DE3787656T2

DE3787656T2 - Hydrozyklone.

Info

Publication number: DE3787656T2
Application number: DE87907917T
Authority: DE
Inventors: Gavan Prendergast; David Webb
Original assignee: Merpro Montassa Ltd
Current assignee: Merpro Montassa Ltd
Priority date: 1986-11-26
Filing date: 1987-11-26
Publication date: 1994-03-17
Anticipated expiration: 2007-11-27
Also published as: NO179932C; NO179932B; EP0346328A4; US5045218A; DE3787656D1; NO883295L; OA09073A; BR8707945A; WO1988003842A1; GB2221408A; AR243091A1; GB8911992D0; EP0346328A1; NO883295D0; GB2221408B; CA1309667C; IN168805B; EP0346328B1; JPH02501045A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Zyklonseparatorvorrichtungen (nachfolgend als "Hydrozyklone" bezeichnet), welche befähigt sind, vorwiegend fluide Gemische von zwei oder mehr Komponenten oder Phasen unterschiedlicher Dichte zumindest teilweise, wenn nicht in einem erheblichen Ausmaß, zu trennen.
Die Erfindung findet spezielle Anwendung beim Trennen von fluiden Gemischen, bei denen zumindest eine der zu trennenden Fluidkomponenten auf Bereiche hoher Fluidscherung empfindlich ist, d. h. daß die Grenzflächeneigenschaften derart sind, daß die fluiden Gemische weiter emulgiert werden können, statt in Fluidgeschwindigkeitsfelder getrennt zu werden. Beispielsweise können die fluiden Gemische aus Öl und Wasser bestehen oder diese enthalten. Die fluiden Gemische können auch einige Feststoffe und/oder gelöste oder freie Gase enthalten. Die Erfindung bezieht sich auch auf Verfahren zum zumindest teilweisen, wenn nicht erheblichen Trennen von fluiden Gemischen aus zwei oder mehr Komponenten, wie sie vorstehend beschrieben worden sind.
Zyklonseparatoren (normalerweise "Zyklone" genannt), aber in Bezug auf diese Erfindung noch wesentlicher Hydrozyklone, sind seit einiger Zeit in Verwendung. Ihre Verwendung und ihr Einsatz zum Trennen von Feststoffen von Gasen und Feststoffen von Flüssigkeiten sind besonders gut dokumentiert. Siehe beispielsweise "The Hydrocyclone" von D. Bradley (Pergamon Press. 1965) und "Hydrocyclones" von Svarvosky (Holt, 1984). Die typischste Form von Zyklonen, die für diese Zwecke verwendet werden, hat gerade konische Gestalt. Es existiert aber eine Anzahl von speziellen Entwürfen zur Behandlung besonderer Gemische oder zur Erzielung spezieller Vorteile. Siehe beispielsweise die US-Patente Nr. 4 389 307, 2 982 409 und 2 849 930 als Beispiele von Hydrozyklonen, die für die Trennung von Pulpe und Papier angewendet werden.
Die potentiellen Vorteile, die aus der erfolgreichen Anwendung von Hydrozyklonen auf die Flüssig/Flüssig-Trennung (z. B. Öl/Wasser) erzielt werden, sind seit langem erkannt worden. Es sind jedoch erst seit kurzem Hydrozyklonausbildungen in einem Ausmaß entwickelt worden, in welchem sie eine signifikante wirtschaftliche Akzeptanz für diesen besonderen Zweck gefunden haben.
Frühere Hydrozyklone waren von einer Art und Ausbildung, die im wesentlichen unter Bezugnahme auf die Kenntnis und den Stand der Technik der Feststoff/Flüssigkeits-Trenntechnologie entwickelt worden sind. Diese Hydrozyklone haben sich jedoch als vergleichsweise leistungsschwach erwiesen, wenn sie für die Flüssig/Flüssig-Trennung angewendet wurden.
Wie dem Fachmann auf dem Gebiet der Flüssig/Flüssig-Hydrozyklone vertraut ist, haben diese Ausbildungen verabsäumt, die Hauptunterschiede zwischen der Art und dem Verhalten von Flüssig/Flüssig- und Flüssig/Feststoff-Gemischen zu berücksichtigen. Diese Unterschiede umfassen:
(a) Der Dichteunterschied zwischen zwei Flüssigkeiten ist typischerweise wesentlich kleiner als der Unterschied zwischen Feststoffen und Flüssigkeiten.
(b) Flüssig/Flüssig-Gemische unterliegen der Emulgierung besonders bei Gemischen, bei denen die Grenzflächeneigenschaften des Gemisches ungünstig sind.
Als diese und andere Unterschiede in geeigneterer Weise bei der Neuentwicklung von Hydrozyklonen für die Flüssig/Flüssig-Trennung in Betracht gezogen wurden, sind sehr verschiedene Hydrozyklone mit hoher Leistung entwickelt worden. Die verschiedenen Ausbildungen können auf verschiedene Flüssigkeitsgemische angewendet werden. Insbesondere sind Hydrozyklonausbildungen einer Klasse für das Problem der Trennung einer kleineren Menge einer wenigen dichten Komponente bzw. von weniger dichten Komponenten aus fluiden Gemischen und einer anderen Klasse zum Trennen einer kleinen Menge einer dichteren Komponente bzw. von dichteren Komponenten aus fluiden Gemischen entwickelt worden. Diese kleinen Mengen einer wenigen dichten und einer dichteren Komponente bzw. von weniger dichten und dichteren Komponenten existieren typischerweise in den fluiden Gemischen in Teilchenform, aber am typischsten in Tröpfchenform.
Hydrozyklone des ersten Typs, die für die Trennung einer kleineren Menge einer weniger dichten Komponente entwickelt worden sind, wie dies im Stand der Technik beschrieben ist, unterscheiden sich von Feststoff/Flüssigkeits-Hydrozyklonen dadurch, daß sie solche Merkmale, wie strömungsglättende Einlaßzonen oder Wirbelkammern umfassen, und sind relativ lang.
Die Patentliteratur, welche den Stand der Technik beschreibt, umfaßt folgendes:
AU-47106/79 beschreibt einen Hydrozyklon, bei welchem der Körper des Hydrozyklons aus zwei zylindrischen Abschnitten besteht, mit einer strömungsglättenden Schräge zwischen den Abschnitten. Die beanspruchte Ausbildung ist durch mathematische Beziehungen zwischen Parametern beschrieben, wie der Einlaßzone, den Längen und Durchmessern des Einlasses, der Auslässe und der zylindrischen Abschnitte.
Die AU-47105/79 ist ähnlich der vorstehenden, umfaßt aber einen dritten zylindrischen Abschnitt und eine zweite Strömungsglättungsschräge zwischen dem zweiten und dem dritten zylindrischen Abschnitt.
Die AU-84713/82 beschreibt einen Hydrozyklon mit einem relativ kleinen Leichtphasenauslaß des Durchmessers d&sub0;.
Basierend auf den vorstehenden drei Beschreibungen sind verschiedene Patentanmeldungen eingereicht worden. AU-89106/82 und PCT/AU84/00097 beschreiben Ausbildungen mit variablen Überströmauslässen. PCT/AU83/00028 beschreibt eine mechanische Vorrichtung zur Entblockierung eines kleinen Leichtphasen-Auslaßloches, und beschreibt ferner einen vierten Abschnitt des Hydrozyklons, der zur Steuerung der Strömung des Fluids durch den Hydrozyklon verwendet wird.
PCT/AU84/00195 beschreibt eine Anordnung, bei welcher die leichte Phase aus dem stromabwärtigen Auslaßende entfernt wird.
PCT/AU85/00010 beschreibt einen Hydrozyklon, der einen Evolventeneinlaß umfaßt. Andere Patentanmeldungen, welche verschiedene andere Merkmale beschreiben, umfassen die PCT/AU84/00293, PCT/AU86/00111 und PcT/AU85/00288.
Andere Typen von Leichtdispersions-Hydrozyklonen sind beschrieben in PCT/AU85/00181 und PCT/AU86/00173. Diese unterscheiden sich von vorhergehenden Hydrozyklonen dadurch, daß der Körper des Hydrozyklons gekrümmt ist. Die beanspruchten Ausführungen sind durch mathematische Beziehungen beschrieben, wobei ein wichtiges Merkmal die Wirbelzahl Sn ist (diese ist ähnlich dem dimensionslosen Geschwindigkeitsverhältnis). Es wird gesagt, daß für eine wirksame Betriebsweise dieser Ausführung die Wirbelzahl dem Kriterium 3≤Sn≤12 entsprechen muß.
In ähnlicher Weise sind Patentanmeldungen für Hydrozyklone gemacht worden, die für die Behandlung einer kleinen Menge einer dichteren Komponente in fluiden Gemischen ausgebildet sind. PCT/AU85/00293 enthält Verweise auf solche Hydrozyklonseparatoren, und PCT/AU85/00322 beschreibt einen solchen Hydrozyklon, der aus zylindrischen Teilen besteht und durch verschiedene mathematische Beziehungen beschrieben wird.
Es wird angenommen, daß Hydrozyklone, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind, Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik zeigen. Probleme, die sich mit Hydrozyklonen ergeben, welche gemäß dem Stand der Technik ausgebildet sind, umfassen die folgenden:
