気液分離技術の最近の進展

除去のメカニズム

特定の技術を評価する前に、ガスから液体と固形物を除去するために使用するメカニズムを理解することが重要です。これらは、4つの異なるカテゴリに分類できます。2 最初から最も理解しやすいものは重力沈降です。これは水滴または粒子の重量 (重力) が流動ガスによって生成された抗力を超えた場合に発生します。

これに関連するより効率的なメカニズムは遠心分離です。これは、遠心力が流動ガスによって生成された抗力を超えた場合に発生します。遠心力は、重力の数倍になる場合があります。

3つ目の分離メカニズムは慣性衝突と呼ばれ、ファイバーや衝突障壁がある流路内を通るときに発生します。この場合、ガス流はこれらの障害物の周辺の複雑なパスをたどりますが、固体または液体の水滴は、直線的なパスをたどることが多いため、これらの障害物に影響します。これが発生すると、水滴または粒子では速度の低下や凝集が発生し、最終的には容器の底まで落ちるか、ファイバーメディア内に閉じ込められたままになります。
最後に、4つ目の分離メカニズムは、非常に微細なエアロゾル (0.1µm以下) で発生します。拡散遮断またはブラウン運動と呼ばれるこのメカニズムは、微粒子エアロゾルが気体分子と衝突したときに発生します。この衝突により、エアロゾルは障壁内を回る液体の流路から外れて、エアロゾルがファイバー表面にぶつかって、除去される可能性が高まります。3

この文書では、水滴および粒子のサイズは、ミクロン単位です。1µmは、1ミリメートルの1/1000、または1インチの39/1,000,000です。図1は、さまざまな物質のサイズをミクロン単位で示しています。

図1:
典型的な異物の粒子の直径



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気液分離技術

重力分離器
重力分離器またはノックアウトドラムでは、重力が分離を制御します。ガス速度が遅く、容器のサイズが大きいほど、気液分離効率は高くなります。沈降させるために大きいサイズの容器が必要となることから、重力分離器は、300µm以下の水滴を除去するように設計されていることはまれです。4 ノックアウトドラムは、通常、一括分離に使用されるか、初期段階のスクラバーとして使用されます。ノックアウトドラムは、リリーフシステムやファウリングサービスなどで、容器内部を最小にすることが必要な場合に便利です。5 高い分離効率が必要な場合は、重力分離器を除去のための唯一の装置として使用することはお勧めしません。

遠心分離器
遠心分離器またはサイクロン集塵器では、エアロゾルに対して重力の数倍の力の遠心力が働きます。通常、サイクロン集塵器は直径100µm以上のエアロゾルの除去に使用され、適切なサイズのサイクロン集塵器では最低10µmまでのエアロゾルを適切な効率で除去できます。サイクロン集塵器による除去効率は、10µm以下のミスト粒子では非常に低くなります。6 低気圧およびノックアウトドラムは、ろう状またはコークス状の物質に推奨されます。

ミスト除去
ミスト除去器の分離メカニズムは慣性衝突です。通常、ファイバーあるいはニット・メッシュで構成されるミスト除去器のパッドは、最小1~5µmまでの水滴を除去できますが、ミスト除去器のパッドは液体の再飛散を防ぐために、低速で操作する必要があるため、それらを含む容器は比較的大きいものになります。

翼型フィルター分離器
翼分離器は、単純に言うと容器内の一連の調節板またはプレートです。この分離器においても、分離を制御するメカニズムは慣性衝突です。翼分離器は、除去効率について質量速度に敏感に反応しますが、主に、より効率の高い排水によって、液体の再飛散が削減するため、ミスト除去器よりも高速で操作することができます。ただし、複雑なネットワークを構成するプレート間のパスが比較的大きいため、翼分離器は、比較的大きいサイズ (10µm以上) の水滴しか除去できません。翼分離器は、ガス速度が設計速度を超えると、ミスト除去器パッドの容器を改造するために使用されることがよくあります。7

