JPH06500262A - 高効率液／液ハイドロサイクロン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 高効率液／液ハイドロサイクロン 発明の分野 本発明は液／液混合物の分離、特に、油井製造現場または油と水を混合物として 処理する処理プラント等で処理されているような油性水から油、または油から水 を分離することに制限されない液／液混合物分離に関する。

従来技術の説明 代表的油井生産作業において、生産水量は実施完成度合に応じて増大する。ある 場合には、大部分の作業ではないが、生産流体の体積量が水である。その結果、 かかる作業では大量の水がなんらかの方法で廃棄または他に処分されなければな らない。これは高価な方法、即ち、生産水の廃棄処分法の代表例である。直接的 経済的動機はないが、排水中の油量に関する世界各地における政令による近年の 締めつけにより油水分離器を改良かつ最適にする関心は高まっている。この問題 は沖合の生産プラットホームに関して特に深刻である。分離設備の寸法および重 量制限は利用選択を制限する。更に、沖合の浮遊プラットホームに関し、該プラ ットホームの運動はある種の伝統的分離設備の性能に影響する。水から油を分離 する問題は水が環境基準内で海または水の母体へ廃棄される程度により非常に重 要である。

上記状況に関する問題を解決するために、ハイドロサイクロン分離器が油水分離 問題を解決すべく使用されている。しかし、伝統的には、ハイドロサイクロンの 使用は液体／固体および気体／固体等の混合物の分離用であり、従って、液体／ 液体分離に関する上記問題は志向されていなかった。特に、油と水の分離は、こ の分離が液／液分離に関して問題点を付加する高剪断領域に関連する点で上記問 題を一層複雑化する。油／水混合物の性質は複素分散である液体分散性であり、 ハイドロサイクロンの２つの不混和液の分離への利用は不可能と考えられた時期 があった。連続液相内の液体分散は液相相互間の低密度差および剪断力に対する 液体分散の鋭敏度等の分離問題を当業者に提起している。一般的に、密度差（比 重）は０．２よりも小さいオーダーでありかつ連続相から分散液を分離するとき に問題がある。現在使用されている殆どのハイドロサイクロンは連続相からより 高稠密な分散液を除去する設計になっており、かつハイドロサイクロンの軸近く に分散液減損連続相を残したまま該高稠密分散液を壁に向かって半径方向外方へ 移動させるハイドロサイクロン体内で渦を発生させることにより高稠密な分散液 を除去している。これに反して、殆どの油は水よりも低稠密であるので、油汚染 水がハイドロサイクロンを通過するときに半径方向の加速渦が油滴（分散相）を 渦の中央でハイドロサイクロン軸へ向けて移動させ、油フリー水（連続相）をハ イドロサイクロンの壁付近に残したままにする。従って、ハイドロサイクロンの 設計に異なる拘束を付加する。他方、更に高稠密分散液の連続相の大半はオーバ ーフローとしてハイドロサイクロンの上流端壁内の渦ファインダから除去される 。

分離された分散液は壁境界層の連続相の小部と共に該サイクロンのアンダフロー を離れる。分散液が低稠密相であるときには、アンダフローが全体処理量の大半 （９０から９５％）を占め、他方オーバーフロー（ハイドロサイクロン軸から分 散液を除去する）が大量に減少する。更に、ハイドロサイクロン壁に達したより 高稠密の分散液は比較的安定した壁境界相としてそこに滞留するが、ハイドロサ イクロン軸に沿ってコアを形成するより低稠密な分散液はかかる拘束を受けず、 かつその安定性から全体的に好ましい内部流体構造を有して、それ以上の散逸を 伴うことなくハイドロサイクロンから除去される。密度差は水中油分散では相対 的に小さくかつハイドロサイクロンの設計は分離を増進するために非常に早いス ピン域を形成しなければならず、しかも同時に高い剪断域での油滴の破壊を回避 しなければならない。これらの拘束に注意して、油性水分離用の効率的ハイドロ サイクロン設計は、より高稠密な分散液用ハイドロサイクロンの場合と外面的に 同様であるが、その必要性が実質的に異なっており、むしろ異なる幾何学に関す る。

１９７０年代後半から１９８０年代前半のＭａｒｔｉｎ　ＴｈｅｗおよびＤｅｒ ｅｋ　Ｃｏｌｅ−ｍａｎのＳｏｕｔｈａｍｐｔｏｎ大学時代に発表された液／液 ハイドロサイクロンの開発における重要な初期の研究およびこの段階の実験研究 ではハイドロサイクロンの最小公称寸法は約２８ｍｍである。液／液ハイドロサ イクロンのこの公称寸法のそれ以上の縮小は分散水中の鋭敏な油を更に破壊し、 従って、該相の所望分離に反する仕事量となる高い内部剪断応力を発生させると 考えられた。ハイドロサイクロンのこの公称寸法は該サイクロンの上記基準直径 、即ち速度の接線成分が最高である点、として引用されている。このようにして 、この初期研究および解決を必要とする石油産業の問題に鑑み、溶液、液／液ハ イドロサイクロンが２つの不混和性液体を分離する目的から市場で使用された。

この利用の大半は油産業界において水から油の比較的少量パーセントを除去する ためであった。ＴｈｒｅｗおよびＣｏｌｅｍａｎによるこの初期研究に鑑み、油 性水分離用を処理する液／液ハイドロサイクロンの公称寸法は市場において現在 までに３５ｍ、　３８ｍｍ、　５８１および６０」のものが販売された。

公称寸法に関する上記基準は所定駆動圧力に対するユニットの容量を表示する。

一般的に、製造の観点からサイクロンの公称直径か大きいほど所定系容量に必要 とされる分離ユニットまたは管は小さくなる。上記寸法は上記研究に基づいて、 最適分離効率および全体容量に鑑みて多数の設計者により選択された。一般的に 、上述したように、最小直径は２８閤と考えられ、３０ｍｍより小さい公称直径 の液／液ハイドロサイクロンがこの理由で市販された。液／液ハイドロサイクロ ンの作業に関する実用的問題の幾つかは、３５ｍｍから６０−の範囲の公称直径 を有するサイクロンにより達成される分離効率がある種のプロセス仕様には適さ ないことであった。あるプロセスは分散液を分離させることを必要としかつ油現 場作業において１日に、例えば典型的には１００バレル未満という比較的少量の 液体を生産する。単一３５ｍｍハイドロサイクロンが適性分離を行う最少容積流 量は１日当たり４００バレル以上か典型的である。６０ｍｌ１１公称寸法サイク ロンは１日当たり少なくとも１０００バレルを必要とする。

