DE10310002B3

DE10310002B3 - Trennverfahren und Trennvorrichtung für Flüssigkeit und Gas in einem Zwei-Phasen-Gemisch

Info

Publication number: DE10310002B3
Application number: DE2003110002
Authority: DE
Inventors: Tobias Hirsch
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2003-02-27
Filing date: 2003-02-27
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2023-02-28

Abstract

Um eine Trennvorrichtung für Flüssigkeit und Gas in einem Zwei-Phasen-Gemisch, mit einer Abzweigung, welche ein Strömungsrohr mit einem Eingang und einem gegenüberliegenden ersten Ausgang aufweist und welche einen zweiten Ausgang aufweist, welcher, bezogen auf die Schwerkraftrichtung, oberhalb des ersten Ausgangs angeordnet ist, so zu verbessern, daß sich mit ihr ein hoher Abscheidegrad erzielen läßt, ist vorgesehen, daß der erste Ausgang, bezogen auf die Schwerkraftrichtung, tiefer liegt als der Eingang.

Description

Die Erfindung betrifft ein Trennverfahren für Flüssigkeit und Gas aus einem Zwei-Phasen-Gemisch, bei dem eine Zwei-Phasen-Strömung durch eine Abzweigung geführt wird, wobei die Abzweigung einen Eingang, einen gegenüberliegenden ersten Ausgang und einen zweiten Ausgang aufweist, der zweite Ausgang bezogen auf die Schwerkraftrichtung oberhalb des ersten Ausgangs angeordnet ist und der erste Ausgang bezogen auf die Schwerkraftrichtung unterhalb des Eingangs gelegt wird.
Ferner betrifft die Erfindung eine Trennvorrichtung für Flüssigkeit und Gas in einem Zwei-Phasen-Gemisch, mit einer Abzweigung, welche ein Strömungsrohr mit einem Eingang und einem gegenüberliegenden ersten Ausgang aufweist und welche einen zweiten Ausgang aufweist, welcher bezogen auf die Schwerkraftrichtung oberhalb des ersten Ausgangs angeordnet ist, wobei der erste Ausgang bezogen auf die Schwerkraftrichtung tiefer liegt als der Eingang.
Es ist beispielsweise aus dem Artikel von B.J. Azzopardi, "T Junctions As Phase Separators For Gas Liquid Flows: Possibilities And Problems", Trans IChemE, Vol. 71, Part A, May 1993, Seiten 273 – 281 bekannt, T-Stück-Abzweigungen zur Trennung von Zwei-Phasen-Gemischen einzusetzen. Es wird dabei der Unterschied in den Dichten der beiden Phasen Gas und Flüssigkeit und der damit verbundene Trägheitsunterschied ausgenutzt, um die leichtere Gasphase in einen vertikalen Seitenarm des T-Stücks zu leiten. Die flüssige Phase strömt geradeaus. Dazu kommt noch der Effekt der Schwerkraft, der eine Ansammlung der schwereren flüssigen Phase am Boden des Strömungsrohrs bewirkt.
In der Veröffentlichung "Hydrodynamic analysis aids slug-catcher design" von A. R. Huntley und R. S. Silvester in Technology, 1983, Oil & Gas Journal 95 sind Schwallflußfängervorrichtungen (slug catcher) beschrieben. Bei einem Konzept wird der Schwall durch einen horizontalen Verteiler zu einer Mehrzahl von geneigten Röhren geführt. Die Neigung ermöglicht die Ausbildung einer gegenläufigen Zwei-Phasen-Strömung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Trennverfahren der gattungsgemäßen Art so zu verbessern, daß sich ein hoher Abscheidegrad erzielen läßt.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Trennverfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Zuführungsparameter so eingestellt werden, daß in der Abzweigung Schichtströmung, Wellenströmung oder höchstens beginnende Ringströmung vorliegt und daß die Abzweigung so ausgebildet wird oder gegenüber der Horizontalebene so geneigt wird, daß sich ein durch den Film-Stopp-Mechanismus hervorgerufener Flüssigkeitsberg mindestens nicht in einem Kreuzungsbereich der Abzweigung ausbilden kann.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Trennverfahrens werden im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Trennvorrichtung erläutert.
Die Zuführungsparameter des Zwei-Phasen-Gemischs werden so eingestellt, daß in der Abzweigung Schichtströmung, Wellenströmung (wavy flow) oder höchstens beginnende Ringströmung vorliegt. Wenn eine voll ausgebildete Ringströmung vorliegt, dann kann Flüssigkeit aus dem Strömungsrohr direkt in den Seitenarm eindringen. In diesem Falle ist dann eine Abzweigung weniger geeignet, einen hohen Abscheidegrad zu erzielen. Jedoch läßt sich selbst hier mit der erfindungsgemäßen Lösung ein höherer Abscheidegrad als bei waagrecht ausgerichteter Abzweigung erzielen.
