Центробежный сепаратор с впускным устройством

Группа изобретений относится к центробежному сепаратору для разделения жидкой смеси из компонентов на, по меньшей мере, первый компонент и второй компонент, а также к способу разделения компонентов в жидкой смеси. Центробежный сепаратор содержит ротор, выполненный с возможностью вращения вокруг оси вращения, впускную камеру, выполненную в роторе, впускную трубу, продолжающуюся в ротор, имеющий отверстие во впускной камере для подачи жидкой смеси из компонентов, впускное устройство во впускной камере, содержащее множество кольцевых дисков, соосных с ротором и образующих проходы для жидкости между дисками, или спиральный элемент, соосный с ротором и образующий проходы для жидкости между витками спирального элемента. При этом сепаратор содержит лопатки, расположенные выше по потоку от впускного устройства для побуждения предварительного вращения и предварительного ускорения жидкой смеси. Способ разделения компонентов в жидкой смеси включает в себя этапы, на которых обеспечивают вышеуказанный центробежный сепаратор и жидкую смесь, которая должна быть разделена, и отделяют по меньшей мере один компонент из жидкой смеси с использованием сепаратора. Техническим результатом является минимизация риска внутреннего перелива в роторе сепаратора. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к центробежным сепараторам для разделения жидкой смеси из компонентов на по меньшей мере первый компонент и второй компонент.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Некоторые жидкие смеси чувствительны к высоким сдвигающим усилиям, что может вызвать разрушение капель, частиц или агломератов частиц в жидкой смеси. Например, сдвиг эмульсии двух несмешивающихся жидкостей, таких как нефть и вода, уменьшает размер капель и делает разделение более трудным. Поэтому может быть задачей обеспечение плавного ускорения жидкой смеси при впуске в ротор сепаратора, вращающегося с высокой скоростью.

Пример центробежного сепаратора, имеющего впуск, который является плавным для жидкой смеси из компонентов, раскрыт в патенте ЕР 0225707 В1. Этот документ раскрывает центробежный сепаратор, снабженный впускным устройством в виде набора кольцевых дисков, расположенных соосно с ротором и образующих проходы для жидкости между ними.

Другой пример центробежного сепаратора, имеющего впуск, который является плавным для компонентов жидкой смеси, раскрыт в патенте ЕР 1105219 В1. Этот документ раскрывает центробежный сепаратор, снабженный впускным устройством в виде спирального элемента, продолжающегося вдоль впускной трубы, образующего проходы для жидкости между смежными витками элемента.

Еще один пример центробежного ускорителя раскрыт в патенте WO 91/12082, в котором впуск содержит гладкий отражательный диск и множество захватывающих дисков, плавно захватывающих подаваемую жидкость.

Тем не менее, в некоторых заявках, впускное устройство, как описано в уровне техники, может привести к внутреннему переполнению внутри центробежного сепаратора, в частности, при высоком впускном потоке. При таких условиях, неразделенная жидкая смесь может переливаться в выпуск для разделенной жидкости, тем самым ухудшая качество разделения.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является обеспечение центробежного сепаратора с впуском, который является плавным для жидкой смеси, которая должна быть разделена, в то же время с минимизацией риска внутреннего перелива в роторе сепаратора.

Таким образом, настоящее изобретение относится к центробежному сепаратору, содержащему ротор, выполненный с возможностью вращения вокруг оси (х) вращения, и впускной камере, выполненной в роторе. Сепаратор снабжен впускной трубой, продолжающейся в ротор, выполненной с отверстием во впускной камере для подачи жидкой смеси из компонентов, и впускным устройством во впускной камере. Впускное устройство содержит множество кольцевых дисков, соосных с ротором и образующих проходы для жидкости между дисками, или спиральный элемент, расположенный соосно с ротором и образующий проходы для жидкости между витками спирального элемента. Сепаратор дополнительно содержит лопатки, расположенные выше по потоку от впускного устройства, таким образом, чтобы вызвать предварительное вращение и предварительное ускорение жидкой смеси.

