KR0171634B1 - 고효율 액체/액체 분리용 하이드로사이클론 - Google Patents

Abstract

본 발명은 혼합물의 액체/액체 성분들을 분리시키기 위한 높은 효율을 갖는 소직경 하이드로사이클론(12)에 관한 것이다. 하이드로사이클론 분리실의 유효분리 부분 L_e는 혼합물의 가속도 및 속도의 증가가 정지되는 소직경을 갖는 목 D(28)에서 시작된다. 상기 유효부분 Le는 분리실로부터 저류 배출구(16)에서 종료되며, 특정 한계 이내에 있는 면적 대 체적비를 가져서 혼합물 특히 그 내부에서 분산된 작은 직경의 적체들의 효율적인 분리를 보장하게 된다.

Description

[발명의 명칭]

고효율 액체/액체 분리용 하이드로사이클론

[발명의 상세한 설명]

[발명의 분야]

본 발명은 액체/액체 혼합물의 분리에 관한 것이고 특히 유성수(oily water, 油性水)로 부터의 오일의 분리 또는 오일로 부터의 물의 분리에 관한 것이며, 상기 액체들은 유정 생산구역 또는 오일 및 물이 혼합물로서 사용되게 되는 특정의 처리공장에서 분리된다.

[선행기술의 설명]

전형적인 유정 생산작업에서, 유전이 오래된 경우 생산되는 물의 양은 증가된다. 대부분의 경우는 아니지만 특정의 경우 생산되는 유체의 대부분이 물일 수 있다. 따라서, 상기 작업에 있어서 많은 양의 물이 처리되어야 하고 또는 특정의 방식으로 다루어지게 된다. 따라서 생산된 물의 처리에 관하여 전형적으로 많은 비용이 들게된다. 직접적인 경제적 인센티브는 없지만, 배출되는 물에 포함되는 오일의 량에 관한 세계각지의 엄격한 규제조항으로 인하여 유성수 분리기들의 개선 및 적정화에 관심이 모아지고 있다.

이러한 문제는 특히 연안 생산용 플랫포옴의 경우에 더욱 민감하게 된다. 분리 장비의 크기 및 중량제한으로 인하여 가용적인 옵션이 줄어들게 됨은 당연하다. 또한, 부유되는 연안 플랫포옴들에서 플랫포옴의 이동은 특정의 전통적인 형태의 분리장비의 성능에 영향을 미칠 수 있게된다. 중요한 문제의 하나는 물을 바닥에 버릴 때 물의 등급이 환경기준에 적합하게 되도록 물로부터 오일을 분리시키는 것이다.

전기한 환경관련 문제점들을 해결하기 위해, 하이드로사이클론 분리기(hydrocyclon separator)가 사용되어 상기 오일 및 물의 분리 문제를 해결하게 된다. 그러나, 전통적으로, 하이드로사이클론은 액체/고체 및 개스/고체와 같은 혼합물의 분리를 위해 사용되었으므로 액체/액체 분리와 관련되는 문제점들은 해결되고 있지 못한 것이다. 특히, 오일 및 물의 분리는 더욱 복잡하게 되는데 그 이유는 액체/액체 분리에 관련하여 부가적인 문제점을 야기시키는 높은 전단장(high shear fields)이 창출되기 때문이다. 오일/물 혼합물의 특성은 복잡한 분산으로 되는 액체 분산특성에 있으며, 2개의 비혼합성 혼합물의 분리에 하이드로사이클론을 사용하는 것은 한때 불가능한 것으로 여겨지기도 했다. 연속적인 액체상 내에서의 액체분산은 당업자에게 있어 액체상 사이의 낮은 밀도차 및 액체 분산에 대한 전단력에의 민감성과 같은 분리상의 문제점을 야기시킨다. 일반적으로, 밀도차(비중)는 0.2 미만으로 되고, 연속상으로부터 분산체를 분리시킬 때 문제점을 야기시키는 것이다. 현재 사용되고 있는 대부분의 하이드로사이클론은 연속상(continuous phase)으로부터 밀도가 높은 분산체를 제거하도록 설계되며, 하이드로사이클론 본체내에 와류를 창출시켜 분리작업을 수행하고, 상기와 같은 와류발생에 의해 밀도가 높은 분산체가 벽부를 향하여 외측으로 이동되어 하이드로사이클론의 축 근처에 분산체가 감소된 연속상이 남게 된다. 반대로, 거의 모든 오일이 물보다 밀도가 낮게 되며 그러므로 오일로 오염된 물이 하이드로사이클론을 통과할 때 와류의 반경방향 가속도는 오일 액적(분산상)을 와류의 중심에 있는 하이드로사이클론 축을 향하여 이동되도록 하여 하이드로사이클론의 벽부 근처에는 탈오일된 물(연속상)이 남게 된다. 그러므로, 이것으로 인하여 하이드로사이클론의 설계에 다른 제한요소가 가미되게 된다. 이에 반하여, 밀도가 높은 분산체에 있어서, 대부분의 연속상은 하이드로사이클론의 상승류 단부벽에서 와류 화인더(vortex finder)를 통하여 상승류(overflow)로서 제거된다. 분리된 분산체는 벽부 경계층으로부터 미소부분의 연속상을 가지고 하강류(underflow)로서 배출된다. 분산체가 밀도가 낮은 상일 경우에, 하강류가 전체 배출량의 대부분(90 내지 95%)을 차지하고 하이드로사이클론 축으로부터 분산체를 제거하는 상승류는 훨씬 감소된다. 또한, 하이드로사이클론 벽부에 도달되는 밀도가 높은 분산체는 비교적 안정된 벽부 경계층에 유지되지만, 하이드로사이클론 축을 따라 코어를 형성하는 밀도가 낮은 분산체는 상기와 같이 구속되지 않고, 안정성 및 다른 분산을 유발하지 않는 상태에서의 하이드로사이클론으로 부터의 제거는 전적으로 양호한 내부유동 구조에 의존하게 된다. 물속에 오일이 분산되어 있는 경우에 밀도 차이는 비교적 작게되기 때문에, 하이드로사이클론 설계는 분리를 증진시키기 위해 매우 빠른 회전구역을 생성하도록 수행되어야 하고 동시에 높은 전단 구역에서의 오일 액적의 파괴를 피할 수 있어야 한다. 이와 같은 제한사항들에 따라 밀도가 높은 분산체를 위한 하이드로사이클론의 경우와 표면적으로는 유사할지는 모르지만 유성수 분리를 위한 하이드로사이클론의 설계는 매우 상이한 형상으로 연결되는 그 요구조건에 따라 근본적으로 상이한 것이다.

