NO312341B1

NO312341B1 - Safety system designed to prevent large pressure drop across a pressure sensitive membrane

Info

Publication number: NO312341B1
Application number: NO19980642A
Authority: NO
Inventors: Nils Terje Ottestad
Original assignee: Ottestad Nils T
Priority date: 1998-02-16
Filing date: 1998-02-16
Publication date: 2002-04-29
Also published as: NO980642L; NO980642D0

Description

Oppfinnelsen vedrører et sikkerhetssystem som er innrettet for å forhindre stort trykkfall over et trykkfølsomt membran som er anbrakt i et trykkbestandig kammer der det utgjør et fysisk skille mellom en væske og en gassblanding som føres gjennom kammeret. Sikkerhetssystemet aktiviseres når trykkforskjellen mellom gassen og væsken nærmer seg et nivå som kan medføre skader på membranet, og baseres på et ventilsystem som isolerer den væskeførende kanalen fia sitt øvrige kretsløp for deretter å trykkutlikne det isolerte væskevolumet og gassen. The invention relates to a safety system which is designed to prevent a large pressure drop across a pressure-sensitive membrane which is placed in a pressure-resistant chamber where it constitutes a physical separation between a liquid and a gas mixture which is passed through the chamber. The safety system is activated when the pressure difference between the gas and the liquid approaches a level that can cause damage to the membrane, and is based on a valve system that isolates the liquid-carrying channel via its other circuit to then equalize the pressure of the isolated liquid volume and the gas.

Oppfinnelsen er spesielt utviklet for å beskytte membraner som brukes til å fjerne karbondioksyd fra naturgass. Slike membraner er gjerne formet som sylindriske rør. Gassen føres langs membranenes ytterflate, og karbondioksyd diffunderer gjennom membranene og absorberes av aminet som strømmer aksielt gjennom det indre av membranet. Aminets evne til å absorbere karbondioksyd øker sterkt med økende trykk. Kontinuerlig fjerning av karbondioksyd besørges ved at aminet utsettes for en trykkreduksjon etter å ha passert membranene slik at karbondioksydet frigjøres til omgivende atmosfære. Trykket i naturgassen vil typisk kunne være av størrelse 60 — 80 bar. Aminets trykk må kunne reguleres meget presist ettersom membranene skades lett av selv modereate trykkforskjeller i radiell retning. For de membranene som brukes til dette formål vil det kunne oppstå skader allerede når trykkforskjellen overstiger +/- 0.6 bar. Vanlig metode til å sikre seg mot skadelige trykkforskjeller over membranene er å anordne en buffertank der naturgassen og aminet er i åpen kontakt. Trykkvariasjonene blir da absorbert ved at amin flyter inn eller ut av buffertanken. Ved å montere inn en enkel kontroUanordning som sikrer at purnpeeffekten reduseres ved økende væskenivå i buffertanken og vice versa, vil trykkforskjellen over membranet alltid kunne holdes lavt. The invention has been specifically developed to protect membranes used to remove carbon dioxide from natural gas. Such membranes are often shaped like cylindrical tubes. The gas is passed along the outer surface of the membranes, and carbon dioxide diffuses through the membranes and is absorbed by the amine which flows axially through the interior of the membrane. The amine's ability to absorb carbon dioxide increases strongly with increasing pressure. Continuous removal of carbon dioxide is ensured by the amine being subjected to a pressure reduction after passing the membranes so that the carbon dioxide is released into the surrounding atmosphere. The pressure in the natural gas will typically be 60 - 80 bar. The amine's pressure must be able to be regulated very precisely, as the membranes are easily damaged by even moderate pressure differences in the radial direction. For the membranes used for this purpose, damage can already occur when the pressure difference exceeds +/- 0.6 bar. A common method to protect against harmful pressure differences across the membranes is to arrange a buffer tank where the natural gas and the amine are in open contact. The pressure variations are then absorbed by amine flowing into or out of the buffer tank. By installing a simple control device which ensures that the purp effect is reduced when the liquid level in the buffer tank increases and vice versa, the pressure difference across the membrane will always be kept low.

