KR101824390B1 - 다상 혼합물 분리장치 - Google Patents

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Abstract

다상 혼합물 분리장치가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 다상 혼합물 분리장치는 다상 혼합물이 유입되어 비중차에 의해 가스, 오일 및 물로 분리되는 분리탱크; 및 수평하게 연장되어 상기 다상 혼합물을 상기 분리탱크로 유입시키는 유입라인을 포함하고, 상기 유입라인은 상기 다상 혼합물 중 오일과 물이 지배적으로 이동하는 하부영역과, 가스가 지배적으로 이동하는 상부영역으로 구획된다.

Description

다상 혼합물 분리장치{Separator for multiphase mixture}
본 발명은 다상 혼합물 분리장치에 관한 것이다.
국제적으로 급격하게 산업 및 공업이 발전함에 따라 석유와 같은 지구 자원의 사용량은 점차 증가하고 있으며, 이에 따라 원유(crude oil)의 안정적인 생산과 공급이 전지구적인 차원에서 대단히 중요한 문제로 떠오르고 있다.
이와 같은 이유로, 최근에는 지금까지 경제성이 없어 무시되어 왔던 군소의 한계 유전(marginal field)이나 심해 유전의 개발이 경제성을 가지게 되었으며, 따라서 해저 채굴 기술의 발달과 더불어 이런 유전의 개발에 적합한 시추설비를 구비한 부유식 해양구조물이 개발되어 있다.
즉, 종래의 해저 시추에는, 다른 예인선에 의해서만 항해가 가능하고 계류 장치를 이용하여 해상의 일점에 정박한 상태에서 해저 시추 작업을 하는 해저 시추 전용의 리그선박(rig ship)이나 고정식 플랫폼이 주로 사용되었으나, 최근에는 첨단의 시추장비를 탑재하고 자체의 동력으로 항해를 할 수 있도록 일반 선박과 동일한 형태로 제작된 소위, 부유식 원유생산저장하역설비(FPSO, Floating Production Storage Off-loading Vessels)이 개발되어 해저 시추에 사용되고 있다.
부유식 원유생산저장하역설비(FPSO)는, 해양 플랜트(Offshore Plant)나 드릴쉽(Drillship)에서 뽑아낸 유정 분출 혼합물(Well fluid)을 분류 및 정제하여 원유를 생산하고 이를 저장하여 셔틀 탱커(Shuttle Tanker)나 기타이송 장소에 하역할 수 있는 특수선박을 말한다.
이러한 부유식 원유생산저장하역설비(FPSO)는, 저장기능을 하는 하부 선체구조 (Hull)와 원유를 생산하고 처리기능을 하는 상부설비(Topsides)로 구성되어 있으며, 저장 능력에 따라 100만 배럴 미만의 소형, 100~150만 배럴의 중형, 150~200만 배럴의 대형, 200만 배럴 이상의 초대형으로 구분될 수 있다.
한편, 부유식 원유생산저장하역설비에는 시추된 유정 분출 혼합물을 분리하는 분리장치가 장착된다. 유정 분출 혼합물은 물, 오일, 가스, 모래 등이 혼합된 다상 혼합물이다.
이러한 분리장치는, 비중차이를 이용하여 유정 분출 혼합물을 오일(oil) 성분과 물(water) 성분으로 분리한다. 즉, 분리장치에 공급된 유정 분출 혼합물은 시간이 지남에 따라 분리탱크의 내부에서 오일 성분과 물 성분으로 분리되고, 이렇게 분리된 오일 성분은 물 성분과의 상대적인 비중의 차이에 의해 물 성분의 위쪽에 위치한다.
이러한 분리장치는 다상 혼합물이 분리탱크 내에 체류하는 시간이 길어질 수록 분리 효율이 증가한다. 따라서 체류 시간을 늘리기 위한 각종 기술 개발이 이루어지고 있는 실정이다.
