РАЗДЕЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА, СОДЕРЖАЩАЯ ВИХРЕВОЙ КЛАПАН Российский патент 2013 года по МПК B01D45/16 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к разделительной системе, содержащей вихревой клапан, технологической системе, содержащей такую разделительную систему, способу разделения потока текучей среды и способу обработки текучей среды.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В нефтяной и газовой промышленности распределительные клапаны используют для регулирования давления, уровня, температуры и расхода потока. В некоторых случаях эти распределительные клапаны работают в условиях, способствующих засорению, как только в пределах распределительного клапана возникает значительный перепад давления. При обработке природного газа это снижение давления в пределах клапана вызывает падение температуры без отведения теплоты от газа или без совершения им работы. Этот процесс так называемого изоэнтальпийного расширения (дросселирования) также известен как охлаждение по Джоулю-Томпсону (JT). Клапан, создающий это снижение давления, называется JT-клапаном. Эффект охлаждения в JT-клапане используют для конденсации части потока природного газа, чтобы сжиженную фракцию можно было отделить в резервуаре. Движущей силой большинства этих разделительных резервуаров являются либо силы инерции, либо силы тяжести, или, другими словами, эффективность разделения определяют массы капель сжиженного вещества. Такой Низкотемпературный Сепаратор, которому предшествует JT-клапан, обычно называют JT-LTS-системой.

Даже если основным назначением JT-клапана является регулирование величины расхода потока, часто забывают о том, что вторая функция заключается в создании отделяемой жидкостной фазы. В газообрабатывающей промышленности средний размер капель, образующихся в результате изоэнтальпийного расширения в JT-клапане, неизвестен, поэтому эффективность разделения размещенных ниже по потоку фазоразделителей в значительной мере неизвестна. Время от времени возникают проблемы, связанные с качеством газа, вследствие субоптимальной эффективности разделения. В таких случаях это представляет собой точку росы углеводородов, которая остается слишком высокой, что проявляется в том, что главным образом углеводородные капли склонны быть слишком мелкими.

Известны JT-клапаны, которые могут быть применены для регулирования величины расхода потока, но которые в то же время предназначены для создания жидкостной фазы, которую можно отделить относительно просто.

Публикация международной патентной заявки WO2006/070020А1 описывает дроссельный клапан, имеющий картер, корпус клапана, который подвижно размещают в картере для регулирования величины расхода потока текучей среды, протекающей из впускного канала для текучей среды в выпускной канал для текучей среды в клапане, таким образом, что поток текучей среды расширяется и охлаждается. Также предусмотрено вихреобразующее устройство, которое создает закручивающееся движение потока текучей среды, протекающей через выпускной канал для текучей среды. Вихреобразующее устройство ориентируют так, чтобы поток текучей среды закручивался вокруг продольной оси выпускного канала для текучей среды, тем самым вовлекая капли жидкости в завихрение в сторону наружной периферии выпускного канала для текучей среды и обусловливая их слияние. При выполнении этого размер капель жидкости, которая течет через выпускной канал для текучей среды, является относительно большим, позволяя более эффективно проводить процесс разделения. Более подробное разъяснение публикации WO2006/070020А1 будет приведено ниже с привлечением фиг.1а и 1b.

Подобный клапан представлен публикацией WO2007/024138А1, поданной от имени фирмы Typhonix AS. Публикация WO2007/024138А1 описывает регулировочный клапан, который предназначен для максимизации размера капель жидкости, выходящей из клапана.

Публикация WO2006/070020А1 раскрывает вихревой клапан, который увеличивает размер капель созданием закручивающегося движения потока для повышения общей эффективности разделения. Клапан также можно назвать клапаном сброса давления (таким, какой используют в JT-LTS-системах).

Для достижения достаточного разделения, ниже по потоку относительно такого вихревого клапана могут потребоваться крупные и дорогостоящие фазоразделители.

Хотя приведенные в этом тексте примеры главным образом касаются отделения капель жидкости от потоков газа (капельной дисперсии в газовых потоках), можно использовать представленные варианты исполнения для увеличения пузырьков, диспергированных в жидкостных потоках, или для увеличения капельных дисперсий в потоках жидкостей. Таким образом, диспергированные многофазные потоки могут включать следующее:

капли жидкости (дисперсная фаза) в газообразном носителе (сплошная фаза),

газовые пузырьки (дисперсная фаза) в жидкостном носителе (сплошная фаза),

капли жидкости (дисперсная фаза) в (несмешивающемся) жидкостном носителе (сплошная фаза).

Сначала более подробно описан пример конструкции вихревого клапана, раскрытого в публикации WO2006/070020А1.

Увеличение среднего диаметра дисперсной фазы

В отношении клапанов сброса давления (таких как JT-клапаны), капли могут быть сформированы согласно 3 основным механизмам:

1) разрушением многослойных фаз действием межфазного сдвига;

2) нуклеацией/кавитацией из сплошной фазы (соответственно, конденсацией газа/испарением жидкости);

3) слиянием капель в более крупные капли и вплоть до образования многослойных фаз.

Для первых двух механизмов главенствующей характеристикой является межфазное натяжение. Чем ниже межфазное натяжение, тем мельче получаются капли/пузырьки в результате процесса формирования капель или пузырьков.

Третий механизм (слияние) характеризуется пропорциональностью частоте столкновений между каплями, которая зависит от численной плотности капель, интенсивности турбулентности, и относительной скорости капель.

Фиг.1а схематически изображает традиционный (невихревой) клапан с сетчатым затвором для системы регулирования потока, поставляемый фирмой Mokveld Valves B.V., в котором поток текучей среды дросселируют с использованием перфорированной втулки или проволочной сетки 23, которая соединена с корпусом 22 клапана плунжерного типа.

Традиционный дроссельный клапан Mokveld, показанный на фиг.1а, включает картер 21 клапана, в котором корпус 22 клапана плунжерного типа размещают с возможностью скольжения в связанной с ним перфорированной втулке 23 таким образом, что при вращении зубчатого колеса 24 на валу 25 клапана зубчатый шток 26 плунжера проталкивает корпус 22 клапана плунжерного типа вверх и вниз в выпускной канал 27 для текучей среды, как иллюстрировано стрелкой 28. Клапан имеет впускной канал 29 для текучей среды, который имеет кольцеобразную секцию 29А ниже по потоку, которая может окружать плунжер 22 и/или перфорированную втулку 23, и поток текучей среды, которому обеспечивают возможность протекать из впускного канала 29 для текучей среды в выпускной канал 27 для текучей среды, регулируют осевым положением корпуса 22 клапана плунжерного типа относительно связанной с ним перфорированной втулки 23.

Традиционная втулка 23 включает перфорации 30 в виде пазов или отверстий, которые имеют радиальную ориентацию, то есть, перпендикулярно цилиндрической поверхности втулки 23. Это показано на фиг.1b, представляющей вид поперечного сечения клетки 23 из фиг.1а.

Перемещением плунжера 22 во втулке 23 в осевом направлении можно регулировать площадь сечения потока.

Этот клапан согласно фиг.1а и 1b может быть усовершенствован использованием доступного свободного давления для изоэнтальпийного расширения, чтобы создать закручивающийся поток, образуемый специфической геометрической формой клапанного механизма и/или штока клапана. Затем кинетическая энергия в основном рассеивается при успокоении вихревого движения вдоль длины протяженной трубы ниже по потоку относительно клапана.

Преимущество создания вихревого потока в клапане является двояким:

1. Равномерный профиль скорости → меньший межфазный сдвиг → меньшее разрушение капель → более крупные капли, и

2. Концентрирование капель по окружной периферии площади сечения потока → большая численная плотность → усиленное слияние → более крупные капли.

Эти преимущества более подробно разъяснены ниже с привлечением фиг.3а-b и 4а-b, показывающих на качественном уровне различие в картине течения и распределении плотности капель.

Хотя для создания вихревого потока мог бы быть пригодным любой клапан сброса давления, в приведенных примерах обсуждается клапан с сетчатым затвором, поставляемый фирмой Mokveld.