1. Üblicherweise sind sie relativ lang und erfordern häufig in einer Anlage viel Raum, insbesondere wenn eine große Anzahl von Hydrozyklonen verwendet wird. Dies mag ein signifikanter Nachteil bei Anlagen sein, bei denen die Raumkosten groß sind, wie auf einer Ölproduktionsplattform.
2. Der Stand der Technik bezieht sich auf einen relativ hohen Druckunterschied zwischen den Einlaßmitteln zum Einlassen des fluiden Gemisches in den Hydrozyklon und den Auslaßmitteln zur Abgabe des Fluids, das eine relativ hohe Konzentration der weniger dichten Komponente aufweist. Dieses Merkmal des Standes der Technik kann zumindest zwei ungünstige Folgen haben - erstens kann ein höherer Einlaßdruck erforderlich sein, um den Hydrozyklon zu betreiben, und zweitens kann das Umschlagverhältnis geringer sein ("Umschlagverhältnis" ist das Verhältnis der maximalen zur minimalen Strömungsgeschwindigkeit am Hydrozykloneinlaß bzw. an den Hydrozykloneinlässen des fluiden Gemisches für den verfügbaren maximalen Einlaßdruck und die minimalen Auslaßdrücke, bei denen der Hydrozyklon betrieben werden kann).
3. Hydrozyklone nach dem Stand der Technik sind häufig für die Trennung von hochviskosen Fluiden schlecht geeignet. Bei solchen Fluiden kann die Dissipation der Wirbelbewegung und der Verlust an kinetischer Energie zu einer schwachen Trennung der Komponenten führen.
4. Hydrozyklone nach dem Stand der Technik sind häufig verhältnismäßig unwirksam, wenn sie zur Trennung von fein verteilten Komponenten angewendet werden.
5. Gegen das zweite Ende solcher Hydrozyklone kann die Strömung instabil werden, was häufig in Strömungsstörungen resultiert, die den Trenneffekt herabsetzen.
6. Inbesondere hat sich eine betriebliche Schwierigkeit dann ergeben, wenn Hydrozyklone eines Typs in Betrieb genommen werden, der unter Bezugnahme auf die PCT/AU83/00028 beschrieben wird. Es hat sich gezeigt, daß Hydrozyklone mit einem vierten Teil reduzierten Durchmessers nicht wie erwartet arbeiten. Es wurde in der Tat gefunden, daß dieser abnehmende Durchmesser eine proportional größere Abnahme der Strömung der weniger oder am wenigsten dichten Komponente(n) im Vergleich zur Strömung der dichteren oder dichtesten Komponente(n) verursacht, wodurch das Umschlagverhältnis des Hydrozyklons reduziert wird, was ein unerwünschter Effekt ist.
Im Vergleich mit dem Stand der Technik wird angenommen, daß ein Hydrozyklon gemäß der vorliegenden Erfindung gegenüber dem Stand der Technik einen oder mehrere der folgenden Vorteile aufweist:
1. kürzere Länge;
2. größere volumetrische Einlaßströmungsgeschwindigkeit;
3. geringere Konzentration der weniger dichten Komponente(n) in der bzw. den dichteren Komponente(n) an dem Auslaß bzw. an den Auslässen des Hydrozyklons, wo dieses Merkmal erwünscht ist;
4. geringere Konzentration der dichteren Komponente(n) in der bzw. den weniger dichten Komponente(n) am Auslaß bzw. an den Auslässen des Hydrozyklons, wo dieses Merkmal erwünscht ist;
5. geringerer Druckunterschied zwischen einer oder mehreren Einlaßmitteln für den Einlaß des fluiden Gemisches in den Hydrozyklon und einer oder mehreren Auslaßmitteln für die Abgabe des Fluids mit einer relativ hohen Konzentration der weniger dichten Komponente(n);
6. verbessertes Verhalten mit viskosen Fluiden;
7. einfachere Konstruktion der Hydrozyklonkonfiguration in der Praxis; und
8. einfacherer und verläßlicher Betrieb und Wartung.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Hydrozyklon geschaffen, der befähigt ist, ein Speisegemisch zumindest teilweise, wenn nicht in einem erheblichen Ausmaß zu trennen, typischerweise ein Gemisch aus zwei oder mehr fluiden Komponenten, wobei zumindest eine vorwiegend flüssige Komponente vorhanden ist. Zusätzlich kann das Gemisch kleinere Mengen von Gas und einige Feststoffe enthalten. Beispielsweise könnten solche Gemische Öl und Wasser umfassen, aber darauf nicht beschränkt sein, schersensitive Flocken von Feststoffen und Flüssigkeiten, insbesondere, wenn die Konzentrationen niedrig sind. Ein Hydrozyklon gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt zumindest ein erstes Ende und vom ersten Ende entfernt ein zweites Ende, wobei die Querschnittsfläche des Hydrozyklons an zumindest einer Stelle gegen das zweite Ende hin kleiner als die Querschnittsfläche des Hydrozyklons am ersten Ende ist. Solche Hydrozyklone umfassen ferner zumindest ein Einlaßmittel im Bereich des ersten Endes zum Einführen des Speisegemisches und zumindest zwei Auslaßmittel mit zumindest einem Auslaßmittel im Bereich des zweiten Endes.
Eine "Achse" und ein "Querschnitt" können definiert werden, indem eine gerade oder gekrümmte Linie in Betracht gezogen wird, die man sich innerhalb des Hydrozyklons vorstellen kann, und Ebenen, die willkürlich konstruiert sind, so daß sie diesen Punkt schneiden und verschiedene Schnitte des Hydrozyklons erzeugen. Für jeden Punkt gibt es einen Schnitt minimaler Fläche. Die Linie, die an jedem Punkt normal zu diesem Schnitt ist und durch dessen Mitte geht (Schwerpunkt, wenn der Schnitt asymmetrisch ist) kann als Hydrozyklonachse bezeichnet werden und dieser der Schnitt als Querschnitt an diesem Punkt.
Vorzugsweise wird der Hauptteil der Masse des fluiden Gemisches, welches der Trennung unterzogen werden soll, in den Hydrozyklon im Bereich des ersten Endes eingelassen, und wird derart eingelassen, daß das fluide Gemisch im wesentlichen eine Drehgeschwindigkeit um die Hydrozyklonachse erreicht und auch eine Axialgeschwindigkeitskomponente erreichen kann. Der Bereich des ersten Endes ist so geformt, daß eine wesentliche Umwandlung des linearen Fluidimpulses in einen Drehimpuls um die Hydrozyklonachse begünstigt wird.
Der größere Teil des Fluids, welcher in den Hydrozyklon im Bereich des ersten Endes eintritt, strömt gegen das zweite Ende und wird zumindest eine Axialgeschwindigkeitskomponente parallel zur Hydrozyklonachse erreichen. Dieses Fluid wird typischerweise mit erhöhter Axialgeschwindigkeit gegen das zweite Ende strömen, was ein Effekt der abnehmenden Querschnittsfläche des Hydrozyklons ist. Viskositätseffekte können einen allgemeinen Geschwindigkeitswiderstand innerhalb des Hydrozyklons darstellen, obzwar die Tendenz für den beizubehaltenden Drehimpuls trotz der Viskosität die allgemeine Rotation erhöhen kann, wenn das Fluid gegen das zweite Ende strömt. Dieses zweite Ende des Hydrozyklons erstreckt sich zu einer Stelle oder zu Stellen, an welchen das dynamische oder kinematische Verhalten des Fluids, hauptsächlich die Trennung der Komponenten des Fluids an dieser Stelle oder an diesen Stellen, nicht mehr signifikant ist.
Typischerweise wird ein kleiner Teil des Fluids, das in den Hydrozyklon im Bereich des ersten Endes eintritt, durch Zentripetalkräfte gegen die Hydrozyklonachse getrieben, um dort einen sich längserstreckenden "Kern" mit einer typischen Strömung gegen das erste Ende statt gegen das zweite Ende zu bilden. Typischerweise umfaßt solch ein Kern Fluid, das einen relativ hohen Anteil der weniger dichten Komponente(n) enthält.
Diese Auslaßmittel im Bereich des ersten Endes (zum Abgeben des Fluids, das eine relativ hohe Konzentration der weniger dichten Komponente(n) enthält) kann seine Achse/ihre Achsen an oder nahe der Hydrozyklonachse haben und die Form einer oder mehrerer Öffnungen von Kreisform oder anderer Querschnittsform annehmen und seinen/ihren Durchmesser oder seine/ihre Breite(n) augenblicklich oder durch jede Form eines abrupten oder glatten Überganges erreichen und sich danach durch Abschrägung oder Abstufung erweitern oder eine andere Geometrie annehmen. Die Achse bzw. die Achsen der Auslaßmittel können mit der Hydrozyklonachse zusammenfallen oder im wesentlichen zusammenfallen oder parallel zu dieser oder geneigt zu dieser verlaufen.

