УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЕПАРАЦИИ КОМПОНЕНТОВ ПОТОКА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
DEVICE FOR SEPARATION OF FLUID FLOW COMPONENTS

[001] Настоящее изобретение относится к устройству для сепарации компонентов потока текучей среды, например потока жидкости, такой как вода.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[002] Существует потребность в устройстве для сепарации компонентов потока текучей среды, которое было бы прочным, имело простую конструкцию, обладало высокой производительностью и было удобным и портативным. Такое устройство особенно желательно для получения чистой воды в полевых условиях и, в частности, в ситуациях оказания помощи при стихийных бедствиях, или для сепарации нефти от воды в ситуациях разлива нефти, или при удалении материалов в виде частиц из жидкостей, полученных в результате гидравлического разрыва пласта.
[003] В WO 2015/082502 (GM Innovations Limited) раскрыто устройство для удаления примесей из потока текучей среды. Устройство использует центробежную сепарацию для отделения взвешенных материалов от текучей среды.
[004] РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[005] Авторами настоящего изобретения разработано устройство для сепарации компонентов потока текучей среды. Это усовершенствованное устройство имеет более высокую эффективность сепарации и предусматривает средства для регулирования устройства во время его работы для дополнительного повышения его эффективности.
[006] Соответственно, в первом аспекте настоящего изобретения предложено центробежное сепараторное устройство для сепарации компонентов потока текучей среды;
устройство содержит опорную конструкцию и центробежный сепараторный блок, установленный с возможностью вращения на опорной конструкции таким образом, что он имеет возможность вращения вокруг оси вращения, проходящей через центробежный сепараторный блок;
приводной элемент для приведения во вращение центробежного сепараторного блока;
причем центробежный сепараторный блок содержит центробежную сепараторную камеру, имеющую впускное отверстие, которое соединено или выполнено с возможностью соединения с источником текучей среды, требующей сепарации, первое выпускное отверстие для сбора более плотного компонента потока текучей среды и второе выпускное отверстие для сбора менее плотного компонента потока текучей среды;
первое выпускное отверстие соединено или выполнено с возможностью соединения с первым коллектором для сбора более плотного компонента, а второе выпускное отверстие соединено или выполнено с возможностью соединения со вторым коллектором для сбора менее плотного компонента;
центробежная сепараторная камера содержит криволинейную или наклонную направляющую поверхность для направления потока текучей среды от впускного отверстия в радиальном направлении наружу;
причем центробежный сепараторный блок снабжен стеночным элементом, который выполнен с возможностью осевого перемещения для обеспечения выбранной степени перекрытия первого выпускного отверстия и, таким образом, регулирования расхода более плотного компонента через первое выпускное отверстие.
[007] В контексте настоящей заявки термин «с возможностью осевого перемещения» относится к перемещению вдоль направления или в направлении оси вращения.
[008] Термин «в радиальном направлении» относится к направлению приближения к оси вращения или удаления от нее. Данное направление может быть перпендикулярно оси вращения, или оно может находиться под углом от 0° до 90° к оси вращения. Таким образом, выражение «в радиальном направлении наружу» относится к направлению удаления от оси вращения, в то время как выражение «в радиальном направлении внутрь» относится к направлению приближения к оси вращения.
[009] Ось вращения может быть по существу горизонтальной или по существу вертикальной, или она может быть расположена под любым нужным углом между горизонталью и вертикалью относительно участка поверхности, на котором устройство размещается при использовании.
[0010] В некоторых вариантах осуществления ось вращения является по существу горизонтальной (например, в пределах ±3° к горизонтали).
[0011] В других вариантах осуществления ось вращения является по существу вертикальной (например, в пределах ±3° к вертикали).
[0012] В других вариантах осуществления ось вращения расположена под углом, находящимся между горизонталью и вертикалью.
[0013] Центробежный сепараторный блок содержит центробежную сепараторную камеру, внутри которой происходит центробежная сепарация компонентов потока текучей среды. При поступлении в центробежную сепараторную камеру центробежный эффект создается в результате вращения центробежного сепараторного блока, что приводит к перемещению более плотных компонентов текучей среды наружу в направлении периферии камеры в большей степени, чем это имеет место для менее плотных компонентов, в результате чего происходит сепарация более плотных и менее плотных компонентов. Более плотные компоненты проходят через первое выпускное отверстие, в то время как менее плотные компоненты проходят через второе выпускное отверстие.
[0014] Следует иметь в виду, что термины «более плотные компоненты» и «менее плотные компоненты» представляют собой относительные термины и не подразумевают каких-либо конкретных значений плотности. Например, в текучей среде, содержащей смесь воды и нефти, вода обычно будет представлять собой более плотный компонент, а нефть - менее плотный компонент. В отличие от этого, в текучей среде, содержащей воду и вовлеченные материалы в виде частиц (например, песок или песчаник), частицы песка или песчаника обычно будут представлять собой более плотный компонент, а вода будет представлять собой менее плотный компонент.
[0015] Термины «первое выпускное отверстие» и «второе выпускное отверстие» используются в настоящей заявке для обозначения природы компонентов, которые проходят через данные выпускные отверстия. Может иметь место лишь одно «первое выпускное отверстие», или может иметь место множество «первых выпускных отверстий». Например, центробежная сепараторная камера может иметь множество отверстий, через которые могут проходить более плотные компоненты, и каждое из этих отверстий будет представлять собой «первое отверстие».
[0016] Аналогичным образом, может иметь место лишь одно «второе выпускное отверстие», или может иметь место множество «вторых выпускных отверстий». Например, центробежная сепараторная камера может иметь множество отверстий, через которые могут проходить менее плотные компоненты, и каждое из этих отверстий будет представлять собой «второе отверстие».
[0017] Центробежная сепараторная камера имеет впускное отверстие, которое соединено или выполнено с возможностью соединения с источником текучей среды, требующей сепарации. Может иметь место лишь одно такое впускное отверстие, или может иметь место множество отверстий, ведущих в сепараторную камеру, каждое из которых будет представлять собой впускное отверстие.
[0018] Упоминания сепарации компонентов потока текучей среды могут означать полную сепарацию или частичную сепарацию. Например, если поток текучей среды содержит воду и вовлеченные материалы в виде частиц (например, песок или песчаник), то компоненты, выходящие наружу через первое выпускное отверстие, обычно содержат песок или песчаник вместе с некоторым количеством воды, в то время как компоненты, выходящие наружу через второе выпускное отверстие, могут состоять из воды и растворенных материалов, но не песка и песчаника. Если жидкость содержит смесь воды и нефти, то компоненты, выходящие наружу через первое выпускное отверстие, состоят преимущественно из воды, любых растворенных веществ и, в зависимости от степени сепарации, некоторого количества нефти, а компоненты, выходящие наружу через второе выпускное отверстие, могут состоят преимущественно из нефти, но может присутствовать некоторое количество воды и растворенных веществ.
[0019] Следует иметь в виду, что степень сепарации компонентов потока текучей среды обычно будет зависеть от геометрических параметров центробежной сепараторной камеры и от скорости вращения центробежного сепараторного блока. Таким образом, в случае текучей среды, содержащей смесь воды и нефти, скорость вращения центробежного сепараторного модуля может быть выбрана таким образом, чтобы по существу не содержащая нефти вода выходила наружу через первое выпускное отверстие, либо по существу не содержащая воды нефть выходила наружу через второе выпускное отверстие.
[0020] Центробежная сепараторная камера содержит направляющую поверхность. Направляющая поверхность проходит в окружном направлении вокруг камеры и обычно является соосной с осью вращения устройства. Направляющая поверхность имеет такие расположение и форму, что она направляет текучую среду от впускного отверстия в направлении самых внешних областей центробежной сепараторной камеры, где центробежные усилия являются наиболее высокими. Направляющая поверхность изогнута или наклонена для направления потока текучей среды от впускного отверстия в радиальном направлении наружу. Изогнутая или наклонная направляющая поверхность снижает турбулентность внутри камеры и содействует созданию более ламинарного потока текучей среды через камеру, повышая таким образом эффективность сепарации компонентов текучей среды.
[0021] Направляющая поверхность может быть расположена снаружи в радиальном направлении относительно впускного отверстия; например, направляющая поверхность может окружать впускное отверстие. Следовательно, текучая среда проходит внутри направляющей поверхности (т.е. с внутренней в радиальном направлении стороны направляющей поверхности). Таким образом, направляющая поверхность может образовывать внешнюю в радиальном направлении границу центробежной сепараторной камеры.
[0022] В одном варианте осуществления направляющая поверхность является наклонной. Таким образом, направляющая поверхность может быть, например, конической или по существу усеченно-конической. Следовательно, в данном варианте осуществления внешняя в радиальном направлении граница центробежной сепараторной камеры имеет по существу коническую или усеченно-коническую форму.
[0023] В качестве альтернативы, направляющая поверхность может быть расположена дальше по потоку относительно впускного отверстия. Следовательно, текучая среда проходит снаружи направляющей поверхности (т.е. с внешней в радиальном направлении стороны направляющей поверхности).
[0024] В одном варианте осуществления центробежная сепараторная камера содержит внутреннюю и внешнюю криволинейные или наклонные направляющие поверхности, которые расположены на расстоянии друг от друга в радиальном направлении, так что камера выполнено в виде кольцевого канала между внутренней и внешней направляющими поверхностями. Внутренняя и внешняя направляющие поверхности предпочтительно расположены на расстоянии друг от друга таким образом, что площадь поперечного сечения кольцевого канала является по существу постоянной по длине канала. Это дополнительно содействует снижению турбулентности и таким образом облегчает создание более ламинарного потока текучей среды через камеру.
[0025] В одном варианте осуществления кольцевой канал содержит:
(i) расположенную раньше по потоку область, которая наклонена наружу в радиальном направлении и является смежной с впускным отверстием центробежной сепараторной камеры;
(ii) центральную область, в которой внутренняя и внешняя направляющие поверхности имеют по существу постоянный радиус по длине центральной области; и
(iii) расположенную дальше по потоку область, которая представляет собой наклоненную внутрь в радиальном направлении область, ведущую к первому и второму выпускным отверстиям.
[0026] В данном варианте осуществления выполненный с возможностью осевого перемещения стеночной элемент может быть выполнен в виде разделительной лопатки, размещенной в расположенной дальше по потоку области и предназначенной для разделения потока текучей среды на внутренний и внешний потоки, из которых внешний поток содержит более плотные компоненты, направляемые к первому выпускному отверстию, а внутренний поток содержит менее плотные компоненты, направляемые к второму выпускному отверстию.
[0027] Разделительная лопатка выполнена с возможностью осевого перемещения в пределах расположенной дальше по потоку области кольцевого канала. Разделительная лопатка обычно выполнена таким образом, что при ее перемещении в направлении вверх по потоку (т.е. в направлении, противоположном направлению потока текучей среды), передняя кромка лопатки перемещается ближе к внутренней направляющей поверхности и в результате снижается расход текучей среды в направлении второго выпускного отверстия и повышается расход текучей среды в направлении первого выпускного отверстия. При перемещении выполненной таким образом разделительной лопатки в обратном направлении (т.е. в том же направлении, что и направление потока текучей среды), передняя кромка лопатки перемещается ближе к внешней направляющей поверхности и в результате повышается расход текучей среды в направлении второго выпускного отверстия и снижается расход текучей среды в направлении первого выпускного отверстия. Таким образом, путем изменения местоположения разделительной лопатки в осевом направлении обеспечивается возможность варьирования соотношения объемов текучей среды, направляемых к первому и второму выпускным отверстиям, для обеспечения возможности сбора фракций требуемой плотности.
[0028] Если выполненный с возможностью осевого перемещения стеночный элемент выполнен в виде разделительной лопатки, то он обычно имеет коническую или усеченно-коническую форму с тем, чтобы входить внутрь расположенной дальше по потоку области кольцевого канала.
[0029] Лопатка предпочтительно имеет такую форму, что она сводит к минимуму любую турбулентность, вносимую в поток текучей среды. Соответственно, конец лопатки может быть выполнен в виде ножевой кромки или быть криволинейным. Кроме того, лопатка (или по меньшей мере передняя кромка лопатки) может быть выполнена из упрочненного материала для минимизации повреждений лопатки, вызываемых веществом в виде частиц, взвешенным в потоке текучей среды.
