吸い込まれ、それから排出チューブを通って容器を出る。

固−液分離器はまた、圧力容器に導入され得る気体の解放を許すべく形成されている。特に、小さな気体オリフィスが排出チューブの入口端部に形成され、排出チューブと容器との間の流体連通を確立している。さらに、入口チャンネルから排出チューブの気体オリフィスまで延在する気体チャンネルが形成されている。気体チャンネルは容器の長手方向軸線に沿って形成され、そしてフィン間に、およびディスクを通って延在している。運転中、より軽い気体は容器の中心に流れ、そこで気体は気体チャンネルを通過する。粒子状物質の除去を促進すべく弁が開かれたとき、気体はオリフィスを通って排出チューブに入り、粒子状物質と共に出る。代替の実施形態の一つでは、気体は、供給流を市販のニードル弁または流体流から気体を除去すべくデザインされた他の装置を介して通過させることにより、供給流が固−液分離器に入る前に、供給流から除去され得る。

固−液分離器は、隣接するフィン間と回転容器の内壁に対しほぼ静止の固−液分離セル（流れチャンネル）を作り出すのに、特に適している。このように、激しい運搬現象が抵抗され、有機液体、無機液体および懸濁固体の乳化作用が回避される。固−液分離器はまた、固体の粒子物質と共に排出される液体の量を著しく減少させるという点で、従来技術に対し際立った利点を有している。特に、固体の粒子物質の部分として出る、固−液分離器に供給された全水量のパーセントは最小に保たれる。

本発明の第２の実施形態では、分離器システムが液−液分離器を含んでいる。液−液分離器は、オイルと水のような２つ以上の不混和性液体混合物を分離すべくデザインされている。液−液分離器は、上に論じた固−液分離器とほぼ同じである。主たる差別は、ディスクが貫通する複数の孔を有していることである。孔は、種々の液体がディスクの周囲縁部周りを移動しなければならないのに反し、直接にディスクを通過することを可能にする。しかしながら、任意的に、容器の入口チャンネルに最も近いディスクは、容器の周囲に向けられた流れ体制を確立するために中実であってもよい。この実施の形態では、孔明きのディスクは主にフィンを支持すべく機能する。

液−液分離器の運転中、不混和性液体混合物は入口チャンネルを通して回転容器内に圧送される。液体が容器に入ると、液体は半径方向のフィンにより画成されている流れチャンネルの一つに向けられる。流れチャンネル内に第１の中実ディスクを位置付けることが、液体に容器壁に向う半径方向外方に流れることを強いている。加えられた遠心力の結果、より重い液体は長手方向軸線を取り囲む容器の最大内径部に流れ、そして集まる。より軽い液体および包含された気体は容器の中心に流れる。結果として、境界線がより重い液体とより軽い液体との間に形成される。境界線は長手方向軸線から規定された範囲内に選択的に制御される。

容器からの除去の際、より軽い液体および気体は孔明きのディスクを通り、第１の弁を通って出口チャンネルを流出する。気体はより軽い液体と共に出るので、排出チューブに連通する気体オリフィスの必要性はない。より重い液体は抽出チューブを介して抜かれ、第２の弁により排出チューブを通って出る。

液−液分離器は、オイル／水の境界のような境界線を圧力容器の長手方向軸線から好ましい半径距離範囲内に維持する独創的な差圧システムの下に運転される。詳しくは、独創的なシステムは、境界線を所望の範囲内に維持しつつ、圧力容器がオイル／水の混合から１００％オイルまたは１００％水のいずれかに移るような破滅的な負荷変動を取り扱うことを許容する。

本発明の、このようなおよび他の特徴は以下の説明および添付の特許請求の範囲から充分に明らかとなり、または以下に述べられるように本発明の実施によって学習され得よう。

本発明の上述のこと、および他の利点および目的が得られるために、簡単に上述した本発明のより詳しい説明が添付の図面に図解されている特定の実施の形態を参照してなされるであろう。これらの図面は本発明の典型的な実施の形態のみを示し、その範囲を限定すべく考慮されるべきでないことを理解して、本発明が添付の図面の使用を通して追加の特定性と詳細さをもって記述および説明される。

（好適実施形態の詳細な説明）
本発明は、有機及び無機汚染物質を含む粒子状物質によって汚染された水を浄化するためのシステムに関する。本発明はまた、オイル／水の混合物等の不混和性の液体を分離するためのシステムに関する。同様な符号が同様なユニット操作や構造を指している図面を参照して説明を行う。これらの図面は概略的及び／又は模式的なものであり、必ずしも正しい尺度で描かれてはおらず、且つ本発明の要旨や範囲を制限するものではない。

図１は本発明の固−液分離器を使用したプロセスの概略を示すブロック図である。図１に示されているように、固−液分離器１０は種々の他の処理用部材に接続されている。この図には被処理物質の流れである供給流れ１２が描かれている。この供給流れ１２は、オイル、細菌性汚染物、溶解金属や鉱物、及びコロイド状懸濁固体等の汚染物質を含んだ水等の種々の組成物から構成されている。供給流１２は工業施設、動物製品処理設備、下水処理、公共の水処理、石油工業等から発生したものである。

供給流れ１２は、大量の水を貯留する保持タンクとして働くサージタンク１４を満たす。このサージタンク１４は市販されているサージタンク、池、その他の任意の液体保持容器を含んでもよい。流体は、このサージタンク１４から流路１６に沿って、このシステムを詰まらせる恐れのある大き過ぎる粒子を取り除くためのトラッシュストレーナー１８に達する。トラッシュストレーナー１８から出ると、流体は流路２０に沿ってオイル／水分離器２２に流れ込み、ここで水流２６からオイル流２４を分離する。種々のオイル／水分離器を採用可能であるが、一つの実施形態においては、米国特許第5,387,342号、第5,582,724号及び第5,464,536号に開示されている分離器が採用され得、これらの特許はその全開示につき、この参照により本明細書中に組み入れられている。

水流２６は、静電凝固器３２のための供給流３０として、フィルタ水流２８と組み合わされてもよい。静電凝固器３２は、全ての微生物を殺し、不純物のコロイド状懸濁液を破壊し、不純物を凝集させてフロックにすることによって、水を電気的に消毒する作用を行う。このようなシステムは、コロラド州デンバーの Scott Powell Water Systems, Inc. から入手可能である。

凝固した放出流３４は、約１〜５分又はそれよりも長い滞留時間を有する発達タンク３６を満たす。発達タンク内にある間に、フロックの粒子サイズは成長する。発達タンクの放出流３８は本発明の固−液分離器１０を満たす。この固−液分離器１０は、粒子状物質と放出流３８から除去された気体を構成する下側流４０と、浄化された水その他の液体を構成する上側流４２とを発生させる。上側流４２の浄化された水は、直接に又はポストフィルタ４５を経て環境に排出される。下側流４０はフィルタ４６に供給され、そこから濾過水流２８と濾過ケーキ４８が発生する。

一実施形態においては、発達タンク３６の上部に集められた気体と残存オイルはライン４９を通じて直接にフィルタ４６に引き込まれる。オイル／水分離器２２、静電凝固器３２、発達タンク３６、分離器１０及びフィルタ４６は、それぞれ、ポンプを利用すること等によって高圧の下で作動して、このシステムを通じて所望の流れを円滑に行うようにすることができることも明らかである。この圧力を一つ以上の前記構成装置２２、３２、３６、１０、４６において変化させて、流れを所望の方向に制御することができる。

図２には、本発明の固−液分離器１０の一実施形態が示されている。この固−液分離器１０は、モーター６２によって駆動される圧力容器６０を具えている。本発明の固−液分離器は種々のサイズに製作可能であるが、図示の実施形態は約４０リットル／分の処理を行うように構成されている。この実施形態では、２．５馬力、３４４０ＲＰＭの電気モーターが使用可能である。

