JPH0314504B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はサイクロン分離器（cyclone
separator）に関する。この分離器は水からオイ
ルを除去するように多量の高密度相（denser
phase）から軽量相（lighter phase）を、多量相
の汚染を最少にして除去するのに適用してもよ
い。最も常套のサイクロン分離器はこれと逆の目
的用に設計されている。即ち、容積の少ない相の
汚染を最少にして多量の軽量相から高密度相を除
去するように設計されている。

本発明は次に定義されるサイクロン分離器であ
る。このサイクロン分離器は、実質上同一でかつ
実質上等しく円周の接線方向に配置された複数の
フイード（feeds）（またはフイード群）を備えた
第１部分、および該第１部分に隣接しかつ実質上
これと同軸でその遠隔端で開放したテーパー状ま
たは湾曲状の第２部分を有する。第１部分はその
端部壁に第２部分に対置した軸方向のオーバーフ
ロー出口を有する。第２部分はその遠隔端に向か
つて収束しかつ該遠隔端において実質上同軸の一
般に円筒状の第３部分に通じる。軸方向のオーバ
ーフロー出口の内径をd₀、第１部分の内径をd₁、
第２部分の発散端部の内径をd₂、該テーパーの収
束端部の内径をd₃、第３部分の内径もd₃とする。
第１部分の内部長さをl₁、第２部分の内部長さを
l₂とする。入口流に垂直な導入点で測定した全て
のフイードの全断面積をAiとする。分離器の形
状は次の関係式によつて支配される。

10l₂／d₂25 0.044Ai／πd₁ ²0.10 d₀／d₂＜0.1 d₁＞d₂ d₂＞d₃ テーパーの収束の半角は20′〜2゜、好ましくは1゜
までである。テーパーは好ましくは円錐台状
（frustoconical）である。随意にこの半角は、半
角〔コニシテイー（conicity）〕＝arctan｛（d₂−
d₃）／2l₂｝になるようにしてもよい。即ちこの
ようなわずかな角度を、テーパーが第２部分の全
長を占めるようにしてもよい。

好ましくはd₃／d₂は0.4〜0.7である。好ましく
は第３部分の内部長さがl₃のとき、l₃／d₃は少な
くとも15であつて所望の大きさにしてもよく、好
ましくは少なくとも40である。l₁／d₁は0.5〜５、
好ましくは１〜４であつてもよい。d₁／d₂は1.5
〜３であつてもよい。

特に希薄な軽量相を用いて分別を最大にするに
は、軸方向のオーバーフロー出口を通して軽量相
だけでなく、軸に対して半径内方向に巡回する一
定容量の壁近接流（near−wall flow）も除去す
ることが必要であると考えられていた（この場
合、軽量相は操作中に軸方向のオーバーフロー出
口へのその通路に集まる傾向がある）。このため
軸方向のオーバーフロー出口内に所望の狭さの同
中心の出口管を設け、軽量相を集めるサイクロン
分離器から第３の流出口を創設することが提案さ
れた。この設計は非常に満足すべきものであるが
３つの出口を有するので複雑である。本発明者は
思いがけなくも、単に軸方向に小さなオーバーフ
ロー出口を設けるだけで壁近接流は該出口に到達
する前に端部壁からそれ自体分離する傾向を示
し、サイクロン分離器内で再循環し、再分別され
（re−sorted）、装置が充分簡単化されることを見
出した。さらにオーバーフロー出口内の重い微細
な固形分の割合は、フローパターンが変化するの
で減少する。（このような固形分は一般に該出口
には好ましくは存在しない）。

好ましくはd₀／d₂は少なくとも0.008、より好
ましくは0.01〜0.08、最も好ましくは0.02〜0.06
である。フイードは軸方向のオーバーフロー出口
から軸方向に一定の間隔で配設するのが有利であ
る。軸方向のオーバーフロー出口での圧力低下は
過度に大きくすべきではなく、該出口のd₀部分の
長さは短くすべきである。この出口はテーパーま
たはステツプによつて広くしてもよい。

流れを円滑にするテーパーは第１部分と第２部
分との間に挿入してもよく、好ましくはその形状
は、そのより大きな直径端の直径がd₁で、そのよ
り小さな直径端の直径がd₂で、そのコニシテイー
（半角）が好ましくは少なくとも10゜である円錐台
状の内部表面を有するものである。スペースの関
係から第３部分をゆるやかに湾曲させるのが望ま
しく、その曲率半径を50d₃のオーダーにすること
が可能である。

d₂の実際の大きさは操作およびエンジニアリン
グの便宜的選択の問題で、例えば10〜100mmにし
てもよい。

さらに連続的により狭い第４部分、第５部分、
…等を加えてもよいが、特別な分離効率の利点を
償つて余りがある程度までエネルギー消費量を増
加させやすい。

本発明は前述のサイクロン分離器のフイードに
軽量相と多量の高密度相を送り、これらの相の圧
力を、軸方向のオーバーフロー出口および第３部
分の遠隔端におけるよりも高くすることを特徴と
する多量の高密度相から軽量相を除去する方法に
も関する。第３部分の端部〔清浄流（clean
stream）〕への圧力低下は典型的には軸方向のオ
ーバーフロー出口〔デイスパージヨンに富んだ流
れ（dispersion−enriched stream）〕へ圧力低下
のわずかに半分にすぎず、この方法はこの特徴に
適合しなければならない。

