DE4433094A1 - Einweg-Zentrifugenseparator - Google Patents
Einweg-ZentrifugenseparatorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Trennen der
Komponenten einer Fluidmischung gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vor
richtung, mit der die Leistungsfähigkeit erhöht und der Be
trieb von Zentrifugalseparatoren vereinfacht werden kann,
ohne daß dies jedoch eine Beschränkung der Erfindung dar
stellen würde.
Zentrifugenseparatoren werden häufig verwendet, um Mischun
gen, die Fluide mit unterschiedlichen Dichten enthalten, zu
trennen. Im Betrieb wird bei Zentrifugen im allgemeinen die
zu trennende Mischung einem zylindrischen Rotor zugeführt,
der um seine zentrale Achse mit hoher Geschwindigkeit ge
dreht werden kann. Die Zentrifugalkräfte bewirken, daß sich
die Komponenten entlang der inneren Wand des Rotors in
Schichten sammeln. Die Schichten werden dann einzeln vom
Rotor entfernt.
Zur Charakterisierung der betrieblichen Leistungsfähigkeit
von Zentrifugalseparatoren wird eine Anzahl verschiedener
Parameter verwendet. Ein derartiger Parameter ist das Volu
men der eingeleiteten Mischung, das in einer gegebenen
Zeitdauer behandelt werden kann. Beispielsweise werden
Trennvolumina bei Ölfeldern als Anzahl von Barrels pro Tag
derjenigen eingeleiteten Mischung angegeben, die getrennt
werden kann.
Andere Parameter charakterisieren die Leistungsfähigkeit
nach der Qualität der getrennten Fluide. Diese Parameter
werden als Prozentsatz oder als Anzahl der Teile pro Mil
lion der Verunreinigungen in jedem abgetrennten Fluid ange
geben. Bei der Trennung auf Ölfeldern, wo die zu trennende
Mischung Rohöl und Wasser enthält, bestehen die typischer
weise berechneten Verunreinigungsparameter aus der Wasser
menge, die im abgetrennten Öl zurückbleibt, und aus der Öl
menge, die im abgetrennten Wasser zurückbleibt. Von diesen
zwei Parametern ist das im abgetrennten Wasser zurückblei
bende Öl typischerweise derjenige Parameter, dessen Ziel
wert schwieriger zu erreichen ist. Die meisten üblichen
Zentrifugalseparatoren erreichen zufriedenstellende Wasser
in-Öl-Verunreinigungswerte.
Die Herausforderung auf dem Zentrifugengebiet besteht
darin, Separatoren zu entwickeln, die das Volumen einer in
nerhalb einer gegebenen Zeitdauer behandelten Mischung ma
ximiert, während gleichzeitig die Verunreinigungen in den
ausgegebenen Fluiden minimiert wird. Diese Herausforderung
ist im besonderen Maße beim Einsatz auf Ölfeldern gegeben,
wo häufig hohe Tagesvolumen getrennt werden müssen. Bei
spielsweise müssen Separatoren, die während der Produktion
auf Ölfeldern eingesetzt werden, häufig mehrere Tausend
Barrel Flüssigkeiten pro Tag separieren. Trotz dieser hohen
Volumen erfordern die Vorschriften, Umwelt- und Raffinerie
bedingungen im allgemeinen, daß die getrennten Fluide mini
male Verunreinigungen aufweisen. Eine typische Anforderung
für die Menge von Öl-in-Wasser ist 40 Teile pro Million.
Das Problem, vor dem die Zentrifugenkonstrukteure stehen,
besteht darin, daß die Ziele nach maximalem Volumen und mi
nimaler Verunreinigung in gewissem Ausmaß miteinander in
Konflikt stehende technische Überlegungen mit sich bringen.
Beispielsweise ist das Erhöhen des Durchsatzvolumens bei
typischen Zentrifugen nicht immer möglich und kann dort, wo
es möglich ist, unerwünschte Strömungscharakteristiken in
nerhalb des Zentrifugenrotors erzeugen. Dies ergibt sich
aus der Tatsache, daß die eingeleitete Mischung schnell auf
die Geschwindigkeit des Rotors beschleunigt werden muß. Die
Strömungscharakteristiken können instationäre oder turbu
lente Strömungsbereiche umfassen, Wirbelablösung, sich mi
schende oder scherende Strömungszonen, Grenzflächeninstabi
litäten und ähnliches. Keine dieser Charakteristiken beein
flussen das Durchsatzvolumen, jedoch können alle die Quali
tät des ausgegebenen Fluids beeinflussen. Insbesondere wird
im allgemeinen im Zentrifugenbereich davon ausgegangen, daß
jeder Strömungsprozeß, der dazu tendiert, das Vermischen
des Fluids oder die Turbulenz zu erhöhen, oder ungleich
mäßige Bewegungen zwischen den Teilen der zu trennenden
Fluide verursacht, das Ausmaß an Verunreinigung in den aus
gegebenen Fluiden erhöht. Bestehende Zentrifugen stellen
daher im allgemeinen einen Kompromiß zwischen dem Durch
satzvolumen und der Trennleistungsfähigkeit dar.
Eine zusätzliche Komplikation, die manchmal bei Trennvor
richtungen auftritt, die in der Ölfeldproduktion eingesetzt
werden, besteht darin, daß aufgelöste Sachen in der einge
leiteten Mischung vorhanden sind. Die produzierten Mischun
gen können Wachse und andere Dinge enthalten, die infolge
der im allgemeinen hohen Temperatur der Mischung in gelö
ster Form vorliegen. Beim Durchführen des Separationspro
zesses kann dieses Wachs jedoch Ablagerungen an inneren Be
reichen des Separators bilden, wodurch die Leistungsfähig
keit sowohl bezüglich des Volumens als auch hinsichtlich
der Verunreinigungen vermindert wird. Bei Ölfeldzentrifugen
können auch interne Anhäufungen von Sand oder Feststoffen
auftreten, die ebenfalls die Wirksamkeit der Trennung ver
mindern.
