NO166475B - Syklonseparator for vaesker. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en syklonseparator for væsker, omfattende et første parti generelt med form som et omdreiningsrom, med en første og annen ende, idet diameteren til den annen ende er mindre enn diameteren til den første ende, et enkelt innløp som har i det minste en tangensial komponent ved eller i umiddelbar nærhet av den første ende, for tilførsel av en væskeblanding som skal separeres, samt i det minste to utløp.

Fra US-patent 3419152 er det kjent en syklonseparator som er beregnet for fjernelse av en tyngre fase fra et større volum av en lettere fase, nemlig for å separere faststoff/væske-blandinger. Syklonseparatoren er utformet slik som angitt innledningsvis. Skriftet gir imidlertid ingen omtale av forholdet mellom innløpets areal og de nevnte diametre. Den vesentligste grunn til at slik omtale mangler er at disse parametre er uvesentlige i sykloner for separering av fast-stoff /væskeblandinger . Ved separering av tyngre faststoffer fra lettere væsker vil densitetsforskjellen være så stor at separering oppnås forholdsvis lett.

I forbindelse med separering av væsker kan det ikke uten videre benyttes en tradisjonell syklonseparator, og særlig ikke i forbindelse med fjernelse av et lite volum av en lettere fase fra et stort volum av en tyngre fase, slik som for eksempel ved fjernelse av olje fra vann med minst mulig forurensning av fasen med størst volum. Ved anvendelse av en tradisjonell syklonseparator, uten at det er stilt særskilte krav til utformningen, er det fare for at små dråper av den lettere fase som befinner seg i det større volum av den tyngre fase blir dispergert i stor grad,, slik at det er tendens til dannelse av en uadskillelig emulsjon. Tradisjo-nelle syklonseparatorer er således generelt utformet for fjernelse av et lite volum av en tyngre fase fra et større volum av en lettere fase, med minst mulig forurensning av fasen med minst volum. Dette står selvsagt i et motsetnings-forhold til den oppgave å fjerne et lite volum av en lettere fase fra et stort volum av en tyngre fase, med minst mulig forurensning av fasen med størst volum.

Med den foreliggende oppfinnelse er det kommet frem til en syklonseparator av den innledningsvis angitte type, og som er særskilt tilpasset for separering av væsker ved fjernelse av et lite volum av en lettere fase fra et stort volum av en tyngre fase.

Syklonseparatoren kjennetegnes ved de trekk som fremgår av det etterfølgende patentkrav 1.

Det er således kommet frem til en syklonseparator som er særlig egnet til separering av væsker, og som muliggjør separering av væsker med liten densitetsforskjell. Det minste tverrsnittsarealet til innløpet ved inngangen til syklonen er stort i forhold til diameteren til den annen ende av syklonens første parti. På grunn av dette forhold vil strømningen i innløpsområdet skje uten forstyrrelser, og det opptrer ikke store skjærkrefter i den inngående væskestrøm, hvorved det utelukkes faren for at små dråper av den lettere fase blir dispergert i den tyngre fase. Det unngås følgelig faren for at det dannes en stabil, uadskillelig emulsjon, og det muliggjøres fjernelse av et lite volum av en lettere fase fra et stort volum av en tyngre fase med minst mulig forurensning av fasen med størst volum.

Også den angitte vinkel er av betydning, idet denne er vesentlig med hensyn til å oppnå små skjærkrefter.

Med en syklonseparator i henhold til oppfinnelsen kan for eksempel separeres en væskeblanding som inneholder mindre enn 1 volum% av den lettere fase.

nd2<dijj.>

Uttrykket kalles virvel-koe f f isienten,. og skal

4!Ajj_

forklares; nærmere i det følgende.

Syklonseparatoren kan videre omfatte et generelt aksialt, symmetrisk annet parti ved den nevnte annen ende av og hovedsakelig koaksialt med det første parti. I en annen utførelse kan separatoren videre omfatte et tredje parti ved den ende av og hovedsakelig koaksialt med det annet parti som er fjernest fra det første parti. Det vil forstås at separatoren også kan omfatte ytterligere partier i tillegg til de som er nevnt ovenfor.

Ved en særskilt utførelse av oppfinnelsen, der d2, som er diameteren til det første parti ved den nevnte annen ende målt i et punkt Z2, gjelder først den betingelse at:

for alle z > Z2> der z er avstanden langs syklonseparatorens akse innenfor innløpet.