(A) STRÖMUNGSSTABILISIERTER HYDROZYKLON

Bei Hydrozyklonen, die sowohl zum Trennen einer dichteren oder weniger dichten Komponente bzw. von dichteren oder weniger dichten Komponenten aus dem fluiden Gemisch ausgebildet sind, wird angenommen, daß die Geometrie des zweiten Endes eine wesentliche Auswirkung auf die Drehgeschwindigkeit und das Verhalten des Fluids im Hydrozyklon hat.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Hydrozyklon geschaffen, mit dem zumindest teilweise, wenn nicht in einem erheblichen Ausmaß vorwiegend fluide Gemische getrennt werden, die zumindest eine vorwiegend flüssige Komponente haben, wobei der Hydrozyklon zumindest ein erstes Ende und entfernt von diesem ersten Ende ein zweites Ende aufweist, wobei die Querschnittsfläche des Hydrozyklons an zumindest einer Stelle gegen das zweite Ende kleiner als die Querschnittsfläche des Hydrozyklons am ersten Ende ist, wobei der Hydrozyklon ferner zumindest ein Einlaßmittel im Bereich des ersten Endes zum Einführen der speisegemische und zumindest zwei Auslaßmittel aufweist, von denen zumindest ein Auslaßmittel im Bereich des zweiten Endes liegt, wobei der Hydrozyklon ferner in dem Bereich des zweiten Endes ortsfeste oder bewegliche Strömungsänderungsmittel aufweist, die an oder nahe der Hydrozyklonachse liegen, wobei diese Mittel so konstruiert sind, daß sie die Strömung von Fluid gegen das zweite Ende, welches Fluid einen relativ großen Anteil der weniger dichten Komponente enthält, beeinflussen, wenn nicht im wesentlichen verhindern und stabilisieren, aber eine im wesentlichen ringförmige Strömung von Fluid, das einen relativ großen Anteil der dichteren Komponente enthält, an den Strömungsänderungsmitteln vorbei gegen das zweite Ende gestatten. Wenn die Auslaßmittel für diesen Teil des Fluids, der einen relativ großen Anteil der weniger dichten Komponente enthält, im Bereich des ersten Endes angeordnet sind, wird angenommen, daß die Wirkung der Strömungsänderungsmittel darin besteht, den Druck oder die Strömungsgeschwindigkeit jenes Teiles des Fluids zu erhöhen, das an den Auslaßmitteln im Bereich des ersten Endes einen relativ großen Teil der weniger dichten Komponente enthält.
Die Strömungsänderungsmittel sind am bevorzugtesten fest, sie können aber auch semi-permeabel oder permeabel sein. Sie können die Form einer Prallplatte, einer Stange oder einer plattenförmigen Vorrichtung haben. Die Strömungsänderungsmittel können im Hydrozyklon durch eine Vielzahl von Mitteln abgestützt sein, beispielsweise eine Stange, die entlang der Hydrozyklonachse ausgerichtet ist. Am bevorzugtesten sind die Abstützungsmittel so positioniert, daß sie die Fluidströmungen nicht beeinträchtigen oder behindern, sondern eine gute mechanische Abstützung für die Strömungsänderungsmittel bilden. Die Strömungsänderungsmittel können im Querschnitt axialsymmetrisch sein, wobei der Querschnitt normal zur Hydrozyklonachse genommen wird, und diese Querschnittsfläche kann sich entlang der Hydrozyklonachse ändern. Diese Mittel brauchen jedoch nicht axialsymmetrisch zu sein und brauchen keine spezielle Gestalt zu haben. Konkave, sogar konvexe oder unregelmäßige Formen (wobei solche Formen vom ersten Ende her gesehen sind) haben sich als funktionsmäßig zufriedenstellend erwiesen. Es wurde gefunden, daß es in bestimmten Fällen, insbesondere bei unregelmäßiger Gestalt der Strömungsänderungsmittel, zu bevorzugen ist, diese Mittel mit Abstand von der Hydrozyklonachse anzuordnen.
Die "wirksame Querschnittsfläche der Strömungsänderungsmittel" kann definiert werden als die Querschnittsfläche der Strömungsänderungsmittel an der Stelle, wo der vorher offenbarte Effekt auf die Strömung von Fluid erzeugt wird, das einen relativ großen Anteil der weniger dichten Komponente enthält. Diese Querschnittsfläche wird normal zur Hydrozyklonachse gemessen. Die Strömungsänderungsmittel können ferner dadurch gekennzeichnet sein, daß das Verhältnis der minimalen wirksamen Querschnittsfläche A&sub1; des Hydrozyklons gegen das erste Ende, gemessen an einer Stelle, welche die Strömungsänderungsmittel nicht enthält, und in einer Ebene normal zur Hydrozyklonachse, zur wirksamen Querschnittsfläche A&sub2; der Strömungsänderungsmittel größer als 1,5 ist, bevorzugter größer als 2.
Wenn der Hydrozyklon vorzugsweise so ausgebildet ist, daß er zumindest teilweise, wenn nicht in einem erheblichen Ausmaß die weniger dichte Komponente(n) von vorwiegend fluiden Gemischen trennt, die zumindest eine vorwiegend flüssige Komponente haben (beispielsweise eine kleine Menge von Öl, angenommen weniger als 5%, von Wasser) beträgt das Verhältnis A&sub1;:A&sub2; mehr als 2, aber bevorzugter mehr als 5. Bei einer Ausbildung eines Hydrozyklons gemäß der vorliegenden Erfindung wurde das Flächenverhältnis A&sub1;:A&sub2; von 4 auf größer als 50 geändert. Erwünschte Resultate einer Stabilisierung leichterer Phasen und eines erhöhten Druckes an den Auslaßmitteln für die weniger dichte Komponente(n) wurden erreicht. Wenn jedoch das Flächenverhältnis zu klein wird, beispielsweise weniger als 1,5, wird angenommen, daß der erhöhte Druckverlust an den Auslaßmitteln für die dichtere Komponente(n) für kommerzielle Anwendungen exzessiv ist.
Die Strömungsänderungsmittel können ferner dadurch gekennzeichnet sein, daß die wirksame Querschnittsfläche dieser Mittel um zumindest
d&sub2;/15
Einheiten vom zweiten Ende her gegen das erste Ende positioniert ist, gemessen entlang der Hydrozyklonachse, vorzugsweise um zumindest
d&sub2;/6
Einheiten (wobei d&sub2; der nominelle Hydrozyklondurchmesser und durch das Verhältnis
d&sub2; = 3 V/24
definiert ist, wobei V das wirksame Innenvolumen des Hydrozyklons ist). Bevorzugter beträgt dieser Abstand zumindest d&sub2; Einheiten.
Bei einer Ausbildung eines Hydrozyklons gemäß der vorliegenden Erfindung wurden Tests ausgeführt, bei denen die Position der Strömungsänderungsmittel von einer Stelle am zweiten Ende zu einer Stelle 3d&sub2; Einheiten stromaufwärts des zweiten Endes geändert wurde. Die erwünschten Effekte, auf die vorher Bezug genommen worden ist, wurden merkbar, wenn die Strömungsänderungsmittel um d&sub2;/15 Einheiten vom zweiten Ende weg stromaufwärts verlagert wurden, und erreichten ein Maximum, wenn diese Verlagerung 2d&sub2; betrug.
Das optimale Flächenverhältnis und die Positionierung der Strömungsänderungsmittel für eine besondere Hydrozyklonausbildung hängt von solchen Faktoren ab, wie dem Geschwindigkeitsverhältnis und der Ausbildung des zweiten Auslaßendes.
Die Geometrie und Ausbildung der Hydrozyklonwand im Bereich der Strömungsänderungsmittel soll einen wesentlichen Einfluß auf die Ausbildung und Betriebsweise der Vorrichtung haben. Die Hydrozyklonwand kann viele Formen annehmen, es wird aber erwünscht, sie so auszubilden, daß eine Instabilität und Störung der Strömung verhindert oder zumindest begrenzt wird. Insbesondere sollte die Ausbildung derart sein, daß die Strömungstrennung jenes Teiles des Fluids, der eine relativ hohe Konzentration der weniger dichten Komponente(n) an oder nahe der Hydrozyklonachse enthält, stromaufwärts der Strömungsänderungsmittel minimiert wird. Zu diesem Zweck wird es bevorzugt, daß die wirksame Querschnittsfläche A&sub3; des Hydrozyklons an in Richtung gegen das zweite Ende des Hydrozyklons liegenden Stellen, von der Position der Strömungsänderungsmittel weg, an zumindest einer Stelle gleich aber vorzugsweise kleiner als die wirksame Querschnittsfläche A&sub1; des Hydrozyklons an in Richtung gegen das erste Ende hin liegenden Stellen, von der Position der Strömungsänderungsmittel weg, ist.
Bevorzugter beträgt das Flächenverhältnis A&sub1;:A&sub3; weniger als 1,5.
Die Flächenreduktionen gemäß der vorliegenden Erfindung sind so ausgebildet, konfiguriert und hauptsächlich in einer Weise betrieben, daß die Strömung um die Strömungsänderungsmittel und/oder den Auslaß herum stabilisiert wird und/oder die Drehgeschwindigkeit des Fluids gegen das erste Ende unter der Wirkung der Fluidviskosität erhöht wird, und sind nicht dazu bestimmt, um als externe Strömungsproportionierungsmittel in einer Weise zu wirken, die beispielsweise durch die Verwendung von Ventilen erreicht wird. Zum Beispiel lehren die US-Patente Nr. 4 464 264 und 4 544 486, daß Strömungsproportionierungsmittel vorgesehen werden, die als Ventile wirken.
Mit Hydrozyklonen, wie sie im Stand der Technik beschrieben sind, wird/werden die weniger dichte(n) Komponente(n) häufig am zweiten Ende nicht als Umkehrströmung auftreten, d. h. gegen das erste Ende hin, und folglich können sie aus den Auslaßmitteln für die dichtere(n) Komponente(n) am zweiten Ende ausströmen, was eine verringerte Leistung ergibt. Es wird angenommen, daß dieses Problem mit der vorliegenden Erfindung stark reduziert wird. Mit einem Hydrozyklon, der gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, ist es möglich festzustellen, daß der zentrale Kern der weniger oder am wenigsten dichten Komponente(n) an der Strömungsänderungsvorrichtung endet.
Diese Aspekte der Erfindung werden unter Bezugnahme auf nicht einschränkende Ausführungsbeispiele beschrieben, die in den angeschlossenen schematischen Zeichnungen dargestellt sind.

