NO326703B1 - Apparat og fremgangsmåte for å fjerne en gass fra en væske - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte og et apparat for å fjerne en gass fra en væske, ifølge kravinnledningen.

I mange industrier omfattende olje, papir og papirmasse, tekstil, elektrisitets-generering og matprosessering, er det et evig problem å håndtere vann forurenset med forskjellige substanser. Spesielt er.vann ofte benyttet til hjelp i produksjon av olje og gass på offshoreplattformer. Dette vannet er vanligvis pumpet inn i en formasjon for å kunne være i stand til å pumpe ut oljen. Vannet pumpet inn i formasjonen er vanligvis tilgjengelig vann, og er sjøvann når det vedrører offshoreplattformer. Sjøvann, som alt naturlig tilgjengelig vann, inneholder små konsentrasjoner av oksygen, vanligvis i størrelsesorden av 6-10 ppm (deler pr. million). Pumper, rør og andre strukturer som sjøvannet er sent gjennom forut for injeksjon inn i en underjordisk formasjon er vanligvis jern- eller kopperlegeringer. Korrosjon av disse metallene er katalysert av de små mengdene av oksygen til stede i sjøvann, og derved er det ønskelig å fjerne så mye av dette oksygenet som mulig forut for å transportere vannet gjennom rørene, pumpene og andre apparater forut for formasjonsinjeksjon. Fordi det er spesielt vanskelig å erstatte og reparere utstyr i offshoreboringsoperasjoner fordi mye av utstyret er under vann og relativt utilgjengelig, er det spesielt viktig å minimere korrosjon av utstyret så mye som mulig.

Nåværende praksis for å fjerne oksygen fra vann omfatter rektifiseringskolonner som benytter naturgass, og/eller benytter et vakuum for å redusere koketrykket til vann. Slik kjent teknikk kan vanligvis ikke fjerne oksygenet til sporingsnivåer, og dermed er kjemiske rensere slik som sulfitter benyttet for å fjerne oksygen ytterligere i et separat steg. Uheldigvis er flytende offshoreplattformer vanligvis ikke tolerante for store beholderhøyder som er påkrevd for konvensjonell rektifiseringskolonne for oksygen-fjerning. Det vil derfor være fordelaktig å fremskaffe en fremgangsmåte og apparat for å fjerne oksygen fra vann på en effektiv måte som involverer en kortere fysisk profil, og spesielt i et apparat som er tilpasset for bruk på en flytende offshore-plattform.

Et apparat for å innta og blande gass inn i et væskelegeme er kjent, slik som de i US patent nr. 3 993 563, som omfatter en tank, roterbart løpehjul festet til en vertikal drivaksel og et rør som strekker seg vertikalt og som omkranser drivakselen og som strekker seg til en plassering i væsken over løpehjulet for å tjene som en kommunikasjonskanal mellom en kilde før gass og løpehjulet.

Således er det et formål med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe et apparat for å fjerne en gass fra en væske, hvor apparatet er spesielt passet for å være benyttet på flytende offshorehydrokarbongjenvinningsplattformer. Videre er et annet formål med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en mekanisk, sylindrisk gassrensemaskin som har redusert høyde sammenliknet med en rektifiseringskolonne med en bunnpanne for kjemisk rensebehandling for å redusere oksygeninnholdet i en væske slik som vann. Dette oppnås med innretningen ifølge foreliggende oppfinnelse slik den er definert med de i kravene anførte trekk.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende i forbindelse med noen utførelseseksempler og under henvisning til tegningen, der figur 1 er en skjematisk tverrsnittsillustrasjon av én utførelse av den mekaniske oksygenrenseinnretningen i henhold til oppfinnelsen.

Det vil forstås at figuren er en skjematisk illustrasjon som ikke har riktig målestokk eller proporsjoner for ytterligere å illustrere viktige deler av oppfinnelsen.