[0030] В вышеописанных вариантах осуществления внутренняя и внешняя направляющие поверхности в расположенной раньше по потоку области указанного канала могут сходиться в той степени, которая необходима для поддержания постоянной площади поперечного сечения канала. Комплементарным образом, внутренняя и внешняя направляющие поверхности в расположенной дальше по потоку области указанного канала могут расходиться в той степени, которая необходима для поддержания постоянной площади поперечного сечения канала. В центральной области внутренняя и внешняя направляющие поверхности являются по существу параллельными.
[0031] Центробежный сепараторный блок установлен с возможностью вращения на опорной конструкции таким образом, что он имеет возможность вращения вокруг оси вращения, проходящей через этот блок. Центробежный сепараторный блок может иметь центральный вал, проходящий вдоль оси вращения и установленный с возможностью вращения на указанной опорной конструкции, и центробежную сепараторную камеру, окружающую центральный вал.
[0032] Центральный вал может представлять собой сплошную нетрубчатую конструкцию, или он может представлять собой трубчатую или частично трубчатую конструкцию.
[0033] В одном варианте осуществления центральный вал имеет трубчатую конструкцию и, например, круглое поперечное сечение.
[0034] Если центральный вал имеет трубчатую конструкцию, то он может быть соединен или иметь возможность соединения с источником текучей среды, требующей сепарации, таким образом, чтобы по меньшей мере часть внутренней области трубчатого вала сообщалась по текучей среде с источником текучей среды. В данном варианте осуществления трубчатый вал может иметь одно или более боковых отверстий, которые сообщаются с центробежной сепараторной камерой. Таким образом, текучая среда может проходить внутрь трубчатого вала и поступать в центробежную сепараторную камеру через указанные боковые отверстия. Может иметь место, например, множество боковых отверстий, и обычно они расположены через равные промежутки по окружности окружной поверхности трубчатого вала. С целью предотвращения прохождения текучей среды по всей длине трубчатого вала, вал может содержать запорный элемент. Запорный элемент может быть расположен в непосредственной близости от боковых отверстий с целью содействия втеканию текучей среды в центробежную сепараторную камеру и минимизации турбулентности. Боковые отверстия обычно являются удлиненными и наклонены к оси вращения трубчатого вала. Использование удлиненных отверстий является более предпочтительным, чем использование круглых отверстий, поскольку они уменьшают или предотвращают засорение отверстий и улучшают поток текучей среды, поступающий в центробежную сепараторную камеру (т.е. они вносят меньшую турбулентность в текучую среду).
[0035] В одном варианте осуществления центробежная сепараторная камера образована усеченно-конической внешней в радиальном направлении стенкой, которая окружает ось вращения, расширяется наружу в направлении дальше по потоку и при необходимости переходит в по существу цилиндрическую часть, а расположенная дальше по потоку торцевая стенка содержит стеночной элемент, выполненный с возможностью осевого перемещения. В данном варианте осуществления первое выпускное отверстие расположено в указанной по существу цилиндрической части, при ее наличии, или в широком месте усеченно-конической внешней стенки или смежно с ним. Перемещение выполненного с возможностью осевого перемещения стеночного элемента назад или вперед вдоль оси вращения служит для увеличения или уменьшения размера первого выпускного отверстия и второго выпускного отверстия и, таким образом, для регулирования расхода более плотного компонента через первое выпускное отверстие. В данном варианте осуществления центробежная сепараторная камера может окружать центральный трубчатый вал, имеющий запорный элемент в его канале для предотвращения прохождения текучей среды по всей длине вала, и имеет одно или более (обычно более) боковых впускных отверстий, через которые текучая среда, требующая сепарации, может поступать в центробежную сепараторную камеру. Выполненный с возможностью осевого перемещения стеночной элемент может быть оснащен одним или более отверстиями, расположенными с внутренней в радиальном направлении стороны от его внешней кромки (например, смежно с его внутренней в радиальном направлении кромкой), которые представляют собой одно или более вторых выпускных отверстий, через которые могут проходить менее плотные компоненты текучей среды. В качестве альтернативы или дополнительно, центральный трубчатый вал может иметь второй набор (из одного или более) боковых отверстий, расположенных раньше по потоку относительно подвижного стеночного элемента и используемых в качестве вторых выпускных отверстий, через которые могут проходить менее плотные компоненты текучей среды, и запорный элемент, расположенный внутри трубчатого вала между боковыми впускными отверстиями и вторым набором отверстий. Таким образом, текучая среда, поступающая в центробежную сепараторную камеру, подвергается воздействию центробежных сил, так что более плотные компоненты текучей среды перемещаются во внешнюю область камеры и выходят наружу через первые выпускные отверстия, в то время как менее плотные компоненты текучей среды проходят через отверстия в выполненном с возможностью осевого перемещения стеночном элементе и/или через второй набор боковых отверстий.
[0036] Отверстия второго набора могут иметь форму щелей, например удлиненных щелей, в одной или более из которых выполнен монтажный кронштейн для связи выполненного с возможностью осевого перемещения стеночного элемента с приводной штангой, расположенной во внутренней области центрального трубчатого вала и выполненной с возможностью перемещения назад и вперед вдоль оси вращения для перемещения монтажных кронштейнов вдоль щелей и, таким образом, для перемещения указанного стеночного элемента. Например, могут иметь место три или четыре щели, каждая из которых вмещает монтажный кронштейн.
[0037] В случае, если выполненная с возможностью осевого перемещения стенка имеет отверстия, которые расположены с внутренней в радиальном направлении стороны внешней кромки и через которые могут проходить менее плотные компоненты текучей среды, трубчатый вал может быть оснащен третьим набором (из одного или более) боковых отверстий, расположенных дальше по потоку относительно подвижной стенки, так что менее плотная текучая среда, проходящая через указанные отверстия в выполненной с возможностью осевого перемещения стенке, может затем проходить во внутреннюю область трубчатого вала и далее в коллектор.
[0038] Сепараторный блок расположен вокруг оси вращения (т.е. окружает ее). Сепараторный блок может содержать по меньшей мере частично полый корпус, который заключает в себе компоненты сепараторного модуля, описанные в настоящей заявке. Следовательно, сепараторный блок может содержать полую или частично полую центральную часть и две концевых части. В одном варианте осуществления сепараторный блок содержит цилиндрическую центральную часть и две усеченно-конических концевых части.
[0039] Еще в одном варианте осуществления сепараторный блок имеет цилиндрическую внешнюю поверхность. Кроме того, внутренняя область цилиндра может быть выполнена по форме с возможностью образования центробежной сепараторной камеры. Например, часть внутренней области цилиндра может иметь наклонную или криволинейную поверхность, которая может действовать в качестве направляющей поверхности.
[0040] Центробежная сепараторная камера может быть изготовлена из металлов, пластмасс иди других долговечных материалов или их комбинаций. В одном варианте осуществления центробежная сепараторная камера изготовлена из нержавеющей стали. Внутренние поверхности центробежного сепараторного блока, которые открыты к потоку текучей среды, предпочтительно отполированы для минимизации турбулентности и содействия созданию более ламинарного потока текучей среды через устройство.
[0041] В каждой торцевой стенке центробежного сепараторного блока также могут присутствовать одно или более отверстий, которые служат в качестве впускных отверстий центробежной сепараторной камеры или сообщаются с ними. Также могут присутствовать отверстия, которые служат в качестве одного или обеих из первого и второго выпускных отверстий или сообщаются с ними.
[0042] Опорная конструкция может содержать опорные блоки, в которых с возможностью вращения установлен центральный вал. Если центральный вал является трубчатым или частично трубчатым, то опорные блоки также могут быть соединены или иметь возможность соединения с впускным трубопроводом текучей среды и/или выпускным трубопроводом текучей среды для ввода или удаления текучей через концы центрального вала. В одном варианте осуществления опорные блоки содержат подшипниковые узлы, внутри которых могут вращаться концы центрального вала. Подшипниковые узлы могут иметь обычную конструкцию, например они могут содержать подшипниковые элементы, такие как роликовые или игольчатые подшипники, которые обеспечивают возможность вращения центрального вала, проходящего через невращающуюся опорную конструкцию. Опорные блоки и подшипниковые узлы могут быть выполнены таким образом, чтобы они образовывали лабиринтные уплотнения, которые предотвращают утечку текучей среды из устройства.
[0043] Опорные блоки могут иметь центральное отверстие для приема конца трубопровода подачи текучей среды и кольцевую выемку, расположенную с внешней в радиальном направлении стороны от центрального отверстия и предназначенную для приема конца трубчатого центрального вала, причем кольцевая выемка обычно по меньшей мере частично облицована подшипниковыми элементами (например такими, как описано выше) с тем, чтобы содействовать вращению в ней конца центрального трубчатого вала. Подшипники в опорном блоке обеспечивают возможность вращения трубчатого центрального вала, в то время как сам опорный блок и трубопровод подачи текучей среды обычно не вращаются. Зазор между концом трубчатого центрального вала и подшипниками внутри кольцевой выемки является таким, что обеспечивается возможность свободного вращения трубчатого вала с одновременным предотвращением утечки текучей среды из трубопровода подачи текучей среды и внутренней области трубчатого центрального вала между концом вала и подшипниками. Таким образом, конец вала и границы (например, образованные стенками или подшипниками) совместно образуют узкий лабиринтный канал, который проходит от внутренней области трубчатого центрального вала до области вне устройства и по которому должна проходить жидкость с целью утечки наружу. Конфигурация лабиринтного канала является такой, что создано лабиринтное уплотнение, которое предотвращает утечку текучей среды наружу. С целью обеспечения дополнительной защиты от утечек, могут присутствовать одно или более впускных воздушных отверстий для втягивания или накачки воздуха в лабиринтный канал. При накачке воздуха во впускные воздушные отверстия или при втягивания воздуха во впускные воздушные отверстия, имеющий выпускное отверстие конец центрального трубчатого вала оказывается подвешенным в кольцевой выемке, так что нет необходимости в подшипниках для поддержки его полного веса. Таким образом обеспечивается возможность вращения имеющего выпускное отверстие конца центрального трубчатого вала с меньшим трением. Кроме того, под действием давления воздуха, поступающего в лабиринтное уплотнение через впускные воздушные отверстия, дополнительно предотвращается утечка текучей среды из лабиринтного уплотнения. Разумеется, лабиринтное уплотнение может быть ориентировано в противоположном направлении, так что впускное отверстие текучей среды и выпускные отверстия текучей могут быть соединены противоположным образом.
[0044] Сепаратор оснащен первым и вторым выпускными отверстиями, через которые могут проходить сепарированные компоненты потока текучей среды. Таким образом, первый компонент потока текучей среды или смесь, преимущественно содержащая первый компонент потока текучей среды, может проходить через одно выпускное отверстие, а второй компонент потока текучей среды или смесь, преимущественно содержащая второй компонент потока текучей среды, может проходить через другое выпускное отверстие. В одном варианте осуществления первое выпускное отверстие присутствует в виде одного или более отверстий во внешней в радиальном направлении поверхности сепараторного блока (например, в виде одного или более отверстий в полой цилиндрической части). Выпускные отверстия могут иметь стенки, которые наклонены под углом 30-45° к оси вращения с целью снижения турбулентности и, таким образом, повышения эффективности сепарации, при прохождении сепарированных более плотных компонентов через выпускное отверстие.
[0045] Второе выпускное отверстие может быть выполнено на конце трубчатого центрального вала, при его наличии. В качестве альтернативы, первое выпускное отверстие может окружать второе выпускное отверстие, причем эти два выпускных отверстия разделены посредством разделительной стенки (например, цилиндрической разделительной стенки).
[0046] Каждое из первого и второго выпускных отверстий соединено или выполнено с возможностью соединения с первым и вторым коллекторами соответственно. В одном варианте осуществления устройство содержит первый коллектор, который соединен с первым выпускным отверстием. В другом варианте осуществления устройство содержит второй коллектор, который соединен со вторым выпускным отверстием. Еще в одном варианте осуществления устройство содержит первый и второй коллекторы, которые соединены с первым и вторым выпускными отверстиями соответственно.
[0047] Каждый коллектор обычно является неподвижным, т.е. прикрепленным без возможности вращения к опорной конструкции, и не вращается вместе с сепаратором.
[0048] Первый коллектор, связанный с первым выпускным отверстием, может содержать окружную распределительную магистраль в виде канала, окружающую центробежный сепараторный блок таким образом, чтобы принимать сепарированные компоненты текучей среды, поступающие через каждое из первых выпускных отверстий. Распределительная магистраль в виде канала оснащена одним или более отверстиями с соответствующими проходами, по которым сепарированные компоненты текучей среды могут направляться в емкость для хранения или в отходы.
