JP2017524521A - 流体混合物を処理するための装置 - Google Patents

Abstract

流体混合物を処理するための装置。気体、特に水素（Ｈ2）、空気、窒素（Ｎ2）又は天然ガス、並びに液体、特にイオン液体、油圧油又は処理液を含む流体混合物を処理するための装置が、流体混合物を液体分と残留液体分で汚染された気体分とに分離するための少なくとも１つの第１の分離段（２９）を有しており、この残留した液体分が少なくとも１つの別の分離段（６７）で気体分から除去される。【選択図】図１

Description

本発明は、気体、特に水素（Ｈ₂）、空気、窒素（Ｎ₂）又は天然ガス、並びに液体、特にイオン液体、油圧油又は処理液を含む流体混合物を処理するための装置に関する。

特に本発明は、水素などの気体とイオン液体などの少量の液体を含む高圧下にある流体混合物の処理に関係する。

イオン液体という言葉で正確に理解すべき内容は、例えば専門的論文「イオン液体：多様な可能性を持ったユニークな材料」の中に示されており、これは公開日２０１４年７月１５日現在「ＣＨＥマネージャ・オンラインコム」の下でインターネットからダウンロードできる。

水素は最近では水素自動車用の燃料ステーションで約７０ＭＰａ（約７００バール）〜約１００ＭＰａ（約１０００バール）の高圧で用意される。圧縮するために有利にはいわゆる「イオンコンプレッサ」が用いられ、これは例えばインターネット公開「イオンコンプレッサ技術、イオンコンプレッサはどのように機能するか？」で会社名「フローサーブ」の下で公開されており、公開日２０１４年７月１５日現在ｗｗｗ．ｄｂｉｇｔｉ．ｄｅでダウンロードできる（例えば、非特許文献１参照。）。これは容積形圧縮機に似た圧縮機で、ピストンの代わりにイオン液体柱を利用する。押しのけ要素として作用する液体は押しのけピストンに比べて発生する熱をより良好に誘導できるという利点がある。なぜなら熱はある程度は圧縮された気体と一緒に圧縮機から放出されるからである。イオン液体は公知のように水などの溶媒に溶かすことなく１００°Ｃ以下の温度で液体状態の有機塩である。圧力レベルが高いとイオン圧縮機の運転中に気体内に液体分が持ち込まれる。この持ち込みは専門用語ではキャリーオーバとも呼ばれ、流体混合物の処理が必要になる。

ＦＣＳプレゼンテーション１７０９０９ドイツＤＢＩ

上記の問題点に鑑み、本発明の課題は混合物成分のより確実な分離を可能にする装置を提供することである。

上記の課題は本発明により、特許請求項１の特徴をその全体において有する装置によって解決される。

これに従い、本発明は流体混合物を液体分と残留液体分で汚染された気体分とに分離するための少なくとも１つの第１の分離段を設けており、気体分から少なくとも１つの別の分離段でこの残留した液体分が除去される。本発明により分離過程が複数の段階で行われることによって、第１の分離過程を実施した後で第２の分離段で微細分離を実施できるので、イオン液体など当該液体分は再び使用に必要な純度で提供されるとともに、得られた気体はこの液体を含んでいない状態に保たれる。

特に有利には第１の分離段として遠心分離機を設けることができ、遠心分離機内で気体に比べて密度の高い液体は生み出された旋回流の遠心作用に基づいてサイクロンハウジングの壁に向かって動かされ、そこで滴下する。分離過程を引き起こす遠心力はサイクロンハウジング内に流入して装置を貫流する流体混合物の速度によって生み出されるので、本発明による装置はエネルギー効率的にも駆動可能である。

残留液体分の効率的な微細分離のために、特に有利には第２の分離段としてコアレッサフィルタを設けることができる。この第２の分離段は第１の分離段の後に直接続くか、又は好ましくは第３の分離段を中間に置いて間接的に続くことができる。