Aus der US-PS 4,846,780 von Galloway et al. ("Galloway")
ist ein Beispiel eines bekannten Zentrifugenseparators be
kannt. In der grundsätzlichen Ausführungsform verwendet
Galloway eine Einlage entlang der inneren Wand des Rotors,
um einen Zweiweg-Trennprozeß zu erzeugen. Die Einlage
schafft einen komplexen Durchgang, in dem sich Wachse und
andere Dinge sammeln können, wodurch letztlich die Lei
stungsfähigkeit des Separators vermindert wird. Das Ein
leiten in die Zentrifuge von Galloway erfolgt über eine
Düse, die Fluide in ein Laufrad sprüht, um sie nach außen
zur inneren Wand des Rotors zu beschleunigen. Der Ausfluß
aus der Düse ist jedoch nicht streng gesteuert und besteht
aus einem hochturbulenten Prozeß. Die Zentrifuge von Gallo
way kann als Einweg-Separator ohne den komplexen Durchgang
hergestellt werden, wobei jedoch der Verunreinigungsgrad
der getrennten Fluide entsprechend erhöht wird.
Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, daß ein Bedarf an ei
nem Zentrifugenseparator besteht, dessen Trennwirksamkeit
nicht aufgrund des Durchsatzvolumens vermindert wird, der
keine komplexen Fluidströmungsmuster schafft, der ein Ver
mischen des Fluids und Turbulenzen während des Trennprozes
ses minimiert und der vereinfachte innere Durchgänge auf
weist, die das Reinigen erleichtern und das Absetzen von
Feststoffen minimieren.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vor
richtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die neben
einer hohen Trennwirksamkeit auch ein hohes Durchsatzvolu
men aufweist, einfach aufgebaut ist und auf einfache Weise
gereinigt und gehandhabt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 ge
löst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in
den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Die vorliegende Erfindung besteht aus einem Zentrifugense
parator mit vergrößerter Strömung, der mit einem einzigen
Durchgang arbeitet. Die Strömungsverbesserungen stellen si
cher, daß ein effizientes Trennen durchgeführt wird, wäh
rend die oben angeführten Probleme verringert werden.
Eine erste Ausführungsform ist auf eingeleitete Mischungen
gerichtet, die aus zwei Fluidkomponenten bestehen, welche
Gas enthalten können, die jedoch keine signifikante Menge
an Partikelmaterial aufweisen. Gemäß dieser Ausführungsform
tritt das zu trennende Fluid aus der Düse einer stationären
Zuführleitung in der Nähe der Achse eines Rotors aus. Das
Fluid tritt in einen Beschleuniger mit schraubenförmigen
Kanälen ein, die das Fluid nach und nach nach außen zur in
neren Wand des Rotors beschleunigen. Das Fluid tritt aus
den Kanälen aus und strömt durch eine geschlitzte Zufuhrab
lenkplatte hindurch, die im Rotor angeordnet ist.
Innerhalb des Rotors werden das Vermischen und Turbulenzen
durch Koaleszenzflügel minimiert. An den Flügeln befe
stigte, zonenbildende Ablenkplatten schaffen Trennzonen,
die die Trennung unterstützen und die Strömung an der
Fluidzwischenfläche zwischen den Schichten minimiert.
Sperringe, die auf den zonenbildenden Ablenkplatten und an
derjenigen Stelle installiert sind, an der die abgetrennten
Schichten vom Rotor entfernt werden, erleichtern das Ent
fernen der Schichten, was durch übliche Verfahren mittels
Wehre durchgeführt wird.
Die stationäre Zuführleitung weist Hochdruckdüsen auf, die
es ermöglichen, daß Reinigungsfluide in den Rotor gesprüht
werden. Die Koaleszenzflügel sind derartig ausgebildet, daß
im wesentlichen alle Bereiche der Trennzonen für die Reini
gungsfluide zugänglich sind.
Eine zweite Ausführungsform der Erfindung ist auf Mischun
gen gerichtet, in denen Wachse, Sand oder andere Dinge, so
wie Gas, wahrscheinlich vorhanden sind. Diese Ausführungs
form weist eine konische Beschleunigungsschale mit Flügeln
auf der inneren Wand der Schale auf, um die Beschleunigung
des Fluids nach außen zur inneren Wand des Rotors zu unter
stützen. Partikel werden innerhalb der Schale gesammelt und
durch Saugkraft durch das Abfallrohr entfernt, das inner
halb des stationären Zufuhrrohrs angeordnet ist und sich in
die Schale hineinerstreckt. Diese Ausführungsform ist in
anderer Weise ähnlich zu der oben erläuterten Ausführungs
form. In beiden Ausführungsformen kann Gas, falls vorhan
den, in den Rotor eingeleitet und durch eine Gasöffnung des
Zufuhrrohrs entfernt werden.
Bei der Erfindung handelt es sich um einen Einweg-Zentrifu
genseparator mit verbesserter Strömung. Die Strömungsver
besserungen ermöglichen eine effiziente Trennung, während
die vorstehend erläuterten Probleme verringert werden. Ob
wohl die Erfindung unter Bezugnahme auf die Trennung von Öl
und Wasser beim Einsatz in der Ölfeldproduktion beschrieben
wird, kann die Erfindung weitere Anwendungsbereiche umfas
sen. Soweit die Beschreibung auf einen speziellen Anwen
dungsfall Bezug nimmt, ist dies nur beispielhaft und soll
keine Beschränkung bedeuten.