본 발명의 실시예는, 다상 혼합물이 분리탱크로 유입되기 전 일부가 분리된 상태로 분리탱크로 유입되도록 구성된 다상 혼합물 분리장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면
본 발명의 실시예에 따르면, 다상 혼합물이 분리탱크로 유입되기 전 일부가 기체 성분과 액체 성분으로 분리된 상태로 분리탱크로 유입됨으로써, 분리탱크 내에서의 다상 혼합물의 분리가 용이해지고 분리 효율이 향상될 수 있다.
다른 측면에서, 다상 혼합물이 분리탱크로 유입되기 전 일부가 미리 분리됨으로써, 분리탱크의 크기를 소형화할 수 있고, 비용 및 설치 공간을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 본 실시예에 따른 다상 혼합물 분리장치를 나타내는 도면이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다상 혼합물 분리장치의 일부의 내부를 확대한 도면이고,
도 3은 일반적인 수평관에서의 다상 유동의 성분 별 이동 위치 및 속도를 나타내는 도면이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하부영역과 제1유도부재의 연결관계를 나타내는 도면이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 상부영역과 제2유도부재의 연결관계를 나타내는 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다상 혼합물 분리장치를 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다상 혼합물 분리장치의 일부의 내부를 확대한 도면이다. 참고로 도 1에서 X축 방향은 분리탱크(110)의 길이방향을 의미하고, Y축 방향은 분리탱크(110)의 폭 방향을 의미하며, -X 방향은 분리탱크(110)의 전방을 의미한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 다상 혼합물 분리장치(100)는, 분리탱크(110)와, 유입라인(140)을 포함한다.
다상 혼합물은 분리탱크(110)로 유입된다. 분리탱크(110)로 유입된 다상 혼합물은 비중차에 의해 가스, 오일 및 물 등으로 분리될 수 있다.
일례로, 분리탱크(110)로 유입된 다상 혼합물은 비중이 상대적으로 큰 물이 아래에, 비중이 다음으로 큰 오일이 그 위에, 그리고 비중이 제일 작은 가스가 제일 위에 위치하도록 분리될 수 있다.
본 실시예에서 다상 혼합물은 일부가 기체 성분과 액체 성분으로 분리된 상태로 분리탱크(110)로 유입될 수 있다. 이에 대한 설명은 후술한다.
다상 혼합물은 해저 유정에서 분출된 유정 분출 혼합물일 수 있다. 이 경우, 다상 혼합물은 물, 오일, 가스, 모래 등을 포함할 수 있다.
분리탱크(110)로 유입된 다상 혼합물은 분리탱크(110)의 길이방향으로 이동하며 가스, 오일 및 물 등으로 분리될 수 있다.
분리탱크(110)에는 오일 배출부(134)가 형성될 수 있다. 분리탱크(110) 내의기 분리된 오일은 오일 배출부(134)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
오일 배출부(134)는 분리탱크(110)의 후부(後部)에 형성될 수 있다. 오일 배출부(134)는 다상 혼합물이 유입되는 위치에서 멀리 위치하는 것이 바람직하다. 이 경우, 분리탱크(110)로 유입된 다상 혼합물의 이동거리가 늘어나고 이에 따라 분리 시간이 늘어날 수 있다.
분리탱크(110)에는 가스 배출부(136)가 형성될 수 있다. 분리탱크(110) 내의 기 분리된 가스는 가스 배출부(136)를 통해 외부로 배출될 수 있다. 가스 배출부(136)의 선단에는 수분 추출기(mist extractor)(137)가 설치될 수 있다. 분리탱크(110) 내의 가스는 수분 추출기(137)에서 수분이 제거된 상태로 가스 배출부(136)를 통해 배출될 수 있다.