この方法はオイル（軽量相）を水（高密度相）、
例えばオイルの流出（spillage）、船の難破、オ
イル・リグ（oil−rig）の破裂、またはピルジの
洗浄やオイル・リグ掘削のような日常の作業等の
結果、オイルで汚染される油田生産水または海
水、から除去するのに特に好適である。

サイクロン分離器への相の供給速度（m³／ｓ）
は好ましくは6.8d₂ ^2.8を越える（d₂はｍ単位）。こ
の方法は好ましくは予備段階として、相から気体
を除去して入口物質中の気体の体積を1/2％以上
にしないことをさらに含む。

しかしながら、気体含量があまり大きくない場
合は気体自体を軽量相としてこの方法で除去して
もよい。液体は温めると通常粘性は低下する（例
えば、水の粘性は20℃のときに比べて50℃のとき
は約半分である）ので、この方法は都合のよい高
い温度でおこなうのが有利である。

本発明はこの方法による生産物、例えば濃縮さ
れたオイル、清浄水にも及ぶ。

本発明を添付図（本発明によるサイクロン分離
器の模式的断面図）に基づき、実施例によつて説
明する。第１図には寸法は示さない。

一般に円筒状の第１部分１は円周上に等しく配
設された２つの同一なフイード群８（一つの群し
か図示していない）を有し、該フイード群はどち
らも第１部分１中へ同じ方向、かつ接線方向に導
かれ、また図示されるように左側端を形成する壁
１１から軸方向に幾分変位しているが、それらの
軸対称流の形成、それらの配置および形態
（configuration）は臨界的ではない。一般に円筒
状の第２部分は第１部分と同軸でこれに隣接し、
その遠隔端において、同軸で一般に円筒状の第３
部分へ開口する。第３部分３は捕集ダクト４へ開
口する。フイードは第２部分２に向けて僅かに角
度をつけ（例えば軸への垂線から5゜）、軸方向の
速度成分を付与してもよい。

第１部分１は第２部分２に対置した軸方向のオ
ーバーフロー出口１０を有する。

このサイクロン分離器における実際の関係は次
の通りである。

d₁／d₂＝２。この値はエネルギー節約と空間節
約との妥協であり、各節約の該比はそれぞれ約３
および1.5である。

テーパー半角＝40′（第１図のT₂）。

d₃／d₂＝0.5。

l₁／d₁＝1.0。この値が0.5〜４のときよく作動
する。

l₁／d₂≒。第２部分２は余り長くすべきでな
い。

第１図において、第２部分２の一部は説明のた
め円筒状にしてあるが、実施例においてはその全
長に渡つてテーパー状にする。

l₃／d₃＝40。この値はできるだけ大きくすべき
である。

d₀／d₂＝0.04。この値が満足すべき操作をする
のに余りにも大きすぎると過度の高密度相が軸方
向のオーバーフロー出口１０を通つて軽量相と共
にあふれでてしまい、これは望ましくない。この
値が小さすぎると少量の要素（例えばグリースの
微粒子（specks）、渦流内の減圧によつて溶液か
ら放出される気泡）がオーバーフロー出口１０を
封鎖するので、捕集ダクト４において軽量相のフ
ラグメントを生じさせ、悪い結果を引起こす。こ
れらの例示した寸法を用いると、サイクロン分離
器内で処理される物質の約１容量％（0.4％まで
減らすことはできる）が軸方向のオーバーフロー
出口１０を通つてあふれ出る。（d₀／d₂が0.02〜
0.06のサイクロンも首尾よく実施できた。） 4Ai／πd₁ ²＝1/16。これは第１部分の断面積に
対する入口フイードの断面積の比を表わす。

d₂＝58mm。これはサイクロン直径とみなされ、
多くの目的には10〜100mmの範囲のいずれであつ
てもよく、例えば15〜60mmである。d₂が過度に大
きいと、効果的な分離を維持するための消費エネ
ルギーが多くなり、d₂があまり小さいと好ましく
ないレイノルズ数になり、過度の剪断応力が生じ
る。d₂＝30mmのサイクロンは非常に有用である。

