DE3925355C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Abscheiden der Einzelkomponenten eines Materialstromes - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Abscheiden der Einzelkomponenten eines MaterialstromesInfo
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- DE3925355C2 DE3925355C2 DE3925355A DE3925355A DE3925355C2 DE 3925355 C2 DE3925355 C2 DE 3925355C2 DE 3925355 A DE3925355 A DE 3925355A DE 3925355 A DE3925355 A DE 3925355A DE 3925355 C2 DE3925355 C2 DE 3925355C2
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- B04B1/02—Centrifuges with rotary bowls provided with solid jackets for separating predominantly liquid mixtures with or without solid particles without inserted separating walls
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- Cyclones (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine dem Oberbegriff des Anspruchs 6 entsprechende Vorrichtung zum Abscheiden der
Komponenten eines Material-Stromes, der sich aus einer Mehrzahl von Bestandteilen un
terschiedlicher spezifischer Dichten zusammensetzt. Dabei kann es sich um einen
Fluidstrom handeln, der Gas, Flüssigkeiten und Feststoffe enthält. Im einzelnen
betrifft die Erfindung die Abscheidung der Komponenten mittels eines Zentrifugal
typseparators, wobei über ein Steuersystem das jeweilige Fluidniveau innerhalb
des Separators auf der erforderlichen Höhe gehalten wird, während gleichzeitig
die Verunreinigungen einer jeden Komponente, die von dem Separator abge
schieden werden, reduziert werden. Obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit
der Kohlenwasserstoff-Förderung in der Form von Öl und Gas beschrieben wird,
leuchtet ein, daß das Zentrifugierverfahren und die Vorrichtung zur Abscheidung
der Komponenten eines jeden Fluidstromes geeignet sind, der sich aus einer
Mehrzahl von Bestandteilen unterschiedlicher spezifischer Dichten zusammen
setzt.
Die Abtrennung der verschiedenen Stromkomponenten, die in einem Öl- oder
Gasförderstrom enthalten sind, ist eine der grundlegendsten Vorgänge bei der
Förderung von Öl und Gas. Typischerweise enthält eine Kohlenwasserstoffbohr
lochströmung mehrere Komponenten einschließlich Erdgas, Kohlenwasserstoff-
Flüssigkeiten, gefördertes Wasser und Feststoffe (wie etwa Sand). Es ist dement
sprechend erforderlich, diese vier Komponenten voneinander zu trennen, bevor
das Öl oder das Gas verkauft werden kann, oder verschiedenen Verarbeitungs
vorgängen zugeführt wird.
Schwerkrafttrennbehälter werden normalerweise eingesetzt, um die Bohrloch
strömungskomponenten abzuscheiden. Eine typische Fördereinrichtung umfaßt
mindestens zwei solcher Behälter: einen Wasserabscheidebehälter sowie einen
Produktionsseparator. Die beiden Behälter besitzen einen Stahlmantel mit inner
halb desselben angeordneten Wehren und Leitblechen. Während der Förderung
wird die Bohrlochströmung durch den Wasserabscheidebehälter hindurch geführt,
um einen großen Teil, wie etwa 60-90% des freien Wassers von der Bohrloch
strömung abzuscheiden. Der Produktionsseparator trennt dann weiter die verblei
benden Bohrlochstromkomponenten Gas, Öl und gefördertes Wasser in die indivi
duellen Ströme ab. Das Öl wird von dem Produktionsseparator in einen weiteren
Behälter überführt, um zusätzliche Behandlungen durchzuführen, oder für den
Verkauf. Das von dem Produktionsseparator abgeführte Wasser wird einem ande
ren Behälter zugeführt, um eine kleine Ölmenge, die in dem Wasser verblieben
sein kann, noch zu entfernen. Dieses behandelte Wasser gilt dann als Abwasser.
Die Gaskomponente verläßt ebenfalls den Produktionsseparator und wird einer
Gasbehandlungseinrichtung zugeführt, wo es einer weiteren Aufbereitung zum
Verkauf oder sonstiger Verwendung unterzogen wird. Der geförderte Sand sam
melt sich in dem Wasserabscheidebehälter und dem Produktionsseparator an, bis
diese Behälter stillgelegt und gesäubert werden.
Wie sich aus dieser kurzen Beschreibung ergibt, sind viele Einzelteile der
Trenneinrichtung typischerweise bei der Förderung von Öl und Gas einzusetzen.
Jedes Einzelteil ist teuer bezüglich seiner Installation, seiner Unterhaltung sowie
seines Betriebes.
Das Gewicht und die Raumerfordernisse der Trenneinrichtung sind von besonde
rer Bedeutung für eine küstennahe Plattform. Wenn in küstennahen Gewässern
Fördereinrichtungen auf einer Plattform montiert werden, die sich bis zu mehreren
hundert Metern über Seegrund befinden kann, ist der Raum, der zur Verfügung zu
stellen ist, äußerst teuer. Ein Reduzieren der Größe und des Gewichtes eines jeden
Ausrüstungsgegenstandes trägt zur Verminderung der Größe der zu erstel
lenden Plattform bei. So ist es gerade eine im Seebereich befindliche Plattform, für
welche die Erfindung eine besonders große Bedeutung besitzt. Dort besteht die
Notwendigkeit für ein einziges kleines, relativ leichtes Ausrüstungsstück, mit wel
chem man relativ große Volumina an Öl, Gas und Wasser abzuscheiden vermag,
als Ersatz für die großen, schweren und teueren Behälter, die in der Vergangen
heit eingesetzt wurden.
Es sind bereits mit der Zentrifugalkraft arbeitende Einrichtungen zur Trennung der
vielfältigen Komponenten eines Öl- oder Gasstromes vorgeschlagen worden. Eine
derartige, gattungsgemäße Vorrichtung ist aus der DE 35 43 260 A1 bekannt. Bei
einer solchen typischen Anordnung werden die Bohrlochstromfluide in den Sepa
rator eingeführt und bauen sich durch die Rotation an der Zentrifugenwandung
auf. Die Schichten der individuellen Komponenten werden so ausgebildet, daß bei
einer Abnahme der Dichte der einzelnen Schichten der Abstand von der Wandung
ansteigt. Nachdem die Trennung vollständig ist, werden dann die individuell abge
trennten Schichten entfernt. Diese Entfernung kann jedoch ein außerordentlich
schwieriges Verfahren sein. Wie in der US-PS 3,791,575 beschrieben ist, stellt die
Strömungssteuerung der von einem Zentrifugalseparator abgetrennten Fluide ein
großes Problem des Zentrifugenbetriebes dar. Verschiedene Niveausteuersyste
me sind für Zentrifugalseparatoren vorgeschlagen worden, um die Niveaus und
den kontinuierlichen Trennvorgang des Beschickungsstromes zu steuern. Bei
spiele für derartige Niveausteuersysteme umfassen Einlaßsteuerungen, beschrie
ben in der US-PS 1,794,452, Differentialdrucksteuerungen, beschrieben in der
US-PS 4,687,572, Strömungsmengensteuerungen, beschrieben in
US-PS 2,941,712, Abzugsfluidanalyse, beschrieben in US-PS 4,622,029, Wasser
kreislaufführungssteuerung, beschrieben in US-PS 3,208,201, sowie die Steue
rung eines einstellbaren Überströmwehres, beschrieben in US-PS 4,175,040.
In Abhängigkeit von dem Bedienungswirkungsgrad der von einem bestimmten
Zentrifugenseparator gegeben ist, können die oben beschriebenen Zentrifugen
und deren jeweilige Fluidniveausteuersysteme wirkungsvoll und angemessen sein.
Der grundsätzliche Nachteil der beschriebenen Zentrifugalsysteme lag jedoch in
der Vergangenheit in ihrer Unfähigkeit, eine vollständige Abtrennung
der Bohrstromkomponenten zu erreichen. Eine teilweise Abtrennung der Fluide
ist häufig nicht akzeptabel.
Bei einer Öl- und Gasförderung in küstennahen Gewässern, bei welchem das ge
förderte Wasser wieder in den Wasserkörper zurückgeführt wird, in welchem die
Plattform steht, ist es erstrebenswert, daß praktisch kein Öl (normalerweise weni
ger als 50 Teile pro Million) in dem abgegebenen Wasser enthalten ist.
Wenn an Land gefördert wird, ist eine vollständige Trennung ebenfalls erstre
benswert, wenn das geförderte Wasser entweder als Abwasser abgeführt oder in
Injektionsbohrungen eingeleitet wird. Wenn Öl in dem Wasser enthalten ist, wel
ches in eine solche Abwasserbohrung injiziert wird, so kann dieses Öl ggf. die
Formation verstopfen, und es ist ein großer und teurer Aufwand erforderlich, um
die Strömung des injizierten Wassers aufrechtzuerhalten, bzw. die Injektionsfähig
keit zu erhalten.
Angesichts dieser Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, unter
Vermeidung der aufgezeigten Nachteile, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur
Verfügung zu stellen, bei welchem mittels einer Zentrifuge und einem Niveausteu
ersystem verläßlich und vollständig die Öl-, Gas-, Wasser- und Sandkomponenten
des Bohrlochstromes zu trennen ermöglicht wird.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren der o. g. Art mit den in Anspruch 1
genannten Merkmalen und durch eine Vorrichtung der o. g. Art mit den in
Anspruch 6 genannten Merkmalen. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfin
dung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bei der Erfindung handelt es sich um ein Zentrifugierverfahren und eine entspre
chende Vorrichtung zur Abscheidung der Komponenten eines Stromes, der sich
aus einer Mehrzahl von Bestandteilen unterschiedlicher spezifischer Dichten zu
sammensetzt. Die Erfindung zeichnet sich durch eine hocheffiziente, kontinuierli
che Trennung eines Bohrlochstromes aus, der Öl, Wasser, Gas und
kleinere Mengen von Sand oder andere Feststoffe enthält, und zwar mittels einer
einzigen Vorrichtung. Die Trennung der Stromphasen wird durch den Einsatz eines
Rotors vollzogen, sowie eine Sensoranordnung zur Bestimmung der
Fluidschicht und Fluidabscheider.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Zentrifugeneinrichtung ist ein um
eine Rotationsachse drehbarer Rotor vorgesehen, der einen Fluidstrom aufnimmt,
der zur Rotorwandung hin beschleunigt wird. Alles in dem Beschickungsstrom
vorhandene Gas trennt sich beim Eintritt in den Rotor von den Flüssigkeiten. Das
Gas tritt dann aus der Zentrifuge durch einen Gasabscheider aus, dessen Öffnung
durch einen Druckregulator gesteuert wird, der dem Gas die Abströmung aus der
Zentrifuge dann gestattet, wenn ein vorbestimmter Druck erreicht ist. Nachdem die
Fluide die Rotorwandung erreicht haben, werden sie entlang der Wandung ge
führt, wo sie sich in ihre individuellen Komponenten aufteilen, wobei das Fluid mit
der höheren spezifischen Dichte (Wasser) eine Fluidschicht, angrenzend an die
Auskleidung, bildet, während das Fluid mit einer geringeren spezifischen Dichte
(Öl) eine Fluidschicht bildet, die auf dem Fluid mit der höheren spezifischen Dichte
aufliegt. Wenn das Fluid das dem Einlaß gegenüberliegende Ende des Rotors er
reicht hat, haben sich die Ströme in ihre individuellen Komponenten aufgeteilt. Die
Ölschicht fließt dann über ein Wehr in eine Öl-Fluid-Aufnahmekammer. Wenn das
Ölniveau in dieser Kammer eine vorbestimmte Höhe erreicht hat, gestattet ein Ni
veausteuersystem mit einer Detektoranordnung und einem sich in einem Käfig
drehenden Schwimmer das Öffnen eines Durchlasses aus der Öl-Fluid-Aufnahme
kammer, so daß das Öl die Zentrifuge verläßt. Das Wasser strömt dann in eine
Wasserfluid-Aufnahmekammer. Wenn das Wasserniveau in dieser Kammer eine
vorbestimmte Höhe erreicht hat, öffnet ein Niveausteuersystem, unter Einsatz ei
ner zweiten Detektoranordnung und einem zweiten, sich in einem Käfig drehenden
Schwimmer, einen Strömungsdurchlaß aus der Wasserfluid-Aufnahmekammer, so
daß das Wasser die Zentrifuge zu verlassen vermag.
