ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ СЕПАРАТОР И СПОСОБ СЕПАРИРОВАНИЯ
CENTRIFUGAL SEPARATOR AND METHOD OF SEPARATION

Предпосылки к созданию изобретения и известный уровень техники
Настоящее изобретение относится к центробежному сепаратору согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения. Изобретение также относится к способу сепарирования продукта согласно ограничительной части пункта 18 формулы изобретения.
В документе Швеции SE-B-514774 раскрыт центробежный сепаратор такого типа, который определен в начале. Как следует из этого документа, в течение работы центробежного сепаратора может оказаться затруднительным сохранение уровня слоя на границе раздела в желаемом радиальном положении. Это может быть вызвано тем, что в единицу времени происходит выпуск неконтролируемого количества отделенной тяжелой фазы, включающей в себя отделенные твердые частицы. Если выпускаемое количество тяжелой фазы, например, превысит количество поданной тяжелой фазы, то уровень слоя на границе раздела будет смещен радиально наружу. Эта проблема решена в документе Швеции SE-B-514774 посредством управляющего оборудования, содержащего отдельные элементы для подачи и выпуска управляющей текучей среды, которая имеет более высокую плотность, чем легкая фаза.
Обычный случай сепарирования заключается в том, что тяжелой фазой управляют упомянутым выше способом так, что противодавление в отводе для тяжелой фазы сохраняют на определенном уровне и что легкая фаза течет по переливному отводу. В таком случае сепарирования может произойти то, что уровень слоя границы раздела будет смещен в нежелательное радиальное положение вследствие давления газа, преобладающего у свободной поверхности жидкости, смежной с переливным отводом. Такое смещение уровня слоя границы раздела может привести к неудовлетворительному сепарированию и/или к разрушению гидравлического уплотнения.
В обычном случае сепарирования, включающем в себя очистной диск с вентиляционными отверстиями и атмосферное давление снаружи резервуара, эта проблема не будет возникать. Фактическое давление газа представляет собой атмосферное давление, которое можно считать постоянным. Эта проблема также не возникает тогда, когда имеет место обычная конфигурация с потоком по переливному отводу для тяжелой фазы и по переливному отводу для легкой фазы, при этом радиальные уровни обоих переливных отводов управляют радиальным положением уровня слоя границы раздела. Если эта конфигурация содержит очистной диск с вентиляционными отверстиями для легкой фазы, то одно и то же давление газа преобладает у свободной поверхности жидкости вблизи от переливных отводов как для тяжелой фазы, так и для легкой фазы, а это означает, что уровень слоя границы раздела не будет подвержен влиянию при изменениях давления газа.
Однако когда одной из фаз управляют с учетом противодавления, то изменение давления газа будет непосредственным образом влиять на радиальное положение уровня слоя границы раздела, если не обеспечена соответствующая компенсация противодавления в отношении фазы, управляемой с учетом противодавления. Изменения давления газа вблизи от переливного отвода возникают тогда, когда для газа, находящегося вблизи от переливного отвода, недостаточен путь свободного течения для уравнивания давления. Изменения давления газа становятся большими, главным образом, в том случае, когда продукт, подлежащий сепарированию и подаваемый к центробежному сепаратору, имеет высокое давление паров, то есть смесь нефть-вода, которая насыщена природным газом и которая имеет температуру, близкую к точке кипения водяной фазы.
Краткое изложение существа изобретения
Цель настоящего изобретения заключается в решении вышеупомянутой проблемы.
Эта цель достигнута посредством центробежного сепаратора, который определен в начале, отличающегося тем, что этот центробежный сепаратор сконструирован таким образом, что сепарационное пространство закрыто по отношению к окружающей среде и обеспечивает возможность сохранения давления газа в центральном заполненном газом пространстве сепарационного пространства, при этом давление газа отклоняется от давления окружающей среды, и тем, что центробежный сепаратор содержит датчик, который обеспечен для того, чтобы при работе воспринимать параметр, который связан с давлением газа в центральном заполненном газом пространстве сепарационного пространства, и который соединен с управляющим оборудованием, и тем, что управляющее оборудование предназначено для управления противодавлением в первом отводе и/или втором отводе в ответ на воспринятый параметр для управления уровнем слоя границы раздела для обеспечения желаемого радиального положения.
