DE3930951A1 - Fliehkraftabscheider zum trennen von gas und fluessigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Fliehkraftabscheideranlage zum Trennen der gasförmigen und flüssigen Phasen, die im wesentlichen aus einem Fliehkraftabscheider und dem damit verbundenen Gravitationstrennbehälter besteht.

Wie es wohlbekannt ist, werden in den Fliehkraftabscheidern die flüssigen und gasförmigen Phasen unter der Einwirkung der Fliehkraft voneinander getrennt, wonach der an Flüssigkeit reiche Teilstrom und der sogenannte trockene (Haupt)gasstrom abgeleitet werden. Eine übliche Lösung besteht darin, daß die abgeschiedene Flüssigkeit in einen Vorratsbehälter geleitet wird, in dem das auf Wirkung der Schwerkraft austretende Gas getrennt werden kann.

Es sind auch Lösungen bekannt, bei denen der gravimetrischen Trennung folgend das abgeschiedene Gas in den Fliehkraftabscheider zurückgeleitet wird, wodurch die Wirksamkeit der Anlage erhöht wird.

Ein Beispiel dafür gibt die DE-OS 28 50 020; bei dieser Lösung weist der Abscheider einen Abscheideraum mit Kreisquerschnitt auf; an dem einen Ende - Zuflußende - des erwähnten Abscheideraumes ist eine zu dem Mantel tangential angeordnete, das Gas zuführende Düse vorhanden, die den Drall des zugeführten, aus Gas und Flüssigkeit bestehenden Gemisches gewährleistet, während an dem anderen Ende des Abscheideraumes ein mit dem Abscheideraum koaxiales sogenanntes Tauchrohr zur Abfuhr des Gases vorgesehen ist, dessen Querschnitt kleiner ist als jener des Abscheideraumes, während die flüssige Phase über den Ringspalt, der zwischen der Wand des Abscheideraumes und der Wand des Tauchrohrs entsteht, austritt.

Diese bekannte Anlage weist weiterhin einen Absetzbehälter auf, dessen Gasraum über eine Rücklaufleitung mit dem Fliehkraftabscheider kommuniziert, und zwar derweise, daß am Einlaufende des Abscheideraumes, über die Gasdüse hinüberreichend, in der Mittellinie des Abscheideraumes das offene Ende des rückleitenden Tauchrohrs angeordnet ist.

Die Funktion der Anlage beruht auf der Tatsache, daß auf Wirkung der Fliehkraft die Flüssigkeitstropfen die Wand des Abscheideraums erreichen und darauf einen Flüssigkeitsfilm bilden. Der auf der Wand vorhandene Flüssigkeitsfilm und das Gas strömen zusammen in axialer Richtung. Dem ringförmigen, adäquat dimensionierten Spalt am Ende des Abscheideraums wird die Aufgabe zugeteilt, die abgetrennte Flüssigkeitsphase abzuleiten.

Der Nachteil der bekannten Lösungen besteht grundsätzlich darin, daß die einzelnen Anlagen - infolge der gegebenen Dimensionen - die Trennung mit gutem Wirkungsgrad nur unter gewissen Umständen sicherstellen können. Die richtige Wahl der Spaltgröße stellt eine komplizierte Aufgabe für den Konstrukteur dar; die Wahl hängt stets von den physikalischen Parametern der Gas-Flüssigkeitsphase - so der Geschwindigkeit des Gemisches und dem Flüssigkeitsinhalt - ab.

Bei den bekannten Lösungen wird die an der Wand des Abscheideraumes sich ausgestaltende Flüssigkeitsschicht (Film) infolge der hohen Flüssigkeitskonzentrationen und der hohen axialen Geschwindigkeit labil; von der Oberfläche trennen sich Tröpfchen ab, die sich infolge der entstehenden Turbulenz in dem Gasstrom verteilen. In diesem Fall tritt - mehr oder weniger - Flüssigkeit mit dem trockenen Gas aus, was die Verschlechterung der Wirksamkeit der Anlage mit sich bringt. Sinngemäß ist die Vergrößerung des Ringspaltes in axialer Richtung keinesfalls zur Eliminierung der erwähnten Erscheinung geeignet.

