NO331488B1 - Beskyttelsessystem for a forhindre skader pa et gassdiffusjonsmembran - Google Patents

Abstract

Et beskyttelsessystem anordnet til å forhindre en stor trans-membran trykkdifferanse over et trykksensitivt membran (4) anbragt i et trykkbestandig kammer (3), hvor membranet danner en fysisk barriere mellom en væske og en gassblanding som ledes gjennom kammeret (3). Beskyttelsessystemet innbefatter to avstengningsventiler (9,10) tilveiebragt henholdsvis i væskeinnløps- og utløpsledningene, en buffertank (2) tilveiebragt i ledningen mellom en av avstengningsventilene (9,10) og det trykkbestandige kammeret (3), en trykkutjevningsventil (12) tilveiebragt mellom gassinnløpsledningen (8) og buffertanken (2) og en trykkfølerventil (14) for måling av trykkdifferansen over membranet (4) og som aktiverer avstengningsventilene (9,10) når denne trykkdifferansen overskrider en forutbestemt verdi.

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører et beskyttelsessystem anordnet for å forhindre en stor trans-membran trykkdifferanse over en trykksensitiv membran anbrakt i et trykkbestandig kammer, hvor det danner et fysisk barriere mellom en væske og en gassblanding som føres gjennom kammeret.

Foreliggende oppfinnelse har blitt utviklet spesielt for beskyttelse av membraner som brukes for gass-søting (nemlig CC>2-fjerning, men også for fjerning av H2S og andre sure gasskomponenter) og for dehydrering av naturgass (H20-fjerning). Slike membraner er generelt utformet som sylindriske rør. Gassen blir vanligvis ført langs den ytre overflaten til membranen og de sure gasskomponentene diffunderer gjennom membranen, blir absorbert av væsken (vanligvis amin) som strømmer aksialt gjennom det indre av membranen. Væskens evne til å absorbere de sure gasskomponentene øker sterkt ved økende trykk. Kontinuerlig fjerning av syre gasskomponenter skjer ved å redusere trykket til væsken etter passering gjennom membranene, for å frigjøre de sure gasskomponentene til den omgivende atmosfæren. Trykket til naturgassen er typisk i størrelsesorden 30 - 100 bar. Siden membranene lett skades selv ved moderate trykkdifferanser over membranen, må det være mulig å regulere trykket til væsken meget nøyaktig. Membraner som benyttes for denne hensikt kan skades ved så små trykkdifferanser som +/- 1 bar.

Den vanligste metoden som brukes for å forhindre de skadelige trykkdifferansene innbefatter å tilveiebringe en buffertank, hvori væske og naturgass er i åpen kontakt. Trykkvariasjonene blir derved tatt opp av væsken som strømmer inn eller ut av buffertanken. Dette konvensjonelle systemet vil kreve en buffertank med relativt stort volum og vekt, siden den må være utformet for høyt trykk. Responstiden for avstengning på grunn av en for stor økning av trykkdifferansen er relativt lang. Trykkdifferansen over membranen kan derved alltid holdes lav, ved å installere en enkelt reguleringsanordning for å sikre redusert utgående effekt fra pumpen ved en økning av buffertankens væskenivå og omvendt.

N0312341 beskriver et sikkerhetssystem for å forhindre stort trykkfall over en membran. Systemet omfatter pneumatisk opererte stengeventiler montert i henholdsvis inn- og utløpskanalen for væske og en buffertank samt en trykkfølerventil som aktiverer stengeventilene. I en utførelsesform for å oppnå kort lukketid har stengeventilene stort tverrsnitt på tetningsflaten sett i forhold til det effektive strømningstverrsnittet i kretsløpet. Publikasjoner angir ikke i detalj hvilken størrelsesforhold som er nødvendig for å oppnå en kort bevegelsesavstand og en kort lukketid.

Hensikten med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe et beskyttelsessystem som er i stand til å beskytte membranene mot skadelige trykkvirkninger. Videre er det en hensikt med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe et beskyttelsessystem som har til hensikt å føre anlegget tilbake til normal drift så snart forholdene tillater dette.