他の問題は最少駆動圧力に関する。３５ｍｍの公称寸法のハイドロサイクロンの 最小駆動圧は約６０ｐｓｉである。６０ｍｍのハイドロサイクロンでは最小駆動 圧は約６０ｐｓｉである。最小駆動圧に影響する他のファクタとして、例えば連 続相の粘度が挙げられる。

本発明の背景に更に言及すれば、上述のＴｈｒｅｗおよびＣｏｌｅｍａｎによる １９７０年後半の研究の前に、ハイドロサイクロンの標準設計は固体／液体また は固体／気体用であり、短い円形入口部とそれに続（相対的に急激に傾斜した円 錐を育するものであった。上記分離室の全体の長さ／直径比は、約１０が代表的 である。１９６０年代にＲｅｇｅｈｒおよびＢｏｈｎｅｔにより液体／固体技術 の研究がされた。彼らは、結局、Ｔｈｅｗ、　ＣｏｌｅｍａｎおよびＬｉｓｔｅ ｗｎｉｋと共に液体／液体問題の研究を始めた。油／水分離の剪断感度の問題の ために、より緩和な条件下で遠心力を加える必要があり、従って、適性な分離を 発生させる唯−法は長さ／直径比を増加させることであると言う結論に先ず達し た。

これら初期の研究者は出発点としてｌＯから２５の間の長さ／直径比を有する円 筒状サイクロンを選択した―この結果はＲｅｇｅｈｒがその出口側に小さい円錐 を付加した単なる円筒室であった。彼らは初期の研究において、長さ／直径比が ２５を越えると、より長い室の摩擦損失が相当に大きく、運動の接線成分が酷く 減少して）＼イドロサイクロンの流れが層流変化する程度までに流れ損失が生じ るために非生産的であることに気付いた。従って、それは１０から２５の間の長 さ／直径比が最適であることへ発展した。そこで、Ｔｈｅｗは１９７０年代後半 に、そこへ直径を複数の階段を減少させて設ける設計の研究を開始した。

その概念は（１）滞留時間を長くするために分離ユニットの長さを増し、かつハ イドロサイクロン期間中の速度を徐々に早めるか少なくとも維持することが望ま しいと言うものであった。これは直径を小さくすることにより実施された。この 最初の研究は、単に、サイクロン内の摩擦損失に及ぶ角運動量を維持する設計で あった。この設計は、結局１０から２５の間の長さ／直径比および公称直径ｄ、 が０、５　ｄ　、を有するサイクロンに発展した。ここでｄ、は入口部の直径で ある。次に、Ｄ、から略１０°半の角度の傾斜を部ｄ、に付けた。

この傾斜はハイドロサイクロンの公称直径と考えられ、その点で接線速度は最高 に近づいた。結果的に、全体の長さ／直径比は２５に近づき、Ｔｈｅｗの研究は 長時間にわたって接線速度成分を維持することによりより良い分離を達成するこ とを示した。ＴｈｅｗおよびＣｏｌｅｍａｎの１９８１年の研究は分離効率がよ り小さい直径のハイドロサイクロンの使用により上昇することを証明したが、油 ／水分散液における高剪断に関する問題のために、彼らの研究は、上述のように ２８闘の公称直径最小制限が支配的になり、より小さい直径が油滴破壊を助長し 、かつこの２８＋＋ｎ寸法未満のハイドロサイクロンが良好な効率を得るには余 りにも小さいことを示している。

環境汚染への高まる関心のために油／水市場でのコマーシャルアクセプタンスに 気付き始めた。生産された水を沖合作業により海へ返すために、水中残留油を典 型的には４０ｐｐｍ未満まで希釈することが義務付けられた。多くの分離状況は 義務を達成するために上記ノ１イドロサイクロンを利用できた。かかるノ翫イド ロサイクロンはＣｏｌｅ−ｍａｎおよびＴｈｅｗの米国特許第４．２３７．００ ６号および米国特許第４．２３１．３６８号に記載されている。同一発明者によ る後の研究データでは２８ｍｍ未満のハイドロサイクロンは非効率的であると言 いながらも、これはおよび他の特許はハイドロサイクロンの公称直径が５から１ ００皿の範囲にできると示唆している点は興味深い。５Ｍからの範囲を有する公 称直径についてのこれらの初期の示唆は単に思弁的であってその可能性の全てを 権利主張するために開示を拡大する試み以上の事実上の基礎を持たず、少なくと もコマーシャルベース上でのかかる小さいモデルの製造および実験のための知ら れた試みはなされていないことは明らかである。２８−未満の直径が非効率的で あると主張するＣｏｌｅｍａｎおよびＴｈｅｗの研究は３０ｍ＋ａ未満の寸法の それ以上の縮小を断念させるのに充分であった。長さは公称直径の２５倍未満と 開示されている。上記特許に開示された３部の同一幾何学および湾曲ハウジング を含む他の同様形状が石油産業において市販され、分離器の油／水分離市場を支 配してきた。米国特許第４．５４４．４８６号、４、４６４．２６４号、４．７ １９．０１４号および続く特許でＮｏｅｌ　Ｃａｒｒｏｌｌは更に基礎的もしく は標準的τ脱油３　（ｄｅｏｉｌｉｎｇ）ハイドロサイクロンのための精製に関 して記載している。Ｃａｒｒｏｌｌの第４．７２１．５６５号、およびＳ＋ｎｙ ｔｈおよびＴｈｅｗの第４．７９４．４９０号等後の特許は上記幾何学に変化を 加えてこの技術を油および水の分離に利用し、そこでは油がより大きなパーセン テージを表して混合物の主部を占める。これらは、しばしば、「脱水Ｊ　（ｄｅ ｗａｔｅｒｉｎｇ）ハイドロサイクロンと呼ばれる。上記混合物において、水は 油連続相内の分散相であってよい。