本発明の特に有利な実施形態において全ての分離段は１つの共通ハウジング内に配置されており、このハウジングは流体混合物に対する入口、液体から分離された気体分に対する出口、並びに除去された液体を排出するための少なくとも１つの排出口を有している。それゆえ装置全体は外部配管なしで済ませるコンパクトな構成ユニットをなしており、これは適用される非常に高い圧力レベルでは特に有利である。

ハウジングは、垂直軸線に沿って延びる中空室を有しており、この中空室の中に遠心分離機が、その上に位置するコアレッサフィルタとその下に位置する分離された液体を収容するための集合室との間に配置されている。この配置において液体は直接遠心分離機から集合室内へ滴下できる。

有利には、遠心分離機のサイクロンハウジングの内壁は、その集合室と境を接する下端部で軸線に対して同心的な管部材との間に環状開口部を限定しており、この環状開口部がサイクロンシリンダの軸線から遠い領域と集合室との間の接続部を形成する配置とすることができる。それゆえサイクロンハウジングの内壁に堆積した液滴は移行部を経ずに集合室内に滴下できる。

環状開口部を限定管部材は、サイクロンシリンダの軸線に近い領域と集合室の上側領域との間の接続部の一部を形成しているので、サイクロンハウジングの軸線に近い領域にある気体は、直接集合室の上側領域に達する。

コアレッサフィルタは、同種のフィルタで慣用であるように、コアレッサフィルタは、内側のフィルタ中空室を包囲するフィルタ材を有することができ、集合室の上側領域とコアレッサフィルタのフィルタ中空室との間に接続流路が設けられている。そうすることによってサイクロン分離機から管部材を通って流出する、減少した液体分を含んだ気体は微細分離を実施する第２の分離段に到達する。

本発明の特に有利な実施形態において、コアレッサフィルタは同心的な内管を有しており、内管はその上端部でフィルタ材の外側と境を接するハウジングのスペース内に開口し、その下端部で気体分に対するハウジング出口に通じている。そうすることによって特に有利にはコアレッサフィルタを包含したフィルタチャンバからの気体の排出がフィルタ周面を包囲しているスペースからではなく、軸方向内管を通して行われるため、フィルタチャンバ内に最適な流動状況が生じ、それによりフィルタ周面の外側に堆積して凝結した液体が連行される危険はない。コアレッサフィルタが内管を有するこの設計構成の別の利点によりフィルタ材を交換する際の分解が容易になる。そのため装置からハウジングを取り外した後でフィルタ材は内管と一緒に組立ユニットとして取り出して、新しい組立ユニットと交換できる。この場合、気体分に対するハウジング出口とフィルタチャンバへの接続流路は、装置のハウジングと一緒に分解されない部分に配置されてよい。

特に効果的な微細分離のために、特に有利には集合室の上端部とコアレッサフィルタの内側のフィルタ中空室に通じる接続流路との間に第３の分離段としてデミスタ（demister、霜取り装置）を設けることができる。この第３の分離段はそれにより第１の分離段と第２の分離段との間に設けられている。

集合室を空にする際にイオン液体の保護濾過を行うために、集合室の底部領域と排出口との間に粒子フィルタを設けることができる。集合室は液体量を貯蔵するために設計されてよく、その際に液面監視を設けて液面を基準にして排出過程を実施することができる。

本発明の装置により、ハウジングの非常にコンパクトな構成と必要最小限の配管のために特に効率的な流体分離を可能とし、ステンレス鋼製の要素技術で圧力の安定した構成を提供しうる。

以下に本発明を図面に示した実施形態に基づいて詳細に説明する。

本発明による装置の実施形態を短縮して示した縦断面図である。 切断面が図１に対して９０°回転した、遠心分離機とその上にあるコアレッサフィルタの領域のみを取り出して示す縦断面図である。 図１の切断線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った横断面図である。 図１と同じ切断面で遠心分離機を包含する縦断面を拡大して示す部分縦断面図である。 図２と同じ切断面で遠心分離機とコアレッサフィルタの縦断面を拡大して示す部分縦断面図である。

