-
Zentrifugalabscheider (Trennanmeldung aus P 17 69 240.9-43, AT 24.4.1968)
Die Erfindung bezieht sich auf einen Abscheider zum Abscheiden einer ersten Komponente
aus einer sie mitführenden Strömung einer zweiten, leichteren Komponente in einer
Rohrleitung, beispielsweise zum Abschei den einer Flüssigkeit aus einem eine Rohrleitung
durch strömenden Gas, mit einem Wirbelrohr von gestreckter Form und im wesentlichen
kreisförmigem Querschnitt, welches zuströmseitig eine Einlaßöffnung für die in der
Rohrleitung verlaufende Strömung und abströmseitig einen Auslaß für die im wesentlichen
von der ersten Komponente
freie zweite Komponente bzw. für das im
wesentlichen flüssigkeitsfreie Gas aufweist sowie zwei im wesentlichen koaxial zueinander
fest angeordnete Rohrabschnitte hat, die unter Bildung eines axialen Schlitzes nahe
dem Abström-Ende des Wirbelrohres iil Langsrichtung gegenseitigen Abstand haben,
und welches Einrichtungen enthält, mittels deren zur Trennung der Komponenten bzw.
-
Abscheidung von Gas und Flüssigkeit unter Fliehkraftwirkung der Strömung
eine Drallbewegung um die Längsachse des Wirbelrohres erteilbar ist.
-
Bei einem solchen Zentrifugalabscheider ist vorgeschlagen worden,
um den axialen Schlitz der Wirbelkammer herum unmittelbar eine Flüssigkeits-Sammelkammer
anzuordnen, so daß die Flüssigkeit unter Zentrifugalwirkung durch den axialen Schlitz
hindurch direkt in die Sammelkammer ausgeschleudert wird. Im Betrieb derartiger
Abscheider ist es unvermeidbar, daß ein Teil des Gases ebenfalls durch den axialen
Schlitz hindurch in die Sainmelkammer ausgestoßen wird. Demgegenüber sind relativ
kleine Flüssigkeitsteilchen der Zentrifugalwirkung nicht in ausreichendem Maße unterworfen,
um sie durch den Schlitz austreten zu lassen, so daß diese Teilchen im Gasstrom
verbleiben. Bisherige Abscheider der genannten Art haben demgemäß einen relativ
niedrigen Wirkungsgrad.
-
Die vorliegende Erfindung soll die angeführten Nachteile beseitigen.
-
Bei einem Abscheider der eingangs erwähnten Art ist erfindungsgemäß
vorgesehen, daß das Wirbelrohr in einem in die Rohrleitung einsetzbaren rohrförmigen
Mantel
so angeordnet ist, daß zwischen dem Wirbelrohr und dem M
Mantel eine über den axialen Schlitz mit dem Innenraum des Wirbelrohres strömungsverbundene
Schwerkraft-Trenukammer gebildet ist, daß zwischen letzterer und einer zuströmseitigen
Stelle im Nittelpunkv des Wirbelrohres ein Durchlaßkanal verläuft und daß eine Flüssig-Keits-Sammeleinrichtung
einen am Zuström-Ende des Wirbelrohres mit der 5 chwe rkraft -Trennkammer strömungsve
rbundenen Einlaß zum Abführen von Flüssigkeit aus der Schwerkraft-Trennkammer aufweist.
-
Somit erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Abscheider der Abscheidevorgang
in zwei Stufen. Ein das Wirbelrohr durchströmendes Gas-Flüssigkeits-Gemisch wird
zunächst zentrifugiert. Anschließend wird die Flüssigkeit und eine geringe Gasmenge
in einer durch den axialen Schlitz hindurch verlaufenden Strömung aus dem Wirbelrohr
in die Schwerkraft-Trennkammer abgezogen.
-
Diese Strömung fließt langsam durch die Schwerkraft-Trennkammer und
ermöglicht so das Absetzen der Flüssigkeit aus der verringerten Gasmenge unter Schwerkraftwirkung.
