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Zentrifugalabscheider zur Trennung von Flüssigkeiten und
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Gasen und Verfahren zum Trennen eines Flüssigkeit-Gasgemisches Die
Erfindung betrifft das mittels Zentrifugalwirkung vorgenommene Abscheiden von Flüssigkeit,
die in einem Gas enthalten ist Insbesondere betrifft die Erfindung die Abscheidung
von Öl und Wasser aus Erdgas.
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Bekannt sind Vorrichtungen, bei welchen eine zylindrische Kammer mit
zwei Abschnitten, d.h. mit einem unteren, konisch geformten Abschnitt und mit einem
oberen Abschnitt zur Anwendung gebracht wird.
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Das Gas- und Flüssigkeitsgemisch wird bei Vorrichtungen dieser Art
tangential in den unteren Abschnitt eingespritzt, so dass ein in Schraubenform umlaufendes
Gemisch von Gas und Flüssigkeit entsteht. Für das
Gas ist eine in
der Mitte befindliche axiale Röhre vorgesehen, derart, dass sich das Gas nach oben
in Richtung eines Auslassrohres bewegen kann, während sich die Flüssigkeit an der
Innenfläche der Kammer nach unten gerichtet bewegt und am Boden des unteren Abschnittes
abgesogen wird.
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Vorrichtungen dieser bekannten Konstruktion sind jedoch nicht geeignet,
grosse Mengen von Flüssigkeit zu verarbeiten. Demgegenüber ist die Vorrichtung nach
der Erfindung vorgesehen, um grosse Volumen oder Mengen von Flüssigkeit verarbeiten
zu können.
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Mit der vorliegenden Erfindung soll ein in sich geschlossenes Gerät
geschaffen werden, bei welchem ein Gemisch von Gas mit eingeschlossenem Öl unter
Druck eingeleitet werden kann, derart, dass die Flüssigkeit vom Boden des Gerätes
abgesogen und im wesentlichen flüssigkeitsfreies Gas von der Oberseite abgelassen
werden kann.
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Die Vorrichtung nach der Erfindung, welche zur Lösung dieser Aufgabe
beiträgt, ist mit einem vertikal angeordneten zylindrischen Mantel oder Hüllenkörper
ausgestattet, welcher durch zwei unter Abstand befindliche quergerichtet verlaufende
Trennkörper in drei Kammern unterteilt ist.
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Das Gas- und Flüssigkeitsgemisch wird durch eine nahe des unteren
Teil- oder Trennkörpers befindliche Öffnung in die untere Kammer eingeleitet, wobei
dem Gemisch eine tangentiale Bewegung hoher Geschwindigkeit erteilt wird. Bei diesem
sich drehenden Wirbel wird der grösste Anteil der Flüssigkeit mittels Zentrifugalwirkung
nach aussen geschleudert und bleibt an der Innenseite der äusseren Wand haften,
derart, dass sich die Flüssigkeit nach unten bewegt und am Boden der unteren Kammer
angesammelt wird. Ein in der Mitte befindliches axiales Wirbel rohr durchsetzt unter
Abdichtung die beiden in Querrichtung verlaufenden Trennkörper, wobei sich der drehende
Strom von Gas
und eingeschlossener Flüssigkeit durch das mittlere
Rohr nach oben in die obere Kammer bewegen kann. Das Rohr ist unterteilt bzw.
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durchtrennt, so dass ein schmaler Spalt zwischen den zwei Rohrteilen
besteht. Wenn sich das Gas nach oben bewegt, wird die nach aussen gegen die Wände
geschleuderte Flüssigkeit zusammen mit einem kleinen Anteil von Gas durch den Spalt
in die zweite Kammer abgezogen, während das verbleibende Gas fortfährt, sich innerhalb
des Rohres nach oben gegen die obere Kammer zu bewegen.
