NO317899B1

NO317899B1 - Multiphase separator 2

Info

Publication number: NO317899B1
Application number: NO20023254A
Authority: NO
Inventors: Martin Sorensen; John Bjorn Fossdal
Original assignee: Fmc Kongsberg Subsea As
Priority date: 2002-07-04
Filing date: 2002-07-04
Publication date: 2004-12-27
Also published as: WO2004033106A1; NO20023254D0; AU2003296873A1; NO20023254L

Description

Foreliggende oppfinnelse omhandler en flerfaseutskiller for separasjon av en fluidstrøm som omfatter flere fluidkomponenter, fortrinnsvis for separering av gass-og væskefaser. Separatoren omfatter en fortrinnsvis horisontalt plassert syklon med atskilte utløp for henholdsvis væske og gass til en tank, og hvor innløpet er plassert ved en første ende av syklonen, et utløp for gass er plassert sentralt og aksielt rettet ved en andre, motsatt ende av syklonen, samt at et utløp for væske fra et ytre ringrom i syklonen er plassert ved den andre, motsatte enden av syklonen og hvor væskeutløpet fører til en åpen kanal som kommuniserer med ønsket innstrømningsområde i tanken. The present invention relates to a multiphase separator for the separation of a fluid flow comprising several fluid components, preferably for the separation of gas and liquid phases. The separator comprises a preferably horizontally placed cyclone with separate outlets for liquid and gas respectively to a tank, and where the inlet is located at a first end of the cyclone, an outlet for gas is located centrally and axially directed at a second, opposite end of the cyclone, and that an outlet for liquid from an outer annulus in the cyclone is located at the other, opposite end of the cyclone and where the liquid outlet leads to an open channel that communicates with the desired inflow area in the tank.

Separatortanken er fortrinnsvis anvendt i forbindelse med et undervanns anlegg for petroleumsproduksjon. The separator tank is preferably used in connection with an underwater plant for petroleum production.

I innløpet til en syklon spinnes flerfaseblandingen slik at fluidene separeres. Gassfasen legger seg i midten av syklonrøret, mens væskefasen(e) tvinges ut mot rørveggen som et tynt sjikt. Dette væskesjiktet beveger seg med en hastighet som har komponenter både i vinkel og i aksialretning. En strømlinje vil derfor tegne et spiralformet mønster langs veggen. In the inlet to a cyclone, the multiphase mixture is spun so that the fluids are separated. The gas phase settles in the middle of the cyclone tube, while the liquid phase(s) is forced out against the tube wall as a thin layer. This fluid layer moves with a velocity that has components both in the angular and in the axial direction. A streamline will therefore draw a spiral pattern along the wall.

En flerfaseutskiller av ovennevnte type er kjent fra internasjonal patentsøknad WO 90/05591. Separatoren omfatter et innløp som står hovedsakelig vinkelrett på et rørformet hovedløp, hvorved fluidstrømmen kan settes i rotasjonsbevegelse. Denne rotasjon bevirker at den tunge fraksjon, dvs. olje og vann, vil strømme i en skruebevegelse langs veggen av det rørformede hovedløp, mens den lette fraksjon, dvs. gass, vil bevege seg mot midten av løpet. I en andre del av syklonen skrår veggen utover og en konisk plugg er montert inne i denne. Den koniske plugg har en ytterflate med samme vinkel som den utskrånende veggen og har en indre kanal som leder til et utløp og som er slik plassert at gassen strømmer gjennom dette, mens væsken strømmer i ringrommet mellom den koniske ytterflate og innerveggen av syklonen og til et andre utløp. Den koniske plugg kan beveges aksialt i syklonen slik at størrelsen på ringrommet kan reguleres for optimal separasjon. A multiphase separator of the above type is known from international patent application WO 90/05591. The separator comprises an inlet which is mainly perpendicular to a tubular main course, whereby the fluid flow can be set into rotational motion. This rotation causes the heavy fraction, i.e. oil and water, to flow in a helical motion along the wall of the tubular main barrel, while the light fraction, i.e. gas, will move towards the middle of the barrel. In another part of the cyclone, the wall slopes outwards and a conical plug is mounted inside this. The conical plug has an outer surface at the same angle as the sloping wall and has an internal channel leading to an outlet and which is positioned so that the gas flows through this, while the liquid flows in the annulus between the conical outer surface and the inner wall of the cyclone and to a other outlets. The conical plug can be moved axially in the cyclone so that the size of the annulus can be regulated for optimal separation.