분리탱크(110)에는 물 배출부(138)가 형성될 수 있다. 분리탱크(110) 내의 기 분리된 물은 물 배출부(138)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
분리탱크(110) 내부에 칸막이 부재(120)가 배치될 수 있다. 칸막이 부재(120)는 물이 오일 배출부(134)로 유입되는 것을 차단한다.
분리탱크(110)의 내부는 칸막이 부재(120)에 의해 구획되는데, 이하에서는 도 1에서 볼 때, 칸막이 부재(120)의 좌측을 ?龜?맙?이라 하고, 칸막이 부재(120)의 우측을 ?응歐맙?이라 한다.
칸막이 부재(120)는 분리구역 내 물이 오일구역으로 유입되는 것을 방지한다. 이러한 칸막이 부재(120)는 분리구역 내 물의 수위보다 높게 형성될 수 있다.
분리탱크(110)로 다상 혼합물이 계속적으로 유입되면, 분리구역 내의 오일의 양이 계속적으로 늘어나고, 결국 분리구역 내의 오일은 칸막이 부재(120)를 넘어 오일구역으로 유입될 수 있다. 오일구역으로 유입된 오일은 오일 배출부(134)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
본 실시예에서, 유입라인(140)은 다상 혼합물을 분리탱크(110)로 유입시킨다. 유입라인(140)은 분리탱크(110)의 전부(前部)와 연결될 수 있다. 이때, 다상 혼합물은 분리탱크(110)의 전방측벽에 가깝게 유입될 수 있다. 이 경우, 분리탱크(110)로 유입된 다상 혼합물의 이동거리가 늘어나고 이에 따라 분리 시간이 늘어날 수 있다.
유입라인(140)은 수평하게 연장 형성될 수 있다. 유입라인(140)은 하부영역(141)과 상부영역(142)으로 구획될 수 있다.
도 3은 일반적인 수평관에서의 다상 유동의 성분 별 이동 위치 및 속도를 나타내는 도면이다. 도 3을 참조하면, 기체 성분과 액체 성분이 혼합된 다상 혼합물이 수평관을 따라 이동한다.
이때, 수평관 내에서 성층류(stratified flow)가 발생하여, 기체 성분 지배적으로 수평관의 하부를 따라 흐르고 액체 성분은 지배적으로 수평관의 상부를 따라 흐른다.
도 2를 참조하면, 수평하게 연장된 유입라인(140)을 따라 분리탱크(110)로 유입되는 다상 혼합물 중 액체 성분(ex. 물, 오일 등)은 지배적으로 하부영역(141)을 따라 이동하여 분리탱크(110)로 유입되고, 가스는 지배적으로 상부영역(142)을 따라 이동하여 분리탱크(110)로 유입될 수 있다.
본 실시예에서, 유입라인(140)의 하부영역(141)은 분리탱크(110) 내부의 액체 영역과 연결되고, 상부영역(142)은 분리탱크(110) 내부의 가스 영역과 연결될 수 있다. 액체 영역은 분리탱크(110) 중 기 분리된 물과 오일이 수용되는 영역이고, 가스 영역은 분리탱크(110) 중 기 분리된 가스가 수용되는 영역이다.
하부영역(141)을 따라 이동하는 액체 성분은 분리탱크(110)의 액체 영역으로 바로 유입되고, 상부영역(142)을 따라 이동하는 가스는 분리탱크(110)의 가스 영역으로 바로 유입될 수 있어 분리 효율이 향상될 수 있다.
본 실시예에 따른 다상 혼합물 분리장치(100)는 제1유도부재(150)와 제2유도부재(160)를 더 포함할 수 있다. 제1유도부재(150) 및 제2유도부재(160)는 각각 하부영역(141)과 상부영역(142)과 연결되어 다상 혼합물이 분리탱크(110) 내부로 유입되기 위한 통로를 제공할 수 있다.
