PL227097B1 - Kompaktowy, inercyjny układ rozdzielajacy mieszaninygaz -ciecz - Google Patents

Abstract

Kompaktowy separator inercyjny gaz-ciecz zawierający: środki uwarstwiające (1) składające się z pierwszej rury poziomej (2) oraz drugiej rury (4) mającej większą średnicę, ewentualnie lekko nachylonej w stosunku do poziomu (≤10°), połączonych ze sobą za pomocą odpowiedniej bramki łączącej (3); korpus cylindryczny (6) z pionowym rozwinięciem, na którym są stycznie nałożone środki uwarstwiające, w którym jest przeprowadzane inercyjne rozdzielenie gazu-cieczy, w którego górnej części (9) może być opcjonalnie włożony zestaw elementów wykańczających (11) w celu dalszego oddzielania kropli cieczy uwięzionych w strumieniu gazowym; dwa środki wylotowe dla strumienia ciekłego (12) oraz strumienia gazowego (13).

Description

Opis wynalazku

Niniejszy wynalazek dotyczy kompaktowego, inercyjnego układu rozdzielającego mieszaniny gaz-ciecz oraz odpowiedniego sposobu rozdzielania.

Bardziej szczegółowo, niniejszy wynalazek dotyczy kompaktowego separatora, odpowiedniego do rozdzielania wielofazowych strumieni węglowodorów, na podstawie połączenia dwóch różnych efektów.

Separacja fazy ciekłej od fazy gazowej w szczególności zachodzi w wyniku:

- zmniejszenia prędkości strumienia przychodzącego, co powoduje pierwszy efekt rozwarstwienia;

- uderzenia płynu przy niskiej prędkości o ścianki separatora, w połączeniu z inercyjnym efektem rozdzielającym pomiędzy fazą ciekłą oraz fazą gazową.

Dodatkowy efekt usuwania kropli cieczy uwięzionych w strumieniu gazowym bazuje na zasadzie rozdzielania odśrodkowego albo koalescencji.

Konwencjonalne separatory używane w przemyśle naftowym składają się głównie z grawitacyjnych układów rozdzielających. Te separatory zwykle składają się z komór o dużych rozmiarach, w których mieszanina płynów przebywa przez czas potrzebny, aby umożliwić to, że rozdzielenie dwóch faz mieszaniny zachodzi pod działaniem siły grawitacji.

Te komory charakteryzują się znacznym ciężarem oraz rozmiarami, są trudne do przystosowania do platform produkcyjnych na morzu oraz ich koszt może znacznie wpływać na koszty konstrukcji na morzu.

Alternatywnie, dla oddzielania gazu od surowej ropy naftowej, były używane separatory bazujące na zastosowaniu siły odśrodkowej, na przykład przez użycie odpylaczy cyklonowych montowanych szeregowo, jak opisano w patencie kanadyjskim nr 1 093 017 albo w złożonych układach, jak opisano w patencie kanadyjskim nr 1 136 061. Jednakże nawet te instalacje, z powodu ich ciężaru nie są optymalne do zastosowań na platformach na morzu.

Aby zmniejszyć te wady, technologia jest skierowana w stronę rozwijania kompaktowych układów rozdzielających, interesujących również w zastosowaniach w trudnych środowiskach, takich jak podmorskie, arktyczne albo prace wiertnicze oraz które mogłyby potencjalnie stopniowo zastąpić separatory grawitacyjne również w zastosowaniach na lądzie.

Kompaktowe układy rozdzielające mogą być również przystosowane do częściowego rozdzielania pomiędzy fazami (gaz/ciecz, ciecz/ciecz albo płyn/ciało stałe). Może to mieć miejsce w szerokim zakresie zastosowań, takich jak na przykład systemy pomiarowe albo systemy ponownej kompresji, transport rurociągami, sterowanie nawadnianiem, wymagania środowiskowe oraz bezpieczeństwa.