Et CO2 renseanlegg for naturgass kan omfatte en mengde membraner. Figur 1 illustrerer hvordan et slikt anlegg prinsipielt sett fungerer. Aminet blir sirkulert gjennom sitt kretsløp av en pumpe 5. Trykket i aminet reguleres av en tilbaketrykksventil 7 til å være tilnærmet identisk med trykket i naturgassen. Karbondioksydet som aminet opptar mens den strømmer gjennom membranene 4 blir frigjort når aminet har passert gjennom tilbaketrykksventilen 7. Naturgassen føres inn i røret 8 og fordeles til de respektive membranhus 3. Røret har åpen forbindelse til øvre del av buffertanken 2. Trykkforskjellen mellom gass og amin er derved bestemt av væskehøyden i buffertanken. Ajninnivået holdes stabilt ved at nivå-kontrolleren 1 reduserer purnpeeffekten når ønsket nivå er oppnådd. Denne koplingen er indikert ved en stiplet linje mellom pumpen 5 og nivåkontrolleren 1. Avgivelse av karbondioksyd fra aminet kan eventuelt skje fra reservoaret 6 hvor aminet har lavt trykk. Rørene som fører naturgassen gjennom renseanlegget er påmontert stengeventiler både før og etter renseanlegget (ikke inntegnet). Disse blir automatisk lukket hvis det oppstår feil på anlegget. Det finnes stengeventiler som aktiviseres ved hjelp av sprengladninger og som derfor kan stenges på meget kort tid. Det er imidlertid en relativt omfattende operasjon å gjenåpne disse ventilene. Øvrig kommersielt tilgjengelige ventiler som er egnet til dette formål krever relativt lang lukningstid. Buffertanken kan typisk ha en høyde på 6-8 meter for redusere feren for trykkforskjeller som kan skade membranene. Den blir dessuten svært tung ettersom den må dimensjoneres for høytrykk. A CO2 treatment plant for natural gas can include a number of membranes. Figure 1 illustrates how such a facility works in principle. The amine is circulated through its circuit by a pump 5. The pressure in the amine is regulated by a back pressure valve 7 to be almost identical to the pressure in the natural gas. The carbon dioxide that the amine takes up as it flows through the membranes 4 is released when the amine has passed through the back pressure valve 7. The natural gas is fed into the pipe 8 and distributed to the respective membrane housings 3. The pipe has an open connection to the upper part of the buffer tank 2. The pressure difference between gas and amine is thereby determined by the liquid height in the buffer tank. The ajnin level is kept stable by the level controller 1 reducing the purnpe effect when the desired level is achieved. This connection is indicated by a dashed line between the pump 5 and the level controller 1. Release of carbon dioxide from the amine can possibly take place from the reservoir 6 where the amine has low pressure. The pipes that carry the natural gas through the treatment plant are fitted with shut-off valves both before and after the treatment plant (not shown). These are automatically closed if a fault occurs in the system. There are shut-off valves which are activated by means of explosive charges and which can therefore be closed in a very short time. However, it is a relatively extensive operation to reopen these valves. Other commercially available valves that are suitable for this purpose require a relatively long closing time. The buffer tank can typically have a height of 6-8 meters to reduce the risk of pressure differences that could damage the membranes. It will also be very heavy as it must be dimensioned for high pressure.

Ulempen ved denne metoden er således at prosessanlegget blir uønsket stort, tungt og kostbart. Problemet med å redusere størrelsen på buffertanken er at man vil trenge en metode til å sikre de meget kostbare membranene mot skadelige trylckpåvrfkninger. Ved lite buffervolum vil skadelige trykkforskjeller kunne oppstå meget raskt hvis pumpe eller trykkreguleringssystem svikter. The disadvantage of this method is that the process plant becomes undesirably large, heavy and expensive. The problem with reducing the size of the buffer tank is that you will need a method to secure the very expensive membranes against harmful pressure effects. With a small buffer volume, harmful pressure differences can occur very quickly if the pump or pressure regulation system fails.

