Двухсекционный поточный сепаратор
Группа изобретений относится к сепарационному устройству и способу сепарирования потока текучей среды в сепарационном устройстве. Устройство для сепарирования потока текучей среды, состоящего по меньшей мере из двух текучих сред, различающихся по плотности, содержит первый трубчатый элемент, снабженный компонентом, создающим вращение в потоке текучей среды за входом в первый трубчатый элемент, и второй трубчатый элемент, по меньшей мере, частично расположенный внутри первого трубчатого элемента за компонентом, создающим вращение, и формирующий выход для текучих сред с меньшей плотностью. При этом первый и второй трубчатые элементы образуют между внутренней поверхностью первого трубчатого элемента и наружной поверхностью второго трубчатого элемента кольцевой зазор, соединенный с первой выпускной секцией для текучих сред, имеющих более высокую плотность. Второй трубчатый элемент, по меньшей мере, на части своей длины снабжен сквозными отверстиями, проходящими сквозь его стенку и ведущими во вторую выпускную секцию для текучих сред, имеющих более высокую плотность, а первая выпускная секция и вторая выпускная секция присоединены к общему контейнеру, снабженному выходом для текучих сред, имеющих более высокую плотность. Согласно способу сепарирования потока многофазной текучей среды в трубе приводят поток текучей среды во вращение посредством компонента, создающего вращение, который установлен за входом в первый трубчатый элемент. На первой стадии сепарирования обеспечивают возможность текучим средам, имеющим более высокую плотность, отделиться на заданное расстояние от потока текучих сред, имеющих меньшую плотность. После этого проводят отделившиеся текучие среды, имеющие меньшую плотность, через второй трубчатый элемент, по меньшей мере, частично расположенный внутри первого трубчатого элемента, сепарируют текучие среды, имеющие более высокую плотность, в первую выпускную секцию, отводят через отверстия, проходящие сквозь стенку второго трубчатого элемента, захваченные текучие среды, имеющие более высокую плотность, от сепарированных текучих сред, имеющих меньшую плотность, и направляют захваченные текучие среды, имеющие более высокую плотность, во вторую выпускную секцию. Техническим результатом группы изобретений является повышение эффективности сепарации при минимальных потерях давления в протекающей через сепаратор текучей среде. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 6 ил.
Область техники
Изобретение относится к сепарационному устройству (сепаратору) и к соответствующему способу сепарирования потока текучей среды. Предлагаемые устройство и способ по изобретению особенно эффективны в горизонтальных и вертикальных поточных сепараторах.
Уровень техники
В процессе добычи углеводородов, в особенности из шельфовых зон, полученную текучую среду (флюид) часто транспортируют по подводным трубопроводам и вертикальным секциям на большие расстояния. Добытые текучие среды обычно содержат нефть, газ, воду и твердые вещества. Перед транспортировкой флюидов по трубопроводам на большие расстояния возникает задача уменьшить количество воды и/или разделить флюид на различные составляющие, причем данная задача решается в зависимости от расходов (скоростей потока) различных флюидов. В частности, известно применение односекционного поточного сепаратора для выделения жидкостей и твердых веществ из потока газа до транспортировки данного потока по трубопроводу. Один из примеров такого сепаратора представлен в WO 02/056999.
Сепаратор согласно WO 02/056999 содержит, по существу, трубчатый корпус, выполненный с возможностью составлять часть реального трубопровода. В корпусе, у его конца, переднего по ходу потока (далее - передний конец), установлен вращающийся элемент, приводящий поток флюида во вращение. В конструкцию средства для выпуска газа входит выпускной элемент, расположенный у того конца корпуса, который находится ниже по течению потока (далее - задний конец). В выпускном элементе выполнен центральный канал для газа, проходящий по оси, а наружная поверхность данного элемента в совокупности с внутренней поверхностью корпуса образует кольцевой зазор для протекания жидкости. У этого же конца корпуса установлен экран, выполняющий по отношению к жидкости функцию барьера. В конструкцию средства для выпуска жидкости входит открытый сверху контейнер, установленный у заднего конца корпуса и выполненный с возможностью принимать в себя жидкость, которая перетекает в кольцевой зазор, частично проходит вниз в контейнер из нижней зоны корпуса у отверстия контейнера, а частично падает в контейнер из зоны, расположенной у экрана.
Однако было показано, что известные технические решения не позволяют выделить из потока газа требуемое количество жидкости. Одно из возможных решений проблемы заключается в последовательном расположении двух таких сепараторов, но это нежелательно, поскольку для такой схемы требуются две системы управления, а каждый сепаратор приводит к потерям давления в потоке газа.
