JP5850476B2 - 気液接触器 - Google Patents

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Description

本発明は、気液接触デバイスに関する。本発明は、ガス流および液体流が物質、運動量または熱の移動の目的で一緒にされる技術分野に適用可能である。
燃焼後ＣＯ２捕獲（ＰＣＣ）技術は、既存の設備に大きな影響を与えることなく、改造プラントを加えることによって、石炭またはガス火力発電所、セメントキルンまたは加熱炉のような既存の固定化石燃料燃焼施設の排ガスからＣＯ２を除去しようと努めている。
発電所の燃焼排ガスからのＣＯ２捕獲とパイプライン状態への圧縮のトータルコストは、その他の炭素回避技術と比べて優位性があると推定されているが、経済的に受け入れられると考えられる炭素放出のコストよりも遥かに上である。このため、経済的に許容できるようにするには、捕獲コストと放出するための計画コストとの間の差を、ＰＣＣプラントの資本および運転コストを大幅に低減する技術開発によって対応しなければならない。
従来のＰＣＣプロセスは、最近の開発では、カスタマイズされた構造化充填、および混合アミン、プロモータ、防食および泡止め添加物の“先進”溶媒パッケージを有する充填層に重点が置かれている。充填層は、非常に高い界面面密度（単位体積当たりの面積）を示すが、更なる改善のための機会は、液体エントレインメントを制限するかまたは冠水を防止するために塔の直径が最大許容ガス速度によって固定される一方で、充填面に亘って液体を分配することにより表面積を形成するのに必要なエネルギーが重力のみによって与えられる、という事実により制限されている。所与の溶媒充填および燃焼排ガスのスループット（プロジェクト規模）のために、塔の寸法が実質的に固定される。
従来の充填層設計は、物質移動性能や、単一の設計が様々な液体特性（例えば、粘度）を扱う能力に関して制限があった。
本発明の目的は、一般に、気液間の接触の異なる機構を導入することにより、かなりの程度まで、既存のガス吸収／脱離の欠点の１またはそれ以上を解消することにあり、より具体的には、ＰＣＣプロセスに使用される既存のガス吸収／脱離の欠点の１またはそれ以上を解消することにある。本発明は、液体シートが物質移動媒体と、好ましくはガス運搬手段の二重の機能性を持つことを可能にする。これは、ガスチャネル壁の少なくとも一部を形成する液体シートを介して達成され、この液体シートは、計量スクリュ、オーガ、ファンまたはタービンの動作と類似した方法でガスがガスチャネルまたは経路に沿って運ばれるように、回転運動を有する。本発明は、金属充填表面を必要とすることなく、気相に後で移動される液相を経由してより効率的にエネルギーを加えることにより、相間の流体力学を有利に制御する。
第１態様において、本発明は、気液相接触器（gas and liquid phase contactor）を提供し、この気液相接触器は、
容器であって、内壁と、加圧液体源と、当該容器内の気液相接触空間（gas and liquid phase contacting space）に連通するガス入口とを有する容器と、
前記容器内で液体を分配するディストリビュータ装置とを備え、
前記ディストリビュータ装置が、少なくとも１のハウジングを含み、前記ハウジングが当該ハウジングの軸周りに回転可能であり、
回転可能な各ハウジングが、前記気液相接触空間を介して前記容器の内壁に向けて液体を導くために、前記ハウジングおよびその周囲に所定の配列で配置された少なくとも１の液体出口または液体出口の配列を含むディストリビュータ領域を有し、
前記ディストリビュータ装置が、前記加圧液体源から前記ハウジング内に液体を導入して、加圧された液体を前記少なくとも１の液体出口または液体出口の配列に与えるための液体入口を有し、前記ハウジング内の加圧された液体が、ハウジングの中心軸周りに回転する少なくとも１の液体シートとして、前記ハウジングから前記容器の内壁に向けて放出され、前記液体シートが、２つの面を有し、前記ガス入口が、前記気液相接触空間を通過させるようにガスを導いて、前記ハウジングの出口から放出される前記少なくとも１の液体シートの各面に接触させる。
液体出口は、前記ハウジングのディストリビュータ領域に形成された、スリット形状のオリフィス、またはスリット形状のオリフィスの配列であってもよい。ハウジングの壁に形成された液体出口は、ハウジングの内部と連通し、よってハウジング壁を通過する液体用の通路を提供する。液体出口は、ハウジングのディストリビュータ領域の表面を横断して延びるハウジングの外面およびその周囲に曲線を示す配列を形成する。液体出口は、液体シートでハウジングの内部から液体を放出するように、らせん状、渦巻き状またはその他の適当な配列でハウジングの周囲に間隔を空けて配置され、形成されるものであってもよい。液体出口の間隔は、好ましくは、液体ディストリビュータ外径の０．２乃至６倍の範囲内であり、より好ましくは、液体ディストリビュータ外径の３乃至３．５倍の範囲内である。
本発明の文脈の中で、らせん状配列またはらせんは、出口が一定間隔または可変間隔でハウジングの周囲に曲線を形成する配列を含むとともに、らせんの数学的定義に含まれないがらせんの外見を有する渦巻き状配列も含む。
液体を分配する装置は、好ましくは容器内に配置され、この装置には、容器の気液相接触空間内に液体を分配させるディストリビュータ装置と連通する液体入口が設けられる。液体ディストリビュータ装置には、ディストリビュータ装置の液体出口を通ってポンプを経由して液体を与えて、少なくとも始めは、配列に対応する液体出口の長さに沿って連続的に延びる液体流で、ハウジングから液体を放出するような加圧液体源と、気液相接触空間と連通するガス入口であって、ハウジングの出口から放出される液体シートと接触するようにガスを導くガス入口とが、さらに与えられるものであってもよい。
第２態様において、容器内で液体を分配するディストリビュータ装置が提供され、このディストリビュータ装置は、