圧力容器６０はガード６４の中に装着されていることが望ましい。このガード６４は安全機構としての囲い或いはハウジングを提供して、人々や物体を回転する圧力容器６０から離して置くだけのものである。図示の実施形態では、取付けフィン６８を介してガード６４が装着されるフレーム組立体６６が設けられている。勿論、当業者であれば、このガード６４は種々のやり方で構成されてフレーム組立体６６に取付けられることは明らかであろう。

フレーム組立体６６は、更にモーター６２と圧力容器６０を支える軸受構造とに対する支持を提供するように構成されている。固−液分離器１０は入口ライン７２を受け入れるように構成された静止している入口ハウジング７０を具えている。同様に、圧力容器６０の反対端には静止している出口ハウジング７４が設けられ、これに下側流出口ライン７６と上側流出口ライン７８とが取付けられている。

ポンプ８０は放出流３８を受け入れ、この流れ３８を入口ライン７２を通じて固−液分離器１０に提供するのに使用される。ポンプ８０は入口ライン７２において放出流３８を加圧し、固−液分離器１０がこの圧力の下で作動するようにしている。したがって、ポンプ８０は、所望の圧力を維持しながら放出流３８を固−液分離器１０の流速能力で送り出すことが可能でなければならない。一実施形態では、ポンプ８０は放出流３８を約３psi (2.07 ×104 Pa) と約５００psi (3.45 ×106 Pa) の間、好ましくは約１５psi (1.03 ×105 Pa) と約６０psi (4.14 ×105 Pa) の間の範囲の圧力に維持している。ポンプ８０は約３リットル／分と約１０００リットル／分の間の範囲の流速も発生させる。上述の圧力及び所望の流速を発生させることが可能なすべての市販のポンプ８０は、所望の目的のために機能するであろう。

図３に示されているように、圧力容器６０は、固−液分離器１０の長手方向軸線９０にも一致している回転軸を中心に回転可能に取付けられている。圧力容器６０は、チャンバ９５を仕切っている内面９３を有する周壁９２を具えている。図示の実施形態ではこのチャンバ９５は球状をなしているが、他の形状でも使用可能である。容器６０は軸線９０を中心として回転可能に取付けられているので、圧力容器６０は一般に軸線９０を中心とする回転体を構成している。

更に、必須ではないが圧力容器６０の壁は長手方向軸線９０を取り囲む最大直径を有する赤道９７の方に向かって半径方向外方に傾斜していることが望ましい。このようにして、球状壁９２を有する圧力容器は、有効な耐圧性を有するので一つの望ましい実施形態ではあるが、楕円形、長円形又は対称的な不規則形状等の他の湾曲壁を有する容器も使用可能である。更に、広い方の端同士を固定された二つの円錐台状等の直線形状も使用できる。同様に、縁が円筒形状をなし、中心部が互いに接続された円錐台によって形成された容器も使用できる。他の実施形態では、容器６０は外方に傾斜した壁を持たなくてもよい。例えば、容器６０は円筒状をなし、或いは多角形の横断面を有するものであってもよい。

圧力容器６０は、ステンレス、プラスチック、フィラメント巻き構造、その他の従来からある材料を含む種々の材料で作ることができる。一実施形態では、圧力容器６０は約１psi (6.90 ×103 Pa) と約５００psi (3.45 ×106 Pa) の間、好ましくは約１０psi (6.90 ×104 Pa) と約１００psi (6.90 ×105 Pa) の間の範囲の圧力に耐え得る。図示の実施形態においては、圧力容器６０はステンレスで作られ、製造と構成を容易にするために二つの半体を有している。これら二つの半体は、溶接、ボルト止め、その他の従来からある方法によって、容器６０の赤道９７に継ぎ目が形成されるように固定される。

図３に示されているように、固−液分離器１０は、容器６０にしっかりと装着された入口端９６に駆動シャフト９４を具えている。この駆動シャフト９４は、従来から公知のようにモーター６２（図２）に係合するような形状をなしている。駆動シャフト９４は、入口取付けカラー１００内に固定された中空シャフト９８内に取付けられている。一方、入口取付けカラー１００は、当業者であれば公知のやり方で複数の取付けボルト１０２によって容器６０に固定されている。

こうして、駆動シャフト９４、中空シャフト９８、入口取付けカラー１００はすべて相互に且つ容器６０に溶接或いは入口取付けフランジ１０４に係合する取付けボルト１０２等のボルトの使用による公知の任意の方法でしっかりと固定される。これらの構成部材は、容器６０にしっかりと固定されて容器６０と共に回転する駆動組立体を構成する。

この駆動組立体は、この実施形態では入口取付けカラー１００に係合する入口ハウジング７０に係合するような形状を有している。入口軸受組立体１０６は、当業者であれば周知のピロー内に収まった密閉型ボール軸受アセンブリである。

入口ハウジング７０は、流体を流通させるための任意の公知の取付け方法を介して入口ライン（図２）を受け入れるような形状をなした供給流入口１１４を有している。図３と図４Ａに示されているように、入口ハウジング７０は更に中空シャフト９８を取り囲む環状のマニフォルド空洞１０８を具えている。この中空シャフト９８は複数のアクセスポート１１０を具えている。マルフォルド空洞１０８の各側面に中空シャフト９８と入口ハウジング７０との間に機械的ポンプシール１１２が設けられ、それによって入口の静止ハウジング７０と中空シャフト９８との間の相対回転運動を可能にする流体シールが提供される。マサチューセッツ州ストーンハムの A.W. Chesterton Co.から入手可能な機械的ポンプシールはこの望ましい目的のための機能を有する。

続いて図３を参照すると、出口端１２０における容器６０のための支持構造が図示され、説明されている。入口端９６と同様に、容器６０は出口端１２０に出口取付けフランジ１２２を具えている。出口取付けカラー１２４が、複数のボルトによって出口取付けフランジ１２２に取付けられている。この出口取付けカラー１２４は、出口軸受組立体１２６を介して出口ハウジング７４に支えられている。

出口ハウジング７４と出口取付けカラー１２４とは、除去チャンネル１３０を有する下側流排出チューブ１２８を受け入れるための中空の内部空間をそれぞれが具えている。図４Ｂに示されているように、出口ハウジング７４と出口取付けカラー１２４の中空内部空間と排出チューブ１２８とは、環状の流出チャンネル１３２が両者の間に規定されるような形状を有している。この流出チャンネル１３２は排出チューブ１２８の外まで延び、出口ハウジング７４に設けられた上側流出口１３４と連通している。再び図３を参照すると、上側流出口１３４は容器６０の内部圧力を維持するための圧力解放弁１３６を具えている。この圧力解放弁１３６は、流体の圧力気体プリングの力を上回って高まった場合には弁を強制的に開放するスプリング荷重の安全用逆止弁である。

排出チューブ１２８の出口端１２９には機械式ポンプシール１３８が嵌まっている。この機械式ポンプシール１３８の反対側の端は、出口ハウジング７４の内端に設けられた円形段部の中にしっかりと固定されている。こうして、機械式ポンプシール１３８は除去チャンネル１３０と流出チャンネル１３２との間の流体の障壁として働くと共に、排出チューブ１２８と出口ハウジング７４との間の相対回転を可能にしている。更に、出口ハウジング７４の出口端は、下側流出口ライン７６に係合する排出オリフィス１４０を具えている。下側流出口ライン７６は、市販されているボール弁等の標準型或いはソレノイド弁である下側流排出弁１４８を介してアクセスされる。

