NO315788B1 - Vertikalt orientert separator for fjerning av v¶skedråper fra en gasström - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår utskilling av væskedråper fra en gasstrøm, spesielt i en produksjonssituasjon av olje og gass. Mer spesielt angår den en vertikalt orientert separator for fjerning av væskedråper fra en gasstrøm

Bakgrunn

Ved produksjon av olje og gass fra et underjordisk eller undersjøisk reservoar vil brønnstrømmen stort sett alltid inneholde både olje, gass, vann og litt sand. Det arrangeres av den grunn et mottaksanlegg for brønnstrømmen som har som formål & skille de ulike fasene fra hverandre. Dette gjøres i flere trinn hvor "grovseparasjonen" av de ulike fasene skjer ved bruk av gravitasjonskraften alene og hvor "finrensingen" av de enkelte fasene benytter i hovedsak sentrifugalkrefter og treghetskrefter sammen med gravitasjonskraften. En problemstilling som er svært vanlig i de fleste separasjonstrinn er å fjerne væskedråper fra en gasstrøm. I denne forbindelse er væskeinnholdet i gassen lavt, fortrinnsvis mindre enn 1 vol% av hele volumstrømmen. Det er likevel viktig straks å fjerne mest mulig av denne væskemengden for å beskytte det etterfølgende utstyr som kompressorer og annet avvanningsutstyr. Dette skjer i store separatorer som enten er arrangert horisontalt eller vertikalt. I det etterfølgende gies separatorer som skal separere gass/væskeblandinger inneholdende typisk mindre enn 2 vol% væske betegnelsen gasskrubbere. Denne betegnelsen omfatter også kontaktor tårn anvendt til fjerning av vanndamp fra en gass strøm hvor den nederste og øverste delen av kontaktor tårnet blir anvendt til å fjerne væskedråper fra gasstrømmen.

I gasskrubbere skjer det flere trinn av væskeavskilling. Først kommer gassen inn gjennom et innløp, som - for vertikalt anordnete separatorer - kan ligge omtrent midt på separatoren i vertikal retning. Ved innløpet er det gjerne anordnet en impulsbryterplate, skovl diffusor eller lignende for å fordele strømmen over separatorens tverrsnitt. Allerede her skilles de største dråpene ut og faller ned på et væskereservoar i nedre del av separatoren.

Gassen for øvrig beveges oppover i hva som kan betegnes som en rolig sone, eller avsetningssone, hvor ytterligere dråper som følge av gravitasjon faller ned til væskeflaten under, evt. først avsettes på separatorveggen og dreneres ned langs denne.

Nær utløpet i toppen av separatoren tvinges gassen til å passere gjennom dråpefangerutstyr av kjent teknologi. Det finnes 3 hovedtyper dråpefangerutstyr; meshpad, vanepack og multisykloner for de som er kjent med teknologien. På grunn av trykkfallet over dråpefangerutstyret blir væsken som separeres i dette utstyret vanligvis ført ned til væske reservoaret under gjennom et nedløpsrør, hvis nedre ende er neddykket i reservoaret. Det er viktig at tverrsnittsarealet på nedtøpsrøret er tilstrekkelig stort slik at separert væske rekker å koalesere inne i nedtøpsrøret. Om nedløpsrøret er for lite vil skum kunne bygge seg opp i nedløpsrøret og forårsake at separert væske ikke kan

dreneres tilstrekkelig og således følge med gassen.

Det er svært viktig at innløpet til separatoren er riktig utformet i forhold til separatorens tverrsnittsareal slik at mest mulig væske skilles ut så tidlig som mulig for å unngå for høy væskebelastning på dråpefangerutstyret. Dette gjelder spesielt vertikale gass skrubbere og kontaktor-tårn anvendt til fjerning av vanndamp fra en gass strøm. Overbelastning av dråpefangerutstyr på grunn av dårlig utformet innløpsarrangement og/eller for liten diameter på gasskrubberen i forhold til gassens strømningsrate er en hovedårsak til de problemer en erfarer på en rekke installasjoner. Dette skyldes at for vertikalt orienterte gass skrubbere benytter alle innløpsinnretninger av kjent teknikk gravitasjonskraften alene for å separere ut væsken i innløpet, hvilket setter klare begrensninger for hvor stor gasshastighet en kan ha før betydelige væskemengder dras med oppover mot dråpefangerutstyret. Innløpssykloner har med suksess erstattet de tidligere brukte innløpsinnretninger i moderne horisontale 2- og 3- fase separatorer hvor væskeandelen er høy, typisk større enn 5 vol%, mens innløpsinnretninger betegnet som diffusorinnløp, fortsatt representerer state of the art i vertikale gasskrubbere hvor væskeandelen er typisk mindre enn 2 vol%.

