NO20111751A1 - Kompakt gass-vaeske treghetsseparasjonssystem - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår et kompakt treghetsseparasjonssystem for en gass-væske blanding og den relevante fremgangsmåte for separasjon.

Mer spesifikt angår foreliggende oppfinnelse en kompakt separator, egnet for separasjon av flerfase hydrokarbonstrømmer, basert på kombinasjonen av to distinkte effekter.

Separasjon av væskefasen fra den gassformige fasen finner spesifikt sted ved: - minskning av farten av den innkommende strøm som medfører en første lagdelingseffekt; - støt av fluidet ved en lav hastighet på veggene i separatoren, kombinert med treghetsseparasjonseffekten mellom væskefasen og den gassformige fase.

En ytterligere effekt for fjerning av væskedråpene innfanget i den gassformige strømmen er basert på prinsippet med sentrifugal separasjon eller ved koalesens.

De konvensjonelle separatorer som anvendes i oljeindustrien består hovedsakelig av gravitasjonsseparasjonssystemer. Disse separatorene består generelt av stor-dimensjonerte kamre hvor blandingen av fluider oppholder seg i den tid som er nødvendig for å tillate at separasjonen av de to faser av blandingen finner sted under gravitasjonskrafteffekten.

Disse kamre kjennetegnes ved betydelig vekt og dimensjoner, er vanskelige å tilpasse til offshore produksjonsplattformer og hvis kostnad kan innvirke betydelig på kostnadene av offshorestrukturer.

For separasjonen av gass fra råolje, har separatorer basert på anvendelse av sentrifugalkraft alternativt vært anvendt, for eksempel ved anvendelse av sykloner sammensatt i serier, som beskrevet i kanadisk patent 1,093,017 eller i komplekse konfigurasjoner som beskrevet i kanadisk patent 1,136,061. Selv ikke disse installasjoner er imidlertid optimale for applikasjoner på offshoreplattformer på grunn av deres belastning.

For å redusere disse ulemper rettes teknologien mot utviklingen av kompakte separasjonssystemer også interessante for applikasjoner i barske omgivelser så som undersjøiske, arktiske eller nedihulls-omgivelser og som potensielt gradvis kunne erstatte gravitasjonsseparatorer også for onshoreapplikasjoner.

Kompakte separasjonssystemer kan også bli tilpasset for partielle separasjoner mellom fasene (gass/væske, væske/væske eller fluid/faststoff). Dette kan skje for en rekke applikasjoner så som for eksempel målings- eller rekompresjons-systemer, rørledningstransport, hydratkontroll, miljø- og sikkerhetskrav.

En undersøkelse av teknisk litteratur fører til konklusjonen at kompakte separasjonssystemer normalt betraktes som separatorer hvor sentrifugalkraft erstatter tyngdekraften. Foreliggende analyse er begrenset til kompakte separasjonssystemer som ikke har bevegelige deler.

Kompakte gass-væske separasjonssystemer basert på sentrifugalkraft-prinsippet med og for det meste anvendt som bearbeidingselementer ved separasjonen, anvender rør utstyrt med blader (hvirvelrør) som gir en roterende bevegelse til fluidblandingen, for å separere gassformig fase fra væskefasen, som beskrevet i US patent 4,566,883, ved navnet Shell. Senere har Tea Sistemi utviklet sentrifugalseparatorer basert på det samme prinsippet, hvor geometrien til elementet som fremkaller en roterende bevegelse på fluidet (hvirvler) er optimalisert tillater også anvendelse av en enkel enhet som har en stor diameter som et alternativ til forskjellige enheter som har en liten diameter, som beskrevet i internasjonal patentsøknad WO 2007/129,276.

Noen av konseptene tilpasset for utviklingen av kompakte separasjonssystemer har også tillatt utviklingen av konvensjonelle gravitasjonsseparasjonssystemer så som kompakte gravitasjonsseparatorer utviklet av Shell. Disse separatorer kan være horisontale eller vertikale. Et eksempel på en vertikal kompakt sylindrisk separator som anvender et visst antall indre elementer er foreslått i internasjonal patentsøknad WO 2005/023,396 A1, som, med hvirvlene, anvendt som sekundær gass-væske separator, kobler en forhåndsseparasjon av gass-væske blandingen gjennom passasje inne i en innløpsinnretning med skovler.

