DE4433094A1 - Einweg-Zentrifugenseparator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Trennen der Komponenten einer Fluidmischung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vor­ richtung, mit der die Leistungsfähigkeit erhöht und der Be­ trieb von Zentrifugalseparatoren vereinfacht werden kann, ohne daß dies jedoch eine Beschränkung der Erfindung dar­ stellen würde.

Zentrifugenseparatoren werden häufig verwendet, um Mischun­ gen, die Fluide mit unterschiedlichen Dichten enthalten, zu trennen. Im Betrieb wird bei Zentrifugen im allgemeinen die zu trennende Mischung einem zylindrischen Rotor zugeführt, der um seine zentrale Achse mit hoher Geschwindigkeit ge­ dreht werden kann. Die Zentrifugalkräfte bewirken, daß sich die Komponenten entlang der inneren Wand des Rotors in Schichten sammeln. Die Schichten werden dann einzeln vom Rotor entfernt.

Zur Charakterisierung der betrieblichen Leistungsfähigkeit von Zentrifugalseparatoren wird eine Anzahl verschiedener Parameter verwendet. Ein derartiger Parameter ist das Volu­ men der eingeleiteten Mischung, das in einer gegebenen Zeitdauer behandelt werden kann. Beispielsweise werden Trennvolumina bei Ölfeldern als Anzahl von Barrels pro Tag derjenigen eingeleiteten Mischung angegeben, die getrennt werden kann.

Andere Parameter charakterisieren die Leistungsfähigkeit nach der Qualität der getrennten Fluide. Diese Parameter werden als Prozentsatz oder als Anzahl der Teile pro Mil­ lion der Verunreinigungen in jedem abgetrennten Fluid ange­ geben. Bei der Trennung auf Ölfeldern, wo die zu trennende Mischung Rohöl und Wasser enthält, bestehen die typischer­ weise berechneten Verunreinigungsparameter aus der Wasser­ menge, die im abgetrennten Öl zurückbleibt, und aus der Öl­ menge, die im abgetrennten Wasser zurückbleibt. Von diesen zwei Parametern ist das im abgetrennten Wasser zurückblei­ bende Öl typischerweise derjenige Parameter, dessen Ziel­ wert schwieriger zu erreichen ist. Die meisten üblichen Zentrifugalseparatoren erreichen zufriedenstellende Wasser­ in-Öl-Verunreinigungswerte.

Die Herausforderung auf dem Zentrifugengebiet besteht darin, Separatoren zu entwickeln, die das Volumen einer in­ nerhalb einer gegebenen Zeitdauer behandelten Mischung ma­ ximiert, während gleichzeitig die Verunreinigungen in den ausgegebenen Fluiden minimiert wird. Diese Herausforderung ist im besonderen Maße beim Einsatz auf Ölfeldern gegeben, wo häufig hohe Tagesvolumen getrennt werden müssen. Bei­ spielsweise müssen Separatoren, die während der Produktion auf Ölfeldern eingesetzt werden, häufig mehrere Tausend Barrel Flüssigkeiten pro Tag separieren. Trotz dieser hohen Volumen erfordern die Vorschriften, Umwelt- und Raffinerie­ bedingungen im allgemeinen, daß die getrennten Fluide mini­ male Verunreinigungen aufweisen. Eine typische Anforderung für die Menge von Öl-in-Wasser ist 40 Teile pro Million.

Das Problem, vor dem die Zentrifugenkonstrukteure stehen, besteht darin, daß die Ziele nach maximalem Volumen und mi­ nimaler Verunreinigung in gewissem Ausmaß miteinander in Konflikt stehende technische Überlegungen mit sich bringen. Beispielsweise ist das Erhöhen des Durchsatzvolumens bei typischen Zentrifugen nicht immer möglich und kann dort, wo es möglich ist, unerwünschte Strömungscharakteristiken in­ nerhalb des Zentrifugenrotors erzeugen. Dies ergibt sich aus der Tatsache, daß die eingeleitete Mischung schnell auf die Geschwindigkeit des Rotors beschleunigt werden muß. Die Strömungscharakteristiken können instationäre oder turbu­ lente Strömungsbereiche umfassen, Wirbelablösung, sich mi­ schende oder scherende Strömungszonen, Grenzflächeninstabi­ litäten und ähnliches. Keine dieser Charakteristiken beein­ flussen das Durchsatzvolumen, jedoch können alle die Quali­ tät des ausgegebenen Fluids beeinflussen. Insbesondere wird im allgemeinen im Zentrifugenbereich davon ausgegangen, daß jeder Strömungsprozeß, der dazu tendiert, das Vermischen des Fluids oder die Turbulenz zu erhöhen, oder ungleich­ mäßige Bewegungen zwischen den Teilen der zu trennenden Fluide verursacht, das Ausmaß an Verunreinigung in den aus­ gegebenen Fluiden erhöht. Bestehende Zentrifugen stellen daher im allgemeinen einen Kompromiß zwischen dem Durch­ satzvolumen und der Trennleistungsfähigkeit dar.

Eine zusätzliche Komplikation, die manchmal bei Trennvor­ richtungen auftritt, die in der Ölfeldproduktion eingesetzt werden, besteht darin, daß aufgelöste Sachen in der einge­ leiteten Mischung vorhanden sind. Die produzierten Mischun­ gen können Wachse und andere Dinge enthalten, die infolge der im allgemeinen hohen Temperatur der Mischung in gelö­ ster Form vorliegen. Beim Durchführen des Separationspro­ zesses kann dieses Wachs jedoch Ablagerungen an inneren Be­ reichen des Separators bilden, wodurch die Leistungsfähig­ keit sowohl bezüglich des Volumens als auch hinsichtlich der Verunreinigungen vermindert wird. Bei Ölfeldzentrifugen können auch interne Anhäufungen von Sand oder Feststoffen auftreten, die ebenfalls die Wirksamkeit der Trennung ver­ mindern.

