NO782176L - Separator. - Google Patents

Description

Separator.

Foreliggende oppfinnelse angår en separator som er egnet for å skille oljeholdig gass i gass og væske, et separatorsystem som består av en rekke separatorer forbundet i serie samt en fremgangsmåte for å gjennomfore en slik separasjon.

Når olje fremstilles fra en bronn, så presses oljen opp fra reservoiret på grunn av et naturlig trykk til bunnen av bronnen og deretter opp til overflaten. Etterhvert som oljen stiger, synker trykket og den gass som er forbundet med oljen vil progressivt bli frigjort fra opplbsningen.

Etterat den kommer opp fra bronnen er det nodven-dig å behandle i blandingen av flytende olje og gass for å fjerne fri eller potensielt fri gass, nemlig metan og etan

fra den flytende oljen. Med potensiell fri gass forstås gass som kan komme ut av oppløsningen når (oljen holdes på ca. atmosfærisk trykk, f.eks. under transport i en tank.

For å oppnå dette har man tidligere anvendt store kar som vanligvis betegnes separatorer. Slike/lear har vanligvis vært lange, horisontalt plaserte sylindre som inneholder en rekke systemer av avbbyningsplater, avskummings-mekanismer og forskjellige anordninger for å fjerne tåke eller fine partikler fra luften over blandingen. Man har brukt både enkelttrinnsseparasjon, dvs. ett enkelt kar og flertrinnsseparasjon hvor man bruker en serie kar. Når man bruker en såkalt enkelttrinnsseparasjon, så vil i det minste noe av butanene og pentanene skille seg ut med gassen, og andre komponenter i oljen kan også gå tapt i form av tåke eller skum.

Dette kan i hby grad unngås ved å bruke flertrinnsseparasjon hvor man bruker en rekke kar i serie, idet oljen<*>fores fra ett kar til det neste og man foretar en suksessiv reduksjon av trykket fra kar til kar. I et enkelt kar kan bare en del av gassen komme ut av oppløsningen. Så mange som syv separarasjonstrinn har vært brukt for å sikre en maksi-mal tilbakeholdelse av butan og pentan i den flytende oljen.

Et slikt voluminbst og tungt utstyr er godt egnet for bruk på land hvor rom og vekt ikke er av særlig stor viktighet. På offshore-plattformer imidlertid er det en vik-tig sak å kunne redusere stbrrelsen og vekten på behandlings-utstyret, og da spesielt det overflateareal et slikt utstyr trenger.

Cykloner, dvs. kar hvor man separerer blandinger i motsatt bevegende hvirvler har vært foreslått for å separere gass og væske. Således beskriver U.K. patent nr. 1.227.128 en cyklonseparator som består av et skall med sirkulært tverrsnitt plasert vertikalt og som har et innlbp nær den ovre enden hvor man forer blandingen tangentialt inn i skallet slik at man frembringer en væskestrbm langs en spiral inne i skallet. Blandingen vil da skille seg i en indre hvirvel av gass og en ytre hvirvel av væske. Skallet har også et utlbp for fjerning av gass fra skallet og et system for å fjerne væske fra hvirvlen av gass og resirkulere denne til den utskilte væske. Separatoren er godt egnet for bruk som en gassvasker som har en tilforsel hvor den kontinuerlige fasen er en gass inneholdende mindre mengder av væske.

Råolje som imidlertid kommer opp fra en brbnn,

vil vanligvis bestå av en skummende blanding og den kontinuerlige fase er en væske hvor væskemengden er fra 15 - 25 volum-% og hvor det er behov for en separator som er istand til å skille en slik blanding, men som er mindre enn de vanlige separatorer som er angitt ovenfor.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer således en separator som er egnet for å skille en råoljetilfbrsel inneholdende gass i gass og væske, og hvor separatoren består av et kar som har et innlbp av en slik type at tilfbrselen fores inn under en trykkgradient slik at det dannes en nedadstrbm mende hvirvel av medfort væske hvorfra det utskiller seg en oppadstrommende hvirvel av medfort gass, og hvor det ovre utlop for hvirvlen av medfort gass består av et ror som strekker seg inn i karet fra toppen av dette, i det etterfølgende betegnet som en "hvirvelfinner", samt et nedre utlop for den medforte væske, og hvor det i karet under nevnte innlbp er en nedadrettet konisk overflate for den nedadflytende hvirvel av medfort væske, og hvor veggene i karet er skilt fra den koniske overflate slik at man der får et kammer, i det etterfølgende betegnet som "et frigjbringskammer", og hvor volumet på dette kammer er minst lik volumet som defi-neres av nevnte koniske overflate.

