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Diese Erfindung betrifft ein Verarbeitungsgefäß und ein
Verfahren zum Befördern
bzw. Transportieren von Festkörpern
in dem Verarbeitungsgefäß.
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Die meisten Bohrlöcher, die Öl und Gas erzeugen, unabhängig davon,
ob sie im Land oder im Meer angeordnet sind, erzeugen typischerweise Öl, Gas,
Wasser und Festkörper.
Die Rolle einer Meeresplattform oder einer Feldeinrichtung auf dem
Land besteht darin, diese vier Phasen zu trennen und nur die Kohlenwasserstoffströme an das
empfangende Exportterminal oder die Raffinerie zu leiten. Es sei darauf
hingewiesen, dass in der Praxis das zugehörige Gas oft erneut eingespritzt
oder abgefackelt wird. Das Wasser wird getrennt, d. h. Festkörper werden entfernt,
entölt
und entweder über
Bord geworfen oder zurück
in die Peripherie des Öl-
oder Gasreservoirs oder in einen getrennten Verflüssiger eingespritzt.
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Festkörper erscheinen oft als Sand,
Ton oder Feinkohle. Diese Festkörper
stammen im allgemeinen aus dem Reservoir, können aber auch aus Konosions-Beiprodukten
von der Bohrlochröhre
und Verarbeitungsgefäßen oder
als Frac-Sand erzeugt werden, der absichtlich in das Loch nach unten
eingespritzt worden ist, um die Permeabilität des Reservoirs zu erhöhen. Die
Menge, der Typ, die Größe und die
Herstellungsveränderbarkeit
der Festkörper,
die erzeugt werden, ist von Feld zu Feld stark unterschiedlich.
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Festkörpererzeugungsraten müssen nicht besonders
hoch sein, bevor sie beginnen, die Verarbeitung des Bohrlochausgangs
zu beeinträchtigen. Zum
Beispiel verursachen Festkörper
bestimmte Probleme bei Verarbeitungsgefäßen, wie Erzeugungsgravitationstrenneinheiten,
da sich die Festkörper
in diesen Gefäßen als
Folge der ruhenden Umgebung innerhalb der Gefäße ausscheiden. Wenn sich die
Festkörper
ansammeln, nehmen die Verweilzeiten für die Flüssigkeitsphase (Flüssigkeitsphasen)
für einen
gegebenen Flüssigkeitsdurchsatz
typischerweise ab und deshalb wird das Trennungsverhalten verschlechtert.
Die Festkörperansammlung
in diesen Gefäßen bildet
auch eine gute Brutgrundlage für
ein bakterielles Wachstum, das eine starke Korrosion der Gefäßwände verursachen
kann.
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Ferner ist eine Korrosionsbeschädigung an den
Rohrverbindungen und Ventilen als Folge einer Sanderzeugung üblich, insbesondere
bei der Hochdruckerzeugung. Ferner können Festkörper Instrumente, beispielsweise
in der Leitung angeordnete Flussmessgeräte und Druckanzeiger, blockieren
und unterbrechen.
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Mehrere Ansätze sind in dem Stand der Technik
durchgeführt
worden, um das Problem einer Ansammlung von Festkörpern in
Verarbeitungsgefäßen zu beseitigen.
Die US-A-5612003 betrifft nicht direkt die Entfernung von Festkörpern von
einem Gefäß, zeigt
aber die einfache Verwendung eines einzelnen Abführers, um ein fluidisiertes
Bett einer Teilchenmaterie (z. B. eines Katalysatorkraftstoffs oder eines
Reaktionsmittels) aufrechtzuerhalten. Der Ausgang des Abführers wird
in den Einlass eines Zyklons geführt,
der die Teilchenmaterie trennt und sie an das fluidisierte Bett
zurückführt.
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Die US-A-3895927 offenbart wiederum
die Verwendung eines einzelnen Abführers (der als ein „Dualabführer" beschrieben wird).
Die „duale" Funktion des Auswerfers
bezieht sich auf die Verwendung des Auswerfers, sowohl zur Bewegung
von Schmutz oder Festkörpern
in einem Verarbeitungsgefäß, als auch
zum Ziehen eines Vakuums auf dem Gefäß. Somit betrifft dieses Dokument
die Vermeidung der Verwendung einer getrennten Vakuumpumpe und die zugehörigen Verrohrungsanforderungen.