少なくとも１のハウジングを含み、前記ハウジングが当該ハウジングの軸周りに回転可能であり、
回転可能な各ハウジングが、気液相接触空間を介して前記容器の内壁に向けて液体を導くために、前記ハウジングおよびその周囲にらせんまたは渦巻き形状に配置された少なくとも１の液体出口または液体出口の配列を含むディストリビュータ領域を有し、
前記ディストリビュータ装置が、前記加圧液体源から前記ハウジング内に液体を導入して、加圧された液体を前記少なくとも１の液体出口または液体出口の配列に与えるための液体入口を有し、前記ハウジング内の加圧された液体が、ハウジングの中心軸周りに回転する少なくとも１の液体シートとして、前記ハウジングから前記容器の内壁に向けて放出され、前記液体シートが、２つの面を有し、前記ガス入口が、前記気液相接触空間を通過させるようにガスを導いて、前記ハウジングの出口から放出される前記少なくとも１の液体シートの各面に接触させる。
容器（長さおよび直径）およびハウジング（長さ、内径、外径、ハウジングの１または複数の液体出口の形状）の設計は、システムの設計基準およびガス流および液体流の物理的特性に適合するように最適化される。ガス流量、液体流量、ハウジングの回転速度、液体ディストリビュータスリットの幅は、プロセッサによって動作中に好ましくは調整可能であるパラメータであり、プロセッサは、液体ディストリビュータ出口と容器壁との空間のすべてではなくとも大部分に亘って液体出口がシートとして液体を分配することを可能にして、システムによって要求される物質、運動量および熱移動に関する全体性能を最大化させる制御アルゴリズムを有する。
ハウジングおよび容器の内壁は、好ましくは、空隙によって分離される。この空隙は、接触器の動作中に、液体シートが放出され、液体シートの両面が気相と相互作用するのを可能にする空間として機能する。空隙は、好ましくは環状である。
接触器はさらに、ディストリビュータ装置の液体出口を介して液体を与えて、少なくとも始めは、その配列に対応する液体出口の長手方向に沿って連続的に延びる液体流でハウジングから液体を放出するための、加圧液体源、好ましくは、水源に接続されたポンプを含む。
好ましくは、接触器は、ディストリビュータ装置をその回転軸周りに回転させる回転駆動機構をさらに備える。ディストリビュータ装置は、好ましくは１ｒｐｍを超えて、より好ましくは少なくとも１０ｒｐｍで、さらに好ましくは１００ｒｐｍで、それ以上に好ましくは少なくとも５００ｒｐｍで回転される。回転速度が速くなるほど、接触器のスループットが高くなる。
液体シートにかかる回転運動は、次の利点を含む複数の利点を有する。
・気相と液相間の物質移動を改善する。
・液相中のガスのエントレインメントを低減する。
・液体シートを安定化させて、より薄い連続シートが形成されるのを可能にする。
・ポンプまたは駆動運動をガスに与えて、気／液接触空間を介してガスを送り込む。
液体ディストリビュータのハウジングは、気液相接触空間と軸方向に位置合わせされるが、それ以外の幾何学的配置も可能である。これは、一般に、ハウジングを鉛直方向に向ける。
好ましくは、ディストリビュータ領域における出口の配置構成は、らせん状、渦巻き状またはその他の適当な配列であり、理想的には気液相接触空間の半径方向の境界（すなわち、容器の内壁）まで延びるらせん状パターンまたはその他の適当な配列で１または複数の液体シートを形成する。１または複数のスリットの間隔は、好ましくは液体ディストリビュータ管外径の０．２乃至６倍の範囲内であり、より好ましくは液体ディストリビュータ管外径の３乃至３．５倍である。これは、約４５度のピッチ角と同じである。
ディストリビュータ装置は、単一のハウジングから形成されるものであってもよい。代替的には、ディストリビュータ装置は、複数のハウジングが軸方向に位置合わせされるように、モジュール構造とすることができる。好ましくは、各ハウジングは、別個の液体回収領域と、各液体回収領域用のポンプとを備える。
一実施形態において、装置はさらに、ハウジングの内部通路内に配置されてハウジングの中心軸に沿って延在するロッドを含む調節デバイスを備え、ロッドが、調節アームによってハウジングに取り付けられ、調節アームが、ハウジングまたはロッドに対して移動可能であり、その結果、ハウジングを圧縮または伸張させて液体出口の幅を縮小または拡大することができる。ハウジングまたはロッドに対する調節アームの動作は、ネジ機構などによって達成されるものであってもよい。本発明の主要構成要素は、物質移動および好ましくは気相への移動媒体として機能する液体シートである。本発明のこの態様およびその他の態様において、液体シートは、少なくとも当初は、液体出口またはスリット状のオリフィスの長手方向に沿って連続的な液体の流れである。液体出口から液体シートを形成するために、液体出口は、理想的には、その長手方向に沿って連続的な開口を有するオリフィスである。また、オリフィスの深さおよびオリフィスを通過する液体の速度は、オリフィスから出る液体が液体シートの形態であるかどうかにも影響を与えることとなる。当業者であれば、所与の液体および流量において、液体シートを生成するように、オリフィスを容易に設計することができる。
好ましくは、液体出口またはスリットは、約５よりも大きい縦横比を有し、スリットの長さ寸法は幅寸法の約５倍である。より好ましくは、スリットは約１０よりも大きい縦横比を有し、さらに好ましくは約２０よりも大きい縦横比を有し、それ以上に好ましくは約５０よりも大きい縦横比を有する。
好ましくは、ハウジングの長さ方向に沿って延びる液体出口またはスリットの長さは、ハウジングの有効径の少なくとも２倍（すなわち、＞２Ｄ）、より好ましくは４Ｄより大きく、さらに好ましくは少なくとも６Ｄ、それ以上に好ましくは少なくとも１０Ｄ、最も好ましくは少なくとも２０Ｄである。本発明においては、ハウジングの有効径は、ハウジングの断面積を円に変換することから求められる直径である。好ましくは、液体シートの長さは、おおよそ、それらが導き出される液体出口の長さである。