図面を参照して、本発明を７０ＭＰａ（７００バール）〜１００ＭＰａ（１０００バール）の圧力下にある流体混合物の流体流れから液体分を分離するために設けられている装置の例で説明する。流体混合物は主としてイオン液体をある割合で含んだ水素ガスを有する。場合により流体混合物中に存在する固形粒子もこの装置によって同様に気体から分離可能である。ここに示す装置が、気体中に分離すべき液体分及び場合によっては分離すべき固形粒子を含む他の媒質混合物の処理に利用可能であることは自明である。

装置の図示された実施形態は、全体として円形中空円筒の形をした縦長のハウジング１を有しており、その軸線３は装置を取り付けた位置では垂直に延びる。ハウジング１は上部ハウジング部分５を有しており、その円形端部部材７でコアレッサフィルタチャンバ９の周囲を限定している。上部ハウジング部分５の下側の開いた端部は、下部ハウジング部分１３への移行部を形成する中間部材１１と密にねじ止めされている。下部ハウジング部分１３は上部ハウジング部分５の円筒状外形を延長して内側にある集合室１５の周囲を限定しており、集合室１５はその下端部で密にねじ込まれた底部１７によって閉じられている。底部１７には前段に粒子フィルタ２１が接続されている排出口１９があり、この排出口１９を通して集合室１５内にある液体が集合室１５の底部領域から排出可能である。

中間部材１１は回転体の形をしており、上部ハウジング部分５とねじ止めされたねじ山部２３に続いて半径方向に張り出したフランジ２５を形成している。フランジ２５には下側ねじ山部２７も続いており、ここで下部ハウジング部分１３との密なねじ止めが形成されている。この場合、フランジ２５は上側と下側で上部ハウジング部分５の端縁部若しくは下部ハウジング部分１３の端縁部に対するそれぞれの当接面をなしている。中間部材１１内には、第１の分離段を形成する遠心分離機２９があり、これは軸線３に対して同心的な円筒形サイクロンハウジング３１を備えており、その上端部で流入口３３が開口している。この流入口３３を通ってフランジ２５によって形成された流体入口３５から流体混合物がサイクロンハウジング３１内に接線方向で流入可能であり、サイクロンハウジング３１内にはサイクロン分離機で慣用であるように旋回流若しくはサイクロン形成される。更に中間部材１１内には流体混合物から分離された気体分を排出するための出口３７、及び入口３５と出口３７に対して９０°ずらして配置された液体出口３９（図２及び図５参照）、並びに流体接続を形成する流路がある。

図４で最も明瞭に見て取れるように、中間部材１１内に挿入されたスリーブ４１は、軸方向で中間部材１１の下端部を越えて集合室１５の方向に延びて、サイクロンハウジング３１の内壁４３の最終部分を形成している。内壁４３はスリーブ４１の下端部で管部材４７との間に環状開口部４５を限定しており、管部材４７は軸線３に対して同心的にスリーブ４１に延びその下端部を越えて集合室１５内に延びている。この配置において環状開口部４５は、サイクロンハウジング３１の軸線から遠い下側領域と合室１５との間の接続部、即ち流出口を形成する。これを通って流体混合物の密度の高い混合物成分として遠心力の作用により内壁４３に堆積した液滴は直接集合室１５内に滴下できる。

サイクロンハウジング３１の上端部で参照符号の箇所で中間部材１１内に定着された支持ロッド４９は、サイクロンハウジング３１を同軸に貫通して管部材４７の下端部を越えて延びている。支持ロッド４９の下端部５０に座着しているピン５１によって支持ロッド４９にキャップ部５２が取り付けられており、管部材４７の下端部はこのキャップ部５２ともねじ止めされているので、支持ロッド４９は支持ロッド４９を間隔を置いて包囲している管部材４７に対する支持部材をなしている。そうすることによって管部材４７の内室５３は、接続のサイクロンハウジング３１の軸線に近い領域と、キャップ部５２の内部で管部材４７の内室５３に開口している気体流出接合管５５との間の接続部を形成する。それゆえサイクロンハウジング３１の軸線に近い領域にある気体分は、流出接合管５５を通って集合室１５の上側領域に流出する。

