JP6653524B2

JP6653524B2 - 遠心分離装置とこれを用いた高純度蒸気発生装置

Info

Publication number: JP6653524B2
Application number: JP2015041133A
Authority: JP
Inventors: 義宣小野; 大江　太郎; 太郎大江; 省次郎小池; 厚丹野; 千夏大久保; 幸男竹沢; 謙次藤井
Original assignee: Organo Corp
Current assignee: Organo Corp
Priority date: 2015-03-03
Filing date: 2015-03-03
Publication date: 2020-02-26
Anticipated expiration: 2035-03-03
Also published as: JP2016159242A

Description

本発明は遠心分離装置とこれを用いた高純度蒸気発生装置に関し、特に遠心分離装置の内部構造に関する。

従来より、サイクロンセパレータ型の遠心分離装置が公知である（特許文献１，２）。サイクロンセパレータは通常、円筒形の胴の下端に円錐台形の胴が接続された形状の容器、または円筒形の容器を有している。液体と気体などの異なる相を含む二相混合物質を導入するための導入管が容器の上部に設けられ、分離される一方の相の物質が排出される排出口が導入管の下方に、他方の相の物質が排出されるドレン口が底部に設けられている。導入管は容器の中心軸から偏心した位置に向かって容器に接続されており、それにより容器の内部に二相混合物質の旋回流が生じる。旋回流によって二相混合物質は遠心分離され、比重の大きな相がドレン口から、比重の小さな相が排出口から排出される。

特開平７−１３８５７４号公報特開２００２−５４３９７５号公報特公昭和６３−４０５６１号公報特許第５０７０３５６号明細書

二相混合物質は容器の内部で、遠心力によって２つの相に分離される。例えば蒸気と水からなる二相混合物質が遠心分離装置に供給されたときは、分離された水が容器の下部に移行し、蒸気がその上部に移行する。水は容器の内部で流動するため、飛沫が発生する。飛沫は蒸気に混入し、排出口から排出されることがある。これによって、水と蒸気の分離性能が低下する。水が受ける遠心力のため、容器の底部に滞留する水の水位は容器の中心から壁面に向かって高くなる。すなわち、容器の中心から半径方向外側に向かって上り勾配の気液界面が形成される。これによって、水と蒸気の界面が増加し、飛沫が一層発生しやすくなる。さらに、排出口から排出される飛沫の量を抑えるために排出口を水位に対して十分に高い位置に設ける必要があり、容器が高くなりやすい。以上は気体と液体の分離だけでなく、液体と固体の分離、気体と固体の分離の場合についても同様である。

本発明は、分離性能が高くかつ容器の高さを抑えることが容易な遠心分離装置を提供することを目的とする。

本発明の遠心分離装置は、鉛直方向に延びる中心軸を有する容器と、容器の中心軸から偏心した位置を向いて容器の側壁の導入開口に接続され、比重の大きい物質と比重の小さい物質とを含む気液二相混合物質を容器に導入する導入管と、容器の下部に位置し、気液二相混合物質から分離された比重の大きい物質を排出するドレン口と、容器の頂面から下方に突き出す排出管と、容器の内部に、側壁に沿って１ｍｍ以上の隙間を設けて配置された内側部材と、を有している。排出管は底面が閉じられているとともに、導入管の上方且つ当該排出管の側面に、気液二相混合物質から分離された比重の小さい物質を排出する排出口を備える。容器は、円筒部と、円筒部の下端に接続された円錐台部と、を有し、内側部材は円筒部と円錐台部との境界と、導入開口との間に位置し、導入管の中心は円筒部の高さの１／２よりも円錐台部側に位置している。

本発明の遠心分離装置は、導入開口とドレン口の間に位置する内側部材を有している。二相混合物質は遠心分離の原理により２つの相に分離され、比重の大きい物質が内側部材と容器の側壁との間の隙間から内側部材の下方空間に導入される。比重の大きい物質の飛沫の上方への飛散は内側部材によって防止される。内側部材によって２つの相の界面がより平坦化され、界面の面積が減少するとともに界面自体も低下するため、飛沫は一層飛散しにくくなる。その結果、排出口の高さを低くすることができ、容器の高さを抑えることもできる。

遠心分離装置は容器の頂面から下方に突き出す排出管を有していてよく、その場合、排出口は排出管の側面に設けられた開口であることが好ましい。従来のサイクロンセパレータ型遠心分離機では、排出管がドレン口の近傍に配置されているため、飛沫を吸引しやすい。排出管が容器の頂面の近傍に設置されているため、飛沫の吸引を防ぐことができる。更に、排出口は排出管の側面に設けられた開口であるため、円筒部の内面壁面でのサイクロン流を妨げずに比重の小さい物質を排出することができる。