Согласно усовершенствованному клапану, поток дросселируют через перфорированный цилиндр (клетку). На фиг.1b эти перфорации - пазы или отверстия - имеют радиальную ориентацию, то есть, перпендикулярны поверхности цилиндра. Перемещением плунжера в осевом направлении можно регулировать площадь сечения потока, как показано на фиг.1а.

Вихревой клапан, показанный на фиг.2а, содержит картер 1 клапана, в котором размещают корпус 2 клапана плунжерного типа с возможностью скольжения в связанной с ним перфорированной втулке или клетке 3, таким образом, что при вращении зубчатого колеса 4 на валу 5 клапана зубчатый шток 6 плунжера проталкивает корпус клапана плунжерного типа вверх и вниз в выпускной канал 7 для текучей среды, как иллюстрировано стрелкой 8. Клапан имеет впускной канал 9 для текучей среды, который имеет кольцеобразную секцию 9А ниже по потоку, которая может окружать плунжер 2 и/или перфорированную втулку 3, и поток текучей среды, которому обеспечивают возможность протекать из впускного канала 9 для текучей среды в выпускной канал 7 для текучей среды, регулируют осевым положением корпуса 2 клапана плунжерного типа относительно связанной с ним перфорированной втулки 3. Кроме того, клапан может включать конический центральный обтекатель 15, который является по существу соосным с центральной осью 11 выпускного канала 7 для текучей среды, и который формирует выпускной канал 7, имеющий постепенно увеличивающуюся площадь поперечного сечения в направлении ниже по потоку, тем самым создавая управляемое замедление потока текучей среды в выпускном канале 7, и завихрение с коэффициентом завихрения, который стимулирует рост и слияние капель сконденсированной текучей среды.

Фиг.2b иллюстрирует втулку 3 в вихревом клапане перфорированную, включающую наклонные или нерадиальные перфорации 10, которые просверлены в выбранной частично касательной ориентации относительно центральной оси 11 выпускного канала 7 для текучей среды так, что продольная ось 12 каждой из перфораций 10 пересекает центральную ось 11 на расстоянии D, величина которого варьирует между 0,2 и 1, предпочтительно между 0,5 и 0,99 величины внутреннего радиуса R втулки 3.

Наклонные перфорации 10 создают закручивающееся течение в потоке текучей среды, протекающей через выпускной канал 7 для текучей среды, как иллюстрировано стрелкой 14. Вихревое движение также может быть создано специфической геометрической формой клапанного механизма и/или штока клапана. В клапане согласно фиг.2а и 2b доступное свободное давление используют для адиабатического расширения, чтобы создать закручивающееся течение потока текучей среды. Поскольку никакая термодинамическая работа не совершается или обеспечивается расширяющейся текучей средой по отношению к ее окружению, указанное адиабатическое расширение является близким к изоэнтальпийному процессу. Кинетическая энергия в основном рассеивается при успокоении вихревого движения вдоль длины протяженной трубы ниже по потоку относительно клапана.

Хотя для создания закручивающегося течения мог бы быть пригодным любой клапан Джоуля-Томсона или другой клапан типа воздушной и/или дроссельной заслонки, в приведенных примерах используют дроссельный клапан типа воздушной заслонки, как поставляемый фирмой Mokveld Valves B.V., и представленный в публикации WO2004083691.

Согласно фиг.2а и 2b пазы или отверстия сформированы в тангенциальном направлении так, что течение начинает закручиваться после прохождения клетки. Это оказывает влияние на картину течения, создаваемую ниже по потоку относительно клетки, как на качественном уровне показано на фиг.4а и 4b.

Фиг.3а и 3b схематически изображают картину течения и распределение плотности капель, соответственно, которые присущи традиционному клапану, как показанному, например, на фиг.1а и 1b. Картина течения и распределение плотности капель соответственно вихревому клапану, как показанному, например, на фиг.2а и 2b, схематически изображены на фиг.4а и 4b, соответственно.

Картина течения в клапане с сетчатым затвором, с радиальными отверстиями, является весьма беспорядочной, как показано на фиг.3а, поэтому приложение высоких сдвиговых усилий обусловливает разрушение капель на более мелкие капельки. В вихревом клапане с тангенциальными отверстиями устанавливается более равномерная картина течения, создающая меньшую сдвиговую нагрузку, что имеет результатом меньшее разрушение капель, как можно видеть на фиг.4а.

Кроме того, закручивающийся поток текучей среды, как созданный в вихревом клапане, заставляет капли двигаться к наружной окружной поверхности поперечного сечения потока, где они легко объединяются в более крупные капли. Это показано на фиг.3b и 4b, изображающих распределения плотностей капель в клапане согласно фиг.1а и 2а, соответственно, где более темные штриховки обозначают более высокую плотность капель.

В общем, клапаны, в которых протекающему через них потоку текучей среды придают закручивающееся движение, будут называться как вихревые клапаны. Ниже по потоку относительно таких вихревых клапанов дополнительно могут быть предусмотрены фазоразделители для отделения капель жидкости. Во многих случаях требуется несколько фазоразделителей (сепараторные линии). Это является неблагоприятным, так как делает прототипные технические решения относительно громоздкими, тяжелыми и, тем самым, не очень экономически эффективными.

Такие вихревые клапаны и дополнительные фазоразделители могут быть использованы на потоках текучих сред, которые высвобождаются с высоким давлением, такие как скважинные текучие среды из подземных пластовых резервуаров (например, нефть и газ). В более общих понятиях, рассматриваемые текучие среды главным образом включают углеводородные газы и жидкости, или смеси, будь то разбавленные водной текучей средой (например, водой) или нет. Во время обработки указанных скважинных текучих сред давление снижается регулируемым образом, например, для охлаждения текучей среды (газа) или для испарения летучих компонентов текучей среды (нефти). В особенности для последнего процесса, снижение давления проводят вплоть до атмосферного давления для получения стабилизированной жидкости, тогда как для обработки газа снижение давления является только частичным, чтобы восстановить достаточную массовую плотность для экономичной транспортировки газа по трубопроводу. После всех этих стадий снижения давления фазоразделители могут быть использованы для отделения жидкостей от газа (например, воды и конденсата от газа), газов от жидкости (например, газа от нефти), и жидкости от жидкостей (например, нефти от воды или воды от нефти).

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Цель изобретения заключается в создании более компактной разделительной системы и технологической системы, включающей вихревой клапан.

Согласно одному аспекту создана система, содержащая впускной канал, вихревой клапан, предназначенный для принятия и контроля двухфазного потока текучей среды через проточный канал и для создания вихревого течения, закручивающегося вокруг центральной оси, причем разделительная система дополнительно включает разделительную камеру, размещенную ниже по потоку относительно вихревого клапана для принятия закручивающегося потока из вихревого клапана, первый и второй выпускные каналы, причем первый выпускной канал предназначен для принятия внутренней части закручивающегося потока, и второй выпускной канал предназначен для принятия наружной части закручивающегося потока. Создание такой системы позволяет обеспечить значительную экономию средств, в частности, на платформах для морской добычи.

Согласно дополнительному аспекту представлена технологическая система для обработки текучей среды, которая включает, по меньшей мере, одну вышеуказанную разделительную систему.

Согласно дополнительному аспекту представлен способ разделения потока текучей среды, включающий следующие стадии:

направление потока текучей среды в вихревой клапан для образования вихревого потока, закручивающегося вокруг центральной оси;

отделение внутренней части вихревого потока от наружной части из вихревого потока в разделительной камере, причем разделительная камера включает первый выпускной канал и второй выпускной канал, предназначенные для принятия внутренней части и наружной части, соответственно.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Ниже будут описаны варианты исполнения, только в качестве примера, с привлечением сопроводительных схематических чертежей, на которых соответствующие кодовые символы обозначают соответственные детали, и на которых показано следующее:

Фиг.1а, 1b, 2а и 2b схематически изображают известные клапаны.