Fortrinnsvis fører innløpet inn i en innover rettet, spiralformet tilførselskanal som kan ha evolventform. I en utfør-else forløper innløpskanalen i det minste 360° rundt syklonaksen. Innløpskanalen kan også konvergere med hovedsakelig like radialenheter pr. vinkelenhet rundt aksen. Innløpet kan forløpe inn i syklonen med en komponent i den aksiale ned-strømsretning.

Syklonseparatoren har et første parti som generelt har form av et rotasjonsrom med et enkelt innløp (fortrinnsvis tangensialt, og fortrinnsvis med en innløpskanal som forløper i spiralform innover, slik som et evolvent innløp) for til-førsel av material som skal separeres inn i syklonseparatoren, og, nær det første parti og hovedsakelig koaksialt med dette, et generelt aksialt, symmetrisk annet parti som konvergerer (fortrinnsvis uavbrutt) til et tredje parti. Det første parti kan ha et aksialt overløpsutløp motsatt av det annet parti (dvs. i endeveggen). I syklonseparatoren gjelder følgende forhold (1) - (5): Når d^ er diameteren til syklonen i det. primære parti der strømningen kommer inn (innløpskanalen. ses bort i fra), d^ er to ganger radien der strømningen kommer inn. i. syklonen (dvs. to ganger den minste avstand for den tangensiale komponent av innløpets midtlinje fra aksen) , A-^ er tverrsnittsarealet til innløpet ved mun-ningen til syklonen, i et plan parallelt med aksen til syklonen og vinkelrett på den komponent av innløpets midtlinje som ikke er parallell med syklonaksen, d- 2 er diameteren til syklonen der det første parti går over i det annet parti, idet overgangspunktet defineres som de aksiale steder Z2 (målt i retning bort fra innløpsplanet) der den tilstand først inntreffer at:

d er syklondiameteren ved z,

d3 er syklondiameteren der det annet parti går over i det tredje parti, og defineres som diameteren ved Z3, idet d/d3

> 0,98 for alle z > Z3, dg er den minste indre diameter i det aksiale overløpsutløp, og da er:

2) 20<*> < a < 2° der a er den halve konvergensvinkel til det annet parti, dvs. : 3) d0/d2; < 0,2 4) 0,„9) % > d2 5) Qi„9> <& 2 * d3

Innløpskanalen kan tilføres material fra en ledning som er rettet hovedsakelig tangensialt inn i det første parti, idet (den ytre) veggen til kanalen konvergerer til den største diameter i det første parti d^, f.eks. ved hovedsakelig like radialenheter pr. vinkelenhet rundt aksen, og har fortrinnsvis diameteren d^ etter et forløp på 360° rundt aksen.

Innløpskanalen trenger ikke å være i et plan normalt på aksen, og dersom den er forsatt, slik at den har generelt skruelinjeform, kan den ha diameteren d^ etter mere enn 360°

(f.eks. 720°) rundt aksen. Ved bruk av et enkelt innløp trengs det bare å være anordnet en enkelt innløpstilkobling til syklonseparatoren, hvilket er enklere å montere og sparer plass, hviklet er vesentlige fordeler ombord i et skip eller en oljerigg, og dette arrangement medrører også enkel fremstilling.

kalles som nevnt virvel-koeffisienten S, og er et rimelig uttrykk for forholdet mellom tangensiale og aksiale hastig-heter til en strømning som har kommet inn i syklonen og har kommet til planet for d2 og, med en dispergert lett fase, hvilket er av særlig interesse for å kunne danne et indre strømningsmønster som er egnet for separasjon ved et lavt

i størrelsen 1 %, er den halve konvergensvinkel, regnet gjennomsnittlig for hele det annet parti, 20 min. til 2°, fortrinnsvis mindre enn 1°, og foretrukket mindre enn 52 min., fortrinnsvis i det minste 30 min. S er fra 3 til 12, fortrinnsvis fra 4 til 10, og foretrukket fra 6 til 8. Den gjennomsnittlige konvergens fra diameteren åi målt i innløpsplanet til diameteren d2 kan være den hurtigste (størst halve konusvinkel) i syklonen, og kan være fra 5° til 45°. (Innløpsplanet er det plan som er normalt på syklonak-

sen som omfatter sentrum i arealet A^). Det første parti bør være slik at vinkel-bevegelsesmengden til materialet som kommer inn fra innløpet hovedsakelig opprettholdes inn i det annet parti.

