JPH0538408A - 気液分離装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 竪型の遠心式気液分離装置において、接線方
向に流入した気液二相流中の液滴が、中央部の気流に伴
われて上昇し、内筒（気体排出管）（１４）の上端開口
部から管内に入り装置外へ排出されるのを防ぐこと。 【構成】 流入ノズル（１２）を筒体（１１）内まで延
長し、その底面を後下りに傾斜させるとともに、筒体
（１１）と内筒（１４）との間に形成される環状断面旋
回流路（１６）の幅Ｂ₁₆よりも流入ノズル（１２）の出
口幅Ｂ_12a を狭くする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は各種プラントにおける気
液二相流の気液分離装置、特に地熱発電用蒸気の純度向
上に好適な気液分離装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１０は従来の気液分離装置の一例を示
す水平横断面図（図１１のＸ−Ｘ断面）、図１１は図１
０のXI−XI縦断側面図、図１２は図１０のXII −XII 縦
断正面図である。

【０００３】これらの図において、（０１）は竪型円筒
状の筒体、（０２）は同筒体（０１）の側面に接線方向
に取付けられた円形断面の流入ノズル、（０３）は同流
入ノズルに接続された入口管である。（０４）は気体排
出管であって、上記筒体（０１）内に同軸に配され、上
端が上記筒体（０１）内の上部に開口している。（０
５）は上記筒体（０１）の下部に開口する液体排出管で
ある。上記流入ノズル（０２）の断面は、上記入口管
（０３）（径Ｄ₀₃）をそのまま延長した同一寸法の円形
断面となっている。またそのノズル幅Ｂ₀₂（＝ノズル径
Ｄ₀₂）は、筒体（０１）と気体排出管（０４）との間に
形成される環状断面の旋回流路（０６）の幅Ｂ₀₆とほぼ
同等である。

【０００４】このような気液分離装置において、入口管
（０３）から流入ノズル（０２）を経て筒体（０１）の
環状旋回流路（０６）に気液二相流が流入すると、この
環状旋回流路（０６）内で液滴が慣性力と遠心力によっ
て筒体（０１）の内周壁に衝突・付着し、その後、重力
の作用で壁面を伝って流下し、底部に溜る。これを液体
排出管（０５）から系外に排出する。一方、気体は環状
旋回流路（０６）内を旋回して上昇し、気体排出管（０
４）内に導入されて、系外に排出される。この環状旋回
流路（０６）内の気体流の上昇速度は、筒体（０１）の
中心部に設置される気体排出管（０４）によって、中心
部が速く周辺部で遅い顕著な特徴がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記のような気液分離
装置の流入ノズル（０２）から筒体（０１）の内部に噴
出する流れは、ノズル断面形状に応じた自由噴流とな
り、筒体内部に噴出後、流れは拡がり減速する。そし
て、この噴流の拡がり角度は、図１０ないし図１２に例
示されたような円形ノズル（０２）からの噴流では片側
広がり角α₀ が１２度程度、また長方形ノズルからの噴
流（二次元噴流）では片側広がり角は１６度程度であ
る。

【０００６】円形断面の流入ノズル（０２）から流入す
る流体として、気液二相流が環状旋回流路（０６）に流
入した場合、流入ノズル（０２）の外側の流れ（図１０
中のＷ₀₁₁ ）は、筒体（０１）の内周壁に沿う形で環状
旋回流路（０６）に滑らかに流入する。また中心部の流
れ（図１０中のＷ₀₁₂）の中の液滴も、環状旋回流路
（０６）内を直進して筒体（０１）の内周壁に衝突し、
大部分は壁面に付着して分離される。そして極く一部の
液滴が筒体内周壁に衝突後、環状旋回流路（０６）内
（例えば図中Ｗ₀₂₂ の方向）に再飛散する。ところがノ
ズル内側の流れ中の液滴は、環状旋回流路（０６）内に
噴出した際に、気体上昇流速の速い筒体中心部を通って
Ｗ₀₁₃ の方向に直進し、あるいはさらに広がって筒体中
心部に向かって（Ｗ₀₁₄方向に）飛散する。そして筒体
（０１）の内周壁あるいは気体排出管（０４）の外周壁
に衝突し、一部液滴はこれら壁面に付着するが、残りの
液滴は衝突後再び環状旋回流路（０６）内に再飛散す
る。