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Die EP-A1-0792950 offenbart die Verwendung
einer Vielzahl von Abführern,
die unabhängig voneinander
arbeiten, um Festkörper
abzugeben, die sich in einem Gefäß mit einer
geneigten Bodenfläche abgesetzt
haben. Das Gefäß wird zur
Dekontaminierung und Elektroplattierung von metallischen Artikeln verwendet.
Die Abführer
werden verwendet, um zu verhindern, dass „Schlamm" oder andere Festkörperpartikel sich in dem Gefäß auftürmen. Die
Abführer (nachstehend
als „Auswerfer" beschrieben) werden verwendet,
um Festkörper
an einen vorgegebenen Platz auf einer Seite des Gefäßes zu bewegen.
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Die US-A-4428841 offenbart ein Gehäuse mit
mehreren Abführern,
die zum Reinigen und zur Entfernung von Festkörpern verwendet werden. Die Abführer werden
periodisch verwendet, um eine „Wellenplattenanordnung" in Bewegung zu versetzen,
die zum „Reinigen
von Festkörpern" verwendet wird.
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In Übereinstimmung mit einem ersten
Aspekt stellt die Erfindung ein Verarbeitungsgefäß bereit, wie im hier angehängten Anspruch
1 ausgeführt.
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In Übereinstimmung mit einem zweiten
Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zum Zuführen bzw.
Befördern
von Festkörpern
in einem Verarbeitungsgefäß, wie im
hier angehängten
Anspruch 7 aufgeführt,
bereit.
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Ausführungsformen der Verarbeitungsgefäße in Übereinstimmung
mit der Erfindung werden nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
schematische Seitenansicht einer herkömmlichen strahlenden Anordnung;
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2 eine
schematische Querschnittsansicht der 1,
die die herkömmliche
Düsenkonfigwation
zeigt;
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3 eine
schematische Querschnittsansicht eines typischen Abführers;
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4 eine
vergrößerte schematische
Querschnittsansicht des Bodenteils eines Verarbeitungsgefäßes, das
eine Zuführungsvorrichtung
enthält;
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4A eine
vergrößerte schematische Querschnittsansicht
des Bodenteils einer modifizierten Zuführungsvorrichtung;
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5 eine
schematische Querschnittsansicht eines transversalen Abführers;
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6 eine
schematische Draufsicht auf ein Verarbeitungsgefäß, das eine Zuführungsvorrichtung enthält; und
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7 eine
schematische Querschnittsansicht des Verarbeitungsgefäßes der 6.
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Unter Bezugnahme auf die 1 und 2 weist ein herkömmliches Verarbeitungsgefäß 5 ein
Gehäuse 12 mit
einem Einlass (nicht gezeigt) zum Empfangen eines Gemischs von Fluids,
wie Gas, Öl
und Wasser, die Festkörper
wie Sand enthalten, auf. Das Gefäß weist
ein Wehr 14 und einen Ölauslass 16 auf.
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Das dargestellte Gefäß ist lediglich
ein Beispiel der vielen verfügbaren
Anordnungen. Derartige Gefäße können verwendet
werden, um 2, 3 oder 4 Phasen (Öl,
Wasser, Gas und Festkörper)
zu trennen.
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Bei der Verwendung weisen die Festkörper eine
Tendenz auf, sich in Richtung auf den Boden des Gefäßes abzusetzen.
Um diese von dem Gefäß zu entfernen,
um die voranstehend beschriebenen Probleme zu vermeiden, werden
die Festkörper
periodisch mit Wasserstrahlen „fluidisiert". Um dies zu ermöglichen, umfasst
das Gefäß einen
Strahlwassereinlass 18 einer allgemein axialen Rohrverbindung 20,
die eine Vielzahl von Düsen 22 versorgt,
die aus kurzen Rohrlängen
gebildet sind, die in Richtung auf den Boden des Gefäßes geneigt
sind.
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Die Festkörper werden durch Verbinden
des Einlasses 18 mit einer Druckwasserquelle fluidisiert. Die
fluidisierten Festkörper
werden durch das Wasser axial befördert, um durch eine Anzahl
von Auslässen 24 auszutreten,
die entlang des Bodens des Gefäßes angeordnet
sind. Der sich ergebende Schlamm wird dann durch ein Sammelgefäß geführt und
danach verarbeitet.
