JP6670684B2 - 気液分離装置及び気液分離方法 - Google Patents

Description

本発明は、気液分離装置及び気液分離方法に関する。

例えばガス田開発等の資源開発では、生産対象流体としてのメタンガス等の他に、水分を含むものが生産井から産出される。
このような気体及び液体が混合された混合流体を分離する気液分離装置として、例えば下記特許文献１に示すような、混合流体が供給される供給口を備え、混合流体を気体と液体とに分離する分離器と、分離器の下方に設けられ、分離された液体を排水する排水管と、分離器の上方に設けられ、分離された気体を排気する排気管と、を備える気液分離装置が知られている。

特開昭６０−２０９２７６号公報

ところで、前記従来の気液分離装置では、分離器がサイクロンセパレータであり、混合流体を分離器の内周面に沿って流動させて旋回流を起こすことにより、混合流体に遠心力を作用させ、気体と液体との比重の差を利用して、これらを分離している。この分離器は、供給される混合流体において想定される気体と液体との質量比等に基づいて設計され、液滴除去を目的として設計された分離器においては、流入する混合流体の流動様式は、霧状の水分を含む気体の流れである噴霧流であることが求められる。
しかしながら、生産井からの混合流体のように、気体と液体との流量の比率が大きく変動するような場合には、分離器内に供給される混合流体の気体と液体との質量比を想定することが難しく、流入される混合流体の流動様式が安定しないといった問題があった。

本発明は前述した事情に鑑みてなされたものであって、外部から気液分離装置に供給される混合流体中に含まれる気体と液体との流量の比率が大きく変動するような場合であっても、液滴除去の目的のために設計された分離器内に供給される混合流体の流動様式を、分離器により分離可能な噴霧流状態とすることができる気液分離装置及び気液分離方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明に係る気液分離装置は、気体と液体との混合流体が供給される供給口を備え、前記混合流体を気体と液体とに分離する分離器と、前記分離器の下方に設けられ、分離された前記液体を排水する排水管と、前記分離器の上方に設けられ、分離された前記気体を排気する排気管と、を備える気液分離装置であって、前記分離器が内部に収容される収容室と、外部からの前記混合流体が滞留される滞留室と、を備えた本体容器を有し、前記滞留室と前記収容室との間の隔壁には、前記滞留室内に滞留した前記混合流体を、前記収容室内に散布する複数の散布孔が形成され、前記分離器は、前記収容室内に複数配設され、複数の前記分離器うちの少なくとも２つは、それぞれの前記供給口の上下方向の位置を異ならせて配設されていることを特徴とする。

また、前記課題を解決するために、本発明に係る気液分離方法は、気体と液体との混合流体を、分離器内で気体と液体とに分離する気液分離方法であって、前記気液分離装置を用いて、外部から前記本体容器内に流入した前記混合流体を、前記滞留室にて一時的に滞留させる滞留工程と、前記散布孔を通して、前記滞留室内の混合流体を、前記収容室内に散布する散布工程と、前記供給口を通して、前記収容室内の混合流体を、前記分離器内に供給する供給工程と、を備えることを特徴とする。

これらの発明によれば、本体容器内に流入された混合流体が、滞留室に一時的に滞留した後に、滞留室と収容室との間の隔壁に形成された散布孔から収容室内に散布され、供給口を通して分離器に供給される。このため、本体容器内に流入した混合流体の流動様式が、噴霧流や気泡流等いかなる流動様式であったとしても、混合流体が滞留室内に流入し、散布孔から収容室内に散布されることで、分離器内に流入する混合流体の流動様式を常に噴霧流状態とすることができる。

また、外部からの混合流体を直接、分離器内に供給するのではなく、滞留室において一時的に滞留させることで、混合流体の流速を抑えることができるとともに、滞留室内に滞留させた混合流体のうちの液体分に、続けて滞留室内に流入した混合流体を衝突させることができる。これにより、後続の混合流体が本体容器内の内面と衝突して飛沫が生じるのを抑えることができ、前記液体分が、微細な霧状となって空気中に漂うことで、分離器の分離負荷が増大するのを抑えることができる。
また、複数の散布孔を通して収容室内に混合流体を散布することで、本体容器内に流入された混合流体がいかなる流動様式であっても、収容室内に散布される混合流体の気体と液体との流量比の偏りを抑え、収容室内に漂う噴霧濃度を均一化することができる。

これらにより、外部から気液分離装置に供給される混合流体中に含まれる気体と液体との流量の比率が大きく変動するような場合であっても、分離器内に供給される混合流体の流動様式を、分離器により分離可能な噴霧流状態とすることができる。
また、滞留室内における複数の箇所から収容室内に混合流体を散布するので、散布孔の内径や数を調整することで、収容室内の位置ごとにおける混合流体の散布量を調整できる。その上で、散布孔の位置により、混合流体が収容室内に流入される方向を分散できる効果も相俟って、収容室内の位置ごとで混合流体が偏在するのを抑制することができる。
また、収容室内に分離器が複数配設されているので、散布孔が形成された滞留室を本体容器が備えることで収容室内に偏り少なく散布された混合流体を、それぞれの分離器に供給して分離することができる。これにより、混合流体を効率よく気体と液体とに分離することができる。
さらに、収容室内の液面の高さを調整し、収容室内に配設された分離器の供給口のうちのいくつかを水没させることで、機能する分離器の数量を調整し、収容室内から流入する混合流体の前記供給口での流速を調整することができる。これにより、混合流体の流速を、分離器が、混合流体を気体と液体とに分離する能力を発揮可能な流速範囲に調整することができる。

