NO322385B1 - Trefaseseparator - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en trefaseseparator hvor en tilførsel omfattende en gassfase og en lettere væskefase og en tyngre væskefase blir separert til de tre faser gass, lettere væske og tyngre væske. En slik separator kalles også en gass/væske/væskeseparator. Trefaseseparatorer anvendes i oljeindustrien for å separere en blanding av hydrokarboner

- gass og olje, og vann til konstituentene gass, olje og vann.

Eksempler på slike separatorer er beskrevet i US-A-3 469 373 og i boken "Surface Production Operations, Design of OH-Handling Systems and Facilities", volum 1, 2. utgave, K. Arnold og M. Stewart, Gulf Publishing Company, 1998 på side 135 og videre.

En kjent trefaseseparator omfatter én vanligvis horisontal beholder som avgrenser et væskeseparasjonsrom og gassrom over væskeseparasjonsrom og et gassrom over væskeseparasjonsrommet, hvor beholderen har et innløpsenderom forsynt med et tilfør-selsinnløp og et utløpsenderom forsynt med separate utløp for de tre faser, hvor beholderen videre omfatter en innløpsinnretning i form av en innløpsavleder.

Under vanlig drift blir en tilførsel omfattende en blanding av gass og væske innført gjennom innløpet inn i beholderen. Tilførselen kolliderer med innløpsavlederen, og den plutselige forandring av bevegelsesmengde bevirker en første separasjon av gass og væsker. Gass går inn i gassrommet, . og væskene går inn i væskeseparasjonsrommet hvor de separeres i en lettere væskefase og en tyngre væskefase under påvirkning av gravitasjon. Gassen og væskefasene blir fjernet separat fra beholderen gjennom utløpene. Innløpsavlederen i den kjente trefaseseparator er en vertikal plate som strekker seg inn i væskeseparasjonssonen. På den måten tvinger avlederen væskene til å gå inn i det væskefylte væskeseparasjonsrom.

En ulempe med den kjente separator er en lav separasjonskapasitet.

Det er et formål med den foreliggende oppfinnelse å overvinne denne ulempe. Dette formål oppnås ifølge oppfinnelsen ved at trefaseseparatoren omfatter en i det vesentlige horisontal beholder som avgrenser et væskeseparasjonsrom og et gassrom ovenfor væskeseparasjonsrommet, hvor beholderen har et innløpsenderom forsynt med et tilførselsinnløp og et utløpsenderom forsynt med separate utløp for de tre faser, kjennetegnet ved at beholderen videre omfatter en innløpsinnretning omfattende en primær gassvæskeseparator som er anordnet i gassrommet og en skrå returpanne anordnet i gassrommet under den primære separator som har en nedre ende som er beliggende nær innløpsendeveggen av beholderen, slik at en passasje er avgrenset mellom den nedre ende og innløpsendeveggen.

Man funnet at med separatoren ifølge oppfinnelsen kan det oppnås en høyere separasjonskapasitet. Uten å være begrenset på noen måte av den følgende teori tror man at den forbedrede kapasitet oppnås fordi væsken føres til væskeseparasjonsrommet via innløpsendeveggen av separatoren. På grunn av denne føring av væskestrømmen resulterer dette i mindre turbulens i væskefasen sammenliknet med innretninger fra den kjente teknikk. På grunn av reduseringen i turbulensen oppnås det et mer effektivt bunnfall av væske-væskefasen, og følgelig en forbedret separasjonseffektivitet.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende i forbindelse med noen utførelseseksempler og under henvisning til tegningene, der figur 1 er et skjematisk snittriss i lengderetningen av trefaseseparatoren ifølge den foreliggende oppfinnelse, figur 2 er et skjematisk snittriss etter linjen II-II av innløpsinnretningen på figur 1, figur 3 viser skjematisk en alternativ anordning av den primære separator, figur 4 er skjematisk snittriss av et alternativ til returpannen vist på figur 1, figur 5 er skjematisk snittriss av et annet alternativ til returpannen vist på figur 1, figur 6 viser skjematisk en alternativ anordning av væskeseparasjonssystemet, figur 7 er et snitt etter linjen AA' på figur 8 som viser en separeringsforsterkningsanordning i væskerommet, og figur 8 er et snittriss etter linjen BB' på beholderen på figur 7.