Formålet med herværende oppfinnelse har vært å frembringe et sikkerhetssystem som er i stand til effektivt å beskytte membranene mot skadelige trylekpåvirkninger. Videre har man hatt som formål å frembringe et sikkerhetssystem som søker å sette anlegget tilbake i normal drift når betingelsene igjen tillater dette. Oppfinnelsens formål oppnås med et sikkerhetssystem som angitt i den karakteriserende del av krav 1, hvorved foretrukne trekk ved sikkerhetssystemet fremgår av kravene 2 og 3. Figur 1 viser den prinsipielle oppbygging av et anlegg for å fjerne CO2 fra naturgass ved hjelp av membraner. Oppfinnelsen er ikke inkludert. The purpose of the present invention has been to produce a safety system which is able to effectively protect the membranes against harmful spell leakage influences. Furthermore, the aim has been to produce a safety system which seeks to return the facility to normal operation when the conditions allow this again. The object of the invention is achieved with a safety system as stated in the characterizing part of claim 1, whereby preferred features of the safety system appear in claims 2 and 3. Figure 1 shows the basic structure of a plant for removing CO2 from natural gas by means of membranes. The invention is not included.

Figur 2 viser hovedelementene i oppfinnelsen. Figure 2 shows the main elements of the invention.

Figur 3 viser oppsettet for en foretrukket utførelse av oppfinnelsen. Figure 3 shows the layout for a preferred embodiment of the invention.

Figur 4 viser et forstørret utsnitt av foretrukket utførelse på trykkfølerventil i samvirke med en stengeventil. Fig. 5A og 5 B viser situasjonen ved aktivisering av en foretrukket utførelse av oppfinnelsen Figure 4 shows an enlarged section of a preferred embodiment of a pressure sensor valve in cooperation with a shut-off valve. Fig. 5A and 5B show the situation upon activation of a preferred embodiment of the invention

Fig. 6 A og 6B viser prinsippet for foretrukket design av buffertanken. Fig. 6 A and 6B show the principle of preferred design of the buffer tank.

Oppfinnelsens virkemåte vil i det følgende bli forklart med henvisning til fig. 2. Her er størrelsen på buffertanken 2 betydelig redusert. Under normal drift sørger en nivå-reguleringsventil 11 for at arninmengden i tanken holdes på et fastsatt nivå. Trykkforskjellen mellom aminet og gassen overvåkes av en mekanisk trykkfølerventil 14. Denne reagerer umiddelbart dersom trykkforskjellen overstiger en forhåndsinnstilt verdi, og frembringer en trykkpuls i aktiviseringslinjen 13 som bevirker tilnærmet momentan lukking av de to stengeventiler 9,10. Dette isolerer aminet som befinner seg mellom stengeventilene, medstrøms stengeventil 9. Membranene Ugger i den isolerte del av kretsløpet, og det blir følgelig enkelt å forhindre trykkforskjeller som kan skade membranene. Maksimal trykkforskjell bestemmes nå av en tryklaitjamningsventil 12 som er anbrakt mellom gassrøret og øvre del av buffertanken 2. Åpningstrykket for trykkutjamningsventilen 12 blir satt høyere enn det som kreves for at trykkfølerventilen 14 aktiveres, men skal være satt så vidt lavt at membranene ikke skal kunne ta skade. Trykkutjamningsventilen 12 kan alternativt konstrueres slik at den påvirkes av signalet fra trykkfølerventilen 14 til å gi fullstendig åpen forbindelse mellom gassen og buffertanken. Dette kan ytterligere redusere påkjenning på membranene. The operation of the invention will be explained in the following with reference to fig. 2. Here, the size of the buffer tank 2 is significantly reduced. During normal operation, a level control valve 11 ensures that the amount of fuel in the tank is kept at a set level. The pressure difference between the amine and the gas is monitored by a mechanical pressure sensor valve 14. This reacts immediately if the pressure difference exceeds a preset value, and produces a pressure pulse in the activation line 13 which causes almost instantaneous closing of the two shut-off valves 9,10. This isolates the amine that is located between the shut-off valves, downstream of shut-off valve 9. The membranes Ugg in the isolated part of the circuit, and it is consequently easy to prevent pressure differences that could damage the membranes. The maximum pressure difference is now determined by a pressure equalization valve 12 which is placed between the gas pipe and the upper part of the buffer tank 2. The opening pressure for the pressure equalization valve 12 is set higher than that required for the pressure sensor valve 14 to be activated, but must be set just low enough that the membranes cannot Damage. The pressure equalization valve 12 can alternatively be designed so that it is influenced by the signal from the pressure sensor valve 14 to provide a completely open connection between the gas and the buffer tank. This can further reduce stress on the membranes.