【０００７】上記のように、ノズル内側の噴流中の液滴
は、噴出後、気体上昇速度の速い筒体中心部を通り、あ
るいは筒体中心部に向って広がり飛散する。そして筒体
内周壁あるいは気体排出管外周壁に衝突しても、壁面衝
突角度β₀ が比較的大きいので、かなりの量の液滴がこ
れら壁面に付着せず、強く壁面衝突後無数の小液滴とな
って再飛散する。（例えば図１０、図１１中Ｗ₀₁₃ ，Ｗ
₀₁₄ ，Ｗ₀₁₈ の方向に飛散し、Ｗ₀₂₃ ，Ｗ₀₂₄ ，Ｗ₀₂₈
の方向に再飛散する。）これら飛散・再飛散した無数か
つ微小径の液滴は、環状旋回流路（０６）内に浮遊し、
気体排出管（０４）の上端開口に向かって上昇する気流
により搬送されて装置外に出てゆく。したがって気液分
離効率が著しく低下することになる。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記従来の課
題を解決するために、竪型円筒状の筒体と、その筒体の
側面に接線方向に取付けられた流入ノズルと、上記筒体
内に同軸に配され、上端が上記筒体内の上部に開口する
気体排出管と、上記筒体の下部に開口する液体排出管と
を備えた気液分離装置において、上記流入ノズルが上記
筒体内に延長され、その筒内延長部は、断面積が下流に
向かって小さくならず、底面が下流に向かって低くなる
よう傾斜しており、かつその幅が流れに沿って一定かま
たは先細りであり、ノズル出口では上記筒体と上記気体
排出管との間に形成される環状旋回流路の幅よりも狭い
ことを特徴とする気液分離装置を提案するものである。

【０００９】

【作用】上記のように筒体内に延長された流入ノズルを
設置することによって、環状旋回流路に流入する気液二
相流は筒体周壁側および筒底部へと方向づけられて、気
体排出管に衝突することがなくなり、かつ環状旋回流路
内の旋回流れが流入噴流で乱されることなくスムーズに
流れる。また、液滴が周壁に衝突する角度が小さく保た
れるので、殆んど全ての液滴が筒体の周壁に衝突付着し
て、衝突後の再飛散が殆んど防止される。そしてまた、
液滴の底部への流下が促される。こうして気液分離装置
の気液分離効率が格段に向上する。

【００１０】

【第１実施例】図１は、本発明の第１の実施例として、
矩形断面ノズルが設けられた場合を示す水平横断面図
（図２のＩ−Ｉ断面）、図２は図１のII−II縦断側面
図、図３は図１のIII −III 縦断正面図である。

【００１１】これらの図において、（１１）は竪型円筒
状の分離器本体（筒体）、（１２）は同筒体（１１）の
側面に接線方向に取付けられた流入ノズル、（１３）は
同流入ノズルに接続された入口管である。（１４）は気
体排出管であって、上記筒体（１１）内に同軸に配さ
れ、上端が上記筒体（１１）内の上部に開口している。
（１５）は上記筒体（１１）の下部に開口する液体排出
管である。

【００１２】本実施例の流入ノズル（１２）は、接続ノ
ズル（１２ａ）と矩形ノズル（１２ｂ）とから構成され
ている。接続ノズル（１２ａ）は、円形断面の入口管
（１３）と矩形断面の矩形ノズル（１２ｂ）を接続する
異形継手である。矩形ノズル（１２ｂ）は、筒体（１
１）の内部まで延長され、気液分離装置への気液二相流
の流入口を形成する。