Zu den Zuführungsparametern gehören im wesentlichen der Druck, mit welchem das Zwei-Phasen-Gemisch der Abzweigung zugeführt wird, und der Flüssigkeitsmassenstrom und der Gasmassenstrom. Bei höherem Zuführungsdruck erhöht sich die Dichte des Gases und bei gleichem Massenstrom verringert sich die Geschwindigkeit. Dadurch kann bei einem vorgegebenen Gasmassenstrom die Geschwindigkeit über Erhöhung des Drucks verringert werden. Eine Geschwindigkeitsverringerung läßt sich auch erreichen, wenn der Querschnitt des Strömungsrohrs der Abzweigung vergrößert wird. Je höher die Gasgeschwindigkeit, desto eher kann sich eine vollständige Ringströmung ausbilden.
Es ist möglich, den Abscheidegrad über den Druckverlust des Gasstroms zu ermitteln, wobei der Druckverlust an der Abzweigung an einem mit dem zweiten Eingang in Wirkverbindung stehenden Bereich gemessen wird. Wenn zumindest näherungsweise die Gasströmung in dem Seitenarm als Einphasenströmung behandelt werden kann, dann läßt sich über den gemessenen Druckverlust direkt der Abscheidegrad ermitteln. Es müssen dann keine Volumenstrommessungen und dergleichen durchgeführt werden, um die Qualität der Phasentrennung bestimmen zu können.
Der Endung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Trennvorrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß sich mit ihr ein hoher Abscheidegrad erzielen läßt.
Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Trennvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Abzweigung so ausgebildet oder geneigt ist, daß sich ein durch den Film-Stopp-Mechanismus hervorgerufener Flüssigkeitsberg mindestens nicht in einem Kreuzungsbereich der Abzweigung ausbilden kann.
Untersuchungen haben ergeben, daß bei horizontal ausgerichtetem Strömungsrohr der sogenannte Film-Stopp-Mechanismus auftritt. Dieser Film-Stopp-Mechanismus ist durch einen Druckanstieg nachfolgend einem Kreuzungsbereich der Abzweigung bewirkt. Er verursacht einen Anstieg des Flüssigkeitspegels im Kreuzungsbereich der Abzweigung; aufgrund dieses Anstiegs entsteht ein Flüssigkeitsberg, aus dem die Gasströmung Tropfen herausreißen kann und mit sich transportieren kann. Diese Flüssigkeitstropfen können dadurch zu dem zweiten Ausgang gelangen, wodurch sich der Abscheidegrad erniedrigt. Je höher die Geschwindigkeit des Gasstroms ist, um so stärker sinkt der Abscheidegrad.
Durch die erfindungsgemäße Tieferlegung des ersten Ausgangs, beispielsweise durch Neigung der Abzweigung oder durch treppenartige Ausbildung des Strömungsrohrs, wird dem Film-Stopp-Mechanismus entgegengewirkt, da der für die Ausbildung eines Flüssigkeitsbergs verantwortliche Druckgradient durch die Schwerkraft überwunden wird. Es kann somit kein Flüssigkeitsberg entstehen und dadurch werden erheblich weniger Tropfen aus der Flüssigkeit mitgerissen und mittransportiert, so daß sich wiederum der Abscheidegrad erhöht.
Erfindungsgemäß läßt sich dadurch auf konstruktiv einfache Weise eine Erhöhung des Abscheidegrads erreichen.
Es ist vorgesehen, daß der erste Ausgang bezogen auf die Schwerkraftrichtung tiefer liegt als der Eingang, um so den Druckgradienten, welcher wiederum den Film-Stopp-Mechanismus hervorruft, überwinden zu können.
Die Abzweigung ist dann so geneigt, daß sich ein durch den Film-Stopp-Mechanismus hervorgerufener Flüssigkeitsberg mindestens nicht in einem Kreuzungsbereich der Abzweigung bilden kann.
Die Tieferlegung wird auf einfache Weise erreicht, wenn das Strömungsrohr bezogen auf die Horizontalebene geneigt ist. Die Horizontalebene ist eine Ebene senkrecht zur Schwerkraftrichtung. Es hat sich gezeigt, daß der Abscheidegrad sich erhöhen läßt, wenn die Abzweigung gegenüber dieser Horizontalebene geneigt wird, d. h. wenn insbesondere das Strömungsrohr in einem Winkel verschieden von 90° zur Schwerkraftrichtung liegt.
Es hat sich gezeigt, daß bei Neigungswinkeln, welche mindestens 3° betragen, ein verbesserter Abscheidegrad erhalten wird.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn der Neigungswinkel mindestens 5° beträgt. Versuche haben ergeben, daß in einem weiten Bereich der Zuführungsparameter (Druck, Flüssigkeitsmassenstrom, Gasmassenstrom) sich dann ein hoher, weitgehend von den Zuführungsparametern unabhängiger Abscheidegrad ergibt, sofern keine vollständige Ringströmung ausgebildet ist. Es wird erwartet, daß der Abscheidegrad auch bei Neigungswinkeln bis 70° hoch bleibt.
