NO873604L - Syklonseparator. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en syklonseparator for separering av ikke blandbare væsker av ulike densiteter, og nærmere bestemt en syklonseparator for å fjerne et mindre volum (f.eks. opptil 45 volumprosent av totalen) av en tyngre væske, slik som vann, fra et større volum av en lettere væske, slik som olje, med minimal innblanding av den sistnevnte. De fleste syklonseparatorer er for slike formål som å separere tunge faststoffer fra et fluid og betingelsene for deres drift er vesentlig forskjellig.

Skrift E2 av Smyth, Thew and Colman representert ved den andre internasjonale konferanse om hydrosykloner, i Bath England 19.-21. september 1984, og gjengitt på sidene 177 til 190 av konferansedokumentasjonen, beskriver en hydrosyklon for et slikt formål og foreslår at en typisk anvendelse kan være avvanning av lett råolje ved brønnhodet. Hydrosyklonen innbefatter et sylindrisk virvelgenererende kammer med store doble innløp som injiserer en strømning ved en vesentlig avstand fra aksen, en virvelsøker og en moderat avsmalnende nedre konus.

I følge den foreliggende oppfinnelse er det tilveiebrakt en syklonseparator innbefattende: (a) et innløpsparti med hovedsaklig form av et omdreiningsvolum, og en eller flere innløpskanaler, (b) et virvelsøkerutløp, hvor overløpet er koaksialt med innløpspartiet og fremspringer inn i innløpspartiet, (c) et hovedsaklig aksielt, symmetrisk konvergerende separeringsparti inntil innløpspartiet og på den motsatte side av virvelsøkerutløpet, og eventuelt, (d) et nedstrømsparti inn i hvilket separeringspartiet konvergerer,

hvor de følgende forhold (i) - (v) gjelder hvori do er den minste innvendige diameter av virvelsøkerutløpet innenfor 3d3av innløpsplanet eller ved dens ende dersom dette ikke er innenfor 3d:. av innløpsplanet,

di er diameteren av syklonen i innløpspartiet hvor det tilførte materialet entrer, og ser bort fra en mulig innløps-kanal,

d3 er diameteren av syklonen hvor innløpspartiet går over i separeringspartiet, hvor overgangen er som definert i det etterfølgende,

da er diameteren av syklonen hvor separeringspartiet ender eller går over i nedstrømspartiet, hvor overgangen er som definert i det etterfølgende,

dfxer dobbelt av radius ved hvilken strømmen entrer syklonen gjennom x*^innløpet, (dvs. det dobbelte av den minimums-avstand av den tangentielle komponent av innløpets senterlinje fra aksen),

Aix er tverrsnittsarealet av x<*H>innløpet, som definert i det etterfølgende,

a er halve konvergeringsvinkelen for separeringspartiet som definert i det etterfølgende:

Innløpsplanet defineres som planet vinkelrett til syklonaksen ved den midlere aksielle posisjon av det veide areal av innløpene slik at innføringen av vinkelmomentet inn i hydrosyklonen blir jevnt fordelt aksielt omkring den og er således slik at:

hvori z«er den aksielle posisjon av det x<*H>innløpet.

Overgangen mellom innløpspartiet og separeringspartiet er definert til å være ved den aksielle posisjon z3 (målt bort fra innløpsplanet hvor z=0) hvor- forholdet først tilfreds-stiller at:

d er syklondiameteren ved z.

Overgangen mellom separeringspartiet og det nedstrøms utløpsparti, om det er til stede, defineres som diameteren ved z3hvor d/d* > 0.98 for alle z > z3.

a er definert som tan-<1>

En suffix IX er projeksjonen av tverrsnittarealet av x<*h>innløpet målt ved inngangen til syklonen i planet parallelt til syklonaksen som er vinkelrett til planet, også parallell med syklonaksen, som inneholder den tangentielle komponent av innløpets senterlinje.

Hvirvelsøkerutløpet avslutter fortrinnsvis innenfor 3d=av innløpsplanet, hvor denne avstand er definert som 10.