また、前記本体容器は、上下方向に延びる筒状に形成され、前記滞留室は、前記本体容器内における外周縁部に全周にわたって設けられ、前記散布孔は、前記隔壁のうち、径方向を向き、かつ径方向の内側に位置する内周壁、及び上下方向を向き、かつ下方に位置する底壁の少なくとも一方に、周方向に間隔をあけて複数形成されていてもよい。
この場合には、本体容器内に流入された混合流体を、本体容器内における外周縁部に全周にわたって設けられた滞留室に滞留させるとともに、この滞留室と収容室との間の隔壁のうち、内周壁、及び底壁の少なくとも一方に、周方向に間隔をあけて複数形成された散布孔から収容室内に散布することができる。これにより、混合流体が収容室内に流入される方向を分散させることができ、収容室内における混合流体の偏在をより確実に抑制することができる。

複数の前記分離器のうち、前記供給口の上下方向の位置が互いに同等の前記分離器同士は、前記本体容器の中心軸線から同等の距離に位置するように配設され、複数の前記分離器のうち、前記供給口の上下方向の位置が互いに異なる前記分離器同士は、前記本体容器の中心軸線から異なる距離に位置するように配設されていてもよい。
この場合には、収容室内の空間に効率的に複数の分離器を配設することができ、分離効率を上げられるとともに、同一の形状の分離器を用いて、それぞれの供給口の上下方向の位置を異ならせて配設することができる。

また、前記散布工程において、前記収容室内に貯留した液体の液面に、前記液体よりも比重の小さい緩衝材を浮遊させた状態で、前記滞留室内の混合流体を、前記収容室内に散布してもよい。
この場合には、収容室内の液面に緩衝材が浮遊しているため、散布孔から散布された液体により液面が叩かれることで、飛沫が生じるのを防ぐことができる。これにより、収容室内の液体が微細な霧状の水分として空気中に漂うことを抑え、分離器内に供給される霧状の液体の増加を抑え、分離器の分離負荷の増大を抑えることができる。

本願の請求項１、６に係る発明によれば、液滴除去の目的のために設計された分離器内に供給される混合流体の流動様式を、分離器により分離可能な噴霧流状態とすることができる。

本願の請求項２に係る発明によれば、収容室内における混合流体の偏在をより確実に抑制することができる。

本願の請求項３に係る発明によれば、混合流体を効率よく気体と液体とに分離することができる。

本願の請求項４に係る発明によれば、混合流体の流速を、分離器が、混合流体を気体と液体とに分離する能力を発揮可能な流速範囲に調整することができる。

本願の請求項５に係る発明によれば、分離効率を上げられるとともに、同一の形状の分離器を用いて、それぞれの供給口の上下方向の位置を異ならせて配設することができる。

本願の請求項７に係る発明によれば、分離器内に供給される霧状の液体量の増加を抑え、分離器の分離負荷を抑えることができる。

本発明の第一実施形態に係る気液分離装置の正面視における概念図である。 図１に示す気液分離装置の上下方向から見た平面視における概念図である。 本発明の第二実施形態に係る気液分離装置の正面視における概念図である。 図３に示す気液分離装置の上下方向から見た平面視における概念図である。 図３に示す気液分離装置の異なる構成例の正面視における概念図である。 図５に示す気液分離装置の上下方向から見た平面視における概念図である。 本発明の第三実施形態に係る気液分離装置の正面視における概念図である。 図７に示す気液分離装置のＡ−Ａ矢視における概念図である。 図７に示す気液分離装置のＢ−Ｂ矢視における概念図である。

（第一実施形態）
以下、図１及び図２を参照し、本発明の第一実施形態に係る気液分離装置について説明する。本実施形態に係る気液分離装置１は、気体Ａと液体Ｌとの混合流体Ｆが供給される供給口２ａを備え、混合流体Ｆを気体Ａと液体Ｌに分離するサイクロンセパレータ（分離器）２と、サイクロンセパレータ２の下方に設けられ、分離された液体Ｌを排水する排水管３ａと、サイクロンセパレータ２の上方に設けられ、分離された気体Ａを排気する排気管３ｂと、を備えている。

また、気液分離装置１は、サイクロンセパレータ２が内部に収容される収容室５を備え、上下方向に延びる筒状に形成された本体容器６を有している。以下の説明では、上下方向から見た平面視において、本体容器６の中心軸線Ｏに直交する方向を径方向といい、中心軸線Ｏ回りに周回する方向を周方向という。

図１に示すように、サイクロンセパレータ２は、周壁に供給口２ａが形成された本体筒部２ｂと、本体筒部２ｂの下方に接続された排出筒部２ｃと、を備えている。排出筒部２ｃの下端部は、後述する液層部Ｓの液面Ｕの下方まで延び、水封状態となっている。本体筒部２ｂは、排出筒部２ｃよりも大径に形成されており、本体筒部２ｂ及び排出筒部２ｃは、互いに同軸に配置されている。図示の例では、排出筒部２ｃは、本体筒部２ｂよりも上下方向に長く形成されている。なお、排出筒部２ｃは、本体筒部２ｂよりも上下方向に短く形成されていてもよいし、大径に形成されていてもよい。また、本体筒部２ｂと排出筒部２ｃとの間に、上方から下方に向けて縮径するテーパ筒部が形成されていてもよい。また、本体筒部２ｂ及び排出筒部２ｃは同軸に形成されていなくてもよい。