Et annet eksempel på en horisontal kompakt tre-fase sylindrisk separator er foreslått i US 6,537,458, hvor systemet er gjort mer effektivt ved anvendelse av en primær separator bestående av en rekke hvirvelrør eller skovlpakker.

Sammen med sentrifugalkraft og tyngdekraft, kan treghetseffekter spille en viktig rolle ved gass-væskeseparasjon. Disse effekter er basert på forskjellige typer av væskedråpeseparatorer inne i gassformige strømmer, tilgjengelige på markedet. Væsken blir separert fra gassen ved akselerasjon av fluidstrømmen gjennom spesifikke porter eller åpninger, på en støtflate som typisk medfører en plutselig forandring i retning, og bestemmer den ønskede separasjonen.

Eksempler på disse anordninger kan for eksempel finnes i europeisk patent 1,068,890 B1 eller senere i internasjonal patentsøknad WO 2008/134,227.

Den riktige utnyttelse av treghetseffektene kan spille en fundamentalt viktig rolle i betraktning av at treghetseffektene av en støtvis eller lagdelt væskestrøm som passerer gjennom en rørledning, er betydelige.

Separasjonsanordninger som ofte anvendes i området innen kontinuerlige overvåkningssystemer for flerfase hydrokarbonstrømmer, er utstyrt med et innløpsrør tiltet med hensyn til det horisontale som tillater separasjon ved lagdeling av gass-væskeblandingen.

Et eksempel på disse systemer er beskrevet i US patent 4,760,742 som fremstiller et rørsystem for separasjon av gassboblene fanget i væskestrømmen.

US patent 5,526,684 beskriver et kompakt separasjonssystem som har en vertikal utforming med et tangentielt innløp tiltet nedover. Hellingen på innløpsrøret, sammen med en sammenløpende todimensjonal port, medfører på den ene side den partielle lagdeling av de to faser og på den andre siden, akselerasjonen av fluidet ved innløpet og følgelig virvelspiralen av væske nedover langs veggen i separatoren, den resulterende separasjonseffekt er hovedsakelig sentrifugalkraften. Begrensningen til oppfinnelsen ligger imidlertid i det faktum at sentrifugalkraften krever høye fluidhastigheter ved innløpet til separatoren, mens lagdelingen av strømmen finner sted med lave hastigheter på blandingen. Uoverensstemmelsen som oppstår fra motsatte effekter som oppstår i det ovennevnte separasjonssystem kan forklare dets lave effektivitet og anvendelighet som partielt separasjonssystem.

Formålet ifølge foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe et apparat og en kompakt gass-væske separasjonsmetode som i det vesentlige kombinerer to effekter:

- lagdeling av strømmen ved innløpet av separatoren; og

- treghetsseparasjon av væskefasen,

og erkarakterisert vedat systemet er konfigurert slik for effektivt også separere flerfasestrømmer, for eksempel støtvise strømmer, ved betydelig dempning av

væskekomponenten av strømmen i innløpsrøret, et trekk som tillater en reduksjon i høyden av bunnen av separatoren og følgelig dens volum.

Dette formålet blir oppnådd med det kompakte gass-væske separasjons-apparat ifølge foreliggende oppfinnelse omfattende en lagdelingsanordning, et sylindrisk legeme med en vertikal utforming og to utløpsanordninger for den gassformige strømmen og væskestrømmen. Foreliggende oppfinnelse er beskrevet i de vedlagte kravene.

Systemet kan når det anses nødvendig utstyres med eventuelt komplementært utstyr for videre separasjon, henholdsvis av væske fra den gassformige strømmen og gass og/eller en annen væske fra væskestrømmen.

Nevnte lagdelingsanordning består i det vesentlige av to rør hovedsakeligkarakterisert veden forstørrelse av seksjonen som gir en vesentlig reduksjon (<>>50%) i hastigheten til blandingen ved innløpet, denne konfigurasjon, koblet med en mulig lett nedoverrettet helning av røret (£ 10°), gir dempning av den støtvise strømning av strømmen ved innløpet og fører til lagdelte strømningsforhold.

