專利名稱：小型慣性氣液分離系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣體-液體混合物的小型慣性分離系統(tǒng)和相關(guān)的分離方法。更具體地說，本發(fā)明涉及一種小型分離器，適于基于將兩種截然不同的效應(yīng)相結(jié)合，而分離多相烴流束。從氣相分離出液相的具體步驟為-降低進(jìn)入流束的速度，其引起第一分層效應(yīng)；-流體以低速碰撞分離器的壁，與液相和氣相之間的慣性分離作用相結(jié)合。去除夾雜在氣體流束中的液滴的另一種效應(yīng)是基于離心分離原理或通過聚結(jié) (coalescence)0
背景技術(shù)：
石油工業(yè)中使用的傳統(tǒng)分離器主要由重力分離系統(tǒng)組成。這些分離器一般由大尺寸的腔組成，將流體混合物在腔中置放一定時(shí)間，以便允許在重力作用下發(fā)生混合物的兩相分離。這些腔的特征在于相當(dāng)大的重量和尺寸，難以適用于近海生產(chǎn)平臺(tái)，而且其成本會(huì)顯著地影響近海建筑物的成本?？蛇x地，為了從原油中分離氣體，基于應(yīng)用離心力的分離器已經(jīng)得到使用，例如通過使用如加拿大專利1，093，017中所描述的串聯(lián)裝配的旋風(fēng)分離器，或者如加拿大專利 1，136，061中所描述的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。然而，由于這些設(shè)施較為笨重，因此，即使是它們也并非最適用于近海平臺(tái)。為了消減這些缺點(diǎn)，技術(shù)人員轉(zhuǎn)向小型分離系統(tǒng)的開發(fā)，還關(guān)注在諸如海底環(huán)境、 極為寒冷環(huán)境或井下的惡劣環(huán)境中的應(yīng)用，并且所述小型分離系統(tǒng)可能有望逐漸取代在海岸使用的重力分離器。小型分離系統(tǒng)還可以用于多相(氣/液，液/液或流體/固體)之間的部分分離。 這可以在廣泛應(yīng)用范圍內(nèi)發(fā)生，諸如，測(cè)量或再壓縮系統(tǒng)、管線輸送、水合物控制、環(huán)境和安
全需要。查閱技術(shù)文獻(xiàn)導(dǎo)出的結(jié)論是，小型分離系統(tǒng)通常被視為分離器，在這些分離器中用離心力代替重力。本分析只局限于不含移動(dòng)部件的小型分離系統(tǒng)?；陔x心力原理并且在分離中主要用做精整元件(finishing elements)的小型氣體_液體分離系統(tǒng)利用裝備有葉片的管(旋流管)，這些管使流體混合物做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從液相中分離出氣相，正如在殼牌(Shell)名下的美國專利4，566，883中所描述的那樣。最近，Tea Sistemi基于同樣的原理開發(fā)了離心分離器，其中引起流體轉(zhuǎn)動(dòng)的元件(旋流器) 的幾何形狀已經(jīng)被優(yōu)化，還允許使用具有大直徑的單個(gè)單元代替具有小直徑的多個(gè)單元， 如國際專利申請(qǐng)WO 2007/129. 276中所描述的那樣。開發(fā)小型分離系統(tǒng)所采用的一些概念也可用于諸如由殼牌(Shell)開發(fā)的小型重力分離器的傳統(tǒng)重力分離系統(tǒng)的演化。這些分離器可以是臥式的或立式的。使用一定數(shù)量的內(nèi)部元件的立式小型圓柱分離器的一個(gè)實(shí)例在國際專利申請(qǐng)WO 2005/023. 396 Al中給出，這種立式小型圓柱分離器帶有旋流器，該旋流器用做二級(jí)氣體-液體分離器，這種立式小型圓柱分離器與氣體_液體混合物的預(yù)分離部相接合，所述氣體_液體混合物在入口葉片內(nèi)部通過。