Foreliggende oppfinnelse vil nå bli beskrevet, ved hjelp av eksempel, og ikke begrenset, med den innstrømmende eller behandlede væsken som er vann som inneholder oksygen som er erstattet med den inerte nitrogen. Imidlertid vil det være forstått at oppfinnelsen ikke er begrenset til denne spesielle væsken eller til disse spesielle gassene. Det er forventet at fremgangsmåtene og apparatene vil finne anvendelse med andre væsker enn vann og andre gasser enn oksygen og nitrogen. Det skal bli forstått at foreliggende oppfinnelse har anvendelse i mange applikasjoner hvor det er ønskelig å erstatte én gass fra en væske med en annen, og at den erstattede gassen, væsken som inneholder den nye gassen eller begge kan være det ønskede produkt fra prosessen.

Med referanse nå til figuren, omfatter systemet 10 til apparatet i henhold til en foretrukket utførelse av oppfinnelsen en beholder 12 for å motta en strøm av væske 14 som har en første gassblanding deri, hvor beholderen 12 i en foretrukket utførelse har en kontinuerlig sylindrisk sidevegg og er i stand til å motstå vesentlig innvendig trykk. Beholderen 12 er delt inn i en mateboks eller innløpskammer 16, minst et første forgassingskammer 18, et andre forgassingskammer 20 og et utløp eller utløpskammer 22, hvor hvert nærliggende kammer kan fluidkommunisere med hverandre, dvs. at et fluid i et kammer kan og bør strømme inn i et nærliggende kammer. Utløpskammeret 22 kan valgfritt arbeide i sekundær oksygenkjemisk rensing. Utløpskammeret 22 kan valgfritt tilveiebringe en injeksjonstrykkøkningspumpe pluss nivåkontroll som vanligvis benyttet i prosessen, selv om disse senere funksjonene ikke vil påvirke fjerningen av den første gassen med den andre gassen. Det bør være tydelig at gjennomstrømningen av væsken er fra innløpet 30 til utløpet 34. Den spesielle beholderen 12 vist i figuren inneholder også henholdsvis tredje og fjerde gassifiseringskamre 24 og 26. Kamrene 16, 18, 20, 24, 26 og 22, og er delt av et mangfold av hovedsakelig vertikale oppdelinger, henholdsvis 42, 44, 46, 48 og 50. Oppdelingen 42 kan, i én ikke-begrensende utførelse, strekke seg fra toppen og bunnen av det indre av beholderen 12 og ha en åpning 52 i midten til denne for å tillate fluid å strømme inn i første forgassingskammer 18. Oppdelingene 44, 46, 48 og 50 strekker seg fra den innvendige toppen av beholderen 12 nedover, og der plassert over den innvendige bunnen til beholderen 12 for å tillate fluid-kommunikasjon mellom nærliggende kamre. Strømmen av væske 14 følger væsketransportbanen 36 gjennom beholderen 12, selv om det innenfor hvert kammer vil inntreffe noe tilbakestrømning 40 av væske 14 inn i løpehjulet eller rotoren 38 under agitasjon og blanding.

Hvert forgassingskammer 18, 20, 24 og 26 kan være, men trenger ikke å være, hovedsakelig identiske i konstruksjon. Kun forgassingskammeret 20 er vist i detalj, og det kan bli antatt for formålet for denne ikke-begrensende forklaringen at de andre forgassingskamrene er like. Hvert forgassingskammer 18, 20, 24 og 26 vil ha et damprom 54 over nivået til væsken 14, men damprommet til nærliggende kamre er ikke i kommunikasjon med hverandre. Mest fordelaktig er det et fravær av kommunikasjon mellom et damprom til ethvert forgassingskammer med damprommet til ethvert av de andre forgassingskamrene. Lengden av oppdelingene 42, 44,46,48 og 50 er kalkulert til å minimere effekten av trykkdifferanse på grunn av forskjell i gjennomstrømningsraten under hver respektive oppdeling.