Фиг.3а, 3b, 4а и 4b схематически изображают картины течения и распределения плотности капель согласно известному решению.

Фиг.5а-5е схематически изображают различные варианты исполнения.

Фиг.6а и 6b схематически изображают дополнительные варианты исполнения, включающие нагнетательное устройство.

Фиг.7а-7с схематически изображают варианты исполнения газообрабатывающей системы.

Фиг.8а-8d схематически изображают варианты исполнения системы для обработки нефти.

Фиг.9 показывает плотность капель/пузырьков как функцию диаметра капель/пузырьков для дополнительного разъяснения вариантов исполнения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ИСПОЛНЕНИЯ

Описанные ниже варианты исполнения представляют усовершенствованные разделительное устройство и способ разделения.

Как показано на фиг.5а, согласно одному варианту исполнения представлена разделительная система, включающая в себя впускной канал 16, вихревой клапан 100 для принятия и контроля потока текучей среды через впускной канал 16 и для создания вихревого потока, закручивающегося вокруг центральной оси 11, разделительную камеру 40, размещенную ниже по потоку относительно вихревого клапана 100 для принятия закручивающегося потока из вихревого клапана 100 и содержащую первый и второй выпускные каналы 41, 42, причем первый выпускной канал 41 предназначен для принятия внутренней части закручивающегося потока, и второй выпускной канал 42 предназначен для принятия наружной части закручивающегося потока.

Вихревой клапан 100 может быть таким, как показано на фиг.2а и 2b. В вихревом клапане 100 для создания закручивающегося движения используют доступное свободное давление в потоке текучей среды. Вихревой клапан 100 также может быть установлен для регулирования одного или более параметров из давления, уровня или расхода.

При концентрическом размещении первого и второго выпускных каналов 41, 42 относительно друг друга первый выпускной канал 41 принимает относительно легкую часть закручивающегося потока, тогда как второй выпускной канал 42 принимает относительно тяжелую часть закручивающегося потока, поскольку более тяжелая часть будет вытесняться на наружную периферию в результате вихревого движения.

Как первый выпускной канал 41, так и второй выпускной канал 42 могут быть сформированы из первого трубопровода 43 и второго трубопровода 44, соответственно, причем первый трубопровод 43 имеет меньший диаметр, чем второй трубопровод 44. Первая и вторая трубы 43, 44 могут быть размещены концентрически относительно центральной оси 11, тем самым формируя первый выпускной канал 41 и второй выпускной канал 42. Фиг.5d схематически изображает вид поперечного сечения первого и второго выпускных каналов 41, 42 (см. стрелки Vd на фиг.5b и 5с). Фиг.5d дополнительно показывает объемную плотность текучей среды, причем более темные штриховки обозначают более плотную текучую среду.

Таким образом, согласно одному варианту исполнения первый выпускной канал 41 расположен концентрически внутри второго выпускного канала 42 относительно центральной оси 11.

Следует отметить, что разделительная камера 40 предназначена для разделения двухфазного потока текучей среды на легкую и тяжелую часть. Термин «двухфазный» используют для обозначения потока, включающего по меньшей мере два компонента, имеющих различные плотности, так что разделение происходит в закручивающемся потоке. Две фазы могут быть жидкостно-жидкостной, газо-жидкостной, твердофазно-жидкостной или газо-твердофазной. Кроме того, как будет более подробно разъяснено ниже, две фазы могут присутствовать в потоке текучей среды как поступающей в выпускной канал 16, могут быть образованы в вихревом клапане 100 или ниже по потоку относительно него или могут быть введены с помощью введения ниже по потоку относительно вихревого клапана (как дополнительно будет более подробно описано ниже), или комбинацией этих подходов. Формирование новой фазы в вихревом клапане 100 или ниже по потоку относительно него может быть результатом расширения и охлаждения текучей среды в вихревом клапане 100, благодаря чему посредством конденсации могут образовываться капли жидкости. Конечно, термин «двухфазный» также охватывает потоки, включающие более чем два компонента, имеющих различные плотности.

Тяжелая часть потока может включать углеводородную жидкость, когда легкая часть потока может представлять собой газ. Альтернативно, тяжелая часть потока может включать воду, когда легкая часть потока может быть жидким углеводородом.

В случае, где разделение включает удаление жидкостей из газа (так, как в JT-LTS-системах), легкая часть потока может представлять собой поток продукта, который не нуждается в дополнительной обработке, и тяжелая часть потока может включать жидкости (такие как вода/гликоль/углеводороды) и увлеченную газовую фракцию, которая требует дополнительной обработки в сепараторной установке (уменьшенного размера).

В случае, когда процесс разделения включает удаление газов из жидкости (такое как в технологических линиях стабилизации нефти), тяжелая часть потока может представлять собой поток продукта, который не требует дополнительной обработки, и легкая часть потока может включать газы (такие как природный газ с захваченной жидкостью), которым требуется дополнительная обработка в уменьшенной разделительной установке. Альтернативно, это может быть также противоположным тому, что описано в вышеприведенном абзаце.

В случае, когда разделение включает удаление одной жидкости из еще одной несмешивающейся жидкости (например, воды из нефти), легкая часть потока (например, нефть) может представлять собой поток продукта, который не требует дополнительной обработки, и тяжелая часть потока может включать водную фазу (например, воду, гликоль и т.д.) и захваченную нефтяную фракцию, для которой требуется дополнительная обработка в уменьшенной разделительной установке.

Согласно дополнительному варианту исполнения, схематически изображенному на фиг.5b, представлена разделительная система, подобная показанной на фиг.5а, дополнительно включающая осадительную камеру 30, размещенную между вихревым клапаном 100 и разделительной камерой 40 для принятия закручивающегося потока из вихревого клапана 100, причем осадительная камера 30 может расширяться в направлении ниже по потоку вдоль центральной оси 11 для создания расходящегося закручивающегося потока и направлять расходящийся вихревой поток в разделительную камеру 40.

Осадительная камера 30 может быть использована для повышения эффективности разделения, обеспечивая закручивающемуся потоку возможность вытеснять более тяжелые компоненты к наружной периферии и оставлять более легкие компоненты в центре.

Осадительная камера 30 может быть сформирована стенкой 31, которая является осесимметричной (относительно центральной оси 11), и может иметь, например, коническую форму или цилиндрическую форму.

Длина L (как обозначено на фиг.5b) осадительной камеры 30 определяется периодом времени, необходимым для миграции капель наружу в радиальном направлении, находящихся под воздействием центробежной силы во вращающейся текучей среде. Длина L осадительной камеры 30, например, может быть выбрана так, чтобы >99,5% массы капель достигали радиального положения, равного или большего, чем наружный радиус R1 первого трубопровода 43 первого проточного выпускного канала 41, чтобы они протекали во второй трубопровод 44 второго проточного выпускного канала 42.

Альтернативно, когда поток содержит пузырьки, длину L выбирают так, чтобы >99,5% массы пузырьков достигали радиального положения, равного или меньшего, чем внутренний радиус R1 первого трубопровода 43 первого выпускного канала 41, чтобы они протекали в первый трубопровод 43 первого выпускного канала 41.

В зависимости от условий подачи сырья длина L осадительной камеры 30 может быть не меньше 1 входного диаметра D-in осадительной камеры 30 и вплоть до 50 входных диаметров. Выходной диаметр D-out осадительной камеры 30 обычно может варьировать от однократного диаметра D-in вплоть до четырехкратного входного диаметра осадительной камеры 30.

Таким образом, будет понятно, что осадительная камера 30, хотя и изображенная в чертежах как расширяющаяся осадительная камера 30, также может быть нерасширяющейся/цилиндрической.

Тем самым осадительная камера 30 обеспечивает регулируемое замедление закручивающегося потока, подаваемого вихревым клапаном 100, и вихря с коэффициентом завихрения, который стимулирует рост и слияние капель сконденсированной текучей среды.