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Das obere Ende des axialen Rohres ist mit einem ersten Dunst- oder
Dampfabscheider unter Abdichtung verbunden. Der Abscheider entspricht einer Konstruktion
mit zylindrischem System, wobei das Gas im wesentlichen radial das zylindrische
System passieren muss.
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Wenn sich das Gas durch den Dunstabscheider bewegt, dann muss es einer
gewundenen Bahn folgen und wird dabei durch mehrere Hindernisse umgelenkt. Bei Reibung
an diesen Hindernisflächen werden Flüssigkeitstropfen eingefangen und bleiben an
den Hindernissen haften, derart, dass die Hindernisflächen eingenässt werden, so
dass sich die Flüssigkeit als Folge des Films in Form von Tröpfchen an den Wänden
sammelt und nach unten zum Boden des Abscheiders abläuft. Es ist eine Vorrichtung
vorgesehen, welche die Flüssigkeit nach unten in die zweite oder mittlere Kammer
ableitet, von wo die Flüssigkeit schliesslich in die untere Kammer gelangt. In dieser
sammelt sich die Flüssigkeit an und wird abgeführt. Das verhältnismässig trockene
Gas aus dem ersten Abscheider wird mit Gas vermengt, welches durch den Spalt des
Wirbel rohres abgezogen wurde. Das gemischte Gas wird durch einen zweiten Abscheider
geleitet und wird von dort durch eine Öffnung in der Oberseite des Mantels abgeleitet.
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Die Erfindung ist demnach verwirklicht in einem verbesserten Zentrifugalabscheider,
der zum Abscheiden von Flüssigkeiten, so von Öl
und/oder von Wasser
aus einem Gemisch von Gas und Flüssigkeit dient.
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Die Vorrichtung nach der Erfindung weist einen senkrechten zylindrischen
Gehäuse- oder Mantelkörper auf, der durch Quer-Teilkörper in drei Kammern unterteilt
ist. Das Gemisch von Gas und Flüssigkeit wird durch einen tangentialen Leitkörper
in die untere Kammer eingeleitet, derart, dass ein Wirbel hoher Geschwindigkeit
von Gas und Flüssigkeit entsteht. Ein mittleres axiales Wirbelrohr durchdringt die
beiden Trennkörper und ist gegenüber diesen abgedichtet. Das Wirbelrohr besteht
aus zwei in Längsrichtung Abstand besitzenden und fluchtenden Teilen, zwischen welchen
ein Spalt gebildet ist. Der Spalt ist innerhalb der mittleren Kammer ausgebildet.
Das obere Ende des Wirbel rohres erstreckt sich in die obere Kammer und ist mit
einem ersten Abscheider unter Abdichtung verbunden. Das untere Ende des Wirbel rohres
erstreckt sich in die untere Kammer.
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Infolge der Wirbelwirkung wird die Flüssigkeit nach aussen gegen die
Innenwand des Mantels geschleudert, wobei das Gas entlang der Mittelachse des Mantel-
oder Gehäusekörpers eine Wirbelbewegung hoher Geschwindigkeit erzeugende Gassäule
formt. Diese Gassäule bewegt sich durch das mittlere axiale Wirbel rohr nach oben.
Im Gas enthaltene Flüssigkeit wird mittels Zentrifugalwirkung nach aussen gegen
die Wand des Rohres geschleudert und wird durch den Spalt zwischen den zwei Abschnitten
des Wirbelrohres in die mittlere Kammer abgesogen. Das Gas fährt fort, sich nach
oben in den ersten Dunstabscheider zu bewegen. Hier passiert das Gas eine gewundene
Bahn, die zwischen länglichen vertikalen Hindernissen besteht, derart, dass die
Flüssigkeit an den Flächen abgetrennt oder abgeschlagen wird. Das Gas passiert daraufhin
einen zweiten Dunstabscheider, so dass im wesentlichen flüssigkeitsfreies Gas eine
Öffnung in der Oberseite des Mantel- oder Gehäusekörpers verlassen kann.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme aur die beigefügte Zeichnung erläutert.
