KR100730520B1 - 초음속 가스 유동용 노즐 및 관성 분리기 - Google Patents

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Abstract

미스트 유동을 초음속으로 발생시키기 위한 수렴발산 형의 노즐로서, 하기를 포함하는 노즐: 노즐 트로트의 상부로 거리 L1 에 위치한, 특징적 직경 D* 의 트로트; 특징적 직경 D1 의 입구; 및 노즐 트로트의 하부로 거리 L2 에 위치한 특징적 직경 D2 의 출구 (여기서 L2 / (D2 - D*) 의 비는 4 초과이고, 250 미만이다); 이를 기초로 한 관성 분리기, 및 주로 가스인 스트림의 하나 이상의 성분의 초음속 분리 방법.

Description

초음속 가스 유동용 노즐 및 관성 분리기 {A NOZZLE FOR SUPERSONIC GAS FLOW AND AN INERTIA SEPARATOR}
본 발명은 초음속으로 미스트(mist) 유동을 발생시키기 위한 수렴발산 형의 노즐, 이를 기초로 한 관성 분리기, 및 주로 가스인 스트림의 성분의 초음속 분리 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 선택한 성분의 응축 및 뒤 이은 이의 분리에 의한, 상기 스트림으로부터의 하나 이상의 성분의 분리에 관한 것이다.
분리는 상이한 산업 환경, 예컨대 오일 및 가스 산업, 화학 산업, 페인트 산업, 및 다른 광범위한 산업에서 용도를 찾을 수 있다. 분리는 다양한 산업 공정, 예컨대 배연 가스로부터의 이산화탄소 제거, 에어 컨디셔닝 (물 제거), 및 관로망으로의 수송 전의 천연 가스의 건조에서 사용될 수 있다.
수많은 방법 및 기구가 가스 유체 또는 다른 유체에서의 성분 분리를 위해 존재한다. 통상적인 분리 기구의 예로는 증류 칼럼, 필터 및 막, 침강 탱크, 원심분리기, 전기집진기, 건조기, 냉각기, 사이클론, 와관 분리기 및 흡착기를 포함한다. 그러나, 특정 용도에 부적당하게 만들 수 있는, 이들 통상적인 기구 각각에 관련한 단점 및/또는 문제점이 있다. 또한, 초음속 노즐이 장착된 각종 관성 분리기가 당업계에 개시되었다.
JP-A-02,017,921 에서는 초음속 유동의 사용을 통한 가스 혼합물의 분리를 언급한다. 상기 장치는 초음속 노즐의 상부에 위치한 와동기(swirler)를 포함한다. 그 후, 와동 유체 스트림은 축대칭 팽창 노즐을 통과하여 미립자를 형성한다. 와동은 매우 긴 축 거리에 걸쳐 유지되며, 큰 압력강하를 발생시킨다. 3 가지 성분의 가스 유동에서 성분을 분리하기 위해서는, 큰 상부 와동이 와동기에 의해 초기에 공급되어야만 하며, 따라서 상당한 양의 에너지가 시스템에 투입되어야만 한다.
US-A-3,559,373 에서는 고압 가스 입구, 직사각형 트로트(throat), 및 U 형 직사각형 단면 채널을 포함하는 초음속 유동 분리기를 언급한다. 채널은 외부로 굽은 투과 벽을 포함한다. 가스 스트림은 아음속으로 가스 입구에 제공된다. 가스는 트로트를 통해 수렴하고 채널 중으로 팽창하며, 속도를 초음속까지 증가시킨다. 초음속 구역에서의 유동의 팽창은 액적 응집이 일어나게 하고, 더욱 큰 액적이 외부 투과 벽을 통과하여 챔버에 수집된다. 분리력, 즉, 유동 스트림의 다양한 상의 식별을 위해 필요한 힘은 채널의 곡률 반지름에 의존한다. 그러나, 수직 충격파를 방지하기 위해, 채널의 곡률 반지름은 부득이하게 제한되게 된다. 따라서, US-A-3,559,373 에 개시된 장치의 모양은 유동 스트림에서 액적의 식별에 이용가능한 힘을 저해한다. 또한, 액적이 채널 영역을 가로질러 수집되지 않는다.