Innløpskammeret 16 har et innløp 30 for å introdusere gjennomstrømning av væske 14 til innløpskammeret 16. Hvert forgassingskammer 18, 20, 24 og 26 har minst én mekanisme 32 for å ta inn og blande gass inn i væsken til hvert respektive forgassingskammer 18, 20, 24 og 26 for å skape et turbulent område hvor den andre gassen flytter den første gassen til en øvre del eller damprom 54 til beholderen 12 for hvert respektive kammer 18, 20, 24 og 26. Gassinntaks- og blandingsmekanismen 32, kan i én ikke-begrensende utførelse, være en nedsenket rotormekanisme, og i en annen ikke-begrenset utførelse en vanlig oppløst luftoppdritfsmekanisme, og er fortrinnsvis innretningen i US patent nr. 3 993 563 inkorporert som referanse heri, selv om det vil forstås at andre innretninger, omfattende, men ikke begrenset til, enkle lufteinnretninger, kan bli benyttet. Mekanismene 32 kan også være rensere. Mekanismene 32, slik som beskrevet i US patent nr. 3 993 563, kan hver omfatte én eller flere eksterne gassirkulasjonsporter 56 for å overføre gass inn i rotorsammenstillingen til mekanismen 32 fra damprommet 54 i den øvre delen av beholderen 12. Vanligvis skaper mekanismene 32 en virvelstrøm som trekker luft fra damprommet 54 inn i væsken. Det er ikke hensikten til apparatet eller fremgangsmåten å resirkulere gassen fra damprommet når den første oppløste gassen blir fjernet med en andre inntatt gass. Den andre gassen vil bli introdusert via en ekstern gasstilkopling 58 som vil bli festet til en kilde eksternt til beholderen 12.

Gassinntaks- og blandingsmekanismene 32 får sine kilder av den andre gassen, valgfritt en intertgass slik som nitrogen, fra gasstilkoplingen eller innløpet 58 i hvert forgassingskammer 18, 20, 24 og 26. Hvert gassinnløp 58 vil bli plassert innenfor standrørdiameteren til hvert ventileringskammer 18, 20, 24 og 26. Vertikal standrørdel 56 av generelt sylindrisk konfigurasjon er til stede mellom løpehjulet 38 og standrommet 54. Kommunikasjon mellom gasstilkoplingen 58 og gassinntaks- og blandingsmekanismene 32, er ved hjelp av ledninger som ikke er vist i figuren. Den andre gassen blir ikke injisert inn i damprommet 54 i hvert kammer 18, 20, 24 og 26. Istedenfor blir den første gassen fjernet fra fluidet oppsamlet i damprommet 54 og fjernet fra beholderen 12 av tankluftehull 60, plassert i hvert kammer 18, 20, 24 og 26. En del av den andre gassen som passerer gjennom væsken i hvert kammer tillates å bli ventilert gjennom tankluftehullet 60. Det kan være ønskelig eller nødvendig for utløpet fra damprommet 54 i hvert forgassingskammer å bli utstyrt med en enveis gassventil for å forhindre tilbakestrøm av den fjernede første gassen. Med andre ord er det ikke et krav til apparatet eller fremgangsmåten at alt av den andre gassen som blir injisert inn i beholderen 12 blir ført ut med fluider 14 idet den strømmer ut gjennom utløpet 34.

Den andre gassen, for eksempel nitrogen, blir indusert inn i væsken, for eksempel vann, for å bli avgasset av mekanismene 32. Denne prosessen tilveiebringer også et middel for å kontrollere deltrykkparametrene, og tillater den andre gassen å fjerne den første gassen, for eksempel oksygen, som derved renser oksygen fra vannet. Den første gassen blir fysisk sett ikke kjemisk fjernet fra fluidet av den andre gassen. Henry's lov om deltrykk krever at den første gassen blir fjernet når den andre gassen blir introdusert. Med hvert påfølgende kammer blir mer av den første gassen erstattet ved hvert punkt. Antallet av steg eller kamre er ikke kritisk, men bør være tilstrekkelig i antall for å redusere konsentrasjonen av den første gassen i fluidet til et ønsket nivå. Det er antatt at flere forgassingskamre vil være nødvendig for å fjerne tilstrekkelige mengder av den første gassen i de fleste tilfeller. Det bør være tydelig at fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen er en kontinuerlig prosess. Det er ønskelig å forutsi og kontrollere mengden av det andre gassinntaket basert på rotor-32-neddykking og hastighet en til rotor eller løpehjul 38 for å oppnå det ønskede fjerningsnivået for den første gassen, og raten som den andre gassen blir trukket inn med.

