JP4906170B2 - 流体からのガス成分の除去 - Google Patents

Description

本発明は、流体の流れからの１種もしくはそれ以上のガス成分の除去に関するものである。特に本発明は、流体の温度を、選択成分の凝縮および固化の１つが生じて選択成分が粒子を形成するような選択温度より低く低下させ、粒子を流れから分離することによる、流体流からのガス成分の除去に関するものである。この種の分離は、たとえば煙道ガスからの二酸化炭素の除去、空調（水除去）、およびパイプラインのネットワークにガスを分配する前の天然ガスの乾燥など各種の工業プロセスに使用することができる。「天然ガス」と言う用語は、地下埋蔵物から産出し、広くさまざまな組成をもつガスに適用される。天然ガスは、炭化水素の他に一般に窒素、二酸化炭素および、しばしば少量の硫化水素を含む。主たる炭化水素はメタン（すなわちパラフィン系列の炭化水素の最も軽質および最も低沸点の物質）である。他の成分はエタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、ヘプタンなどである。軽質成分（たとえばブタンまで）は大気温度および大気圧力にて気相である。重質成分は地下から産出する際、高温度にて気相であると共に、ガス混合物が冷却された際に液相となる。この種の重質成分を含有する天然ガスは「ウェットガス」として知られ、液体炭化水素を全く含有せず或いは極く少ない割合しか含有しない乾燥ガスと区別される。
オランダ特許出願第８９０１８４１号は、複数のガス成分を含有する流体の流れから選択ガス成分を除去する方法を開示しており、ここでは流れを導管中に超音速にて流動させて、導管内の流体の温度を選択成分の凝縮点以下まで低下させることにより、選択成分の凝縮粒子を形成する。導管には、超音速にて流動する流体の流れに渦運動を付与する渦付与手段が設けられる。凝縮粒子は、第１出口流にて流れの半径方向外側セクションから抜き取られると共に、残った流体は、流れの中心部分から第２出口流にて収集される。前記半径方向外側セクションおよび前記流れの中心部分における速度は超音速である。
ＮＬ−８９０１８４１号に開示されたガス混合物からガスを分離する装置の具体例においては、別々の衝撃波を第１および第２出口流にて生じ、流体の比較的大きい流動抵抗をもたらす。なお分離効率は比較的低く、従って相当量の凝縮粒子がまだ第２出口流に存在する。
本発明の目的は、複数のガス成分を含有する流体の流れからガス成分を除去するための改良方法および装置を提供することにある。
本発明によれば、
− 複数のガス成分を含有する流体の流れを導管中に超音速で流動させて、流体の温度を選択成分の凝縮もしくは固化の１つが生じて選択成分の粒子を形成する選択温度より低く低下させ、導管には流体の流れに渦運動を付与して粒子を流れにおける収集帯域の半径方向外側セクションまで流動させる渦付与手段を設け；
− 粒子を前記収集帯域の半径方向外側セクションから出口流中に抽出する、
ことからなる、前記流体の流れから選択ガス成分を除去する方法において：
− 渦付与手段の下流かつ収集帯域の上流にて前記流れに衝撃波を発生させて、流体の軸方向速度を亜音速まで低下させる
ことを特徴とする選択ガス成分の除去方法を提供する。
他面において本発明によれば、
− 複数のガス成分を含有する流体の流れを導管中に超音速で流動させて、流体の温度を選択成分の凝縮および固化の一つが生じて選択成分の粒子を形成する選択温度より低く低下させ、導管には流体の流れに渦運動を付与して粒子を流れにおける収集帯域の半径方向外側セクションまで流動させる渦付与手段を設けてなる手段と；
− 粒子を収集帯域の前記半径方向外側セクションから出口流中へ抽出する手段と
を備えた、前記流れから選択ガス成分を除去する装置において：
−渦付与手段の下流かつ収集帯域の上流にて前記流れに衝撃波を発生させて流体の軸方向速度を亜音速まで低下させる衝撃波発生手段をさらに備えたことを特徴とする選択ガス成分の除去装置を提供する。
