NO126494B - - Google Patents

Description

Innretning til kjøling av gass.

Den foreliggende oppfinnelse angår innretninger til kjoling av gass, hvor en fra en dyse uttredende stråle av naturgass eller annen trykkgass oppfanges i et eller flere ror hvis innlop ligger overfor dysen, og hvor den således oppfangede gass danner sete for pulsasjoner og takket være trykkbolgefenomener blir bragt på en temperatur hoyere enn den opprinnelige stråles.

Oppfinnelsen består i forste rekke i at der er anordnet et gap mellom dysen og roret, og at petroleum eller annen nyttegass uttas fra gapet via en grenledning i ekspandert tilstand i forhold til den opprin*. nelige stråle og med lavere temperatur enn dennes.

Fortrinnsvis blir roret (eller rorene) for den varme pulserende gass på kjent måte plasert omtrent i forlengelsen av gassutlopsdysen,

og ifoJge en utforelsesform av oppfinnelsen har dette ror da en ende

med. innstillbar strupning beliggende motsatt innlopsenden.

Innretningen kan som i og for seg kjent omfatte en flerhet av "varme" ror som strekker seg ved siden av hverandre fra et kammer hvor dysen avgir en gasstråle som avboyes skiftevis mot innlopene til rorene for å frembringe trykkfenomener i disse, .hvorunder kammeret danner sete for en ekspansjon og avkjoling av gassen. En hensiktsmessig utforelsesform av oppfinnelsen i den forbindelse går ut på at de nevnte ror har inntakskanaler som stråler vifteformig ut fra kammeret slik at to av dem har maksimal vinkelavstand, mens de ovrige inntar mellomliggende, innbyrdes vinkelforskjovne stillinger, at innlopene som danner inntaks-rorenes inntaksender, ligger tett sammen og fordelt i bue i det felles plan, at innlopene er adskilt ved skarpe kanter, og at strålen svinges frem og tilbake i det nevnte plan mellom to ytterstillinger svarende til de to inntakskanaler, så strålen sveiper over innloperie etter tur. Det viser seg at man ved en slik utforelsesform oppnår en betydelig bedre kjolevirkning for gassen enn om man bare anvender to ror som grener seg gaffelformig fra hverandre.

Ved en utforelsesform som den sistnevnte er det hensiktsmessig at utlopsdysen og de oppfangende innlop har form av slisser eller rektangler som strekker seg loddrett på stålens sveipeplan, resp. at opp-fangningsrorene har et inntaksavsnitt med rektangulært tverrsnitt som strekker seg loddrett på strålens sveipeplan.

Den svingende avboyning av strålen kan bevirkes av en aerodynamisk vippeanordning, eventuelt utstyrt med styrekretser.

Blant mulige kjoletekniske anvendelser av den nye innretning kan nevnes klimatisering av kjoretoyer og fartoyer og kondensasjon av gass. Imidlertid synes den mest interessante anvendelse å bestå i fjernelse av petroleum eller separasjon av kondenserbare produkter i naturlig gass.

Det er kjent at en betydelig andel av disse produkter blir sendt til avbrenning som rent tap i mangel av okonomiske anvendelige midler til gjenvinning. Den foreliggende oppfinnelse byr på et slikt middel, som dessuten har fordelen av en enkel og robust utforelse som praktisk talt ikke behover vedlikehold, og som ikke behover annen energi for sin drift enn den iboende energi i naturgassen.

Til dette formål kan man benytte seg av en innretning hvor dysen mates kontinuerlig med trykkgass fra en tilforsels-ledning som selv er "tilsluttet en permanent trykkgasskilde,

idet man som trykkgasekilde benytter en kilde, for naturlig gass eller annen trykkgass inneholdende petroleum eller kon-

denserbare produkter og slutter en oppsamlingsanordning for petroleum eller kondenserte produkter til innretningens grenledning.

Oppfinnelsen er anskueliggjort på tegningen.

