NO320351B1

NO320351B1 - Skovldiffusor

Info

Publication number: NO320351B1
Application number: NO20040971A
Authority: NO
Inventors: Bjorn Christiansen; Knut Sveberg; Inge Hjelkrem; Dag Kvamsdal
Original assignee: Bjorn Christiansen; Knut Sveberg; Inge Hjelkrem; Dag Kvamsdal
Priority date: 2004-03-05
Filing date: 2004-03-05
Publication date: 2005-11-28
Also published as: EP1725316A1; AU2005219348A1; NO20040971L; AU2005219348B2; EP1725316B1; DE602005021466D1; US20080168753A1; NO20040971D0; WO2005084778A1; US7459001B2; ATE468903T1

Abstract

Skovldiffiisor for bruk i separatorer som separerer en væskefase og/eller partikulært materiale fra en gasstrøm; omfattende et fordelingskammer (14) som kommuniserer med separatorens (1) innløps stuss (2), en topplate (9), en bunnplate (10) og et knippe parallelt anordnede krummede skovler (11). Skovlene (11) har et hulrom (20) som kommuniserer med skovlenes (11) trykkside (17) gjennom slisser eller perforeringer (21) for å tillate hele- eller deler av væsken og/eller partikulært materiale som ansamles på skovlens trykkside (17) i å strømme inn i skovlenes hulrom (20) og videre ned til under skovldiffusoren gjennom passasjer (22) i bunnplaten (10).

Description

Foreliggende oppfinnelse angår utskilling av væske fra en gasstrøm, spesielt i en produksjonssituasjon av olje og gass. Mer konkret angår foreliggende oppfinnelse en skovldiffiisor for bruk i separatorer som separerer en væskefase og/eller partikulært materiale fra en gasstrøm, omfattende et knippe parallelt anordnede, krummede skovler.

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 å 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. Dette skjer i store separatorer som enten er arrangert horisontalt eller vertikalt. Eksempler på ulike utførelser av separatorer i henhold til kjent teknikk er vist i PCT/NO02/00379 og US 6083291.

I separatorer 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 vertikalretning. Ved innløpet er det gjerne anordnet en impulsbryterplate, skovldiffusor 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 for fjerning av de dråper som ikke separeres som følge av gravitasjonstanken.

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 separatorer. Overbelastning av dråpefangerutstyr på grunn av dårlig utformet innløparrangement og/eller for liten diameter på separatoren i forhold til gassens strømningsrate er en hovedårsak til de problemer en erfarer på en rekke installasjoner. Dette skyldes at for vertikalt orienterte separatorer benytter de fleste 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. I den senere tid er imidlertid også ulike former for sykloninnløp blitt anvendt i vertikale separatorer, dog med en del operasjonelle begrensninger. Med sykloninnløp menes at det innkomne fluid settes i rotasjon slik at det blir påtvunget en sentrifugalkraft i tillegg til gravitasjonskraften. PCT/NO02/00379 viser eksempler på ulike utførelser av sykloninnløp i henhold til kjent teknikk.

Den mest alminnelige innløpsinnretning i gasskrubbere er betegnet som skovldiffiisor slik som også omtalt i PCT/NO02/00379. En kjent skovldiffiisor, beskrevet i norsk patent nr. 164 960 og EP patent nr. 195 464, er omtalt mer i detalj med henvisning til figur nr. 2 nedenfor. En skovldiffiisor består av et skovlarrangement som har til formål å redusere fluidets hastighet i separatorens innløpsrør før fluidet føres inn i separatoren. Dette oppnås ved at det arrangeres mange skovler i parallell som tar i mot det innstrømmende fluidet og leder strømmen ca 90 grader til begge sider. De parallelt anordnede skovlene danner sammen med en topp- og bunnplate mange kanaler som både ekspanderer og krummer i strømningsretningen. På grunn av at skovlene består av krummede plater med en lik tykkelse i skovlens lengderetning vil det imidlertid være vanskelig å få fluidet til å fylle hele strømningskanalen. Dette skyldes dels at tverrsnittsarealet ekspanderer for brått og dels at det vil påføres en trykkgradient på tvers av strømningsretningen som følge av skovlenes krumning. Det høyeste trykket vil en ha langs strømningskanalens ytterkant avgrenset av det som defineres av skovlens trykkside mens det laveste trykket vil en ha langs strømningskanalens innerkant avgrenset av det som defineres av motstående skovlens sugeside. En vil således ikke oppnå den teoretisk tilgjengelige hastighetsreduksjon som tverrsnittsarealet ved utløpet av skovldiffiisoren skulle tilsi.

