ITMI20091136A1 - Sistema di separazione compatto inerziale gas-liquido - Google Patents

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Description

“SISTEMA DI SEPARAZIONE COMPATTO INERZIALE GAS-LIQUIDOâ€
La presente invenzione riguarda un sistema di separazione compatto inerziale di una miscela gasliquido ed il relativo metodo di separazione.
Più in particolare, la presente invenzione riguarda un separatore compatto, atto alla separazione di correnti petrolifere multifase, basato sulla combinazione di due effetti distinti. Nello specifico, la separazione della fase liquida dalla fase gassosa avviene mediante:
- decelerazione della corrente in ingresso che ne determina una primo effetto di stratificazione; - impatto del fluido a bassa velocità sulle pareti del separatore, combinato all’effetto di separazione inerziale tra la fase liquida e la fase gassosa.
Un effetto addizionale per la rimozione delle gocce di liquido intrappolate nella corrente gassosa à ̈ basato sul principio di separazione centrifuga o per coalescenza.
I separatori convenzionali utilizzati nella industria del petrolio consistono principalmente di sistemi di separazione gravitazionale. Tali separatori sono generalmente costituiti da camere di grandi dimensioni in cui la miscela di fluidi risiede per il tempo necessario affinché la separazione delle due fasi della miscela avvenga sotto l’effetto della forza gravitazionale.
Queste camere sono caratterizzate da peso e dimensioni elevate, difficilmente adattabili a piattaforme di estrazione off-shore ed il cui costo può incidere sensibilmente sui costi delle strutture offshore.
Alternativamente, per la separazione del gas dal greggio, sono stati utilizzati separatori basati sull’applicazione di forza centrifuga, ad esempio mediante utilizzo di cicloni montati in serie, come descritto nel brevetto Canadese No. 1.093.017, oppure in configurazioni complesse come descritto nel brevetto Canadese No. 1.136.061. Tuttavia, anche queste installazioni, a causa del loro ingombro, non risultano ottimali per applicazioni su piattaforme off-shore.
Per ridurre questi svantaggi la tecnologia à ̈ volta allo sviluppo di sistemi di separazione compatti, interessanti anche per applicazioni in ambienti ostili quali l’ambiente sottomarino, artico o a fondo pozzo, e che potrebbero potenzialmente sostituire gradualmente i separatori gravitazionali anche per applicazioni a terra.
I sistemi di separazione compatti possono anche essere adottati per separazioni parziali tra le fasi (gas/liquido, liquido/liquido o fluido/solido). Questo può accadere per una vasta gamma di applicazioni come ad esempio sistemi di misura o di ricompressione, trasporto in tubazione, controllo di idrati, esigenze ambientali e di sicurezza.
Un esame della letteratura tecnica conduce alla conclusione che i sistemi di separazione compatti sono solitamente considerati come separatori in cui la forza centrifuga sostituisce la forza di gravità. La presente analisi à ̈ limitata ai sistemi di separazione compatti che non hanno parti in movimento.
Sistemi di separazione compatti gas liquido, basati sul principio della forza centrifuga ed utilizzati per lo più quali finitori nella separazione, impiegano tubi dotati di lame (swirl tubes) che impartiscono un movimento rotatorio alla miscela fluida, separando la fase gassosa dalla fase liquida, come descritto nel brevetto USA 4.566.883, a nome Shell. Più di recente, Tea Sistemi ha sviluppato separatori centrifughi, basati sullo stesso principio, in cui la geometria dell’elemento che induce movimento rotatorio al fluido (swirler) à ̈ stata ottimizzata, permettendo anche l’utilizzo di una singola unità di grande diametro in alternativa a più unità di piccolo diametro, come descritto nella domanda di brevetto internazionale WO 2007/129.276.
Alcuni dei concetti adottati per lo sviluppo di sistemi di separazione compatti hanno anche permesso l’evoluzione di sistemi di separazione convenzionali gravitazionali come i separatori gravitazionali compatti sviluppati da Shell. Questi separatori possono essere orizzontali o verticali. Un esempio di separatore cilindrico compatto verticale che fa uso di un certo numero di elementi interni à ̈ proposto nella domanda di brevetto internazionale WO 2005/023.396 A1, che allo swirler, utilizzato quale separatore gas liquido secondario, accoppia una pre-separazione della miscela gas-liquido attraverso passaggio all’interno di un distributore.