図１及び図２に示すように、本体容器６内には、複数のサイクロンセパレータ２が周方向に等間隔に収容されている。図示の例では、４つのサイクロンセパレータ２が収容されている。複数のサイクロンセパレータ２それぞれの上端開口縁は、径方向に沿って延在する仕切り壁６ａと接続されている。仕切り壁６ａは、複数のサイクロンセパレータ２それぞれの内部と外部とを仕切っており、径方向の外端部において、本体容器６の内周面と接続されている。また、仕切り壁６ａの下方には、収容室５が形成されている。すなわち、複数のサイクロンセパレータ２は、本体容器６内における収容室５内に収容されている。
なお、収容室５内に、サイクロンセパレータ２を径方向に等間隔に収容してもよいし、収容室５内に収容されるサイクロンセパレータ２の数量については、４つに限られず、任意に変更することが可能である。

図１に示すように、本体容器６には、２つの流入管４が接続されている。このうち、本体容器６の径方向の一方側に接続された一次流入管４ａは、生産井と接続されており、生産井から産出された混合流体Ｆを流入させるための管路となっている。また、本体容器６の径方向の他方側に接続された二次流入管４ｂは、モータ９を備えたポンプ８を通して、排水管３ａと接続されており、主に、排水管３ａより排水された混合流体Ｆのうちの液体Ｌを再度流入させるための管路となっている。なお、二次流入管４ｂは、モータ９を備えたポンプ８を通すことなく、直接排水管３ａと接続されていてもよい。
これらの流入管４それぞれに、流量を調整するための弁装置１１と、流量や圧力等を測定するための計器１２と、が取付けられている。また、二次流入管４ｂには、主に、混合流体Ｆのうちの液体Ｌの逆流を防止する逆止弁１３が取付けられている。

本体容器６の上端部には、排気管３ｂが接続されている。排気管３ｂは本体容器６と同軸に配置されている。このため、後述する気液分離方法により、混合流体Ｆから分離されることで仕切り壁６ａの上方に上昇してきた気体Ａは、本体容器６内の上部に気層部Ｒを形成するとともに、排気管３ｂより排気され、後工程に送られる。排気管３ｂには弁装置１１及び計器１２が取付けられている。なお、排気管３ｂ及び本体容器６は同軸に配置されていなくてもよい。
本体容器６内の底部には、上方から下方に向けて縮径する筒状のドレン壁６ｂが設けられている。ドレン壁６ｂは、本体容器６と同軸に配置されている。径方向の中央部に位置するドレン壁６ｂの下端開口縁が、排水管３ａの上端開口部と接続されている。このため、混合流体Ｆに混入して気液分離装置１内に流入した砂等の液体Ｌより比重の大きい固定物は、ドレン壁６ｂにより排水管３ａへの流下を促され、ポンプ８に排出される。
また、後述する気液分離方法により、混合流体Ｆから分離されることで収容室５内に貯留された液体Ｌは、収容室５内に液層部Ｓを形成するとともに、ドレン壁６ｂにより径方向の中央部に集められ、排水管３ａを通して排水される。

本体容器６の周壁には、収容室５内に液体を流入するためのバイパス管７が接続されている。バイパス管７には、弁装置１１が設けられており、例えば気液分離装置１の使用開始時等に、必要に応じて弁装置１１が開閉されることで、収容室５内の液層部Ｓに外部から液体を流入することが可能となっている。
また、本体容器６の周壁には、計測管１４が接続されている。計測管１４の一方の端部は本体容器６の上端部に、他方の端部は本体容器６の下端部に、それぞれ接続されている。
また計測管１４には、本体容器６内の液層部Ｓの貯留量を、液層部Ｓの液面Ｕの位置により測定する液面計１５が設けられている。

排水管３ａは、本体容器６とポンプ８とを連通する一次排水管３ａ_１と、ポンプ８から外部に排水をする二次排水管３ａ_２と、を備えている。一次排水管３ａ_１には、計器１２が取付けられている。二次排水管３ａ_２には、弁装置１１、計器１２、及び逆止弁１３が取付けられ、弁装置１１を操作することで、排水管３ａの排水量を調整することができる。また、二次流入管４ｂに設けられた弁装置１１と連携して操作することで、二次排水管３ａ_２からの排水を、再び本体容器６内に流入することができる。これらの弁装置１１による調整は、各計器１２により計測された気液分離装置１の内部の状態から、リモートコントロールにより制御することが可能となっている。

そして本実施形態では、本体容器６は、外部からの混合流体Ｆが滞留される滞留室１８を備えており、滞留室１８と収容室５との間の隔壁１８ａには、滞留室１８内に滞留した混合流体Ｆを、収容室５内に散布する複数の散布孔１９が形成されている。
滞留室１８は本体容器６の内部に設けられており、一次流入管４ａ及び二次流入管４ｂそれぞれから流入される混合流体Ｆを滞留する空間を形成している。また、滞留室１８は仕切り壁６ａの下方に位置しており、滞留室１８の頂壁は、仕切り壁６ａの一部により形成されている。図示の例では、滞留室１８と、サイクロンセパレータ２の本体筒部２ｂと、の上下方向の位置（以下、高さという）が互いにほぼ同等となっている。