Aus der US-PS 4,846,780 von Galloway et al. ("Galloway") ist ein Beispiel eines bekannten Zentrifugenseparators be­ kannt. In der grundsätzlichen Ausführungsform verwendet Galloway eine Einlage entlang der inneren Wand des Rotors, um einen Zweiweg-Trennprozeß zu erzeugen. Die Einlage schafft einen komplexen Durchgang, in dem sich Wachse und andere Dinge sammeln können, wodurch letztlich die Lei­ stungsfähigkeit des Separators vermindert wird. Das Ein­ leiten in die Zentrifuge von Galloway erfolgt über eine Düse, die Fluide in ein Laufrad sprüht, um sie nach außen zur inneren Wand des Rotors zu beschleunigen. Der Ausfluß aus der Düse ist jedoch nicht streng gesteuert und besteht aus einem hochturbulenten Prozeß. Die Zentrifuge von Gallo­ way kann als Einweg-Separator ohne den komplexen Durchgang hergestellt werden, wobei jedoch der Verunreinigungsgrad der getrennten Fluide entsprechend erhöht wird.

Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß ein Bedarf an ei­ nem Zentrifugenseparator besteht, dessen Trennwirksamkeit nicht aufgrund des Durchsatzvolumens vermindert wird, der keine komplexen Fluidströmungsmuster schafft, der ein Ver­ mischen des Fluids und Turbulenzen während des Trennprozes­ ses minimiert und der vereinfachte innere Durchgänge auf­ weist, die das Reinigen erleichtern und das Absetzen von Feststoffen minimieren.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vor­ richtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die neben einer hohen Trennwirksamkeit auch ein hohes Durchsatzvolu­ men aufweist, einfach aufgebaut ist und auf einfache Weise gereinigt und gehandhabt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 ge­ löst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.

Die vorliegende Erfindung besteht aus einem Zentrifugense­ parator mit vergrößerter Strömung, der mit einem einzigen Durchgang arbeitet. Die Strömungsverbesserungen stellen si­ cher, daß ein effizientes Trennen durchgeführt wird, wäh­ rend die oben angeführten Probleme verringert werden.

Eine erste Ausführungsform ist auf eingeleitete Mischungen gerichtet, die aus zwei Fluidkomponenten bestehen, welche Gas enthalten können, die jedoch keine signifikante Menge an Partikelmaterial aufweisen. Gemäß dieser Ausführungsform tritt das zu trennende Fluid aus der Düse einer stationären Zuführleitung in der Nähe der Achse eines Rotors aus. Das Fluid tritt in einen Beschleuniger mit schraubenförmigen Kanälen ein, die das Fluid nach und nach nach außen zur in­ neren Wand des Rotors beschleunigen. Das Fluid tritt aus den Kanälen aus und strömt durch eine geschlitzte Zufuhrab­ lenkplatte hindurch, die im Rotor angeordnet ist.

Innerhalb des Rotors werden das Vermischen und Turbulenzen durch Koaleszenzflügel minimiert. An den Flügeln befe­ stigte, zonenbildende Ablenkplatten schaffen Trennzonen, die die Trennung unterstützen und die Strömung an der Fluidzwischenfläche zwischen den Schichten minimiert. Sperringe, die auf den zonenbildenden Ablenkplatten und an derjenigen Stelle installiert sind, an der die abgetrennten Schichten vom Rotor entfernt werden, erleichtern das Ent­ fernen der Schichten, was durch übliche Verfahren mittels Wehre durchgeführt wird.

Die stationäre Zuführleitung weist Hochdruckdüsen auf, die es ermöglichen, daß Reinigungsfluide in den Rotor gesprüht werden. Die Koaleszenzflügel sind derartig ausgebildet, daß im wesentlichen alle Bereiche der Trennzonen für die Reini­ gungsfluide zugänglich sind.

Eine zweite Ausführungsform der Erfindung ist auf Mischun­ gen gerichtet, in denen Wachse, Sand oder andere Dinge, so­ wie Gas, wahrscheinlich vorhanden sind. Diese Ausführungs­ form weist eine konische Beschleunigungsschale mit Flügeln auf der inneren Wand der Schale auf, um die Beschleunigung des Fluids nach außen zur inneren Wand des Rotors zu unter­ stützen. Partikel werden innerhalb der Schale gesammelt und durch Saugkraft durch das Abfallrohr entfernt, das inner­ halb des stationären Zufuhrrohrs angeordnet ist und sich in die Schale hineinerstreckt. Diese Ausführungsform ist in anderer Weise ähnlich zu der oben erläuterten Ausführungs­ form. In beiden Ausführungsformen kann Gas, falls vorhan­ den, in den Rotor eingeleitet und durch eine Gasöffnung des Zufuhrrohrs entfernt werden.

Bei der Erfindung handelt es sich um einen Einweg-Zentrifu­ genseparator mit verbesserter Strömung. Die Strömungsver­ besserungen ermöglichen eine effiziente Trennung, während die vorstehend erläuterten Probleme verringert werden. Ob­ wohl die Erfindung unter Bezugnahme auf die Trennung von Öl und Wasser beim Einsatz in der Ölfeldproduktion beschrieben wird, kann die Erfindung weitere Anwendungsbereiche umfas­ sen. Soweit die Beschreibung auf einen speziellen Anwen­ dungsfall Bezug nimmt, ist dies nur beispielhaft und soll keine Beschränkung bedeuten.