Badanie literatury technicznej prowadzi do wniosku, że kompaktowe układy rozdzielające są zwykle uważane za separatory, w których siła odśrodkowa zastępuje siłę grawitacji. Obecna analiza jest ograniczona do kompaktowych układów rozdzielających, które nie mają części ruchomych.

Kompaktowe układy rozdzielające gaz-ciecz, bazujące na zasadzie siły odśrodkowej oraz używane głównie jako urządzenia obróbki wykańczającej w procesie rozdzielania, używają rurek wyposażonych w łopatki (rurki wirowe), które nadają ruch obrotowy mieszaninie płynu, oddzielając fazę gazową od fazy ciekłej, jak opisano w patencie Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 4 566 883, uzyskanym przez firmę Shell. Ostatnio firma Tea Sistemi opracowała separatory odśrodkowe bazujące na tej samej zasadzie, w których geometria elementu, który nadaje płynowi ruch obrotowy (zawirowywacz) został zoptymalizowany, pozwalając również na użycie pojedynczego zespołu mającego większą średnicę, jako alternatywę dla różnych zespołów mających małą średnicę, jak opisano w międzynarodowym zgłoszeniu patentowym nr WO 2007/129 276.

Niektóre koncepcje przyjęte przy rozwijaniu kompaktowych układów rozdzielających pozwoliły również na ewolucję konwencjonalnych, grawitacyjnych układów rozdzielających, takich jak kompaktowe separatory grawitacyjne rozwinięte przez firmę Shell. Te separatory mogą być poziome albo pionowe. Przykład pionowego kompaktowego separatora cylindrycznego, który używa pewnej liczby elementów wewnętrznych jest zaproponowany w międzynarodowym zgłoszeniu patentowym WO nr 2005/023 396 A1, który przy użyciu zawirowywacza, używanego jako drugorzędny separator gazciecz, łączy rozdzielanie wstępne mieszaniny gaz-ciecz przez kanał wewnątrz łopatki wlotowej.

Inny przykład poziomego, kompaktowego trójfazowego separatora cylindrycznego jest zaproponowany w US nr 6 537 458, w którym system jest bardziej wydajny przez użycie separatora głównego składającego się z wielu rurek wirowych albo pakietów łopatek.

PL 227 097 B1

Razem z siłą odśrodkową oraz siłą grawitacji, ważną rolę w rozdzielaniu gaz-ciecz mogą odgrywać efekty bezwładnościowe. Te efekty leżą u podstaw różnych rodzajów separatorów kropli cieczy wewnątrz strumieni gazu, dostępnych na rynku. Ciecz jest oddzielana od gazu przez przyspieszenie strumienia płynu przez określone bramki albo otwory, na powierzchnię uderzenia, co zwykle powoduje gwałtowną zmianę kierunku, uzyskując pożądane rozdzielenie.

Przykłady tych urządzeń można znaleźć na przykład w patencie europejskim nr 1 068 890 B1 albo ostatnio w międzynarodowym zgłoszeniu patentowym nr WO 2008/134 227.

Prawidłowe wykorzystanie efektu inercyjnego może odgrywać fundamentalnie ważną rolę, biorąc pod uwagę że efekty inercyjne tłokowego albo uwarstwionego strumienia cieczy przechodzącego przez rurociąg są znaczne.

Urządzenia do rozdzielania często używane w obrębie systemów ciągłego monitoringu wielofazowych strumieni węglowodorów są wyposażone w rurę wlotową, nachyloną w stosunku do poziomu, która pozwala na rozdzielanie przez rozwarstwienie mieszaniny gaz-ciecz.

Przykład tych systemów jest opisany w patencie Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 4 760 742, który przewiduje system rurowy do oddzielania pęcherzyków gazu uwięzionych w strumieniu cieczy.