本発明によれば、分離性能が高くかつ容器の高さを抑えることが容易な遠心分離装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る遠心分離装置の概念図である。導入管の容器への接続構造を示す概念図である。内側部材の容器への固定構造を示す概念図である。本発明の遠心分離装置を備える高純度蒸気発生装置の概略構成図である。実施例の構成を示す概念図である。比較例と実施例の遠心分離装置の概念図である。

以下に、図面を参照して本発明の遠心分離装置を説明する。実施形態の遠心分離装置においては水と蒸気の二相混合物質が水と蒸気に分離される。しかし、本発明はこれに限定されず、液体、固体、気体のいずれか２つからなる二相混合物質を２つの相に分離するために用いることができる。より一般的には、本発明は比重の大きい物質と比重の小さい物質とを含む二相混合物質を２つの相に分離するために用いることができる。

図１は本発明の一実施形態に係る遠心分離装置の概念図である。同図（ａ）は断面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線でみた断面図を示している。遠心分離装置１は、二相混合物質が導入される容器２を有している。容器２は、円筒部２ａと、円筒部２ａの下端に接続された円錐台部２ｂとを有し、鉛直方向ｚに延びる中心軸Ｃを有している。容器２の側壁２ｃに導入開口３が設けられ、導入管４が容器２の中心軸Ｃから偏心した位置を向いて容器２（導入開口３）に接続されている。容器２の下部にドレン口５が、容器２の上部に排出口６を備えた排出管１２が設けられている。容器２の内部に内側部材７が設けられている。内側部材７は導入開口３とドレン口５の間に位置し、導入開口３は排出口６と内側部材７の間に位置している。

導入管４は様々な形態で容器２に接続することができる。図２（ａ）では、導入管４の外側縁部が容器２の外周部の接線上にある。図２（ｂ）では、導入管４の内側縁部が容器２の外周部の接線上にあり、導入管４は半円周の渦巻き部８ａを有している。容器２の直径をＤ，導入管４の直径をｂとしたときに、渦巻き部８ａの外周は容器２の中心軸Ｃから導入管４側にｂ／２ずれた位置を中心に半径Ｒ１＝Ｄ／２＋ｂ／２の軌跡を描く。図２（ｃ）では、導入管４の内側縁部が容器２の外周部の接線上にあり、導入管４は円周長の渦巻き部８ｂ，８ｃを有している。容器２の直径をＤ，導入管４の直径をｂとしたときに、導入管４の直管部に隣接する半円周の渦巻き部８ｂの外周は容器２の中心軸Ｃから導入管４側にｂ／４ずれた位置を中心に、半径Ｒ２＝Ｄ／２＋（３／４）ｂの軌跡を描き、直管部から離れた残りの半円周の渦巻き部８ｃの外周は容器２の中心から反対側にｂ／４ずれた位置を中心に、半径Ｒ３＝Ｄ／２＋ｂ／４の軌跡を描く。

内側部材７は容器２と同心の円板である。内側部材７は鉛直方向ｚ上方に突き出た円錐形状を有していてもよい。内側部材７は複数の穴が形成されていてもよい。内側部材７と側壁２ｃとの間には隙間９が設けられている。隙間９の寸法は特に限定されないが、製作上の理由から最低１ｍｍ以上確保することが望ましい。内側部材７は円筒部２ａの側方に位置し、円筒部２ａにボルトで固定されていてもよく、接着剤で接合されていてもよく、嵌合によって保持されていてもよい。内側部材７の容器２への固定部は好ましくは均等な角度間隔（例えば９０°間隔で４箇所）で設けられ、隣接する固定部の間には隙間９が形成されている。

内側部材７は容器２に様々な方法で固定することができる。図３（ａ）に示すように、内側部材７は容器２の排出管１２の底面から鉛直方向下方に延びる支持ロッド１０で支持されていてもよい。図３（ｂ）に示すように、内側部材７は容器２の底面から鉛直方向上方に延びる支持ロッド１１に支持されていてもよい。支持ロッド１１は均等な角度間隔（例えば９０°間隔で４箇所）で設けられ、支持ロッド１１の間は分離された水が流通することができる。