Wenn der Bohrlochstrom Sand oder andere Feststoffe enthält, wird eine zweite
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zentrifuge eingesetzt. Diese zweite
Ausführungsform umfaßt einen zweiten kleineren Rotor, der sich innerhalb des
Rotors befindet, der in der ersten Ausführungsform vorhanden ist. Der Bohrloch
strom wird zunächst in dem zweiten kleineren Rotor beschleunigt, wobei der Sand
oder andere Feststoffe in dem Bohrlochstrom zu einer Kante dieses zweiten Rotors
geführt und durch einen Sand/Wasserabscheider abgezogen werden. Die
verbleibenden Bohrlochstromfluide fließen aus dem zweiten kleineren Rotor auf
den Impeller und in den Hauptrotor hinein, wo sie, wie bei der zunächst beschrie
benen Ausführungsform
getrennt werden.
Weitere Einzelheiten und Vorteile
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung verschiedener
Ausführungsformen der Erfindung, unter Bezugnahme auf die beige
fügten Zeichnungen. Dabei zeigen im einzelnen:
Fig. 1 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, einer ersten
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zentrifugenein
richtung,
Fig. 2 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, einer zweiten
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zentrifugenein
richtung,
Fig. 3A einen Querschnitt durch einen Beschleunigungsimpeller,
Fig. 3B die Draufsicht auf einen Beschleunigungsimpeller,
Fig. 4 eine schematische Darstellung des Steuersystems für
den Fluidabzug,
Fig. 5 die teilweise aufgeschnittene Draufsicht auf einen
Sand/Wasserabscheider und -agitator und
Fig. 6 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, einer weiteren
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zentrifugenein
richtung.
Wie sich aus Fig. 1 ergibt, umfaßt die Zentrifuge 10 einen zylinder
förmigen Rotor 12, der sich um einen stationären Mittelpfosten 14
zu drehen vermag. Ein Hochgeschwindigkeitselektromotor 16 oder
eine andere Hochgeschwindigkeitsantriebseinrichtung dreht den
Rotor 12 um den Mittelpfosten 14 mit einer Geschwindigkeit, die
hinreichen hoch ist, um die Komponenten innerhalb des zugeführten
Bohrlochstromes mit der unterschiedlicher spezifischen Dichte
aufzuteilen. Der Rotor 12 wird von einem stationären Schutz
behälter 18 umschlossen, der auf Füßen 20 steht. Obwohl die
Fig. 1 die Zentrifuge 10 in einer aufrechten Position auf
Füßen 20 zeigt, kann die Zentrifuge 10 in jeder Position be
trieben werden. Die Gravitationskräfte in der Zentrifuge 10, die
auf die zu trennenden Fluide einwirken sind, wie nachfolgend noch
im einzelnen diskutiert werden wird, sind sehr klein, relativ zu der
großen Zentrifugalkraft, die durch die Rotationsbewegung des
Rotors 12 auf das Fluid ausgeübt wird. Dementsprechend kann die
Zentrifuge 10 betrieben werden, indem die Rotationsachse des
Rotors 12 (d. h. der Mittelpfosten 14) sich in einer vertikalen,
horizontalen oder jeder anderen Ausrichtung befindet. Da außerdem
die Zentrifuge 10 auf einer Säule oder einer anderen stabilen
Struktur gehalten werden kann, sind die Füße 20 nicht ausschlag
gebend für den Aufbau der Zentrifuge.
Ein Hochgeschwindigkeitselektromotor 16 ist über eine Kupplung
22 an die Antriebswelle 24 angeschlossen, die sich in den Schutz
behälter 18 durch eine Öffnung 26 hineinerstreckt. Die Antriebs
welle 24 ist an der unteren Endabschlußkappe 28 des Rotors 12 ge
halten. Der Rotor 12 ist innerhalb des Behälters 18 durch ein unteres
Lager 30, das die Antriebswelle 24 umgibt, sowie ein oberes Lager
32 gehalten und ausgerichtet. Diese Ausrichtung macht es möglich,
daß der Rotor 12 sich konzentrisch um den Mittelpfosten 14 zu
drehen vermag, ohne daß er das Schutzgehäuse 18 berührt. Infolge
der erheblichen Menge an kinetischer Energie, die der Rotor 12
während des Betriebes besitzt, sollte der Schutzbehälter 18 so
aufgebaut sein, daß er einer Beschädigung zu widerstehen vermag,
wenn sich rotierende Teile der Zentrifuge 10 lösen, um einen
sicheren Betrieb zu ermöglichen. Eine untere Abdichtung 34 stellt
sicher, daß die Fluide, die aus dem Rotor 12 ausgetreten sind,
innerhalb des Schutzbehälters 18 verbleiben.
Bei der bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich der Mittel
pfosten 14 durch eine Öffnung 36 des Schutzbehälters 18. Zwischen
dem Mittelpfosten 14 und dem Schutzbehälter 18 ist eine obere
Dichtung 38 vorgesehen, die verhindert, daß Fluide aus dem Be
hälter 18 in die Atmosphäre oder ein anderes Medium, das den
Schutzbehälter 18 umgibt, austreten. Der Mittelpfosten 14 erstreckt
sich weiterhin durch eine Öffnung 40 in der oberen Endabschluß
kappe 42 des Rotors 12 und durch das Innere des Rotors 12 herab.
Eine Druckdichtung 44 verhindert ein Austreten der Fluide aus
dem Rotor 12 in den Schutzbehälter 18. Der Mittelpfosten muß
sich nicht durch die ganze Länge des Rotors 12 hindurcherstrecken,
wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Der Mittelpfosten 14 in seiner
dargestellten Form dient als wirkungsvolles Hilfsmittel, die er
forderlichen Strömungsdurchlässe und Steuerleitungen zentral zu
lokalisieren und zu halten und aus dem Inneren der Zentrifuge
aus dem Rotor 12 und dem Schutzbehälter 18 herauszuführen. Anderer
seits können die Strömungsdurchlässe auch individuell geführt
werden, bei entsprechender Lokalisierung und Halterung der Durch
lässe und Steuerleitungen.
Bei der hier gezeigten Ausführungsform ist der Mittelpfosten 14
hohl. Dies macht es möglich, daß Beschickungs- und Auslaßdurch
lässe, wie auch Steuerleitungen, durch den Mittelpfosten 14 in
das Zentrum des Rotors 12 hineingeführt werden können. Ein Fluid
strombeschickungsflansch 46 gestattet die Fluidbeschickung in
den Rotor 12 hinein, durch ein Einlaßrohr 48, welches sich durch
den Mittelpfosten 14 hindurcherstreckt und in einer Fluidbe
schickungsdüse 50 mündet. Die Fluidbeschickungsdüse 50 erstreckt
sich aus dem Mittelpfosten 14 heraus in einer Beschleuniger
schale 51 in der Nähe des Beschickungsbeschleunigerimpellers 52.
Die Beschleunigerschale 51 und der Impeller 52 sind innerhalb
des Rotors 12 gehalten und drehen sich mit diesem Rotor 12.
Die Fig. 3A und 3B zeigen eine Seitenansicht bzw. die Drauf
sicht auf den Beschleunigungsimpeller 52. Der Beschleunigungs
impeller 52 besitzt die Funktion, die in den Rotor 12 eintreten
den Fluide von einer translatorischen Bewegung in eine rotatori
sche Bewegung zu überführen, um eine hinreichende Trennung zu
erzielen. Um sowohl die Raumerfordernisse als auch die Material
erfordernisse zu reduzieren, ist es erstrebenswert, diese Fluidbeschleunigung
in einem Teil des Rotors 12 auszuführen, der
so klein wie möglich ist. Dies wird durch Leitbleche 55 inner
halb des Impellers 52 erzielt, die dazu beitragen, daß ein
Gleiten des Fluids auf dem Impeller 52 verhindert wird. Wie
die Fig. 1 zeigt, ist eine Öffnung 53 zwischen dem Mittel
pfosten 14 und der Beschleunigerschale 51 vorgesehen, um einen
Gasübertritt aus der Beschleunigerschale 51 in den Hauptraum
57 der Zentrifuge 10 zu ermöglichen.
Außerdem befindet sich in dem Rotor 12 eine Auskleidung 54, die
sich nahezu über die gesamte Länge des Rotors 12 erstreckt. Ein
kleiner Fluiddurchlaß 56 ist in dem Raum zwischen der inneren
Oberfläche des Rotors 12 und der Auskleidung 54 vorgesehen. Die
Auskleidung 54 wird über Abstandselemente 59 am Rotor 12 ge
halten, um sich mit dem Rotor 12 zu drehen. Während die Flüssig
keiten den Beschleunigerimpeller 52 verlassen und sich an der
inneren Oberfläche der Auskleidung 54 zu drehen beginnen, trennen
sich die Flüssigkeiten in ihre unterschiedlichen Komponenten.
Bei einem typischen Bohrlochstrom handelt es sich bei diesen
unterschiedlichen Komponenten um ein leichteres Fluid (Öl) und
ein schwereres Fluid (Wasser). Das schwerere Fluid bildet eine
Fluidschicht auf der Auskleidung 54, während das leichtere Fluid
eine Fluidschicht auf der schwereren Fluidschicht bildet. Auf
der Auskleidung 54 befindet sich ein Schwimmerkäfig 58, der
einen Schwimmer 60 zur Niveaubestimmung aufnimmt. Der Schwimmer
käfig 58 ist an der Auskleidung 54 gehalten und dreht sich mit
dem Rotor 12. Während sich die Flüssigkeiten und der Schwimmer
60 auf der Auskleidung 54 drehen, existiert keine Rotationsbe
wegung zwischen den Flüssigkeiten und dem Schwimmer 60. Der
Schwimmer 60 besitzt eine spezifische Gesamtdichte, die geringer
ist als das leichtere Fluid, so daß er dementsprechend auf der
leichteren Fluidschichtoberfläche schwimmt. Der Schwimmer 60
ist innerhalb eines Schwimmerkäfigs 58 gehalten, so daß er
sich radial zum Zentrum des Rotors hin oder von diesem wegbewegt,
während die Schichtdicke des leichteren Fluids ansteigt bzw.
abnimmt.