Gemäß einer ersten Ausführungsform umfaßt die Erfindung a) einen Rotor, der derart angeordnet ist, daß er sich um eine zentrale Achse drehen kann, b) Antriebsmittel zur Kraftver­ sorgung für diese Umdrehung, c) einen Beschleuniger, der das Fluid schrittweise nach außen zur inneren Wand des Ro­ tors beschleunigt, d) Trennflügel, die an der inneren Wand des Rotors angeordnet sind, und e) Mittel zum Entfernen der einzeln getrennten Schichten vom Rotor. Diese erfindungsge­ mäße Ausführungsform ist für eingeleitete Mischungen mit minimalen Mengen von aufgelösten Sachen und Partikeln sehr geeignet. Die Mischung kann Lösungsgas enthalten.

Im Betrieb weist die vorliegende Erfindung eine Anzahl von Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik auf. In ei­ ner Ausführungsform tritt das zu trennende Fluid aus einer Fluidversorgungsdüse in einem gesteuerten Strömungsmuster in der Nähe der Drehachse des Rotors aus. Die auf diese Weise vorgenommene Fluideinleitung zum Beschleuniger ist eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik, die sowohl die Ausbildung von Scherzonen als auch das Vermi­ schen des Fluids vermindert, das sich daraus ergibt, daß es plötzlich Drehkräften ausgesetzt wird.

Der Beschleuniger weist schraubenförmige Kanäle auf, die das Fluid schrittweise nach außen zur inneren Wand des Ro­ tors durch Reibungskräfte beschleunigt, die mittels der Wände der Kanäle ausgeübt werden. Diese Verbesserung gegen­ über dem Stand der Technik minimiert die Möglichkeit, daß große Fluidpartikel in der eingeleiteten Mischung Kräften ausgesetzt werden, die ein Zerbrechen in kleinere Partikel bewirken. Die Minimalisierung des Zerbrechens großer Parti­ kel verbessert die Qualität des ausgegebenen Fluids.

Die schraubenförmigen Kanäle ermöglichen es ebenfalls, daß ein ruhiger Fluidfluß in dem Rotor aufrechterhalten wird und daß sich die Rotationsgeschwindigkeit des den Beschleu­ niger verlassenden Fluids der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors annähert. Diese Verbesserung bezüglich der Relativ­ differenz in der Drehgeschwindigkeit gegenüber dem Stand der Technik vermindert die Turbulenzen im Rotor.

Das Mischen am Ausgang der Kanäle kann optional durch eine Zufuhrablenkplatte minimiert werden, die im Rotor angeord­ net ist. Die Zufuhrablenkplatte weist einen Schlitz in der Nähe der Zwischenfläche zwischen den beiden flüssigen Schichten auf, wodurch die Relativbewegung in Umfangsrich­ tung der Fluidpartikeln minimiert wird.

Keine der bekannten Zentrifugen weist die erfindungsgemäßen Merkmale der Trennzone auf. Die Fluidströmung wird durch Trennflügel und zonenbildende Ablenkplatten gesteuert, die im Rotor Trennzonen schaffen und die Trennung unterstützen, indem sie die Scherströmung im Zwischenraum zwischen den Schichten minimieren. Die zonenbildenden Ablenkplatten er­ höhen die Zuverlässigkeit bei der Erfassung des Fluid­ niveaus und des Steuerungssystems, indem die Strömungs­ muster um die Fluidniveauschwimmer herum vereinfacht wer­ den. Die zonenbildenden Ablenkplatten isolieren auch den in der Nähe der. Zufuhrablenkplatten auftretenden Massentrenn­ prozeß von der Trennung feiner Partikel, die in der Nähe des Rotorausgangs stattfindet.

Ein vermischendes Fluid in Querrichtung kann ebenfalls mit­ tels Sperrinnen minimiert werden, die an den zonenbildenden Ablenkplatten und ebenso an der Stelle der Wehre angeordnet sind, wo die Schichten vom Rotor entfernt werden. Da auf­ grund der zonenbildenden Ablenkplatten die Strömung ledig­ lich in der inneren Wand des Rotors und in der Nähe der Oberfläche der leichteren Fluidschicht auftritt, wird die Radialströmung minimiert, wodurch ein Vermischen an den Wehren beseitigt wird. Bei keinem bekannten Separator ist diese Verbesserung vorhanden.

In einer Ausführungsform der Erfindung laufen die Trennflü­ gel in Längsrichtung entlang der inneren Wand des Rotors ohne Unterbrechung mit Ausnahme an der Stelle der zonenbil­ denden Ablenkplatten, falls vorhanden. In einer alternati­ ven Ausführungsform sind die Flügel in Längsrichtung längs der inneren Wand in versetzten Abschnitten angeordnet. Diese Ausführungsform, die auch zonenbildende Ablenkplatten enthalten kann, verbessert die Fluidkoaleszenz durch Aus­ bilden von Strömungsstagnationspunkten.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung bei­ spielsweise näher erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1 einen Teilschnitt der ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 einen vergrößerten Teilschnitt der Zufuhrrohr­ düse der ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2A die Zufuhrrohrdüse von Fig. 2 in einer Ausfüh­ rungsform, die die Trennung von Lösungsgas zu­ sätzlich zur Trennung der zwei Fluidkomponenten der eingeleiteten Mischung ermöglicht,

Fig. 3 eine Draufsicht auf die erste Ausführungsform entlang der Linie 3-3 von Fig. 2,

Fig. 4 eine Draufsicht der ersten Ausführungsform ent­ lang der Linie 4-4 von Fig. 2,

Fig. 5 eine Draufsicht der ersten Ausführungsform ent­ lang der Linie 5-5 von Fig. 1,