Da nevnte innløpsrør er tangentielt innsatt på nevnte sylindriske legeme, sikrer det dessuten under den kombinerte virkning av det relativt myke støt mot veggene i separatoren og treghetskraften, at den tyngre væskefasen føres mot bunnen av separatoren, uten en for høy fragmentering av væskestrømmen som dannes, mens gassboblene som fortsatt er fanget i væskestrømmen blir frigjort og sammen med gassen som allerede er lagdelt, tenderer til å stige sentralt inne i hovedlegemet (primær væskeseparasjon) mot den øvre del av det sylindriske legemet.

Det faktum at en mulig støtvis strømning av strømmen ved innløpet av separatoren blir dempet, gjør det mulig for bunnen av separatoren å ha et redusert volum. I den øvre delen av det sylindriske legemet kan separasjonssystemet eventuelt omfatte et arrangement av bearbeidingselementer for å fjerne de flytende små dråper fanget i gassen så som tåkeekstraktorer, trådduksputer, skovlpakke, sykloner, hvirvelelementer, etc. (sekundær væskeseparasjon).

Oppfinnelsen er spesielt egnet for separasjon av flerfasede hydrokarbon-strømmer og kan optimaliseres til et prosjektnivå i forhold til den spesielle strøm ved innløpet ved anvendelse av en spesifikk kode for flerfasestrømsimulering MAST (Multiphase Analysis and Simulation of Transition), utviklet av TEA Sistemi, som er i stand til å fange den dynamiske variasjon mellom strømningsregimer (dynamisk mønstergjenkjennelse).

Ytterligere egenskaper og fordeler med det kompakte separasjonssystem ifølge foreliggende oppfinnelse vil fremkomme tydeligere i den følgende beskrivelse av én av dens utførelsesformer, gitt for illustrativt og ikke-begrensende formål med referanse til de vedlagte tegninger, hvor: - figur 1 viser en skjematisk fremstilling av den kompakte treghetsseparator hvor en eventuell generisk sekundær separator er installert; - figur 1 a illustrerer et snitt av innløpsrøret som viser dets tangentielle forbindelse til separatorlegemet; - figur 2 gir en skjematisk fremstilling av den kompakte treghetsseparator hvor et arrangement med 6 hvirvelelementer er installert som sekundær separator; - figur 2a indikerer tverrsnittet A-A i figur 2; - figur 3 viser den eksperimentelle fullstendige separasjonseffektivitet (primær og sekundær separasjon) og den primære separasjonseffektivitet relatert til systemet i figur 2 som en funksjon av gasstrømningshastigheten ved en bestemt strømningshastighet for væskestrømmen.

Figur 1 illustrerer den kompakte gass-væske treghetsseparator, hvis innløps-anordning 1 består av de to rørene 2 og 4 og en forbindelsesport 3. Røret 2, i hvilket flerfasefluidet strømmer, som for eksempel kommer fra produksjons-lønnen, er horisontalt. Nevnte rør 2 er forbundet ved hjelp av en egnet forbindelsesport 3 til et rør 4 som har en større diameter, som hensiktsmessig kan lett tiltes med en helningsvinkel med hensyn til det horisontale £10°. Nevnte rør 4 er tangentielt innsatt i overensstemmelse med innløpsporten 5 til det sylindriske legemet 6 i separatoren, som bedre illustrert i figur 1a. Det sylinderiske legemet 6 har en vertikal utvidelse og er ideelt delt opp i en bunn 7 som strekker seg mellom den nedre basis 8 i det sylinderiske legemet og innløpsporten 5 og en øvre del 9 som strekker seg mellom den øvre basis 10 i det sylinderiske legemet og innløps-porten 5. Inne i nevnte øvre del av separatoren 9, kan eventuelt et arrangement med bearbeidingselementer 11 være posisjonert for den sekundære væskeseparasjon (f.eks. tåkeekstraktorer, trådduksputer, skovlpakke, sykloner, hvirvelelementer, etc). De to utløpsanordninger består av to utløpsrør for væsken 12 og gassen 13 som henholdsvis er innsatt på den nedre basis 8 og på den øvre basis 10 i det sylinderiske legemet. Det skal bemerkes at systemet, når ansett nødvendig, også kan omfatte to mulige komplementære separatorer (ikke vist i fremstillingen av figur 1) lokalisert nedstrøms for utløpsrøret for væsken 12 og utløpsrøret for gassen 13 for henholdsvis den videre separasjon av gass og/eller en annen væske fra væskestrømmen og væske fra den gassformige strømmen. Den påfølgende fremstilling i figur 2 og figur 2a illustrerer en spesifikk konfigurasjon av den kompakte gass-væske treghetsseparator. Mesteparten av komponentene til hvilke det refereres til er de samme som de som det refereres til i figur 1 og er angitt med samme referansenummer. Konfigurasjonen til figur 2 skiller seg fra den i figur 1 ved at det inne i den øvre del av separatoren 9, som sekundær separator, er anordnet et arrangement med 6 hvirvelelementer 14 (internasjonal patentsøknad WO 2007/129,276), symmetrisk med hensyn til aksen i sylinderen, som bedre illustrert i figur 2a.