収集帯域における粒子の収集を衝撃波の後に、すなわち超音速流動でなく亜音速流動にて行えば、分離効率は顕著に改善されることが判明した。これは、衝撃波が流体の相当量の運動エネルギーを消失させ、それにより流体速度の接線方向成分（渦付与手段によって生ずる）が実質的に変化しないまま軸線方向成分を強度に減少させるからである。その結果、収集帯域の半径方向外側セクションにおける粒子の密度は、流体が超音速で流れている導管のどこよりも顕著に高くなる。この作用は軸線方向流体速度が強度に減少することによって生じ、従って流体が導管の壁部に一層近い箇所よりも一層高い軸線方向速度にて流動する流れの中心「コア」により粒子が同伴される傾向が低下することによって生ずると思われる。従って、亜音速流動方式において、凝縮粒子に対し作用する遠心力は、流れの中心「コア」の同伴作用により大して妨げられず、従って粒子はこれらが抽出される収集帯域の半径方向外側セクションにて凝集する。
好ましくは、衝撃波は流体の流れを拡散器を流過するよう誘導することにより発生する。適する拡散器は超音速拡散器（supersonic diffuser）である。
有利な具体例において、収集帯域は拡散器の出口端部に近接位置する。
その後の流体流の乾燥は、好適には収集された粒子の出口流に気／液分離器を導入して、出口流のガスフラクションをその液体フラクションから分離することにより達成される。
有利には出口流のガスフラクションを、導管中に超音速にて流動するよう誘発された流体の流れと混合する。
好適には超音速で流動するよう流れを誘発する手段は導管のラバル型（Laval-type）入口を備え、拡散器の最小断面流動面積をラバル型入口の最小断面流動面積よりも大きくすることである。
本発明の魅力的具体例において流体は土壌形成物から産出された天然ガスを形成し、前記選択温度は選択成分の凝縮粒子が形成される選択成分の凝縮点により規定され、これら粒子は液体出口流にて凝集する。
選択成分は、たとえばエタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、ヘプタンおよびオクタンの１種もしくはそれ以上である。
以下、添付図面を参照して実施例により本発明を一層詳細に説明する。
図１は本発明による装置の第１実施例の縦断面図であり、
図２は本発明による装置の第２実施例の縦断面図である。
図１には、ハウジングの一端部における流体入口３とハウジングの他端部近くにおける実質的に液体のための第１出口５とハウジングの前記他端部における実質的にガスのための第２出口７とを有する開口端部のチューブ状ハウジング１の形態の導管を示す。装置１における流動方向は、入口３から第１および第２出口５、７への方向である。入口３はラバル型であって、流動方向に収束−拡開形状の縦断面を有して前記入口３を介し、ハウジング中へ流入する流体流に超音速流動速度を誘発させる。ハウジング１には第１円筒状部分９と拡散器１１とをさらに設け、第１円筒状部分９は入口３と拡散器１１との間に位置する。１個もしくはそれ以上（たとえば４個）のデルタ形状のウィング１５が第１円筒状部分９の内表面から半径方向内方に突出し、各ウィング１５はハウジング内に流動方向に対し選択角度にて配置して、ハウジング１の第１円筒状部分９内を超音速にて流過する流体に渦運動を付与する。
拡散器１１は流動方向に収束−拡開形状の縦断面を有し、拡散器入口１７および拡散器出口１９を規定する。拡散器の最小流動断面積は、ラバル型入口３の最小流動断面積よりも大である。
ハウジング１はさらに、第１円筒状部分９よりも大きい流動面積を有すると共に拡散器１１の連続部として拡散器１１の下流に配置された第２円筒状部分１７をも備える。第２円筒状部分１７には液体のための軸方向出口スリット１８を設け、これとのスリット１８は拡散器出口１９から適する距離に配置される。