Fig. 6 eine Seitenansicht des konischen Fluidbeschleu­ nigers der ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 7 einen vergrößerten Teilschnitt der Zufuhrablenk­ platte der Erfindung,

Fig. 8 eine Draufsicht auf einen Teil der Zufuhrablenk­ platte entlang der Linie 8-8 der Fig. 7,

Fig. 9 eine Draufsicht der ersten Ausführungsform ent­ lang der Linie 9-9 von Fig. 1,

Fig. 10 eine Teilansicht der Oberflächen- und Zwischen­ flächenflügel der Erfindung,

Fig. 10A eine Teilansicht einer alternativen Ausführungs­ form der Oberflächen- und Höhenflügel der Erfin­ dung,

Fig. 11 eine Teildraufsicht auf die zonenbildende Ab­ lenkplatte der Erfindung, die ihre Mitte auf der Linie 10-10 von Fig. 1 hat,

Fig. 12 eine Teilansicht der Öl- und Wasserwehrkammern der Erfindung,

Fig. 13 eine Draufsicht der Erfindung entlang der Linie 12-12 von Fig. 1, und

Fig. 14 einen Teilschnitt einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, weist die Zentrifuge 20 einen Rotor 22 und eine Zufuhrleitung 24 auf, die innerhalb eines (nicht dargestellten) geeigneten äußeren Gehäuses angeord­ net sind. Der Rotor 22 wird mittels Antriebsmitteln 19 um eine zentrale Achse 23 des Rotors 22 gedreht. Das Zufuhr­ rohr 24 ist fest am (nicht dargestellten) äußeren Gehäuse befestigt und dreht sich nicht mit dem Rotor 22.

Wie am besten aus Fig. 2 ersichtlich, tritt die zu tren­ nende Mischung aus dem Düsengehäuse 31 aus, das mit dem Ende der Zufuhrleitung 24 mittels (nicht dargestellter) Schraubengewinde, Schweißen oder andere bekannte Mittel be­ festigt ist. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, besteht eine Zu­ fuhrleitungsdüse 26 aus Düsenspeichen 30 und einem Düsenge­ häuse 31. Die Mischung tritt aus der Düse durch Öffnungen zwischen den Speichen 30 aus und wird, wie aus Fig. 2 er­ sichtlich, mittels eines Konus 33 gegen eine innere Wand 39 einer Beschleunigergehäusekappe 35 geleitet. Der Konus 33 ist mit den Düsenspeichen 30 verschweißt, die mit dem Dü­ sengehäuse 31 verschweißt sind. Wie aus den Fig. 2 und 4 ersichtlich, weist die Beschleunigerkappe 35 Beschleuniger­ flügel 40 auf, die die Mischung nach unten leiten und einen Fluidschlupf entlang der inneren Wand 39 der Kappe 35 ver­ hindern. Die Flügel 40 sind in der Nähe des Gehäuses 31 kürzer als in der Nähe eines Stützverbinders 37, um Turbu­ lenzen in der Mischung nach dem Eintritt in die Kappe 35 zu minimieren. Die Flügel 40 haben in der Nähe des Gehäuses 31 ungefähr die Höhe des Flüssigkeitsspiegels 27. Die Kappe 35, der Stützverbinder 37 und das Gehäuse 38 sind mit einer Vielzahl in Umfangsrichtung beabstandeter Schrauben 29 ver­ bunden.

Wie aus Fig. 2A ersichtlich, kann das Beschleunigergehäuse 38 auch in der Weise modifiziert werden, daß eine Trennung einer Gaskomponente der eingeleiteten Fluidmischung möglich ist. Gas wird von den Fluiden getrennt, wenn die Mischung entlang der inneren Wand 39 der Kappe 35 fließt. Das abge­ trennte Gas wird in den Rotor 22 über eine oder mehrere Gasöffnungen 206 geleitet, die das Beschleunigergehäuse 38 durchdringen. Die Entfernung des Gases vom Rotor 22 erfolgt durch eine druckgesteuerte Gasöffnung 208 im oberen Bereich der Zufuhrleitung 24 (Fig. 1). Die Gasöffnung 208 ist über eine (nicht dargestellte) Leitung innerhalb der Zufuhrlei­ tung 24 mit einer Druckregulierungseinrichtung und einem Ventil verbunden, die zusammenwirken, um den Austritt des Gases aus dem Rotor 22 zu ermöglichen. Derartige druckge­ steuerte Gasöffnungen sind in der Industrie bekannt.

Lager 34 ermöglichen eine Relativbewegung zwischen dem sta­ tionären Konus 33 und einem Lagergehäuse 32. Das Lagerge­ häuse 32 ist mit dem Stützverbinder 37 mittels Beschleuni­ gerstreben 36 verbunden. Ein Lagerhalter 15 ist in den Ko­ nus 33 eingeschraubt und hält die Lager 34 an einem unteren Bereich des Konus 33 an Ort und Stelle. Eine Abdichtung 25 verhindert, daß die Mischung mit den Lagern 34 in Kontakt gelangt. Die Lager 34 werden über eine Schmierleitung 28 geschmiert, die innerhalb der Zufuhrleitung 24 vorgesehen ist. Das Schmiermittel wird von der Leitung 28 in einen Durchgang 14 und in einen schalenförmigen Hohlraum gepumpt, der im Gehäuse 32 ausgebildet ist, und wird nach oben in Richtung der Lager 34 gedrückt, indem eine geeignete Druck­ kraft von der Leitung 28 aufrechterhalten wird.