Un altro esempio di separatore cilindrico compatto orizzontale trifase à ̈ proposto nel brevetto USA 6.537.458, in cui il sistema à ̈ reso più efficiente dall’utilizzo di un separatore primario consistente di una pluralità di †̃swirl tubes’ o pacchi lamellari.
Accanto alla forza centrifuga e alla forza di gravità un ruolo importante nella separazione gas liquido può essere giocata da effetti inerziali. Questi effetti sono alla base di vari tipi di abbattitori di goccioline di liquido all’interno di correnti gassose, disponibili sul mercato. Il liquido à ̈ separato dal gas mediante accelerazione della corrente fluida attraverso appositi bocchelli od orifizi, su una superficie di impatto che tipicamente ne determina un repentino cambio di direzione, dando luogo alla separazione voluta. Esempi di tali dispositivi si trovano, ad esempio, nel brevetto Europeo 1.068.890 B1 o, più recentemente, nella domanda di brevetto Internazionale WO 2008/134.227.
Lo sfruttamento corretto degli effetti inerziali potrebbe giocare un ruolo di fondamentale importanza se si considera che gli effetti inerziali di una corrente di liquido a pistone o stratificata che percorre una tubazione sono rilevanti.
Sistemi di separazione, particolarmente utilizzati nell’ambito di sistemi di monitoraggio in continuo di correnti petrolifere multifase, sono dotati di una tubazione di ingresso inclinata rispetto all’orizzontale che permette la separazione mediante stratificazione della miscela gas liquido.
Un esempio di tali sistemi à ̈ descritto nel brevetto USA 4.760.742 in cui à ̈ previsto un sistema di tubazioni per la separazione delle bollicine di gas intrappolate nella corrente di liquido.
Nel brevetto USA 5.526.684, si rivela un sistema di separazione compatto a sviluppo verticale con un ingresso tangenziale ed inclinato verso il basso.
L’inclinazione della tubazione di ingresso, assieme ad un bocchello bidimensionale convergente, promuove da una parte la stratificazione parziale delle due fasi e dall’altra l’accelerazione del fluido in ingresso e conseguentemente della spirale vorticosa di liquido verso il basso lungo la parete del separatore, risultando nella forza centrifuga il principale effetto di separazione. Purtuttavia, il limite di detta invenzione à ̈ nel fatto che la forza centrifuga richiede alte velocità del fluido in ingresso al separatore, mentre la stratificazione del flusso avviene per basse velocità della miscela. La contraddizione che scaturisce da effetti contrastanti emersi nel sistema di separazione sopramenzionato può spiegare la sua bassa efficienza e la sua applicabilità quale sistema di separazione parziale.
La presente invenzione ha lo scopo di fornire un’apparecchiatura e un metodo di separazione gas liquido compatta che combina essenzialmente due effetti:
- stratificazione del flusso all’ingresso del separatore; e
- separazione inerziale della fase liquida,
ed à ̈ caratterizzata dal fatto che il sistema à ̈ configurato in modo da separare efficientemente anche flussi multifase, ad esempio a pistone, smorzando significativamente, nella tubazione di ingresso, la componente liquida della corrente, caratteristica che consente una riduzione dell’altezza del fondo del separatore e conseguentemente del suo volume.
Questo scopo viene raggiunto con l’apparato separatore compatto gas liquido secondo la presente invenzione comprendente un mezzo di stratificazione, un corpo cilindrico a sviluppo verticale e due mezzi di uscita per la corrente gassosa e la corrente liquida. La presente invenzione à ̈ descritta nelle allegate rivendicazioni.
Ove ritenuto necessario il sistema può essere dotato di apparecchiature complementari opzionali per la separazione ulteriore, rispettivamente di liquido dalla corrente gassosa e di gas e/o di un altro liquido dalla corrente liquida.
