NO316595B1 - Syklonseparator og fremgangsmåte for separering av ikke-blandbare fluider - Google Patents

Description

Oppfinnelsens område

Foreliggende oppfinnelse vedrører en syklonseparator. Den vedrører nærmere bestemt en hydrosyklon for separering av ikke-blandbare fluider, så som olje og vann, og fjerning av suspenderte faststoffer, så vel som en fremgangsmåte for å utføre en slik separasjon.

Tidligere kjent teknikk

I produksjonen av tungolje er det vanlig at fluider som produseres ved brønnhodet inneholder over 70 volumprosent vann, så vel som varierende mengder suspenderte faststoffer. For å transportere og behandle oljen samt trygt kvit-te seg med, eller gjenvinne, vannet er det nødvendig å separere disse komponenter på en effektiv måte.

Et antall forskjellige syklonseparatorer er utviklet i denne hensikt. Thew m.fl. har for eksempel i US patent 5 017 288 beskrevet en syklonseparator for å fjerne olje fra vann som har et første sylindrisk parti eller evolvent etter-fulgt av et par med konvergerende, traktformede partier. Oljen fjernes gjennom et overstrømningsutløp ved en lukket ende av det sylindriske parti, idet vannet går ned i de traktformede partier.

Denne generelle beskrivelse av syklonseparatorer finner man også i WO-A-9114492 og US patent 3 034 647. I GB-A-2107616 er det beskrevet en opptrekkbar plugg som kan brukes i overstrømningsutløpet for å forandre størrelsen av utløpet. EP-A-313197 beskriver en syklonseparator av ovennevnte generelle type for å separere olje fra vann, der utløpene forsynes med vann langs de traktformede partier.

Kuryluk beskriver i US patent 5 564 574 en separator for separering av materialer med forskjellig spesifikk vekt, omfattende materialer som ikke har ensartet størrelse. Systemet bruker en roterende agitator som den primære innretning som gir materialene som skal behandles roterende energi. Det avhenger også av en separat innsprøytning av vann og separate kamre for blanding og uttynning.

Foreliggende oppfinnelse tar sikte på å tilveiebringe en hydrosyklon som tilveiebringer forbedret separasjon av olje og vann, idet den også er i stand til å fjerne faststoffer.

Kort sammenfatning av oppfinnelsen

Et viktig aspekt ved denne oppfinnelse er utformingen av evolventen som gjør hydrosyklonen ifølge denne oppfinnelse forskjellig fra tradisjonelle hydrosykloner. Evolventen er selvfølgelig det mest kritiske område av hydrosyklonen. For det første har hydrosyklonen ifølge foreliggende oppfinnelse en evolvent som er betydelig lenger enn en konven-sjonell hydrosyklon. For det andre omfatter den flere radielt balanserte mateinnsprøytningsporter som går ut til evolventen. Disse er arrangert slik at all separasjon av de ikke-blandbare fluider, så som olje og vann skjer i evolventen, som er området med de største G-krefter. Re-sultatet er det danner seg aksial lavtetthetsfase som er meget stabil og som hovedsakelig danner en rett, motsatt aksiellpluggstrømning. Dette gjør det mulig å oppnå en ek-sepsjonelt ren separasjon av olje og vann.

Ett aspekt ved foreliggende oppfinnelse vedrører derfor en syklonseparator for separering av ikke-blandbare fluider, omfattende et hovedsakelig sylindrisk første parti med en åpen ende og en lukket ende, et hovedsakelig aksielt over-strømningsutløp i den lukkede ende, mateinnsprøytningspor-ter i det sylindriske første parti i nærheten av dets lukkede ende, minst ett konvergerende, avsmalnende parti hvis åpne ende er aksielt strømningsforbundet med den åpne ende av det sylindriske første parti, og et hovedsakelig sylindrisk utmatningsparti som er strømningsforbundet med det avsmalnende parti.

Man har funnet at ved å anvende flere innsprøytningsporter i kombinasjon med en forlenget evolvent oppnår en overlegen separasjon. Spesielt gode resultater oppnås dersom minst fire radielt balanserte mateinnsprøytningsporter anvendes. Disse arrangeres som diametrisk motsatte portpar, idet det for eksempel også er mulig å anvende seks eller åtte diametrisk motsatte porter avhengig av størrelsen av evolventen.