-
Der von der Schwerkraft-Trennkammer in das Wirbelrohr verlaufende
Durchlaßkanal dient zum Erzeugen eines Unterdruckes in der Schwerkraft-Trennkammer
durch Absaugen des abgeschiedenen Gases aus ihr und zum. Rückführen des Gases in
die Wirbelkammer. Der Unterdruck in der Schwerkraft-Trennkammer fördert das Abziehen
der Flüssigkeit durch den axialen Schlitz des Wirbelrohres.
-
Das Verhältnis der Querschnittsflächen des axinlen Schlitzes und
des Durchlasses liegt vorzugsweise zwischen 0,2 mid 2,0.
-
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung.
Darin zeigt: Fig. 1 eine teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht eines Durchgangsabscheiders
und Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Abscheider nach Fig. 1, mit besonderer Kennzeichnung
bestimmter Abmessungen desselben.
-
Fig. 1 zeigt einen in eine Rohrleitung 102 eingesetzten Durchgangs
Abscheider 101, der im dargestellten Beispiel ein eil der Rohrleitung bildet. Der
Abscheider enthält ein aus zuström- bzw. abströmseitigen Rohrabschnitten 104 und
105 gebildetes Wirbelrohr 103. Die Rohrabschnitte 104, 105 weisen in axialer Richtung
gegensertigen Abstand auf, so daß nahe dem Abströmende des Wirbelrohrs 103 ein schmaler,
ringförmiger axialer Schlitz 106 gebildet ist. Das Wirbelrolir 103 ist mit gewissen
Abstand im wesentlichen konzentrisch von einem äußeren Nantel oder Rohr 107 umgeben.
Dadurch ist zwischen dem Wirbelrohr 103 und dem Mantei 107 eine an den Enden verschlossene
Schwerkraft-Trennkammer 108 mit ringförmigem Querschnitt gebildet. In dem an der
Zuströmseite angeordneten Rohrabschnitt 104 ist eine Nabe 109 mit kreisförmigem
querschnitt und daran angebrachten, radial verlaufenden leitschaufeln 110 befestigt.
Die Nabe 109 weist eine
Durchlaß-Bohrung 11 auf, welche über ei@@
Mündung 111a in den Rohrabschnitt 104 mündet. Die Bohrung 111 ist mit einer Leitung
112 strömungsvarbunden, so daß ein abgeschlossener Durchlaßkanal zur ringförmigen
Kammer 108 gebildet ist. Dadurch ist der Schlitz 106 über eine geschlossene Leitung
mit der Mündung 111a verbunden.
-
In der ringförmigen Kammer 108 mündet ein Sammelbehälter 113 zum Abführen
der Flüssigkeit aus dieser. Das Verhältnis zwischen der Querschnittsfläche des Schlitzes
106 zu derjenigen der Bohrung 111 beträgt vorzugsweise zwischen 0,2 und 2,0.
-
Nachstehend sind die Bestandteile des Abscheiders in näheren Einzelheiten
beschrieben. Das Wirbelrohr 103 weist im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt
auf. Es setzt sich zusammen aus einem an der Zuströmseite angeordneten, längeren
Rohrabschnitt 104 und einem kürzeren Rohrabschnitt 105 an der Abströmseite. Die
Rohrabschnitte sind mittels den Schlitz 106 überbrückender Stege 114 im wesentlichen
koaxial miteinander in gegenseitigem Abstand gehalten. Der Schlitz 106 verläuft
über den gesamten Umfang der Rohrabschnitte 104, 105. Ein vollständig umlaufender
Schlitz ist notwendig, um Materialbrücken zu vermeiden, über welche ein Teil der
Flüssigkeit hinwegströmen könnte, woraus sich eine Verschlechterung der Abscheideleistung
ergäbe.
-
Das äußere Rohr 107, welches im gezeichneten Beispiel ein mittels
Flanschen in die Leitung 102 eingesetztes Teil derselben bildet, umschließt das
Wirbelrohr 103 in einigem Abstand.