EP-A-0,496,128 에서는 가스 혼합물에서 가스를 분리하기 위한 방법 및 장치 를 언급한다. 상기 장치는, 노즐로 수렴한 후, 와동 지대로 발산하는 실린더를 포함한다. 가스는 아음속으로 실린더의 도입부에 들어가고 노즐의 수렴 구획을 통해 흐른다. 유동은 수렴 구획을 벗어나 실린더의 발산 구획 중으로 초음속으로 팽창한다. 한쌍의 3각판이 와동을 초음속 유동에 전한다. 초음속과 와동의 조합은 응축, 및 유동 스트림의 가스 성분에서 응축된 성분의 분리를 돕는다. 출구 파이프는 실린더 내부에 중심적으로 위치하여 유동 스트림의 가스 성분이 초음속으로 방출되게 한다. 액체 성분은 계속하여 제 2 발산 구획을 지나면서 속력이 아음속으로 강하되고, 팬(fan)을 지나서, 결국 제 2 출구를 통해 실린더를 벗어난다.
국제 출원 제 WO 99/01194 호에서는, 선택한 가스 성분을 다수의 가스 성분을 함유하는 유체의 스트림에서 제거하기 위한, 유사한 방법 및 상응하는 장치를 개시한다. 상기 장치는 수집 지대의 하부에 충격 유동 인듀서(inducer)를 장착하여 스트림의 축방향 속도가 아음속으로 감소하도록 한다. 상기 방식으로의 충격파 적용은 형성된 입자가 보다 효율적으로 분리되게 한다.
상기 참조문들은 다양한 초음속 관성 분리기를 개시하고 있으나, 사용될 노즐에 대한 상세한 설명이 없다.
관성 분리기에 적합한 노즐의 설계는 제트 엔진, 트러스터(thruster) 등에 사용되는 것과는 상이하게 만들어진다. 둘 다 수렴발산 노즐(Delaval Nozzle)을 사용하며, 이는 '노즐 트로트'로 언급되는, 최소 직경이 경선 구획에 존재한다는 것을 함축한다. 그러나, 추력 장치로서 사용되는 노즐의 발산 구획은 단순 원추형 발산 구획일 수 있다 (비교, Perry's Chemical Engineers' Handbook, 5∼32). 초음속 미스트 유동(즉, 가스 상과 함께 이송되는 미립자로서 존재하는, 스트림의 응축된 성분의 액체/고체 입자를 함유하는 2 상)을 수득하는 발산 구획의 모양은 특수한 모양이어야만 하며, 설계 방법은 문헌 [Elements of Gasdynamics, Liepmann 및 Roshko 저, Wiley, New York, 1957, p. 284] 에 주어져 있으며, 이의 내용은 참조로 인용되어 있다.
US 특허 제 5,261,242 호는 관성 분리기, 및 필요한 경우, 이의 상부에, 일반적인 기능이 물질을 운반하는 유체를 빠른 유동 중으로 추출하여 관성 효과의 결과로 물질이 분리되도록 변환시키는 것인 노즐 시스템를 사용하여, 운반 유체에서 고체 입자 또는 액화 물질을 분리하기 위한 방법 및 기구에 관한 것이다. 상기 특허에 따라, 수렴발산 노즐은 독특한 외형을 가지고 적용될 것이다 (상기 US 특허의 도면 2에 묘사되어 있다). 상기 노즐은 에너지 회수, 산업적 건조, 액화성 물질을 운반하는 유체의 건조, 및 가스의 이슬점 저하의 부문, 가스 정제 기술 부문, 및 에어로졸 분리 및 가스 분리에 유용하다고 말하고 있다. 따라서, 상기 특허는 유체 유동 방향으로, 트로트 부분에서 각각 위쪽 및 아래쪽에 수렴 채널 부분 및 발산 채널 부분을 포함하는 채널을 가진 수렴발산 유형의 노즐을 개시하고 있으며, 여기서 상기 노즐 채널은 상기 트로트 부분으로부터 위쪽 및 아래쪽으로 트로트 부분 부근에 프로파일을 가지며, 이는 상기 지대에서 압력 및 유속이 노즐 채널 축에 걸쳐 실질적으로 일정하게 존속하도록 하기 위해 만들어진 것이다.