好ましくは、ハウジングの軸を通って平行に広がる平面は、少なくとも２回、より好ましくは少なくとも４回、さらに好ましくは少なくとも８回、それ以上に好ましくは少なくとも１６回、少なくとも１の液体出口または液体出口の配列を通って交差する。１または複数の液体出口のこの配置構成は、そこから形成される液体シートが、気相を収容して移動する運搬ガスチャネルの壁として機能するのを補助する。
液体出口は、ある配置、好ましくはらせん状配置の、スリット形オリフィスの配列も含む。スリット形オリフィスがらせん状配置である実施形態において、スリットは、ハウジングの周囲を、好ましくは少なくとも２ターン（すなわち、少なくとも７２０度）延び、より好ましくは少なくとも５ターン、さらに好ましくは少なくとも１０ターン、最も好ましくは少なくとも２０ターンして延びる。ターン数が増えるほど、液体シート形態をもたらすガスチャネルの長さも大きくなり、それは、気液相接触空間におけるガスの滞留時間の増加を可能にし、それにより気相と液相間の物質移動を増加させる。当然のことながら、ターン数は、気液接触器（図２に示される）の１またはそれ以上のモジュールセクションを横断して広がり、液相が気相からの標的成分で飽和状態となるのを回避することができる。
液体出口の幅は、調節デバイスによって調整されるものであってもよい。ハウジングの材料は所定の弾力性を有するため、調節機構は、回転ハウジングの長さを調節し、それにより液体出口の幅を調節することが好ましい。ハウジングの端部間の軸方向距離を縮小することにより、出口の幅が減少し、同様に、端部間の距離を引き伸ばすことにより、出口の幅が増大する。好ましい態様において、調節機構は、機械的デバイスであってもよい。調節機構は、好ましくは回転可能なハウジングの中心に配置された中心ロッドを含み、この中心ロッドが、回転可能なハウジングと係合する端部を有する。液体出口の幅は、回転可能なハウジング内における前記中心ロッドの長さを調節することによって、調節される。これは、回転ハウジングと係合する中心ロッドの両端部間の距離を変えることによって達成することができる。ロッドの端部の一方には、中心ロッド上の相補的ネジと係合するネジ山が設けられるものであってもよい。ネジ山に入るまたは出るようにロッドを回転させることによって、出口の幅を減少または増大させることができる。
気液相接触空間のガスは、好ましくは、ハウジングの出口から放出される液体シート間に向けられ、それにより、ガスが、気液相接触空間を通って、ディストリビュータ装置から離れる液体の回転運動によって形成される経路に入るように流される。
気液相接触空間は、好ましくは、１または複数の液体シートの接触面または表面と、ハウジングの外面とによって規定される。ハウジングの外面は、液体シートに近いという性質によって、液相により少なくとも部分的に被覆され、液体が、液体シートからハウジングの外面の表面上に放出される。この点で、ハウジングの外面は、この液体の付随的な被覆も含む。
液体シートは、好ましくは、ハウジングの液体出口から容器の内壁へと延びる。液体シートが容器の内壁に接触すると、それは、容器の液体出口に向けて内壁に沿って進む。
従来の気液相接触器とは対照的に、本発明において定義される配置構成は、大きな界面の面積を与え、それを通じて、１または複数の液体シートの両自由面が気液相接触空間の一部を形成する。回転ハウジングと容器の内壁との間の空間または空隙においてガスと液体が接触するため、空間は、環状構成を有するのが好ましい。液体シートの一方の面のみが気液相接触面を形成する気液相接触空間または両面とも気液相接触面を形成しない気液相接触空間の割合を最小にするために、液体シートが液体出口から容器の内壁に進む距離が増大されるか、かつ／または、各液体シート間の距離（すなわち、ハウジングが鉛直に取り付けられる場合の鉛直方向の距離）が縮小される。この配置構成は、ハウジングの外面（液体シート接触面が無い）または容器の内壁（液体シートの一方の側との接触面）によって規定される気液相接触空間の割合を最小にする。回転する液体シートは、液体シートの接触面、ハウジングの外面および容器の内面によって規定されるガスチャネルを形成する。回転シートの回転運動は、オーガまたはねじ作用により、ハウジングと容器の内面との間の空間を介してガスを押し出し、あるいは送り込む。出口がハウジングの周囲にらせん状または渦巻き状配列で配置されるとき、液体シートは、環状空間においてハウジングの周囲にらせん状または渦巻き状の配列を形成する。
その結果、容器の断面から見て、容器内のハウジングの両側にある接触空間の数は、好ましくは少なくとも４（図１は４つの接触空間を示している）であり、より好ましくは少なくとも１０、さらに好ましくは少なくとも３０、それ以上に好ましくは少なくとも５０である。
気液相接触空間を通過した後、ガスは、ガス出口を通って気液相接触容器から排出されるものであってもよい。
液体は、少なくとも１の液体回収領域に回収されて、液体出口から除去されるものであってもよい。
気液接触装置において、液体は、気液相接触空間においてガス成分を吸収または脱離し、そのため、液体回収領域の液体は、容器に入る液体よりも、ガス成分が多い／少ないものとなる。その後、この液体は、脱離／吸収プロセスに移行されて、成分が再生（reclaim）／除去されるか、あるいはその流れの少なくとも一部が、再循環されてディストリビュータ装置に再流入されるものであってもよい。
既存の充填層塔とは対照的に、本発明の気液相接触器は、様々な気体／液体システムに最適化される能力を有する。例えば、接触可能な表面積は、液体物質流量、中心ロッドに付随されるもののような適用な機構によってそれ自体が調整され得る液体ディストリビュータの寸法、および液体ディストリビュータの回転速度を通じて、調整することができる。気液相接触器を動的に調節するこの能力は、物質移動速度を気液相システムに連続的に最適化することを可能にするとともに、異なるパラメータ設定をそれぞれ必要とする異なる用途で一つの気液相接触器を使用することを可能にする。