For illustrative formål viser figur 3, som relaterer til systemet i figur 2, de eksperimentelle totale separasjonseffektivitetsverdier (primær og sekundær væskeseparasjon) og de primære separasjonseffektivitetsverdier med henvisning til væskefasen, som en funksjon av gasstrømningshastigheten (30-5-470 m<3>/h), for en strømningshastighet på væskestrømmen lik 5 m /h som kommer inn med støtvis strømning. Det skal bemerkes at effektiviteten av treghetsseparasjons-systemet avtar noe med en økning i gasstrømningshastigheten, men er alltid over effektiviteter på 95%, mens det totale effektivitet forblir, for hvilken som helst strømningshastighet av den gassformige strømmen, høyere enn 99%, hvilket indikerer at med en økning i strømningshastigheten til den gassformige strømmen, gir arrangementet av hvirvelelementer 14 i figur 2 en høy separasjonseffektivitet, selv hvis lagdelingen ved innløpet ikke er fullstendig, som er økende medvirkende til den totale separasjonseffektivitet.

Under driftsbetingelsene, med referanse til figur 1, strømmer blandingen av fluider som kommer fra olje- og gassbrønner, inn i separatoren gjennom det horisontale rør 2, med et boble- eller støtvis strømningsmønster. Blandingen strømmer gjennom forbindelsesport 3 inn i et rør 4 med et større tverrsnitt. Økningen i strømdiameteren gir en vesentlig reduksjon (£ 50%) i hastigheten til blandingen. Denne effekten, koblet med en mulig noe nedoverrettet helning av røret 10° med hensyn til det horisontale), gir dempning av den støtvise strømning av strømmen ved innløpet og fører til lagdelte strømningsforhold. Blandingen, som således er lagdelt, kommer inn i det sylinderiske legemet til separatoren 6, tangentielt ved en lav hastighet gjennom innløpet 5.1 det sylinderiske legemet til separatoren 6 sikrer lagdelingseffekten sammen med treghetskraften at den tyngre væskefase treffer veggene til separatoren ved en lav hastighet og strømmer med en sirkulær bevegelse som følger veggene, mot bunnen av separatoren 7, uten å generere en for høy fragmentering av væskestrømmen, mens gassen som er fanget i væsken tenderer til å bli frigjort, og blir ført sentralt i det sylinderiske legemet og stiger, sammen med gassen som allerede er separert ved lagdeling, inne i hovedlegemet mot den øvre del av separatoren 9 (primær væskeseparasjon). Kombinasjonen av de to effektene fører til en høy primær separasjonseffektivitet. De flytende små dråper som fortsatt er fanget i den gassformige strømmen kan videre bli fjernet ved eventuelt å føre den gassformige fase tidligere separert inne i et arrangement med bearbeidingselementer 11 (sekundær væskeseparasjon). Den avgassede væskefase forlater separatorbunnen 7 gjennom utløpsrøret for væsken 12, mens den gassformige fase går ut gjennom gassutløpsrøret 13.

Det kompakte gass-væske treghetsseparasjonssystem, i henhold til det som er spesifisert, viser seg å ha et redusert belastningsvolum (omtrent 1/4) med hensyn til en konvensjonell separator med samme operative spesifikasjoner.