Fortrinnsvis er det aksielle overstrømningsutløp, dvs. hvirvelsøkerutløpet, fremstikkende inn i syklonen minst så langt som innløpsplanet.

Uttrykket

, kalt "hvirvlingskoeffisient" og

angitt S, er en rimelig forutsiger for forholdet av hastig-hetene tangentielt; aksielt av strømmen som har entret syklonen og som har nådd planet av d2.

Den eller hver innløpskanal tilføres fortrinnsvis fra en kanal rettet hovedsaklig tangentielt inn i innløpspartiet. Hver innløpskanal kan spiralformes innad i en voluttinngang. Den ytre overflate av kanalen kan konvergere til diameteren av innløpspartiet di etter 360 °. rundt aksen, hvori n er

n

antallet tilførselskanaler.

Innløpskanalen eller kanalene trenger ikke å være i et plan vinkelrett til aksen og kan være sideforskjøvet i en hovedsaklig helisk form. De kan nå diamteren di etter mer enn 360 ° rundt aksen. Dersom innløpspartiet er i seg selv konisk

n

så vil diamteren være omtrentlig di.

Den midlere konvergens fra diameteren di mål i innløpsplanet til diameteren d3kan ha den største konushalvvinkel 0 i syklonen, hvilke kan være i området 5° til 45°.

Dimensjonene av innløpspartiet bør være slik at vinkelmomentet for tilførselen som entrer fra innløpene er hovedsaklig oppbevart i separeringspartiet.

Fortrinnsvis er d3/d2mindre enn 0.70 og mer fordelaktig mindre enn 0.55.

Fortrinnsvis er d3/d2større enn 0.20 og mest å foretrekke større enn 0.25.

Fortrinnsvis hvor den indre lengde av det nedstrøms utløps-parti, om til stede, er 13, l3/d3 er > 1 .

Av plassårsaker kan det være ønskelig å krumme nedstrøms-utløpet noe, og en svak krumning av syklonaksen er mulig.

d3kan betraktes som syklondiameteren og for mange formål kan denne være innenfor området 10 til 100 mm. Med for stor d2, blir energiforbruket stort for å opprettholde effektiv separering, mens med for liten d2 kan ufordelaktige Reynolds talleffekter og for store skjærspenninger fremkomme.

Trykkfall i virvelsøkeren bør ikke" være for store, og derfor bør lengden av "do" partiet av virvelsøkeren holdes lavt. Virvelsøkeren kan nå sin diameter "do" umiddelbart eller ved enhver form for brå eller jevn overgang, og kan utvides deretter ved en utvidelse eller trinn.

Eksternt kan virvelsøkeren sammenløpe jevnt mot enden av syklonen eller kan forbli sylindrisk. Den kan også ha et skjørt eller utvides mot enden for å redusere kortsluttende strømning.

Det er mulig for i det minste deler av generatoren ved innløpspartiet eller ved separeringspartiet eller begge disse å være krummet eller kurveformet. Generatoren kan være, f.eks. (i) en jevn kurve (har ingen vendetangenter) brattest ved innløpspartienden og tenderer mot en konusvinkel lik 0 ved sin åpne ende, eller (ii) en kurve med en eller flere vendetangenter, men totalt konvergerer mot det nedstrøms utløpsparti, fortrinnsvis aldri divergerende mot det ned-strøms utløpsparti.

Syklonseparatoren er likeledes effektiv i enhver orientering og kan settes i serier for å forbedre total separering. Serie- eller trinnsetting kan benyttes for hvert enkelt eller begge utløpsstrømmene.

I følge nok et aspekt av den foreliggende oppfinnelse er det tilveiebrakt en fremgangsmåte for å separere en mer tett fase fra et større volum av en mindre tett fase hvor metoden innbefatter å avgi en matetilførsel som inneholder faseblandingen til innløpskanalen eller kanalene av en syklonseparator som beskrevet ovenfor, og utvinne en forøket konsentrasjon av den mindre tette fase fra virvelsøkerutløpet og en forøket konsentrasjon av den mer tette fase fra nedstrømsutløpet.