I tidsrommet fra utjamningsventilen 12 åpner og fram til stengeventilene er fullstendig lukket vil trykkforskjellen mellom naturgassen og aminet sørge for at amin vil bli presset inn eller ut av buffertanken. I en relevant utførelse vil det typisk ta anslagsvis 1/10 sekund fra trykkfølerventilen 14 reagerer til stengeventilene 9,10 er fullstendig lukket. Man ønsker ikke at buffervolumet skal fylles opp eller tømmes helt. Buffervolumet må derfor tilpasses sikkerhetssystemets reaksjonstid og strømningshastigheten på aminet. Typisk volum på buffertanken kan være 8-10 liter. In the period from when the leveling valve 12 opens until the shut-off valves are completely closed, the pressure difference between the natural gas and the amine will ensure that the amine will be pushed into or out of the buffer tank. In a relevant embodiment, it will typically take approximately 1/10 of a second from when the pressure sensor valve 14 reacts until the shut-off valves 9,10 are completely closed. You do not want the buffer volume to be filled up or emptied completely. The buffer volume must therefore be adapted to the reaction time of the safety system and the flow rate of the amine. Typical volume of the buffer tank can be 8-10 litres.

I foretrukket utførelse er sikkerhetssystemet basert på at stengeventilene aktiviseres ved at trykkfølerventilen 14 frembringer et raskt trykkfall i kamre som i en normal driftssituasjon holdes trykksatt ved at de er forbundet med naturgassen via trange kanaler. Trykkfølerventilen er konstruert slik at den tillater trykket i disse kamrene til igjen å bygge seg opp straks pumpetrykket er likt naturgassens trykk. Stengeventilene 9,10 vil da langsomt åpnes for å sette anlegget tilbake i drift. In the preferred embodiment, the safety system is based on the shut-off valves being activated by the pressure sensor valve 14 producing a rapid pressure drop in chambers which in a normal operating situation are kept pressurized by being connected to the natural gas via narrow channels. The pressure sensor valve is designed so that it allows the pressure in these chambers to build up again as soon as the pump pressure is equal to the pressure of the natural gas. The shut-off valves 9,10 will then be slowly opened to put the plant back into operation.

Figurene 4 og 5 A og 5B viser foretrukket utførelse av trykkfølerventilen 14 med kopling mot den ene av stengeventilene. Figur 4 indikerer funksjonen når anlegget er i normal drift. Figur 5A indikerer funksjonen umiddelbart etter at stengeventilene har lukket, men før trykket i kamrene III og V er luftet ned til minimumstrykk. Fig. 5B viser deler av trykkfølerventilen i større målestokk. Under normale driftsbetingelser holdes ventillegemet 16 i åpen posisjon av fjæren 15. Amintrykket i kammer IV er i denne situasjonen tilnærmet identisk med gasstrykket i kamrene V og VI, slik at trykkreftene som påvirker ventillegemet er i balanse. Kammer V trykksettes via en trang kanal 17 inn mot kammer VI som er i åpen forbindelse til naturgassen. Figures 4 and 5 A and 5B show the preferred embodiment of the pressure sensor valve 14 with connection to one of the shut-off valves. Figure 4 indicates the function when the plant is in normal operation. Figure 5A indicates the function immediately after the shut-off valves have closed, but before the pressure in chambers III and V has been vented to minimum pressure. Fig. 5B shows parts of the pressure sensor valve on a larger scale. Under normal operating conditions, the valve body 16 is held in the open position by the spring 15. In this situation, the amine pressure in chamber IV is almost identical to the gas pressure in chambers V and VI, so that the pressure forces affecting the valve body are in balance. Chamber V is pressurized via a narrow channel 17 towards chamber VI which is in open connection to the natural gas.