Disse og andre hensikter med oppfinnelsen vil fremgå klarere fra beskrivelsen av foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen.

Disse og andre hensikter oppnås med et beskyttelsessystem anordnet til å forhindre en stor trans-membran trykkdifferanse over en trykksensitiv membran anbrakt i et trykkbestandig kammer, hvor membranen danner en fysisk barriere mellom en væske og en gass når en væske og en gassblanding føres gjennom kammeret,

hvor beskyttelsessystemet innbefatter to avstengningsventiler tilveiebrakt henholdsvis i væskeinnløps- og utløpsledningene, en buffertank tilveiebrakt i ledningen mellom en av avstengningsventilene og det trykkbestandige kammeret, en trykkutjevningsventil tilveiebrakt mellom gassinnløpsledningen og buffertanken og en trykkfølerventil for måling av trykkdifferansen over membranen og som aktiverer avstengningsventilene når denne trykkdifferansen overskrider en forutbestemt verdi,

kjennetegnet ved at tverrsnittet til ventilsetene til avstengningsventilene er 2 til 5 ganger større enn det effektive strømningsarealet for å gi ventillegemet en kort bevegelsesavstand fra den åpne til den lukkede posisjonen.

Buffertanken er anordnet til å opprettholde et stabilt væskenivå og buffertanken innbefatter et flottørlegeme som samvirker med et ventilarrangement som, når væskenivået i buffertanken er for lavt, åpner en kanal for å slippe ut gass fra buffertanken, og også åpner en kanal for å toppe opp væskebuffervolumet, og som, når væskenivået er for høyt, åpner en kanal for å slippe ut væske til et reservoar ved et lavere trykk.

Avstengningsventilene har typisk en responstid fr fullt åpent til fullt lukket posisjon på mindre enn 1 sekund.

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet mer detaljert i det etterfølgende med henvisning til de medfølgende tegninger. Figur 1 er en skisse som skjematisk viser en trans-membran trykkregulator for en membrankontaktor i henhold til teknikkens stand. Figur 2 viser skjematisk en trans-membran trykkregulator for en membrankontaktor hvor et sikkerhetsarrangement i henhold til foreliggende oppfinnelse er innbefattet. Figur 3 viser skjematisk trans-membran trykkregulatoren for en membrankontaktor hvor en utførelsesfonn av sikkerhetsarrangementet i henhold til oppfinnelsen er innbefattet. Figur 4 og 5 viser skjematisk trykkfølerventilen og en av avstengningsventilene vist i fig. 2 og 3. Figur 6A og B viser skjematisk trykkutjevningsventilen og nivåreguleringsventilen vist i fig. 2 og 3.

Et membrankontaktorsystem for behandling av naturgass innbefatter typisk et mangfold membraner. Figur 1 viser prinsippet til et slikt system i henhold til teknikkens stand. Væsken blir sirkulert gjennom sin krets ved hjelp av en pumpe 5. Trykket til væsken blir regulert ved hjelp av en tilbaketrykksreguleringsventil 7 som er tilnærmet identisk med trykket til naturgassen. Karbondioksidet blir absorbert av væsken mens det strømmer gjennom membranen 4, blir frigjort når væske strømmer gjennom tilbaketrykksreguleringsventilen 7. Naturgassen føres inn i et rør 8 og fordeles til respektive membranhus 3. Røret har en åpen tilkobling til den øvre delen av buffertanken 2. Trykkdifferansen mellom gassen og væsken blir derved bestemt av væskenivået i buffertanken. Væskenivået holdes ved et jevnt nivå ved at nivåregulatoren 1 reduserer utgående mengde fra pumpen når det ønskede nivået er oppnådd. Denne koblingen er indikert med en stiplet linje mellom pumpen 5 og nivåregulatoren 1. Frigjøring av karbondioksidet fra væsken skjer fra reservoaret 6, hvor væsken har et lavere trykk. Rørene som fører naturgassen gjennom behandlingsanlegget har blitt utstyrt med avstengningsventiler både før og etter behandlingsanlegget (ikke vist). Disse vil bli lukket automatisk dersom det oppstår en feil i anlegget. Det er tilstede avstengningsventiler som kan aktiveres ved bruk av eksplosive ladninger, og som derfor kan lukkes i løpet av meget kort tid. Operasjonen som er nødvendig for å åpne disse ventilene igjen er imidlertid relativt omfattende. Andre kommersielt tilgjengelige avstengningsventiler som er hensiktsmessige for dette, krever en relativt lang lukketid.