Gemäß einer ersten Ausführungsform umfaßt die Erfindung a)
einen Rotor, der derart angeordnet ist, daß er sich um eine
zentrale Achse drehen kann, b) Antriebsmittel zur Kraftver
sorgung für diese Umdrehung, c) einen Beschleuniger, der
das Fluid schrittweise nach außen zur inneren Wand des Ro
tors beschleunigt, d) Trennflügel, die an der inneren Wand
des Rotors angeordnet sind, und e) Mittel zum Entfernen der
einzeln getrennten Schichten vom Rotor. Diese erfindungsge
mäße Ausführungsform ist für eingeleitete Mischungen mit
minimalen Mengen von aufgelösten Sachen und Partikeln sehr
geeignet. Die Mischung kann Lösungsgas enthalten.
Im Betrieb weist die vorliegende Erfindung eine Anzahl von
Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik auf. In ei
ner Ausführungsform tritt das zu trennende Fluid aus einer
Fluidversorgungsdüse in einem gesteuerten Strömungsmuster
in der Nähe der Drehachse des Rotors aus. Die auf diese
Weise vorgenommene Fluideinleitung zum Beschleuniger ist
eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik, die
sowohl die Ausbildung von Scherzonen als auch das Vermi
schen des Fluids vermindert, das sich daraus ergibt, daß es
plötzlich Drehkräften ausgesetzt wird.
Der Beschleuniger weist schraubenförmige Kanäle auf, die
das Fluid schrittweise nach außen zur inneren Wand des Ro
tors durch Reibungskräfte beschleunigt, die mittels der
Wände der Kanäle ausgeübt werden. Diese Verbesserung gegen
über dem Stand der Technik minimiert die Möglichkeit, daß
große Fluidpartikel in der eingeleiteten Mischung Kräften
ausgesetzt werden, die ein Zerbrechen in kleinere Partikel
bewirken. Die Minimalisierung des Zerbrechens großer Parti
kel verbessert die Qualität des ausgegebenen Fluids.
Die schraubenförmigen Kanäle ermöglichen es ebenfalls, daß
ein ruhiger Fluidfluß in dem Rotor aufrechterhalten wird
und daß sich die Rotationsgeschwindigkeit des den Beschleu
niger verlassenden Fluids der Rotationsgeschwindigkeit des
Rotors annähert. Diese Verbesserung bezüglich der Relativ
differenz in der Drehgeschwindigkeit gegenüber dem Stand
der Technik vermindert die Turbulenzen im Rotor.
Das Mischen am Ausgang der Kanäle kann optional durch eine
Zufuhrablenkplatte minimiert werden, die im Rotor angeord
net ist. Die Zufuhrablenkplatte weist einen Schlitz in der
Nähe der Zwischenfläche zwischen den beiden flüssigen
Schichten auf, wodurch die Relativbewegung in Umfangsrich
tung der Fluidpartikeln minimiert wird.
Keine der bekannten Zentrifugen weist die erfindungsgemäßen
Merkmale der Trennzone auf. Die Fluidströmung wird durch
Trennflügel und zonenbildende Ablenkplatten gesteuert, die
im Rotor Trennzonen schaffen und die Trennung unterstützen,
indem sie die Scherströmung im Zwischenraum zwischen den
Schichten minimieren. Die zonenbildenden Ablenkplatten er
höhen die Zuverlässigkeit bei der Erfassung des Fluid
niveaus und des Steuerungssystems, indem die Strömungs
muster um die Fluidniveauschwimmer herum vereinfacht wer
den. Die zonenbildenden Ablenkplatten isolieren auch den in
der Nähe der. Zufuhrablenkplatten auftretenden Massentrenn
prozeß von der Trennung feiner Partikel, die in der Nähe
des Rotorausgangs stattfindet.
Ein vermischendes Fluid in Querrichtung kann ebenfalls mit
tels Sperrinnen minimiert werden, die an den zonenbildenden
Ablenkplatten und ebenso an der Stelle der Wehre angeordnet
sind, wo die Schichten vom Rotor entfernt werden. Da auf
grund der zonenbildenden Ablenkplatten die Strömung ledig
lich in der inneren Wand des Rotors und in der Nähe der
Oberfläche der leichteren Fluidschicht auftritt, wird die
Radialströmung minimiert, wodurch ein Vermischen an den
Wehren beseitigt wird. Bei keinem bekannten Separator ist
diese Verbesserung vorhanden.
In einer Ausführungsform der Erfindung laufen die Trennflü
gel in Längsrichtung entlang der inneren Wand des Rotors
ohne Unterbrechung mit Ausnahme an der Stelle der zonenbil
denden Ablenkplatten, falls vorhanden. In einer alternati
ven Ausführungsform sind die Flügel in Längsrichtung längs
der inneren Wand in versetzten Abschnitten angeordnet.