Dersom en servoventil 24-27 i trykkfølerventilen 14 aktiviseres, vil trykket i kammer V falle meget raskt. Stengeventilene vil begynne å lukke allerede når trykket i kammer V har falt til anslagsvis 95 % av naturgassens trykk. Servoventilen 24-27 er styrt av bevegelsen til følermembranen 19 via vektarmene 22,23. Følermembranen 19 er i sin tur påvirket til å holde seg i sin midtposisjon av to forspente fjærer 20,21, men vil bli presset bort fra denne posisjonen dersom trykkforskjellen mellom aminet og naturgassen overstiger en gitt verdi. Stengeventilene begynner å lukke allerede få millisekunder etter at følermembranet 19 beveger seg vekk fra midtstillingen. If a servo valve 24-27 in the pressure sensor valve 14 is activated, the pressure in chamber V will drop very quickly. The shut-off valves will begin to close already when the pressure in chamber V has fallen to approximately 95% of the natural gas pressure. The servo valve 24-27 is controlled by the movement of the sensor membrane 19 via the weight arms 22,23. The sensor membrane 19 is in turn influenced to stay in its middle position by two biased springs 20,21, but will be pushed away from this position if the pressure difference between the amine and the natural gas exceeds a given value. The shut-off valves begin to close already a few milliseconds after the sensor membrane 19 moves away from the center position.

I nevnte servoventil 24,27 utgjør et relativt stivt membran 24 et skille mellom et nedre kammer II og et øvre kammer III i trykkfølerventilen. Disse kamrene er forbundet med en In said servo valve 24,27, a relatively rigid membrane 24 constitutes a separation between a lower chamber II and an upper chamber III in the pressure sensor valve. These chambers are connected by a

trang ventil 26 som fortrinnsvis er anbrakt i mebranet 24. Når kamrene II og III har tilnærmet samme trykk (jfr- figur 4) vil membranet 24 bli presset mot setet 25. Hvis følermembranet 19 presses vekk fra sin midtstilling, vil ventillegemet 27 bli presset oppover og åpne for avlufting av kammer II til eksoskanalen 15 via kammer I. Dette vil i sin tur medføre at trykket i kammer III presser membranet 24 ut fra setet 25 som vist i figur 5, og kammer V vil bli avluftet til omgivende atmosfære via aktiviseringslinjen 13, kammer III og eksoskanalen 15. narrow valve 26 which is preferably located in the diaphragm 24. When chambers II and III have approximately the same pressure (cf. Figure 4), the diaphragm 24 will be pressed against the seat 25. If the sensor diaphragm 19 is pressed away from its central position, the valve body 27 will be pressed upwards and open for venting of chamber II to the exhaust channel 15 via chamber I. This in turn will cause the pressure in chamber III to push the membrane 24 out from the seat 25 as shown in figure 5, and chamber V will be vented to the surrounding atmosphere via the activation line 13 , chamber III and the exhaust duct 15.

For å oppnå kort lukketid på stengeventilene 9,10 velges stort tverrsnitt på tetningsflaten 18 sett i forhold til det effektive sfrømningstverrsnitt i aminets kretsløp. Stengeventilene kan derved koples fra åpen til lukket posisjon med liten bevegelse på ventillegemet 16. Buffertanken 2 omfatter en ventilanordning 11 som er innrettet på å holde et stabilt væskenivå i tanken. Denne ventflanordningen er basert på at det kompenseres for manglende væskenivå ved at det dumpes gass fra buffertanken til eksoskanalen 15 slik at amin kan tilføres via linjen 28 som har åpen forbindelse til aminets kretsløp i området mellom pumpen 5 og stengeventilen 9. Linjen 28 er forsynt med en enveisventil for å hindre at buffervolumet tømmes for amin når nevnte område har lavere trykk enn buffervolumet. Et flytelegeme 30 samvirker med ventUanordningen 11 som stenger linjen 28 når buffervolumet har oppnådd å få korrekt aminnivå. Ved for høyt aminnivå vil ventUanordningen åpne en kanal 29 fra nedre del av buffertanken til reservoaret 6 samt åpne en kanal 31 som lufter av gass fra buffertanken til eksoslinjen 15. Prinsippet for disse funksjonen er indikert i figur 6A og 6B. In order to achieve a short closing time on the shut-off valves 9,10, a large cross-section of the sealing surface 18 is selected in relation to the effective flow cross-section in the amine's circuit. The shut-off valves can thereby be switched from open to closed position with little movement of the valve body 16. The buffer tank 2 comprises a valve device 11 which is designed to maintain a stable liquid level in the tank. This vent flange arrangement is based on compensating for a lack of liquid level by dumping gas from the buffer tank into the exhaust channel 15 so that amine can be supplied via line 28 which has an open connection to the amine circuit in the area between the pump 5 and the shut-off valve 9. Line 28 is equipped with a one-way valve to prevent the buffer volume from being emptied of amine when said area has a lower pressure than the buffer volume. A floating body 30 cooperates with the valve device 11 which closes the line 28 when the buffer volume has achieved the correct amine level. If the amine level is too high, the ventU device will open a channel 29 from the lower part of the buffer tank to the reservoir 6 as well as open a channel 31 which vents gas from the buffer tank to the exhaust line 15. The principle of these functions is indicated in Figures 6A and 6B.