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Die Düsen 22 können dafür ausgelegt
sein, um die Strahlwasser-Austrittsgeschwindigkeit zu erhöhen, werden
aber üblicherweise
einfach aus einer herkömmlichen,
nicht ausgestalteten Rohrverbindung gebildet.
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Nachdem sie fluidisiert worden sind,
werden die Festkörper
typischerweise in Richtung auf die nächste Einlassöffnung einer
Ummantelung 26 geführt,
die allgemein axial entlang des Bodens des Gefäßes verläuft und die die Strahlwasserauslässe 22 abdeckt.
Jede Öffnung
(bzw. jeder Anschluss) in der Ummantelung 26 ist zu einer
Düse 22 ausgerichtet.
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Das Gefäß umfasst auch einen Wasserauslass 28 und
einen Festkörperauslass 30.
Auslässe
für irgendwelche
anderen Phasen sind nicht gezeigt.
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Die herkömmliche Konfigwation, die in
den 1 und 2 gezeigt ist, ist jedoch im Betrieb nicht
zufrieden stellend. Erstens ist die kritische Flussrate, die zum
Fluidisieren der Festkörper
benötigt
wird, nicht bekannt. Deshalb ist dieser Typ von Strahlungsanordnung
unter Verwendung von sehr konservativen Konstruktionsparametern
konstruiert, was zu einem nicht-optimalen Betriebsverhalten führt. Insbesondere
werden höhere
Strahlflussraten verwendet, als notwendig sind, was Strahlungsfluid
verschwendet. Wenn das Gefäß eine Trenneinheit
(Separator) ist, besteht auch ein erhöhtes Risiko einer Reduzierung
des Betriebsverhaltens des Gefäßes beim
Trennen von Wasser und Kohlenwasserstoffen.
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Zusätzlich neigen die Düsen 22 zu
einer Verstopfung, da sie vergraben werden, wenn sich die Festkörper an
dem Boden des Gefäßes ansammeln. Dies
hinterlässt
Zonen in dem Gefäß, die ruhend
sind und somit niemals von Festkörpern
befreit werden.
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Die Konstruktion der Rohrverbindung 20 ist wichtig,
um gleichmäßige Strahlflussraten
entlang der Länge
des Gefäßes 10 sicher
zu stellen. Jedoch ist die Konstruktion davon oft schlecht, was
zu einer ungleichmäßigen Fluidisierung
der Festkörper
führt.
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Ferner ist die Massenflussgeschwindigkeit innerhalb
der axialen Festkörperummantelung 26 gewöhnlicherweise
zu gering, um die Festkörper
fluidisiert zu halten (insbesondere, wenn die Festkörper einen
großen
Durchmesser aufweisen). Wenn die Festkörper nicht fluidisiert bleiben,
wird ein Absetzen auftreten, was zu einer Verstopfung der Ummantelung
und der Düsen
und zu einer ineffizienten Festkörperentfernung
führt.
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Die herkömmliche Anordnung weist auch Probleme
als Folge einer Erosion der Gefäßwände auf.
Die Düsen 22 sind
allgemein in Richtung auf die Gefäßwände gerichtet und somit wird
das Festkörpermaterial
mit beträchtlicher
Energie an die Gefäßwände geblasen. Über der
Zeit verursacht dies eine Erosion, was schließlich zu einer Perforation
des Gefäßes führt.
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Schließlich erzeugen die Düsen 22 eine
Turbulenz. Obwohl die Geschwindigkeit der Strahlen, die von den
Düsen 22 erzeugt
werden, gewöhnlicher weise
ausreichend sind, um die Festkörper
zu fluidisieren, sind die Strahlverläufe schlecht gesteuert bzw.
kontrolliert und somit werden Wassersäulen von Festkörpern in
die oberen Abschnitte des mit Flüssigkeit
gefüllten
Bereich des Gefäßes 10 ausgeworfen. Dies
kann eine Störung
an dem Flüssigkeits-Flüssigkeits-Trennmechanismus
verursachen und potentiell Festkörper
in sowohl die Wasser- als auch Kohlenwasserstoff-Ströme einer
Trenneinheit (Separator) potentiell führen.
