NO155479B - Syklonseparator, saerlig for separasjon av en lett fase fra et stoerre volum av en tyngre fase. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en syklonsepara-

tor av den art som er angitt i krav 1's . inaress. En slik separator kan finne anvendelse for å fjerne en lettere fase fra et større volum av en tyngre fase, såsom olje fra vann med en minimal forurensning av den mere voluminøse fase. De fleste konvensjonelle syklonseparatorer er konstru-

ert for det motsatte formål, dvs. å fjerne en tyngre fase fra et større volum av en lettere fase med en minimal forurensning av den mindre voluminøse fase.

Syklonen ifølge foreliggende oppfinnelse er definert på

følgende måte. Syklonseparatoren omfatter en generelt sylindrisk første del med et antall av i det vesentlige identiske og i det vesentlige langs omkretsen likt adskilte og tangensielt rettede innløpsåpninger (eller grupper av åpninger),

og tilstøtende den første del og i det vesentlige koaksial med denne en generelt sylindrisk/avskrånende andre del som er åpen i den fjernest liggende ende. Den første del har et aksielt overstrømsutløp motsatt den andre del (dvs. i dens endevegg). Den andre del omfatter en strømningsglatt av-skråning som konvergerer mot dens fjernest liggende ende hvor den munner ut i en i det vesentlige generelt sylindrisk tredje del koaksial med den andre. Den indre diameter av det aksielle utløp er dg, for den første del d-^ og den indre diameter for den konvergerende ende av avskråningen som ut-

gjør den andre del er d2/ for den konvergerte ende av den avskrånende del er d^, og for den tredje del er den indre diameter også d^. Den indre lengde av den første del er 1^

og for den andre del l"^- Det totale tverrsnittsareal for alle innmatningsåpninger målt ved innløpet normalt på til-førselsstrømmen er A- Separatorens form er bestemt av de følgende forhold:

Halvvinkelen for konvergensen av denavskrånende del

er 20' - 1°.

Separatoren er særpreget ved at d.Q/d2 < 0,1. Konen er fortrinnsvis en avkortet kjegle. Eventuelt er halvvinkelen slik at halvvinkelen (konisiteten) = arctan ( (d2 - d^)/^^, dvs. at ved en slik vinkel vil konen oppta hele lengden av den andre del.

Fortrinnsvis ligger d^/ d^ i området 0,4 - 0,7. Fortrinnsvis når den indre lengde av den tredje del er 1^, er forholdet l-j/d^ minst 15 og kan være så stort som ønsket, fortrinnsvis minst 40. Forholdet l-^/d^ kan ligger i området 0,5 - 5, fortrinnsvis i området 1-4. Forholdet d-^/ d^ kan ligge i området 1,5 - 3.

For maksimal skilleevne for spesielt fortynnede lette faser var det antatt at det var nødvendig å fjerne gjennom det aksielle overstrømsutløp ikke bare den lettere fase men også et visst volum av strømmen nær veggen som beveger seg radielt innover mot aksen,(hvor under drift den lettere fase har en tendens til å samle seg mot dens vei til det aksielle over-strømsutløp) .

Følgelig ble det foreslått å anordne inne i det aksielle overstrømsutløp et ytterligere konsentrisk utløpsrør med ønsket smalhet og således tilveiebringe et tredje utløp fra syklonseparatoren hvori den lette fase ble konsentrert. Selv om denne konstruksjonen virker fullstendig tilfredsstillende er den komplisert som følge av at den har tre utløp og det er overraskende funnet at når det kun anvendes bare et lite aksielt overstrømsutløp vil strømmen nær veggen ha en tendens til å skille seg fra endeveggen før den når dette utløp og resirkuleres (og blir "omsortert") inne i syklonseparatoren, hvilket fører til en betydelig forenkling. Ytterligere vil andelen av fint faststoff i overstrømsutløpet synke som følge av de fordelaktige forandringer i strømningsmønsteret.