Det skal nå vises til figur 1. Trefaseseparatoren 1 ifølge den foreliggende oppfinnelse omfatter en i det vesentlige horisontal beholder 3. Beholderen 3 avgrenser et væskeseparasjonsrom 5 og et gassrom 7 over væskeseparasjonsrommet 5.

Beholderen 3 har et innløpsenderom 11 med en innløpsendevegg 13, og et utløpsenderom 15 med en utløpsendevegg 17. Innløpsenderommet 11 er forsynt med et tilførselsinnløp 21. Utløpsenderommet 15 er forsynt med et væskeseparasjonssystem i form av en demning 22 som strekker seg over bredden av beholderen 3. Videre er utløps-enderommet 15 forsynt med separate utløp 25, 26 og 27 for de tre faser, gass, tyngre væske og lettere væske.

Beholderen 3 omfatter videre en innløpsinnretning 31 som har en primær separator. Den primære separator kan være en gassvæskeseparator anordnet i gassrommet 7, som under bruk resulterer i en nedoverløpende væskestrøm i gassrommet 7. Eksempler på mulige separatorer er separatorer som omfatter flere virvelrør eller et halvåpent rør. Et ytterligere eksempel er en skovlpakkseparator (vane pack separator) som beskrevet i WO-A-9 823 351. Primærseparatoren er passende en separator av skovletypen, som er anordnet i gassrommet. Separatoren av skovltypen er passende en såkalt "Schoepentoeter'-innløpsinnretning 35 som vist på figur 1. En foretrukket Schoepentoeter-innløps-innretning er vist som eksempel i GB-A-I 119 699. Den foretrukkede Schoepentoeter-innløpsinnretning 35 omfatter et innløp 36 som er i fluidforbindelse med tilførsels-innløpet 21. Innløpet 36 omfatter flere vertikale skovler 37 med jevne mellom anbrakt etter hverandre mellom en topplate 36" og en bunnplate 36'. Hver skovl 37 omfatter en utoverrettet avbøyende del.

Under normal drift tilføres en blanding av gass og væsker tii tilførselsinnløpet 21. Denne blanding strømmer så gjennom innløpet 36 av Schoepentoeter-innretningen 35. Skovlene 37 som er anordnet på hver side av strømningsløpet i innløpet 36 avbøyer blandingen utover. Forandringen i strømningsretningen bevirker en gassvæskeseparasjon.

Innløpsinnretningen 31 omfatter videre en skrå returpanne i form av en skrå føringsplate 38 som er .anordnet i gassrommet 7 under den primære separator 35. Den skrå føringsplate 38 har en nedre ende 39 som er beliggende nær innløpsendeveggen 13 av beholderen 3 slik at det er avgrenset en passasje 41 mellom den nedre ende 39 og innløpsendeveggen 13. Størrelsen av den skrå føringsplate 38 er minst lik størrelsen av den primære separator.

Under normal drift blir en tilførsel omfattende en blanding av gass og væske innført gjennom innløpet 21 inn i beholderen 3. En første separasjon gjøres i separatoren 35 av skovltypen: gass kommer inn i gassrommet 7 hvorfra den fjernes gjennom utløpet 25, og væske kommer ut fra separatoren 35 ab skovltypen i retningen av skovlene 37 og synker.

Væsken faller på den skrå returpanne i form av en føringsplate 32 og føres av den skrå føringsplate 38 mot passasjen 41. Gjennom den passasjen kommer væsken inn i væskeseparasjonsrommet 5.1 væskeseparasjonsrommet 5 blir væsken separert til en letter væskefase 43 og en tyngre væskefase 44 under påvirkning av gravitasjon. Den tyngre væskefase 44 bunnfelles i den nedre del av væskeseparasjonsrommet 5, og den lettere væskefase 43 flyter på toppen av den tyngre væskefase 44. Grenseflaten mellom fasene er angitt med henvisningstall 45.

Utløpsenderommet 15 er forsynt med væskeseparasjonssystemet i form av demningen 22. Den lettere væske strømmer over demningen 22 til et samlingsrom 46, hvorfra det fjernes gjennom utløpet 27. Den tyngre væske fjernes fra væskeseparasjonsrommet 5 gjennom utløpet 26. På den måten blir gass og væskefaser fjernet fra beholderen 3 hver for seg.