도 2를 참조하면, 제1유도부재(150)는 하부영역(141)과 연결되고, 하부영역(141)을 통해 유입된 유동이 나선 형태로 선회하여 분리탱크(110) 내의 액체 영역으로 낙하하도록 유도한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 하부영역과 제1유도부재의 연결관계를 나타내는 도면이다. 도 2 및 도 4를 참조하면, 제1유도부재(150)는 상하 방향으로 연장된 파이프 형상을 가지며, 원형의 수평 단면을 가질 수 있다.
그리고 하부영역(141)을 따라 이동하는 액체 성분이 지배적인 다상 혼합물은 제1유도부재(150)의 원형 단면에 접선 방향으로 유입될 수 있다. 이 경우, 제1유도부재(150)로 유입된 다상 혼합물은 나선 형태로 선회하며 낙하할 수 있다.
위와 같이 다상 혼합물이 나선 형태로 선회하며 낙하하는 경우, 밀도가 상대적으로 작은 성분, 예컨대 오일은 제1유도부재(150)의 중앙에 가깝게 위치하고 밀도가 상대적으로 큰 성분, 예컨대 물은 제1유도부재(150)의 중앙에서 멀게 위치한 상태로 분리탱크(110) 내로 낙하하게 되어 분리 효율이 향상될 수 있다.
도 4를 참조하면, 제1유도부재(150)는 하나 이상으로 제공될 수 있다. 제1유도부재(150)의 개수는 유입되는 다상 혼합물의 양, 다상 혼합물의 분리 용량 등을 고려하여 결정될 수 있다.
도 2를 참조하면, 제2유도부재(160)는 상부영역(142)과 연결되고, 상부영역(142)을 통해 유입된 유동이 나선 형태로 선회하여 분리탱크(110) 내의 가스 영역으로 낙하하도록 유도한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 상부영역과 제2유도부재의 연결관계를 나타내는 도면이다. 도 2 및 도 4를 참조하면, 제2유도부재(160)는 상하 방향으로 연장된 파이프 형상을 가지며, 원형의 수평 단면을 가질 수 있다.
그리고 상부영역(142)을 따라 이동하는 가스가 지배적인 다상 혼합물은 제2유도부재(160)의 원형 단면에 접선 방향으로 유입될 수 있다. 이 경우, 제2유도부재(160)로 유입된 다상 혼합물은 나선 형태로 선회하며 낙하할 수 있다.
위와 같이 다상 혼합물이 나선 형태로 선회하며 낙하하는 경우, 밀도가 상대적으로 작은 성분, 예컨대 가스는 제2유도부재(160)의 중앙에 가깝게 위치하고 밀도가 상대적으로 큰 성분, 예컨대 액체 성분은 제2유도부재(160)의 중앙에서 멀게 위치한 상태로 분리탱크(110) 내로 낙하하게 되어 분리 효율이 향상될 수 있다.
도 5를 참조하면, 제2유도부재(160)는 하나 이상으로 제공될 수 있다. 제2유도부재(160)의 개수는 유입되는 다상 혼합물의 양, 다상 혼합물의 분리 용량 등을 고려하여 결정될 수 있다.
도 2를 참조하면, 제1유도부재(150)는 깔대기 형상을 가질 수 있다. 즉, 제1유도부재(150)는 아래로 갈수록 좁아지는 형상을 가질 수 있다.
이 경우, 제1유도부재(150)의 중앙에 위치하는 오일은 제1유도부재(150)의 하단 출구를 통해 원활하게 빠져나가지 못하고 물과의 비중차에 의해 상승할 수 있다.
상승한 오일은 오일 배출라인(171)을 통해 제1유도부재(150)의 내부에서 분리탱크(110) 내부로 유입될 수 있다. 그리고 물은 제1유도부재(150)의 하단 출구를 통해 배출될 수 있다. 따라서 분리효율이 향상될 수 있다.