На фиг.5с представлен вариант исполнения, дополнительно включающий конический центральный обтекатель 15, который расположен по существу соосно вдоль центральной оси 11 в вихревом клапане 100 и имеет постепенно увеличивающуюся площадь поперечного сечения в направлении выше по потоку. Конический центральный обтекатель 15 обеспечивает регулируемое замедление потока текучей среды в выпускном канале и вихря с коэффициентом завихрения, который стимулирует рост и слияние капель или пузырьков. Конечно, конический центральный обтекатель 15 и осадительная камера 30 могут быть использованы в сочетании друг с другом. Конический центральный обтекатель 15 может быть присоединен к корпусу 2 клапана плунжерного типа.

Будет понятно, что конический центральный обтекатель 15 также может быть применен в варианте исполнения, показанном на фиг.5а.

Конический центральный обтекатель 15 может проходить в направлении ниже по потоку в осадительную камеру 30 или разделительную камеру 40. Вместо того, чтобы иметь заостренную оконечность, направленную в направлении ниже по потоку, как показано на фиг.5с, конический центральный обтекатель 15 может включать центральный выходной канал 17, через который может быть введен поток в виде центральной струи в направлении ниже по потоку. Такой альтернативный конический центральный обтекатель 15' схематически показан на фиг.5е.

Согласно одному варианту исполнения вихревой клапан 100 является таким, как описанный выше с привлечением фиг.2а и 2b, в котором вихревой клапан 100 представляет собой дроссельный клапан, включающий картер 1, корпус 2 клапана, который подвижно размещен в картере 1 для регулирования величины расхода потока текучей среды, протекающей через впускной канал 16 для текучей среды, таким образом, что поток текучей среды расширяется и охлаждается, и устройство 3 для создания завихрения, которое приводит поток текучей среды в вихревое движение вокруг основной оси течения. Расширившийся и охлажденный поток текучей среды может представлять собой двухфазный поток текучей среды. Вихревое движение побуждает более тяжелую фазу этого двухфазного потока текучей среды закручиваться в сторону наружной периферии разделительной камеры 40.

Более тяжелая фаза может представлять собой капли жидкости в газообразном или жидкостном носителе или может быть газовыми пузырьками в жидкостном носителе. Поток текучей среды, поступающий во впускной канал для текучей среды, может представлять собой двухфазный поток текучей среды. Альтернативно или в дополнение к этому, двухфазный характер потока текучей среды может быть результатом расширения и охлаждения в вихревом клапане.

В соответствии с вышеизложенным представлен способ разделения потока текучей среды, включает стадии, на которых направляют поток текучей среды в вихревой клапан 100, тем самым создавая вихревой поток, закручивающийся вокруг центральной оси 11, и отделают внутреннюю часть вихревого потока от наружной части из вихревого потока в разделительной камере 40, причем разделительная камера 40 включает первый выпускной канал 41 и второй выпускной канал 42, предназначенные для принятия внутренней части и наружной части, соответственно. Способ дополнительно может включать расширение и охлаждение вихревого потока перед разделением, тем самым создавая новую фазу в вихревом клапане 100 или ниже по потоку относительно него в результате конденсации.

Нагнетательное устройство

Согласно дополнительному варианту исполнения, разделительная система включает нагнетательное устройство 60, 70, включающее нагнетательный выпускной канал 61, 71, размещенный для введения дополнительно вводимой текучей среды в закручивающийся поток. Нагнетательное устройство 60, 70 может быть соединено с дополнительным впускным каналом для подачи текучей среды (не показан) и может быть приспособлено для введения дополнительно вводимой текучей среды в закручивающийся поток и может быть расположено ниже по потоку относительно вихревого клапана 100.

Дополнительно вводимую текучую среду выбирают для избирательного удаления компонентов из потока текучей среды, принимаемого впускным каналом 16 для текучей среды. Дополнительно вводимая текучая среда может представлять собой как жидкость - в случае, когда удаляемый(-мые) компонент(-ты) находится(-ятся) в газовой фазе - так и газ - в случае, когда удаляемый(-мые) компонент(-ты) находится(-ятся) в жидкостной фазе. Первый процесс обычно обозначается как «абсорбция», второй процесс обозначается как «отпаривание». Два примера таких разделительных систем, включающих нагнетательные устройства, приведены ниже с привлечением фиг.6а и 6b.

Будет понятно, что предпочтительным является обеспечение максимального взаимодействия между закручивающимся потоком и дополнительно вводимой текучей средой, чтобы максимизировать эффективность разделения. Это может быть сделано введением дополнительно вводимой текучей среды в виде факела распыления, включающего относительно высокую плотность частиц. Например, нагнетательное устройство 60, 70 может быть предназначено для создания факела распыления с плотностью частиц по меньшей мере около 10⁸/м³. Кроме того, устройство 60, 70 может быть предназначено для создания распыляемых частиц с размером, выбранным из величины в диапазоне от около 50 мкм до около 0,2 мкм, и диапазоне от около 20 мкм до около 1 мкм. Максимальное взаимодействие между закручивающимся потоком и дополнительно вводимой текучей средой может быть также достигнуто введением дополнительно вводимой текучей среды по направлению, имеющему основной компонент в направлении выше по потоку.

Для получения максимального перемещения компонентов из закручивающегося потока в дополнительно вводимую текучую среду, представлены следующие конструктивные компоновки:

смонтированная по центру нагнетательная труба 62 для введения дополнительно вводимой текучей среды, представляющей собой жидкостный поток; направление введения может иметь компонент в радиальном направлении наружу, и направление введения может иметь компонент, который ориентирован в противоточном направлении относительно первого поступающего потока, вводимого через первый впускной канал 16, когда он проходит через осадительную камеру 30; для применения в абсорбционном процессе.

смонтированное по окружности нагнетательное кольцо 72 для введения дополнительно вводимой текучей среды, которая представляет собой поток газа; направление введения может иметь компонент в радиальном направлении наружу, и направление введения может иметь компонент, который ориентирован в противоточном направлении относительно первого поступающего потока, вводимого через первый впускной канал 16, когда он проходит через осадительную камеру 30; для применения в процессе отпаривания.

Первый вариант обсуждается более подробно с привлечением фиг.6а, второй вариант - с привлечением фиг.6b.

На фиг.6а представлен дополнительный вариант исполнения разделительной системы, в которой нагнетательное устройство 60 включает нагнетательную трубу 62, имеющую нагнетательный выпускной канал 61 для введения дополнительно вводимой текучей среды в направлении, включающем радиальный компонент наружу и аксиальный компонент выше по потоку, из положения, главным образом совпадающего с центральной осью 11.

Нагнетательная труба 62, по меньшей мере частично, может совпадать с центральной осью 11 и может иметь нагнетательный выпускной канал 61 на своей оконечности, предназначенный для введения дополнительно вводимой текучей среды. Для максимизации взаимодействия между потоком и дополнительно вводимой текучей средой нагнетательный выпускной канал 61 дополнительно может быть предназначен для введения дополнительно вводимой текучей среды (частично) в направлении выше по потоку.

Преимущество применения такой разделительной системы в сочетании с нагнетательным устройством 60 состоит в том, что благодаря сильному вращательному движению (вихрю) абсорбирующие жидкости могут быть диспергированы в туман с частицами микронного размера с созданием огромной удельной площади поверхности контакта для межфазного переноса, тогда как этот абсорбирующий туман по-прежнему может быть отделен от газообразной текучей среды, выходящей из осадительной камеры 30.

Подходящим диаметром капелек диспергированной абсорбирующей жидкости было бы <20 микрометров, хотя предпочтительно <10 микрометров. Пригодные абсорбирующие жидкости могут включать: метанол, полиэтиленгликоль, спирты, диметилэтиламин, метилэтиламин, диметиловый простой эфир, этан, пропан и т.д.

Согласно примеру дополнительно вводимая текучая среда может включать, по меньшей мере, один компонент для поглощения сероводорода или диоксида углерода. Согласно дополнительному примеру, дополнительно вводимая текучая среда может включать в качестве компонента по меньшей мере одно из сульфолана и ионной жидкости. Ионная жидкость может включать по меньшей мере один из гексафторфосфата 1-бутил-3-метилимидазолия и бис(трифторметилсульфонил)имида 1-гексил-3-метилимидазолия.