Раскрытие изобретения
Поэтому задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание сепаратора и способа сепарирования, которые уменьшают или смягчают проблемы, связанные с упомянутыми выше известными техническими решениями.
Более конкретно, задача изобретения сводится к созданию сепаратора, в котором потеря давления в протекающем через сепаратор флюиде поддерживается на минимальном уровне, но в то же время достигается желаемая степень сепарации, которая обеспечивает после прохождения флюида через сепаратор приведение его в состояние осушенного потока (например газа).
Изобретение относится к устройству, обеспечивающему проведение двух стадий сепарирования в одном и том же устройстве, т.е. предлагаемое устройство является сепаратором. Сепаратор по изобретению особенно полезен при применении в качестве части трубопровода, представляя собой, например, поточный сепаратор, которым заменяют часть трубопровода для флюида.
Изобретение предлагает устройство для сепарирования потока, состоящего по меньшей мере из двух текучих сред, которые различаются по плотности, например газа и жидкости, или, в возможном варианте, газа и жидкости с включением твердых веществ. Далее, как правило, при упоминании текучей среды (флюида) с меньшей или большей плотностью в первом случае будет подразумеваться газ, а во втором - жидкости, возможно, содержащие твердые вещества. Кроме того, составляющие с меньшей плотностью могут содержать капли жидкости или воды уменьшенного размера, а составляющие с более высокой плотностью - более крупные капли жидкости или воды.
Устройство содержит первый трубчатый элемент, в котором установлен компонент, создающий вращение в потоке флюида за входом в данный элемент. В устройстве имеется также второй трубчатый элемент, по меньшей мере частично расположенный внутри первого трубчатого элемента за компонентом, создающим вращение, и формирующий выход (выпускное отверстие) для флюидов с меньшей плотностью. Первый и второй трубчатые элементы формируют кольцевой зазор, расположенный между внутренней поверхностью первого трубчатого элемента и наружной поверхностью второго трубчатого элемента, причем данный кольцевой зазор сообщается с первой выпускной секцией для флюидов, имеющих более высокую плотность, т.е. для жидкостей или для комбинаций жидкостей с твердыми веществами.
Согласно изобретению во втором трубчатом элементе по меньшей мере на части его длины выполнено несколько сквозных отверстий. Они ведут во вторую выпускную секцию для флюидов, имеющих более высокую плотность, т.е. для жидкостей. Вторая выпускная секция отделена от первой выпускной секции, но обе они ведут к общему контейнеру, снабженному выходом для флюидов с более высокой плотностью. В контейнере как первая, так и вторая выпускные секции доходят до зоны, которая расположена ниже нормального уровня жидкости в контейнере.
В устройстве поступающий поток флюида приводится во вращение посредством компонента, создающего вращение. Частицы флюида, обладающего более высокой плотностью, т е. жидкость и твердые вещества, будут проявлять тенденцию сепарироваться в зону наружного периметра вращающегося потока. Частицы флюида, обладающего меньшей плотностью, т е. газ, будут проявлять тенденцию сепарироваться во внутреннюю зону вращающегося потока.
В одном из вариантов компонент, создающий вращение, является стационарным и снабженным ребрами, которые выполняют по отношению к потоку функцию направляющих и придают ему за данным компонентом вращательное движение. В другом варианте для компонента, создающего вращение, предусмотрена возможность вращения.
Основная часть более тяжелых флюидов выделяется в сепараторе на первой стадии сепарирования. Для этого данные среды переносятся в наиболее удаленной от центра зоне вращающегося потока к первой выпускной секции. Эта секция частично образована кольцевым зазором, сформированным между первым и вторым трубчатыми элементами. Оказавшиеся в центральной части вращающегося потока более легкие флюиды перетекают во второй трубчатый элемент, расположенный внутри первого трубчатого элемента соосно с ним. В поперечном сечении первому трубчатому элементу внутри придана круглая форма. Такую же конфигурацию имеет внутри и снаружи в поперечном сечении (по меньшей мере на части своей длины) второй трубчатый элемент. В результате образуется круглый кольцевой вход для флюидов, имеющих более высокую плотность и оказавшихся снаружи по отношению к флюидам, имеющим меньшую плотность и находящимся в центре потока. Первая выпускная секция, предназначенная для флюидов с более высокой плотностью, ведет в контейнер.
Второй трубчатый элемент, выполняющий функцию отдельного выхода для той части флюидов, которая имеет меньшую плотность, установлен по меньшей мере частично внутри первого трубчатого элемента. Эта часть флюидов, поступая во второй трубчатый элемент, будет почти полностью сохранять вращательную энергию. Если в устройство поступает влажный пар, жидкие капли меньшего размера будут удаляться в процессе прохождения потока через второй трубчатый элемент, т.е. на второй стадии.