액체/액체 하이드로사이클론 개발의 중요한 초기성과는 70년대말 및 80년대초에 걸쳐서 Suothampton University의 Martin Thew 및 Derek Coleman에 의해 달성되었으며, 그 시험연구에서 하이드로사이클론의 최소 공칭크기는 약 28mm인 것이 밝혀졌다. 액체/액체 하이드로사이클론의 공청크기의 더 이상의 축소는 높은 내부전단응력을 창출시키고, 상기 높은 내부전단응력은 물내에서 민감성을 갖는 오일의 분산체들을 파괴시키며, 상들의 요구되는 분리에 역효과를 내게 되는 것이다. 하이드로사이클론의 상기 공칭크기는 사이클론의 기준직경, 즉 속도의 접선성분이 최대로 되는 지점을 나타낸다. 그러므로 상기 초기연구 및 해결이 되어야 할 석유산업상의 문제점들을 인식하는 토대하에서, 2개의 비혼합성 액체들을 분리시키기 위한 목적으로 액체/액체 하이드로사이클론이 널리 사용되었지만, 오일산업에 있어서 물로부터 비교적 작은 퍼센테이지의 오일만을 제거시키게 되었다. Thew 및 Coleman에 의한 상기 초기연구에서, 오일/물 분산체들을 처리하는 액체/액체 하이드로사이클론의 공칭크기는 현재까지 시장에서 35mm, 38mm, 58mm 및 60mm를 갖는 것이 유통되고 있다.

공칭크기를 자세히 연구하면, 주어진 구동압력에서의 유니트의 성능을 알 수 있다. 일반적으로, 제작상의 관점에서 볼 때 사이클론의 공칭직경이 크면 클수록 주어진 시스팀 성능을 위해 요청되는 분리유니트 또는 관들은 작게된다. 상기 크기들은, 최적의 분리효율 및 성능 달성을 위해, 전기한 연구를 근거로 하여, 다양한 설계자들에 의해 채택되었다. 일반적으로, 전기한 바와 같이, 최소직경은 28mm로 인식되어졌고 30mm 미만의 공칭직경을 갖는 액체/액체 하이드로사이클론은 상기 이유로 시장에서 유통되지 않았다. 액체/액체 하이드로사이클론을 작동시키는 것에 관련되는 실제적인 문제점들은, 35mm 내지 60mm 범위의 공칭직경을 갖는 사이클론에 의해 달성되는 분리효율이 특정의 처리 목적에 충분히 부합하지 못한다는 데에 있다. 특정 처리들에 있어서, 분리가 요구되는 액체 분산체는 비교적 작은 유체 체적을 갖게되며, 예컨대 오일 작업에 있어서 하루당 100배럴을 필요로 하게 되는 경우도 있다. 단일의 35mm 하이드로사이클론이 충분한 분리성능을 발휘할 수 있는 최소 체적 유량은 일당 400배럴 이상이 된다. 60mm 공칭크기를 갖는 사이클론은 최소한 하루 1000배럴을 필요로 한다.

다른 문제점은 최소 구동압력에 관계된다. 35mm의 공칭직경을 갖는 하이드로사이클론에 대해, 최소 구동압력은 60psi이고 60mm 하이드로사이클론에 대해서는 100psi로 된다. 최소 구동압력에 영향을 미칠 수 있는 연속상의 점성과 같은 다른 인자도 존재하게 된다.

본 발명의 배경을 더욱 확연히 부각시키기 위해, 70년대말의 Thew 및 Coleman에 의한 연구가 발표되기 이전의 하이드로사이클론의 표준설계는 고체/액체 또는 고체/개스 용도에 적합한 것이었고 짧은 원통형 유입부 및 그에 이어지는 큰 경사도의 테이퍼형으로 형성되는 원추체를 포함하였다. 분리실의 전체 길이/직경비는 전형적으로 약 10이었다. 60년대 중반에 Regehr 및 Bohnet에 의해 액체/고체 기법에 대해 연구가 있었고 이들은 후에 Thew, Coleman 및 Listewnik와 함께 액체/액체 문제에 대해 연구를 시작하였다. 오일/물 분리에 있어서의 전단에 대한 민감성 때문에, 매우 완만한 조건하에서 원심력을 부여하는 것이 필요하고 그러므로 적당한 분리를 행할 수 있는 유일한 방법은 길이/직경비를 증가시키는 것이라는 결론이 내려졌다, 상기 선행 연구자들은 최초에 10 내지 25의 길이/직경비를 갖는 원통형 사이클론으로 시작하였다. 결과적으로 Regher가 유출구측에 소형 원추체를 추가시킨 간단한 원통형 격실이 사용되었다. 상기 초기 선행연구에 의해 25의 길이/직경비를 초과하는 것은 비생산적이라는 결론이 내려졌으며, 그 이유는 긴 분리실에 있어서의 마찰손실은 이동의 접선성분을 현저히 감소시켜 하이드로사이클론을 통한 유동이 충류유동 체제로 변환될 정도로 유동손실이 크게 된다는 것이었다. 그러므로, 10 내지 25의 길이/직경비가 최적인 것으로 판명되었던 것이다. 그리고나서, Thew는 70년대말에 직경이 다중적으로 감소되는 디자인에 대한 연구를 시작하였다. 그 기본적인 개념은 체류시간을 증가시키기 위해 분리 유니트의 길이를 증가시키고 하이드로사이클론 주기를 통하여 속도를 점진적으로 증가시키거나 최소한 그대로 유지하는 것이 바람직하다는 것이었다. 이것은 직경을 감소시킴에 의해 가능하였던 것이다. 초기의 연구는 사이클론에서와 같은 마찰손실에 대해 각 운동량을 유지시키는 간단한 디자인에 관한 것이었다. 이러한 디자인들은 10 내지 25의 길이/직경비 및 유입부의 직경을 d₁이라할 때 0.5d₁인 공칭직경 d₂를 갖는 하이드로사이클론으로 진보되었다. 그리고나서, 접선속도가 최대로 되는 하이드로사이클론의 공칭직경으로서 간주되는 부분(d₂)까지 D₁으로부터 10.5°의 테이퍼가 제공되었다. 결과적으로, Thew의 연구로 인하여 접선속도성분을 오랜시간동안 유지시킴에 의해 양호한 분리가 행하여진다는 사실이 밝혀짐에 따라, 전체 길이/직경비는 25로 근접되었다. Thew 및 Coleman의 1981년 연구결과에 따라, 분리효율은 작은 직경을 갖는 하이드로사이클론을 사용함으로써 증가되는 것으로 밝혀졌지만, 오일/물 분산체에 있어서의 높은 전단력 작용에 관련되는 문제점으로 인하여 전기한 바와 같이 최소 공칭직경을 28mm로 제한하는 것이 바람직하고 적은 직경은 오일 액적 파괴를 증가시키며 상기 28mm 미만의 크기를 갖는 하이드로사이클론은 양호한 효율을 위해서는 너무 작다는 것이 밝혀졌다.