Der Erfindung wurde das Ziel gesetzt, die obenerwähnten Nachteile zu vermeiden und einen Abscheider zum Trennen der Gas- und Flüssigkeitsphase mit stabiler Funktion, mit maximaler Wirksamkeit auf dem Prinzip der Zentrifugalkraft beruhend zu schaffen.

Die Erfindung beruht insbesondere auf der Erkenntnis, daß die Stabilität des an der Wand strömenden Flüssigkeitsfilms derweise gewährleistet werden kann, indem man für die unmittelbare Ableitung der entlang der Wand des Abscheideraumes abgeschiedenen Flüssigkeit sorgt.

Aufgrund dieser Erkenntnis ist bei der erfindungsgemäßen Anlage in der Wand des Abscheideraumes wenigstens ein Umfangsspalt zur Ableitung der Flüssigkeit vorgesehen.

Es wird als vorteilhaft betrachtet, wenn in Abhängigkeit von dem Flüssigkeitsinhalt mehrere Umfangsspalte ausgestaltet werden; auf diese Weise kann man nämlich auch bei hohen Flüssigkeitsgeschwindigkeiten und hohem Gehalt an Flüssigkeit einen stabilen Betrieb erreichen, und zwar dadurch, daß keine zusammenhängende Flüssigkeitsschicht - die eine vorbestimmte Schichtdicke übertreffen würde - entsteht.

Die Ausführungsform wird ebenfalls als vorteilhaft betrachtet, bei der spiegelsymmetrisch zwei Abscheideräume gleicher Gestaltung ausgebildet sind, wodurch der Wirbel des Gas-Flüssigkeitsgemisches in zwei axiale Teile entgegengesetzter Richtung unterteilt werden. Auf diese Weise wird die axiale Geschwindigkeit halbiert und die hydrodynamische Stabilität des Flüssigkeitsfilms erhöht.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des sogenannten symmetrischen Abscheiders mit zwei Abscheideräumen enthält zwei voneinander unabhängige Düsen zur Gemischzufuhr, wodurch die selbstständige und abhängige Regelung beider Anlageneinheiten gewährleistet werden kann.

Eine weitere Charakteristik der erfindungsgemäßen Anlage besteht darin, daß - von der bekannten Lösung abweichend - der Gasraum des Absetzbehälters über ein Rezirkulationsrohr derweise mit dem Fliehkraftabscheider kommuniziert, daß die Rückleitungsmündung an der das Trockengas ableitenden Seite, bzw. bei einem spiegelsymmetrischen Aufbau an den das Trockengas ableitenden Enden, in Richtung der Mittellinie des Fliehkraftabscheiders, d.h. in der Mittellinie des Wirbels, angeordnet ist.

Es wird als vorteilhaft betrachtet, wenn das sogenannte, das Trockengas ableitende Tauchrohr an einen Dralldiffusor angeschlossen ist; in diesem Fall ist die gaszuführende Öffnung so ausgestaltet, daß sie in den Dralldiffusor in Richtung der Mittellinie des Abscheiders hineinragt.

Die Erfindung wird anhand einiger vorteilhafter Ausführungsformen mit Hilfe der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Fliehkraftabscheider zum Trennen der gasförmigen und der flüssigen Phase, mit einer einzigen Düse und mit einem an der Wand des Abscheideraumes ausgestalteten einzigen Umfangsspalt,

Fig. 2 eine Anlage mit zwei spiegelsymmetrisch angeordneten Fliehkraftabscheidern mit je zwei Umfangsspalten, und

Fig. 3 eine weitere Lösung der spiegelsymmetrischen Anordnung.