В случае появления жидких осадочных и переходных веществ большее количество жидкости будет удаляться также на второй стадии. В потоке флюида капли/частицы, имеющие увеличенный размер (т.е. составляющая потока, имеющая более высокую плотность), будут сепарироваться в первую выпускную секцию, в то время как капли/частицы, имеющие меньший размер, но тоже представляющие собой часть потока, имеющую более высокую плотность, будут сепарироваться во вторую выпускную секцию. Остальная часть потока флюида, представляющая собой составляющие потока, имеющие меньшую плотность, будет выходить через задний конец второго трубчатого элемента. Границы, разделяющие эти различающиеся между собой части потока, будут зависеть от содержимого потока у входа в устройство.
После того как составляющие флюида, имеющие меньшую плотность, поступят во второй трубчатый элемент, происходит понижение давления и, в возможном варианте, повышение скорости. В результате более тяжелые флюиды, поступившие во второй трубчатый элемент, будут принудительно отжиматься к его внутренней стенке таким же образом, как это происходит с потоком, вращающимся внутри первого трубчатого элемента. Для удаления флюидов, имеющих более высокую плотность, из внутреннего объема второго трубчатого элемента данный элемент согласно изобретению по меньшей мере на части своей длины снабжен сквозными отверстиями. Часть второго трубчатого элемента, сформированная с отверстиями, может находиться на расстоянии от переднего конца второго трубчатого элемента, причем данное расстояние может составлять 1-10 диаметров этого внутреннего элемента. Данное второе сепарирование присутствующих более тяжелых флюидов от флюидов, имеющих меньшую плотность, составляет вторую стадию процесса функционирования двухсекционного сепаратора. Более тяжелые флюиды, сепарированные на второй стадии, попадают во вторую выпускную секцию, предназначенную для флюидов такого типа и отводящую их в тот же контейнер, т.е. в контейнер, наполняемый из первой выпускной секции.
Поскольку в данном варианте обе выпускные секции ведут к одному и тому же контейнеру, т.е. к отстойнику для жидкости, можно обойтись только одной системой регулировки сепарации в устройстве. Тем самым обеспечивается преимущество по сравнению с вариантом, в котором используют два сепаратора, установленные последовательно друг за другом.
В процессе нормального функционирования устройства жидкость будет собираться в нижней части общего контейнера. Сепарированные объемы жидкости будут приводиться по выпускным секциям в зону, которая расположена ниже нормального уровня жидкости в контейнере. При этом уровни жидкости в двух выпускных секциях будут отличаться друг от друга, поскольку для данных секций давления на стадиях сепарирования различаются между собой.
Второй трубчатый элемент можно также считать выводящей трубой для флюидов с меньшей плотностью. Согласно одному из аспектов изобретения данный элемент по меньшей мере в своей передней части внутри и снаружи имеет круглое поперечное сечение. Согласно другому аспекту изобретения данный элемент имеет такое сечение по всей своей длине. Предусмотрена также возможность сформировать второй трубчатый элемент с другой наружной формой в той части трубы, через которую проходят сквозные отверстия.
Согласно одному аспекту изобретения предусмотрена возможность установить внутри первого или второго трубчатого элемента противовихревое средство, причем во втором трубчатом элементе оно должно быть помещено за той его частью, в которой выполнены отверстия. Когда устройство сконструировано в виде горизонтального поточного сепаратора, флюид из второго трубчатого элемента может выходить в первый трубчатый элемент при условии, что первый трубчатый элемент выступает за задний конец второго трубчатого элемента. В таком варианте противовихревое средство можно разместить в первом трубчатом элементе. Если устройство сконструировано в виде вертикального поточного сепаратора, противовихревое средство может быть позиционировано у заднего конца второго трубчатого элемента. Данное средство предназначено для возвращения потока в его "нормальный" режим, т.е. для выведения его из состояния вращения.
Согласно другому аспекту изобретения перед компонентом, создающим вращение, может быть установлен смеситель, перемешивающий поток флюида перед приведением его в состояние вращения.
Длина первого трубчатого элемента за компонентом, создающим вращение, и перед вторым трубчатым элементом должна быть достаточной для сепарирования газа и жидкости. В типичном варианте она в 3-20 раз больше внутреннего диаметра первого трубчатого элемента. При такой длине поток будет иметь время для стабилизации и обеспечивается хорошее сепарирование флюидов, различающихся по плотности.