臥式小型三相圓柱分離器的另一個(gè)實(shí)例在美國專利6，537，458中給出，在該實(shí)例中，通過使用由多個(gè)旋轉(zhuǎn)管或葉片組(vane pack)所組成的一級(jí)分離器，而使得其系統(tǒng)更加高效。與離心力和重力一起，慣性效應(yīng)能夠在氣體-液體分離中起到重要作用。這些效應(yīng)是能夠從市面上獲得的各種類型的液滴分離器(其在氣體流束內(nèi)部)的基礎(chǔ)。借助于使流體流束通過特定門或孔加速而到達(dá)碰撞表面上，這通常引起突然的方向改變——其確定所需的分離，而使得液體與氣體分離。這些設(shè)備的一些實(shí)例可以例如在歐洲專利1，068，890 Bl中或更為新近的國際專利申請(qǐng)WO 2008/134. 227中找到?？紤]到通過管線的團(tuán)狀(slug)的或分層的液體流束的慣性效應(yīng)是顯著的，因此正確地利用慣性效應(yīng)可以起到重要作用。在多相烴流束的連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的范圍內(nèi)頻繁使用的分離設(shè)備，裝備有相對(duì)于水平方向傾斜的入口管，該入口管使得能夠通過氣體-液體混合物的分層而實(shí)現(xiàn)分離。在美國專利4，760，742中，描述了這些系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例，該實(shí)例設(shè)想了一種管路系統(tǒng)，用于分離夾雜在液體流束中的氣泡。美國專利5，526，684公開了一種具有豎向延伸部(development)的小型分離系統(tǒng)，豎向延伸部帶有向下傾斜的切向入口。傾斜的入口管連同逐漸收縮的二維門一起，一方面引起兩相的部分分層，另一方面在入口處引起流體的加速，進(jìn)而引起液體沿著分離器的壁向下渦旋(vortical spiral)，產(chǎn)生分離效應(yīng)的主要是離心力。然而，該發(fā)明的局限在于，離心力要求在分離器入口處的流體是高速的，而流動(dòng)體的分層卻是在混合物低速時(shí)發(fā)生的。在上述分離系統(tǒng)中顯現(xiàn)出的相互掣肘的效應(yīng)所引起的矛盾，可以解釋其作為部分分離系統(tǒng)的低效率和低適用性的原因。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種將兩種效應(yīng)從根本上結(jié)合起來的裝置和小型氣體_液體分離方法，這兩種效應(yīng)是-在分離器入口處流動(dòng)體的分層；和-液相的慣性分離，并且，所述裝置和方法的特征在于，通過顯著地緩沖(damping)入口管中的流束的液體成分，將該系統(tǒng)構(gòu)造成用以有效地分離例如團(tuán)狀流的多相流，該特征使分離器的底部高度降低，并使得分離器的體積也隨之減小。上述目的通過采用根據(jù)本發(fā)明的小型氣體_液體分離裝置而實(shí)現(xiàn)，該裝置包括 分層裝置、豎向延伸的圓柱形主體，以及用于氣體流束和液體流束的兩個(gè)出口裝置。本發(fā)明在所附的權(quán)利要求書中被描述。當(dāng)需要時(shí)，系統(tǒng)可以設(shè)有可選的附加設(shè)備，該附加設(shè)備用于分別從氣體流束中分離出液體、從液體流束中分離出氣體和/或另一液體的進(jìn)一步的分離。所述分層裝置主要由兩個(gè)管組成，這兩個(gè)管的主要特征在于截面的擴(kuò)大，這使得能夠相當(dāng)大地降低50% )混合物在入口處的速度，這種結(jié)構(gòu)，與管的可能的略微向下的傾斜10° )相結(jié)合，能夠使得入口處的流束的團(tuán)狀流被緩沖，并導(dǎo)致分層的流動(dòng)條件。