Таким образом, в результате предварительного вращения и предварительного ускорения жидкой смеси, центробежные силы, действующие на жидкую смесь, будут в большей степени нагнетать жидкую смесь между проходами для жидкости между дисками впускного устройства, тем самым сводя к минимуму риск внутреннего переполнения, закорачивания впуска с выпуском сепаратора. Другими словами, лопатки расположены так, чтобы вызвать предварительное ускорение подаваемой жидкости, в отличие от, например, известного уровня техники с гладким отражателем, как описано в патенте WO 91/12082. Гладкий отражатель может, вместо этого, сам по себе вызвать замедление входящей жидкости, то есть с обратным ускорением.

Впускное устройство в виде набора кольцевых дисков может быть впускным устройством, как дополнительно раскрыто в патенте ЕР 0225707 В1, и впускное устройство в виде спирального элемента может быть впускным устройством, как дополнительно раскрыто в патенте ЕР 1105219 В1.

Лопатки могут содержаться в роторе. Таким образом, давление, необходимое для подачи жидкости в ротор, может быть ограничено, так как двигатель центробежного сепаратора используется для ускорения жидкости.

Лопатки могут быть расположены на элементе, образующем часть стенки впускной камеры, обращенной к отверстию впускной трубы. Таким образом, жидкая смесь встречает лопатки и ускоряется при впуске внутрь впускной камеры.

Элемент может быть съемным элементом ротора. Дополнительно, элемент может быть в форме втулки. В качестве альтернативы, съемный элемент может быть в форме диска. Таким образом, форма и размеры лопаток могут быть изменены для учета различных условий эксплуатации. Элемент может, таким образом, также быть сменным, если подвергается износу.

Лопатки могут продолжаться вовнутрь относительно радиального положения в стенке впускной трубы в отверстии впускной трубы и/или выступать наружу относительно радиального положения за стенки впускной трубы в отверстии впускной трубы. Таким образом, впускной поток будет проходить лопатки при прохождении прохода между впускной трубой и стенкой впускной камеры, обращенной к отверстию впускной трубы.

Дополнительно, лопатки могут продолжаться радиально наружу относительно радиального положения с оставлением прохода для жидкой смеси между лопатками и стенкой впускной камеры, тем самым позволяя подаваемой жидкой смеси проходить проход после прохождения лопаток, т.е. перед прохождением впускного устройства. Это может уменьшить риск дополнительного смешивания входящей жидкости. Другими словами, впускная камера может иметь радиус R_камеры от оси х вращения в местоположении лопаток, а лопатки могут продолжаться радиально наружу во впускной камере в положение R_{наружный} от оси х вращения, где R_{наружный}<R_камеры. Радиальная протяженность может быть протяженностью вдоль потока жидкости.

Местоположение лопаток может быть местоположением по вертикали ниже отверстия впускной трубы, если впускная труба проходит внутрь сепаратора сверху. Следовательно, R_{наружный} может быть расположенным таким образом, что выполнен проход между лопатками и стенкой впускной камеры, при этом проход достаточно большой, чтобы позволить прохождение жидкой смеси. Это предпочтительно тем, что лопатки затем как обеспечивают ускорение входящей смеси, так и еще допускают соответствующее давление на впуске. В качестве примера, R_{наружный} может продолжаться до менее чем 90% от R_камеры, например около 30-85% от R_камеры, например около 50-75% от R_камеры. Следует понимать, что радиальная протяженность лопаток не должна «начинаться» от оси х вращения, но лопатки могут начаться от радиального местоположения R_начала, которое оставляет проход или расстояние до оси х вращения. В качестве примера, гайка центральной ступицы или часть гайки центральной ступицы сепаратора, например, в верхней части гайки центральной ступицы может продолжаться внутрь прохода между лопатками и осью х вращения. Как рассматривалось выше, лопатки могут продолжаться внутрь относительно радиального положения, то есть в стенке впускной трубы в отверстии впускной трубы, то есть R_начала может находиться радиально внутри отверстия впускной трубы. С терминологией, используемой выше, протяженность лопатки R_{лопатки} является R_{наружный} - R_начала. В качестве примера R_{лопатки} может быть около 5-80% от R_камеры, например около 10-70% от R_камеры, например около 20-50% от R_камеры, например около 25-35% от R_камеры.