그러나, 15% 이상 (에어 컨디셔닝에서의 최소 분리 효율), 바람직하게는 50% 이상 (천연 가스 처리에서의 최소 분리 효율)의 분리 효율을 달성하고/하거나, 0.1 내지 2.5 ㎛ 직경의 분리가능 입자를 제공하기 위해서, 상기 노즐이 어떤 모양 및 치수를 가져야만 하는가는 불명확하게 남아있다.
또한, SU-A-1768242 및 SU-A-1722540 에서는 입자 성장 및 분리기 성능에 대한 노즐의 기하구조의 영향을 주목하지 않은, 초음속 관성 분리기를 개시한다.
필요한 것은, 손쉽게 분리가능한 크기의 입자를 제한된 양의 외부 에너지, 회전부 및 압력 강하로 발생시키고 증대시키기 위한, 종래의 분리 방법의 단점 및 부족한 점을 극복하는 방법 및 장치이다.
발명의 개요
본 발명은 하기를 포함하는, 미스트 유동을 초음속으로 발생시키기 위한 수렴발산 형의 노즐을 제공한다:
노즐 트로트의 상부로 거리 L1 에 위치한,
- 특징적 직경 D* 의 트로트;
- 특징적 직경 D1 의 입구,
노즐 트로트의 하부로 거리 L2 에 위치한,
- 특징적 직경 D2 의 출구,
(여기서, L2 / (D2 - D*) 의 비는 50 초과, 220 미만이다).
상기 정의에서 및 본 명세서에 걸쳐, 트로트는 가장 작은 유동 영역을 가지는 노즐의 부분이고 (dD/dx = 0, 여기서 'dD' 는 특징적 직경에서의 증분 변화이고, dx 는 축방향 좌표를 따른 위치의 증분 변화를 언급하는 것이다), 입구는 수렴하기 시작하는 노즐의 아음속 유입 면이며 (dD/dx ￡ 0), 출구는 발산이 멈추는 노즐의 초음속 유출 면이다 (dD/dx 3 0). 또한, 표현 "특징적"는, 상기 정의에서 및 본 명세서에 걸쳐, 단면, 즉 노즐 축에 수직인 구획의 모양 (원형, 직사각형 등)에 독립적인 직경을 정의하는 것으로 사용된다. 특징적 직경은 원주에 의해 분할된 단면적의 4 배이다.
또한, 본 발명은 주로 가스인 스트림의 성분의 초음속 분리를 위한 관성 분리기로서, 상기 개시한 바와 같은 노즐, 및 분리될 성분을 위한 하나 이상의 출구 및 남은 가스 스트림을 위한 하나 이상의 출구를 가진 그의 하부의 분리 구획을 포함하는 관성 분리기를 제공한다.
상기 정의에서 및 본 명세서에 걸쳐, 표현 "주로 가스인 스트림"은 액체 또는 고체 함량이 소량일 수 있는 스트림, 예를 들어, 0∼10 중량% 의 액체 및/또는 고체 함량을 함유하는 가스 스트림을 의미한다.
마지막으로, 본 발명은 또한 상기 개시한 바와 같은 관성 분리기를 사용하는, 운반 가스를 추가로 함유하는 주로 가스인 스트림의 하나 이상의 성분의 초음속 분리 방법을 제공한다.
상기 본 명세서에서 개시한 바와 같은 노즐의 사용은 분리가능한 크기의 입자가 형성되게 한다. 이러한 입자는, 주로 가스인 스트림에서 그의 거의 등엔트로피적인 팽창으로 인한 온도 저하에 의해 하나 이상의 성분이 응축 (및 일부 경우에서는 고화)하여 형성된다 (표현 '등엔트로피'는 '공간 또는 시간에 대해 동일 또는 일정한 엔트로피'를 의미한다).
따라서, 본 발명은, 관성 분리기의 유효성은 입자 직경, 및 관성 분리기 직경에 의존한다는 것을 인식하여, 미리 고정시킨 길이/직경 비를 가진 범위의 초음속 노즐을 기초로 한 것이다. 적합한 노즐은 길이/직경 비가 50 < L2 / (D2 - D*) < 220, 가장 바람직하게는 100 < L2 / (D2 - D*) < 200 인 것이다. 상기 비가 너무 작을 경우, 입자 크기가 너무 작아 관성력을 받을 수 없게 되거나, 또는 팽창이 등엔트로피적인 것과는 멀어지게 된다. 상기 비가 너무 클 경우, 팽창은 초음속 상태를 지속할 수 없을 것이다. 등엔트로피 효율, η> 15% 를 달성하는, 특히 적합하다고 발견된 노즐은 길이/직경 비 L2/D* 이 300 미만인 것이다.