此外，由于所述入口管沿切向插設(shè)在所述圓柱形主體上，因此它確保在對(duì)分離器的壁的相對(duì)輕的碰撞與慣性力的聯(lián)合作用下，較重的液相被傳送至分離器的底部，而不會(huì)造成液體流束的過分散碎(fragmentation)，但是使仍舊夾雜在液體流束中的氣泡得以釋放，與業(yè)已經(jīng)由分層而析出的氣體一起，趨向于朝著圓柱形主體的上部、在主體內(nèi)沿著中央上升(一級(jí)液體分離)?？赡艿膱F(tuán)狀流的流束在分離器入口處被緩沖的事實(shí)，使得分離器的底部可以具有減小的體積。在圓柱形主體的上部中，分離系統(tǒng)可以選擇性地包括用于消除夾雜在氣體中的小液滴的精整元件的布置，所述精整元件諸如除霧器、絲網(wǎng)墊、葉片組、旋風(fēng)分離器、旋流器元件等(二級(jí)液體分離)。本發(fā)明尤其適用于多相烴流束的分離，并且可以通過使用用于多相流仿真 MAST(多相分析與轉(zhuǎn)換仿真)的專用代碼與入口處的特定流動(dòng)相關(guān)地在工程級(jí)水平上 (project level)被優(yōu)化，MAST是由TEASistemi開發(fā)的，能夠捕捉各流動(dòng)狀態(tài)之間的動(dòng)態(tài)變化(動(dòng)態(tài)模式識(shí)別)。


借助于下文中對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例之一所作的描述，將更清晰地理解根據(jù)本發(fā)明的小型分離系統(tǒng)的更多特征和優(yōu)點(diǎn)，所提供的本發(fā)明的實(shí)施例用于示例性和非限制性的目的，并且結(jié)合附圖而做出，附圖中-圖1顯示的是小型慣性分離器的示意性視圖，其中安裝了可選的普通二級(jí)分離器；-圖Ia示出的是入口管的平面圖，顯示出該入口管與分離器的主體的切向連接方式；-圖2提供的是小型慣性分離器的示意性視圖，其中將6個(gè)旋流器元件的布置被安裝以作為二級(jí)分離器；-圖2a表示的是圖2中A-A剖面；-圖3顯示隨著對(duì)于液體流束的一定流量而言的氣體流量而改變的與圖2的系統(tǒng)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)的總分離效率(一級(jí)和二級(jí)分離)以及一級(jí)分離效率。
具體實(shí)施例方式圖1示出小型氣體-液體慣性分離器，其入口裝置1由兩個(gè)管2和4及連接門3 組成。管2是沿水平方向的，例如來自生產(chǎn)井的多相流體流在該管中流動(dòng)。所述管2通過適當(dāng)?shù)倪B接門3與具有較大直徑的管4連接，該管4可以相對(duì)于水平方向以< 10°的傾斜角度適當(dāng)?shù)芈晕A斜。如圖Ia更清楚地示出的那樣，所述管4與分離器的圓柱形主體6的入口門5相應(yīng)地沿切向插入。圓柱形主體6沿豎向延伸，并被假想地劃分為底部7和上部 9，底部7在圓柱形主體的下基部8與入口門5之間延伸，上部9在圓柱形主體的上基部10與入口門5之間延伸。在所述分離器的上部9的內(nèi)部，可以選擇性地設(shè)置精整元件11的布置(例如除霧器、絲網(wǎng)墊、葉片組、旋風(fēng)分離器、旋流器元件等)，用于二級(jí)液體分離。兩個(gè)出口裝置由液體出口管12和氣體出口管13組成，它們分別插設(shè)在圓柱形主體的下基部8上和上基部10上。應(yīng)當(dāng)注意到，當(dāng)需要時(shí)，系統(tǒng)還可以包括位于液體出口管12和氣體出口管 13的下游的兩個(gè)可選的附加分離器(在圖1的圖面中沒有示出)，以便進(jìn)一步分別從液體流束分離出氣體和/或另一種液體、和從氣體流束分離出液體。