(B) ALLGEMEINER LEICHTDISPERSIONS-HYDROZYKLON

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Hydrozyklon geschaffen, um in einem zumindest teilweisen, wenn nicht wesentlichen Ausmaß eine weniger dichte Komponente bzw. weniger dichte Komponenten von vorwiegend fluiden Gemischen zu trennen, die zumindest eine vorwiegend flüssige Komponente haben, wobei der Hydrozyklon zumindest ein erstes Ende und entfernt von diesem ersten Ende ein zweites Ende aufweist, wobei die Querschnittsfläche des Hydrozyklons an zumindest einer Stelle gegen das zweite Ende hin kleiner als die Querschnittsfläche des Hydrozyklons am ersten Ende ist, und ferner zumindest ein Einlaßmittel im Bereich des ersten Endes zum Einführen des fluiden Gemisches bzw. der fluiden Gemische und zumindest zwei Auslaßmittel aufweist, wobei zumindest ein Auslaßmittel im Bereich des zweiten Endes liegt, und bei welchem die folgenden Kriterien (1) bis (4) gelten:
Es sei d&sub2; der nominelle Hydrozyklondurchmesser definiert durch:
d&sub2; = 3 V/24
worin V das wirksame Innenvolumen des Hydrozyklons darstellt, nicht einschließend Einlaß- und Auslaßleitungen; und worin wenn die Anzahl der Einlässe im Bereich des ersten Endes n ist, n eine ganze Zahl mit einem Wert gleich oder größer 1 ist, wobei angenommen wird, daß pth-Einlaß ein fluides Gemisch mit der Massenströmungsgeschwindigkeit mp in den Hydrozyklon abgibt, die ein Moment pro Zeiteinheit ( eine Vektorgröße) ist, wobei ferner angenommen wird, daß < Lp die Vektorkomponente von parallel zur Ebene normal auf die Hydrozyklonachse an dem pth Einlaß ist, rp der kleinste Radius von der Hydrozyklonachse zu dem Punkt auf der der Richtungslinie der Vektorkomponente < Lp ist, rp parallel zur Ebene normal auf die Hydrozyklonachse an dem pth Einlaß und rp senkrecht zur Richtungslinie der Vektorkomponente < Lp, und di der wirksame Durchmesser des ersten Endes ist, definiert als:
wenn Ai als wirksame Einlaßfläche definiert ist durch:
worin Ap die gesamte Querschnittsfläche an dem pth Einlaß am Eingang zum Hydrozyklon in einer Ebene parallel zur Hydrozyklonachse an dem Einlaß p und normal zur Vektorkomponente < Lp ist;
1. Das Geschwindigkeitsverhältnis Vr wird definiert durch
2. Der Hydrozyklon gemessen entlang der Hydrozyklonachse vom ersten Ende zum zweiten Ende ist zumindest 10d&sub2; Einheiten lang; 3. Der Hydrozyklon umfaßt ferner einen Abschnitt, der zwischen dem ersten und dem zweiten Ende angeordnet ist, von zumindest 8d&sub2; Einheiten Länge, gemessen entlang der Hydrozyklonachse, wobei:
15' < α < 2º
und worin α der durchschnittliche halbe Konvergenzwinkel der Hydrozyklonwand ist, wenn große Diskontinuitäten ignoriert und kleine Schritte geglättet werden;
4. Der Hydrozyklon umfaßt ferner zumindest einen (im wesentlichen axialsymmetrischen) Auslaß zur Abgabe von einer relativ hohen Konzentration der weniger oder am wenigsten dichten Komponente(n), angeordnet an oder nahe der Hydrozyklonachse, wobei der Auslaß einen wirksamen Mindestquerschnittsdurchmesser d&sub0; aufweist, wobei:
d&sub0;/d&sub2; < 0,25
Das wirksame Innenvolumen V ist üblicherweise das Volumen des Hydrozyklons, welches von den Hydrozyklonwänden und von Oberflächen begrenzt wird, die mit den benachbarten Wänden zusammenpassen, wobei Ausgänge und Eingänge zum Hydrozyklon verschlossen werden. Die Wand des Hydrozyklons ist jedoch nicht notwendigerweise das innere geometrische Profil des Körpers. Beispielsweise kann der Hydrozyklonkörper porös sein oder die Wände können Vertiefungen aufweisen. Das wirksame Innenvolumen V bezieht sich auf die Verweilzeit des Fluids innerhalb des Hydrozyklons, wobei dies ein wesentlicher Parameter ist.
Was für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung unter "Hydrozykonwand" gemeint ist (und was zur Berechnung des Volumens verwendet wird), ist die Wand oder Oberfläche nahe oder benachbart dem Entwurf der Mindestoberfläche nahe oder benachbart der geometrischen Wand, welche einen Hydrozyklon mit im wesentlichen identischer Leistung und Strömungsfeldeigenschaften als die tatsächliche geometrische Ausbildung definieren würde.
Bevorzugter ist Vr größer als 5 und weniger als 20, der Hydrozyklon zumindest 15 d&sub2; Einheiten lang, vom ersten Ende zum zweiten Ende, die Länge, über welche der Durchschnittswinkel α mehr als 15' und weniger als 20 beträgt, zumindest 10 d&sub2; Einheiten und d&sub0;/d&sub2; < 0,1.
Ein Hydrozyklon gemäß der vorliegenden Erfindung kann ferner dadurch gekennzeichnet sein, daß der Auslaß mit minimalem wirksamen Querschnittsdurchmesser d&sub0; für die Abgabe einer relativ hohen Konzentration der weniger dichten Komponente(n) vorgesehen und im Bereich des ersten Endes angeordnet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Hydrozyklon geschaffen, wie er vorher beschrieben worden ist, der weiter dadurch gekennzeichnet ist, daß der wirksame Durchmesser d&sub0; in einigem Abstand vom ersten Ende gegen das zweite Ende hin angeordnet und an oder nahe der Hydrozyklonachse positioniert ist. Am bevorzugtesten beträgt der Abstand zumindest 2d&sub2; Einheiten von dem ersten Ende, bevorzugter mehr als 4d&sub2; Einheiten.
Vorhergehende Ausbildungen von Hydrozyklonen zum Trennen der weniger dichten Komponente(n) aus fluiden Gemischen hatten Auslaßmittel des wirksamen Durchmessers d&sub0;, die an oder nahe dem ersten Ende oder an dem zweiten Ende angeordnet waren, wobei postuliert wird, daß kein nennenswerter Nutzen erhalten wurde, wenn die Auslaßmittel innerhalb des Hydrozyklonraumes angeordnet waren (beispielsweise unter Verwendung eines Wirbelaufspürers). Gemäß der vorliegenden Erfindung wird durch Anordnung der Auslaßmittel mit dem wirksamen Durchmesser d&sub0; in einigem Abstand gegen das zweite Ende hin der Vorteil erreicht, daß ein verringerter Druckunterschied zwischen den Hydrozykloneinlaßmitteln und den Auslaßmitteln mit dem wirksamen Durchmesser d&sub0; vorhanden ist.
Ein Hydrozyklon gemäß der vorliegenden Erfindung kann ferner dadurch gekennzeichnet sein, daß der Auslaß mit dem minimalen wirksamen Querschnittsdurchmessers d&sub0; im Bereich des zweiten Endes angeordnet ist, und zwar im Bereich (vorzugsweise auf) der Hydrozyklonachse.
Vorzugsweise ist die wirksame Querschnittsfläche des Hydrozyklons in einer Richtung gegen das zweite Ende des Hydrozyklons hin, von der Position des Auslasses mit minimalem wirksamen Querschnittsdurchmesser d&sub0;, zumindest an einer Stelle eine wirksame Querschnittsfläche, die gleich, aber vorzugsweise kleiner als die minimale wirksame Querschnittsfläche des Hydrozyklons in Richtung gegen das erste Ende hin ist, von der Position des Auslasses weg und in einer Lage, welche die Auslaßmittel oder, falls vorhanden, die Strömungsänderungsmittel nicht umfaßt, sowie in einer Ebene normal zur Hydrozyklonachse.
Gemäß einer Form der Erfindung kann der Hydrozyklon im Bereich des ersten Endes mit mehr als einer Art von Einlaßmittel versehen sein, wobei eine erste Klasse von Einlaßmitteln mit Fluid von einer Quelle niedrigeren Drucks gespeist wird als dies bei einer anderen Klasse oder anderen Klassen von Einlaßmitteln der Fall wäre. In dieser Form kann Fluid, das um die Hydrozyklonachse rotiert, einen beträchtlichen Drehimpuls haben, der von-den Einlaßmitteln gespeist wird, welche mit Fluid aus einer Fluidquelle bzw. -quellen höheren Drucks gespeist werden.
Gemäß noch einem anderen Aspekt der Erfindung sind im Bereich des zweiten Endes Mittel zum Umwandeln zumindest eines Teiles der Drehbewegung des Fluids um die Hydrozyklonachse in eine Bewegung vorgesehen, die im wesentlichen linear zur Hydrozyklonachse ist (beispielsweise ein tangentialer Auslaß), während minimale nachteilige Widerstandskräfte auf das Fluid ausgeübt werden, während das Fluid im wesentlichen Drehgeschwindigkeit hat. Es scheint, daß solche Mittel dazu neigen, die erwünschte Drehung im Bereich des zweiten Endes aufrechtzuerhalten, wodurch die Hydraulik- und die Trennwirksamkeit des Hydrozyklons verbessert werden.
Es wird bevorzugt, daß die Hydrozyklonachse gerade oder in einem Bogen von großem Radius oder einer Anzahl von verbundenen Bögen von großem Radius glatt gekrümmt ist oder daß sie aus geraden Segmenten mit kleinen Übergangswinkeln zwischen diesen zusammengesetzt ist. Es wird bevorzugt, daß der Querschnitt an jedem Punkt zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende im wesentlichen axialsymmetrisch ist, d. h. im wesentlichen kreisförmig. Es kann für einige Anwendungen bevorzugt sein, daß die Innenfläche des Hydrozyklons zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende glatt ist oder sonst derart beschaffen ist, daß die Grenzschichtdicke nahe der Wand minimal gehalten wird.
Vorzugsweise sind Diskontinuitäten und/oder Stufen in der Hydrozyklonwand klein, bevorzugter werden keine Diskontinuitäten und keine Stufen oder abrupte Querschnittsänderungen vorhanden sein.