노즐 단면은 임의의 모양, 예컨대 원형, 직사각형, 또는 보다 복잡한 모양을 가질 수 있다. 생산의 관점에서, 처음의 2 개가 바람직하다.
본 발명의 노즐은 굽은 분리 구획을 가진 관성 분리기 (예를 들어, GB-A-1,103,130; US-A-4,292,050; US-A-5,261,242 또는 US-A-3,894,851 에 개시된 바와 같으며, 이들의 내용은 참조로서 인용된다) 및 원심 분리 작용에 의지하는 관성 분리기 (JP-A-02,017,921; EP-A-0,496,128 또는 WO 99/011994, 이들의 내용은 참조로서 인용된다)에서 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 관성 분리기는 상기 정의한 바와 같은 노즐, 및 분리될 한 성분 또는 각각의 성분을 위한 하나 이상의 출구 및 남은 가스 스트림을 위한 하나 이상의 출구를 가진 그의 하부의 분리 구획을 포함한다.
바람직한 관성 분리기는 원심 분리 작용에 의지하는 것이다. 상기 분리기에서, 액체 또는 고체 입자는 스트림의 와류 운동에 의해 스트림의 외부 방사상 구획으로 밀려간다 (와류 유동). 바람직하게는 상기 관성 분리기는, 통로로 언급되는 분리기의 일부분으로, 분리 구획의 상부 및 노즐의 하부에 와류 인듀서를 가진다. 그러나, 노즐 이전(아음속) 또는 심지어 노즐 중(아음속 또는 천음속)에 와류 인듀서를 가지는 것도 또한 가능할 수 있다. 특히 바람직한 것은 EP-A-0,496,128 및 WO 99/01194 에 개시된 관성 분리기로서, 여기서 와류 인듀서는 관성 분리기의 내부 벽으로부터 안쪽으로 방사상으로 돌출한 하나 이상의 델타 형의 요소를 포함하며, 그의 전연(前緣) (leading edge) 및 면은 관성 분리기의 축방향 좌표와 10°이하의 입사각을 만든다. 다양한 다른 방법, 예컨대 곡선 또는 움푹 들어간 곳을 가지는 벽을 대안적으로 포함하기 위해 통로의 기하구조를 다양하게 하는 것; 통로로서 트위스트 코일을 사용하는 것; 비(非)축대칭형 통로를 가지는 것; 다공성 벽을 가진 굽은 통로를 사용하는것; 나선형으로 감긴 모양을 사용하여 노즐로 들어가기 이전에 와류 유동을 발생시키는 것; 또는 접선방향 와관을 사용하는 것으로 와류를 형성시킬 수 있다는 것을 이해해야 한다. 또한, 비틀린 날개, 캠버 날개, 또는 작은 날개와 같은 다양한 상이한 날개 기하구조를 사용하여 초음속 통로로 와류를 유도할 수 있다. 와류를 발생시키기 위한 다른 예로는 예를 들어 날개, 고정 휠, 또는 접선방향 입구를 통해 노즐의 위쪽(아음속 구역)으로 와동을 도입시키는 것이 포함된다. 또한 와류는 외부로부터 공급된 회전력, 예컨대 회전 관 또는 봉에 의해 통로에서 형성될 수 있다(즉, 마그누스 효과). 부가적으로, 초음속 통로의 국소 가열 및/또는 냉각을 사용하여 와류를 발생시킬 수 있다 (즉, 엔트로피 및 엔탈피의 분배).
응축된 입자를 와동 중에서 분리하기 위해서는, 액적은 관의 벽에 도달해야만 할 것이며, 즉, 액적이 와동 분리 기구 통로의 내경의 반에 이르기까지 방사상으로 움직이는 것을 필요로 하는 것이다. 그러나, 초음속 노즐 중에 형성된 액적이 너무 작은 경우, 액적은 벽에 도달할 수 없을 것이고, 그 대신 와동의 원심력과 통로에 존재하는 안쪽으로의 항력 사이의 평형점에 먼저 도달할 것이다.