Als zweiter Schwimmer ist der Schwimmer 62 vorgesehen, der sich
ebenfalls innerhalb eines Käfigs, nämlich in dem zweiten
Schwimmerkäfig 64 befindet, um die geringe Radialbewegung der
Zwischenschicht zwischen dem schwereren Fluid und dem leichteren
Fluid zu ermitteln. Der Schwimmer 62 besitzt, da er auf der
Fluidzwischenfläche zwischen dem schweren Fluid und dem leichten
Fluid schwimmen muß, eine spezifische Dichte, die zwischen den
jenigen der beiden Fluide liegt. Typischerweise liegt die Dichte
des Rohöls bei etwa 0,80 und diejenige des geförderten Salzwassers
bei etwa 1,05. Dementsprechend liegt die Gesamtdichte des
Schwimmers 62 zwischen etwa 0,80 und etwa 1,05. Der Schwimmerkäfig
64 ist ebenfalls an der Auskleidung 54 gehalten und dreht sich
mit dem Rotor 12. Der Ort der Schwimmer bzw. der Schwimmerkäfige
kann sich irgendwo entlang der Auskleidung 54 befinden.
Obwohl bei der beschriebenen Ausführungsform ein Fluidniveau
detektorsystem eingesetzt wird, das eine Schwimmeranordnung ver
wendet, kann auch jedes andere Detektorsystem zum Einsatz kommen,
das in der Lage ist, die Dicke der leichteren und schwereren
Fluidschichten sowie die Stelle der Zwischenschicht zu bestimmen.
Es haben auch Untersuchungen an der Zentrifugeneinrichtung gezeigt,
daß die Auskleidung, die den Strom umkehrt und die Abscheidezeit
für das Wasser erhöht, für die Abtrennung unkritisch ist. Die
wirkungsvollste Trennung wurde jedoch erzielt, wenn sich die Aus
kleidung an dem dargestellten Ort befindet.
Entlang und unterhalb der Auskleidung 54 ist ein Koagulationssieb
66 angeordnet, das eingesetzt wird, um die Bildung größerer
Tröpfchen des leichteren Fluids während der Trennphase zu unter
stützen. Durch die Ausbildung größerer Tröpfchen des leichteren
Fluids tritt die Trennung der Fluide schneller und wirkungsvoller
ein. Das Koagulationssieb 66 unterstützt auch die Aufrechter
haltung der Rotationsgeschwindigkeit der Fluide innerhalb des
Rotors 12, indem ein Gleiten zwischen dem schwereren Fluid und
der Rotorwandung verhindert wird. Bei der bevorzugten Ausführungs
form wird eine zusammengedrückte Polyäthylenmatte eingesetzt, die
ein wirkungsvolles und leicht herzustellendes Koagulationssieb 66
bildet. Das Sieb 66 Kann auch aus einem Streckmetall bestehen,
oder durch Leitbleche, Spikes, oder ein anderes Material ersetzt
werden, oder eine solche Oberfläche, die Kontaktbereiche für die
Bildung größerer Öltröpfchen darstellt.
An einem Ende des Rotors 12 wird eine Ölaufnahmekammer 68 durch
eine Platte 70 gebildet, die auf der Innenseite des Rotors 12 ge
halten ist, um sich mit dem Rotor 12 zu drehen. Die Vorderseite
der Kammer 68 wird durch ein Wehr 72 sowie eine Platte 74 ge
bildet. Die Rückseite der Kammer 68 wird durch die Innenfläche
der unteren Endabschlußkappe 28 begrenzt. Wenn sich genug Öl in
dem Rotor 12 angesammelt hat, tritt es über das Wehr 72 über, durch
die Öffnungen 73, die sich hinter dem Wehr 72 befinden, und fließt
in die Kammer 68 hinein. Innerhalb der Kammer 68 sind Leitbleche
76 sowie Leitbleche 78 vorgesehen, die die Fluidrotation in der
Kammer 68 aufrechterhalten und unterstützen. Die Leitbleche 76
und 78 sind ebenfalls mit dem Rotor 12 verbunden und drehen sich
mit diesem. Jedes der Teile (die Platte 70, das Wehr 72 sowie
die Platte 74), die die Ölaufnahmekammer 68 bilden, sowie
die Leitbleche 76 und 78, drehen sich mit dem Rotor 12. Diese
Bestandteile müssen individuell mit dem Rotor 12 verbunden
werden, oder sie können auch zunächst zusammengesetzt und in ihrer
Gesamtheit an den Rotor 12 angeschlossen werden.
Ein Fluidabscheider 80 sowie ein Fluidabscheider 82 erstrecken sich
in die Kammer 68 von dem Mittelpfosten 14 aus hinein. Der Einsatz von
Fluidabscheidern zum Abziehen von Fluid aus einer Zentrifuge ist
dem Sachverständigen auf diesem Gebiet hinlänglich geläufig, so
daß eine nähere Beschreibung an dieser Stelle nicht erforderlich
scheint. Der Fluidabscheider 80 und der Fluidabscheider 82
stellen die Verbindung zu einem Durchlaß 84 her, der sich durch
den Mittelpfosten 14 erstreckt und über ein Ventil 86 nach außen
geführt wird. Das Ventil 86 wird durch einen Ventilschalter 88 be
tätigt. Der Ventilschalter 88 empfängt ein Steuersignal von einer
Signalsteuerung 92 über eine Steuerleitung 90. Die Signalsteuerung
92 ist eine typische Steuereinrichtung, die ein Anzeigesignal
von einem Fühlerelement erhält, dieses mit einem eingestellten
Niveau vergleicht und ein Ausgangssteuersignal erzeugt, um die
gewünschte Steuerfunktion auszuüben. Hier nimmt die Signal
steuerung 92 das Anzeigesignal über die Steuerleitung 94
von einem Positionssensor 96 auf, der am Mittelpfosten 14 ge
halten ist. Der Positionssensor 96 ermittelt die relative Posi
tion des sich drehenden Schwimmers 60, um die Position der Öl
schichtoberfläche zu bestimmen.
Die Signalsteuerung 92 empfängt ihre Betriebsenergie, wie etwa
elektrische, pneumatische oder hydraulische Energie, von der
Energiequelle 98. Der Positionssensor 96 kann auf einem magneti
schen, optischen, elektrischen, phonetischen oder jedem anderen
verfügbaren Übertragungsverfahren beruhen, um die relative
Position des Schwimmers 60 zu bestimmen. Bei der hier beschrieben
en Ausführungsform wird ein elektronischer Impulssensor einge
setzt. Die Signalsteuerung 92 ist in der Lage, ein elektronisches
Impulssignal zu empfangen, das von dem Positionssensor 96 erzeugt
wird, der auf den sich drehenden Schwimmer 60 anspricht. Der
Sensor 96 kann derart angeordnet sein, daß der Schwimmer 60 sich
weiter von der Auskleidung 54 entfernt (und dichter an den
Positionssensor 96 herantritt), wobei das von dem Sensor aus
gehende Signal ansteigt, oder umgekehrt. Im ersteren Fall, wenn
sich beispielsweise der sich drehende Schwimmer 60 weiter von
der Auskleidung 54 wegbewegt, um einen Anstieg der Ölmenge in dem
Rotor 12 anzuzeigen, würde die Steuerung 92 ein elektronisches
Impulssignal von dem Positionssensor 96 empfangen, und dieses
Signal mit einem Sollwert vergleichen. Wenn es erforderlich ist,
das Ventil 86 zu steuern, wird die Signalsteuerung 92 ein Aus
gangssignal erzeugen (bei den typischen Ausgangssignalen handelt
es sich um ein elektrisches Signal von 4 bis 20 Milliampere) und
über die Steuerleitung 90 dem Ventilschalter 88 zuführen, um das
Ventil 86 zu öffnen und damit das Öl aus dem Rotor 12 freizugeben.
Während das Öl abgezogen wird und das Niveau absinkt, überträgt
der Sensor 96 das entsprechende Signal auf die Steuerung 92, daß
hinreichend Öl den Rotor 12 verlassen hat und das angestrebte Öl
niveau erreicht ist, so daß das Ventil 86 geschlossen wird. Während
mehr Öl in die Zentrifuge eintritt, wird dieser Zyklus wiederholt.
Unterhalb des Wehres 72 und der Platte 70 befindet sich ein
Flüssigkeitsdurchlaß 100 für das Fluid mit der höheren spezi
fischen Dichte. Der Strömungsdurchlaß 100 wird zwischen der
Platte 70 und der Innenfläche des unteren Endes der Auskleidung
54 gebildet. Wasser fließt durch den Durchlaß 100, kehrt die
Richtung um und strömt durch den Durchlaß 56, der zwischen der
äußeren Oberfläche der Auskleidung 54 und der inneren Oberfläche
des Rotors 12 gebildet wird. In der Nähe des oberen Endes des
Durchlasses 56 befindet sich eine Überlauföffnung 102, die den
Durchlaß 56 mit der Fluidaufnahmekammer 104 verbindet. Das
untere Ende der Kammer 104 wird durch eine Platte 105 gebildet,
die an der Auskleidung 54 gehalten ist und sich mit dem Rotor 12
dreht. Das obere Ende der Kammer 104 wird durch eine Platte 107
gebildet, die ebenfalls an dem Rotor 12 gehalten ist, um sich
mit diesem zu drehen. Öl, das nicht über das Wehr 72 in die
Kammer 68 hineingeflossen ist und dementsprechend über den Durch
laß 100 in den Durchlaß 56 übergegangen ist, wird in die Kammer
104 hineingedrückt und durch den Fluidabscheider 106 entfernt,
der sich in die Kammer 104 hineinerstreckt. Der Fluidabscheider
106 ist an einer Leitung 108 angeschlossen, die eine Verbindung
zur Fluidbeschickungsleitung 48 herstellt, um dieses Öl im
Kreislauf zurückzuführen, das den Wasserabzugsbereich erreicht
hat. Die obige Überlauföffnung 102 in der Nähe der Innenwandung
des Rotors 12 stellt einen Strömungsdurchlaß 110 dar, durch
welchen das Wasser in die Wasseraufnahmekammer 112 übergeht. Das
untere Ende der Kammer 112 wird durch die Platte 107 gebildet.
Das obere Ende der Kammer 112 wird durch die Innenfläche der
oberen Endabschlußkappe 42 begrenzt. Im Inneren der Kammer 112
sind Leitbleche 114 sowie Leitbleche 116 vorgesehen, die die
Fluidrotation in der Kammer 112 aufrechterhalten und unterstützen.
Die Leitbleche 114 und 116 sind mit dem Rotor 12 verbunden und
drehen sich mit diesem. Ähnlich wie bei der Ölaufnahmekammer 68
können die Teile der Wasseraufnahmekammer 112 als individuelle
Bestandteile direkt mit dem Motor 12 verbunden werden, oder sie
können zunächst zusammengesetzt und dann als Ganzes mit dem Rotor
12 verbunden sein.