Сепарационное устройство, выполненное согласно изобретению, особенно эффективно в случае непрерывного потока газа.
Согласно следующему аспекту изобретения для флюидов, имеющих меньшую плотность (т.е. для газа), можно установить также рециркуляционную линию, проходящую в обратном направлении от контейнера до компонента, создающего вращение. Вход такой линии может находиться выше уровня жидкости в контейнере и вести к корпусу данного компонента. Этот корпус имеет выход, расположенный у заднего конца данного компонента, и (в возможном варианте) центральный канал. В центральной части потока за компонентом, создающим вращение, создается низкое давление, инициирующее в рециркуляционной линии эффект подсасывания. Тем самым гарантируется, что газ, захваченный сепарированной жидкостью, возвращается обратно в основной поток. В одном из вариантов таким газом может быть газ, захваченный жидкостью, поступившей в первую выпускную секцию.
Согласно аспекту изобретения диаметр первого трубчатого элемента может быть сопоставим с диаметром трубопровода, ведущего к входу устройства. В этом аспекте данный вход можно сформировать одним из концов первого трубчатого элемента. Выход для более легких флюидов, т.е. для газа, в одном из вариантов следует сформировать другим концом первого трубчатого элемента, а в другом варианте - вторым трубчатым элементом. Такое техническое решение обычно рассматривается как устройство поточного типа.
В рамках одного аспекта изобретения устройство может быть сконструировано так, чтобы продольная ось первого и второго трубчатых элементов проходила в горизонтальном направлении. Такое устройство можно считать горизонтальным сепаратором, а в возможном варианте - горизонтальным поточным сепаратором. Согласно другому аспекту изобретения устройство может быть сконструировано так, чтобы продольные оси первого трубчатого элемента и по меньшей мере части второго трубчатого элемента проходили в вертикальном направлении. Такое устройство можно считать вертикальным сепаратором, а в возможном варианте - вертикальным поточным сепаратором. По меньшей мере часть второго трубчатого элемента может располагаться внутри первого трубчатого элемента, причем, по существу, соосно ему.
Согласно одному из аспектов изобретения первая и вторая выпускные секции могут быть частично сформированы первым и вторым трубчатыми элементами и разделены разделительной пластиной, которая проходит в контейнере до зоны, расположенной ниже нормального уровня жидкости в контейнере.
В одном из вариантов, в котором сепаратор выполнен в своей горизонтальной версии, первая выпускная секция может быть сформирована кольцевым зазором, перекрытым на одном конце разделительной пластиной, и через соединительный узел продолжена из первого трубчатого элемента вниз, к контейнеру. В этом случае разделительная пластина имеет первую часть, охватывающую второй трубчатый элемент и проходящую между ним и первым трубчатым элементом, образуя барьер для сепарированных флюидов, протекающих в кольцевой зоне. Кроме того, разделительная пластина может иметь вторую часть, проходящую из кольцевого зазора через соединительный узел в контейнер до зоны, расположенной ниже нормального уровня жидкости в контейнере, и, тем самым, формирующую участок границы первой выпускной секции. Вторая часть может быть выполнена в виде продолжения первой части. Разделительную пластину в одном из вариантов ее конфигурации можно выполнить так, чтобы она лежала в одной плоскости.
В добавление к сказанному, может быть предусмотрено наличие торцевой пластины, проходящей от заднего конца второго трубчатого элемента через кольцевой зазор до внутренней поверхности первого трубчатого элемента. В таком варианте торцевая пластина образует в кольцевом зазоре барьер, а вторая выпускная секция сформирована первым трубчатым элементом, вторым трубчатым элементом (той его частью, в которой выполнены отверстия), разделительной пластиной и торцевой пластиной и продолжена через соединительный узел вниз, в контейнер. В результате она, проходя через соединительный узел в контейнер, окажется, по сравнению с первой выпускной секцией, на другой стороне разделительной пластины. Предусмотрена возможность позиционировать разделительную пластину в соединительном узле и в контейнере по оси соединительного узла или со смещением относительно этой оси. Положение разделительной пластины будет зависеть от содержимого потока, который проходит через устройство.
В вертикальной версии сепаратора предусмотрено такое положение разделительной пластины, при котором ее первая часть отходит на определенное расстояние от второго трубчатого элемента в кольцевой зазор, а продолжающая ее вторая часть проходит параллельно первому трубчатому элементу. Первая часть разделительной пластины расположена до сквозных отверстий второго трубчатого элемента. Разделительная пластина будет разделять кольцевой зазор на первую и вторую выпускные секции, расположенные соответственно у внешней и внутренней сторон данной пластины. Располагаясь параллельно первому трубчатому элементу, разделительная пластина формирует цилиндр, который будет проходить через соединительный узел и, далее, в контейнер. Второй трубчатый элемент, образуя изгиб, пройдет через разделительную пластину и первый трубчатый элемент.