上記製品の工業的受入れか進むにつれて、上記相の分離のためのより効率的な装 置を製造するニーズが生じている。脱油作業において、そのニーズは海へ返すた めに分離される油性水中の油のノく−センテージの低下にめられる。また、上述 の系に答えない分離利用はより効果的かつ効率的ハイドロサイクロン分離器が製 造されれば将来性かある。

従って、環境規制の一層厳しくなる要件および現在の市販製品により未解決の分 離問題に合せるために、例えば、沖合ドリル作業において海へ戻す水中油の従来 の典型的基準である４０ｐｐｍ未満に傾く石油産業界の規準に適合する一層効率 的分離を可能にするタイプの分離技術の開発は一層重要になっている。その結果 、限界と考えられた従来寸法のバリアが油／水分離においてハイドロサイクロン の効率を上げると言う全体的問題の解決になるかを決定するための試験が最近な された。この最近の研究は従来市販設計の限定的性能のいくつかのバリアを破っ たようにみえるハイドロサイクロン設計の新しい開発に繋がった。かかる開発の １つは最小長の入口室と一緒に非常に急速な加速度を利用したハイドロサイクロ ンであって、急激な変移をもってハイドロサイクロンの公称直径寸法以下に継続 的に寸法を減少させている。この概念は非常に小さい室の入口流を最適条件で維 持することにより安定させる理論に基づいている。これによれば、入口直径ｄ、 の入口速度は液滴の剪断応力を越えないのでこの点で液滴を剪断することなく流 れを良好な変移加速度でノ１イドロサイクロンへ進入させることができる。一旦 最適な安定状態に達したときに、分離室の直径を非常に急激に減少させて、順次 、加速界を上げる。この研究は、公称直径ｄ！を狭くするのを早くすればするだ け、そのユニットの効率が良くなるとしている。この理論に従えば、直径ｄ１か ら直径ｄ、は急激に変移し、次いでｄ２から出口直径は非常に緩やかな傾斜にす る。他方、かかる急な変移によりサイクロンに相当に高い圧力損失が生じ、高い 加速界の為に圧力損失の増大が能力の観点から問題となるサイクロンの流れの低 能力を招く。流れの要件を満たすために、そこで系内のサイクロン数を増加する ことが必要となる。

液／液ハイドロサイクロンの設計において、所定長サイクロンで摩擦損失と流れ 破壊を最少にして所定遠心力を維持する試みとしてハイドロサイクロンの長手に 沿って流れを非常にスムーズに変移させることが重要と考えられていた。分離効 率を改善する試みとして、滞留時間を長くするために分離室の長手に単純な延長 部を設けることが決定され、そのようにして浮揚しないより小さい液滴を除去さ れるべき中心コアへ効果的により長い時間で到達させた。従来試案は、一定距離 の加速度を維持しかつそこでの滞留時間を必要により延長しながら、入口流から 最高加速度までの変移をスムーズにする方法に関してなされるのが典型であった 。上記交代は、滞留時間の付加が過去において得られる効率の高率限界により許 容されないと感じられた相当に付加的な圧力降下を生じさせる点にある。サイク ロン内での加速度間の急激な変移に関する他の特徴は流体速度もしくは角運動量 を急速に上昇させることより流体流内に剪断応力が生じ、そのために分散相の液 滴の除去が困難となることであった。この入口設計において、剪断応力が過剰と なり液滴の破壊が大きくなる点でのみサイクロンへ進入する速度を早くさせるこ とを試みている。大きな破壊は液滴がサイクロン内で効果的に除去できない点ま で剪断されることを意味する。従って、この問題を解決するために、ここに基本 的な２つの問題がある。１つは加速度による液滴剪断の効果に関する主要な問題 であり、もう１つはハイドロサイクロン内の圧力損失を大きくすると言う効果を 処理する問題である。圧力損失はサイクロンの運転を可能にする圧力の観点で有 害であり、この圧力は上昇させなければならないだろうし、従って、エネルギ入 力を増加させなければならない。

水／油ハイドロサイクロンの設計者が対面する他の問題はｒレイントレインメン トｊ　（“ｒｅｉｎｔｒａｉｎｍｅｎｔ“）に関する。油かそのコアに移動する ときに、該コア近くの境界層内の水へレイントレイン（ｒｅｉｌｔｒａｉｎ）さ れる。これは渦の速度が遅い場合に特にそうなると考えられている。しかし、該 速度上昇により剪断の増大と言う危険に遭遇する。このように、より小さい直径 と急激な傾斜は渦の速度を増すが、これらは同様により大きな液滴の剪断の可能 性を増大させる。

急な傾斜により発生する他の現象が再循環現象である。短距離内で大きな容積を 小さい容積に変化させるときに入口区域に渦電流が発生し易い。この収斂は軸方 向に向う渦を増進する入口へ向かう流れベクトルを形成する。この現象はＴｈｅ ｗ他により理解されており緩い傾斜に設計変更された。回転の再循環は入口端部 で合う外壁近くの入口端部に固体の集結体を形成し、分離室の腐食を発生させる ことになる。

このようにして、上述したようにハイドロサイクロンの直径を短縮することに起 因する明らかに悪い現象があるにもかかわらず、本出願人は高効率的ハイドロサ イクロンを開発するために自明の問題を克服することを試みた。この決定は、一 部で、過去の研究が大きな液滴寸法の処理にあったことに動機付けられたもので あり、かつ出願人は今再び液滴寸法の分布を見て更に注意深く分布が大抵の場合 に究極的に処理されるべきより小さい液滴寸法のセグメントを含んでいることに 注目した。より小さいハイドロサイクロンは高い加速界およびより高い速度勾配 を発達させて、粒子結合度に関連した乱流レベルを増大させることを理解したか 、ハイドロサイクロン分離室の動力学の更に注意深い観察はより小さい液滴、例 えば、５から１０ミクロン範囲の液滴はより強固であり剪断により影響されない ことを教えた。固体粒子ハイドロサイクロンにおいては、所望の粒子を用いてよ り高い加速界と剪断が粒子をノックアウトする二とにより分離を助けると言う剪 断考慮から、損失を伴うことなくより小さい直径の分離室を使用できる。本発明 者は、ハイドロサイクロン内で処理できるレベルを少なくとも越える液滴のそれ 以上の剪断を助長しないように実際にその小さい液滴を扱うならば、液／液算に おける小さい液滴を分離するための窓があることを知った。液／液分離器、特に 、分散相内に小さい液滴寸法を有する分散液を含む油／水分離器の効率を高める であろうより小さい直径のハイドロサイクロンを開発できると言う最後の希望を もってこの方向で研究することに決定した。