Formål

Det er således et formål ved foreliggende oppfinnelse å komme frem til en vertikal separator med en forbedret innløpsinnretning for å øke separasjonseffektiviteten i innløpsseksjonen og derved unngå for høy væskebelastning på etterfølgende dråpefangerutstyr og samtidig komme frem til et arrangement for å øke drenasjekapasiteten i nedløpsrør fra dråpefangerutstyr anvendt i kombinasjon med innløpsarrangement av syklontype.

Oppfinnelsen

Foreliggende oppfinnelse tilfredsstiller formålet nevnt ovenfor, og angår en vertikal separator for fjerning av væskedråper fra en gass strøm som er kjennetegnet ved de trekk som er definert i patentkrav 1. Foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen fremgår av de uselvstendige patentkrav.

Ved separatoren ifølge oppfinnelsen settes innkommende fluid i rotasjon ved hjelp av en rotasjonsdannende innretning slik at det innkommende fluid påtrykkes en sentrifugalkraft som er vesentlig høyere enn gravitasjonskraften. Mesteparten av væsken vil på grunn av sentrifugalkraften separeres umiddelbart mot gass skrubberens vegger og dreneres mot væskespeilet ved hjelp av grav itasj onskraften.

Det hovedsakelig konsentrisk og vertikalt anordnete nedløpsrør gjennom nevnte hulrom, gjør det mulig å drenere væske fra dråpefangerutstyret ned til væskereservoaret inne i separatoren/ skrubberen, og sågar tillate et meget godt dimensjonert nedløpsrør uten at dette på noen måte hindrer den ønskede rotasjon av det innkommende fluid.

Kombinasjonen av rotasjonsdannende innløpsinnretning og nevnte arrangement for nedløpsrøret, gir således unike fordeler ved vertikale separatorer, idet de rett og slett er i stand til å fjerne væske fra gasstrømmen mer effektivt enn hva som hittil har vært mulig.

I det følgende er oppfinnelsen beskrevet nærmere, idet også anvendelser ifølge tidligere kjent teknikk for sammenlignings skyld er nærmere beskrevet under henvisning til figurer. Etterfølgende eksempler er illustrert med aksielt strømmende dråpefangersykloner, men kan anvendes for alle typer dråpefangerutstyr.

Tegningene

Fig. 1 viser skjematisk en planskisse av en tidligere kjent gasskrubber med diffusorinnløp, dråpefangerutstyr og intern nedløp, Fig. 2a-b viser skjematisk et første eksempel på hvordan innløpssykloner med hovedsakelig konsentrisk anordnet drenasjerør fra dråpefangerutstyret ifølge oppfinnelsen kan anordnes i en vertikal separator, Fig. 3a-c viser skjematisk et andre eksempel på hvordan innløpssykloner med hovedsakelig konsentrisk anordnet drenasjerør fra dråpefangerutstyret ifølge oppfinnelsen kan anordnes i en vertikal separator. Figur 1 viser en separator ifølge kjent teknikk, med en skovldiffusor innløpsinnretning 1 som mottar og fordeler innstrømmende gass så skånsomt som mulig og fører gassen inn i avsetningssonen 2. Avsetningssonene 2 er vanligvis relativt små, slik at avsetning av små dråper gjennom gravitasjon skjer i forholdsvis liten utstrekning. Det er derfor å foretrekke at innløpsinnretningen 1 er konstruert slik at den i størst mulig grad slår ut det meste av væsken i gasstrømmen umiddelbart når denne føres inn i separatoren. Det er ikke tilfelle med innløpsinnretninger som impulsbryterplater eller spredere/ diffusorer. Innløpssykloner har imidlertid med suksess erstattet de tidligere brukte innløpsinnretninger i moderne 2- og 3- fase separatorer, mens innløpsinnretninger betegnet som diffusorinnløp, fortsatt representerer "state of the art" i gasskrubbere hvor væskeandelen er typisk mindre enn 2 vol-%.