また本実施形態では、図２に示すように、滞留室１８は、本体容器６内における外周縁部に全周にわたって設けられ、散布孔１９は、隔壁１８ａのうち、上下方向を向き、かつ下方に位置する底壁の全周にわたって、周方向に間隔をあけて複数形成されている。
滞留室１８は中心軸線Ｏに沿う断面視において矩形状をなし、中心軸線Ｏと直交する横断面視において環状に形成されている。滞留室１８の外周面は、本体容器６の内周面と一体に形成されている。

複数の散布孔１９は、それぞれ互いに同径をなしており、かつ周方向に等間隔をあけて配置されている。図示の例では散布孔１９は、周方向に８つ並んで形成されている。なお、散布孔１９は、滞留室１８の内周壁及び底壁のうち、少なくとも一方に形成されていればよく、散布孔１９の数量については、８つに限られず任意に変更可能である。

また本実施形態では、図２に示すように、サイクロンセパレータ２は、収容室５内に、周方向に等間隔をあけて複数配設されている。複数のサイクロンセパレータ２は、それぞれの供給口２ａが径方向の外側に位置するように配設され、それぞれの供給口２ａは、互いに異なる方向を向いて開口している。図示の例では、サイクロンセパレータ２は４つ配設されている。なお、サイクロンセパレータ２の数量については、４つに限られず任意に変更可能である。また、複数のサイクロンセパレータ２それぞれの供給口２ａは、同じ方向を向いて開口していてもよい。

次に、以上のように構成された気液分離装置１を用いて、混合流体Ｆを気体Ａと液体Ｌとに分離する気液分離方法について説明する。
本実施形態における気液分離方法は、外部から本体容器６内に流入した混合流体Ｆを、滞留室１８にて一時的に滞留させる滞留工程と、散布孔１９を通して、滞留室１８内の混合流体Ｆを、収容室５内に散布する散布工程と、供給口２ａを通して、収容室５内の混合流体Ｆを、サイクロンセパレータ２内に供給する供給工程と、を備えている。

滞留工程では、例えば産出井等から一定の流速で本体容器６内に流入される混合流体Ｆを、滞留室１８内の空間で受け止め、混合流体Ｆを滞留室１８の内部に滞留させる。これにより、混合流体Ｆの流速が低減するとともに、滞留させた混合流体Ｆのうちの液体Ｌに、後続の混合流体Ｆが衝突するようになる。これにより、混合流体Ｆと、隔壁１８ａとの衝突を緩和し、滞留室１８内に混合流体Ｆの飛沫が生じるのを抑えることができる。

また、滞留室１８は本体容器６内における外周縁部に全周にわたって設けられているため、滞留室１８に滞留した混合流体Ｆは、隔壁１８ａに沿って滞留室１８内の全域に行き渡る。ここで、例えば滞留室１８を上下方向に大きく設けるとともに、散布孔１９を上下２箇所に形成すると、混合流体Ｆのうち、比重の大きい液体Ｌは滞留室１８の下方に滞留し、比重の小さい気体Ａは滞留室１８の上方に滞留する。これにより、滞留室１８内において、気体Ａと液体Ｌとの分離を促すことができる。

散布工程では、滞留室１８に滞留した混合流体Ｆを、隔壁１８ａのうち、底壁に形成された散布孔１９より本体容器６内に散布する。この際、複数の散布孔１９が、それぞれ同径をなしており、かつ周方向に間隔をあけて配置されているため、収容室５内に散布する流量を、周方向の位置ごとに平準化することができる。なお、散布する流量を周方向の位置ごとに平準化するために、最適化設計により、複数の散布孔１９それぞれの内径や位置を調整してもよい。
また、複数の散布孔１９より散布されることで、混合流体Ｆのうちの液体Ｌが、散布孔１９を通過することにより液体Ｌの表面積を増やすことができ、これにより、気体Ａと液体Ｌの分離を促すことができる。

供給工程では、収容室５内に散布された混合流体Ｆのうち、気体Ａと、ここまでの工程において微細な霧状となった液体Ｌと、が、収容室５内の混合流体Ｆの流れに従って、いずれかのサイクロンセパレータ２の供給口２ａに至ることで、サイクロンセパレータ２内に供給される。また、ここまでの工程において微細な霧状を除く状態を保持した液体Ｌについては、収容室５内を下降し、サイクロンセパレータ２内に供給されることなく、収容室５内の液層部Ｓに貯留される。

そして、サイクロンセパレータ２内に供給された混合流体Ｆは、本体筒部２ｂの内周面に沿って流動し、旋回流を起こす。その結果、混合流体Ｆに遠心力が加えられる。これにより、比重の大きい液体Ｌが、次第に本体筒部２ｂの径方向の外側に移動することで、比重の小さい気体Ａが、次第に本体筒部２ｂの径方向の内側に移動し、気体Ａと液体Ｌとが分離される。
その後、液体Ｌは本体筒部２ｂの内周面に沿って流下してゆき、排出筒部２ｃを通して、収容室５内の液層部Ｓに貯留される。また、気体Ａは、本体筒部２ｂの上端開口縁から上方に排気され、仕切り壁６ａの上方に気層部Ｒを形成するとともに、排気管３ｂより排気され、後工程に送られる。