排出口６は容器２の頂面から下方に突き出す排出管１２の側面に設けられた開口である。開口は鉛直方向ｚに延びるスリットであり、等間隔（例えば９０°間隔で４箇所）で周方向に配列されている。排出管１２の下面は本実施形態では閉じられている。これは容器２の内部の気流のため、水の飛沫が排出管１２の下面から侵入しやすいためである。排出管１２の側方には水の飛沫が達しにくいため、排出管１２の側面に設けられた排出口６は水蒸気だけを効率的に回収することができる。開口の形状はスリットに限らず、任意の形状の開口、ネットなどでもよい。

二相混合物質は導入管４から導入開口３を通って容器２に供給され、容器２の中心軸Ｃから偏心した位置に向けて容器２の内部に導入される。二相混合物質は好ましくは、容器２の側壁２ｃの接線方向に沿って旋回流となって流れ、遠心分離の原理によって比重の大きい物質（水）と比重の小さい物質（蒸気）とに分離される。この結果、比重の大きい水は下方に、比重の小さい蒸気は上方に移行する。水は内側部材７と容器２の間の隙間９を通って内側部材７の下方空間１３に入り、ドレン口５から排出される。内側部材７がない場合、図１（ａ）の気液界面ａに示すように、容器２の底部に滞留した水は遠心力によって半径方向外側ほど上方に盛り上がり、飛沫が発生しやすくなる。本実施形態によれば、気液界面ｂに示すように、水が盛り上がる挙動が内側部材７によって防止され、水と蒸気の界面が平坦化される。以下に示す実施例では気液界面ｂは内部部材７の下方にあり、かつ内部部材７の下面に接することはなかった。内側部材７の下方で発生した飛沫は内側部材７によって上方への飛散が防止される。仮に内側部材７の上方に水が滞留した場合も、内側部材７がない場合と比べて水位が低下しているため、飛沫が形成されても排出口６まで達する可能性が低下する。

上述のように導入開口３が排出口６と内側部材７の間に位置しているため、水と蒸気の再混合を効果的に防止することができる。すなわち、特許文献１，２に示すように導入開口３が排出口６の上方にある場合、分離された水と蒸気は一体となって下方に流れるため、分離された水が再び蒸気に取り込まれ、排出口６から排出される可能性がある。本実施形態では水は主として導入開口３より下方を流れ、蒸気は導入開口３より上方を流れるため、一旦分離された水と蒸気が再混合する可能性が低く、気液分離性能を高めることができる。

本実施形態では遠心分離装置１の全高を抑えることも可能である。上述のように、内部部材７を設けることによって、比重の大きい物質がドレン口５から排出されやすくなり、飛沫が排出口６まで達する可能性が低下する。一般に、飛沫と蒸気の分離効果は水と蒸気の界面７と排出口６との間の空間の高さが大きいほど高く、内部部材７が設けられていない遠心分離装置ではこの空間の高さを十分に確保する必要がある。これに対し、本実施形態では飛沫の発生が抑えられるため、空間の高さを過剰に確保する必要がない。その結果、円筒部２ａの高さを抑えることができ、さらには遠心分離装置１ないし容器２の全高を抑えることができる。

次に、上述の遠心分離装置１を用いた高純度蒸気発生装置について説明する。高純度蒸気は医製薬業界において、減菌や注射用水などの用途に使用される。注射用水は高純度蒸気を凝縮することで製造することができる。減菌の用途ではＥＮ２８５が世界的な基準に採用されつつある。ＥＮ２８５によれば、高純度蒸気の乾き度として９５％以上が要求されている。本発明の高純度蒸気発生装置はこのような高い乾き度を有する高純度蒸気の製造に適用することができる。

図４は高純度蒸気発生装置の概略構成図である。高純度蒸気発生装置１６は上述の遠心分離装置１と、遠心分離装置１の導入管４に接続された蒸気供給手段１７とを有している。蒸気供給手段１７は蒸気発生器１８を有している。蒸気発生器１８は縦型の熱交換器であり、上部水室１９及び下部水室２０とこれらの間に位置する胴体部２１とを有している。胴体部２１には多数の伝熱管２２が設置されている。胴体部２１の上部に加熱水の入口部２３が、下部に加熱水の出口部２４が設けられている。水がポンプ２５によって上部水室１９に供給され、高温水で加熱され蒸気が発生する。蒸気は下部水室２０から配管を通って遠心分離装置１に供給され、水が分離される。

蒸気発生器１８は通常、ある程度の水を含む（乾き度が１００％未満の）蒸気、すなわち蒸気と水の二相混合物質を発生する。特に、蒸気発生器１８の半径方向中心部の伝熱管２２は加熱効率が悪いため、相対的に多くの蒸気を含みやすい（乾き度が低くなりやすい）。しかし、蒸気発生器１８に供給された蒸気は本発明の遠心分離装置１によって効率的に除去され、高い乾燥度の高純度蒸気を製造することができる。