Съемный элемент может быть прикреплен к ротору в центральной части ступицы ротора. Центробежный сепаратор может дополнительно содержать шпиндель, при этом ротор прикрепляется к шпинделю в центральной части ступицы посредством гайки ступицы, где съемный элемент крепится к ротору посредством гайки ступицы. Таким образом, съемный элемент может быть заменен простым способом.

Впускное устройство может содержать множество стенок, соединяющих смежные кольцевые диски или витки. Стенки могут продолжаться в радиальном направлении, продолжаться в направлении, имеющем угол с радиальным направлением, или быть изогнутыми. Множество стенок могут быть расположены таким образом, что множество каналов выполнено между каждым кольцевым диском или вдоль каждого оборота витка. Таким образом, ускорение жидкой смеси повышается при впуске в проходы между дисками или витками впускного устройства.

Лопатки могут содержаться в роторе и могут, в плоскости, перпендикулярной оси (х) вращения, быть расположены в радиальном направлении, с расположением в направлении, имеющем угол к радиальному направлению, или быть изогнутыми. В качестве альтернативы, лопатки могут быть выполнены во впускной трубе и расположены таким образом, чтобы вызвать предварительное вращение и предварительное ускорение жидкой смеси. Таким образом, жидкая смесь может быть обеспечена предварительным вращением и предварительным ускорением, вызванным перед вхождением в ротор. Такие лопатки могут быть изогнуты или расположены под углом к потоку жидкой смеси.

Каждая лопатка может иметь протяженность вдоль потока жидкой смеси в процессе работы сепаратора, и каждая лопатка может иметь по существу прямоугольный или в форме крыла профиль поперечного сечения вдоль этой протяженности. Такой в форме крыла профиль поперечного сечения может содержать закругленный передний край, встречающий поток жидкости, и острый задний край. Таким образом, гидродинамические свойства лопаток могут быть оптимизированы.

Дополнительно, центробежный сепаратор может содержать по меньшей мере три лопатки, например по меньшей мере пять лопаток, например по меньшей мере восемь лопаток, например по меньшей мере десять лопаток, например по меньшей мере двенадцать лопаток, например по меньшей мере пятнадцать лопаток. Лопатки могут быть одинаковой радиальной длины.

Дополнительно, центробежный сепаратор может быть приспособлен для впускного потока жидкой смеси, который по меньшей мере составляет 80 м³/час, например по меньшей мере 100 м³/час, например около 150 м³/час.

В еще одном аспекте изобретения предложен способ разделения компонентов в жидкой смеси, включающий в себя этапы, на которых:

а) обеспечивают центробежный сепаратор, в соответствии с настоящим описанием, и жидкую смесь, подлежащую разделению; и

б) отделяют по меньшей мере один компонент из жидкой смеси использованием сепаратора.

Этап б) может содержать подачу в сепаратор жидкой смеси с впускным потоком по меньшей мере 80 м³/час, например по меньшей мере 100 м³/час, например около 150 м³/час.

Жидкая смесь может содержать твердые частицы. Например, жидкая смесь может содержать воду, нафту и битум. Например, содержание воды в жидкой смеси может быть около 25-30% (массовой доли). Нафта может быть полным спектром нафты и может содержать фракцию углеводородов в нефтепродукте, которая кипит в диапазоне от 30°С до 200°С. Дополнительно, нафта может содержать легкую нафту, которая может быть фракцией углеводородов, кипящих в диапазоне от 30°С до 90°С. Легкая нафта может содержать молекулы с 5-6 атомами углерода. Дополнительно, нафта может содержать тяжелую нафту, которая может быть фракцией углеводородов, кипящих в интервале между 90°С и 200°С. Тяжелая нафта может содержать молекулы с 6-12 атомами углерода.

Битум, иногда называемый асфальтом, относится к высоковязкой жидкой, полутвердой или твердой форме нефтепродукта. Битум может быть вязким и черным. Следовательно, твердые частицы жидкой смеси могут содержать битум. Битум может возникать из нефтеносных песков, гудронных песков и/или битуминозных песков. Битум может быть нефтепродуктом, который существует в полутвердой или твердой фазе в природных месторождениях. Таким образом, битум может быть вязкой, липкой формой углеводорода и может иметь плотность и/или вязкость достаточно высокую, такую, что не течет без нагревания или разбавления с легкими углеводородами. Битум может быть нефтью, имеющей вязкость более чем 10,000 сантипауз в пластовых условиях и плотность нефтепродукта в градусах Американского нефтяного института менее 10° Американского нефтяного института.