排出チューブ１２８は入口端１３１も具えている。一実施形態においては、入口端１３１の開口内にプラグ１６２が受け入れられている。気体脱出オリフィス１６４がこのプラグ１６２を通じて延在し、チャンバ９５の中心と排出チューブ１２８を通じて延在するチャンネル１３０との間の流体的連通が確立されている。代表的な気体脱出オリフィス１６４は、約０．０２インチ（０．０５cm）と約０．５インチ（１．３cm）の間、より好ましくは約０．０２インチ（０．０５cm）と約０．１２５インチ（０．３cm）の間の範囲の直径を有している。別の実施形態においては、入口端１３１は単にチャンネル１３０に連通した絞りオリフィスで形成され、プラグ１６２が無くてもよい。

引き続いて図３を参照すると、排出チューブ１２８は容器６０の中心まで延びている。固−液分離器１０は複数の放射状の下側流抽出チューブ１６０も具えている。各抽出チューブ１６０は第１端１６１と反対側の第２端１６３とを有している。各第１端１６１は入口端１３１において排出チューブ１２８に流体的に連通している。約０．０６インチ（０．１５cm）から約２．０インチ（５cm）までの範囲、好ましくは約０．１２５インチ（０．３cm）から約０．５インチ（１．３cm）までの範囲の直径を有するチャンネルが、各抽出チューブ１６０を通じて延在している。一実施形態においては、それぞれ隣のチューブから４５度離れた８本の抽出チューブ１６０が採用されている。別の実施形態では、任意の数の抽出チューブ１６０が使用可能である。一実施形態では、代表的な抽出チューブ１６０の本数は約２本から約１４４本の範囲、より好ましくは約４本から約２４本の範囲にある。

更に別の実施形態においては、抽出チューブ１６０が排出チューブ１２８に垂直になるように、排出チューブ１２８から半径方向外方に突出していなくてもよい。むしろ、抽出チューブ１６０は排出チューブ１２８から或る角度配向で外方に突出してもよい。例えば、一実施形態においては、各抽出チューブ１６０と排出チューブ１２８との間の内側角度は約９０度と約１６０度の間の範囲にある。内側角度が９０度よりも大きい実施形態では、排出チューブ１２８の入口端１３１が各抽出チューブ１６０の第１端１６１に接続するように、排出チューブ１２８は短くなっている。

抽出チューブ１６０は、それぞれ、固−液分離器の長手方向軸線９０から等しい距離だけ外方に延びている。各抽出チューブ１６０は、その第２端１６３に分離された粒子状物質を受け入れるための開口１６６を有する。後で詳述するように、作動の際に抽出チューブ１６０は、収集された粒子状物質と浄化された液体との間の境界線を規定することを補助する。こうして、抽出チューブ１６０の長さが設定されて、容器６０の内部に所定の境界線が設けられる。容器６０が赤道９７において１９インチの最大直径を有する一実施形態においては、抽出チューブ１６０はチューブ１６０の開口１６６と容器６０の壁９２との間に０．２５インチ（０．６５cm）の空間を残すような形状を有する。異なるサイズの容器を有する別の実施形態においては、抽出チューブ１６０の開口１６６と容器６０の壁９２との間のこの空間は、代表的には約０．１２５インチ（０．３cm）と約２インチ（５cm）の間の範囲、より好ましくは約０．２５インチ（０．６cm）から約１インチ（２．５cm）までの範囲にある。

容器６０は、容器６０を通る流体の流れを方向付けるために複数のフィンとディスクも具えている。固−液分離器１０の一実施形態は、図３に示されているように、容器６０の中心に位置して長手方向軸線９０に対して直角に配向された中心ディスク１７０を具えている。この中心ディスク１７０はプラグ１６２の上に嵌合する中心オリフィスを具えている。中心ディスク１７０は、プラグ１６２から半径方向外方に円形をなして延在している。このディスク１７０の外縁１７２は円形（容器６０の曲率に従った）をなし、ディスク１７０の縁１７２と容器６０の壁９２との間に軸方向の流路１７４を提供するような形状をしている。この流路１７４は軸線９０を中心に環状に延在している。必須ではないが、外縁１７２は抽出チューブ１６０の開口１６６から半径方向に内側に位置している。一実施形態においては、ディスク１７０の縁１７２と容器６０の壁９２との間の距離は、約０．５インチ（１．３cm）と約４インチ（１０cm）の間、より好ましくは約０．８インチ（２cm）と約１．２インチ（３cm）の間の範囲にある。

図示の実施形態は４枚の補助ディスク１７６、１７８、２０２及び２０４も具えている。ディスク１７６と２０２は容器６０の入口側に位置し、ディスク１７８と２０４は出口側に位置している。これらのディスク１７６、１７８、２０２及び２０４は、一部では固−液分離器１０の組立を容易にすると共に、その作用の際の構造的支持を提供するのに使用される。別の例では、固−液分離器１０は更に少ない又は多い数の組立用ディスクを用いて組立可能である。本発明の固−液分離器１０は、後述するようにフィンを排出チューブ１２８及び／又は容器６０の壁９２に直接固定することによって、ディスク無しでも構成できることも判る。

図５と図６に示されているように、ディスク１７６と２０２は、容器６０の中心で収集された気体を抽出できるようにするための中心オリフィス１８０を具えている。ディスク１７８と２０４は同様に排出チューブ１２８の外径よりも僅かに大きい中心オリフィス１８２を具え、これを通って下側流のチューブ１２８が収容されるようにしている。レーザー切断等によってディスク１７０の外縁１７２にＶ字型の切り欠き２１０が形成されている。これらのＶ字型切り欠きは、浄化された水がディスク１７０の周囲を流れる際に収集された粒子状物質の乱れを少なくする。一実施形態では、これらのＶ字型切り欠き２１０は、約０．１インチ（０．２５cm）と約１インチ（２．５cm）の間の範囲の幅と約０．１インチ（０．２５cm）と約１インチ（２．５cm）の間の範囲の深さでディスク１７０の縁１７２に切られている。フィン１８４の各対の間で中心ディスク１７０に切られたＶ字型切り欠き２１０の数は、代表的には約３と約８との間の範囲にある。別の例では、これらのＶ字型切り欠き２１０の数とサイズは増やしたり減らしたりしてもよい。

図５を参照すると、固−液分離器１０は複数の放射状のフィン１８４も具えている。各フィン１８４は、長手方向軸線９０と容器６０の曲率にほぼ従った外縁１８８とにほぼ平行な内縁１８６を有する。したがって、球状容器６０を採用した図示の構成では、フィンの外縁１８８は半球状をなしている。

図８に示された実施形態においては、トリミングされた (trimmed)フィン２１２とトリミングされていない (untrimmed)フィン２１４の二つのタイプのフィン１８４が使用されている。図７Ａに示されているように、トリミングされた各フィン２１２は実質的に平坦な内縁１８６と反対側の外縁１８８とを具えている。外縁１８８は、内縁１８６の各端から直角に突出した実質的に平坦な側方部分１８７と、内縁１８６に実質的に平行な中央に位置する実質的に平坦なノーズ部分１８９と、各側方部分１８７からノーズ部分１８９の反対端の方に延びる湾曲した肩部分１９１とを具えている。

図７Ｂに示されているように、トリミングされていない各フィン２１４は実質的に平坦な内縁１８６と反対側の外縁１８８とを具えている。外縁１８８は、内縁１８６の各端から直角に突出した実質的に平坦な側方部分１８７と、各側方部分１８７同士の間に延在する湾曲したフェース部分１９３とを具えている。このフェース部分１９３には中央に位置する半円状切り欠き１９４が形成されている。

