CN101687121A - 重力分离容器、布置在重力分离容器中的挡板以及分离液体/气体混合物的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于在重力作用下使气体和/或一种或更多种密度不同的液体的混合物分离的重力分离设备，所述设备包括伸长的容器(1)，所述容器包括用于输入要被分离的混合物的进口(2)，用于排放分离的气体的气体出口(10)和用于排放分离的一种或更多种液体的一个或更多个液体出口(9，21)，其中，所述容器还包括一个或更多个布置在容器(1)内部空间中以分布流过的混合物的带开孔的挡板(6，7)，以便使在挡板(6，7)下游流动的混合物更为均匀地分布，其中，所述挡板(6，7)具有基本上凹形形状。

Description

重力分离容器、布置在重力分离容器中的挡板以及分离液体/气体混合物的方法

技术领域

本发明涉及重力分离容器和用于分离气体和/或一种或更多种不同密度的液体的混合物的方法。更特别地，本发明涉及布置在重力分离容器内部用于分布流入所述容器的混合物的挡板。

背景技术

为了分离具有不同密度的单相液体的混合物或者气体和一种或更多种不同密度的液体的多相混合物，例如在生产油和天然气方面，使用重力分离容器。例如，在气体和两种不同密度的液体的混合物中，重力作用的结果是，气体收集在重力分离容器的顶部，而液体混合物收集在容器底部。具有较小密度的液体保持浮在具有较大密度的液体上。

进入重力分离容器的混合物首先通过一个或更多个进口装置进行引导。利用这种进口装置，可以在混合物以上述方式进一步分离之前，对所供应的混合物进行预处理。进口装置最重要的作用在于减少输入流的冲击，使得重力分离容器内部的分离程度最大化。这通过防止液体喷散来实现，液体喷散会产生使分离过程变得更为困难的小液滴，防止所谓的″起泡沫″或产生泡沫以提供混合物在容器内的初始分布。

WO 00/74815A2中描述了具有包括多个进口旋流分离器的进口装置的重力分离容器的实例，所述文献的内容在此引入作为参考。进口装置在一定程度上从气体/液体混合物中分离气体，并且将分离出的气体部分通过一个或更多个气体出口排入容器内部空间的上半部。混合物的剩余部分从进口装置排入重力分离容器的内部空间的下半部。

为了在水平式重力分离容器中实现有效的气体/液体和液体/液体分离，重要的是沿着容器长度具有静止的流动状态。这通过在容器内部布置一个或更多个带孔平板或挡板来实现。平挡板可以单独安装，根据用途采用双重布置以及完全和部分直径方式。

有时候在挡板下游布置一个或更多个不同的分离元件以便进一步改进液/液分离过程。例如，可以在重力分离容器的液体区段使用板组凝聚过滤器以便优化液/液分离程度。平行板分离器的工作原理依赖于流过窄间距板的流体不易产生湍流的事实。因为分散相移动到接触面的距离更小，会分离更小的液滴。

为了使另外的分离元件提供良好的混合物分离，混合物流应当在容器的(一部分)横截面上差不多均匀分布。如上所述，这可以通过将一个或更多个平坦的横向挡板放置在进口装置和另外的分离元件之间而实现。

然而，由于平挡板上由混合物流引起的压降，需要提供单独的加强梁或类似装置以提供组件强度，从而防止挡板破裂。加强梁需要附接到挡板和容器壁上，以便给挡板提供足够的结构强度以经受因混合物流引起的压降。这使挡板结构变得笨重和复杂。

此外，已知平挡板的缺陷在于，由于上述加强梁的冲击，挡板下游的混合物流的速度分布变得不理想。换句话说，挡板下游的混合物远非均匀分布的。这对容器内部的分离过程产生不利影响。因此，重力分离容器的总分离效率变低。