Ulempen ved oppfinnelsen er at hastigheten av fluidet som føres inn i tanken kan bli svært høy slik at det er vanskelig å oppnå en god separasjon av væske og gass, dvs. at gass vil føres med væsken ned i tanken, med dertil hørende problemer med emulsjoner. For å få en god utseparering av gassen er det nødvendig at de små gassdråpene bringes til samle seg til større dråper (som lettere unnslipper fra fluidstrømmen). Fordi oppholdstiden av fluidet i kanalen er forholdsvis kort, vil det være vanskelig for gassdråpene å samles tilstrekkelig til å kunne unnslippe. The disadvantage of the invention is that the speed of the fluid that is fed into the tank can be very high, so that it is difficult to achieve a good separation of liquid and gas, i.e. that gas will be fed with the liquid into the tank, with associated problems with emulsions . In order to obtain a good separation of the gas, it is necessary that the small gas droplets are brought together to form larger droplets (which escape more easily from the fluid flow). Because the residence time of the fluid in the channel is relatively short, it will be difficult for the gas droplets to collect sufficiently to be able to escape.

Det har vist seg at for å oppnå en kortest mulig oppholdstid i tanken hvor det oppnås en ønsket høy separasjonsgrad er det svært viktig å oppnå en tilfredsstillende nedbremsning av fluidet som ledes ned i tanken. Flerfasefluidet strømmer med svært høy hastighet inn i tanken og dersom ikke det kan oppnås en tilfredsstillende nedbremsning vil væskefasen av fluidet (dvs. olje og vann) "rive opp" væsken i tanken, med emulsjonsdannelse og dråpeoppbygning som resultat. Dermed vil residensvolumet i tanken øke. En løsning av dette problem er vist og beskrevet i NO patentskrift nr. 311.789. It has been shown that in order to achieve the shortest possible residence time in the tank where a desired high degree of separation is achieved, it is very important to achieve a satisfactory deceleration of the fluid that is led down into the tank. The multiphase fluid flows at a very high speed into the tank and if a satisfactory deceleration cannot be achieved, the liquid phase of the fluid (i.e. oil and water) will "rip up" the liquid in the tank, with emulsion formation and droplet build-up as a result. This will increase the residence volume in the tank. A solution to this problem is shown and described in NO patent document no. 311,789.

Det er viktig å oppnå en mest mulig uniform og laminær strømningsbevegelse da denne vil gjøre det lettere for restgass å unnslippe. Turbulens i væsken vil medføre at gassboblene vil holde seg forholdsvis små og bli med væsken ned i tanken. Fasene må ledes fra hverandre uten at det dannes skum og emulsjoner. Dette sikres prinsipielt ved å unngå brå hastighetsforandringer (akselerasjoner) i strømningen. It is important to achieve the most uniform and laminar flow movement possible as this will make it easier for residual gas to escape. Turbulence in the liquid will mean that the gas bubbles will stay relatively small and stay with the liquid in the tank. The phases must be separated from each other without the formation of foams and emulsions. This is ensured in principle by avoiding sudden speed changes (accelerations) in the flow.

Ifølge foreliggende oppfinnelse foreslås å forbinde gassutløpet med et indre rør anordnet konsentrisk i syklonrøret over en del av dette og at et andre rør er anordnet mellom gassrøret og syklonrøret. Dette vil medføre at væskestrømningens strømningshastighet reduseres og man oppnår en kontrollert kollaps av væskestrømmen. According to the present invention, it is proposed to connect the gas outlet with an inner tube arranged concentrically in the cyclone tube over part of it and that a second tube is arranged between the gas tube and the cyclone tube. This will cause the flow rate of the liquid flow to be reduced and a controlled collapse of the liquid flow will be achieved.