Fig. 1 er et skjematisk riss delvi s i snitt og viser hovedele-mentene av innretningen ifolge oppfinnelsen. Fig. 2, 3 og 4-viser hver sin utforelsesvarieant av en kon-struksjonsdetalj ved innretningen. 1 Fig. 5 viser skjematisk snitt av en utfSrelsesvariant hvor der anvendes en styring med aerodynamisk vippe. Fig. 6 viser et tilsvarende snitt for en annen utforelsesform.

Fig. 7 viser tverrsnitt etter linjen X-X på fig. 6.

Fig. 8 viser skjematisk en perfeksjonert ekspansjons- og avkjolingsinnretning i henhold til oppfinnelsen i snitt etter linjen XI-XI på fig. 9.

Fig. g viser.snitt etter linjen XTI-XII på fig. 8.

Fig. 10 viser kammeret i snitt i samme plan som fig. 8 og i storre målestokk. Fig. 11, 12 og 13 viser skjematisk hver sin utforelsesform for oppfinnelsen anvendt for fjernelse av petroleum. Fig. 14 er et prinsippskjerna for petroleum-fjernelsesanlegg inneholdende innretningen på fig. 8 og 9.

Innretningen på fig. 1 omfatter en trykkgasskilde 1, som er antydet i form av et reservoir, men som kan ha hvilken som helst annen form, f.eks. være en kompressor. En kontinuerlig gass-strom kommer ut av trykkgasskilden via en regulerbar ekspansjonsventil 2 og blir med en dreiesleide 3 eller et annet egnet organ omdannet til en pulserende strom som gjennomflyter en dyse 4, som ved enden 5 munner ut i et kammer 6 rett overfor inngangsåpningen 8 til et mottagende ror 7, som ender i en regulerbar membranventil 9. Fra kammeret 6 er der avgrenet en eller flere uttaksledninger 10. Det vil bemerkes at det forholdsvis lange mottagende ror 7 er hovedsakelig koaksialt med dysen i det minste ved sin inngangsende og har storre diameter enn dysen for med minimalt tap å kunne oppfange den pulserende stromning som kommer ut av dysen 4 og passerer kontinuitetsgapet mellom 5 og 8.

Under virknineen av bolgekarakteren av de suksessive stot av den pulserende gass som blåses inn i mottagningsroret 7, idet hvert stot virker som et gassformet stempel som drives inn i roret og undergår en dempning på sin vei langs dette, inntrer der en oppvarmning med tilsvarende temperaturstigning som gjor det berettiget å betegne roret J som "varmt". På den annen side vil det ledningssystem som avgrenes ved gapet 5, 8 °S utgjores av kammeret 6 og uttaksledningen 10, gi opphav til en ekspansjon med tilsvarende temperatursynkning, og dette system betegnes derfor som "koldt". Disse uttrykk benyttes selvsagt i relativ forstand, nemlig i forhold til den gass som blåses inn ved 4.

I det ekstreme tilfelle at ventilen 9 ©r fullstendig lukket, skjer der ingen avgang gjennom det mottagende ror 7, °§ dette oppforer seg da rett og slett som en varmeutvikler, mens hele avgangen skjer gjennom avgreningssystemet 6-10 med et utpreget temperaturfall i forhold til den innblåste strom ved 4.

Erfaringen viser at man ved å åpne ventilen 9 oppnår en mere betydelig grad av avkjolihg i kammeret 6, selvsagt på bekostning av den "kolde" avgang, som blir minsket i forhold til den opprinnelige strdm-ning med den "varme" brbkdel som avgis gjennom ventilen 9.' Ved regu-lering av ventilen 9 er det således mulig å tilmåle temperatursenkningen og avgangen av "kold" strom i motsatte retninger. Det sier seg selv at ventilen 9 ve(l maksimal åpning stadig har et gjennomstromningstverrsnitt som er betraktelig mindre enn tverrsnittet av den mottagende rorledning 7.

I varianten på fig. 2 har mottagningsroret 7 en utvidelse eller et innskutt kammer 11, som etter hva erfaringen viser, oker systemets virkningsgrad.

Man kan redusere omfanget og lengden av innretningen ved å gi

i det minste en del av det mottagende ror 7 form av en kveil som vist ved 12 på fig. 3.