На фиг.6b, представлен альтернативный вариант исполнения разделительной системы, в которой нагнетательное устройство 70 включает нагнетательное кольцо 72, смонтированное по окружности относительно центральной оси I, нагнетательный выпускной канал 71, сформированный многочисленными отверстиями и предназначенный для введения дополнительно вводимой текучей среды в направлении, включающем радиальный внутрь компонент и аксиальный компонент выше по потоку.

Нагнетательное кольцо 72 может быть размещено в стенке 31 осадительной камеры 30. Отверстия, образующие нагнетательный выпускной канал 71, могут быть сформированы на внутренней стороне нагнетательного кольца 72. Для максимизации взаимодействия между потоком и дополнительно вводимой текучей средой, отверстия нагнетательного выпускного канала 71 могут быть дополнительно предназначены для введения дополнительно вводимой текучей среды в направлении выше по потоку.

Преимущество такой разделительной системы в сочетании с таким нагнетательным устройством 70 состоит в том, что сильное вращательное движение (вихрь) заставляет пузырьки с микронными размерами подниматься радиально внутрь через вращающуюся жидкостную пленку. Подходящим размером пузырьков диспергированного отпаривающего газа была бы величина <50 микрометров, хотя предпочтительнее <20 микрометров.

Пригодные отпаривающие газы могут включать: природный газ с пониженной точкой росы, азот и т.д.

Вихревой клапан, как представленный в вышеуказанных вариантах исполнения, позволяет сократить габариты сепараторной технологической линии, которая требуется ниже по потоку относительно вихревого клапана для получения достаточного разделения. Это позволяет усовершенствовать технологические системы.

Таким образом, представлен способ, описанный выше, содержащий стадию, на которой вводят дополнительно вводимую текучую среду в закручивающийся поток перед разделением.

Технологические системы

Вышеуказанные варианты исполнения могут быть использованы в технологических системах, примеры которых приведены на фиг.7а-8b, и которые более подробно обсуждаются ниже.

В общем, представлена технологическая система, включающая по меньшей мере одну разделительную систему SS1, SS2 согласно вышеописанным вариантам исполнения.

Газообрабатывающие системы

Согласно фиг.7а-7с, представлена технологическая система, содержащая следующие элементы:

блок PU предварительного охлаждения для принятия газового потока 701 и формирования предварительно охлажденного газового потока 702;

первую разделительную систему SS1 для принятия предварительно охлажденного газового потока 702 из блока PU предварительного охлаждения и формирования первого выходного потока 703 через первый выпускной канал 41, и второго выходного потока 704 через второй выпускной канал 42;

первый разделительный резервуар V1, HG для принятия второго выходного потока 704 и формирования верхнего потока 705 и нижнего потока 706;

вторую разделительную систему SS2 для принятия нижнего потока 706 из первого разделительного резервуара V1, HG и для формирования дополнительного первого выходного потока 713 через дополнительный первый выпускной канал 41, и дополнительного выходного потока 714 через дополнительный второй выпускной канал 42.

Далее более подробно описана фиг.7а.

Фиг.7а показывает технологическую систему, в которую поступает поток 701 природного газа под высоким давлением, который предварительно охлаждают в блоке PU предварительного охлаждения. Блок PU предварительного охлаждения может представлять собой многоступенчатый блок предварительного охлаждения. Конечно, могут быть использованы многообразные различные типы блока PU предварительного охлаждения.

Предварительно охлажденный газовый поток 702, полученный в блоке PU предварительного охлаждения, направляют в впускной канал 16 первой разделительной системы SS1, причем разделительная система SS1 включает вихревой клапан 100 для принятия и контроля потока текучей среды через впускной канал 16 и для формирования вихревого потока, закручивающегося вокруг оси потока, и разделительную камеру 40 и выборочно осадительную камеру 30, как описанные выше.

Первый выходной поток 703 через первый выпускной канал 41 первой разделительной системы SS1, который является относительно холодным, подают обратно в блок PU предварительного охлаждения для охлаждения высоконапорного потока 701 природного газа.

Второй выходной поток 704 через второй выпускной канал 42 первой разделительной системы SS1 направляют в первый разделительный резервуар V1, HG.

Первый разделительный резервуар V1, HG формирует верхний поток 705 и нижний поток 706. Процесс разделения в первом разделительном резервуаре V1, HG может протекать под воздействием силы тяжести.

Верхний поток 705 из первого разделительного резервуара V1, HG также направляют в блок PU предварительного охлаждения для использования относительно холодного газа, полученного для охлаждения потока 701 природного газа с высоким давлением. Второй выходной поток 704 через второй выпускной канал 42, и верхний поток 705 из первого разделительного резервуара V1, HG, объединяют с образованием охлаждающего потока 708 для блока PU предварительного охлаждения.

Нижний поток 706 из первого разделительного резервуара V1, HG, включающий конденсат под высоким давлением, направляют в впускной канал 16 второй разделительной системы SS2, причем вторая разделительная система SS2 включает вихревой клапан для принятия и контроля потока текучей среды через впускной канал 16 и для формирования вихревого потока, закручивающегося вокруг оси течения, и разделительную камеру 40 и выборочно осадительную камеру 30, как описанные выше. Вторая разделительная система SS2 создает дополнительный первый выходной поток 713 через дополнительный первый выпускной канал 41 и дополнительный выходной поток 714 через дополнительный второй выпускной канал 42.

На фиг.7b и 7с представлен вариант исполнения, в котором первый разделительный резервуар представляет собой жидкостно-газовый сепаратор (V1) или гидрато-газовый сепаратор (HG), соответственно.

Гидрато-газовый сепаратор HG относится к моноциклонному типу, как, например, опубликованному в Европейском патенте 1461134. Верхняя секция гидрато-газового сепаратора HG удаляет твердые гидраты из газа посредством инерционного и гравитационного осаждения. Осажденные твердые гидраты поступают в нижнюю секцию, в которой твердые гидраты расплавляют с использованием внутренних нагревателей. Вода, выделяющаяся из процесса плавления, может быть отделена от несмешивающихся жидких углеводородов, которые также могут присутствовать в этой нижней секции гидрато-газового сепаратора HG. Благодаря гравитации указанные две несмешивающихся жидкости будут формировать в указанной нижней секции гидрато-газового сепаратора HG многослойный объем жидкости из нижнего слоя воды, промежуточного слоя гидратов и верхнего слоя жидких углеводородов. Вода и жидкие углеводороды могут быть по отдельности слиты из указанной нижней секции.

Согласно дополнительному варианту исполнения, технологическая система дополнительно включает второй разделительный резервуар V2, который может быть предназначен для принятия дополнительного второго выходного потока 714 из второй разделительной системы SS2. Второй разделительный резервуар V2 принимает газ, обедненный жидкими углеводородами, из SS2. Второй разделительный резервуар V2 отделяет оставшуюся газовую фракцию от жидких углеводородов. Указанная газовая фракция может быть смешана опять с газовым выходным потоком из SS2, полученным как дополнительный первый выходной поток 713 через дополнительный первый выпускной канал 41.

Дополнительный первый выходной поток 713 из второй разделительной системы SS2 направляют в компрессор СОМ для отходящего газа.

Верхний поток 715 из второго жидкостно-газового разделительного резервуара V2 также направляют в компрессор СОМ для отходящего газа. Компрессор СОМ для отходящего газа, который приводится в действие двигателем М, создает сжатый выходной поток 718. Этот сжатый выходной поток 718 объединяют с охлаждающим потоком 708 после его прохождения через блок PU предварительного охлаждения и может включать природный газ с пониженной точкой росы.