Detto mezzo di stratificazione à ̈ essenzialmente costituito da due tubazioni principalmente caratterizzate da un allargamento della sezione che permette una sostanziale riduzione (≥ 50%) della velocità della miscela in ingresso, configurazione che, in abbinamento ad un’eventuale leggera inclinazione della tubazione verso il basso (≤ 10°), permette lo smorzamento del flusso a pistone della corrente in ingresso e conduce a condizioni di flusso stratificato.
Inoltre, tale tubazione di ingresso innestandosi tangenzialmente su detto corpo cilindrico, fa sì che, sotto l’azione combinata dell’impatto relativamente dolce contro le pareti del separatore e della forza inerziale, la fase liquida più pesante venga convogliata verso il fondo del separatore, senza che si generi un’eccessiva frammentazione della corrente liquida, mentre le bollicine di gas ancora intrappolate nella corrente liquida si liberino e, assieme al gas già stratificato, tendano a salire centralmente all’interno del corpo principale (separazione liquida primaria) verso la parte alta del corpo cilindrico.
Il fatto che un’eventuale corrente di flusso a pistone in ingresso al separatore venga smorzato consente di avere un fondo del separatore di volume ridotto. Nella parte alta del corpo cilindrico il sistema di separazione può prevedere, in maniera opzionale, una disposizione di elementi finitori per l’eliminazione delle gocce di liquido intrappolate nel gas quali abbattitori di goccioline, griglie, pacchi lamellari, cicloni, elementi swirler ecc. (separazione liquida secondaria).
L’invenzione à ̈ particolarmente adatta per la separazione di correnti petrolifere multifase e può essere ottimizzata a livello progettuale in funzione del particolare flusso in ingresso mediante impiego di uno specifico codice per la simulazione di flussi multifase MAST (Multiphase Analysis and Simulation of Transition), sviluppato da TEA Sistemi, in grado di registrare la variazione dinamica tra regimi di flusso (dynamic pattern recognition).
Ulteriori caratteristiche e vantaggi del sistema di separazione compatto secondo la presente invenzione risulteranno in modo più chiaro dalla descrizione che segue di una sua forma realizzativa, fatta a titolo esemplificativo e non limitativo con riferimento ai disegni allegati in cui:
− la figura 1 riporta una rappresentazione schematica del separatore inerziale compatto in cui à ̈ installato un opzionale generico separatore secondario;
− la figura 1a mostra una vista dall’alto della tubazione in ingresso evidenziando la sua connessione tangenziale al corpo del separatore; − la figura 2 riporta una rappresentazione schematica del separatore inerziale compatto in cui à ̈ installato un arrangiamento di 6 elementi swirler quale separatore secondario;
− la figura 2a riporta la sezione A-A di figura 2;
− la figura 3 riporta l’efficienza sperimentale di separazione totale (separazione primaria e secondaria) e l’efficienza di separazione primaria relativa al sistema di figura 2 in funzione della portata di gas per una data portata della corrente di liquido.
In figura 1 à ̈ illustrato il separatore inerziale compatto gas liquido, il cui mezzo di ingresso 1 à ̈ costituito dalle due tubazioni 2 e 4 e da un bocchello di raccordo 3. La tubazione 2, in cui il fluido multifase scorre, proveniente ad esempio dal pozzo di produzione, risulta orizzontale. Detta tubazione 2 à ̈ collegata mediante un opportuno bocchello di raccordo 3, ad una tubazione 4 di diametro maggiore, che potrebbe opportunamente risultare leggermente inclinata con angolo di inclinazione rispetto all’orizzontale ≤10°. Tale tubazione 4 si innesta tangenzialmente in corrispondenza della porta di ingresso 5 del corpo cilindrico 6 del separatore, come meglio evidenziato in figura 1a. Il corpo cilindrico 6 presenta un’estensione verticale ed à ̈ idealmente suddiviso in un fondo 7 che si estende tra la base inferiore 8 del corpo cilindrico e la porta di ingresso 5 ed una parte alta 9 che si estende tra la base superiore 10 del corpo cilindrico e la porta di ingresso 5. All’interno di detta parte alta del separatore 9 può essere posizionato in maniera opzionale un arrangiamento di elementi finitori 11 per la separazione liquida secondaria (es. abbattitori di goccioline, griglie, pacchi lamellari, cicloni, elementi swirler ecc). I due mezzi di uscita sono costituiti da due tubazioni di uscita del liquido 12 e di uscita del gas 13 che si innestano rispettivamente sulla base inferiore 8 e sulla base superiore 10 del corpo cilindrico. Si noti che il sistema, ove ritenuto necessario, può includere anche due separatori complementari opzionali (non riportati nella rappresentazione di figura 1) posti a valle della tubazione di uscita del liquido 12 e della tubazione di uscita del gas 13 per la separazione ulteriore rispettivamente di gas e/o di un altro liquido dalla corrente liquida e di liquido dalla corrente gassosa.
