JP5214961B2 - 液滴を含む流体流から流体を分離する装置、又はその装置を備えたデバイス、及び、その装置、又はデバイスである多段液滴分離器を運転する方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の事前特徴部分による液滴を含む流体流から液体を分離する装置又はデバイスと、更にこの液滴分離を実施するための方法とに関する。この流体は、気体或いは、分離しようとする液体の密度よりも低い密度を有する第２液体である。

石油及びガス業界では、気体相の中に水滴の形で離散相を含有する２層混合物又は多相混合物の処理において、相の分離がしばしば必要である。このために使用される分離器では、遠心力の形で重力及び／又は慣性力を使用する分離方法を実施することができる。両方の方法において、液体小滴を含む気体の流れ即ち流体流は分離表面に送られ、分離表面の上で、一方では流れの簡単な偏向によって、又は他方では渦流の誘導によって分離が起る。

本質的に、分離の効率に影響する２つの要素がある。一方では、小滴のサイズが影響を有する。即ち２相流における小滴が小さいほど、小滴を流体流から分離表面へ運ぶことが困難になる。そのわけは、大きな滴の場合にのみ慣性によって十分な偏向が起るからである。効力に対する第２の基本的な影響は、分離表面の上に位置する流体薄膜からの小滴の高速流体流による再分離である。分離器構造物の表面上に位置する液膜の厚さは、一方では、利用可能な自由貫通流面積に影響する。他方では、この薄膜の安定性は厚さが増すにつれて低下し、流体膜上の波の形成が小滴の分離に至ることができる。

液体量の、即ち流体流の増加は分離器の溢れに至り、したがってその処理能力限界に到達することになる。分離過程の効率は、処理能力限界の領域において大きく低下する。処理能力は分離表面上の薄膜の厚さと流体の速度とによって限られるので、薄膜の厚さを減少させ、したがって分離装置の処理能力を増加させることが有利である。

ＵＳ−Ａ−４７４４８０６から、流体流から液滴を分離することができる分離器構造物が知られている。この分離器構造物は、流れの方向を横切る不均質構成物を有する。分離器構造物のより高い密度を有する主ゾーンでは、液体は際立って分離されるが、主ゾーンの間に配置されたより低い密度を有する補助ゾーンでは、分離された液体及びこれらの補助ゾーンに入る液体は、流体流とは逆方向に流れる。補助ゾーンによる排液は主ゾーンにおける膜厚の減少を容易にし、これによって主ゾーンの処理能力を増加させる。

本発明の目的は、液滴を含む流体流から液体を分離することができる更に別の装置を提供することである。この目的は、多段液滴分離器である請求項１において定義された装置によって達成される。

この装置は、液体の小滴を含む流体流から液体を分離する働きをし、この流体流を分離された液体とは反対方向に分離器構造物を通って向けることができる。分離された液体は分離器構造物の表面上を流れる。分離器構造物は少なくとも２つの段を形成する。各分離器構造物は、流体流が入るための入口区域を有し、入口区域は対応する出口区域よりも低く配置されている。複数の段では、各段が、この段から戻って流れる液体のための入口区域に設けられた収集器を有する。収集器は収集通路を介して収集管路にそれぞれ連結されている。

従属請求項２から６までは、本発明による装置の有利な実施例に関するものである。請求項７は、この装置即ち多段液滴分離器を含むデバイスに関する。この装置を作動するための方法は、請求項８から１０までの主題である。

次に添付の図面を参照して本発明を説明する。

図１に示す多段液滴分離器は、液体小滴を含む流体流５から液体を分離するための、本発明による装置１である。大抵は気体流であるこの流体流５は、分離器構造物２を通って向けられ、各分離器構造物２において、分離された液体が分離器構造物２の表面上を逆に流れる。これらの表面を、分離しようとする液体に関して湿潤にすることができる。図示の実施例では、分離器構造物２は３つの段２１、２２、及び２３を形成している。各分離器構造物２は流体流５を入れるための入口区域２０ａを有し、この入口区域２０ａは対応する出口区域２０ｂより低く配置されている。分離器構造物２から流れて戻る液体のための収集器３が、それぞれ入口区域２０ａに備えられている。収集器エレメント３１を含む各収集器３は、収集通路３２を介して分離器構造物の外側の収集管路４に連結されている。流体流４１、４２、及び４３は３つの段２１、２２、及び２３から収集管路４の中に入り、これらの流体流は１つの流体流４４に合併する。多段液滴分離器１では、一方では乾燥流体流５が湿潤流体流５から発生し、他方では分離された液体の流れ４４が発生する。