Diese Ausführungsform, die auch zonenbildende Ablenkplatten
enthalten kann, verbessert die Fluidkoaleszenz durch Aus
bilden von Strömungsstagnationspunkten.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung bei
spielsweise näher erläutert. In dieser zeigen:
Fig. 1 einen Teilschnitt der ersten Ausführungsform der
Erfindung,
Fig. 2 einen vergrößerten Teilschnitt der Zufuhrrohr
düse der ersten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2A die Zufuhrrohrdüse von Fig. 2 in einer Ausfüh
rungsform, die die Trennung von Lösungsgas zu
sätzlich zur Trennung der zwei Fluidkomponenten
der eingeleiteten Mischung ermöglicht,
Fig. 3 eine Draufsicht auf die erste Ausführungsform
entlang der Linie 3-3 von Fig. 2,
Fig. 4 eine Draufsicht der ersten Ausführungsform ent
lang der Linie 4-4 von Fig. 2,
Fig. 5 eine Draufsicht der ersten Ausführungsform ent
lang der Linie 5-5 von Fig. 1,
Fig. 6 eine Seitenansicht des konischen Fluidbeschleu
nigers der ersten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 7 einen vergrößerten Teilschnitt der Zufuhrablenk
platte der Erfindung,
Fig. 8 eine Draufsicht auf einen Teil der Zufuhrablenk
platte entlang der Linie 8-8 der Fig. 7,
Fig. 9 eine Draufsicht der ersten Ausführungsform ent
lang der Linie 9-9 von Fig. 1,
Fig. 10 eine Teilansicht der Oberflächen- und Zwischen
flächenflügel der Erfindung,
Fig. 10A eine Teilansicht einer alternativen Ausführungs
form der Oberflächen- und Höhenflügel der Erfin
dung,
Fig. 11 eine Teildraufsicht auf die zonenbildende Ab
lenkplatte der Erfindung, die ihre Mitte auf der
Linie 10-10 von Fig. 1 hat,
Fig. 12 eine Teilansicht der Öl- und Wasserwehrkammern
der Erfindung,
Fig. 13 eine Draufsicht der Erfindung entlang der Linie
12-12 von Fig. 1, und
Fig. 14 einen Teilschnitt einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, weist die Zentrifuge 20 einen
Rotor 22 und eine Zufuhrleitung 24 auf, die innerhalb eines
(nicht dargestellten) geeigneten äußeren Gehäuses angeord
net sind. Der Rotor 22 wird mittels Antriebsmitteln 19 um
eine zentrale Achse 23 des Rotors 22 gedreht. Das Zufuhr
rohr 24 ist fest am (nicht dargestellten) äußeren Gehäuse
befestigt und dreht sich nicht mit dem Rotor 22.
Wie am besten aus Fig. 2 ersichtlich, tritt die zu tren
nende Mischung aus dem Düsengehäuse 31 aus, das mit dem
Ende der Zufuhrleitung 24 mittels (nicht dargestellter)
Schraubengewinde, Schweißen oder andere bekannte Mittel be
festigt ist. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, besteht eine Zu
fuhrleitungsdüse 26 aus Düsenspeichen 30 und einem Düsenge
häuse 31. Die Mischung tritt aus der Düse durch Öffnungen
zwischen den Speichen 30 aus und wird, wie aus Fig. 2 er
sichtlich, mittels eines Konus 33 gegen eine innere Wand 39
einer Beschleunigergehäusekappe 35 geleitet. Der Konus 33
ist mit den Düsenspeichen 30 verschweißt, die mit dem Dü
sengehäuse 31 verschweißt sind. Wie aus den Fig. 2 und 4
ersichtlich, weist die Beschleunigerkappe 35 Beschleuniger
flügel 40 auf, die die Mischung nach unten leiten und einen
Fluidschlupf entlang der inneren Wand 39 der Kappe 35 ver
hindern. Die Flügel 40 sind in der Nähe des Gehäuses 31
kürzer als in der Nähe eines Stützverbinders 37, um Turbu
lenzen in der Mischung nach dem Eintritt in die Kappe 35 zu
minimieren. Die Flügel 40 haben in der Nähe des Gehäuses 31
ungefähr die Höhe des Flüssigkeitsspiegels 27. Die Kappe
35, der Stützverbinder 37 und das Gehäuse 38 sind mit einer
Vielzahl in Umfangsrichtung beabstandeter Schrauben 29 ver
bunden.
Wie aus Fig. 2A ersichtlich, kann das Beschleunigergehäuse
38 auch in der Weise modifiziert werden, daß eine Trennung
einer Gaskomponente der eingeleiteten Fluidmischung möglich
ist. Gas wird von den Fluiden getrennt, wenn die Mischung
entlang der inneren Wand 39 der Kappe 35 fließt. Das abge
trennte Gas wird in den Rotor 22 über eine oder mehrere
Gasöffnungen 206 geleitet, die das Beschleunigergehäuse 38
durchdringen. Die Entfernung des Gases vom Rotor 22 erfolgt
durch eine druckgesteuerte Gasöffnung 208 im oberen Bereich
der Zufuhrleitung 24 (Fig. 1). Die Gasöffnung 208 ist über
eine (nicht dargestellte) Leitung innerhalb der Zufuhrlei
tung 24 mit einer Druckregulierungseinrichtung und einem
Ventil verbunden, die zusammenwirken, um den Austritt des
Gases aus dem Rotor 22 zu ermöglichen. Derartige druckge
steuerte Gasöffnungen sind in der Industrie bekannt.
Lager 34 ermöglichen eine Relativbewegung zwischen dem sta
tionären Konus 33 und einem Lagergehäuse 32. Das Lagerge
häuse 32 ist mit dem Stützverbinder 37 mittels Beschleuni
gerstreben 36 verbunden. Ein Lagerhalter 15 ist in den Ko
nus 33 eingeschraubt und hält die Lager 34 an einem unteren
Bereich des Konus 33 an Ort und Stelle. Eine Abdichtung 25
verhindert, daß die Mischung mit den Lagern 34 in Kontakt
gelangt. Die Lager 34 werden über eine Schmierleitung 28
geschmiert, die innerhalb der Zufuhrleitung 24 vorgesehen
ist. Das Schmiermittel wird von der Leitung 28 in einen
Durchgang 14 und in einen schalenförmigen Hohlraum gepumpt,
der im Gehäuse 32 ausgebildet ist, und wird nach oben in
Richtung der Lager 34 gedrückt, indem eine geeignete Druck
kraft von der Leitung 28 aufrechterhalten wird.
