DE69028641T2

DE69028641T2 - Homogenisieren von Fluiden

Info

Publication number: DE69028641T2
Application number: DE69028641T
Authority: DE
Inventors: Frank Mohn
Original assignee: Framo Developments UK Ltd
Current assignee: Framo Engineering AS
Priority date: 1989-01-16
Filing date: 1990-01-15
Publication date: 1997-02-13
Anticipated expiration: 2010-01-16
Also published as: NO900158D0; EP0379319A3; NO176310B; DK0379319T3; GB8900841D0; US5035842A; ATE143287T1; AU4799890A; NO176310C; AU627539B2; CA2007855A1; EP0379319B1; ES2091788T3; NO900158L; BR9000140A; EP0379319A2; CA2007855C; DE69028641D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Homogenisierung einer Flüssigkeit und eines Gases.
Die Erfindung betrifft insbesondere die Anwendung bei der Behandlung von Fluidströmen, die mehrphasig sind, indem sie Gas- und Flüssigkeitskomponenten aufweisen, die jedoch keinesfalls gleichförmiger gemischt oder besser homogenisiert sind. Ein Gemisch aus Gas und Öl, das beispielsweise aus einem Onshore- oder einem Unterseebohrloch gefördert wurde, kann in bezug auf seine Gas- und Flüssigkeitskomponenten beträchtlich variieren. Es kann Volumen von im wesentlichen ungemischter Flüssigkeit aufweisen, die durch hauptsächlich gasförmige Teile getrennt ist, sowie Teile, die mehr oder weniger homogen sind. Diese Unbeständigkeit der Natur des geförderten Materials erschwert dessen Handhabung, insbesondere im Zusammenhang mit der Pumpenausrüstung, die homogenere Gemische leichter bewältigen könnte.
Die Erfindung befaßt sich demzufolge mit der praktischen Erzielung von mehrphasigen Fluidströmen, die effektiv homogenisiert sind, und stellt demgemäß ein Verfahren und eine Vorrichtung für den Erhalt eines homogenisierten mehrphasigen Fluidstroms auf eine einfache und praktische Weise bereit. Es ist aus der US-A-4 267 052 bekannt, eine zirkulierende Flüssigkeit in einem Behälter mit einem unteren Mixerrotor an einem Ende einer drehbaren Hohlwelle mit Öffnungen zur Flüssigkeit und zur Luft oberhalb der Flüssigkeit zu belüf ten. Die Welle weist eine Venturidüse unterhalb der Flüssigkeitsöffnungen und eine Gasrohrleitung auf, in der Flüssigkeit und Gas durch die Venturidüse in der Welle gemischt werden.
Die Erfindung stellt eine Vorrichtung gemäß Anspruch 6 und ein Verfahren gemäß Anspruch 1 bereit.
Der Flüssigkeitsstrom in dem Ablaufkanal kann durch Schwerkraft induziert werden, wobei der Auslaß des Ablaufkanals praktischerweise im Boden des Behälters oder Tanks positioniert ist. Der Flüssigkeitsstrom kann stattdessen auch mit einer Pumpe induziert oder unterstützt werden, und die Venturiverengung kann sich unmittelbar oberhalb einer Pumpeneinheit befinden.
Das Gas kann aus dem Gaskörper durch einen Durchbruch im Dach des Behälters gesogen werden, der mit der Rohrleitung über eine Querverbindung außerhalb des Behälters oder über eine auf dessen Dach montierte Kammer in Verbindung steht. Alternativ kann eine solche Versorgungskammer vom Hauptvolumen des Behälters durch eine mit geeigneten Durchbrüchen versehene interne Abtrennung getrennt sein.
Die Vorrichtung beinhaltet vorzugsweise ein Mittel zur Gewährleistung, daß der Behälter oder Container stets einen Teil der Flüssigkeit und der Gaskomponenten enthält. Die Erfindung kann demzufolge bewirken, daß die mit dem Ablaufkanal in Verbindung stehende Rohrleitung durch die Flüssigkeitsmenge in dem Tank verläuft und mit Durchbrüchen oder Perforationen versehen ist, die darüber verteilt sind. Flüssigkeit und Gas fließen somit in der Rohrleitung zusammen. Menge oder Anteil der Gaskomponente, die von dem Raum über der Flüssigkeit abgesaugt wird, verringert sich je nach Erhöhung des Flüssigkeitsstandes, wenn mehr Perforationen eingetaucht sind. So wird auf praktische Weise eine integrale Regulierung erzielt.
Die Erfindung bietet somit ein einfaches und wirksames Homogenisierungsverfahren und eine solche Vorrichtung, die unter Schwerkraft unter sachgemäßen Bedingungen arbeiten kann, ohne daß ein Krafteingang erforderlich wäre, und die automatisch Betriebsregulierungsmittel enthalten kann.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen näher beschrieben.
Dabei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer Mixoder Homogenisierungseinheit oder -vorrichtung gemäß der Erfindung; und
Fig. 2 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen dem Flüssigkeitsstand in der Vorrichtung von Fig. 1 und der abgesaugten Gasfraktion.