複数の段が備えられている場合には、個別の段で収集器３を省略してもよい。収集器３が存在しない場合には、分離された液体は更に流体流５の方向に見て隣接する段に流れる。この隣接段が分離された液体のために十分に大きな取入れ容量を有する場合には、本発明の装置１の機能の能力は実質的に追加の負荷によって減損されることはない。しかし、分離された液体のための大きな取入れ容量は、概して結果的に分離能力の低下となるので、すべての段が収集器３を備えている場合が有利である。

分離能力は、非線形方式で分離器構造物２によって取り入れられる液体の量に依存する。したがって、部分的に溢れた分離器２は、特に非常に小さな液滴に対して、よりすぐれた分離能力を有することができる。（溢れは、次の段へのかなりの液滴同伴が発生し、分離器エレメント内の液体残留の増強が存在する動作点である。）このような場合には、溢れに至る収集器３がないことは有利にもなり得る。これが有利であるか否かは、分離器構造物２の選択と流体流５内の小滴サイズのスペクトルに依存する。

分離器構造物２は各々、分離エレメントのパイル及び／又はワイヤ特に金属ワイヤで織られた又は編まれた層のスタックから作られる。本発明による装置１の更に別の実施例では、少なくとも１つの段は、例えば交差チャネル構造を形成する構造化パッキングを含む。このパッキングは、波形薄片又は千鳥形状に折り曲げられた薄片の少なくとも１つの複合層で作られている。これらの層は垂直方向に整合され、傾斜した流れチャネルを形成する。隣接層の流れチャネルは互いに交差し、互いに開いている。

概して、分離器構造物は様々なサイズの比表面積（又は密度）を有する。比表面積は流体流５の流れ方向に有利に増加する。

収集器３は複数の収集エレメント３１から組み立てられる。２つの有利な形式の収集器３を挙げることができる。

第１形式を図１に示す。収集エレメント３１は平行に配置された収集トラフであり、これらのトラフの間に、流体流が分離器構造物の中へ直接入るための隙間が設けられている。入口表面又は入口区域２０ａの上に流れパターンが直接生じ、これによって、分離された液体は収集エレメント３１の背後の風下ゾーンに強制され、ここで液体は、流体の流れによって妨げられることなく、収集エレメント３１の中に流れることができる。

図２及び図３の助けによって示された第２形式の収集器３では、各収集エレメント３１は、少なくとも１つの収集区域３４と、収集チャネルに通じる収集トラフ３５とを含む。図２には収集器３の下側が図示されて、この下側に対して流体流５が流れることがわかる。収集器３は流体流５のための通過開口部３６又は隙間を有し、流体流５は附属の分離器構造物２の入口区域２０ａに配分される。収集エレメント３１を通る流体流５の通過開口部３６又は隙間の直接通過は、隣接する収集エレメントの偏向表面部によって各場合に完全に、又は部分的に（少なくとも５０％にまで）防止される。図２では、直接通過は狭い条片３７においてのみ可能である。図１の収集器と同様な方式で、直接通過が、不利な効果を得ることなく図２におけるよりも多くなることも可能である。

収集器３は、流体流の偏向のために、収集器機能に加えて分離器機能を有する。この機能は上記の両形式の収集器に適用され、特に第１形式に適用される。第２形式では、流れに影響する追加の構造エレメントが、収集表面３４の上に、又はこれらの間に分離器手段として作用することができる。

図４は、本発明による装置１の更に別の実施例であり、少なくとも１つの追加分離器段６を含むデバイス１^＋であって、分離器段６は異なる動作原理に従って働く。デバイス１^＋は更に入口段２５も含み、入口段の中には、本発明による分離器構造物と液体収集器とを配置することができる。しかし入口段２５は、その他の設備、例えば、流体流５と共に運ばれる小滴のサイズ・スペクトルに影響するためのコアレッサを含むこともできる。装置１^＋は中心対称構造を有する。液滴分離器１は又、ここでは環状分離器構造物２と収集器３とで形成された３つの段２１、２２、及び２３を含む。段数が２段又は３段以上でも可能であることは言うまでもない。

処理しようとする流体の流れを、矢印５０、５０’、５０”、及び５１で示す。液滴分離器１を通過した後、液体の残りをまだ含んでいる流体の流れ５０’は半径方向に中央に運ばれブレード６０を通って（矢印５０”）、この配置では渦巻流５１に設定される。渦巻流５１は分離器段６の基部６１における開口を通って、液体の残りが適当に形成された構造によって、及び遠心力を使用して更に減少する領域に入る。この種の遠心分離は、図示された実施例におけるように、最終段として備えられることが好ましい。

