NO311789B1 - Flerfaseutskiller - Google Patents

Description

Innledning

Denne oppfinnelsen angår en flerfaseutskiller for separasjon av en fluidstrømning som omfatter flere fluidkomponenter, fortrinnsvis for separasjon av hydrokarboner og vann, og anordnet i en tank i forbindelse med anlegg for petroleumsproduksjon. Flerfaseutskilleren omfatter et innløp for fluidstrømningen til en fortrinnsvis horisontal syklon med adskilte utløp for henholdsvis væske og gass til tanken, og hvor innløpet er plassert ved en første ende av syklonen, et utløp for gass er plassert sentralt og aksielt rettet ved en andre, motsatt ende av syklonen, samt at et utløp for væske fra et ytre ringrom i syklonen er plassert ved den andre, motsatte enden av syklonen.

Kient teknikk

Sykloner av konvensjonell type for separasjon av en fluidstrømning i fraksjoner med innbyrdes forskjellige tettheter er gjerne anbrakt i vertikal posisjon. I slike sykloner tas lettere fraksjoner i fluidstrømningen normalt ut på toppen, og tyngre fraksjoner i f luidstrømningen tas normalt ut gjennom bunnen.

Slike sykloner kan også ha horisontal orientering, men likevel tas lettere fraksjoner og tyngre fraksjoner i fluid-strømningen ut på hver sin side av syklonen. EP Al 028.996 er en horisontalt anordnet syklon som er innrettet hovedsakelig til separasjon av fluider og partikler i en suspensjon. En høyspent-elektrode er anordnet i og langs lengdeaksen for å medvirke til partikkel-utskillingen.

US 4,820,414 angir en horisontalt orientert syklon med tangential-innløp og med utløp for lettere fluid og tyngre fluid anbrakt i samme ende. Det primære utløpet for lettere fluider er imidlertid anbrakt i motsatt ende av utløpet for tyngre fluider. Denne syklonen er innrettet hovedsakelig til separasjon av væsker med innbyrdes forskjellige tettheter.

Det finnes på markedet en rekke sykloner som er anordnet i tanker for separasjon av væske og gass. Disse har til formål å separere gass fra væske ved innløpet og redusere fluid-strømningens hastighet, rette væskestrømmen i en ønsket retning eller til et spesifikt utløpspunkt i tanken, samt bryte ned skum. Flere problemer er forbundet med slike sykloner. For det første er konvensjonelle innløpssykloner med gassutløp i topp og væskeutløp i tankens væskevolum følsomme for variasjoner i fluidstrømingens gass/væske-rate. For det andre kan væskeseparasjonen forstyrres kraftig dersom en gassplugg som går gjennom systemet presses ned i tankens væskevolum. For det tredje har konvensjonelle innløpssykloner ofte høye skjærkrefter ved utløpet som kan føre til at svært små dråper og emulsjoner dannes, noe som igjen fordrer lengre tid til å få væskefraksjonene separert.

GB 2.191.424.A viser en horisontal syklon anordnet i en separasjonstank for gravitasjonsseparasjon av fluidblandinger av gasser og væsker. Syklonen er imidlertid av konvensjonell type, hvor gass og væske tas ut i hver sin ende av syklonen.

I likhet med konvensjonelle innløpssykloner er et formål med den foreliggende oppfinnelsen å separere ut gass fra f luidst rømmen ved innløpet til tanken, som kan være en separatortank eller buffertank.

I tillegg har flerfaseutskilleren til formål å eliminere muligheten for at en eventuell gassplugg som ankommer en separator presses ned i tankens residensvolum. Dette oppnås i korthet ved at både gass- og væskeutløp anbringes i den samme enden, over tankens residensvolum.

Et annet formål med den foreliggende oppfinnelsen er at væskens fraksjoner i hovedsak separeres i flerfaseutskilleren og ledes ut hovedsakelig i separate strømmer, med størst mulig grad av laminær strømning for å unngå dråpeoppbrytning og emulsjonsdannelse.

En tilleggsfunksjon har til formål å kunne ta ut en sidestrøm med hovedsakelig vann og partikler fra flerfaseutskilleren, hvor partiklene kan ledes til et oppsamlingskammer i tanken.

Nok et formål med den foreliggende oppfinnelsen er at den som et resultat av de foregående nevnte egenskaper, kan tilveiebringe en høyeffektiv separator som trenger mindre residensvolum og dermed har lavere størrelse og vekt. Dette er foretrukne egenskaper, spesielt for flytende installa-sjoner, havbunnsinstallasjoner og nedihullsinstallasjoner.