【００１３】接続ノズル（１２ａ）は、その出口幅Ｂ
_12a が筒体（１１）と気体排出管（１４）との間に形成
される環状旋回流路（１６）の幅Ｂ₁₆の約半分となるよ
うに、内側壁面が外側に傾斜している。またその底面
は、下流に向かって低くなるよう角度θ_1aで傾斜してお
り、その出口高さが入口高さ（入口管径）Ｄ₁₃からＨ_1a
まで増加して、接続ノズル（１２ａ）の出口断面積が入
口断面積（入口管（１３）の断面積）よりも小さくなら
ないようになっている。矩形ノズル（１２ｂ）の底面
も、接続ノズル（１２ａ）と同様に下流に向かって低く
なるよう、角度θ_1b（＝θ_1a）で傾斜しており、その出
口高さは、入口高さＨ_1aからＨ_1bまで増加する。そして
この矩形ノズル（１２ｂ）の幅Ｂ_12b は、流れ方向に一
定（すなわち接続ノズル（１２ａ）の出口幅Ｂ_12a と同
じ）である。したがって矩形ノズル（１２ｂ）の断面積
は、下流に向かって拡大している。

【００１４】このような気液分離装置において、入口管
（１３）から流入ノズル（１２）、すなわち接続ノズル
（１２ａ）と矩形ノズル（１２ｂ）を経て筒体（１１）
内の環状旋回流路（１６）に流入する気液二相流は、そ
の流向が筒体外周壁および低部の方に向かい、筒体中央
の気体流出管（１４）に衝突する流れやそれに近い流れ
がなくなる。また、筒体内に延長して設けた矩形ノズル
（１２ｂ）の筒内側延長ダクト壁によって、環状旋回流
路内（１６）の旋回流れが整流され、乱れのないスムー
ズな旋回流れが保たれる。さらにこの望ましい旋回流れ
と噴流が筒体（１１）の内周壁へ衝突する角度が小さく
なるので、噴流が周壁に衝突した後の水滴の再飛散は殆
どなくなる。こうして、従来の気液分離装置において環
状旋回流路に飛散あるいは再飛散し上昇気流で浮遊上昇
して気体流出管から搬送排出されていたような、浮遊液
滴が殆んどなくなり、殆んど全ての液滴が筒体内周壁に
衝突付着するので、気液分離効率は大幅に向上する。本
実施例ではまた、矩形ノズル（１２ｂ）の出口幅Ｂ_12b
を接続ノズル（１２ａ）の出口幅Ｂ_12a と同等とすると
ともに、矩形ノズル（１２ｂ）の底面傾斜角θ_1bを接続
ノズル（１２ａ）の底面傾斜角θ_1aと同角度に保って、
矩形ノズル（１２ｂ）の出口面積を接続ノズル（１２
ａ）の出口面積よりも大きく（したがって入口管（１
３）の断面積よりも大きく）したことにより、流入ノズ
ル（１２）の静圧損失を小さくすることができる。すな
わち、本実施例では、分離効率の向上と静圧損失回復の
二重の効果が発揮される。

【００１５】図１および図２において、Ｗ₁₁₂ ，
Ｗ₁₁₃ ，Ｗ₁₁₅ ，Ｗ₁₁₆ は流入ノズル（１２）のそれぞ
れ図示の位置から筒体（１１）内に流入する二相噴流中
の液滴の主体的な流れ方向、Ｗ₁₁₄ は液滴の拡がり流れ
方向、Ｗ₁₂₂ ないしＷ₁₂₆ は筒体内周壁に衝突した液滴
が再飛散すると仮定したときの液滴の主体的な跳ね返り
飛散方向を示す。またＷ₁₁₀ およびＷ₁₂₀ は、流入ノズ
ルが筒体内に延長されていない場合における二相流噴流
中の拡がり液滴の流れ方向、およびこれが筒体内周壁に
衝突した時に再飛散する液滴の主体的跳ね返り方向であ
って、それぞれ上記実施例における流れ方向Ｗ₁₁₄ およ
び再飛散方向Ｗ₁₂₄ と比較するために示したものであ
る。