Wie es aus Fig. 1 wohl ersichtlich ist, weist der erfindungsgemäße Fliehkraft-Flüssigkeitsabscheider C im Einklang mit der Lösung nach der DE-OS 28 50 020 eine Drallkammer 1 auf, an deren Wand eine das zu trennende Gemisch zuführende Düse 2 angeschlossen ist. Die Düse 2 kann verschiedenerweise ausgestaltet werden, z.B. mit einem geraden Durchfluß, oder spiralig oder konvergent-divergent ausgeführt sein. Es wird als vorteilhaft betrachtet, wenn die Düse 2 tangential an einen zylindrischen Abscheideraum 3 mit insbesondere horizontaler Achse, d.i. ein horizontales Wirbelrohr, angeschlossen ist, d.h. daß die äußere Erzeugende mit einer Wand 3 a des Abscheideraumes 3 koinzidiert (diese Lösungen sind übrigens aus der Zyklontechnik wohlbekannt).

Mit den bekannten Lösungen übereinstimmend enthält die Anlage weiterhin ein in den Abscheideraum koaxial hineinragendes Tauchrohr 23, zwischen dessen äußeren Erzeugenden und dem Innendurchmesser der Wand 3 b des Abscheideraums 3 ein drehsymmetrischer axialer Ringspalt 6 entsteht. Zweckmäßig wird die kleinste Größe des erwähnten Ringspaltes so gewählt, daß nach Möglichkeit jeder sich ablösende Flüssigkeitstropfen in den Ringspalt 6 gelangt; auf diese Weise soll das über das Tauchrohr 23 abzuleitende sogenannte Trockengas möglichst die minimale Menge an Flüssigkeit enthalten. Die größte Dimension des Ringspaltes 6 wird auch durch die Bedingung bestimmt, daß der Gehalt an Gas in dem Flüssigkeitsstrom minimal ist. (Übrigens ist das Prinzip der Dimensionierung in der zitierten Offenlegungsschrift beschrieben).

Eine eigenartige neue Charakteristik der erfindungsgemäßen Anlage besteht darin, daß in der Wand 3 a des Abscheideraumes 3 ein konzentrischer radial ausgerichteter Umfangsspalt 4 ausgestaltet ist, der von einem Mantelraum 18 umgeben ist. Bei den gezeigten Ausführungsformen liegt der Umfangsspalt 4 im Bereich der Längsmitte des Abscheideraumes 3 und entsteht durch axiale Unterbrechung der Rohrwand 3 a des Abscheideraumes.

Der Umfangsspalt 4 ist so zu dimensionieren, daß er die Ableitung einer zusammenhängenden Flüssigkeitsschicht ermöglicht.

Im Laufe des Betriebs der Anlage gelangt die Flüssigkeit, (die in einer geringen Menge auch Gas enthält) aus der Drallkammer 1 über die Düse 2 in den Abscheideraum 3, wo sie unter der Wirkung der Fliehkraft zu der Wand 3 a hin geschleudert wird. Unter der Wirkung des sich ausgestaltenden Druckgradienten (Trägheitskraft) strömt die an der Wand auf einer Spiralbahn abfließende Flüssigkeit über den Umfangsspalt 4 in den Mantelraum 18. Hier nimmt die Geschwindigkeit der abgetrennten (gashaltigen) Flüssigkeit ab und diese strömt über das mit dem Mantelraum 18 verbundene Fallrohr 10 und das Sammelrohr 11 in den Behälter 12, wo unter der Einwirkung der Schwerkraft die Flüssigkeit und die Gasphase voneinander getrennt werden. Auf diese Weise wird im Raum 12 b des Standbehälters 12 - der als Vorratsraum oder Sumpf ausgebildet ist - die Flüssigkeit gesammelt, während der Gasraum 12 c das Trockengas aufnimmt.

Die an der Wand 3 a des Abscheideraumes 3 abgeschiedenen, sich von der Oberfläche des entstandenen Flüssigkeitsfilms ablösenden Flüssigkeitstropfen werden an der Wand 3 b wiederholt angesammelt, später in an sich bekannter Weise über den Ringspalt 6 abgeleitet. Aus einem den Ringspalt 6 umschließenden Mantelraum 19 gelangt die ausgeschiedene Flüssigkeit gleicherweise über das Fallrohr 10 bzw. das Sammelrohr 11 in den Behälter 12.