気液分離コアレッサー
気液分離コアレッサー・カートリッジは、ミスト除去器パッドと翼分離器の両方の特徴を組み合わせていますが、バルク液の除去には通常、推奨されません。バルク液体システムでは、通常、高効率コアレッサーをノックアウトドラムまたは衝突分離器のダウンストリームに配置します。ガスは結合したファイバー状材料の非常に微細な層を通って流れます。液体の排水を促進するために外側はラップで覆われています (下の図2を参照)。コアレッサーカートリッジは、最低0.1µmまでの水滴を捕捉できます。適切に設計とサイジングにより、ファイバー層から凝集した水滴が排出され、液体の再飛散も、機器全体での圧力損失の増大もなく、ミスト除去器パッドや翼分離器の場合よりもはるかに高いガス流速が実現します。

図2:  コアレッサー断面図




図1では、これらの各技術を要約し、適切な選定のためのガイドラインをご紹介しています。ご覧のとおり、5µm以下の微細エアロゾルを含むシステムでは、コアレッサーを選択する必要があります。ガスから微細エアロゾルを除去することにより、コンプレッサーシステムにおける経済性、信頼性、メンテナンス上の大きな利益につながります。

表1: 液体/ガス分離器のタイプ

製造技術 除去される水滴のサイズ
重力分離器 最低300µmまで
遠心分離器 最低8~10µmまで
ミスト除去器パッド 最低10µmまで
翼型分離器 最低10µmまで
高効率L/Gコアレッサー 最低0.1µmまで

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微細エアロゾルの形成

微細な液体エアロゾルがガス流に入り込む方法には、次のようなものがあります。

• 飽和ベーパーからの結露
• 噴霧化 (流量制限によるスプレー効果)
• 液体の再飛散8

天然ガス流におけるエアロゾルのサイズの分布図により、5µm以下の水滴の多くは、
チョークバルブおよびその他の制約がある場合9、またはベーパーが露点にある場合10には、標準的であることが最近の研究で確認されています。図3で示した測定は、翼分離器 (重力分離器と、ミスト除去器パッドおよび同等の水平型フィルター障壁の組み合わせ) の下流側で採取した天然ガス流における液体エアロゾルの濃縮率を見極めるために実行されました。結果は、多くの場合で、水滴が小さすぎるためにこれらの分離器で捕捉できないため、大量のエアロゾルがこのタイプの分離器を通過する可能性があることを示しています。そのため、下流側装置の保護または貴重な液体生成物の回収のために高い回収率が必要な場合は、常に気液分離コアレッサーが最適な技術となります。

図3:
エアロゾルのサイズ




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評価/サイジング

コアレッサーは、ガス流からの微細固体粒子のろ過と液体エアロゾルの凝集の両方を実行するという点で、フィルターとは異なる機能があることを留意しておくことが重要です。コアレッサーのサイジングやろ過精度は、液体の除去に関連するため、コアレッサーの最終的な性能にとって非常に重要です。コアレッサーのサイズが小さすぎると、液体の再飛散が絶えず発生し、液体分離効率が非常に低くなる結果となり、プロセスの変更への対応に弱くなります。コアレッサーのサイジングの重要性については図4に示しています。この図では、処理流量が多すぎるという問題に直面した場合 (ガス流内に高濃度のエアロゾルがあるため、またはガス流量が高いため)、コアレッサーの性能が急激に低下することがあることを示しています。これは、最大許容値を超えると性能徐々に低下する他のほとんどの分離装置とは著しく異なる点です。

図4:
コアレッサー効率の変化とガス流量の対比



コアレッサーの性能評価の従来の手段は、DOP (フタル酸ジオクチル) 試験です。11 この試験では、管理された状態でDOPベーパーの結露によって直径0.3µmの単分散エアロゾルが継続的に生成されます。エアロゾル生成が安定化すると (一定の粒子サイズとエアロゾル濃度)、光散乱光度計によってコアレッサーの上流側と下流側でDOPの濃度が測定されます。結果は、使用した流量でのDOP貫通のパーセントとして表されます。