Посредством такого управляющего оборудования можно в течение фактически всей операции сохранить уровень слоя границы раздела в желаемом радиальном положении, которое является оптимальным для результатов сепарирования. В частности, можно сохранить уровень слоя границы раздела в желаемом положении даже в том случае, если продукт, подлежащий сепарированию, имеет изменяемое качество, например, с учетом количества жидкости/газа, и изменяющуюся температуру, которая близка к точке кипения жидкости. Если давление в центральном газовом пространстве сепарационного пространства увеличивается, противодавление в одном из отводов может быть быстро увеличено посредством оборудования согласно изобретению таким образом, что радиальное положение уровня слоя границы раздела будет сохранено.
Согласно варианту осуществления изобретения управляющее оборудование предназначено для управления противодавлением в первом отводе и/или втором отводе в течение прохождения потока через отвод от центробежного ротора. Согласно этому варианту осуществления конструкции изобретение может быть легко выполнено за счет управления противодавлением в одном из отводов посредством влияния потока тяжелой фазы или легкой фазы.
Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения управляющее оборудование также предназначено для управления противодавлением в первом отводе и/или втором отводе посредством обеспечения, когда это необходимо, потока к ротору центрифуги через один из первого и второго отводов. Согласно этому варианту осуществления конструкции управляющее оборудование предназначено для обеспечения возможности того, чтобы при необходимости поток в одном из отводов проходил в заднем направлении, то есть назад к ротору центрифуги. Такое оборудование особенно предпочтительно в том случае, когда твердые частицы выпускают через радиальные сопла и доля тяжелой фазы в продукте, подлежащем сепарированию, низка, и при этом неприемлемо высокое количество тяжелой фазы будет покидать ротор центрифуги через эти сопла таким образом, что уровень слоя границы раздела будет перемещаться весьма далеко в радиальном направлении наружу или полностью исчезает. Такой процесс может быть предотвращен посредством предложенной обратной подачи тяжелой фазы или подачи управляющей текучей среды, имеющей плотность, которая фактически такая же, что и плотность тяжелой фазы.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения управляющее оборудование содержит, по меньшей мере, один клапан для управления противодавлением в одном из первого и второго отводов. Такой клапан обеспечивает возможность легкого осуществления управления противодавлением.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения клапан устанавливают на первом отводе. Предпочтительно, чтобы управляющее оборудование могло быть расположено с возможностью обеспечения потока тяжелой фазы через первый отвод как к ротору центрифуги, так и из него для управления противодавлением. Далее, управляющее оборудование может содержать клапан, который обеспечивает поток к ротору центрифуги через первый отвод, и клапан, который обеспечивает поток из ротора центрифуги через первый отвод.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения упомянутый клапан устанавливают на втором отводе. При этом управляющее оборудование может быть предназначено для обеспечения потока легкой фазы через второй отвод, главным образом, из ротора центрифуги для управления противодавлением, однако в объеме настоящего изобретения также возможно такое расположение управляющего оборудования, чтобы также обеспечивать поток легкой фазы через второй отвод к ротору центрифуги для управления противодавлением. Далее, управляющее оборудование содержит клапан, который обеспечивает поток из ротора центрифуги через второй отвод, но также может содержать клапан, который обеспечивает поток к ротору центрифуги через второй отвод.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения управляющее оборудование содержит средства для обеспечения управляющей текучей среды и предназначено для возможности подачи управляющей текучей среды к радиально наружной части или радиально внутренней части. Управляющая текучая среда может быть образована посредством отдельной текучей среды, которую подают соответственно к радиально наружной части и к радиально внутренней части, либо посредством тяжелой фазы или легкой фазы, которую подают назад соответственно к радиально наружной части и к радиально внутренней части.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения управляющее оборудование предназначено для возможности подачи управляющей текучей среды через первый отвод, то есть подачи тяжелой фазы.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения обеспечивают переливной отвод между радиальной внутренней частью и вторым отводом. При этом изобретение преимущественно может быть осуществлено посредством управления противодавлением тяжелой фазы.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения переливной отвод обеспечивают между радиально наружной частью и первым отводом. При этом изобретение преимущественно может быть осуществлено посредством управления противодавлением легкой фазы.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения датчик содержит датчик давления, который может воспринимать давление газа непосредственно в центральном заполненном газом пространстве, либо давление, зависящее от этого давления газа.