Im Einklang mit der bekannten Lösung dient das zu der Mittellinie des Abscheideraumes koaxiale Tauchrohr 23 zur Abfuhr des Trockengases.

Bei der in der Figur veranschaulichten Ausführungsform ist das Tauchrohr in an sich bekannter Weise mit einem spiralförmigen Dralldiffusor 8 (Radialdiffusor) verbunden, in dem die kinetische Energie des Wirbels in Druckenergie überführt wird. Trockengas wird von hier über das Rohr 22 abgeleitet.

Der Gasraum 12 c des Behälters 12 der erfindungsgemäßen Anlage kommuniziert über das Rezirkulationsrohr 14 mit dem Dralldiffusor 8, und zwar derweise, daß die das Gas zuführende Öffnung 9 in Richtung der gemeinsamen Mittellinie des Abscheideraumes 3 und des Tauchrohrs 23 liegt; als Erfolg wird unter der Saugwirkung des Raums mit dem dort herrschenden niedrigeren Druck das in dem Gasraum 12 c angesammelte Gas in die Achse des Wirbels eingesaugt, von wo es über das Rohr 22 abgeleitet wird.

Die Rezirkulation des gravimetrisch abgeschiedenen Gases in den Fliehkraftabscheider stellt ihrerseits ein neues Element der erfindungsgemäßen Anlage dar.

Bei der bereits zitierten Lösung wird das Gas an der Zulaufseite rezirkuliert, und zwar mit Hilfe eines rezirkulierenden Tauchrohrs, das über die Zuflußöffnung der Gasdüse hinausragt und in der Mittellinie des Fliehkraftabscheiders liegt. Der Nachteil dieser bekannten Gestaltung zeigt sich darin, daß sie unfähig ist die in der Zyklontechnik wohlbekannte, "Kriechen" genannte Erscheinung vollkommen zu eliminieren. (Das bedeutet eigentlich, daß die zur Richtung der Axialkomponente des Wirbels entgegengesetzt strömende "zurückkriechende" Flüssigkeit in das Rezirkulationsrohr gelangen kann.)

Durch die erfindungsgemäße Lösung der Rezirkulation konnte der Einfluß der obenerwähnten schädlichen Erscheinung eliminiert werden, da die Rezirkulation aus der Richtung des Wirbels stattfindet.

Aus der Fig. 1 geht es eindeutig hervor, daß der Behälter mit einem Niveauregler 15 versehen ist, der den konstanten Flüssigkeitsstand in dem Behälter 12 in an sich bekannter Weise gewährleistet.

Zweckmäßig liegt dieser Flüssigkeitsstand niedriger als die Mündung des an dem Behälter 12 angeschlossenen Sammelrohrs 11, höchstens ist der Stand auf die gleiche Höhe eingestellt. Sollte die angesammelte Flüssigkeitsmenge diesen Stand übertreffen, funktioniert der Niveauregler 15, wodurch der Überschuß über die angeschlossenen Rohre 16 bzw. 15 abgeleitet wird.

Der erfindungsgemäße, eigenartige und neue Fliehkraftabscheider mit dem spiegelsymmetrischen Aufbau ist in Fig. 2 veranschaulicht.

Wenn man nun die hier dargestellte Ausführungsform mit jener nach Fig. 1 vergleicht, geht es eindeutig hervor, daß die Einheit des Fliehkraftabscheiders C aus zwei separaten, mit der Einheit nach Fig. 1 übereinstimmenden, sich einander anpassenden spiegelsymmetrischen Teileinheiten zusammengesetzt ist, wobei die beiden Teile eine zusammenhängende Einheit bilden und eine einzige gemeinsame Düse 2 zur Gaszufuhr aufweisen. Der symmetrisch aufgebaute Fliehkraftabscheider C ist mit dem Absetzbehälter 12 verbunden. (Die Bezeichnung identischer struktureller Teile mit identischen Referenznummern weist auf den übereinstimmenden Aufbau hin.)