Es kann vorgesehen sein, daß das Strömungsrohr einen kreisförmigen Innenquerschnitt hat, um den Strömungseinfluß aufgrund der geometrischen Ausbildung des Innenrohrs zu minimieren.
Der zweite Ausgang ist vorzugsweise an einem Rohrstück gebildet, welches quer an dem Strömungsrohr sitzt und insbesondere rechtwinklig an dem Strömungsrohr bezogen auf eine Längsachse des Strömungsrohrs sitzt. Durch dieses Rohrstück ist dann ein bei ungeneigter Abzweigung vertikaler Seitenarm gebildet, über den sich gasreiche Phase abführen läßt. Das Rohrstück liegt mindestens mit seinem Ausgang (dem zweiten Ausgang) auf einem höheren Gravitationspotential als der erste Ausgang.
Es kann vorgesehen sein, daß das Rohrstück rechtwinklig an dem Strömungsrohr bezogen auf eine Querachse des Strömungsrohrs sitzt, wobei die Querachse eine Achse senkrecht zur Längsachse des Strömungsrohrs ist. Dadurch bilden dann die Längsachse des Rohrstücks und die Längsachse des Strömungsrohrs eine Ebene, welche parallel zur Schwerkraftrichtung orientiert ist.
Es ist ebenfalls günstig, wenn das Rohrstück einen kreisförmigen Innenquerschnitt aufweist.
Die übersichtlichsten Verhältnisse ergeben sich, wenn die Abzweigung ein T-Stück ist.
Der zweite Ausgang liegt vorzugsweise quer zum ersten Ausgang, so daß eine Strömungsrichtung eines Fluids durch den zweiten Ausgang quer und insbesondere rechtwinklig zu einer Strömungsrichtung eines Fluids durch den ersten Ausgang liegt. Dadurch läßt sich auf effektive Weise der Dichteunterschied zwischen gasförmiger Phase und flüssiger Phase ausnutzen.
Insbesondere weisen der Eingang und der erste Ausgang den gleichen Querschnitt auf. Es ist vorzugsweise auch vorgesehen, daß der Eingang und der zweite Ausgang den gleichen Querschnitt aufweisen.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
1 eine schematische Schnittdarstellung einer Abzweigung zum Einsatz bei der Trennung von Flüssigkeit und Gas aus einer Zwei-Phasen-Strömung in einer aus dem Stand der Technik bekannten Anordnung;
2 schematisch die Positionierung der Abzweigung gemäß 1 bei der erfindungsgemäßen Trennvorrichtung;
3 eine grafische Darstellung der Strömungsverhältnisse bei der Anordnung der Abzweigung gemäß 1, wobei der Druck 1,2 bar beträgt, der Massenstrom des Gases 40 g/s und der Massenstrom der Flüssigkeit 20 g/s;
4 die Strömungsverhältnisse, wenn die Abzweigung gemäß 3 um 10° geneigt ist;
5 die Strömungsverhältnisse bei ungeneigter Abzweigung bei einem Druck von 1,2 bar, einem Gasmassenstrom von 80 g/s und einem Flüssigkeitsmassenstrom von 70 g/s;
6 die Strömungsverhältnisse, wenn die Abzweigung gemäß 5 um 10° geneigt ist;
7 den Abscheidegrad als Funktion des Gasmassenstroms bei verschiedenen Flüssigkeitsmassenströmen, wenn die Abzweigung ungeneigt ist (offene Symbole) und um 10° geneigt ist (geschlossene Symbole und Kreuz);
8 den Abscheidegrad als Funktion des Wassermassenstroms, wenn Wasser als Flüssigkeit eingesetzt wird, in der ungeneigten Stellung und in der um 10° geneigten Anordnung der Abzweigung;
9 den Druckverlust als Funktion des Gasmassenstroms im Vergleich zwischen ungeneigter Abzweigung und geneigter Abzweigung und
10 den Abscheidungsgrad als Funktion des Neigungswinkels bei verschiedenen Zuführungsparametern der Zwei-Phasen-Strömung.
Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, Abzweigungen für die Trennung von Flüssigkeit und Gas aus Zwei-Phasen-Gemischen einzusetzen (siehe beispielsweise B.J. Azzopardi, "T Junctions As Phase Separators For Gas Liquid Flows: Possibilities And Problems", Trans IChemE, Vol. 71, Part A, May 1993, Seiten 273–281). Eine entsprechende Abzweigung 10 umfaßt, wie in 1 gezeigt, ein Strömungsrohr 12, welches einen Eingang 14 und einen ersten Ausgang 16 aufweist. An den Eingang 14 ist eine Zuführungsvorrichtung zur Zuführung von Flüssig-Gas-Gemischen angekoppelt. An den ersten Ausgang 16 ist eine Abführungsvorrichtung angekoppelt.