Somit kann gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung der Hydrozyklon im allgemeinen axialsymmetrische Form haben. Ferner braucht die Achse des Hydrozyklons keine einzige gerade Linie zu sein.
Gemäß einer anderen Form der Erfindung kann ein Hydrozyklon vorgesehen sein, der im wesentlichen eine Reihe von strömungsglättenden konischen oder anders geneigten Teilen aufweist, welche allgemein zylindrische Teile verbinden.
Der Wert von d&sub2; kann für Konstruktionszwecke oder praktische Zwecke gewählt werden, wird aber üblicherweise größer als 6 mm und weniger als 100 mm sein.
Das Volumen von freiem Gas an den Einlaßmitteln, das in den Hydrozyklon eingelassen wird, ist vorzugsweise weniger als 20%.
Die Viskosität der vorwiegend fluiden Komponente im Fluidgemisch ist vorzugsweise weniger als 200 Zentipoise unter Einlaßbedingungen.
Es versteht sich, daß den Hydrozyklonen verschiedene Merkmale hinzugefügt werden können, wie sie in dieser Erfindung beschrieben sind. Diese Merkmale sind dem Fachmann der Flüssig/Flüssig-Hydrozyklone geläufig und umfassen:
(a) Auslaßmittel zum Abziehen verbleibender Feststoffteilchen, wie Sand, aus dem Hydrozyklon;
(b) Einlaßmittel zum Einführen einer Spüllösung oder eines Spülgases in den Hydrozyklon oder in den Hydrozykloneinlaß
bzw. die Hydrozykloneinlässe, um die Bewegung der Teilchen gegen die Hydrozyklonachse zu unterstützen;
(c) Einlaßmittel zum Einführen von Chemikalien für solche Zwecke, wie eine Änderung der Fluideigenschaften;
(d) Auslaßmittel zum Abziehen einigen Fluids von der Wand des Hydrozyklons oder bestimmter Teile der externen Fluidströmung;
(e) Einlaßmittel in Form einer Düse bzw. von Düsen mit fixierter oder variabler Fläche zum Zuführen des zu behandelnden Gemisches in den Hydrozyklon; und
(f) Einlaßmittel gegen das zweite Ende, um das Aufrechterhalten der Drehung zu unterstützen.
Die verschiedenen Aspekte der Erfindung, wie sie hier beschrieben worden sind, können in einem Hydrozyklon verwendet werden, der variable Geometrie hat, d. h. eine Geometrie, die sich während des Betriebes des Hydrozyklons ändern kann.
Die hier beschriebenen Hydrozyklongeometrien können als Teil eines Systems verwendet werden, das zwei oder mehr Hydrozyklone in einem mehrstufigen System aufweist oder im Parallelbetrieb arbeitet oder Ventile oder andere Einrichtungen aufweisen kann, um den Druck oder die Strömung der Fluide an den Einlässen und/oder Auslässen zu steuern oder zu messen.
In Bezug auf das vorstehend angegebene Kriterium (1) hängt der bevorzugte Wert von Vr von der Art der vom Hydrozyklon geforderten Leistung für das betreffende Fluid ab. Man kann einen größeren Wert von Vr in einer oder mehreren der folgenden Situationen bevorzugen:
(i) wo die Viskosität des Fluids innerhalb des Hydrozyklons relativ groß ist;
(ii) wo die Teilchengrößenverteilung der weniger dichten Fluidkomponente(n) innerhalb der dichteren Komponente relativ klein ist;
(iii) wo die erwünschte Reinheit des Stromes der dichteren Fluidkomponente, welche den Hydrozyklon an dem zweiten Ende verläßt, relativ hoch ist;
(iv) wo das Dichteverhältnis der weniger dichten Fluidkomponente(n) zu der bzw. den dichteren Fluidkomponente(n) relativ nahe bei 1 liegt;
(v) wo die Kosten der Fluidleistung (Druck x Fluid Massenströmungsgeschwindigkeit an den Einlaßmitteln), die an den Einlaßmitteln des Hydrozyklons erforderlich ist, relativ billig ist;
(vi) wo die Viskosionsverluste, die beispielsweise auf die Wandreibung innerhalb des Hydrozyklons zurückzuführen sind, relativ groß sind; oder
(vii) wo die Grenzflächenspannung zwischen den Fluidphasen relativ groß ist.
Diese Liste ist nicht als erschöpfend anzusehen.
In Bezug auf das vorstehend angegebene Kriterium (3) hängt der bevorzugte Wert der Länge des Abschnittes auch von der vom Hydrozyklon für das betreffende Fluidgemisch erwünschten Leistung ab. Ein größerer Wert dieser Länge kann zu einer größeren Verweilzeit des Fluids im Hydrozyklon führen, wodurch den Teilchen der weniger dichten Komponente(n), die in der bzw. den dichteren Komponente(n) enthalten sind, mehr Zeit gelassen wird, gegen die Hydrozyklonachse zu wandern. Ein größerer Wert dieser Länge kann jedoch auch zu größeren Viskositätsverlusten führen, und zwar wegen der Wirkung der Wandreibung, die bestrebt ist, die gesamte Drehgeschwindigkeit des Fluids im Hydrozyklon zu reduzieren, wodurch auch die Zentripetalkörperkräfte reduziert werden, welche die Teilchen der weniger dichten Komponente(n) gegen die Hydrozyklonachse zwingen. Viskositätsverluste infolge der Wandreibung können signifikanter bei Fluiden sein, die eine größere Viskosität aufweisen.
Vorzugsweise bezieht sich die Erfindung auf einen Hydrozyklon, wie er vorstehend beschrieben worden ist, der aber weiter dadurch gekennzeichnet ist, daß er nicht aus zwei oder drei im allgemeinen zylindrischen Teilen aufgebaut ist und/oder keine im wesentlichen identischen, in Umfangsrichtung im wesentlichen gleich beabstandeten, tangential gerichteten Einspeisungen aufweist.
Vorzugsweise bezieht sich die Erfindung auch auf einen Hydrozyklon mit einem einzigen Einlaßmittel, wie er vorher beschrieben worden ist, der aber weiter dadurch gekennzeichnet, daß, wenn die Erzeugende des ersten Teiles des Hydrozyklons eine kontinuierlich gekrümmte Linie ist (oder nicht gerade ist, oder bei welchem der Einlaß dem Hydrozyklon einen nach innen spiralförmig verlaufenden Speisekanal erteilt), die Wirbelzahl, durch die Beziehung
definiert ist, worin di' der Durchmesser des Hydrozyklons an der Stelle bzw. den Stellen der Einlaßmittel ist, Ai' die Fläche der Einlaßmittel, wo der Strom in den Hydrozyklon eintritt, gemessen in der Ebene, welche die Hydrozyklonachse einschließt und den Mittelpunkt des Strömungseintrittes, und d&sub2;' der Durchmesser des Hydrozyklons, gemessen am Punkt z&sub2;', wo zuerst die Bedingung gilt, daß
größer als 12 ist, wobei z' der Abstand entlang der Hydrozyklonachse stromabwärts der Einlaßmittel und d' der Durchmesser des Hydrozyklons in diesem Punkt ist.
Die Erfindung bezieht sich auch vorzugsweise auf einen Hydrozyklon mit einer Vielzahl von Einlaßmitteln, wie sie vorher beschrieben worden sind, der aber weiter dadurch gekennzeichnet ist, daß, wenn diese Vielzahl von Einlaßmitteln nicht axial versetzt ist und/oder keine Speisekanäle aufweist, die spiralförmig nach innen verlaufen, und/oder wenn ein Teil der Erzeugenden des ersten Teiles gekrümmt ist, dann die Wirbelzahl, definiert durch die Beziehung
größer als 12 sein muß.
Es gibt eine Anzahl von Anwendungsfällen, für welche Hydrozyklone gemäß der Erfindung verwendet werden können. Es versteht sich, daß eine besondere Hydrozyklongeometrie nicht notwendigerweise für alle Anwendungsfälle geeignet oder optimal ist.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung werden Hydrozyklone geschaffen, wie sie vorher offenbart und zum Trennen der vorwiegenden fluiden Speisegemische bestimmt sind, welche zumindest eine vorwiegend flüssige Komponente und ferner zumindest eine Komponente aufweisen, die zumindest teilweise, wenn nicht in einem wesentlichen Ausmaß abgetrennt werden muß, wobei die letztere Komponente der Gefahr einer weiteren Emulgierung in Bereichen einer hohen Fluidscherung unterliegt. Insbesondere bestehen diese fluiden Speisegemische im wesentlichen aus Öl und Wasser.
Die Kriterien, die untersucht werden, wenn die Geometrie für einen Hydrozyklon für eine Anwendung auf fluide Gemische gewählt wird, können umfassen:
1. das Verhältnis der Dichten zwischen den zu trennenden Komponenten;
2. die Teilchengrößenverteilung der Komponenten;
3. die Grenzflächeneigenschaften und das Verhalten der Fluidteilchen und Gemische (insbesondere die Grenzflächenspannung);
4. die erwünschte Reinheit der Ströme, welche den Hydrozyklon verlassen;
5. die erwünschte Mengenstromrate der Ströme, welche den Hydrozyklon verlassen, relativ zu dem Strom bzw. den Strömen, welche in den Hydrozyklon eintreten;
6. das Volumen der gasförmigen Komponente(n) unter Einlaß- oder Auslaßbedingungen;
7. das Volumen der gasförmigen Komponente(n), das aus der Lösung innerhalb des Hydrozyklons austreten kann (üblicherweise als Ergebnis einer Druckreduzierung innerhalb des Hydrozyklons);
8. die Natur und die Wirkung der chemischen Reaktionen, die innerhalb des Hydrozyklons auftreten können;
9. die Menge, Größe und andere Faktoren, die sich auf Feststoffe beziehen, welche in den Hydrozyklon eintreten, z. B. ob die Feststoffe für die leichteren Komponente(n) oder die dichtere Komponente(n) benetzend sind oder nicht;
10. die an den Einlaßmitteln und Auslaßmitteln verfügbare Druck;
11. die Geometrie und Größe oder der verfügbare Raum für die Hydrozykloninstallierung;
12. die Fluidkomponentenviskosität;
13. Kosten; und
