KR20150122310A - 수직형 유체 이송관을 구비한 삼상 분리기 - Google Patents

Abstract

수직형 유체 이송관을 구비한 삼상분리기가 개시된다. 삼상 분리기는 드럼; 외부로부터 공급되는 유체를 상기 드럼 내부로 유입하기 위해 상기 드럼의 일측을 관통하여 형성된 수평형 유체 이송관, 상기 수평형 유체 이송관의 단부에 연결되는 수직형 유체 이송관, 및 상기 수직형 유체 이송관의 일 단부에 연결되어 상기 수직형 유체 이송관에 의해 분리된 물과 오일을 상기 드럼의 내부 공간에 분리된 층으로 존재하는 물 저장층과 오일 저장층에 각각 배출하는 벤딩형 유체 이송관으로 구성된 이송관 유닛을 포함한다.

Description

수직형 유체 이송관을 구비한 삼상 분리기{3 phase separator having vertical inlet pipe}

본 발명은 수직형 유체 이송관을 구비한 삼상 분리기에 관한 것이다.

원유 생산, 저장 및 하역의 과정을 선체에서 처리할 수 있도록 개발된 FPSO(Floating Production Storage and Offloading) 등과 같은 해상 부유체에는 레저부아(reservoir)에서 채취한 원유를 가스, 오일과 물로 각각 분리하기 위한 분리기가 구비되고 있다.

일반적으로 분리기는 원유를 가스, 오일과 물로 각각 분리하기 위한 삼상 분리기(3-phase Separator)이며, 삼상 분리를 위해 비중차가 이용되거나 사이클론(cyclone)이 이용되고 있다. 사이클론을 이용하여 각종 오폐수 등을 처리하기 위한 수처리 시스템에 대한 기술적 사상은 한국공개특허 제2010-0027709호 등에 다양하게 개시되어 있다.

일반적으로 비중차를 이용하는 종래의 삼상 분리기는 도 1에 도시된 바와 같이 드럼(100)의 상부 영역을 관통하여 평행하게 설치된 유체 이송관(105)을 통해 수평으로 유입되는 유체가 이송 방향의 전단부에 배치된 충격판(107)을 충격하고 하부로 떨어지면서 발생하는 모멘텀 변화(momentum change)에 의해 기상 성분(가스)과 액상 성분(물과 오일)으로 분리되는 원리를 이용하고 있다.

이때 분리된 기상 성분은 드럼(100)의 내측 상부 공간에 모여 가스 배출관(135)을 통해 외부로 배출되고, 분리된 액상 성분은 드럼(100)의 내부 공간에 축적되어 소정의 시점에서 물 배출관(115)과 오일 배출관(125)을 통해 각각 외부로 배출된다. 이때 오일 배출관(125)은 위어(wier) 패널(110)을 넘쳐 흘러 구획된 영역에 저장된 오일을 배출하도록 설치된다.

그러나 비중차를 이용한 삼상 분리기는 충격판(107)을 이용한 모멘텀 변화에 의해 기상 성분과 액상 성분을 분리하는 방법을 채택하고 있어 기상 성분과 액상 성분간의 분리 효율이 저조한 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해소하기 위해, 유체의 유입 과정에서 가스 분리가 효과적으로 이루어지도록 하기 위해 사이클론이 이용되고 있다. 사이클론으로 유입된 유체는 회전 유동되고, 회전 유동에 따른 원심력으로 인해 밀도가 작은 기체는 사이클론의 중심으로 모여 상부의 개방 영역을 통해 배출되고 밀도가 큰 액체는 사이클론의 내측 벽면을 따라 회전하면서 하방향으로 이동되어 사이클론의 하부로 배출된다.

그러나 종래의 사이클론을 이용한 삼상 분리기는 물과 오일이 섞인 형태로 하부로 배출됨으로써 물과 오일 분리에는 큰 이점이 없으며, 배출시의 회전 모멘텀이 오히려 드럼에 분리되어 저장된 물과 오일의 안정 상태를 저해하여 오히려 물과 오일의 분리 효율이 감소되는 문제점이 있었다.

본 발명은 3상 분리기에 유입되는 유체가 수직형 유체 이송관을 통해 유입되도록 함으로써 유체로부터 가스 성분의 효과적 분리가 가능할 뿐 아니라, 수직형 유체 이송관의 내측 벽면을 따라 회전하는 회전력에 의해 분리되는 물과 오일이 각각 별도의 관을 통해 분리 배출될 수 있도록 하는 수직형 유체 이송관을 구비한 삼상 분리기를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 드럼(drum); 외부로부터 공급되는 유체를 상기 드럼 내부로 유입하기 위해 상기 드럼의 일측을 관통하여 형성된 수평형 유체 이송관, 상기 수평형 유체 이송관의 단부에 연결되는 수직형 유체 이송관, 및 상기 수직형 유체 이송관의 일 단부에 연결되어 상기 수직형 유체 이송관에 의해 분리된 물과 오일을 상기 드럼의 내부 공간에 분리된 층으로 존재하는 물 저장층과 오일 저장층에 각각 배출하는 벤딩형 유체 이송관으로 구성된 이송관 유닛을 포함하는 삼상 분리기가 제공된다.