Wie aus den Fig. 1 und 6 ersichtlich, liegt das Beschleuni­ gergehäuse 38 fest an der Beschleunigereinrichtung 44 an, die aus einer Vielzahl konzentrischer schraubenförmiger ,Kanäle 43 besteht, welche um einen Beschleunigerkern 42 herumgeführt sind. In der bevorzugten Ausführungsform sind zwölf schraubenförmige Kanäle 43 auf dem Kern 42 angeord­ net. Wie aus den Fig. 1, 5 und 6 ersichtlich, strömt die Mischung entlang der inneren Wand des Gehäuses 38 und tritt in jeden der Durchgänge 41 zwischen den schraubenförmigen Kanälen 43 ein. Die Mischung wird schrittweise durch Rei­ bungskraft beschleunigt, wenn die Mischung durch die Durch­ gänge 41 strömt. Das Beschleunigergehäuse 38 verhindert, daß die Mischung die Durchgänge 41 verläßt, bis die Mi­ schung zum Boden der Beschleunigereinrichtung 44 strömt.

Wie aus den Fig. 1, 7 und 8 ersichtlich, ist das Beschleu­ nigergehäuse 38 mit dem Rotor 22 über eine Eckstütze 49 und eine Zufuhrablenkplatte 46 verbunden. Die Platte 46 ist derart ausgebildet, daß Öffnungen 48 in demjenigen Abstand von der inneren Wand 21 des Rotors 22 vorhanden sind, in dem sich eine Fluidzwischenfläche 51 während des Betriebs der Zentrifuge 20 entwickelt. Die Platte 46 ist mit dem Ro­ tor 22 durch Schweißen oder andere geeignete Verbindungs­ mittel verbunden, die auch die Entfernung der Platte 46 von der Zentrifuge 20 ermöglichen können, falls erwünscht.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, strömt die Mischung aus den Kanälen 43 in der Einrichtung 44 zur unteren Ecke des Ro­ tors 22. Zusätzlich zur Verbindung des Gehäuses 38 mit dem Rotor 22 verhindert die Eckstütze 49 ,einen Schlupf der Mi­ schung entlang der inneren Wand 21 des Rotors 22 und un­ terstützt die Strömung durch die Öffnungen 48 hindurch in den oberen Abschnitt des Rotors 22.

Wie aus den Fig. 1, 9, 10 und 11 ersichtlich, ist der obere Abschnitt des Rotors 22 durch in Längsrichtung angeordnete Oberflächenflügel 52 und Zwischenflächenflügel 54 in Trenn­ zonen unterteilt, sowie durch seitlich angeordnete, zonen­ bildende Ablenkplatten 56. Vorzugsweise wechseln sich die Oberflächenflügel mit den Zwischenflächenflügeln 54 ab, wo­ bei wenigstens ein Zwischenflächenflügel 54 zwischen jedem Paar Oberflächenflügel 52 vorhanden ist. In einer bevorzug­ ten Ausführungsform sind vier Zwischenflächenflügel im gleichen Abstand zwischen jedem Paar Oberflächenflügel an­ geordnet.

Die Flügel 54 werden vorzugsweise hergestellt, indem eine rostfreie Stahlplatte in U-förmige Abschnitte geformt wird und die Abschnitte derart angeordnet werden, daß die Basis des U gegen die innere Wand 21 gerichtet ist. Die Flügel 52 sind ebene rostfreie Stahlplatten, die zwischen den benach­ barten U-Abschnitten angeordnet sind. Dieses Verfahren zur Ausbildung der Flügel 52 und der Flügel 54 ist deswegen vorteilhaft, da die rostfreie Stahlplatte eine genügend hohe Eigenfestigkeit aufweist, um die von der Drehung des Rotors 22 herrührende Kraft aushalten zu können.

Die Höhe der Oberflächenflügel 52 ist derart gewählt, daß die Oberfläche der zu trennenden Mischung geringfügig un­ terhalb der Spitze der Flügel 52 ist. Diese gestalterische Eigenschaft verhindert eine wellenartige Strömung innerhalb der Zentrifuge 20 und minimiert die Vermischung des Fluids. Die Höhe der Zwischenflächenflügel 54 ist derart gewählt, daß die Position der Zwischenfläche 51 zwischen den einzel­ nen Komponenten der Mischung geringfügig unterhalb der Spitze der Flügel 54 ist. Diese gestalterische Eigenschaft fördert die Koaleszenz der schwereren Komponenten in eine Schicht, die benachbart zur inneren Wand 21 des Rotors 22 liegt. Zusätzlich wird das Volumen zwischen benachbarten Flügeln minimiert, wodurch das Auftreten von Sekundärströ­ men minimiert wird, die die Koaleszenz behindern.

Wie aus Fig. 10 ersichtlich, sind die Flügel 52 und die Flügel 54 in Längsrichtung fortlaufend entlang der inneren Wand 21 des Rotors 22 angeordnet, mit Ausnahme der Stelle, wo zonenbildende Ablenkplatten 56 vorhanden sind. In einer alternativen Ausführungsform, die in der Fig. 10A darge­ stellt ist, sind die Flügel 52 und die Flügel 54 in Längs­ richtung in stückweise versetzten Abschnitten angeordnet. Diese Ausführungsform, die auch Platten 56 enthalten kann, erhöht die Fluidkoaleszenz, indem Strömungsstagnations­ punkte geschaffen werden.