Wie aus den Fig. 1 und 6 ersichtlich, liegt das Beschleuni
gergehäuse 38 fest an der Beschleunigereinrichtung 44 an,
die aus einer Vielzahl konzentrischer schraubenförmiger
,Kanäle 43 besteht, welche um einen Beschleunigerkern 42
herumgeführt sind. In der bevorzugten Ausführungsform sind
zwölf schraubenförmige Kanäle 43 auf dem Kern 42 angeord
net. Wie aus den Fig. 1, 5 und 6 ersichtlich, strömt die
Mischung entlang der inneren Wand des Gehäuses 38 und tritt
in jeden der Durchgänge 41 zwischen den schraubenförmigen
Kanälen 43 ein. Die Mischung wird schrittweise durch Rei
bungskraft beschleunigt, wenn die Mischung durch die Durch
gänge 41 strömt. Das Beschleunigergehäuse 38 verhindert,
daß die Mischung die Durchgänge 41 verläßt, bis die Mi
schung zum Boden der Beschleunigereinrichtung 44 strömt.
Wie aus den Fig. 1, 7 und 8 ersichtlich, ist das Beschleu
nigergehäuse 38 mit dem Rotor 22 über eine Eckstütze 49 und
eine Zufuhrablenkplatte 46 verbunden. Die Platte 46 ist
derart ausgebildet, daß Öffnungen 48 in demjenigen Abstand
von der inneren Wand 21 des Rotors 22 vorhanden sind, in
dem sich eine Fluidzwischenfläche 51 während des Betriebs
der Zentrifuge 20 entwickelt. Die Platte 46 ist mit dem Ro
tor 22 durch Schweißen oder andere geeignete Verbindungs
mittel verbunden, die auch die Entfernung der Platte 46 von
der Zentrifuge 20 ermöglichen können, falls erwünscht.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, strömt die Mischung aus den
Kanälen 43 in der Einrichtung 44 zur unteren Ecke des Ro
tors 22. Zusätzlich zur Verbindung des Gehäuses 38 mit dem
Rotor 22 verhindert die Eckstütze 49 ,einen Schlupf der Mi
schung entlang der inneren Wand 21 des Rotors 22 und un
terstützt die Strömung durch die Öffnungen 48 hindurch in
den oberen Abschnitt des Rotors 22.
Wie aus den Fig. 1, 9, 10 und 11 ersichtlich, ist der obere
Abschnitt des Rotors 22 durch in Längsrichtung angeordnete
Oberflächenflügel 52 und Zwischenflächenflügel 54 in Trenn
zonen unterteilt, sowie durch seitlich angeordnete, zonen
bildende Ablenkplatten 56. Vorzugsweise wechseln sich die
Oberflächenflügel mit den Zwischenflächenflügeln 54 ab, wo
bei wenigstens ein Zwischenflächenflügel 54 zwischen jedem
Paar Oberflächenflügel 52 vorhanden ist. In einer bevorzug
ten Ausführungsform sind vier Zwischenflächenflügel im
gleichen Abstand zwischen jedem Paar Oberflächenflügel an
geordnet.
Die Flügel 54 werden vorzugsweise hergestellt, indem eine
rostfreie Stahlplatte in U-förmige Abschnitte geformt wird
und die Abschnitte derart angeordnet werden, daß die Basis
des U gegen die innere Wand 21 gerichtet ist. Die Flügel 52
sind ebene rostfreie Stahlplatten, die zwischen den benach
barten U-Abschnitten angeordnet sind. Dieses Verfahren zur
Ausbildung der Flügel 52 und der Flügel 54 ist deswegen
vorteilhaft, da die rostfreie Stahlplatte eine genügend
hohe Eigenfestigkeit aufweist, um die von der Drehung des
Rotors 22 herrührende Kraft aushalten zu können.
Die Höhe der Oberflächenflügel 52 ist derart gewählt, daß
die Oberfläche der zu trennenden Mischung geringfügig un
terhalb der Spitze der Flügel 52 ist. Diese gestalterische
Eigenschaft verhindert eine wellenartige Strömung innerhalb
der Zentrifuge 20 und minimiert die Vermischung des Fluids.
Die Höhe der Zwischenflächenflügel 54 ist derart gewählt,
daß die Position der Zwischenfläche 51 zwischen den einzel
nen Komponenten der Mischung geringfügig unterhalb der
Spitze der Flügel 54 ist. Diese gestalterische Eigenschaft
fördert die Koaleszenz der schwereren Komponenten in eine
Schicht, die benachbart zur inneren Wand 21 des Rotors 22
liegt. Zusätzlich wird das Volumen zwischen benachbarten
Flügeln minimiert, wodurch das Auftreten von Sekundärströ
men minimiert wird, die die Koaleszenz behindern.
Wie aus Fig. 10 ersichtlich, sind die Flügel 52 und die
Flügel 54 in Längsrichtung fortlaufend entlang der inneren
Wand 21 des Rotors 22 angeordnet, mit Ausnahme der Stelle,
wo zonenbildende Ablenkplatten 56 vorhanden sind. In einer
alternativen Ausführungsform, die in der Fig. 10A darge
stellt ist, sind die Flügel 52 und die Flügel 54 in Längs
richtung in stückweise versetzten Abschnitten angeordnet.
Diese Ausführungsform, die auch Platten 56 enthalten kann,
erhöht die Fluidkoaleszenz, indem Strömungsstagnations
punkte geschaffen werden.
Vorzugsweise sind eine oder mehrere ringförmige, zonenbil
dende Ablenkplatten 56 an den Flügeln 52 und den Flügeln 54
befestigt, wie in den Fig. 1, 10 und 11 gezeigt. Die Plat
ten 56 können entweder dauerhaft befestigt oder entfernbar
sein. Die Platten 56 sind derart angeordnet, daß die schwe
rere Schicht, die sich benachbart zur Wand 21 des Rotors 22
sammelt, zwischen der Wand 21 und der Platte 56 strömt. Die
leichtere Schicht, die sich von der Wand 21 entfernt an der
oberen Seite der schwereren Schicht ausbildet, strömt über
den inneren Rand der Platte 56. Auf diese Weise minimiert
die Ablenkplatte 56 die Strömung in der Nähe der Zwischen
fläche zwischen den Schichten, wodurch das Vermischen der
Fluidkomponenten während des Betriebs der Zentrifuge mini
miert wird. Ein oder mehrere Sperringe 77, die an der
Platte 56 befestigt sind, können ebenfalls zur Minimierung
des Vermischens an der Fluidschichtzwischenfläche verwendet
werden.