В другом варианте кольцевой зазор у одного конца может быть перекрыт разделительной пластиной, конкретно, ее первой частью, причем предусмотрена возможность наличия выхода, ведущего из кольцевого зазора к трубе, проходящей в контейнер, и, далее к зоне, расположенной ниже нормального уровня жидкости в контейнере. Вторую выпускную секцию можно сформировать другим трубчатым элементом, сообщающимся с отверстиями второго трубчатого элемента. Этот трубчатый элемент также будет проходить в контейнере к зоне, расположенной ниже нормального уровня жидкости в контейнере. Таким образом, вторая выпускная секция может быть сформирована без участия кольцевого зазора, окружающего второй трубчатый элемент.
В одной из частей второго трубчатого элемента выполнено несколько сквозных отверстий. Согласно одному из аспектов изобретения по меньшей мере часть этих отверстий распределена по периметру второго трубчатого элемента. В горизонтальной версии сепаратора эти отверстия будут расположены в нижней зоне данного элемента, например в его нижней половине или нижней трети. В вертикальной версии сепаратора их можно разместить по всему периметру данного элемента. Предусмотрена возможность распределить данные отверстия в зоне их присутствия равномерно или сгруппировать.
Согласно другому аспекту изобретения отверстия выполнены так, что центральная ось отверстия ориентирована под углом к радиальной оси второго трубчатого элемента. Под радиальной осью подразумевается ось, перпендикулярная продольной оси данного элемента. Для такой ориентации отверстий у одной из сторон отверстия будет сформирована кромка материала. Угол может быть задан относительно поперечной плоскости или его можно выбрать в данной плоскости относительно продольной оси второго трубчатого элемента. Возможна также комбинация этих вариантов. Предусмотрена и другая возможность, а именно формирование отверстия с боковой стенкой, часть которой расположена под углом относительно остальной зоны боковой стенки.
Согласно другому аспекту изобретения отверстия могут быть сформированы в виде прорезей. В этом варианте выполнения протяженность отверстий в одном направлении больше, чем в другом, т.е. можно говорить о длине и ширине отверстий. В другом варианте выполнения они могут быть эллиптическими или круглыми. Согласно другому аспекту изобретения несколько прорезей можно расположить так, чтобы направление их продольной оси было параллельно продольной оси второго трубчатого элемента. В альтернативном варианте продольная ось прорезей может быть ориентирована под углом относительно продольной оси или по спирали. Кроме того, второй трубчатый элемент можно сформировать, используя комбинацию отверстий разного типа, ведущих во вторую выпускную секцию.
Согласно изобретению предлагается также способ сепарирования многофазного потока флюида в трубе, включающий следующие операции:
- посредством компонента, создающего вращение, который установлен за входом в первый трубчатый элемент, приводят поток текучей среды во вращение,
- на первой стадии сепарирования обеспечивают возможность текучим средам, имеющим более высокую плотность, отделиться на заданное расстояние от потока текучих сред, имеющих меньшую плотность,
- проводят отделившиеся текучие среды, имеющие меньшую плотность, через второй трубчатый элемент, по меньшей мере частично расположенный внутри первого трубчатого элемента,
- сепарируют текучие среды, имеющие более высокую плотность, в первую выпускную секцию,
- отводят через выполненные во втором трубчатом элементе прорези захваченные текучие среды, имеющие более высокую плотность, от сепарированных текучих сред, имеющих меньшую плотность, и направляют захваченные текучие среды, имеющие более высокую плотность, во вторую выпускную секцию.
Согласно одному из своих аспектов способ включает направление флюидов из обеих выпускных секций в общий контейнер, который предназначен для флюидов, имеющих более высокую плотность, т.е. для жидкости с возможным содержанием частиц.
Краткое описание чертежей
Далее, со ссылками на прилагаемые чертежи, рассмотренные и другие особенности изобретения будут разъяснены более подробно при описании двух вариантов его осуществления, которые приведены только в качестве примеров, не имеющих ограничительного характера.
На фиг. 1 представлен в разрезе первый вариант изобретения.
На фиг. 1А первый вариант представлен на виде спереди.
На фиг. 1В первый вариант представлен на виде сверху и с удаленными наружными элементами.
На фиг. 2 представлен второй вариант изобретения.
На фиг. 2А второй вариант представлен на виде спереди.