Vorzugsweise sind eine oder mehrere ringförmige, zonenbil­ dende Ablenkplatten 56 an den Flügeln 52 und den Flügeln 54 befestigt, wie in den Fig. 1, 10 und 11 gezeigt. Die Plat­ ten 56 können entweder dauerhaft befestigt oder entfernbar sein. Die Platten 56 sind derart angeordnet, daß die schwe­ rere Schicht, die sich benachbart zur Wand 21 des Rotors 22 sammelt, zwischen der Wand 21 und der Platte 56 strömt. Die leichtere Schicht, die sich von der Wand 21 entfernt an der oberen Seite der schwereren Schicht ausbildet, strömt über den inneren Rand der Platte 56. Auf diese Weise minimiert die Ablenkplatte 56 die Strömung in der Nähe der Zwischen­ fläche zwischen den Schichten, wodurch das Vermischen der Fluidkomponenten während des Betriebs der Zentrifuge mini­ miert wird. Ein oder mehrere Sperringe 77, die an der Platte 56 befestigt sind, können ebenfalls zur Minimierung des Vermischens an der Fluidschichtzwischenfläche verwendet werden.

Die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform weist ein Fluidspie­ gelerfassungssystem mit Schwimmern auf, um die Dicke der Schichten zu erfassen. Wie jedoch bekannt, kann jedes Er­ fassungssystem verwendet werden, mit dem die Dicke der Schichten erfaßt werden kann. Das in Fig. 1 gezeigte System verwendet einen Flüssigkeitsspiegelschwimmer 60, der an Flüssigkeitsspiegel-Schwimmerbolzen 58 derart befestigt ist, daß sich der Schwimmer 60 radial relativ zur inneren Wand 21 bewegen kann. Weiterhin verwendet das System einen Zwischenflächenschwimmer 64, der ebenfalls radial bewegbar an Zwischenflächen-Schwimmerbolzen 62 befestigt ist. Der Schwimmer 60 weist ein spezifisches Gewicht auf, das gerin­ ger ist als dasjenige der leichteren Fluidkomponente der zu trennenden Mischung, so daß er auf der Oberfläche des leichteren Fluids bleibt. Der Schwimmer 64 weist ein spezi­ fisches Gewicht auf, das zwischen den spezifischen Gewich­ ten der beiden Fluidkomponenten liegt, so daß er auf der Zwischenfläche zwischen den zwei Schichten verbleibt. Die Auswahl des spezifischen Gewichts des Schwimmers 60 und des Schwimmers 64 in der erwähnten Weise ermöglicht es, daß ein Oberflächensensor 66 und ein Zwischenflächensensor 68 die Dicke einer jeden der beiden Schichten bestimmt. Fluidspie­ gel-Detektorsysteme, wie dasjenige von Fig. 1, sind bekannt und müssen nicht näher erläutert werden. Ein Überströmsen­ sor 70 stellt sicher, daß das Fluidspiegel-Detektorsystem ordnungsgemäß arbeitet, was ebenfalls im Stand der Technik bekannt ist.

Zum Entfernen des Fluids aus den einzelnen Schichten inner­ halb des Rotors 22 werden bekannte Zentrifugenwehrtechniken eingesetzt, die bekannt sind und keiner näheren Diskussion bedürfen. Wie aus den Fig. 1 und 12 ersichtlich, wird eine Ölkammer 74 mittels eines Ölkammerarms 80, einem Ölkammer­ gehäuse 86 und einem Wasserkammerarm 82 gebildet. Der Arm 80 ist mit dem Gehäuse 86 durch in Umfangsrichtung beab­ standete Schrauben 84 verbunden, die derart ausgebildet sind, daß sie eine Fluidströmungslücke zwischen dem Arm 80 und dem Gehäuse 86 aufrechterhalten. Die Wasserkammer 76 wird vom Wasserkammerarm 82 und einer Rotorkappe 83 gebil­ det. Der Wasserkammerarm 82 ist mit dem Ölkammergehäuse 86 mittels eines Bolzens 88 verbunden. Fluid von der leichte­ ren Ölschicht strömt über das Ölwehr 85 zwischen dem Arm 80 und dem Gehäuse 86 in die Ölkammer 74. Fluid von der schwe­ reren Wasserschicht strömt zwischen einer Wand 100 des Ge­ häuses 86 und der inneren Wand 21 des Rotors 22 in die Wasserkammer 76. Ein oder mehrere Sperringe 78 verhindern, daß eine quergerichtete Strömung und ein Vermischen quer durch die Zwischenfläche zwischen den Schichten an der Stelle des Ölkammergehäuses 86 auftreten.

Wie aus Fig. 13 ersichtlich, sind Fluiddurchgänge zwischen der Wand 100 und der inneren Wand 21 am inneren Umfang des Rotors 22 vorgesehen. Wie aus den Fig. 1, 12 und 13 er­ sichtlich, weist der Wasserkammerarm 82 eine Lippe 90 auf, die in den Rotor 22 eingesetzt ist. Die Lippe 90 ermöglicht es, daß die Rotorkappe 83 und der Rotor 22 den Wasserkam­ merarm 82 an Ort und Stelle halten. Das Fluid wird aus der Kammer 74 und der Kammer 76 mittels einer Ölschaufel 94 und einer Wasserschaufel 96 entfernt, die mittels Klemmen 98 an Ort und Stelle gehalten werden und die Öffnungen 95 und 97 aufweisen, durch die das Fluid strömt. Sowohl die Ölkammer 74 als auch die Wasserkammer 76 haben eine Vielzahl von Rippen 102, 104 und 106, die einen Fluidschlupf innerhalb der Kammern 74 und 76 unterdrücken. Zusätzlich zu den oben erwähnten Fluidkoaleszenzeigenschaften stellen die Oberflä­ chenflügel 52 und Zwischenflächenflügel 54 ebenfalls eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik bezüglich ei­ ner Erleichterung der Zentrifugenwaschbarkeit dar. Im ein­ zelnen weist, wie aus Fig. 1 ersichtlich, die stationäre Zufuhrleitung 24 Düsen 110 auf, die das Versprühen von Fluiden in den Rotor 22 ermöglichen, um die Zentrifuge 20 zu reinigen. Der Abstand der Flügel 52 und 54 und der zo­ nenbildenden Ablenkplatten 56 ermöglicht es, daß die ver­ sprühten Reinigungsfluide einen im wesentlichen vollkomme­ nen Zugang zum gesamten Rotor haben. Bekannte Zentrifugen erlauben keinen kompletten Zugang für Reinigungszwecke, ohne daß relativ weit beabstandete Flügel mit konstanter Höhe verwendet werden, mit denen nicht die erfindungsgemäße Trennwirksamkeit erreicht werden kann. Andere Mechanismen zur Verbesserung der Trennung, wie Gitter, sind nicht waschbar.