また、従来の遠心分離装置は導入管が比較的高い位置にあるため、蒸気発生器１８と遠心分離器を同じレベルに設置すると蒸気発生器の蒸気取出し口と導入管の上下方向位置が大きくずれる。このため、導入管に遠心分離装置に向けて立ち上る長い立ち上がり部を設ける必要があり、ドレンの処理などが複雑となり、これを避けるために遠心分離器を蒸気発生器の設置レベルを変えると高純度蒸気発生装置１６の全体高さが高くなりやすく、屋内設置の場合に大きな制約が生じる可能性がある。本発明の遠心分離装置１は後述の実施例でも述べるように、高さを抑えることが可能であり、従って、高純度蒸気発生装置１６の全体高さを抑えることができる。

（実施例）
図５に示す装置を用いて試験を行った。蒸気発生器で高温の蒸気を発生する代わりに、常温の純水と空気を混合して水と空気の二相混合物質を生成するコールドモデルでホットモデルを模擬した。空気はポンプ３１で加圧し、流量、温度、容器２の入口圧をそれぞれ流量計３２、熱電対３３、圧力計３４で監視した。純水の流量を流量計３５で、純水の積算流量を積算流量計３６で監視した。空気と純水は容器２の手前の混合器４２で混合し、容器２に供給した。排出口６の出口側圧力（背圧）を圧力計３７で監視し、弁３８で背圧が一定となるよう制御した。排出口６から流出した水は飛沫受け容器３９で回収した。ドレン口５から流出した水は弁４３を介してドレン水受け容器４０で回収した。ドレン水受け容器４０から排出される流量は流量計４１で測定した。

以下に示すように、高温での試験（ホットモデル）より常温での試験（コールドモデル）の方が空気（水蒸気）と水が分離しにくく、コールドモデルは安全側の評価が可能である。すなわち、遠心分離装置で分離可能な粒子径（限界粒子径）は以下のＲｏｓｉｎ-Ｒａｍｍｌｅｒ-Ｉｎｔｅｌｍａｎの式から算出される。ここで、
ｄｐ５０：粒子径（ｍ）
ρｐ：粒子密度（ｋｇ／ｍ^３）
ｕ：気流速度（ｍ／ｓ）
μ：ガス（二相混合物質）粘度（Ｐａ・ｓ）
Ｄ：容器円筒部直径（ｍ）
Ｎ：容器内の粒子旋回数（-）
ｂ：導入管入口径（ｍ）

ホットモデルとコールドモデルの主要な物性は表１に示されている。

粒子密度ρ_ｐはコールドモデルがホットモデルよりも若干大きく、ガス粘度μはコールドモデルがホットモデルよりも１．５倍大きい。従って、限界粒子径はコールドモデルがホットモデルより大きくなっており、コールドモデルはホットモデルより安全側の結果を与える。

コールドモデルでの試験条件は以下の通りである。

・大気供給速度：３.３ｍ^３／分（導入部における線速度：１５ｍ／秒）
・水供給速度：１Ｌ／分
・排出口出口背圧：２ｋＰａ
・遠心分離器
−円筒部：内径φ１９４ｍｍ長さ：３００ｍｍ（比較例、実施例１，２）
−導入管：内径φ６８ｍｍ
−導入管中心から円筒部底部までの高さ：１００ｍｍ
−排出管：内径７６.３ｍｍ
−内側部材：直径φ１８４ｍｍ
−内側部材底面から円筒部底部までの高さ：１０ｍｍ
−隙間幅：５ｍｍ
構造の異なる遠心分離装置を用いて４つの試験を行った。各構造の概要を図６に、試験結果を表２に示す。「供給水量」は遠心分離装置に供給された水量を、「ドレン側水量」はドレン口から排出された水量を、「底部水量」は運転終了時に容器の底部に存在する水量を、「空気相側水量」は空気相側に存在する水量を示し、このうち「回収水量」は排出口外部の飛沫受け容器３９で回収で回収された水量を、「ミスト水量」は運転終了時に容器の内壁に付着した水量を示している。「回収水量」及び「ミスト水量」は飛沫の発生量と強い相関関係にあると推定される。「ドレン側水量」「底部水量」「回収水量」「ミスト水量」の合計が「供給水量」と一致している。