На фиг. 2В второй вариант осуществления представлен на виде сверху и с удаленными наружными элементами.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 представлен вариант изобретения, в котором устройство выполнено в виде горизонтального поточного сепаратора. Фиг. 1А и 1В иллюстрируют этот же вариант на различных видах. Устройство содержит первый трубчатый элемент 10, имеющий передний конец 16 и задний конец 17 с соединительными узлами 18 для подключения к трубопроводу. Элемент 10 представляет собой трубу, имеющую круглое поперечное сечение и гладкую внутреннюю поверхность 15. Передний конец 16 образует вход 13 в сепаратор. Далее по ходу потока относительно входа 13 может быть установлен смеситель 14, как это показано на чертеже для данного варианта. За смесителем 14 и входом 13 расположен компонент 11, создающий вращение. В данном варианте он представляет собой зафиксированный элемент, вокруг корпуса 19 которого выполнены направляющие ребра 12, приводящие поток флюида во вращение или в вихревое движение. Пройдя за компонент 11, поток начнет вращаться, и находящиеся в нем более тяжелые составляющие (составляющие потока с более высокой плотностью) будут проявлять тенденцию к переходу в ту часть трубы, которая расположена у внутренней поверхности 15 первого трубчатого элемента 10, в то время как более легкие составляющие (составляющие потока с меньшей плотностью) будут проявлять тенденцию к переходу ближе к продольной оси данного элемента.
За компонентом 11, создающим вращение, на расстоянии от него установлен второй трубчатый элемент 20. Он расположен внутри первого трубчатого элемента 10 соосно с ним. Передним концом 23 элемента 20 образован выход 25 для поступающих из первого трубчатого элемента 10 флюидов, имеющих меньшую плотность (т.е. для газа), поскольку трубчатый элемент 20 внутри первого трубчатого элемента 10 охватывает внутреннюю часть потока. Между наружной поверхностью 22 второго трубчатого элемента 20 и внутренней поверхностью 15 первого трубчатого элемента 10 сформирован кольцевой зазор 27, образующий часть первой выпускной секции 30 для более тяжелых составляющих потока флюида, когда такая составляющая переходит в удаленную от центра зону трубы, прилегающую к внутренней поверхности 15 первого трубчатого элемента 10. Кольцевой зазор 27, перекрытый первой частью 34 разделительного элемента (разделительной пластины 33), через соединительный узел 37 ведет к контейнеру 40 для более тяжелых составляющих потока флюида, т.е. для жидкой составляющей. Более тяжелые составляющие, поступающие в кольцевой зазор 27, который в данном варианте образует первую выпускную секцию 30, проходят вниз, в контейнер 40, обычно именуемый отстойником для жидкости.
Контейнер 40 имеет выход 41 для жидкости, т.е. для более тяжелой составляющей потока флюида. Предусмотрено также индикаторное средство 43, которое используют для регулирования уровня жидкости в контейнере. Кроме того, в канале, ведущем в контейнер 40, могут находиться прерыватели 42, предотвращающие разбрызгивание внутри контейнера 40. Как показано на чертеже, в данном варианте из контейнера 40 выходит также рециркуляционная линия 45, по которой рециркулирующий газ или составляющие потока флюида, имеющие меньшую плотность, возвращаются в первый трубчатый элемент 10. Линия 45 выходит из верхней зоны контейнера 40, находящейся выше уровня жидкости в нем, и в данном варианте ведет к корпусу 19 компонента 11, создающего вращение. В корпусе 19 выполнены центральный канал и отверстия 46. Данные отверстия расположены у заднего конца корпуса, причем им придана конфигурация, позволяющая выходящему из корпуса 19 газу перемещаться по отношению к потоку преимущественно в радиальном направлении. Поток газа, проходящий от контейнера 40 к первому трубчатому элементу 10, создается за счет всасывающего давления во вращающемся потоке за компонентом 11, создающим вращение. Предусмотрена возможность использовать и другие конфигурации рециркуляционной линии, например ее можно расположить у наружной стороны корпуса компонента 11 так, что она будет заканчиваться за задним концом этого корпуса.