크기가 약 0.1 ㎛ 내지 약 2.5 ㎛, 바람직하게는 약 0.5 ㎛ 내지 약 1.0 ㎛인 분리가능한 입자를 얻기 위해서, 냉각 속도 (dT/dt)은 약 -100,000°K/초 내지 약 -1,000°K/초, 바람직하게는 약 -50,000°K/초 내지 약 -2,500°K/초로 변화할 수 있다는 것이 발견되었다. 예를 들어, 하기의 냉각 속도과 액적 크기의 상관관계가 주변 공기/물 혼합물에서 발견되었다:
냉각 속도 액적 평균 직경
-50,000°K/초 0.2 ㎛
-40,000°K/초 0.5 ㎛
-20,000°K/초 1.0 ㎛
또한, 냉각 속도(dT/dt (°K/초)) 대 D2 (㎜) 사이의 관계의 관점에서 초음속 노즐을 정의하는 것이 가능함이 발견되었다. 따라서, 이중 로그 결과, log(D2)×log(dT/dt) 가 3 내지 50 의 범위, 보다 바람직하게는 3 내지 30 의 범위, 바람직하게는 3 내지 15 의 범위인 노즐로 우수한 결과가 발견되었다. '냉각 속도'는 실험적으로 결정될 수 있고, 또는 노즐 기하구조 변화에 의해 고안될 수 있다.
이상적으로는, 관성 분리기는 노즐의 하부에 충격파 발생기, 예를 들어 확산기 (즉, 발산/수렴 형의 노즐)가 장착된다. 충격파 발생기는 분리 구획의 상부 또는 하부에 위치할 수 있다.
본 발명자는 수집 지대 중의 입자 수집이 충격파 이후에 발생하는 경우에, 즉 초음속 유동보다는 오히려 아음속 유동에서 분리 효율이 현저히 향상된다는 것을 발견하였다. 충격파는 스트림의 운동 에너지의 상당한 양을 소산시키며, 이에 의해 유체 속도의 축방향 성분은 강하게 감소하고, 반면에 접선방향 성분(와류 발생기에 의해 야기됨)은 실질적으로 변화되지 않고 존속한다. 그 결과, 수집 지대의 방사상 외부 구획 중의 입자의 밀도는, 유동이 초음속인 그 밖의 다른 도관에서보다 더욱 현저히 높다. 상기 효과는 강하게 감소된 축방향 유체 속도, 및 이에 의한, 유체가 도관 벽에 더 가까운 곳보다 더욱 높은 축방향 속도로 흐르는 스트림의 중앙부 "코어"에 의해 입자가 반출되는 경향 감소에 의해 야기된다고 믿는다. 따라서, 아음속 유동 상황에서는, 응축된 입자에 작용하는 원심력이 스트림의 중앙부 "코어"의 반출 작용에 의해 큰 정도까지 상쇄되지 않아, 입자가 수집 지대의 방사상 외부 구획에서 응집되어 추출되게 한다.
바람직한 기구에서, 충격파는 유체의 스트림이 확산기를 통해 흐르도록 유도하는 것에 의해 발생한다. 임의의 확산기가 사용될 수 있지만, 적합한 확산기 는 초음속 확산기이다. 유익한 구현예에서, 수집 지대는 확산기의 출구 끝에 인접하여 위치한다.
부가적으로, 충격파는 다른 수단, 예컨대 도관의 내부에 배치된 스템, 콘, 베인 등의 설치에 의해 흐름에 장애를 발생시켜 따라서 충격파를 발생시킴으로써 형성될 수 있다.