-
An den beiden Enden des Wirbelrohres 103 sind Dichtungsflansche 115
vorgesehen, mittels deren es zwischen den Anschlußflanschen des äußeren Rohres 107
und der Leitung 102 eingespannt ist. Die Flansche 115 bilden eine Abdichtung der
Enden der Kammer 108.
-
Die Leitung 112 erstreckt sich quer über den Rohrabschnitt 104 neben
seinem Gas-Flüssigkeits-Einlaß.
-
Sie ist beispielsweise durch Verschweißen starr befestigt.
-
Um die dadurch bewirkte Störung der Hauptströmung möglichst gering
zu halten, weist die Leitung 112 ovale Querschnittsform auf. Ihre Enden münden in
der Kammer 108.
-
Die Leitung 112 trägt eine Nabe 109, welche zur Innenfläche des Rohrabschnitts
104 einigen Abstand aufweist. Die Längsachse der Nabe 109 fällt mit derjenigen des
Rohrabschnitts 104 zusammen, in welchem sie angeordnet ist. Die Nabe 109 ist von
einer Mittelbohrung 111 durchsetzt. Diese verbindet das Innere der Leitung 112 mit
dem Innenraum des Rohrabschnitts 104. Im dargestellten Beispiel ist die Nabe etwa
nach Art einer Zigarre stromlinienförmig ausgebildet, um Störungen der Strömung
aufs äußerste zu beschränken. Die Nabe 109 trägt entlang ihrem Umfang eine Anzahl
radial angeordneter Leitschaufeln 110, die gegenüber der Längsachse des Rohrabschnitts
104 geneigt verlaufen, so daß sie der Strömung eine um die Längsachse herum verlaufende
Drallbewegung erteilen.
-
Eine gleichartige Wirkung ließe sich bekanntlich durch tangentiales
Einleiten der Strömung in den Rohrabschnitt 104 erzielen. Derartige gleichwertige
Einrichtungen zur Erzeugung einer Drallbewegung der Strömung sind
im
Rale@@@@ der Brfingung inbegriffen. Bei Abscheidern, wclelle, praktisch ein Teil
der Leitung bilden, sind jedoch die Leitschaufeln vorzuziehen.
-
Die Mittelbohrung 111 durchsetzt die Nabe 109 und verbindet den Innenraum
des Wirbelrohres 103 mit der Leitung 112. Die Längsachse der Bohrung 111 fällt mit
derjenigen des Wirbelrohres zusammen. Da die Beitung 112 mit der Kammer 108 strömungsverbunden
ist, verläuft eine gesclulossene Leitung vom Innenraum des Wirbelrohres 103 bis
zum Schlitz 106. Da entlang der Längsachse des Wirbelrohres eine Unterdruckzone
besteht, wird am Schlitz 106 eine Saugwirkung ausgeübt.
-
Bei der Drallbewegung der Strömung wird durch Fliehkraftwirkung Flüssigkeit
aus dem Gas ausgeschieden.
-
Sie sammelt sich an der Innenfläche des vorderen Abschnitts 104 des
Wirbelrohres. Das unter Umherwirbeln in Längsrichtung strömende Gas nimmt die Flüssigkeit
entlang der Innenfläche mit zum umlaufenden Schlitz 106.
-
Die an letzterem auftretende Saugwirkung zieht die Flüssigkeit und
einen Teil des Gases aus dem Wirbelrohr 103 ab, während ein Großteil des Gases seinen
Weg in Abströmrichtung fortsetzt.
-
Nahe der Zuströmseite des Wirbelrohres 103 ist mit der Kammer 108
ein Sammelgefäß 113 strömungsverbunden. Das Gefäß 113 dient dazu, in der ringförmigen
Kammer 108 unter Schwerkraftwirkung ausgeschiedene Flüssigkeit zu sammeln und zurückzuhalten.
Das Gefäß ist mit einem Auslaß und (nicht dargestellten) Einrichtungen, etwa einen
Schwimmer, zur Steuerung des Ablassens von Flüssigkeit daraus versehen.