I varianten på fig. 4 har roret 7 i et stykke 13 et tverrsnitt som forst tiltar og så avtar.

På de varmeste deler av de mottagende ror 7 i de beskrevne ut-forelsesformer kan der anbringes (ikke viste) ribber til å fremme varme-utvekslingen med det omgivende miljo.

Fig. 5 viser en utforelsesform som utmerker seg fremfor de foregående ved at dysen grener seg i en gaffel med grener 4a, 4&, og at dreiesleiden er erstattet med en fluidumvippe basert på de naturlige egenskaper hos flu i dum st r omme r som har tilbøyelighet til dels å klistre seg til en konveks vegg (Coanda-effekt) og dels til å skille seg fra denne som folge av dannelsen av grenseskikt med relativt overtrykk. Det skal kort minnes om at en slik vippe i det vesentlige omfatter en rektangulær dyse 14 som akselererer trykkgassen.

Virkemåten av en slik vippe er kjent. Når man til å begynne med sender, den komprimerte gass inn i dysen 14, vil den uttredende flate rektangulære stråle på tilfeldig måte "klistre" seg til den ene eller den annen av skråveggene l6a, l6b, som er plasert i forlengelsen av dysen 14 og begrenser innblåsnings-grenrorene 4a, 4b på yttersiden.. Antar man f.eks. at strålen klistrer til veggen l6a, antar den en over-hastighet langs denne vegg og danner her et undertrykk som oppveier den sentrifugalkraft som skyldes avbøyningen. Da dette undertrykk via åpningen i veggen l6a blir overfort til den motstående åpning i veggen l6b, blir likevekten opphevet, og strålen klistrer seg til veggen l6b o.s.v. slik at strålen vil svinge mellom disse to stillinger. I dyse-grenene 4a, 4b, som ender med' sirkelrundt tverrsnitt og fortsetter skråveggene l6a, l6b, blir der således sluttelig oppfanget to strommer som pulserer med samme frekvens, men er innbyrdes faseforskjovet.

Dysen 4a, 4b forsetter med kontinuitetsavbrudd 19a, 19b i mottagende rørledninger 7a, " Jb, som ender i regulerbare membranventiler 9a, gb og bærer kjoleribber l8a, l8b på passende steder. Rundt gapene lga, 19b - som er inngrenset mellom flenser 24, betegnet "sjokkvegger" fordi de stopper eller reflekterer de sjokkbblger som forplanter seg fra mun-ningen av dysen 4a, 4b - befinner der seg et felles kammer 17 hvorfra der går en uttaksledning 21 for den "kolde" strbmning.

Man kan selvsagt erstatte kammeret 17 med særskilte kammere som

har hver sin uttaksledning.

I utforelsesformen på fig. 6 og 7 foregår omdannelsen av en kontinuerlig strbmning til pulserende strbmning ved hjelp av et bevegelig

mekanisk organ, som i dette tilfelle utgjbres av en roterende fordeler 25 som mottar den kontinuerlige strbm i sin akse og munner ut radialt i en flerhet av dyserbr 4, som er anordnet i stjerneform og etterfølges av hvert sitt mottagningsrbr 7 me<i regulerbar endeventil 9. Gapene 19 mellom sjokkflenser 24 er plasert i et felles sylindrisk "koldt" kammer 17 forsynt med uttaksledning 21.

Avtetning for den ankommendetrykkgass besbrges av en dreietetning 26 mellom de motende ender av et fast rbr 27 og et dermed koaksialt roterende rbr 28, mens det roterende system drives av en kjede 29 over et kjedehjul 30.

Man kan også benytte andre former for roterende fordelere som egner seg til å omdanne en kontinuerlig inngangsstrbmning til en flerhet av pulserende utgangsstrbmninger, f.eks. som beskrevet i forbindelse med fig. 8 og 9 i fransk patentskrift nr. 1.037.906.