Die Reinigung der Durchgänge 41 in der Beschleunigerein­ richtung 44 wird durch Einpumpen von Reinigungsfluiden durch die Zufuhrleitungsdüse 26 in die Einrichtung 44 aus­ geführt. Aufgelöste Dinge, falls vorhanden, werden aus dem Rotor 22 in Lösung durch die Kammern 74 und 76 entfernt.

Eine zweite Ausführungsform der Erfindung ist aus Fig. 14 ersichtlich. Diese Ausführungsform ist insbesondere für An­ wendungen geeignete, bei denen größere Mengen an Wachsen oder anderen aufgelösten Dingen, oder Sand und andere Par­ tikel der Voraussicht nach in der eingeleiteten Mischung vorhanden sind. Sie ist auch für die Trennung einer Lö­ sungs-Gaskomponente der eingeleiteten Mischung geeignet.

Der Betrieb dieser Ausführungsform ist im allgemeinen ähn­ lich zum Betrieb der oben erwähnten Erstausführungsform, mit folgenden Abweichungen. Die zu trennende Mischung wird über die Düsenkappe 33 gegen die innere Wand 200 eines Fortsatzes 202 des Beschleunigergehäuses geleitet. Der Fortsatz 202 ist am Gehäuse 38 mittels Schrauben 201 be­ festigt. Die innere Wand 200 weist die Flügel 40 auf, um die Mischung nach unten zu leiten und einen Fluidschlupf entlang der Wand 200 zu verhindern. Ein Flügelschirm 204 leitet ebenfalls die Strömung der Mischung. Eine innere Wand 199 des Gehäuses 38 kann ebenfalls (nicht darge­ stellte) Flügel enthalten, um Fluidschlupf zu verhindern.

Wenn die Mischung entlang der inneren Wand 200 des Gehäuse­ fortsatzes 202 zur inneren Wand 199 des Gehäuses 38 strömt, wird die Gaskomponente der Mischung von den Flüssigkeiten getrennt. Das Gas wird im Raum unterhalb des Gehäuses 38 gesammelt und in den Rotor 22 über eine oder mehrere Öff­ nungen 206 geleitet, die im Gehäuse 38 vorgesehen sind. Das abgeleitete Gas wird aus dem Rotor 22 mittels Gasöffnungen 208 entfernt. Die Mischung fließt entlang der inneren Wand 199 des Beschleunigers 38 in die untere Ecke des Rotors 22. Die Strömung der Mischung durch die Zufuhrablenkplatte 46 erfolgt wie oben beschrieben. Die Oberflächenflügel 52, die Zwischenflächenflügel 54 und die zonenbildenden Ablenkplat­ ten 56 sind ebenfalls wie oben beschrieben ausgebildet.

Das Fluiderfassungssystem entspricht ebenfalls dem oben be­ schriebenen, mit Ausnahme daß sowohl der Flüssigkeitsspie­ gelschwimmer 60 und der Zwischenflächenschwimmer 64 von ei­ ner Schwimmerwand 210 umgeben sind, die die Anhäufung von Wachsen und anderen Dingen verhindern, die den Betrieb des Schwimmers 60 oder des Schwimmers 64 behindern können. Eine Öffnung 212 im stromabwärts gerichteten Bereich der Wand 210 ermöglicht einen Fluidzugang innerhalb der Wand 210, um ein Abtasten der Zwischenfläche und der Flüssigkeitsspiegel zu ermöglichen.

Die Reinigungsflüssigkeiten werden in den Rotor über Düsen 110 eingeleitet. Eine Leitung 214 zur Versorgung von Zu­ fuhrflüssigkeit für die Düsen 110 ist außerhalb der Zufuhr­ leitung 24 vorgesehen, im Gegensatz zur internen Leitung der oben beschriebenen Ausführungsform. Die Düsen 110 schaffen einen Zugang für das Reinigungsfluid zu im wesent­ lichen allen Flügeln und Ablenkplatten. Das Reinigungsfluid und gelöste Teile sammeln sich am Boden des Rotors 22, fließen durch die Zufuhrablenkplatte 46 zurück und werden vom Rotor über eine Abfallentfernungsleitung 216 entfernt. Partikelmaterial, das sich unterhalb des Gehäuses 38 ansam­ melt, ohne durch die Einrichtung 45 hindurchzugehen, wird ebenfalls über die Leitung 216 entfernt.

Mit einem Prototyp der in Fig. 1 dargestellten Zentrifuge wurden mehrere Testreihen durchgeführt. Der Prototyp hatte einen Durchmesser von 35,56 cm (14 inch) und eine Höhe von 88,9 cm (35 inch). Auf der inneren Wand 21 des Rotors 22 wurden Oberflächenflügel 52 mit einer Höhe von 4,16 cm (1,638 inch) in einem Umfangsabstand von 100 angeordnet, wobei vier Zwischenflächenflügel 54 mit einer Höhe von 1,91 cm (0,75 inch) in gleichem Abstand zwischen jedem Paar von Oberflächenflügeln angeordnet wurden. Es wurden Vergleichs­ tests dieses Prototyps mit einer Zentrifuge durchgeführt, die Flügel mit einem gleichen Abstand von 4,60 und einer Höhe von 4,16 cm (1,638 inch) aufwies. Die Öl-in-Wasser- Leistungsverbesserung für die Anordnung mit Oberflächen- und Zwischenflächenflügel war 28,6% bei einer Flußrate von 1400 Barrels pro Tag (71,4% Wassergehalt), und 87,2% bei einer Flußrate von 2000 Barrels pro Tag (50% Wasserge­ halt).