Поставленная цель также достигнута посредством определенного в начале способа, который отличается следующими этапами:
сохранением давления газа в центральном заполненном газом пространстве сепарационного пространства, при этом давление газа отклоняется от давления окружающей среды,
восприятием параметра, который связан с давлением газа в центральном заполненном газом пространстве сепарационного пространства,
и управлением давлением газа в первом отводе и/или втором отводе в ответ на воспринятый параметр для управления уровнем слоя границы раздела с целью обеспечения желаемого радиального положения.
Предпочтительные дополнительные усовершенствования способа определены в зависимых пунктах 20-26 формулы изобретения.
Краткое описание фигур
Далее настоящее изобретение будет разъяснено более подробно с помощью вариантов его осуществления, описанных посредством примера и со ссылками на прилагаемые фигуры.
На фиг. 1 схематически представлен частичный вид в сечении центробежного сепаратора.
На фиг. 2 схематически представлен вид в сечении части центробежного сепаратора согласно второму варианту осуществления изобретения.
На фиг.3 схематически представлен вид в сечении части центробежного сепаратора согласно третьему варианту осуществления изобретения.
На фиг. 4 схематически представлен вид в сечении части центробежного сепаратора согласно четвертому варианту осуществления изобретения.
На фиг. 5 схематически представлен вид в сечении части центробежного сепаратора согласно пятому варианту осуществления изобретения.
Подробное описание различных вариантов
осуществления изобретения
На фиг.1 представлен центробежный сепаратор согласно изобретению. Раскрытый центробежный сепаратор предназначен для разделения продукта на относительно тяжелую фазу и относительно легкую фазу. Кроме того, центробежный сепаратор может быть предназначен для отделения шлама или твердой фазы в форме тяжелых частиц.
Центробежный сепаратор содержит ротор 1 центрифуги, который прикреплен к шпинделю 2. Шпиндель 2 установлен в подшипнике 3, и его приводят в движение посредством соответствующего приводного элемента 4, который обеспечен в раме 5. Ротор 1 установлен в кожухе 6 и посредством приводного элемента 4 может быть приведен во вращение вокруг оси х вращения. Ротор 1 содержит стенку 7, которая охватывает сепарационное пространство 8, см. фиг.2-5. Сепарационное пространство 8 имеет радиально наружную часть 11, в которой при работе происходит накапливание отделенной тяжелой фазы, и радиально внутреннюю часть 12, в которой при работе происходит накапливание отделенной легкой фазы. Кроме того, сепарационное пространство 8 имеет центральное заполненное газом пространство 13, против которого скопившаяся сепарированная легкая фаза формирует свободную поверхность жидкости. Радиально наружная часть 11, то есть часть для сепарированной тяжелой фазы, отделена от радиально внутренней части 12, то есть части для сепарированной легкой фазы, посредством уровня 14 слоя границы раздела, образуемого при работе.
Ротор 1 центрифуги известным самим по себе способом также содержит группу конических сепарационных дисков 15, которые схематически раскрыты на фиг.2-5. Сепарационные диски 15 установлены между верхним разграничивающим диском 16 и нижним разграничивающим диском 17, который содержит подвод 18 для сепарируемого продукта.
Кроме того, центробежный сепаратор содержит подвод 21, первый отвод 22 и второй отвод 23. Подвод 21 содержит стационарный входной трубопровод 24, который проходит к сепарационному пространству 8 через стенку 7 ротора. Подвод 21 предназначен для того, чтобы при работе обеспечивать подачу продукта к сепарационному пространству 8.