14. Betriebs- und Wartungsfaktoren.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Trennen vorwiegend fluiden Gemischen aus zwei oder mehr Komponenten unterschiedlicher Dichte in einem zumindest teilweisen, wenn nicht in einem wesentlichen Ausmaß, bei welchem das fluide Gemisch bzw. die fluiden Gemische in einen Hydrozyklon eingespeist werden, wie er vorher beschrieben worden ist, über die Einlaßmittel des Hydrozyklons, wobei das fluide Gemisch bzw. die fluiden Gemische sich auf einem höheren Druck befinden als die Auslaßmittel des Hydrozyklons.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die nicht einschränkenden Beispiele näher beschrieben, die in den begleitenden schematischen Zeichnungen dargestellt sind, in welchen zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Hydrozyklon gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Hydrozyklon gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei diese Queransicht in Richtung vom ersten Ende gegen das zweite Ende hin gerichtet ist.
Die Fig. 3, 4, 5 und 6 Längsschnitte bzw. Längsprofile der Hydrozyklone gemäß der vorliegenden Erfindung.
In Fig. 1 ist mit 8 die Hydrozyklonwand bezeichnet, mit 10 die Hydrozykloneinlaßmittel zum Einlassen des zu trennenden fluiden Gemisches, mit 12 die stromaufwärtigen Auslaßmittel des Hydrozyklons, wo das Fluid mit einem relativ großen Anteil der weniger dichten Komponente(n) vom Hydrozyklon abgegeben wird, mit 14 die stromabwärtigen Auslaßmittel, wo das Fluid mit einem größeren Anteil der dichteren Komponente(n) als das Speisegemisch aus dem Hydrozyklon abgegeben wird, mit 16 Strömungsänderungsmittel gemäß der vorliegenden Erfindung mit 18 eine mechanische Abstützung und Anordnungsmittel für die Strömungsänderungsmittel 16 und mit 20 die Hydrozyklonachse. Die Strömungsänderungsmittel 16 haben eine wirksame Mindestquerschnittsfläche A&sub2;. Die wirksame Mindestquerschnittsfläche des Hydrozyklons stromaufwärts der Strömungsänderungsmittel, d. h. gegen das erste Ende hin, ist A&sub1;, und die Mindestquerschnittsfläche des Hydrozyklons stromabwärts der Strömungsänderungsmittel 16, d. h. gegen das zweite Ende hin, ist mit A&sub3; bezeichnet.
In Fig. 2 ist mit 8 die Hydrozyklonwand stromaufwärts der Strömungsänderungsmittel 16 bezeichnet, und mit 9 die Hydrozyklonwand stromabwärts der Strömungsänderungsmittel 16. A&sub2; ist die wirksame Querschnittsfläche der Strömungsänderungsmittel 16. Mit 22 ist ein asymmetrisches Beispiel von Strömungsänderungsmitteln gemäß der vorliegenden Erfindung bezeichnet, und mit 20 die Hydrozyklonachse.
In Fig. 3 ist mit 23 der Bereich nahe dem ersten Ende eines Hydrozyklons gemäß der vorliegenden Erfindung bezeichnet, mit 24 der Bereich nahe dem zweiten Ende des Hydrozyklons, mit 26 Einlaßmittel zum Einlassen des Speisegemisches in den Hydrozyklon, mit 28 Auslaßmittel zum Abgeben eines Fluids mit einem erhöhten Anteil der weniger dichten Komponente bzw. von weniger dichten Komponenten als dem Speisegemisch entspricht. Mit 30 ist die Hydrozyklonwand bezeichnet, mit 32 Auslaßmittel zum Abgeben von Fluid mit einem erhöhten Anteil der dichteren Komponente bzw. von dichteren Komponenten als dem Speisegemisch entspricht, mit 34 Strömungsänderungsmittel gemäß der vorliegenden Erfindung, mit 35 die Abstützungs- und/oder Anordnungsmittel für die Strömungsänderungsmittel 34, wobei die Achse 36 der Abstützmittel 34 mit der Hydrozyklonachse 38 koinzidiert.
In Fig. 4 ist mit 40 die Hydrozyklonwand bezeichnet, mit 42 der Bereich nahe dem ersten Ende des Hydrozyklons, mit 44 der Bereich nahe dem zweiten Ende des Hydrozyklons, mit 46 Einlaßmittel zum Einlassen des Speisegemisches in den Hydrozyklon (eines der Einlaßmittel ist nicht gezeigt), mit 48 Auslaßmittel zum Abgeben von Fluid mit einem erhöhten Anteil der wenigen dichten Komponente bzw. von weniger dichten Komponenten als dem Speisegemisch entspricht, mit 50 Auslaßmittel zum Abgeben von Fluid mit einem erhöhten Anteil der weniger dichten Komponente(n) als dem Speisegemisch entspricht (wobei eines der Auslaßmittel nicht gezeigt ist), mit 52 Strömungsänderungsmittel gemäß der vorliegenden Erfindung, mit 54 die Hydrozyklonachse, mit 56 Anordnungs- und/oder Abstützungsmittel für die Strömungsänderungsmittel 52, mit 58 die Längsachse der Anordnungsund/oder Abstützungsmittel 56. Die Auslaßmittel 50 (eines der Auslaßmittel ist nicht gezeigt) sind tangentiale Auslässe, die so ausgebildet sind, daß sie zumindest einen Teil der Drehbewegung des Fluids um die Hydrozyklonachse in eine Bewegung umwandeln, die im wesentlichen linear ist. Es wird angenommen, daß ein Hydrozyklon gemäß dieser Ausbildung sowohl zum Trennen von fluiden Gemischen mit einer weniger dichten Komponente bzw. weniger dichten Komponenten als auch mit einer dichteren Komponente bzw. dichteren Komponenten geeignet ist.
In Fig. 5 ist mit 60 die Hydrozyklonwand bezeichnet, mit 62 der Bereich nahe dem ersten Ende des Hydrozyklons, mit 64 der Bereich nahe dem zweiten Ende des Hydrozyklons, mit 66 Einlaßmittel zum Einlassen des Speisegemisches in den Hydrozyklon (eines der Einlaßmittel ist nicht gezeigt), mit 68 Auslaßmittel zum Abgeben von Fluid mit einem erhöhten Anteil der weniger dichten Komponente(n) als dem Speisegemisch entspricht, mit 70 Auslaßmittel zum Abgeben von Fluid mit einem erhöhten Anteil der weniger dichten Komponente(n) als dem Speisegemisch entspricht (eines der Auslaßmittel ist nicht gezeigt), mit 72 Strömungsänderungsmittel gemäß der vorliegenden Erfindung, mit 74 die Hydrozyklonachse, mit 76 Anordnungs- und/oder Abstützmittel für die Strömungsänderungsmittel 72, mit 78 die Längsachse der Anordnungs- und/oder Abstützmittel 76. Die Auslaßmittel 70 sind tangentiale Auslässe, die so ausgebildet sind, daß sie zumindest einen Teil der Drehbewegung des Fluids um die Hydrozyklonachse in eine Bewegung umwandeln, die im wesentlichen linear ist. Es wird angenommen, daß ein Hydrozyklon gemäß dieser Ausbildung sich zum Trennen einer weniger dichten Komponente bzw. von weniger dichten Komponenten aus fluiden Gemischen eignet, weil er länger ist als die Ausbildung gemäß Fig. 4, wodurch eine größere Verweilzeit innerhalb des Hydrozyklons verbleibt. Dies erhöht die Zeit, die für die weniger dichte Komponente(n) verfügbar ist, um gegen die Hydrozyklonachse zu wandern.
In Fig. 6 ist mit 80 die Hydrozyklonwand bezeichnet, mit 82 der Bereich nahe dem ersten Ende des Hydrozyklons, mit 84 der Bereich nahe dem zweiten Ende des Hydrozyklons, mit 86 Einlaßmittel zum Einlassen des Speisegemisches in den Hydrozyklon (eines der Einlaßmittel ist nicht gezeigt), mit 88 Auslaßmittel zum Abgeben von Fluid mit einem erhöhten Anteil der weniger dichten Komponente(n) als dem Speisegemisch entspricht, mit 90 Auslaßmittel zum Abgeben von Fluid mit einem erhöhten Anteil der dichteren Komponente(n) als dem Speisegemisch entspricht (eines der Auslaßmittel ist nicht gezeigt), mit 92 Strömungsänderungsmittel gemäß der vorliegenden Erfindung, mit 94 die Hydrozyklonachse, mit 96 Anordnungs- und/oder Abstützmittel für die Strömungsänderungsmittel 92, mit 98 die Längsachse der Anordnungs- und/oder Abstützmittel 96. Die Auslaßmittel 90 sind tangentiale Auslässe, die so ausgebildet sind, daß sie zumindest einen Teil der Drehbewegung des Fluids um die Hydrozyklonachse in eine Bewegung umwandeln, die im wesentlichen linear ist. Es wird angenommen, daß ein Hydrozyklon gemäß dieser Ausbildung zum Trennen der dichteren Komponenten aus fluiden Gemischen geeignet ist.
Die Doppel-Tangentialeinlaßmittel mit rechteckigem Querschnitt, die in den Fig. 1, 3, 4, 5 und 6 gezeigt sind, sollen eine im wesentlichen axialsymmetrische Strömungsform in dem Bereich des ersten Endes der entsprechenden Hydrozyklone ergeben und der hereinkommenden Strömung des Speisegemisches gestatten, daß sie nahe der Hydrozyklonwand eingeführt wird, wodurch die Anwendung der Hydrozyklongeometrie im Bereich des ersten Endes maximiert wird, so daß eine Drehgeschwindigkeit des Speisegemisches erzeugt, induziert oder begünstigt wird.
Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Hydrozyklon mit einer ausreichend großen volumetrischen Einlaßströmungsgeschwindigkeit betrieben, so daß ein wesentlicher Anteil des Fluids innerhalb des Hydrozyklons eine Drehgeschwindigkeit um die Hydrozyklonachse hat und eine entsprechende Zentripetalbeschleunigung wesentlich größer als 10 m/s² ist. Der Hydrozyklon kann so betrieben werden, daß die Hydrozyklonachse jede erwünschte Orientierung relativ zum örtlichen Gravitationsfeld hat, ohne die Leistung wesentlich zu beeinträchtigen. In ähnlicher Weise kann ein solcher Hydrozyklon so betrieben werden, daß er an beschleunigten Gegenständen fest verankert ist, wie einem Schiff oder einer schwimmenden Ölproduktionsplattform in rauher See, ohne signifikante Beeinträchtigung der Leistung. Hydrozyklone gemäß der vorliegenden Erfindung werden häufig ohne einen Luftkern betrieben.

