NO320957B1

NO320957B1 - Separasjonsenhet

Info

Publication number: NO320957B1
Application number: NO20024729A
Authority: NO
Inventors: Arne Olav Fredheim; Bard Gjoen; Lars Henrik Gjertsen; Carl-Birger Jenssen
Original assignee: Statoil Asa
Priority date: 2002-10-02
Filing date: 2002-10-02
Publication date: 2006-02-20
Also published as: EP1545744A1; US8066804B2; US20060117959A1; NO20024729D0; NO20024729L; WO2004030793A1; AU2003269730A1

Description

O ppfinnelsens område

Den foreliggende oppfinnelse vedrører separasjon av væske fra gass. Nærmere bestemt vedrører den foreliggende oppfinnelse en separasjonsenhet med fordelaktige egenskaper.

Kjent teknikk og oppfinnelsens siktemål

Det er kjent en rekke innretninger som fungerer til å separere fluider av ulik tetthet ved hjelp av et syklonprinsipp. Nevnte prinsipp fungerer ved at en sammensatt fluidstrøm avbøyes for eksempel langs den indre vegg i en beholder, hvorved de tyngre bestanddeler beveger seg til utsiden av den buede fluidstrøm og akkumuleres mot den indre vegg av beholderen, hvorpå de tyngre bestanddeler som et resultat av tyngdekraften kan føres til et reservoar eller et uttak i bunnen av beholderen. De lettere bestanddeler blir konsentrert i senterområdet i beholderen, hvorpå de kan tas ut gjennom et uttak som har sin begynnelse i beholderens senterområde.

Noen eksempler på sykloner som benyttes til separasjon av fluider av ulik tetthet kan finnes i patentpublikasjonene NO 308199 og NO 144128 som omhandler hydrosykloner. De nevnte publikasjoner omfatter separasjon av fluider i form av væsker, eller endog væsker med innhold av faste bestanddeler, hvilke er fluider med relativt høy viskositet. For fluider med høy viskositet er det meget vesentlig å unngå unødige trykktap, hvilket problem er beskrevet i nevnte publikasjoner.

Trykktap er også et vesentlig problem i forbindelse med separasjon av væsker og/eller partikler fra en fluidstrøm som i hovedsak omfatter gass. Dette er beskrevet i patentpublikasjon NO 176309, som omhandler en anordning for separasjon av væsker og/eller partikler fra en høytrykksgasstrøm. I nevnte publikasjon, på side 1, linje 32-38, fremholdes det: " Gasstettheten er en meget viktig størrelse med hensyn til virkningsgraden av en sentrifugal gass- separator. Generelt får oppsamlingseffektiviteten og også trykkfallet hos en sentrifugalseparator de mest fordelaktige verdier når strømmen gjennom separatoren er en ideelt ordnet sentrifugalstrøm på hvilken ingen andre strømmer så som turbulens og sekundærstrømmer har innvirkning."

Anordningen ifølge NO 176309 omfatter en sylindrisk beholder med en i hovedsak vertikal fast akse, utstyrt med: Et øvre rom, til hvilket gassen mates;

et midtre rom, omfattende et antall blader som er spiralformet anbrakt omkring aksen;

et nedre rom for separasjon av gassen og væsken og/eller partiklene samt et koaksialt gassutføringsrør som strekker seg oppad fra nedre rom gjennom midtrommet og øvre rom, omkring hvilket spiralformede blader har blitt anbrakt;

idet anordningen er særpreget ved at hvert spiralformede blad omfatter en nedre del med en konstant helning og en del med en helning som gradvis øker i oppadgående retning.

Det er bladene i den ovennevnte anordning som bringer gassen til å rotere, hvilke blader er plassert på det koaksialt plasserte gassutføringsrør.

I patentpublikasjon GB 1119699 beskrives et innløp som er rettet nedover, til forskjell fra det konvensjonelle vane-innløp (Schoepentoeter) som er rettet utover. Innløpene har betydning for hvordan strømningen fordeles i separasjonsenheten.

Til tross for anordninger slik som de ovennevnte finnes det ennå et behov for forbedringer, særlig med hensyn til en anordning som i henhold til det ovennevnte får mest fordelaktige egenskaper når strømmen gjennom separatoren er en ideelt ordnet sentrifugalstrøm på hvilken ingen andre strømmer så som turbulens og sekundærstrømmer har innvirkning. Siktemålet med den foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en anordning som bidrar til å imøtekomme det ovennevnte behov.