Der Eingang 14 und der erste Ausgang 16 sind mit ihren Mündungen quer und insbesondere rechtwinklig zu einer Längsachse 18 des Strömungsrohrs 12 orientiert. Der Eingang 14 und der erste Ausgang 16 sind gegenüberliegend, wobei sie insbesondere den gleichen Querschnitt sowohl bezüglich Querschnittsform als auch bezüglich Querschnittsfläche und Durchmesser aufweisen.
Das Strömungsrohr 12 weist insbesondere einen kreisförmigen Innendurchmesser auf.
An dem Strömungsrohr 12 sitzt zur Bildung eines Seitenarms ein Rohrstück 20 mit einem Ausgang, welcher einen zweiten Ausgang 22 der Abzweigung 10 bildet. Dieser liegt bezogen auf die Schwerkraftrichtung (in 1 durch den Pfeil mit dem Symbol g angedeutet) oberhalb des ersten Ausgangs 16, d. h. liegt auf einem höheren Gravitationspotential.
Das Rohrstück 20 weist ebenfalls einen kreisrunden Innenquerschnitt auf. Seine Längsachse 24 liegt quer zu der Längsachse 18 des Strömungsrohrs 12. Beispielsweise ist diese Längsachse 24 senkrecht zu der Längsachse 18 des Strömungsrohrs 12 orientiert. Die Abzweigung 10 ist dann durch ein T-Stück gebildet.
An den zweiten Ausgang 22 ist eine Abführungseinrichtung für Fluid gekoppelt.
Das Rohrstück 20 ist mit dem Strömungsrohr 12 fluidwirksam verbunden. Ein dem zweiten Ausgang 22 gegenüberliegender Innenbereich 26 des Rohrstücks 20 ist fluidwirksam mit dem Inneren des Strömungsrohrs 12 verbunden, so daß Fluid aus dem Strömungsrohr 12 über diesen Innenbereich 26 in das Rohrstück 20 strömen kann. In dem Strömungsrohr 12 ist durch den Überlappungsbereich zwischen einer (gedachten) Verlängerung des Rohrstücks 20 und dem Innenraum des Strömungsrohrs 12 ein Kreuzungsbereich 27 gebildet.
Die Abzweigung 10 ist vorzugsweise so orientiert und ausgebildet, daß die durch die Längsachse 18 des Strömungsrohrs 12 und die Längsachse 24 des Rohrstücks 20 aufgespannte Ebene parallel zur Schwerkraftrichtung liegt.
Wenn eine (geeignete) Zwei-Phasen-Strömung über den Eingang 14 in die Abzweigung 10 eintritt, dann findet bei geeigneten Strömungsparametern aufgrund der unterschiedlichen Dichten und damit einhergehenden unterschiedlichen Trägheiten von Flüssigkeit und Gas eine Phasentrennung statt. Die leichtere Gasphase wird in das Rohrstück 20 umgelenkt. Die flüssige Phase strömt bevorzugt geradeaus. Aufgrund der Schwerkraft reichert sich die flüssige Phase auch am unteren Boden des Strömungsrohrs 12 an.
Der Abscheidegrad ist definiert als das Verhältnis des am ersten Ausgang 16 ausgekoppelten Massenstroms an Flüssigkeit zu dem über den Eingang 14 eingekoppelten Massenstrom an Flüssigkeit. Beträgt der Abscheidegrad 100 %, dann strömt über den zweiten Ausgang 22 keine Flüssigkeit ab.
Bei einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Trennvorrichtung ist nun, wie in 2 schematisch gezeigt, die Abzweigung 10 gegen die Horizontalebene 28, welche senkrecht zu der Schwerkraftrichtung liegt, um einen Winkel α geneigt. Der Eingang 14 liegt dabei höher als der erste Ausgang 16. Die Längsachse 18 des Strömungsrohrs 12 ist dadurch gegen die Horizontalebene 28 geneigt. Der Winkel α ist dabei größer als 3° und insbesondere größer als 5°.
Die erfindungsgemäße Trennvorrichtung weist entsprechende Halteelemente auf, um die Abzweigung 10 in dieser geneigten Stellung zu halten. Wie unten noch näher erläutert wird, läßt sich durch die Neigung der Abscheidegrad erhöhen.
Es kann vorgesehen sein, daß an das Rohrstück 20 eine Druckmeßvorrichtung 30 gekoppelt ist, welche einen Drucksensor 32 umfaßt. Der Drucksensor 32 ist dabei bevorzugterweise über ein Aufnahmegefäß 34 an das Rohrstück 20 gekoppelt, wobei das Aufnahmegefäß 34 Flüssigkeit aufnimmt, die sonst zu dem Drucksensor 32 gelangen könnte. Zwischen dem Drucksensor 32 und der Flüssigkeit im Aufnahmegefäß 34 ist ein Gaspolster gebildet, mittels welchem sich der Druckverlust ermitteln läßt. Im Bereich des Eingangs 16 sitzt ein ähnliches Aufnahmegefäß (in der Zeichnung nicht gezeigt), welches über ein Gaspolster ebenfalls mit dem Drucksensor 32 verbunden ist. Dieser erfaßt dadurch direkt den Differenzdruck und damit den Druckverlust.