DOP試験の主な欠点には以下のものがあります。12

1. 試験は乾燥した、または不飽和のカートリッジで実行されます。乾燥したカートリッジは、基本的にはスポンジのように機能し、通過する液体をすべて吸収します。DOP試験で測定を行わないと、液体がコアレッサーのメディアを飽和し、下流側で再飛散が発生する可能性がある場合に、液体を保持することがあります。

2.これは次の欠点につながります。飽和要素全体での実際の圧力損失と比較したとき、アセンブリー全体で測定した圧力損失が過小評価されています。飽和DPは、クリーンDPよりも約2~4倍大きくなります。

3.試験は不完全真空で実行されます。ここでのガス特性 (密度および粘度) は、実際の作動圧力で使用されているものと非常に異なります。DOP試験の条件は、コアレッサーの効率を誇張する傾向があります。

In order to avoid shortcomings of the DOP test, Pall has developed the Liquid Aerosol Separation Efficiency (LASE) test.この試験は、製油所やガス処理プラントと同様の条件下での圧縮ガス流におけるコアレッサーの性能の測定のみを目的として開発されました。この試験に使用するシステムの概略を図5に示します。

図5: 液体エアロゾル分離効率試験の概略図
 


LASE試験は、DOP試験とは次のような点で異なります。

1. 効率をより正確かつ有意義に測定できます。基本的に、DOP効率は0.3µmのフタル酸ジオクチル水滴の何パーセントがドライ・コアレッサーによって除去されるかを示し、LASE試験は、コアレッサーの下流側ガス中の異物のppmwを示します。つまり、LASE試験でわかることは、下流側装置にどれだけの汚染物質が流出するかを示します。

2.DOPは、ガス処理や製油所のガス流では通常見られない液体である単分散 (同じサイズなど) のDOP水滴を使用します。LASE試験は、水滴のサイズが0.1~0.9µmの潤滑油を使用します。

3.LASE試験は、飽和カートリッジ上や陽圧の下で実行することにより、プロセス条件をより厳密にシミュレーションします。

表2は、DOPとLASE試験の比較を示しています。



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設計とサイジングに対する影響

コアレッサーの設計を改善する目的は、液体の再飛散を防ぐ一方で、効率を最大化することです。再飛散は、コアレッサーにたまった液体の水滴が既存のガスによって運ばれるときに発生します。これは、出口ガスの速度、または環状速度が排液される水滴の重力を超える場合に発生します。

正しいコアレッサーサイズの重要性については、前に説明しました。コアレッサーの設計やサイズ設定では、次のパラメーターを考慮する必要があります。
  • メディアを通過するガス速度
  • メディアを通過した二次側のガスの環状速度
  • 入口ガスにおける固体および液体エアロゾル濃度
  • コアレッサーの排液性能

入口のエアロゾル濃度以外のこれらの各要因は制御できます。ガス流量が一定のとき、メディアでの流速は、メディアの孔構造の粗さを変更したり、使用するカートリッジの数を増減させることによって制御できます。ただし、メディアが粗くなるほど、液体の除去におけるコアレッサーの効率は低くなります。

ガス流量が一定のとき、ガスの出口速度は、容器のサイズやカートリッジ間のスペースを増減させることによって制御できます。

排液能力は、表面エネルギーの低いコアレッサー素材を選択するか、メディアの表面エネルギーを、凝集する液体の表面張力よりも低い値に低下させるケミカルを用いてコアレッサー・メディアを処理することで改善できます。13 表面エネルギーが低い素材を使用すると、フィルターメディアが液体で濡れるのを防ぎ、液体がメディアのファイバーを通って排出されやすいようになります。ファイバー素材で凝集した液体は、孔に溜まればガスに押し出されたり再飛散したりすることも考えられますが、孔に蓄積することなくファイバー層から急速に落下していきます。図6は、化学薬品による処理でコアレッサーに効果があることを示しています。ケミカル処理されたカートリッジの最大流量が、サイズが小さい未処理のカートリッジの最大流量よりも2倍以上になっていることが分かります。