[0049] Поскольку распределительная магистраль в виде канала неподвижна во время вращения центробежного сепараторного блока, имеет место небольшой зазор между кромками указанного канала и внешней поверхностью сепаратора для обеспечения возможности вращения. Между распределительной магистралью в виде канала и сепараторным блоком может быть предусмотрено подвижное уплотнение для предотвращения утечки сепарированных компонентов текучей среды через указанный зазор. В качестве альтернативы, уплотнение может быть выполнено в виде крыльчатки или лабиринтного уплотнения.
[0050] Предпочтительно, сепаратор выполнен с возможностью создания разности давлений между внутренней областью распределительной магистрали и внешней областью с тем, чтобы воздух проходил в распределительную магистраль и предотвращался выход сепарированных компонентов текучей среды наружу через указанный зазор.
[0051] Сепаратор может быть выполнен таким образом, чтобы указанная разность давлений создавалась в результате втягивания воздуха через указанный зазор в распределительную магистраль. В качестве альтернативы, сепаратор может быть выполнен таким образом, чтобы воздух (или другой газ или смесь газов) вводился под давлением через указанный зазор в распределительную магистраль.
[0052] В одном варианте осуществления внешняя поверхность сепараторного блока оснащена множеством лопаток, расположенных по окружности ее окружной поверхности в указанном канале таким образом, что воздух втягивается в указанный канал через указанный зазор при вращении сепараторного блока. Таким образом, лопатки образуют уплотнение в виде крыльчатки, которое предотвращает утечку материалов через зазор между коллекторным устройством и сепараторным блоком. Уплотнение в виде крыльчатки может иметь переменный диаметр для обеспечения возможности регулирования зазора между сепараторным блоком и уплотнением, если это желательно или необходимо.
[0053] Если центробежный сепараторный блок имеет множество лопаток по его окружности, то может быть предусмотрено множество отверстий, представляющих собой первые выпускные отверстия, между смежными лопатками или группами лопаток. Например, каждая пара лопаток может иметь расположенное между ними отверстие, представляющее собой первое выпускное отверстие. В качестве альтернативы, отверстия, представляющие собой первые выпускные отверстия, могут быть расположены для каждых двух, трех или четырех лопаток по окружности окружной поверхности сепараторного блока.
[0054] В одном конкретном варианте осуществления один или оба из коллекторов расположены с внешней в радиальном направлении стороны от сепаратора и связаны с центробежной сепараторной камерой.
[0055] Устройство оснащено приводным элементом для вращения сепараторного блока. Приводной элемент может содержать двигатель (например, электродвигатель) или турбину (например, воздушную турбину высокого давления или гидравлическую турбину) и надлежащую механическую связь между двигателем или турбиной и сепараторным блоком. Механическая связь может представлять собой, например, приводной ремень. Использование воздушной турбины или гидравлической турбины является предпочтительным в условиях, когда важно избежать опасности воспламенения горючей газовой смеси от электрической искры (например, на нефтедобывающих платформах и в аналогичных местах).
[0056] Впускное отверстие предпочтительно соединено или выполнено с возможностью соединения с источником текучей среды, требующей сепарации. Если источник текучей среды является напорным, то вместо двигателя или турбины или в дополнение к ним поток текучей среды сам по себе может использоваться для приведения в действие или для поддержки вращения сепаратора. Например, сепаратор может быть оснащен множеством сопел и средствами для направления потока текучей среды или вывода текучей среды из сепаратора поверх лопаток или через сопла с образованием турбины, которая приводит во вращение сепаратор.
[0057] В одном варианте осуществления вывод текучей среды, из которой с помощью сепаратора удалены взвешенные вещества, используется для приведения в действие турбины.
[0058] Лопатки могут быть расположены в коллекторном устройстве таким образом, чтобы очищенная или частично очищенная текучая среда, проходящая через коллектор, использовалась для приведения в действие турбины.
[0059] В альтернативном варианте осуществления поток текучей среды через сепаратор может быть разделен с тем, чтобы его часть использовалась для приведения в действие турбины, а остальная часть собиралась посредством коллектора.
[0060] Расход текучей среды, поступающей в устройство и выходящей из него, обычно регулируется с помощью насоса. Было обнаружено, что при использовании насоса, способного обеспечивать по существу постоянный расход текучей среды, поступающей в устройство, значительно повышается эффективность сепарации. Один такой насос представляет собой насос с качающейся шайбой.
[0061] Все поверхности устройства, которые открыты к текучей среде (включая сепараторный блок, внутреннюю стенку, дефлектор и стеночный элемент), предпочтительно изготовлены из гладкого и коррозионностойкого материала, одним примером которого является нержавеющая сталь. Кроме того, указанные поверхности могут быть отполированы для минимизации турбулентности и содействия созданию более ламинарного потока текучей среды через устройство.
[0062] Сепараторное устройство, описанное в настоящей заявке, обычно выполнено с возможностью осуществления им сепарации конкретного типа.
[0063] В одном варианте осуществления сепаратор может быть выполнен с возможностью сепарации смеси двух текучих сред, из который первая текучая среда имеет более высокую плотность, чем вторая текучая среда. Например, сепаратор может быть выполнен с возможностью сепарации нефти и воды в водонефтяной смеси.
[0064] Первый коллектор может быть выполнен с возможностью сбора сепарированной текучей среды из центральной сепараторной камеры через первое выпускное отверстие. В данном варианте осуществления лопатки могут быть расположены внутри коллектора таким образом, чтобы образовывать турбину, приводимую в действие посредством сепарированной текучей среды.
[0065] Сепараторное устройство также может содержать устройство для определения степени сепарации. После того, как определена степень сепарации в устройстве, сепараторное устройство может быть отрегулировано соответствующим образом для повышения степени сепарации.
[0066] В одном варианте осуществления устройство для определения степени сепарации содержит один или более источников света и один или более фотодетекторов. Сепарированные текучие среды и/или материалы в этом случае проходят между одним из источников света и одним из фотодетекторов. Множество сепарированных компонентов могут затем быть определены путем сравнения поглощающей способности компонентов текучей среды из первого и второго выпускных отверстий с одной стороны и известных значений поглощающей способности для чистых образцов или определенных смесей сепарированных компонентов с другой стороны.
[0067] Еще в одном аспекте настоящего изобретения предложено центробежное сепараторное устройство для сепарации компонентов потока текучей среды;
устройство содержит опорную конструкцию и центробежный сепараторный блок, установленный с возможностью вращения на опорной конструкции таким образом, чтобы иметь возможность вращения вокруг оси вращения, проходящей через центробежный сепараторный блок;
приводной элемент для приведения во вращение центробежного сепараторного блока;
центробежный сепараторный блок содержит полый корпус, установленный на центральном валу, который имеет возможность вращения вокруг указанной оси вращения;
причем полый корпус содержит пару стенок, расположенных на расстоянии друг от друга в радиальном направлении и образующих между собой кольцевую центробежную сепараторную камеру; кольцевая центробежная сепараторная камера имеет расположенную раньше по потоку усеченно-коническую область, расположенную дальше по потоку усеченно-коническую область и по существу цилиндрическую среднюю область между расположенными раньше и дальше по потоку усеченно-коническими областями.
впускное отверстие, которое соединено или выполнено с возможностью соединения с источником текучей среды, требующей сепарации, и с помощью которого текучая среда, подлежащая сепарации, может вводиться в расположенную раньше по потоку усеченно-коническую область;
имеющую возможность осевого перемещения разделительную лопатку, размещенную в расположенной дальше по потоку усеченно-конической области и выполненную с возможностью разделения потока текучей среды на внешний в радиальном направлении поток, заключающий в себе более плотный компонент потока текучей среды, и внутренний в радиальном направлении поток, заключающий в себе менее плотный компонент потока текучей среды;
первый коллектор, к которому направляется внешний в радиальном направлении поток; и
второй коллектор, к которому направляется внутренний в радиальном направлении поток.
[0068] Опорная конструкция, приводной элемент, разделительная лопатка и первый и второй коллекторы могут быть такими, как описанные выше в отношении первого аспекта настоящего изобретения.
[0069] Предпочтительно, расположенные на расстоянии друг от друга в радиальном направлении стенки разнесены таким образом, что площадь поперечного сечения кольцевой центробежной сепараторной камеры является по существу постоянной по длине ее канала. Это дополнительно содействует снижению турбулентности и таким образом облегчает создание более ламинарного потока текучей среды через камеру.
[0070] Еще в одном аспекте настоящего изобретения предложено центробежное сепараторное устройство для сепарации компонентов потока текучей среды;
устройство содержит опорную конструкцию и центробежный сепараторный блок, установленный с возможностью вращения на опорной конструкции таким образом, что он имеет возможность вращения вокруг оси вращения, проходящей через центробежный сепараторный блок;
приводной элемент для приведения по вращение центробежного сепараторного узла;
причем центробежный сепараторный блок содержит центробежную сепараторную камеру, имеющую впускное отверстие, которое соединено или выполнено с возможностью соединения с источником текучей среды, требующей сепарации, первое выпускное отверстие для сбора более плотного компонента потока текучей среды и второе выпускное отверстие для сбора менее плотного компонента потока текучей среды;
первое выпускное отверстие соединено или выполнено с возможностью соединения с первым коллектором для сбора более плотного компонента, а второе выпускное отверстие соединено или выполнено с возможностью соединения со вторым коллектором для сбора менее плотного компонента;
центробежная сепараторная камера при необходимости содержит криволинейную или наклонную направляющую поверхность для направления потока текучей среды от впускного отверстия в радиальном направлении наружу;
и центробежный сепараторный блок при необходимости оснащен стеночным элементом, который выполнен с возможностью осевого перемещения для обеспечения выбранной степени перекрытия первого выпускного отверстия и, таким образом, для регулирования расхода более плотного компонента через первое выпускное отверстие;
причем первое и/или по второе выпускные отверстия сообщаются по текучей среде с одним или более устройствами для определения степени сепарации компонентов текучей среды.
[0071] Устройство для определения степени сепарации может содержать один или более источников света и один или более фотодетекторов, как описано выше.
[0072] Еще в одном аспекте настоящего изобретения предложен способ сепарации компонентов потока текучей среды, включающий этап, на котором пропускают поток текучей среды через устройство, описанное в настоящей заявке.
[0073] В одном конкретном варианте осуществления устройство согласно настоящему изобретению применяют для очистки воды. Следовательно, напорный источник жидкости представляет собой напорный источник воды. Вода может представлять собой, например, воду, взятую из буровой скважины, колодца, реки, ручья, пруда, озера или водоема соленой воды, или из емкости со сточной водой, и напор создается посредством насоса, который используется для накачки воды в устройство и через него. В данном варианте осуществления напор воды, создаваемый с помощью насоса, может использоваться для обеспечения первичного или вспомогательного приводного средства для вращения сепараторного блока. При использовании напора воды в качестве первичного приводного средства для вращения сепараторного блока, двигатель или турбина могут использоваться в качестве вспомогательного источника мощности для повышения скорости вращения в случае, если одного лишь напора воды недостаточно для вращения сепараторного блока с нужной скоростью. Двигатель также может использоваться для инициирования вращения сепараторного блока с целью создания начального центробежного усилия для сепарации вещества в виде частиц. После того, как центробежное усилие достигло достаточного уровня, двигатель может быть выключен.
[0074] Еще в одном варианте осуществления устройство согласно настоящему изобретению применяется для удаления вещества в виде частиц, взвешенного в текучей среде. Вещество в виде частиц может содержать, например, частицы песка, грунта, глины или песчаника. Такое вещество в виде частиц обычно является более плотным, чем вода, и, следовательно, оно выходит наружу через первое выпускное отверстие, в то время как вода, из которой удалено вещество в виде частиц, выходит наружу через второе выпускное отверстие.
[0075] Примеры текучих сред, в которых взвешено вещество в виде частиц, включают шламы или суспензии, образующиеся в результате операций бурения и гидравлического разрыва пласта.
[0076] Насос и любые вспомогательные двигатели могут приводиться в действие с помощью электричества или с помощью портативного генератора, или с помощью любого из различных возобновляемых источников энергии, таких как солнечная энергия.
[0077] Устройство согласно настоящему изобретению может также использоваться для фильтрации других жидкостей, таких как углеводороды.