以上説明したように、本実施形態における気液分離装置１及び気液分離方法によれば、本体容器６内に流入された混合流体Ｆが、滞留室１８に一時的に滞留した後に、滞留室１８と収容室５との間の隔壁１８ａに形成された散布孔１９から収容室５内に散布され、供給口２ａを通してサイクロンセパレータ２に供給される。このため、本体容器６内に流入した混合流体Ｆの流動様式が、噴霧流や気泡流等いかなる流動様式であったとしても、混合流体Ｆが滞留室１８内に流入し、散布孔１９から収容室５内に散布されることで、サイクロンセパレータ２内に流入する混合流体Ｆの流動様式を常に噴霧流状態とすることができる。

また、外部からの混合流体Ｆを直接、サイクロンセパレータ２内に供給するのではなく、滞留室１８において一時的に滞留させることで、混合流体Ｆの流速を抑えることができるとともに、滞留室１８内に滞留させた混合流体Ｆのうちの液体分Ｌに、続けて滞留室１８内に流入した混合流体Ｆを衝突させることができる。これにより、後続の混合流体Ｆが本体容器６内の内面と衝突して飛沫が生じるのを抑えることができ、液体分Ｌが、微細な霧状となって空気中に漂うことで、サイクロンセパレータ２の分離負荷が増大するのを抑えることができる。
また、複数の散布孔１９を通して収容室５内に混合流体Ｆを散布することで、本体容器６内に流入された混合流体Ｆがいかなる流動様式であっても、収容室５内に散布される混合流体Ｆの気体Ａと液体Ｌとの流量比の偏りを抑え、収容室５内に漂う噴霧濃度を均一化することができる。

これらにより、外部から気液分離装置１に供給される混合流体Ｆ中に含まれる気体Ａと液体Ｌとの流量の比率が大きく変動するような場合であっても、サイクロンセパレータ２内に供給される混合流体Ｆの流動様式を、サイクロンセパレータ２により分離可能な噴霧流状態とすることができる。
また、滞留室１８内における複数の箇所から収容室５内に散布するので、散布孔１９の内径や数を調整することで、収容室５内の位置ごとにおける混合流体Ｆの散布量を調整できる。その上で、散布孔１９の位置により、混合流体Ｆが収容室５内に流入される方向を分散できる効果も相俟って、収容室５内の位置ごとで混合流体Ｆが偏在するのを抑制することができる。

また、滞留室１８が、本体容器６内における外周縁部に全周にわたって設けられ、散布孔１９が、隔壁１８ａの底壁に、全周にわたって、周方向に間隔をあけて複数形成されている。このため、本体容器６内に流入された混合流体Ｆを、本体容器６内における外周縁部に全周にわたって設けられた滞留室１８に滞留させるとともに、この滞留室１８と収容室５との間の隔壁１８ａに全周にわたって周方向に間隔をあけ、複数形成された散布孔１９から収容室５内に散布することができる。これにより、混合流体Ｆが収容室５内に流入される方向を分散させることができ、収容室５内における混合流体Ｆの偏在をより確実に抑制することができる。

また、収容室５内にサイクロンセパレータ２が複数配設されているので、散布孔１９が形成された滞留室１８を本体容器６が備えることで、収容室５内に偏り少なく散布された混合流体Ｆを、それぞれのサイクロンセパレータ２に供給して分離することができる。
さらに、収容室５内にサイクロンセパレータ２が周方向に等間隔に複数配設されているため、収容室５内に散布された混合流体Ｆを、それぞれのサイクロンセパレータ２に偏り少なく供給することができる。これにより、混合流体Ｆを効率よく気体Ａと液体Ｌとに分離することができる。

（第二実施形態）
次に、図３及び図４を参照し、本発明の第二実施形態に係る気液分離装置について説明する。なお、本実施形態においては、第一実施形態における構成要素と同一の部分については同一の符号を付し、その説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。

図３及び図４に示すように、本実施形態における気液分離装置１０では、複数のサイクロンセパレータ２が、収容室５内に、少なくとも２つは、それぞれの供給口２ａの高さを異ならせて配設されている。また、サイクロンセパレータ２は、互いに径方向の位置を異ならせて複数配設されるとともに、径方向の内側に位置するものほど下方に位置している。
また、気液分離装置１０では、滞留室１８は複数のサイクロンセパレータ２よりも径方向の外側に位置し、滞留室１８の高さは、複数のサイクロンセパレータ２のうちの最も径方向の外側に位置するものとほぼ同等となっている。

複数のサイクロンセパレータ２は、供給口２ａの高さを互いに異ならせて、複数ずつ配置されている。複数のサイクロンセパレータ２のうち、供給口２ａの高さが互いに同等のサイクロンセパレータ２同士は、本体容器６の中心軸線Ｏから同等の距離に位置するように配設され、複数のサイクロンセパレータ２のうち、供給口２ａの高さが互いに異なるサイクロンセパレータ２同士は、本体容器６の中心軸線Ｏから異なる距離に位置するように配設されている。
図示の例では、複数のサイクロンセパレータ２は、径方向の外側に位置するものが上方に位置するように、上下方向に沿って３段に、周方向に沿って４列に配設されることにより、合計１２基が収容されている。これら複数のサイクロンセパレータ２のうち、中心軸線Ｏからの径方向の距離が同等のものは、それぞれ互いに同等の高さに配設されている。

なお、複数のサイクロンセパレータ２は、少なくとも一部が、互いにそれぞれの供給口２ａの高さを異ならせて配設されていればよく、径方向の内側に位置するものが上方に位置していてもよい。また、収容室５内に収容されるサイクロンセパレータ２の数量については、１２基に限られず任意に変更することが可能である。さらにまた、滞留室１８の高さは、複数のサイクロンセパレータ２よりも低くてもよい。