Der Fluidabscheider 118 erstreckt sich in die Kammer 112 hinein
und ist mit dem Strömungsdurchlaß 120 verbunden, der durch den
Mittelpfosten 14 und das Ventil 122 nach außen verläuft. Das
Ventil 122 wird durch die Ventilsteuerung 124 betätigt. Die
Ventilsteuerung 124 empfängt von einer Signalsteuerung 128 ein
Steuersignal über die Steuerleitung 126. Der Betrieb der Steuerung
128 ist dem Betrieb der Steuerung 92, wie sie voranstehend er
läutert wurde, ähnlich. Die Steuerung 128 empfängt ihr Anzeige
signal über die Steuerleitung 130 von dem Positionssensor 132,
der am Mittelpfosten 14 gehalten ist. Die Signalsteuerung 128
erhält die Betriebsenergie von einer Energiequelle 134. Der
Positionssensor 132 ermittelt die relative Position des Schwimmers
62, um die Dicke der Wasserschicht zu bestimmen. Der Betrieb des
Positionssensors 132 ist dem Betrieb des vorstehend diskutierten
Positionssensors 96 ähnlich. Die Fig. 4 zeigt ein vereinfachtes
Steuersystems für das Niveausteuersystem, wie es voranstehend
beschrieben wurde.
In der Nähe der Beschleunigerschale 51 befindet sich der Gasab
scheider 136. An der Beschleunigerschale 51 sind Gasbe
schleunigerleitbleche 137 befestigt. Die Leitbleche 137 unter
stützen die Entfernung aller kleiner Flüssigkeitstropfen, die
von der Gasphase eingeschlossen sein können, bevor das Gas in
den Gasabscheider 136 eintritt. Der Gasabscheider 136 ist an
einen Gasdurchlaß 138 angeschlossen, der sich über den Mittel
pfosten 14 und ein Ventil 140 nach außen erstreckt. Das Ventil
140 ist ein Drucksteuerventil, das durch eine Ventilsteuerung 142
betätigt wird, um einen vorbestimmten Innendruck im Inneren des
Rotors 12 aufrechtzuerhalten.
Die Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform des Rotors 12 und
dessen Niveausteuersystems. Diese zweite Ausführungsform besitzt
die Fähigkeiten der ersten Ausführungsform und kann zusätzlich
noch Feststoffe aus dem Produktstrom abtrennen. Die Ausführungs
form gemäß Fig. 2 umfaßt grundsätzlich die gleichen Bestandteile,
wie diejenigen der Fig. 1, wobei jedoch außerdem noch eine
innere Rotoranordnung 200 vorgesehen ist. Die innere Rotoranordnung
200 umfaßt einen inneren Rotor 202, eine Frischwasser
beschickungsdüse 204, einen Sand/Wasserabscheider 206, eine
Sand/Wasserströmungsleitung 208, sowie eine Frischwasserleitung
210. Bei der zweiten Ausführungsform ist die Fluidbeschickungsdüse
50 so angeordnet, daß der Förderstrom in die innere Rotoranordnung
200 eingeführt wird. Eine Öffnung 55 ist zwischen dem Mittel
pfosten 14 und der inneren Rotoranordnung 200 vorgesehen, die
den Durchgang von Gas aus dem inneren Rotor 202 in die Haupt
öffnung 5% der Zentrifuge 10 gestattet.
Die Primärfunktion der inneren Rotoranordnung 200 liegt darin,
die Sandpartikel aus dem zugeführten Förder- oder Produktionsstrom
abzutrennen und zu entfernen. Der innere Rotor 202 ist mit dem
Beschleunigerimpeller 52 und der Auskleidung 54 verbunden und
dreht sich mit dem Rotor 12. Der Sand/Wasserabscheider 206 er
streckt sich von dem Mittelpfosten 14 bis in den inneren Rotor
202 hinein. Die Frischwasserdüse 204 erstreckt sich ebenfalls, von
dem Mittelpfosten ausgehend, in den inneren Rotor 202 hinein.
Die Sand/Wassermischung, die von dem Abscheider 206 aufgenommen
wird, strömt durch den Durchlaß 208, der durch den Mittelpfosten
14 hoch und aus dem Rotor 12 über die Öffnung 212 nach außen läuft,
ab.
Die Fig. 5 zeigt einen Sand/Wasserabscheider 206 in größerem De
tail. Wie sich aus Fig. 5 ergibt, besitzt der Abscheider 206 eine
vorspringende Fluiddüse 219, die über eine Leitung 220 durch den
Abscheider 206 mit einer Öffnung 221 in Verbindung steht. Die
Düse 219 leitet Wasser in den Rotor 202 durch die Leitung 220 und
aus der Öffnung 221 heraus, um den im Bereich der Rotorwandung
befindlichen Sand aufzurühren und dessen Einführung in den Ab
scheider 206 zu unterstützen, worauf der Sand über die Leitung
208 nach außen geführt wird. Das äußere Ende des Abscheiders 206,
das sich nahe an dem inneren Rotor 202 befindet, ist, da es einer
auf den Abscheider 206 durch den Sand bewirkten Erosion ausge
setzt ist, vorzugsweise mit einer erosionsfesten Oberflächenschutz
schicht überzogen. Es hat sich gezeigt, daß eine von Hand aufge
brachte Diamantplatte wirkungsvoll zur Verminderung der Erosion
eingesetzt werden kann. Jedes andere erosionsfeste Material
kann jedoch ebenfalls eingesetzt werden. Die Öffnung 212 kann
über ein einstellbares Nadelventil oder eine Stellklappe ver
schließbar sein, um die Menge der Sand/Wassermenge zu steuern,
die die innere Rotoranordnung 200 verläßt. An die Frischwasser
düse 204 schließt sich eine Frischwasserleitung 210 an, die durch
den Mittelpfosten 14 verläuft. Die Frischwasserleitung 210 ist
mit einer Öffnung 214 versehen, um die Menge an Frischwasser zu
steuern, die durch die Frischwasserdüse 204 eingeleitet wird.
Es soll nun nachfolgend die Betriebsweise der Zentrifuge und des
Flüssigkeitsniveausteuersystems, unter Bezugnahme auf Fig. 1,
näher erläutert werden.
Der Hochgeschwindigkeitselektromotor 16 wird eingeschaltet und
dreht rasch die Antriebswelle 24 über die Kupplung 22. Die An
triebswelle 24 dreht den Rotor 12 um den stationären Mittelpfosten
14 innerhalb des Schutzbehälters 18. Die Rotationsgeschwindigkeit,
die erforderlich ist, um die vollständige Trennung der Bohrloch
strombestandteile zu erreichen, hängt von dem Durchmesser des
Rotors 12 ab. Wenn der Rotor 12 einen großen Durchmesser besitzt,
ist die Rotationsgeschwindigkeit zur Erreichung der Trennung kleiner
als die Rotationsgeschwindigkeit, die erforderlich ist bei einem
Rotor 12 mit geringerem Durchmesser. Zur wirkungsvollen Trennung
ist es erstrebenswert, den Rotor 12 derart anzutreiben, daß
die Fluide einer Zentrifugalkraft ausgesetzt werden, die mindest
ens das 1000-fache der Erdanziehungskraft (1000 g) ausmacht, ent
lang der Auskleidung 54 und an der Rotorwandung. Der Rotor 12
wird von dem oberen Lager 32 und dem unteren Lager 30 gehalten,
wobei sichergestellt wird, daß der Rotor 12 innerhalb des Schutz
behälters 18 zentriert wird und nicht in Kontakt hiermit tritt.
Ein Fluid, das aus dem Rotor 12 austritt, wird daran gehindert,
den Behälter 18 zu verlassen, durch die untere Dichtung 34 und
die obere Dichtung 38. Der zu trennende Fluidstrom wird durch
den Beschickungsflansch 46 in die Leitung 48 eingeführt und tritt
aus der Fluidbeschickungsdüse 50 aus und in die Beschleunigerschale
51 ein. Nach dem Austritt des Fluids aus der Be
schickungsdüse 50 beginnt das Förderstromfluid in der Be
schleunigerschale 51 zu rotieren. Während das Fluid aus der
Schale 51 austritt, wird es weiter beschleunigt, entlang des
Beschickungsbeschleunigerimpellers 52, in Richtung auf die
Auskleidung 54. Wenn das Fluid die Geschwindigkeit des Rotors
12 erreicht hat, werden die Unterschiede der spezifischen
Dichten der individuellen Fluidbestandteile durch die Zentri
fugalkraft, die auf die Fluidbestandteile ausgeübt wird, ver
größert. Wenn es die Auskleidung 54 erreicht hat, beginnt sich
das Fluid in einzelne Schichten zu trennen, wobei die ver
schiedenen Bestandteile sich in ihrer spezifischen Dichte unter
scheiden. Für eine typische Ölbohrungsströmung, die Rohöl und
Salzwasser enthält, bedeutet dies, daß sich eine Wasserschicht,
angrenzend an die Auskleidung 54, aufbaut und eine Ölschicht auf
der Wasserschicht schwimmt, wobei die beiden Schichten durch
eine Öl-Wasserzwischenfläche voneinander getrennt sind. In dem
Bestreben, eine gleichmäßige Fluidschichtdicke entlang der Aus
kleidung 54 aufzubauen, während der Strom in die individuellen
Bestandteile aufgeteilt wird, beginnen die Fluidschichten in
Richtung auf das gegenüberliegende Ende der Zentrifuge 10 ent
lang der Auskleidung 54 zu strömen. Das Koagulationssieb 66
unterstützt die Trennung des Öls von dem Wasser, indem es hilft,
größere Öltröpfchen zu bilden, die die Wirksamkeit der Fluid
trennung erhöhen. Während das Öl und das Wasser durch den Koa
gulationsabschnitt strömen, werden den kleineren Öltröpfchen
Kontaktoberflächen zur Verfügung gestellt, die die Bildung
größerer Öltropfen fördern. Die größeren Tropfen können dann
leichter aus der Wasserschicht haraus- und in die Ölschicht hin
einwandern. Das Koagulationssieb 66 unterstützt außerdem die Auf
rechterhaltung einer synchronen Bewegung der Öl- und Wasser
schichten mit der Auskleidung 54 und der Rotorwandung, wobei ein
Gleiten an der hiermit in Kontakt stehenden Zentrifugenober
fläche vermieden wird. Außerdem hilft das Koagulationssieb 66
die Bildung von Sekundärfluidströmungen zu verringern, die ein
treten können, während die individuell abgetrennten Bestandteile
den Fluidabzugskammern zugeführt werden.
Bevor die Dicke der kombinierten Öl- und Wasserfluidschichten
auf der Auskleidung 54 die Höhe des Wehres 72 erreicht, strömt
Fluid durch den Durchlaß 100 und zurück durch den Durchlaß 56,
zwischen der Auskleidung 54 und dem Rotor 12. Wenn der Durchlaß
56 gefüllt ist und die kombinierte Fluidschichtdicke das Wehr 72
erreicht, ist die Zentrifuge 10 bis zu ihrem Betriebsniveau gefüllt.
Die beiden aneinander angrenzenden Fluidschichten müssen nun von
einander getrennt und aus dem Rotor 12 herausgeführt werden.
Die Rotation des Rotors 12 führt zur Bildung zweier abgegrenzter
Schichten auf der inneren Oberfläche der Auskleidung 54, und
zwar einer Ölschicht einerseits und einer Wasserschicht anderer
seits. Die Einführung zusätzlichen Öls und Wassers in den Rotor 12
hinein führt dazu, daß Öl über das Wehr 72 in die Ölaufnahmekammer
68 eintritt, während Wasser durch den Durchlaß 110 unterhalb der
Auskleidung 54 und in die Wasseraufnahmekammer 112 hineinströmt.