Fortrinnsvis er d3/d2 mindre enn 0,75 (foretrukket mindre enn 0,7), og er fortrinnsvis større enn 0,25 (foretrukket større enn 0,3). Når den indre lengde av det tredje ned-strømspartiet er I3, er fortrinnsvis 13/^3 i det minste 1, og foretrukket i det minste 5, og kan f.eks. være omtrent 10 og kan være så stort som ønsket, slik som i det minste 40. Av plasshensyn kan det være ønskelig å gi utløpspartiet for den tunge fase en svak kurveform, og en krumningsradius i stør-relsen 50 d3 er mulig, og syklonaksen kan ha en liten krumning. d^/d2 kan være fra 1 1/4 til 3. Fortrinnsvis er dø/d2 ikke mere enn 0,15 og fortrinnsvis i det minste 0,008, eventuelt fra 0,01 til 0,1, slik som 0,02 til 0,06. Trykkfallet i det aksiale overløpsutløp bør ikke være for stort, og derfor bør lengden av dø-partiet av det aksiale overløps-utløp holdes liten. Det aksiale overløpsutløp kan nå sin dø-diameter omgående eller via en eller annen plutselig eller gradvis overgang, og kan deretter være utvidet i form av en gradivs utvidelse eller et trinn. Den aksiale avstand fra innløpsplanet til dø-punktet er fortrinnsvis mindre enn 4d2-Den faktiske størrelsen av d2 er et spørsmål om valg med hensyn til drift og ettersyn, og kan f.eks. være 10 til 100 mm.

I en annen versjon, i henhold til oppfinnelsen, er i det

minste en del av generatrisen til det første parti eller til separasjonspartiet, eller til begge, buet. Generatrisen kan f.eks. være en monoton kurve (som, ikke har noen innbøynings-punkter) og er brattest i enden av innløpspartiet og går over mot en konusvinkel på null ved den åpne ende, eller-en kurve med ett eller flere innbøyningspunkter, men som hele tiden konvergerer mot det tredje nedstrømspartiet, og for-trinnsvis ikke divergerer mot det tredje nedstrømspartiet.

Oppfinnelsen skal nå beskrives ved hjelp av eksempler, under henvisning til den vedføyde tegning, der: Fig. 1 viser skjematisk et snitt langs aksen til en syklonseparator i henhold til oppfinnelsen, og Fig. 2 viser en projeksjon nedover langs aksen til syklonseparatoren. Figurene er ikke i korrekt målestokk.

Et første parti 1 har generelt form som et omdreiningsrom, og har en spiralformet innløpskanal 8 som i en utførelse kan være evolvent og tilføres material fra en ledning 9 som er rettet tangensialt inn i det videste parti av det første parti 1. Bredden (radialt) til ledningen 9 er rv (maks.), og kanalen 8 konvergerer jevnt til den største diameter d^ i innløpspartiet, og rv avtar således lineært til null ved 360° etter innløpspunktet til ledningen 9 i syklonseparatoren. Dette fremgår best av fig. 2, som er en projeksjon nedover langs aksen til syklonseparatoren, hvis endevegg 11 er fjernet. Koaksialt med det første parti 1 og nær dette er et annet parti 2, som med sin fjerneste ende munner ut i et koaksialt, generelt sylindrisk, tredje nedstrømsparti 3. Partiet 3 munner ut i en samleledning 4. Kanalen 8 kan alternativt være litt skrådd mot det annet parti 2, for å bevirke en aksial hastighetskomponent, og kan i såfall være skruelinjeformet og avta til den største diameter di etter f.eks. 2 hele omdreininger.

Det første parti 1 har et aksialt overløpsutløp 10 motsatt av det annet parti 2.

I den foreliggende syklonseparator er forholdene som følger: <Vd2 = 1-5

Den halve konusvinkel til det annet parti 2 er 40 min. (T2 i figuren).

Den gjennomsnittlige halve konusvinkel til det første parti 1 er 10° (T'1 i figuren) .

Når den aksiale lengde av ledningen 9 er er l±/ å± = 1/2 (nærmere bestemt 30/57).

l3/d3 = 40

d0d2 =0,04

Denne syklon bær følgelig arbeide med et skilleforhold

på mer enn 1 1/2 (0,04)<2>,

dvs. mer enn 0,24 %.

Til den største diameter d^ i det første parti må det adderes en radial lengde rv som avtar jevnt.fra 9 1/2 mm (maksimum) til null, for det koniske innløp.

lirv (maks.) = Aj/ slik som tidligere definert og (di + rv (maks.)) = d^ slik som tidligere definert, og de

ovenstående uttrykk er således virvelkoeffisienten S for denne syklon. Konisiteten med et gjennomsnitt på Tl er i i virkeligheten avrundet med en radius RI (radius = 5 mm) og går over i et konisk parti i det første parti 1.

d2 = 38 mm. Dette anses som syklondiameteren, og for mange formål kan den være hva som helst innen området 10-100 mm, f.eks. 15-60 mm. Når d2 er for stor blir energiforbruket stort for å opprettholde effektiv separasjon, mens med en for

liten d2 oppstår et ugunstig Reynolds tall, og det oppstår for store skjærspenninger.