På nevnte koniske overflate er det fortrinnsvis plasert én eller flere avboyningsplater slik at man leder den nedadstrbmmende hvirvel av medfort væske.

Avbbyningsplatene kan være festet til den koniske overflaten og plasert slik at de ligger i et vertikalt plan og radialt med hensyn til karets lengdeakse.

Det frigjbrende kammer kan inneholde en overfallsplate slik at man opprettholder et bestemt væskenivå i karet, og hvor den nedre del av den koniske overflaten går ned under ovre nivå av væsken, slik at man får en væsketetning mellom den indre del av den koniske overflaten og det frigjbrende kammer.

Separatoren kan videre ha anordninger for å regulere væskenivået i det frigjørende kammer over toppen på over-fallsplaten, f.eks. en justerbar ventil i utlbpet slik at man kan kontrollere trykket i kammeret.

Innlbpet til karet er fortrinnsvis rektangulært eller firkantet i tverrsnitt for å lette en tangensial tilfbrsel.

Ettersom tilfbrselshastigheten og mengden kan vari-ere, er det fordelaktig å ha en justerbar.innlbpsanordning.

I karets innlbp er det derfor fortrinnsvis plasert en beveg-bar lukker slik at man kan endre tverrsnittsarealet på innlbpet etter behov.

For å hindre tilbakehvirvler som kan bdelegge de hvirvler som skapes ved at tilfbrselen fores tangensialt inn

i karet, f.eks. når lukkeren begrenser innlopet til karet,

så er lukkeren fortrinnsvis forbundet med en plate i innlopet som beveger seg samtidig med lukkeren, slik at man får et glatt og konvergerende strømlinjeformet innlbp.

Nevnte hvirvelfinder kan gå inn i karet under innlbpets sentrale akse, og kan hensiktsmessig slutte på et nivå som ligger mellom innlbpets akse og den koniske overflaten.

Hvis det er nbdvendig, kan man anbringe anordninger for å injisere et avskumningsmiddel, f.eks. en silikonolje, på ethvert hensiktsmessig punkt, f.eks. mellom fbrste og andre kar.

Som nevnt tidligere er en separator ifblge foreliggende oppfinnelse spesielt godt egnet for avgassing av råolje.

Under reservoirbetingelser kan innholdet av fri gass oke fra null i reservoiret til 90 volumprosent eller mer under fbrste separasjonstrinn.

Det frigjbrende kammer kan være utstyrt med en for-st<y>rret nedre del av karet.

Hvis karets tverrsnitt er sirkulært, så kan diameteren på den forst<y>rrede del hensiktsmessig være fra 1,4 - 2 ganger større enn diameteren på den oyre delen.

I den foreliggende beskrivelse vil volumet inne

i karet under det punkt hvor den koniske overflaten avsluttes, anses å være en del av det frigjbrende kammer.

Ifblge et annet aspekt ifblge foreliggende oppfinnelse så vil et separatorsystem som er egnet for å skille en tilfbrsel bestående av råolje inneholdende gass og hvor gass-væskeforholdet er fra 2,5 : 1 til 15 : 1 pr. volum i en væs-kestrom inneholdende ikke mer enn 5% gass og. en gasstrom ikke inneholdende mer enn 1 ppm volum væske kunne bestå av to eller flere separatorer slik disse er beskrevet ovenfor,, forbundet i serie, og hvor hvirvelfinderen i et forste kar for-bindes med innlopet til et annet kar, og hvor volumet på forste kar i forhold til volumet på annet kar[~varierer fra 1,5 : 1 til 6 : 1.

Tilforselen kan også inneholde faste stoffer som normalt er tilstede i råolje i mengder av samme størrelses-orden som normalt er tilstede i råolje. Slike faste stoffer

utskilles med den flytende oljen.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en fremgangsmåte for å skille en tilfbrsel bestående av råolje inneholdende gass i en væskestrbm og en gasstrbm, hvor fremgangsmåten innbefatter følgende trinn: (a) at man forer tilfbrselen under en trykkgradient inn i et fbrste separatorkar plasert i alt vesentlig vertikalt'slik at det dannes en nedadstrbmmende.hvirvel av medfort væske hvorfra det utskiller seg en oppadstrbmmende hvirvel av medfort gass og hvor man oppsamler den medfbrte væske inneholdende ikke mer enn 5% gass, og (b) hvoretter man.fbrer den medfbrte gass under en trykkgradient inn i en annen separator plasert i alt vesent-lige vertikalt og hvor man får dannet en nedadstrbmmende hvirvel av medfort væske hvorfra det skiller seg ut en oppadstrbmmende hvirvel av medfort gass og hvoretter man kombinerer den medfbrte væsken med nevnte medfbrte væske som er utskilt i fbrste kar, og hvorpå man tar ut den medfbrte gassen fra det annet kar.