Die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform weist ein Fluidspie
gelerfassungssystem mit Schwimmern auf, um die Dicke der
Schichten zu erfassen. Wie jedoch bekannt, kann jedes Er
fassungssystem verwendet werden, mit dem die Dicke der
Schichten erfaßt werden kann. Das in Fig. 1 gezeigte System
verwendet einen Flüssigkeitsspiegelschwimmer 60, der an
Flüssigkeitsspiegel-Schwimmerbolzen 58 derart befestigt
ist, daß sich der Schwimmer 60 radial relativ zur inneren
Wand 21 bewegen kann. Weiterhin verwendet das System einen
Zwischenflächenschwimmer 64, der ebenfalls radial bewegbar
an Zwischenflächen-Schwimmerbolzen 62 befestigt ist. Der
Schwimmer 60 weist ein spezifisches Gewicht auf, das gerin
ger ist als dasjenige der leichteren Fluidkomponente der zu
trennenden Mischung, so daß er auf der Oberfläche des
leichteren Fluids bleibt. Der Schwimmer 64 weist ein spezi
fisches Gewicht auf, das zwischen den spezifischen Gewich
ten der beiden Fluidkomponenten liegt, so daß er auf der
Zwischenfläche zwischen den zwei Schichten verbleibt. Die
Auswahl des spezifischen Gewichts des Schwimmers 60 und des
Schwimmers 64 in der erwähnten Weise ermöglicht es, daß ein
Oberflächensensor 66 und ein Zwischenflächensensor 68 die
Dicke einer jeden der beiden Schichten bestimmt. Fluidspie
gel-Detektorsysteme, wie dasjenige von Fig. 1, sind bekannt
und müssen nicht näher erläutert werden. Ein Überströmsen
sor 70 stellt sicher, daß das Fluidspiegel-Detektorsystem
ordnungsgemäß arbeitet, was ebenfalls im Stand der Technik
bekannt ist.
Zum Entfernen des Fluids aus den einzelnen Schichten inner
halb des Rotors 22 werden bekannte Zentrifugenwehrtechniken
eingesetzt, die bekannt sind und keiner näheren Diskussion
bedürfen. Wie aus den Fig. 1 und 12 ersichtlich, wird eine
Ölkammer 74 mittels eines Ölkammerarms 80, einem Ölkammer
gehäuse 86 und einem Wasserkammerarm 82 gebildet. Der Arm
80 ist mit dem Gehäuse 86 durch in Umfangsrichtung beab
standete Schrauben 84 verbunden, die derart ausgebildet
sind, daß sie eine Fluidströmungslücke zwischen dem Arm 80
und dem Gehäuse 86 aufrechterhalten. Die Wasserkammer 76
wird vom Wasserkammerarm 82 und einer Rotorkappe 83 gebil
det. Der Wasserkammerarm 82 ist mit dem Ölkammergehäuse 86
mittels eines Bolzens 88 verbunden. Fluid von der leichte
ren Ölschicht strömt über das Ölwehr 85 zwischen dem Arm 80
und dem Gehäuse 86 in die Ölkammer 74. Fluid von der schwe
reren Wasserschicht strömt zwischen einer Wand 100 des Ge
häuses 86 und der inneren Wand 21 des Rotors 22 in die
Wasserkammer 76. Ein oder mehrere Sperringe 78 verhindern,
daß eine quergerichtete Strömung und ein Vermischen quer
durch die Zwischenfläche zwischen den Schichten an der
Stelle des Ölkammergehäuses 86 auftreten.
Wie aus Fig. 13 ersichtlich, sind Fluiddurchgänge zwischen
der Wand 100 und der inneren Wand 21 am inneren Umfang des
Rotors 22 vorgesehen. Wie aus den Fig. 1, 12 und 13 er
sichtlich, weist der Wasserkammerarm 82 eine Lippe 90 auf,
die in den Rotor 22 eingesetzt ist. Die Lippe 90 ermöglicht
es, daß die Rotorkappe 83 und der Rotor 22 den Wasserkam
merarm 82 an Ort und Stelle halten. Das Fluid wird aus der
Kammer 74 und der Kammer 76 mittels einer Ölschaufel 94 und
einer Wasserschaufel 96 entfernt, die mittels Klemmen 98 an
Ort und Stelle gehalten werden und die Öffnungen 95 und 97
aufweisen, durch die das Fluid strömt. Sowohl die Ölkammer
74 als auch die Wasserkammer 76 haben eine Vielzahl von
Rippen 102, 104 und 106, die einen Fluidschlupf innerhalb
der Kammern 74 und 76 unterdrücken. Zusätzlich zu den oben
erwähnten Fluidkoaleszenzeigenschaften stellen die Oberflä
chenflügel 52 und Zwischenflächenflügel 54 ebenfalls eine
Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik bezüglich ei
ner Erleichterung der Zentrifugenwaschbarkeit dar. Im ein
zelnen weist, wie aus Fig. 1 ersichtlich, die stationäre
Zufuhrleitung 24 Düsen 110 auf, die das Versprühen von
Fluiden in den Rotor 22 ermöglichen, um die Zentrifuge 20
zu reinigen. Der Abstand der Flügel 52 und 54 und der zo
nenbildenden Ablenkplatten 56 ermöglicht es, daß die ver
sprühten Reinigungsfluide einen im wesentlichen vollkomme
nen Zugang zum gesamten Rotor haben. Bekannte Zentrifugen
erlauben keinen kompletten Zugang für Reinigungszwecke,
ohne daß relativ weit beabstandete Flügel mit konstanter
Höhe verwendet werden, mit denen nicht die erfindungsgemäße
Trennwirksamkeit erreicht werden kann. Andere Mechanismen
zur Verbesserung der Trennung, wie Gitter, sind nicht
waschbar.