Patent Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 5 526 684 przedstawia kompaktowy układ rozdzielający, mający pionowe rozwinięcie ze stycznym wlotem, nachylonym do dołu. Nachylenie rury wlotowej, wraz ze zbieżną dwuwymiarową bramką, z jednej strony powoduje częściowe rozwarstwienie dwóch faz oraz z drugiej strony przyspieszenie płynu na wlocie oraz w konsekwencji spirali wirowej cieczy do dołu, wzdłuż ściany separatora, przy czym głównym wynikowym efektem rozdzielającym jest siła odśrodkowa. Jednakże ograniczenie wynalazku polega na tym, że siła odśrodkowa wymaga wysokich prędkości płynu na wlocie do separatora, natomiast uwarstwienie przepływu zachodzi przy niskich prędkościach mieszaniny. Sprzeczność powstała z przeciwstawnych efektów, które występują w powyższym układzie rozdzielającym mogą wyjaśnić jego niską sprawność oraz zastosowanie jako częściowy układ rozdzielający.

Celem niniejszego wynalazku jest zapewnienie urządzenia oraz kompaktowego sposobu rozdzielania gaz-ciecz, który zasadniczo łączy dwa efekty:

- uwarstwienie przepływu na wlocie separatora; oraz

- rozdzielenie inercyjne fazy ciekłej, oraz charakteryzuje się tym, że układ jest skonfigurowany tak, aby również wydajnie rozdzielać przepływy wielofazowe, na przykład przepływy tłokowe, przez znaczne tłumienie ciekłego składnika strumienia, w rurze wlotowej, która to właściwość pozwala na zmniejszenie wysokości spodu separatora oraz w konsekwencji jego objętości.

Ten cel jest osiągnięty przez kompaktowe urządzenie do rozdzielania gaz-ciecz według niniejszego wynalazku, zawierające środek rozwarstwiający, cylindryczny korpus z pionowym rozwinięciem oraz dwa środki wylotowe dla strumienia gazowego oraz strumienia cieczy. Niniejszy wynalazek jest opisany w załączonych zastrzeżeniach patentowych.

Gdy jest to niezbędne, układ może być wyposażony w opcjonalne urządzenia uzupełniające, do dalszego oddzielania cieczy od strumienia gazu oraz gazu oraz/albo innej cieczy od strumienia cieczy, odpowiednio.

Wspomniany środek rozwarstwiający zasadniczo składa się z dwóch rur głównie charakteryzujących się powiększeniem przekroju, co pozwala na zasadnicze zmniejszenie (> 50%) prędkości mieszaniny na wlocie, przy czym ta konfiguracja, w połączeniu z możliwym lekkim nachyleniem do dołu rury (< 10%), pozwala na tłumienie przepływu tłokowego strumienia na wlocie oraz prowadzi do uzyskania uwarstwionych warunków przepływu.

Ponadto, ponieważ wspomniana rura wlotowa jest włożona stycznie do wspomnianego cylindrycznego korpusu, zapewnia to, że pod połączonym działaniem stosunkowo miękkiego uderzenia o ścianki separatora oraz siły bezwładności, cięższa faza ciekła jest przenoszona w kierunku spodu separatora, bez powodowania nadmiernego rozdzielania strumienia cieczy, natomiast pęcherzyki gazu ciągle uwięzione w strumieniu cieczy są uwalniane oraz, wraz z gazem już uwarstwionym, mają tendencję do unoszenia się centralnie wewnątrz głównego korpusu (główne oddzielanie cieczy), w kierunku górnej części cylindrycznego korpusu.

Fakt, że ewentualny strumień przepływu tłokowego na wlocie separatora jest tłumiony, pozwala aby spód separatora miał zmniejszoną objętość. W górnej części cylindrycznego korpusu, układ rozdzielający może opcjonalnie zawierać układ elementów obróbki wykańczającej do eliminowania krope4

PL 227 097 B1 lek cieczy uwięzionych w gazie, takich jak wyciągi mgły, podkładki z drucianej siatki, pakiety łopatek, odpylacze cyklonowe, elementy zawirowywaczy, itp. (wtórne oddzielanie cieczy).