O ppsummering av oppfinnelsen

Med den foreliggende oppfinnelse tilveiebringes det en separasjonsenhet for å separere ut væskefase og eventuelle andre bestanddeler fra en fluidstrøm som i hovedsak omfatter gass, hvilken separasjonsenhet har form som en stående beholder med rundt tverrsnitt, med utløp for væske i bunnen og utløp for gass i toppen,

hvilken separasjonsenhet omfatter

et fluidinnløp som enten er tangentielt orientert til separasjonsenhetens indre vegg eller er utstyrt med en avbøyningsplate, således at innført fluid rettes tangentielt horisontalt eller med svak helning nedover langs separasjonsenhetens indre vegg, og

separasjonsenheten er særpreget ved at den omfatter en fluidbane anordnet som en nedad rettet spiral inne i separasjonsenheten langs dens indre vegg, fra et nivå over eller likt med innløpet til et nivå likt med eller nær utløpet for væske, med åpning for gassunnslippelse langs fluidbanen inn mot separasjonsenhetens senter, slik at alt fluid som er blitt ført inn i fluidbanen føres gjennom hele fluidbanens lengde, bortsett fra unnsluppet gass.

Med betegnelsen en vertikalt stående beholder menes det en beholder med lengdeaksen orientert vertikalt eller med en liten vinkel fra vertikalen. Med betegnelsen rundt tverrsnitt menes det en beholder hvis tverrsnitt er sirkulært eller i nærheten av å være sirkulært, eksempelvis elliptisk eller med annet avvik fra sirkulært. Med betegnelsen langs separasjonsenhetens indre vegg menes det på separasjonsenhetens indre vegg eller i en avstand fra separasjonsenhetens indre vegg.

Fluidbanen er fortrinnsvis anordnet koaksialt med separasjonsenhetens lengdeakse.

Med separasjonsenheten ifølge oppfinnelsen vil innført fluid føres i en nedad rettet spiralbane i fluidbanen innvendig i separasjonsenheten.

Med den foreliggende oppfinnelse tilveiebringes det en anordning som under operasjon i meget stor grad frembringer en ideelt ordnet sentrifugalstrøm på hvilken ingen andre strømmer så som turbulens og sekundærstrømmer har innvirkning. Dette oppnås ved at all fluidavbøyning kan finne sted på separasjonsenhetens indre vegg og ved at fluidbanen i stor grad tilveiebringer en avskjermet laminær strøm på hvilken andre strømningsformer så som turbulens og sekundærstrømmer har liten innvirkning.

Med separasjonsenheten ifølge oppfinnelsen oppnås god separasjon av væske fra gass ved rotasjon/gravitasjon med minimal generering av turbulens og minimal oppliving av dråper. Videre oppnås det oppsamling av oppstrøms koalesert væske som ledes relativt upåvirket av gasstrømmen ned til bunnseksjonen. Innløpet og fluidbanen ifølge oppfinnelsen er robust med hensyn til variasjon i væskeandel i fødestrømmen, og medfører redusert væskeandel i føden til nedstrøms plassert væskeutskillingsutstyr. Resultatet er en god primær væskeseparasjon, med 50 til 75 % redusert væskeandel i gassen nedstrøms fluidbanen i forhold til konvensjonelle innløp. Driften av eventuelle innretninger i toppen og bunnen av separasjonsenheten, for å redusere væskeandelen ytterligere, blir også mer effektiv.

Tegning

Oppfinnelsen illustreres ved hjelp av figurer, nærmere bestemt:

Figur 1 som viser en utførelsesform av separasjonsenheten ifølge den foreliggende oppfinnelse, nærmere bestemt særpregede deler derav, og

Figur 2 og Figur 3 som viser eksperimentelle data presentert grafisk.

Detaljert beskrivelse

Med henvisning til figur 1 vises en typisk utførelsesform av de særpregede deler av separasjonsenheten ifølge den foreliggende oppfinnelse, nærmere bestemt et fluidinnløp og en fluidbane. Innløpet 1 fører fluidstrømmen inn mot en avbøyningsplate 2 som leder fluidstrømmen inn i en fluidbane 3. Fluidbanen består av en ledeplate 4 og en oppadragende kant 5 festet langs ledeplatens indre kant mot separasjonsenhetens senter.

Separasjonsenheten ifølge oppfinnelsen omfatter fortrinnsvis en fluidbane i form av en ledeplate som på separasjonsenhetens indre vegg er festet i spiralform fra nivå over innløpet til nivå like over utløpet for væske, hvilken ledeplate rager ut mot separasjonsenhetens senterakse en avstand fra 5 % til 20 % av separasjonsenhetens indre diameter og er utstyrt med en oppad ragende kant med høyde 75-150% av ledeplatens bredde nærmest inn mot separasjonsenhetens senter.