-
Die Kammer 108 besitzi-l eine solche Länge, daß der größte Teil der
Flüssigkeit unter Schwerdraftwirkung aus dem sie druchströmenden Gas ausfällt. In
dem am Gefäß 113 vorüber und in die Bohrung 111 zurückströmenden Gas noch enthaltene
Flüssigkeit wird beim Eintritt in das Wirbelrohr erneut zentrifugiert und darauf
dem Sammelkreislauf wieder zugeführt.
-
Somit erfolgt das Abscheiden beim erfindungsgemäßen Abscheider in
zwei Schritten bzw. Stufen. Das schnell in der Leitung 102 strömende Gas-Flüssigkeits-Gemisch
wird in dem Wirbelrohr 103 Fliehkräften unterworfen, um Flüssigkeit und Gas voneinander
zu trennen. Eine im wesentlichen die gesamte Flüssigkeit und ein Teil des Gases
enthaltende Strömung wird dadurch den Schlitz 106 hindurch abgezogen. Diese Strömung
bewegt sic dank ihres geringen Volumens langsam durch die ringförmige Kammer 108.
Die verlangsamte Geschwindigkeit ermöglicht das Ausfallen der Flüssigkeit unter
Schwerkraftwirkung.
-
Dadurch, daß die ringförmigen Querschnitt aufweisende Kammer 108
durch das Wirbelrohr 103 und das äußers Rohr 107 gebildet ist, ist der Materialbedarf
vorteilhaft verringert.
-
Es wurde festgestellt, daß zum Erzielen einer guien Abscheideleistung
bestimmte Abmessungsbezichungen zwischen den Teilen des Abscheiders günstig sind.
Die folgenden Formeln und Beziehungen sind nicht als die Erfindung beschränkend
aufzufassen, da von ihnch abgewichen werden kann, ohne den Betrieb des Abscheiders
crnstlch zu beeinträchtigen. Sie sind aber als nützliches Hilfsmittel für die Konstruktion
einer leistungsfähigen Ausführungsform brauchbar.
-
Diese Formeln und Beziehungen, bei denen die in Fig. 2 eingesetzten
Symbole die einzelnen Abmessungen bezeichnen, lauten wie folgt: 1. C = 345 # Q #
P # dp wobei Q = Durchflußmenge in MMCF/Tag, C = Abscheiderkoeffizient, G = Dichte
des Gases, Z = Gaskompressibilitätsfaktor, T = Temperatur in °Rankin, dP = Druckabfall
über den Abscheider in psig und p = statischer Druck am Einlaß in psia ist.
| Optimale Konstruktion Sicherheitsbegrenzung |
| für typische Anwendungsfälle |
| C = 1,5#D C > 1,3#D (C sollte so groß |
| gewählt werden, daß die Ge- |
| schwindigkeit in der ringförmi- |
| gen Kammer 108 unter etwa 1,5 |
| m/s (5 ft/sec) liegt, so daß |
| eine Schwerkraftabscheidung |
| eintreten kann. Gewöhnlich |
| wird annähernd 3,5 % der gesam- |
| ten Gasmenge durch die ring- |
| förmige Kammer 108 zurückge- |
| fiihrt). |
| L = 10#D L = 5.D bis 15-D |
| H = 0,67#D H = 0,50#D bis 0,75#D |
| Optimale Konstruktion Sicherheitsbegrenzung |
| für typische Anwendungsfällc |
| R = O,25.D R = 0,20D bis O,33D |
| M = R2/4-D M = R2/2-D bis R2/8-D, # 20% |
| N = M |
| A = 45° A = 35° bis 50° |
Hierbei sind: : D = Innendurchmesser des Wirbelrohres, C = Innendurchmesser des
äußeren Rohres, L = abstand der Leitschaufeln vom Schlitz, H = Durchmesser der Nabe,
R = Durchmesser der Nabenbohrung, M = Breite des Schlitzes, N = Einwärts-Überkragung
des stromabwärts gelegenen Schlitzrandes und A = Winkel zwischen dem Verlauf der
Gasströmung und der Axialrichtung an der Wirbelrohrwand. Dieser Winkel ist durch
die Leitschaufeln sowie die Nabenform bestimmt und annähernd gleich dem Winkel der
stromabwärts gelegenen Leitschaufel-Enden.