Wenn hinreichend Öl eingeführt ist, tritt dieses über das Wehr 72
und durch die Öffnungen 73, wobei es beginnt, die Aufnahmekammer
68 aufzufüllen. Wenn die Kammer 68 gefüllt ist, steigt das Öl
niveau bis über das Wehr 72 an und bewirkt eine Bewegung des
Schwimmers 60, der auf der Ölschicht schwimmt, innerhalb des
Schwimmerkäfigs 58. Während sich die Oberfläche der Ölschicht
bewegt, betätigt der Positionssensor 96 die Steuerung 92 durch
die Relativbewegung des Schwimmers 60, was notwendigerweise ent
sprechend der Bewegung der Öloberfläche geschieht. Wenn das
Signal innerhalb der Steuerung 92 einem vorbestimmten Niveau
entspricht, zeigt dies ein spezifisches Ölniveau an, und die
Steuerung 92 leitet die erforderlichen Steuerschritte ein, um
das Öl aus der Kammer 68 abzuziehen.
Nachdem das entsprechende Signal von dem Positionssensor 96
empfangen worden ist, gibt die Steuerung 92 ein Signal über die
Steuerleitung 90 an den Ventilschalter 88 ab, um das Ventil 86
zu öffnen, wodurch der Durchlaß 84 frei wird. Wenn der Durchlaß
84 geöffnet ist, wird die Winkelgeschwindigkeit des Fluids
in der Ölaufnahmekammer 68 in einen dynamischen Druck umgesetzt
(ähnlich wie bei einer Zentrifugalpumpe), wobei das Öl in den
Fluidabscheider 80 und den Fluidabscheider 82 hineingedrückt
wird und aus dem Durchlaß 84 austritt. Während das Öl aus der
Zentrifuge 10 abgezogen wird, sinkt das Ölniveau in der Kammer
68 ab, wodurch der Schwimmer 60 innerhalb des Käfigs 58 sinkt.
Der Positionssensor 96 und das Steuersystem 92 schließen dann das
Ventil 86, bis das Ölniveau wieder ansteigt, bis zu dem vorbe
stimmten Niveau, worauf sich der Entleerungszyklus wiederholt.
Das Ventil 86 kann durch Öffnen, Schließen oder Drosseln das
Ölniveau in dem Rotor 12 aufrechterhalten.
Die Wasserschicht bildet sich aufgrund ihrer höheren spezifischen
Dichte, angrenzend an die Auskleidung 54, aus. Während mehr Wasser
in den Rotor 12 eingefüllt wird, steigt die Dicke der Wasser
schicht an. Wenn die Dicke der Wasserschicht ansteigt, fließt
das Wasser durch den Durchlaß 100, unterhalb der Ölaufnahmekammer
68 in umgekehrter Richtung und strömt zurück in Richtung auf das
andere Ende des Rotors 12, durch den Durchlaß 56 und den
Durchlaß 110. Diese Wasserbewegung durch den Durchlaß 56 und durch
den Durchlaß 110 führt dazu, daß sich die Wasseraufnahmekammer
112 füllt. Das Füllen der Wasseraufnahmekammer 112 bewirkt, daß
die Öl-Wasserzwischenfläche relativ zu der Auskleidung 54 an
steigt. Während die Zwischenfläche ansteigt, steigt auch der
Zwischenflächenschwimmer 62 innerhalb des Schwimmerkäfigs 64 an
und leitet eine Steuerung ein, ähnlich wie bei dem zuvor disku
tierten Ölniveausteuersystem.
Wenn das Zwischenflächenniveau eine bestimmte Sollstelle erreicht
hat, die eine bestimmte Dicke der Wasserschicht anzeigt, gibt
der Positionssensor 132 ein Signal an die Steuerung 128 ab, dahin
gehend, daß eine Notwendigkeit besteht, Wasser aus der Fluidauf
nahmekammer 112 abzuziehen. Die Steuerung 128 führt dann der
Ventilsteuerung 124 über die Steuerleitung 126 ein Signal zu, um
das Ventil 122 zu öffnen und den Durchlaß 120 freizugeben. Wenn
der Durchlaß 120 geöffnet ist, wird die Winkelgeschwindigkeit des
Fluids in der Aufnahmekammer 112 umgesetzt in einen dynamischen
Druck, wodurch das Wasser in den Fluidabscheider 118 eingepreßt
wird und aus dem Durchlaß 120 austritt. Wenn hinreichend Wasser
aus der Fluidaufnahmekammer 112 abgezogen ist, sinkt das Niveau
der Öl-Wasserzwischenfläche ab, und dementsprechend, notwendiger
weise, der Abstand des Schwimmers 62, relativ zur Auskleidung 54.
Diese Bewegung wird von dem Sensor 132 aufgenommen, der schließ
lich das Ventil 122 schließt, bis ein weiteres Signal empfangen
wird, das anzeigt, daß die Aufnahmekammer 112 sich gefüllt hat, wo
durch ein weiterer Wasserentnahmezyklus eingeleitet wird. Die
Wirkung des Ventils 122 ist so, daß, ähnlich wie bei dem Ventil
86, eine Zu- oder Offenschaltung erfolgen kann, oder es kann auch
eine Drosselwirkung erzielt werden, entsprechend der Dicke der
Wasserschicht. Während das Wasser in Richtung auf die Aufnahme
kammer 112 durch den Durchlaß 56 zwischen der Auskleidung 54
und dem Rotor 12 fließt, durchläuft es das Koagulationssieb 66.
Das Sieb 66 unterstützt die Bildung größerer Öltropfen des Öls,
welches möglicherweise nicht durch die Aufnahmekammer 68 entfernt
worden ist. Bevor Öl, das in den Durchlaß 56 eingetreten ist, die
Fluidkammer 112 erreicht, wird es, angrenzend an die Innenwandung
der Auskleidung 54, aufgrund der geringem spezifischen Dichte
gedrückt. Dieses Öl, das typischerweise auch Schichtöl genannt
wird, strömt dann entlang der Innenwandung der Auskleidung 54
mit dem Wasser durch den Durchlaß 102 in die Aufnahmekammer 104.
Die Mischung von Öl und Wasser, die in die Kammer 104 fließt, wird
durch den Öl/Wasserabscheider 106 abgezogen und zur erneuten
Trennung durch den Durchlaß 108 in den Einlaß 48 zurückgeführt.
Diese Kreislaufführung hilft sicherzustellen, daß kein Öl die
Flüssigkeitsaufnahmekammer 112 erreicht und daß kein Öl aus dem
Wasserdurchlaß 120 freigegeben wird.
Während des Betriebes der Zentrifuge 10 ist es für eine wirkungsvolle
Trennung erstrebenswert, daß die Wasser-Ölzwischenfläche in einem
bestimmten Betriebsbereich oberhalb der Auskleidung 54 verbleibt.
Das Zwischenflächensteuersystem sollte nicht gestatten, daß
die Zwischenfläche oberhalb der Höhe des Wehres 72 ansteigt,
oder unter das Niveau des Durchlasses Öl abfällt. Wenn die
Öl-Wasserzwischenfläche auf der Auskleidung 54 oberhalb der
Höhe des Wehres 72 ansteigt, strömt Wasser über das Wehr
72 und tritt in die Aufnahmekammer 68 ein, so daß es durch
die Abscheider 80 und 82 abgezogen wird. Wenn andererseits die
Öl-Wasserzwischenfläche auf der Auskleidung 54 unterhalb das
Niveau des Durchlasses 100 abfällt, tritt Öl durch den Durchlaß
100 zurück durch den Durchlaß 56 und möglicherweise in die Kammer
112 ein, so daß es durch den Abscheider 118 abgezogen wird. Dem
entsprechend ist es erforderlich, daß die Öl-Wasserzwischenfläche
einen Abstand von der Auskleidung 54 einhält, der geringer ist als
die Höhe des Wehres 72 über der Auskleidung 54 und größer als der
Abstand zwischen der Obergrenze des Durchlasses 100 bis zur Aus
kleidung 54, wodurch verhindert wird, daß die Ölphase durch den
Durchlaß 100 hindurchtritt, während gleichzeitig verhindert wird,
daß die Wasserphase über das Wehr 72 strömt.
Im Laufe der vorangehenden Beschreibung wurde ein Verfahren und
eine Vorrichtung erläutert, mittels welcher eine Bohrlochströmung
aufgeteilt wurde, ohne einen wesentlichen Gasbestandteil. Wenn
der Bohrlochstrom eine Gasphase enthält, tritt die folgende Situ
ation ein. Die Gasphase wird mit der Flüssigkeit in den Rotor 12
durch den Beschickungsflansch 46 und die Beschickungsdüse 50 ein
geführt. Infolge der geringen Dichte des Gases, relativ zu den
Flüssigkeiten, wird das Gas von den Flüssigkeiten getrennt, während
es in die Beschleunigerschale 51 eintritt und wandert zu dem
Hauptraum 57 der Zentrifuge 10 durch die Öffnung 53. Während
sich die Wasserschicht in dem Rotor 12 aufbaut und die Ölschicht
sich auf der Wasserschicht ausbildet, nimmt das Gas den Haupt
raum 57 der Zentrifuge 10 ein, und eine Gas-Ölzwischenfläche
bildet sich an der Oberfläche der Ölschicht aus. Gasbeschleuniger
leitbleche 137, die sich mit dem Rotor 12 drehen, führen zu
einer zusätzlichen Abtrennung kleiner Fluidtröpfchen, die nach
wie vor von der Gasphase eingeschlossen sein können. Der Gasab
scheider 136 gestattet den Gaseintritt in den Durchlaß 138 in
dem Mittelpfosten 14 aus dem Rotor 12 heraus. Der Gasdurchlaß
138 wird durch eine Gasdrucksteuereinrichtung 142 und ein Ventil
140 gesteuert. Wenn mehr Gas in den Rotor 12 eintritt, steigt der
Innendruck des Systems an. Wenn der Druck einen vorbestimmten
Solldruck erreicht hat, öffnet die Drucksteuereinrichtung 142
das Ventil 140 und gestattet den Gasaustritt aus der Zentrifuge,
um den Druck innerhalb des Separators zu reduzieren. Eine solche
Druckregulierungseinrichtung und entsprechende Ventile sind bei
der Öl- und Gasförderung hinlänglich bekannt, so daß sich eine
weitere Diskussion hier erübrigen dürfte. Der Fluidstrom, frei
von Gas, tritt aus der Schale 51 aus und wird durch den Be
schickungsbeschleunigungsimpeller 52 auf die volle Rotorge
schwindigkeit beschleunigt, worauf die Trennung in der oben be
schriebenen Weise eintritt.