Das erfindungsgemäße Trennverfahren wird vorzugsweise im Bereich der geschichteten Strömung, der Wellenströmung oder höchstens einer gerade beginnenden Ringströmung eingesetzt, wie unten noch näher beschrieben wird.
Bei der Ringströmung liegt ein voll ausgebildeter Strömungsring an der Innenwand des Strömungsrohrs 12 vor. Aufgrund dieser Ringströmung tritt dann auch verstärkt Flüssigkeit direkt in das Rohrstück 20 ein.
In 3 ist ein Beispiel für die Strömungsausbildung bei einer ungeneigten Abzweigung gezeigt. Die vollen Pfeile deuten den Flüssigkeitsstrom und die nicht ausgefüllten Pfeile den Gasstrom an. Der Durchmesser des Strömungsrohrs 12 und des Rohrstücks 20 betrug dabei 5 cm. Der Druck betrug 1,2 bar bei einem Gasmassenstrom von 40 g/s und einem Flüssigkeitsmassenstrom von 20 g/s. Die Flüssigkeit war Wasser und das Gas Luft. Man erkennt im unteren Bereich des Rohrs die Strömung (die im Versuch durch Einfärbung sichtbar gemacht wurde). Flüssigkeitstropfen 36 werden aufgrund des Gasstroms herausgerissen und in das Rohrstück 20 mitgerissen. Dadurch liegt am zweiten Ausgang 22 keine reine Gasströmung vor, d. h. der Abscheidegrad ist kleiner als 100 %.
In dem Kreuzungsbereich 27 steigt der Flüssigkeitspegel an und es bildet sich ein Flüssigkeitsberg 38. Dieser Flüssigkeitsberg ist auf den sogenannten Film-Stopp-Mechanismus zurückzuführen. Dieser Film-Stopp-Mechanismus ist durch einen Druckanstieg hinter dem Kreuzungsbereich 27 verursacht. Aus dem Flüssigkeitsberg 38 wiederum können leichter Tropfen mitgerissen werden und in das Rohrstück 20 gelangen. Der Film-Stopp-Mechanismus verschlechtert also den Abscheidegrad. Je höher die Geschwindigkeit des Gasstroms ist, desto mehr erniedrigt sich der Abscheidegrad, da mit steigender Geschwindigkeit mehr Tropfen herausgerissen und in dem Gasstrom, welcher in das Rohrstück 20 umgeleitet und in diesem transportiert wird, mehr Tropfen transportiert werden können.
Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, dem Flüssigkeitsberg 38 dadurch entgegenzuwirken, daß ein Teil der Gasströmung durch den ersten Ausgang 16 hindurchgeleitet wird. Der entsprechende Anteil wird durch das Gasteilungsverhältnis z (gas flow split ratio) charakterisiert, welches als das Verhältnis des durch den ersten Ausgang 16 ausgekoppelten Gasmassenstroms zu dem in den Eingang 14 eingekoppelten Gasmassenstrom definiert ist. Der Gasstrom, welcher durch den ersten Ausgang 16 strömt, muß dann hinterher wieder von Flüssigkeit gereinigt werden.
Erfindungsgemäß wird nun die Abzweigung 10 gegenüber der Horizontalebene 28 geneigt. In 4 sind die Strömungsverhältnisse bei den gleichen Zuführungsparametern wie bei der ungeneigten Stellung gemäß 3 dargestellt. Der Neigungswinkel betrug 10°.
Man erkennt eine gleichmäßigere Ausbildung der Flüssigkeitsströmung unten an dem Strömungsrohr 12. Ein Flüssigkeitsberg bildet sich nicht aus. Dadurch ist das Mitreißen von Tropfen durch den Gasstrom stark verringert, wodurch sich wiederum der Abscheidegrad erhöht.
Durch die Neigung der gesamten Abzweigung 10 gegenüber der Horizontalebene 28 kann der Druckgradient, welcher für die Ausbildung des Flüssigkeitsbergs 38 verantwortlich ist, mittels der Schwerkraft überwunden werden, so daß eben, wie in 4 gezeigt, kein Flüssigkeitsberg entstehen kann. Durch das erfindungsgemäße Trennverfahren wird also der Film-Stopp-Mechanismus überwunden.
In 5 sind Strömungsverhältnisse gezeigt, die sich bei ungeneigter Abzweigung 10 ergeben, wobei der Druck 1,2 bar betrug, der Gasmassenstrom 80 g/s und der Flüssigkeitsmassenstrom 70 g/s.
Man erkennt wiederum einen Flüssigkeitsberg 40. Aufgrund des im Vergleich zu 3 höheren Gasmassenstroms werden vermehrt Flüssigkeitstropfen aus dem Flüssigkeitsberg 40 herausgerissen und in dem Gasstrom zu dem zweiten Ausgang 22 transportiert. Man erhält dadurch einen schlechten Abscheidegrad.