Die Vorrichtung von Fig. 1 umfaßt einen Behälter oder Oontainer 10 mit allgemein aufrechter zylindrischer Form, dessen Inneres geschlossen ist, mit Ausnahme der Fluideinlässe und der Auslässe, die nachfolgend beschrieben werden. Im oberen Bereich der zylindrischen Seitenwand 11 des Containers ist eine Einlaßmündung 12 vorgesehen, die über ein Rohr 14 mit einer Quelle (nicht dargestellt) eines mehrphasigen Fluids Verbindung hat. Eine Flüssigkeitsauslaßmündung 15 ist zentral im Boden 16 des Containers 10 vorgesehen und hat Verbindung mit einem Auslaß- oder Ablaufrohr bzw. -anschluß 17 mit einer internen Verengung 19, die eine Venturiform hat. Eine Gasauslaßmündung 20 im Dach 21 des Containers steht mit einer oberen Kammer 22 in Verbindung, die auf dem Dach montiert ist. Mit der Kammer 22 in Verbindung steht ein allgemein vertikales Rohr 24, das von einem zentralen Durchbruch 25 in dem Dach nach unten verläuft. Das Rohr 24 verläuft nach unten durch das Containerinnere in den Ablaufanschluß 17, wobei das untere offene Ende 26 des Rohrs konzentrisch in dem Anschluß unmittelbar oberhalb der Venturiverengung 19 befindlich ist.
Der obere Teil des Containers 10 steht so mit dem Rohr 24 über die Kammer 22 in Verbindung, und aus einem Grund, der nachfolgend erläutert wird, steht dieser obere Containerteil auch mit dem Rohr 24 durch eine Reihe von Perforationen 27 in der Rohrwand in Verbindung. Die Perforationen 27 verlaufen über im wesentlichen die gesamte Länge des Rohres 24 innerhalb des Containers.
Die Flüssigkeitskomponente eines durch die Einlaßmündung 12 in den Container eintretenden mehrphasigen Fluidstroms wird unter Schwerkraft von der gasförmigen Komponente getrennt und bildet einen Pool 29 im unteren Teil des Containers. Ein Volumen der gasförmigen Komponente nimmt den oberen Teil des Containers oberhalb der freien Fläche des Flüssigkeitspools ein.
Die flüssige Komponente wird aus dem Pool 29 in dem Container durch den Ablauf 15 unter Schwerkraft abgesaugt, mit oder ohne die Unterstützung einer abwärtigen Pumpe 31, die beispielsweise am unteren Ende des Ablaufrohres 17 angeschlossen ist, wie schematisch dargestellt ist, und durch die Venturiverengung wird das Gas vom oberen Teil des Tankinneren durch das Rohr 24 abgesaugt und vermischt sich mit der flüssigen Phase, so daß ein homogenisiertes oder im wesentlichen homogenisiertes Fluid im Ablaufrohr 17 erhalten wird. Wenn der in das Containerinnere einströmende mehrphasige Fluidstrom bereits homogen oder nahezu homogen ist, dann läuft das Gemisch durch das Rohr 17 über die Auslaßmündung 15 und das offene Ende 26 ab.
Die Gasfraktion α des aus dem Container 10 ablaufenden Fluids ist abhängig von den Abmessungen der Venturiverengung und kann unabhängig von der Gesamtströmungsrate QT, dem Flüssigkeitstand h in dem Container und dem absoluten Druck gemacht werden.
Unter der Voraussetzung, daß sowohl etwas Flüssigkeit als auch etwas Gas im Container vorhanden sind, ist der gesamte Druckabfall für das Gas und für die es durchfließenden flüssigen Phasen gleich, und die Gasfraktion von dem Container kann anhand der resultierenden Gleichung wie folgt erhalten werden:
Dabei gilt:
AT- der Querschnittsbereich des Containers,
AL - der Querschnittsbereich der Flüssigkeit in der Venturiverengung,
AG- der Querschnittsbereich des Gases in der
Venturiverengung,
eL- der Koeffizient des Gesamtflüssigkeitsverlustes&sub1;
eG- der Koeffizient des Gesamtgasverlustes,
pL- die Flüssigkeitsdichte,
pG - die Gasdichte, und
g - Schwerkraft.
Bei gleichmäßigen Strömungsbedingungen ist die durchschnittliche aus dem Container abgesaugte Gasfraktion gleich der durchschnittlichen eintretenden Gasfraktion. Um zu gewährleisten, daß in dem Behälter stets Flüssigkeit und Gas vorhanden sind, ist es ratsam, die abgesaugte Gasfraktion mit steigendem Flüssigkeitsstand zu verringern und umgekehrt, und dies wird mit Hilfe der Perforationen 27 in dem Rohr 24 erzielt. Das perforierte Rohr 24 fungiert somit als integrierter Regler, so daß eine Variation der Gasfraktion ermöglicht wird.
Die Beziehung zwischen dem Flüssigkeitsstand in dem Container und der daraus abgesaugten Gasfraktion (die Charakteristik der Mixeinheit) ist in Fig. 2 dargestellt.
Es kann jede gewünschte Mixeinheitscharakteristik durch eine entsprechende Auswahl der Dimensionen der Venturiverengung und der Perforationen 27 in dem Rohr 24 erzielt werden.
Es ist verständlich, daß die Erfindung auch auf eine Reihe anderer Weisen außer der hier eigens beschriebenen und illustrierten ausgestaltet werden kann, ohne vom Umfang der Ansprüche abzuweichen.