Fremgangsmåten er særlig egnet for å separere vann fra olje og nærmere bestemt produsert vann fra råolje, en operasjon kj ent som avvanning.

Vanninnholdet kan være opp til 45 volumprosent av hele blandingen, avhengig av beskaffenheten av oljen.

Splittingsforholdet av syklonseparatoren kan defineres som

Delingsforholdet har en minimumsverdi for vellykket separering som bestemmes av geometrien til syklonen, innløpsvann-konsentrasjonen, størrelsesfordelingen av vanndråpene og egenskapene til oljen og vannet. Syklonen bør opereres over denne minimumsverdi. Dette kan oppnås ved å regulere tilbakeslagstrykket ved ventiler eller strømningsinnsnevring-er utenfor syklonen. Fortrinnsvis er delingsforholdet ordnet til å overskride 1.2 Ki hvor K( er innløpsvanninn-holdet i volumandeler. For optimal ytelse kan dette måtte varieres når Ki endrer seg.

Ettersom væsker vanligvis blir mindre viskøse når de er varme, utføres metoden fordelaktig ved så høy en temperatur som hensiktsmessig kan oppnås. Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet gjennom et eksempel med henvisning til de vedlagte tegninger hvor: Figur 1 viser skjematisk en snittskisse langs aksen av en syklonseparator i følge oppfinnelsen, og

figur 2 er en skisse ned langs aksen til syklonseparatoren. Tegningene er ikke i målestokk.

En syklonseparator innbefatter et innløpsparti 1, et separeringsparti 2, et nedstrømsparti 3 og et virvelsøkerutløp 4, hvor alle er koaksielle.

Innløpspartiet 1 tilføres av en enkelt tangentiell innløps-kanal 5 og består hovedsaklig av to seksjoner, en sylindrisk seksjon 6 med diameter di og lengde lxog en avkortet konisk seksjon 7 med diameterreduksjon fra di til d=. dz er betraktet som syklondiameteren. Halve avsmalningsvinkelen er 0.

Separeringspartiet 2 er en svakt avsmalnende sylinder hvor diameteren reduseres fra da hvor den sammenløper med den avkortede koniske seksjon 7 til ds hvor den går over til det nedstrømsparti 3. Halve avsmalningsvinkelen er a.

Nedstrømspartiet 3 er en sylinder med diameter d3og lengde I3.

Virvelsøkerutløpet er en sylinder med indre diameter do som fremspringer forbi det aksielle plan av innløpet 8.

I den beskrevne syklonseparator er størrelsene avrundet til den nærmeste millimeter og forholdene er som følger:

d = er gitt som standard diameter og er 36 mm.

do = 0.28 d3 = 10 mm

di = 1.94 d2= 69 mm

d3= 0.27 d== 10 mm

li = 1.9 d2 = 68 mm

13 = 2 d3= 70 mm

lo = 0.38 d= = 14 mm

Diameter av det sirkulære innløp = 0.36 åst = 13 mm

Avstanden fra innløpsaksen under toppen av innløpskammeret = 0.18 d2= 6.5 mm

Eksempel 1

Syklonen beskrevet ovenfor ble operert ved omkring 20"C med kerosin innholdende dispersjoner av vann ved en total gjennomgang på 45 1 pr minutt. Ved et deleforhold på 40% et innløpsvanninnhold på 25 volumprosent (Midlere dråpestørrelse 115 um ) ble redusert til 0.14% i overstrømningsutløpet mens ved et deleforhold på 10% et innløpsvanninnhold 5% (midlere dråpestørrelse 45 um) ble redusert til 0.13% i overstrøm-ningsutløpet. Trykkfallet i overstrømningsutløpet var 2 bar og 1.5 bar respektivt.

Eksempler 2 og 3

Ytterligere tester ble utført med en syklon i likhet med den i eksempel 1 bortsett fra at a = 11/2°. Driftsforhold og resultater er fremsatt i den følgende tabell. Den følgende tabell viser eksempelvise geometrier for ytterligere syklonseparatorer bygd i samsvar med oppfinnelsen .