Hensikten oppnås med en flerfaseutskiller hvor de karakteriserende trekk fremgår av de vedføyde krav. The purpose is achieved with a multiphase separator where the characterizing features appear from the attached requirements.

I en fordelaktig utførelse av oppfinnelsen omfatter det indre rør en første del som står i en vinkel med syklonens akse og en andre del som forløper parallell med og sideforskjøvet fra syklonaksen. In an advantageous embodiment of the invention, the inner tube comprises a first part which stands at an angle with the axis of the cyclone and a second part which runs parallel to and laterally offset from the axis of the cyclone.

Eventuell restgass vil migrere mot innerveggen av en kanal og unnslippe gjennom et sentralt plassert rør. Any residual gas will migrate towards the inner wall of a channel and escape through a centrally located pipe.

Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere med henvisning til de medfølgende tegninger hvor Fig. 1 viser et snitt gjennom en separatortank, hvori faseutskilleren i henhold til oppfinnelsen er anordnet, The invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings where Fig. 1 shows a section through a separator tank, in which the phase separator according to the invention is arranged,

Fig. 2 viser et snitt gjennom et syklonrør i henhold til oppfinnelsen.' Fig. 2 shows a section through a cyclone tube according to the invention.

Fig. 3 er et snitt langs A-A på fig. 2. Fig. 3 is a section along A-A in fig. 2.

Figur 1 viser en flerfaseutskiller 1 ifølge oppfinnelsen anordnet i en tank 5, for eksempel en separasjonstank plassert på et fundament på havbunnen. I tanken er anordnet en fortrinnsvis horisontal syklon 10 formet som et rør 20 med en første ende 11, hvor det er anordnet et innløp 13, for tilførsel av et flerfasefluid 30, og en andre, motsatt ende 12 med atskilte utløp 14 og 15, hvor utløpet 15 kommuniserer med ønsket innstrømningsområde i tanken 5. Syklonen 10 kan deles inn i tre hovedseksjoner, hvor en første seksjon finnes ved den første enden 11, en andre, midtre seksjon og en tredje endeseksjon hvor syklonen omfatter et indre gassrør 16 konsentrisk anordnet i syklonrøret 20, til dannelse av et ringrom 17. Figure 1 shows a multiphase separator 1 according to the invention arranged in a tank 5, for example a separation tank placed on a foundation on the seabed. Arranged in the tank is a preferably horizontal cyclone 10 shaped like a tube 20 with a first end 11, where an inlet 13 is arranged, for supplying a multiphase fluid 30, and a second, opposite end 12 with separate outlets 14 and 15, where the outlet 15 communicates with the desired inflow area in the tank 5. The cyclone 10 can be divided into three main sections, where a first section is found at the first end 11, a second, middle section and a third end section where the cyclone comprises an inner gas tube 16 arranged concentrically in the cyclone tube 20, to form an annulus 17.

Den første seksjonen av syklonen er innrettet til å sette fluidstrømmen 30 i rotasjonsbevegelse langs innerveggen av røret 20. Innløpet 13 kan være aksielt og eller tangentielt anordnet i forhold til strømningsretningen i syklonen 10.1 denne utførelsen er ledeskovler anordnet i den først seksjonen for å bevirke rotasjonsbevegelse av fluidstrømmen 30. The first section of the cyclone is arranged to set the fluid flow 30 in rotational motion along the inner wall of the pipe 20. The inlet 13 can be axially and or tangentially arranged in relation to the direction of flow in the cyclone 10.1 in this embodiment, guide vanes are arranged in the first section to cause rotational movement of the fluid flow 30.