Wenn man vermutet, daß Sand oder andere Feststoffe in dem Fluid
strom gefördert werden, kommt die zweite Ausführungsform des
Zentrifugalseparators und des Steuersystems zum Einsatz. Die
zweite Ausführungsform ist in Fig. 2 wiedergegeben. Der Betrieb
der zweiten Ausführungsform ist demjenigen der in Fig. 1 darge
stellten ersten Ausführungsform ähnlich, wobei jedoch eine zu
sätzliche innere Rotoranordnung 200 sowie Strömungsdurchlässe
vorgesehen sind, die Sand und andere Feststoffe entfernen. Die
Fluideinlaßdüse 50 führt den Fluidstrom, der die Feststoffe ent
hält, in den inneren Rotor 202 ein, in welchem die Fluide be
ginnen beschleunigt zu werden. Der Sand und andere Feststoffe
werden, nachdem sie mit der Rotorwandung des inneren Rotors 202
in Kontakt getreten sind, in den Bereich des großen Radius des
inneren Rotors 202 und in den Sand/Wasserabscheider 206 geführt,
der sich von dem Mittelpfosten 14 aus erstreckt. Das Sand/Wasser
abscheidesystem ist, im Gegensatz zum Öl- und Wasserabzugssystem,
ein ständig offenes System, das kontinuierlich ein geringes,
konstantes Volumen eines Stromes aus dem inneren Rotor heraus abgibt
und dies aus der Zentrifuge 10 heraus durch den Sand/
Wasserdurchlaß 208 abführt. An dem Sand/Wasserdurchlaß 208
kann eine kleine Öffnung 212 vorgesehen sein, um die Menge
an Sand und Wasser, die aus dem inneren Rotor 202 abgezogen
werden, zu steuern. Andere Steuerungen, wie etwa ein einstell
bares Nadelventil oder Ventilklappen, können eingebaut sein,
um ein ständig offenes Abzugssystem zu bilden. Ein kleiner
Frischwasserstrom kann durch den Frischwasserdurchlaß 210 und
die Beschickungsdüse 204 in das Innere des Rotors 202 injiziert
werden, um sicherzustellen, daß der Sand/Wasserabscheider 206
stets einen kontinuierlichen Wasserstrom zur Verfügung hat, um
einen Frischwasserstrom aufrechtzuerhalten, der das "Abwaschen"
der kleinen Ölpartikel von dem geförderten Sand unterstützt.
Es ist förderlich, während des Abzuges des Sandes, von der Wandung
des inneren Rotors 202 den Sand unmittelbar vor dem Sand/Wasser
abscheider 206 zu rühren. Die Fig. 5 zeigt eine Ansicht des
Fluidabscheiders 206 mit einem Feststoffagitator. Wasser, das
in dem inneren Rotor 202 rotiert, wird durch die Düse 219 und
den Durchlaß 220 aus der Öffnung 221 auf einen Punkt abgestrahlt,
unmittelbar vor der Abscheideöffnung 208. Während das Wasser aus
der Öffnung 221 herausgestrahlt wird, wirbelt der Sand an der
Wandung des inneren Rotors 202 auf und wird von dem Sand/Wasser
abscheider aufgenommen, zur Abgabe durch den Sand/Wasserdurchlaß
208.
Der Fluidstrom, der nun frei von Feststoffen ist, die in die
Zentrifuge eingeführt worden sein können, tritt aus dem inneren
Rotor 202 aus und wird durch den Beschickungsimpeller 52
auf die volle Rotorgeschwindigkeit beschleunigt und aufgeteilt
in der zuvor beschriebenen Weise.
Während des Anlassens der Zentrifuge 10 ist es erstrebenswert,
den Separator zunächst mit einem kleinen Volumen des schwereren
abzutrennenden Fluids anzufüllen, um eine Fluidschicht zu
Steuerungs- und Abdichtungszwecken abzubauen. Diese Abdichtung
würde verhindern, daß in unerwünschter Weise die Möglichkeit
besteht, daß Öl während des Anlassens aus der Wasserabgabeleitung
austritt.
Eine typische Größe für einen Öl- und Wasserzentrifugalseparator
mit einem Durchsatz von 1 590 000 l Fluid pro Tag besitzt etwa
eine Länge von 1,83 m und einen Durchmesser von 0,91 m. Das Füll
volumen für das Anlassen einer Einrichtung dieser Größe liegt bei
etwa 68 l Wasser. Während sich der Rotor 12 dreht, wird das
Füllwasser über den Beschickungsflansch 46, die Einlaßleitung 48
und die Beschickungsdüse 50 zugeführt. Das Füllwasser strömt aus
dem Beschleunigerimpeller 52 zur Auskleidung 54 und durch den
Durchlaß 100 in den Durchlaß 56 ein. Dieses Füllwasser verhindert
dementsprechend, daß gefördertes Öl aus dem Durchlaß 56 austritt
und die Wasseraufnahmekammer 112 erreicht, von wo aus es durch
den Wasserdurchlaß 120 als gefördertes Wasser austreten würde.
Der hier beschriebene Zentrifugalseparator und das Niveausteuer
system ermöglichen eine extrem effiziente Abtrennung der Bestand
teile eines Bohrlochstromes. Es sind jedoch, wie zuvor diskutiert
wurde, verschiedene Einrichtungen, die in den bevorzugten Aus
führungsformen, wie sie in den Fig. 1 und 2 dargestellt sind,
nicht erforderlich für den Betrieb des Zentrifugalseparators.
Die Fig. 6 zeigt eine von vielen möglichen Einrichtungen, die
entsprechend diesen Spezifizierungen aufgebaut sind, wobei sie
jedoch nicht alle Elemente enthalten, die zuvor in Fig. 1 oder
Fig. 2 beschrieben sind.
Die Fig. 6 zeigt die grundlegenden Bestandteile des Zentrifugal
separators gemäß dieser Erfindung. Die Einrichtungsgegenstände,
die nicht erforderlich sind, werden bei der Ausführungsform, wie
sie in Fig. 6 dargestellt ist, weggelassen und umfassen einen
Beschleunigerimpeller, eine Beschleunigerschale, eine Aus
kleidung, ein Koagulierungssieb, Leitbleche und einen Schicht
ölabscheider. Auch die Durchlässe 100, 110 und 56 der Fig. 1 und 2
sind ersetzt durch den Durchlaß 101. Der Durchlaß 101 ist
zwischen dem Boden der Platte 70, die die Ölaufnahmekammer
68 bildet, und dem Rotor 12 ausgebildet.
Beim Betrieb der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform treten
die Fluide, die in die Zentrifuge 10 durch den Beschickungseinlaß
48 zugeführt sind, durch die Einlaßdüse 50 aus und bewegen sich
in Richtung auf den Rotor 12. Etwa vorhandenes Gas bewegt sich
von der Rotorwandung weg und in Richtung auf die Hauptöffnung 57
des Rotors 12. Wenn genug Gas in den Rotor 12 eingetreten ist,
steigt der Gasdruck an und wird über den Durchlaß 138, wie bei
der zuvor beschriebenen bevorzugten Ausführungsform, freigesetzt.
Die Fluide bewegen sich nach der Abtrennung des Gases in Richtung
auf den Rotor, wo sie mit dem Rotor oder anderen Fluiden, die
sich schon in dem Rotor befinden, in Kontakt treten und beginnen
mit Rotorgeschwindigkeit umzulaufen. Während die umlaufenden
Fluide sich entlang der Rotorwandung bewegen, werden sie in
ihre schwereren Bestandteile (Wasser) und leichteren Bestandteile
(Öl) aufgetrennt. Das Wasser bildet eine Flüssigkeitsschicht, un
mittelbar angrenzend an die Rotorwandung, und das Öl bildet eine
Flüssigkeitsschicht oben auf der Wasserschicht. Wenn hinreichend
Öl sich in der Zentrifuge befindet, tritt es über das Wehr 72
und fließt in die Ölaufnahmekammer 68, worauf die Ölaufnahmekammer
68 sich zu füllen beginnt.
Zwischen dem Gas und der Ölschicht bildet sich eine Gas-Öl
zwischenfläche 61 aus, auf welcher der Schwimmer 60 aufschwimmt.
Wenn genug Öl produziert ist, öffnet das zugeordnete Niveausteuer
system, das den Schwimmer 60, den Sensor 96 und die Steuerung 92
umfaßt, den Fluiddurchlaß 84, um das Öl freizusetzen, in der
gleichen Weise wie dies beim Betrieb der in Fig. 1 gezeigten
Ausführungsform beschrieben wurde. Zwischen der Ölschicht und
der Wasserschicht bildet sich eine Öl-Wasserzwischenfläche 63
aus, auf welcher der Schwimmer 62 aufschwimmt. Wenn genug Wasser
vorhanden ist, steigt der Schwimmer 62 an, bis er eine vorbe
schriebene Höhe erreicht hat, worauf er dies auf einen Sensor
132 und eine Steuerung 128 überträgt, so daß der Durchlaß 120
geöffnet wird, um ein Abziehen des Wassers aus dem Rotor 12
zu ermöglichen, in der gleichen Weise, wie dies beim Betrieb
der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform beschrieben wurde.
Es ist auch möglich, daß die Abscheider und Aufnahmekammern an
dem Ende ausgebildet sind, das dem in Fig. 6 gezeigten gegenüber
liegt, oder sie können an beiden Enden vorgesehen sein. Eine oder
mehrere Fluidkammern können an beiden Enden des Rotors 12 vorge
sehen sein. In einer ähnlichen Weise können die Schwimmersensoren
an jeder beliebigen Stelle entlang der Rotorwandung 12 angeordnet
sein. Es ist jedoch vorteilhaft, die Schwimmersensoren an solchen
Positionen anzuordnen, wo sie die geringste Störung durch die
in den Rotor 12 eintretenden Fluide erfahren. Dies bedeutet, daß
die Schwimmer wahrscheinlich am vorteilhaftesten in der Nähe der
Fluidaufnahmekammern anzuordnen sein sollten.
Bei der Anordnung gemäß Fig. 6 führt der Abzug der Flüssigkeiten
aus den Fluidaufnahmekammern durch den Abscheider 80 und den
Abscheider 112 zu einer gemeinsamen Strömung entlang der Wandung
des Rotors 12. Wenn die Abscheider und die Aufnahmekammern auf ent
gegengesetzten Enden des Rotors angeordnet sind (ein Abscheider
und eine Aufnahmekammer an jedem Ende), tritt ein Gegenstrom durch
den Abzug der Flüssigkeiten aus dem Rotor 12 ein. Die bevorzugten
Ausführungsformen, wie sie in Fig. 1 und Fig. 2 beschrieben
sind, umfassen verschiedene Verbesserungen über diese Grundaus
führungsform, so daß eine vollständigere Trennung einer jeden
Fluidkomponente möglich ist, wobei jedoch der grundsätzliche Be
trieb der Zentrifuge, entsprechend der Darstellung in Fig. 6,
abläuft.
Verschiedene Untersuchungen sind ausgeführt worden, unter Einsatz
der Zentrifuge, wie sie in Fig. 1 dar erstellt und hierin beschrie
ben ist. Die Untersuchungen mit einer Prototypzentrifuge von
305 mm Durchmesser und 762 mm Länge, die mit einer Mischung aus
50% Öl und 50% Wasser beschickt wurde, zeigten die folgenden
Ergebnisse:
Bei der Prototypzentrifuge besaß der Fluiddurchlaß 56, der zwischen
der inneren Oberfläche des Rotors 12 und der äußeren Oberfläche der
Auskleidung 54 ausgebildet war, eine Dicke von etwa 10,2 mm. Der
Abstand des Wehres 72 von der inneren Oberfläche der Auskleidung
54 betrug etwa 25,4 mm. Bei einer Dicke der Auskleidung 54 von 2,5 mm
betrug der Abstand des Wehres 72 vom Rotor 12 etwa 38,1 mm.