【００１６】上記のとおり本実施例においては、流入ノ
ズル（１２）の底面が下流に向かって低くなるよう傾斜
していることによって、筒体（１１）内に流入して筒体
内周壁に衝突した気液二相流が壁面に沿って上昇するの
が抑制され、特に飛散ミストの上昇高さの軽減に効果が
発揮されて、上昇気体流による液体粒子の同伴流出が少
なくなり、分離効率が改善される。この改善に対する傾
斜角θ_1a，θ_1bの影響を述べると、傾斜角が増すに伴っ
て良好になるが、角度が１０ないし１５°程度で最良、
更に角度が増すと効果が徐々に減少し、３０°を超える
と逆効果となる。傾斜が３０°を超える領域では、筒体
（１１）内に延長して設けた流入ノズル（１２）から筒
体内に流入した二相流の一部が、筒体（１１）の底面域
に溜められた液面に衝突し、これに誘発されて液面から
液滴が飛散するようになるからである。したがって、水
平面に対する流入ノズル（１２）（すなわち、接続ノズ
ル（１２ａ）および矩形ノズル（１２ｂ））の底面傾斜
角θ_1a，θ_1bは、３０°以下にするのが望ましい。な
お、傾斜角θ_1a，θ_1bは、０°から僅かに大きくなって
も効果は顕著である。これは、流入ノズルの底面側を多
く流れている液膜流が面の傾斜で流れ易くなり、この液
膜流表面からの気体流によるエントレイメントが急激に
減少することに起因している。

【００１７】次に流入ノズル（１２）の長さ（すなわ
ち、接続ノズル（１２ａ）の入口から筒体（１１）内に
延長して設けた矩形ノズル（１２ｂ）の出口までの長
さ）Ｌ₁ は、同入口管（１３）の内径Ｄ₁₃（すなわち流
入ノズル（１２）の入口径）の３倍程度以上であること
が望ましい。これは、流入ノズル（１２）を水平面から
屈曲（平均角度θ／２）させた場合、内部の流れが流入
ノズル出口（筒体流入端）で屈曲角度（θ／２）の方向
に向かうのに必要な助走距離に対応する。すなわち、管
路が屈曲すると一般に流れは屈曲部外側に偏流するが、
流下するに伴って徐々に一様分布へと是正され、特に気
液二相流で液膜流が屈曲の内側（本案では流入ノズル底
面側）に戻る距離が、管径のほぼ３倍程度となるからで
ある。

【００１８】なお、流入ノズル（１２）の筒体内延長部
は、長方形断面のほか台形断面等とすることもできる。

【００１９】

【第２実施例】図４は、本発明の第２の実施例として、
前記第１の実施例と形状寸法の若干異なる矩形断面ノズ
ルが設けられた場合を示す、水平横断面図（図５のIV−
IV断面）、図５は図４のＶ−Ｖ縦断側面図、図６は図４
のVI−VI縦断正面図である。これらの図において、前記
図１ないし図３により説明した第１の実施例と同様の部
分については、冗長になるのを避けるため、図１ないし
図３中の符号（サフィックスを含む）の頭の１を２に代
えた符号を付け、詳しい説明を省く。