Høyden til buffertanken er typisk 6-8 meter, for å redusere faren for at trykkdifferanser kan skade membranene. I tillegg er den ekstremt tung, siden den er dimensjonert for høyt trykk.

Ulempen med denne metode er derved at prosessanlegget blir uønsket stort, tungt og kostbart. Problemet med å redusere størrelsen til buffertanken er at det vil kreve en rasktvirkende metode for å beskytte de meget kostbare membranene mot skadelige trykkvirkninger. Et lite buffervolum vil medføre at skadelige trykkvirkninger oppstår meget raskt i tilfelle feil med pumpen eller trykkreguleringssystemet. Beskyttelsessystemet i henhold til foreliggende oppfinnelse vil nå bli beskrevet i detalj med henvisning til figurene 2 til 6.

Driftsmodusen til systemet i henhold til oppfinnelsen vil bli forklart i det etterfølgende, med henvisning til figur 2. Som vist i figur 2, er størrelsen til buffertanken redusert i vesentlig grad. Beskyttelsessystemet blir aktivert når trykkdifferansen mellom gassen og væsken nærmer seg et nivå som kan medføre skade på membranen, og er basert på et system med ventiler som isolerer den væskeførende kanalen gjennom membranhuset fra resten av kretsen, i det vesentligste for å balansere trykket til det isolerte væskevolumet og gassen.

Under normal drift, vil en nivåreguleringsventil 11, sikre at mengden av væske i tanken holdes ved et forutbestemt nivå. Trykkdifferansen mellom væsken i buffertanken 2 og gassen måles ved hjelp av en mekanisk trykkfølerventil 14. Denne reagerer umiddelbart dersom trykkdifferansen overskrider en forutbestemt verdi, og vil danne en trykkpuls i aktiveringsledningen 13 som vil medføre en ekstremt rask lukking av de to avstengningsventilene 9, 10. Dette isolerer væsken mellom avstengningsventilene, nedstrøms av avstengningsventil 9. Membranene er plassert i den isolerte delen av kretsen, og det vil derfor være en enkelt oppgave å forhindre trykkdifferanser som kan skade membranene 4. Maksimal trykkdifferanse blir bestemt av en trykkutjevningsventil 12, som er tilveiebrakt mellom gassledningen og den øvre delen av buffertanken 2. Åpningstrykket for trykkutjevningsventilen 12 er innstilt høyere enn det som er nødvendig for at trykkfølerventilen 14 blir aktivert, men er innstilt tilstrekkelig lavt til at membranene 4 ikke blir skadet. Trykkutjevningsventilen 12 kan alternativt være utformet for å tilveiebringe en fullstendig åpen forbindelse mellom gassen og buffertanken 2 ved aktivering av trykkfølerventilen 14. Dette kan ytterligere redusere påkjenningen på membranene 4.1 tiden fra åpningen av trykkutjevningsventilen 12 til fullstendig lukking av avstengningsventilene 9, 10, vil trykkdifferansen medføre at væsken blir presset inn i eller ut av buffertanken 2.1 en relevant utførelsesform vil det typisk ta omtrent 1/10 sekund fra reaksjonen til trykkfølerventilen inntil fullstendig lukking av avstengningsventilene 9, 10. Det er ikke ønskelig at buffertanken blir helt full eller tømt. Buffervolumet må derfor reguleres i henhold til beskyttelsessystemets reaksjonstid og strømningsraten til væsken. Typisk volum til buffertanken kan være 8-10 liter.

I henhold til en foretrukket utførelsesform vist i fig. 3, er beskyttelsessystemet basert på at avstengningsventilene 9, 10 blir aktivert av trykkfølerventilen 14 og medfører et raskt trykkfall i kamrene som under normal drift holdes trykksatt ved å være forbundet med gassiden via trange kanaler.