好ましくは、本発明の第１態様の装置および第２態様の気液相接触器は、さらに制御ユニットを含む。制御ユニットは、好ましくは、コンピュータ支援制御システムを含むか、あるいは気相と液相間の物質、熱および／または運動量の移動を制御および最適化するアルゴリズムによって液体ディストリビュータまたは気液相接触器を制御するように構成されている。コンピュータ支援制御システムは、好ましくは、気相と液相間の物質、熱および／または運動量の移動を制御および最適化するアルゴリズムを含むコンピュータソフトウェアを備えることができる。１または複数のアルゴリズムは、液体の粘度および入手可能な物質移動データのような、気液系の化学パラメータおよびプロセスパラメータを使用することができる。好ましくは、１または複数のアルゴリズムは、装置または気液相接触器の性能データを使用して、相関方程式を与えることにより、プロセスをさらに最適化することができる。
好ましくは、１または複数のアルゴリズムは、プロセスのエネルギー要件を最小化しつつもデバイスの物質移動性能を最大化するように、動作パラメータを設定する。液体およびガスの流量は、好ましくは、特定のプロセスおよび性能要件を満たすように、アルゴリズムによって設定されるものであってもよい。その際に、１または複数のアルゴリズムは、流体動的性能がその必要な範囲に亘って維持されるように、回転速度およびギャップ間隔をさらに調節できることが望ましい。液体の開口の幅は、ハウジングの長さの機械的調節によって制御することができる。液体シートの安定性は、液体の粘度および表面張力、液体が液体ディストリビュータから広がるに連れて減少するシートの速度および厚みによって、決定される。好ましくは、１または複数のアルゴリズムは、動作パラメータを調節することにより全体性能を最大化して、物質移動およびガス出力またはポンピング能力の両方を最大化する。
第３態様においては、第１または第２態様が、ＰＣＣにおけるガスの吸収および／または脱離に使用される。
第４態様において、液相に対する気相の脱離および／または吸収を行う方法を提供し、この方法は、
（Ａ）加圧液体源をハウジングに提供するステップであって、前記ハウジングが、当該ハウジングまたはその周囲に所定の配列で配置された少なくとも１の液体出口または液体出口の配列を含むステップと、
（Ｂ）前記ハウジングの少なくとも１の液体出口または液体出口の配列を介してハウジングからハウジング内の加圧された液体を放出することにより、ハウジング内の加圧された液相を少なくとも１の液体シートに形成するステップであって、各液体シートが２つの面を有するステップと、
（Ｃ）前記少なくとも１の液体シートの２つの面の各面に気相を接触させるステップとを備え、
前記少なくとも１の液体シートが、気相が通過する気液相接触空間を規定するガスチャネル壁の少なくとも一部を形成し、前記少なくとも１の液体シートが、前記ハウジングの中心軸周りに回転運動する。
液体シートは、好ましくはガスチャネル壁の全表面積の少なくとも５０％、より好ましくは少なくとも７０％、さらに好ましくは少なくとも９０％を構成する。
液相は、スラリ（固相／液相）またはエマルション（混合液相）であってもよい。液相がスラリである実施形態において、液体出口の幅は、好ましくはスラリ混合物の平均最大粒径の２５％未満であり、より好ましくは１５％未満である。これは、固体粒子による液体出口の閉塞を防止するのを補助する。
好ましくは、ガスは、中心軸周りに回転運動する少なくとも１の液体シートの作用によって容器を通って運ばれる。
好ましくは、制御ユニットは、上述したように、この態様に従ってプロセスを実行するのに使用されるとともに、液相から少なくとも１の液体シートを形成するために使用されるものであってもよい。
一実施形態において、気液相接触空間は、単一のらせん状のガスチャネルである。代替的な実施形態において、液体接触空間は、複数のガスチャネルを含み、それらは液体出口から放出される液体シートのまわりに存在するらせん状の経路か、または結果として得られる複数の経路の何れかである。
液相の回転運動は、好ましくは、本発明の第１および／または第２態様で与えられる回転軸周りにディストリビュータ装置を回転させる回転駆動装置によって生成される。好ましくは、ガスは、実質的に液体シートの回転運動によってガスチャネルを介して運ばれる（すなわち、ガスの外部ポンプ手段が不要であるか、最小限である）。
接触空間またはガスチャネルの幾何学的構成（例えば、長さ、ターンおよび間隔など）は、具体的な用途に適するように設計されるものであってもよい。
第５態様において、本発明の第４態様の方法を実行するように構成された手段を有する制御ユニットが提供される。
本明細書においては、文脈上他の意味に解すべき場合を除いて、用語“ｃｏｍｐｒｉｓｅ”、および“ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ”、“ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ”および“ｃｏｍｐｒｉｓｅｄ”のようなこの用語の変化形は、更なる追加、要素、整数またはステップを排除することを意図するものではない。
本発明においては、単数形の使用は、特段の指示がない限り、複数形の使用も包含するものとする。
本発明においては、液体シートという用語は、特段の指示がない限り、両面がある液体シートである（すなわち、両自由面が気相と接触する）。容器の液体被覆内壁に対する言及は、片面の液体シートに対する言及である。
本発明においては、用語“ｐｒｏｊｅｃｔｅｄ（放出される）”は、空間内に送り出されることを意味する。
図１は、本発明に係る装置内の液体および気体の流れを示すフロー可視化概略図である。 図２は、本発明のディストリビュータ装置の概略図で、ハウジングが２つの構成要素のモジュール設計である場合を示している。 図３は、本発明で使用できるスロットの可能性のある配列の概略図である。 図４（ａ）は、本発明に係る液体排出管の概略図である。図４（ｂ）は、動作中の図４（ａ）の実施形態の概略図である。 図５は、時計回り（負のｒｐｍ−ポンプアップ）方向および反時計回り（正のｒｐｍ−ポンプダウン）方向の回転速度の関数としてのガス入口ラインにおける圧力のグラフである。これら配置において、ガス入口は、図１に示すように、面‘Ａ’で閉塞されている。