Syklonseparatoren kan være i hvilken som helst orientering uten at dette har noen virkning av betydning.

Veggen 11 er jevn, ettersom generelt ujevnheter forstyrrer de ønskede strømningsmønstre inne i syklonen. For best ytelse bør alle andre indre flater i syklonen også være jevne. Veggen 11 trenger imidlertid ikke å være plan, idet den kan være skålformet (konveks eller konkav) eller den kan ha en liten oppragende, sirkelformet ribbe som er konsentrisk med utløpet 10 for å bidra til at strømningen beveger seg radialt innover nær veggen, og den ytre kant av virvelen, for å resirkulere generelt i retning nedstrøms for å strømme ut. Utløpet 10 er en sylindrisk boring slik som vist, men dens minste diameter d0 kan i stedet være dannet av en jevn avrunding av veggen 11, og utløpet 10 kan deretter divergere. Når den minste diameter er dannet av en gjennomhullet plate som ligger plant mot veggen 11 og har et midtre hull med diameter d0 som fører direkte til en forholdsvist stor boring, vil de forskjellige strømningsegenskaper vise seg å ha en noe skadelig, og alvorlig, virkning på ytelsen. Utløpet 10 kan med fordel divergere i retning av overløpet, idet utløpet deretter utvides med en halve konusvinkel på inntil 10°. På denne måte skjer et mindre trykkfall langs utløpet, hvilket må tilpasses mot tendensen til at den viste sylindriske boring (halv konusvinkel lik null) bevirker ansamling av små dråper av den lette fase, i henhold til brukerens krav.

For å separere olje fra.vann- (nevnt som et' eksempel), tilføres blandingen av olje og vann gjennom innløpskanalen 8 med en strømningsmengde på 70-110 l/min., idet eventuell fri gass i innløpet er begrenset til 0,5 volum%. Blandingen er en dispersjon av 0,15 volumdeler råolje fra Forties-feltet i 99,85 deler ferskvann ved 15,5°C. Den gjennomsnittlige konvergensvinkel T^ med aksen på 10°, dannet av et avrundet parti Ri (radius 5 mm) og et konisk parti, bringer innløps-partiet ned til separasjonspartiet. Sagt med andre ord er 10° konisiteten (den halve vinkel) til den tenkte gjennom-snittskjegle representert ved T]_. Dispersjonen virvler inn i det annet parti 2, og beholder sin vinkel-bevegelsesmengde. Oljemengden separeres for å danne en aksial kjerne av olje inne i en aksial virvel i det annet parti 2.

Spiralstrømmen av vann og gjenværende olje kommer deretter inn i det tredje parti 3. Noe gjenværende olje separeres inne i en fortsettelse av den aksiale virvel i det tredje parti 3. Det rensede vann strømmer ut gjennom ledningen 4, som kan inneholde en eventuelt nødvendig innsnevring for strømningen, og det rensede vann kan oppsamles for å føres tilbake f.eks. til sjøen eller for fortsatt rensing, f.eks. i en annen lignende eller identisk syklon eller en rekke sykloner i parallell.

Drift av denne syklon med et skilleforhold på omtrent 0,9 % ved bruken av ventiler for å styre utstrømningen fra de to utløp betyr at olje som befinner seg langs aksen til virvelen beveges aksialt til overløpsutløpet og kan oppsamles for å føres bort, lagres eller å separeres videre, ettersom den fortsatt vil inneholde noe vann. I dette tilfelle kan den fortsatte separasjon omfatte en annen lignende eller identisk syklon.

Når den midlere diameter av oljedråpene var 70 um øket virkningsgraden, som er

med strømningsmengden, fra 0,955 ved 70 l/min. til 0,966 ved 110 l/min., og tyder derfor ikke på noen vesentlig dråpe-dannelse, hvilket ville vise seg ved en mer konstant eller fallende virkningsgrad. Ved 100 l/min. var virkningsgraden den samme som for en kjent syklon med to tangensialinnløp.