I ventUanordningen 11 utøves disse funksjonene av tre separate tiltventiler. Husene 34,35 til tUtventilene som regulerer aminmengden i buffertanken, har en lekkasjefri gjemiomføring av sine manøverarmer 32,33. Figur 6A indikerer tiltventilenes posisjon når aminnivået er korrekt. Figur 6B indikerer tiltventilenes posisjon når aminnivået er for lavt. In the valve device 11, these functions are performed by three separate tilt valves. The housings 34,35 for the tOut valves which regulate the amount of amine in the buffer tank, have a leak-free gas conversion of their maneuvering arms 32,33. Figure 6A indicates the position of the tilt valves when the amine level is correct. Figure 6B indicates the position of the tilt valves when the amine level is too low.

I foretrukket utførelse samvirker flytelegemet 30 med en ventil som er anordnet i en kanal mellom aktiveringslinjen 13 og eksoslinjen 15. Denne funksjonen hindrer trykkoppbygging i aktiveringslinjen hvis aminnivået i buffertanken ikke er korrekt, og sikrer at anlegget ikke kan settes i normal drift uten at nødsystemet er fullt operativt. Funksjonen er ikke indikert i figurene. In a preferred embodiment, the floating body 30 cooperates with a valve arranged in a channel between the activation line 13 and the exhaust line 15. This function prevents pressure build-up in the activation line if the amine level in the buffer tank is not correct, and ensures that the plant cannot be put into normal operation without the emergency system being fully operational. The function is not indicated in the figures.

Figurene 6A og 6B indikerer også funksjonen til trykkutjamningsventilen 12. Denne består i prinsippet av to fjærbelastede enveisventiler med samme åpningstrykk, men med motsatt strømnmgsretning. Figures 6A and 6B also indicate the function of the pressure equalization valve 12. In principle, this consists of two spring-loaded one-way valves with the same opening pressure, but with opposite flow direction.

Claims

1. Safety system designed to prevent a large pressure drop across a pressure-sensitive membrane placed in a pressure-resistant chamber (3) where it constitutes a physical separation between a liquid and a gas mixture that is passed through the chamber, characterized in that it comprises two pneumatically operated shut-off valves (9,10) which are fitted into the respective the inlet and outlet channel for the liquid, a buffer tank (2) which is fitted into the channel between one of the said shut-off valves and the pressure-resistant chamber and which contains a given quantity of the said fluids which, upon activation of the safety system, can be supplied to the pressure-resistant chamber so that approximately the same pressure can be maintained in the gas-carrying and in the liquid-carrying part of this chamber, a pressure equalization valve (12) which is mounted in a channel between said gas mixture and the buffer tank, as well as a pressure sensor valve (14) which registers the pressure difference across the membrane and which activates the shut-off valves as soon as this pressure difference exceeds a predetermined value.

2. Safety system according to claim 1, characterized in that the shut-off valves (9,10) have a large seat diameter so that the valve body (16) has a short travel from open to closed position

3. Safety system according to claim 1, characterized in that the buffer tank (2) comprises a floating body (30) which cooperates with a vent device (11) which, when the liquid level is too low, opens a channel (36) for venting gas to the surrounding atmosphere and opens for a channel (28) which can replenish liquid to the buffer volume and which, when the liquid level is too high, opens a channel (29) which dumps liquid to a lower pressure reservoir.