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Unter Bezugnahme auf 3 weist ein typischer Abführer einen
Festkörpereinlass 40,
einen Strahleinlass 42 und einen Auslass 44 auf.
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Der Abführer wirkt als eine Strahlpumpe,
die einen Teil der Energie aus einem sich bewegenden Fluid, das
in den Strahleinlass 42 eintritt, verwendet, um ein anderes
Fluid mitzureißen,
um dieses bei einem höheren
Druck als demjenigen, bei dem es in den Festkörpereinlass 40 eingetreten
ist, auszuwerfen.
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Für
den nachstehend beschriebenen Fall ist das sich bewegende (Antriebs-)
Fluid Wasser, das in einen zusammen gehenden (konvergierenden) Abschnitt 46 des
Abführers
gerichtet wird. Das Antriebsfluid kann zum Beispiel Meereswasser,
produziertes (erzeugtes) Wasser (erzeugt von dem Bohrloch) oder Kohlenwasserstoff
sein.
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Das Antriebsfluid reißt das Fluid
mit, in das der Abführer
eingetaucht ist, und wenn das mitgerissene Fluid einen auseinander
gehenden (divergierenden) Abschnitt 48 betritt, wird ein
Teil der kinetischen Energie des Antriebfluids in eine Druckenergie in
dem Diffusorabschnitt umgewandelt. Dies bewirkt, dass ein Gemisch
des Antriebsfluids und des Fluids, das in den Festkörpereinlass 40 eintritt,
bei einem höheren
Druck als dem Abführeransaugdruck,
der an dem Festkörpereinlass 40 vorhanden
ist, ausgegeben wird.
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Somit zieht der gezeigte Abführer aktiv
Fluid von hinter der Düse 50 des
Strahleinlasses 42 und wirft es von dem auseinander gehenden
Abschnitt 48 aus. Ein Festkörpereinlass kann anstelle davon
oder zusätzlich
an dem zusammen gehenden Abschnitt 46 bereit gestellt werden;
wobei diese letztere Anordnung besonders nützlich für die nachstehend beschriebenen
transversalen Abführer
ist.
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Die Charakteristik des erhöhten Drucks durch
den Abführer
bedeutet, dass Abführer „in einer Kette" angeordnet sein
können,
d. h. der Ausgang eines Abführers
stellt den Eingang für
den nächsten Abführer in
der Kette bereit. Dies ist möglich,
weil die Festkörper
in dem Fluid, das durch den Abführer geht,
sowohl gezogen als auch angetrieben werden, anstelle dass sie lediglich
angetrieben werden, wie in einer herkömmlichen Strahldüse.
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4 zeigt
in einer Kette angeordnete Abführer 60,
die von einer Strahlwasser-Rohrverbindung 42 gefüttert werden
und angeordnet sind, um Festkörper,
die in einem Fluid mitgerissen werden, durch eine Festkörperabgabeöffnung 64 auszuwerfen.
Durch eine vorsichtige Auswahl der Größe der Abführer und einer Ausbalancierung
(Ausgleichung) der Flussraten und Geschwindigkeiten kann ein höchst effizientes
Festkörpertransportsystem
geschaffen werden, bei dem Flussvektoren auf das Gebiet der Abführer beschränkt sind.
Um dies zu erreichen, sollte vorzugsweise eine Flusskontinuität von einem
Abführer
zu dem nächsten
aufrecht erhalten werden. Somit sollte der gesamte Flussausgang
(das Antriebsfluid und das Abführeransaugfluid)
von sämtlichen
stromaufwärts
gelegenen Abführern,
die einen stromabwärts gelegenen
Abführer
füttern,
idealerweise gleich zu dem Ansaugfluid-Einlassfluss dieses stromabwärts gelegenen
Abführers
sein.