Gassen som passerer gjennom rommet 2 vil inneholde mange små og enkelte mellomstore dråper når den går inn i dråpefangerutstyret 7, hvor ytterligere væske blir skilt ut. Væsken som utskilles i dråpefangerutstyret 7, samles i rommet 3, og blir derfra drenert gjennom nedløpsrøret 4. Som tidligere forklart vil trykket på nedstrømssiden av syklonene være lavere enn på oppstrømssiden, og det er derfor nødvendig å la røret 4 stikke ned i væsken S for å hindre at gass strømmer motstrøms mot væsken i røret 4. Ved å gjøre dette, balanseres undertrykket i rommet 3 med en væskesøyle i røret 4. Væskenivået 6 vil derfor være høyere enn væskespeilet i kammer 5, og høyden tilgjengelig over væskespeilet 6 er en viktig parameter med hensyn til hvordan gasskrubberen skal dimensjoneres. Ved for stor gassrate i forhold til skrubberens høyde, vil væske bli suget opp i kammeret 3 og videre ut i gassutløpet 9.

Figur 2 og 3 viser to eksempler på hvordan det rotasjonsdannende innløpet samt drenasjerøret fra dråpefangerutstyret ifølge oppfinnelsen, kan implementeres i vertikale separatorer. Gassen sendes via en innløpsstuss 121, 221 inn i separatoren gjennom en rotasjonsdannende innretning 101, 201 som fortrinnsvis kan ha skovlform (se spes. fig. 2b) eller som en enkelt tangentiell innløpsbane 201 (se spes. fig. 3 b-c). Gassen inneholdende væskedråpene settes derved i rotasjon, slik at bulkvæske samt store og mellomstore dråper blir avsatt på veggen 103,203 og dreneres ned mot væskespeilet og væskereservoaret 119,219 henholdsvis 105,205.

Den roterende gass dreier oppover gjennom et ringformet hulrom 102, 202, som er avgrenset innvendig av et nedløpsrør 104,204 anordnet hovedsakelig konsentrisk i separatoren for å drenere væske fra et knippe dråpefangersykloner 107,207 anordnet nær toppen av separatoren, og avgrenset utvendig av den innvendige veggen 117,217 til den ringformede, rotasjonsdannende innløpsinnretning 101, 201. Den innvendige veggen 117,217 avsluttes fortrinnsvis ved en øvre fri kantx120, 220, mens en topplate 122,222 avgrenser rommet mellom separatorens ytre vegg 103, 203 og nevnte innvendige vegg 117, 217 i en valgt avstand fra nevnte øvre, frie kant 120, 220. Det er foretrukket at væske som utskilles over utløpet av den koaksiale seksjon 102, 202, samt væske som passerer over den frie kant 120, 220, blir ledet ned gjennom et eksternt nedløpsrør 114, 214, da et internt nedløpsrør i dette området til en viss grad vil hemme dannelse av den ønskede rotasjon av gassen.

Over det ringformede hulrom 102, 202 vil den roterende gassen som fortsatt inneholder små væskedråper, strømme inn i et knippe dråpefangersykloner 107,207. Separert væske fra dråpefangersyklonene samles opp i bunnen av "kassen" 108,208 som omslutter dråpefangersyklonene og dreneres gjennom et system av små kanaler 113,213 til det nevnte konsentriske nedløpsrør 104,204, som har forholdsvis stor diameter. Knippet av dråpefangersykloner 107, 207 stanser gassens rotasjon, og gassen med små væskedråper blir derved jevnt fordelt til innløpsportene 111,211 på de individuelle dråpefangersyklonene.

Det åpne rom helt fra væskeflaten 119,219 og opp til innløpsportene 111,211 på dråpefangersyklonene 107, 207 utgjør avsetningsrommet i separatoren hvor væskedråper flyter sammen og avsettes på avsetningsrommets yttervegger 103, 203 og 117, 217 på grunn av sentrifugalkraften som virker på væskedråpene, og hvor væsken dreneres ned til væskesjiktet av

gravitasjonskraften i form av en væskefilm.

Dråpefangerutstyret er festet til en tettsluttende plate 115, 215 som isolerer et rom 116, 216 nær gassutløpet fra avsetningssonen. På oversiden av denne platen blir gass fra de individuelle dråpefangersyklonene gjenforent og ledet ut gjennom separatoren gassutløp 109, 209 på toppen av separatoren.

Væsken som skilles ut i dråpefangersyklonene 107, 207 blir samlet og drenert gjennom et manifoldsystem av små kanaler 113,213 til det nevnte felles, konsentriske nedløpsrør 104,204 med stor diameter.