통로의 관성 분리기 하부의 마지막 부분은 분리 구획을 포함한다. 와류 발생기가 장착되고, 따라서 또한 응축물을 가스 스트림으로부터 수집하기 위한 수집 파이프가 장착된 관성 분리기를 사용하는 것이 바람직하지만(비교, EP-A-0,496,128 및 WO 99/01194), 본 발명은 그에 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 응축되고 분리된 성분은, 정지 벽으로부터의 응축된 성분의 추출에 의해; 분리기 벽에 형성된 슬릿 또는 천공(perforation)을 통한 응축된 성분의 유동에 의해; 다공성 벽에 의한 액체층 및 경계층의 추출에 의해 (즉, 정체 온도 증가의 감소); 미세다공성 물질의 사용을 통해 액체를 흡수하는 모세관 힘에 의해; 용매 순환으로 경계층 추출에 의해; 용해도/막을 통한 흡수에 의해; 슬릿/천공/다공성 물질이 있는 회전 벽, 예컨대 회전 드럼으로부터의 추출에 의해, 또는 충돌기(impactor) (즉, 웨이크, 필터 또는 콘 충돌기)에 의해 수집될 수 있다.
상기 본 명세서에 개시된 관성 분리기는 본 명세서에 인용된 참조문에 개시된 관성 분리기와 동일한 목적으로 사용될 수 있다. 천연 가스의 처리에 특히 적합하다.
본 명세서에 사용되는 용어 "천연 가스"는 일반적으로 매우 다양한 조성을 가진 지하 축적물에서 생성된 가스를 언급한다. 탄화수소외에도, 천연 가스는 일반적으로 물, 질소, 이산화탄소 및 때때로 소량의 아황산수소를 함유한다. 천연 가스 중의 주요한 탄화수소는, 탄화수소의 파라핀 계열의 가장 가볍고 가장 낮은 비점을 가진 성분인, 메탄이다. 다른 구성요소는 에탄, 프로판, 부탄, 펜탄, 헥산, 헵탄 등과 같은 고급 탄화수소이다. 보다 가벼운 구성요소, 예컨대 C2∼C4 탄화수소는 대기 온도 및 대기압에서 기체 상으로 있다. 보다 무거운 구성요소는 대기 온도 및 대기압에서 액체 상으로, 지하로부터의 생산 동안 상승된 온도에서는 기체 상으로 있다. 이러한 보다 무거운 구성요소를 함유하는 천연 가스는 "습성 가스"로 알려져 있다. 보다 무거운 액체 탄화수소를 전혀 함유하지 않거나, 단지 적은 비율로 함유하는 천연 가스는 "건성 가스"로 알려져 있다.
본 발명은 또한 하기 실시예를 참조하여 설명된다. 공기-물 혼합물에 대해 설명된 동일한 관련성이 또한 다른 가스 혼합물에 대해서도 유효할 것임을 이해해야 한다. 본 발명을 하기에 기술된 특정 실시예에 의해 제한하고자 하는 것은 아니다.
실시예 1
주변 조건에서 수증기를 공기에서 분리하기 위한, 본보기가 되는 도관을 기술한다. 기구는 중앙 에어 컨디셔닝 설비에서 수증기를 공기에서 제거하기 위해, 또는 공기를 건조 챔버에서 배출시키기 위해 사용될 수 있다. 목적하는 습 도를 달성하기 위해서는, 통상적으로 15% 내지 30% 의 수증기가 분리되어야만 한다. 이러한 적용에서 공기 유속은 통상적으로 대략 10,000 내지 100,000 ㎥/시간 초과이다.
기구에서, 공기는 송풍기에 의해 1.4 bar 까지 가압된 후, 25∼30℃ 까지 냉각되어 공기가 거의 물 포화된다 (RV = 90%). 그 후, 공기는, 물 액체가 물 액체 스트림을 수반하는 소량의 슬립 공기와 분리되는 본 발명에 따른 기구에 공급된다.
본 실시예의 기구는, 유사한 결과가 직사각형 또는 비대칭형 덕트 단면으로 달성될 수 있을지라도, 관형 유동 덕트를 가진다. 기구에 대한 입구 조건은 하기에 요약되어 있다:
1. 질량 유속: 1.2 kg/s
2. 입구 압력: 140 KPa (1400 mbar (a))
3. 입구 온도: 25℃
4. 입구 습도: 90%
기구는 수증기의 응축을 달성하였고, 다수의 물방울, 통상적으로 1013/㎥ 의 물방울을 함유하는 유동을 생성시켰다. 최종 온도 및 압력은 -28℃ 및 68 KPa (680 mbar (a))인 것이 발견되었고 사소할 만큼 작은 수증기 분율을 생성시켰다.