Man kann auch erkennen, daß bei diesen Zuführungsparametern sich eine Ringströmung auszubilden beginnt: An einer Oberseite 42 des Strömungsrohrs 12 strömt ein Flüssigkeitsfilm 44 als Teil einer Ringströmung bzw. einer sich ausbildenden Ringströmung, wobei Flüssigkeit aus diesem Flüssigkeitsfilm 44 über eine Kante 46, an welcher das Rohrstück 20 und das Strömungsrohr 12 aufeinandertreffen, in das Rohrstück 20 strömen kann.
In 6 sind die Strömungsverhältnisse bei den gleichen Strömungsparametern wie in 5 dargestellt, wenn die Abzweigung 10 um 10° gegenüber der Horizontalebene 28 geneigt ist. Man erkennt wiederum, daß sich kein Flüssigkeitsberg 38 ausbildet. Der wesentliche Anteil der Flüssigkeit, welche in das Rohrstück 20 gelangt, stammt von dem Flüssigkeitsfilm 44 aufgrund der beginnenden Ausbildung einer Ringströmung.
Messungen haben gezeigt, daß der Abscheidegrad weitgehend unabhängig von den Zuführungsparametern ist (Druck und Massenströme an Gas und Flüssigkeit), wenn der Neigungswinkel größer 5° ist. Messungen haben weiterhin gezeigt, daß auch bei Neigungswinkeln bis mindestens 50° ein hoher Abscheidegrad vorliegt, mindestens sofern keine voll ausgebildete Ringströmung vorliegt. Es wird erwartet, daß auch bis ca. 70° der Abscheidegrad ein hohes Niveau aufweist.
Bei Neigungswinkeln zwischen 3° und 5° kann es vorkommen, daß bei bestimmten Strömungskonfigurationen sich Flüssigkeitsberge 38, 40 ausbilden können, was zum Absinken des Abscheidegrads führt.
In 7 ist der Abscheidegrad als Funktion des Gasmassenstroms gezeigt (bei einem Zwei-Phasen-Gemisch aus Luft und Wasser). Die oberen Meßwerte (ausgefüllte Symbole und Kreuz-Symbol) geben den Abscheidegrad bei einer Neigung der Abzweigung 10 um 10° bei verschiedenen Flüssigkeitsmassenströmen an. Die nicht ausgefüllten Symbole (Raute, Quadrat, Dreieck) sind die entsprechenden Abscheidegrade bei ungeneigter Stellung, d. h. bei parallel zur Horizontalebene 28 orientiertem Strömungsrohr 12.
Man erkennt aus diesem Diagramm deutlich, daß durch das erfindungsgemäße Trennverfahren, d. h. durch Neigung der Abzweigung 10 gegenüber der Horizontalebene 28, ein erhöhter Abscheidegrad erreicht wird. Diese Erhöhung wird um so signifikanter, je größer der Gasmassenstrom ist.
Der Meßwert 48 entspricht den Zuführungsparametern, die das Strömungsbild gemäß 3 ergeben. Der Meßwert 50 entspricht den Zuführungsparametern, welche das Strömungsbild gemäß 4 ergeben.
Der Wert, welcher sich für die Zuführungsparameter ergibt, die wiederum das Strömungsbild gemäß 5 ergeben, liegt beim Wert 52 in 7, während der Wert des Abscheidegrads, welcher sich bei den Zuführungsparametern ergibt, die zu dem Strömungsbild gemäß 6 liegen, sehr viel höher liegt (in 7 durch das Bezugszeichen 54 angedeutet).
Wie aus 7 ersichtlich ist, nimmt der Abscheidegrad mit zunehmendem Gasmassenstrom ab, da vermehrt Flüssigkeit mitgerissen und transportiert werden kann.
Je höher der Flüssigkeitsmassenstrom ist, desto höher ist auch der Abscheidegrad bei ungeneigter Abzweigung 10. Dies ist darauf zurückzuführen, daß bei höherem Flüssigkeitsmassenstrom der Flüssigkeitsberg 38, 40 näher zu dem ersten Ausgang 16 verschoben wird, so daß durch das Gas weniger Flüssigkeitstropfen herausgerissen werden können.
In 8 ist der Abscheidegrad über dem Wassermassenstrom (bei Wasser als Flüssigkeit) bei einem Gasmassenstrom von 80 g/s und einem Druck von 1,2 bar als Ergebnis von Messungen gezeigt.
Bei einer Neigung von 10° gegenüber der Horizontalebene hat sich die Meßkurve 56 ergeben. Bei der ungeneigten Positionierung gegenüber der Horizontalebene 28 hat sich die Meßkurve 58 ergeben. Man erkennt, daß der Abscheidegrad in der geneigten Stellung deutlich höher ist als in der ungeneigten Stellung. Die Unterschiede werden mit größeren Wassermassenströmen geringer, da die Flüssigkeitsberge in Richtung des ersten Ausgangs verschoben werden.