Gassinntaks- og blandingsmekanismene 32 kan også omfatte vannsugerør (ikke vist) for å overføre vann inn i rotorsammenstillingene til mekanismene 32 utelukkende fra bunnen av beholderen 12. Inkludering av vannsugerør forenkler kapasitetsvariasjoner inne i den samme geometrien fordi alt vannet som trenger inn i rotorsammenstillingen blir ledet til rotorinnsugingen fra bunnen av beholderen 12, som reduserer fluidforbipassering og snarveier ("short circuiting") av fluidet rundt de turbulente områdene. Det behandlede avløpet strømmer ut av beholderen 12 via utløpet 34 som kan ha en ventil deri (ikke vist). Strøm gjennom beholderen blir opprettholdt ved hjelp av pumper eller iboende sy steintrykk (ikke vist).

Det kan i beholderen 12 også finnes en innvendig væskenivåkontrollmekanisme med flytende fortrengingslegeme (eller annen passende væskenivåkontrollmekanisme) for å regulere raten som fluid 14 kommer inn i beholderen 12 med. Apparatet 10 kan også ha en styremekanisme, slik som en programmerbar, logisk kontrollenhet (PLC) (ikke vist) for å kontrollere væskenivået i forgassingskamrene 18, 20, 24, 26 ved å innhente nivåinformasjon fra nivåsenderen (ikke vist), og å regulere strømmen gjennom nivåstyreventilen (LCV) (ikke vist) som er i fluid-kommunikasjon med væsken i hvert kammer. Den eksakte utformingen av nivågiverne, PLCene og LCVene er ikke kritisk, og kan være konvensjonelle innen området; imidlertid er deres implementering i oksygen-renseapparatet i henhold til oppfinnelsen forventet å være oppfinnsomme.

I én utførelse av oppfinnelsen, har det oksygenrensende apparatet 10 en dobbeltcellekonstruksjon, dvs., kun to forgassingsceller, 18 og 20, men flere kan bli benyttet, som illustrert i figuren. En valgfri kjemisk rensemateenhet (ikke vist), som er en standard mateenhet for å fordele en tilmålt mengde av den første gassrensingskjemikalie, slik som sulfitter, inn i fluidet 14, for ytterligere å behandle fluidet for å oppnå optimal separasjon av den første gassen fra vannet, kan være tilveiebrakt. Denne valgfrie kjemiske behandlingen kan skje i utløpskammeret 22. Imidlertid vil det forstås at en slik ytterligere kjemisk rensebehandling kan være unødvendig.

Selv om det ikke er vist, kan ventiler være tilveiebrakt for avblåsing av slam som oppsamler seg i bunnen av beholderen 12. En drenering 64 for å rense ut beholderen 12 kan også være tilveiebrakt. Det er heller ikke vist valgfrie måleinstrumenter for å overvåke trykket til avløpet og gjennomstrømning av gass.

I fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen, blir en kontinuerlig strøm av væske 14, som har en første gass blandet eller oppløst deri, introdusert inn i et innløpskammer 16 gjennom innløpet 30. Fluid 14 strømmer forbi oppdelingen 42 inn i forgassingskamrene 18, 20, 24 og 26 fortløpende via væsketransportbanen 36.1 hvert kammer blir en strøm av en andre gass introdusert inn i væsken 14 ved gassinntakings- og blandingsmekanismene 32, som skaper et turbulent område i kamrene 18, 20, 24 og 26, og som tillater den andre gassen fysisk å fjerne den første gassen. Den første gassen blir tvunget ut av væsken 14 som bobler til den øvre delen av beholderen 12 hvor den samles opp i de respektive damprommene 54 til hvert kammer. Den første gassen blir samlet opp og fjernet gjennom tankluftehull 60.