På grunnlag av detaljerte studier av strømningsmønstre ble det funnet at lavtetthetskjernen som dannet seg i evolventen oppviste en generelt spiral- eller kortetrekkerutformet konfigurasjon dersom bare én mateinnsprøyningsport ble anvendt. Visse forbedringer i lavtetthetskjernen ble oppnådd dersom to eller tre innsprøytningsporter ble anvendt, men en dramatisk forbedring skjedde først når fire innsprøyt-ningsporter ble anbrakt som to diametrisk motsatte portpar. De balanserte drivkreftene som ble generert tilveiebringer en forbedret stabilitet i den resulterende virvelstrømning, redusert turbulensenergitap samt forbedret separeringsvirk-ning.

Det vil også forstås at det er en stor fordel at lavtetthetskjernen danner en rett aksiell kjerne med et defi-nert grensesjikt mellom kjernen og det omsluttende høy-tetthetsfluid, da den faktiske separasjon av de ikke-blandbare fluider skjer ved å slippe ut lavtetthetskjernen gjennom det aksielle overstrømningsutløpet. På denne måte er lavtetthetskjernen i stand til å gå gjennom overstrøm-ningsutløpet mens den river med seg minimalt med omsluttende høytetthetsfluid. Det er denne overlegne separasjon som oppnås ved å anvende minst fire innsprøytningsporter sammen med den lengre evolventen.

Evolventens nødvendige lengde bestemmes lett etter at man har forstått konseptet. En eksperimentell enhet med en transparent evolvent kan brukes. Et fargestoff settes til fluidblandingen med det resultat at den separerte fase med lavere tetthet kan observeres innenfor fasen med høyere tetthet. Dersom evolventen er for kort, vil ikke den aksielle kjerne med lavere tetthet dannes i evolventen. På den annen side, når evolventen har tilstrekkelig lengde, vil den aksielle strømning med lavere tetthet klart kunne observeres som en kjerne som strekker seg gjennom, lengden av evolventen og går gjennom det aksielle overstrømningsut-løp.

Ifølge et ytterligere trekk ved foreliggende oppfinnelse kan størrelsen av det aksielle overstrømningsutløp varie-res. Dette kan oppnås ved å tilveiebringe et bevegbart element tilknyttet overstrømningsutløpet som har flere åpninger med progressiv mindre diameter enn overstrømningsut-løpet. Dette bevegbare element kan beveges slik at enhver av antallet åpninger innrettes aksielt med overstrømnings-utløpet .

Dette fleråpningssytem omfatter flere åpninger med forskjellige diametre i en plate som er bevegbart anbrakt på enden av det sylindriske første parti. Denne plate er fortrinnsvis dreibart anbrakt slik at den kan aktueres av en mekanisk enhet.

Dette justerbare overstrømningsutløp har viktige fordeler i forbindelse med kommersielle anvendelser. Fluidene som separeres kan dermed være ganske varierende i konsentrasjo-ner. Konsentrasjonene kan for eksempel skifte fra et oljeinnhold på 10% til et oljeinnhold på 20%. Den eneste måte som systemet kan tilpasse dette på er ved å øke størrelsen av overstrømningsutløpet. Ellers vil mye av oljen forbli i vannet. Med det størrelsesvarierende overstrømningsutløp ifølge oppfinnelsen kan utløpsstørrelsen justeres enten manuelt eller automatisk på grunnlag av sammensetningen til fluidene som separeres.

På grunn av den meget effektive separasjon av ikke-blandbare fluider som er mulig ifølge foreliggende oppfin-neise, kan den benyttes i mange forskjellige sammenhenger. Den er derfor i stand til å fjerne meget små mengder olje, for eksempel 1 til 2%, fra vann, og den er også i stand til å separere meget vanskelige fluidblandinger. For eksempel kan den brukes til å separere olje som har emulgert til meget små dråpestørrelser, men kan også separere fluider med så små tetthetsforskjeller som 0,05. Fordi en slik stabil lavtetthetskjerne dannes i hydrosyklonen ifølge foreliggende oppfinnelse, kan den også anvendes til å separere en fluidblanding av kjent sammensetning i en rørledning som befinner seg langt unna. Separasjonseffektivitetene har vært så gode som 98%.