集合室１５に向けられた中間部材１１の端面には、その端縁部５７の内部に漏斗状凹部５９がある。図５に最もよく見て取れるように、ここを起点として接続流路６１が中間部材１１の上端面に向かって延びている。端縁部５７と下部ハウジング部分１３の内壁に設けた段部６３との間にデミスタ６５がそれ自体公知の構成形態で配置されて凹部５９から突出したスリーブ４１の端部を包囲している。それゆえ接合管５５から流出する気体分、並びにその他の少なくとも部分的に液体と混合して管部材４７の外周面を包囲している気体分は、凹部５９に流入する前にデミスタ６５を通過し、その後それぞれの気体分は更に液体が取り除かれて中間部材１１の上側に向かう流動経路で上昇運動して接続流路６１を貫流する。

コアレッサフィルタチャンバ９の下端部を形成している中間部材１１の上側には、第２の分離段を形成するコアレッサフィルタ６７が配置されている。これは中間部材１１の上側に接続する脚部６９を有しており、脚部６９は下側端部部材７１に対する座部を形成し、そこからフィルタ材７３はコアレッサフィルタ６７の上側端部部材７５に向かって延びている。フィルタ材６３によって囲まれたフィルタ中空室７７の内部では、内管７９がコアレッサフィルタ６７全体を同軸に貫通して延びており、内管７９は端部部材７５に貫入する上側端部８１が開いており、それによってフィルタチャンバ９のスペースと連通している。中間部材１１内に延びている内管７９の他方の下端部は、図１及び図４が示すように、傾斜流路８３を通して気体分に対する出口３７と接続されている。

図５に流動矢印で暗示されているように、集合室１５の上側領域にある接合管５５から流出した気体は、遠心分離機２９を通り抜けた後では減少した液体分しか含んでおらず、デミスタ６５を通過した後に接続流路６１を通って、脚部６９内に続いている貫通路８５、並びにコアレッサフィルタ６７の下側端部部材７１内の開口部８７とその内側のフィルタ中空室７７に到達し、第２の分離段を形成しているフィルタ材７３を内側から外側へ貫流する。その際に残留している液体分はフィルタ材７３の外側に堆積し、そこからフィルタチャンバ９の内部で下方に移動してフィルタチャンバ９の底部から垂直流路８９を通って液体出口３９に到達する。

気体は内側のフィルタ中空室７７からフィルタ材７３を貫流した後で包囲しているフィルタチャンバ９に到達し、サイクロン分離機２９を通過した後、更にデミスタ６５とコアレッサフィルタ６７を通過した後では液体分を含んでいない。サイクロン分離機２９によって液体も固形粒子も水素に比べて密度が高いために水素から分離可能である。分離プロセスの中間に接続されたデミスタ６５により、流体混合物の気体流から５μｍより大きい液滴を分離することが可能となるので、後続のコアレッサフィルタ６７は専ら５μｍより小さい極微液滴の処理に用いられる。そのため特に効果的な微細分離のためにデミスタ６５が第３の分離段としてコアレッサフィルタ６７の前段に置かれている。図５に曲がり矢印９１で暗示されているように、気体はフィルタチャンバ９から上端部８１を通って内管７９に達し、そこから傾斜流路８３を通って気体側の出口３７に到達する。軸方向内管７９を通して流動案内すると、フィルタチャンバ９内でフィルタ材７３の外側にある液滴が気体出口３７に向かって連行される危険が回避される。

図示された実施形態では、分離されてサイクロンハウジング３１の環状開口部４５を通って集合室内に滴下した液体の貯蔵物を収容するための集合室１５が構成されており、例えば下部ハウジング部分１３の内部の集合室１５に５リットルの体積を収容可能である。図１に示されているように、出口１９を通して行われる排出過程を制御するために、液面計による制御を設けることができる。これに関してこの例では、変位測定システム９７のための測定区間をなすガイド９５上を案内されたフロート体９３が設けられている。これは非接触型センサ装置、例えばガイド９５の内部に導波体を固定した磁歪式非接触法であることができる。