Trykkfølerventilen 14 er utformet for å tillate at trykket i disse kamrene stiger igjen med en gang pumpetrykket er lik trykket til gassen. Avstengningsventilene 9, 10 vil deretter sakte åpnes for å bringe anlegget tilbake i drift.

Figur 4 o g 5 viser en foretrukket utførelsesform av trykkfølerventilen 14 med en forbindelse til en av avstengningsventilene 9, 10. Figur 4 antyder operasjonen under normal drift. Figur 5A antyder operasjonen umiddelbart etter lukking av avstengningsventilen, men før kamrene III og IV har blitt trykkredusert ned til et minimumstrykk. Figur 5B viser deler av trykkfølerventilen 14 i en større skala.

Under normal operasjon, blir ventillegemet 16 til en av avstengningsventilene 9, 10 holdt i åpen posisjon av fjærene 38.1 denne situasjonen er væsketrykket i kammer IV tilnærmet identisk med gasstrykket i kamrene V og VI, og trykk-kraften som påvirker ventillegemet 16 er balansert. Kammer V er trykksatt via en smal kanal 17 inn i kammer VI, som er åpent forbundet med gass-siden. Dersom en servoventil 25-27 i trykkfølerventilen 14 blir aktivert, vil trykket i kammer V falle raskt. Avstengningsventilene vil begynne å lukkes når trykket i kammer V når 95% av gasstrykket. Servoventilen 24-27 blir regulert av bevegelsen til et følerdiafragma 19, via armer 22, 23. Følerdiafragmaet 19 blir i sin tur påvirket av to fjærbelastede fjærer 20, 21 til å forbli i midtposisjonen, men vil blir presset bort fra denne posisjonen i tilfellet av at trykkdifferansen mellom væsken og gassen overskrider en forutbestemt verdi. Avstengningsventilene 9, 10 initierer lukking kun millisekunder etter at følerdiafragmaet 19 begynner å bevege seg bort fra midtposisjonen.

I servoventilen 24, 27, danner en relativ stiv membran 24 et skille mellom en nedre kammer II og et øvre kammer III. Disse kamrene er forbundet via en trang kanal 26, fortrinnsvis tilveiebrakt i membranen 24. Under normal operasjon, når kamrene II og III har tilnærmet samme trykk (se figur 4), vil membranen 24 bli presset mot ventilsetet 25. Dersom følerdiafragmaet 19 blir forskjøvet bort fra sin sentrale posisjon, vil armene 22, 23 presse ventillegemet 27 oppover og åpne for trykkavlastning av kammeret II via kammer I til avgasskanalen 15. Dette vil i sin tur medføre at trykket i kammeret III presser membranen 24 ut fra ventilsetet 25 som vist i fig. 5B, og kammeret V vil bli trykkavlastet via aktiveringsledning 13, kammer III og avgasskanal 15. Strømmen fra avgasskanalen 15 blir typisk ført til den omgivende atmosfæren eller en flashtank.

For å oppnå en kort lukketid for avstengningsventilene 9, 10, er tverrsnittet til ventilsetet 18 valgt å være større enn det effektive strømningsarealet i væskekretsen, typisk i størrelsesorden 2 til 5 ganger større enn det effektive strømningsarealet. Avstengningsventilene kan derved svitsjes fra åpen til lukket posisjon med kun en liten bevegelse av ventillegemet 16.

I en foretrukket utførelsesform innbefatter buffertanken 2 et ventilarrangement 11, utformet til å opprettholde et stabilt væskenivå i buffertanken 2. Dette ventilarrangementet 11 vil kompensere for et for lavt væskenivå ved å dumpe gass fra buffertanken til avgasskanalen 15 via en kanal 31. Dette gjør det mulig å tilføre væske via ledningen 28, som har en åpen forbindelse med væskekretsen i området mellom pumpen og avstengningsventilen 9. Væskekanalen 28 er tilveiebrakt med en kontrollventil (ikke vist) for å forhindre at buffertanken 2 blir drenert for væske når dette området har et lavere trykk enn buffertanken 2. Et flottørlegeme 30 samvirker med ventilarrangementet 11 for lukking av væskekanalen 28 når buffertanken 2 har nådd det korrekte væskenivået.