Claims

1. Verfahren zur Homogenisierung einer flüssigen Phase und einer Gasphase eines fließenden, ungleichförmigen mehrphasigen Fluids, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

a) Trennen der beiden Phasen des fließenden Fluids in nebeneinanderliegende Gas- und Flüssigkeitsvolumen innerhalb eines geschlossenen Behälters (11) durch Schwerkraft, wobei die Gasphase über der flüssigen Phase liegt;

b) Leiten der beiden Phasen durch eine Venturiverengung (19) in einem Kanal (17) zum Mischen und Homogenisieren der Phasen des fließenden Fluids und aus dem Behälter durch eine Öffnung (15) in einer Wand des Behälters, wobei die Öffnung ein Einlaßende für den Kanal (17) bildet, und durch eine Rohrleitung (24) mit einem Einlaßende im Inneren des Behälters, das von der Öffnung (15) beabstandet und in eine Phase des Fluids eingetaucht ist, und einem Auslaßende in dem Kanal an oder oberhalb der Venturiverengung (19), so daß durch den Strom der Flüssigkeit durch die Venturiverengung ein Saugdruck erzeugt wird, durch den das Gas in den Flüssigkeitsstrom gesogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die beiden Phasen des Fluids durch die Venturiverengung mit Geschwindigkeiten strömen, die dazu tendieren, beide Strömungsphasen in dem Kessel (11) zu erhalten.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die beiden Phasen des Fluids in relativen Mengen je nach dem Stand der flüssigen Phase von dem Behälter fließen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Strom der flüssigen Phase und der Gasphase durch die Venturiverengung durch den Einfluß von Schwerkraft bewirkt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Strom der flüssigen Phase und der Gasphase durch die Venturiverengung durch eine Saugpumpe (34) unterstützt wird, die unterhalb der Venturiverengung mit dem Kanal (17) in Verbindung steht.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens von Anspruch 1, umfassend einen geschlossenen Behälter (11) zum Empfangen des ungleichförmigen Mehrphasenstromes und zur Aufnahme der Gas- und Flüssigkeitsvolumen, die unter Schwerkraft getrennt wurden, einen Kanal (17) mit einer Venturiverengung (19) darin zum Mischen und Homogenisieren der beiden Phasen und eine Rohrleitung (24) mit einem Einlaßende (25) und einem Auslaßende (26), wobei sich das Auslaßende (26) der Rohrleitung in dem Kanal an oder oberhalb der Venturiverengung befindet, wobei der Behälter (11) einen gemeinsamen Einlaß (12, 14) für die beiden Phasen aufweist, wobei der Kanal (17) einen Einlaß aufweist, der mit dem Inneren des Behälters an einer Öffnung (15) in einer Wand des Behälters in Verbindung steht, und das Einlaßende der Rohrleitung (24) mit dem Inneren des Behälters an einer von der Öffnung (15) beabstandeten Position in Verbindung steht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Rohrleitung (24) von ihrem einen Auslaßende durch die Öffnung (15) und in den Behälter (11) verläuft.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Rohrleitung (24) durch den Behälter (11) verläuft und über eine Kammer (22), die sich neben dem Behälter (11) befindet und mit der die Rohrleitung in Verbindung steht, mit dem Inneren des Behälters in Verbindung steht, wobei die Kammer mit dem Behälter in Verbindung steht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Rohrleitung (24) eine Mehrzahl von Durchbrüchen (27) aufweist, die über ihre Länge innerhalb des Behälters (11) voneinander beabstandet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6, 7, 8 oder 9, wobei sich die Öffnung (15) im unteren Bereich des Behälters (11) befindet.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei das Auslaßende des Ablaufkanals (17) mit dem Einlaß einer Saugpumpe (31) in Verbindung steht.