Der Schwimmer 60, der in dem Käfig 58 an der Auskleidung 54 gehalten
war, zum Aufschwimmen auf der Ölschichtoberfläche, war in der Lage,
eine gewisse Bewegung auf der Öloberfläche in einem Abstand von
der inneren Oberfläche des Rotors 12 auszuführen, und zwar in etwa
gleich dem Abstand zwischen dem Wehr 72 und der inneren Oberfläche
des Rotors 12 (38,1 mm). Die Bewegung des Schwimmers 60 innerhalb
des Käfigs 58 lag in der Größenordnung von ± 2,54 mm. In einer
ähnlichen Weise konnte der Zwischenflächenschwimmer 62, der sich
in dem Käfig 64 befand, eine leichte Bewegung auf der Öl-Wasser
zwischenflächenoberfläche ausführen, von etwa 8,9 mm von der
inneren Oberfläche der Auskleidung 54. Die Bewegung des Schwimmers
62 in dem Käfig 64 lag in der Größenordnung von ± 2,54 mm.
Größere Zentrifugalseparatoren können größeres Spiel hinsicht
lich des Durchlasses 56 für größere Fluidbehandlungskapazitäten
aufweisen. Auch kann, mit dem Anstieg der Zentrifugenkapazität,
die Höhe des Wehres 72 ansteigen für einen größeren Durchlaß
100 und 56. Eine Vergrößerung der Höhe des Wehres 72 erfordert
auch einen Anstieg des Abstandes des Schwimmers 60 und des
Schwimmers 62 von der Auskleidung 54. Dementsprechend sollen
die angegebenen Abstände und Dimensionen in keiner Weise absolute
Konstruktionseingrenzungen darstellen oder Betriebsbereiche
bedeuten.
Es soll an dieser Stelle noch einmal ausdrücklich angeführt werden,
daß es sich bei der vorangehenden Beschreibung lediglich um eine
solche beispielhaften Charakters handelt und daß verschiedene
Abänderungen und Modifikationen möglich sind, ohne dabei den
Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Claims (14)
1. Verfahren zum Abscheiden der Komponenten eines Materialstromes, der
sich aus wenigstens drei Fluiden unterschiedlicher spezifischer Dichte zu
sammensetzt, wobei das Fluid mit der niedrigsten spezifischen Dichte ein
Gas und die anderen Fluide Flüssigkeiten sind, wobei der Material
strom in eine Zentrifuge mit einem Rotor eingeleitet wird, der eine Ro
torwandung sowie einander gegenüberliegende erste und zweite Endberei
che aufweist, wobei ferner der Rotor in Drehung versetzt wird, um eine Ra
dialtrennung der Fluide zu bewirken, wobei die Fluide nach außen gegen
die Rotorwand gedrückt werden und eine Mehrzahl von Fluidschichten der
art bilden, daß die Fluidschicht angrenzend an die Rotorwandung die Flüs
sigkeitsschicht mit der größten spezifischen Dichte ist und die
nachfolgende Flüssigkeitsschicht und die Gasschicht radial innerhalb der
Flüssigkeitsschicht mit der größten spezifischen Dichte angeordnet sind,
wobei Zwischenflächen zwischen den einzelnen separierten Fluidschichten
gebildet werden, wobei ferner das Gas aus der Gasschicht abgezogen wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Positionen der Zwischenflächen kontinuierlich überwacht werden und
daß die einzelnen Flüssigkeiten unabhängig voneinander aus der jeweiligen Schicht im Rotor in Abhängigkeit von den überwachten Posi tionen der jeweiligen Zwischenflächen zwischen einer Flüssigkeit und ei nem jeweils radial einwärts angeordneten Fluid abgezogen werden.
daß die Positionen der Zwischenflächen kontinuierlich überwacht werden und
daß die einzelnen Flüssigkeiten unabhängig voneinander aus der jeweiligen Schicht im Rotor in Abhängigkeit von den überwachten Posi tionen der jeweiligen Zwischenflächen zwischen einer Flüssigkeit und ei nem jeweils radial einwärts angeordneten Fluid abgezogen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abziehen
jeder Flüssigkeit diese in einen jeweiligen Fluidabzugabschnitt des Haupt
rotors überführt und die Flüssigkeit durch Öffnen eines jeweiligen Kanals
eines Flüssigkeitsabscheiders aus dem Rotor entsprechend der Position ei
ner jeden Flüssigkeits-Flüssigkeits- oder Flüssigkeit-Gas-Zwischenfläche
abgezogen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die
Position einer jeden Zwischenfläche durch die Bestimmung der Position ei
ner Mehrzahl von Schwimmern ermittelt, die an den entsprechenden Zwi
schenflächen zwischen den Fluidschichten aufschwimmen, wobei jeder
Schwimmer eine spezifische Dichte besitzt, die geringer ist als die spezifi
sche Dichte der Schicht, auf welcher er aufschwimmt und größer als die
spezifische Dichte der Schicht, unterhalb welcher er sich befindet.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Gas abgezogen wird, wenn in der Gasschicht ein vorbe
stimmter Druck erreicht ist, so daß ein vorbestimmter Rotordruck aufrecht
erhalten wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Materialstrom, der zusätzlich zu den Fluiden noch Fest
stoffbestandteile enthält, in einen inneren Rotor der Zentrifuge eingeleitet
wird, wobei sich der innere Rotor innerhalb des Hauptrotors befindet und
mit einer konkaven Rotorwandung ausgebildet ist, daß der innere Rotor in
Umdrehungen versetzt wird zur Erzeugung einer Zentrifugalkraft, die aus
reicht, um die Feststoffe gegen die innere Rotorwandung zu führen, daß die
abgetrennten Feststoffe aus dem inneren Rotor abgezogen werden und
daß die Fluide aus dem inneren Rotor in den Hauptrotor überführt werden.
6. Vorrichtung zum Abscheiden der Komponenten eines Materialstromes, der
sich aus wenigstens drei Fluiden unterschiedlicher spezifischer Dichte zu
sammensetzt, wobei das Fluid mit der niedrigsten spezifischen Dichte ein
Gas und die anderen Fluide Flüssigkeiten sind, wobei die Vorrich
tung folgendes aufweist,
einen Rotor (12), der um seine Längsachse drehbar ausgebildet ist, wobei der Rotor (12) eine Rotorwandung und einander gegenüberliegende erste und zweite Endabschlußwandungen (28, 42) aufweist, die einen Raum (57) innerhalb des Rotors (12) ausbilden,
ein Antriebsmittel (16) zum Drehen des Rotors (12),
ein Fluidbeschickungseinlaß (46, 48, 50) zum Einführen des Materialstro mes in den Raum (57) des Rotors (12), so daß durch die Drehung des Ro tors (12) eine radiale Trennung der Fluide erfolgt, wobei sich durch die auswärts in Richtung der Rotorwandung gerichtete Kraft eine Trennung in mehrere Fluidschichten einstellt, so daß die Flüssigkeitsschicht benachbart zur Rotorwandung die größte spezifische Dichte aufweist, wobei die andere Flüs sigkeitsschicht anderen Flüssigkeitsschichten und die Gasschicht nacheinander radial innerhalb der Flüs sigkeitsschicht der größten spezifische Dichte angeordnet sind, wobei sich zwischen einzelnen getrennten Fluidschichten entsprechende Zwischenflä chen ausbilden; und
eine Einrichtung (136, 138, 140, 142) zur Gasabführung zum Abziehen von Gas aus der Gasschicht;
gekennzeichnet durch
eine Sensoreinrichtung (60, 62, 92, 94, 96, 128, 130, 132) zum kontinuierli chen Überwachen der Position der Zwischenflächen; und
Abscheideeinrichtungen (68, 80, 82, 84, 86, 88, 112, 118, 120, 122, 124) zum voneinander unabhängigen Abziehen der einzelnen Flüssigkeiten aus dem Rotor (12) in Abhängigkeit von den überwachten Positionen jeweiliger Zwischenflächen zwischen der Flüssigkeit und dem nächsten radial ein wärts angeordneten Fluid.
einen Rotor (12), der um seine Längsachse drehbar ausgebildet ist, wobei der Rotor (12) eine Rotorwandung und einander gegenüberliegende erste und zweite Endabschlußwandungen (28, 42) aufweist, die einen Raum (57) innerhalb des Rotors (12) ausbilden,
ein Antriebsmittel (16) zum Drehen des Rotors (12),
ein Fluidbeschickungseinlaß (46, 48, 50) zum Einführen des Materialstro mes in den Raum (57) des Rotors (12), so daß durch die Drehung des Ro tors (12) eine radiale Trennung der Fluide erfolgt, wobei sich durch die auswärts in Richtung der Rotorwandung gerichtete Kraft eine Trennung in mehrere Fluidschichten einstellt, so daß die Flüssigkeitsschicht benachbart zur Rotorwandung die größte spezifische Dichte aufweist, wobei die andere Flüs sigkeitsschicht anderen Flüssigkeitsschichten und die Gasschicht nacheinander radial innerhalb der Flüs sigkeitsschicht der größten spezifische Dichte angeordnet sind, wobei sich zwischen einzelnen getrennten Fluidschichten entsprechende Zwischenflä chen ausbilden; und
eine Einrichtung (136, 138, 140, 142) zur Gasabführung zum Abziehen von Gas aus der Gasschicht;
gekennzeichnet durch
eine Sensoreinrichtung (60, 62, 92, 94, 96, 128, 130, 132) zum kontinuierli chen Überwachen der Position der Zwischenflächen; und
Abscheideeinrichtungen (68, 80, 82, 84, 86, 88, 112, 118, 120, 122, 124) zum voneinander unabhängigen Abziehen der einzelnen Flüssigkeiten aus dem Rotor (12) in Abhängigkeit von den überwachten Positionen jeweiliger Zwischenflächen zwischen der Flüssigkeit und dem nächsten radial ein wärts angeordneten Fluid.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidbe
schickungseinlaß ein Fluideinlaßrohr (48) aufweist, das in den Raum (57)
innerhalb des Rotors (12) zur Einführung des Materialstromes in den Rotor
(12) angeordnet ist, und wobei die Abscheideeinrichtungen eine Aufnahme
kammer (112) für eine Flüssigkeit mit großer Dichte sowie eine Aufnahme
kammer (68) für die Flüssigkeit mit geringer Dichte aufweist, die beide an
dem Rotor (12) gehalten sind, zur Aufnahme von Flüssigkeiten mit hoher
und geringer Dichte aus den jeweiligen Flüssigkeitsschichten im Rotor (12);
wobei die Vorrichtung ferner folgendes aufweist, einen Abscheider (118) für
die Flüssigkeit mit hoher Dichte innerhalb des Raums (57), der sich von der
Rotationsachse des Rotors (12) auswärts in die Aufnahmekammer (112) für
die Flüssigkeit mit hoher Dichte zum Abziehen der Flüssigkeit mit hoher
Dichte aus der Aufnahmekammer (112) erstreckt; einen zweiten Abscheider
(80, 82) für die Flüssigkeit mit geringer Dichte mit einem Strömungskanal
(84), der sich von der Rotationsachse des Rotors (12) auswärts in die Auf
nahmekammer (68) für die Flüssigkeit mit geringer Dichte zum Abziehen
der Flüssigkeit mit geringer Dichte aus der Aufnahmekammer (68) erstreckt;
und eine Einrichtung (122, 124) zur Regulierung der Strömung in dem
Strömungskanal (120) zum Abzug der Flüssigkeit größerer Dichte in Ab
hängigkeit von einem Ausgang der Sensoreinrichtung zum kontinuierlichen
Überwachen der Zwischenflächen sowie eine Einrichtung (86, 88) zur Re
gulierung der Strömungsmenge durch den Strömungskanal (84) für den
Abzug der Flüssigkeit geringerer Dichte in Abhängigkeit von dem Ausgang
der Sensoreinrichtung zum kontinuierlichen Überwachen der Zwischenflä
chen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch ein Wehr (72), das
angrenzend an die Kammer (68) für das Fluid geringerer Dichte mit dem
Rotor (12) verbunden ist und sich, von der Rotorwandung ausgehend, um
einen solchen Abstand radial nach innen erstreckt, der ausreicht, um die
Flüssigkeit geringerer Dichte über das Wehr (72) überzuströmen und in die
Kammer (68) eintreten zu lassen, wobei die Sensoreinrichtung zum Über
wachen der Zwischenflächen folgendes aufweist,
einen ersten Detektor (132) zur Ermittlung der radialen Position der Flüs sigkeit-Flüssigkeit-Zwischenflächen sowie zur Erzeugung eines entspre chenden Signals,
einen zweiten Detektor (96) zur Ermittlung der radialen Position der Flüs sigkeit-Gas-Zwischenfläche sowie zur Erzeugung eines entsprechenden Signals,
einen ersten Signalumsetzer (128), der mit dem ersten Detektor (132) ver bunden und zur Aufnahme des von dem ersten Detektor (132) erzeugten Signals sowie zum Erzeugen eines variierenden Ausgangssignals zur Mengensteuerung des Materialabzuges durch den ersten Abscheider (118) ausgebildet ist,
einen zweiten Signalumsetzer (92), der mit dem zweiten Detektor (96) ver bunden und zur Aufnahme des von dem zweiten Detektor (96) erzeugten Signals sowie zum Erzeugen eines variierenden Ausgangssignals zur Mengensteuerung des Materialabzuges durch den zweiten Abscheider (80, 82) ausgebildet ist.