[0078] В одном конкретном варианте осуществления способ используется для сепарации нефти и воды. Данный вариант осуществления рассматривается как особенно полезный на операциях очистки после разлива нефти. Таким образом, устройство может быть установлено, например, на корабле или другой плавучей опоре, и через устройство будет прокачиваться морская вода. Нефть, удаленная из морской воды, может быть сохранена в емкости для выбрасывания в отходы или для повторного использования, а вода может быть возвращена в море или пропущена через один или более последующих фильтров или сепараторных устройств для удаления любых оставшихся следов нефти.
[0079] Устройство согласно настоящему изобретению может быть выполнено таким образом, чтобы оно было портативным, например размещаемым на грузовике или на железнодорожной платформе, и, следовательно, его можно было бы быстро и легко транспортировать в места, где оно необходимо, например, для операций по устранению последствий стихийных бедствий, где имеет место нехватка или отсутствие чистой воды.
[0080] Устройство согласно настоящему изобретению, описанное выше, обеспечивает превосходную сепарацию многофазных потоков текучей среды. Тем не менее, в некоторых ситуациях текучие среды, сепарированные в результате их пропускания через устройство, могут сохранять очень низкие остаточные уровни примесей. Например, если поток текучей среды содержит воду и взвешенные материалы в виде частиц (например, песок или песчаник), то компоненты, выходящие из второго выпускного отверстия, могут содержать малые количества песка или песчаника вместе с водой (и наоборот). Если жидкость содержит водонефтяную смесь, то компоненты, выходящие наружу через первое выпускное отверстие, могут состоять преимущественно из воды и любых растворенных веществ и, в зависимости от степени сепарации, некоторого количества нефти (и наоборот).
[0081] Такие низкие уровни загрязняющих веществ могут придавать воде некоторую мутность, но обычно они невидимы или их трудно увидеть невооруженным глазом.
[0082] С целью дальнейшего снижения (или полного исключения) уровней остаточных загрязняющих веществ в сепарированном потоке текучей среды, первое или второе выпускное отверстие устройства может быть соединено с дополнительным сепараторным устройством.
[0083] Дополнительное сепараторное устройство может представлять собой вихревое сепараторное устройство. Вихревое сепараторное устройство содержит вихреобразующее устройство, которое создает вихри в потоке текучей среды, и сепараторный блок, в котором происходит сепарация завихренного потока текучей среды. На расположенном ниже по потоку конце сепараторного блока могут находиться два концентрических выпускных отверстия: расположенное с внешней в радиальном направлении стороны кольцевое выпускное отверстие для сбора более плотного компонента потока текучей среды и расположенное с внутренней в радиальном направлении стороны выпускное отверстие для сбора менее плотного компонента потока текучей среды.
[0084] В отличие от устройства, описанного в настоящей заявке, в котором центробежный сепараторный блок (где происходит сепарация) вращается для создания центробежного усилия, необходимого для сепарации, в вихревом сепараторном устройстве сепараторный блок не вращается. Вместо этого, при поступлении сепарируемой текучей среды в сепараторный блок эта текучая среда вращается/закручивается с образованием вихря. В этом случае вращательное движение текучей среды в вихре создает центробежные усилия для сепарации.
[0085] Таким образом, вихревое сепараторное устройство содержит вихреобразующее устройство для создания вихрей в потоке текучей среды. Термин «вихрь», используемый в настоящей заявке, относится к вращению или закручиванию текучей среды вокруг оси (обычно линейной оси). Следовательно, вихреобразующее устройство может представлять собой устройство, которое способно придавать такое вращение или закручивание потоку текучей среды.
[0086] Вихреобразующее устройство может содержать один или более вихреобразующих элементов, например, сопел спиральной/винтовой формы, наклонных сопел, наклонных лопаток или наклонных каналов. При прохождении потока текучей среды через вихреобразующее устройство, вихреобразующие элементы направляют текучую среду по круговой или спиральной траектории для создания вихря в потоке текучей среды.
[0087] Вихреобразующие элементы обычно расположены (предпочтительно, расположены через равные промежутки) вокруг центральной оси, вокруг которой должна вращаться текучая среда. Вихреобразующие элементы обычно содержат одно или более отверстий или одну или более перегородок, которые наклонены относительно центральной оси таким образом, чтобы создавать вихрь в текучей среде при ее прохождении через отверстия или мимо перегородок.
[0088] Вихреобразующее устройство обычно имеет лишь один канал, по которому поток текучей среды может поступать в сепараторный блок. Следовательно, весь поток текучей среды, поступающей в сепараторный блок, проходит через вихреобразующее устройство и в результате подвергается воздействию/модификации посредством вихреобразующих элементов.
[0089] Примеры вихреобразующих устройств, имеющих перегородки в качестве вихреобразующих элементов, включают отклоняющие тарелки, сопла спиральной/винтовой формы и наклонные лопатки. Перегородки могут быть наклонены относительно центральной оси таким образом, чтобы создавать вихрь в текучей среде при ее прохождении через сопла. Например, перегородки могут иметь наклон от 40° до 50°, например 45°, относительно центральной оси.
[0090] В случае сопел спирально-винтовой формы, эти сопла обычно содержат коническую воронку, имеющую отверстие в вершине. Текучая среда протекает через коническую воронку и выходит через вершину. Ниже по потоку относительно вершины на внешней поверхности сопла жестко закреплена перегородка спиральной/винтовой формы, образующая спиральный/винтовой канал. Таким образом, текучая среда, выходящая из отверстия в вершине сопла, сталкивается с перегородкой спиральной/винтовой формы и принудительно направляется вдоль канала спиральной/винтовой формы, в результате чего создается вращение потока текучей среды.
[0091] Примеры вихреобразующих устройств, имеющих наклонные отверстия, включают наклонные сопла или тарелки с наклонными каналами.
[0092] Если вихреобразующие элементы представляют собой наклонные сопла, то эти сопла расположены (предпочтительно, через равные промежутки) вокруг центральной оси, вокруг которой должна вращаться текучая среда. Сопла наклонены к центральной оси, так что при прохождении текучей среды через сопла в ней создается вихрь. Например, сопла могут быть наклонены на 40°-50°, например на 45°, к центральной оси.
[0093] Если вихреобразующий элемент представляет собой тарелку с наклонными каналами, то эти каналы обычно расположены через равные промежутки вокруг центральной оси, вокруг которой должна вращаться текучая среда. Тарелка обычно имеет цилиндрическую форму, с каналами, проходящими по всей толщине тарелки. Каналы наклонены к центральной оси, так что при прохождении текучей среды через каналы в ней создается вихрь. Например, каналы могут быть наклонены на 40°-50°, например на 45°, относительно центральной оси. Каналы могут представлять собой единственный путь, по которому поток текучей среды может поступать в вихреобразующее устройство и выходить из него, и, следовательно, они могут представлять собой единственный путь, по которому поток текучей среды может поступать в сепараторный блок.
[0094] Вихревое сепараторное устройство также может содержать крыльчатку, в дополнение к вихреобразующему устройству. Крыльчатка служит для повышения скорости вращения текучей среды в сепараторном блоке для улучшения сепарации. Это особенно желательно, если компоненты подлежащего сепарации потока текучей среды имеют сходные плотности (например, вода/нефть). В этом случае использование крыльчатки повышает скорость вращения потока текучей среды и, таким образом, повышает центробежные усилия, действующие на компоненты потока текучей среды, для повышения эффективности сепарации.
[0095] В качестве альтернативы или дополнительно, крыльчатка сама по себе может быть выполнена таким образом, чтобы создавать вихрь в потоке текучей среды. В данном варианте осуществления крыльчатка действует как вихреобразующее устройство.
[0096] Крыльчатка обычно соединена с приводным элементом для вращения крыльчатки. Приводной элемент может содержать двигатель (например, электродвигатель) или турбину (например, воздушную турбину высокого давления или гидравлическую турбину) и надлежащую механическую связь между двигателем или турбиной и сепараторным блоком. Механическая связь может представлять собой, например, приводной ремень. Использование воздушной турбины или гидравлической турбины является предпочтительным в тех условиях, где важно избежать опасности воспламенения горючей газовой смеси от электрической искры (например, на нефтедобывающих платформах и в аналогичных местах).
[0097] Перед прохождением потока текучей среды через вихревое сепараторное устройство, поток текучей среды может быть канализирован для снижения турбулентности. Благодаря снижению турбулентности в потоке текучей среды, поступающем в вихреобразующее устройство, повышается эффективность сепарации.
[0098] Следовательно, вихревое сепараторное устройство может содержать впускную камеру потока, заключающую в себе множество стенок, образующих множество каналов для канализации потока текучей среды. Каналы могут быть параллельными, или они могут сходиться в направлении расположенного дальше по потоку конца вихревого сепараторного устройства. Например, каналы могут сходиться вместе под углом до 20° или до 10°.
[0099] Вихревое сепараторное устройство может содержать шесть или более, семь или более или восемь или более стенок, которые образуют каналы. В одном варианте осуществления вихревое сепараторное устройство содержит восемь стенок, которые образуют каналы. Стенки, которые образуют каналы, могут быть выполнены из металлического или пластмассового материала, который является достаточно твердым, чтобы не деформироваться при прохождении потока текучей среды через устройство.
[00100] Стенки обычно проходят продольно в направлении потока текучей среды через впускную камеру потока. Стенки также могут проходить в направлении центра впускной камеры потока (но не обязательно проходить радиально в направлении центра впускной камеры потока).
[00101] В одном варианте осуществления канал может представлять собой канал с открытой стороной, и он может состоять из основания и пары проходящих от него боковых стенок, образующих канал с открытой стороной. Еще в одном варианте осуществления канал может представлять собой закрытый канал, и он может содержать основание и пару проходящих от него боковых стенок, которые связаны друг с другом с образованием единой непрерывной стенки, образующей закрытый канал. Стенки могут быть прямыми, криволинейными или загнутыми. Если стенки образуют канал с открытой стороной, то эти стенки могут сходиться (либо с одинаковой, либо с различной степенью схождения). Открытая сторона канала обычно обращена к центру впускной камеры потока.
[00102] Стенки или основания обычно жестко закреплены на внутренней стенке впускного отверстия сепараторного блока. Обычно крепления, используемые для закрепления стенок/оснований на внутренней стенке впускного отверстия сепараторного блока, выбираются таким образом, чтобы минимизировать турбулентность при прохождении потока текучей среды по этим креплениям (например, используются винты с потайной головкой или заклепки). В качестве альтернативы, стенки могут быть выполнены как единое целое с впускной камерой потока.
[00103] Например, в одном варианте осуществления вихревое сепараторное устройство может содержать впускную камеру потока, содержащую три, четыре или пять (например, четыре) каналов с открытой стороной, каждый из которых образован основанием и парой (обычно сходящихся) боковых стенок, проходящих от основания, причем каналы с открытой стороной обращены к центру впускной камеры потока, и каждое из оснований жестко закреплено на внутренней стенке впускной камеры потока.
[00104] Еще в одном примере вихревое сепараторное устройство может содержать впускную камеру потока, заключающую в себе три, четыре или пять (например, четыре) каналов с открытой стороной, каждый из которых образован основанием и парой (обычно сходящихся) боковых стенок, проходящих от основания, причем каналы с открытой стороной обращены к центру впускной камеры потока, и каждое из оснований выполнено как единое целое с внутренней стенкой впускной камеры потока или образует ее часть.
[00105] Направляющие стенки обычно расположены раньше по потоку относительно вихревого сепараторного устройства и крыльчатки (при ее наличии).
[00106] Расположенные дальше по потоку концы направляющих стенок могут иметь наклон и действовать как перегородки (как описано выше), выполненные как единое целое с образующими канал направляющими стенками. Концы направляющих стенок могут быть загнуты под углом от 40° до 50°, например 45°, относительно расположенных раньше по потоку концов направляющих стенок. Таким образом, направляющие стенки служат для начального снижения турбулентности в потоке текучей среды, а затем в качестве вихреобразующего элемента для создания вихря в потоке текучей среды с тем, чтобы была обеспечена возможность сепарации потока текучей среды в сепараторном блоке.
[00107] Дальше по потоку относительно вихреобразующего устройства вихревое сепараторное устройство также содержит сепараторный блок, который обычно имеет трубчатую форму. При прохождении подлежащей сепарации текучей среды через сепараторный блок, более плотные компоненты текучей среды перемещаются наружу в направлении периферии сепараторного блока в большей степени, чем менее плотные компоненты, в результате чего происходит сепарация более плотных и менее плотных компонентов.