Zum Vergleich ist noch eine Kurve 60 gezeigt, die dadurch erhalten wurde, daß über den ersten Ausgang 16 ein Teilgasstrom ausgekoppelt wurde mit einem Gasteilungsverhältnis von z = 15 %. Man erkennt, daß hier ein höherer Abscheidegrad erhaltbar ist gegenüber dem Fall z = 0 (Kurve 58). Durch das erfindungsgemäße Trennverfahren mit Neigung der Abzweigung 10 wird jedoch auf konstruktive einfachere Weise eine noch höhere Abscheidungseffektivität erzielt. Auch eine nachfolgende Reinigung eines zweiten Gasstroms ist nicht notwendig.
In 9 sind Meßergebnisse für den Druckverlust, gemessen über die Druckmeßvorrichtung 30, als Funktion des Gasmassenstroms gezeigt. Die oberen Kurven 62, und 66 wurden dabei bei ungeneigter Abzweigung 10 erhalten; im Fall der Rautensymbole betrug der Flüssigkeitsmassenstrom 20 g/s, im Fall des Quadrats 40 g/s und im Fall des Dreiecks 60 g/s.
Die Kurve 68 mit den Kreuzsymbolen stellt den Vergleichsfall dar, wenn der Flüssigkeitsmassenstrom Null ist, d. h. wenn keine Zwei-Phasen-Strömung vorliegt.
In diesem Fall läßt sich der Druckverlust näherungsweise berechnen zu Δp = 1/2ζρgug 2 mit dem Druckverlustbeiwert ζ = 1,3.
ρ_g ist die Dichte des Gases und u_g die Geschwindigkeit der Gasströmung.
Die Kurven 70 und 72 entsprechen dem geneigten Fall mit einem Neigungswinkel von 10°, wobei ein Flüssigkeitsmassenstrom von 20 g/s vorliegt (Raute) oder 40 g/s vorliegt (Quadrat).
Die Kurve 74 zeigt den Fall, bei dem ein Flüssigkeitsmassenstrom von 60 g/s bei einer Neigung von 10° vorliegt. Man erkennt an der Kurve 74, daß bei größeren Massenströmen eine Abweichung von der Einphasenfall-Kurve 68 vorliegt. Der Druckverlust ist dann so groß, daß er nicht mehr durch die obige Formel für den Einphasenfall beschreibbar ist.
Es ergibt sich jedoch ein Bereich 76, der im vorliegenden Fall (bei einem Druck von 1,2 bar) bis zu einem Bereich eines Gasmassenstroms von ca. 70 g/s reicht, bei dem der Druckverlust demjenigen des einphasigen Falls (Kurve 68) im wesentlichen entspricht. In diesem Bereich 76 ergibt sich auch ein Abscheidegrad, welcher oberhalb 95 % liegt. Der Neigungswinkel kann zwischen ca. 5° und 15° variiert werden, um den Druckverlust in guter Näherung durch obige Formel beschreiben zu können.
In 10 ist der Abscheidegrad in seiner Abhängigkeit vom Neigungswinkel α gezeigt. Die Kurve 78 ist für einen Gasmassenstrom von 80 g/s bei einem Flüssigkeitsmassenstrom von 40 g/s und bei einem Druck von 2,0 bar erhalten worden. Die Kurve 80 wurde für den gleichen Gasmassenstrom aber bei einem Flüssigkeitsmassenstrom von 70 g/s und einem Druck von 2,0 bar erhalten.
Die Kurve 82 wurde bei einem Druck von 1,2 bar, einem Gasmassenstrom von 60 g/s und einem Flüssigkeitsmassenstrom von 40 g/s erhalten. Die Kurve 84 wurde entsprechend bei einem Flüssigkeitsmassenstrom von 70 g/s erhalten.
Man erkennt aus den Kurven 78, 80, 82 und 84, daß bei diesen Gasmassenströmen und Flüssigkeitsmassenströmen und bei diesen Drücken ein hoher Abscheidegrad erreicht wird, welcher unabhängig von dem Neigungswinkel ist, wobei jedoch eine Neigung vorliegen muß.
Die Kurven 86 und 88 wurden bei einem Druck von 1,2 bar und einem Gasmassenstrom von 80 g/s erhalten, wobei im Fall der Kurve 86 der Flüssigkeitsmassenstrom 40 g/s und im Falle der Kurve 88 der Flüssigkeitmassenstrom 70 g/s beträgt. Der Abscheidegrad ist hier deutlich geringer. Dies ist darauf zurückzuführen, daß sich eine vollständige Ringströmung ausgebildet hat, so daß der bevorzugte Einsatzbereich der Trennvorrichtung überschritten ist.
Man erkennt also, daß ein hoher Abscheidegrad im Bereich der Ausbildung einer Schichtströmung, einer Wellenströmung oder höchstens einer beginnenden Ringströmung erzielbar ist.