I en foretrukket utførelse er innløpet anordnet slik at det står vinkelrett på syklonens 10 akse og hovedsakelig tangentielt slik at fluidstrømmen 30 settes i rotasjonsbevegelse i syklonen 10. Innløpet kan også ha en sneglehus-Iignende form, noe som vil forsterke rotasjonsbevegelsen i den første seksjon av syklonen 10 og dermed kunne gi større grad av separasjon av væske 32 og gass 31. In a preferred embodiment, the inlet is arranged so that it is perpendicular to the axis of the cyclone 10 and mainly tangential so that the fluid flow 30 is set in rotational motion in the cyclone 10. The inlet can also have a snail shell-like shape, which will enhance the rotational movement in the first section of the cyclone 10 and thus could provide a greater degree of separation of liquid 32 and gas 31.

Midtseksjonen av syklonen 10 er innrettet til å holde fluidstrømmen 30 i rotasjonsbevegelse og bevirke en separasjon av de tre fraksjonene olje, vann og gass i syklonen. Midtseksjonen kan fordelaktig ha en innsnevret diameter i forhold til første og tredje seksjon. Når diameteren økes igjen i den tredje seksjon vil fluid-strømmens 30 hastighet reduseres og derved minske turbulens og skjærkrefter i fluidstrømmen. Når væskefilmen med sitt spiralformede strømningsmønster kommer inn i denne seksjonen får sentripetalakselerasjonen en betydelig komponent langs rørveggen. Dette bidrar til å akselerere væskesjiktet i aksialretningen og følgelig redusere spinnvinkelen. Med den større rørdiameter i den tredje seksjon reduseres også sentripetalakselerasjonen og fluidstrømmen vil lettere kunne kollapse og samle seg som et stabilt sjikt i rørbunhen. En slik kollaps vil gi den ønskede tilstand, men kollapsen kan i seg selv også medføre ugunstige skum- og emulsjonsdannelser. The middle section of the cyclone 10 is designed to keep the fluid flow 30 in rotational motion and effect a separation of the three fractions of oil, water and gas in the cyclone. The middle section can advantageously have a narrowed diameter compared to the first and third sections. When the diameter is increased again in the third section, the speed of the fluid flow 30 will be reduced and thereby reduce turbulence and shear forces in the fluid flow. When the liquid film with its helical flow pattern enters this section, the centripetal acceleration acquires a significant component along the pipe wall. This helps to accelerate the liquid layer in the axial direction and consequently reduce the spin angle. With the larger pipe diameter in the third section, the centripetal acceleration is also reduced and the fluid flow will more easily collapse and collect as a stable layer in the pipe bed. Such a collapse will give the desired state, but the collapse itself can also lead to unfavorable foam and emulsion formations.

For å oppnå dette er derfor syklonen utstyrt med et ytterligere rør 19 anordnet i den tredje seksjon, som' vist på fig. 2. Et kort stykke inn i den tredje seksjon er innsatt et rør med en diameter omtrentlig lik midtseksjonens diameter. En første del 21 av røret er plassert med sin akse i en liten vinkel X i forhold til syklonens senterakse og slik at innløpsenden (på venstre side av figur 2) er koaksialt med det indre rør 16. Vinkelen X er fordelaktig mindre enn 20 grader. Den andre del 22 av røret forløper med sin midtakse parallelt med, men sideforskjøvet fra, syklonens senterakse. Røret blir da beliggende med en liten avstand fra ytterveggen 20 på oversiden fra omtrent midt på den tredje seksjon og helt til syklonenden. To achieve this, the cyclone is therefore equipped with a further pipe 19 arranged in the third section, as shown in fig. 2. A short distance into the third section is inserted a pipe with a diameter approximately equal to the diameter of the middle section. A first part 21 of the pipe is positioned with its axis at a small angle X in relation to the cyclone's central axis and so that the inlet end (on the left side of figure 2) is coaxial with the inner pipe 16. The angle X is advantageously less than 20 degrees. The second part 22 of the tube extends with its central axis parallel to, but laterally offset from, the central axis of the cyclone. The pipe is then located at a small distance from the outer wall 20 on the upper side from approximately in the middle of the third section and all the way to the cyclone end.