Fluid 14, gradvis befridd for mer og mer av den første gassen, strømmer deretter under hver oppdeling 44, 46, 48 og 50 og strømmer så gjennom væskeutløpet 34. Det vil forstås at det ikke er mulig å forutsi med nøyaktighet hvor mye av den første gassen man kan fjerne fra væsken 14, siden slik fjerning avhenger av et antall av komplekse, innbyrdes sammenhengende faktorer som omfatter, men som ikke er begrenset til beskaffenheten til gassene, beskaffenheten til væsken, konsentrasjonen av den første gassen i væsken, væskens evne til å absorbere den andre gassen, temperaturen til væsken, trykket inne i beholderen 12 og tilsvarende. Uansett, for å kunne gi en indikasjon på de reduksjonsnivåene som kan oppnåds, er det forventet at oksygen i sjøvann kan bli fjernet av nitrogen fra opprinnelige nivåer på ca. 6-10 ppm til ca. 0,5-1 ppm, i en ikke-begrensende utførelse.

Raten som den rensede væsken 14 kan fjernes fra beholderen 12 med, kan være regulert av en ventil eller ventiler (ikke vist) som en respons på programvarekommandoer eller andre kontrollmekanismer.

For å oppsummere omfatter fordelene med oppfinnelsen, men er ikke begrenset til, en reduksjon i beholderhøydekravene sammenliknet med separate rektifiseringskolonner og reduserte kapitalkostnader. Disse fordelene er oppnådd gjennom en oksygenrensende maskin (for eksempel en renser) som benytter fysiske fremgangsmåter for å fjerne en første uønsket gass med en andre, inertgass. FPSO-installasjoner (floating production system operations) som benytter vannoversvømmelser kan også benytte apparatet i henhold til oppfinnelsen. I de fleste forutsatte fremgangsmåtene apparatet i henhold til oppfinnelsen, er det ikke forventet at væsken kun inneholder veldig små mengder av den andre gassen. Det kan være at væsken inneholder betydelige mengder av den andre gassen, og dette er akseptert.

I den ovenfor nevnte spesifikasjonen, har oppfinnelsen blitt beskrevet med referanse til spesifikke utførelser av denne, og har blitt demonstrert som effektiv i å tilveiebringe en innretning og apparat for å fjerne eller å utskille en uønsket gass fra en væske. Imidlertid vil det være tydelig at forskjellige modifiseringer og endringer kan bli gjort til denne og like fullt falle innenfor de vedlagte kravene. Tilsvarende er spesifikasjonen ment å være sett på som illustrativ i motsetning til begrensende. For eksempel kan avstandene mellom oppdelingene og volumene av de forskjellige kamrene bli endret eller optimalisert fra den illustrerte og beskrevne, og selv om de ikke var spesielt identifisert eller utprøvd i et spesielt apparat, vil være antatt å være innenfor omfanget til denne oppfinnelsen. Tilsvarende vil gassinntaks- og blandingsmekanismer, og nivågivere og kontrollinnretninger som er forskjellige fra de som er illustrert og beskrevet heri, være forventet å bli brukt og være omfattet av de vedlagte krav.