また、サイクロンセパレータ２は、仕切り壁２６ａに接続されている。仕切り壁２６ａは、上下方向の中間部分で下部が縮径する有底筒状に形成されており、その上端縁から径方向の外側に向けて延びるフランジ部２６ｂを備えている。仕切り壁２６ａには、前記中間部分に、径方向に沿って延在する平坦面２６ｃが形成されている。複数のサイクロンセパレータ２のうち、最上段に配設された各サイクロンセパレータ２の上端開口縁と、仕切り壁２６ａのフランジ部２６ｂと、がそれぞれ接続されている。また、中段に配設された各サイクロンセパレータ２の上下方向の中間部分と、仕切り壁２６ａの平坦面２６ｃと、がそれぞれ接続されている。さらに、最下段に配設された各サイクロンセパレータ２の上下方向の中間部分と、仕切り壁２６ａの底部２６ｄと、がそれぞれ接続されている。

そして、本実施形態における気液分離方法では、計測管１４に設けられた液面計１５により液層部Ｓの液面の位置を計測し、これに基づいて流入管４及び排水管３ａにおける流量を、それぞれの各部に設けられた弁装置１１により調整することで、液層部Ｓの液面Ｕの高さを調整する。すなわち、仮に気体Ａの流量が少ない場合には、液面Ｕを上昇させて下方に位置するサイクロンセパレータ２を水没させることで、気体Ａと霧状の液体Ｌとからなる混合流体Ｆが通過するサイクロンセパレータ２の個数を減少させる。

これにより、気体Ａの流入量が少ない場合でも、サイクロンセパレータ２に入る混合流体Ｆの流速を一定範囲内に設定することができる。一方、気体Ａの流量が多くなった場合には、液面を下げて、気体Ａと霧状の液体Ｌとからなる混合流体Ｆが通過するサイクロンセパレータ２の個数を増やす。これにより、サイクロンセパレータ２に入る混合流体Ｆの速度を一定範囲内に設定することができる。このようにサイクロンセパレータ２に入る混合流体Ｆの速度を一定範囲内に設定することで、精度よく混合流体Ｆを気体Ａと液体Ｌとに分離することができる。

また、本実施形態における散布工程では、収容室５内に貯留した液体の液面Ｕに、前記液体よりも比重の小さい緩衝材１６を浮遊させた状態で、滞留室１８内の混合流体Ｆを収容室５内に散布する。緩衝材１６としては、例えば綿花や発泡性樹脂等が挙げられる。収容室５内に貯留された液体としては、混合流体Ｆから分離された液体Ｌのみであってもよいし、バイパス管７から流入された他の液体であってもよく、これらの混合液であってもよい。

以上説明したように、本実施形態における気液分離装置１０及び気液分離方法によれば、サイクロンセパレータ２が、収容室５内に、少なくとも２つが、互いにそれぞれの供給口２ａの高さを異ならせて複数配設されている。このため、収容室５内に貯留された液面Ｕの高さを調整し、収容室５内に配設されたサイクロンセパレータ２の供給口２ａのうちのいくつかを水没させることで、機能するサイクロンセパレータ２の数量を調整し、収容室５内から流入する混合流体Ｆの供給口２ａでの流速を調整することができる。これにより、混合流体Ｆの流速を、サイクロンセパレータ２が、混合流体Ｆを気体Ａと液体Ｌとに分離する能力を発揮可能な流速範囲に調整することができる。

また、サイクロンセパレータ２が、供給口２ａの高さが互いに同等のサイクロンセパレータ２同士が、本体容器６の中心軸線Ｏから同等の距離に位置するように配設され、供給口２ａの高さが互いに異なるサイクロンセパレータ２同士が、本体容器６の中心軸線Ｏから異なる距離に位置するように配設されているので、収容室５内の空間に効率的に複数のサイクロンセパレータ２を配設することができ、分離効率を上げられるとともに、同一の形状のサイクロンセパレータ２を用いて、それぞれの供給口２ａの高さを異ならせて配設することができる。

また、散布工程において、収容室５内に貯留した液体の液面Ｕに、液体よりも比重の小さい緩衝材１６を浮遊させた状態で、滞留室１８内の混合流体を、収容室５内に散布しているので、散布孔１９から散布された液体Ｌにより液面Ｕが叩かれることで、飛沫が生じるのを防ぐことができる。これにより、収容室５内の液体が微細な霧状の水分として空気中に漂うことを抑え、サイクロンセパレータ２内に供給される霧状の液体の増加を抑え、サイクロンセパレータ２の分離負荷の増大を抑えることができる。

なお、図３及び図４に示す気液分離装置１０は、図５及び図６に示すように、複数のサイクロンセパレータ２に代えて、デミスタ（分離器）２２を採用した気液分離装置２０としてもよい。気液分離装置２０では、デミスタ２２は、円筒形状に形成された濾過材であり、高さの異なる位置に複数配設されている。複数のデミスタ２２は、それぞれの径方向の大きさが異なっている。すなわち、最上段に配設されたデミスタ２２が大径となっており、下方に位置するに従い小径となることで、図６に示すように、上下方向から見た平面視において、径方向に連なって配設されている。また、最上段に位置するデミスタ２２は、隔壁１８ａと径方向に当接している。