本発明は、産業燃焼排ガスから二酸化炭素（ＣＯ２）を捕獲する分野における既存の方法の欠点を解消するために開発された。しかしながら、気液接触デバイスとして、本発明は、物質、運動量または熱の移動の目的でガス流と液体流が一緒にされる任意の分野における適用を含む。例として、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）、硫黄および窒素酸化物（ＳＯｘ、ＮＯｘ）のような汚染物質の捕獲や、例えば、石油ガス工業、極低温ガスおよび化学処理工業、製薬工業における蒸留プロセスのために、ガスと液体間の相互作用が必要とされる化学プロセスが含まれるが、それらに限定されるものではない。その他の応用には、空気調節、蒸発による加熱・冷却用途が含まれる。
図１を参照すると、液体入口３および気体入口４を有する容器１を備えた本発明に係る気液相接触装置が開示されている。容器１は、好ましくは少なくも１００ｍｍの外径を有し、より好ましくは少なくとも５００ｍｍの外径を有する。それら寸法は、ファインケミカルタイプの用途に適している可能性が高い。ＰＣＣを含むより大きい商用的用途では、好ましくは少なくとも１ｍ、より好ましくは少なくとも５ｍ、最も好ましくは少なくとも１０ｍの外径を有する。一般的には、製造上の理由により、最大直径が１５ｍまたは２０ｍ以下のものが使用される。
液体流入口３は、好ましくは、圧力下でディストリビュータ装置５内に向けられ、ディストリビュータ装置は、ベアリング７，８，９上で縦軸周りに回転するように取り付けられたハウジング５を備える。ハウジング５をその軸周りに回転させるためにモータＭが設けられている。ほとんどの状況で鉛直方法を向くディストリビュータ装置５には、ハウジング壁のディストリビュータ領域に形成された１またはそれ以上の出口が設けられている。図１の出口は、ハウジング壁に形成された単一の連続的なスリット１２として示されている。ハウジングの１または複数の液体出口の近傍は、容器１内の気液相接触空間２を規定している。接触空間２は、好ましくは、液体シート１００，１１０、容器の液体被覆内壁（１２０）およびハウジング５の外面によって規定されている。また、液体シート１００，１１０は、接触空間１３０，１４０のガスチャネル壁の一部も形成し、それら接触空間は、容器１の中の気相経路を規定するらせん状の接触空間の一部として、接触空間２と連通している。
入口３を介してディストリビュータ装置に、ある圧力で液体を供給するポンプ１０が提供されている。ハウジング５内に送り出される液体は、ハウジング壁に対する液体出口の向きに応じたパターンで、液体出口１２から放出される。本発明においては、ハウジングからの液体出口は、好ましくは容器１の半径に相当する距離、液体の薄いシート（薄膜）として液体を放出するように配置されている。必要とされる圧力は、液体の粘度、膜の厚さ、容器の直径およびガスチャネル形状を含む多くのパラメータに依存することとなる。しかしながら、液体の圧力は、ハウジング５への液体の連続的な供給を維持するために正の静水圧がディストリビュータハウジングの頂部で維持されるとともに、連続的な液体シート１００，１１０が出口１２から放出されるように、設定すべきである。実際には、圧力限界は、経済性（利益に対する動力およびポンプのコスト）によって本質的に決定される。最大１２ｂａｒｇ（一段渦巻ポンプ）の圧力が維持されることが予測されるが、最大１２０ｂａｒｇ（多段渦巻ポンプ）の圧力とすることも可能である。
薄いシートの厚さは、シートの安定性を維持しつつ可能な限り薄くすることが好ましい。離散ポイントのすぐ上で操作することによって、高い物質移動を達成することができる。典型的な平均シート厚は、０．１ｍｍ乃至２０ｍｍの範囲内にあり、好ましくは０．５ｍｍ乃至１０ｍｍの範囲内にあり、より好ましくは１．０ｍｍ乃至５．０ｍｍの範囲内にある。一般に、厚さが小さくなるほど、シートが不安定となり、一方、厚さが大きくなるほど、物質移動効率が低下する。液体シートは、少なくとも当初は液体出口の長手方向に沿って連続する液体の流れである。液体シートは、（物質収支の考慮により）液体ディストリビュータから容器の内壁に進むに連れて薄くなるが、設計パラメータの適切な選択により、完全な状態を維持して、容器の内壁までの距離全体ではないとしても、ほぼ全体（例えば、好ましくは少なくとも５０％、より好ましくは８０％、最も好ましくは少なくとも９０％）に亘って壊れないようにすべきである。シートは、レイリー不安定性と呼ばれる表面張力効果により、壁に接触する前に、液滴に離散するものであってもよいが、この離散は、できる限り壁の近くで生じるべきであり、全く生じないことが好ましい。好ましくは、液体シートの離散は、物質移動速度および／またはガスポンプ流量が、液体シート離散が生じないときと比べて、３０％以下、好ましくは１０％以下、の減少に抑えることが好ましい。
液体出口から液体シートを形成するために、液体出口は、理想的には、その長手方向に沿って連続的な開口を有するオリフィスとすべきである。液体出口は、理想的には、ハウジングのディストリビュータ領域に形成される、スリット状のオリフィス、またはスリット状のオリフィスの配列である。ハウジングから放出される液体が、容器１の気液相接触空間２を通るらせん状の薄いシートを形成するように、ハウジングの出口が配置されている。
動作中、液体は入口３を介してハウジング５内に送り込まれ、ハウジング５は、その軸周りに回転される。液体は、気液相接触空間２の幅全体に亘って、有利なパターン（例えば、低い流量でらせん形状、高い流量でタービンブレード）でハウジング５から放出される。ガス入口４を介して容器１に入るガスは、ハウジング１から放出される薄い液体シートの間をガスが優先的に移動する気液相接触空間２内に向けられている。ハウジング５の回転は、放出された液体シートに回転運動を与える。液体シートの回転運動は、液体シート間のガス接触領域にガスを送り込んで、気液相接触空間２における気相と液相との間の接触を最大化するように作用する。