Wynalazek szczególnie się nadaje do rozdzielania wielofazowych strumieni węglowodorów oraz może być zoptymalizowany na poziomie konkretnego projektu, w odniesieniu do konkretnego przepływu na wlocie, przy użyciu konkretnego kodu dla wielofazowej symulacji przepływu MAST (Multiphase Analysis and Simulation of Transition - Wielofazowa analiza oraz symulacja przemieszczania), opracowanej przez firmę TEA Sistemi, zdolnej do wychwycenia dynamicznej zmiany pomiędzy waru n kami przepływu (dynamiczne rozpoznanie wzoru).

Dalsze właściwości oraz zalety kompaktowego układu rozdzielającego według niniejszego wynalazku staną się bardziej oczywiste z następującego opisu jednego z jego przykładów wykonania, dostarczonego dla celów poglądowych oraz nieograniczających, w odniesieniu do załączonych rysunków, na których:

- figura 1 pokazuje schematyczne przedstawienie kompaktowego separatora inercyjnego, w którym jest zainstalowany opcjonalny ogólny drugorzędny separator;

- figura 1a przedstawia widok z góry rury wlotowej, pokazujący jej styczne połączenie z korpusem separatora;

- figura 2 stanowi schematyczne przedstawienie kompaktowego separatora inercyjnego, w którym jako drugorzędny separator zainstalowano układ 6 elementów zawirowywaczy;

- figura 2a pokazuje przekrój A-A z figury 2;

- figura 3 pokazuje doświadczalną całkowitą skuteczność rozdzielania (rozdzielania głównego oraz wtórnego) oraz skuteczność rozdzielania głównego, dotyczącą systemu z figury 2, w funkcji natężenia przepływu gazu, dla określonego natężenia przepływu strumienia cieczy.

Figura 1 przedstawia kompaktowy, inercyjny separator gaz-ciecz, którego środek wlotowy 1 składa się z dwóch rur 2 oraz 4 oraz bramki łączącej 3. Rura 2, w której przepływa wielofazowy płyn, pochodzący na przykład z odwiertu produkcyjnego, jest pozioma. Wspomniana rura 2 jest połączona za pomocą odpowiedniej bramki łączącej 3 z rurą 4 mającą większą średnicę, która może być odpowiednio lekko nachylona pod kątem nachylenia względem poziomu wynoszącym 10°. Wspomniana rura 4 jest stycznie wkładana zgodnie z bramką wlotową 5 cylindrycznego korpusu 6 separatora, jak to przedstawiono lepiej na figurze 1a. Cylindryczny korpus 6 ma pionowe rozwinięcie oraz jest idealnie podzielony na spód 7, który rozciąga się pomiędzy dolną podstawą 8 cylindrycznego korpusu oraz bramką wlotową 5 oraz górną część 9, która rozciąga się pomiędzy górną podstawą 10 korpusu cylindrycznego oraz bramką wlotową 5. Wewnątrz wspomnianej górnej części separatora 9 może być opcjonalnie umieszczony układ elementów obróbki wykańczającej 11 dla wtórnego oddzielania cieczy (na przykład wyciągi mgły, podkładki z drucianej siatki, pakiety łopatek, odpylacze cyklonowe, elementy zawirowywaczy, itp.). Dwa środki wylotowe składają się z dwóch rur wylotowych cieczy 12 oraz gazu 13, które są odpowiednio wkładane na dolnej podstawie 8 oraz górnej podstawie 10 korpusu cylindrycznego. Należy zauważyć, że układ, gdy zostanie to uznane za konieczne, może również zawierać dwa opcjonalne separatory uzupełniające (nie pokazane na reprezentacji na figurze 1) usytuowane za rurą wylotową cieczy 12 oraz rurą wylotową gazu 13, w celu dalszego oddzielania gazu oraz/albo innej cieczy ze strumienia cieczy oraz cieczy ze strumienia gazu, odpowiednio.