发明内容

本发明的目的在于现有技术中的上述缺陷和提供简单且结实的结构，该结构能够经受由混合物流施加在其上的作用力。

本发明进一步的目的在于提供一种重力分离容器，其中，提高了另外的分离元件的分离效率。

本发明更进一步的目的在于提供一种总分离效率提高的重力分离容器。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于在重力作用下使气体和/或一种或更多种密度不同的液体的混合物分离的重力分离设备，所述设备包括伸长的容器，所述容器包括用于输入要被分离的混合物的进口，用于排放分离的气体的气体出口和用于排放分离的一种或更多种液体的一个或更多个液体出口，其中，所述容器还包括一个或更多个布置在容器内部空间中以分布流过的混合物的带开孔的挡板，以便使在挡板下游流动的混合物更为均匀地分布，其中，所述挡板具有基本上凹形形状。

挡板的凹形形状对混合物的下游分布具有积极效果。挡板的凹形形状还改善了结构强度，使得挡板可以经受更高的压降。在一些实施例中，除了将挡板在周向边缘处附接到容器壁上之外，挡板不需要其它支撑或加强装置来给其提供所需的强度。

优选地，挡板布置在容器中，使得挡板的凹侧面向容器的上游部分，这样，挡板能够经受沿″正常″流动方向流动的混合物的非常高的压降。当挡板沿相反方向布置时，即当挡板凹侧面向容器下游端时，挡板同样能够经受较高压降，但是挡板会翻转的失稳压降低于沿优选朝向的压降。

通过使挡板具有凹形形状，机械强度可以提高到使挡板为基本上自支撑式的程度。这意味着可以省去给已知挡板提供必要强度所需的常用支撑框架。

在进一步优选的实施例中，挡板包括周向边缘部分，所述边缘部分附接到容器壁上。不需要支撑框架将挡板安装在容器中，这不仅使结构更为简单，而且避免了任何支撑框架影响挡板下游的流动分布。如果不需要支撑框架，或者即便需要较轻质量的支撑框架，混合物流动不易受阻，挡板将更为均匀地分布流体。

优选地，挡板由片状材料制成，例如具有2到8毫米的厚度。具有凹形形状和这种厚度的片状材料足以经受在开采烃类时使用的重力分离容器中存在的压差。

在进一步优选的实施例中，挡板至少部分地为锥形，具有优选地在大约1到25度变化的锥角(α)。实验显示，当锥角在上述范围之内时，显著增加了挡板在″正常″流动方向的相对强度。当锥角为大约3-25度时，显著增加了挡板在″相反″流动方向的相对强度。例如，这在安装于船上的重力分离容器中是重要的，其中，根据海浪，混合物流动方向可以从″正常″方向转变为″相反″方向，反之亦然。然而，通常来说，伸长的重力分离容器布置在基础上并且大体上水平地延伸，而一个或更多个挡板大体上竖直地延伸。

在进一步优选的实施例中，所述设备包括：

一个或更多个进口装置，其布置在所述容器内，并且连接到所述进口以便对进入的混合物进行首次分离，

一个或更多个挡板，其布置在所述进口装置的下游，以便至少部分地分布来自所述进口装置的混合物流；

另外的分离装置，其布置在所述挡板的下游，以便对混合物进行进一步的分离。

需要挡板来优化混合物沿容器长度的分布，以便使混合物在容器内的停留时间最大化，从而使混合物更好地分离。

挡板中开孔的水力直径为大约2到200毫米。

根据本发明的另一方面，提供了一种在重力作用下分离气体和一种或更多种密度不同的液体的混合物的方法，所述方法包括：

将所述混合物供应给重力分离器的进口；

通过将所述混合物引导通过连接到所述分离器进口上的一个或更多个进口装置，来对所述混合物进行首次分离；

将来自所述进口装置的一个或更多个混合物部分引导通过一个或更多个挡板，每个挡板具有基本上凹形形状，以便在所述分离器的下游区段分布所述混合物部分；

通过将被分布的所述混合物部分引导通过另外的分离装置来对所述混合物进行进一步的分离；

从一个或更多个气体出口排出分离的气体；

从一个或更多个液体出口排出一种或更多种分离的液体。

如上所述，这里描述的重力分离器可用于将气液混合物(多相混合物)分离成基本上包含液体的重馏分和基本上包含气体(例如气体和油)的轻馏分，或者用于将两种或多种密度不同的液体的(单相)混合物分离成密度不同的重馏分，或者用于分离气体和至少两种密度不同的液体的多相混合物。