Ved fravær av den skrå føringsplate 38 ville den separerte væske falle inn i væskeseparasjonsrommet 5, hvor det ville generere turbulens slik at blanding mellom væskefasene ville finne sted. En slik blanding påvirker ugunstig separasjonsytelsen for trefaseseparatoren. Dessuten løper væsken over lengden av den primære separator 35. Dette fører til et tap av effektivt separasjonsrom. Også gass blir medbrakt inn i væskefasen. Dessuten blir det i gassfasen dannet virvler fordi gass som strømmer ut av den primære separator, og særlig ut av separatorer 35 av skovltypen, blir rettet nedover av beholderens 3 vegg. Disse virvler genererer virvler i væskene som befinner seg i væskeseparasjonsinnretningen 5, som forårsaker ytterligere blanding som har en ugunstig virkning på separasjonseffektiviteten. Den skrå returpanne 38 reduserer imidlertid både gassvæske og væskevæskeblanding fordi den danner en separasjon mellom gassrommet 7 og væskeseparasjonsrommet 5. Videre øker den skrå returpanne væskeseparasjonsrommet 5 fordi væskene blir innført inn i det gjennom passasjen 41 nær innløpsendeveggen 13. Det økede separasjonsrom 5 forbedrer separasjonskapasiteten for en gitt størrelse av beholderen 3.

Det skal nå vises til figur 3 som viser skjematisk en del av et lengdesnitt av trefaseseparatoren ifølge den foreliggende oppfinnelse med en alternativ anordning av den primære separator. På figur 3 har elementene de samme henvisningstall som på figur 1 og 2. I denne utførelsesform er den primære separator 35 rettet slik at under normal drift er retningen av fluidstrømmen gjennom den primære separator 35 den samme som retningen for fluidene som strømmer over den skrå føringsplate 38.

Trefaseseparatoren kan videre omfatte en vertikal væskefordelingsplate 49 (se figur 3) anordnet i væskeseparasjonsrommet 5. En slik fordelingsplate er en plate forsynt med åpninger. Pga. en slik plate oppnås det en mer jevn fordeling av væskestrømmen i væskerommet nedstrøms fordeleren. Det netto frie areal av en slik plate er fortrinnsvis mellom 10 og 30 %. Diameteren av åpningene er fortrinnsvis mellom 0,005 og 0,025m.

Den skrå returpanne bør være utformet slik at den fanger opp i det minste hovedmengden av væsken som kommer ut fra den primære separator. For å oppnå dette kan returpannen være den skrå føringsplate 38 som passende strekker seg over bredden av beholderen 3. Denne utførelsesform er særlig passende når væsken som kommer ut fra den primære separator er jevnt fordelt over bredden av beholderen.

Alternativer for den skrå føringsplate er vist skjematisk på figur 4 og 5. Figur 4 viser en skrå returpanne i form av flere overlappende trau 50 anordnet på en sikksakk-måte. Figur 5 viser en skrå returpanne i form av flere nærliggende panner 51 og hellende føringsplater 52 som retter væsken til trauene 51. En fordel med returpannene vist på figur 4 og 5 er at de er åpne for gasstrøm slik at de ikke hemmer aksial gasstrøm. Trauene 50 og 51 og de hellende føringsplater 52 er på skrå i en retning som er vinkelrett tegningsplanet.

Det skal nå vises til figur 2. Væske vil komme ut fra den primære separator mot siden av beholderen, og dermed vil avsnittet av returpannen under den primære separator vanskelig motta noe væske. Derfor kan en returpanne som også er åpen for gasstrøm oppnås ved å lage en langsgående sliss i returpannen under den primære separator. Returpannen omfatter da to skråplater anordnet på hver side av beholderen. Lengden av den skrå returpanne er passende Hk lengden av den primære separator. Skråvinkelen for den skrå returpanne er passende mellom 5° og 15°.

I utførelsesformen omtalt med henvisning til figur 1 er væskeseparasjonssystemet en demning 22 som strekker seg over bredden av beholderen 3. Det er imidlertid mulig med flere alternative væskeseparasjonssystemer, for eksempel kan demningen 2 erstattes av en sylinder med den samme høyde som er anbrakt over utløpet 27 for den lettere væskefase.

Et annet alternativ er vist på figur 6 som viser skjematisk en del av et lengdesnitt av trefaseseparatoren ifølge oppfinnelsen med en alternativ anordning av væskeseparasjonssystemet. I denne utførelsesform omfatter væskeseparasjonssystemet et trau 53 og en demning 54 hvor både trauet 53 og demningen 54 strekker seg over bredden av beholderen 3. Trauets 53 vegger er høyere enn demningen 54 slik at under vanlig drift strømmer den lettere væskefase 43 inn i trauet 53, og den tyngre væske strømmer over trauet 54 inn i et samlerom 55. Den lettere væske trekkes ut via en utløpskanal 56, og den tyngre væske trekkes ut via utløpskanalen 57.