På grunn av treghetskrefter vil hovedandelen av væskedråper avsettes på skovlenes trykkside og forlate skovlens avløpskant i form av en væskefilm. Skovldiffusorer av kjent teknologi er ikke utstyrt med anretninger for å separere deler av den innkomne væske fra gassen før fluidene føres inn i separatoren.

Formål

Det er således et formål ved foreliggende oppfinnelse å komme frem til separatorer med en bedre separasjonseffektivitet enn dagens teknologi gjennom å benytte en skovldiffiisor som har profilerte, og hule, skovler som gir en mer effektiv retardasjon av det innkomne fluid før dette føres inn i separatoren og som separerer deler av den innkomne væske og samler denne væsken i skovlenes hulrom for videre drenasje gjennom en eller flere kanaler ned til undersiden av skovldiffusoren.

Oppfinnelsen

Foreliggende oppfinnelse angår en skovldiffiisor for anvendelse i separator for fjerning av væske fra en gass strøm, og er kjennetegnet ved de trekk som er definert i patentkrav 1. Foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen fremgår av de uselvstendige patentkrav.

Skovldiffusoren ifølge oppfinnelsen er utstyrt med et knippe parallelt anordnede skovler som tar i mot det innstrømmende fluidet og leder strømmen ca 90 grader til begge sider. Skovldiffusoren er utstyrt med en topp- og bunnplate. De parallelt anordnede skovlene sammen med topp- og bunnplaten danner mange kanaler hvis tverrsnittsareal både ekspanderer og krummer i strømningsretningen. Skovlene er profilerte, det vil si at de har en varierende tykkelse i strømningsretningen, som medfører en jevnere ekspansjon av kanalenes tverrsnittsareal enn om skovlene hadde hatt en uniform tykkelse. Skovlene er hule hvis hulrom dannes av de enkelte skovlers trykkside og sugeside samt av skovldiffusorens topp og - bunnplate. På grunn av treghetskrefter vil hovedandelen av væskedråper avsettes på skovlenes trykkside og danne en væskefilm. På skovlenes trykkside er det anordnet perforeringer og/eller slisser slik at væsken som ansamles på skovlens trykkside dreneres inn til skovlens hulrom. I bunnen av skovlenes hulrom er det videre en åpen passasje gjennom skovldiffusorens bunnplate slik at væsken som samles opp i skovlens hulrom vil dreneres til undersiden av skovldiffusoren hvor det eventuelt kan anordnes et oppsamlingsvolum som dreneres via en kanal ned til væskefasen.

I det følgende er oppfinnelsen beskrevet nærmere i form av konkret utførelsesform og med henvisning til figurer. For oversiktens skyld er også tidligere kjent teknikk illustrert ved figurer, idet: Fig. 1 viser skjematisk en planskisse av en separator med tidligere kjent skovldiffiisor og dråpefangerutstyr,

Fig. 2 a - b viser skjematisk en planskisse av en tidligere kjent skovldiffiisor.

Fig. 3 a - b viser skjematisk en planskisse av en skovldiffiisor i følge oppfinnelsen.

Fig. 4 viser skjematisk en planskisse av en separator med skovldiffiisor i følge oppfinnelsen og dråpefangerutstyr. Figur 1 viser en separator ifølge kjent teknikk, bestående av en tank 1, en innløpstuss 2, en lukket kanal 3 som kommuniserer med en skovldiffiisor innløps innretning 4 som har som formål å motta, retardere og fordele innstrømmende gass og væske fra innløpsstussen 2 så skånsomt som mulig inn i separatorens 1 avsetningssone S. Avsetningssonen 5 er vanligvis relativt liten, slik at avsetning av små dråper gjennom gravitasjon skjer i forholdsvis liten utstrekning. Det er derfor å foretrekke at skovldiffusoren 4 er konstruert slik at den i størst mulig grad slår ut det meste av væsken i gasstrømmen umiddelbart når denne føres inn i separatoren. Dette er ikke tilfelle med skovldiffusorer 4 av kjent teknologi. Gassen som passerer gjennom rommet 5 vil inneholde mange små og enkelte mellomstore dråper når den går inn i dråpefangerutstyret 6 hvor ytterligere væskedråper blir skilt ut. Den rensede gassen føres ut av separatoren gjennom utløpsstuss 7 mens den separerte væsken føres ut av separatoren gjennom utløpsstuss 8.