상기 수평형 유체 이송관에서 배출된 유체가 상기 수직형 유체 이송관의 내측 벽면을 따라 회전하면서 하방향으로 이송되도록 상기 수평형 유체 이송관과 상기 수직형 유체 이송관은 상호 연결될 수 있다.

상기 벤딩형 유체 이송관의 내측 공간은 내측의 오일 이송 영역과 외측의 물 이송 영역으로 구획되도록 하기 위해, 상기 오일 이송 영역이 삽관된 형상으로 설치될 수 있다.

상기 오일 이송 영역과 상기 물 이송 영역에는 유체의 회전 모멘텀을 직진 모멘텀으로 전환시키기 위해 복수의 베인(vane)이 장착될 수 있다.

상기 오일 이송 영역의 단부는 이송된 오일을 오일 저장층에 배출하기 위해 오일 이송관에 연결될 수 있다.

상기 물 이송 영역 및 상기 오일 이송관은 각각 이송하는 물 및 오일이 각각 대응되는 물 저장층 및 오일 저장층에서 수평 방향으로 배출되도록 하는 단부 구조를 가질 수 있다.

상기 수평형 유체 이송관은 사선(射線)의 기울기를 가지도록 설치될 수 있다.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 3상 분리기에 유입되는 유체가 수직형 유체 이송관을 통해 유입되도록 함으로써 유체로부터 가스 성분의 효과적 분리가 가능하고, 수직형 유체 이송관의 내측 벽면을 따라 회전하는 회전력에 의해 분리되는 물과 오일이 각각 별도의 관을 통해 분리 배출될 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 따른 삼상 분리기의 구성을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼상 분리기의 구성을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유동 전환기의 구성을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 삼상 분리기의 구성을 나타낸 도면.

본 발명은 다양한 변경을 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 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 명세서에 기재된 "…부", "…유닛", "…모듈", "…기" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼상 분리기의 구성을 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유동 전환기의 구성을 나타낸 도면이며, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 삼상 분리기의 구성을 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 삼상 분리기는 드럼(100), 이송관 유닛, 위어(wier) 패널(110), 물 배출관(115), 오일 배출관(125) 및 가스 배출관(135)을 포함할 수 있다.

이송관 유닛은 수평형 유체 이송관(205), 수직형 유체 이송관(210) 및 벤딩형(vending-type) 유체 이송관(220)을 포함할 수 있으며, 도시된 바와 같이 드럼(100) 내에서 물, 오일 및 가스로 분리되기 위한 유체는 수평형 유체 이송관(205), 수직형 유체 이송관(210) 및 벤딩형 유체 이송관(220)을 순차적으로 거쳐 드럼(100) 내부로 유입된다.

수평형 유체 이송관(205)에서 배출되는 유체가 수직형 유체 이송관(210)의 내측 벽면을 따라 회전하면서 하방향으로 이동되도록 하기 위해, 수평형 유체 이송관(205)의 일 단부는 수직형 유체 이송관(210)의 상부 영역 중 일측에 형성된 홀에 연결되도록 설치된다.

수평형 유체 이송관(205)은 완전한 수평 형태로 설치될 수도 있으나, 수직형 유체 이송관(210)으로 유입되는 유체의 속도와 압력을 보다 증가시키기 위해 소정 각도의 기울기를 가지도록 설치될 수도 있다.

수평형 유체 이송관(205)의 배출 압력에 따른 배출 속도로 수직형 유체 이송관(210)에 유입된 유체는 수직형 유체 이송관(210)의 내측 벽면을 따라 회전하면서 하방향으로 이송된다.

이때 수직형 유체 이송관(210)의 내측 벽면을 따른 회전 유동에 의한 원심력으로 인해 가장 밀도가 낮은 가스는 수직형 유체 이송관(210)의 중심부에 모여 수직형 유체 이송관(210)의 상부 개방 공간을 통해 배출되고, 밀도가 큰 물은 수직형 유체 이송관(210)의 내측 벽면 영역(즉, 가장자리 영역이며, 제1 영역이라 칭함)을 따라 회전하게 되며, 물보다 상대적으로 밀도가 작은 오일은 물의 회전 영역보다는 상대적으로 내측 영역(즉, 수직형 유체 이송관(210)의 수직 중심축에 가까운 영역이며, 제2 영역이라 칭함)에서 회전하면서 하방향으로 이동하게 된다. 수직형 유체 이송관(210)의 상부 개방 공간을 통해 배출된 가스는 가스 배출관(135)을 통해 외부로 배출된다.