Væskerommet er fortrinnsvis forsynt med anordninger for å øke separasjonen av væskefasene i væskerommet. Fordi det oppnås mindre forstyrrelser i væskerommet nær innløpsendeveggen, som forklart ovenfor, kan en større del av væskerommet være forsynt med disse anordninger for å øke separasjon. En foretrukket separasjonsanordning er vist på figur 7 og 8. Figur 7 er et snittriss etter linjen A-A' av beholderen vist på figur 8, hvor beholderen videre er forsynt med separasjonsforsterkningsanordning 58. Separasjonsforsterkningsanordningen 58 omfatter minst to stabler 59 av hellende vertikale plater 60 anbrakt med mellomrom og anbrakt slik at det på en side av hver stabel er en vertikal samlekanal 61, mot hvilken platene i stabelen heller nedover, og på den motsatte side av den samme stabel er det en vertikal samlekanal 62 mot hvilken begge plater i stabelen heller oppover. Rommet over stablene tilveiebringer et samlekammer 63 for den lettere væskefase 43, og rommet nedenfor stablene tilveiebringer et samlekammer 64 for den tyngre væskefase 44. Via den vertikale samlekanal 62 vil lettere væskefase 46 bevege seg oppover, og gjennom den vertikale samlekanal 61 vil tyngre væskefase 44 bevege seg nedover under væskevæskeseparasjon. En slik separasjonsforsterkeranordning er ytterligere vist med eksempel i US-A-3 563 389. Figur 8 er et snittriss etter linjen B-B' av beholderen på figur 7. Figur 8 viser også en gassfordelingsplate 65, en væskefordelingsplate 49 og en væskepanne 66. Figur 8 viser en foretrukket utførelsesform hvor en andre skrå returpanne 67 er beliggende nedenfor separatoren 35 av skovltypen, anordnet parallelt med den første panne 38, og slik at en andre passasje er avgrenset ved dens nedre ende mellom den nedre ende av den første skrå panne og toppenden av væskefordelingsplaten 49. Gassfordelingsplaten 65 deler gassrommet nær innløpsendeveggen og den gjenværende del av gassrommet. Gassfordelingsplaten 65 er passende en plate forsynt med åpninger. Gassfordelingsplaten 65 forsterker en mer jevnt fordelt gasstrøm nedstrøms platen 65. Platen 65 danner videre en bølgebryter når en stor mengde av væske pga. kraftig strøm kommer inn i trefaseseparatoren 1. Avstanden mellom innløpsinnretningen 31 og gassfordelingsplaten 65 er fortrinnsvis mellom en og tre ganger diameteren av tilførselsinnløpet 21. Det netto frie areal av en slik plate 65 er fortrinnsvis mellom 10 og 30 %. Diameteren av åpningene er fortrinnsvis mellom 0,005 og 0,025m.

Trefaseseparatoren er fortrinnsvis videre forsynt med en væskepanne 66 mellom den skrå returpanne 38 eller andre skrå panne 67, dersom den forefinnes, og gassfordelingsplaten 65. Væskepannen 66 er hellende slik at den nedre ende er beliggende nær gassfordelingsplaten 65. Denne væskepanne 66 er anbrakt slik at når den er i bruk blir væske ledet til væskeseparasjonsfasen i en posisjon langt bort fra innløpsendeveggen 13. Dette resulterer i mindre forstyrrelse i væskefasen nær innløpsendeveggen 13. Den øvre ende av væskepannen 66 avsluttes fortrinnsvis i den øvre ende av den skrå føringsplate 38 eller andre skrå panne 67, dersom den forefinnes. Den nedre ende av væskepannen 66 avsluttes fortrinnsvis like nedenfor det normale væskenivå for væsken i væskeseparasjonsrommet 7, og nær gassfordelingsplaten 65.

Fordi væskefordelingsplaten 49 kan anbringes nærmere innløpsendeveggen 13, tilveiebringes mer rom for separasjonsforsterkningsanordningen 58 som vist på figur 8. Stablene 59 strekker seg fortrinnsvis fra væskefordeleren 49 til væskeseparasjonssystemet, dvs. demningen 22. Fordi mer lengde av beholderen kan anvendes for væskevæskeseparasjon, resulterer dette i en ytterligere økning av separasjonskapasiteten.