気液相接触空間を通過した後、ガスはガス出口１３に移動する。液体シートは、出口１４を介して容器１から出る前に、気体液体接触空間２で容器の壁に接触して、液体回収領域に流れ落ちるのが好ましい。しかしながら、その後、液体の少なくとも一部は、容器の性能をさらに改善するために、容器の液体入口に再循環されるものであってもよい。
図１の装置には、ポンプ１０への液体流路に、フィルタ１１と、液体入口３への液体の流量および圧力を測定する機器類およびハウジング５の回転速度を測定するデバイスをさらに設けるのが好ましい。ガス入口には、ガスを容器１内に移動させるファン、およびガスの流量を測定する機器類を設けるのが好ましい。
図２に示す本発明の装置およびディストリビュータ装置の代替的実施形態において、ディストリビュータ装置は、２つ（またはそれ以上）のハウジング２０，２１を備え、それらハウジングが、ベアリング２２，２３，２４上でそれらの縦軸周りに回転するように位置合わせされて取り付けられている。
ベアリングの各々は、ハウジングに液体入口を与え、ポンプが各入口に液体を供給する。複数の液体回収領域２５，２６，２７は、ポンプ２８，２９，３０の吸引側に供給される液体を回収するために、容器３１の壁に隣接して設けられている。液体回収領域の数は、一般に、ポンプの数に対応する。
ハウジング２０，２１のセクションの各々における液体出口は、図１に関して説明したように、ハウジングから液体のシート１５０を放出するように配置されている。図２に示される液体およびガス出口は、好ましくは図２に示すものよりも上方および／または下方に設けられた追加モジュールに向かうものとすることができる。
図３は、本発明の範囲内に含まれる液体出口１１２の代替的配列を示す概略図である。図３ａに示すように、単一のらせん、または二重、三重または四重のらせんのように、複数起点のらせん（multiple start helixes）を形成するように、スロット１１２を配置することができる。液体出口１１２から放出される液体シート１１６の３Ｄ形状が（水平放出線１１８を参照して）示されている。
図３ｂに示す代替的設計においては、複数の離散した液体シートがハウジングから放出されるが、必要なポンプ作用をガスに与えるために、それら複数のシートが適当なパターンで（例えば、タービンブレードに似たようなパターンで）配置されるように、スロット１１４が配置されるものであってもよい。図３ｂに示す構成から放出する複数の液体シートは、ガス経路またはガスチャネルの長さ、よって接触空間内の気相と液相の接触時間を延ばす回転ブレードとして機能する。
図１に係る実験的な装備をセットアップした。本発明の鍵となる構成要素は、回転ディストリビュータ装置（図４ａ）であり、これは、外径２５ｍｍの管またはハウジング５であり、管を数回（この実験では４−５回）旋回する間隔２２ｍｍのらせん形状に管に切り込みが入れられた細い（１−２ｍｍ）スリット１２を有する。これは、直径の０．８８倍である間隔、直径の０．０４乃至０．１倍であるスリットに対応する。スリットのギャップ間隔（すなわち、液体出口の幅）は、調整デバイスによって調整されるものであってもよい。調整機構１６０は、好ましくは、回転ハウジングの長さを調整することにより、液体出口の幅を調整する。好ましい形式では、調整機構１６０は機械装置であってもよい。調整機構は、好ましくは、回転ハウジングの中心に配置された中心ロッド１７０を含み、この中心ロッド１７０が、回転ハウジング５と係合する端部を有する。液体出口１２の幅は、回転ハウジング５内における中心ロッド１７０の長さを調節することによって、調節される。これは、回転ハウジングと係合する中心ロッドの端部間の距離を変えることによって達成することができる。ロッド１６０の端部の一方には、中心ロッド上の相補的ネジと係合するネジ山が設けられるものであってもよい。
好ましくは、ハウジングの長手方向に沿って延びるスリットの長さは、ハウジングの有効径の少なくとも２倍（すなわち、＞２Ｄ）であり、より好ましくは４Ｄより大きく、さらに好ましくは少なくとも６Ｄであり、それ以上に好ましくは少なくとも１０Ｄであり、最も好ましくは少なくとも２０Ｄである。本発明において、ハウジングの有効径は、ハウジングの断面積を円に変換することにより求められる直径である。
好ましくは、ハウジングの軸を通って平行に広がる平面は、少なくとも２回、好ましくは少なくとも４回、より好ましくは少なくとも８回、さらに好ましくは少なくとも１６回、少なくとも１の液体出口または液体出口の配列を通って交差する。１または複数の液体出口のこの構成は、そこから形成される液体シートが、気相を収容して移動する運搬ガスチャネルの壁として機能するのを補助する。
液体は、管頂部の回転シールを経由して、制御された流量で頂部から管内に入る。管の底部は、塞がっており、水は、連続する液体シートとして、あるいは（より大きい流量または回転速度では）スプレイとして、らせん状スリットを介して管から流出する。管は、制御された速度（０−９５０ｒｐｍが実験的に試験された（より高い回転速度が、ＣＦＤ（計算流体力学）モデルを使用して試験されたが、より有利である可能性がある））で、適当なモータにより回転される。管の回転は、遠心力を液体に与え、運動をアルキメデスポンプに似た液体シートに与える。
実験は、ギャップ１２およびらせん状の切込みが入れられた管の設計の関数である液体シート１００（図４ｂに示される）に均一な形状を生成する液体流量を設定し、強制通風ガス速度（多くの場合、デバイスの自然ポンプ作用が測定されるようにゼロに設定される）を設定することにより、進める。管の回転速度は、ゼロから９００ｒｐｍ以上に段階的に変化され、各段階につき最低限の１０分間維持される。所与の管の回転速度において、ガス流量または液体流量も段階的な値で変えるようにしてもよい。各ステップについて、ガス入口の圧力および速度（ピトー管）測定は、１秒間隔でデータ記録される。２つの圧力トランスデューサが、正負のゲージ圧を測定できるように、正磁性および逆磁性とされる。