液体出口チャンバ２１は第２円筒状部分１７を包封し、これには実質的に液体のための上記第１出口５を設ける。
第２円筒状部分１７は実質的にガスのための前記第２出口７中へ突入する。
次に天然ガスを乾燥させる用途における装置１の通常操作を説明する。これは単に例示に過ぎず、装置１は炭化水素以外のガスをも処理しうる他の方法での用途にも同等に適している。
たとえばメタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサンなどの軽質および重質ガス成分を包含する天然ガスの流れをラバル型入口３に導入する。この流れが入口３を流過する際、流れは超音速まで加速する。流れの速度が大きく増大した結果、流れの温度は重質ガス成分（たとえばペンタン、ヘキサンなど）の凝縮点より低くなり、これにより凝縮して複数の液体粒子を形成する。流れがデルタ形状のウィング１５に沿って流動する際、流れに渦運動を付与させ（螺旋２２により図示）、液体粒子は半径方向外側の遠心力を受けるようになる。流れが拡散器１１に流入すると、衝撃波を拡散器１１の下流出口１９近傍にて発生させる。衝撃波は流れの相当量の運動エネルギーを消失させ、これにより主として流体速度の軸方向成分が減少する。流体速度の軸方向成分が強度に減少すると、流れの中心部分（すなわち「コア」）は減少した軸方向速度にて流動し、従って第２円筒状部分１７にて流動する流れの中心部分により凝縮粒子が同伴される傾向が低下する。従って凝縮粒子は、第２円筒状部分１７における流れの収集帯域の半径方向外側セクションにて凝集する。凝集粒子は液体の層を形成し、これを収集帯域から出口スリット１８、出口チャンバ２１および実質的に液体のための第１出口５とを介して抽出する。
乾燥した天然ガスは実質的にガスのための第２出口７を通して放出させる。
図２には本発明を実施する装置の第２実施例を示し、この装置はハウジングの一端部にラバル型流体入口２５を備えると共に、他端部に実質的に液体のための第１出口２７を備えた開口端部のチューブ状ハウジング２３を有する。装置における流体の流動方向を矢印３０により示す。ハウジングは、入口２５から液体出口２７まで実質的に第１円筒状部分３３と拡開拡散器３５と第２円筒状部分３７と拡開部分３９とを備える。デルタ型ウィング４１が第１円筒状部分３３内にて半径方向内方に突入し、ウィング３７は流動方向に対し選択角度でハウジング内に配置されてハウジング２３中を超音速にて流動する流体に渦運動を付与する。実質的にガスのためのチューブ形状の第２出口４３がハウジング中へ同軸方向に第１出口２７を貫通すると共に、第２円筒状部分３７の下流端部に入口開口部４５を備える。出口４３には内部に、ガスの渦流動を直線流動に移行させるストレートナー（straightener）（図示せず）（たとえば羽根型ストレートナー）を設ける。
第２実施例の正常操作は第１実施例の正常操作と実質的に同様であり、すなわち超音速渦流動が通常第１円筒状部分３３にて生じ、衝撃波が第２円筒状部分３７への拡散器３５の移行部近傍にて生じ、亜音速流動が第２円筒状部分３７にて生じ、液体を第１出口２７を介して放出し、乾燥ガスはガスの渦運動がストレートナーにより直線流動に移行し第２出口４３を介して放出される。
上記した詳細な説明において、ハウジングと第１円筒状部分と拡散器と第２円筒状部分とは円形断面を有する。しかしながら、これら部分の各１つにつき他の任意の好適な断面を選択することもできる。さらに代案として、第１および第２部分は円筒以外の形状（たとえば円錐台形状）を有することもできる。さらに拡散器は、特に低い超音速流体速度における用途においては、収束部分なし（図２に示すような）の他の任意適する形状を有することもできる。
各ウィングをハウジングの軸線方向に対し一定角度で配置する代わりに、このウィングは流動方向に角度を増大させ、好ましくは螺旋形状を持つウィングと組合せて配置することもできる。
さらに、各ウィングには上昇ウィングチップ（ウィングレットとも称する）を設けることもできる。