Es ist noch anzumerken, daß bei Erhöhung des Drucks die Dichte des Gases sich ebenfalls erhöht und bei gleichem Massenstrom sich die Geschwindigkeit des Gases verringert. Dies ist die Ursache dafür, daß sich bei einem Druck von 1,2 bar und einem Gasmassenstrom von 80 g/s und einem Flüssigkeitsstrom von 40 g/s eine Ringströmung ausbildet (Kurve 86), während sich bei einem Druck von 2,0 bar noch keine vollständige Ringströmung ausbilden kann (Kurve 78).
Bei dem erfindungsgemäßen Trennverfahren wird die Abzweigung 10, bei der es sich insbesondere um ein T-Stück handelt, gegenüber der Horizontalebene 28 um einen Winkel α geneigt, wobei dieser Winkel mindestens 3° beträgt und vorzugsweise mindestens 5° beträgt. Dadurch ist die Längsachse 18 des Strömungsrohrs 12 gegenüber dieser Horizontalebene 28 geneigt und der Eingang 14 und der erste Ausgang 16 liegen nicht mehr auf dem gleichen Gravitationspotential. Über diese Neigung läßt sich der Film-Stopp-Mechanismus überwinden. Insbesondere wird die Ausbildung eines Flüssigkeitsbergs in dem Kreuzungsbereich 27 im wesentlichen verhindert.
Erfindungsgemäß läßt sich in einem weiten Zuführungsparameterbereich mit einfachen Mitteln ein erhöhter Abscheidegrad erreichen, d. h. die Trenneffektivität läßt sich auf einfache Weise erhöhen.

Claims

Trennverfahren für Flüssigkeit und Gas aus einem Zwei-Phasen-Gemisch, bei dem eine Zwei-Phasen-Strömung durch eine Abzweigung geführt wird, wobei die Abzweigung einen Eingang, einen gegenüberliegenden ersten Ausgang und einen zweiten Ausgang aufweist, der zweite Ausgang bezogen auf die Schwerkraftrichtung oberhalb des ersten Ausgangs angeordnet ist und der erste Ausgang bezogen auf die Schwerkraftrichtung unterhalb des Eingangs gelegt wird, dadurch gekennzeichnet , daß die Zuführungsparameter so eingestellt werden, daß in der Abzweigung Schichtströmung, Wellenströmung oder höchstens beginnende Ringströmung vorliegt und daß die Abzweigung so ausgebildet wird oder gegenüber der Horizontalebene so geneigt wird, daß sich ein durch den Film-Stopp-Mechanismus hervorgerufener Flüssigkeitsberg mindestens nicht in einem Kreuzungsbereich der Abzweigung ausbilden kann.
Trennverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel größer als 3° ist.
Trennverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel größer als 5° ist.
Trennverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abscheidegrad über den Druckverlust des Gasstroms ermittelt wird, wobei dieser Druckverlust an der Abzweigung an einem mit dem zweiten Eingang in Wirkverbindung stehenden Bereich gemessen wird.
Trennvorrichtung für Flüssigkeit und Gas in einem Zwei-Phasen-Gemisch, mit einer Abzweigung (10), welche ein Strömungsrohr (12) mit einem Eingang (14) und einem gegenüberliegenden ersten Ausgang (16) aufweist und welche einen zweiten Ausgang (22) aufweist, welcher bezogen auf die Schwerkraftrichtung oberhalb des ersten Ausgangs (16) angeordnet ist, wobei der erste Ausgang (16) bezogen auf die Schwerkraftrichtung tiefer liegt als der Eingang (14), dadurch gekennzeichnet , daß die Abzweigung (10) so ausgebildet oder geneigt ist, daß sich ein durch den Film-Stopp-Mechanismus hervorgerufener Flüssigkeitsberg (38; 40) mindestens nicht in einem Kreuzungsbereich (27) der Abzweigung (10) ausbilden kann.
Trennvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungsrohr (12) bezogen auf die Horizontalebene (28) geneigt ist.
Trennvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel (α) mindestens 3° beträgt.
Trennvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel (α) mindestens 5° beträgt.
Trennvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungsrohr (12) einen kreisförmigen Innenquerschnitt hat.
Trennvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Ausgang (22) an einem Rohrstück (20) gebildet ist, welches quer an dem Strömungsrohr (12) sitzt.
Trennvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrstück (20) rechtwinklig an dem Strömungsrohr (12) bezogen auf eine Längsachse (18) des Strömungsrohrs (12) sitzt.
Trennvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrstück (20) rechtwinklig an dem Strömungsrohr (12) bezogen auf eine Querachse des Strömungsrohrs (12) sitzt, wobei die Querachse eine Achse senkrecht zur Längsachse (18) des Strömungsrohrs (12) ist.
Trennvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrstück (20) einen kreisförmigen Innenquerschnitt aufweist.
Trennvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Abzweigung (10) ein T-Stück ist.
Trennvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Ausgang (22) quer zum ersten Ausgang (16) liegt.
Trennvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang (14) und der erste Ausgang (16) den gleichen Querschnitt aufweisen.
Trennvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang (14) und der zweite Ausgang (22) den gleichen Querschnitt aufweisen.