Kolejna reprezentacja z figury 2 oraz figury 2a przedstawia szczególną konfigurację kompaktowego, inercyjnego separatora gaz-ciecz. Większość z elementów składowych, do których jest odniesienie, jest taka sama jak elementy, do których jest odniesienie na figurze 1 oraz są one oznaczone tym samym numerem odniesienia. Konfiguracja z figury 2 różni się od konfiguracji z figury 1, ponieważ wewnątrz górnej części separatora 9, jako separatora drugorzędnego, jest usytuowany układ 6 elementów 14 zawirowywacza (międzynarodowe zgłoszenie patentowe nr WO 2007/129 276), symetrycznie względem osi cylindra, jak to lepiej przedstawiono na figurze 2a.

Dla celów ilustracyjnych, figura 3, dotycząca systemu z figury 2, pokazuje wartości doświadczalnej całkowitej skuteczności rozdzielania (główne oraz wtórne rozdzielanie cieczy) oraz wartości skuteczności rozdzielania głównego, dotyczące fazy ciekłej, w funkcji natężenia przepływu gazu 33 (30-470 m /h), dla natężenia przepływu strumienia cieczy równego 5 m /h, który wchodzi wraz z przepływem tłokowym. Należy zauważyć, że skuteczność inercyjnego układu rozdzielającego zmniejsza się lekko wraz ze wzrostem natężenia przepływu gazu, pozostając zawsze powyżej skuteczności 95%, natomiast całkowita skuteczność pozostaje dla dowolnego natężenia przepływu strumienia gazowego powyżej 99%, wskazując, że ze wzrostem natężenia przepływu strumienia gazowego, układ elementów 14 zawirowywaczy z figury 2 zapewnia wysoką skuteczność rozdzielania, nawet jeżeli

PL 227 097 B1 rozwarstwienie na wlocie nie jest całkowite, przyczyniając się coraz bardziej do całkowitej skuteczności rozdzielania.

W warunkach roboczych, w odniesieniu do figury 1, mieszanina płynów pochodzących z odwiertów ropy naftowej oraz gazu, wpływa do separatora przez rurę poziomą 2, w warunkach przepływu pęcherzykowego albo tłokowego. Mieszanina przepływa przez bramkę łączącą 3 do rury 4 o większym przekroju. Wzrost średnicy przepływu pozwala na znaczną redukcję (> 50%) prędkości mieszaniny. Ten efekt, połączony z możliwym lekkim nachyleniem rury do dołu (< 10° względem poziomu) pozwala na tłumienie strumienia przepływu tłokowego na wlocie oraz prowadzi do uzyskania uwarstwionych warunków przepływu. Mieszanina, uwarstwiona w ten sposób, wchodzi do korpusu cylindrycznego separatora 6, stycznie, z niską prędkością przez wlot 5. Efekt rozwarstwiający wraz z siłą bezwładności zapewnia, że w cylindrycznym korpusie separatora 6 cięższa faza ciekła uderza o ścianki separatora z niską prędkością oraz przepływa ruchem kołowym wzdłuż ścianek, w kierunku spodu separatora 7, nie powodując nadmiernego rozdzielenia strumienia cieczy, natomiast gaz uwięziony w cieczy wykazuje tendencję do uwalniania się, będąc przenoszonym centralnie w cylindrycznym korpusie, oraz tendencję do unoszenia się wraz z gazem już oddzielonym w wyniku rozwarstwienia, wewnątrz głównego korpusu, w stronę górnej części separatora 9 (główne oddzielanie cieczy). Połączenie dwóch efektów prowadzi do wysokiej skuteczności głównego rozdzielania. Kropelki cieczy nadal uwięzione w strumieniu gazu mogą być dalej usuwane przez opcjonalne przenoszenie fazy gazowej, oddzielonej poprzednio wewnątrz układu elementów obróbki wykańczającej 11 (wtórne oddzielanie cieczy). Odgazowana faza ciekła opuszcza spód separatora 7 przez rurę wylotową 12 cieczy, natomiast faza gazowa wylatuje przez rurę wylotową 13 gazu.

Kompaktowy, inercyjny układ rozdzielający gaz-ciecz według tego co jest opisane wykazuje, że ma zmniejszoną objętość (około ¼) w stosunku do konwencjonalnego separatora o tych samych specyfikacjach roboczych.