本発明による多段液滴分離器１を運転するための方法では、分離を例えば、少なくとも部分的に溢れた分離器構造物を有する第１段で実施することができる。この方法では、分離した液体によって形成される連続相が、流体流からの離散相として泡の形で通される。したがって小さな液滴は個々の泡の中の表面上に沈殿することができる。

流体流を、液体負荷が多い段では圧力低下が溢れるという結果になる値に達するように、調整することができる。

本発明による方法のある特定の使用では、分離しようとする液体を含む湿潤流体流と分離しようとする液体を含まない乾燥流体流５’との間に、大き過ぎない圧力差が存在することが必要となり得る。この場合、及び例えばデバイス１^＋では、次のように進めることが可能である。

デバイス１^＋では、乾燥流体流の全圧力低下を容積流量の関数として測定する。次にデバイス１^＋を湿潤流体流５で運転する。この湿潤流体流５に対して圧力低下が生じ、この圧力低下は、乾燥流体流に対する圧力低下の二倍値、又は別の所定値を超えない。所定の値を超過する場合は、湿潤流体流５は、指定された条件を満たすように減少される。

流れ方向に直列に連結された分離器構造物の配置である装置１では、分離器構造物の表面上における液膜の厚さは、液体の中間連行によって減少する。ある一定の膜厚以上で発生する液滴の分離は、より高い液体流若しくは気体流においてのみ起る。更に又、分離された液体はもはやその前にある全ての段を通って気体流の中を流れないので、個々の段の流体減結合が達成される。

本発明による装置１によって可能になる利点は、液体の個別の収集及び連行と組み合わせた分離器構造物の適当な密度（比表面積）の選択による、分離器表面の上における流体薄膜の制御である。分離器構造物の部分的溢れによって、例えば、ある段から減結合して次の段で液滴の分離が起ることができるように、前者の段で液体排流を省略することによって、集合を意図的に達成することも可能である。

流体流５において下流に配置された分離器装置の部分が必要な分離効率を確証する場合には、最下段の溢れを、空間をできるだけ節約する配置の意味で有利であるものとして準備することができる。溢れによって形成された勢いよく発泡する液体の層による流体のための断面の遮断は、液体の微細な小滴が又液体の表面上に合着するので、しばしば確実な効果を有する。液膜からの分離による小滴の生成は通常、流体流５と共に装置１の中に送られる小滴の生成とは異なる機構を必要とする。この分離を起点とする液滴を小滴よりもかなり大きくすることができ、したがって次の段で更に容易に分離することができる。

本発明による多段液滴分離器を示す図である。 液体収集器の一例を下から見た図である。 図２の収集器の断面図である。 本発明による多段液滴分離器の更に別の実施例を含む装置を示す図である。

符号の説明

１ 多段液滴分離器
２ 分離器構造物
３ 収集器
４ 収集管路
５ 流体流
６ 追加分離器段
２０ａ 入口区域
２０ｂ 出口区域
２１、２２、２３ 段
２５ 入口段
３１ 収集器エレメント、収集エレメント
３２ 収集通路
３４ 収集区域、収集表面
３５ 収集トラフ
３６ 通過開口部
３７ 狭い条片
４１、４２、４３ 流体流
４４ 液体の流れ
５０ 矢印
５１ 渦巻流
６０ ブレード
６１ 分離器段６の基部

Claims (10)