환경오염에 관한 관심이 고조됨에 따라 하이드로사이클론이 오일/물 시장에서 경제적인 수요를 점증시키고 있다. 연안작업에서 생산된 물을 대양으로 다시 복귀시키기 위해, 물내의 잔류오일을 40ppm 미만으로 유지시킬 것이 강제되고 있다. 이러한 과업을 수행하기 위한 많은 분리 용도에 있어서 지금까지 설명한 하이드로사이클론이 사용되어 왔다. 상기 하이드로사이클론은 Coleman 및 Thew에게 허여된 미합중국 특허 제4,237,006호 및 4,231,368호에 기재되어 있다. 비록 후의 연구 데이타에 의해 28mm 미만의 하이드로사이클론이 비효율적이라는 것이 밝혀졌지만, 상기 특허 및 다른 특허에는 하이드로사이클론의 공칭직경이 5 내지 100mm의 범위로 될 수 있다는 내용이 기재되어 있다. 최소범위를 5mm로 하는 공칭직경의 상기와 같은 선형 제안은 단지 공론적일 뿐이고, 최소한 상업적인 이유로도 상기와 같은 작은 모델이 만들어지거나 시험된 일도 없었다는 점에서 모든 가능성을 포함하기 위한 것일뿐 실제적인 근거는 없는 것이다. 어떠한 경우에든 28mm 미만의 직경은 비효율적이라는 것을 나타내는 Thew 및 Coleman의 연구는 약 30mm 미만으로의 크기 감소를 제한하기에 충분한 것이었다. 길이는 공칭직경의 25배 이하인 것으로 기재되고 있다. 상기 특허에 기재된 바와 같은 세 개의 형상 및 곡면 하우징을 포함하는 다른 등가의 형상체들은 석유산업계에서 사용되는 분리기들에 대해 오일/물 분리시장을 지배하여 왔다. 미합중국 특허 제4,544,486호, 4,464,264호, 4,719,014호 및 Noel Carroll에게 허여된 차속 특허들은 기본적인 또는 표준적인 탈오일 하이드로사이클론의 정련에 관하여 기재하고 있다. Carroll에게 허여된 미합중국 특허 4,721,565호 및 Symth 및 Thew에게 허여된 미합중국 특허 제4,749,490호와 같은 후속 특허들은 오일이 더 큰 퍼센테이지를 차지하고 혼합물의 대부분을 차지하게 되는 오일 및 물의 분리에 상기 기법을 적용시키기 위해 상기 형상에 대한 변형예를 기재하고 있다. 이것은 탈수 하이드로사이클론으로 명명된다. 특정의 상기 혼합물의 경우에, 물은 오일 연속상내에서 분산상으로서 존재될 수 있다.

상기 기기의 산업성이 안정됨에 따라, 상을 분리하는 장치를 더욱 효율화시키기 위해 욕구가 분출되게 되었다. 탈오일 작업에서는, 대양으로의 복귀를 위해 분리되는 유성수내의 오일 퍼센테이지를 낮추는 것에 관한 욕구가 표출되게 되었다. 또한, 상기한 시스팀에 부합하지 않는 분리용도에 있어서는 더욱 효율적이고 효과적인 하이드로사이클론 분리기들이 생산될 수 있을까에 대한 기대가 점증하고 있었던 것이다.

그러므로, 갈수록 엄격한 환경규제의 요구조건을 충촉시키기 위해, 그리고 현재 시장에서 유통되고 있는 시스팀에 의해서는 해결이 불가능한 분리문제들을 해결하기 위해, 예컨대 석유 산업계에서 연안 시추작업을 할 때 바다로 복귀되는 물의 오일함유량으로서 지금까지의 제한수치였던 40ppm 미만으로 떨어지고 있는 기준에 부합하기 위해 더욱 효율적인 분리를 제공하는 형태의 분리기술들을 개발하는 것이 점차 중요시되고 있다. 결과적으로, 제한사항으로서 여겨졌던 크기 조건들이 오일/물 분리에 있어서 하이드로사이클론의 효율을 증가시켜야 하는 대전제에 관한 해를 제공하는 가에 관한 연구가 활발히 진행되게 하였다. 최근의 연구에 의해 선행기술에 따라 관습적으로 사용되었던 설계사항에 있어서의 특정의 제한적인 성능요인들을 없애게 되는 하이드로사이클론 설계에 있어서 현저한 진보가 이루어지게 되었다. 상기 진보중의 하나는 최소길이와 함께 매우 급격한 가속도로 설계되고 하이드로사이클론의 공칭직경으로의 급격한 전이부에 의해 크기를 현저히 감소시키게 되는 하이드로사이클론이다. 상기 개념은, 유입구 직경 d₁에서의 유입속도가 액적의 전단응력을 초과하지 않도록 하여 하이드로사이클론으로 유입되는 유량을 상기 지점에서 전단시키지 않도록 하는 최적조건을 유지함에 의해 매우 작은 분리실 내에서의 유입 유동을 안정화시키는 이론을 근거로 하는 것이다. 상기 최적 안정조건이 달성되면, 분리실의 직경을 매우 급격하게 감소시킬 수 있으며, 분리실 직경의 이와 같은 급격한 감소에 의해 가속도장이 증가되게 된다. 상기 연구는 공칭직경(d₂)으로 급격하게 좁아질수록 유니트의 효율은 높아지게 된다는 것을 의미한다. 상기 이론에 따라 직경(d_i)으로부터 직경(d₂)으로 급격하게 전이시키고 d₂로부터 배출직경으로의 점진적인 테이퍼를 사용할 수 있게 된다. 한편 상기와 같은 급격한 전이는 사이클론 내에서의 높은 압력손실을 유발시키며 높은 가속도장(acceleration field) 때문에 압력 손실이 증가되어 사이클론을 통한 유동성능을 낮추게 되고 이는 다시 성능의 관점에서 문제점을 야기시키게 된다. 유동 요구조건을 충족시키기 위해, 시스팀내의 사이클론들의 개수를 증가시키는 것이 필요하게 된다.

액체/액체 하이드로사이클론의 설계에 있어서, 주어진 길이의 사이클론에 대해 최소의 마찰손실 및 유동분해를 달성하면서 주어진 원심력을 유지시키기 위해 하이드로사이클론의 길이를 따라 매우 유연한 전이유동을 제공하는 것이 중요한 요소로 간주된다. 분리효율을 개선하기 위한 시도로서, 부가적인 체류시간을 제공하기 위해 분리실 길이부로의 단일 연장부에 관한 실험이 행하여져서 약한 부력을 갖는 작은 액적이 제거되는 중심코어에 도달될 시간을 더욱 많이 부여하는 것이 제안되었다. 전형적으로 선행 시도들은 유입구 유동으로부터 최대 가속도로의 매끄러운 전이를 달성하여 특정 길이에 관한 상기 가속도를 유지하고 필요한 만큼의 잔류시간을 부가하는 방법에 관한 것이었다. 부가적인 체류시간은 얻어지는 효율의 주변적인 증가에 기인하여 과거에 부당한 것으로 여겨졌었던 부가적인 현저한 압력강하를 창출시킨다. 사이클론 내에서의 가속도들에 있어서의 급격한 전이에 관한 다른 일면은, 유속 또는 각운동량을 급격하게 증가시킴에 의해 유체유동에 있어서 전단응력이 창출되고 그러므로 분산상 액적의 제거가 어렵게 된다는 데에 있다.