노즐의 트로트 직경은 대략 70 ㎜ 이다. 입구 직경은 300 ㎜ 이다. 초음속 유동 상태, 통상적으로 마하 수 M = 1.15 를 수득하도록, 노즐 출구 직경은 80 ㎜ 이다. 노즐의 결과적인 길이 (L1 및 L2)는 하기와 같다:
L1 : 700 ㎜ : 노즐 입구에서부터 노즐 트로트까지
L2 : 800 ㎜ : 노즐 트로트에서부터 노즐 출구까지
벽의 조도는 마찰 손실을 줄이기 위해 작게, 즉 1 ㎛ 이도록 선택한다. 전술한 설계 파라미터가 고려되는 한, 적용법에 따라 임의의 경질 물질이 노즐 장치에 사용될 수 있다.
관성 분리기는 또한 약간 원추형인 와관, 및 그의 하부에 확산기를 포함하는 분리 구획을 포함한다.
와관에서, 날개 모양의, 와동 전달 내부가 존재한다. 상기 날개의 모서리에서, 와류가 상부 (저압) 측면에 발생되고, 면으로부터, 바람직하게는 후연에서 흘러나온다. 날개의 코드는 와관의 내부 벽에 부착된다. 와관의 입구 직경은 80 ㎜ 이며, 이는 대략적으로 날개의 코드 길이의 길이에 걸쳐 직선으로 84 ㎜ 까지 증가되고, 이후 일정하게 존속한다. 날개 선단부터 날개 후연까지의 길이는 대략 300 ㎜ 이며, 날개 후연부터 확산기까지의 길이와 같다.
후연에서의 날개 스팬은 약 60 ㎜ 이고, 관 축에 대한 날개 코드의 입사는 8°이다. 전연의 후퇴각은 87°이고, 후연의 후퇴각은 약 40°이다. 날개의 모서리는 3°미만의 꼭대기 각을 가진 날카로운 것이다. 날개의 면은 편평하고 그의 윤곽은 작은 두께, 통상적으로 루트에서 약 4 ㎜ 의 두께로 인해, 매우 가느다란 것이다. 그 결과, 순환 또는 전체 와도는 대략 16 ㎡/s 이다.
배수 구획에서, 액체는 와관 밖으로 빠져나온다. 배수 구획은 뚜렷히 구 별되는 장치는 아니지만, 와관 벽 중의 슬릿, 다공성 물질, 구멍에 의한 와관의 필수 부분; 또는 와류 파인더(finder) (동축 덕트)에 의한 확산기의 필수 부분이다. 상기 예에서, 와류 파인더가 사용되고 충격파 이후 덕트에 중심적으로 위치하며, 이는 첫번째 확산기 부분에서 와관의 바로 뒤에 있다.
확산기 출구 직경은 90 ㎜ 에 이르고, 와류 파인더 입구 직경은 85 ㎜ 에 이른다. 확산기의 발산각의 반이 4°이다. 상기 경우, 와류 파인더 출구 직경은 300 ㎜ 이고, 이의 길이는 1500 ㎜ 이다.
장치의 성능은 공기 입구 및 건조된 공기 출구에서 2 개의 습도 감지기로 측정되며, 온도 및 압력 측정으로 보정된다. 입구 물 분율의 통상적 값은 건조 공기 1 kg 당 18∼20 g 의 수증기이다. 출구 물 분율의 통상적 값은 건조 공기 1 kg 당 13∼15 g 의 수증기이다. 이는 약 25% 의 분리 효율로서 표현될 수 있다.
실시예 2∼4
중탄화수소를 천연 가스 스트림에서 제거하기 위해, 다양한 치수의 노즐로 시험을 수행하였다. 결과는, 실시예 1의 결과와 함께 표 1 에 나타낸다.