Den innretning som er vist på fig. 8-11, omfatter en injektor 31 matet med trykkgass via et rbr 32 og forsynt med en rektangulær dyse 33 med liten bredde e og med hbyde h. Trykkgassen fra dysen danner en stråle med lydhastighet i et kammer 34, som motsatt dysen 33 begrenses av inn-gangsåpninger 35 til et knippe av mottagende rbrledninger 36. Åpningene 35 er likeledes rektangulære med hoyde h og bredde e'. De ligger side om side i en bue symmetrisk om aksen XI' for injektoren 1 og er adskilt ved skarpe egger 37. Rorene 38 i knippet 36 går ut vifteformig og har hvert et parti 38a med. samme rektangulære tverrsnittsform som åpningen 35 og tilsluttet et parti 38b med sirkelrundt tverrsnitt, lukket ved 38c.

To styrekretser 39, 40 plasert på hver sin side av injektoren 31 munner ut i kammeret 34 gjennom hver sin åpning 41 adskilt fra spalten i dysen 33 ved en felles vegg 33a og adskilt fra en utlopsåpning 42 fra kammeret ved en skillevegg 43 med skarp egg 44. Hver av disse styrekretser omfatter et ror 45 som er forbundet dels med den ene side av åpningen 41 og dels med et kammer 46 og har en innsnevring 47. Fra hver av utgangsåpnin<g>ene 42 går der et rbr 48 som gjor det mulig å ta ut den ekspanderte og avkjblede gass fra kammeret 34.

Når ledningen 32 mates med gass under trykk, vil den stråle som sendes ut i kammeret 34 gjennom dysen 33, svinge med en frekvens påtrykt ved hjelp av styrekretsen 39} 40, mellom to grensestillinger som er antydet skjematisk ved 49 og 50 på fig. 13. Under denne svingende bevegelse bestryker strålen inngangsåpningene 35 °g frembringer i rorene 38 stbt-blester som komprimerer og varmer opp den opprinnelig stillestående gass i disse rbr. Samtidig undergår den drivende gass ét temperaturfall.

Den blir så sendt tilbake etter å ha passert ga ss-strå": en i kammeret 34, og tatt ut gjennom utlbpene 47 °g rorene 48. Denne innretning gjbr det mulig å kjole en betydelig brbkdel av avgangen, (f.eks. 90$) like effek-tivt som denne som helhet. Imidlertid blir den temperatursenkning man dermed oppnår, så meget storre enn dem man kan oppnå ved de tidligere

■ beskrevne innretninger, at de ikke kan sammenlignes. Denne overrask-ende effekt synes å henge sammen med strålens svingefrekvens. Særlig har sbkerne fastslått at der for en innretning med gitt utformning og dimensjonering eksisterer en optimal frekvens som gir den stbrste temperatursenkning i den drivende gass under forutsetning av at denne frekvens er stabil.

Frekvensen avhenger i fbrste rekke av innretningens utformning

og dimensjonene av styrekretsene 39 °g 40, særlig lengden av rbrene 45, plaseringen og stbrrelsen av innsnevringen 47 °g volumet av kamrene 46. Imidlertid er der også andre parametre som innvirker på frekvensen og frem for alt på stabiliteten av denne, særlig lengden av stykkene 38a av rbrene 38 og temperaturen av disse. For til en sterk senkning av drivgassenes trykk og temperatur svarer en sterk stigning av temperaturen

i rorene 38, og sokerne har fastslått at den nevnte temperatursenkning blir forsterket og stabiliteten av frekvensen bedret ved at knippet 36

kjoles kraftig, f.eks. ved hjelp av en anordning til sirkulasjon av vann, skjematisk antydet ved 51 med inn- og utlopslednin<g>er henholdsvis 51a og 51b. Er stykkene 38a av rorene 38 for korte, er det ikke mulig å stabi-lisere frekvensen på dens optimale verdi.

,:(Mottagningsanordningens kapasitet, som er bestemt ved antall og volum av rorene 38, bor stå i forhold til avgangen av behandlet gass.