Согласно изобретению второй трубчатый элемент 20 на расстоянии от своего переднего конца 23 имеет участок, на котором через его стенку проходит по меньшей мере одно отверстие (или прорезь) 26. Поступая во второй трубчатый элемент 20, флюид все еще вращается, и вошедшие более тяжелые составляющие потока (другими словами, жидкость) будут (будет) отжиматься в сторону внутренней поверхности 21 элемента 20. Попав в участок трубы, снабженный прорезями 26, эта жидкость будет выходить через них из элемента 20, причем данные прорези ведут во вторую выпускную секцию 31. В этом варианте вторая выпускная секция 31 образована второй зоной кольцевого зазора 27, расположенного между первым и вторым трубчатыми элементами 10, 20. Вторая выпускная секция 31 отделена от первой выпускной секции 30 разделительной пластиной 33, а в другом конце кольцевого зазора 27 между задними концами трубчатых элементов 10, 20 установлена торцевая пластина 36. Первая часть 34 разделительной пластины 33 находится в кольцевом зазоре, а вторая ее часть 35 проходит через соединительный узел 37 в контейнер 40 до зоны, расположенной ниже возможного нормального уровня жидкости в контейнере. В результате жидкость в контейнере будет выполнять функцию жидкого затвора между двумя выпускными секциями. Таким образом, соединительный узел 37 задает две раздельные траектории потока, ведущие из первого трубчатого элемента 10 в контейнер 40 и образующие две выпускные секции, а именно первую и вторую выпускные секции 30, 31. При этом предусмотрена возможность установить на участке второй выпускной секции прерыватели 42, предотвращающие разбрызгивание внутри контейнера. Поскольку две выпускные секции 30, 31 разделены разделительной пластиной, а в нижней зоне контейнера предусмотрен жидкий затвор, в двух частях контейнера уровни жидкости будут различаться между собой. Уловленный газ вместе с жидкостью, выходящей из первого трубчатого элемента через первую выпускную секцию, будет по рециркуляционной линии возвращаться обратно в данный элемент, а уловленный газ вместе с жидкостью, выходящей из трубчатого элемента через вторую выпускную секцию, будет переходить обратно через прорези второго трубчатого элемента 20. Чтобы придать осевой характер потоку газа у выхода из заднего конца 17 первого трубчатого элемента 10, предусмотрена возможность установить на заднем конце элемента 20 противовихревое средство 32. Данное средство можно исключить из схемы или установить во втором трубчатом элементе 20, если продлить его по своей длине до заднего конца устройства. В своей нижней части контейнер 40 может иметь форму полусферы, эллипса или конуса. Кроме того, предусмотрена возможность установить противовихревое средство в выходной части контейнера.
На фиг. 2, 2А и 2В представлен второй вариант изобретения. Проиллюстрированное на данных чертежах устройство для сепарирования согласно изобретению выполнено в версии вертикального поточного сепаратора. Элементы, сходные с элементами первого варианта, имеют те же цифровые обозначения, и к ним применимы соответствующие части описания первого варианта. Далее комментируются только отличительные особенности второго варианта.
В этом варианте первый трубчатый элемент 10 имеет продольную ось А, ориентированную, по существу, в вертикальном направлении. Продольная ось первого участка второго трубчатого элемента 20 совпадает с осью первого трубчатого элемента 10. У этого первого участка имеются передний конец 24 и участок с прорезями 26. Далее по ходу потока второй трубчатый элемент 20 отогнут в направлении, перпендикулярном продольной оси первого трубчатого элемента 10, и образует выход сепарирующего устройства, предназначенный для составляющей с меньшей плотностью, т.е. для газа. В данном варианте перед поворотом (изгибом) второго трубчатого элемента 20 можно установить противовихревое средство, но можно установить его также и после поворота элемента 20 или вообще исключить из схемы. В первом варианте разделительная пластина (разделительный элемент) 33 представляет собой пластину, ориентированную, по существу, перпендикулярно продольной оси А первого и второго трубчатых элементов 10, 20. Во втором варианте разделительная пластина 33 имеет другую форму, хотя имеет ту же функциональность, что и в первом варианте. В данном случае у нее имеется первая часть 34, отходящая в радиальном направлении на определенное расстояние от наружной поверхности 22 второго трубчатого элемента 20 в кольцевой зазор 27, сформированный между первым и вторым трубчатыми элементами 10, 20. Таким образом, эта первая часть 34 имеет форму диска. Затем разделительная пластина 33 продолжается в виде второй части 35 в направлении, параллельном продольной оси А первого трубчатого элемента 10, приобретая форму трубы или цилиндра, и проходит через соединительный узел 37 в контейнер 40 до уровня ниже нормального уровня L жидкости в контейнере. В результате флюид в контейнере 40 будет выполнять функцию жидкого затвора.
В данном варианте предусмотрено также наличие смесителя у входа в устройство (хотя на чертежах он не изображен). В обоих вариантах в первой и второй выпускных секциях 30, 31 могут быть установлены тонкие противовихревые пластины 44, гасящие водовороты в потоке флюида после его отделения от потока флюида, имеющего меньшую плотность, т.е. от газа.