-
Die Werkstoffe für die Herstellung sowie die Art der Herstellung
des Abscheiders sind äe nach den Bedingungen, unter denen der Abscheider eingesetzt
werden soll, veränderlich. Bei Verwendung in einer Gastransportleitung muß der Abscheider
beispielsweise unter einem Druck von etwa 70,3 kp/cm2 (1000 psig) arbeiten. Deshalb
wird der Abscheider im allgemeinen als Stahlkonstruktion mit geschweißten Verbindungen
ausgeführt.
-
Eine Ausführungsform der Erfindung sei nun anhand des felgenden Beispiels
erläutert.
-
Bei einer Anlage zum Abscheiden von H2S und CO2 aus Erdgas traten
Flüssigkeibsverluste auf. In dieser Anlage wi@@ das Erdges durch Türme geleitet
und in Kontakt mit Diäthanol-amin euracht, welches das H2S und C02 aus de Gas aufnimmt.
Anschließend wird das Amin aus den Türmen heraus zu einem Auskocher geführt, in
welchem H2S und CO2 durch Erwärmung ausgetrieben werden. Der aus dem Kocher austretende
H2S und CO2 enthaltende sogenannte Säuregasstrom wird unter Luftzusate in einem
Reaktionsofen teilweise verbrannt, wobei sich gasförmiger Schwefel bildet. Die heißen
Reaktionsgese durchströnen zur Unterstützung der Reaktion ein Katalysatorbett und
werden dann gekührlt, um den Schwefel zu verfliissigen, der abgesetzt bzw. genutzt
(verkauft)wird.
-
In der beschriebenen Anlage wurden geringe Mengen Amin mit dem Säuregas
aus dem Kocher ausgetragen und im Reaktionsofen verbrannt. Das bei der Verbre@nung
des Amins entstehende Teerprodukt setzte sich auf dem Katalysator ab und verkürzte
dadurch dessen Nutzungs- bzw. Lebensdauer beträchtlich. Zur Trennung des Amins aus
dem Sauregasstrom wurde ein Abscheider benötigt. Der verfügbare Raum reichte jedoch
für herkömmliche abscheider nicht aus.
-
Für die gegebenen Betriebsbedingungen wurde ein Serien- oder Leitungs-Rückführabscheider
gebaut und in senkrechter Lage innerhalb des verfägbaren Raums in die Säuregasleitung
eingesetzt. Der Abscheinder-Einlaß lag dabei oben. Ein Teil der ringförmigen Kammer
unterhalb des Schlitzes diente zum Sammeln und Abf@bren des abgeschiede-@en Amins,
so daß kein besorderes Sammelgefäß erforber@ich
war. Der Abscheider
schied im wescntlichen das gesamte Amin aus dem Säuregas ab und verringerte somit
die Schwierigkeiten erheblich.
-
Die Linzelheiten des Abscheiders und der Betriebsbedingungen sind
wie folgt: Betriebsdruck 0,56 kp/cm2 (8 psig) Gasdurchflußmenge 26000 Nm3/Tag (9#106
standard cubic feet per day) Temperatur 37,3 °C (100 °F) Gaszusammensetzung 70%
H2S, 30% CO2 Abscheiderdruckabfall 0,07 kp/cm2 (1 psi) Leitungs-Innendurchmesser
30,5 cm (12 in) Wirbelrohr-Innendurchmesser 30,5 cm (12 in) Außenrohrdurciimesser
40,7 cm (16 in) Länge über alles 3,048 m (10 ft).
-
Die übrigen Abmessungen des Abscheiders lassen sich aufgrund der
vorstehend angeführten optimalen Konstruktionsbeziehungen errechnen.