Первый отвод 22 проходит от радиально наружной части 11 через стенку 7 ротора и предназначен для того, чтобы при работе обеспечивать выпуск тяжелой фазы через первый отвод 22. Первый отвод 22 содержит стационарный первый выпускной трубопровод 25 и стационарный очистной диск 26, который соединен с первым выпускным патрубком 25 и установлен в первой очистной камере 27 для тяжелой фазы. Первая очистная камера 27 сообщена с радиально наружной частью 11 через один или несколько каналов 28 для тяжелой фазы.
Второй отвод 23 проходит от радиально внутренней части 12 через стенку 7 ротора и предназначен для того, чтобы при работе обеспечивать выпуск легкой фазы через второй отвод 23. Второй отвод 23 содержит стационарный второй выпускной трубопровод 30 и стационарный очистной диск 31, который подсоединен ко второму выпускному трубопроводу 30 и установлен во второй очистной камере 32 для легкой фазы. Вторая очистная камера 32 сообщена с радиально внутренней частью 12 через переливной отвод 38, обеспеченный между ними.
Центробежный ротор 1 также может, но необязательно, содержать схематически представленные сопла 34, которые предназначены для непрерывного выпуска шлама или твердых частиц из радиально наружной части 11 сепарационного пространства 8.
Ротор 1 центрифуги как вариант может содержать устройство, которое предназначено для периодического выпуска известным самим по себе способом шлама или твердых частиц из радиально наружной части 11 сепарационного пространства 8.
Центробежный сепаратор сконструирован таким образом, что сепарационное пространство 8 закрыто по отношению к окружающей среде и обеспечивает возможность сохранения давления газа в центральном заполненном газом пространстве 13 сепарационного пространства 8, при этом давление газа отклоняется от давления окружающей среды. Такое закрытие сепарационного пространства 8 может быть обеспечено разными путями, что представлено в разных вариантах осуществления конструкции согласно фиг.2-5.
В первом варианте конструкции, который представлен на фиг.2, и в третьем варианте конструкции, который представлен на фиг.4, кожух 6 открыт в окружающую среду, при этом сепарационное пространство 8 закрыто посредством первой очистной камеры 27 и первого очистного диска 26, который формирует жидкостное уплотнение, препятствующее распространению давления газа в заполненном газом пространстве 13 сепарационного пространства 8 наружу в окружающую среду. В первом и в третьем вариантах осуществления конструкции второй очистной диск 31 может, но это необязательно, быть выполнен с вентиляционным отверстием 35, которое обеспечивает возможность распространения давления через вторую очистную камеру 32. Такое вентиляционное отверстие 35 представлено на фиг.4.
В третьем варианте осуществления конструкции, который представлен на фиг.4, переливной отвод 39 обеспечен между радиально наружной частью 11 и первым отводом 22 или, точнее, между радиально наружной частью 11 и первой очистной камерой 27.
Во втором варианте осуществления конструкции, который представлен на фиг.3, и в четвертом варианте, который представлен на фиг.5, сепарационное пространство 8 закрыто посредством кожуха 6, который полностью охватывает ротор 1 центрифуги относительно окружающей среды и формирует сосуд под давлением. Во втором и четвертом вариантах осуществления конструкции как второй очистной диск 31, так и первый очистной диск 26 могут быть выполнены, но необязательно, с вентиляционным отверстием 35, которое обеспечивает возможность распространения давления через две очистные камеры 27 и 32.
Во втором варианте осуществления конструкции, который представлен на фиг.3, переливной отвод 38 обеспечен между радиально внутренней частью 12 и вторым отводом 23 или, точнее, между радиально внутренней частью 12 и второй очистной камерой 32.
В четвертом варианте осуществления конструкции, который представлен на фиг.5, переливной отвод 39 обеспечен между радиально наружной частью 11 и первым отводом 22 или, точнее, между радиально наружной частью 11 и первой очистной камерой 27.