初期実験でポンプ作用を確認するために、ガス入口４がガス計量器から分離され、そのラインがシールされた。時計回りの回転速度（上向きのポンピング）の増加により、シールされたガス入口ラインの圧力が、回転速度に対応するステップで低下した。回転方向を反転させると（反時計回り−下向きのポンピング）、図５に示すように、管の回転速度の各ステップの増加とともに、ガス入口で段階的に圧力が増加した。両回転方向に対する適当な反応により、ポンプ作用は、実質的現象であって、実験結果または設備設計のアーチファクトではなかったことが確認された。
回転管から放射される液体シートの運動が、塔を流れるガスフローを引き起こし、そのガスフローが、ディストリビュータ装置５から放出される液体シート１００により形成されるスクリュまたはブレードの運動の速度および方向に直接的に関連することが実験的に示されている。この結果は、らせん状のスクリュまたはブレードが（オーガ、タービンまたはコンプレッサのように）固体構造であった場合に、完全に予測されていたものである。液体を使用してスクリュまたはブレードの表面を形成することの利点は、液体シートの両自由表面と（液体の運動によって引き起こされる液体スクリュまたはブレードの羽根間の隙間のパターンで進む）ガスの間の密接な接触が生じ、（コストおよび圧力低下を付加する）固体充填材料の必要性や、（エントレインメントを増やす）微細な液滴の形成の必要性を生じることなく、高表面積が得られることである。物質移動測定は、ガスと液体の相対速度から推定することができる。液体シートの形状が与えられたガスフローの範囲に亘って安定した状態を維持することが示されているが、殆どの実験は自然通風で（ファンを作動しないで）行われた。実験結果は、これまでのところ、重要な要素が、管および１またはそれ以上のスリット（ギャップ幅、長さおよび形状）の設計および公差、入口配管およびシールの設計、液体吐出速度、（強制通風動作のための）ガス流量、および管の回転速度であることを示している。その他の鍵となるパラメータは、液体特性（特に、粘度）、ガス特性、らせんスクリュ以外の形状（例えば、ファンまたはコンプレッサのブレード形状）、その他の幾何学的配置である（原則として、このデバイスは、例えば、水平など、任意の方向で作動させることができる）。
また、従来のスプレイをテスト装置で試験した結果、所与のガスおよび液体の流量で遥かに高いエントレインメント率を有することが見出された。この情報は、従来のシステムに対するこのデバイスの利点を定量化するために評価されるものである。
説明した種類の液体接触器は、ガスにポンプ作用を与えることができ、それは、液体シートの形状および性質、液体流量およびディストリビュータ装置の回転速度と関係がある。表面積および相対速度は、物質移動速度を推定するために測定および使用することができ、それにより従来のデバイスとの比較が可能になる。
主な代替的設計は、タービン、コンプレッサまたはジェットエンジンのブレードと同じ様な概念であるブレードの付いた液体シートの使用であり、それは、より高い回転速度および液体速度でより適当なものであることが分かる可能性がある。
本発明の気液相接触器は、制御ユニットをさらに備えることができる。制御ユニットは、好ましくは、コンピュータ支援制御システムを含むか、あるいは気相と液相間の物質、熱および／または運動量の移動の制御および最適化を行うためにアルゴリズムまたはプロセスステップによって液体ディストリビュータまたは気液相接触器を制御するように構成されている。コンピュータ支援制御システムは、気相と液相間の物質、熱および／または運動量の移動を制御および最適化するアルゴリズムを含むコンピュータソフトウェアを備えることができる。この１または複数のアルゴリズムは、液体の粘度および入手可能な物質移動データのような、気液系の化学パラメータおよびプロセスパラメータを使用することができる。その１または複数のアルゴリズムは、装置または気液相接触器の性能データを使用して、相関方程式を与えることにより、プロセスをさらに最適化することができる。
その１または複数のアルゴリズムは、プロセスのエネルギー要件を最小化しつつもデバイスの物質移動性能を最大化するように、動作パラメータを設定することができる。液体およびガスの流量は、特定のプロセスおよび性能要件を満たすように、アルゴリズムによって設定されるものであってもよい。その際に、１または複数のアルゴリズムは、流体動的性能がその必要な範囲に亘って維持されるように、回転速度およびギャップ間隔をさらに調節できることが望ましい。
液体の開口の幅は、ハウジングの長さの機械的調節によって制御することができる。液体シートの安定性は、液体の粘度および表面張力、シートの速度および厚みによって、決定され、シートの厚みは、液体が液体ディストリビュータから広がるに連れて減少する。１または複数のアルゴリズムは、動作パラメータを調節することにより全体性能を最大化して、物質移動およびガス出力またはポンピング能力の両方を最大化する。
当然のことながら、本明細書に開示および規定された本発明は、文書または図面に記載された個々の特徴またはそれから明らかな個々の特徴の２またはそれ以上の代替的なすべての組み合わせに及ぶものとなる。それら様々な組み合わせのすべては、本発明の種々の代替的態様を構成するものである。

Claims (16)

  1. 気液相接触器において、
    内壁、加圧液体源およびガス入口を有する容器であって、前記ガス入口が当該容器内の気液相接触空間に連通する容器と、
    前記容器内に液体を分配するディストリビュータ装置とを備え、