Сепаратор по настоящему изобретению может быть эффективным для разделения компонентов жидкой смеси, содержащей твердые частицы, такой как жидкая смесь, содержащая воду, сырую нефть и битум. Таким образом, сепаратор согласно настоящему изобретению может быть использован при добыче нефти из нефтеносных песков, гудронных песков и/или битуминозных песков.

Тем не менее, другие задачи, признаки, аспекты и преимущества настоящего изобретения будут очевидны из следующего подробного описания, а также из чертежей.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Далее будут описаны варианты осуществления изобретения, в виде примера, обращаясь к прилагаемым схематическим чертежам на которых:

Фиг. 1 представляет часть центробежного сепаратора в поперечном сечении.

Фиг. 2 представляет съемный элемент в виде втулки ступицы, содержащий лопатки.

Фиг. 3 представляет поперечное сечение и схематично иллюстрирует увеличенный вариант осуществления лопаток относительно впускной камеры, когда съемный элемент, содержащий лопатки, расположен в центробежном сепараторе.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Обращаясь к Фиг. 1, представлена часть центробежного сепаратора, содержащего ротор 1, поддерживаемый шпинделем 18 (представлен частично), который установлен в раме с возможностью вращения вокруг оси (х) вращения. Ротор содержит впускную камеру 2, выполненную внутри распределителя 17, внутри которого продолжается неподвижная впускная труба 3 для подачи жидкой смеси из компонентов, которые должны быть разделены. Ротор дополнительно содержит пространство 11 сепарирования, в сообщении с впускной камерой через проходы 10 в роторе.

Впускная труба имеет отверстие 4 для подачи жидкой смеси из компонентов внутрь впускной камеры. Отверстие направлено к части стенки впускной камеры, содержащей гайку 9 ступицы и съемный элемент в виде втулки 8 ступицы. Гайка ступицы выполнена с возможностью крепления ротора к шпинделю и для крепления втулки ступицы к ротору. Втулка ступицы снабжена лопатками 7, выступающими из элемента втулки и направленными к впускной трубе. Обращаясь к Фиг. 2, представлены дополнительные детали съемного элемента в виде втулки ступицы. На примере, представленном здесь, втулка ступицы снабжена двенадцатью лопатками, выступающими от верхней поверхности элемента и продолжающимися в радиальном направлении. Если радиальная протяженность лопаток является большой, давление на впуске может увеличиться, поэтому это может быть выгодно для ограничения протяженности лопаток. Радиальная протяженность W каждой лопатки составляет 11-22 мм, а внутренний диаметр d составляет 67 мм. Радиальная протяженность 11 мм была предпочтительна в связи с ограниченным влиянием на давление на впуске. Высота h лопаток составляет 18 мм.

Ротор, представленный на Фиг. 1, дополнительно содержит впускное устройство, имеющее множество дисков 5 ускорения, образующих проходы 6 для жидкости и обеспечивающих сообщение с впускной камерой и проходами 10. Проходы разделены стенками, продолжающимися в радиальном направлении, параллельно с осью (х) вращения. Эти стенки соединяют смежные диски, образуя, таким образом, каналы между дисками, продолжающиеся в радиальном направлении.

В пространстве 11 сепарирования расположено множество разделительных дисков 12 в форме усеченного конуса, вдоль и соосно с осью вращения (х). Внешняя часть пространства сепарирования, радиально снаружи разделительных дисков, образует осадочное пространство 13 для первого отделенного компонента жидкой смеси, имеющего более высокую плотность (тяжелая фаза). Выпуски 14, в виде сопел, продолжаются от осадочного пространства для выпуска разделенных компонентов, собранных в нем. Внутренняя часть 15 пространства сепарирования, радиально с внутренней частью разделительных дисков, образует пространство для второго отделенного компонента жидкой смеси, имеющего низкую плотность (легкая фаза). Внутренняя часть 15 пространства сепарирования сообщается с выпуском 16 для легкой фазы.