[00108] Вихревое сепараторное устройство имеет впускное отверстие, которое соединено или выполнено с возможностью соединения с источником текучей среды, требующей сепарации. Может иметь место лишь одно такое впускное отверстие, или может присутствовать множество отверстий, ведущих в устройство, каждое из которых представляет собой впускное отверстие. Как описано выше, вихревое сепараторное устройство может быть присоединено дальше по потоку относительно центробежного сепараторного устройства, описанного в настоящей заявке. Таким образом, первое или второе выпускное отверстие центробежного сепараторного устройства, описанного в настоящей заявке, может быть соединено с впускным отверстием вихревого сепараторного устройства.
[00109] Впускное отверстие предпочтительно соединено или выполнено с возможностью соединения с напорным источником текучей среды, требующей сепарации. Если, в дополнение к двигателю или турбине или вместо них, источник текучей среды представляет собой напорный источник, то сам по себе поток текучей среды может использоваться для приведения в действие или поддержки вращения сепаратора. Например, сепараторный блок может быть оснащен множеством лопаток или сопел и средствами для направления потока текучей среды или вывода текучей среды из сепараторного блока поверх лопаток или через сопла с образованием турбины, которая приводит во вращение крыльчатку.
[00110] В альтернативном варианте осуществления поток текучей среды через сепаратор может быть разделен таким образом, чтобы его часть использовалась для приведения в действие турбины, а остальная часть собиралась в коллекторе.
[00111] Сепараторный блок оснащен первым и вторым выпускными отверстиями, через которые могут проходить сепарированные компоненты потока текучей среды. Таким образом, первый компонент потока текучей среды или смесь, преимущественно содержащая первый компонент потока текучей среды, может выходить через одно выпускное отверстие, а второй компонент потока текучей среды или смесь, преимущественно содержащая второй компонент потока текучей среды, может выходить через другое выпускное отверстие.
[00112] Первое и второе выпускные отверстия обычно соосно выровнены, причем первое выпускное отверстие выполнено в виде кольцевого выпускного отверстия, окружающего второе выпускное отверстие.
[00113] Второе выпускное отверстие может представлять собой отверстие на конце трубчатого центрального вала, при его наличии. Первое выпускное отверстие может окружать второе выпускное отверстие, и эти два выпускных отверстия могут быть разделены посредством разделительной стенки (например, цилиндрической разделительной стенки). В качестве альтернативы, первое выпускное отверстие присутствует в виде одного или более отверстий во внешней в радиальном направлении поверхности сепараторного блока (например, одного или более отверстий в полой цилиндрической части).
[00114] Каждое из первого и второго выпускных отверстий соединено или выполнено с возможностью соединения с первым и вторым коллектором соответственно. В одном варианте осуществления устройство содержит первый коллектор, который соединен с первым выпускным отверстием. Еще в одном варианте осуществления устройство содержит второй коллектор, который соединен со вторым выпускным отверстием. Еще в одном варианте осуществления устройство содержит первый и второй коллекторы, которые соединены с первым и вторым выпускным отверстием соответственно.
[00115] Сепараторный блок может быть изготовлен из металлов, пластмасс иди других долговечных материалов или их комбинаций. В одном варианте осуществления сепараторный блок изготовлен из акриловой пластмассы. Еще в одном варианте осуществления сепараторный блок изготовлен из нержавеющей стали.
[00116] Вихревое сепараторное устройство, описанное в настоящей заявке, обычно выполнено с возможностью осуществления им сепарации конкретного типа.
[00117] В одном варианте осуществления сепараторное устройство может быть выполнено с возможностью сепарации смеси двух текучих сред, в которой первая текучая среда имеет более высокую плотность, чем вторая текучая среда. Например, сепаратор может быть выполнен с возможностью сепарации нефти и воды в водонефтяной смеси. В качестве альтернативы, сепараторное устройство может быть выполнено с возможностью сепарации твердого вещества от жидкости. Твердое вещество обычно имеет плотность выше, чем у жидкости. Например, сепаратор может быть выполнен с возможностью сепарации песка от воды.
[00118] Следует иметь в виду, что степень сепарации компонентов потока текучей среды обычно будет зависеть от геометрических параметров сепараторного блока и скорости вращения крыльчатки. Таким образом, в случае текучей среды, представляющей собой водонефтяную смесь, скорость вращения центробежного сепараторного блока может быть выбрана таким образом, чтобы по существу не содержащая нефти вода выходила наружу через первое выпускное отверстие, или по существу не содержащая воды нефть выходила наружу через второе выпускное отверстие. Поток текучей среды с компонентами более близкой плотности потребует большего сепараторного блока (например, трубчатого сепараторного блока большего диаметра) и/или более высокой скорости вращения крыльчатки.
[00119] В настоящем изобретении также предложено вихревое сепараторное устройство как таковое (т.е. не обязательно в сочетании с центробежным сепараторным устройством, описанным в настоящей заявке).
[00120] В частности, в настоящем изобретении предложено вихревое сепараторное устройство для сепарации компонентов потока текучей среды, содержащее:
сепараторный блок, в котором происходит сепарация текучей среды;
впускное отверстие текучей среды для ввода текучей среды, подлежащей сепарации, от напорного источника текучей среды в сепараторный блок;
один или более каналов для снижения турбулентности в потоке текучей среды; и
вихреобразующее устройство для создания вихря в потоке текучей среды.
[00121] Вихревое сепараторное устройство также может быть охарактеризовано как описанное выше, и примеры и варианты осуществления, описанные выше применительно к вихревому сепараторному устройству в сочетании с центробежным сепараторным устройством, в равной степени применимы к отдельному вихревому сепараторному устройству.
[00122] Вихревое сепараторное устройство, описанное в настоящей заявке, может использоваться изолированно или в сочетании с другими сепараторными устройствами.
[00123] Еще в одном аспекте настоящего изобретения предложено расположенное раньше по потоку первое сепараторное устройство; расположенное дальше по потоку вихревое сепараторное устройство, описанное в настоящей заявке; и проход для соединения выпускного отверстия первого сепараторного устройства с впускным отверстием вихревого сепараторого устройства.
[00124] Соответственно, в одном варианте осуществления настоящего изобретения предложено устройство, содержащее расположенное раньше по потоку центробежное сепараторное устройство, определенное и описанное в настоящей заявке; расположенное дальше по потоку вихревое сепараторное устройство, определенное и описанное в настоящей заявке; и проход для соединения выпускного отверстия центробежного сепараторного устройства с впускным отверстием вихревого сепараторного устройства.
[00125] Еще в одном варианте осуществления устройство может содержать центробежнное сепараторное устройство, определенное и описанное в настоящей заявке, в сочетании с парой расположенных дальше по потоку вихревых сепараторных устройств, из которых одно вихревое сепараторное устройство соединено с первым выпускным отверстием центробежного сепараторного устройства, и еще одно вихревое сепараторное устройство соединено с вторым выпускным отверстием центробежного сепараторного устройства.
[00126] В одном варианте осуществления настоящего изобретения предложено вихревое сепараторное устройство для сепарации компонентов потока текучей среды (например, сепарации смеси нефти и воды), содержащее:
сепараторный блок, в котором происходит сепарация текучей среды;
впускное отверстие текучей среды для ввода текучей среды, подлежащей сепарации, от напорного источника текучей среды в сепараторный блок;
один или более каналов для снижения турбулентности в потоке текучей среды;
тарелку с наклонными каналами, расположенными через равные промежутки вокруг центральной оси, вокруг которой должна вращаться текучая среда; и
крыльчатку для повышения скорости вращения вихревого потока текучей среды.
[00127] Еще в одном варианте осуществления предложено вихревое сепараторное устройство для сепарации компонентов потока текучей среды (например, для сепарации смеси песка и воды), содержащее:
сепараторный блок, в котором происходит сепарация текучей среды;
впускное отверстие текучей среды для ввода текучей среды, подлежащей сепарации, от напорного источника текучей среды в сепараторный блок;
[00128] один или более каналов для снижения турбулентности в потоке текучей среды; и
тарелку с наклонными каналами, расположенными на одинаковом расстоянии вокруг центральной оси, вокруг которой должна вращаться текучая среда.
[00129] Еще в одном варианте осуществления предложено вихревое сепараторное устройство для сепарации компонентов потока текучей среды (например, для сепарации смеси песка и воды), содержащее:
сепараторный блок, в котором происходит сепарация текучей среды;
впускное отверстие текучей среды для ввода текучей среды, подлежащей сепарации, от напорного источника текучей среды в сепараторный блок;
одну или более направляющих стенок, образующих каналы для снижения турбулентности в потоке текучей среды, причем расположенные дальше по потоку концы направляющих стенок наклонены таким образом, чтобы создавался вихрь в потоке текучей среды.
[00130] Вихревые сепараторные устройства, описанные в вышеуказанных вариантах осуществления, могут быть дополнительно охарактеризованы так, как описано выше. Примеры и варианты осуществления, описанные выше, в равной степени применимы к вихревым сепараторным устройствам в этих вариантах осуществления. Настоящее изобретение будет далее проиллюстрировано более подробно (но без ограничения) со ссылками на конкретные варианты осуществления, показанные на сопроводительных чертежах и представляющие собой устройства для очистки воды.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[00131] На ФИГ. 1 показан вид в сечении устройства согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
[00132] На ФИГ. 2 показан внешний вид устройства, показанного на ФИГ. 1.
[00133] На ФИГ. 3 показан вид в сечении лабиринтного уплотнения, используемого для соединения трубопровода подачи текучей среды или выпускного трубопровода с устройством согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
[00134] На ФИГ. 4 показан дисковый узел, который действует как стеночный элемент, в устройстве согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
[00135] На ФИГ. 5 показан внешний вид сбоку устройства согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.
[00136] На ФИГ. 6 показан упрощенный вид в сечении устройства, показанного на ФИГ. 4.
[00137] На ФИГ. 7 показан вид в сечении впускного конца устройства, показанного на ФИГ. 4.
[00138] На ФИГ. 8 показан вид в сечении выпускного конца устройства, показанного на ФИГ.4.
[00139] На ФИГ. 9 показан звездообразный дефлектор устройства согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.
[00140] На ФИГ. 10 показан схематичный чертеж системы для определения степени сепарации двух компонентов от потока текучей среды.
[00141] На ФИГ. 11 показан схематичный чертеж вихревого сепараторного устройства согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
[00142] На ФИГ. 12 показан вид в сечении вихревого сепараторного устройства, показанного на ФИГ. 11.
[00143] На ФИГ. 13А и 13В показана компоновка направляющих стенок внутри первой двухсторонней втулки в двух разных вариантах осуществления настоящего изобретения.
[00144] На ФИГ. 14А и 14В показаны две стороны вихреобразующей тарелки.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[00145] Устройство согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения проиллюстрировано на ФИГ. 1-4. Как показано на ФИГ. 1 и 2, устройство содержит опорную конструкцию, содержащую пару торцевых стенок 202, 204, соединенных вместе посредством множества (например, восьми) резьбовых стержней (не показаны), которые прикреплены к торцевым стенкам 202, 204 посредством гаек с обеих сторон каждой стенки.
[00146] На обращенных внутрь сторонах двух торцевых стенок 202, 204 установлены подшипниковые узлы 250. Два конца трубчатого вала 216 (именуемого далее трубой 216) проходят в подшипниковые узлы и установлены в них с возможностью вращения. Подшипниковые узлы обычно содержат цилиндрический кожух, заключающий в себе множество подшипников, которые окружают концы трубы 216 и в которых эта труба имеет возможность вращения. Подшипники могут представлять собой подшипники обычного типа и, следовательно, они могут представлять собой конические подшипники, роликовые подшипники, игольчатые подшипники или множество шарикоподшипников.
[00147] Один или оба подшипниковых узла (чаще всего подшипниковый узел 202) могут быть изготовлены таким образом, чтобы образовывать лабиринтное уплотнение, как показано на ФИГ. 3.
[00148] На трубе 216 установлен цилиндрический барабан 224. Барабан 224 жестко закреплен на трубе 216 таким образом, что барабан вращается вместе с трубой 216. Барабан может быть изготовлен из пластмассового материала надлежащей прочности или из коррозионностойкого металла, такого как нержавеющая сталь, или из комбинации пластмассовых и металлических материалов и, если смотреть извне, он имеет в целом цилиндрическую форму.