(Slike faststoffer er fortrinnsvis ikke tilstede i dette ut-løp) -

Fortrinnsvis er forholdet dQ/d2 minst 0,008, mere foretrukket 0,01 - 0,08 og mest foretrukket 0,02 - 0,06. Tilførsels-åpningene er fordelaktig adskilt i aksiell retning fra det aksielle overstrømsutløp. Trykkfallet i det aksielle over-strømsutløp bør ikke være for stort hvorfor lengden av "d " delen av det aksielle overstrømsutløp bør holdes kort. Utløpet kan utvide seg konisk eller trinnvis. En strømnings-glattende kon kan plasseres mellom den første del og den andre del, fortrinnsvis med en indre overflate i form av en avkortet kjegle hvis ende med den største diameter har en diameter lik d^ og hvis mindre diameter har en diameter lik d2 og hvis konisitet (halvvinkel) fortrinnsvis er minst 10°. Av plasshensyn kan det være ønskelig å avbøye den tredje del noe og et krumningsradium av størrelsesorden 50 d^ er mulig.

Den aktuelle størrelsesorden for d2 er gjenstand for valg avhengig av drifts- og produksjonsmåte og kan eksempelvis være av størrelsesorden 10 - 100 mm.

Ytterligere suksessivt smalere fjerde, femte etc. deler kan tilføyes men trolig vil dette føre til større energiforbruk som vil oppveie fordelene ved en ytterligere separasjons-effektivitet.

Oppfinnelsen omfatter også en anvendelse; av syklonen for å fjerne en lettere fase fra et større volum av en tyngre fase og omfatter å tilføre fasene til innmatningsåpningene i en syklonseparator som ovenfor angitt, og hvor fasene holdes ved et høyere trykk enn den i det aksiale overstrømsutløp i den fjerne enden av den tredje del. Trykkfallet ved enden av den tredje del (rene strøm) er typisk kun halvparten av det for det aksielle overstrømsutløp (dispersjonanriket strøm)

og foreliggende fremgangsmåte omfatter dette trekk.

Foreliggende anvendelse er spesielt påtenkt for å fjerne

olje (lettere fase) fra vann (tyngre fase), såsom oljeproduk-sjonsvann eller sjøvann som kan være forurenset med olje som følge av lekkasje, skipsforlis, boreriggutblåsning eller rutineoperasjoner såsom ved tankrensning eller ved oljerigg-boring.

Tilførselshastigheten (i m 3/s) for fasene til syklonseparatoren overstiger fortrinnsvis 6,8d2 2' 8 hvor d2 er i meter. Anvendelsen omfatter ytterligere som et fortrinn elimi-nering av gass fra fasene slik at i tilførselsmaterialet er volum av enhver gass ikke mere enn 0,5%.

I det tilfellet hvor gassinnholdet ikke er for stort kan gassen i seg selv behandles som den lettere fase som skal fjernes ved hjelp av syklonen.

Da væsker normalt blir mindre viskøse i oppvarmet tilstand, er eksempelvis viskositeten for vann 50°C halvparten av den for ved 20°C, hvorfor syklonen fortrinnsvis anvendes

ved en så høy temperatur som mulig.

Oppfinnelsen skal beskrives under henvisning til den vedlagte tegning som skjematisk viser en syklonse<p>arator i henhold til oppfinnelsen. Tegningen er ikke vist i riktig skala.

En generell sylindrisk første del 1 har to identiske langs omkretsen likt adskilte grupper av tilførselsanordninger 8 (som begge er rettet i den samme tangensielle retning i den første del 1) og som er noe forskjøvet i aksiell retning fra veggen 11 som utgjør "venstresiden" i tegningen og forutsatt at de tilveiebringer en aksesymmetrisk strøm er deres plas-sering og konfigurasjon ikke kritisk. Koaksial med den første del 1 og tilstøtende denne er anordnet en generelt sylindrisk andre del 2 som i sin borteste ende munner ut i en koaksial, generelt sylindrisk tredje del 3. Den tredje del 3 munner ut i en oppsamlingskanal 4.

Tilførselsanordningene kan være anordnet i en vinkel mot den andre del 2 for å gi en aksial hastighetskomponent, eksempelvis avvike 5° fra normalen til aksen.

Den første del 1 har et aksielt anordnet overstrømsutløp 10 motstående til den andre del 2.