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Fig. 1 ist eine vertikale Schnittansicht einer Ausführungsform nach
der Erfindung; Fig. 2 ist eine Einzelansicht cles unteren Teils der Vorrichtung
unter Darstellung der Mittel, mittels welchen dem eintretenden Gas bzw Flüssigkeitsgemisch
eine tangentiale @ewegung erteilt wir(i; Fig. 3 ist eine Einzelansicht eines Teils
des Dunstabscheiders; Fig. 4 ist eine vertikale Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform
n~lch der Ereindung unter Verwendung eines D#ins tabsche iders nach einer zweiten
Ausführungsform; und Fig. 5 stellt eine weitere Verbesserung der Vorrichtung dar,
bei welcher ein gewundenes Flügelsystem innerhalb des axialen Rohres Verwendung
findet, um dem Gas eine grössere Drehbewegung zu erteilen.
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In der Zeichnung tind insbesondere in Fig. I derselben ist die Vorrichtung
10 nach einer Ausführungsform gemäss der Erfindung dargestellt.
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Die Vorrichtung weist einen senkrecht sich erstreckenden zylindrischen
Mantel 12 auf, welcher in drei Abteilungen oder Kammern unterteilt ist, nämlich
in eine untere Kammer 14, eine mittlere Kammer 16 und eine obere Kammer 18. Die
untere Kammer 14 ist durch einen in Querrichtung sich erstreckenden Trenn- oder
Teilkörper 20 gegenüber tler
mittleren Kammer 16 getrennt, während
die obere Kammer 18 durch einen zweiten, @uergerichtet sich erstreckenden Trenn-
oder Teilkörper 22 gegenüber cler mittleren Kammer 16 getrennt ist. Das Gas und
das in ihm enthaltene C')lcjem isch wird durch eine Leitung 24 in den oberen Teil
cler unteren Kammer 14 eingeleitet. Gemäss Fig. 2, welche eine Einzelheit dieses
Teils cier Vorrichtung in horizontaler Ebene wiedergibt, wird das durch die Leitung
24 eintretende Gas durch einen Leitkörper 26 in tangentialer Richtung geleitet.
Der Querschnitt des Leilkörpers ist kleiner als derjenige der Leitung 24, so dass
das eintretende @emisch innerhalb ler unteren Kammer eine Drehbewegung mit hoher
Geschwindigkeit erfährt. Dies ist durch die umlaufenden F>~eile 28 in Fig. I
dargestellt.
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Unter dieser kreisförmigen unci @chraubenförmigen Bewegung werden
die schwereren Flüssigkeitstropf n unter Zentrifugalwirkung nach aussen geschleudert,
wobei sie si@h an der Innenwand des Mantels 12 sammeln. Die sich an clen Wänden
sammelnde und gegebenenfalls nach unten entlang der Wände in den Bodenteil des Mantels
12 fallende Flüssigkeit wird mit Hilfe von Röhren 30 und/oder 32 und Ventilen 33
und 34 durch andere bekannte Vor richtungen abgeleitet. Die Ventile 33 und 34 werden
durch Flüssigkeitsniveausteuerungen A und B gesteuert. Das eintretende Gas- und
Ölgemisch ist unter Druck, so dass eine Geschwindigkeitszunahme des Gemisches vorliegt,
wenn dieses in die Kammer strömt. Auf diese Weise wird die schraubenförmige Bewegung
hoher Geschwindigkeit ermöglicht.
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Eine axiale Leitung t)zw ein Wirbelrohr 38 durchdringt die ersten
und zweiten Trennkörper 2() und 22 und ist gegenüber diesen abgedichtet.
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Das Mohr 313 ist an einer Punkt innerhalb der mittleren Kammer 16
durchtrennt,
wobei die zwei Rohrteile in Längsrichtung fluchten und mittels Halterungen so unter
Abstand zueinander gehalten sind, dass zwischen den zwei Enden der Rohrteile ein
kleiner Spalt 40 besteht.