오일 배출라인(171)은 제1유도부재(150)의 내부의 상부 공간과 분리 탱크의 내부를 상호 연결한다. 일례로, 오일 배출라인(171)의 일단은 상기 제1유도부재(150)의 상부 공간에 위치하고, 오일 배출라인(171)의 타단은 상기 분리탱크(110)의 가스 영역에 위치할 수 있으나 이에 국한되지 않는다.
제1유도부재(150)의 하단 출구는 분리탱크(110) 내의 기 분리된 물에 잠기도록 위치할 수 있다. 이 경우, 제1유도부재(150)의 하단 출구에서 배출된 물은 분리탱크(110) 내의 기 분리된 물과 합류할 수 있다.
도 2를 참조하면, 제2유도부재(160)는 깔대기 형상을 가질 수 있다. 즉, 제2유도부재(160)는 아래로 갈수록 좁아지는 형상을 가질 수 있다.
이 경우, 제2유도부재(160)의 중앙에 위치하는 가스는 제2유도부재(160)의 하단 출구를 통해 원활하게 빠져나가지 못하고 액체 성분과의 비중차에 의해 상승할 수 있다. 상승한 가스는 제2유도부재(160)의 상측벽에 형성된 출구(172)를 통해 분리탱크(110) 내의 가스 영역으로 유입될 수 있다. 따라서 분리효율이 향상될 수 있다.
이상에서 살펴본 본 실시예에 따른 다상 혼합물 분리장치(100)는 다상 혼합물이 분리탱크(110)로 유입되기 전 일부가 기체 성분과 액체 성분으로 분리된 상태로 분리탱크(110)로 유입됨으로써, 분리탱크(110) 내에서의 다상 혼합물의 분리가 용이해지고 분리 효율이 향상될 수 있다.
다른 측면에서, 다상 혼합물이 분리탱크(110)로 유입되기 전 일부가 미리 분리됨으로써, 분리탱크(110)의 크기를 소형화할 수 있고, 비용 및 설치 공간을 최소화할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100 : 다상 혼합물 분리장치
110 : 분리탱크
120 : 칸막이 부재
134 : 오일 배출부
136 : 가스 배출부
137 : 수분 추출기
138 : 물 배출부
140 : 유입라인
141 : 하부영역
142 : 상부영역
150 : 제1유도부재
160 : 제2유도부재
171 : 오일 배출라인
172 : 출구

Claims (6)

  1. 다상 혼합물이 유입되어 비중차에 의해 가스, 오일 및 물로 분리되는 분리탱크;
    상기 다상 혼합물을 상기 분리탱크로 유입시키되, 상기 다상 혼합물 중 오일과 물이 지배적으로 이동하는 하부영역과, 가스가 지배적으로 이동하는 상부영역으로 구획되는 유입라인;
    상기 하부영역과 연결되고, 상기 하부영역을 통해 유입된 유동이 나선 형태로 선회하여 상기 액체 영역으로 낙하하도록 유도하는 제1유도부재; 및
    상기 상부영역과 연결되고 상기 상부영역을 통해 유입된 유동이 나선 형태로 선회하여 상기 가스 영역으로 낙하하도록 유도하는 제2유도부재를 포함하고,
    상기 제1유도부재 내부의 상부 공간은 오일 배출라인에 의해 상기 분리탱크의 내부와 연결되고,
    상기 제1유도부재는 깔때기 형상을 가지며.
    상기 제1유도부재를 따라 낙하하는 유동 중 물과의 비중차에 의해 상기 제1유도부재의 중앙에서 상승하는 오일은 상기 오일 배출라인을 통해 상기 분리탱크 내부로 배출되는, 다상 혼합물 분리장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하부영역은 상기 분리탱크 내부의 액체 영역과 연결되고, 상기 상부영역은 상기 분리탱크 내부의 가스 영역과 연결되는, 다상 혼합물 분리장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2유도부재의 상측벽에는 상기 제2유도부재 내의 가스가 배출되는 출구가 형성되는, 다상 혼합물 분리장치.
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