Tilfbrselen kan ha et gass/væskeforhold på fra

2,5 : 1 til 15 : 1 og kan eventuelt inneholde vann i mengder på opptil 50% (alle volummengder er som væske under separa-sjonsbetingelsene), og hvor trykket i fbrste kar varierer fra 1,5 til 70 kg pr. cm 2 og hvor trykkforskjellen mellom

2

karene varierer fra 0,07 til 0,7 kg pr. cm og hvor innlbps-hastighetene i fbrste og annet kar er fra 6 - 250 m/sek. og. fra 50 - 250 m/sek. henholdsvis, og hvor væskeoppholdstiden i fbrste og annet kar er fra 10 - 40 sekunder og fra 20 - 40 sekunder henholdsvis, og hvor man regulerer driftsbetingel-sene innenfor de angitte områder slik at man oppnår en utskilt gass som ikke inneholder mer enn 1 ppm volum av flytende olje og en utskilt flytende olje inneholdende ikke mer enn 5% gass.

I mange tilfeller /er det foretrukket å regulere inn-lbpshastigheten i begge kar i området fra 5-50 m/sek. for å bedre hvirveldannelsen.

Oppfinnelsen er illustrert med henvisning til fig. 1 til 4 på de vedlagte tegninger og de etterfølgende eksempler. Fig. 1 er et prosessdiagram av en totrinns separa-sjonsprosess hvor man bruker to separatorer forbundet i serie, og fig. IA er et forenklet stromningsdiagram. Fig. 2 er et vertikalt snitt av en separator ifblge foreliggende oppfinnelse, og

fig. 3 er et tverrsnitt tatt langs linjen A-A

på fig. 2.

Fig. 4 er et horisontalt snitt som viser driften av innlopet til et separatorkar.

På fig. 1 og IA blir en skummende blanding av gass og olje tilfort gjennom ledning 1 til fbrste separatorkar 2 og gjennom et tangensialt innlbp 3 som gjor at blandingen strbmmer ned i karet på en spiralformet måte. Blandingen skiller seg i en ytre hvirvel av medfort flytende olje som danner, en spiral ned til bunnen av karet samtidig som det frigjbres gass, og en indre hvirvel av medfort gass som fores opp gjennom karet idet den taper flytende olje og deretter fjernes gjennom en hvirvelfinder 4.

Bunnen av kar 2 danner et frigjbringskammer 5 hvor det ved hjelp av en overfallsplate 29 (fig. 2) opprettholdes et væskenivå 6 slik at det kone utlbpet er nedsenket i den flytende oljen. Avgasset olje fjernes fra kar 6 ved hjelp av ledning 7.

Gass som er fjernet ved hjelp av hvirvelfinderen 4 vil enda inneholde mindre mengder olje, og fores gjennom ledning 8 til et tangensialt innlbp i annen separator 9 hvor man har et frigjbrende kammer 16.

Igjen blir det dannet en nedadrettet spiralformet hvirvel av olje som fjernes fra bunnen av karet ved hjelp av ledning 10. Hvis gassinnholdet i væsken er under den for-ønskede grense, normalt 5 volumprosent, så blir væsken slått sammen med væskeproduktet fra fbrste trinn i ledning 7. Hvis væsken fra kammer 16 har et for hbyt gassinnhold, så kan den resirkuleres til kar 2 ved hjelp av en ledning 11 og en pumpe (ikke vist).

En oppadrettet spiralformet hvirvel av gass vil også bli fremstilt i annet kar 9 som tas ut ved hjelp av hvirvelfinder 12 og fjernes som et gassformet produkt gjennom led-

ning 13.

Gass som skiller æg ut i det frigjbrende kammer \$}-kan blandes med tilfbrselen til annet kar 9 ved hjelp av ledning 14 eller slås sammen med det gassformede produkt hvis det er av tilstrekkelig hby kvalitet, gjennom ledning 15.