ここで、最上段に配設されたデミスタ２２の上面と、仕切り壁２６ａのフランジ部２６ｂの上面と、がほぼ面一になっている。また、中段に配設されたデミスタ２２の底面と、仕切り壁２６ａの平坦面２６ｃと、がほぼ面一になっている。さらに、最下段に配設されたデミスタ２２の底面と、仕切り壁２６ａの底部２６ｄの上面と、がほぼ面一になっている。
デミスタ２２としては、例えば金属線材等により形成されたものを採用することができる。このような構成とすることで、気液分離装置２０の構造を簡易なものにすることができる。なお、デミスタ２２は上記構成の他、第一実施形態におけるサイクロンセパレータ２のように周方向に同等の間隔をあけて遊星状に配置してもよいし、デミスタ２２が滞留室１８よりも上方に位置していてもよい。

（第三実施形態）
次に、図７から図９を参照し、本発明の第三実施形態に係る気液分離装置について説明する。なお、本実施形態においては、第一実施形態及び第二実施形態における構成要素と同一の部分については同一の符号を付し、その説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。

図７に示すように、本実施形態における気液分離装置３０では、滞留室３８は、本体容器６の径方向の中央部に設けられ、一次流入管４ａ及び二次流入管４ｂは、収容室５内を通過して、滞留室３８内に接続されている。滞留室３８内の上下方向の大きさは、サイクロンセパレータ３２の上下方向の大きさの半分程度となっている。なお、この大きさに限られず、例えば滞留室３８の底面が収容室５内の液面Ｕ以下の高さまで延びていてもよい。
滞留室３８は、上部に位置する一次滞留室３８ａと、下部に位置する二次滞留室３８ｂと、を備えており、これらの間には、区画板６０が配設されている。また、二次滞留室３８ｂは、一次滞留室３８ａよりも上下方向に大きくなっている。

図８に示すように、区画板６０には複数の通過孔６１が形成されており、一次滞留室３８ａ内に滞留した混合流体Ｆは、通過孔６１を通して二次滞留室内３８ｂに流下する。図示の例では、中心軸線Ｏから見た横断面視において、一次流入管４ａ、二次流入管４ｂ、及び通過孔６１のうちの２つは、同一直線上に配設されている。通過孔６１は、区画板６０に８つ形成されている。なお、通過孔６１の数量及び位置については任意に変更可能である。また、隔壁６８には、複数の散布孔６９が形成されている。

図７から図９に示すように、散布孔６９は、隔壁６８のうち径方向を向く周面に形成された第一散布孔６９ａと、上下方向を向く底面に形成された第二散布孔６９ｂと、を備えている。図示の例では、散布孔６９は全て同径とされ、第一散布孔６９ａは、隔壁６８における流入管４を回避した位置に、間隔をあけて周方向に６つ形成され、第二散布孔６９ｂは、２０個形成されている。なお、散布孔６９の数量及び位置は任意に変更可能であり、それぞれの内径を異ならせてもよい。

また、本実施形態では、収容室５内に形状の異なるサイクロンセパレータ３２が、複数配設されている。すなわち、収容室５内に配設された複数のサイクロンセパレータ３２のうち、本体筒部３３が上下方向に大きい第一サイクロンセパレータ３２ａが、その他の第二サイクロンセパレータ３２ｂとともに配設されている。また、複数のサイクロンセパレータ３２それぞれの上下方向の大きさは同等となっており、第一サイクロンセパレータ３２ａの排出筒部３４は、第二サイクロンセパレータ３２ｂの排出筒部３４よりも上下方向の長さが短くなっている。

第一サイクロンセパレータ３２ａにおける本体筒部３３の上下方向の長さは、第二サイクロンセパレータ３２ｂにおける本体筒部３３の上下方向の長さの２倍程度となっている。第一サイクロンセパレータ３２ａの供給口３１は、第二サイクロンセパレータ３２ｂの供給口３１よりも下方に位置している。第一サイクロンセパレータ３２ａの本体筒部３３の下部に、供給口３１が備えられている。

そして、本実施形態における気液分離方法では、本体容器６内に流入する混合流体Ｆは、滞留室３８内のうち、上部に位置する一次滞留室３８ａ内に滞留された後に、区画板６０に形成された通過孔６１を通して二次滞留室３８ｂ内に滞留される。二次滞留室３８ｂ内において、二次滞留室３８ｂ内に滞留された混合流体Ｆのうち、比重の大きい液体Ｌは二次滞留室３８ｂの下方に滞留し、比重の小さい気体Ａは二次滞留室３８ｂの上方に滞留する。

その後、二次滞留室３８ｂの上方に滞留した気体Ａは、第一散布孔６９ａから収容室５内に散布され、二次滞留室３８ｂの下方に滞留していた液体Ｌは、第二散布孔６９ｂから収容室５内に散布される。そして収容室５内に散布された気体Ａは、複数のサイクロンセパレータ３２それぞれに供給され、液体Ｌは液層部Ｓに貯留される。

以上説明したように、本実施形態における気液分離装置３０及び気液分離方法によれば、滞留室３８の上下方向の大きさが十分大きく設けられているため、二次滞留室３８ｂ内において、気体Ａと液体Ｌとの分離を促すことができる。この際、滞留室３８が、一次滞留室３８ａと二次滞留室３８ｂとを備えているため、本体容器６内に流入してきた混合流体Ｆの勢いを止める役割を一次滞留室３８ａが担うことにより、二次滞留室３８ｂ内で混合流体Ｆのうちの液体Ｌから飛沫が発生するのを抑え、収容室５内に散布される混合流体Ｆの流動様式を安定させた状態にすることができる。これにより、サイクロンセパレータ３２の分離負荷を増大することなく、効率的に混合流体Ｆを分離することができる。