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Durch Anordnen von verketteten Abführern allgemein
an dem Boden eines Separatorgehäuses 66,
wie in den 6 und 7 gezeigt, kann ein Festkörperstrahlfluss,
der höchst
lokalisiert ist, an dem Boden des Gefäßes erzeugt werden. Dies stellt
eine minimale Störung
für den
Massenfluss des Separators in den oberen Bereichen des Gehäuses 66 sicher. Das
Gehäuse 66 weist
einen Einlass 67 für
die Strahlwasser-Rohrverbindung 62 auf.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
weist nicht nur das Gehäuse 66 verkettete
Abführer
auf, die an seinem Boden angeordnet sind, sondern auch einen zweiten
Satz von Abführern 70,
die entlang der Gehäuseseitenwand
transversal von den verketteten Abführern 60 angeordnet
sind. Dieser zweite Satz von transversalen Abführern 70 fluidisieren
den Seitenwandbereich und richten die Festkörper an den Boden des Gehäuses. Die
axialen Abführer 60 transportieren
die Festkörper
entlang des Bodens in der Richtung des Massenfluidflusses in den
Gefäßen in die
Festkörperabgabeöffnung 64.
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Die transversalen Abführer 70 ziehen
ihre Quelle allgemein horizontal von jeder Seite entlang der Seitenwand,
wie mit den Pfeilen A in den 5 und 6 gezeigt und werfen den
Fluss aus, um eine sich mit hoher Geschwindigkeit ausdehnende „Schicht" zu bilden, die vorzugsweise
von dem Diffusorabschnitt 72 erreicht wird, der ein hohes
Querschnitt-Aspektverhältnis
aufweist (und dadurch, dass die längere Seite parallel zu der
Seitenwand angeordnet wird).
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Der Auslass der transversalen Abführer 70 wird
durch die axialen Abführer 60 um
ungefähr
90° gezogen
und wird dann axial entlang des Bodens des Gehäuses 66 durch die
axialen Abführer 60 an
den nächstliegenden
Festkörperauslass 64 transportiert.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die
transversalen Abführer
so geneigt sein können,
dass der Fluss durch diese Abführer
eine axiale und auch vertikale Komponente aufweist. In diesem Fall
kann der Auslass der transversalen Abführer durch im wesentlichen
mehr oder weniger als 90° gezogen
werden.
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Die verschiedenen voranstehend beschriebenen
Anordnungen erzeugen einen lokalisierten Strom mit hoher Geschwindigkeit
entlang des Gehäusebodens,
was Idealerweise ausreichend ist, um nur den Bodenbereich der Festkörperschicht
zu fluidisieren und sie an die Festkörperausgabeöffnung 64 zu richten.
Wenn dies erreicht wird, wenn die fluidisierten Festkörper weg
transportiert werden, fallen die Festkörperpartikel von der Schicht
oberhalb in den Strahlstrom mit hoher Geschwindigkeit nach unten
und werden selbst fluidisiert und an die Ausgabeöffnung 64 weg transportiert.
Der Effekt ist, dass die Festkörperschicht
von dem Boden der Schicht „abgegessen" wird.
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Wie voranstehend diskutiert ist es
wichtig, wenigstens in trennenden Anwendungen sicher zu stellen,
dass ein minimaler, aufwärts
gerichteter Fluss eines Strahlfluids vorhanden ist, um die Einwirkung
der Strahlungsprozedur auf den Trennungsprozess, der in den höheren Bereichen
des Gehäuses 66 auftritt,
zu begrenzen. In der voranstehend beschriebenen Anordnung beschränkt die
obere, nicht-fluidisierte Festkörperschicht
die Möglichkeit, dass
eine Flussstörung
in den oberen Bereichen des Gehäuses
auftritt.
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Als eine weitere Verbesserung können ein oder
mehrere Auslassabführer 80 (wie
in 4A gezeigt) verwendet
werden, um fluidisierte Festkörper aus
dem Festkörperauslass 64 zu
ziehen. An den Auslassabführer 80 kann
ein Antriebsfluid von der Rohrverbindung 62 geführt werden.
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Ein Fluss durch den Festkörperauslass 64 kann
auch durch einen oder mehrere allgemeine vertikale Abführer innerhalb
des Gehäuses 66 verbessert
werden, wobei der allgemein horizontale Auslass der vorangehenden
axialen Abführer 60 genommen wird
und er in Richtung auf den Festkörperauslass 64 nach
unten gerichtet wird. Dies kann zusätzlich oder anstelle des Auslassabführers 80 verwendet
werden.