Diese Ausführungsweise wird dort vorteilhaft angewendet, wo bei einem verhältnismäßig niedrigen Druckabfall und hohem spezifischen Flüssigkeitsgehalt die Trennung der Gas- Flüssigkeitsphase mit hoher Wirksamkeit gefordert wird.

Die Funktion der Anlage ist mit jener nach Fig. 1 mit dem Unterschied übereinstimmend, daß das über die gemeinsame Düse 2 aus der Drallkammer 1 zugeführte, aus Gas und Flüssigkeit bestehende Gemisch in zwei entgegengesetzte Richtungen verteilt wird. Im Hinblick darauf, daß der Aufbau die Möglichkeit bietet, die sogenannte Rückwand der Drallkammer 1 weglassen zu können (nämlich die zu der Richtung der axialen Strömungskomponente des Wirbels engegengesetzte Endwand), wird die schädliche Erscheinung des "Flüssigkeitskriechens" eliminiert.

Die Abscheideräume 3 a können hohlzylindrische Körper sein, oder sie sind durch Drehkörper gebildet, die zweckmäßig von der Ebene der Düse 2 ausgehend einen sich kontinuierlich erweiternden Querschnitt aufweisen. Es scheint zweckmäßig bei einem hohen Flüssigkeitsgehalt, eine konische Gestaltung vorzuziehen, wobei (aufgrund experimenteller Erfahrungen) der halbe Öffnungswinkel zwischen 0° und 4° liegt. Die Konizität sichert nämlich einen axialen Kraftvektor, der die an der Wand durch die Grenzschicht strömende Flüssigkeit mit dem Gasstrom übereinstimmend in axialer Richtung vorwärts drückt, wodurch die hydrodynamische Stabilität erhöht wird.

In Fig. 3 ist ebenfalls eine Anlage veranschaulicht, die einen Fliehkraftabscheider C mit spiegelsymmetrischem Aufbau enthält. Diese Ausführungsform weicht insofern von jener nach Fig. 2 ab, daß zwei voneinander unabhängig betätigbare, das Gas zuführende Düsen 2 vorgesehen sind, des weiteren entlang der Wand 3 a des Abscheideraumes mehrere Umfangsspalte 4 a, 4 b bzw. 4 c ausgestaltet sind.

Diese Lösung ermöglicht die kontinuierliche Regelung der Leistung durch die geeignete Inbetriebhaltung der Düsen 2. Die Anlage kann vorteilhaft zum Trennen von entmischbaren Flüssigkeitsphasen, so z.B. Gasolin-Wasser, verwendet werden, wobei die Reinigung von Erdgas gelöst werden kann.

Durch die Anwendung mehrerer Umfangsspalte 4 a, 4 b, 4 c kann der Wirkungsgrad der Trennung weitgehend erhöht werden, da für die Abfuhr der entlang der Wände 3 a, 3 b, 3 c des Abscheideraumes entstandenen Flüssigkeitsschicht kontinuierlich gesorgt wird; als Erfolg wird die Dicke des Flüssigkeitsfilms nicht einmal bei einer hohen Flüssigkeitsbelastung den kritischen Wert übertreffen, wodurch die Filmschicht kontinuierlich aufrechterhalten wird.

Die Abfuhr der im Wirbel rückbleibenden Flüssigkeitstropfen wird durch die beidseitigen Ringspalte 6 gewährleistet.

Durch eine adäquate Gestaltung des Absetzbehälters 12 kann die getrennte Abfuhr der separierten Flüssigkeitsphasen sichergestellt werden. In dem als Sumpf ausgestalteten Raum 12 b sammelt sich die schwerere Phase an, aus dem in an sich bekannter Weise, mit Hilfe eines Standreglers 25, die Flüssigkeit abgeführt wird, während aus dem über dem Raum 12 b liegenden Raum 12 a durch die Betätigung des Standreglers 15 die leichtere Flüssigkeitsphase abgeleitet wird.