【００２０】本実施例においても、流入ノズル（２２）
の前半部を形成する接続ノズル（２２ａ）の出口幅Ｂ
_22a が環状旋回流路（２６）の幅Ｂ₂₆の約半分となるよ
うに側壁面を狭め、また接続ノズル（２２ａ）の出口面
積が入口管（２３）の断面積よりも小さくならないよう
にノズル高さを維持しながらその底面を下方に傾斜させ
た点は、前記第１の実施例と同じである。本実施例にお
いては、接続ノズル（２２ａ）の幅を狭めるのに、内外
両壁面が等しく狭められている。すなわち接続ノズル
（２２ａ）の形状は左右対称である。また、筒体（２
１）内に延長して設けられた矩形ノズル（２２ｂ）は、
接続ノズル（２２ａ）の底面傾斜θ_2aと同じ底面傾斜θ
_2b（＝θ_2a）を持ち、かつ矩形ノズル（２２ｂ）の出口
断面積を接続ノズル（２２ａ）の出口断面積と同等とす
るため、矩形ノズル（２２ｂ）の出口幅Ｂ_22b が接続ノ
ズル（２２ａ）の出口幅Ｂ_22a よりも更に狭められてい
る。流入ノズル（２２）（すなわち接続ノズル（２２
ａ）と矩形ノズル（２２ｂ）の合計）の長さＬ₂ は、前
記第１の実施例と同じく、入口管径Ｄ₂₃の３倍程度以上
となっている。

【００２１】本実施例は、矩形ノズルの形状寸法が前記
第１の実施例と異なる。すなわち本実施例では、第１の
実施例に比べて更に高い分離効率を得るため、矩形ノズ
ル（２２ｂ）の断面積を入口管（２３）の断面積および
接続ノズル（２２ａ）の断面積と同等に保持しつつ筒体
（２１）内に延長し、その出口幅Ｂ_22b をさらに狭めた
ものである。その効果として、液滴の飛散と再飛散およ
びこれによる液滴の浮遊が殆ど全くなくなり、分離効率
が格段に向上する。その代り、第１の実施例の効果の一
つであった静圧損失減少は期待されない。

【００２２】

【第３実施例】図７は、本発明の第３の実施例として、
円形断面のノズルが設けられた場合を示す水平横断面図
（図８のVII −VII 断面）、図８は図７のVIII−VIII縦
断側面図、図９は図７のIX−IX縦断正面図である。これ
らの図においても、前記第１および第２の実施例と同様
の部分については、図１ないし図６中の符号（サフィッ
クスを含む）の頭の１または２を３に代えた符号を付
け、詳しい説明を省く。

【００２３】この第３の実施例において、筒体（３１）
の側面の接平面に沿って筒内に延長して設けられた流入
ノズル（３２）は、径Ｄ₃₂が環状旋回流路（３６）の幅
Ｂ₃₆よりも小さい円形のノズルで、筒体（３１）の中心
線（３７）位置附近まで筒体（３１）内に延長され、か
つ筒外部と筒内部を合わせて合計長さＬ₃ の直線部を有
し、この直線部が、流れ方向へ向かって低くなるよう、
水平に対し角度θ₃ だけ傾斜して設けられている。ここ
に図７および図８中の矢印Ｗは噴流の方向を示すもの
で、Ｗ₃₁₁ 〜Ｗ₃₁₃ およびＷ₃₁₅ 〜Ｗ₃₁₇ はおのおの図
示の噴出位置から噴出する主噴流の方向を示し、
Ｗ₃₁₄ ，Ｗ₃₁₈ は噴流の拡がり噴出方向（拡がり角度α
₃₁，α₃₂）を示す。また、矢印Ｗ₃₂₂ 〜Ｗ₃₂₄ およびＷ
₃₂₅ 〜Ｗ₃₂₈ は、周壁に衝突後、液滴が跳返り再飛散す
るとした場合の跳返り主方向を典型的に例示する。