Gass som skiller seg ut i det frigjbrende kammer 16 kan

blandes med gassen i ledning 13.

Som vist på fig. 2 og 3 har kar 2 et tangensialt innlbp 3 for den tilfbr.te blandingen og en hvirvelfinner 4

for utlop av utskilt gass. Under innlopet 3 har kar 2 en konisk overflate hvortil det er festet fire avbbyningsplater (plasert symmetrisk og som konvergerer inn mot karets lengdeakse), hvorav bare to, nemlig 22 og 24 er vist på fig. 2. Mellom veggene på kar 2 og den koniske overflaten 21 er det

et firgjbrende kammer 5. Nevnte frigjbrende kammer 5 innbefatter en overlbpsplate 29 slik at det opprettholdes et væskenivå 6 over nedre ende av platene 22 og 24, foruten at karet har et utlop 27 for uttak av flytende olje. Karet har også en væskenivåindikator 20 og et pneumatisk væskenivå-kontrollsystem (ikke vist) for å regulere trykket i utlbpet 27 slik at man under normal drift vil holde nivået 6 over overlbpsplaten 29 og holde kammer 5 ca. halvfullt av væske.

På toppen av kammer 5 er det et utlop 28 for gass.

Som vist på fig. 4 er en justerbar lukker 36 plasert nær det tangensiale innlbp 3. Dette er dreibart forbundet med en avbbyningsplate 37 også dreibart forbundet til et forskyvningsstykke 38 inne i innlopet.

Plaseringen av platen 37 justeres ved hjelp av skruemekanismen 40. I den stilling som er vist er innlopet 3 nesten fullstendig lukket. Enten innlopet er delvis åpent eller nesten, helt åpent, så vil platen 37 sikre en glatt strbmlinjeformet innlbpsvei til karet uten at det danner seg tilbakelbpshvirvler, noe som lett vil finne sted hvis en del av den innstrbmmende olje plutselig måtte forandre retning pga. skarpe plater, f.eks. en ubeskyttet lukker.

Eksempel 1

Man- brukte et separatorsystem av den typen som skjematisk er vist på fig. IA. Dimensjonene på de to karene var de samme og var fblgende: total hoyde. 22 cm, diameter på ovre del 5,7 cm, diameter på det frigjørende kammer 7,5 cm, konlengde 13 cm, diameter på konbasis 5,7 cm, diameter på konutlop 2,5 cm, hoyde på det frigjbrende kammer "25 cm.

Separatorsystemet ble drevet som beskrevet nedenfor.

Temperaturen i hele systemet var 25°C.

Tilforsel til forste kar

gass/væskeoljeskum

gass : væskevolumforhold 6 : 1 ved innlopstrykket.

Produkt i forste kar

Tilforsel til annet kar

Produktet fra ovre utlop på forste kar ble fort til innlopet på annet kar i den angitte mengde.

Produkt fra annet kar

Lavere utlop: væske inneholdende 5 volumprosent gass som ble som ble slått sammen med det flytende

produktet fra det fbrste kar

mengde 38 cm^/sek.

Ovre utlop:

Tåke bestående av en gass inneholdende neglisjerbare mengder av flytende olje (mindre enn 200 ppm) i en mengde på 2247 cm^/ sek.

trykk ved ovre utlop 0,22 atmosfærer overtrykk.

Ved å begrense strbmmen av væske i ledning 7 ble fbrste kar drevet slik at væskenivået 6 i det frigjbrende kammer 5 var nesten halvveis opp på veggen i kammeret. Denne tek-

nikk ble også brukt i eksemplene 2 og 3.

Eksempel 2

Man brukte samme separatorsystem som vist på fig. IA.

Den totale hoyde på forste og annet kar var 244 cm og 194 cm. Volumforholdet var ca. 4 : 1.

I det forste karet var hoyden på det frigjbrende kammer 160 cm og dets diameter 76 cm. Diameteren på nevnte kon ved dens bunn eller basis var 50,8 cm og ved utlbpet var den 20,3 cm. Konlengden var 129 cm.

For det annet kar var hoyden på det frigjbrende kammer 84 cm og dets diameter 39 cm. Diameteren på konen ved basis var 25 cm og ved utlbpet 12 cm. Konlengden var 65 cm.

I begge kar var diameteren av ovre del av karet den samme som basisdiameteren på konen.

Tilforsel til fbrste kar

Tilffdrselen var 1.580.000 liter pr. dbgn av råolje som bestod av et gass/oljeskum med et gass/væskeoljeforhold på 6 : 1 ved innlbpstrykket.