Die Reinigung der Durchgänge 41 in der Beschleunigerein
richtung 44 wird durch Einpumpen von Reinigungsfluiden
durch die Zufuhrleitungsdüse 26 in die Einrichtung 44 aus
geführt. Aufgelöste Dinge, falls vorhanden, werden aus dem
Rotor 22 in Lösung durch die Kammern 74 und 76 entfernt.
Eine zweite Ausführungsform der Erfindung ist aus Fig. 14
ersichtlich. Diese Ausführungsform ist insbesondere für An
wendungen geeignete, bei denen größere Mengen an Wachsen
oder anderen aufgelösten Dingen, oder Sand und andere Par
tikel der Voraussicht nach in der eingeleiteten Mischung
vorhanden sind. Sie ist auch für die Trennung einer Lö
sungs-Gaskomponente der eingeleiteten Mischung geeignet.
Der Betrieb dieser Ausführungsform ist im allgemeinen ähn
lich zum Betrieb der oben erwähnten Erstausführungsform,
mit folgenden Abweichungen. Die zu trennende Mischung wird
über die Düsenkappe 33 gegen die innere Wand 200 eines
Fortsatzes 202 des Beschleunigergehäuses geleitet. Der
Fortsatz 202 ist am Gehäuse 38 mittels Schrauben 201 be
festigt. Die innere Wand 200 weist die Flügel 40 auf, um
die Mischung nach unten zu leiten und einen Fluidschlupf
entlang der Wand 200 zu verhindern. Ein Flügelschirm 204
leitet ebenfalls die Strömung der Mischung. Eine innere
Wand 199 des Gehäuses 38 kann ebenfalls (nicht darge
stellte) Flügel enthalten, um Fluidschlupf zu verhindern.
Wenn die Mischung entlang der inneren Wand 200 des Gehäuse
fortsatzes 202 zur inneren Wand 199 des Gehäuses 38 strömt,
wird die Gaskomponente der Mischung von den Flüssigkeiten
getrennt. Das Gas wird im Raum unterhalb des Gehäuses 38
gesammelt und in den Rotor 22 über eine oder mehrere Öff
nungen 206 geleitet, die im Gehäuse 38 vorgesehen sind. Das
abgeleitete Gas wird aus dem Rotor 22 mittels Gasöffnungen
208 entfernt. Die Mischung fließt entlang der inneren Wand
199 des Beschleunigers 38 in die untere Ecke des Rotors 22.
Die Strömung der Mischung durch die Zufuhrablenkplatte 46
erfolgt wie oben beschrieben. Die Oberflächenflügel 52, die
Zwischenflächenflügel 54 und die zonenbildenden Ablenkplat
ten 56 sind ebenfalls wie oben beschrieben ausgebildet.
Das Fluiderfassungssystem entspricht ebenfalls dem oben be
schriebenen, mit Ausnahme daß sowohl der Flüssigkeitsspie
gelschwimmer 60 und der Zwischenflächenschwimmer 64 von ei
ner Schwimmerwand 210 umgeben sind, die die Anhäufung von
Wachsen und anderen Dingen verhindern, die den Betrieb des
Schwimmers 60 oder des Schwimmers 64 behindern können. Eine
Öffnung 212 im stromabwärts gerichteten Bereich der Wand
210 ermöglicht einen Fluidzugang innerhalb der Wand 210, um
ein Abtasten der Zwischenfläche und der Flüssigkeitsspiegel
zu ermöglichen.
Die Reinigungsflüssigkeiten werden in den Rotor über Düsen
110 eingeleitet. Eine Leitung 214 zur Versorgung von Zu
fuhrflüssigkeit für die Düsen 110 ist außerhalb der Zufuhr
leitung 24 vorgesehen, im Gegensatz zur internen Leitung
der oben beschriebenen Ausführungsform. Die Düsen 110
schaffen einen Zugang für das Reinigungsfluid zu im wesent
lichen allen Flügeln und Ablenkplatten. Das Reinigungsfluid
und gelöste Teile sammeln sich am Boden des Rotors 22,
fließen durch die Zufuhrablenkplatte 46 zurück und werden
vom Rotor über eine Abfallentfernungsleitung 216 entfernt.
Partikelmaterial, das sich unterhalb des Gehäuses 38 ansam
melt, ohne durch die Einrichtung 45 hindurchzugehen, wird
ebenfalls über die Leitung 216 entfernt.
Mit einem Prototyp der in Fig. 1 dargestellten Zentrifuge
wurden mehrere Testreihen durchgeführt. Der Prototyp hatte
einen Durchmesser von 35,56 cm (14 inch) und eine Höhe von
88,9 cm (35 inch). Auf der inneren Wand 21 des Rotors 22
wurden Oberflächenflügel 52 mit einer Höhe von 4,16 cm
(1,638 inch) in einem Umfangsabstand von 100 angeordnet,
wobei vier Zwischenflächenflügel 54 mit einer Höhe von 1,91
cm (0,75 inch) in gleichem Abstand zwischen jedem Paar von
Oberflächenflügeln angeordnet wurden. Es wurden Vergleichs
tests dieses Prototyps mit einer Zentrifuge durchgeführt,
die Flügel mit einem gleichen Abstand von 4,60 und einer
Höhe von 4,16 cm (1,638 inch) aufwies. Die Öl-in-Wasser-
Leistungsverbesserung für die Anordnung mit Oberflächen-
und Zwischenflächenflügel war 28,6% bei einer Flußrate von
1400 Barrels pro Tag (71,4% Wassergehalt), und 87,2% bei
einer Flußrate von 2000 Barrels pro Tag (50% Wasserge
halt).