Центробежный сепаратор также содержит управляющее оборудование, предназначенное для того, чтобы в течение выполнения операции управлять уровнем 14 слоя границы раздела для обеспечения желаемого радиального положения посредством управления противодавлением в первом отводе 22 и/или втором отводе 23. Управляющее оборудование содержит блок управления 50. К блоку управления 50 подсоединен датчик, который предназначен для того, чтобы при работе воспринимать параметр, связанный с давлением газа в заполненном газом пространстве сепарационного пространства 8. В раскрытом варианте осуществления конструкции датчик представляет собой датчик давления 51, который воспринимает давление газа, которое фактически равно давлению газа в центральном заполненном газом пространстве 13 сепарационного пространства 8. В первом и третьем вариантах осуществления конструкции датчик давления 51 установлен в центральном заполненном газом пространстве 13, а во втором и четвертом вариантах датчик давления 51 установлен снаружи ротора 1, но внутри закрытого кожуха 6.
Вместо непосредственного восприятия давления газа в центральном заполненном газом пространстве 13 сепарационного пространства 8 датчик может воспринимать другое давление, связанное с давлением газа, либо какой-то иной параметр, связанный с этим давлением.
Управляющее оборудование предназначено для управления противодавлением в первом отводе 22 и/или втором отводе 23 в зависимости от давления, воспринятого датчиком давления 51, для управления уровнем 14 слоя границы раздела, чтобы обеспечить его желаемое радиальное положение.
В первом варианте осуществления конструкции, который представлен на фиг.2, управляющее оборудование предназначено для управления противодавлением в первом отводе 22. Благодаря переливному отводу 38 между радиально внутренней частью 12 и вторым отводом 23 радиальное положение уровня 14 слоя границы раздела может быть определено с помощью противодавления в первом отводе 22. Этим противодавлением можно управлять разными способами. Согласно одному из вариантов противодавлением можно управлять посредством воздействия на поток или дросселирования потока тяжелой фазы, выпускаемой через первый отвод 22. Такое дросселирование может быть обеспечено простым способом посредством клапана 55. Клапан 55 соответствующим образом соединяют с блоком управления 50, который управляет клапаном 55 в ответ на давление газа, воспринятое датчиком давления 51. Если давление газа в центральном газовом пространстве 13 сепарационного пространства 8 возрастает, противодавление в первом отводе 22 может быть быстро увеличено, так что желаемое радиальное положение уровня 14 слоя границы раздела будет сохранено. Согласно другому варианту управляющее оборудование при необходимости также может быть предназначено для управления противодавлением в первом отводе 22 за счет возможности создания потока к ротору 1 центрифуги через первый отвод 22. Такой поток тяжелой фазы назад к радиально наружной части 11 может быть обеспечен посредством управляющей текучей среды, которую подают из соответствующего источника 56 по трубопроводу 57, который соединяют с первым выходным трубопроводом 25. Источник 56 обеспечивает управляющую текучую среду под достаточным давлением, и в этом случае противодавлением можно управлять посредством клапана 58 на трубопроводе 57. Кроме того, клапан 58 соединяют с блоком управления 50, который управляет клапаном 58 в ответ на давление газа, воспринятое датчиком давления 51.
Если, например, весьма значительное количество шлама, твердых частиц и/или тяжелой фазы выпускают через сопла 34, то уровень слоя границы раздела и, следовательно, свободная поверхность жидкости в первой очистной камере 27 будут смещены радиально наружу, при этом жидкостное покрытие первого очистного диска 26 уменьшается, что приводит к снижению давления в первом отводе 22. Этому можно противодействовать посредством дросселирования потока с помощью клапана 55 или посредством подачи тяжелой фазы через трубопровод 57. Управляющая текучая среда может быть образована посредством выпускаемой тяжелой фазы, которую подают назад к радиально наружной части 11, либо посредством отдельной текучей среды, которую подают к радиально наружной части 11 по трубопроводу 57 и первому выходному трубопроводу 25 и которая имеет плотность, соответствующую плотности тяжелой фазы.
Второй вариант осуществления конструкции, который представлен на фиг.3, отличается от первого варианта тем, что сепарационное пространство закрыто посредством кожуха 6, как описано выше. Следует заметить, что во втором варианте осуществления конструкции очистные диски 26 и 31 могут быть выполнены с вентиляционными отверстиями 35, которые обеспечивают возможность установки датчика давления 51 во втором варианте снаружи ротора 1, но внутри кожуха 6 вместо его установки внутри ротора 1. В остальном управляющее оборудование фактически идентично управляющему оборудованию первого варианта конструкции. Поскольку во втором варианте осуществления конструкции управление противодавлением также происходит по отношению к тяжелой фазе, между радиально внутренней частью 12 и вторым отводом 23 предпочтительно обеспечивают переливной отвод 38.