分离器还可以用于分离包含不同液体的混合物。当混合物为液液混合物时，重馏分主要包含具有较高密度的第一液体(例如，水)，轻馏分主要包含具有较低密度的第二液体(例如，油)。

附图说明

参照附图，根据下文对本发明几个优选实施例的描述对本发明的其它优点、特征和细节进行说明，其中：

图1是设置有根据本发明挡板的第一和第二优选实施例的重力分离容器的局部剖开透视图；

图2是已知挡板的前视图并且图解表示了挡板下游的轴向速度；

图3更详细地显示了挡板的第一实施例；

图4显示了用于将挡板附接到容器壁上的支撑环；

图5图解显示了根据本发明的挡板的第一实施例和挡板下游的轴向速度；

图6-8图解显示了当使用本发明的第一实施例时，与高度相关的流动分布；

图9和10分别显示了根据第二实施例的挡板和用于将挡板附接到容器上的支撑凸耳或角撑板的前视图；

图11图解显示了图9所示挡板下游的轴向速度；

图12-14图解显示了当使用根据第二实施例的挡板时，分别位于容器底部上方250mm、500mm和750mm处的流速分布；

图15是挡板实施例的示意性横截面视图；

图16和17是分别沿正常流动方向和反向流动方向，挡板的相对强度与锥角关系的曲线图。

具体实施方式

图1显示了通常用于离案工业以分离多相混合物，例如气体、油和水的混合物的水平式重力分离容器1。经由进口2的供应通道，例如气体和液体的混合物例如从油/气体管线(未显示)供应(方向P₁)，并且进入容器1。

混合物在重力作用下分离。混合物分离成具有高气体含量(轻馏分)的混合物组分和具有低气体含量(重馏分)的混合物组分。另外，重馏分(水和油)分离成大体上为水的馏分和大体上为油的馏分，其中，较轻的油保持漂浮在较重的水上。水和油层的进一步分离以本领域技术人员所知的方式进行，为了简化，这里不再进一步描述。

为了改进这种(重力)分离容器的操作，如上所述，在油气处理工业的许多应用中存在已知的进口装置，所述进口装置在以已知方式进一步分离混合物之前，对所供应的混合物进行预处理。进口装置最重要的作用在于减少输入流的冲击，使得重力分离容器内部的分离程度最大化。这通过防止液体喷散来实现，液体喷散会产生使分离过程变得更为困难的小液滴，防止所谓的″起泡沫″或产生泡沫以提供混合物在容器内的初始分布。

进口装置的特定实施例(如图1所示)由所谓的进口旋流分离器3形成，其中，液体和气体在进口旋流分离器中产生的离心力作用下进行首次分离。在WO 00/74815A2中，大量描述了进口旋流分离器的分离原理，因此，可以省略对将进入混合物分离成轻(气体)馏分和重(液体)馏分的进一步描述。分离的结果是重馏分从下侧通过出口孔流到外面(方向P₃，图1)并进入重力分离容器1的下半部以进行进一步的分离处理。加压液体混合物流动改变方向，如图1所示(P₃)。随后，通过在容器1内部布置带孔板或挡板5实现重馏分更均匀的速度分布，提高了液体混合物的分离，例如，将水中的油分离成其上漂浮有油的水层。另一方面，轻馏分沿方向P₂(图1)被驱赶，随后在容器1的上半部排出。