유입구 설계에 있어서, 전단응력이 초과적으로 되고 액적 파괴가 현저하게 되는 지점으로만 사이클론으로 유입되는 속도를 증가시키게 된다. 현저한 파괴는 액적이 전단되어 사이클론내에서 효과적으로 제거되지 못하게 된다는 것을 의미한다. 그러므로, 상기 문제점들을 해결하기 위해 두가지 이슈가 대두되고 있다. 하나는 가장 중요한 것으로서 가속도에 기인한 액적 전단의 효과에 관한 것이고 다른 하나는 하이드로사이클론내에서 압력손실의 증가에 따른 효과에 관한 것이다. 압력손실은 하이드로사이클론을 작동시키기 위해 가용적인 압력에 악영향을 미쳐서 결과적으로 상기 가용압력이 증가되어야 하고 또는 전체 에너지 입력이 증가되어야만 하게 된다.

물/오일 하이드로사이클론 설계자들에 의해 직면되는 또 다른 문제점은 재흡입이다. 오일이 코어로 이동될 때 코어 근처에 존재되는 경계층에서 물로 재흡입된다. 와류 속도가 낮을 경우에 이것은 특히 현저하게 된다. 그러나, 속도를 증가시킴에 의해 전단을 증가시키게 될 가능성에 직면하게 된다. 그러므로, 작은 직경 및 경사도가 큰 테이퍼는 와류 속도를 증가시키지만, 큰 액적의 전단 가능성을 증가시키게 된다.

경사도가 큰 테이퍼에 의해 발생될 수 있는 또 다른 문제점은 재순환 문제이다. 유입부에서의 와류는 짧은 길이에 걸쳐서 큰 체적을 작은 체적으로 감소시킴에 의해 형성되는 경향이 있다. 상기와 같은 수축은 유입구를 향한 유동벡터를 제공하고 축방향 와류유동을 증진시키게 된다. 이러한 현상은 Thew 및 다른 발명자들 및 경사도가 작은 테이퍼에 관한 설계변경에 의해 당업계에 공지되어 있다. 인벌류유트 내에서의 재순환은 유입구 단부와 만나는 외부벽 근처에 있는 유입단부에서의 침적물의 생성을 조장하게 되고 이는 다시 격실 내에서의 침식을 야기시키게 된다.

그러므로, 전기한 바와 같이 하이드로사이클론의 직경을 감소시킴에 의해 여러 가지 좋지 않은 현상이 발생되지만, 본 출원인은 높은 효율을 갖는 하이드로사이클론을 개발하기 위해 전기 문제점들을 극복하기 위한 시도를 하게 되었다. 이와 같은 결정은, 과거의 연구가 큰 액적 크기들에 관한 것이었고 작금의 입장에서 액적의 크기 분포에 관한 고찰을 하였으며 상기 분포는 궁극적으로 처리되어져야 할 작은 액적 크기를 갖는 구획들을 항상 포함한다는 것을 인지한 토대하에서 이루어진 것이다. 작은 하이드로사이클론이 높은 가속도장 및 높은 속도구배를 야기시켜 입자 일체도에 관한 난류 레벨을 증가시키지만, 하이드로사이클론 분리실의 역할을 좀더 주의깊게 고찰하면, 예컨대 5 내지 10마이크론 범위이내에 있는 작은 액적이 더욱 활력이 있고 전단에 의한 영향을 덜 받게 된다는 것을 알 수 있다. 또한, 고체입자 하이드로사이클론에 있어서, 입자의 경우에 높은 가속도장을 필요로 하게 된다는 점에서 전단에 기인한 악영향이 없이 작은 직경을 갖는 분리실을 사용할 수 있으며, 전단은 입자들의 충돌에 의해 분리를 원조한다. 하이드로사이클론내에서 처리될 수 있는 레벨 이상으로 액적의 다른 전단을 유발시키지 않는 방식으로 작은 액적을 처리하는 경우에 액체/액체장내에서 작은 액적을 분리시키기 위해 윈도우가 발생될 수 있다는 것을 본 발명의 발명자는 알게 되었다. 궁극적인 목표를 향한 상기와 같은 연구에 의해, 작은 직경을 갖는 하이드로사이클론이 사용될 수 있다는 것이 밝혀졌고 상기 작은 직경을 갖는 하이드로사이클론은 액체/액체 분리기 분산상내에 작은 액적 크기들을 갖는 분산체들을 포함하는 오일/물 분리기의 효율을 증가시키는 것이 판명되었다.

그러므로, 본 발명의 목적은, 하이드로사이클론의 공칭직경 또는 본 명세서에서 사용되는 바와 같은 목부분의 직경이 8 내지 28mm의 범위에 있게 되는, 혼합물의 액체성분 특히 액체 혼합물의 오일상 밀 물상들을 분리시키기 위한 신규하고 개선된 하이드로사이클론을 제공함에 있다. 상기 개선된 하이드로사이클론은 낮은 구동압력에서 작동되면서도 작은 직경에도 불구하고 만족할 만한 분리효율을 유지하며, 단일 사이클론 유니트에 대한 최소 제척 성능은 일단 약 50배렬로 낮게될 수 있다. 상기와 같은 개선된 분리기는 작은 액적 크기를 처리하기에 효과적으로 되고 동일한 공정조건에서 큰 공칭직경을 갖는 사이클론보다 더 큰 효율을 나타내게 된다. 그러한 하이드로사이클론에서 면적 대 체적의 비율은 현저히 높은 효율을 발생시키는 범위내에 있게 된다.