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Die Halterungsvorrichtung ist mit Ablassöffnungen versehen, deren
Querschnitt grösser ist als dem Querschnitt bzw. der Fläche des Spaltes 40 entspricht.
Eine wahlweise verwendbare Halterungsvorrichtung besteht aus U-förmigen Stäben 27,
die das Rohr umgebend ausgebildet sind. Die Abstände zwischen den Stäben ermöglichen
es, dass Flüssigkeit in die Kammer 16 gelangt. Das sich unter dem Druck des Einlasses
nach oben bewegende und in Richtung der Pfeile 45 schnell drehende Gas schleudert
zusätzlich Flüssigkeit nach aussen gegen die Innenwand des Rohres 38. Von dort kann
die Flüssigkeit entweder nach unten in den Basisabschnitt laufen oder kann nach
oben durch den Spalt 40 in den mittleren Abschnitt bzw. die mittlere Kammer 16 gelangen.
Diese Kammer ist unter etwas niedrigerem Druck als das Rohr 38, jedoch weist sie
höheren Druck auf als die an der Oberseite der Trennvorrichtung befindliche Kammer
18. Dies ist auf das Bypass- oder Nebenleitungsrohr 23 zurückzuführen, das die Kammer
16 mit der Kammer 18 verbindet, so dass eine kleine Menge von Gas den Rohrteil 39
und den an der Unterseite des Abschnittes 16 befindlichen Dampfabscheider 44 passieren
kann, derart, dass die Kammer 16 infolge des Druckgefälles an der Unterseite des
Dampfabscheiders 44 auf einem niedrigeren Druck gehalten werden kann.
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In Fig. 5 ist eine weitere Anordnung dargestellt, mittels welcher
die Kammer 16 auf einem niedrigeren Druck gehalten werden kann. Bei dieser Ausführungsform
ist ein Rohr 59 mit dem reduzierten Flächenquerschnitt des tangentialen Leitkörpers
26" verbunden, also mit dem Punkt, an welchem infolge der höheren Fluidgeschwindigkeit
der Druck geringer ist. Dies dient dem Zweclc, Feuchtigkeit in diesem Bypass-
Gas
im Einlaßsystem zu absorbieren.
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Das gemäss Pfeil 46 nach oben sich bewegende Gas nimmt seine Bahn
entlang des Wirbel rohres 39 nach oben und gelangt durch ein Paar von Dampf- oder
Dunstabscheidern 43 und 44. Der untere Dampf-oder Dunstabscheider 44 entspricht
einer Ausfüirungsform, bei welcher sich das Gas radial nach aussen in den Raum der
Kammer 18 bewegt. In diesem Raum vermischt sich das vom Spalt 40 stammende und nach
oben durch das Rohr 23 geleitete Bypass-Gas mit dem Gas aus dem Rohr 39, welches
nach oben durch den Abscheider 44 zieht.
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Beide zusammen treten in den zweiten Dampf- oder Dunstabscheider ein,
wobei sich die Gase radial nach innen gerichtet bewegen und von dort zum Auslassrohr
50 gelangen.
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Die Dampf- oder Dunstabscheider 43 und 44 sind Kammern, welche aus
parallelen kreisförmigen Platten bestehen. Ein Teil dieser Kammern ist in Fig. 3
dargestellt. Die Platten sind in paralleler koaxialer Position gehalten. Über einem
ringförmigen Bereich der Platten sind Öffnungen gebohrt. In diese Öffnungen sind
Stäbe verschiedenen Querschnitts eingeführt und mit den Platten verschweisst. Die
Stäbe können Winkelstücke, Streifen oder Zylinderkörper etc. sein. Sie sind in bestimmten
Mustern angeordnet, so dass das radial nach aussen oder nach innen sich bewegende
Gas einer gewundenen Bahn folgen muss und engen Kontakt mit den Wänden dieser Hindernisse
erlangt.