1. 液体小滴を含む流体流（５）から液体を分離するためであり、分離された液体とは反対方向に分離器構造物（２）を通って向けることができ、分離された液体は前記分離器構造物（２）の表面上を流れ、前記分離器構造物（２）は少なくとも２つの段（２１、２２）を形成し、各分離器構造物（２）は前記流体流が入るための入口区域（２０ａ）を有し、前記入口区域（２０ａ）は対応する出口区域（２０ｂ）よりも低く配置されている、装置（１）であって、第１段があり、該第１段には該第１段から戻って流れる液体（４１）のための収集器（３）が前記第１段の入口区域に備えられており、第２段があり、該第２段には該第２段から戻って流れる液体（４２）のための収集器（３）が前記第２段の入口区域に備えられていること、
   前記収集器（３）が各々収集通路（３２）を介して収集管路（４）にそれぞれ連結されていること、
   前記分離器構造物（２）が各々、分離エレメントのパイル及び／又はワイヤで織られた又は編まれた層のスタックから作られること、
   少なくとも１つの段が規則的なパッキングを含み、このパッキングは交差チャネル構造を形成し、波形薄片又は千鳥形状に折り曲げられた薄片の複合層を有し、これらの薄片は垂直方向に整合された層の中に傾斜した流れチャネルを形成し、隣接層の前記流れチャネルは互いに交差し開いていること、
   前記分離器構造物（２）は様々なサイズの比表面積を有し、前記比表面積は前記流体流（５）の流れ方向に増加すること、及び
   前記収集器（３）は複数の収集エレメント（３１）から組み立てられ、各収集エレメントは平行に配置された収集トラフ（３５）であり、前記トラフ（３５）の間に、流体流が前記分離器構造物（２）の中に直接入るための隙間が備えられ、又は各収集エレメント（３１）は、少なくとも１つの収集表面（３４）と、前記収集通路（３２）に通じる収集トラフ（３５）とを含み、前記収集器（３）は、附属の分離器構造物の入口区域（２０ａ）に配分される前記流体流（５）のための通過開口部（３６）又は隙間を有し、前記流体流（５）の前記通過開口部（３６）又は隙間の直接通過は、隣接する収集エレメント（３１）の偏向表面部（３３）によって各場合に完全に、又は少なくとも５０％にまで防止されることを特徴とする装置。
2. 前記収集器（３）が、前記流体流（５）の偏向の結果としての収集機能に加えて、分離機能を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記収集エレメント（３１）は、Ｖ字型通路として形成されることを特徴とする、請求項１〜３までのいずれか一項に記載の装置。
4. ある領域において前記流体流（５）を渦巻流（５１）に設定することができ、こうして液体を適当に設計された構造物の中で遠心力によって分離することができ、この種の遠心分離は最終段に備えら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装置（１）を備えたデバイス（１^＋）。
5. 少なくとも２段（２１、２２、２３）において分離された液体が、前記収集器（３）によって収集され、前記収集器（３）から前記収集管路（４）に供給されることを特徴とする請求項１から４までのいずれか一項に記載の装置（１）又はデバイス（１^＋）である、多段液滴分離器（１）を運転するための方法。
6. 少なくとも１つの段（２１）において分離が少なくとも部分的に溢れた分離器構造物（２）によって実施され、分離された液体によって形成された流体流の連続相が、離散相として泡の形で通されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記流体流を、液体負荷が大きな段では圧力低下が、液体が溢れるという結果になる値に到達するように、調整することができることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 請求項５〜７のいずれか一項に記載の方法であって、前記デバイス（１^＋）では、乾燥流体流の全圧力低下を容積流量の関数として測定し、続いて前記デバイス（１^＋）を湿潤流体流（５）で運転し、前記圧力低下は、前記乾燥流体流に対する圧力低下の二倍値を超えない方法。
9. 請求項８に記載の方法であって、前記圧力低下が所定値を超えて、且つ前記乾燥流体流に対する圧力低下の二倍値を超えないときに、前記湿潤流体流（５）が減少される、方法。
10. 液体小滴を含む流体流（５）から液体を分離するためであり、分離された液体とは反対方向に分離器構造物（２）を通って向けることができ、分離された液体は前記分離器構造物（２）の表面上を流れ、前記分離器構造物（２）は少なくとも２つの段（２１、２２）を形成し、各分離器構造物（２）は前記流体流が入るための入口区域（２０ａ）を有し、前記入口区域（２０ａ）は対応する出口区域（２０ｂ）よりも低く配置されている、装置（１）であって、第１段があり、該第１段には該第１段から戻って流れる液体（４１）のための収集器（３）が前記第１段の入口区域に備えられており、第２段があり、該第２段には該第２段から戻って流れる液体（４２）のための収集器（３）が前記第２段の入口区域に備えられていること、
    前記収集器（３）が各々収集通路（３２）を介して収集管路（４）にそれぞれ連結されていること、
    前記収集器（３）は複数の収集エレメント（３１）から組み立てられ、各収集エレメントは平行に配置された収集トラフであり、前記トラフの間に、流体流が前記分離器構造物の中に直接入るための隙間が備えられ、又は各収集エレメント（３１）は、少なくとも１つの収集表面（３４）と、前記収集通路（３２）に通じる収集トラフ（３５）とを含み、前記収集器（３）は、附属の分離器構造物の入口区域（２０ａ）に配分される前記流体流（５）のための通過開口部（３６）又は隙間を有し、前記流体流（５）の前記通過開口部（３６）又は隙間の直接通過は、隣接する収集エレメント（３１）の偏向表面部（３３）によって各場合に完全に、又は少なくとも５０％にまで防止されることを特徴とする装置。
    

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