Et annet unikt trekk ved foreliggende oppfinnelse er en samarbeidende innretning for fjerning av partikkelmateria-ler i matestrømmen. Dette oppnås ved å anordne det fjerde hovedsakelige sylindriske parti som et radielt innrettet rørpar med en aksiell mellomliggende spalte. Denne spalte er i sin tur omsluttet av et ytre rørformet parti som tilveiebringer et ringformet strømningsløp som er forbundet med et utmatningsutløp. På grunn av de sentrifugale krefter i det fjerde hovedsakelige sylindriske parti vil det tettere partikkelholdige materiale som går langs den ytre vegg av det sylindriske parti passere gjennom spalten mellom rørene og inn i det ringformede løp, for deretter å slippe ut gjennom utmatningsutløpet. Vannet i det sylindriske parti vil hovedsakelig ikke passere gjennom spalten, men fortsetter i stedet videre gjennom det andre rørformede parti for utmatning.

Oppfinnelsen omfatter også en fremgangsmåte som angitt i krav 8.

Kort omtale av tegningene

En for tiden foretrukket utførelse av syklonseparatoren ifølge foreliggende oppfinnelse er beskrevet under henvis-ning til de vedføyde tegninger, der fig. 1 er et sideriss, delvis i snitt, av en separator i-følge oppfinnelsen,

fig. 2 er et forstørret parti av utførelsen på fig. 1,

fig. 3 er et enderiss av en åpningsplate,

fig. 4 er delvis tverrsnitt av en åpningsplate,

fig. 5 er et enderiss av den lukkede ende av hydrosyklonen,

fig. 6 er tverrsnitt som viser det sylindriske første parti, og

■ fig. 7 er tverrsnitt som viser et ytre hus og en vannkappe-enhet.

Beste utførelsesform av oppfinnelsen

Som man ser på fig. l og 2 omfatter hydrosyklonenheten i-følge oppfinnelsen et hovedsakelig sylindrisk første parti eller en evolvent 10, et første avsmalnende parti 11 som er aksielt innrettet med evolventen 10, et andre avsmalnende parti 12 som er aksielt innrettet med partiet 11 og et rør-formet løp 13 som er aksielt innrettet med det avsmalnende parti 12. Et vannoppsamlingsrør 14 er forbundet med enden av det rørformede løp 13.

Evolventen 10 omfatter et hovedparti 15 med en lukket ende-vegg 16. Det befinner seg en aksiell åpning 17 i endeveg-gen 16. Evolventpartiet 10 omfatter også flere (fortrinnsvis minst fire) mateinnsprøytningsporter 25 som er anbrakt tangentialt og jevnt adskilt rundt omkretsen.

Når en mateblanding som omfatter olje og vann mates gjennom innløpet 24 og innsprøytningsportene 25, dannes en raskt roterende virvelstrømning med lave skjærspenninger. Sent-rifugalkreftene som genereres av virvelstrømningen virker forskjellig på den tettere (vann) fase og den mindre tette

(olje) fase, slik at oljefasen fortrenges mot den sentrale akse av syklonen og danner en motsatt strømning mot over-strømningsåpningen 17. Da man har funnet det fordelaktig å være i stand til å justere størrelsen av åpningen 17 for å optimalisere separasjonen avhengig av mateblandingens til-stand, er et ytterligere trekk ved foreliggende oppfinnelse et system som justerer den effektive åpningsstørrelsen.

Dette oppnås ved hjelp av en dreibar plate 18 (som vist på fig. 3 og 4) som har flere åpninger av forskjellig størrel-se 19. Denne plate 18 kan dreies enten manuelt eller ved hjelp av en automatisk innretning 20 via drivakslene 21. Ved hjelp av denne automatiske innretning kan enhver av åp-ningene 19 på den dreibare plate 18 bringes til en aksielt innrettet posisjon i forhold til åpningen 17 og dermed ef-fektivt forandre diameteren av åpningen 17.

Det første avsmalnende parti 11 omfatter et hovedparti 29 som er skrueforbundet med evolventens 10 hovedparti 15. Rundt disse er det anbrakt en ytre vegg 27 som innløpet 25 går i gjennom, idet de er forbundet med en flensplate 28. Hovedpartiet 29 har også en flensplate 30 som er forbundet med flensplaten 28.

Det andre avsmalnende parti 12 er skrueforbundet med hovedpartiet 29 av det første avsmalnende parti 11 som i sin tur er forbundet med vannløpet eller røret 13 ved hjelp av kop-lingsenheten 31.