수직형 유체 이송관(210)의 하측 단부는 벤딩형 유체 이송관(220)의 상측 단부에 연결된다. 벤딩형 유체 이송관(220)의 내측 공간에는 삽관(揷管)된 형상으로 오일 이송 영역(255)이 형성되고, 오일 이송 영역(255)을 제외한 벤딩형 유체 이송관(220)의 내측 영역은 물 이송 영역(250)으로 이용된다.

즉, 벤딩형 유체 이송관(220)의 내부 공간은 수직형 유체 이송관(210)의 내측 벽면쪽인 제1 영역에서 회전 하방향 이송되는 물을 배출하기 위해 제1 영역에 대응되도록 형성되는 물 이송 영역(250)과 물 이송 영역(250)의 내측에 형성되어 제2 영역에서 회전 하방향 이송되는 오일을 배출하기 위한 오일 이송 영역(252)으로 구획된다(도 3 참조).

물 이송 영역(250)과 물 이송 영역(250)의 내측에 삽관된 형상으로 형성되는 오일 이송 영역(252)의 직경은 수평형 유체 이송관(205)의 유체 배출 압력에 상응하도록 수직형 유체 이송관(210)의 내부 공간에서 오일과 물이 각각 분리되어 회전하는 제1 영역과 제2 영역의 폭에 각각 대응되도록 결정될 수 있음은 당연하다.

물 이송 영역(250)과 오일 이송 영역(252)은 각각의 공간을 통해 이송될 물과 오일을 드럼(100) 내부에서 밀도에 의해 이미 분리되어 형성된 물 저장층과 오일 저장층에 각각 대응되어 배출하기 위해 상이한 길이를 가지도록 형성될 수 있다. 즉, 도시된 바와 같이 벤딩형 유체 이송관(220)의 단부가 물 저장층에 위치하는 경우, 상대적으로 높은 위치에 존재하는 오일 저장층에 오일 이송 영역(252)을 통해 이송되는 오일이 배출되도록 하기 위해 오일 이송 영역(252)의 단부는 오일 이송관(255)에 연결되어 연장될 수 있다.

또한 물 이송 영역(250)과 오일 이송 영역(252)이 형성된 벤딩형 유체 이송관(220)의 단부 영역은 라운드된 밴드 영역으로 형성됨으로써 물 이송 영역(250)을 통해 이송된 물이 물 저장층에서 수평 방향으로 배출되도록 할 수 있다.

마찬가지로, 오일 이송 영역(252)을 연장하는 오일 이송관(255)은 그 단부가 이송된 오일을 오일 저장층에서 수평 방향으로 배출하도록 형성될 수 있다. 이를 위해 오일 이송관(255)의 단부는 지지대(도시되지 않음)에 의해 지지될 수도 있을 것이다.

오일 이송관(255)의 단부는 도 2에 도시된 바와 같이 지지대 등에 의해 수평 방향을 유지하도록 설치될 수도 있으나, 다른 예로서 도 4에 도시된 바와 같이, 오일 이송관(255)의 단부에 엔드 캡(410)이 장착되고, 오일 이송관(255)의 단부 영역에 측벽을 따라 복수의 홀(hole)(420)이 형성됨으로써 엔드 캡(410)을 충격하여 직진 방향의 힘이 감소된 오일이 측벽에 형성된 홀(420)을 통해 오일 저장층에 배출되도록 할 수도 있다.

도 2와 도 4에서는 물과 오일이 위어 패널(110) 방향으로 배출되는 것처럼 도시되었으나, 이는 물 이송 영역(250) 및 오일 이송관(255)의 단부에서 물과 오일이 수평 방향으로 배출됨을 명확히 설명하기 위한 것으로서 물과 오일의 배출 방향이 이에 제한되지 않음은 당연하다.

일 예로, 각 저장층으로 배출된 오일과 물의 분리 길이(즉, 물과 오일의 배출 지점과 위어 패널(110)간의 간격)가 길수록 밀도차에 의해 효과적으로 물과 오일이 분리될 수 있다면 위어 패널(110)의 반대 방향으로 물과 오일이 배출되도록 물 이송 영역(250) 및 오일 이송관(255)의 단부가 지향될 수도 있으며, 또는 위어 패널(110)에서 최대한 먼 지점에 물과 오일의 배출을 위한 물 이송 영역(250) 및 오일 배출관(255)의 단부가 위치될 수도 있을 것이다.