Claims (15)

1. Apparat (10) for å fjerne en gass fra en væske (14), karakterisert ved (a) en sylindrisk trykktank (12) for å motta en strøm av en væske (14) som har en første gass oppbevart deri; (b) et mangfold av oppdelinger (42,44,46) som sekvensielt deler trykktanken (12) inn i minst et første forgassingskammer (18) og et andre forgassingskammer (20), idet hvert nærliggende kammer (18,20) er i fluid-kommunikasjon med hverandre, og hvert kammer (18,20) har et damprom (54), med fravær av kommunikasjon mellom damprommene (54) til nærliggende kamre; (c) et innløp (30) for å introdusere gjennomstrømning av væske (14) inn i forgassingskamrene (18,20); (d) en mekanisme (32) for å ta inn og å blande en andre gass inn i væsken (14) til hvert forgassingskammer (18,20) for å skape et turbulent område og for å forflytte minst en del av den første gassen fra væsken (14) til damprommet (54) til hvert kammer; (e) et gassutløp i hvert kammer for å fjerne den forflyttede gassen fra damprommet (54) til hvert kammer (18,20); (f) et utløp (34) for å fjerne væske (14) fra trykktanken (12); og (g) en andre gassmating (58) til hver mekanisme (32).

2. Apparat (10) i henhold til krav 1, karakterisert ved å ytterligere omfatte en kontrollmekanisme (62) for å kontrollere væskenivået i beholderen (12).

3. Apparat (10) i henhold til et hvilket som helst av kravene ovenfor, karakterisert ved at mekanismen (32) for å ta inn og å blande er en nedsenket rotormekanisme.

4. Apparat (10) i henhold til et hvilket som hest av kravene ovenfor, karakterisert ved at mekanismen (32) for å ta inn og å blande er en renser.

5. Apparat (10) i henhold til et hvilket som hest av kravene ovenfor, karakterisert ved å ytterligere omfatte et luftehull (60) for å fjerne den første gassen fra apparatet (10).

6. Apparat (10) i henhold til et hvilket som helst av kravene ovenfor, karakterisert ved å ytterligere omfatte et innløpskammer (16) mellom innløpet (30) og det første forgassingskammer (18).

7. Apparat (10) i henhold til et hvilket som helst av kravene ovenfor, karakterisert ved å ytterligere omfatte et utløpskammer (22) mellom det andre forgassingskammeret (20) og utløpet (34).

8. Fremgangsmåte for å fjerne en gass fra en væske (14), karakterisert ved (a) å tilveiebringe en sylindrisk trykktank (12) i henhold til et hvilket som helst av kravene ovenfor; (b) å introdusere en strøm av væske (14) som inneholder en første gass inn i innløpskammeret (16) gjennom et innløp (30); (c) å introdusere en strøm av en andre gass under trykk inn i hvert av forgassingskamrene (18,20) for å skape et turbulent område, og å forflytte minst en del av den første gassen fira væsken (14) inn i damprommet (54) til de respektive forgassingskamrene (18,20) med den andre gassen; (d) å fjerne den forflyttede første gassen fra damprommet (54) til hvert forgassingskammer (18,20); og (e) å fjerne væsken (14) som inneholder den andre gassen fra trykktanken (12) gjennom et utløp (34) deri.

9. Fremgangsmåte i henhold til krav 8, karakterisert ved at det å introdusere gjennomstrømning av den andre gassen inn i forgassingskammeret (18,20) omfatter å ta inn og å blande den andre gassen med væsken (14).

10. Fremgangsmåte i henhold til krav 9, karakterisert ved at det å introdusere gjennomstrømning av den andre gassen omfatter å betjene en rotor (38) ved en forutbestemt hastighet og rotorneddykking konstruert for å regulere raten som den andre gassen blir trukket inn med.

11. Fremgangsmåte i henhold til krav 8, karakterisert ved at oppholdstiden i hvert forgassingskammer (18,20) er cirka ett minutt.

12. Fremgangsmåte i henhold til krav 8, karakterisert ved at væsken (14) er vann.

13. Fremgangsmåte i henhold til krav 8, karakterisert ved at den første gassen er oksygen.

14. Fremgangsmåte i henhold til krav 8, karakterisert ved at den andre gassen er nitrogen.

15. Fremgangsmåte i henhold til krav 8, karakterisert ved at det å i punkt (d) fjerne den erstattede gassen medfører at en del av den andre gassen også blir fjernet.