轻馏分和重馏分沿方向P₄朝向带孔板或挡板6和7(一个布置在另一个后面)流动。挡板6在容器1的大体上整个横截面上延伸，并且给位于其下游的重馏分和轻馏分提供更均匀的分布。沿P₄流动的重馏分经过另一挡板7，该挡板7只覆盖容器1的下半部。挡板7进一步分布重馏分，从而可以通过另一分离器元件8实现改进的分离效率。另一分离器元件8布置在挡板7的下游(P₅)和另一个挡板的下游(P₆)。在图1所示实施例中，分离器元件8是板组凝聚过滤器，在其中，较重液体(例如，水)与较轻液体(例如，油)分离。

最终，轻馏分(即，气体)进入(P₁₀)位于旋流分离器箱体31内的多个出口旋流分离器。优选地，出口旋流分离器是如EP 1 154 862A1中所述类型的轴向旋流分离器，该文献的内容在此引入作为参考。这些旋流分离器使液体与气体流进一步分离。液体通过下导管32排出并且回流到(P₁₂，图1)容器1的下半部中。气体通过设置在容器1的上半部中的气体出口10排出(P₁₁，图1)。

此外，漂浮在较重液体顶部上的较轻液体通过堰板23分离。重质液体流被堰板23阻挡，并且重质液体通过重液出口9排出(P₉)。轻质液体流基本上不受堰板23阻挡，使得轻质液体可以通过出口21排出(P₇)。出口9和21都设置有防涡器24。

图2显示了根据现有技术的挡板实例。挡板17由带孔平板18组成。带孔板18布置在XY平面上的平面内，所述XY平面与重力分离容器1的轴线方向(Z方向)垂直。带孔板设置有大量的较小开孔或开口，用于允许碰撞在挡板前表面上的液体(S)和/或气体(G)通过。

由于经过重力分离容器中的这些挡板产生压降，平板17的后侧由一个或更多个支承梁19支撑。附图显示了支撑梁19，其横截面通常为U形。然而，可以使用其它类型的支撑梁和横截面。

挡板17的周向边缘和支撑梁的外端部附接到容器壁16上(例如，通过将支撑梁用螺栓联接到容器壁上)。

具有一个或更多个支撑梁的挡板17的结构相对沉重且复杂。由于重量、可靠性和容易安装是用于生产天然油气的设备中的重要因素，已知挡板具有许多重要缺陷。

此外，在支撑梁19的位置处，在挡板上没有开孔。换句话说，挡板具有阻止进入的混合物通过的条状区域20。区域20扰乱挡板下游的混合物分布。这在图2右侧图解示出。附图显示了在大约2000mm的预定距离处，表示挡板下游的轴向速度的图像。在CFD模拟中，针对挡板的输入条件是速度为1m/s的均匀分布流。挡板下游的流速分布图显示了大约1.92m/s的峰值速度，在上游侧均匀分布的流体在挡板下游侧不再如此。挡板下游流动的不均匀分布对由重力分离容器实现的分离效率具有不利影响。更具体地，不均匀分布降低了位于挡板下游的任何分离设备(例如图1所示板组凝聚过滤器8)的分离效率。

图3和4显示了根据本发明的挡板7的第一实施例。挡板具有曲线形状的横截面(参考图15)并且设置有大量较小开孔12。在所示实施例中，挡板7大致为锥形。

在这里，锥体是三维几何形状，更具体地，它是位于平面(底部)单连通区域和所述平面外的点(顶点)之间的所有线段的轨迹。锥体可以具有任何形状的底部，并且所述底部与位于底部平面以外任何点处的顶点连接。如果顶点与底部中心成直角(即，连接两者的直线与底部平面成直角)，锥体被称作″直锥″。否则，称作″斜锥″。具有圆形或椭圆形底部的锥体分别称作圆锥体或椭圆锥体。如果底部为多边形，圆锥体为棱锥。多边形的线段可以是直线段。然而，在优选实施例中，形成锥体的多边形线段为弯曲的，如下所述。在其它优选实施例中，挡板是顶点由与所述挡板底部大体上平行的平面切除的锥体。这种形状称作截锥体或截锥。