Oppfinnelsen kort oppsummert

Den foreliggende oppfinnelsen går kort forklart ut' på en flerfaseutskiller for separasjon av en fluidstrømning som omfatter flere fluidkomponenter, fortrinnsvis for separasjon av hydrokarboner o"g vann, og anordnet i en tank i forbindelse med anlegg for petroleumsproduksjon. Flerfaseutskilleren omfatter et innløp for f luidstrømningen til en fortrinnsvis horisontal syklon med adskilte utløp for henholdsvis væske og gass til tanken, og hvor innløpet er plassert ved en første ende (11) av syklonen, et utløp for gass er plassert sentralt og aksielt rettet ved en andre, motsatt ende av syklonen, samt at et utløp for væske fra et ytre ringrom i syklonen er plassert ved den andre, motsatte enden av syklonen. Det nye og særegne ifølge oppfinnelsen innebærer at et flertall ledeplater er anordnet ved væskeutløpet for i første rekke å redusere strømningsbevegelsene i væsken foran den åpne kanalen, og at væskeutløpet fører til en åpen kanal som kommuniserer med ønsket innstrømningsområde i tanken.

I en foretrukket utførelse av oppfinnelsen har syklonen en innsnevring mellom en første seksjon av syklonen og en andre seksjon av syklonen, hvor den første seksjonen er innrettet til å sette i gang og opprettholde f luidstrømningen i rotasjonsbevegelse, den andre seksjonen er innrettet til å redusere rotasjonshastigheten.

I en annen foretrukket utførelse omfatter flerfaseutskilleren et aksielt orientert innløp, og ledeskovler kan også være anordnet i den første seksjonen av syklonen for å sette f luidstrømningen i rotasjonsbevegelse.

I en ytterligere foretrukket utførelse omfatter syklonen et tangentialt orientert innløp, og innløpet kan også ha sneglehus-lignende form.

I nok en foretrukket utførelse er væskeutløpet fra syklonen innrettet til normalt å være delvis fylt av væske, slik at eventuelt gassoverskudd kan unnvike fritt gjennom utløpet parallellt med væsken.

Figuroversikt

Oppfinnelsen vil bli beskrevet mer detaljert i det følgende, med henvisning til de vedlagte tegningene. Figur 1 viser et vertikalsnitt i aksiell retning av en flerfaseutskiller ifølge oppfinnelsen anordnet i en tank. Figur 2 viser et vertikalsnitt i aksiell retning av en flerfaseutskiller ifølge oppfinnelsen med aksielt innløp og ledeskovler. Figur 3 viser et riss av flerfaseutskilleren ifølge oppfinnelsen med tangentialt innløp ved en første ende av en syklon. Figur 4 viser et riss lignende figur 3, hvor innløpet har

sneglehus-lignende form.

Figur 5 er et vertikalsnitt i aksiell retning som viser strømningsforhold i væskeutløpet ved en andre ende av syklonen. Figur 6 er et utsnitt av den andre enden av syklonen hvor

skilleplater er anordnet ved væskeutløpet.

Figur 7 er et utsnitt av den andre enden av syklonen hvor

ledeplater er anordnet ved væskeutløpet.

Beskrivelse av foretrukne utførelser

Figur 1 viser en flerfaseutskiller 1 ifølge oppfinnelsen anordnet i en tank 20, for eksempel en separasjonstank. Flerfaseutskilleren 1 omfatter en fortrinnsvis horisontal syklon 10 med en første ende 11 og en andre, motsatt ende 12, hvor det er anordnet et innløp 13 ved den første enden 11 av syklonen 10, for tilførsel av en fluidstrømning 30, og adskilte utløp 14 og 15, hvor utløpet 15 fører til en åpen kanal 16 som kommuniserer med ønsket innstrømningsområde i tank 20. Syklonen 10 kan deles inn i fire hovedseksjoner, hvor en første seksjon I finnes ved den første enden 11, en andre seksjon II ligger mellom den første seksjonen I og en innsnevring 103, en tredje seksjon III ligger mellom innsnevringen 103 og en fjerde seksjon, eller ytre ringrom, IV, og det ytre ringrommet finnes ved den andre enden 12.

I en foretrukket utførelse av oppfinnelsen er utløpet 14 plassert sentralt og aksielt rettet ved den andre, motsatte enden 12 av syklonen 10, primært for uttak av gassfraksjonen 31 i f luidstrømningen 30. Også utløpet 15 fra det ytre ringrommet IV i syklonen 10 er plassert ved den andre, motsatte enden 12 av syklonen 10, primært for uttak av væskefraksjonen 32 i fluidstrømningen 30. Gassutløpet 14 og væskeutløpet 15 er med andre ord anordnet ved samme ende av syklonen, i motsetning til konvensjonelle sykloner anordnet i tanker.