Er kapasiteten for liten, vil den senkende virkning på trykk'og temperatur minke ved store avganger. F.eks. er det med et apparat som er bestemt til å behandle en gass-strom av størrelsesorden 100 g/s og forsynt med en dyse 33 med bredde e=3mm og hoyde h=21,3mm, plasert i en av-stand av 25mm fra mottageråpninger 35 rae(i bredde e'=3,8mm, mulig å oppnå en temperatursenkning i den drivende gass av størrelsesorden 40°C ved en optimal svingefrekvens av omtrent 500 Hz, dersom knippet 36 omfatter 7 ror 38 av 3m lengde og med et stykke 38a 30cm langt.

Rorene 38 anordnes fortrinnsvis i et ulike antall for å fremme ustabilitet av strålen og dermed dempning av svingningene.

Eggene 44 danner sammen med veggen 33a av injektordysen inn-gangen til resonatorer 39, 40. Deres stilling i forhold til injektordysen og til mottageråpningene 35 har bestemmende innvirkning på demp-ningen av strålens svingninger og på ytterstillingene 49, 50. Sokerne har fastslått at en liten forskyvning av disse egger 44 i forhold til den optimale stilling - som er vist på fig. 13, som er tegnet med rik-tige proporsjoner - i betydelig grad minsker temperatursenkningen.

Som allerede nevnt har den foreliggende oppfinnelse mangfoldige anvendelser, og til belysning av dette vil der bli beskrevet en anvendelse som synes særlig interessant når det gjelder fjernelse av petroleum, altså brennbar olje, fra gasser i anlegg til oljeutvinning.

Fig. 11 viser skjematisk et anlegg av denne art. Gassen, som trer ut av borehull under kraftig trykk, blir i sin helhet via ledningen 60 tilfort en eller flere termiske separatorer i henhold til oppfinnelser skjematisk antydet ved S, fortrinnsvis etter å ha passert et apparat 62 til å separere ut de flytende fraksjoner gassen kan inneholde. I den termiske apparatur S er det nok med en partiell ekspansjon, som f.eks. kan bringe trykket ned fra 150 til 120 bar. Ved utgangen fra den termiske apparatur S blir den ved avkjøling kondenserte gass oppsamlet ved 63, mens den andel som forblir i gassform, trer ut ved 64 for å brennes eller utnyttes på annen måte.

Anlegget kan forbedres i samsvar med fig. 12 ved at den avkjolte gass som ved 6l tas ut fra utlopet 64, nyttiggjores til å bevirke en for-kjoling av gassen fra kildene for denne trer inn i den termiske separator S. I dette oyemed blir den avkjolte gass som tas ut ved 6l, ledet gjennom en varmeveksler 65 som også passeres av gassen fra kildene. En forste kondensert fraksjon blir dermed oppsamlet ved 66 foran den termiske separator S. Fig. 13 viser en variant som omfatter flere termiske separatorer S i kaskade, og hvor bare en brokdel av gassen fra kildene passerer de termiske separatorer S, slik at resten av gassen kan uttas ved 64 under et trykk i nærheten av utgangstrykket fra kildene, noe som er gunstig hvis man vil blåse denne gass inn i kildene påny. Bare den fraksjon av gassen som passerer den termiske separator, vil bli ekspandert, f.eks. til atmosfæretrykk. Det temperaturnivå som nås under disse forhold, vil være meget lavere enn ved de foregående losninger. Er den avgang som benyttes til kjoling, forholdsvis liten, f.eks. 10%, vil den kunne be-traktes som tapt. Da ekspansjonsgraden er meget storre, er det hensiktsmessig å anordne flere termiske separatorer i serie. Fig. 14 viser skjematisk et apparat til å fjerne petroleum fra naturgass, omfattende en innretning 122 i likhet med den på fig. 8-10

og med uttaksrorene 48 munnende ut i en tank 123. Naturgassen, som inn-fores i innretningen 122 gjennom roret 32, trer ut avkjolet gjennom rorene 48 slik at en betydelig andel av de flytende produkter den inne-holder, kondenserer og faller ned ved 124 i bunnen av tanken 123, hvor den tappes ut med en ledning 125 utstyrt med en ventil 126 til å holde konstant nivå.