Третий вариант осуществления конструкции, который представлен на фиг.4, отличается от первого варианта тем, что управляющее оборудование предназначено для управления противодавлением во втором отводе 23. Благодаря переливному отводу 39 между радиально наружной частью 11 и первым отводом 22 радиальное положение уровня 14 слоя границы раздела может быть определено посредством противодавления во втором отводе 23. Этим противодавлением можно управлять фактически таким же образом, что и в первом варианте. Согласно одному из вариантов противодавлением можно управлять посредством воздействия на поток или дросселирования потока легкой фазы, выпускаемой через второй отвод 23. Такое дросселирование легко может быть обеспечено посредством клапана 65. Клапан 65 соответствующим образом соединяют с блоком управления 50, который управляет клапаном 65 в ответ на давление газа, воспринятое датчиком давления 51. Если давление газа в центральном газовом пространстве 13 сепарационного пространства 8 увеличивается, то противодавление во втором отводе 23 может быть быстро увеличено, при этом может быть сохранено желаемое радиальное положение уровня 14 слоя границы раздела. Как упомянуто выше, в пределах объема изобретения также возможно, чтобы при необходимости управляющее оборудование было предназначено для управления противодавлением во втором отводе 23 за счет обеспечения потока к ротору 1 центрифуги через второй отвод 23. Такой поток легкой фазы назад к радиально наружной части 11 может быть обеспечен посредством управляющей текучей среды от какого-либо приемлемого источника 66 по трубопроводу 67, который соединяют со вторым выходным трубопроводом 30. Источник 66 подает управляющую текучую среду под достаточным давлением, и в этом случае управление противодавлением может быть осуществлено посредством клапана 68 на трубопроводе 67. Кроме того, клапан 68 соединяют с блоком управления 50, который управляет клапаном 68 в ответ на давление газа, воспринимаемое датчиком давления 51.
Если уровень 14 слоя границы раздела смещен, например, радиально внутрь, то свободная поверхность жидкости в радиально внутренней части 12 будет смещена радиально наружу, при этом жидкостное покрытие второго диска 31 уменьшается, что приводит к снижению давления во втором отводе 23. Этому можно противодействовать посредством дросселирования потока через клапан 65, но в данном варианте конструкции противодействие также может быть обеспечено посредством подачи легкой фазы к радиально внутренней части 12 по трубопроводу 67 и второму выходному трубопроводу 30. Управляющая текучая среда может быть образована посредством выпускаемой легкой фазы, которую подают назад к радиально внутренней части 12, или посредством отдельной текучей среды, которую подают к радиально внутренней части 12 по трубопроводу 67 и второму отводу 30 и которая имеет плотность, соответствующую плотности легкой фазы.
Четвертый вариант осуществления конструкции, который представлен на фиг.5, отличается от третьего варианта тем, что сепарационное пространство 8 закрыто посредством кожуха 6, как описано выше. Следует заметить, что в четвертом варианте очистные диски 26 и 31 могут быть выполнены с вентиляционными отверстиями 35, что позволяет устанавливать датчик давления 51 в четвертом варианте снаружи ротора 1, но внутри кожуха 6 вместо установки внутри ротора 1. В остальном управляющее оборудование фактически идентично управляющему оборудованию третьего варианта. Поскольку в четвертом варианте осуществления конструкции управление противодавлением также происходит по отношению к легкой фазе, между радиально наружной частью 11 и первым отводом 22 предпочтительно обеспечивают переливной отвод 39.
Изобретение не ограничено раскрытыми вариантами его осуществления и в пределах объема следующих далее пунктов формулы изобретения может быть изменено и модифицировано. Согласно дополнительному варианту осуществления конструкции противодавлением в обоих отводах 22 и 23 можно управлять описанным выше способом. В этих вариантах нет необходимости в переливных отводах 38, 39.