Beispiel 1

Das zu behandelnde fluide Gemisch war öliges Wasser mit emulgierten Lufttröpfchen einer durchschnittlichen Größe von 35 um und einer gesamten Ölkomponente von weniger als 2000 Teilen pro Million (auf Volumenbasis). Das Ziel bestand darin, den größten Teil der Ölkomponente entfernen und diese in einen Auslaßstrom von etwa 2% des Einlaßstromes zu konzentrieren. Es war auch erwünscht, daß der Hydrozyklon energieeffizient und kompakt ist.
Eine Ausbildung, die sich gemäß der vorliegenden Erfindung für diesen Zweck eignet, ist am besten in Fig. 4 gezeigt. Für diese Ausbildung beträgt V etwa 750 · 10³ mm³, d&sub2; 30,9 mm, d&sub0; = 2 mm, di = 63,8 mm, A&sub1; = 243 mm², A&sub2; = 32 mm², Ai = 172 mm², A&sub3; = 91 mm².
Somit wird
Vr = 6,37;
die Länge des Hydrozyklons vom ersten Ende zum zweiten Ende = 1157 mm;
der Hydrozyklon hat einen Abschnitt einer Länge größer als 10d&sub2; Einheiten, wobei 15' < α < 20;
d&sub0;/d&sub2; = 0,06;
und A&sub1;/A&sub2; = 7,6 sowie A&sub1;/A&sub3; = 2,7.
Ein Hydrozyklon der vorstehenden Ausbildung arbeitet zufriedenstellend bei Abwesenheit von Strömungsänderungsmitteln, wie sie vorher beschrieben worden sind, doch ergibt bei einer Strömung von 50 l/min die Verwendung von Strömungsänderungsmitteln gemäß der vorliegenden Erfindung bei konstanter Strömung eine Druckerhöhung von etwa 10 kPa, wodurch das Hydrozyklon-Umschlagverhältnis erhöht wird.