なお、本発明の技術的範囲は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることができる。

例えば、上記第一実施形態及び第二実施形態においては、滞留室１８は、本体容器６内における外周縁部に全周にわたって設けられ、散布孔１９は、隔壁１８ａの底壁に、周方向に間隔をあけて複数形成されている構成を示したが、このような態様に限られない。滞留室は例えば本体容器の外部に設けられる等、本体容器の内周面に沿わずに形成されていてもよいし、周方向に断続的に複数の滞留室が設けられていてもよい。また、散布孔は、周方向の同じ位置に複数形成されていてもよい。

また、上記第一実施形態及び第二実施形態においては、収容室５内には、複数のサイクロンセパレータ２が収容され、複数のサイクロンセパレータ２が、周方向又は径方向に等間隔に配設されている構成を示したが、このような態様に限られない。サイクロンセパレータは、収容室内に１つ収容されていてもよいし、複数のサイクロンセパレータが、周方向又は径方向に等間隔でなく配設されていてもよい。

また、上記第二実施形態では、複数のサイクロンセパレータ２のうち、供給口２ａの高さが互いに同等のサイクロンセパレータ２同士が、本体容器６の中心軸線Ｏから同等の距離に位置するように配設され、複数のサイクロンセパレータ２のうち、供給口２ａの高さが互いに異なるサイクロンセパレータ２同士が、本体容器６の中心軸線Ｏから異なる距離に位置するように配設されている構成を示したが、このような態様に限られない。
複数のサイクロンセパレータは、収容室内において、供給口の高さにかかわらず、中心軸線Ｏからの距離を任意に選択した位置に、それぞれ配置することができる。

また、上記第二実施形態では、散布工程として、収容室５内に貯留した液体の液面Ｕに、前記液体よりも比重の小さい緩衝材１６を浮遊させた状態で散布する構成を示したが、このような態様に限られない。緩衝材１６は、液面Ｕに浮遊することなく、例えば収容室５内の内壁に固定されていてもよいし、無くてもよい。

また、上記第一実施形態及び第二実施形態においては、例えばメタンハイドレート開発等において用いられる気液分離装置１として、主に海底への設置を想定しているが、陸上に設置して用いることもできる。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した変形例を適宜組み合わせてもよい。

１、１０、２０、３０ 気液分離装置
２、３２ サイクロンセパレータ（分離器）
２ａ 供給口
３ａ 排水管
３ｂ 排気管
５ 収容室
６ 本体容器
１６ 緩衝材
１８、３８ 滞留室
１８ａ、６８ 隔壁
１９、６９ 散布孔
２２ デミスタ（分離器）
Ａ 気体
Ｆ 混合流体
Ｌ 液体
Ｕ 液面

Claims (5)

1. 気体と液体との混合流体が供給される供給口を備え、前記混合流体を気体と液体とに分離する分離器と、
   前記分離器の下方に設けられ、分離された前記液体を排水する排水管と、
   前記分離器の上方に設けられ、分離された前記気体を排気する排気管と、を備える気液分離装置であって、
   前記分離器が内部に収容される収容室と、外部からの前記混合流体が滞留される滞留室と、を備えた本体容器を有し、
   前記滞留室と前記収容室との間の隔壁には、前記滞留室内に滞留した前記混合流体を、前記収容室内に散布する複数の散布孔が形成され、
   前記分離器は、前記収容室内に複数配設され、
   複数の前記分離器うちの少なくとも２つは、それぞれの前記供給口の上下方向の位置を異ならせて配設されていることを特徴とする気液分離装置。
2. 前記本体容器は、上下方向に延びる筒状に形成され、
   前記滞留室は、前記本体容器内における外周縁部に全周にわたって設けられ、
   前記散布孔は、前記隔壁のうち、径方向を向き、かつ径方向の内側に位置する内周壁、及び上下方向を向き、かつ下方に位置する底壁の少なくとも一方に、周方向に間隔をあけて複数形成されていることを特徴とする請求項１に記載の気液分離装置。
3. 複数の前記分離器のうち、前記供給口の上下方向の位置が互いに同等の前記分離器同士は、前記本体容器の中心軸線から同等の距離に位置するように配設され、複数の前記分離器のうち、前記供給口の上下方向の位置が互いに異なる前記分離器同士は、前記本体容器の中心軸線から異なる距離に位置するように配設されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の気液分離装置。
4. 気体と液体との混合流体を、分離器内で気体と液体とに分離する気液分離方法であって、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の気液分離装置を用いて、
   外部から前記本体容器内に流入した前記混合流体を、前記滞留室にて一時的に滞留させる滞留工程と、
   前記散布孔を通して、前記滞留室内の混合流体を、前記収容室内に散布する散布工程と、
   前記供給口を通して、前記収容室内の混合流体を、前記分離器内に供給する供給工程と、を備えることを特徴とする気液分離方法。
5. 前記散布工程において、前記収容室内に貯留した液体の液面に、前記液体よりも比重の小さい緩衝材を浮遊させた状態で、前記滞留室内の混合流体を、前記収容室内に散布することを特徴とする請求項４に記載の気液分離方法。

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