Når den spiralformede væskestrømmen kommer inn i denne delen av syklonrøret tvinges den dermed gjennom et tverrsnitt som blir stadig trangere jo lenger nedstrøms man kommer. Impulssterk strømning vil komme forbi og ned i bunnen av utløpsrøret. Mindre impulssterk strømning vil utsettes for økende motstand og til slutt enten presses gjennom den smale spalte på toppen eller den vil bytte rotasjonsretning. På denne måten oppnås en styrt kollaps som har vist seg skånsom for væsken og som effektivt samler væsken i bunnen av utløpsrøret. Endeseksjonen av syklonen 10 har som nevnt et indre gassrør 16. Gassfraksjonen 31 som strømmer langs midten av syklonen ledes inn i det indre gassrør 16 og til utløpet 14 som er plassert sentralt og aksielt rettet ved den andre, motsatte ende 12 av syklonen 10. Gassfraksjonen 31 føres inn i tanken over væskenivået 3. When the spiral-shaped liquid flow enters this part of the cyclone tube, it is thus forced through a cross-section that becomes increasingly narrow the further downstream you go. Impulsive flow will come past and down the bottom of the outlet pipe. Less impulsive flow will be exposed to increasing resistance and will eventually either be forced through the narrow gap at the top or it will change direction of rotation. In this way, a controlled collapse is achieved which has proven to be gentle on the liquid and which effectively collects the liquid at the bottom of the outlet pipe. As mentioned, the end section of the cyclone 10 has an inner gas tube 16. The gas fraction 31 which flows along the middle of the cyclone is led into the inner gas tube 16 and to the outlet 14 which is centrally located and axially directed at the other, opposite end 12 of the cyclone 10. The gas fraction 31 is fed into the tank above liquid level 3.

Væskefraksjonen som strømmer langs rørets 20 innervegg ledes inn i ringrommet 17 i endeseksjonen. Gassutløpet 14 og væskeutløpet 15 er med andre ord anordnet ved samme ende av syklonen. The liquid fraction that flows along the inner wall of the tube 20 is led into the annulus 17 in the end section. In other words, the gas outlet 14 and the liquid outlet 15 are arranged at the same end of the cyclone.

Væskeutløpet 15 kan stå i forbindelse med innretninger for ytterligere separasjon og/eller retardasjon av væsken. Eksempelvis kan væskeutløpet stå i forbindelse med ledeplater slik det er vist i NO patentskrift nr. 311.789 eller et spiralformet hus slik det er beskrevet i vår samtidige søknad NO 20023253. The liquid outlet 15 can be connected to devices for further separation and/or retardation of the liquid. For example, the liquid outlet can be connected to guide plates as shown in NO patent document no. 311,789 or a spiral-shaped housing as described in our concurrent application NO 20023253.

I bruk vil tilførsel av en flerfasestrøm, så som fra en produserende hydrokarbonbrønn på havbunnen, ledes inn i tanken 5 via syklonen 10. Innløpet 13 av syklonen er utformet slik at det oppstår en rotasjonsbevegelse av det innkomne fluid. Dermed utnyttes sentrifugalkraften som oppstår på grunn av rotasjonsbevegelsen til å separere de tre fraksjonene av fluid fra hverandre. Den lette fasen, dvs. gassen vil under oppholdet i syklonen bevege seg mot midten røret 20, dvs. mot midtaksen av syklonen, men den tyngste fase, vannet, vil strømme langs innerveggen av røret 20, med oljen på innsiden av vannet. Væsken vil spinne som en film langs syklonrørets vegg og ledes mot ringrommet 17 i den tredje seksjon av syklonen. Gassen vil føres inn i det indre gassrør 16 og ut i tanken 5. In use, the supply of a multiphase flow, such as from a producing hydrocarbon well on the seabed, will be led into the tank 5 via the cyclone 10. The inlet 13 of the cyclone is designed so that a rotational movement of the incoming fluid occurs. Thus, the centrifugal force that arises due to the rotational movement is used to separate the three fractions of fluid from each other. During its stay in the cyclone, the light phase, i.e. the gas, will move towards the middle of the tube 20, i.e. towards the central axis of the cyclone, but the heaviest phase, the water, will flow along the inner wall of the tube 20, with the oil on the inside of the water. The liquid will spin as a film along the wall of the cyclone tube and is directed towards the annulus 17 in the third section of the cyclone. The gas will be fed into the inner gas pipe 16 and out into the tank 5.