Beispiel 2

Das zu behandelnde fluide Gemisch war ein hochemulgiertes Öl-in-Wasser-Gemisch mit Öl-in-Wasser-Konzentrationen von weniger als 2000 ppm (auf Volumenbasis) und einer durchschnittlichen Öltröpfchenteilchengröße von weniger als 20 um. Das Ziel war, eine minimale Kontamination der Auslaßwasserkomponente zu erreichen, wobei der konzentrierte ölige Strom etwa 2% des Einlaßeinsatzes ausmachte.
Eine für diese besondere Aufgabe geeignete Ausbildung ist in Fig. 5 gezeigt.
Für diese Ausbildung beträgt d&sub2; 32,4 mm, di = 65,2 mm, A&sub1; = 243 mm², A&sub2; = 32 mm², A&sub3; = 195 mm², Ai = 143 mm².
Somit wird
Vr = 6,83;
die Länge des Hydrozyklons vom ersten Ende zum zweiten Ende = 1557 mm;
der Hydrozyklon hat einen Abschnitt mit einer Länge größer als 10d&sub2; Einheiten, wobei 15' < α < 20;
d&sub0;/d&sub2; = 0,062;
und A&sub1;/A&sub2; = 7,6 sowie A&sub1;/A&sub3; = 1,2.

Beispiel 3

Das zu behandelnde fluide Gemisch war ein Gemisch aus Wasser mit einer durchschnittlichen Teilchengröße 40 um, dispergiert in Öl. Die Konzentration von Wasser war kleiner als 10 Vol.-%. Die Hauptaufgabe bestand darin, die Konzentration von Wasser in Öl zu reduzieren. Eine Ausbildung, die sich für diesen Zweck eignet, ist in Fig. 6 gezeigt.
Für diese Ausbildung ist d&sub2; = 25 mm, A&sub1; = 75,4 mm², A&sub2; = 28,3 mm², A&sub3; = 35,3 mm²; somit ist A&sub1;/A&sub2; = 2,7 und A&sub1;/A&sub3; = 2,1.

Claims

1. Eine Methode zum Separieren eines Gemischs aus einer dispergierten Phase eines leichteren Teils in einer kontinuierlichen Phase eines dichteren flüssigen Teils; bestehend aus dem Zuführen der Mischung in einen Hydrozyklon mit gegenüberliegendem ersten und zweiten Ende, zwischen denen sich eine Hydrozyklonachse (20) (wie hier definiert) erstreckt, wobei der Bereich des Querschnitts (wie hier definiert) des Hydrozyklons sich insgesamt vom ersten zum zweiten Ende verringert; und Einlasse (10) neben dem ersten Ende zum Zuführen eines Gemischs in den Hydrozyklon vorhanden sind und erste und zweite Auslässe (12, 14) zum Abführen jeweils vergleichsweise mehr bzw. weniger dichter Teile, die aus dem Gemisch separiert wurden; wobei sich die ersten Auslässe im wesentlichen auf der Hydrozyklonachse befinden, und die zweiten Auslässe sich neben dem zweiten Ende befinden; und gekennzeichnet dadurch, wenn d&sub2; der nominelle Hydrozyklon-Durchmesser ist, definiert als:

d&sub2; = 3 V/24

wobei V das effektive interne Volumen des Hydrozyklons darstellt, nicht eingeschlossen die Einlaß- und Auslaßkanäle, und wenn die Zahl der Einlasse (10) im Bereich des ersten Endes ein integres n ist mit einem Wert gleich oder größer als 1, wobei ein Flüssigkeitsgemisch mit einer Mengenstromrate in durch den pth Einlaß in den Hydrozyklon mit einem Moment pro Einheit mal ( , ist ein Mengenvektor) geführt wird, ist die Vektorkomponente von Lp parallel zur Ebene senkrecht zur Hydrozyklonachse (20) (wie vorher hier definiert) am pth-Einlaß; und rp ist der Mindestradius von der Hydrozyklonachse zu dem Punkt auf der Richtungslinie der Vektorkomponente < Lp,, wobei rp, sich parallel zu der Ebene senkrecht zur Hydrozyklonachse am pth-Einlaß befindet und rp senkrecht zu der Richtungslinie der Vektorkomponenten < Lp steht, und di ist der effektive Durchmesser des ersten Endes definiert als:

und A&sub1; ist der effektive Einlaßbereich definiert durch:

wobei Ap der gesamte Querschnittsbereich am pth-Einlaß ist am Eingang zum Hydrozyklon in einer Parallelebene zur Hydrozyklonachse am Einlaß p und senkrecht zur Vektorkomponenten < Lp; und die folgenden Kriterien sind vorhanden:

A. 3< V,< 28, wobei

B. Der Hydrozyklon gemessen entlang der Hydrozyklonachse (20) von der ersten Seite zur zweiten Seite ist mindestens 10d&sub2; lang.

C. Der Hydrozyklon schließt einen Abschnitt zwischen der ersten und der zweiten Seite ein, der mindestens 8d&sub2; lang ist, gemessen entlang der Hydrozyklonachse, wobei:

15'< α< 2º

α ist der durchschnittliche Halbwinkel der Konvergenz einer Seitenwand des Hydrozyklons; und

D. Die ersten Auslässe (12) haben einen effektiven Mindestquerschnittsdurchmesser von d&sub0;, wobei d&sub0;/d&sub2;/< 0.25

2. Eine Methode gemäß Anspruch 1, wobei Vr größer ist als 5 und kleiner als 20, der Hydrozyklon ist mindestens 15d&sub2; von der ersten Seite bis zur zweiten Seite, die Länge über die der Durchschnittswinkel mindestens 15' und weniger als 2&sub0; beträgt, ist mindestens 10d&sub2; und d&sub0;/d&sub2;< 0,1.

3. Eine Methode gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die ersten Auslässe (12) neben der ersten Seite angebracht sind.

4. Eine Erfindungsmethode gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die ersten Auslässe in einem Abstand von mindestens 2d&sub2; von der ersten Seite zur zweiten Seite hin liegen.

5. Eine Methode gemäß Anspruch 4, wobei der Abstand mindestens 4d&sub2; beträgt.

6. Eine Methode gemäß jedem der vorhergehenden Ansprüche, die mit mehr als einer Art von Einlaß versehen ist, und wobei ein erster Einlaßtyp mit Flüssigkeit von einer Quelle niedrigeren Drucks beschickt wird als dies der Fall mit einer anderen Art des Einlasses ist.

7. Eine Methode gemäß jedem der vorhergehenden Ansprüche, wobei neben dem zweiten Ende Mittel (14) eingesetzt werden, um zumindest einen Teil der Drehbewegung der Flüssigkeit über der Hydrozyklonachse in eine Bewegung zu konvertieren, die im wesentlichen linear ist, während minimale viskoser Widerstandskräfte auf die Flüssigkeit einwirken, während die Flüssigkeit im wesentlichen eine Drehgeschwindigkeit hat.

8. Eine Methode gemäß Anspruch 7, wobei die Mittel zum Konvertieren mindestens eines Teils der Drehbewegung der Flüssigkeit über der Hydrozyklonachse in eine Bewegung, die im wesentlichen linear ist, in Form eines oder mehrerer tangentieller Auslässe (14) besteht und die zweiten Auslässe darstellt.

9. Eine Methode gemäß jedem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wert von d&sub2; größer als 6 mm und kleiner als 100 mm ist

10. Eine Methode gemäß Anspruch 1, wobei die ersten Auslässe (12) neben der ersten Seite liegen, und wobei der Hydrozyklon den Strom modifizierende Mittel (16) hat, die einen Teil des Wegs entlang der Hydrozyklonachse von der ersten zur zweiten Seite ein Hindernis zum Erhöhen des Drucks oder der Mengenstromrate des relativ weniger dichten Flüssigkeitsteils aus den ersten Auslässen bilden, und wobei das Verhältnis des Minimumbereichs des Hydrozyklonquerschnitts (A&sub1;) des Teils des Hydrozyklons zwischen der ersten Seite und dem Hindernis und des effektiven Querschnittsbereichs (A&sub2; des Hindernisses größer ist als 2.

11. Eine Methode entsprechend Anspruch 10, wobei das Verhältnis A&sub1; : A&sub2; größer ist als 5.

12. Eine Methode gemäß Anspruch 10 und 11, wobei das Hindernis mindestens d&sub2;/15 zur ersten Seite von einer Schlußwand an der zweiten positioniert ist, gemessen entlang der Hydrozyklonachse.

13. Eine Methode gemäß Anspruch 12, wobei das Hindernis mindestens d&sub2;/6 zur ersten Seite der Schlußwand positioniert ist

14. Eine Methode gemäß Ansprüche 10 bis 13, wobei der effektive Bereich des Hydrozyklonquerschnitts (A&sub3;) mindestens eine Position entlang der Hydrozyklonachse vom Hindernis zur zweiten Seite nicht größer ist als der Bereich A&sub1;.

15. Eine Methode gemäß jeder der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zu separierende Gemisch aus Öl und Wasser besteht.