[00149] Труба 216 имеет два конца: конец 212 подачи текучей среды и выпускной конец 214. На конце барабана, расположенном со стороны трубопровода подачи текучей среды, барабан имеет коническую внутреннюю поверхность 226. Коническая внутренняя поверхность 226 имеет такую форму, что текучая среда, поступающая в барабан, отклоняется к самым внешним областям барабана, где центробежные усилия являются наиболее высокими. Коническая внутренняя поверхность обеспечивает указанное отклонение без создания существенной турбулентности в потоке текучей среды. Коническая внутренняя поверхность может представлять собой внутреннюю поверхность цилиндра (в этом случае, хотя внешняя стенка цилиндра имеет постоянную ширину, внутренняя область цилиндра не будет иметь постоянный диаметр). В качестве альтернативы, коническая внутренняя поверхность может представлять собой поверхность отдельного компонента, который размещен в цилиндре для обеспечения такой же внутренней формы, что и описанная выше. Если коническая поверхность представляет собой поверхность отдельного компонента, то этот компонент может быть выполнен из такого же материала, что и барабан, или из иного материала. Например, отдельный компонент, обеспечивающий коническую внутреннюю поверхность, может быть выполнен из коррозионностойкого материала, такого как нержавеющая сталь, или из пластмассы надлежащей прочности, или из композиционного материала.
[00150] Внешние поверхности трубопровода подачи текучей среды и выпускного трубопровода (трубопроводов) могут быть уплотнены с внутренними поверхностей двух концов трубы 216 и, при необходимости, выпускного отверстия 262 коллектора посредством лабиринтных уплотнений, как показано на ФИГ. 3.
[00151] Лабиринтные уплотнения 306 имеют впускное отверстие для приема трубопровода 304 подачи текучей среды и круговую выемку для приема конца трубчатого вала 302 (эквивалентного трубе 216 на ФИГ. 1) барабана 224, который сообщается по текучей среде с первой камерой в барабане. Текучая среда поступает в уплотнение через трубопровод 304 подачи текучей среды в направлении F, как показано на ФИГ. 3. Хотя трубопровод 304 подачи текучей среды и лабиринтное уплотнение 306 не вращаются при использовании устройства, подшипники в лабиринтном уплотнении (не показаны) обеспечивают возможность вращения конца трубчатого вала 302 внутри лабиринтного уплотнения. Лабиринтное уплотнение заключает в себе извилистые каналы 308 (обычно менее чем 1 мм в ширину), которые предотвращают утечку текучей среды из уплотнения. Использование лабиринтных уплотнений означает, что если давление подаваемого воздуха выше, чем давление обрабатываемой текучей среды, то обеспечивается невозможность выдавливания текучей среды за пределы лабиринтного уплотнения и вытекания наружу. Следовательно, лабиринтное уплотнение обеспечивает средства для соединения статического невращающегося трубопровода подачи текучей среды с вращающимся трубчатым валом и барабаном при одновременном предотвращении утечки текучей среды. Лабиринтные уплотнения могут использоваться сходным образом для соединения впускных трубопроводов с барабаном.
[00152] Лабиринтные уплотнения 306 также содержат впускные воздушные отверстия 310, которые сообщаются по текучей среде с центром уплотнения посредством каналов 308. Воздух может втягиваться в лабиринтное уплотнение через впускные воздушные отверстия 310 либо под действием давления текучей среды, проходящей через уплотнение, либо при использовании внешнего источника сжатого воздуха для ввода сжатого воздуха во впускное воздушное отверстие 310. При достаточном давлении воздуха в лабиринтном уплотнении, вал 302 барабана окажется в подвешенном состоянии, и вес барабана не будет опираться на подшипники в уплотнении. Это означает, что лабиринтное уплотнение виртуально становится свободным от трения и, следовательно, оно будет служить дольше, чем обычные уплотнения, которые легко портятся, если впускная текучая среда заключает в себе вещество в виде частиц, такое как песок и/или песчаник.
[00153] Труба 216 имеет два окружных множества удлиненных наклонных щелей 218, 220 и множество (в данном варианте осуществления - три) удлиненных продольных щелей 222, расположенных по окружности окружной поверхности трубопровода. Функция отверстий и щелей описана ниже.
[00154] Канал трубопровода заперт посредством запорного элемента 217 в виде дисков, каждый из которых имеет кольцевой уплотнительный элемент, вставленный внутрь его внешней кромки для образования уплотнения с внутренней стенкой трубопровода. Запорные элементы или заглушки предотвращают прохождение текучей среды вдоль канала трубопровода.
[00155] Внутренняя область барабана разделена на первую камеру 246 и вторую камеру 248 посредством дискового узла 228. Отверстия в дисковом узле 228 обеспечивают сообщение по текучей среде между первой и второй камерами.
[00156] Промежуточный дисковый узел 228, показанный более подробно на ФИГ. 4, содержит диск 228а из прозрачного пластмассового материала, хотя вместо этого он может быть выполнен из непрозрачного пластмассового материала или из коррозионностойкого металла, такого как нержавеющая сталь. Диск 228а имеет три окружных множества отверстий. В самых внешних отверстиях размещены болты 232. Болты 232 служат для удержания на своем месте кольцевого уплотнительного элемента 234, который натянут вокруг болтов. Кольцевой уплотнительный элемент 234 промежуточного дискового узла 228 плотно прилегает к внутренней поверхности барабана. Уплотнительный элемент 234 выполнен из подходящего эластомерного уплотнительного материала. С внутренней в радиальном направлении стороны отверстий под болты 232 расположено окружное множество из шести отверстий 228с, через которые пропущены резьбовые стержни (не показаны), прикрепляющие дисковый узел 228 к барабану. С внутренней в радиальном направлении стороны отверстий 228с расположены отверстия 228b, количество которых в данном варианте осуществления составляет шесть. Отверстия 228b обеспечивают возможность сообщения по текучей среде через диск 228а.
[00157] В дополнение к центральному отверстию 228е и трем окружным множествам отверстий 228b, 228с и 228d, диск 228а имеет три канала 228f, проходящих от внешней в радиальном направлении кромки диска до центрального отверстия 228е. Внутри трех каналов 228f расположены три крепежных болта 236. Внутренние концы крепежных болтов 236 проходят через щели 222 в трубе 216 и прикреплены к цилиндрической уплотнительной заглушке 238. Уплотнительная заглушка 238 прикреплена к резьбовой приводной штанге 240, которая проходит вдоль внутренней области трубопровода и выходит наружу через сальниковое уплотнение, связанное с трубопроводом 214. Конец резьбовой приводной штанги может быть размещен во вращающемся приводном устройстве, вращение которого приводит к продольному (осевому) перемещению приводного стержня и, таким образом, к продольному перемещению уплотнительной заглушки 238 вдоль трубы. Таким образом, приводная штанга 240 может использоваться для перемещения уплотнительной заглушки и, поскольку диск 228 прикреплен к уплотнительной заглушке 238, перемещение уплотнительной заглушки будет также приводить к осевому перемещению диска 228. Благодаря перемещению уплотнительной заглушки 238 и диска 228, обеспечивается возможность эффективного варьирования размера отверстия, образованного щелями 252, например, увеличения размера отверстия для облегчения прохождения через него более вязких материалов или более крупных частиц.
[00158] Путем изменения размера щелей 252 возможно разделение сепарированного потока текучей среды в разных точках с тем, чтобы обеспечить возможность прохождения одного сепарированного материала через щель 252 при продолжении прохождения другого сепарированного материала через барабан в направлении выпускного трубопровода 214.
[00159] К внешней поверхности барабана прикреплено множество лопаток (не показаны). В данном варианте осуществления лопатки ориентированы в продольном направлении, однако вместо этого они могут быть ориентированы под углом, например, до 45° (например, от приблизительно 15° до 40°, или от приблизительно 20° до 37°, или от приблизительно 25° до 35°, или от приблизительно 30° до 32°) относительно оси вращения трубы 216. В одном варианте осуществления лопатки выполнены попарно, и каждая пара состоит из двух металлических полос, образующих две стороны канальной секции. Полоса, образующая третью (т.е. промежуточную) сторону канальной секции, прикреплена к цилиндру барабана посредством заклепок или других крепежных элементов. Между смежными лопатками расположены щели 252 для обеспечения отверстия, выходящего внутрь барабана.
[00160] Неподвижное коллекторное устройство 254 окружает вращающийся барабан, но не вращается вместе с ним. Коллекторное устройство 254 содержит кольцевую конструкцию в виде канала, открытый торец которой обращен внутрь в направлении вращающегося барабана. Конструкция в виде канала имеет внутренний окружной канал, охватывающий лопатки на внешней поверхности вращающегося барабана. Имеет место небольшой зазор между внутренними кромками конструкции в виде канала и внешней поверхностью вращающегося барабана.
[00161] Коллекторное устройство 254 не вращается при вращении барабана, и оно жестко закреплено на опорных конструкциях 202, 204. Лопатки внешней поверхности барабана образуют уплотнение в виде крыльчатки, которое уменьшает давление воздуха в окружном канале и таким образом втягивает воздух через зазор между внешней поверхностью барабана и коллекторным устройством. Это служит для предотвращения утечки материалов через зазор между коллекторным устройством и барабаном. Могут быть предусмотрены средства (не показаны) для регулирования зазора между внешней поверхностью барабана и коллекторным устройством, если это признано необходимым или желательным для содействия предотвращению утечки между барабаном и коллекторным устройством.
[00162] На своем нижнем конце (термин «нижний» относится к его ориентации при использовании) конструкция в виде канала имеет круглое или овальное отверстие 262, которое образует выпускное отверстие для коллектора. Отверстие 262 соединено с трубопроводом для вывода материалов, проходящих через указанное отверстие.
[00163] Вращающийся барабан приводится во вращение посредством приводного ремня 266, который взаимодействует с приводным колесом 264. Приводной ремень связан с гидравлически приводимой турбиной, турбиной, приводимой воздухом высокого давления, или двигателем (не показаны).
[00164] В одном конкретном варианте осуществления устройство может использоваться для сепарации водонефтяной эмульсии до преимущественно водосодержащего компонента и преимущественно нефтесодержащего компонента.
[00165] Таким образом, водонефтяная эмульсия накачивается через впускной трубопровод (см. ФИГ. 3) в направлении D и в результате поступает в трубу 216, которая находится под воздействием приводного ремня 266. Прохождение водонефтяной эмульсии вдоль внутренней области трубопровода блокируется посредством запорного элемента 217, в результате чего она проходит в центробежную камеру 246 через щели 218 в стенке трубопровода. Перемещению эмульсии в камеру способствует центробежное усилие, создаваемое вращающейся трубой. Внутри камеры 246 коническая направляющая поверхность 226 направляет поток текучей среды к самой внешней области барабана таким образом, чтобы свести к минимуму турбулентность. Под действием центробежного усилия, создаваемого в результате вращения барабана, происходит сепарация нефти и воды в суспензии. Поскольку вода является более плотной, чем нефть, вода перемещается преимущественно к внешней области барабана и выходит наружу через отверстия 252 в коллекторное устройство 254, откуда она направляется в собирающую емкость (не показана) через отверстие 262. Остальная часть текучей среды, которая на данный момент заключает в себе гораздо меньше воды, проходит через отверстия 228b в тарелке 228 и возвращается во внутреннюю область трубы 216 через щели 220. Отсюда нефть выходит наружу через трубопровод 214 и осуществляется ее сбор. Местоположение тарелки 228 может изменяться для изменения количества текучей среды, проходящей через щели 252. В проиллюстрированном варианте осуществления тарелка 228 может быть перемещена таким образом, чтобы отверстия 252 оказались частично запертыми, однако в других вариантах осуществления тарелка может быть перемещена таким образом, чтобы отверстия 252 оказались полностью запертыми.
[00166] По существу такое же устройство, что и показанное на ФИГ. 1-4, использовалось для сепарации водонефтяной смеси в соотношении 50:50. Остаточное содержание нефти в сепарированном водном компоненте составило 18,51 ч./млн. (0,001851%), и остаточное содержание воды в сепарированном нефтяном компоненте составило 0,25%.