図７Ｃには別のフィン２１５が示されている。このフィン２１５は、切り欠き１９４がフィン２１５を貫通する孔１９６に置き換えられていることを除いて、トリミングされていないフィン２１４と実質的に同じ形状をなしている。これらの孔１９６は代表的には約０．５インチ（１．３cm）と約１．５インチ（３．８cm）との間の範囲の直径を有している。

フィン１８４は、図５と図６に最もよく示されているように、ディスク１７０、１７６、１７８、２０２及び２０４に垂直に容器６０のチャンバ９５内に位置している。各ディスクは各フィン１８４に対応するスロット１９８を具えている。各ディスク１７０、１７６、１７８、２０２及び２０４に対応するスロット２００も各フィン１８４に設けられている。一実施形態においては、フィン１８４とディスク１７０、１７６、１７８、２０２及び２０４はステンレスで作られているが、プラスチック、複合材料その他の充分な強度を有する材料で形成されてもよい。スロット１９８と２００は、レーザー切断等の任意の従来方法を用いて形成される。スロット１９８と２００は、フィンとディスクとが相互に対となるようにスリップ嵌合可能な関係に構成されている。したがって、ディスク１７０、１７６、１７８、２０２及び２０４に設けられたスロット１９８は、少なくともフィン１８４の厚さと同じ大きさの幅を有している。同様に、フィン１８４に設けられたスロット２００は、少なくともこれらのスロットに対応するディスク１７０、１７６、１７８、２０２及び２０４の厚さと同じ大きさの幅を有している。

こうして、容器６０内のフィンとディスクの組立体は、排出チューブ１２８の上に出口ディスク２０４と１７８を位置決めすることよって、図５に示されているように組み立てられる。図６に示されているように、次に中心ディスク１７０がプラグ１６２の周囲に載せられ、幾つかのフィン１８４がディスク１７０と１７８上のこれらに対応するスロットに係合され、同時にディスクをフィン１８４のこれらに対応するスロットに係合させる。フィン１８４がこうしてディスクと係合して設置されると、ディスクとフィンとの間の実質的にすべての相対運動が妨げられる。次に入口ディスク１７６と２０２がフィン１８４のスロット２００に係合される。五つのすべてのディスク１７０、１７６、１７８、２０２及び２０４が所定位置に置かれると、容器の内部構造が図８に示されているように完成するまで残りのフィンを半径方向に所定位置までスライドさせて、これらを設置する。スロット１９８と２００は、フィンとディスクを共に固定するための一手段に過ぎない。別の実施形態では、フィンとディスクは溶接され、締め付けられ、一体成形される等の従来の方法を使用して共に固定することができる。

図示の実施形態においては、図８と図９に示されているように、２４枚のフィン１８４が容器６０に使用されている。別の実施形態では、フィンの数は約８枚と約１４４枚の間、より好ましくは約１２枚と約４８枚の間の範囲にある。図３、図８及び図９に最もよく示されているように、組み立てられたフィン１８４は、長手方向軸線９０に実質的に平行に長手方向軸線９０から半径方向外方に突出している。各内縁１８６は、図３に示されているように、チャンネル２１９が入口端９６から気体脱出オリフィス１６４まで延在して形成されるように長手方向軸線９０の中心から離れている。チャンネル２１９は約０．２５インチ（０．６cm）と約２インチ（５cm）との間、より好ましくは約０．２５インチ（０．６cm）と約１インチ（２．５cm）との間の範囲の直径を有している。図７Ａと図７Ｂに示されているように、各フィン１８４の内縁１８６は、排出チューブ１２８及び気体脱出プラグ１６２との干渉を避けるように切り欠かれている。

８本の放射状抽出チューブ１６０を収容するために、トリミングされたフィン２１２は図５に示されているように中心切り欠き２１６によって改変されている。この切り欠き２１６は、図９に示されているように、トリミングされたフィン２１２が抽出チューブ１６０と或る程度交差することを許容する大きさを有している。したがって、図示の実施形態では、切り欠き２１６によって改変された１６枚のトリミングされたフィン２１２が、改変されていない８枚のトリミングされていないフィン２１４と組み合わされて使用されている。

別の実施形態では、フィン１８４は長手方向軸線９０に一致して半径方向外方に突出していなくてもよいことが判る。むしろ、各フィン１８４の内縁１８６は長手方向軸線９０からずれていて、しかもディスクによって所定位置に維持されている。

図８に示されているように、排出チューブ１２８の周囲にフィンとディスクが組み立てられると、内部の組立体は容器６０のチャンバ９５内に包み込まれる。一実施形態においては、容器６０は二つの半体からなり、これらは溶接或いは間に気体ケット又はＯリングを介在させてボルト止めによって共に固定されている。容器９０の壁９２の内側に図８の内部組立体を被覆することによって、フィンとディスクは互いに係合してロックされ、これらを固定するのに溶接は不要である。

詳しくは、図１０に示されたように、各フィン１８４の平坦な側方部分１８７は取付けフランジ１０４と１２２に隣接して位置決めされる。トリミングされたフィン２１２の湾曲した肩部分１８８も壁９２に隣接して設置される。同様に、トリミングされていないフィン２１４の湾曲したフェース部分１９３も壁９２に隣接して位置決めされる。フィン１８４の側方部分１８７、肩部分１８８及びフェース部分１９３は容器６０に対して直接押し付けられる。別の例では、約１／４インチ未満の小さな間隙が容器６０と前記各部分１８７、１８８及び１９３との間に形成される。図９に示されているように、壁９２に隣接してフィン１８４を位置決めすることにより、長手方向軸線９０に沿って容器６０を通る複数の分離された流通チャンネル２１８が形成される。しかし、各流通チャンネル２１８は種々のディスク１７０、１７６、１７８、２０２及び２０４の交差によって部分的に閉鎖されている。これらのディスクによって、流通チャンネル２１８を通じて流れる流体はディスクの外縁の周囲を流れることが必要となる。

図１０を再び参照すると、トリミングされたフィン２１４の平坦なノーズ部分１８９と壁９２との間に、下側流の通路１９０が形成されている。下側流の通路１９０は、赤道９７において各流通チャンネル２１８同士の間に流体を流すことできる。一実施形態においては、トリミングされたフィン２１４の平坦なノーズ部分１８９と壁９２との間に、約０．１２５インチ（０．３cm）と約２インチ（５cm）の間、より好ましくは約０．２５インチ（０．６cm）と約１インチ（３cm）の間の範囲の最大間隙が存在する。一実施形態においては、各フィン１８４の平坦なノーズ部分１８９は対応する各抽出チューブ１６０の開口１６６から半径方向内側に位置決めされている。

勿論、流通チャンネル２１８同士の間における下側流の通路１９０を容易に形成するために、フィン１８４は種々の異なる形状にすることが可能である。例えば、トリミングされたフィン２１２を別のフィン２１５に代えてもよい。この実施形態においては、孔１９６下側流の通路１９０を円滑に形成している。更に他の実施形態においては、切り欠き、スロット、溝、その他がフィン１８４に形成されて下側流の通路１９０の形成を容易にしている。

トリミングされていないフィン２１４に形成された切り欠き１９４（図７Ｂ）は二つの機能を果たすように構成されている。第一に、内側フランジ等の継ぎ目が赤道９７に形成されている実施形態では、切り欠き１９４はこの継ぎ目を受け入れる空間を提供する。切り欠き１９４は、トリミングされていないフィン２１４によって分離された流通チャンネル２１８同士の間の少なくとも一部の流れを可能にする機能も有する。こうして、切り欠き１９４を通る流体の流れは、各流通チャンネル２１８における境界層と流速を同じに揃える働きをする。