Альтернативно, оставшаяся газовая фракция, выделенная из второго разделительного резервуара V2 в качестве верхнего потока 715 или выведенная из выхлопного канала компрессора 718 может быть вовлечена в рециркуляцию и вновь введена во вторую разделительную систему SS2. Для этого вторая разделительная система SS2 может включать конический центральный обтекатель 15, который по существу соосно размещен вдоль центральной оси 11 в вихревом клапане 100, и имеет постепенно увеличивающуюся площадь поперечного сечения в направлении выше по потоку. Это было разъяснено выше с привлечением фиг.5с.

Вместо заостренной оконечности, ориентированной в направлении ниже по потоку, как показано на фиг.5с, конический центральный обтекатель 15 включает центральный выходной канал (не показан), через который верхний поток 715 может быть вновь введен во вторую разделительную систему SS2 в виде центральной струи.

Дополнительный второй выходной поток 714 из второй разделительной системы SS2 может быть направлен во второй жидкостно-газовый разделительный резервуар V2. Указанный поток 714 главным образом представляет собой жидкость, хотя может содержать небольшие газовые фракции. Кроме того, жидкости в 714 могут содержать как смесь углеводородов, так и водную смесь. Поэтому резервуар V2 может быть скомпонован как трехфазный сепаратор, обеспечивающий достаточное время пребывания для подъема второстепенной газовой фракции до поверхности раздела жидкости и газа, где указанный газ собирают в верхней части второго разделительного резервуара V2 и выводят через выпускной канал 715. Кроме того, второй разделительный резервуар V2 может содержать внутренние устройства для стимулирования коалесценции капель воды, присутствующих в жидком углеводороде. Эти внутренние устройства могут включать наклонные пластины, пористую среду или электрически заряженные пластины. Водные жидкости будут удаляться через выпускной канал 716, и жидкие углеводороды через выпускной канал 717.

Системы обработки жидкостей

На фиг.8а-d представлена технологическая система, представляющая собой систему для обработки жидкостей, которая может быть системой для обработки нефти. Технологическая система включает разделительную систему SS для принятия потока 802 нефти под высоким давлением и для формирования первого выходного потока 803 через первый выпускной канал 41 и второго выходного потока 804 через второй выпускной канал 42 и разделительный резервуар V3, V4 для принятия первого выходного потока 803 или второго выходного потока 804, предназначенный для формирования верхнего потока 805, 815 и нижнего потока 806, 816.

Разделительная система SS может соответствовать вариантам исполнения, описанным выше. Сочетание такой разделительной системы SS и дополнительного разделительного резервуара V3, V4 создает эффективную и малогабаритную технологическую систему. Будет понятно, что разделительные резервуары V3 и V4 также могут быть заменены традиционными встроенными или компактными сепараторами, чтобы дополнительно сократить объем, вес и вместимость технологической системы. Такие компактные сепараторы раскрыты в Европейском патенте 1600215 и публикации WO2008020155.

Фиг.8а схематически изображает вариант исполнения, в котором разделительный резервуар V3 приспособлен для принятия второго выходного потока 804, и верхний поток 805 из разделительного резервуара V3 объединяют с первым выходным потоком 803, причем технологическая система дополнительно включает газовый компрессор СОМ для принятия объединенных первого выходного потока 803 и верхнего потока 805 из разделительного резервуара V3.

Согласно этому варианту исполнения разделительный резервуар представляет собой газо-жидкостный разделительный резервуар V3, в котором разделение происходит под действием силы тяжести. Нижний поток 806 разделительного резервуара V3 представляет собой стабилизированную нефть с низким давлением.

Дополнительный вариант исполнения, показанный на фиг.8е, представляет собой дополнительный вариант исполнения технологической системы, показанной на фиг.8а. Поток 802 нефти под высоким давлением может включать воду. Вода будет достигать разделительного резервуара V3 через второй выпускной канал 804. Разделительный резервуар V3 предназначен для формирования верхнего потока 805, включающего газ, нижнего потока 806, представляющего собой водную жидкость, и бокового потока 807, включающего жидкие углеводороды.

Фиг.8с схематически изображает вариант исполнения, в котором разделительный резервуар V4 предназначен для принятия первого выходного потока 803, и нижний поток 816 из разделительного резервуара V4 объединяют со вторым выходным потоком 804, причем технологическая система дополнительно включает газовый компрессор СОМ, предназначенный для принятия верхнего потока 815 из разделительного резервуара V4.

Компрессор СОМ создает сжатый поток 820, который может быть применен, например, для предварительного нагревания потока 802 нефти с высоким давлением. Таким образом, представлен вариант исполнения, в котором технологическая система дополнительно включает блок PH предварительного нагревания, и газовый компрессор СОМ предназначен для формирования сжатого потока 820, который направляют в блок PH предварительного нагревания потока 802 нефти с высоким давлением.

Примеры этого схематически изображены на фиг.8b, показывающей вариант, альтернативный фиг.8а, и на фиг.8d, показывающей вариант, альтернативный фиг.8с.

Горизонтальные разделительные резервуары V3 питаются из второго выпускного канала 804 разделительной системы SS, который при работе выводит главным образом нефть/углеводородную жидкость, и удаляют остаточную газовую фракцию из нефти/углеводородной жидкости. Эти разделительные резервуары V3 могут работать при повышенных температурах, типично на 10-50°С выше температуры подводимого сырья.

Вертикальные разделительные резервуары V4 получают отходящий газ из разделительной системы SS от первого проточного выпускного канала 803 и удаляют остаточную жидкостную фазу из газа перед тем, как газ поступает в газовый компрессор СОМ.

Схемы из фиг.8b и 8d предусматривают размещение теплообменника для предварительного нагревания подводимого потока 802, чтобы интенсифицировать процесс взрывного испарения в SS. Это является в особенности преимущественным для сырьевых потоков, которые создают относительно большой газовый поток 803, например, с массовым расходом газа, который равен или превышает 10% от массового расхода подаваемого сырьевого потока 802.

Способы обработки

В соответствии с приведенными выше вариантами исполнения, показанными на фиг.7а-7с и фиг.8а-8е представлен способ обработки текучей среды, который включает стадию, на которой создают первый выходной поток 703, 713, 803 через первый выпускной канал 41 и второй выходной поток 704, 714, 804 через второй выпускной канал 42 разделительной системы SS, SS1, SS2 согласно любому из приведенных вариантов исполнения.

Способ может представлять собой способ обработки газа и включает стадии, на которых:

предварительно охлаждают газовый поток 701 для формирования предварительно охлажденного газового потока 702 в блоке PU предварительного охлаждения,

разделяют предварительно охлажденный газовый поток 702 в первой разделительной системе SS1 для формирования первого выходного потока 703 через первый выпускной канал 41, и второго выходного потока 704 через второй выпускной канал 42,

разделяют второй выходной поток 704 в первом разделительном резервуаре V1, HG для формирования верхнего потока 705 и нижнего потока 706,

разделяют нижний поток 706 во второй разделительной системе SS2 для формирования дополнительного первого выходного потока 713 через дополнительный первый выпускной канал 41 и дополнительного выходного потока 714 через дополнительный второй выпускной канал 42.

Способ дополнительно может включать стадию, на которой отделяют дополнительный второй выходной поток 714 из второй разделительной системы SS2 во втором разделительном резервуаре V2. Первый разделительный резервуар может быть одним из жидкостно-газового сепаратора V1, гидрато-газового сепаратора HG.

Кроме того, представлен способ, представляющий собой способ обработки жидкостей и включающий стадии, на которых:

разделяют высоконапорный жидкостный поток 802 в разделительной системе SS для формирования первого выходного потока 803 через первый выпускной канал 41 и второго выходного потока 804 через второй выпускной канал 42,

разделяют первый выходной поток 803 и второй выходной поток 804 в разделительном резервуаре V3, V4 для формирования верхнего потока 805, 815 и нижнего потока 806, 816.

Разделительный резервуар может быть предназначен для принятия второго выходного потока 804, и способ дополнительно включает стадии, на которых объединяют верхний поток 805 из разделительного резервуара V3 с первым выходным потоком 803 и сжимают объединенные первый выходной поток 803 и верхний поток 805 из разделительного резервуара V3 в газовом компрессоре СОМ.