Væskeutløpet 15 fører til en kanal 16 som er åpen for trykkutjevning mot resten av tanken 20. For det første elimineres på denne måten muligheten for gassgjennomslag i væskelagene i tanken 20. For det andre blir flerfaseutskilleren 1 mindre følsom for mulige gassplugger som kunne oppstå i fluidstrømningen 30. Et annet formål med den åpne kanalen 16 er å skape mest mulig stasjonære og laminære strømnings-forhold, slik at separasjon av væskekomponentene opprett-holdes i så stor grad som mulig.

Som vist på figurene 1 og 2, kan syklonen 10 i en foretrukket utførelse ha en innsnevring 103 mellom en første seksjon 101 av syklonen 10 og en andre seksjon 102 av syklonen 10. Den første seksjonen 101 av syklonen 10 er innrettet til å holde fluidstrømningen 30 i rotasjonsbevegelse. I den andre seksjonen 102 øker diameteren med økende avstand langs aksen i strømningsretningen i syklonen 10. Den økende diameteren har til hensikt å redusere fluidstrømningens 3 0 hastighet for å minimere turbulens og skjærkrefter i fluid-strømningen 30.

Av figur 2 kan det ses at innløpet 13A kan være aksielt anordnet. I denne utførelsen ifølge oppfinnelsen er ledeskovler, fortrinnsvis i to adskilte trinn 101A/101B, anordnet i den første seksjonen 101 for å bevirke rotasjonsbevegelse av fluidstrømningen 30.

I en annen utførelse, som vist på figur 3, kan innløpet 13 være hovedsakelig tangentialt anordnet i den første

seksjonen 101 av syklonen 10, slik at fluidstrømningen 30 settes i rotasjonsbevegelse i syklonen 10. Innløpet kan også ha sneglehus-lignende form 13B, som vist på figur 4, noe som kan forsterke rotasjonsbevegelsen i den første seksjonen 101 av syklonen 10, og dermed gi større grad av separasjon av

væske 32 og gass 31.

Væskeutløpet 15 er innrettet til normalt å være delvis fylt av væske, som vist på figur 5, slik at eventuelt gassoverskudd 3IB kan unnvike fritt gjennom utløpet 15 parallellt med væsken, som videre vil renne ned i den åpne kanalen 16.

Figur 6 viser at minst en, fortrinnsvis tre, skille-plate(r) 19A kan være anordnet ved væskeutløpet 15 for trinnvis uttak av væskefraksjonene 32 i fluidstrømningen 30. Skilleplatene 19A kan være krummet i overensstemmelse med væskelagene i syklonen 10, de kan føres helt rundt til en rørlignende form, slik at tverrsnittet blir sirkelformet, eller være formet på annen passende måte. Skilleplatene 19A kan i en foretrukket utførelse være anordnet med trinnvis avtagende radiell avstand fra syklonens 10 akse. Eventuelt kan skilleplatene 19A også være anordnet med lik radiell avstand fra syklonens akse.

På figur 7 er et flertall ledeplater 19B anordnet ved væskeutløpet 15 for i første rekke å redusere strømnings-bevegelsene i væsken 32 foran den åpne kanalen 16. En kombi-nasjon av skilleplater 19A og ledeplater 19B kan tenkes ved at i det minste en av ledeplatene 19B er forlenget i ned-strøms retning (vist stiplet) for dannelse av den/de nevnte skilleplaten(e) 19A.

Dersom tanken 20 er en separasjonstank, kan utløpet 17 av den åpne kanalen 16 være anordnet nede i væskelagene, slik at væsken 32 som føres fra syklonens 10 væskeutløp 15 til innstrømningsområdet i tanken 20 danner et vannsjikt 33A og et oljesjikt 34A, adskilt av et grensesjikt, hvor vannsjiktet 33A ledes hovedsakelig til et vannlag 33B i tanken 20 og oljesjiktet 34A ledes hovedsakelig til et oljelag 34B i tanken 20. Dette er vist på figur 1 og mer detaljert på figur 6.

På figur 1 er et koalescerings-element 40 vist anordnet i den åpne kanalen 16. Anordnet i en separasjonstank 20 har et slikt koalescerings-element 40 den fordelen at graden av separasjon av væskef raks j onene 33A og 34A økes ved at det kan fungere som "dråpefanger", samt at strømningsbevegelsene i væsken blir redusert. Et annet koalescerings-element 50 er vist i en annen, mer vanlig plassering i tanken 20. Koalescerings-elementer som kan benyttes her, er tidligere kjent.

I en annen utførelse av oppfinnelsen kan minst et utløp 18 for uttak av hovedsakelig partikler være anordnet fortrinnsvis ved et midtparti av syklonen 10. Utløpet 18 kan føres ned til et oppsamlingskammer 60 som er anordnet i tanken for uttak av i det vesentlige partikler.

Det skal her presiseres at ifølge den foreliggende oppfinnelsen er tanken ikke begrenset til separasjonstanker, men kan for eksempel også omfatte buffertanker for regulering av fluidstrømning i et anlegg, eller en rørseksjon som har tank-lignende funksjon. Fordi tanken også kan erstattes av en rørseksjon med tank-funksjon, er den foreliggende oppfinnelsen også aktuell for bruk i nedihullsinstallasjoner.