内部組立体が容器６０に包み込まれると、入口及び出口取付けカラー１００、１２４、軸受組立体、並びに前述のように組み立てられたハウジングは、当業者にとって公知の方法を用いて、ボルト止めその他によって容器６０に固定される。

図２に示されているように、作動の際に容器６０の回転はモーター６２のスイッチをオンにすることによって始められる。代表的な例では、モーター６２は容器６０を約６００回／分と約１００００回／分の間、より好ましくは約１２００回／分と約３６００回／分の間の範囲の回転速度で回転させる。流れ３８はポンプ８０に受け入れられ、このポンプは流れ３８を入口ライン７２を通じて固−液分離器１０に送り込む。固−液分離器１０が作動する際に容器６０内の圧力が維持されるように、流れ３８はポンプ８０によって加圧されることが好ましい。固−液分離器１０の一実施形態は、約１５psi （1.03×104 Pa）と約６００psi (4.13 ×106 Pa) の間、より好ましくは約７５psi (5.17 ×105 Pa) と約１２５psi (8.61 ×105 Pa) の間の範囲の圧力で作動する。流れ３８は、液体より大きい密度を有する粒子状成分によって汚染された実質的に任意の液体を含む。しかし、多くの応用例において液体は水であろう。ここでは水を浄化対象の液体としているが、本発明の固−液分離器１０は種々の液体の浄化に使用可能なことは理解されるであろう。

図１０に示されているように、入口流３８は供給流の入口１１４を経て固−液分離器１０に入る。供給流３８が回転する中空シャフト９８に達すると、アクセスポート１１０（図４も参照のこと）を経て中空シャフト９８内に押し込まれ、そこでこの流れは容器６０と同じ回転速度まで加速される。回転する中空シャフト９８を通る流れは矢印Ａの方向に進行する。入口フランジ１０４に隣接する容器６０への入口に到達すると、容器６０の回転によって印加された遠心力が流れを容器６０の壁９２の方に向かって外側に放射状に押す。この流れが容器６０に入ると、流れは流通チャンネル２１８（図９）の一つに入り、進行して容器６０を満たす。

流通チャンネル２１８はコリオリ効果を消失させるのを助ける。即ち、フィン１８４が無ければ、流体が容器６０に入った場合に流体は渦を巻いて回転するであろう。このような渦巻きは粒子を流体中に懸濁させる乱流を発生する。後述するように、本発明の固−液分離器１０は粒子状物質を容器６０の壁９２に沈降させ、そこから順次に除去するように作動する。流体を別々に離れた流通チャンネル２１８を通すことによって、流体の渦巻きが実質的に消失する。流体は実質的に層流状態で流れ、そこでは流体は容器６０と同じ速度で回転する。その結果、液体中の粒子を沈降させる潜在能力が増大する。

流れ３８が容器に入ると、この流れは矢印Ｂの方向にディスク１７６の周囲に押しやられる。容器６０内では、この流れは容器６０の回転に起因してそれに印加されるすさまじい遠心力を受ける。こうして、流れの中の密度の高い成分は半径方向外側に流れ、一方、密度の低い成分は半径方向に内側に流れ、或いは上部に滞留する。この実施形態では平均して約５００Ｇから約２０００Ｇの遠心力が固−液分離器内に発生するので、流体成分の実質的に完全な浄化が行われ、液体の含量の少ない高密度の粒子が数秒間に得られる。このようにして、本発明の固−液分離器１０は、静止タンク型分離器では数時間を要した量の分離を数秒間で果たすことができる。

流れ３８においては、粒子状物質は容器６０の回転によって赤道９７において壁９２に対して集積される。集積された粒子状物質は下側流２２４として識別される。下側流２２４とそこから半径方向内側に向かう浄化された水２２６との間に境界線２２８が規定される。下側流２２４は集められて、境界線２２８はそれが抽出チューブ１６０の開口１６６の半径方向の内側に位置するまで上昇する（図１０に示された状態）。後述するように、下側流２２４は抽出チューブ１６０を通じて圧力容器６０から順次に抽出される。

軸方向の流路１７４を通じてディスク１７０の縁を周回して流れる水は、圧力容器６０の最大半径即ち赤道９７において発達した下側流２２４をかき混ぜる。渦流効果によるこのかき混ぜは、固−液分離器の目的に反する作用をする。したがって、図６に関連して前述したＶ字型切り欠き２１０等の切り欠きがディスク１７０の外周に切られている。これらの切り欠きはディスク１７０を周回する水流の力を減殺してかき混ぜを少なくし、それによって渦流効果を少なくする。こうして、Ｖ字型切り欠き２１０は下側流２２４と浄化された水２２６との間の境界層２２８を維持する。

フィン１８４を支える機能とは別に、各ディスク、特にディスク１７０は粒子状物質の除去を助けるように働く。即ち、容器６０に入って来るすべての流体は、それが容器６０から出て行く前に必ずディスク１７０の外縁に向かうか或いはこれを周回して流れる。すべての流体を赤道９７においてディスク１７０の外縁に向けて流すことによって、すべての流体は容器６０の回転によって発生する最大の遠心力を受け、到来する流体から高濃度の粒子を確実に除去ことができる。更に、ディスク１７６と１７８をディスク１７０の反対側に位置決めすることによって、流体はそれがディスク同士の間を移動する際に半径方向に内側と外側に向かって流れる。流体のこの半径方向の運動は流体が容器内に滞留している時間を増加させ、流体を長時間にわたって容器の遠心力に曝すことができる。その結果、粒子状物質のより大きな部分が除去される。しかし、別の実施形態においては、本発明の固−液分離器はディスク、特にディスク１７０を使用しないでも作動可能である。

入口流３８には時として気体が入っている場合があるので、容器６０の入口側において軸線９０の周囲に気体層２３０が形成されることがある。ディスク１７０は容器６０の入口側と出口側との間の障壁として有効に働く。したがって、入口流内で発見される気体は、液体が軸方向の流路１７４を通過する前に分離されることが多いので、一般に容器の入口側のみで発見されるであろう。

入口流３８が容器６０に流入し続けると、液体は流路１７４を通って容器６０の出口側に入る。この液体或いは水２２６は容器６０の出口側を満たし、次いで流出チャンネル１３２を経て外に出る。続いて、浄化された水２２６は上側流出口１３４と圧力解放弁１３６を経て固−液分離器１０を出る。圧力解放弁１３６は上側流出口１３４の背圧がこの弁のスプリングの力を上回った時だけ開いて、容器６０の内部を所定圧力に確実に維持する。別の実施形態においては、圧力解放弁１３６を同じ機能を果たす他の作動システムと取り替え可能である。例えば、圧力解放弁１３６を電子的に作動する弁と圧力センサーと取り替えてもよい。この弁は、圧力センサーが容器６０内の所定の圧力を感知した場合に、電子的に開く。

解放弁１４８を定期的に開いて抽出チューブ１６０を通じて下側流２２４を抽出することによって、境界線２２８は所望のレベルに維持される。弁１４８が開くと、容器６０の内部と下側流出口ライン７６との間に圧力勾配が生じる。分離された粒子状成分の流れ（下側流２２４）は、容器６０の内部の高圧領域から抽出チューブ１６０を経て低圧領域に進行するであろう。この差圧は、容器６０を環境圧力で作動させて抽出チューブ１６０に負圧を印加したり、ここに説明されているように容器６０を圧力下で作動させて抽出チューブ１６０に環境圧力に近い圧力を印加したりすること等の多くのやり方で発生させてもよい。