术语″大致锥形″在这里包含锥体的任何上述形状。此外，如果挡板称作″大致锥形″，这是指挡板的至少主要部分具有(截头的)锥形形状。

在优选实施例中，挡板具有截棱锥形状，其底部界定了略微弯曲的线段。由于可以使用易于获得的片状材料，棱锥状挡板比具有圆形或卵形底部的″理想″锥体的制造成本更低。棱锥状形状可以不具有任何焊接部分，但锥体实际上需要焊接。

图3和15显示了大致锥形形状的实例。在这些附图中，显示了截锥体(更具体地，截棱锥)，即，锥体顶点或顶端13为平坦的，围绕顶部的剩余部分14具有锥形形状。在所示实施例中，平坦部13可从挡板的剩余部分上拆下。在其它实施例中，平坦部13可以是挡板锥形部分的一体的部分。

由于其(截头的)锥形形状，挡板7可以比类似平挡板承受更高的压降。实验显示，在结构损坏之前，挡板可以承受的最大压力显著增加。下面的表格1显示了内径为2米的容器内的全直径金属薄片挡板的最大允许压降，压力是板厚和锥角(α)的函数。除了栓接法兰处50％的接头效率之外，压降界限表示材料中的应力达到SS 316L在室温下的屈服强度的2/3的临界点。换句话说，材料中的最大应力为大约57MPa的时刻。挡板由不锈钢制成。更具体地，已经应用了SS316L的性质，因为它是这些应用中最常用的材料。

表I.直径为2m并具有全直径挡板的重力分离容器沿正常流动方向的最大许可压力。

厚度[mm]	平板[Pa]	锥形板α＝5°[Pa]	锥形板α＝10°[Pa]	锥形板α＝15°[Pa]
					2	340	4200	4600	4700
3	750	7600	9800	10200
					4	1350	11500	16500	17500
5	2100	15500	23500	27000

¹锥形挡板上的最大容许压降足够高，从而可以省去例如一个或更多个梁的附加支撑装置。因此，锥形挡板可以仅通过环15(图4)附接到容器1的壁16上。金属环15一方面附接到容器壁16上，另一方面附接到挡板7的周向边缘22上。

                 

¹无支撑梁

图5显示了使用锥形挡板的效果。附图显示了挡板7和挡板下游的轴向速度的图像。针对挡板的输入条件是速度为1m/s的均匀分布流动。出口分布图显示了小于1.26m/s的峰值速度，分布相对于图2所示平挡板的分布有了较大改进。图6-8也显示了使用锥形挡板的效果。这些图像显示了与容器1的底部上方高度相关的速度分布。图6显示了位于容器底部上方750毫米处的流速分布图，图7显示了容器底部上方500毫米处的流速分布图，图8显示了容器底部上方250毫米处的流速分布图。同样，该分布与平挡板相比有了较大改进。

图9显示了挡板25的第二实施例的前视图。图10显示了用于将挡板25附接到容器壁16上的支撑凸耳或角撑板27。取代使用圆形或半圆形环，挡板的本实施例利用从壁16的内表面伸出的大量金属凸耳27附接到容器的壁16上。凸耳27都可以附接到设置于挡板25的周向边缘处的附接元件26上，例如通过将凸耳27用螺栓连接到附接元件26上实现。挡板的这个实施例的优点在于，除了在第一实施例中具有的开孔29之外，开孔30可以设置在相邻的附接元件26/凸耳27之间，从而可以确保在靠近容器壁16的内表面的位置处具有相对均匀分布的流动。

图11显示了挡板25的后视图和表示挡板下游的轴向速度的图像。同样，针对挡板的输入条件是速度为1m/s的均匀分布流动。从图像可以看出，出口分布图显示了1.24m/s的峰值速度，分布相对于平挡板具有较大改进。同样，图12-14显示了当使用根据第二实施例的挡板时，分别位于容器底部上方250mm、500mm和750mm处的流速分布图。从附图可以清楚看出，分布与平挡板相比具有较大改进。

图16和17中显示了与平挡板的强度相比，锥角(α)(参考图15)对挡板的相对强度的影响。图16显示了在正常流动方向(即，从容器进口区域到其出口区域)的情况下的相对强度，图17显示了在反向流动方向的情况下的相对强度。