Fra det ovenstående vil det forstås at hensikten med syklonen primært er å skille gass fra væske og selv om det vil foregå en segregering av væsken i syklonen vil ikke disse bli ytterligere separert fra hverandre. Separasjon av væsken, dvs. til olje og vann vil således vesentlig foregå i tanken. From the above, it will be understood that the purpose of the cyclone is primarily to separate gas from liquid and even if there will be a segregation of the liquid in the cyclone, these will not be further separated from each other. Separation of the liquid, i.e. into oil and water, will thus essentially take place in the tank.

Væskefraksjonen som forløper gjennom ringrommet ledes gjennom røret 19 og over i utløpet 15. Under dette vil væsken bremses ytterligere ned før den ledes ut i tanken 5. Denne nedbremsingen av væsken vil medføre at væsken blandes mest mulig homogent med den allerede tilstedeværende væske i tanken uten å forårsake dråpeoppbygning eller emulsjonsdannelse. The liquid fraction that passes through the annulus is led through the pipe 19 and into the outlet 15. During this, the liquid will slow down further before it is led out into the tank 5. This slowing down of the liquid will cause the liquid to mix as homogeneously as possible with the already present liquid in the tank without to cause droplet build-up or emulsion formation.

Claims

1. Device in a multiphase separator for separation of a fluid stream (30) comprising several fluid components, preferably for separating liquid and gas phases, where the device comprises a cyclone (10) preferably horizontally arranged in a tank (5) and comprising a cyclone tube (20) ) with a first end (11) with an inlet (13) and a second end (12) with two separate outlets (14,15), and in the longitudinal direction of a part of the cyclone tube (20) an internal gas tube (16) is placed ) concentrically inside the cyclone, so that at least one annulus (17) is formed between the inner gas tube (16) and the cyclone tube (20), where the outlet (14) for gas is centrally located and axially directed at the other end (12) and in connection with the internal gas pipe (16), and the outlet (15) for the liquid extends from the annulus (17) to a channel which is in connection with a desired inflow area in the tank (5), characterized in that further inside the cyclone pipe (20 ) another inner tube (19) is arranged surrounding the inner gas tube (16).

2. Device according to claim 1, characterized in that the cyclone tube (20) has three sections, a first section at the first end (11), a second middle section and a third section at the cyclone tube's other end (12), where the second middle section has a narrowed inner diameter in relation to the first and third sections.

3.. Device according to one of the above requirements, characterized in that the inner gas tube (16) has a length substantially corresponding to the length of the third section of the cyclone tube (20).

4. Device according to one of the above requirements, characterized in that the second inner tube (19) has a length less than or equal to the inner gas tube (16), and that the second inner tube (19)'s inlet opening is concentrically located in the cyclone tube (20).

5. Device according to one of the above requirements, characterized in that the center axis of the second inner tube (19) from the inlet opening in a first part (21) of the second inner tube (19) runs at an angle with the center axis of the cyclone tube (20), and that a subsequent second part (22) of the second inner tube (19) has a central axis which is parallel to and laterally offset from the central axis of the cyclone tube.

6. Device according to one of the above requirements, characterized in that the inlet (13) is mainly arranged tangentially at the first end of the cyclone and or that the inlet has a snail shell-like shape.

7. Device according to one of the above requirements, characterized in that the outlet (15) for the liquid is in connection with a device for further deceleration of the liquid.