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Es sei darauf hingewiesen, dass mehrere Veränderungen
vorhanden sind, die an der voranstehend beschriebenen Anordnung
durchgeführt
werden können.
Zum Beispiel kann das Verarbeitungsgefäß 66 mehr als einen
Festkörperauslass 64 aufweisen,
der angeordnet sein kann, um den Ausgang von ein oder mehreren der
axialen Abführer 60 zu empfangen.
Ferner können
ein oder mehrere dieser Vielzahl von Auslässen 64 mit ein oder
mehreren Auslassabführern 80 gekoppelt
werden.
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Der Vorteil einer Bereitstellung
von mehreren Auslässen 64 ist,
dass das Volumen, das aus der axialen Abführerkette durch den Auslass 64 gezogen werden
muss, gesteuert werden kann. Ein einzelner Auslass an dem Ende der
Kette wird benötigt
werden, um ein größeres Volumen
von fluidisierten Festkörpern
als mehrere Auslässe
bei beabstandeten Intervallen entlang der Kette unterzubringen.
Die Verwendung von Auslassabführern
verbessert das Betriebsverhalten der Abgabeöffnung 64 durch aktives Ziehen
von Material aus dieser Öffnung
heraus stark.
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Somit stellt die voranstehend beschriebene Anordnung
kürzere
Ausräumzeiten,
eine niedrigere Strahlwasser-Flussrate und eine verringerte Einwirkung
auf das Verarbeitungsgefäß-Betriebsverhalten im
Vergleich zu den herkömmlichen
Anordnungen bereit. Ferner wird die Wahrscheinlichkeit, dass ein Sediment
in die Flüssigkeitsauslassströme eines trennenden
Verarbeitungsgefäßes geführt werden, verringert.
Weil der Fluss von Festkörpern
allgemein parallel zu der Gehäusewand
ist, wird auch eine Erosionsbeschädigung an dem Gehäuse, im
Vergleich mit der herkömmlichen
Anordnung, stark reduziert.
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Traditionell ist die Entfernung von
Festkörpern
von dem Boden eines Verarbeitungsgefäßes periodisch ausgeführt worden.
Dies liegt wenigstens teilweise an der Unterbrechung, die die Strahlungsprozedur
traditionell bei dem Betrieb des Verarbeitungsgefäßes verursacht
hat. Die voranstehend beschriebenen Anordnungen können auch
in dieser Weise periodisch verwendet werden. Jedoch können die
voranstehend beschriebenen Anordnungen auch auf einer kontinuierlichen
Basis verwendet werden. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn das
Volumen von Festkörpern
hoch ist und demzufolge dann, wenn die periodische Entfernung bei
kurzen beabstandeten Intervallen ausgeführt werden muss. Durch kontinuierliches
Betreiben der Zuführungsvorrichtung
bei niedrigen Strahlflussraten wird eine Entfernung von Festkörpern mit
einer minimalen Unterbrechung und des Betriebs des Bearbeitungsgefäßes erreicht.
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Obwohl nur horizontale Verarbeitungsgefäße beschrieben
worden sind, sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung gleichermaßen auf
andere Anordnungen anwendbar ist, Zum Beispiel auf vertikale Verarbeitungsgefäße oder
Separatoren (Abscheider).
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Im Umfang der vorliegenden Erfindung
sollte der Ausdruck „Verarbeitungsgefäß" so verstanden werden,
dass er nicht nur die Trenneinheiten (Separatoren bzw. Abscheider)
umfasst, die voranstehend beschrieben wurden, sondern irgendein
Gefäß, welches
ein Fluid enthält
und in dem sich Festkörper
ansammeln können.
Ein Verarbeitungsgefäß stellt
typischerweise eine „Verweilzeit" bereit. Es kann
zum Beispiel ein Phasenabscheider oder ein Haltetank sein. Es kann
auch ein verdichteter Behälter
sein.
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Das Verarbeitungsgefäßgehäuse 66 kann mit
ein oder mehreren Wehren versehen sein, die auf der stromabwärts gelegenen
Seite eines Festkörperauslasses 64 angeordnet
ist/sind. Das Wehr trägt dazu
bei, Sand benachbart zu dem Festkörperauslass 64 zusammen
und trägt
auch dazu bei, eine Störung
der oberen Bereich des Gehäuses
zu verhindern.