８本の抽出チューブ１６０だけが８箇所の流通チャンネル２１８内に延びていることが認められるが（図９）、これらの流通チャンネル２１８においては、下側流２２４が抽出されるにしたがって境界線２２８が低下する。これらの流通チャンネル２１８において境界線２２８が低下すると、隣の流通チャンネル２１８から下側流２２４が下側流通路１９０を経て流れ込み、容器６０の全周を通じて境界線２２８をほぼ一定のレベルに維持する。別の実施形態においては、個々の流通チューブ２１８に対してそれぞれ１本の抽出チューブ１６０が液を供給することができる。この実施形態においては、流通チャンネル２１８同士の間に通路１９０を設ける必要はない。

下側流排出弁１４８が開くと、容器６０の内部で発生して気体層２３０を形成している任意の気体が、除去チャンネル１３０と流体的に連通しているプラグ１６２のオリフィス１６４を通じて直ぐに脱出を始めるであろう。したがって、オリフィス１６４は、予期される蓄積気体が弁１４８の定期的な開放によって除去されるようなサイズを有することが好ましい。しかし、オリフィス１６４は、抽出チューブ１６０に充分な吸引力を及ぼして下側流２２４を除去することができるように充分に小さいことが必要である。即ち、オリフィス１６４のサイズは一部には流体の流れの成分と性質に応じて決められる。一実施形態においては、オリフィス１６４は約０．３７５インチ（１cm）のねじ山付き直径を有している。この０．３７５インチ（１cm）の直径を有するオリフィスは、インサートを受け入れ可能にするようにねじ山を具えており、選ばれたインサートに応じてオリフィス直径を小さくしたり、或いは全体として閉塞したりできる。オリフィス１６４は排出オリフィス１４０と除去チャンネル１３０を通じてアクセス可能に保たれているので圧力容器６０が構成された後でも、インサートをオリフィス１６４
にねじ込むことができる。

本発明の一実施の形態では、球形容器６０は約１９インチ（４８cm）の内径を有し、毎分約３８リットルの水を処理することができる。これは、水が平均約７００ｇの力を受けつつ、固−液分離器１０内での約１．５分の滞留時間をもたらす。これは、同様の能力を有する静的浄化器における２時間の滞留時間に概ね匹敵する。本発明の固−液分離器は、固体の少なくとも９９％を取り除き水を浄化する能力を有している。代替の実施の形態では、本発明は典型的な容器が約６インチ（１５ｃｍ）から約１２０インチ（３００ｃｍ）の範囲、より好ましくは約１２インチ（３０ｃｍ）から約６０インチ（１５０ｃｍ）である最大内径を有して形成され得ることを想定している。かかる容器は、約０リットル/分から約４０００リットル/分の範囲、より好ましくは約１リットル/分から約１０００リットル/分の速度で流体を処理すべくデザインされ得る。

結果として生じた下側流の流れ７０は、残存する水を除去し固体を「固める」ために、バッグフィルタ、フィルタプレスまたはベルトフィルタを通過させられる。「固められた」固体は、そこで堆肥にしたり、この分野で知られている他の方法により処分され得る。結局、処分方法は「固められた」固体の組成に依存する。例えば、重金属を包含する固体は堆肥とすることはできず、他の適当な処分方法が用いられよう。

固−液分離器を停止させるには、ポンプおよびモータが止められ、そして、容器が排水され洗浄される。替りに、使用中は流体は容器内に単に残されてもよい。

上記から、本発明の固−液分離器は従来技術の問題を克服するということが理解されよう。特に、ここに説明された本発明の実施形態は、遠心力の使用により、および粒子包含材料の流れを指向させることにより、回転容器内で固−液分離を達成する。かかる実施形態はまた、ほとんど全ての用途に実用的な設置範囲を占有しつつ、従来の沈降器や高速沈降器に比べて飛躍的な増加である速度で固−液分離を達成する固−液分離器を含んでいる。最後に、本発明の固−液分離器の好ましい実施形態は、固められた固体が全粒子包含供給材料の５パーセント以下の液体分を有するように、液体から固体を分離する。

図１１および１２に示されたように、本発明の他の実施の形態は、図２ないし１０に示された固−液分離器１０と同様の構成を用いる液−液分離器２４４に関する。主に流体から粒子を除去するようにデザインされている固−液分離器１０と対照的に、液−液分離器２４４は、主にオイルと水のような２つ以上の不混和性液体の混合液を分離するようにデザインされている。

図１１は液−液分離器２４４のサブアセンブリ２３２を図解している。サブアセンブリ２３２は、図６に示された入口側の補助ディスク１７６と類似の中実入口側補助ディスク２３４を含んでいる。中心ディスク２３６は複数の孔２３８を有するように示されている。孔２３８はそれを貫通する液体の通過を許容する。加えて、出口側の補助ディスク２４０もそれを貫通する複数の孔２３８を有するように示されている。

図１０に示されるように、サブアセンブリ２３２の残部およびサブアセンブリ２３２が配置された容器は、固−液分離器１０に関して前に論じられたのと実質的に同じである。かくて、同一要素は同一の参照符号によって特定されている。さらに、固−液分離器１０に関して上で論じた代替はまた液−液分離器２４４にも適用可能である。

液−液分離器２４４はまた、固−液分離器１０と同様の方法で作動する。例えば、容器６０が回転している状態で、混合液は入口１１４内に圧送され、中空シャフト９８を矢印Ａに沿って流下する。容器６０への入口に到達すると、混合液は流れチャンネル２１８（図９）の一つに入り、容器６０を満たすべく進む。容器６０の回転により発生された遠心力および混合液の補助ディスク２３４への衝突の結果として、混合液は容器６０の壁９２およびディスク２３４の周囲に向け、半径方向外方に押される。

混合液は、相対密度によって定義される重い液体２４１および軽い液体２４３を含んでいる。混合液が２つ以上の不混和性液体を含んでいる場合、重い液体２４１または軽い液体２４３は１つ以上の液体を含んでいると定義され得る。１つ以上の液体を含む抜出された液体は、その中の液体を分離するために第２の液−液分離器２４４によって引続き処理され得る。

加えられた遠心力の結果として、重い液体２４１は壁９２の赤道９７位置に向って流れる。軽い液体２４３は容器６０の中心すなわち長手方向軸線に向って流れる。結果として、重い液体２４１および軽い液体２４３の間に境界線２４５が形成される。境界線２４５は回転軸線９０からある半径距離範囲内に維持される。この液−液境界線２４５は、固−液分離器１０について図１０に示された境界線２２８と同様である。しかしながら、対照的に、液−液境界線２４５は、回転軸線９０と赤道９７における最大径との間の距離の約１/５から約４/５、好ましくは約１/４から約３/４、さらに好ましくは約１/３から約２/３の範囲内で、回転軸線からの半径距離に位置される。

ディスク２３６および２４０を貫通して延在する孔２３８の結果として、軽い液体２４３および気体２３０はディスク２３６および２４０を通り流出チャンネル１３２から流出することができる。気体２３０は軽い液体２４３と共に出るので、排出チューブ１２８の入口端部１３１には気体逃がしオリフィスの必要がない。この実施の形態では、ディスク２３６および２４０はフィン１８４の支持体として主に機能し、かくて全ての所望の形態であってもよい。替りに、ディスク２３６および２４０は取除かれてもよい。

重い液体２４１は、抽出チューブ１６０および排出チューブ１２８を介して容器６０から除去される。個々の流れチャンネル２１８よりも抽出チューブ１６０の数が少ない場合、境界線２４５が全ての流れチャンネル２１８に対して一定となるように、下側流路１９０が個々の流れチャンネル２１８間に形成されている。境界線２４５は典型的には、境界線１８９よりも長手方向軸線９０により近いので、抽出チューブ１６０の第２の端部１６３は長手方向軸線９０により近くに移動され得る。