[발명의 요약]

상기 목적 및 다른 목적들을 해결하기 위해, 본 발명은 혼합물의 액체상을 분리시키기 위한 하이드로사이클론을 제공하는데, 액체 구성 성분중의 하나는 물속의 오일 분산체 또는 오일내의 물 분산체와 같이 액적의 분산상으로 액체 연속상내에 존재한다. 하이드로사이클론은 분리실로 구성되고 상기 분리실은 일단부에서 유입부내로 유체 혼합물을 유입시키기 위한 하나 이상의 유입 개구부를 갖는다. 유입부의 단부벽내에 축향으로 설치될 수 있는 상승류 유출구는 밀도가 낮은 혼합물의 상을 위한 유출구를 제공한다. 밀도가 높은 상을 배출시키기 위한 하강류 유출구는 유입단부에 대향되는 분리실의 다른 단부에 배치된다. 상기 분리실은 또한, 하이드로사이클론에 의해 처리될 수 있는 레벨을 벗어나는 정도로 분산상 액적을 전단시키지 않으면서 가속실내에서 유체를 급격하게 가속시키는 제1의 큰 경사도의 테이퍼형으로 형성되고 커어브되는 부분을 포함한다. 큰 경사도의 테이퍼형으로 형성되는 제1부분에 이어서 작은 경사도의 테이퍼형으로 형성되거나 커어브되는 제2부분이 형성되고, 이 제2부분은 신장된 분리실 부분을 나타낸다. 제1 및 제2테이퍼부 사이의 전이부는 하이드로사이클론의 공칭직경으로서 언급되는 D_T28mm인 직경을 갖는 목부분(throat portion)으로서 형성된다. 분리실은 본 발명의 기능적인 요구에 부합하기 위해 선택적으로 원통형으로 되거나 또는 부분적으로 원통형으로 될 수 있다. D_T를 지나 연장되는 신장된 분리실 부분은 하강류 유출구까지 신장되는 분리실의 전체길이 L_e를 형성하는 특정의 테이퍼되고 커어브되거나 원통형이거나 대체로 원통형인 부분을 포함한다. 신장된 분리실 부분(L_e)은 특정 범위의 단면적/체적비(A/V)_Le로 배열되는 상기 액체/액체 혼합물을 위해 가장 효율적인 작동을 제공한다. 상기 효율 및 하이드로사이클론의 전체 성능은 유입구로부터 특정의 제한된 거리를 두고 D_T를 위치시킴에 의해 또한 증가된다. 상기 하이드로사이클론에 의해 제거되는 평균 액적 크기는 효율의 증가에 비례하여 작아지게 된다.

[도면의 간단한 설명]

제1a도 및 제1b도는 하이드로사이클론에 사용되는 두 개의 변형 형상을 나타내는 개략도.

제2도는 유동율 및 하이드로사이클론의 다양한 공칭 크기들의 유입구와 유출구 사이의 압력차의 관계를 나타내는 그래프.

제3도는 표준 공칭직경 하이드로사이클론 및 작은 공칭직경 하이드로사이클론에 대한 유입구 압력 및 효율의 관계를 나타내는 그래프.

제4도는 하이드로사이클론의 다양한 공칭크기들에 관한 유입구/유출구 압력차와 효율의 증가의 관계를 나타내는 그래프.

제5도는 하이드로사이클론의 공칭직경과 면적/체적비와 효율의 개선에 관한 관계를 나타내는 그래프.

제6도는 오일-물 혼합물의 액적 분산상의 크기분포를 나타내는 정규곡선 그래프.

[바람직한 실시예의 상세한 설명]

도면 제1a도 및 제1b도를 참조하면, 하이드로사이클론(12)을 두 개의 약간 다른 형상들로 도시하며, 첫번째 형상은 확대 단부(14)에서 시작하여 회전체적에 의해 형성되는 하우징내에서 연장되어 하강류 유출구(16)를 형성하는 대향된 작은 단부까지 연신되는 분리실을 갖는다. 확대 단부(14)에 있는 유입구(20)는 분리실내로의 유체혼합물의 유입수단을 제공한다. 유입직경 D_i는 하나 이상의 유입구를 통하여 유량이 사이클론으로 유입되는 평균직경을 나타내고, 그러므로 사이클론 축으로부터 유입구 중심선의 접선성분의 최소거리의 두배가 된다. 유입평면은 유입구들이 평균 축향위치에서 사이클론 축에 수직한 평면으로서 정의되어 사이클론내로의 유체들의 각운동량 분사가 상기 평면주위에 동일하게 분포되도록 한다.

분리실을 형성하는 회전체의 체적형상은, 비록 제1도에는 두 개의 형상면을 도시하였지만, 무한한 변화체로 될 수 있다는 데에 주목하여야 한다. 제1a도에서는 하이드로사이클론은 원통형 격실로 도시되는 유입부(22)를 포함하는 불연속부분으로 구성되고 상기 유입구(20)에는 좌측으로부터 우측으로 큰 경사도의 테이퍼형으로 형성되는 제1원추형 부분(24)이 이어지며 상기 원추형 부분(24)에는 작은 경사도의 테이퍼형으로 형성되는 제2원추형 부분(26)이 이어진다. 제1 및 제2테이퍼부 사이의 전이부는 참고를 위해 D_T로 구별되는 목부분(28)으로 도시된다. 상기 D_T는 또한 하이드로사이클론의 이론적인 공칭직경으로서 언급되며 고효율 특성을 제공하는 본 발명의 개념을 설명하는데에 있어서 중요한 기준이 된다. 상기 D_T는 단지 이론적인 기준이며 최대 접선속도 또는 와류가 발생되는 지점을 나타내는 것이며, 상기 기준점을 면밀하게 집어내는 것은 매우 어렵다. 그러므로, 본 명세서에 사용되는 기법을 전달하고 본 발명의 청구범위에 대한 개연성을 확실히 부각시키기 위해 사용되는 것이기는 하지만, 절대적인 것은 아니다. 제1도의 상부 형상체에서 분리실의 최종부분은 원통형 또는 거의 원통형인 평행부(30)로서 도시된다.

제1b도에서, 도시한 분리실은 불연속 부분들을 갖지는 않지만 그럼에도 불구하고 상기 부분들은 최소한 기능적으로나마 제1b도에 실시된다. 예컨대, 유입구(20)가 분리실에 형성되는 지점에서 제1a도에 유입부(22) 등에 일치하는 유입부가 기능적으로 존재하게 된다. 다른 대응부분들은 하강류 유출구(16)로 진행됨에 따라 전체 분리실의 길이를 통하여 연속 커어브로서 도시된다. 공칭직경으로서 언급되는 목부분의 직경(D_T)은 이하에 설명하는 바와 같이 수개의 다른 방법으로 마련되지만, 기능적으로는 상기 목부분은 분리실을 통하여 유동되는 유체가 최대 가속도 및 최대 접선속도에 도달하게 되는 근사위치를 나타낸다. 전기한 바와 같이, 이것은 절대적인 것이 아니다. 액체/액체 하이드로사이클론 업계에서 개발된 표준 형상에서, d₂는 통상적으로 본 명세서에서는 D_T인 상기 공칭직경을 나타내는 것이며 d₂는 본체의 직경이 0.5d가 되는 지점에 형성되는 것으로 정의된다. 단일 인벌류우트의 경우에 유입구 D_i는 D₁보다 크게 되지만 직선 선회접선의 경우에 유입구(D_i)는 D₁보다 작게된다. 본 출원에서는 D_i는 혼합물이 하이드로사이클론내로 유입되는 기능적인 위치를 나타내고 그러므로 동역학적으로 무엇이 발생되었는가를 나타내는 수치이다. 그러므로, 본 명세서에서 D_T는 0.5D_i미만 또는 0.6D_i와 동일한 것으로서 D_i에 관련하여 설명된다.