代案として拡開形状を有する拡散器（図２）の代わりに、拡散器は流動方向で見て拡開セクションに続く収束セクションを備える。この種の拡開−収束形状の拡散器の利点は、より低い流体温度増加が拡散器内で生ずる点にある。
凝縮粒子の寸法を増大させるため、流れの超音速部分における境界層をたとえばガスを流れの超音速部分に注入して濃密にすることができる。ガスは、たとえばハウジングの第１円筒状部分にハウジングの壁部に設けられた１個もしくはそれ以上の開口部を介して注入することができる。好適には、第１出口からのガスの１部をこの目的に使用する。この種のガス注入の作用は、流れの超音速部分で形成した凝縮の少ない粒子が一層大きい粒子をもたらすと共に、これら大きい粒子の一層良好な凝集をもたらすことにある。
渦付与手段は、入口部分の下流の代わりに導管の入口部分に配置することもできる。

Claims (10)

1. − 複数のガス成分を含有する流体の流れを導管中に超音速で流動させて、流体の温度を選択成分の凝縮もしくは固化の１つが生じて選択成分の粒子を形成する選択温度より低く低下させ、導管には流体の流れに渦運動を付与して粒子を流れにおける収集帯域の半径方向外側セクションまで流動させる渦付与手段を設け；
   − 粒子を前記収集帯域の半径方向外側セクションから出口流中に抽出する、
   ことからなる、前記流体の流れから選択ガス成分を除去する方法において：
   − 渦付与手段の下流かつ収集帯域の上流にて、流体の流れを拡開拡散器に流動させることにより前記流れに衝撃波を発生させて、流体の軸方向速度を亜音速まで低下させる
   ことを特徴とする選択ガス成分の除去方法。
2. 流体が土壌形成物から産出された天然ガスを形成し、前記選択温度が選択成分の凝縮粒子を形成する選択成分の凝縮点により規定される請求の範囲第１項に記載の方法。
3. 選択成分がエタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、ヘプタンおよびオクタンの１種もしくはそれ以上である請求の範囲第２項に記載の方法。
4. 前記出口流を気／液分離器に導入して、出口流のガスフラクションをその液体フラクションから分離する請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記ガスフラクションを、導管中に超音速にて流動させた流体の流れと混合する請求項４に記載の方法。
6. − 複数のガス成分を含有する流体の流れを導管中に超音速で流動させて、流体の温度を選択成分の凝縮および固化の一つが生じて選択成分の粒子を形成する選択温度より低く低下させ、導管には流体の流れに渦運動を付与して粒子を流れにおける収集帯域の半径方向外側セクションまで流動させる渦付与手段を設けてなる手段と；
   − 粒子を収集帯域の前記半径方向外側セクションから出口流中へ抽出する手段と
   を備えた、前記流れから選択ガス成分を除去する装置において：
   − 渦付与手段の下流かつ収集帯域の上流にて前記流れに衝撃波を発生させて流体の軸方向速度を亜音速まで低下させる、拡開拡散器を備えた衝撃波発生手段をさらに備えたことを特徴とする選択ガス成分の除去装置。
7. 流れを超音速にて流動させる手段が、導管のラバル型入口からなり、拡散器の最小流動断面積がラバル型入口の最小流動断面積より大である請求項６に記載の装置。
8. 前記収集帯域が拡散器の出口端部に隣接位置する請求項６または７に記載の装置。
9. 前記出口流に流体連通する入口と、前記出口流のガスフラクションのための出口とを有する気／液分離器をさらに備える請求項６〜８のいずれか一項に記載の装置。
10. ガスフラクションの出口が導管の入口に接続されて、ガスフラクションを導管中に超音速で流動する流体の流れと混合する請求項９に記載の装置。

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