Det skal bemerkes at lengden av innløpsrøret og den optimale høyde på separatorbunnen avhenger av driftsbetingelsene til systemet (gasstrømnings-hastighet, væskestrømningshastighet, trykk, strømningsregime); deres dimensjoner blir derfor bestemt fra tilfelle til tilfelle.

Claims (6)

1. Kompakt treghetsseparasjonssystem for en gass-væske blanding omfattende: - en lagdelingsanordning for å lagdele den flerfasede fluidstrøm ved innløpet; - et sylindrisk legeme i hvilket gass-væske treghetsseparasjonen blir utført; - to utløpsanordninger for de separerte gass- og væskestrømmer som er henholdsvis innsatt på den øvre øvre basis og nedre basis til nevnte sylindriske legeme; karakterisert vedat: - nevnte lagdelingsanordning består av et første rør og et andre rør som har en større diameter med hensyn til det første rør, nevnte andre rør er forbundet ved hjelp av en forbindelsesport til nevnte første rør, nevnte andre rør er eventuelt tiltet med hensyn til det horisontale, nevnte helning og økningen i tverrsnittet mellom de to rørene fremkaller lagdelingen av nevnte flerfasestrøm; - nevnte lagdelingsanordning er tangentielt innsatt på nevnte sylindriske legeme, ved en høyde med hensyn til nevnte nedre basis; nevnte høyde er det minimum som garanterer en effektiv treghetsseparasjon av nevnte strøm som allerede tidligere er lagdelt i nevnte lagdelingsanordning.

2. Kompakt treghetsseparasjonssystem ifølge krav 1, hvor den øvre del av nevnte sylindriske legeme omfatter installasjonen av bearbeidingsseparator-elementer for å fjerne de flytende små dråper fanget i gassen.

3. Kompakt treghetsseparasjonssystem ifølge krav 1 eller 2, hvor nevnte helningsvinkel er lavere enn eller lik 10°.

4. Kompakt treghetsseparasjonssystem ifølge krav 1, 2 eller 3, hvor nevnte flerfasestrøm ved innløpet er en fluidstrøm som har boble-, støtvis- eller ringformet strømningsmønster.

5. Fremgangsmåte for separasjon av en gass-væske blanding relatert til det kompakte treghetssystem omfattende de følgende faser: - induksjon av en lagdelt strøm av en blanding av fluider med en boble-, støtvis eller ringformet strømningsmønster ved innløpet av en lagdelingsanordning omfattende et første rør og et andre rør som har en større diameter med hensyn til det første rør, nevnte andre rør er forbundet ved hjelp av en forbindelsesport til nevnte første rør; - dempning av det mulige støtvise strømningsmønster til blandingen av fluider ved innløpet ved vesentlig reduksjon (> 50%) av innløpshastigheten kombinert med en mulig lett nedoverrettet helning for det andre røret (< 10° med hensyn til det horisontale); - gass-væske treghetsseparasjon ved tangentielt å føre den lagdelte strøm på innsiden av et sylindrisk legeme ved en lav hastighet,karakterisert veden lav-hastighetsstøt mot veggene i nevnte sylindrisk legeme som er slik for å forhindre for høy fragmentering av denne, med dannelsen av: - en sirkulær strøm av den tyngre væskefase langs veggene i det sylinderiske legemet i retningen bunnen av separatoren mot den første utløpsanordning i separatoren; - videre frigjøre gassbobler som fortsatt er fanget i væskefasen som tenderer til å separere, bevege inn i den sentrale del av det sylinderiske legemet og stige sentralt sammen med gassen som allerede erseparert ved lagdeling, i retningen av den andre utløpsanordning.

6. Fremgangsmåte for separasjon av en gass-væske blanding relatert til det kompakte treghetssystem ifølge krav 5, hvor de flytende små dråper som fortsatt er fanget i den gassformige strømmen videre blir fjernet ved eventuelt å føre den gassformige fase, tidligere separert ved lagdeling og ved treghet, gjennom hvilke som helst av utførelsesformer av bearbeidingselementer som opererer ved hjelp av sentrifugalkraft eller koalesens, plassert før utløpet gjennom den andre utløpsanordning.