Det er klart at en horisontal orientering av flerfaseutskilleren er mest fordelaktig, men det ligger i sakens natur at en vertikal orientering av flerfaseutskilleren også er mulig. En horisontal syklon vil kunne monteres med et svakt fall for dreneringsformål, f. eks. med opptil 10-15° avvik fra horisontalen.

Ét tangentialt innløp 13 som vist på figur 3 kan ligge i et plan som er noe skråstilt fra et rent radielt plan, for å gi strømningen en viss komponent også i aksiell retning. Det skråstilte planet er angitt med en vinkel a, som angitt på figur 4.

Claims (13)

1. Flerfaseutskiller for separasjon av en fluidstrømning (30) som omfatter flere fluidkomponenter, fortrinnsvis for separasjon av hydrokarboner og vann, og anordnet i en tank (20) i forbindelse med anlegg for petroleumsproduksjon, som omfatter et innløp (13) for fluidstrømningen (30) til en fortrinnsvis horisontal syklon (10) med adskilte utløp for henholdsvis væske og gass til tanken (20), og hvor innløpet (13) er plassert ved en første ende (11) av syklonen (10), et utløp (14) for gass er plassert sentralt og aksielt rettet ved en andre, motsatt ende (12) av syklonen (10), samt et utløp (15) for væske fra et ytre ringrom (IV) i syklonen (10) er plassert ved den andre, motsatte enden av syklonen (10) , karakterisert ved at et flertall ledeplater (19B) er anordnet ved væskeutløpet (15) for i første rekke å redusere strømningsbevegelsene i væsken (32) foran den åpne kanalen (16), og at væskeutløpet (15) fører til en åpen kanal (16) som kommuniserer med ønsket innstrømningsområde i tanken (20) .

2. Flerfaseutskiller ifølge krav 1, karakterisert ved at minst en, fortrinnsvis tre, skilleplate(r) (19A) er anordnet ved væskeutløpet (15) for trinnvis uttak av væskefraksjonene i fluidstrømningen (30) .

3. Flerfaseutskiller ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at skilleplatene (19A) er anordnet med trinnvis avtagende radiell avstand fra syklonens (10) akse.

4. Flerfaseutskiller ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at i det minste en av ledeplatene (19B) er forlenget i nedstrøms retning for dannelse av den/de nevnte skilleplaten(e) (19A).

5. Flerfaseutskiller ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at syklonen (10) har en innsnevring (103) mellom en første seksjon (101) av syklonen (10) og en andre seksjon (102) av syklonen (10), hvor den første seksjonen (101) er innrettet til å holde fluid-strømningen (30) i rotasjonsbevegelse, og der diameteren i den andre seksjonen (101) øker med økende avstand langs aksen i strømningsretningen i syklonen (10).

6. Flerfaseutskiller ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at innløpet (13A) er aksielt anordnet ved syklonens (10) første ende (11).

7. Flerfaseutskiller ifølge krav 6, karakterisert ved at ledeskovler (101A/101B), fortrinnsvis i to adskilte trinn, er anordnet i den første seksjonen (101) av syklonen (10) for dannelse av rotasjonsbevegelse av fluidstrømningen (30).

8. Flerfaseutskiller ifølge et av kravene 1-5, karakterisert ved at innløpet (13) er hovedsakelig tangentialt anordnet ved syklonens (10) første ende (11) .

9. Flerfaseutskiller ifølge krav 8, karakterisert ved at innløpet (13B) har sneglehus-lignende form.

10. Flerfaseutskiller ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at væskeutløpet (15) er innrettet til normalt å være delvis fylt av væske, slik at eventuelt gassoverskudd kan unnvike fritt gjennom utløpet (15) parallellt med væsken.

11. Flerfaseutskiller ifølge et av de foregående krav, hvor tanken er en separasjonstank, karakterisert ved at utløpet (17) av den åpne kanalen (16) er anordet nede i væskelagene i tanken (20) på en slik måte at væsken (32) som føres fra syklonens (10) væskeutløp (15) til innstrømningsområdet i tanken (20) danner et vannsjikt (33A) og et oljesjikt (34A), adskilt av et grensesjikt, hvor vannsjiktet (33A) ledes hovedsakelig til et vannlag (33B) i tanken (20) og oljesjiktet (34A) ledes hovedsakelig til et oljelag (34B) i tanken (20) .

12. Flerfaseutskiller ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at et koalescerings-element (40) er anordnet i den åpne kanalen (16).

13. Flerfaseutskiller ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at minst et utløp (18) for uttak av hovedsakelig partikler er anordnet fortrinnsvis ved et midtparti av syklonen (10).