I den viste syklonseparator er de aktuelle forhold som følger: d1/d2 = 2. Dette er et kompromis ut fra energisparehensyn og plassbesparelseshensyn, som hver ville føre til forhold på henholdsvis ca. 3 og ca. 1,5.

Konhalvvinkelsen = 40' (T2 i figuren).

d3/d2 =0,5.

1-^/d^ = 1,0. Verdier i området 0,5 - 4 vil også virke tilfredsstillende .

l-L/d2 er ca. ,22. Den andre del 2 bør ikke være for lang.

I tegningen er en del av den andre del 2 vist sylindrisk mens den for den aktuelle syklon er avskrånende eller konisk over hele lengden.

1-j/d.j = 40. Dette forhold bør være så stort som mulig.

d o /d2~ = 0,04. Hvis dette forhold er for stort for tilfredsstillende drift vil for meget av den tyngre fase strømme ut med en lettere fase gjennom det aksielle overstrømsutløp 10, hvilket er uønsket.

Hvis forholdet er for lite kan mindre bestanddeler (såsom klumper av fett eller luftbobler frigjort fra oppløsningen av det nedsatte trykk i virvelen) blokkere utstrømnings-utløpet 10 og følgelig forårsake at deler av den lette fase føres ut i "den gale" ande ved oppsamlingsutløpet 4. Med disse eksempelvis angitte dimensjoner vil ca. 1 volum-%

(kan gå ned til 0,4 volum-) av det behandlede materialet i syklonseparatoren strømme ut gjennom det aksiale utløpet 10 (sykloner med dQ/d2 på 0,02 og 0,06 er også undersøkt med hell) .

2

4A^/i7'd^ = 1/16. Dette uttrykker forholdet mellom tverrsnittsarealet av innmatningsåpningene til tverrsnittsarealet for den første del.

d2 = 58 mm. Dette er betraktet som "syklonens diameter" og kan for mange forhold ligge i området 10 - 100 mm, eksempelvis 15 - 60 mm. Med for stor d2 vil det være nødvendig med et høyere energibehov for å bibeholde en effektiv separasjon, mens for en for liten d2 vil det oppstå uheldige Reynolds Tall effekter og store skjærpåkjenninger vil oppstå.

Sykloner med d2 = 30 mm har vist seg meget nyttige.

Uten noen påviselig virkning kan syklonseparatoren innta en hvilken som helst orientering.

Veggen 11 er glatt fordi uregelmessigheter vil forstyrre

de ønskede strømningsmønstere inne i syklonen.For best virk-ningsgrad bør alle de indre overflater at syklonen også være glatte. Imidlertid kan det i veggen 11 være anordnet en utstikkende sirkulær kant anordnet konsentrisk med utløpet 10 for å bevirke at strømmen som beveger seg radielt innover nær veggen og den ytre "grense" av virvelen vil resirkulere i en generell nedstrømsretning eller for omsortering. Ut-løpet 10 er en sylindrisk utboring slik som vist. Når denne erstattes med en hullplate som ligger i flukt med veggen 11 og inneholder et sentralt hull med diameteren dQ som fører direkte ut i en relativt stor utboring vil tilsynelatende forskjell i strømningsegenskaper ha en noe nedsettende men ikke alvorlig innvirkning på ytelsen. Utløpet 10 kan fordelaktig være divergerende i utstrømningsretningen, idet utløps-åpningen i veggen 11 har en diameter dQ og hvor utløpet ut-vider seg med en koningshalvvinkel på opptil 10°. På denne måte vil det oppstå et mindre trykktap langs utløpet, som må avveies mot tendensen for den viste sylindriske utboring (konhalvvinkel på 0) til å fremme koalisering av smådråper i den lettere fase, avhengig av brukerens behov.

Eksempelvis for å separere olje fra vann så innføres olje/ vannblandingen ved 50OC gjennom innløpsåpningene 8 med et trykk som overstiger det i kanalen 4 eller i det aksielle utstrømningsutløp 10 og fortrinnsvis i en mengde på minst 160 l/min., idet eventuell gass i innløpet er begrenset til 0,5 volum-%. For den beste drift av separatoren bør størrel-sen, geometrien og ventilene i rørledningene som fører til innmatningene 8 være anordnet slik at det unngås for meget oppbrytning av smådråper (eller bobler), i den lette fase.