Nella rappresentazione successiva di figura 2 e figura 2a, à ̈ illustrata una specifica configurazione del separatore compatto inerziale gas liquido. La maggior parte dei componenti a cui si fa riferimento sono gli stessi di quelli a cui ci si riferisce in figura 1 e sono indicati con lo stesso riferimento numerico. La configurazione di figura 2 differisce da quella di figura 1 poiché all’interno della parte alta del separatore 9, quale separatore secondario, à ̈ posizionato un arrangiamento di 6 elementi swirler 14 (domanda di brevetto internazionale WO 2007/129.276), simmetrico attorno all’asse del cilindro, come meglio evidenziato in figura 2a.
A titolo di esempio in figura 3, relativamente al sistema di figura 2, si riportano i valori sperimentali di efficienza di separazione totale (separazione liquida primaria e secondaria) e di efficienza di separazione primaria riferita alla fase liquida, in funzione della portata di gas (30÷470 m<3>/h), per una portata della corrente di liquido pari a 5 m<3>/h che entra con flusso a pistone. Si nota che l’efficienza del sistema di separazione inerziale diminuisce leggermente all’aumentare della portata di gas sempre restando al di sopra di efficienze del 95%, mentre l’efficienza totale resta, per qualunque portata della corrente gassosa, superiore al 99%, indicando che all’aumentare della portata della corrente gassosa l’arrangiamento di elementi swirler 14 di figura 2 fornisce un’elevata efficienza di separazione, anche se la stratificazione all’ingresso non à ̈ completa, contribuendo in maniera crescente all’efficienza di separazione totale.
Nelle condizioni operative, con riferimento alla figura 1, la miscela di fluidi proveniente da pozzi petroliferi, fluisce nel separatore attraverso la tubazione orizzontale 2, con un regime di flusso a bolle o a pistone. Attraverso il bocchello di raccordo 3, la miscela scorre all’interno di una tubazione 4 a sezione più larga. L’incremento di diametro di scorrimento permette una sostanziale riduzione (≥ 50%) della velocità della miscela. Questo effetto accoppiato ad un’eventuale leggera inclinazione della tubazione verso il basso (≤ 10° rispetto all’orizzontale), permette lo smorzamento del flusso a pistone della corrente in ingresso e conduce a condizioni di flusso stratificato. La miscela, così stratificata, entra tangenzialmente a bassa velocità attraverso l’ingresso 5 all’interno del corpo cilindrico del separatore 6.
L’effetto di stratificazione assieme alla forza inerziale, fa sì che, nel corpo cilindrico del separatore 6, la fase liquida più pesante urti a bassa velocità contro le pareti del separatore e fluisca con un moto circolare assecondando le pareti, verso il fondo del separatore 7, senza che si generi un’eccessiva frammentazione della corrente liquida, mentre il gas intrappolato nel liquido tende a liberarsi, convogliando centralmente nel corpo cilindrico, e a salire, assieme al gas già separato mediante stratificazione, all’interno del corpo principale verso la parte alta del separatore 9 (separazione liquida primaria). La combinazione dei due effetti conduce ad un’elevata efficienza di separazione primaria. Le gocce di liquido ancora intrappolate nella corrente gassosa possono essere ulteriormente rimosse convogliando opzionalmente la fase gassosa preventivamente separata all’interno di un arrangiamento di elementi finitori 11 (separazione liquida secondaria). La fase liquida degassata fuoriesce dal fondo del separatore 7 attraverso la tubazione di uscita del liquido 12 mentre la fase gassosa fuoriesce attraverso la tubazione di uscita del gas 13.