I henhold til kjent teknikk kan en konisk plate 118,218, ("dollar-plate") benyttes over væskeflaten for å hindre at væske suges opp fra den frie væskeflaten. Videre har det i henhold til kjent teknikk vært anbefalt å benytte vertikale baffelplater (ikke vist) i væskerommet for å hindre rotasjon av væsken.

Det er foretrukket, men ikke nødvendig, å ha et område med innsnevret tverrsnitt mellom innløpsinnretningen 101, 201 til separatoren og væskeflaten 119, 219, som vist ved 112, 212 på fig. 2a og 3a. Dette bidrar til å redusere trykket ved væskeflaten, og derved redusere baktrykket i nedløpsrøret 104, 204. Dette skyldes tilstedeværelse av en radiell trykkgradient i separatoren med høyest trykk nærmest veggen og lavest trykk ved senteraksen.

I prinsippet kan separatorer med sykloninnløp og sentralt anordnet nedløpsrør med stor diameter, jfr. fig. 2 og 3 , benyttes med enhver type dråpefangerteknologi.

Det er et sentralt element ved oppfinnelsen at nedløpsrøret 104,204 er hovedsakelig konsentrisk anordnet i det sylindriske rom som dannes inne i innløpsinnretningen 101, 201, da dette vil gi minst strømningsmotstand for den ønskede roterende gasstrøm med væskedråper. Det er imidlertid ingen forutsetning at dette gjøres noe i nærheten av geometrisk eksakt for at oppfinnelsen skal fungere etter formålet.

Det skal understrekes at det innen rammen av oppfinnelsen kan gjøres en rekke modifikasjoner i forhold til de utførelsesformer som er vist på figurene. For eksempel kan det benyttes dråpefangerutstyr 107, 207 av forskjellig slag, ulike former på de små kanaler 113, 213 og ulike former for eksterne nedløp 114, 214. Videre utgjør bruken av en konisk plate 118, 218 et trekk som i det minste i noen situasjoner kan utelates helt. Det samme gjelder platen 112, 212.

Separatoren ifølge oppfinnelsen gir mer effektiv utskilling av væske, samt bedre drenering og koalesering av væsken som utskilles fra dråpefangerutstyret enn tidligere kjente vertikale separatorer med tilsvarende dimensjon.

Claims (5)

1. Vertikalt orientert separator for fjerning av væskedråper fra en gasstrøm omfattende et innløpsrør for gass som skal behandles, et utløpsrør for gass og et utløpsrør for utskilt væske, en ringformet, rotasjonsdannende innløpsinnretning (101,201) som setter innstrømmende gass i rotasjon slik at gassen vil dreie oppover gjennom et ringformet hulrom (102, 202) opp til et dråpefangerutstyr (107,207) anordnet nær toppen av separatoren, hvilket dråpefangerutstyr (107, 207) er utstyrt med et nedløpsrør (104, 204) for drenasje av væske som separeres fra i dråpefangerutstyret, karakterisert ved at nevnte nedløpsrør (104,204) er anordnet hovedsakelig konsentrisk og vertikalt gjennom det ringformede hulrom (102,202).

2. Vertikal orientert separator angitt i krav 1, karakterisert ved at den innvendige veggen (117, 217) til den ringformede, rotasjonsdannende innløpsinnretning (101, 201) avsluttes med en fri øvre kant (120, 220) i en avstand fra toppen av separatorens innløpsstuss (121, 221), slik at deler av væskefilmen som dannes på den innvendige veggen kan passere over denne frie kant, og samles i det ringformede åpne hulrom formet av den utvendige veggen (117,217) til den ringformede, rotasjonsdannende innløpsinnretning, separatorens innvendige vegg (103,203) og rotasjonsinnretningens topplate (122,222).

3. Vertikal orientert separator angitt i krav 2, karakterisert ved at et nedløpsrør (114,214) er anordnet for å lede væske fra det nevnte ringformede hulrom over topplaten (122, 222) ned til separatorens væskeseksjon (105, 205).

4. Vertikal orientert separator angitt i et av de foregående krav, karakterisert ved at det på i og for seg kjent måte er anordnet en særskilt konisk avbøyningsplate (118,218) over væskeflaten for å redusere faren for oppsug av væske.

5. Vertikal orientert separator angitt i et av de foregående krav, karakterisert ved at det i området mellom væskeflaten (119,219) og innløpsinnretningen (101, 201) er anordnet minst en ringformet plate (112,212) i tettende anlegg mot separatorens indre vegg (103,203) for å begrense tverrsnittet av separatoren ved platens nivå og derved redusere faren for at væske suges opp til dråpefangerutstyret.