Fig. 2 a-b viser skjematisk en planskisse av en skovldiffiisor i henhold til kjent teknikk, så

som beskrevet i norsk patent nr. 164 960. Fig. 2a viser et horisontalsnitt av skovldiffusoren mens Fig. 2b viser et vertikalsnitt av skovldiffusoren. Skovldiffusoren består av en topplate 9, en bunnplate 10 og et knippe parallelt anordnede krummede skovler 11 som er arrangert på begge sider langs skovldiffusorens senterakse 12. De parallelt anordnede skovlene 11 danner sammen med topplaten 9 og bunnplaten 10 mange kanaler 13, heretter kalt diffusorkanaler, som både ekspanderer og krummer i strømningsretningen. Langs skovldiffusorens senterakse 12 vil det være et fordelingskammer 14 som er avgrenset av skovldiffusorens topplate 9 og bunnplate 10 samt skovlenes 11 innløpskanter 15. Skovldiffusorens innløp 16 kommuniserer med separatorens innløpsstuss 2 via en lukket kanal 3. Skovlene 11 har en konstant tykkelse i strømningsretningen.

Det innkomne fluidet fødes inn i skovldiffusorens fordelingskammer 14 fra separatorens innløps stuss 2 via kanalen 3. Fluidet vil videre fordele seg og strømme inn i diffusorkanalene 13. På grunn av at skovlene 11 består av krummede plater med en lik tykkelse i skovlens lengderetning vil det være vanskelig å få fluidet til å fylle hele diffusorkanalen. Dette skyldes dels at diffusorkanalens tverrsnittsarealet ekspanderer for brått og dels at det vil påføres en trykkgradient på tvers av strømningsretningen som følge av skovlenes krumning. Det høyeste trykket vil en ha langs strømningskanalens ytterkant 17 avgrenset av det som defineres av skovlens 11 trykkside 17 mens det laveste trykket vil en ha langs strømningskanalens innerkant 18 avgrenset av det som defineres av motstående skovlens sugeside 18. En vil på grunn av lavtrykkssonen få en tilbakestrømning langs skovlens sugeside 18 slik at en ikke vil oppnå den teoretisk tilgjengelige hastighetsreduksjon som tverrsnittsarealet ved utløpet av skovldiffusoren skulle tilsi.

På grunn av treghetskrefter vil hovedandelen av væskedråper avsettes på skovlenes trykkside 17 og forlate skovlens 11 avløpskant 19 i form av en væskefilm.

Fig. 3 a-b viser skjematisk en planskisse av en skovldiffusor i henhold til oppfinnelsen. Fig. 3a viser et horisontalsnitt av skovldiffusoren mens Fig. 3b viser et vertikalsnitt av skovldiffusoren. Skovldiffusoren består av en topp plate 9, en bunnplate 10 og et knippe parallelt anordnede krummede skovler 11 som er arrangert på begge sider langs skovldiffusorens senterakse 12. De parallelt anordnede skovlene 11 danner sammen med topplaten 9 og bunnplaten 10 mange diffusorkanaler 13 som både ekspanderer og krummer i strømningsretningen. Langs skovldiffusorens senterakse 12 vil det være et fordelingskammer 14 som er avgrenset av skovldiffusorens topplate 9 og bunnplate 10 samt skovlenes 11

innløpskanter 15. Skovldiffusorens innløp 16 kommuniserer med separatorens innløps stuss 2 via en lukket kanal 3. Skovlene 11 er profilerte, det vil si at de har en varierende tykkelse i strømningsretningen, som medfører en jevnere ekspansjon av diffusorkanalenes 13 tverrsnittsareal enn om skovlene hadde hatt en uniform tykkelse. Skovlene 11 er hule hvis hulrom 20 dannes av skovlens trykkside 17, skovlenes sugeside 18 samt skovldiffusorens topplate 9 og bunnplate 10. På skovlenes trykkside 17 er det anordnet perforeringer og/eller slisser 21 slik at væsken som ansamles på skovlens trykkside 17 dreneres inn til skovlens hulrom 20.1 bunnen av skovlenes hulrom 20 er det videre anordnet en åpen passasje 22 gjennom skovldiffusorens bunnplate 10 slik at væsken som samles opp i skovlens hulrom 20 vil dreneres til undersiden av skovldiffusorens bunnplate 10 hvor det eventuelt kan anordnes et oppsamlingsvolum 23 som dreneres via en kanal 24 ned til væskefasen.