このサイクロン分離器はいずれの方向に向けて
も重大な影響を受けない。

一般にでこぼこ（irregularities）はサイクロ
ン内の望ましいフローパターンを乱すので、壁１
１は滑らかにする。最もよい性能にするにはサイ
クロンの他のすべての内部表面も滑らかにすべき
である。しかしながら、壁１１内に、出口１０と
同中心の小さな直立した環状リツジ（ridge）を
設けて流れが壁の近くで半径方向の内側へ移動す
るのを補助し、また渦流（vortex）の外側のフ
リンジ（fringe）を再分離（resorting）のために
一般に下流方向へ再循環させてもよい。出口１０
は図示するように円筒状の穴である。この穴を、
壁１１の上に直に（flush on）横たえ、かつ相対
的に大きな穴へ直接通じた直径d₀の中央孔を有し
たオリフイス・プレート（orifice plate）で置き
換えると、異なつた流れ特性があらわれ、重大で
はないが幾分有害な影響が性能に及ぼされる。出
口１０は、壁１１内に直径d₀を有した出口オリフ
イスおよび該オリフイスから円錐の半角が10゜ま
で広がつた出口を備えるようにオーバーフロー方
向に発散するが有利である。このようにして、出
口に沿つてはより小さな圧力低下がみられ、これ
はユーザーの要求により、図示された円筒状の穴
（円錐半角はゼロ）の軽量相小滴合体促進傾向に
釣合うようにしなければならない。

実施例として水からオイルを分離するためにオ
イル／水混合物を、ダクト４または軸方向のオー
バーフロー出口１０内の圧力以上の圧力、温度50
℃、流速を好ましくは少なくとも160／分とし、
入口内で1/2容量％に制限された気体と共にフイ
ード８を通して導入する。サイクロン分離器を最
もよく作動させるためには、フイード８へ導くパ
イプワーク（pipework）の寸法、形状およびバ
ルビングは、軽量相の小滴または泡の過度の破壊
を避けるようにする。同じ理由（小滴の破壊の回
避）から、オイルと水に関しては分散剤
（dispersant）を添加しないのが好ましい。最も
よく実施するための供給速度（m³／ｓ）は、（流
束／d₂ ^2.8）＞6.8になるように調節する（d₂はｍ単
位）。混合物は第１部分１内で渦巻き、その角速
度は第２部分２へ入ると増加する。軸に対する角
度が10゜の流れを円滑にするテーパー（T₁）は第
１部分と第２部分の間に挿入する。換言すれば、
10゜はT₁で示される円錐台（frustrum）のコニシ
テイー（半角）である。

オイルのバルクは第２部分２における渦流内で
分離する。水および残留オイルの渦流は次いで第
３部分３内へ流入する。残留オイルは第３部分３
における軸方向の連続渦流内で分離する。清浄水
は捕集ダクト４を経て放出され、例えば海に戻す
ため、あるいはさらに例えば類似または同一のサ
イクロンあるいは並列にしたサイクロン列におい
て清浄にするために捕集してもよい。

渦流内へ移動したオイルは軸方向のオーバーフ
ロー出口１０に向つて軸方向に移動するが、なお
いくらかの水を保有するので廃棄、貯蔵またはさ
らに分離するために捕集してもよい。この場合
も、さらに分離するためには第２の類似または同
一のサイクロンを用いてもよい。