    前記ディストリビュータ装置が、少なくとも１のハウジングを含み、前記ハウジングが当該ハウジングの軸周りに回転可能であり、回転可能な各ハウジングが、前記気液相接触空間を介して前記容器の内壁に向けて液体を導くために、前記ハウジングまたはその周囲に配置された少なくとも１の液体出口または液体出口の配列を含むディストリビュータ領域を有し、
    前記ディストリビュータ装置が、前記加圧液体源から前記ハウジング内に液体を導入して、加圧された液体を前記少なくとも１の液体出口または液体出口の配列に与えるための液体入口を有し、前記ハウジング内の加圧された液体が、少なくとも１の液体シートとして、前記ディストリビュータ装置から放出され、前記ハウジングの中心軸周りの回転運動を有する前記ディストリビュータ装置を出る前記液体により、前記液体シートが、前記容器の内壁に向けて前記ハウジングの中心軸周りに回転し、前記液体シートが、各液体シートの前面及び後面を具える２つの面を有し、前記ガス入口が、前記気液相接触空間を通過させるようにガスを導いて、前記ハウジングの出口から放出される前記少なくとも１の液体シートの各面に接触させることを特徴とする気液相接触器。
  2. 請求項１に記載の気液相接触器において、
    前記液体出口が、前記ハウジングのディストリビュータ領域に形成された、スリット形状のオリフィス、またはスリット形状のオリフィスの配列であることを特徴とする気液相接触器。
  3. 請求項２に記載の気液相接触器において、
    各液体出口または出口が、前記液体出口または出口の長手方向に沿った長さ方向に沿って連続して途切れない開口を有するオリフィスであることを特徴とする気液相接触器。
  4. 請求項１に記載の気液相接触器において、
    前記ディストリビュータ装置のハウジングの長手方向の中心軸が、前記気液相接触空間の長手方向の中心軸と軸方向に位置合わせされていることを特徴とする気液相接触器。
  5. 請求項４に記載の気液相接触器において、
    調節デバイスをさらに備え、前記調節デバイスが、前記ハウジングの内部通路内に配置されて前記ハウジングの中心軸に沿って延在するロッドを備えており、前記ロッドが、調節アームによってハウジングに取り付けられ、前記調節アームが、前記ハウジングまたはロッドに対して移動可能であり、その結果、前記ハウジングを圧縮または伸張させて前記液体出口の幅を縮小または拡大させ得ることを特徴とする気液相接触器。
  6. 請求項１または４に記載の気液相接触器において、
    前記ハウジングの長さ方向に亘って前記ハウジングの周囲に延在する前記液体出口または出口の配列の長さが、前記ハウジングの有効径の少なくとも２倍であることを特徴とする気液相接触器。
  7. 請求項１または４に記載の気液相接触器において、
    前記ハウジングおよびその周囲の前記出口の配列が、らせん状または渦巻き状であり、前記気液相接触空間の半径方向の境界に向けて延びるらせん状または渦巻き状のパターンで、１または複数の液体シートを形成することを特徴とする気液相接触器。
  8. 請求項７に記載の気液相接触器において、
    前記ディストリビュータ装置から放出される前記１または複数の液体シートの回転運動によって生じるらせん状または渦巻き状の経路に、前記気液相接触空間を通ってガスが流されることを特徴とする気液相接触器。
  9. 請求項８に記載の気液相接触器において、
    前記液体出口のピッチが、液体ディストリビュータ管外径の０．２乃至６倍の範囲内にあることを特徴とする気液相接触器。
  10. 請求項１乃至８の何れか一項に記載の気液相接触器の使用方法であって、燃焼後ＣＯ２捕獲におけるガスの吸収および／または脱離に使用することを特徴とする使用方法。
  11. 液相に対して気相の脱離および／または吸収を行う方法であって、
    （Ａ）加圧液体源をハウジングに提供するステップであって、前記ハウジングが、当該ハウジングまたはその周囲に配置された少なくとも１の液体出口または液体出口の配列を含むステップと、
    （Ｂ）前記ハウジングの少なくとも１の液体出口または液体出口の配列を介して前記ハウジングから前記ハウジング内の加圧された液体を放出することにより、前記ハウジング内の加圧された液相を少なくとも１の液体シートに形成するステップであって、各液体シートが前記液体シートの前面及び後面を具える２つの面を有するステップと、
    （Ｃ）前記少なくとも１の液体シートの２つの面の各面に気相を接触させるステップとを備え、
    前記少なくとも１の液体シートが、気相が流れる気液相接触空間を規定するガスチャネル壁の少なくとも一部を形成し、前記ハウジングの中心軸周りの回転運動を有する前記ハウジングの前記少なくとも１の液体出口または液体出口の配列を介した前記液体の放出により、前記少なくとも１の液体シートが、前記ハウジングの中心軸周りに回転運動を有することを特徴とする方法。
  12. 請求項１１に記載の方法において、
    前記少なくとも１の液体シートの回転運動により形成される前記気液相接触空間が、らせん状のガスチャネルであり、このガスチャネルにおいて、ガスが前記少なくとも１の液体シートの各面に接触することを特徴とする方法。
  13. 請求項１１または１２に記載の方法において、
    前記気液相接触空間が、前記少なくとも１の液体シート、容器の液体被覆内壁およびハウジングの外面により規定されることを特徴とする方法。
  14. 請求項１１乃至１３の何れか一項に記載の方法において、
    前記ハウジングの中心軸周りに回転運動する前記少なくとも１の液体シートの作用により、ガスが前記容器を通って運ばれることを特徴とする方法。
  15. 請求項１１乃至１４の何れか一項に記載の方法において、
    前記液体シートが、０．１ｍｍと２０ｍｍの間の平均厚さを有することを特徴とする方法。
  16. 請求項１１乃至１５の何れか一項に記載の方法において、
    前記液体シートが、前記ガスチャネル壁の全表面積の少なくとも５０％を構成することを特徴とする方法。
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