図6:
コアレッサーの性能に関するケミカル処理の効果



孔が非常に微細なカートリッジが多本数使われている大型ハウジングが、ガス流で発生する可能性がある液体の問題を容易に解決するという設計パラメーターから、結論を出すことができるかもしれません。当然、このような大型容器に関わるコストは非常に高くなります。容器のサイズとカートリッジの量が減少すれば、再飛散しやすくなり除去効率は低下します。さらに、アセンブリーのサイズが小さくなれば圧力損失が増加し、運用コストが上昇する可能性もあります。そのため、最適化が必要となります。コアレッサー機器を評価する場合は、その機器全体のサイズの決定時にこれらのパラメーターをすべて考慮するようにしてください。コアレッサーは、ノックアウトドラムまたはその他の衝突捕集分離器との併用が最も適しています。


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気液分離コアレッサーの現場試験

液体の除去が必要なガス流を試験する現場では、次の情報が提供されます。

1. 気体中の液体量
2. 液体の効率的な凝集の可能性
3. 存在する固体微粒子状物質の量

結果として、正確なサンプリングが重要になります。気体中に存在する液体の量と性質を調査する際に特に重要になるのは、試験用コアレッサーカートリッジを通過するガス流量を正確に測定することです。

そのために、完全な試験キットをサイドストリームの気液分離コアレッサー試験を実行するように設計してきました。この試験キットは、図7に示されています。試験キットには、(1) 小さいボールバルブで個別の排液槽に接続されているカートリッジのためのコアレッサーハウジング、(2) フランジ、オリフィス板、および差圧計を備えたコアレッサーハウジングの出口側オリフィス流量計(3) コアレッサーハウジングを通過するガス流量を制限するニードルバルブ、(4) 流入するガスと排出されるガスの特性を分析する2つのガス試験キットを同時に接続できる、コアレッサーハウジングの上流側と下流側の2つのサンプルポート、(5) 試験キットをメインのガスラインと排出ラインに接続する、2本の柔軟性のある長いステンレススチール製ホースが含まれています。

図7:
Schematic of Pall LG Coalescer Test Stand



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試験の手順

現場試験のために現地入りする前に、システムの状態 (圧力、温度、ガス流量、ガスの種類、および可能であればガス流内の液体濃度) を確認するためにプラントと連絡を取ります。この情報に基づいて、指定された範囲内でのガス流量を測定するためのオリフィス板を選択します。オリフィスの選択には、圧力損失を最小限に抑えてガス濃縮と水和物形成が含まれないようにする目的もあります。

サイドストリームの試験キットを配置すると、再飛散を防止するために流量が基準の流量以下に調整されます。コアレッサーカートリッジが飽和すると、コアレッサーハウジングの上流と下流側の試験キットに試験用メンブレンが挿入され、排液槽は、カートリッジが飽和している間にたまった可能性がある液体が排出されて空になり、実際に試験が開始されます。
試験の最後には、排液槽にたまった液体量が測定され、その後、ラボで分析するためにサンプル用のボトルに回収されます。試験用メンブレンも、気体中に浮遊していた固体量を調べ、その固体異物の定性的同定のために回収されます。液体エアロゾルの濃度は、凝集した液体の量とサンプリングされたガスの量で決まります。

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現場試験の結果

ガス処理プラントと石油精製プラントの双方における49のガス流 (天然ガス、二酸化炭素、水素、および燃料ガス) の現場試験結果から、大部分のガス流に大量の液体が存在していることがわかっています。これらの試験結果が図8にまとめられています。試験対象となった49のストリームのうち85%以上 (49件の試験中の43件) で、液体濃度が1ppmwを上回りました。この液体濃度では、回転装置に重要な問題が生じ、アミン接触ユニットでの処理作業を低下させる可能性があります。

図8: 石油精製プラントおよびガス処理プラントにおけるガス流の現場試験結果





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結論

1. ガスと液体の分離技術を選択するには、処理条件の知識だけではなく、液体異物の特性に関する知識も必要です。水滴の直径、濃度、液体にろう引またはファウリングの傾向があるかどうかに基づいて選択してください。