Fluidbanens bredde dekker fortrinnsvis 5-20 % av den indre diameter fordi større dekning gir høye lokale vertikale gasshastigheter, med økt tendens til medrivning av dråper, mens lavere dekning gir lav kapasitet. De nevnte grenser kan overskrides, men representerer i henhold til det ovennevnte ikke foretrukne utførelsesformer.

Den oppad ragende kant er fortrinnsvis parallell med en tenkt koaksialt anordnet sylinder inne i separasjonsenheten og fungerer til å samle opp og lede væske nedover i separasjonsenheten og til å hindre eller minimalisere at væske dras med oppover i separasjonsenheten med gasstrømmen.

Innløpet kan fordelaktig være tangentielt og med samme stigning som fluidbanen, hvorved det kan oppnås at all fluidavbøyning kan finne sted mot separasjonsenhetens eller fluidbanens indre vegg.

En foretrukken utførelsesform av separasjonsenheten ifølge oppfinnelsen omfatter at fluidbanen er en ledeplate som på separasjonsenhetens indre vegg er festet i spiralform 1-2 omdreininger fra separasjonsenhetens topp noe på oversiden av et sentrert innløp med avbøyningsplate til nivå noe over væskefasen i separasjonsenhetens bunn, idet ledeplaten har jevn stigning og rager ut 10% av separasjonsenhetens indre diameter fra veggen og er utstyrt med en midtstilt innfestet oppadragende kant med høyde lik ledeplatens bredde nærmest inn mot separasjonsenhetens senter.

Spiralringen har fortrinnsvis 1-2 omdreininger for å begrense separasjonsenhetens høyde, men med hensyn til effekt kan det benyttes flere omdreininger. Stigningen til spiralringen er typisk ca. 10° nedover fra horisontalt, men stigningen kan varieres. For en typisk separasjonsenhet med indre diameter 400 mm blir en typisk vertikal høyde mellom hver spiralomdreining 150 mm.

Fluidbanen omfatter fordelaktig et spiralformet rør plassert inne i separasjonsenheten, hvilket spiralformede rør i separasjonsenhetens topp er orientert i direkte forlengning fra et tangentielt innløp og strekker seg til like over utløpet i separasjonsenhetens bunn, hvilket spiralformet rør i hele sin lengde har en langsgående eller flere tett plasserte åpninger for gassunnslippelse. Denne utførelsesform er særlig fordelaktig med hensyn til fabrikasjon.

Separasjonsenheten kan fordelaktig ha form som en avkuttet omvendt kjegle hvor en spiralformet fluidbane i form av et langsgående.åpent rør med spiralering tilpasset separasjonsenhetens form er ført inn. Derved oppnås en gradvis økende avbøyning av fluidstrømmen og således en gradvis økende væskeutskillelse.

En virvelbryter er fordelaktig anordnet ovenfor separasjonsenhetens utløp. Derved kan væske renne fritt fra virvelbryteren ned til væske som holdes i bunn av separasjonsenheten mens gassen kan stige opp mot utløpet i toppen av separasjonsenheten. Virvelbryteren kan ha ulike kjente utforminger, hvorav to eksempler er henholdsvis ledeplater som bryter spiralstrømningen og en såkalt kinahatt.

Fluidbanen kan i nedad retning fordelaktig ha økende stigning. Derved kan en økende andel væske lettere ledes ned mot separasjonsenhetens bunn.

Fluidbanen kan i nedad retning ha økende åpning for gassunnslippelse. Dette kan være fordelaktig for å oppnå en høy væskeandel i fluidstrømmen nederst i fluidbanen og for å unngå at gass som allerede er relativt tørr blir blandet med væske i en eventuell virvelbryter og derfra tar med seg væske.

Separasjonsenheten ifølge den foreliggende oppfinnelse kan ha flere utførelsesformer enn de ovennevnte. Eksempelvis kan antallet rotasjoner i fluidbanen være betydelig større enn 2, eksempelvis 5 eller maksimalt så mange som fortsatt gir væskeutskillelse. Separasjonsenheten kan videre for eksempel ha utforming som en spiralering i et nedadrettet rør, hvor det rundt spiraleringen er bygget en beholder med utløp for gass i toppen og utløp for væske i bunnen. Separasjonsenheten kan inneholde ytterligere utstyr enn det ovennevnte. Det kan for eksempel anordnes utstyr for demisting i separasjonsenhetens topp, for eksempel trådmatter, sykloner og/eller vanes, hvilke kan være av kjente typer eller av nye typer. Fluidbanen anordnes mellom eventuelt utstyr for demisting i separasjonsenhetens topp og eventuelt utstyr for virvelbryting i separasjonsenhetens bunn. Ytterligere utstyr i separasjonsenheten ifølge oppfinnelsen omfatter for eksempel instrumentering.