図１３に示されているのは、液−液分離器２４４から分離された液体を除去する制御システム２９０の一実施形態である。詳しくは、２つの不混和性液体を包含する供給流れ３０が上述のように２つの液体が分離される液−液分離器２４４に供給される。制御システム２９０は、対応する第１の弁２４８に連結された第１の圧力センサ２４６を含み、各々は第１の出口流れ２５０に沿って位置されている。加えて、第２の圧力センサ２５２もまた第１の出口流れ２５０に位置されている。第２の弁２５６は第２の出口流れ２５８に位置されている。信号線２５４が第２の圧力センサ２５２から第２の弁２５６へ信号を伝送する。

本発明によれば、第１の弁２４８と第２の弁２５６との間に圧力差が維持される。圧力差は、重い液体２４１のみが排出チューブ１２８（第１の出口流れ２５０）を通って出、且つ、軽い液体２４３のみが流出チャンネル１３２（第２の出口流れ２５８）を通って出るように、境界線２４５を長手方向軸線９０から規定された半径距離に維持するために必要である。すなわち、圧力差が無ければ、境界線２４５は、選択変数に依存して、圧力容器６０の壁９２を越えて理論的には延在するかもしれない。結果として、重い液体２４１および軽い液体２４３の両者が第１の出口流れ２５０を通って流出することになろう。

要求される圧力差の大きさは、液−液分離器２４４の回転速度、供給流れ３０内に包含されている少なくとも２つの不混和性液体の密度、および境界線２４５の望まれる位置に基づく。実施の際には、この圧力差は実験的に決定され得る。例えば、最初に、第１の弁２４８が第１の圧力で作動するように設定される。すなわち、第１の弁２４８は、第１の出口流れ２５０が第１の弁２４８を通って連続的に流れるのを可能にしつつ、第１の出口流れ２５０を第１の圧力に維持する。従って、第１の出口流れ２５０の流量が減ずると、第１の弁２４８は第１の圧力を維持するために相当する量閉じる。第１の圧力の大きさは、ある意味では任意である。何故なら、境界線２４５の位置を制御するのは圧力差であるからである。しかしながら、一つの実施形態では、第１の圧力は、典型的には、約５psi （３．４５×104 Pa）と約５００psi (３．４５×106 Pa)との間、より好ましくは約１５psi（１．０３×105 Pa)と約６０psi (４．４１ ×105 Pa)との間の範
囲である。

一旦、第１の弁２４８についての第１の圧力が設定されると、第２の弁２５６が同じ圧力で作動するように設定される。液−液分離器２４４はそこで、供給流れ３０の流速および容器６０の規定された回転速度で運転される。弁２４８および２５６が同じ作動圧力に設定されているので、重い液体２４１および軽い液体２４３の両者が第１の出口流れ２５０を通って流出する。そこで、第２の弁２５６についての作動圧力が段階的に減少される。第２の弁２５６についての作動圧力が減少されるので、第１の弁２４８と第２の弁２５６との間の圧力差は増大し、境界線２４５は長手方向軸線９０に向って半径方向内方に移動する。第２の弁２５６についての作動圧力が段階的に減少されるとき、出口流れ２５０および２５８を通る流れの内容をモニターすることにより、第２の弁２５６の最終的作動圧力が決定され得る。これらの最終的な作動圧力は、軽い液体２４３が最初に第１の出口流れ２５０から流出を開始し、重い液体２４１が最初に第２の出口流れ２５８から流出を開始する点における第２の弁２５６の作動圧力である。第２の
弁２５６はそこで、２つの極値圧力の間の圧力で作動するように設定される。このことは、境界線２４５を流出チャンネル１３２への開口と抽出チューブ１６０への開口１６６との間の中間に置くことになる。第１の弁２４８と第２の弁２５６との間の結果の圧力の差が、圧力差を定めている。

本発明システムの特異な利益の一つは、供給流れ３０内の２つの不混和性液体の比率の変化を補償するその能力である。例えば、オイル/水の供給流れ３０が液−液分離器２４４に供給する。このオイル/水の供給流れ３０は、５０/５０の混合物である。所与の時間に、この５０/５０の混合物が１０％オイルと９０％水とへの負荷変動を突然に経験するとする。液−液分離器２４４の回転速度がほぼ一定に留まる場合、水の増大された量が境界線２４５を回転軸線９０に向って移動させようとする。従って、第１の圧力センサ２４６および第２の圧力センサ２５２で感知される圧力は、液−液分離器２４４内の増加した水量の故に、増大する。センサ２４６および２５２からの信号の結果、第２の弁２５６は自動的に僅かに閉じ、且つ、第１の弁２４８は自動的に僅かに開く。結果として、弁２４８および２５６の作動圧力、および弁２４８および２５６間の圧力差は、供給流れ３０内の液体の比率が間断なく変わるとしても、間断なく比較的一定に保たれる。

１００％水の供給流れ３０または１００％オイルの供給流れ３０もまた、境界線２４５を回転軸線９０から好ましい距離範囲内に維持することにより制御され得る。例えば、１００％オイルの供給流れ３０が液−液分離器２４４に供給された場合には、第１の弁２４８が、液−液境界を回転軸線９０から好ましい距離範囲内に維持するために、最終的に完全に閉じることになろう。従って、供給流れ３０内の全ての液体がオイルの場合、オイルは、この状況の下には実質的に中でよどんでいるであろう水とは実質的に混合することなく、液−液分離器２４４を通って移動するであろう。一つの実施形態においては、第１の弁２４８は、Fisher 98Lのような背圧調節器であってもよい。第２の弁２５６は、Fisher 98LDのような差圧調節器であってもよい。これらの弁は、アイオワ州、Marshall TownのFisher Controls International, Inc.により作られている。当業者は他の形式の弁形態が制御システム２９０に用いられる得ることを認識するであろうと理解される。

センサ２４６および２５２は、両者共、第１の出口流れ２５０に連結されて図１３に示されているが、代替の実施形態では、センサ２４６および２５２は各々第２の出口流れ２５８に連結され得る。図１４に示されたさらに他の実施形態では、液−液分離器２４４から分離された液体を抜出すためにコントローラ２６０が用いられ得る。信号は第１の圧力センサ２４６から、限定されない例として、４−２０ｍＡの信号で作動する第１のトランスミッタ２６２を用いて伝送される。同様に、第１の弁２４８は、４−２０ｍＡの信号で第１のＩ/Ｐコンバータ２６４を用いて信号を伝送する。第１のＩ/Ｐコンバータ２６４は４−２０ｍＡの制御信号を、第１の弁２４８を作動させるために、空圧信号に変換する。第２の出口流れ２５８もまた、第２の圧力センサ２５２、第２のトランスミッタ２６６、第２の弁２５６および第２のＩ/Ｐコンバータ２６８を備えて形成されている。

本発明によれば、供給流れ３０内に負荷の乱れが生じたとき、第１の圧力センサ２４６および第２の圧力センサ２５２が、第１の出口流れ２５０を通過している重い液体と第２の出口流れ２５８を通過している軽い液体間のそれぞれの圧力の変化を検知する。本発明によれば、かかる負荷の変動はコントローラ２６０に検知され、それぞれの弁２４８および２５６が境界線２４５を回転軸線９０から好ましい距離範囲に維持するために調節される。本発明のこの実施形態によれば、圧力差が第１の弁２４８および第２の弁２５６の制御によって維持される。従って、境界線２４５の位置が回転軸線９０から好ましい距離範囲内に維持され得る。