本発明による軸方向のオーバーフロー出口１０
が小さいということは、サイクロン分離器のシリ
ーズ操作（series operation）において例えば第
１のサイクロンからの高密度相を第２のサイクロ
ン内で処理し、そこからの高密度相を第３のサイ
クロン内で処理する場合に特に有利である。各段
階における軽量相の体積、従つて軸方向のオーバ
ーフロー出口１０を経て軽量相と共に不要なもの
として運ばれた他の相の体積の減少は、例えば流
出オイルを回収する船（boat）、およびオイルコ
ンテナーのために船上のみに空間が限定されてい
る船においては重要な利点となる。最も重要なこ
とはオイルを除去した海水を問題なく
（impeccably）海へ戻すことであるが、オイルコ
ンテナーにオイルのみを入れ、偶発的な海水の混
入による品質低下を避けるならば船（vessel）の
耐久性を最大にすることもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるサイクロン分離器の一態
様を示す模式的断面図である。 １は第１部分、２は第２部分、３は第３部分、
４は捕集ダクト、８はフイード、１０はオーバー
フロー出口、１１は壁を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 実質上同一でかつ実質上等しく円周の接線方
   向に配置された複数のフイード（またはフイード
   群）を備えた第１部分、および該第１部分に隣接
   しかつ実質上これと同軸であつてその遠隔端で開
   放したテーパー状または湾曲状の第２部分を有
   し、該第１部分が該第２部分と対置した軸方向の
   オーバーフロー出口を有し、該第２部分がその遠
   隔端に向かつて収束しかつ該遠隔端において実質
   上同軸の一般に円筒状の第３部分に通じていて、
   該オーバーフロー出口の内径をd₀、第１部分の内
   径をd₁、第２部分の発散端部の内径をd₂、テーパ
   ーの収束端部の内径をd₃、第３部分の内径をd₃、
   第１部分の内部の長さをl₁、第２部分の内部の長
   さをl₂、入口流に垂直な導入点で測定した全フイ
   ードの全断面積をAiとしたとき、形状が次の関
   係式： 10l₂／d₂25 0.044Ai／πd₁ ²0.10 d₁＞d₂ d₂＞d₃ で支配されるサイクロン分離器において、 d₀／d₂＜0.1 であることを特徴とするサイクロン分離器。 ２ テーパーまたはテーパー状湾曲部の収束半角
   が20′〜2゜である第１項記載のサイクロン分離器。 ３ 該半角が1゜までである第２項記載のサイクロ
   ン分離器。 ４ d₃／d₂が0.4〜0.7である第１項から第３項い
   ずれかに記載のサイクロン分離器。 ５ 第３部分の内部の長さをl₃としたときl₃／d₃
   が少なくとも15である第１項から第４項いずれか
   に記載のサイクロン分離器。 ６ l₁／d₁が0.5〜５である第１項から第５項いず
   れかに記載のサイクロン分離器。 ７ l₁／d₁が１〜４である第６項記載のサイクロ
   ン分離器。 ８ d₁／d₂が1.5〜３である第１項から第７項い
   ずれかに記載のサイクロン分離器。 ９ d₀／d₂が少なくとも0.008である第１項から
   第８項いずれかに記載のサイクロン分離器。 １０ d₀／d₂が0.01〜0.08である第９項記載のサ
   イクロン分離器。 １１ d₀／d₂が0.02〜0.06である第１０項記載の
   サイクロン分離器。 １２ 第１部分と第２部分との間に流れを円滑に
   するテーパーを挿入した第１項から第１１項いず
   れかに記載のサイクロン分離器。 １３ テーパーが、より大きな直径端の直径がd₁
   で、より小さな直径端の直径がd₂である円錐台状
   の内部表面形状をした第１２項記載のサイクロン
   分離器。 １４ 円錐台状のテーパーのコニシテイー（半
   角）が少なくとも10゜である第１３項記載のサイ
   クロン分離器。 １５ d₂が10mm〜100mmである第１項から第１４
   項いずれかに記載のサイクロン分離器。 １６ 軽量相と多量の高密度相を含む混合物から
   軽量相を分離する方法であつて、 (i) 実質上同一でかつ実質上等しく円周の接線方
   向に配置された複数のフイードを通して該混合
   物を下記の関係式で支配されるサイクロン分離
   器の第１部分へ供給し、該混合物に渦巻運動を
   与えた後、該混合物を遠隔端で開放したテーパ
   ー状または湾曲状の第２部分へ供給し： 10l₂／d₂25 0.044Ai／πd₁ ²0.10 d₁＞d₂ d₂＞d₃ d₀／d₂＜0.1 （式中、d₀は軸方向のオーバーフロー出口の内
   径、d₁は第１部分の内径、d₂は第２部分の発散
   端部の内径、d₃は第２部分の収束端部の内径お
   よび第３部分の内径、l₁は第１部分の内部の長
   さ、l₂は第２部分の内部の長さおよびAiは全フ
   イードの全断面積をそれぞれ示す） (ii) 第１部分と第２部分内の流体を少なくとも部
   分的に分離し、遠隔端に向かつて収束する流れ
   を円滑にするテーパーまたは湾曲部を有する第
   ２部分と対置した第１部分の軸方向のオーバー
   フロー出口を通して軽量流体を移動させること
   によつて、流体混合物を実質上同軸の一般に円
   筒状の第３部分内へ移動させ、次いで (iii) 該混合物の未分離相を、軸方向のオーバーフ
   ロー出口および第３部分の遠隔端におけるより
   も高い圧力でフイードへ供給する ことを特徴とする軽量相と多量の高密度相の分離
   方法。 １７ サイクロン分離器への相の供給速度（m³／
   ｓ）が68d₂ ^2.8（d₂はｍ単位）を越える第１６項記
   載の方法。 １８ 軽量相が気体である第１６項または第１７
   項記載の方法。 １９ 軽量相がオイルで、高密度相が水である第
   １６項または第１７項記載の方法。 ２０ 予備段階として、相から気体を除去して入
   口物質中の気体の体積を1/2％以上にしない第１
   ６項、第１７項または第１９項記載の方法。