従って、本発明の課題は混合物の液体成分相互、特に、液体混合物の油と水の相 を分離する新規かつ改良されたハイドロサイクロン（液体サイクロン）を提供す ることにあり、このハイドロサイクロンにおいて、ハイドロサイクロンの公称直 径、この明細書でスロート部の直径として説明する直径は８から２８Ｍの範囲に ある。この改良されたハイドロサイクロンは低い駆動圧力で運転でき、かつ小径 にもかかわらず満足できる分離効率を維持し、最少容積能力は単一サイクロンユ ニットで１日当たり約５０バレルである。かかる改良された分離器は小さい液滴 を生産するのに効果的でありかつより小さいプロセス条件でより大きい公称直径 サイクロンのそれよりも効率的である。かかるハイドロサイクロン内の分離室の 細長部に採用される面積対容積比は異例の高率を促進する範囲の値である。

発明の概要 本発明の上記および他の課題は水中の油、または油分散液中の水に生じるような 液体連続相内の液滴の分散相がその構成成分の１つとなっている混合物の液相を 分離するためのハイドロサイクロンに関する。上記ハイドロサイクロンは分離室 から成り、この分離室はそのｌ端部で入口部へ混合流体を導入するための１以上 の開口部を育する。上記入口部の端壁内に軸方向に設置されてよいオーバーフロ ー出口は上記混合流体のより低稠密の相の出口を提供する。より高稠密の相を流 出するためのアンダーフロー出口は上記入口端部と反対の上記分離室の他端部に 設けられている。上記分離室は加速室内の流体を上記ハイドロサイクロンにより 処理されるレベルを越えて分散相液滴を更に剪断することなく急速に加速するた めに相対的に急な第１傾斜部またはカーブ部を有することを特徴とする。上記相 対的に急な第１傾斜部はより緩い傾斜の第２傾斜部またはカーブ部へ続く。この 第２傾斜部は上記分離室の細長部を形成する。上記第１傾斜部および第２傾斜部 との間の変移部には上記ハイドロサイクロンの公称直径として参照される直径り 、＜２８１１１１を育するスロート部により表されている。上記分離室は本発明 の機能的要求に合致するならば円筒状または部分的に円筒状のものであってよい 。上記分離室のＤアから延びる上記細長部は傾斜、カーブ、円筒状または実質的 に円筒状等のいずれかの形状の部を含み、これが細長い室のアンダーフロー出口 までの全長し、を構成する。上記分離室のこの細長部り、は一定パラメータに該 当する面積対体積比（Ａ／Ｖ）、。

を有するように調整されたときに液／液混合物に最も効率的に作用するものとし て示されている。上記ハイドロサイクロンのこの効率および全体性能は上記入口 から所定制限距離内にり、を設けることにより向上する。かかるハイドロサイク ロンにより除去される平均液滴寸法は効率の上昇に比例して縮小する。

図面の簡単な説明 図１　（ＡおよびＢ）はハイドロサイクロン内の分離室の異なる２つの幾何学形 状の線図である。

図２はハイドロサイクロンの異なる公称寸法を育する入口と出口との間の流量対 デルタ圧を示すグラフである。

図３は標準直径および小さい公称直径のハイドロサイクロンの入口圧対効率を示 すグラフである。

図４は入口／出口の差圧に対する異なる公称寸法のハイドロサイクロンの効率上 昇を示すグラフである。

図５はハイドロサイクロンの公称直径に対する面積対容積比および効率改良を示 すグラフである。

図６は油水混合液の分散相の液滴寸法分布を表す公称カーブを示すグラフである 。

好ましい態様の説明 図面の第１図（ＡおよびＢ）を参照すると、２つのハイドロサイクロン１２は僅 かに異なる形状で示されている。第１のハイドロサイクロンは相対的に大きい端 部１４で始まり回転体により形成されたハウジングからアンダーフロー出口１６ を形成する相対的に小さい反対端部へ連続する細長い分離室を有する。オーバー フロー出口１８は大きい端部１４内に位置決めされている。大きい端部１４のま たはその近傍の入口２０は上記分離室へ混合流体を流入するための入口手段を提 供する。入口直径り、ｌよ流れが上記ハイドロサイクロンへ１以上の入口から進 入するところの平均径を示し、従って、入口センターラインの接線成分の上記ハ イドロサイクロン軸からの最小距離の２倍である。上記入口の平面は、流体の角 運動量の放射が上記ハイドロサイクロンへ等しく分配されるように上記入口の平 均軸方向位置で上記ハイドロサイクロンの軸に垂直な面として形成される。

上記分離室を形成する回転体の断面は図１　（ＡおよびＢ）に説明された単に２ つの形状に限定されない。図ＩＡは傾斜の相対的に緩い円錐部２６へ続く急な傾 斜の第１円錐部２４を経て左から右へ続く円筒室により表された入口部２２を含 む複数の個別部により構成されている。第１傾斜部から第２傾斜部への変移は参 照目的からＤアとして表されたスロート部２８により形成されている。このＤＴ はこのハイドロサイクロンの理論的公称直径として表されており、かつ高率特性 を有するここに具体化された概念を説明するための重要な基準である。このＤア は単に理論的基準であるが、適性な最高接線速度または渦巻きが発生する場所を 意味し、かかる点は実際のところ精確に決定するのは困難である。従って、ここ に具体化された教示を伝達しかつ本発明の請求を確実にするために上記概念を使 用することが目的である。ただし、絶対的なものではない。図１の上の形状にお ける上記分離室の最後部は円筒状または実質的円筒平行部３０として示されてい る。