Ved nedstrømsenden av løpet 13 befinner det seg en ytterligere innretning for separering av faste partikler fra vannet som føres ned løpet 13. Innretningen omfatter et van-noppsamlingsrør 14 som er aksielt adskilt fra enden av lø-pet 13 ved hjelp av en spalte 33, noe som kommer tydeligst frem på fig. 7. Løpet 13 og røret 14 holdes i dette ad-skilte forhold ved hjelp av et ytre rør 34, en T-kopling 36 og koplingsflenser 35, 37 og 38. Dette arrangement tilveiebringer et ringformet kammer 39 som omslutter spalten 33 og det omsluttende rør 13. Da tettheten av faststoffene er større enn tettheten av vann, vil faststoffene ha en tendens til å migrere mot de ytre kanter av virvelstrøm-ningen i løpet 13, slik at når de kommer til spalten 33, vil partiklene ha en tendens til å gå gjennom spalten og inn i det ringformede kammer 3 9 mens hoveddelen av vannet fortsetter å strømme inn i vannoppsamlingsrøret 14, idet faststoffene samler seg opp ved utløpet 40. Vannet som er fritt for partikler og olje mates ut gjennom utløpet 47.

Det er mulig å forbedre separasjonen ved å varme væskene som behandles, hvorved man reduserer oljens viskositet og øker effektiviteten. Varmen kan tilveiebringes ved hjelp av en varmekappe som dannes av det ytre skall 41, hvilket skall 41 omfatter en innløpsport 42 og en utløpsport 43 for oppvarmingsvæsken. Nedstrømsenden av det ytre skall 41 er forbundet med en flens 44, som i sin tur er forbundet med en flens 45 som holder den ytre ende av vannoppsamlingsrø-ret 14.

En hydrosyklon ble konstruert som vist på ovennevnte tegninger. Evolventen 10 har en lengde på 4,0 cm og en indre diameter på 4,0 cm. Det første avsmalnende parti 11 var 5,7 cm langt med en stor diameter på 4,0 cm. Det andre avsmalnende parti 12 hadde en lengde på 38,8 cm med en stor diameter på 2,0 cm og en liten endediameter på 1,0 cm.

Eksempel 1

Ovennevnte hydrosyklon ble anvendt på et produksjonssted for tungolje for å separere en brønnhodestrømning (fra ho-risontal brønnproduksjon) som inneholder 20-25 volumprosent olje i vann. Hydrosyklonproduktstrømningen (overstrømning-en) inneholdt så mye som 85 prosent olje, idet oljeinnhol-det i vannstrømningen (understrømningen) inneholdt så lite som 150 ppm olje. Matestrømningshastigheten varierte mellom 35 og 50 L/min avhengig av trykksettinger. Det ble funnet at høyre matetemperaturer forbedret separasjon, idet en temperatur på minst 40°C er foretrukket. Til sammenlik-ning krever en tilsvarende gravitasjonsseparasjon, så som "Pree Water Knockout", en temperatur i størrelsesorden 50-75°C.

Eksempel 2

En ytterligere prøve ble utført ved å bruke et vannutblan-det produksjonsfluid inneholdende omtrent 2-3 volumprosent olje i saltvann som matestrømning. Denne ble separert til en ren vannstrømning (understrømning) som ikke inneholdt mer enn 100 ppm olje, samt en oljerik strømning (overstrøm-ning) inneholdende 5-20% olje avhengig av oljekonsentrasjo-nen i matestrømningen. Matestrømningen hadde en temperatur på 60-65°C og utmatningshastigheten av understrømningen varierte fra 95-99% av matestrømningshastigheten.

Claims (12)

1. Syklonseparator for separering av ikke-blandbare fluider, omfattende et hovedsakelig sylindrisk første parti (10) med en åpen ende og en lukket ende (16) , et hovedsakelig aksielt overstrømningsutløp (17) i den lukkede ende (16) , mateinnsprøytningsporter (25) i det sylindriske førs-te parti (10) i nærheten av dets lukkede ende (16), minst ett konvergerende, avsmalnende parti (11) hvis åpne ende er aksielt strømningsforbundet med den åpne ende av det sylindriske første parti (10), og et hovedsakelig sylindrisk utmatningsparti (13) som er strømningsforbundet med det avsmalnende parti (11), hvor minst fire tangentielt monterte mateinnsprøytningsporter (25) i diametralt motstående par er tilveiebrakt i nærheten av den lukkede ende (16) av det sylindriske første parti (10), karakterisert ved at nevnte sylindriske parti (10) har en lengde slik at kombinasjonen av flertallet av innsprøytningsporter (25) og lengden av det sylindriske første parti (10) er tilpasset fullstendig separasjon av fluidene i det sylindriske første parti (10) til en rett, motsatt aksialpluggstrømning omfattende en lavtetthetsfase innenfor en fremadrettet strømning omfattende en høytetthetsfase, og at overstrømningsutløpet (17) har en diameter tilpasset diameteren til aksialpluggstrømningen omfattende en lavtetthetsfase hvorved aksialpluggstrømning-en er tilpasset til å passere gjennom overstrømningsutløpet (17) med minst mulig medrivning av omkringliggende høy-tetthetsfluid.