[00167] В качестве альтернативы, если поток текучей среды содержит тяжелые частицы, то уплотнительная заглушка 238 может быть размещена таким образом, чтобы она полностью запирала отверстия 252. Если отверстия 252 заперты, то любые тяжелые частицы, например металлические частицы, задерживаются в барабане, а остаточная текучая среда проходит через тарелку 228 и выводится через выпускной конец 214 продольного трубопровода. Затем, когда насос подачи текучей среды отключен, однако барабан все еще вращается, уплотнительная заглушка 238 может быть размещена таким образом, чтобы открыть отверстия 252 для возврата любого тяжелого материала, который был задержан в барабане.
[00168] Было обнаружено, что при использовании вышеописанного устройства обеспечивается возможность достижения хорошей сепарации нефти от воды. С целью максимизации сепарации нефти и воды, возможно изменение скорости вращения барабана простым методом проб и ошибок до тех пор, пока не будет найдена оптимальная скорость.
[00169] По существу такое же устройство, что и показанное на ФИГ. 1-4, также использовалось для сепарации песка и песчаника от воды. Суспензия песка в воде (приблизительно 13,4% песка) была подвергнута серии сепараций, осуществлявшихся при разных скоростях вращения. Сепарированный песок собирался в коллекторе 254, в то время как вода, из которой были удалены частицы песка, собиралась через выпускное отверстие 214.
[00170] При скорости вращения 1500 об/мин, содержание остаточного песка в воде, собранной через выпускное отверстие 214, составило 59 мг/мл (0,0059%).
[00171] При скорости вращения 1772 об/мин, содержание остаточного песка в воде, собранной через выпускное отверстие 214, составило 46 мг/мл (0,0046%).
[00172] При скорости вращения 2250 об/мин, содержание остаточного песка в воде, собранной через выпускное отверстие 214, составило 19 мг/мл (0,0019%).
[00173] На основе вышеуказанных результатов следует предположить, что удаление по существу всего песка из воды будет достигнуто при скорости вращения приблизительно 3500 об/мин.
[00174] Результаты, приведенные выше, показывают, что устройство согласно настоящему изобретению обеспечивает эффективные средства сепарации компонентов потока текучей среды.
[00175] Устройство согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения показано на ФИГ. 5-9. Как показано на ФИГ. 5 и 6, устройство содержит основание 402 опорной конструкции и три вертикальных опорных стойки 404, 406, 408.
[00176] На обращенных внутрь сторонах двух вертикальных опорных стоек 404, 406 установлены подшипниковые узлы, которые имеют обычную конструкцию. Барабан 410, выполненный из нержавеющей стали, проходит между двумя указанными подшипниковыми узлами. Барабан имеет цилиндрическую центральную секцию 412 и два конических концевых участка 414. Барабан выполнен из двух частей. Первая часть содержит один конический концевой участок и большую часть цилиндрической секции, а вторая часть содержит другой конический концевой участок и проходящую в осевом направлении цилиндрическую стенку, которая в собранном состоянии образует часть центральной цилиндрической секции. Обе части содержат фланцы на конце их цилиндрических секций и герметично соединены вместе посредством одного или более герметизирующих зажимов. Вершина каждого из двух конических участков представляет собой полый вал 418, который взаимодействует с подшипниковыми узлами в вертикальных опорных стойках 404, 406, 408. Два конца вала проходят внутрь подшипников и выполнены с возможностью вращения в них. Один конец полого вала соединен с трубопроводом подачи текучей среды. Внешние поверхности трубопровода подачи текучей среды плотно прилегают к внутренним поверхностям полого вала.
[00177] Одна из конических секций барабана оснащена отверстием, через которое подлежащая сепарации текучая среда поступает в барабан (впускное отверстие барабана). Другая коническая концевая секция барабана оснащена выпускными отверстиями, через которые сепарированные или очищенные текучие среды выходят из барабана (выпускного отверстия барабана).
[00178] Впускное отверстие барабана соединено с напорным источником текучей среды, подлежащей очистке. Внутри впускного отверстия барабана расположен звездообразный дефлектор 420, показанный на ФИГ. 9. Звездообразный дефлектор 420 выполнен в виде трубы 420а с несколькими (в данном случае тремя) радиально проходящими стенками 420b. Данная труба заперта и служит для предотвращения прохождения текучей среды через полый вал 418. Поскольку внутренняя область трубы заперта, текучая среда, поступающая через впускное отверстие текучей среды, проходит между радиально выступающими стенками и затем отклоняется наружу посредством внутренней поверхности оболочки через кольцевой канал между стенкой барабана и внутренней стенкой.
[00179] Как цилиндрические, так и конические секции барабана имеют конструкцию с двойной оболочкой, образованную внутренней поверхностью 422 барабана и внешней поверхностью внутренней стенки 424. Таким образом, между внешней поверхностью внутренней стенки и внутренней поверхностью стенки барабана образован кольцевой канал 426. Наличие конструкции с двойной оболочкой означает, что текучая среда подвергается воздействию максимальных центробежных усилий, направленных к внешней в радиальном направлении области барабана. Барабан и внутренняя стенка имеют такую форму, что площадь поперечного сечения по длине барабана является постоянной. Следовательно, расстояние между внутренней поверхностью барабана и внутренней стенкой уменьшается вдоль конической секции барабана по мере увеличения диаметра поперечного сечения. Это означает, что текучая среда имеет возможность прохождения через барабан без изменения скорости.
[00180] Как внутренняя поверхность барабана, так и внешняя поверхность оболочки выполнены из нержавеющей стали и отполированы для снижения турбулентности, создаваемой в сепарируемой жидкости.
[00181] При поступлении в систему смесь текучих сред перемещается через звездообразный дефлектор 420 и коническую внутреннюю стенку 424 в направлении внешнего диаметра основного сепараторного барабана. Углы конических секций содействуют перемещению текучей среды к внешним в радиальном направлении частям барабана, где имеют место самые высокие центробежные усилия, при низкой турбулентности. Насос перемещает указанную смесь через сепараторный барабан, и под действием центробежного усилия более тяжелые частицы перемещаются в направлении внешней стенки 422, а более легкие частицы перемещаются в направлении внутренней стенки.
[00182] На выпускном конце барабана расположен дефлекторный конус 430. Дефлекторный конус разделяет текучую среду на два компонента. Менее плотный компонент текучей среды проходит с одной стороны (внутренней в радиальном направлении стороны) дефлектора и через выпускное отверстие барабана. Более плотный компонент текучей среды проходит с другой стороны (внешней в радиальном направлении стороны) дефлектора и далее через отдельное выпускное отверстие, расположенное перпендикулярно указанному выпускному отверстию барабана.
[00183] Дефлекторный конус 430 может быть перемещен назад и вперед по оси вращения для изменения точки разделения в поперечном сечении потока.
[00184] Дефлекторный конус 430 выполнен в виде лопатки из нержавеющей стали и соединен с трубчатым валом. Лопатка из нержавеющей стали отполирована для минимизации турбулентности и содействия созданию ламинарного потока текучей среды через устройство. Трубчатый вал разделяет выпускной конец трубы на внутреннее выпускное отверстие 432 и внешнее выпускное отверстие 434. Более плотный компонент потока текучей среды, проходящий через дефлекторный конус с его внешней в радиальном направлении стороны, затем проходит через внешнее выпускное отверстие 434. Менее плотный компонент, проходящий с внутренней в радиальном направлении стороны дефлекторного конуса, затем проходит через внутреннее выпускное отверстие 432. Оба выходных потока могут быть направлены обратно к центральной области, где компоновка из манжетных уплотнений и О-образных кольцевых уплотнений образует каналы для поступления выходных потоков к их соответствующим выпускным трубопроводам. В качестве альтернативы, внешнее выпускное отверстие 434 направляет более плотный компонент текучей среды к выпускному трубопроводу, который наклонен приблизительно перпендикулярно к оси вращения барабана, а внутреннее выпускное отверстие 432 направляет менее плотный компонент к другому выпускному трубопроводу, расположенному с наклоном к полому валу 418.
[00185] Барабан установлен на роликовых подшипниках (не показаны) на каждом конце. Барабан приводится во вращение посредством приводного ремня, взаимодействующего со шкивом, который закреплен в процессе изготовления барабана внутри звездообразного дефлектора 420. Приводной ремень связан с электродвигателем. В качестве альтернативы, приводной ремень может быть связан с гидравлически приводимой турбиной или с турбиной, приводимой воздухом высокого давления.
[00186] При использовании, подлежащая сепарации смесь текучих сред (например, смесь нефти и воды) накачивается во впускное отверстие в идеальном случае с помощью насоса с низкой турбулентностью (такого как поршневой насос с качающейся шайбой). Затем барабан раскручивается до высокой скорости вращения (приблизительно 3000 об/мин) посредством ременного привода. Звездообразный дефлектор 420 поддерживает механическую непрерывность через центральный трубопровод 418 системы при одновременном обеспечении возможности поступления текучей среды в кольцевой канал 426.
[00187] Степень сепарации и/или чистоты текучих сред, сепарированных посредством любого из вариантов осуществления, описанных в настоящей заявке, может быть определена путем измерения прозрачности или оптической поглощающей способности сепарированных текучих сред. На основе определенной степени сепарации и/или чистоты сепарированных текучих сред может быть произведена настройка устройства для достижения максимальной сепарации. Измерение степени сепарации основано на том факте, что чем чище текучая среда, тем больше света будет проходить через текучую среду и, следовательно, тем выше будут показания измерительного оптического прибора (например, устройства, содержащего оптически зависимый резистор, который обеспечивает измерение на основе обнаруживаемого количества света). В качестве подходящих источников света используются светодиодные источники света.
[00188] Схематичный чертеж системы для измерения степени сепарации сепарированных текучих сред показан на ФИГ. 10. Устройство 602 оснащено впускным отверстием 604 для приема потока текучей среды, содержащего два компонента текучей среды, первым выпускным отверстием 606 и вторым выпускным отверстием 608. Текучая среда, выходящая из устройства 602 через первое выпускное отверстие 606, содержит больше первого компонента текучей среды, чем впускная входная среда. Аналогичным образом, текучая среда, выходящая из устройства через второе выпускное отверстие, содержит больше второго компонента текучей среды, чем входная текучая среда. Оба из первого и второго выпускных отверстий соединены с отдельными световыми коробами 610. Световой короб заключает в себе источник света, например светодиод 612, и фотодетектор, который может представлять собой или содержать оптически зависимый резистор 614. Текучие среды проходят между источниками света и фотодетектором. Световой короб в этом случае обеспечивает измерение на основе света, обнаруживаемого фотодетектором.
[00189] С целью определения состава сепарированных компонентов материалов в потоке текучей среды, может быть определена поглощающая способность образцов с известными соотношениями двух текучих сред, подлежащих сепарации. Затем, когда связь между поглощающей способностью и соотношением двух текучих сред известна, может быть определено соотношение компонентов сепарированных текучих сред путем измерения их поглощающей способности.
[00190] На ФИГ. 11 и 12 показано вихревое сепараторное устройство согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Вихревое сепараторное устройство может использоваться либо отдельно, либо в сочетании с еще одним сепараторным устройством (например, центробежным сепараторным устройством, таким как устройства, показанные на ФИГ. 1-9).
[00191] Вихревое сепараторное устройство содержит сепараторную трубу (802), размещенную между расположенным раньше по потоку Т-образным соединителем (804) и расположенным дальше по потоку Т-образным соединителем (806).
[00192] Каждый Т-образный соединитель (804, 806) имеет пару соосных выровненных в осевом направлении концевых отверстий и перпендикулярное (относительно продольных отверстий) боковое отверстие. Эти отверстия служат в качестве впускных или выпускных отверстий соединителя. Три указанных отверстия Т-образных соединителей (804, 806) имеют внутреннюю резьбу для обеспечения возможности соединения с другими компонентами вихревого сепараторного устройства.
[00193] Боковое отверстие (804а) расположенного раньше по потоку Т-образного соединителя соединено посредством его внутренней резьбы с имеющим внешнюю резьбу концом трубчатого элемента (808), который, в свою очередь, соединен с напорным источником текучей среды. Таким образом, боковое отверстие (804а) расположенного раньше по потоку Т-образного соединителя служит в качестве впускного отверстия текучей среды.
[00194] Первое концевое отверстие (804b) расположенного раньше по потоку Т-образного соединителя (804) служит в качестве выпускного отверстия этого Т-образного соединителя. Выпускное отверстие имеет внутреннюю резьбу для соединения с имеющей внешнюю резьбу первой двухсторонней трубчатой втулкой (810). Текучая среда проходит от выпускного отверстия расположенного раньше по потоку Т-образного соединителя через первую двухстороннюю трубчатую втулку (810) и затем вперед к круглой вихреобразующей тарелке (812).