液−液分離システムの制御に関する本発明の特別な利点は、互いの比重差が５％以下である不混和性液体を分離する能力である。本発明は、約５％から約０．５％、より好ましくは約４％から約０．５％、最も好ましくは約３％から約０．５％の範囲の比重差を有する不混和性液体を分離するのに有用である。もちろん、本発明は、５％より大きい比重差を有する不混和性液体を分離するのに有用である。２つの液体の比重が知られるように所与の液−液システムが与えられた場合、かかるシステムの制御は本発明により達成される。ここに開示されるように、所与の回転加圧容器に対してキャリブレーションが行われてもよい。第１のｒｐｍが確立され、２つの液体の異なる比率について種々の圧力差が示されてもよい。曲線がこれらのデータに合わせられてもよい。同様に、他のｒｐｍ量が回転圧力容器をキャリブレートするためにテストされてもよい。ＰＩＤコントローラのような標準の制御方法を用いることにより、回転圧力容器のｒｐｍ量が追跡され、液−液システムは境界層２４５を所望の範囲内に維持することにより分離さ
れ得る。

液−液分離器２４４の一つの適用例が図１５に示されている。ある条件下では、環境排出規制が伴出オイルが約１００ｐｐｍより低いレベルにまで水が浄化されることを要求しているかもしれない。図１５に示された本発明の実施の形態によれば、供給流れ１２はトラッシュストレーナー１８で除去され得る偶発的なトラッシュ以外は実質的に浮遊粒子状物質を含んでいない。供給流れ３０は液−液分離器２４４に入り、２つの不混和性液体は上述のように分離される。

第１の出口流れ２５０が、オイル／水システム内の水のような重い成分の液体を含む場合、液−液ハイドロサイクロン２７０が第１の出口流れ２５０を受入れ、約１００ｐｐｍより上の濃度から約１０ｐｐｍより少ない濃度まで、軽い成分の液体を取り除く分離を成し遂げる。好ましくは、オイル/水システムが与えられた場合、水すなわち重い成分の液体を含む第１の出口流れ２５０は、約１００ｐｐｍのオイル内容物を有しているかもしれない。液−液ハイドロサイクロン２７０は、約０．１から約１００ｐｐｍ、好ましくは約１から約１０ｐｐｍ、そして最も好ましくは約２から約５ｐｐｍの範囲でオイル内容物を有している浄化された重い成分の液体流れをもたらす。リサイクル軽成分液体流２７４は液−液ハイドロサイクロン２７６から抜出され流路２０に混合されて供給流れ３０を形成する。典型的には、５０/５０のオイル/水流路２０において、リサイクル軽成分液体流２７４内の水内容物は約５０％水から約８０％水の範囲にある。ハイドロサイクロン２７６は当業者に知られている如何なるハイドロサイクロンから成ってもよい。ハイドロサイクロンの一例は、米国特許第５、１３３，８６１号に開
示されており、それは開示の目的で、特に参照することによりここに取り入れられている。

従って、図１４に示された形態を用いることにより、液−液混合物を分離する方法は、図１２および１３に示され制御された実施形態の一つを含み、且つ、重成分液体の出口に連結されたハイドロサイクロンの設置を付加的に含んでいる。

本発明の他の実施の形態が図１６に示され、ここでは、より高価な球形圧力容器６０が二重截頭円錐形圧力容器２７６に置換えられている。図１６は、図３に示された等価物よりも長い抽出チューブ１６０を示している。加えて、二重截頭円錐形２７６のフランジ縁部２７８には、二重截頭円錐形を組立てるためにボルト２８０が設けられている。気体ケットまたはＯ-リング（不図示）が、本発明で企図されている圧力の下に保持する液密シールを達成するために、フランジ縁部２７８の接合面間に置かれてもよい。

図１６はまた、二重截頭円錐形２７６の形状の故により角度付けられた軸方向流路１７４を示している。二重截頭円錐形２７６の際立った利点は、減少する流れ勾配がないことである。換言すると、容器壁９２に沿う流れ勾配は、固体粒子物質または重成分液体が半径方向の抽出チューブ開口１６６に向う方向に容器壁９２に沿って移動するとき、それについて一定である。

図１７は、中心ディスク１７０のような少なくとも一つの主ディスク１７０と共に追加のディスク２０２，２０４を含む分離器サブアセンブリ２９２の斜視図である。図１７は、圧力容器２７０の二重截頭円錐形に一致する半径方向フィン１８４のためのフィン形状を示している。サブアセンブリ２９２と固−液分離器１０の対応する構成部品との間の追加の相違点は、抽出チューブ１６０がサブアセンブリ２９２の各フィン１８４間に配置されていることである。この実施形態では、下側流路１９０が隣接する流れチャンネル２１８間に形成される必要がない。本発明によれば、図１６および１７に示された二重截頭円錐形２７０は固−液分離器または液−液分離器のいずれでも用いられ得る。

さらに他の実施の形態では、単一の分離器が２つ以上の不混和性液体および粒子状物質の両者を流体流れから同時に分離すべく形成され得ることが想定されている。この分離器は図１０および１１に開示されたものと実質的に同じに形成され得る。しかしながら、この実施の形態では、粒子状物質は回転軸線から最も遠い半径方向距離に集まり、２つの不混和性液体の中軽い方が回転軸線の回りに集まり、そして、２つの不混和性液体の中重い方が粒子状物質と軽い方の液体の間に集まる。２つの別の抽出チューブの組が使用される。第１の組は粒子状物質までそれらを抽出すべく延在している。これは図１０に関して前に論じたのと類似している。抽出チューブの第２の組は、重い方の液体までそれらを抽出すべく延在している。軽い方の液体は図１１に関して前に論じたのと同様の方法で出る。

本発明は、その趣旨または基本的特性から逸脱することなく他の特定の形態で具体化され得る。説明された実施形態は、あらゆる点で、説明のためのみで限定するのではないことが考慮されるべきである。従って、本発明の範囲は前の説明よりも添付の特許請求の範囲によって示されている。特許請求の範囲の均等な意味および範囲内の全ての変更は、それらの範囲に包含される。

Claims (7)

1. 液−液混合物を分離する方法であって、液−液混合物を容器のチャンバに供給し、液−液混合物は重い成分と軽い成分を有し、容器は入口、軽い成分の出口、重い成分の出口、軽い成分の出口を通る軽い成分の流れを調節する第１の弁、および重い成分の出口を通る重い成分の流れを調節する第２の弁を含み、
   容器を、重い成分が回転軸線から半径方向外方に容器の周囲壁に対して集まり、軽い成分が半径軸線に向って集まるように、流体混合物が前記チャンバ内に供給されるように、容器を通り延在する回転軸線の回りに回転させ、
   第１の弁を、軽い成分が第１の圧力で排出するように設定し、第２の弁を、重い成分が第２の圧力で排出するように設定し、第２の圧力は、重い成分と軽い成分との間の境界線が回転軸線からある半径距離でチャンバ内に得られるように第１の圧力と異なる、ことを特徴とする方法。
2. 第１の弁および第２の弁の開閉を、容器に入る重い成分と軽い成分との比率が変わる時、境界線が回転軸線からある距離の範囲内に維持されるように制御することをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 第１の弁および第２の弁の開閉を制御する動作は、重い成分の流体圧力にのみ基づいて第１の弁および第２の弁の開閉を制御することを含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 第１の弁および第２の弁の開閉を制御する動作は、軽い成分の流体圧力にのみ基づいて第１の弁および第２の弁の開閉を制御することを含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
5. 第１の弁および第２の弁の開閉を制御する動作は、軽い成分と重い成分の流体圧力を間断なく感知することを特徴とする請求項２に記載の方法。
6. 重い成分をハイドロサイクロンに通過させることをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 前記液−液混合物は、前記容器の前記チャンバで加圧されるように、前記容器の前記チャンバに流れ込むことを特徴とする請求項１に記載の方法。

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