Av den samme grunn '(for å unngå oppbrytning av dråper) er det under henvisning til systemet olje og vann foretrukket at det ikke er tilsatt noe dispergeringsmiddel. Innmatnings-hastigheten (for den beste ytelse) innstilles på et slikt nivå at (innmatningshastighet/d2 9' 8) >enn 6,8 med en innmat-ningshastighet i m 3 /s og d2 ang&it<t> i meter. Blandingen strømmer i spiral i den første del 1 og vinkelhastigheten øker når den føres inn i den andre del 2. En strømnings-glattende konus T-^ med en vinkel i forhold til aksen på 10°

er anordnet mellom den første og den andre del. Med andre ord 10° er konisiteten (halvvinkelenl for den avkortede kjegle betegnet med T-^.

Hovedandelen av oljen fraskilles i en aksiell virvel i den andre del 2. Den spiralformede strøm av vann samt gjenværende olje vil deretter føres inn i den tredje del 3. Den gjenværende olje separeres i en fortsettelse av den aksielle spiral i den tredje del 3. Det rensede vann utgår til opp-samlingskanalen 4 og kan oppsamles og returneres eksempelvis til sjøen eller for ytterligere rensning i eksempelvis en tilsvarende eller identisk syklon eller et antall paralell-koblede sykloner.

Oljen som medbringes i virvelen beveger seg i aksiell retning til det aksielle utstrømningsutløp 10 og kan oppsamles for kasting, lagring eller ytterligere separasjon da den fremdeles vil inneholde noe vann. Også i dette tilfellet kan den ytterligere separasjon innebefatte en andre tilsvarende eller identisk syklon. Det er spesielt fordelaktig i henhold til oppfinnelsen med det lille aksielle utstrømningsutløp 10

i det tilfellet man operer med en serie syklonseparatorer, eksempelvis hvor den "tunge fase" fra den første syklon behandles i en andre syklon fra hvilken den "tyngre fase" vi-derebehandles i en tredje syklon. Volumet av den "lette fase" nedsettes i hvert trinn og følgelig også den andre fase som uønsket føres over med den "lette fase" gjennom det aksielle overstrømningsutløp 10. Dette er en viktig fordel eksempelvis for en båt som anvendes for å rense et oljesøl og som kun har begrenset plass ombord for oljebehold-ere, selv om det er gitt høy prioritet for tilbakeføring av omhyggelig avoljet sjøvann kan båtens virketid utnyttes maksimalt hvis oljebeholderene anvendes kun for å inneholde olje og ikke belemres med tilstedeværelse av sjøvann.

Claims (2)

1. Syklonseparator, særlig for separasjon av en lett fase fra et større volum av en tyngere fase, hvilken syklonseparator omfatter en generelt sylindrisk første del (1) med et antall i det vesentlige identiske og langs omkretsen i det vesentlige adskilte tangensielt rettede innmatningsåpninger (8) eller grupper av innmatningsåpninger, og tilstøtende den første del og i det vesentlige koaksialt med denne en konisk eller eventuelt partielt sylindrisk andre del åpen i dens borteste ende, den første del har et aksielt utstrømningsutløp (10) motstående den andre del og hvor den andre del omfatter en strømnings-glattende konisk konvergering mot dens bortre ende hvor den munner ut i en i det vesentlige koaksialt anordnet generelt sylindrisk tredje del, og hvor den indre diameter av det aksielle overstrømsutløp er dQ, for den første del er d-^ for den divergerende ende av konen som inngår i den første del er d2,for den konvergente enden er d-^og for den tredje del er diameteren også d^, den indre lengde for den første del er 1^ og for den andre del 12, det totale tverrsnittsareal for alle innmatningsåpninger målt ved innløpspunktet normalt til tilførselsstrømmen er A^, og hvor separatorens form er bestemt av de følgende forhold:- at halvvinkelen for konens T2 konisitet er 20' - 1° karakterisert ved at dD/d2< 0,1.

2. Anvendelse av syklonseparatoren ifølge krav 1 for separasjon av en lettere fase fra et større volum av en tyngre fase.