接下來呈現(xiàn)的圖2與圖2a示出了小型氣體-液體慣性分離器的一種具體結(jié)構(gòu)。所標(biāo)記的大多數(shù)部件與圖1中所標(biāo)記的那些部件相同、并且用相同的附圖標(biāo)記指示。圖2的結(jié)構(gòu)與圖1的結(jié)構(gòu)的不同之處在于，在作為二級(jí)分離器的分離器上部9的內(nèi)部，設(shè)有6個(gè)旋流器元件14的布置(國際專利申請(qǐng)WO 2007/129. 276)，這些旋流器元件被定位成關(guān)于圓柱的軸線是對(duì)稱的，如圖2a更清楚地示出的那樣。旨在直觀闡釋的圖3 (其與圖2的系統(tǒng)相關(guān))所顯示的是對(duì)于以團(tuán)狀流進(jìn)入的液體流束(流量等于5m3/h)而言的實(shí)驗(yàn)性總分離效率值(一級(jí)與二級(jí)液體分離)和與液相有關(guān)的一級(jí)分離效率值——這些值隨著氣體流量(30 + 470m3/h)而變化。應(yīng)當(dāng)注意到，隨著氣體流量的增大，慣性分離系統(tǒng)的效率略微降低，總是保持在95%的效率以上，而對(duì)于氣體流束的任一流量，總效率仍舊高于99%，這表明，在氣體流束的流量增大時(shí)，圖2的旋流器元件14的布置提供高的分離效率，即使入口處的分層不徹底，也能增大對(duì)總分離效率的貢獻(xiàn)。參照?qǐng)D1，在操作條件下，來自油井和天然氣井的各流體的混合物以泡沫流狀態(tài)或團(tuán)狀流狀態(tài)通過水平管2流入分離器?；旌衔锿ㄟ^連接門3流入具有較大截面的管4。流動(dòng)直徑的增大，使得混合物的速度大幅降低(> 50% )。這個(gè)效應(yīng)與管的可能的略微向下的傾斜(相對(duì)于水平方向< 10° )相結(jié)合，使得能夠緩沖在入口處的流束的團(tuán)狀流，并導(dǎo)致分層的流動(dòng)條件。因之而被分層的混合物以低速沿切向通過入口 5進(jìn)入分離器的圓柱形主體6。分層效應(yīng)與慣性力一起，確保在分離器的圓柱形主體6中，較重的液相以低速撞擊分離器的壁，并且沿著壁以圓周運(yùn)動(dòng)流向分離器的底部7，不使液體流束產(chǎn)生過度的散碎，但是使液體中夾帶的氣體得以釋放，傳送到圓柱形主體的中央，與業(yè)已通過分層而分離出的氣體一起，朝向分離器的上部9( 一級(jí)液體分離)在主體內(nèi)上升。這兩種效應(yīng)相結(jié)合導(dǎo)致高效的一級(jí)分離。仍夾雜在氣體流束中的小液滴，可以借助于選擇性地將先前被分離的氣相在精整元件11的布置的內(nèi)部傳送，而被進(jìn)一步地去除(二級(jí)液體分離)。脫氣后的液相通過液體出口管12離開分離器的底部7，而氣相通過氣體出口管13排出。業(yè)已證明與傳統(tǒng)分離器相比，根據(jù)本發(fā)明的小型氣體_液體慣性分離系統(tǒng)使得累贅體積被減小(大約1/4)。應(yīng)當(dāng)注意到，分離器的入口管長(zhǎng)度和底部最佳高度取決于系統(tǒng)的操作條件(氣體流量、液體流量、壓力、流動(dòng)狀態(tài))；因此它們的尺寸規(guī)格要視具體情況而定。
權(quán)利要求
1.一種氣體-液體混合物的小型慣性分離系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括-分層裝置，該分層裝置用于在入口處對(duì)多相流體流束進(jìn)行分層； -圓柱形主體，在所述圓柱形主體中進(jìn)行氣體_液體慣性分離； _被分離的氣體流束和液體流束的兩個(gè)出口裝置，這兩個(gè)出口裝置分別插設(shè)在所述圓柱形主體的上基部和下基部上； 