본 발명의 배경에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 중요한 일면이 작은 목부분 직경의 실시로 이어지는 개념의 변화를 설명한다. 분리효율을 증가시키는 최적 공칭직경을 포함하는 상기 매개변수들을 정립하기 위하여 대단히 많은 양의 실험이 최근에 행하여졌다. 직경이 감소됨에 따라 효율이 증가되는 것으로 밝혀졌다. 직경이 감소됨에 따라 일정한 배출량을 가정하는 유니트의 압력강하의 증가가 수반되고 일정한 유입압력을 가정하는 배출량의 감소가 발생된다. 제2도에는 제1a도와 유사하게 형성되는 형상에 의해 설정되는 세 개의 다른 크기를 갖는 하이드로사이클론을 사용할 때 유동율과 압력과의 관계를 나타낸다. 유입구 압력 및 유출구 압력사이의 일정한 압력차를 선택함에 의해 즉 예컨대 50psi를 선정함에 의해, 공칭직경 19mm인 하이드로사이클론에 대해 유동율은 대체로 분당 10갈론이고, 동일한 델타 P에서 35mm 하이드로사이클론에 대해 유동율은 대체로 29gpm이었다. 물론 이것은 작은 직경을 갖는 유니트의 작은 유동율의 결점을 나타내는 것이며, 큰 유동율이 필요한 경우에는 개개의 분리실을 여러개 사용하여야 한다. 한편, 제3도로부터 주어진 유입압력에 대해 12mm의 공칭직경을 갖는 하이드로사이클론은 35mm의 유니트에 비해 효율의 개선을 나타냈다. 이러한 데이타를 모으기 위해 사용되는 테스트들은 평행한 유동라인을 가지며, 유정으로부터 생산된 유체는 두 개의 서로 상이한 즉, 35mm 및 12mm 크기로 동시에 분리되는 두 개의 유동라인을 통하여 분할되었다. 이것은 액적의 크기 분포, 밀도, 온도 등을 포함하는 모든 액체 상태량에 대한 동일한 조건을 제공하였다.

작은 직경을 사용함에 의해 하이드로사이클론 내에서의 주어진 유동율에 대해 압력을 증가시키는 것이 명확하며, 압력의 증가는 분산상을 형성하는 액적에 부여되는 전단응력 가능성을 증가시킨다는 것을 예견할 수 있다. 하이드로사이클론의 설계 변수를 고려함에 의해, 분리가 액적 크기의 함수로 되고 작은 액적이 큰 액적에 비해 분리하기가 매우 어렵게 된다는 것을 나타내는 스토크스의 법칙(Stokes law)을 고찰한 바 있다. 그러므로, 하이드로사이클론은 특정범위 이내에 있는 작은 액적을 효율적으로 제거하지 못하게 된다. 작은 직경의 사이클론 및 분리실 내에서의 큰 경사도의 테이퍼 각이 사이클론내의 액적을 전단시킬 가능성이 있다는 것에 밝혀졌으며 따라서 상기와 같은 전단에 의해 제거가 어려운 작은 액적이 형성된다. 그러므로, 설계자들은 작은 직경의 사이클론들이 작은 크기를 갖는 액적을 제거하는 장점을 도출시키는 데에 성공을 거두지 못했던 것이다. 이것은 이미 전단된 작은 작체들을 처리할 때 사이클론 내에서의 전단효과가 덜 위해하기 때문이다. 그러므로, 설계 변수들에 의해 야기되는 사이클론 내에서의 전단은 큰 액적에 대부분의 영향을 미치며 즉, 사이클론내에서 전단되는 것은 큰 액적인 것이다. 그러나, 작은 직경을 갖는 유니트가 수용하는 6마이크론 미만으로는 전단되지는 않으며, 상기 전단된 액적은 더욱 효과적으로 제거되기 때문에 작은 목부분의 직경 및 작은 목부분(D)으로의 더욱 급격한 전이가 큰 액적을 전단시킬 가능성에 대한 염려는 배제되어도 무방하다. 이것은 또한 재흡입 및 재순환에 관한 전단상의 문제점을 완화시킨다. 상기한 관점에서, 하이드로사이클론은 혼합물을 급격히 가속시켜 큰 액적을 제거할 수 있고 잔존되는 6 내지 8마이크론 미만의 액적에 전단을 유발시키지 않으면서 잔존 혼합물을 급격하게 가속시킬 수 있다. 작은 직경에서, 하이드로사이클론은 작은 체적을 가지며, 잔존 액적은 서로 접촉되어 합착될 기회가 많아지며, 따라서 하이드로사이클론의 원심력 분리에 의한 분리가 가능하게 된다. 작은 직경을 취함에 의해, 액적이 중심코어에 도달되기 위해 이동하여야 하는 거리를 물리적으로 감소시킬 수 있게 되고 또한 코어에 도달하기 위해 필요한 시간을 감소시킬 수 있게 된다. 이것은 혼합물로부터 제거되는 액적의 범위를 증가시켰으며 따라서 분리효율을 증가시키게 된다. 상기 동역학을 유지시키기 위한 체류시간을 더욱 길게 함으로써, 합착 즉 분리의 가능성은 더욱 증가되게 된다.