当锥角为大约1至25度时，锥形挡板的相对强度得到非常大的改进。将锥角增大到25度以上的值不会提高挡板的相对强度，而将锥角降低到很小的数值会降低挡板的相对强度。在非常小的角度下，挡板需要附加支撑。

10°锥形挡板的重量为在同样条件下工作的平挡板重量的一半。在实际上的各种情况下，每段的重量小于25kg。

此外，即使在非常大的挡板中，组件的任意段可以安装在标准尺寸的装货箱中，而无需将其分成更多部件。另一个优点是在新设计中避免了焊接。全直径挡板完全没有焊接。这使制造变得更加容易，快速，安装更为灵活。

本发明不局限于上述优选实施例。下列权利要求书限定了要求保护的权利。

Claims (17)

1.用于在重力作用下使气体和/或一种或更多种密度不同的液体的混合物分离的重力分离设备，所述设备包括伸长的容器，该容器包括用于输入要被分离的混合物的进口，用于排放分离的气体的气体出口和用于排放分离的一种或更多种液体的一个或更多个液体出口，其中，所述容器还包括一个或更多个布置在容器内部空间中以分布流过的混合物的带开孔的挡板，以便使在挡板下游流动的混合物更为均匀地分布，其中，所述挡板具有基本上凹形形状。

2.如权利要求1所述的设备，其中，所述挡板布置在所述容器内，使得挡板凹侧面向容器的上游部分。

3.如权利要求1所述的设备，其中，所述挡板至少部分地为锥形。

4.如权利要求1所述的设备，其中，所述挡板具有棱锥或截棱锥形状。

5.如权利要求3或4所述的设备，其中，锥角(α)为大约1到25度。

6.如权利要求3、4或5所述的设备，其中，锥角(α)为大约5到15度。

7.如在先任意一项权利要求所述的设备，其中，挡板在所述容器的大体上整个横截面上延伸。

8.如在先任意一项权利要求所述的设备，其中，挡板只在所述容器的横截面的下半部上延伸。

9.如在先任意一项权利要求所述的设备，其中，所述伸长的重力分离容器大体上水平布置，所述一个或更多个挡板大体上竖直延伸。

10.如在先任意一项权利要求所述的设备，其中，挡板包括周向边缘部分，所述边缘部分附接到容器壁上。

11.如在先任意一项权利要求所述的设备，其中，挡板是基本上自支撑式的。

12.如在先任意一项权利要求所述的设备，其中，挡板由片状材料，优选地金属制成。

13.如在先任意一项权利要求所述的设备，包括：

一个或更多个进口装置，其布置在所述容器内，并且连接到所述进口以便对进入的混合物进行首次分离，

一个或更多个挡板，其布置在所述进口装置的下游，以便至少部分地分布来自所述进口装置的混合物流；

另外的分离装置，其布置在所述挡板的下游，以便对混合物进行进一步的分离。

14.如权利要求13所述的设备，其中，所述另外的分离装置包括一个或更多个平行板分离器。

15.如在先任意一项权利要求所述的设备，其中，所述挡板的开孔直径为大约2到200毫米。

16.一种在在先任意一项权利要求中所述的挡板。

17.在重力作用下分离气体和/或一种或更多种不同密度的液体的混合物的方法，所述方法包括：

将所述混合物供应给重力分离器的进口，优选地如权利要求1-15中任意一项所述的重力分离设备的进口，

通过将所述混合物引导通过连接到所述分离器进口上的一个或更多个进口装置，来对所述混合物进行首次分离；

将来自所述进口装置的一个或更多个混合物部分引导通过一个或更多个挡板，每个挡板具有基本上凹形形状，以便在所述分离器的下游区段分布所述混合物部分；

通过将被分布的所述混合物部分引导通过另外的分离装置来对所述混合物进行进一步的分离；

从一个或更多个气体出口排出分离的气体；

从一个或更多个液体出口排出一种或更多种分离的液体。

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