Ähnlich wie bei den Ausführungsformen nach Fig. 1 bzw. 2 kommuniziert der Gasraum 12 c des Behälters 12 über das Rezirkulationsrohr 14 mit dem Fliehkraftabscheider C zwecks Abfuhr des Trockengases.

Der Vorteil der Ausführungsform nach Fig. 3 besteht neben den kleinen Dimensionen in der hohen Leistung, der einfachen Herstellung und in der eine einfache Montage bzw. Betriebsführung gewährleistenden Konstruktion.

Der Apparat kann mit einer sedimentierenden Anlage verbunden werden, die die sich entmischenden Flüssigkeitsphasen (Gasolin/Wasser) trennt, wodurch eine dreiphasige Trennung erreicht wird.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß unter Anwendung der erfindungsgemäßen Anlage multizentrifugale Apparate mit geringem Druckabfall gebaut werden können, das bedeutet, daß - mit den bekannten Konstruktionen verglichen - ein Mehrfaches der in dem Gas (Volumeneinheit) vorhandenen Flüssigkeitsmenge zulässig ist, ohne den stabilen Betrieb zu gefährden. Gleichzeitig eliminiert die Erfindung die bei den bekannten Lösungen auftretenden schädlichen, die Wirksamkeit herabsetzenden sekundären Ströme.

Claims (7)

1. Fliehkraftabscheider zum Trennen von Gas- und Flüssigkeitsphasen, mit einer auf dem Fliehkraft-Prinzip beruhenden Abscheidereinheit zum Abscheiden der Flüssigkeitsphase und einem damit verbundenen Gravitationstrennbehälter, dessen Gasraum über eine Rückleitung mit dem Fliehkraftabscheider kommuniziert, wobei der Fliehkraftabscheider einen Abscheideraum aufweist und in den Abscheideraum in dessen Mittellinie ein zur Abfuhr des Trockengases dienendes Tauchrohr hineinragt und zwischen der Wand des Abscheideraumes und dem Tauchrohr ein die Flüssigkeitsphase ableitender Ringspalt ausgestaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Wand (3 a) des Abscheideraumes (3) des Fliehkraftabscheiders (C) wenigstens ein Umfangsspalt (4, 4 a, 4 b, 4 c) ausgestaltet ist und der den Umfangsspalt umgebende Raum (18, 19, 20, 21) über ein Fallrohr (10) und ein Sammelrohr (11) an den Absetzbehälter angeschlossen ist, wobei der Gasraum (12 c) des Absetzbehälters (12) über wenigstens ein Rezirkulationsrohr (14) mit einer das Trockengas abführenden Seite des Fliehkraftabscheiders (C) verbunden ist und das Rezirkulationsrohr in die das Trockengas abführende Seite in Richtung der Mittellinie des Abscheideraumes einmündet.

2. Fliehkraftabscheider nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fliehkraftabscheider (C) aus zwei Teileinheiten aus miteinander kommunizierenden, spiegelsymmetrisch zueinander angeordneten Abscheideräumen (3) mit einem oder mehreren konzentrischen, die Flüssigkeit abführenden Umfangsspalten (4, 4 a, 4 b, 4 c) aufgebaut ist.

3. Fliehkraftabscheider nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine einzige gaszuführende Düse (2) vorgesehen ist.

4. Fliehkraftabscheider nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei voneinander unabhängig regelbare gaszuführende Düsen (2) vorgesehen sind.

5. Fliehkraftabscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das jeweilige das Trockengas abführende Tauchrohr (23) mit einem Dralldiffusor (8) verbunden ist, wobei das Rezirkulationsrohr des Absetzbehälters in den Dralldiffusor mündet.

6. Fliehkraftabscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Abscheideraum (3) einen von der gaszuführenden Düse (2) ausgehend konisch zunehmenden Durchmesser aufweist und der halbe Öffungswinkel des Kegels vorteilhaft zwischen 0° und 4° liegt.

7. Fliehkraftabscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Absetzbehälter (12) zwei auf unterschiedlichen Höhen angeordnete und von einem Standregler (15, 25) beherrschte, die Flüssigkeit ableitende Öffnungen aufweist.