작은 직경 및/또는 큰 경사도로 테이퍼되는 하이드로사이클론이 큰 액적의 부가적인 전단을 창출한 가능성이 있는 것으로 인식되었지만, 상기 결점은 작은 직경의 하이드로사이클론이 또한 작은 크기를 갖는 액적을 분리시키고 제거되는 평균 액적 크기는 하이드로사이클론의 공칭크기와 함께 감소된다는 사실에 의해 그 심각성이 희석된다. 그러므로, 제거되는 액적의 체적은 작은 공칭크기들에서 증가되며 그에 의해 효율도 증가되게 된다. 8 내지 28의 공칭직경을 갖는 하이드로사이클론이 4 내지 10마이크론 범위에 있는 액적을 효과적으로 제거한다는 것이 데이타에 의해 입증되었다. 그러므로, 액적의 전단은 작은 크기 및 경사도가 큰 테이퍼부에 의해 발생될 수 있으며, 이것은 제거되는 혼합물의 증가된 부분에 의해 상계된다. 주어진 세트의 조건에 대해, 하강류 유출구는 분리시내에서 분리되지 않는 액적 형태로 존재되는 분산상 부분들을 갖는다. 작은 공칭크기의 직경을 갖는 본체의 경우에 하강류 유출구에서의 상기 잔존되는 액적의 크기 분포는 4 내지 8마이크론 범위 미만의 평균크기를 가지며, 이에 반해 동일한 조건에서 28mm보다 큰 하이드로사이클론은 더 높은 배출 분포를 갖는다. 평균 액적 크기에 있어서의 상기와 같은 차이에 의해 주어지는 혼합물의 부분은 분리효율의 개선을 결정짓는 사항이다. 상기 관계를 제6도에 도시하고, 상기 제6도의 그래프에서 혼합물의 정상화된 유입 액적 분포는 상기 제6도에서 곡선 아래쪽의 면적에 의해 표현된다. 예시적인 목적을 위해, 혼합물은 물의 연속상내에서 1000ppm의 오일의 분산상을 가지며, 상기 1000ppm의 분산상은 곡선 아래쪽 면적에 의해 표현된다. 상기 예에서 분산상의 평균 액적크기(D₅₀)는 20μ이다. 35mm 공칭직경을 갖는 하이드로사이클론이 주어진 세트의 조건(온도, ph등)에서 평균크기 8μ를 갖는 액적이상을 제거하고 8μ 이상의 분산상의 부분이 분포(D₈₀)의 80%를 나타내는 경우에, 하이드로사이클론 효율은 80%로 되며 하강류 유출구에서의 액정농도는 0.2×1000ppm 또는 200ppm으로 된다. 그러나, 20mm 공칭직경을 갖는 하이드로사이클론은 동일한 조건에서 4μ의 액적을 제거할 수 있고 6μ의 평균직경을 갖는 액적을 제거할 수 있게되며 이것은 분포(D₉₀)의 90%를 나타낸다. 그러므로, 상기 사이클론의 성능은 90% 및 1000ppm×0.1=100ppm이 되어 10%의 효율증가를 나타내게 된다. 상기 데이타는 정상적인 자동조건하에서 상기 예가 공칭직경이 작은 유니트들에서 예견될 수 있는 개선을 나타낸다는 것을 알 수 있다. 이것은 물론 혼합물이 많은 양(대부분)의 작은 액적을 포함하여 상기 장점이 제대로 작용할 수 있게 된다는 것을 전제로 한다.

제4도에는 변화되는 유입구/유출구의 델타 P에서 35mm 본체에 관한 효율의 퍼센트 증가에 대한 다양하게 크기되는 분리실 본체들의 비교를 제공한다. 전기한 바와 같이, 상기 데이타는 작은 직경의 유니트가 35mm 유니트에서 평행한 유동 루우프로 연장되는 지점에서 취하여진 것이다. 혼합물은 12 내지 24마이크론 범위의 분산상의 평균액적 크기를 포함하였고 혼합물의 온도는 112℉였다. 제4도로부터 본체크기 및 효율사이에 직접적인 상호 관계가 존재된다는 것을 용이하게 알 수 있다. 분리실 내에서의 유체의 체류시간을 증가시키기 위해 상부라인에 의해 주어지는 하이드로사이클론 본체가 본체에 덧붙여진 연장된 평행부를 갖는다는 점을 제외하고는 15mm ASAD로 표시되는 정부 라인중의 하나가 단순히 15mm로 명명된 하부라인과 유사한 본체를 가지며 따라서 높은 효율을 갖게 된다는 것을 제4도로부터 알 수 있다.

상기 시험중에 취하여진 광대한 양의 데이타를 분석함에 있어서, 주제 또는 판단 근거는 전기한 바 있는 다양한 현상을 근거로 한 것이다. 정확한 설명은 불가능하다 할지라도, 긴 체류시간, 액적의 이동거리, 고 전단조건하에서의 작은 액적의 양태 등에 관하여 가능한 근접되는 설명을 이미 한 바 있다. 그러나, 다른 분석에서, 작금의 문제에 큰 충격을 가하는 지금까지는 알려지지 않은 관계가 존재한다는 것이 밝혀졌고, 상기 관계는 최대 가속도가 발생되는 본체 형상내에 위치된 후의 분리실의 면적대 체적비이다. 상기 장소는 제1도에 도시한 바와 같은 표준 형상체에서 D_T가 발생되는 장소이며 또한 테이퍼부든 등가의 곡선부이든간에 큰 경사도의 기울기로부터 미세한 또는 더욱 완만한 기울기로 변화되는 지역이다. 이점과 관련하여, 주어진 형상에 대해 상기 A/V비가 어떻게 계산되는가를 이하에 나타낸다.

원형 횡간단면을 갖는 부품에 대해:

또는,

상기 식에서

x=부품의 중심선을 따른 거리

r_c(x)=부품 c에 관한 축방향 거리의 함수로서 나타내어진 반경

c=부품 번호 1,2,3,…,n

i= 유입구

o=유출구

함수 r_c(x)는 일반식이며 제한적인 의미는 아닌 것으로서 이하의 형태를 취한다:

(1) 원통형 부품에 대해:

r_c(x) = k

k는 일정한 반경

(2) 원추형 단면에 대해:

r_c(x) = r_iγ(x)

γ(x) = x tan θ

따라서 r_c(x) = r_i-x tan θ

θ는 원추의 반각

(3) 2차 곡선형 부품에 대해

r_c(x) = r_i+βx + αx²

β 및 α는 부품의 곡률을 나타내는 상수

제1a도에서 전체 본체형상의 A/V비를 계산하기 위해, 분리된 각각의 본체부의 면적 및 체적을 각각 간단히 적분하면 된다. 본 발명의 목적을 위해, 면적 대 체적비는 L_T에서 시작하여 하강류 유출구로 연장되는 분리실 부분(L_e)의 면적 대 체적비이다. 그러므로, 제1a도 및 제1b도에 도시한 형상에 대해, D_T로부터 점선(34)으로 이어지는 부분의 면적 및 체적을 계산한다. 그리고 나서, 점선(34)으로부터 유출구(16)로 연장되는 원통형 부품으로서 도시한 부분(30)의 면적 및 체적을 계산한다. 물론, 상기 원통형 부분은 일정한 반경을 가지며 적분이 필요없게 되고, 예컨대 면적은 2rx로서 간단히 계산될 수 있으며 x는 포함되는 원통형 부분의 축향길이이다. 상기와 같은 원통형 부분의 체적은 πr²x로서 계산된다. 이러한 과정은 모든 관심부분의 면적 및 체적이 계산될 때까지 계속된다. 상기 부분(L_e)은 분리실의 기능적인 부분이며, 창안될 수 있는 격실들의 형상은 많기 때문에 그 기능적인면에서 상기 기법을 이해하는 것이 필요하다. 부분(L_e)의 시작은 유체의 최대속도 및 최대 가속도가 발생되는 부분으로 된다. 실제적인 관점에서 이것은 절대적인 것은 아니며 최소한 그 정밀한 위치를 결정하는 것을 도울 수 있다. 분리실에서 시작에서부터 종료시점까지 직선 테이퍼부가 사용되는 경우에 즉, 단일 테이퍼각을 갖는 단절 원추형 분리실인 경우에 D_T는 분리실내로의 유입구에서 시작되고 L_e의 단부벽(14)에 근접한 D_i에서 시작된다. 하강류 유출구 또는 L_e의 단부에 관하여, 이것은 분리공정이 종료되는 그 유출구에서 마련된다. 분리실의 단부에 특정길이의 확산부를 추가시키고자 하는 경우에는 분리실 내에서의 반경방향 가속도 또는 와류가 떨어지며 그러므로 원심력에 기인한 분리가 종결되게 된다. 이것은 기능적으로 분리실의 단부 및 거리(L_e)의 종료점에서 발생된다. D_T가 특정 지점에서 정의되는 본 발명의 청구범위에 기재된 바와 같이 명확한 것이다. D_T를 정하는 더욱 기능적인 방식은 특정 범위로 제한된다. D_T를 기술하는 다른 방법은 격실의 기울기가 특정값에 도달하는 지점을 근거로 한 것이다.