A, B og C vedrører spesielt syklonseparatorer egnet for håndtering av blandinger med 5% vann i olje, 20% vann i olje og 40% vann i olje respektivt.

Claims (13)

1. Syklonseparator innbefattende (a) et innløpsparti (1) med hovedsaklig form av et omdreiningsvolum, og en eller flere innløpskanaler (5), (b) et virvelsøkerutløp (4) koaksielt med innløpspartiet (1) og fremspringende inn i innløpspartiet (1), (c) et hovedsaklig aksielt symmetrisk konvergerende separeringsparti (2) inntil innløpspartiet (1) og på den motsatte side av virvelsøkerutløpet (4), karakterisert ved de følgende forhold (i)-(v) gjelder hvori do er den minimale indre diameter av virvelsøkerutløpet (4) innenfor 3d3 av innløpsplanet eller ved dens ende dersom dette ikke er innenfor 3d = av innløpsplanet, di er diameteren av syklonen i innløpspartiet (1) hvor tilførselsmaterialet entrer, det ses bort fra enhver innløps-kanal (5) , d2 er diameteren av syklonen hvor innløpspartiet (1) går over i separeringspartiet (2), d3 er diameteren av syklonen hvor separeringspartiet (2) ender, di „ er dobbelt av radius ved hvilke strømningen entrer syklonen gjennom x'<*> '"' innløpet, Aix er tverrsnittsarealet av det x <**-> 1 innløp, som ovenfor definert,

a er halve konvergeringsvinkelen av separeringspartiet (2) som beskrevet ovenfor:

2. Syklonseparator ifølge krav 1 , karakterisert ved at 2 <1> s a < 3°.

3. Syklonseparator ifølge krav 1 , karakterisert ved at 1 1/2 * a < 3°.

4. Syklonseparator ifølge ett eller flere av de foranstående krav, karakterisert ved at den innbefatter et nedstrøms utløpsparti (3) inn i hvilke separeringspartiet (2) konvergerer.

5. Syklonseparator ifølge ett eller flere av de foranstående krav, karakterisert ved at virvelsøkeut-løpet (4) avslutter innenfor 3d2 av innløpsplanet.

6. Syklonseparator ifølge ett eller flere av de foranstående krav, karakterisert ved at den eller hver innløpskanal (5) tilføres fra en kanal rettet hovedsaklig tangentielt inn i innløpspartiet.

7. Syklonseparator ifølge ett eller flere av de foranstående krav, karakterisert ved at d3/d3 er i området 0.20 til 0.70.

8. Syklonseparator ifølge krav 7, karakterisert ved at d3/d= er i området 0.25 til 0.55.

9. Syklonseparator ifølge ett eller flere av kravene 4 til 8, karakterisert ved at l3/ d3 er større enn 1, hvori 13 er den indre lengde av det nedstrøms utløpsparti.

10. Fremgangsmåte for separering av en fase med større tetthet fra et større volum av en fase med mindre tetthet hvor fremgangsmåten innbefatter å tilføre et matemateriale som inneholder faseblandingen til innløpskanalen eller kanalene (5) av en syklonseparator ifølge hvilke som helst av de foranstående krav, karakterisert ved at det gjenvinnes en forøket konsentrasjon av fasen med mindre densitet fra virvelsøkerutløpet (4) og en forøket konsentrasjon av fasen med større densitet fra separeringspartiet (2) eller nedstrømsutløpet (3).

11 . Fremgangsmåte ifølge krav 10, karakterisert ved at fasen med større densitet er vann og fasen med mindre densitet er olje.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 11, karakterisert ved at vanninnholdet er opptil 45 volumprosent av blandingen .

13. Fremgangsmåte ifølge krav 11 eller 12, karakterisert ved at delingsforholdet overskrider 1.2 Ki hvor K< er voluminnholdet av innløps-vannet.