図ＩＢにおいて、図示分離室には複数の個別部が示されていないが、かかる部は 図ＩＢにおいて少なくとも機能的に内包されている。

例えば、入口２０は上記分離室へ進入する位置に図ＩＡの入口部２２に対応する 入口部が機能的に存在する。他の対応部は連続するカーブをもってアンダーフロ ー出口１６へ続く全分離室の長手にわたって表されている。公称直径として説明 したスロート部の直径Ｄアは後述のごとく幾つかの違いを有するが、機能的には 上記スロート部は上記分離室を流れる流体が実質的に最高速度および接線速度に 達する凡その場所にある。上述のごとく、これは絶対的でない。液／液ハイドロ サイクロン分野において開発されてきた標準幾何学において、ｄ２は、通常、公 称直径、本明細書ではＤ７の指示基準である。

ｄ２は、往々にして本体の直径が０．５　ｄであるものとして定義される。単一 回転入口の場合、Ｄ、は概ねＤｌよりも大きいが、直進折れ接線入口の場合には Ｄｌはり、よりも小さい。この明細書において、Ｄ、＋よ混合液がハイドロサイ クロンへ進入する機能的場所を示し、従って、大きく変化する。従って、この明 細書においてＤアは恥との関係で説明され、通常、＞　０．５　Ｄ　、または０ ．６　Ｄ　、と等しい。

本発明の詳細な説明したように、本発明の重要な特徴である相対的に小さいスロ ート部の直径の実施に繋がる概念的思想には変化がある。分離効率を向上させる 最適公称直径を含むこれらのパラメータを確認するために多量の試験的研究が昨 今なされている。この効率はかかる直径が小さいときに概ね上昇することが認識 されてきている。直径が小さくなるにつれて、一定時間内に処理される原料の量 が定常と仮定した場合のそのユニット内の圧力低下はそれに伴って増大するか、 または定常入口圧を仮定した場合は一定時間内に処理される原料の量は減少する 。図２は図ＩＡと同様の幾何学形状の３つの異なる寸法のハイドロサイクロンを 用いたときの圧力に対する流量を示すグラフである。入口と出口間の差圧のいず れかの点、例えば、５０ｐｓｉを取り上げてみると、公称直径１９ＤＩ＋のハイ ドロサイクロンの流量は略１０ガロン／分であり、他方、３５ｍｍハイドロサイ クロンについては同一デルタ圧で流量は略２９ｇｐｍである。当然ながら、これ はより小さい直径のユニットでは流量が少ないと言う欠点を示し、流量を増やす には多数の個別分離室を必要とすることを示す。

他方、図３から明らかなように、所定入口圧について、１２−ハイドロサイクロ ンは３５ｍｍユニットを越える実質的効率改善か見られる。

このデータを集めるために使われた実験では、油井から生産された流体が２つの 異なる分離室、即ち、３５Ｍと１２ｍｌ１１の分離室に同時に分離して２つの流 線に分かれる配設された平行流線を得た。この場合、滴下寸法分布、密度、温度 等を含み全液体属性を同一条件とした。

より小さい直径の使用はハイドロサイクロン内の所定流量での圧力を増加させる か、圧力増加は分散相を形成する液滴に加わる剪断応力を同様に増加させると予 想される。ハイドロサイクロンの設計パラメータを考慮して、我々は過去におい ては分離が液滴寸法の関数であり、小液滴は大液滴よりも非常に分離しにくいと する５ｔｏｋｅｓ法則に注目していた。従って、ハイドロサイクロンは所定範囲 ではより小さい液滴を効率的に除去しない。更に、より小さい直径のハイドロサ イクロンおよび分離室のより急な傾斜角はハイドロサイクロン内の液滴を剪断し 易く、そのようにして除去するのが困難なより小さい液滴を発生させると考えて いた。従って、設計者はより小さい直径のハイドロサイクロンはより小さい液滴 を効率的に除去すると言う利点に気付かなかった。これはハイドロサイクロン内 の剪断効果が、言ってみれば、既に剪断されたより小さい液滴を処理するときに 不利でないからである。従って、設計パラメータに起因するハイドロサイクロン 内の剪断はより大きい液滴に最も悪影響を及ぼす傾向がある、即ち、ハイドロサ イクロン内で剪断されるのはより大きい液滴である。しかし、より小さい直径の ユニットに収容される、例えば、６ミクロン未満の液滴を剪断しない限り、スロ ート部のより小さい直径およびより小さいＤスロート部へのより急激な変移がよ り大きい液滴を剪断するであろうと言うことに係わる必要はない。これらの剪断 された液滴は現在ではもっと効率的に除去されるであろうからである。これは、 また、レイントレインメントおよび再循環に関する剪断問題の教示を鎮静化する 。これに鑑み、現在では、ハイドロサイクロンは混合を急速に加速してより大き い液滴を取り出し、かつ残留物を剪断することなく、もしくは例えば、６から８ ミクロン未満のものを剪断することなく、再度残りの混合を急速に加速する形態 にされていると認識されている。より小さい直径のハイドロサイクロンはより小 さい容積を存し、残留液滴は相互に接触するより良い機会を持ち、それにより合 体し、かつそのようにしてハイドロサイクロンの遠心分離により更に分離される 。より小さい直径にすることにより、液滴が中心コアまで移動しなければならな い距離を物理的に短縮し、それにより該コアに到達する時間を短縮できる。これ らの特徴は混合物から除去される液滴の範囲を増大させて分離効率を向上させる ことに繋がる。この時この運動を維持するために滞留時間を延長させれば、合体 の機会、従って、分離は更に促進する。