В процессе работы центробежного сепаратора в соответствии с Фиг. 1, снабженного втулкой ступицы в соответствии с Фиг. 2, ротор 1 вращается с рабочей скоростью. Жидкую смесь из компонентов, которые должны быть разделены, вводят внутрь впускной камеры 2 из неподвижной впускной трубы 3 и через отверстие 4. Жидкая смесь встречает вращающуюся стеночную часть впускной камеры, обращенную к отверстию впускной трубы, и нагнетается радиально наружу. При прохождении лопаток 7 в проходе между стеночной частью и краем отверстия впуска, жидкая смесь ускоряется во вращение. Таким образом, обеспечивается предварительное вращение и предварительное ускорение жидкой смеси при поступлении в часть впускной камеры, содержащей впускное устройство 5, 6 (ниже по потоку от лопаток). В связи с предварительным вращением, жидкая смесь подвергается воздействию центробежного усилия, облегчающего прохождение жидкой смеси в проходы 6 между дисками 5 впускного устройства. В этих проходах жидкая смесь дополнительно ускоряется так, чтобы вращаться вместе с ротором. Жидкая смесь затем направляется в пространство 11 сепарирования через проходы 10 в роторе. В пространстве сепарирования подверженную центробежным силам и облегченную разделительными дисками 12 жидкую смесь разделяют на по меньшей мере первый отделенный компонент жидкой смеси, имеющий более высокую плотность (тяжелая фаза), и второй отделенный компонент жидкой смеси, имеющий более низкую плотность (легкая фаза). Тяжелая фаза собирается в осадочном пространстве 13 и выходит через выпуски 14. Легкая фаза собирается во внутренней части 15 пространства сепарирования, из которой она выходит через выпуск 16 легкой фазы.

Если жидкая смесь компонентов не подвергается описанному предварительному вращению, существует риск, что она выйдет за пределы радиального внутреннего края распределителя 17 (между распределителем 17 и впускной трубой 3), в частности, при высоком потоке жидкой смеси. При таких условиях неразделенная жидкая смесь может переливаться из впускной камеры 2 внутрь выпускной камеры 16 для легкой фазы, тем самым ухудшая качество сепарирования.

Фиг. 3 дополнительно иллюстрирует вариант осуществления съемного элемента 8, когда он располагается в центробежном сепараторе. Элемент 8 содержит лопатки 7 и расположен вертикально ниже отверстия 4 впускной трубы 3 между стенками 2а впускной камеры. Элемент 8 расположен на гайке 9 ступицы, как было описано выше со ссылкой на Фиг. 1. Элемент 8 центрирован вокруг оси х вращения, и впускная камера имеет радиус R_камеры от оси х вращения в местоположении лопаток 7. Лопатки 7 продолжаются из положения R_начала и продолжаются радиально наружу в положение R_{наружный}. R_{наружный} расположен в положении от х, которое меньше R_камеры, тем самым оставляя проход 19 для жидкой смеси, чтобы проходить лопатки 7. Проход 19, расположенный между лопатками 7 и стенкой 2а впускной камеры, является, таким образом, расположенным ниже по потоку от лопаток 7, когда жидкость подается из трубы 3 для жидкости. Дополнительно, R_начала находится на расстоянии d от оси х вращения, но все еще расположено радиально в стенке впускной трубы в отверстии 4 впускной трубы 3. Лопатки 7 могут примыкать к части гайки 9 ступицы, которая выступает через элемент 8, или лопатки могут быть расположены на элементе 8 на небольшом расстоянии от той части гайки 9 ступицы, которая выступает через элемент 8. Радиальная протяженность, или длина, лопатки является R_{лопатки} и является, следовательно, R_{наружный} -R_начала. В этом примере R_{лопатки} составляет около 25-35% R_камеры. Расстояние d может быть, например, около 5-80% от R_камеры, например около 10-70% R_камеры, например около 20-50% от R_камеры, например около 25-35% от R_камеры. В этом примере d составляет около 25-35% R_камеры. Следовательно, расстояние d может иметь протяженность, которая примерно равна протяженности лопатки, т.е. d может быть приблизительно равна R_{лопатки} в радиальной протяженности.