Det er foretrukket, men ikke nødvendig at det også er arrangert en dreneringskanal 25 som drenerer væske som ansamles på toppen av skovldiffusorens topplate 9. Det er ved en slik anordning foretrukket at det settes opp sidevegger 26 rundt hele topp platens 9 omkrets for å hindre væsken som ansamles på topp platen 9 og renne ned foran diffusorkanalenes 13 utløp.

En funksjonsbeskrivelse av skovldiffusoren i henhold til oppfinnelsen gies i det etterfølgende: Det innkomne fluidet fødes inn i skovldiffusorens fordelingskammer 14 fra separatorens innløps stuss 2 via en lukket kanal 3. Fluidet vil videre fordele seg og strømme inn i de parallelt anordnede diffusorkanaler 13 som er arrangert på begge sider av fordelingskammerets 14 senterlinje 12.

På grunn av at skovlene 11 er profilerte, det vil si at de har en varierende tykkelse i strømningsretningen, så vil diffusorkanalenes 13 tverrsnittsareal få en jevn ekspansjon hvilket medfører at fluidet ikke vil få en tilbakestrømning langs skovlens sugeside 18 slik tilfellet vil være for skovler med en konstant tykkelse.

På grunn av at diffusorkanalene er krumme så vil treghetskrefter medføre at hovedandelen av væskedråper avsettes på skovlenes trykkside 17 i form av en væskefilm. På skovlenes

trykkside 17 er det anordnet perforeringer og/eller slisser 21 slik at væsken som ansamles på skovlens trykkside 17 dreneres inn til skovlens hulrom 20.1 bunnen av skovlenes hulrom 20 er det videre en åpen passasje 22 gjennom skovldiffusorens bunnplate 10 slik at væsken som samles opp i skovlens hulrom 20 vil dreneres til undersiden av skovldiffusorens bunnplate 10 hvor det eventuelt kan anordnes et oppsamlingsvolum 23 som dreneres via en kanal 24 ned til væskefasen.

Figur 4 viser en separator med en skovldiffiisor i henhold til oppfinnelsen, bestående av en tank 1, en innløpstuss 2, en lukket kanal 3 som kommuniserer med innløpet til skovldiffusoren hvor skovldiffusoren har som formål å separere hele eller deler av væsken fra gassen samt fordele innstrømmende gass og resterende væske som ikke separeres i skovldiffusoren så skånsomt som mulig inn i separatorens 1 avsetningssone 5.

Ved løsningen ifølge oppfinnelsen vil mer av væsken bli skilt ut fra gasstrømmen allerede ved innløpet, slik at det er betydelig mindre væske som må skilles fra i avsetningssonen S, og tilsvarende mindre risiko for å overbelaste dråpefangersutstyret ved toppen av separatoren.

På grunn av at skovlene ifølge oppfinnelsen er profilerte vil en videre oppnå en mer effektiv retardasjon av gasshastigheten før denne føres inn i separatoren avsetningssone 5, slik at det oppnås en mer uniform vertikal strømning og dermed en mer effektiv separasjon i separatorens avsetningssone 5, med tilhørende ytterligere redusert risiko for å overbelaste dråpefangersutstyret ved toppen av separatoren.

Claims

1. Skovldiffiisor for bruk i separatorer som separerer en væskefase og/eller partikulært materiale fra en gasstrøm; omfattende et fordelingskammer (14) som kommuniserer med separatorens (1) innløps stuss (2), en topplate (9), en bunnplate (10) og et knippe parallelt anordnede krummede skovler (11), karakterisert ved at skovlene (11) har et hulrom (20) som kommuniserer med skovlenes (11) trykkside (17) gjennom slisser eller perforeringer (21) for å tillate hele- eller deler av væsken og eller partikulært materiale som ansamles på skovlens trykkside (17) i å strømme inn i skovlenes hulrom (20) og videre ned til under skovldiffusoren gjennom passasjer (22) i bunnplaten (10).

2. Skovldiffusor som angitt i patentkrav 1, karakterisert ved at det under bunnplaten 10 er anordnet et oppsamlingsrom (23) for væsken som strømmer gjennom passasjene (22).

3. Skovldiffusor som angitt i patentkrav 2, karakterisert ved at det er anordnet en kanal (24) for å drenere væske fra oppsamlingsrommet (23).

4. Skovldiffusor som angitt i patentkrav 1, karakterisert ved at skovlene (11) har en varierende tykkelse i strømningsretningen.

5. Skovldiffusor som angitt i et hvilket som helst av de foregående patentkrav, karakterisert ved at det er arrangert en dreneringskanal (25) som drenerer væske som ansamles på skovldiffusorens topplate (9).