실시예 1 2 3 4
공급물 공기 + 수증기 천연 가스 천연 가스 천연 가스
입구 압력 (절대압력, MPa) .14 9.8 9.8 9.8
입구 온도 25℃ -6℃ -6℃ -6℃
유속 1.2 kg/초 3 ×106 (n)m3/일 3 ×106 (n)m3/일 1 ×106 (n)m3/일
D1 (mm) 300.0 150.0 150.0 100.0
D* (mm) 70.0 42.9 41.8 24.4
D2 (mm) 80.0 45.0 45.0 25.6
L1 (mm) 700.0 437.2 86.9 232.3
L2 (mm) 800.0 440.8 114.7 234.2
L2/(D2-D*) 80 210 35.8 195
dT/dt (°K/s) 19,000 17,000 100,000 32,000
입자 직경 (㎛) 1.20 0.30 0.08 0.24
Log(D2) × log(dT/dt) 8.14 6.99 8.27 6.34
분리 효율(%) 25 55 22 68
본 명세서에 기술된 발명의 구현예에 대한 다양한 대안이 본 발명의 실행에 도입될 수 있다고 이해해야 한다. 예를 들어, 본 발명의 공정이 응축된 액체 성분의 가스 스트림에서의 분리에 대해 기술한 것일지라도, 본 발명은 액체 성분의 액체 스트림에서의 분리, 액체 성분의 가스 스트림에서의 분리 및 고체 입자의 액체 또는 가스 스트림에서의 분리에 동일하게 잘 적용된다. 마찬가지로, 상기 개시된 공정은 사용 가능한 많은 공정의 예이다.

Claims (16)

  1. 미스트 유동을 초음속으로 발생시키기 위한 수렴발산 형의 노즐로서, 하기를 포함하는 노즐:
    ㆍ노즐 트로트의 상부로 거리 L1 에 위치한,
    - 특징적 직경 D* 의 트로트;
    - 특징적 직경 D1 의 입구,
    ㆍ노즐 트로트의 하부로 거리 L2 에 위치한,
    - 특징적 직경 D2 의 출구
    (여기서, L2 / (D2 - D*) 의 비는 50 초과, 220 미만이다).
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, L2 / (D2 - D*) 의 비가 100 초과, 200 미만인 것을 특징으로 하는 노즐.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 노즐의 직경 D* 에 대한 상기 노즐의 상기 길이 L2 의 비가 300 미만인 것을 특징으로 하는 노즐.
  5. 주로 가스인 스트림의 성분의 초음속 분리를 위한 관성 분리기로서, 제 1 항, 제 3 항 또는 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 노즐, 및 분리될 성분을 위한 하나 이상의 출구 및 남은 가스 스트림을 위한 하나 이상의 출구를 가진 그의 하부의 분리 구획을 포함하는 관성 분리기.
  6. 제 5 항에 있어서, 분리 구획의 상부 및 노즐의 하부에 와류 인듀서를 가지는 것을 특징으로 하는 관성 분리기.
  7. 제 6 항에 있어서, 와류 인듀서는 관성 분리기의 내부 벽으로부터 안쪽으로 방사상으로 돌출한 하나 이상의 델타 형 요소를 포함하며, 그의 전연(前緣) (leading edge) 및 면은 관성 분리기의 축방향 좌표와 10°이하의 입사각을 만드는 것을 특징으로 하는 관성 분리기.
  8. 제 5 항에 있어서, 노즐의 하부에 충격파 발생기를 가지는 것을 특징으로 하는 관성 분리기.
  9. 제 8 항에 있어서, 충격파 발생기는 분리 구획의 상부 또는 하부에 위치한 확산기 (발산/수렴 형의 노즐)인 것을 특징으로 하는 관성 분리기.
  10. 제 5 항에 따른 관성 분리기를 사용한, 주로 가스인 스트림의 성분의 초음속 분리 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 주로 가스인 스트림은 메탄, 및 고급 탄화수소, 수증기, 또는 고급 탄화수소 및 수증기의 혼합물을 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 10 항에 있어서, 주로 가스인 스트림은 배연 가스를 포함하고, 제거될 상기 성분은 CO2, N2, NOx 및 H2S 의 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 성분은 입자 크기가 0.1 ㎛ 내지 2.5 ㎛인 액적으로서 분리되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 10 항에 있어서, 상기 노즐의 길이 L2 에 걸친 온도 변화가 -100,000°K/초 내지 -1,000°K/초 인 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 액적이 0.5 ㎛ 내지 1.0 ㎛인 입자 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 13 항 또는 제 15 항에 있어서, -100,000°K/초 내지 -1,000°K/초의 냉각속도(dT/dt) 에서 상기 액적으로서 분리되는 것을 특징으로 하는 방법.
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