2. Separator ifølge krav 1, karakterisert ved at det minst ene konvergerende avsmalende parti omfatter et første avsmalnende parti (11) og et andre avsmalnende parti (12).

3. Separator ifølge krav 1, karakterisert ved at det hovedsakelig sylindriske utmatningsparti omfatter et radielt innrettet rørpar (13, 14) med en mellomliggende spalte (33), hvilken spalte (33) befinner seg innenfor et ytre rørformet parti (34) som danner et ringformet strømningskammer (39) og et utmatningsut-løp (40) som er tilknyttet det ringformede kammer (39), slik at faststoffspartikler som føres i væskestrømmen som går gjennom det hovedsakelig sylindriske utmatningsparti fjernes via spalten (33) og føres gjennom utmatningsutløpet (40) .

4. Separator ifølge krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at et bevegelig element (18) er tilveiebrakt i tilknytning til den lukkede ende (16) med et flertall åpninger (19) med progressivt mindre diameter enn overstrømningsutløpet (17), der det bevegelige element (18) er bevegelig slik at enhver valgt åpning av flertallet åpninger (19) er aksielt innrettet med overstrømningsutløpet (17) .

5. Separator ifølge krav 4, karakterisert ved at flertallet åpninger (19) er tilveiebrakt i en plate (18) som er dreibart anordnet på enden av det sylindriske første parti (10).

6. Separator ifølge krav 5, karakterisert ved at platen (18) dreies av en kraftdrevet, mekanisk innretning.

7. Separator ifølge et av kravene l til 6, karakterisert ved at den omfatter et ytre hus (41) som danner et varmekammer rundt syklonen.

8. Fremgangsmåte for separering av en blanding av ikke-blandbare fluider med forskjellige tettheter omfattende det å mate blandingen inn i en syklonseparator omfattende et hovedsakelig sylindrisk første parti (10) med en åpen ende og en lukket ende, et hovedsakelig aksielt overstrømning-sutløp (17) i den lukkede ende (16), mateinnsprøytningspor-ter (25) i nærheten av det sylindriske første partis (10) lukkede ende (16), minst ett konvergerende, avsmalnende parti (11) hvis åpne ende er aksielt strømningsforbundet med den åpne ende av det sylindriske første parti (10), og et hovedsakelig sylindrisk utmatningsparti (13) som er aksielt strømningsforbundet med det avsmalnede parti (11), hvor blandingen av fluider med forskjellig tetthet mates inn i det sylindriske første parti (10) gjennom minst fire radielt balanserte mateinn-sprøytningsporter (25), karakterisert ved at nevnte blanding fø-res langs en tilstrekkelig lengde av det sylindriske parti (10), hvorved fluidene med forskjellig tetthet separeres i det sylindriske første parti (10) til en rett, motsatt ak-sialpluggstrømning av en lavtetthetsfase og en fremadrettet strømning av en høytetthetsfase, idet lavtetthetsfasen fjernes gjennom det aksielle overstrømningsutløp (17) med korresponderende diameter med minst mulig medriving av høy-tetthetsf luid og høytetthetsfasen fjernes gjennom den sylindriske utmatning (13).

9. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved at blandingen av ikke-blandbare fluider er en blanding av olje og vann.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved at det bevegbare element (18) med et flertall åpninger (19) av progressivt mindre diameter enn overstrømningsutløpet (17) er tilveiebrakt i tilknytning til overstrømningsutløpet (17), idet en åpning er valgt som tilsvarer diameteren av aksialpluggstrømningen av lavtetthetsfasen.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 9, karakterisert ved at blandingen inneholder opptil 3 0 prosent olje.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 9, karakterisert ved at blandingen inneholder omtrent 1 til 2 prosent olje.