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In Fig. 3 ist die Position der Winkelstücke als radial nach aussen
gericht-et wiedergegeben, derart, dass sich das Fluid gemäss Darstellung durch die
Pfeile 65 bewegt. Der zweite Dampf- oder Dunstabscheider 43 kann so ausgebildet
sein, dass die Winkelstücke in ihrer Position um 180° gedreht sind, derart, dass
sie für ein radial nach innen gerichtet
sich bewegendes Gas die
gleiche Art von Flindernissen bilden.
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Gegebenenfalls im Gas enthaltene Flüssigkeit wird bei Berührung mit
diesen Hindernissen abgeschieden. Das Metall, aus welchem die Hindernisse bestehen,
wird durch die Flüssig-keit eingenasst, so dass das Öl auf der Oberfläche dieser
Körper als Film ausgebildet wird. Die Flüssigkeit kann sich durch Schwerkraft zur
Basis der Abscheider 43 und 44 bewegen, wobei sie sich durch die Öffnungen der Platten
64 und durch die Rohre 42 nach unten zum Boden der Kammer 18 bewegt.
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Die winkelförmigen Hindernisse werden in Öffnungen eingesetzt, welche
in die Platten 64 gebohrt oder aus diesen herausgestanzt werden.
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Flüssigkeit, die sich an den Winkel-Hinderniskörpern ansammelt, kann
durch die Platten64, durch die Platte 29 und durch die Rohre 42 zum Boden der Kammer
18 abtropfen. Vom Boden der Kammer 18 kann die Flüssigkeit durch das Rohr 52 ablaufen,
welches unter Abdichtung den quer verlaufenden Trennkörper 22 durchsetzt, derart,
dass die Flüssigkeit nach unten in die mittlere Kammer 16 gelangt.
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Das verhältrismässig trockene Gas gelangt dann durch das Auslassrohr
50 nach aussen. Infolge des Druckgefälles, welches erforderlich ist, um das Gas
46 durch die gewundene Bahn der Dampf- oder Dunstabscheider zu treiben, befindet
sich die zweite Kammer 16 auf einem höheren Druck als die Kammer 18 und der Auslass
50.
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Das gesamte Gas passiert einen Dunstabscheider. Es darf also kein
Weg bestehen, mittels welchem das Bypass-Gas aus der mittleren Kammer direkt nach
oben durch das Auslassrohr 50 gelangen kann.
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So ist der obere Abscheider 43 vom unteren Abscheider 44 getrennt
ausgebildet.
Das gesamte Gas muss den Abscheider 43 passieren, weicher einer Konstruktion mit
Strömung von aussen nach innen entspricht. Das durch das Rohr 38 strömende Gas abzüglich
des durch den Spalt 40 entwveichenden Bypass-Gases strömt durch den Rohrteil 39
und den Abscheider 44, welcher einer Konstruktion mit Strömung von innen nach aussen
entspricht. Durch das nach unten gerichtet sich erstreckende Rohr 52 kann nur Flüssigkeit
ablaufen. Zu diesem Zweck ist das Rohr an seiner Unterseite durch einen Vorrat von
Flüssigkeit abgedichtet, deren Oberfläche bei 54 besteht. Diese Flüssigkeit kann
sich durch das Rohr 56 nach unten in die untere Kammer bewegen. Der Einlass des
Rohres 56 ist gegenüber dem Trennkörper 20 abgedichtet und erstreckt sich über diesen
nach oben, derart, dass das obere Rohrende ein Wehr gegenüber der Flüssigkeitsoberfläche
54 bildet.