比較例は内側部材７が設けられておらず、排出口の開口は排出管１２の底面に設けられている。容器底部の水は旋回流の状態になっている。目視検査の結果、容器上部の空気相領域で多量の飛沫が観察された。実施例１は内側部材７が設けられているが、排出口の開口は排出管１２の底面に設けられている。「底部水量」「回収水量」「ミスト水量」が大幅に減少する一方、「ドレン側水量」が増加しており、気液分離性能が向上し、飛沫の発生も抑えられている。実施例２は内側部材７が設けられ、排出口の開口（スリット）が排出管１２の側面に設けられている。「底部水量」「回収水量」「ミスト水量」が実施例１よりもさらに減少し、気液分離性能が向上し、飛沫の発生も抑えられている。実施例３は実施例２に対して円筒部の高さが半分となっているが、「底部水量」「回収水量」「ミスト水量」は実施例２とほとんど変わらない。このように、実施例より内側部材７の効果が確認され、排出口の開口を排出管１２の側面に設けることで気液分離性能がさらに向上する。その結果、円筒の高さを減少することが可能となる。

１遠心分離装置
２容器
３導入開口
４導入管
５ドレン口
６排出口
７内側部材
９隙間
１０，１１支持ロッド
１２排出管
１６高純度蒸気発生装置
１７蒸気供給手段
Ｃ中心軸

Claims

鉛直方向に延びる中心軸を有する容器と、前記容器の前記中心軸から偏心した位置を向いて前記容器の側壁の導入開口に接続され、比重の大きい物質と比重の小さい物質とを含む気液二相混合物質を前記容器に導入する導入管と、前記容器の下部に位置し、前記気液二相混合物質から分離された前記比重の大きい物質を排出するドレン口と、前記容器の頂面から下方に突き出す排出管と、前記容器の内部に、前記側壁に沿って１ｍｍ以上の隙間を設けて配置された内側部材と、を有し、
前記排出管は底面が閉じられているとともに、前記導入管の上方且つ当該排出管の側面に、前記気液二相混合物質から分離された前記比重の小さい物質を排出する排出口を備え、
前記容器は、円筒部と、前記円筒部の下端に接続され下方に行くに従って小径となる円錐台部と、を有し、前記内側部材は前記円筒部と前記円錐台部との境界と、前記導入開口との間に位置し、前記導入管の中心は前記円筒部の高さの１／２よりも前記円錐台部側に位置している、遠心分離装置。
前記内側部材は円板である、請求項１に記載の遠心分離装置。
前記内側部材は前記容器の前記側壁に支持されている、請求項１または２に記載の遠心分離装置。
前記内側部材は前記容器の底面から上方に延びる支持ロッドに支持されている、請求項１または２に記載の遠心分離装置。
前記内側部材は前記容器の前記排出管から延びる支持ロッドで支持されている、請求項１または２に記載の遠心分離装置。
前記導入開口は前記排出口と前記内側部材の間に位置している、請求項１から５のいずれか１項に記載の遠心分離装置。
遠心分離装置と、前記遠心分離装置に接続された、蒸気と水の二相混合物質の供給手段とを有する、高純度蒸気発生装置であって、
前記遠心分離装置は、鉛直方向に延びる中心軸を有する容器と、前記容器の前記中心軸から偏心した位置を向いて前記容器の側壁の導入開口に接続され、前記二相混合物質を前記容器に導入する導入管と、前記容器の下部に位置し、前記二相混合物質から分離された水を排出するドレン口と、前記容器の頂面から下方に突き出す排出管と、前記容器の内部に位置し、前記側壁との間に隙間を有する内側部材と、を有し、
前記排出管は底面が閉じられているとともに、前記導入管の上方且つ当該排出管の側面に、前記二相混合物質から分離された蒸気を排出する排出口を備え、
前記容器は、円筒部と、前記円筒部の下端に接続され下方に行くに従って小径となる円錐台部と、を有し、前記内側部材は前記円筒部と前記円錐台部との境界と、前記導入開口との間に位置し、前記導入管の中心は前記円筒部の高さの１／２よりも前記円錐台部側に位置しており、
前記供給手段は前記遠心分離装置の前記導入管に接続されている、高純度蒸気発生装置。
前記供給手段は、水が供給される上部水室と、下部水室と、前記上部水室と前記下部水室との間に位置する胴体部と、前記胴体部に設置され、前記上部水室と前記下部水室とに接続された伝熱管と、前記胴体部に設けられた加熱手段と、を有し、前記二相混合物質は前記伝熱管で前記加熱手段によって発生させられ、前記下部水室から前記遠心分離装置に供給される、請求項７に記載の高純度蒸気発生装置。