Разделительный резервуар V4 может быть приспособлен для принятия первого выходного потока 803, и способ может дополнительно включать стадии, на которых объединяют нижний поток 816 из разделительного резервуара V4 со вторым выходным потоком 804 и сжимают верхний поток 815 из разделительного резервуара V4 в газовом компрессоре СОМ.

Газовый компрессор СОМ может быть предназначен для формирования сжатого потока 820, и способ дополнительно включает стадию, на которой предварительно нагревают поток 802 нефти под высоким давлением в блоке PH предварительного нагревания с использованием сжатого потока 820.

Гидраты

Все вышеописанные варианты исполнения, показанные на фиг.5а-8d, относятся к обработке текучих сред (жидкостей, газов). Эти текучие среды также могут включать твердые вещества. При обработке нефти и газа эти твердые вещества, например, могут включать газовые гидраты и воска. Твердые вещества склонны образовывать сужения протоков и даже закупоривать трубопроводы и оборудование, так как они могут осаждаться на внутренней поверхности оборудования.

Во избежание осаждения твердых веществ согласно известным решениям часто использовали производственные химические реагенты. Применение химических ингибиторов и/или нагревателей может быть сложным в плане материально-технического обеспечения производства и дорогостоящим, и может обусловливать определенную степень риска для нефтепромыслового персонала. Помимо всего прочего, результаты далеки от оптимальных.

Согласно дополнительному варианту исполнения представлена возможность обработки газа без химических ингибиторов.

Например, во избежание накопления гидратных осаждений внутренние поверхности установки могут быть покрыты антиобледенительным покрытием. Пригодным антиобледенительным покрытием был бы фторированный алмазоподобный углерод. Необходимо, чтобы шероховатость поверхности указанного покрытия (и нижележащей поверхности) составляла менее 0,05 микрометра во всех направлениях, хотя более предпочтительно менее 0,02 микрометра во всех направлениях. Может быть пригодным любой покровный слой в такой мере, насколько статический краевой угол для воды на указанной поверхности составляет более 90°, или более предпочтительно свыше 110°, в то же время с сохранением разности между наступающим углом смачивания для воды и отступающим краевым углом для воды на указанной поверхности (то есть, гистерезиса) на уровне менее 25°, но более предпочтительно меньше 15°.

В вышеприведенных вариантах исполнения могут быть покрыты все внутренние поверхности различных деталей, таких как трубопроводы, трубы, клапаны, в особенности там, где по трубопроводам проходят холодные текучие среды, или теплообменник PU, показанный в фиг.7а.

Дополнительные примечания

Важный аспект вышеописанных вариантов исполнения состоит в том, что в вихревом клапане, разделительной системы, включающей такой вихревой клапан, и технологических системах используют доступное свободное давление в текучей среде для создания вихревого движения, которое в плане углового момента имеет порядок величины, более высокий, чем традиционные встроенные циклонные сепараторы.

Дополнительным преимуществом вышеописанных вариантов исполнения является то, что в режиме работы с пониженной нагрузкой соотношение «угловой момент/осевой момент» слегка повышается, тем самым сохраняя высокие эффективности разделения при пониженных величинах расхода потока, в отличие от традиционных встроенных циклонных сепараторов, где это соотношение углового/осевого момента снижается.

Вихревой клапан создает более крупные капли, повышающие эффективность разделения. Это более подробно разъяснено с привлечением фиг.9. Фиг.9 показывает график, изображающий плотность капель/пузырьков (в м^-3) в зависимости от диаметра капель/пузырьков (в мкм). Диспергированные смеси могут быть охарактеризованы распределением по размерам (разбросом) относительно среднего диаметра, которое выражается функцией распределения (например, нормальное распределение/логарифмическая функция распределения нулевого порядка/распределение Розина-Реммлера, и т.д.).

Поскольку большинство сепараторов может быть охарактеризовано типичным диаметром разделения (то есть, диаметром отсечки), следующий график может проиллюстрировать усовершенствование с вихревым клапаном в сочетании с сепаратором. «Диаметр отсечки» означает, что будут отделены капли, имеющие диаметр, который превышает диаметр отсечки. Диаметр отсечки может составлять, например, 20 мкм.

Вихревой клапан увеличивает средний диаметр, тем самым повышая эффективность разделения. Пример этого показан на фиг.9, изображающей традиционное первое распределение D1, например, представляющее распределение клапана, показанного на фиг.1а и 1b, и второе распределение D2, представляющее распределение вихревого клапана, показанного на фиг.2а и 2b. Кроме того, показан диаметр отсечки для разделительного резервуара. Можно видеть, что эффективность разделения указанного разделительного резервуара является более высокой, когда подводимый поток включает дисперсную фазу с распределением D2 по величине, поскольку большее число капель имеет диаметр, превышающий указанный диаметр отсечки.

Вышеприведенные описания предназначены для иллюстрирования, но не для ограничения. Таким образом, квалифицированному специалисту в этой области технологии будет ясно, что модификации описанного изобретения могут быть выполнены без выхода за пределы приложенной формулы изобретения.

Изобретение относится к разделительной системе Разделительная система, содержащая впускной канал (16), вихревой клапан (100) для принятия и контроля двухфазного потока текучей среды через впускной канал (16) и для создания вихревого потока, закручивающегося вокруг центральной оси (11), разделительную камеру (40), размещенную ниже по потоку относительно вихревого клапана (100), предназначенную для принятия закручивающегося потока из вихревого клапана (100) и содержащую первый и второй выпускные каналы (41, 42), причем первый выпускной канал (41) предназначен для принятия внутренней части закручивающегося потока и второй выпускной канал (42) предназначен для принятия наружной части закручивающегося потока, осадительную камеру (30), размещенную между вихревым клапаном (100) и разделительной камерой (40), предназначенную для принятия закручивающегося потока из вихревого клапана (100), расширяющуюся в направлении ниже по потоку вдоль центральной оси (11) для создания расходящегося закручивающегося потока и направляющую расходящийся закручивающийся поток в разделительную камеру (40). Изобретение позволяет повысить общую эффективность разделения. 4 н. и 23 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Разделительная система, содержащая впускной канал (16), вихревой клапан (100) для принятия и контроля двухфазного потока текучей среды через впускной канал (16) и для создания вихревого потока, закручивающегося вокруг центральной оси (11), разделительную камеру (40), размещенную ниже по потоку относительно вихревого клапана (100), предназначенную для принятия закручивающегося потока из вихревого клапана (100) и содержащую первый и второй выпускные каналы (41, 42), причем первый выпускной канал (41) предназначен для принятия внутренней части закручивающегося потока и второй выпускной канал (42) предназначен для принятия наружной части закручивающегося потока, осадительную камеру (30), размещенную между вихревым клапаном (100) и разделительной камерой (40), предназначенную для принятия закручивающегося потока из вихревого клапана (100), расширяющуюся в направлении ниже по потоку вдоль центральной оси (11) для создания расходящегося закручивающегося потока и направляющую расходящийся закручивающийся поток в разделительную камеру (40).

2. Разделительная система по п.1, дополнительно содержащая конический центральный обтекатель (15), который, по существу, соосно размещен вдоль центральной оси (11) в вихревом клапане (100) и имеет постепенно увеличивающуюся площадь поперечного сечения в направлении выше по потоку.

3. Разделительная система по п.2, в которой конический центральный обтекатель (15') содержит центральный выпускной канал (17) для введения потока в виде центральной струи.

4. Разделительная система по любому из пп.1-3, в которой вихревой клапан (100) представляет собой дроссельный клапан, имеющий картер (1), корпус (2) клапана, который подвижно размещен в картере (1) для регулирования потока текучей среды через впускной канал (16) для текучей среды так, что поток текучей среды расширяется и охлаждается, и устройство (3) для создания завихрения, приводящее поток текучей среды в вихревое движение вокруг основной оси потока.

5. Разделительная система по любому из пп.1-3, в которой первый выпускной канал (41) размещен концентрически внутри второго выпускного канала (42) относительно центральной оси (11).