Claims (14)

1. Trefaseseparator (1) omfattende en i det vesentlige horisontal beholder (3) som avgrenser et væskeseparasjonsrom (5) og et gassrom (7) ovenfor væskeseparasjonsrommet (5), hvor beholderen (3) har et innløpsenderom (11) forsynt med et tilførselsinnløp (21) og et utløpsenderom (15) forsynt med separate utløp (25, 26,27) for de tre faser, karakterisert ved at beholderen (3) videre omfatter en innløpsinnretning (31) omfattende en primær gassvæskeseparator (35) som er anordnet i gassrommet og en skrå returpanne (38) anordnet i gassrommet (7) under den primære separator (35) som har en nedre ende (39) som er beliggende nær innløpsendeveggen (13) av beholderen (3), slik at en passasje (41) er avgrenset mellom den nedre ende (39) og innløpsendeveggen (13).

2. Trefaseseparator (1) ifølge krav 1, karakterisert ved at den skrå returpanne. (38) strekker seg over bredden av beholderen (3).

3. Trefaseseparator (1) ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at den skrå returpanne (38) omfatter flere overlappende trau (50) anordnet i sikksakk.

4. Trefaseseparator (l) ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at den skrå returpanne (38) omfatter flere nærliggende trau (51) og hellende føringsplater (52), som under normal drift fører væsken til trauene (51).

5. Trefaseseparator (1) ifølge krav 1, karakterisert ved at den skrå returpanne (38) omfatter to skrå plater anordnet på hver side av beholderen.

6. Trefaseseparator (1) ifølge ett av kravene 1-5, karakterisert ved at lengden av den skrå returpanne (38) er lik lengden av den primære separator (35).

7. Trefaseseparator (1) ifølge ett av kravene 1-6, karakterisert ved at skråvinkelen for den skrå returpanne (38) er mellom 5° og 15°.

8. Trefaseseparator (1) ifølge ett av kravene 1-7, karakterisert ved at den primære separator (35) omfatter et innløp (36) som er i fluidforbindelse med et tilførselsinnløp (21), hvor innløpet omfatter flere vertikale skovler (37) med jevne mellomrom anordnet bak hverandre mellom en topplate (36") og en bunnplate (36<*>), hvor skovlene omfatter en utoverrettet avbøyende del.

9. Trefaseseparator (1) ifølge ett av kravene 1-8, karakterisert ved at en plate (65) med åpninger er i gassrommet (7) som deler et gassrom nær innløpsendeveggen (13) og den gjenværende del av gassrommet.

10. Trefaseseparator (1) ifølge krav 9, karakterisert ved at avstanden mellom innløpsinnretningen (31) og platen (65) med åpninger er mellom en og tre ganger diameteren av tilførselsinnløpet (21) som er i fluidkontakt med den primære separator (35).

11. Trefaseseparator (1) ifølge ett av kravene 9-10, karakterisert ved at en væskepanne (66) er anordnet i gassrommet nær innløpsendeveggen (13) og mellom den skrå returpanne (38) og platen (65) med åpninger, og hvor væskepannen (66) er hellende slik at den nedre ende er beliggende ved platen (65) med åpninger.

12. Trefaseseparator (1) ifølge ett av kravene 1-11, karakterisert ved at det i væskeseparasjonsrommet (5) nedenfor den skrå returpanne (38) er en vertikal fordelingsplate (49) som deler et væskerom nær innløpsendeveggen (13) og den gjenværende del av væskeseparasjonsrommet.

13. Trefaseseparator (1) ifølge krav 12, karakterisert ved at den gjenværende del av væskeseparasjonsrommet er forsynt med minst to stabler (59) av hellende vertikale plater (60) anbrakt med mellomrom, og oppstilt slik at det på en side av hver stabel (59) er en vertikal samlekanal(61), mot hvilken platene (60) i stabelen (59) heller nedover, og på den motsatte side av den samme stabel er det en vertikal samlekanal (62), mot hvilken begge plater (60) i stabelen heller oppover.

14. Anvendelse av en trefaseseparator (1) ifølge ett av kravene 1-13 for å separere en blanding av gass, olje og vann til konstituentene gass, olje og vann.