Es wurden getrennte Testreihen durchgeführt, um die Lei­ stung der zonenbildenden Ablenkplatten 56 auszuwerten. Bei diesen Tests wurde eine einzige Ablenkplatte 56 in Um­ fangsrichtung im Rotor 22 in einem Abstand von ungefähr ei­ nem Rotordurchmesser vom Boden des Rotors 22 angeordnet. Im Prototyp wurden ebenfalls die Oberflächen- und Zwischenflä­ chenflügel angeordnet und Vergleiche mit der Leistung ohne Ablenkplatte angestellt. Die Öl-in-Wasser-Leistungsverbes­ serung für die Ablenkplatte war 58% bei einer Flußrate von 2166 Barrels pro Tag (55,6% Wasser) und 53% bei einer Flußrate von 1805 Barrels pro Tag (55,6% Wasser).

Claims (15)

1. Vorrichtung zum Trennen der Komponenten einer Mi­ schung aus zwei Flüssigkeiten mit unterschiedlichen spezi­ fischen Gewichten,
gekennzeichnet durch

• a) einen hohlen Rotor (22), der um eine Längsachse (23) drehbar ist und eine innere Wand (21) auf­ weist, die in eine Vielzahl von Fluidtrennzonen unterteilt ist, welche von einer Vielzahl in Längsrichtung angeordneter Flügel (52, 54) der­ art gebildet sind, daß wenigstens ein im Ver­ hältnis kürzerer Flügel (54) zwischen jedem Paar von im Verhältnis längeren Flügeln (52) angeord­ net ist,
• b) Mittel zum Einführen der Mischung in den Rotor (22), durch die die Mischung schrittweise auf die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors (22) be­ schleunigbar ist,
• c) Mittel (19) zum Drehen des Rotors (22) um die Längsachse (23), wodurch die Flüssigkeiten in eine im wesentlichen schwerere Schicht und eine im wesentlichen leichtere Schicht trennbar sind, und
• d) Mittel zum Entfernen der getrennten Schichten vom Rotor (22).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einführmittel einen mit dem Rotor (22) verbundenen konischen Fluidbeschleuniger mit einer Vielzahl von schrau­ benförmigen Kanälen (43) zum Verteilen der Mischung in den Rotor (22) aufweisen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einführmittel eine mit dem Rotor (22) verbundene konische Fluidbeschleunigerschale enthalten, die eine innere Wand mit sich nach innen erstreckenden Flügeln aufweist, die die Mischung entlang der inneren Wand der Schale führen und die Mischung in den Rotor (22) verteilen.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine stationäre Zufuhrleitung (24) mit einer Düse (26) zum Verteilen der Mischung in die Einführmittel in der Nähe der Rotationsachse (23) des Ro­ tors (22) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Beschleunigerflügel (40) vorge­ sehen sind, die derart angeordnet sind, daß sie die Mi­ schung von der Düse (26) in die Einführmittel einleiten.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einführmittel eine Zufuhr­ ablenkplatte (46) aufweisen, die an der inneren Wand (21) des Rotors (22) in der Nähe desjenigen Punktes angeordnet ist, an dem die Mischung aus den Einführmitteln austritt, wobei die Zufuhrablenkplatte (46) Öffnungen (48) aufweist, durch die die Mischung strömt.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennzonen durch wenigstens eine zonenbildende Ablenkplatte (56) unterteilt ist, die senkrecht zu den in Längsrichtung angeordneten Flügeln (52, 54) angeordnet ist, wobei die Ablenkplatte (56) mit den in Längsrichtung angeordneten Flügeln (52, 54) derart verbun­ den ist, daß die im wesentlichen schwerere Schicht zwischen dem äußeren Rand der Ablenkplatte (56) und der inneren Wand (21) des Rotors (22) strömt und die im wesentlichen leich­ tere Schicht über den inneren Rand der Ablenkplatte strömt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Sperring (77) auf wenigstens einer der zonenbildenden Ablenkplatten (56) angeordnet ist, wobei der Ring (77) ein Vermischen des Fluids an der Zwischenfläche zwischen den Schichten an der Stelle der zonenbildenden Ab­ lenkplatte (56) verhindert.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Zufuhrleitung (24) wenigstens eine Waschdüse (110) zum Versprühen von Reinigungsfluiden in den Rotor (22) aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vier relativ kürzere Flügel (54) zwischen jedem Paar relativ längerer Flügel (52) ange­ ordnet sind.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Entfernen von Gas aus dem Rotor (22) vorgesehen sind.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhrleitung (24) eine oder mehrere Gasöffnungen (208) zum Entfernen von Gas aus dem Rotor (22) aufweist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß die konische Fluidbeschleuniger­ schale eine oder mehrere Gasöffnungen (206) zum Einleiten des Gases in den Rotor (22) aufweist.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernungsmittel we­ nigstens einen Sperring aufweisen, der derart angeordnet ist, daß ein Mischen des Fluids an der Zwischenfläche zwi­ schen den Schichten an der Stelle der Entfernungsmittel verhindert ist.

15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (216) zum Entfernen von innerhalb des Rotors (22) sich ansammelnden Wachsen, Sand etc. vorgesehen sind.