Eksempel

Et eksperiment ble gjennomført med en føde av luft og vann. Over innløpet ble det plassert en trådmatte i en avstand på 600 mm fra innløpet. Det ble benyttet to typer separasjonsenheter, henholdsvis en med innløp og fluidbane i henhold til den foreliggende oppfinnelse og en med et konvensjonelt vaneinnløp av tidligere kjent type.

Forøvrig var separasjonsenhetene identiske. Resultatene av eksperimentet er gjengitt i de grafiske fremstillinger i figurene 2 og 3, henholdsvis. GLF representerer gasslast faktor = v <*> (tetthet gass/ tetthet væske - tetthet gass). Slik det fremgår ble det en betydelig lavere væskemedrivning med separasjonsenheten ifølge den foreliggende oppfinnelse sammenlignet med separasjonsenheten med det tidligere kjente vaneinnløp. En separasjonsenhet med innløp og fluidbane i henhold til den foreliggende oppfinnelse medfører anslagsvis 50 til 75 % redusert væskeandel nedstrøms fluidbanen.

Claims

1. Separasjonsenhet for å separere ut væskefase og eventuelle andre bestanddeler fra en fluidstrøm som i hovedsak omfatter gass, hvilken separasjonsenhet har form som en stående beholder med rundt tverrsnitt, med utløp for væske i bunnen og utløp for gass i toppen, idet separasjonsenheten omfatter et fluidinnløp (1,2) som enten er tangentielt orientert til separasjonsenhetens indre vegg eller er utstyrt med en avbøyningsplate (2), således at innført fluid rettes tangentielt horisontalt eller med svak helning nedover langs separasjonsenhetens indre vegg, karakterisert ved at innført fluid føres inn i en fluidbane (3) anordnet som en nedad rettet spiral inne i separasjonsenheten langs dens indre vegg, fra et nivå over eller likt med innløpet til et nivå likt med eller nær utløpet for væske, med åpning for gassunnslippelse langs fluidbanen inn mot separasjonsenhetens senter, slik at alt fluid som er blitt ført inn i fluidbanen føres gjennom hele fluidbanens lengde, bortsett fra unnsluppet gass.

2. Separasjonsenhet ifølge krav 1, karakterisert ved at den omfatter en fluidbane i form av en ledeplate (4) som på separasjonsenhetens indre vegg er festet i spiralform fra nivå over innløpet til nivå like over utløpet for væske, hvilken ledeplate rager ut mot separasjonsenhetens senterakse en avstand fra 5% til 20% av separasjonsenhetens indre diameter og er utstyrt med en oppadragende kant (5) med høyde 75-150% av ledeplatens bredde nærmest inn mot separasjonsenhetens senter.

3. Separasjonsenhet ifølge krav 1, karakterisert ved at fluidbanen omfatter en ledeplate (4) som på separasjonsenhetens indre vegg er festet i spiralform 1-2 omdreininger fra separasjonsenhetens topp noe på oversiden av et sentrert innløp med avbøyningsplate til nivå noe over væskefasen i separasjonsenhetens bunn, idet ledeplaten har jevn stigning og rager ut 10% av separasjonsenhetens indre diameter fra veggen og er utstyrt med en midtstilt innfestet oppadragende kant (5) med høyde lik ledeplatens bredde nærmest inn mot separasjonsenhetens senter.

4. Separasjonsenhet ifølge krav 1, karakterisert ved at fluidbanen omfatter et spiralformet rør plassert inne i separasjonsenheten, hvilket spiralformede rør i separasjonsenhetens topp er orientert i direkte forlengning fra et tangentielt innløp og strekker seg til like over utløpet i separasjonsenhetens bunn, hvilket spiralformet rør i hele sin lengde har en langsgående eller flere tett plasserte åpninger for gassunnslippelse.

5. Separasjonsenhet ifølge krav 1 eller 4, karakterisert ved at separasjonsenheten har form som en avkuttet omvendt kjegle hvor en spiralformet fluidbane i form av et langsgående åpent rør med spiralering tilpasset separasjonsenhetens form er ført inn.

6. Separasjonsenhet ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at en virvelbryter er anordnet ovenfor separasjonsenhetens utløp.

7. Separasjonsenhet ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at fluidbanen i nedad retning har økende stigning.

8. Separasjonsenhet ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at fluidbanen i nedad retning har økende åpning for gassunnslippelse.

9. Separasjonsenhet ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at den har utstyr for demisting anordnet mellom innløpet og utløpet for gass og utstyr for virvelbryting anordnet mellom fluidbanens nedre ende og utløpet for væske.