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Das Rohr 56 ist in schraubenförmiger Bahn gelegt, um eine Beeinträchtigung
des Gas-Flüssigkeitswirbels zu verhindern. Das Rohr leitet Flüssigkeit von der Flüssigkeitsoberfläche
54 nach unten in die untere Kammer 14, wo die Flüssigkeit abgezogen wird. Der dämpfende
Leitkörper 36 ist so ausgebildet, dass er eine Zirkulation und Drehung der Flüssigkeit
in der unteren Kammer verhindert und eine ruhige Zone für die Flüssigkeitsniveausteuerungen
A und B gewährleistet. Die zwei Steuerungen A und B und die zwei Auslässe 30 und
32 dienen zur Trennung von Öl und Wasser, welche ursprünglich im eintretenden Gasgemisch
eingeschlossen sein können.
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Der im Rohr 38 bestehende Spalt 40 wird durch die zwei Rohrteile 38
und 39 gebildet, welche einen etwas unterschiedlichen Innendurchmesser besitzen.
Der Rohrteil 39 ist etwas kleiner im Durchmesser,
wobei sein unteres
Ende in dargestellter Weise abgeschrägt ist. Wenn sich das Gas 45 nach oben bewegt,
kann es Flüssigkeit mit sich tragen, welche die Innenfläche des Rohres 38 benetzen
kann.
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Infolge des kleineren Durchmessers und der scharfen Kante des Rohres
39 besteht die Neigung, dass die Flüssigkeit abgeschnitten oder abgetrennt und aus
dem Spalt 40 herausgedrückt wird. Die beiden Rohrteile sind mit den Stangen oder
Stäben 37 verschweisst und in dieser Lage getragen.
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In Fig. 4 ist eine zweite Ausführungsform gemäss der Erfindung dargestellt.
Diese entspricht der in Fig. 1 dargestellten mit Ausnahme der Tatsache, dass ein
Dampf- oder Dunstabscheider 37 unterschiedlicher Konstruktion zur Anwendung kommt.
Der Abscheider 37 weist ein in der Mitte befindliches Rohr 38 auf, um welches faserförmiges
Material 53 gewickelt ist. Dieses weist grosse Zwischenfaserabstände auf, so dass
das Gas die Abstände oder Zwischenräume zwischen den Fasern passieren kann, derart,
dass die Flüssigkeitspartikel an den Fasern haften bleiben. Die Flüssigkeit nässt
die Fläche der Fasern ein und strömt nach unten in den Boden der Kammer, der sich
auf der Oberseite des Trennkörpers 22' befindet. Innerhalb des Trenn- oder Unterteilungskörpers
befindet sich eine Öffnung, durch welche die Flüssigkeit nach unten durch die Leitung
52' in die zweite Kammer 16' ablaufen kann. Dort sammelt sich die Flüssigkeit auf
der Oberseite des ersten Trennkörpers 20', derart, dass ein Flüssigkeitsniveau bei
54 gebildet ist. Eine Gas-Bypassöffnung ist bei 49 vorgesehen. Diese ermöglicht
es, dass das den Spalt 40' passierende Gas am Abscheider 53 vorbeigeleitet werden
kann. Der Abscheider 51 ist vorgesehen, um das durch die Öffnung 49 im Bypass eingeleitete
Gas zu reinigen.
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Wie im Falle der Ausführungsform nach Fig. 1 ist eine zylindrische
Wand 58' vorgesehen, welche der das untere Ende des Rohres 38 umgebenden Wand 58
entspricht. Dies unterstützt die Entstehung des schnell sich drehenden Wirbels 45,
wenn dieser durch das Wirbelrohr 38 nach oben geleitet wird. Das Rohr 38 wird ausserdem
gegenüber äusserer Flüssigkeit geschützt, welche7das Rohr eintreten könnte.
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In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, bei welcher
ein Streifen dünnen Metalls in gewundener Form im Rohr 38?! vorgesehen ist. Dem
schnell sich bewegenden Gas wird mit Hilfe des Streifens eine zusätzliche Drehbewegung
erteilt.