В данном описании изобретение разъяснено со ссылками на два варианта его осуществления, не имеющих ограничительного характера. Специалисту в этой области будет понятно, что в этих вариантах могут быть сделаны изменения и модификации, не выходящие за заданные в формуле границы объема изобретения. Кроме того, следует упомянуть, что, если в потоке флюида ожидается сильное увеличение осадков жидкости или переходных состояний, предусмотрена возможность установить последовательно несколько устройств, выполненных согласно изобретению.
1. Устройство для сепарирования потока текучей среды, состоящего по меньшей мере из двух текучих сред, различающихся по плотности, при этом устройство содержит:
- первый трубчатый элемент (10), снабженный компонентом (11), создающим вращение в потоке текучей среды за входом (13) в первый трубчатый элемент (10), и
- второй трубчатый элемент (20), по меньшей мере, частично расположенный внутри первого трубчатого элемента (10) за компонентом (11), создающим вращение, и формирующий выход (25) для текучих сред с меньшей плотностью, при этом
- первый и второй трубчатые элементы (10, 20) образуют между внутренней поверхностью (15) первого трубчатого элемента (10) и наружной поверхностью (22) второго трубчатого элемента (20) кольцевой зазор (27), соединенный с первой выпускной секцией (30) для текучих сред, имеющих более высокую плотность,
- второй трубчатый элемент (20), по меньшей мере, на части своей длины снабжен сквозными отверстиями (26), проходящими сквозь его стенку и ведущими во вторую выпускную секцию (31) для текучих сред, имеющих более высокую плотность, а
- первая выпускная секция (30) и вторая выпускная секция (31) присоединены к общему контейнеру (40), снабженному выходом (41) для текучих сред, имеющих более высокую плотность.
2. Устройство по п. 1, в котором первая выпускная секция (30) и вторая выпускная секция (31) частично сформированы первым и вторым трубчатыми элементами (10, 20) и разделены разделительной пластиной (33), проходящей в контейнере (40) до зоны, расположенной ниже нормального уровня жидкости в контейнере.
3. Устройство по п. 1, в котором продольная ось первого и второго трубчатых элементов (10, 20) ориентирована в горизонтальном направлении.
4. Устройство по п. 1, в котором продольная ось первого трубчатого элемента (10) и, по меньшей мере, участка второго трубчатого элемента (20) ориентирована в вертикальном направлении.
5. Устройство по п. 2 или 3, в котором разделительная пластина (33) имеет первую часть (34), которая охватывает второй трубчатый элемент (20) и расположена между вторым трубчатым элементом (20) и первым трубчатым элементом (10), формируя барьер для сепарированных текучих сред, протекающих в кольцевой зоне.
6. Устройство по п. 5, в котором разделительная пластина (33) имеет вторую часть (35), которая является продолжением первой части (34) и проходит от кольцевого зазора внутри контейнера (40) до зоны, расположенной ниже нормального уровня жидкости в контейнере (40), формируя барьер между первой и второй выпускными секциями (30, 31).
7. Устройство по п. 1, в котором второй трубчатый элемент (20), по меньшей мере, частично расположен внутри первого трубчатого элемента (10), по существу, соосно с ним.
8. Устройство по п. 1, в котором, по меньшей мере, часть указанных сквозных отверстий (26) распределена по периметру второго трубчатого элемента.
9. Устройство по п. 1, в котором центральная ось каждого сквозного отверстия (26) ориентирована под углом к радиусу второго трубчатого элемента (20).
10. Устройство по п. 1, в котором сквозные отверстия (26) сформированы в виде прорезей.
11. Устройство по п. 10, в котором продольные оси прорезей параллельны продольной оси второго трубчатого элемента (20).
12. Способ сепарирования потока многофазной текучей среды в трубе, включающий следующие операции:
- посредством компонента, создающего вращение, который установлен за входом в первый трубчатый элемент, приводят поток текучей среды во вращение,
- на первой стадии сепарирования обеспечивают возможность текучим средам, имеющим более высокую плотность, отделиться на заданное расстояние от потока текучих сред, имеющих меньшую плотность,
- проводят отделившиеся текучие среды, имеющие меньшую плотность, через второй трубчатый элемент, по меньшей мере, частично расположенный внутри первого трубчатого элемента,
- сепарируют текучие среды, имеющие более высокую плотность, в первую выпускную секцию,
- отводят через отверстия, проходящие сквозь стенку второго трубчатого элемента, захваченные текучие среды, имеющие более высокую плотность, от сепарированных текучих сред, имеющих меньшую плотность, и направляют захваченные текучие среды, имеющие более высокую плотность, во вторую выпускную секцию.