1. Центробежный сепаратор, содержащий ротор (1), выполненный с возможностью вращения вокруг оси (х) вращения,
впускную камеру (2), выполненную в роторе,
впускную трубу (3), продолжающуюся в ротор, имеющий отверстие (4) во впускной камере для подачи жидкой смеси из компонентов,
впускное устройство во впускной камере, содержащее множество кольцевых дисков (5), соосных с ротором и образующих проходы (6) для жидкости между дисками, или спиральный элемент, соосный с ротором и образующий проходы (6) для жидкости между витками спирального элемента,
отличающийся тем, что
сепаратор содержит лопатки (7), расположенные выше по потоку от впускного устройства для побуждения предварительного вращения и предварительного ускорения жидкой смеси.

2. Центробежный сепаратор по п. 1, в котором лопатки содержатся в роторе.

3. Центробежный сепаратор по п. 2, в котором лопатки расположены на элементе (8), образующем часть стенки впускной камеры, обращенной к отверстию впускной трубы.

4. Центробежный сепаратор по п. 2 или 3, в котором лопатки продолжаются внутрь относительно радиального положения в стенке впускной трубы в отверстии впускной трубы.

5. Центробежный сепаратор по п. 2 или 3, в котором лопатки продолжаются наружу относительно радиального положения за стенкой впускной трубы в отверстии впускной трубы.

6. Центробежный сепаратор по п. 2 или 3, в котором лопатки продолжаются радиально наружу относительно радиального положения с оставлением прохода для жидкой смеси между лопатками и стенкой впускной камеры, обеспечивая, тем самым, прохождение жидкой смеси через указанный проход после прохождения лопаток.

7. Центробежный сепаратор по п. 2, в котором указанный элемент является съемным элементом ротора.

8. Центробежный сепаратор по п. 7, в котором съемный элемент прикреплен к ротору в центральной части ступицы ротора.

9. Центробежный сепаратор по п. 8, дополнительно содержащий шпиндель, при этом ротор прикреплен к шпинделю в центральной части ступицы посредством гайки (9) ступицы, при этом съемный элемент прикреплен к ротору посредством гайки ступицы.

10. Центробежный сепаратор по любому из пп. 7-9, в котором съемный элемент имеет форму втулки.

11. Центробежный сепаратор по п. 1, в котором впускное устройство содержит множество стенок, соединяющих смежные кольцевые диски или витки.

12. Центробежный сепаратор по п. 11, в котором множество стенок расположены с образованием множества каналов между каждым кольцевым диском или вдоль каждого оборота витка.

13. Центробежный сепаратор по п. 1, в котором лопатки в плоскости, перпендикулярной к оси (х) вращения, расположены в радиальном направлении, с расположением в направлении, имеющем угол к радиальному направлению, или изогнуты.

14. Центробежный сепаратор по п. 1, в котором лопатки содержатся во впускной трубе и расположены таким образом, чтобы вызвать предварительное вращение и предварительное ускорение жидкой смеси.

15. Центробежный сепаратор по п. 14, в котором лопатки изогнуты или расположены под углом к потоку жидкой смеси во впускной трубе.

16. Центробежный сепаратор по п. 1, в котором каждая лопатка имеет протяженность в направлении потока жидкой смеси в процессе работы сепаратора, при этом каждая лопатка имеет по существу прямоугольный или в форме крыла профиль поперечного сечения вдоль этой протяженности.

17. Способ разделения компонентов в жидкой смеси, включающий в себя этапы, на которых:
а) обеспечивают центробежный сепаратор по любому из пп. 1-16 и жидкую смесь, которая должна быть разделена, и
б) отделяют по меньшей мере один компонент из жидкой смеси с использованием сепаратора.

18. Способ по п. 17, в котором этап б) включает подачу в сепаратор жидкой смеси с впускным потоком по меньшей мере 80 м³/час, в частности по меньшей мере 100 м³/час, в частности около 150 м³/час.

19. Способ по п. 17 или 18, в котором жидкая смесь содержит воду, нафту и битум.