Den ekspanderte gass tas ut fra tanken 134 oventil gjennom et ror 127, utstyrt med en ventil 128 som styres av en manostat 128a, og sendes gjennom en varmeveksler 129, hvor den kjoler gassen som kommer fra kildene gjennom rorene 32a. Denne avkjoling bevirker kondensasjon av en liten andel av brenseloljen i en separator 130. Det kondenserte pro-dukt renner ned i tanken 123 gjennom et ror 131 med tappeventil 132. Varmeveksleren 12g kan kortsluttes med en forbiledning 133 styrt med en ventil 134. Er oljen ved 124 for seig, kan man varme den opp igjen med en kveil 135 som via en rorledning 136 mates med varm gass avgrenet fra roret 32a .

Claims (9)

1. Innretning til kjoling av gass, hvor en fra en dyse (4) uttredende -stråle av naturgass eller annen trykkgass oppfanges i et eller flere ror (7) hvis innlop (8) ligger overfor dysen, og hvor den således oppfangede gass danner sete for pulsasjoner og takket være trykkbolgefenomener blir bragt på en temperatur hoyere enn den opprinnelige stråles, karakterisert ved at der .er anordnet et gap (5-8, 191 34) mellom dysen (4) og roret (7), og at petroleum eller annen nyttegass uttas fra gapet via en grenledning (10, 21, 48) i ekspandert tilstand i forhold til den opprinnelige stråle og med lavere temperatur enn dennes.

2. Innretning som angitt i krav 1, hvor roret (7) for den varmere pulserende gass stort sett ligger i forlengelsen av gassutlopsdysen (4), karakterisert ved at dette ror (7) har en ende (9) med innstillbar strupning beliggende motsatt innlopsenden (8).

3. Innretning som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved en omslutning (6, 17) omkring gapet og de tilgrensende endepartier (5, 8) av dysen (4) og roret (7) for den varmere gass..

4. Innretning som angitt i krav 1, 2, eller 3, karakterisert ved at der på begge sider av gapet er anordnet sjokkplater (24) på de tilgrensende ender av utlopsdysen (4) og oppfangningsroret (7).

5. Innretning som angitt i et av de foregående krav, omfattende en flerhet av "varme" ror (38) som strekker seg ved siden av hverandre fra et kammer (34) hvori dysen (33) avgir en gass-stråle som avboyes skiftevis mot innlopene (35) til rorene for å frembringe trykkfenomener i disse, hvorunder kammeret (34) danner sete for en ekspansjon og avkjoling av gassen, karakterisert ved at de nevnte ror (38) har inntakskanaler (38a) som stråler ut vifteformig fra kammeret (34) slik at to av rorene (38a) har maksimal vinkelavstand og de ovrige inntar innbyrdes vinkelforskjovne mellomstillinger, at innlopene (35) som danner inntakskanalenes (38a) inntaksender, grenser til hverandre og er fordele i bue i et felles plan, a"t disse innlop (35) er adskilt ved skarpe kanter (37), anordnet som et slags gitter med mange staver, og at strålen svinges fr°m og tilbake i det nevnte plan mellom to ytterstillinger (49, 5°) svarende til de to ytterste inntakskanaler {38a) slik at strålen sveiper over innlopene (35) i buen etter tur.

6. Innretning som angitt i krav 5, karakterisert ved at utlopsdysen (33) og de oppfangede innlop (35) har form av slisser eller rektangler som strekker seg loddrett på strålens sveipeplan (49» 50).

7. Innretning som angitt i krav 5 eller 6, karakterisert ved at oppfangningsrbrene (38) har et inntaksavsnitt (38a) med rektangulært tverrsnitt som strekker seg loddrett på strålens sveipeplan (49, 50).

8. Innretning som angitt i krav 5, 6 eller 7, karakterisert ved at oppfangningsrbrene (38) foreligger i et ulike antall.

9. Innretning som angitt i krav 5, karakterisert ved at kammeret (34) på hver side har en åpning (48) plasert ved inngangsåpningen for en styrekrets (39. 40) og adskilt fra denne ved en skarp kant (43).