より小さい直径および／またはより急激な傾斜をもつハイドロサイクロンはより 大きい液滴の付加的剪断を生じさせるであろうことは認識されているが、この欠 点はより小さい直径のハイドロサイクロンが同様により小さい液滴寸法に分離さ れるので除去された平均液滴寸法がそのハイドロサイクロンの公称寸法と共に小 さくなると言う事実により重要でなくなる。従って、除去された液滴の量はより 小さい公称寸法で増大しかつ効率はそれにより向上する。データによれば、８か ら２８の公称直径のハイドロサイクロンは４から１０ミクロン範囲の液滴を効率 的に除去する。従って、液滴の剪断はより小さい寸法と急な傾斜の結果として行 われるが、この効果は除去された混合液の増加部により相殺される。所定設定条 件により、上記アンダーフロー出口は分離室内で分離されなかった液滴形態の分 散相成分を有する。より小さい公称寸法径の本体では、アンダーフコ−出口に残 留する液滴のその液滴寸法の分布は４から８ミクロン範囲よりも小さい平均寸法 であり、同一条件下の２８１１Ｉ１１ハイドロサイクロンより大きいハイドロサ イクロンはそれより高い出口分布になるであろう。平均液滴寸法のこの差異に代 表される混合液部は分離効率の完全が決定的である。この関係は図６にグラフで 示されている。

このグラフにおいて、混合液の公称入口液滴分布は図６の曲線下の領域により表 される。説明の目的から、混合液は水連続相内に１１０００ｐｐの油分散相を育 し、１１００ｐｐの分散相は曲線下の領域により表される。例示の分散相の平均 液滴寸法り、。は２０μである。３５ｍｍ公称直径ハイドロサイクロンは所定設 定条件（温度、ｐｈ等）下で上記液滴を除去する場合、平均８μの液滴、および ８μを越える分散相部の液滴は８０％の分布、Ｄ、。を示し、ハイドロサイクロ ン効率は８０％であり、アンダーフロー出口の液滴濃度は０．２　ｘ　１１００ ０ｐｐもしくは２００ｐｐｍであろう。２０ｍ公称直径ハイドロサイクロンは、 しかし、同一条件下で略４μ以下の液滴、平均寸法６μの液滴を除去し、これは ９０％の分布、Ｄ、。に相当する。従って、この後者のハイドロサイクロンの性 能は９０９６で１０００ｐｐｎ＋　ｘ　Ｏ，１＝１００ｐｐｍ、従って１０％の 効率上昇である。初期データによれば、公称現場作業条件下で上記説明例はそれ より小さい公称直径ユニットで期待できる改良を示す。これには、当然ながら、 混合液がより小さい液滴の実質部を含んでいるのでこの利点が働く。

図４は入口／出口デルタ圧を変化させたときの３５囮本体の効率上昇百分率と異 なる寸法の分離室体との比較を示す。このデータは上述のように小径ユニット３ ５ｍｍユニットと共に平行流ループで運転された場合をとっている。この混合液 は１２−１４ミクロンの範囲の分散相の平均液滴寸法を含みかつ混合温度は１１ ２°Ｆであった。本体寸法と効率との間に直接的相関関係があることは図Ａから 容易に理解される。図４に関連してＡＳＡＤと記した最上線１５０１１１は単に １５ａｕａと記した下線と同様本体を存するが、該最上線により表されたハイド ロサイクロン本体が該本体と平行の延長部を有する点が異なっており、分離室内 の流体が、より長時間、滞留するので結果的により高率である。

上記テスト過程で採った莫大なデータ量の分析において、課題もしくは理論的分 析が上述の種々現象に関して検討された。絶対的説明はおそらく不可能であるが 、推測的説明はより長期の滞留時間、液滴のより短い移動距離、高剪断条件下の 小液滴の挙動等について検討された。ただし、更に分析した結果、最高加速度状 態になる本体形状場所に達した後に分離室の面積対容積比の問題に大きな衝撃を 与える従来未知の関係が存在した。図１でＤアとして説明した標準型形状のその 場所に略該当するこの場所は、傾斜または同様のカーブであるが、急な傾斜から 僅かにもしくはより緩い傾斜へ変化する場所でもある。これに関して、次式は所 定形状についての面積／容積比（Ａ／Ｖ比）の計算方法を示す。

円形断面を有する成分について： ここで、Ｘ＝酸成分中心線に沿った距離ｒｅ（ｘ）＝成分Ｃの軸距離の関数とし ての半径Ｃ＝成分数１．　２．　３・・・ｎ 関数ｒ　ｃ（Ｘ）は完全に一般式であって次式と同様形態をとるが、次式に限定 されない。

（１）円筒状成分に関して、 ｒ　ｃ（ｘ）＝　ｋ ここで、ｋは定半径である。

（２）円錐部に関して、 ｒ　、（ｘ）＝　ｒ　、α（Ｘ） α（ｘ）　＝ｘｓｉｎθ 従って、ｒ　ｅ（ｘ）＝　ｒ　ｌ−ｘｓｉｎθここで、θは円錐部の半分の角度 である。

（３）四角形カーブ成分に関して、 ｒ　ｃ（ｘ）＝　ｒ　、＋βＸ＋（ＺＸ”ここで、βとαは成分の曲率を表す定 数。

図ＩＡの全体形状のＡ／Ｖ比を計算するには、別々に採った本体の各部の面積と 容積を単に積分すればよい。この発明の目的から、それはり、で始まってアンダ ーフロー出口へ延びる分離室の部り。

の面積対容積比であることは興味深い。従って、先ず、図１　（ＡとＢ）に示し た形状に関して、Ｄ、から始まる点線３４までの部位の面積と容積を計算すれば よい。次に、点線３４から、この場合円筒状成分として示されている出口１６へ 延びる部３ｏの面積と容積を計算する。

この後者部位は、当然ながら、定常半径を有しかつ積分する必要はない。例えば 、この面積は２π「Ｘとして計算すればよい。Ｘは含まれた成分部の軸長である 。この同一の円筒状部の容積はπｒ２ｘとして計算できる。関係する全部の面積 と容積を計算するまでこの手順を続ける。この部り、は分離室の関数部であるこ とに注意し、かつ装置化できる多種形状があるので関数条件として上記教示を理 解するのがよい。部り、の出発部は流体の最高速度および最高加速の生じる場所 である。これは実用的観点から絶対的な場所でないが少なくとも精確な位置を決 定することのできる。分離室が初めから終わりまで直線的傾斜である場合、即ち 、単一傾斜角を有する切頭円錐の場合、このＤアは分離室の入口で生じるものと して記載されかっり、は端壁１４近傍のり、で始まる。アンダーフロー出口もし くはり。