Il sistema di separazione gas liquido inerziale compatto, secondo quanto specificato risulta avere un volume di ingombro ridotto (circa 1/4) rispetto ad un separatore convenzionale con le medesime specifiche operative.
Si noti che la lunghezza della tubazione di ingresso e l’altezza ottimale del fondo del separatore dipendono dalle condizioni operative del sistema (portata di gas, portata di liquido, pressione, regime di flusso); le loro dimensioni saranno così determinate caso per caso.

Claims (6)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema di separazione inerziale compatto di una miscela gas liquido comprendente: − un mezzo di stratificazione per stratificare la corrente fluida multifase in ingresso; − un corpo cilindrico in cui si realizza la separazione inerziale gas liquido; − due mezzi di uscita delle correnti separate di gas e di liquido che si innestano rispettivamente sulla base superiore e sulla base inferiore di detto corpo cilindrico; caratterizzato dal fatto che: − detto mezzo di stratificazione à ̈ costituito da una prima tubazione e da una seconda tubazione di diametro maggiore rispetto alla prima, detta seconda tubazione essendo collegata tramite un bocchello di raccordo a detta prima tubazione, detta seconda tubazione essendo opzionalmente inclinata rispetto all’orizzontale, detta inclinazione e l’aumento di sezione fra le due tubazioni inducendo la stratificazione di detta corrente multifase; − detto mezzo di stratificazione si innesta tangenzialmente su detto corpo cilindrico, ad un’altezza rispetto a detta base inferiore; detta altezza risultando la minima che garantisce una separazione inerziale efficiente di detta corrente già precedentemente stratificata in detto mezzo di stratificazione.
  2. 2. Sistema di separazione inerziale compatto secondo la rivendicazione 1, in cui la parte superiore di detto corpo cilindrico prevede l’installazione di elementi separatori finitori per l’eliminazione delle gocce di liquido intrappolate nel gas.
  3. 3. Sistema di separazione inerziale compatto secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detto angolo di inclinazione à ̈ inferiore o uguale a 10°.
  4. 4. Sistema di separazione inerziale compatto secondo la rivendicazione 1, 2 o 3 in cui detta corrente multifase in ingresso à ̈ una corrente fluida a regime di flusso a bolle, a pistone o anulare.
  5. 5. Metodo di separazione di una miscela gas liquido relativo al sistema inerziale compatto comprendente le seguenti fasi: - induzione di un flusso stratificato di una miscela di fluidi con regime di flusso a bolle, a pistone o anulare in ingresso ad un dispositivo di stratificazione comprendente una prima tubazione ed una seconda tubazione di diametro maggiore rispetto alla prima, detta seconda tubazione essendo collegata tramite un bocchello di raccordo a detta prima tubazione; - smorzamento di eventuale regime di flusso a pistone della miscela di fluidi in ingresso, mediante sostanziale riduzione (≥ 50%) della velocità di ingresso abbinata ad un’eventuale leggera inclinazione della seconda tubazione verso il basso (≤ 10° rispetto allo orizzontale); − separazione gas liquido inerziale mediante convogliamento tangenziale a bassa velocità della corrente stratificata all’interno di un corpo cilindrico, caratterizzata da impatto a bassa velocità contro le pareti di detto corpo cilindrico tale da evitarne l’eccessiva frammentazione, con generazione di: − un flusso circolare della fase liquida più pesante lungo le pareti del corpo cilindrico nella direzione del fondo del separatore verso il primo mezzo di uscita del separatore; − ulteriore liberazione delle bollicine di gas ancora intrappolate nella fase liquida che tendono a separarsi, convogliando nella parte centrale del corpo cilindrico, e a salire centralmente, assieme al gas già separato per stratificazione, nella direzione del secondo mezzo di uscita;
  6. 6. Metodo di separazione di una miscela gas liquido relativo al sistema inerziale compatto secondo la rivendicazione 5, in cui le gocce di liquido ancora intrappolate nella corrente gassosa sono ulteriormente rimosse mediante convogliamento opzionale della fase gassosa, preventivamente separata per stratificazione e per inerzia, attraverso qualsiasi forma di realizzazione di elementi finitori operanti mediante forza centrifuga o coalescenza, posta prima dell’uscita attraverso il secondo mezzo di uscita.
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