Należy zauważyć, że długość rury wlotowej oraz optymalna wysokość spodu separatora zależy od warunków roboczych układu (natężenie przepływu gazu, natężenie przepływu cieczy, ciśnienie, warunki przepływu); więc ich rozmiary są ustalane zależnie od okoliczności.

Claims (5)

1. Kompaktowy, inercyjny układ rozdzielający mieszaniny gaz-ciecz zawierający:

- środek rozwarstwiający do rozwarstwiania wielofazowego strumienia płynu na wlocie;

- cylindryczny korpus, w którym jest wykonywane inercyjne rozdzielanie gaz-ciecz;

- dwa środki wylotowe rozdzielonych strumieni gazu oraz cieczy, które są odpowiednio wstawione na górnej podstawie oraz dolnej podstawie cylindrycznego korpusu;

znamienny tym, że:

- środek rozwarstwiający składa się z pierwszej rury oraz drugiej rury mającej większą średnicę względem pierwszej rury, przy czym druga rura jest połączona za pomocą bramki łączącej z pierwszą rurą, zaś druga rura jest nachylona względem poziomu; i

- środek rozwarstwiający jest włożony stycznie do cylindrycznego korpusu, na pewnej wysokości względem dolnej podstawy.

2. Układ według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że górna część cylindrycznego korpusu zawiera instalację elementów obróbki wykańczającej separatora, eliminującą kropelki cieczy uwięzione w gazie.

3. Układ według zastrzeżenia 1 albo 2, znamienny tym, że kąt nachylenia jest mniejszy niż albo równy 10°.

4. Sposób rozdzielania mieszaniny gaz-ciecz dotyczący kompaktowego układu inercyjnego, znamienny tym, że obejmuje następujące etapy:

- wywołanie uwarstwionego przepływu mieszaniny płynów wielofazowych z warunkami przepływu pęcherzykowego, tłokowego albo pierścieniowego na wlocie urządzenia rozwarstwiającego zawierającego pierwszą rurę oraz drugą rurę mającą większą średnicę względem pierwszej rury, przy czym druga rura jest połączona za pomocą bramki łączącej z pierwszą rurą;

PL 227 097 B1

- tłumienie możliwych warunków przepływu tłokowego mieszaniny płynów na wlocie, przez zasadnicze zmniejszenie (> 50%) prędkości wlotowej w połączeniu z możliwym lekkim nachyleniem do dołu drugiej rury (> 10% względem poziomu);

- inercyjne rozdzielenie gaz-ciecz przez styczne przenoszenie, przy niskiej prędkości, uwarstwionego strumienia wewnątrz cylindrycznego korpusu, scharakteryzowane przez uderzenie przy niskiej prędkości o ścianki cylindrycznego korpusu, które jest takie, że zapobiega jego nadmiernemu rozdzieleniu, z wytwarzaniem:

- kołowego przepływu cięższej fazy ciekłej wzdłuż ścianek cylindrycznego korpusu, w kierunku spodu separatora, w stronę pierwszego środka wylotowego separatora;

- dalszego uwalniania pęcherzyków gazu, nadal uwięzionych w fazie ciekłej, które dążą do oddzielenia się, przemieszczając się do środkowej części cylindrycznego korpusu oraz unosząc się centralnie, wraz z gazem oddzielonym już przez rozwarstwienie, w kierunku drugiego środka wylotowego.

5. Sposób według zastrzeżenia 4, znamienny tym, że kropelki cieczy nadal uwięzione w strumieniu gazowym są ponadto usuwane przez opcjonalne przenoszenie fazy gazowej, oddzielonej uprzednio przez rozwarstwienie oraz pod wpływem bezwładności, poprzez wszelkie przykłady wykonania elementów obróbki wykańczającej, działających na zasadzie siły odśrodkowej albo koalescencji, usytuowanych przed wylotem poprzez drugi środek wylotowy.