6. Разделительная система по любому из пп.1-3, которая содержит нагнетательное устройство (60, 70), содержащее нагнетательный выпускной канал (61, 71), предназначенный для введения дополнительно вводимой текучей среды в закручивающийся поток.

7. Разделительная система по п.6, в которой нагнетательное устройство (60) содержит нагнетательную трубу (62), имеющую нагнетательный выпускной канал (61) для введения дополнительно вводимой текучей среды в направлении, содержащем радиальный наружу компонент и аксиальный компонент выше по потоку, из положения, по существу совпадающего с центральной осью (11).

8. Разделительная система по п.7, в которой нагнетательное устройство (70) содержит расположенное по окружности нагнетательное кольцо (72), причем нагнетательный выпускной канал (71) предназначен для введения вводимого потока в направлении, содержащем радиальный внутрь компонент и аксиальный компонент выше по потоку.

9. Технологическая система для обработки текучей среды, содержащая по меньшей мере одну разделительную систему (SS, SS1, SS2) по любому из предшествующих пунктов.

10. Технологическая система по п.9, которая представляет собой газообрабатывающую систему и содержит блок (PU) предварительного охлаждения, предназначенный для принятия газового потока (701) и формирования предварительно охлажденного газового потока (702), первую разделительную систему (SS1), предназначенную для принятия предварительно охлажденного газового потока (702) из блока (PU) предварительного охлаждения и формирования первого выходного потока (703) через первый выпускной канал (41) и второго выходного потока (704) через второй выпускной канал (42), первый разделительный резервуар (V1, HG), предназначенный для принятия второго выходного потока (704) и формирования верхнего потока (705) и нижнего потока (706), вторую разделительную систему (SS2), предназначенную для принятия нижнего потока (706) из первого разделительного резервуара (VI, HG) и формирования дополнительного первого выходного потока (713) через дополнительный первый выпускной канал (41) и дополнительного второго выходного потока (714) через дополнительный второй выпускной канал (42).

11. Технологическая система по п.10, которая дополнительно содержит второй разделительный резервуар (V2), предназначенный для принятия дополнительного второго выходного потока (714) из второй разделительной системы (SS2).

12. Технологическая система по любому из пп.9-11, в которой первый разделительный резервуар является жидкостно-газовым сепаратором (V1) или гидратогазовым сепаратором (HG).

13. Технологическая система по п.9, которая представляет собой систему для обработки нефти и содержит разделительную систему (SS), предназначенную для принятия потока (802) нефти под высоким давлением и формирования первого выходного потока (803) через первый выпускной канал (41) и второго выходного потока (804) через второй выпускной канал (42), разделительный резервуар (V3, V4), предназначенный для принятия первого выходного потока (803) или второго выходного потока (804) и формирования верхнего потока (805, 815) и нижнего потока (806, 816).

14. Технологическая система по п.13, в которой разделительный резервуар (V3) предназначен для принятия второго выходного потока (804) и верхний поток (805) из разделительного резервуара (V3) объединяется с первым выходным потоком (803) и которая дополнительно содержит газовый компрессор (СОМ), предназначенный для принятия объединенных первого выходного потока (803) и верхнего потока (805) из разделительного резервуара (V3).

15. Технологическая система по п.14, в которой разделительный резервуар (V4) предназначен для принятия первого выходного потока (803) и нижний поток (816) из разделительного резервуара (V4) объединяется со вторым выходным потоком (804) и которая дополнительно содержит газовый компрессор (СОМ), предназначенный для принятия верхнего потока (815) из разделительного резервуара (V4).

16. Технологическая система по п.14 или 15, которая дополнительно содержит блок (РН) предварительного нагревания, при этом газовый компрессор (СОМ) предназначен для формирования сжатого потока (820), который направляется в блок (РН) предварительного нагревания для предварительного нагревания потока (802) нефти под высоким давлением.

17. Технологическая система по любому из пп.13-15, в которой разделительный резервуар (V3) дополнительно предназначен для формирования бокового потока (807), причем нижний поток представляет собой, по существу, водную жидкость и боковой поток представляет собой, по существу, углеводородную жидкость.

18. Способ разделения потока текучей среды, содержащий следующие стадии:
направление двухфазного потока текучей среды в вихревой клапан (100) для образования вихревого потока, закручивающегося вокруг центральной оси (11);
направление закручивающегося потока из вихревого клапана (100) в осадительную камеру (30), размещенную между вихревым клапаном (100) и разделительной камерой (40) и расширяющуюся в направлении ниже по потоку вдоль центральной оси (11) для создания расходящегося закручивающегося потока, и направление расходящегося закручивающегося потока в разделительную камеру (40);
отделение внутренней части закручивающегося потока от наружной части закручивающегося потока в разделительной камере (40), содержащей первый выпускной канал (41) и второй выпускной канал (42), предназначенные для принятия внутренней части и наружной части закручивающегося потока соответственно.

19. Способ по п.18, дополнительно содержащий стадию расширения и охлаждения закручивающегося потока перед разделением для формирования новой фазы в вихревом клапане (100) или ниже по потоку относительно него посредством конденсации.

20. Способ по п.18 или 19, дополнительно содержащий стадию введения дополнительно вводимый текучей среды в закручивающийся поток перед разделением.

21. Способ обработки текучей среды, содержащий стадию создания первого выходного потока (703, 713, 803) через первый выпускной канал (41) и второго выходного потока (704, 714, 804) через второй выпускной канал (42) разделительной системы (SS, SS1, SS2) по любому из способов по пп.18-20.

22. Способ по п.21, который представляет собой способ обработки газа и содержит следующие стадии:
предварительное охлаждение газового потока (701) для формирования предварительно охлажденного газового потока (702) в блоке (PU) предварительного охлаждения;
разделение предварительно охлажденного газового потока (702) в первой разделительной системе (SS1) для формирования первого выходного потока (703) через первый выпускной канал (41) и второго выходного потока (704) через второй выпускной канал (42);
разделение второго выходного потока (704) в первом разделительном резервуаре (V1, HG) для формирования верхнего потока (705) и нижнего потока (706);
разделение нижнего потока (706) во второй разделительной системе (SS2) для формирования дополнительного первого выходного потока (713) через дополнительный первый выпускной канал (41) и дополнительного второго выходного потока (714) через дополнительный второй выпускной канал (42).

23. Способ по п.22, который дополнительно содержит стадию отделения дополнительного второго выходного потока (714) из второй разделительной системы (SS2) во втором разделительном резервуаре (V2).

24. Способ по п.21, который представляет собой способ обработки жидкости и содержит следующие стадии:
разделение потока (802) жидкости под высоким давлением в разделительной системе (SS) для формирования первого выходного потока (803) через первый выпускной канал (41) и второго выходного потока (804) через второй выпускной канал (42);
разделение первого выходного потока (803) или второго выходного потока (804) в разделительном резервуаре (V3, V4) для формирования верхнего потока (805, 815) и нижнего потока (806, 816).

25. Способ по п.24, в котором разделительный резервуар (V3) предназначен для принятия второго выходного потока (804) и который дополнительно содержит следующие стадии:
объединение верхнего потока (805) из разделительного резервуара (V3) с первым выходным потоком (803);
сжатие объединенных первого выходного потока (803) и верхнего потока (805) из разделительного резервуара (V3) в газовом компрессоре (СОМ).

26. Способ по п.24, в котором разделительный резервуар (V4) предназначен для принятия первого выходного потока (803) и который дополнительно содержит следующие стадии:
объединение нижнего потока (816) из разделительного резервуара (V4) со вторым выходным потоком (804);
сжатие верхнего потока (815) из разделительного резервуара (V4) в газовом компрессоре (СОМ).

27. Способ по п.25 или 26, в котором газовый компрессор (СОМ) предназначен для формирования сжатого потока (820) и который дополнительно содержит стадию предварительного нагрева потока (802) нефти под высоким давлением в блоке (РН) предварительного нагревания с использованием сжатого потока (820).