제5도를 참조하면, 하이드로사이클론의 다양한 형상들에 대한 면적-체적비 대 목부분 직경의 상호관계를 도시한다. 35mm 하이드로사이클론에 대한 현저한 양의 퍼센트 상승은 우측에 도시한다. 상기와 같은 퍼센테이지 상승은 액적 분포, 온도, 밀도, P_h, 계면장력 등의 함수로서 나타내어진다. 하부 곡선은 L_e가 D_T에서 시작되고 특정의 평행한 연장부를 갖지 않는 제1도에 도시한 바와 같은 본체에 관한 것이다. 상기 평행한 연장부는 분리실의 원통형인 또는 거의 원통형인 부분을 나타내며 점선(34)으로부터 하강류 유출구(16)로 연장되는 부분을 지칭하는 것이다. 그러므로, 제5도의 저부 곡선은 제1a도 및 1b도에 도시한 바와 같이 34에서 종결되는 L_e를 갖는 본체에 관한 것이다. 제5도의 중간곡선(실선)은 테이퍼부(26)에 대하여 36으로 도시한 0.75°테이퍼 각 α를 갖는 제1a도의 표준 형상과 유사한 하이드로사이클론을 나타내는 것이다. 상기 유니트는 또한 20D_T의 평행한 연장부(26)를 갖는다. 제5도의 상부 3°의 테이퍼 각 및 100D_T의 평행한 연장부를 갖는 하이드로사이클론 본체를 나타낸다. 제5도에 제시한 데이타로부터, 목부분의 직경이 8 내지 28mm인 하이드로사이클론에 대한 면적/체적비가 0.19 내지 0.9의 범위로 된다는 것을 알 수 있다. 그러나, 소형 유니트들이 실제적인 인정을 받는 석유산업용도 및 다른 산업용도가 존재하게 되고, 그러므로 본 발명에서 설명한 데이타의 하한은 본 발명의 근거를 이루는 개념을 특정의 최소 크기로 제한하는 것은 아니다.

그러므로, 본 발명을 특정 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명의 넓은 범위로부터 이탈하지 않는 한도내에서 다양한 변형 및 개조가 행하여질 수 있고, 첨부한 특허청구의 범위의 목적이 본 발명의 사상 및 분야에 포함되는 모든 상기 변형물 및 개조물을 포괄하기 위한 것임을 당업자는 알 수 있다.

Claims (7)

1. 액체 성분중 하나가 액적 분산상으로 액체 연속상중에 존재하는 유체 혼합물로부터 상이한 밀도의 액체 성분을 분리하기 위한 고효율 하이드로사이클론으로서, 일단부에 배치된 유입부(22) 및, 유채 혼합물의 선회 운동이 일어나도록 유입부내로 유체 혼합물을 유입하는 유입 수단(20)을 구비하며, 유입부로 개방되는 유입 수단의 평면에서 유입부가 본 명세서에서 정해진 바와 같은 직경(D_i)을 갖는 분리실과; 분리실의 일단부에 축방향으로 위치되어 유체 혼합물중 밀도가 낮은 성분을 유출시키는 상승류 유출구와; 유입 수단에 대향된 분리실의 단부에 위치되어 유체 혼합물중 밀도가 높은 성분을 유출시키는 하강류 유출구(16)를 구비하며, 분리실은 큰 경사도의 테이퍼형으로 형성된 제1부분(24)과, 작은 경사도의 테이퍼형으로 형성되거나 거의 원통형으로 형성되어 길게 연장되는 제2부분(26)을 추가로 포함하며, 제1부분은 유입부를 제2부분에 접속시켜 유체 혼합물의 선회 운동을 가속화하는 구간을 제공하며, 제1부분과 제2부분 사이의 전이부는 전이부 또는 그 부근에 형성되고 0.5D_i의 직경(D_t)을 갖는 목부분에 의해 구별되며, 상기 목부분에서 시작하여 그로부터 하강류 유출구까지 연장되는 신장된 분리실 부분은 하이드로사이클론의 유효 제한 체류부를 형성하는 길이(L_e)를 가지며, 신장된 분리실 부분을 구성하는 모든 부분의 내부 표면적의 합을 신장된 분리실 부분을 구성하는 모든 부분의 내부 체적의 합으로 나눈 비율로서 정의되는 신장된 분리실 부분의 면적 대 체적의 비율(A/V)_Le은 가속화된 선회 액체 혼합물의 상기 체류부에서의 체류 시간이 충분히 제한된 단면적과 실질적으로 작은 체적하에서 연장됨으로써 액체 연속상으로부터의 분산상 액적의 분리 효율이 상승되도록 0.2mm^-1보다 크게 되며, 유입 수단으로부터 목부분까지의 거리(L_t)는 2.4D_i보다 작으며; 길이(L_e)는 49D_T보다 큰 것을 특징으로 하는 고효율 하이드로사이클론.
2. 제1항에 있어서, L_e는 27.2D_T보다 큰 것을 특징으로 하는 하이드로사이클론.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, D_T는 8 내지 28mm인 것을 특징으로 하는 하이드로사이클론.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, D_T는 20mm 이하인 것을 특징으로 하는 하이드로사이클론.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, (A/V)_Le는 0.21 내지 0.9mm^-1인 것을 특징으로 하는 하이드로사이클론.
6. 제1항에 있어서, D_T는 28mm 이하인 것을 특징으로 하는 하이드로사이클론.
7. 제1항에 있어서, D_T는 30mm 이하인 것을 특징으로 하는 하이드로사이클론.