Ved mindre dråpestørrelse med midlere diameter 50 um og strømningsmengde 100 l/min. ble oppnådd en virkningsgrad på 0. 922 (0,924 i den kjente syklon). Andre ytelseskjennetegn slik som volumetrisk strømningsmengde gjennom overløpet 10 som andel av strømningsmengden gjennom ledningen 4, eller trykkfallet mellom kanalen 8 og ledningen 4, var tilnærmet den samme som for den kjente syklon, dvs. som beskrevet i UK-patentskrift 2102311.

Den enkle ledning 9 er, foruten dens fordeler ved montering og fremstilling og sparing av plass, bedre egnet for strømningskontroll enn flere innløp. En enkel, bevegelig plate eller plugg eller luke kan anordnes regulerbart inne i ledningen, for å styre innløpsstrømningen, og ved å variere det effektive tverrsnittsareal i innløpet kan virvelkoeffisienten S reguleres.

PATENTKRAV

1. Syklonseparator for væsker, omfattende et første parti generelt med form som et omdreiningsrom, med en første og annen ende, idet diameteren (d2) til den annen ende er mindre enn diameteren (d^) til den første ende, et enkelt innløp (8) som har i det minste en tangensial komponent ved eller i umiddelbar nærhet av den første ende, for tilførsel av en væskeblanding som skal separeres, samt i det minste to utløp, karakterisert ved at det i separatoren gjelder følgende betingelse:

hvor d-L er diameteren til syklonen ved innløpspartiet, idet di er det dobbelte av den radius der væsken strømmer inn i syklonen (dvs det dobbelte av den minste avstand mellom den tagensiale komponent til innløpets midtlinje og syklonens

midtre akse) , hvor Aj_ er det minste tverrsnittarealet til innløpet ved inngangen til syklonen, i et plan som er parallelt med syklonens akse, og

hvor d2 er diameteren til det første parti ved den annen ende, målt ved et punkt z2, hvor betingelsen

gjelder første gang for alle z større enn z2, idet z er avstanden langs separatorens akse nedstrøms for det plan som inneholder innløpet, og idet d er separatorens diameter ved z. 2. Syklonseparator som angitt i krav 1,

karakterisert ved at

er fra 4 til 10. 3. Syklonseparator som angitt i krav 2, karakterisert ved at er fra 6 til 8. 4. Syklonseparator som angitt i krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at innløpet (8) omfatter midler for regulering av det effektive tverrsnittsareal. 5. Syklonseparator som angitt i hvilket som helst av de foregående krav,

karakterisert ved at den omfatter et generelt aksialt, symmetrisk annet parti ved den annen ende og hovedsakelig koaksialt med det første parti, og der d/d3 > 0,98 for alle z3, der d3 er diameteren til det annet

parti til den ende av det annet parti som er fjernest fra det første parti. 6. Syklonseparator som angitt i krav 5, karakterisert ved at den omfatter et tredje parti hovedsakelig koaksialt med det annet parti og ved den ende av det annet parti som er fjernest fra det første parti. 7. Syklonseparator som angitt i krav 5 eller 6, karakterisert ved at den halve konvergensvinkel i det annet parti, dvs.

er definert ved betingelsen 20' < a < 2°.

8. Syklonseparator som angitt i krav 7, karakterisert ved at a er fra 30' til 52'. 9. Syklonseparator som angitt i hvilket som helst av de foregående krav,

karakterisert ved at d2 < 0,9 d-^.

10. Syklonseparator som angitt i hvilket som helst av kravene 4 til 9,

karakterisert ved at d3 < 0,9 d2-

11. Syklonseparator som angitt i krav 10, karakterisert ved at d3/d2 er fra 0,25 til 0,75. 12. Syklonseparator som angitt i hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at innløpet går over i en innover rettet, spiralformet innløpskanal. 13. Syklonseparator som angitt i hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at innløpet rager inn i syklonen med en komponent i den aksiale nedstrøms retning. 14. Syklonseparator som angitt i hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at et av utløpene er et overløpsutløp ved den første ende av det første parti. 15. Syklonseparator som angitt i krav 14, karakterisert ved at do/d2 < 0,2, der dg er diameteren til enden av det ene av de nevnte utløp. 16. Syklonseparator som angitt i krav 15,

karakterisert ved at dg/d2 er fra 0,008

til 0,1.

17. Syklonseparator som angitt i hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at det annet parti er et omdreiningsrom med en generatrise som ikke er en rett linje. 18. Syklonseparator som angitt i hvilket som helst av kravene 4 til 17,

karakterisert ved at det annet parti er et omdreiningsrom med en generatrise som er en kontinuerlig buet linje.