の端部について、これは分離プロセスがその出口で終端する場所である。仮に、 ある長さを有する収斂区域を分離室の端部に加える場合、分離室内の半径方向の 加速度もしくは渦運動は低下して遠心力による分離は終了するであろう。これは 機能的な分離室の端部および距離り、の終了点になる。例えば、発明の請求の範 囲において明瞭にするために、Ｄアはある所定点と定義できる。ＤＴを規定する より機能的方法は該当する範囲内とすることである。ＤＴを説明する他の方法は 分離室壁の傾斜が所定値に達する場所である。

添付図面の図５を参照すると、異なる形状のハイドロサイクロンのスロート部の 直径に対する面積対容積比のプロットを示す。３５−ハイドロサイクロンの略改 良百分率は右手スケール上に示されている。改良百分率は液滴分布、温度、密度 、ｐｈ、界面表面張力等の関数でもある。下曲線はり、で始まるし、を育してい るが平行延長部を有しない図ＩＡに示された本体に関する。平行延長部は分離室 の円筒状または実質的に円筒状の、点線３４からアンダーフロー出口１６へ延び る部である。従って、図５の下曲線は図１　（ＡおよびＢ）の３４で終わるし、 を有する本体により表される。図５の中央曲線（実線）は傾斜部２６において３ ６で示された０、７５°傾斜角αを有する図ＩＡの標準的幾何学に類似のハイド ロサイクロンを示す。このユニットは、また、２０Ｄｔの平行延長部３０を有す る。図５の下曲線は傾斜角３°を有しかつ１００Ｄｔの平行延長部を有するハイ ドロサイクロン本体を表す。図５のデータから理解されるように、８から２８８ のスロート部直径を有するハイドロサイクロンの面積対容積比は０．１９から０ ．９の範囲に概ね該当する。しかし、より小さいユニットが実用的であるような 他の工業分野における使途または現在意図されていない石油用途がありうる。従 って、ここに記載のデータの下の制限値はこの教示に含まれる概念をいずれかの 特定最小寸法に制限するものでない。

以上、本発明の特定態様を示して説明したが、本発明から逸脱することなく広い 範囲で変更および改良がなされうることは明らかであり、従って、請求の範囲の 目的は本発明の本来的精神および範囲のかかる変更および改良の全てに及ぶもの である。

［Ｆ］　の 流量Ｃ；ＰＭ　（ＵＳ） 効率％ 上昇百分率 Ａ／Ｖ比 油濃度（ＰＰＭ） 手続補正書（方式） 平成　ダ年り月／ｆ日

Claims (24)