【００２４】このような円筒竪型気水分離器において、
流入ノズル（３２）によって筒体（３１）内に導入され
た気液二相噴流中の液滴主流は、図示流線Ｗ₃₁₁ 〜Ｗ
₃₁₃ ，Ｗ₃₁₅ 〜Ｗ₃₁₇ のように筒体（３１）の内周壁に
向かって流入ノズル軸方向に直進し、たとえ図示流線Ｗ
₃₁₄ のようにノズル壁近辺から角度α₃₁（拡がり角１２
°程度）で拡がり流入しても、気体排出管（３４）に衝
突することはない。また、液滴主流は流入ノズルの軸方
向でノズル底面に沿う形で降下するので、たとえ図示流
線Ｗ₃₁₈ のようにノズル後端上面近辺から角度α₃₂（拡
がり角１２程度）で拡がる液滴流があって、それが筒体
（３１）の内周壁へ衝突して上方へ跳上っても、その跳
上る高さは低く、かつ量も少なくなって、気体排出管
（３４）に向かう上昇気体流に同伴される浮遊液滴は殆
どなくなり、気液の分離効率が向上する。更に筒体内壁
に運ばれた液滴が壁面を降下（流下）するのが流入時の
下向流（底面傾斜角θ₃ ）によって助長される。このよ
うに、流入ノズル（３２）が下流に向かって低くなって
いることが、液滴の再飛散防止は勿論、液の流下にも有
効に作用し、気液分離効率の向上に寄与する。

【００２５】この実施例においても、水平面に対する流
入ノズル（３２）の下向き取付角度θ₃ は３０°以下に
するのが望ましく、１０ないし１５°程度とすれば最良
である。また、流入ノズル（３２）の傾斜した直線部の
長さＬ₃ も、前記第１の実施例の説明中で述べた理由か
ら、入口管（３３）の内径Ｄ₃₃（すなわち流入ノズル
（３２）の内径Ｄ₃₂）の３倍程度以上であることが望ま
しい。なお、流入ノズル（３２）の断面形状は、長円形
でもよい。

【００２６】

【発明の効果】本発明においては、流入ノズルから筒体
内に流入した気液二相流中の液滴が、殆ど全て筒体の内
周壁に衝突付着し、飛散・再飛散およびこれによる液滴
浮遊が殆ど全くなくなる。また環状旋回流路内の旋回流
れが乱れなくスムーズに流れる。こうして気液の分離効
率が格段に向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の第１の実施例を示す水平横断面
図（図２のＩ−Ｉ断面）である。

【図２】図２は図１のII−II縦断側面図である。

【図３】図３は図１のIII −III 縦断正面図である。

【図４】図４は本発明の第２の実施例を示す水平横断面
図（図５のIV−IV断面）である。

【図５】図５は図４のＶ−Ｖ縦断側面図である。

【図６】図６は図４のVI−VI縦断正面図である。

【図７】図７は本発明の第３の実施例を示す水平横断面
図（図８のVII −VII 断面）である。

【図８】図８は図７のVIII−VIII縦断側面図である。

【図９】図９は図７のIX−IX縦断正面図である。

【図１０】図１０は従来の気液分離装置の一例を示す水
平横断面図（図１１のＸ−Ｘ断面）である。

【図１１】図１１は図１０のXI−XI縦断側面図である。

【図１２】図１２は図１０のXII −XII 縦断正面図であ
る。

【符号の説明】

（０１），（１１），（２１），（３１） 筒体 （０２），（１２），（２２），（３２） 流入ノズル （１２ａ），（２２ａ） 接続ノズル （１２ｂ），（２２ｂ） 矩形ノズル （０３），（１３），（２３），（３３） 入口管 （０４），（１４），（２４），（３４） 気体排出管 （０５），（１５），（２５），（３５） 液体排出管 （０６），（１６），（２６），（３６） 環状旋回流
路 （３７） 筒体中心線

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 竪型円筒状の筒体と、その筒体の側面に
   接線方向に取付けられた流入ノズルと、上記筒体内に同
   軸に配され、上端が上記筒体内の上部に開口する気体排
   出管と、上記筒体の下部に開口する液体排出管とを備え
   た気液分離装置において、上記流入ノズルが上記筒体内
   に延長され、その筒内延長部は、断面積が下流に向かっ
   て小さくならず、底面が下流に向かって低くなるよう傾
   斜しており、かつその幅が流れに沿って一定かまたは先
   細りであり、ノズル出口では上記筒体と上記気体排出管
   との間に形成される環状旋回流路の幅よりも狭いことを
   特徴とする気液分離装置。