2.現場のデータを分析したことで、大部分のガス処理で生じる微細な水滴 (1μm以下) の存在から、下流側装置を保護したり高価な液体を回収したりするために高い回収率が求められる場合は、高効率の気液分離コアレッサーを推奨します。

3.コアレッサーのサイズ決定と設計は非常に重要です。コアレッサーを一度でも大量の液体にさらすと、過度のエアロゾル濃縮または大量のガス流量によってコアレッサーの効率が瞬く間に低下します。

4.液体エアロゾル分離効率 (LASE) 試験は、実際の稼働状態 (飽和要素、実際的な圧力損失、および濃度や粘度などのガスの特性) に非常に近い状態でコアレッサーカートリッジを試験することが可能であるため、気液分離コアレッサーにとって有意義な性能試験です。

5.コアレッサーメディアの表面処理によってファイバー素材での液体排出力が向上し、特定の流れを処理する必要があるカートリッジの数が50%まで減少しました。

6.現場試験で、大量の液体が石油精製プラントとガス処理プラントでのガス流に存在することが示されています。

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参考文献

1. C.R. Pauley、D.G. Langston、およびF. C. Betts、「Redesigned Filters Solve Foaming, Amine Loss Problems at Louisiana Gas Plant (ルイジアナ州のガスプラントでの発泡、アミン損失の問題を解決する再設計されたフィルター)」、『Oil & Gas Journal』、4,1991年2月。

2.『Perry’s Chemical Engineers’ Handbook』、第6版、McGraw-Hill、ニューヨーク、1984年、第18章、48~56ページ。

3.『Perry’s Chemical Engineers’ Handbook』、第6版、McGraw-Hill、ニューヨーク、1984年、第18章、48~56ページ。

4.K. J. Fewel Jr.、J. A. Kean、「Computer Modeling Aids Separator Retrofit (コンピューターモデリングで分離器の組み込みを補助)」、『Oil & Gas Journal』、1992年7月6日。

5.A. K. Coker、「Computer Program Enhances Guidelines for Gas-Liquid Separation Designs (ガス-液体分離設計のためのガイドラインを強化するコンピュータープログラム)」、『Oil & Gas Journal』、1993年5月10日。

6.『Perry’s Chemical Engineers’ Handbook』、第6版、McGraw-Hill、ニューヨーク、1984年、第18章、48~56ページ。

7.K. J. Fewel Jr.、J. A. Kean、「Computer Modeling Aids Separator Retrofit (コンピューターモデリングで分離器の組み込みを補助)」、『Oil & Gas Journal』、1992年7月6日。

8.『Perry’s Chemical Engineers’ Handbook』、第6版、McGraw-Hill、ニューヨーク、1984年、第18章、48~56ページ。

9.C. A. G. ReganおよびM. Baker、「A Novel Separator/Scrubber Design Program - The Impact of Upstream and Downstream Equipment on Separation Performance (新しい分離器/スクラバー設計プログラム - 分離性能における上流および下流側装置の影響)」、ガス処理協会 (ヨーロッパ支部) 第9回Continental Meetingのパンプレットにて発表、1992年5月14~15日。

10.『Perry’s Chemical Engineers’ Handbook』、第6版、McGraw-Hill、ニューヨーク、1984年、第18章、48~56ページ。

11.C. Dickenson、『Filters and Filtration Handbook』、第3版、Elsevier Adv. Tech、オックスフォード、1992年、44-47.

12.K. Williamson、S. Tousi、およびR. Hashemi、「Recent Developments in Performance Rating of Gas/Liquid Coalescer (ガス/液体コアレッサーの性能評価における新しい展開)」、全米ろ過協会第1回年次ミーティングのパンプレット、3月21~25日、メリーランド州オーシャンシティ。

13.J. D. Miller、E. E. Koslow、K. W. Williamson、米国特許4,676,807、1987年6月30日、ID、米国特許4,759,782、1988年7月26日

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