【特許請求の範囲】
1. １．液体連続相内の液滴の分散相を成分の１つとする流体混合液から異なる密度 の液体成分を分離するための高効率ハイドロサイクロン装置であって、上記高効 率ハイドロサイクロンは次の構成から成ることを特徴とする： １端部に入口部を有する分離室、 上記流体混合液の渦運動を発生させるために上記分離室の入口部へ上記流体混合 液を流入するためのその１端部に設けられた入口手段、 上記流体混合液のより低稠密な成分を流出するための上記分離室の上記１端部に 軸方向へ設けられたオーバーフロー出口、上記入口手段から上記分離室の反対端 部に設けられたアンダーフロー出口、上記分離室は相対的に急な第１傾斜部また はカーブ部および細長く相対的に緩い第２傾斜部、カーブ部または実質的円筒状 部を更に含み、上記第１傾斜部またはカーブ部は上記入口部と第２傾斜部、カー ブ部または実質的円筒状部とを連結して上記流体混合液の渦運動を加速するため の区域を形成し、上記第１と第２傾斜部間の移行部はスロート部により形成され 、上記スロート部は上記第１と第２傾斜部間の移行部の位置またはその近傍にあ って直径ＤＴを有し、上記スロート部の直径ＤＴは加速した上記渦巻き流体混合 液を一部が上記第２傾斜部により形成された上記分離室の充分に密閉された滞留 部へ運ぶために充分に小さい、上記入口部は上記入口部へ開口する入口手段の平 面において直径Ｄｌを有し、かつ上記スロート部の直径ＤＴで始まってそこから 延びる細長い室部が傾斜、カーブまたは実質的円筒状の部のいずれかを含み、こ の傾斜部が上記スロート部ＤＴから上記アンダーフロー出口までの上記分離室の 細長い室部を形成し、かかる細長い室部が上記ハイドロサイクロンの有効密閉滞 留部を構成する有効長Ｌｅを有する、 上記スロート部ＤＴから距離Ｌｅまで延びる上記細長い室部の面積対容積比（Ａ ／Ｖ）Ｌｅは上記分離室のＬｅを形成する部の全ての内面面積Ａの合計を上記分 離室のＬｅを形成する部の全ての内容積の合計で割ったものとして定義される、 上記ＤＴは上記分離室内の所定場所に位置し、その直径が直径Ｄｌの０．５倍で ある、および 上記（Ａ／Ｖ）Ｌｅは０．２１ｍｍ−１より大きく、それにより上記加速した渦 巻き混合液の滞留部内での滞留時間が充分に密閉された断面領域内であって実用 可能な小容積内において長くなり、それにより上記液体連続相から上記分散相の 液滴の分離効率を向上させる。
2. ２．上記Ｌｅは、２７．２ＤＴよりも大きい、請求項１のハイドロサイクロン装 置。
3. ３．上記ＤＴは８から２８ｍｍである、請求項１のハイドロサイクロン装置。
4. ４．上記ＤＴは２０ｍｍ相当または未満である、請求項１のハイドロサイクロン 装置。
5. ５．上記（Ａ／Ｖ）Ｌｅは０．２１から０．９ｍｍ−１である、請求項１のハイ ドロサイクロン装置。
6. ６．上記ＤＴは２８ｍｍ相当または未満であり、上記Ｌｅは３７．５ＤＴよりも 大きく、かつ上記Ｄｌから上記ＤＴまでの距離ＬＴは６．７Ｄｌ未満である、請 求項１のハイドロサイクロン装置。
7. ７．上記ＤＴは３０ｍｍ相当または未満であり、上記Ｌｅは４９ＤＴよりも大き く、か上記Ｄｌから上記ＤＴまでの距離ＬＴは２４Ｄｌ未満である、請求項１の ハイドロサイクロン装置。
8. ８．液体連続相内の液滴の分散相を成分の１つとする流体混合液から異なる密度 の液体成分を分離するための高効率ハイドロサイクロン装置であって、上記高効 率ハイドロサイクロンは次の構成から成ることを特徴とする： １端部に入口部を有しかつ全体にわたる外壁部を有する分離室、上記流体混合液 の渦運動を発生させるために上記分離室の入口部へ上記流体混合液を流入するた めの上記入口部における入口手段、上記流体混合液の分離された相を流出しかつ より高稠密の成分を流出するための少なくとも１つの出口を有する出口手段、少 なくとも１つの上記出口は上記入口手段と反対の上記分離室の１端部に設けられ ている、 上記分離室は上記分離室内に流体を迅速に加速させるための第１の傾斜またはカ ーブした部、これに続く上記第１傾斜部よりも緩急の傾斜、カーブまたは実質的 円筒状の第２部を更に含み、上記第１と第２傾斜部間の変移部はスロート部によ り形成され、上記スロート部は上記第１と第２傾斜部間の変移部またはその近傍 にあって直径ＤＴを有し、上記直径ＤＴは上記流体混合液の加速した渦運動をＤ Ｔで始まる上記分離室の充分に密閉された滞留部へ運ぶために充分に小さく、Ｄ ＴはＤｌからＤＴまでの距離ＬＴのところにある、上記第２傾斜部はＤＴから始 まって、上記分離室の反対端部に設けられた上記少なくとも１つの出口ま１で延 びる上記分離室の細長部を形成する付加的傾斜、カーブまたは実質的円筒状の部 のいずれかを含んで延びる、 上記細長部は有効長Ｌｅを有する上記スロート部ＤＴで始まり、上記スロート部 ＤＴは加速した上記流体混合液を上記細長部のＬｅにより表される上記分離室の 密閉された滞留部へ運ぶために充分に小さく形成されていて、上記密閉滞留部は 上記分散相の小さい液滴をより有効に合体させ、上記密閉ＤＴは、上記分離室の 長軸と上記分離室の上記外壁部との間の傾斜角αが２°またはそれ未満である、 上記第１傾斜部と上記第２傾斜部との間の変移部の場所またはその近傍にあり、 ここで、ｔａｎα＝（Δｒ／Ｌ）であり、かつΔｒは上記分離室の軸長しにわた る上記分離室の半径の差であり、かつ上記分散相の小さい液滴を上記密閉滞留分 散液に充分な時間滞留させてその小液滴の合体を促進するためにＤＴは２８ｍｍ 相当または未済であり、かつＬｅは３７．２５ＤＴよりも大きい。
9. ９．上記距離ＬＴは２．４Ｄｌ相当または未満である、請求項８のハイドロサイ クロン装置。
10. １０．上記Ｌｅは３９ＤＴよりも大きい、請求項８のハイドロサイクロン装置。
11. １１．上記Ｌｅは４９ＤＴよりも大きい、請求項８のハイドロサイクロン装置。
12. １２．上記ＤＴは０．６Ｄｌ相当または未満でありかつ上記ＬＴは３．９Ｄｌ未 満である、請求項８のハイドロサイクロン装置。
13. １３．上記Ｌｅは３７．５から１２０ＤＴである、請求項８のハイドロサイクロ ン装置。
14. １４．上記ＬＴは２．１８Ｄｌ未満である、請求項８のハイドロサイクロン装置 。
15. １５．上記ＤＴは０．５Ｄｌ相当または未満でありかつ上記ＬＴは２．４１Ｄｌ 未満である、請求項８のハイドロサイクロン装置。
16. １６．上記Ｌｅは４９から１２０ＤＴである、請求項８のハイドロサイクロン装 置。
17. １７．上記スロート部ＤＴから上記距離Ｌｅへ延びる上記細長部の面積対容積比 （Ａ／Ｖ）は上記分離室のＬｅを形成する全ての部の内面面積Ａの合計を上記分 離室のＬｅを形成する全ての部の内容積の合計で割ったものとして定義され、か つここで、（Ａ／Ｖ）Ｌｅは、上記加速した流体混合液の上記滞留部内の可能な 限り小さい容積内であって充分収斂された断面内における滞留時間が充分長く、 それにより上記分散装置の効率を向上させるために、０．２１ｍｍ−１より大き い、請求項８のハイドロサイクロン装置。
18. １８．上記（Ａ／Ｖ）Ｌｅ比は０．２１から０．９ｍｍ−１の範囲にある、請求 項１７のハイドロサイクロン装置。
19. １９．上記Ｌｅは３７．５ＤＴ相当またはそれよりも大きい、請求項１７のハイ ドロサイクロン装置。
20. ２０．上記（Ａ／Ｖ）Ｌｅは０．２６ｍｍ−１相当またはそれよりも大きい、請 求項１７のハイドロサイクロン装置。
21. ２１．上記ＤＴは２０ｍｍ相当または未満である、請求項１９のハイドロサイク ロン装置。
22. ２２．上記少なくとも１つの出口部はより高稠密の成分のためのアンダーフロー 出口であり、かつ上記出口手段は上記入口部の端壁内に軸方向に設けられたオー バーフロー出口を更に含み、かつ上記ＤＴは０．６Ｄｌ相当または未満であり、 かつ上記ＬＴは６．７Ｄｌ未満である、請求項８のハイドロサイクロン装置。
23. ２３．上記ＬＴは２．１８Ｄｌ未満である、請求項２２のハイドロサイクロン装 置。
24. ２４．上記Ｌｅは４９ＤＴよりも大きい、請求項２３のハイドロサイクロン装置 。