総じて本発明による装置の具体的な実施形態は、イオン液体などの液体により最大５％のオーダーでわずかに汚染されている気体流、例えば高圧下の水素を処理するために用いられることが確認できる。

このような分離のために本発明による装置の解決は液状及び粒子状の不純物を分離するために３種類の分離段を用いる。処理プロセスの順番で挙げると、以下の通りであろう。
１．高い密度の粒子と液体の分離を可能にする遠心分離機
２．例えば５μｍ以上の大きい液滴の分離を可能にし、従って液体がコアレッサフィルタエレメントを突破するのを防ぐデミスタ
３．好ましくは液滴径５μ未満の極微エアロゾルの分離に用いるコアレッサフィルタエレメント

濾過された気体を集合室９から同軸に配置された排出管７９を通して誘導することは、装置に対して液体キャリーオーバを最小限にすることと並んで、コアレッサフィルタの圧力容器若しくはフィルタハウジングを２部分（コンポーネント５及び１１）から構成できるという別の利点を提供する。この場合、全ての供給管及び排出管は装置の固定部分１１に収容できる。このことはエレメントの交換を著しく簡単にする。なぜなら配管を分解する必要がなく、ハウジング容器は交換すべきエレメントへの「快適」接近を許す。さもなければハウジングは３部分から構成しなければならないであろうが、これはメンテナンスに手間がかかり、追加のコストを伴う。

Claims (11)

1. 流体混合物を処理するための装置であって、気体、特に水素（Ｈ₂）、空気、窒素（Ｎ₂）又は天然ガス、並びに液体、特にイオン液体、油圧油又は処理液を含む流体混合物を、液体分と残留液体分で汚染された気体分とに分離するための少なくとも１つの第１の分離段（２９）を有しており、前記残留液体分が少なくとも１つの別の分離段（６７）で気体分から除去される、流体混合物を処理するための装置。
2. 第１の分離段として遠心分離機が設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 第２の分離段としてコアレッサフィルタ（６７）が設けられていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
4. 全ての分離段（２９、６７）は１つの共通ハウジング（１）内に配置されており、前記１つの共通ハウジング（１）は流体混合物に対する入口（３５）、液体から分離された気体分に対する出口（３７）、並びに除去された液体を排出するための少なくとも１つの排出口（１９、３９）を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記１つの共通ハウジング（１）は、垂直軸線（３）に沿って延びる中空室を有しており、前記中空室内に遠心分離機（２９）が、その上に位置するコアレッサフィルタ（６７）とその下に位置する分離された液体を収容するための集合室（１５）との間に配置されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
6. 遠心分離機（２９）のサイクロンハウジング（３１）の内壁（４３）は、その集合室（１５）と境を接する下端部で軸線（３）に対して同心的な管部材（４７）との間に環状開口部（４５）を限定しており、前記環状開口部（４５）はサイクロンシリンダ（３１）の軸線から遠い領域と集合室（１５）との間の接続を形成することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
7. 管部材（４７）の内室（５３）はサイクロンシリンダ（３１）の軸線に近い領域と集合室（１５）の上側領域との間の接続の一部を形成することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
8. コアレッサフィルタ（６７）は、内側のフィルタ中空室（７７）を包囲するフィルタ材（７３）を有し、集合室（１５）の上側領域とコアレッサフィルタ（６７）のフィルタ中空室（７７）との間に接続流路（６１）が設けられていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
9. コアレッサフィルタ（６７）は同心的な内管（７９）を有しており、前記内管（７９）はその上端部（８１）でフィルタ材（７３）の外側と境を接するハウジング（１）のスペース（９）内に開口し、その下端部で気体分に対するハウジング出口（３７）に通じていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置。
10. 集合室（１５）の上端部とコアレッサフィルタ（６７）の内側のフィルタ中空室（７７）に通じる接続流路（６１）との間に、第３の分離段としてデミスタ（６５）が設けられていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の装置。
11. 集合室（１５）の底部領域と排出口（１９）との間に粒子フィルタ（２１）が設けられていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の装置。

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