또한 전술한 바와 같이, 오일 이송관(255) 및 물 이송 영역(250)의 단부가 이송한 오일과 물을 각 저장층에서 수평 방향으로 배출하도록 형성됨으로써 물과 오일의 배출 유동에 의해 오일 저장층의 오일과 물 저장층의 물이 서로 다시 혼합됨을 방지할 수 있는 장점도 있다.

또한 도 2 및 3에 도시된 바와 같이, 벤딩형 유체 이송관(220)의 단부에는 유동 전환기(230)가 장착될 수 있다.

유동 전환기(230)는 수직형 유체 이송관(210)의 내측 벽면을 따른 회전 이송에 의한 회전 모멘텀을 직진 방향의 모멘텀으로 변경하기 위한 것으로, 복수의 베인(vane)(310)이 유동 전환기(230)의 길이 방향으로 각각 설치된다.

즉, 회전 모멘텀을 가지는 물이나 오일이 유동 전환기(230)로 유입될 때 베인(310)에 의해 회전 모멘텀이 베인(310)이 형성하는 선 방향의 직진 모멘텀으로 전환되어 각 저장층에 배출된다.

이와 같이, 본 실시예에 따른 삼상 분리기는 수직형 유체 이송관(210)의 유체 이송시 발생되는 원심력을 이용하여 효과적으로 가스 분리를 실시할 수 있을 뿐 아니라, 원심력에 의해 분리된 물과 오일을 각각 분리된 물 저장층과 오일 저장층에 개별 배출함으로써 물과 오일 분리를 가속화하는 특징이 있다.

또한 수직형 유체 이송관(210)에서 분리된 물과 오일을 각 저장층에 개별 배출함에 있어 회전 모멘텀을 감소시키는 유동 전환기(230)를 통과하도록 하고 또한 물과 오일을 각 저장층에서 수평 방향으로 배출함으로써 타 저장층과의 혼합이 방지되거나 최소화되도록 하는 특징도 있다.

상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100 : 드럼 105 : 유체 이송관
107 : 충격판 110 : 위어 패널
115 : 물 배출관 125 : 오일 배출관
135 : 가스 배출관 205 : 수평형 유체 이송관
210 : 수직형 유체 이송관 220 : 벤딩형 유체 이송관
230 : 유동 전환기 250 : 물 이송 영역
255 : 오일 이송관 410 : 엔드 캡
420 : 홀

Claims (7)

1. 드럼(drum);
   외부로부터 공급되는 유체를 상기 드럼 내부로 유입하기 위해 상기 드럼의 일측을 관통하여 형성된 수평형 유체 이송관,
   상기 수평형 유체 이송관의 단부에 연결되는 수직형 유체 이송관, 및
   상기 수직형 유체 이송관의 일 단부에 연결되어 상기 수직형 유체 이송관에 의해 분리된 물과 오일을 상기 드럼의 내부 공간에 분리된 층으로 존재하는 물 저장층과 오일 저장층에 각각 배출하는 벤딩형 유체 이송관을 포함하는 이송관 유닛을 포함하는 삼상 분리기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 수평형 유체 이송관에서 배출된 유체가 상기 수직형 유체 이송관의 내측 벽면을 따라 회전하면서 하방향으로 이송되도록 상기 수평형 유체 이송관과 상기 수직형 유체 이송관은 상호 연결되는, 삼상 분리기.
3. 제2항에 있어서,
   상기 벤딩형 유체 이송관의 내측 공간은 내측의 오일 이송 영역과 외측의 물 이송 영역으로 구획되도록 하기 위해, 상기 오일 이송 영역이 삽관된 형상으로 설치되는, 삼상 분리기.
4. 제3항에 있어서,
   상기 오일 이송 영역과 상기 물 이송 영역에는 유체의 회전 모멘텀을 직진 모멘텀으로 전환시키기 위해 복수의 베인(vane)이 장착되는, 삼상 분리기.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
   상기 오일 이송 영역의 단부는 이송된 오일을 오일 저장층에 배출하기 위해 오일 이송관에 연결되는, 삼상 분리기.
6. 제5항에 있어서,
   상기 물 이송 영역 및 상기 오일 이송관은 각각 이송하는 물 및 오일이 각각 대응되는 물 저장층 및 오일 저장층에서 수평 방향으로 배출되도록 하는 단부 구조를 가지는, 삼상 분리기.
7. 제1항에 있어서,
   상기 수평형 유체 이송관은 사선(射線)의 기울기를 가지도록 설치되는, 삼상 분리기.

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