其特征在于_所述分層裝置由第一管和相對(duì)于所述第一管具有更大直徑的第二管組成，所述第二管通過連接門與所述第一管連接，所述第二管相對(duì)于水平方向選擇性地傾斜，所述傾斜和所述兩個(gè)管之間截面的增大引起所述多相流束的分層；_所述分層裝置在相對(duì)于所述下基部的一定高度處沿切向插設(shè)在所述圓柱形主體上； 所述高度的最小值保證在所述分層裝置中已預(yù)先分層的所述流束的有效慣性分離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型慣性分離系統(tǒng)，其中所述圓柱形主體的上部包括精整分離器元件裝置，該精整分離器元件裝置用于消除夾雜在氣體中的小液滴。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的小型慣性分離系統(tǒng)，其中所述傾斜的角度小于或等于 10° 0
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的小型慣性分離系統(tǒng)，其中在所述入口處的所述多相流是具有泡沫流狀態(tài)、團(tuán)狀流狀態(tài)或環(huán)形流狀態(tài)的流體流束。
5.一種與小型慣性系統(tǒng)相關(guān)的氣體-液體混合物的分離方法，該方法包括以下階段 _在包括第一管和相對(duì)于所述第一管具有較大直徑的第二管的分層裝置的入口處，使具有泡沫流狀態(tài)、團(tuán)狀流狀態(tài)或環(huán)形流狀態(tài)的流體混合物產(chǎn)生分層流動(dòng)，所述第二管通過連接門與所述第一管連接；-通過將入口速度的大幅降低(> 50% )與所述第二管的可能的略微向下的傾斜(相對(duì)于水平方向< 10° )相結(jié)合，在所述入口處緩沖所述流體混合物的可能的團(tuán)狀流狀態(tài)； -通過在圓柱形主體內(nèi)以低速沿切向傳送被分層的流束而進(jìn)行氣體_液體慣性分離， 其特征在于低速碰撞所述圓柱形主體的壁以防止其過度散碎，并且產(chǎn)生_較重的液相在分離器的底部方向上沿著所述圓柱形主體的壁朝向所述分離器的第一出口裝置的環(huán)形流；-仍夾雜在液相中的氣泡的進(jìn)一步釋放，所述氣泡趨于分離，移動(dòng)進(jìn)入所述圓柱形主體的中央部分，并且在第二出口裝置的方向上與業(yè)已通過分層而分離的氣體一起沿著中央上升。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于與小型慣性系統(tǒng)相關(guān)的氣體_液體混合物的分離方法， 其中，通過將預(yù)先借助于分層并且借助于慣性而被分離的氣相選擇性地傳送通過任何實(shí)施方式的精整元件，而將仍夾雜在氣體流束中的小液滴進(jìn)一步地去除，所述精整元件借助于離心力或聚結(jié)而起作用，所述精整元件位于穿過所述第二出口裝置的出口之前。
全文摘要
一種小型氣體-液體慣性分離器，包括分層裝置(1)，由第一水平管(2)和具有相對(duì)于水平方向可能略微傾斜(≤10°)的較大直徑的第二管(4)組成，兩個(gè)管通過適當(dāng)?shù)倪B接門(3)相互連接；沿豎向延伸的圓柱形主體(6)，分層裝置沿切向插設(shè)在圓柱形主體(6)上，在此進(jìn)行氣體-液體慣性分離，在圓柱形主體(6)的上部(9)中，精整元件(11)可以選擇性地插入，以便對(duì)夾雜在氣體流束中的液滴加以進(jìn)一步分離；用于液體流束(12)和氣體流束(13)的兩個(gè)出口裝置。
文檔編號(hào)B01D45/16GK102470308SQ201080034266
公開日2012年5月23日 申請(qǐng)日期2010年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月26日
發(fā)明者A·安西亞蒂, L·迪貝拉爾多, P·安德烈烏西 申請(qǐng)人:艾尼股份公司