[00195] Первая двухсторонняя трубчатая втулка (810) имеет центральный участок и два концевых участка с внешней резьбой. Один из концевых участков с внешней резьбой соединен с выпускным отверстием расположенного раньше по потоку Т-образного соединителя (804b), в то время как другой участок соединен с резьбовым каналом круглой вихреобразующей тарелки (812).
[00196] Подлежащая сепарации текучая среда поступает в вихревое сепараторное устройство через расположенный раньше по потоку Т-образный соединитель (804) и проходит через ряд параллельных каналов. Внутри первой двухсторонней трубчатой втулки расположено несколько направляющих стенок (814), которые образуют параллельные каналы. Направляющие стенки (814) могут быть изготовлены из металлического или пластмассового материала, который является достаточно твердым, чтобы не деформироваться при прохождении потока текучей среды через двухстороннюю втулку (810).
[00197] Пример компоновки направляющих стенок (814) внутри расположенного раньше по потоку Т-образного соединителя (804) показан на ФИГ. 13А.
[00198] Направляющие стенки (814) имеют по существу U-образное поперечное сечение и содержат основание (814b) и два по существу перпендикулярных плеча или боковых стенки (814а) с каждой стороны основания. Одно из плеч (814а) каждой направляющей стенки загнуто, чтобы обеспечить зазор для вращения приводного вала (820). Два плеча или боковых стенки (814а) и снование (814b) образуют канал с открытой стороной, которая обращена в противоположную сторону от внутренней стенки первой двухсторонней вставки (810). Направляющие стенки прикреплены (например, посредством винтов/заклепок (814с)) к внутренней стенке первой двухсторонней втулки (810) через равные промежутки по окружности ее внутренней окружной поверхности.
[00199] Альтернативная компоновка направляющих стенок (814) показана на ФИГ. 13В.
[00200] В данной компоновке направляющие стенки (814) имеют по существу U-образную форму поперечного сечения и содержат основание (814b) и два сходящихся плеча или боковых стенки (814а) с каждой стороны основания. Два плеча (814а) и основание (814b) образуют канал с открытой стороной, которая обращена к центру первой двухсторонней втулки (810). Направляющие стенки прикреплены (например, посредством винтов/заклепок (814с)) к внутренней стенке первой двухсторонней втулки (810) через равные промежутки в окружном направлении ее внутренней окружной поверхности.
[00201] Согласно ФИГ. 13А и 13В, для прикрепления направляющих стенок к внутренней поверхности первой двухсторонней втулки (810) используются винты/заклепки (814с). Тем не менее, следует иметь в виду, что на практике винты/заклепки могут быть утоплены в первый двухсторонний переходник (810) с целью дополнительного снижения турбулентности потока текучей среды, проходящего через первую двухстороннюю втулку (810). В качестве альтернативы, направляющие стенки могут быть жестко прикреплены к внутренней стенке двухсторонней втулки с помощью других крепежных средств/адгезивов.
[00202] При наличии приводного вала (820) направляющие стенки (814) расположены таким образом, что обеспечено центральное свободное пространство, через которое может проходить центральный вал (как казано на ФИГ. 13А и 13В).
[00203] Направляющие стенки (814) осуществляют коллимацию текучей среды перед ее прохождением через вихреобразующую тарелку или крыльчатку.
[00204] Вихреобразующая тарелка создает вращение текучей среды для образования вихря. Благодаря центробежным усилиям, действующим на компоненты текучей среды при прохождении текучей среды через сепараторную трубу (802), более плотный компонент (компоненты) текучей среды принудительно перемещаются к внешним областям сепараторной трубы, в то время как менее плотные компоненты накапливаются на или вблизи продольной оси сепараторной трубы. Затем более плотный компонент проходит через внешний в радиальном направлении кольцевой коллекторный канал (838) и направляется наружу из вихревого сепаратора через боковое отверстие в расположенном дальше по потоку Т-образном соединителе (806а). Менее плотный компонент проходит через внутреннюю в радиальном направлении центральную коллекторную трубу (836).
[00205] Как показано на ФИГ. 14А, с одной стороны вихреобразующая тарелка (812) имеет круглое отверстие с внутренней резьбой для соединения с первой двухсторонней втулкой (810). Как показано на ФИГ. 14В, с другой своей стороны вихреобразующая тарелка (812) оснащена несколькими (например, шестью) наклонными проходами (816), расположенными через равные промежутки по окружности тарелки таким образом, что в текучей среде, проходящей через эти каналы, создается вихрь. Указанные проходы проходят через тарелку и через основание указанного отверстия.
[00206] Вихреобразующая тарелка (812) также имеет центральное отверстие, оснащенное подшипником (818), через который с возможностью свободного вращения может проходить приводной вал (820). При прохождении текучей среды через наклонные проходы в вихреобразующей тарелке (812), поток текучей среды закручивается с образованием вихря.
[00207] Использование вихреобразующей тарелки (812) особенно полезно, если подлежащий сепарации поток текучей среды содержит смесь нефти и воды.
[00208] Второе продольное отверстие (804с) расположенного раньше по потоку Т-образного соединителя (которое находится напротив первого продольного отверстия) уплотнено посредством первой заглушки (822). Первая заглушка содержит втулку с внешней резьбой и крышку, имеющую по меньшей мере такой же диаметр, что втулка с внешней резьбой. Первая заглушка также имеет центральное отверстие, оснащенное подшипником (824), через которое проходит резьбовой приводной вал (820). Приводной вал (820) имеет возможность вращения внутри первой заглушки (822).
[00209] Приводной вал (820) проходит извне расположенного раньше по потоку Т-образного соединителя через первую заглушку (822) и расположенный раньше по потоку Т-образный соединитель (804) в сепараторную трубу (802).
[00210] На конце приводного вала, расположенном внутри сепараторной трубы (802), без возможности вращения установлена крыльчатка (826).
[00211] Крыльчатка (826) имеет центральную ступицу с множеством лопаток (например, шестью), проходящих радиально от ступицы. Ступица также имеет резьбовое центральное отверстие для того, чтобы крыльчатка (826) имела возможность посадки по резьбе на приводной вал (820).
[00212] На конце вала, выступающем от первой заглушки (822), без возможности вращения установлен шкив (828). Шкив (828) имеет окружную канавку, в которой по окружности может быть размещен приводной ремень (830). Приводной ремень (830) соединен с электродвигателем (832), и таким образом электродвигатель имеет возможность приведения во вращение приводного вала (820) и крыльчатки (826).
[00213] В результате этого текучая среда, которая уже прошла через вихреобразующую тарелку (812), дополнительно закручивается посредством крыльчатки (826) для повышения скорости вращения текучей среды.
[00214] При перемещении текучей среды вниз в сепараторной трубе (802), в результате ее вращения и действия на нее центробежных усилий происходит сепарация текучей среды. Более плотный компонент (компоненты) потока текучей среды накапливаются во внешних областях сепараторной трубы (802), в то время как менее плотный компонент (компоненты) накапливаются во внутренних областях сепараторной трубы (802).
[00215] Расположенный дальше по потоку конец сепараторной трубы (802) соединен с одним из продольных отверстий расположенного дальше по потоку Т-образного соединителя (806b) посредством второй двухсторонней втулки (838). Вторая двухсторонняя втулка (838) является трубчатой и имеет центральный участок и два концевых участка. Концевые участки могут быть резьбовыми или ребристыми, так что обеспечивается возможность выполнения водонепроницаемого соединения с сепараторной трубой (802) и расположенным дальше по потоку Т-образным соединителем (806b).
[00216] Другое продольное отверстие расположенного дальше по потоку Т-образного соединителя (806) уплотнено посредством второй заглушки (840). Вторая заглушка (840) содержит втулку с внешней резьбой и крышку, имеющую по меньшей мере такой же диаметр, что и втулка с внешней резьбой. Вторая заглушка (840) имеет центральное отверстие, через которое может проходить центральная внутренняя коллекторная труба (836). Внутренняя коллекторная труба (836) проходит от внутренней области сепараторной трубы (802) через расположенный дальше по потоку Т-образный соединитель (806) и через вторую заглушку (840). Внутренняя коллекторная труба служит в качестве первого выпускного отверстия, т.е. выпускного отверстия для более плотного компонента потока текучей среды.
[00217] По окружности внутренней коллекторной трубы (836) проходит кольцевой канал (838), который служит в качестве выпускного отверстия для более плотного компонента потока текучей среды. Кольцевой канал (838) сообщается по текучей среде с выпускным трубопроводом (842) через боковое отверстие (806а) в расположенном дальше по потоку Т-образном соединителе, которое служит в качестве второго выпускного отверстия, т.е. выпускного отверстия для менее плотного компонента.
[00218] Выпускной трубопровод (842) и внутренняя коллекторная труба (836) могут быть оснащены лопатками (не показаны), которые могут раскрываться и закрываться для управления выпуском сепарированных компонентов из вихревого сепараторного устройства.
[00219] Вихревое сепараторное устройство, описанное выше, особенно полезно для сепарации потока текучей среды, содержащего нефть и воду.
[00220] Еще в одном варианте осуществления, в вихревом сепараторном устройстве, описанном выше, вихреобразующая тарелка может быть заменена на лопаточную крыльчатку. Данный вариант осуществления особенно полезен для сепарации потока текучей среды, содержащего воду и песок. Поскольку различие в плотности между водой и песком составляет больше, чем между водой и маслом, крыльчатка, приводной вал и двигатель могут не потребоваться для эффективной сепарации и, следовательно, они могут быть исключены из устройства. Вал может по-прежнему присутствовать, и он может быть закреплен в устройстве без возможности вращения. Лопаточная крыльчатка может быть установлена без возможности вращения на валу или прикреплена к нему.
[00221] Еще в одном варианте осуществления, в вышеописанном вихревом сепараторном устройстве вихреобразующая тарелка удалена, и вместо этого концы направляющих стенок загнуты под углом 45°. Направляющие стенки сами по себе служат для создания вихря в потоке текучей среды. Как и в предыдущем случае, данный вариант осуществления особенно полезен для сепарации потока текучей среды, содержащего воду и песок. Поскольку различие в плотности между водой и песком составляет больше, чем между водой и маслом, крыльчатка, приводной вал и двигатель могут не потребоваться для эффективной сепарации и, следовательно, они могут быть исключены из устройства.
[00222] Ниже описано использование вихревого сепараторного устройства согласно данному варианту осуществления (имеющего загнутые стенки и не имеющего крыльчатки, приводного вала или двигателя). Смесь, содержащая 2,61 вес. % тонкодисперсного белого песка (размер зерен <200 мкм) и воду, пропускалась через вышеописанное вихревое сепараторное устройство. Двигатель был установлен в режим приведения во вращение крыльчатки со скоростью вращения 1600 об/мин. Уровень содержания песка в воде, полученной с выхода (806) вихревого сепараторного устройства, составил 6 ч./млн.
[00223] Вихревое сепараторное устройство может использоваться в сочетании с центробежными сепараторными устройствами, описанными в настоящей заявке (например, по существу такими же, что и показанные на ФИГ. 1-9). Как описано выше, по существу такое же устройство, что и показанные на ФИГ. 1-4, может использоваться для получения воды, имеющей содержание песка от 19 ч./млн. до 59 ч./млн. Данный поток воды затем может быть пропущен через вихревое сепараторное устройство, по существу такое же, что и показанное на ФИГ. 11-12, для дополнительного снижения содержания песка до 6 ч./млн. Аналогичным образом, вихревое сепараторное устройство может использоваться для дополнительной сепарации смеси нефти и воды, которая уже была по меньшей мере частично сепарирована с помощью центробежного сепараторного устройства, по существу такого же, что и показанное на ФИГ. 1-9. Варианты осуществления, описанные выше и проиллюстрированные с помощью сопроводительных фигур и таблиц, лишь иллюстрируют настоящее изобретение и не предназначены для того, чтобы иметь какое-либо ограничивающее действие. Легко понять, что в представленные выше конкретные варианты осуществления могут быть внесены различные модификации и изменения без выхода за рамки принципов, лежащих в основе настоящего изобретения. Предполагается, что все подобные модификации и изменения охватываются настоящей заявкой.