Når væskenivået er fort høyt, vil ventilarrangementet 11 åpne en væskekanal 29 som gjør at væske kan dumpes til reservoaret 6. Prinsippet til disse operasjonene er vist i fig. 6A og 6B.

Ventilarrangementet 11 består av tre separate tiltventiler. Husene 34, 35, 36 til tiltventilene som regulerer volumet til væsken i buffertanken 2 har en lekkasjesikker penetrering av deres kontrollarmer 32, 33, 37. Figur 6A indikerer posisjonen til tiltventilene når væskenivået er korrekt. Figur 6B indikerer posisjonen til tiltventilene når væskenivået er for lavt. Flottørlegemet 30 samvirker med en ventil som er tilveiebrakt i en kanal mellom aktiveringsledningen 13 og avgasskanalen 15. Denne virker til å forhindre at trykket bygges opp i aktiveringsledningen 13 i tilfellet av ukorrekt væskenivå i buffertanken 2, og sikrer at systemet ikke kan settes i drift uten at nødsystemet er fullt ut operativt. Funksjonen er ikke antydet på figurene.

Figurene 6A og 6B indikerer også funksjonen til trykkutjevningsventilen 12. Denne består i prinsippet av to fjærbelastede kontrollventiler med tilnærmet like åpningstrykk, men med motsatte strømningsretninger.

Beskyttelsessystemet i henhold til foreliggende oppfinnelse kan i prinsippet anvendes for ethvert system som innbefatter en membrankontaktor eller tilsvarende over et stort driftstrykkområde. Disse systemene kan innbefatte systemer for søting av naturgass (fjerning av CO2, H2S og andre sure gasskomponenter), dehydrering av naturgass (fjerning av H20), deoksygenering av sjøvann ved hjelp av gasstripping og lignende.

Ventilene kan være operert f.eks. hydraulisk, pneumatisk, mekanisk etc.

Avhengig av anvendelsen kan gassen enten føres langs den ytre overflaten til membranen eller langs innsiden.

Claims (3)

1. Beskyttelsessystem anordnet til å forhindre en stor trans-membran trykkdifferanse over en trykksensitiv membran (4) anbrakt i et trykkbestandig kammer (3), hvor membranen danner en fysisk barriere mellom en væske og en gass når en væske og en gassblanding føres gjennom kammeret (3), hvor beskyttelsessystemet innbefatter to avstengningsventiler (9, 10) tilveiebrakt henholdsvis i væskeinnløps- og utløpsledningene, en buffertank (2) tilveiebrakt i ledningen mellom en av avstengningsventilene (9, 10) og det trykkbestandige kammeret (3), en trykkutjevningsventil (12) tilveiebrakt mellom gassinnløpsledningen (8) og buffertanken og en trykkfølerventil (14) for måling av trykkdifferansen over membranen (4) og som aktiverer avstengningsventilene (9,

10) når denne trykkdifferansen overskrider en forutbestemt verdi,karakterisert vedat tverrsnittet til ventilsetene (18) til avstengningsventilene (9, 10) er 2 til 5 ganger større enn det effektive strømningsarealet for å gi ventillegemet (16) en kort bevegelsesavstand fra den åpne til den lukkede posisjonen.

2. Beskyttelsessystem i henhold til krav 1, karakterisert vedat buffertanken (2) er anordnet til å opprettholde et stabilt væskenivå og at buffertanken (2) innbefatter et flottørlegeme (30) som samvirker med et ventilarrangement (11), som når væskenivået i buffertanken (2) er for lavt, åpner en kanal (31) for å slippe ut gass fra buffertanken og også åpner til en kanal (28) for påfylling til væskebuffervolumet, og som når væskenivået er for høyt, åpner en kanal (29) for å slippe ut væske til et reservoar (6) ved et lavere trykk.

3. Beskyttelsessystem i henhold til et eller flere av de foregående krav,karakterisert vedat avstengningsventilene (9, 10) har en responstid fra fullt åpen til fullt lukket posisjon på mindre enn 1 sekund.