Es wurden getrennte Testreihen durchgeführt, um die Lei
stung der zonenbildenden Ablenkplatten 56 auszuwerten. Bei
diesen Tests wurde eine einzige Ablenkplatte 56 in Um
fangsrichtung im Rotor 22 in einem Abstand von ungefähr ei
nem Rotordurchmesser vom Boden des Rotors 22 angeordnet. Im
Prototyp wurden ebenfalls die Oberflächen- und Zwischenflä
chenflügel angeordnet und Vergleiche mit der Leistung ohne
Ablenkplatte angestellt. Die Öl-in-Wasser-Leistungsverbes
serung für die Ablenkplatte war 58% bei einer Flußrate von
2166 Barrels pro Tag (55,6% Wasser) und 53% bei einer
Flußrate von 1805 Barrels pro Tag (55,6% Wasser).
Claims (15)
1. Vorrichtung zum Trennen der Komponenten einer Mi
schung aus zwei Flüssigkeiten mit unterschiedlichen spezi
fischen Gewichten,
gekennzeichnet durch
gekennzeichnet durch
- a) einen hohlen Rotor (22), der um eine Längsachse (23) drehbar ist und eine innere Wand (21) auf weist, die in eine Vielzahl von Fluidtrennzonen unterteilt ist, welche von einer Vielzahl in Längsrichtung angeordneter Flügel (52, 54) der art gebildet sind, daß wenigstens ein im Ver hältnis kürzerer Flügel (54) zwischen jedem Paar von im Verhältnis längeren Flügeln (52) angeord net ist,
- b) Mittel zum Einführen der Mischung in den Rotor (22), durch die die Mischung schrittweise auf die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors (22) be schleunigbar ist,
- c) Mittel (19) zum Drehen des Rotors (22) um die Längsachse (23), wodurch die Flüssigkeiten in eine im wesentlichen schwerere Schicht und eine im wesentlichen leichtere Schicht trennbar sind, und
- d) Mittel zum Entfernen der getrennten Schichten vom Rotor (22).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einführmittel einen mit dem Rotor (22) verbundenen
konischen Fluidbeschleuniger mit einer Vielzahl von schrau
benförmigen Kanälen (43) zum Verteilen der Mischung in den
Rotor (22) aufweisen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Einführmittel eine mit dem Rotor (22)
verbundene konische Fluidbeschleunigerschale enthalten, die
eine innere Wand mit sich nach innen erstreckenden Flügeln
aufweist, die die Mischung entlang der inneren Wand der
Schale führen und die Mischung in den Rotor (22) verteilen.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß eine stationäre Zufuhrleitung
(24) mit einer Düse (26) zum Verteilen der Mischung in die
Einführmittel in der Nähe der Rotationsachse (23) des Ro
tors (22) vorgesehen ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß Beschleunigerflügel (40) vorge
sehen sind, die derart angeordnet sind, daß sie die Mi
schung von der Düse (26) in die Einführmittel einleiten.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einführmittel eine Zufuhr
ablenkplatte (46) aufweisen, die an der inneren Wand (21)
des Rotors (22) in der Nähe desjenigen Punktes angeordnet
ist, an dem die Mischung aus den Einführmitteln austritt,
wobei die Zufuhrablenkplatte (46) Öffnungen (48) aufweist,
durch die die Mischung strömt.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Trennzonen durch wenigstens
eine zonenbildende Ablenkplatte (56) unterteilt ist, die
senkrecht zu den in Längsrichtung angeordneten Flügeln (52,
54) angeordnet ist, wobei die Ablenkplatte (56) mit den in
Längsrichtung angeordneten Flügeln (52, 54) derart verbun
den ist, daß die im wesentlichen schwerere Schicht zwischen
dem äußeren Rand der Ablenkplatte (56) und der inneren Wand
(21) des Rotors (22) strömt und die im wesentlichen leich
tere Schicht über den inneren Rand der Ablenkplatte strömt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß wenigstens ein Sperring (77) auf wenigstens einer der
zonenbildenden Ablenkplatten (56) angeordnet ist, wobei der
Ring (77) ein Vermischen des Fluids an der Zwischenfläche
zwischen den Schichten an der Stelle der zonenbildenden Ab
lenkplatte (56) verhindert.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, da
durch gekennzeichnet, daß die Zufuhrleitung (24) wenigstens
eine Waschdüse (110) zum Versprühen von Reinigungsfluiden
in den Rotor (22) aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß vier relativ kürzere Flügel
(54) zwischen jedem Paar relativ längerer Flügel (52) ange
ordnet sind.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Entfernen von Gas
aus dem Rotor (22) vorgesehen sind.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhrleitung (24) eine
oder mehrere Gasöffnungen (208) zum Entfernen von Gas aus
dem Rotor (22) aufweist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 12, da
durch gekennzeichnet, daß die konische Fluidbeschleuniger
schale eine oder mehrere Gasöffnungen (206) zum Einleiten
des Gases in den Rotor (22) aufweist.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernungsmittel we
nigstens einen Sperring aufweisen, der derart angeordnet
ist, daß ein Mischen des Fluids an der Zwischenfläche zwi
schen den Schichten an der Stelle der Entfernungsmittel
verhindert ist.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (216) zum Entfernen von
innerhalb des Rotors (22) sich ansammelnden Wachsen, Sand
etc. vorgesehen sind.
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