einen ersten Detektor (132) zur Ermittlung der radialen Position der Flüs sigkeit-Flüssigkeit-Zwischenflächen sowie zur Erzeugung eines entspre chenden Signals,
einen zweiten Detektor (96) zur Ermittlung der radialen Position der Flüs sigkeit-Gas-Zwischenfläche sowie zur Erzeugung eines entsprechenden Signals,
einen ersten Signalumsetzer (128), der mit dem ersten Detektor (132) ver bunden und zur Aufnahme des von dem ersten Detektor (132) erzeugten Signals sowie zum Erzeugen eines variierenden Ausgangssignals zur Mengensteuerung des Materialabzuges durch den ersten Abscheider (118) ausgebildet ist,
einen zweiten Signalumsetzer (92), der mit dem zweiten Detektor (96) ver bunden und zur Aufnahme des von dem zweiten Detektor (96) erzeugten Signals sowie zum Erzeugen eines variierenden Ausgangssignals zur Mengensteuerung des Materialabzuges durch den zweiten Abscheider (80, 82) ausgebildet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste De
tektor (62, 132) folgendes umfaßt,
einen ersten Schwimmer (62) innerhalb des Rotors (12), welcher auf der Flüssigkeit-Flüssigkeit-Zwischenfläche aufschwimmt und bezüglich der Rotationsachse des Rotors (12) radial beweglich ausgebildet ist, sowie ei nen ersten Positionssensor (132) zur Bestimmung der Radialposition des ersten Schwimmers (62) und zur Erzeugung eines entsprechenden Signals;
und daß der zweite Detektor (60, 96) folgendes umfaßt,
einen zweiten, innerhalb des Rotors (12) angeordneten Schwimmer (60), welcher auf der Flüssigkeit-Gas-Zwischenfläche aufschwimmt und bezüg lich der Rotationsachse des Rotors (12) radial beweglich ausgebildet ist, sowie
einen zweiten Positionssensor (96) zur Bestimmung der Radialposition des zweiten Schwimmers (60), sowie zur Erzeugung eines entsprechenden Si gnals.
einen ersten Schwimmer (62) innerhalb des Rotors (12), welcher auf der Flüssigkeit-Flüssigkeit-Zwischenfläche aufschwimmt und bezüglich der Rotationsachse des Rotors (12) radial beweglich ausgebildet ist, sowie ei nen ersten Positionssensor (132) zur Bestimmung der Radialposition des ersten Schwimmers (62) und zur Erzeugung eines entsprechenden Signals;
und daß der zweite Detektor (60, 96) folgendes umfaßt,
einen zweiten, innerhalb des Rotors (12) angeordneten Schwimmer (60), welcher auf der Flüssigkeit-Gas-Zwischenfläche aufschwimmt und bezüg lich der Rotationsachse des Rotors (12) radial beweglich ausgebildet ist, sowie
einen zweiten Positionssensor (96) zur Bestimmung der Radialposition des zweiten Schwimmers (60), sowie zur Erzeugung eines entsprechenden Si gnals.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einrichtung zur Gasabführung folgendes umfaßt,
einen Gasabscheider (136), der innerhalb des Rotors (12) angeordnet ist und einen dritten Strömungskanal (138) aufweist, der sich zur Abführung des Gases aus dem Rotor (12) von dem axialen Bereich des Rotors (12) nach außen erstreckt, sowie
eine Drucksteuereinrichtung (140, 142), die mit dem dritten Strömungskanal (138) verbunden ist und einen vorbestimmten Druck innerhalb des Rotors (12) aufrecht erhält.
einen Gasabscheider (136), der innerhalb des Rotors (12) angeordnet ist und einen dritten Strömungskanal (138) aufweist, der sich zur Abführung des Gases aus dem Rotor (12) von dem axialen Bereich des Rotors (12) nach außen erstreckt, sowie
eine Drucksteuereinrichtung (140, 142), die mit dem dritten Strömungskanal (138) verbunden ist und einen vorbestimmten Druck innerhalb des Rotors (12) aufrecht erhält.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
daß diese ferner folgendes aufweist, einen Fluidbeschleunigerimpeller (52),
der mit dem Rotor (12) drehbar ausgebildet ist und Fluid aus dem Fluidein
laßrohr (48) aufnimmt, sowie ein Koagulationssieb (66), das mit dem Rotor
(12) drehbar ausgebildet ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
daß eine der Flüssigkeiten Wasser ist und der Materialstrom zusätzlich
Sand enthält, wobei die Vorrichtung zusätzlich folgendes umfaßt,
einen in dem Rotor (12) angeordneten und mit diesem drehbar ausge bildeten inneren Rotor (200, 202), wobei der innere Rotor (200, 202) eine innere Rotorwandung umfaßt, die einen Raum innerhalb des inneren Rotors (200, 202) ausbildet, welcher einen Materialstrom aus dem Fluideinlaßrohr (48) aufnimmt, wobei eine Öffnung des Fluideinlaßrohres (48) innerhalb des Raumes des inneren Rotors (200, 202) angeordnet ist,
einen Sand/Wasserabscheider (206) innerhalb des Raumes des inneren Rotors (200, 202), der mit einer Abführleitung (208) verbunden ist, die sich von der Wandung des inneren Rotors (200, 202) über den axialen Bereich des Hauptrotors (12) zum Abzug des Sandes aus dem inneren Rotor (200, 202) nach außen erstreckt,
eine Sand/Wasserauslaßöffnung (212), die mit der Abführleitung (208) aus dem Sand/Wasserabscheider (206) verbunden ist,
eine Reinwasserleitung (210), die von außen über den axialen Bereich des Rotors (12) und des inneren Rotors (200, 202) in den inneren Rotor (200, 202) hineingeführt ist,
eine Wassereinlaßöffnung (214, 204), die mit der Reinwasserleitung (210) verbunden ist.
einen in dem Rotor (12) angeordneten und mit diesem drehbar ausge bildeten inneren Rotor (200, 202), wobei der innere Rotor (200, 202) eine innere Rotorwandung umfaßt, die einen Raum innerhalb des inneren Rotors (200, 202) ausbildet, welcher einen Materialstrom aus dem Fluideinlaßrohr (48) aufnimmt, wobei eine Öffnung des Fluideinlaßrohres (48) innerhalb des Raumes des inneren Rotors (200, 202) angeordnet ist,
einen Sand/Wasserabscheider (206) innerhalb des Raumes des inneren Rotors (200, 202), der mit einer Abführleitung (208) verbunden ist, die sich von der Wandung des inneren Rotors (200, 202) über den axialen Bereich des Hauptrotors (12) zum Abzug des Sandes aus dem inneren Rotor (200, 202) nach außen erstreckt,
eine Sand/Wasserauslaßöffnung (212), die mit der Abführleitung (208) aus dem Sand/Wasserabscheider (206) verbunden ist,
eine Reinwasserleitung (210), die von außen über den axialen Bereich des Rotors (12) und des inneren Rotors (200, 202) in den inneren Rotor (200, 202) hineingeführt ist,
eine Wassereinlaßöffnung (214, 204), die mit der Reinwasserleitung (210) verbunden ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet,
daß eine der Flüssigkeiten Öl ist, wobei die Vorrichtung ferner folgendes
aufweist,
eine Auskleidung (54), die an dem Rotor (12) gehalten ist, unter Bildung eines Strömungsdurchlasses (56) zwischen der Auskleidung (54) und dem Rotor (12) über dessen Länge,
eine am Rotor (12) gehaltene Fluidkammer (104) für Schichtöl,
einen in dem Rotor (12) gehaltenen Abscheider (106) für das Schichtöl mit einem Strömungsdurchlaß (108), der sich von außen von dem Fluideinlaß rohr (48) in die Kammer (104) für das Schichtöl hineinerstreckt, zum Abzug des Schichtöls aus der Kammer (104) und Rückführung in den Rotor (12).
eine Auskleidung (54), die an dem Rotor (12) gehalten ist, unter Bildung eines Strömungsdurchlasses (56) zwischen der Auskleidung (54) und dem Rotor (12) über dessen Länge,
eine am Rotor (12) gehaltene Fluidkammer (104) für Schichtöl,
einen in dem Rotor (12) gehaltenen Abscheider (106) für das Schichtöl mit einem Strömungsdurchlaß (108), der sich von außen von dem Fluideinlaß rohr (48) in die Kammer (104) für das Schichtöl hineinerstreckt, zum Abzug des Schichtöls aus der Kammer (104) und Rückführung in den Rotor (12).
14. Vorrichtung nach Anspruch 11 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß das
Koagulationssieb (66) folgendes umfaßt,
ein erstes Koagulationssieb innerhalb des Strömungsdurchlasses (56) zwi schen der Auskleidung (54) und dem Rotor (12), sowie
ein zweites Koagulationssieb auf der inneren Oberfläche der Auskleidung (54).
ein erstes Koagulationssieb innerhalb des Strömungsdurchlasses (56) zwi schen der Auskleidung (54) und dem Rotor (12), sowie
ein zweites Koagulationssieb auf der inneren Oberfläche der Auskleidung (54).
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