Produkt fra fbrste kar

Lavere utlop: flytende olje inneholdende 33,9

volumprosent gass

3 / r - •

mengde 23.000 cm /sek. :

Ovre utlop:

tåke med gass/væskeoljeforhold på 23 : 1 ved utlbpstrykket mengde 115.000 cm^/sek.

noe som tilsvarer 110.200 cm 3 gass pr. sekund og 4.800 cirr3 væske pr. sekund.

Tilforsel til annet kar

Det totale produkt fra det ovre utlop på fbrste kar

ble fort til innlopet på det andre kar i den angitte mengde. Innlbpshastighet 24,6 m/sek.

Produkter fra annet kar

lavere utlop: flytende olje inneholdende 29,0

volumprosent gass

mengde 6.300 cm^/sek.

Denne flytende oljen ble slått sammen med væskeproduktet fra forste kar.

Eksempel 3

Man brukte det separatorsystem som er vist. på fig.

IA.

For det fbrste kar var den totale hbyde 45 cm, diameter av ovre del av karet var 7,6 cm, diameteren på det frigjbrende kammer 7,6 cm, konlengden 20,5 cm, diameter på konbasis 7,6 cm, diameter på konutlbp 2,5 cm, hbyde. på det frigjbrende kammer 25 cm. I det annet kar var den totale hbyde 22 cm, diameter av ovre del 5,7 cm, diameter på det frigjbrende kammer 7,5 cm, konlengde 13 cm, diameter på konbasis

5,7 cm, diameter på konutlbp 2,5 cm, hbyde på frigjbrende kammer 25 cm.

Tilforsel til fbrste kar

Gass/flytendeoljeskum med et gass/væskeforhold på 10 : 1 ved innlbpstrykket. Produkt fra fbrste kar

Tilforsel til annet kar ■ . Hele produktet fra ovre utlop på fbrste kar ble fort til innlopet på annet kar-i den angitte mengde. • Innlbpshastighet 891 m/min. (14,9 m/sek.)

Produkter fra annet kar

Claims (3)

1. Separator egnet for å skille en råolje inneholdende gass til ,gass og væske, og hvor separatoren består av et kar med et innlbp for nevnte tilforsel plasert slik at tilforsel^ ' en -fores inn i karet under en trykkgradient slik at det' dannes en nedådstrbmmende [hvirvel av forsterket væske og fra hvilken ff

det utskiller seg en oppadstrbmmende hvirvel av forsterket gass, samt et ovre utlop for nevnte hvirvel av forsterket, gass bestående av et ror som strekker seg ned i nevnte kar, samt et lavere utlop for den forsterkede væske, karakterisert ved at man i karet har plasert en nedadrettet konisk overflate. (21) med avbbyningsplatér (22, .24.) for styring av den nedådstrbmmende hvirvel av forsterket væske, og hvor veggene i karet er plasert i en viss avstand fra den koniske overflaten (21) slik at det mellom nevnte koniske overflate og karets vegger er definert et frigjbrende kammer (5) hvis volum minst tilsvarer det volum som de-fineres av den koniske overflaten (21).

2. Separator ifblge krav 1, karakterisert ved at det frigjbrende kammer (5) har et overlbp (29) slik at man opprettholder et minimumsvæskenivå i det frigjbrende kammer og hvor den koniske overflaten (21) går lavere enn toppen av nevnte utlop (29) slik at man under bruk får en væskelås ved utlbpet av den koniske overflaten.

3. Fremgangsmåte for separasjon av en råolje inneholdende^ gass i en væskestrbm og en gasstrbm, karakterisert ved at man: (a) forer tilfbrselen under en "trykkgradient inn i et fbrste separerende kar plasert i alt vesentlig vertikalt og hvor det danner seg en nedådstrbmmende hvirvel av forsterket væske hvorfra det utskiller seg en oppadstrbmmende hvirvel av forsterket gass og hvoretter man oppsamler den forsterkede væske inneholdende ikke mer enn 5% gass, og (b) forer den forsterkede gass under en trykkgradient inn i et annet separatorkar plasert i alt vesentlig vertikalt og der får dannet en nedådstrbmmende hvirvel .av forsterket væske hvorfra det utskiller seg en oppadstrbmmende hvirvel av gass og hvoretter man kombinerer, den forsterkede væske med den forsterkede væske utskilt fra fbrste kar og tar den forsterkede gass ut fra nevnte andre kar.