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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine mehrstufige Fluidtrennvorrichtung
und ein Verfahren.
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In
vielen Öl-
und/oder Gasförderschächten können die
Schachtausflüsse
komplexe Fluidmischungen umfassen, die Rohöl, Erdgas (Methan), Wasser,
Sole, Kondensate, Schwefel, Wasserstoffsulfide und andere Komponenten
umfassen.
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Während der
Förderung
können
die Schachtausflüsse
expandieren und im allgemeinen von der Reservoirtemperatur, die
zwischen 100 und 200°C
betragen kann, auf wesentlich niedrigere atmosphärische Temperaturen oder Unterwassertemperaturen
abkühlen.
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Dies
bewirkt ein Kondensieren und/oder Verfestigen der verschiedenen
Komponenten und die Bildung von Hydraten, Wachs und/oder Asphalteneablagerungen
in den Förderrohren
und der Förderausrüstung.
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Es
ist aus dem US-Patent 4,026,120 bekannt, kondensierbare und/oder
verfestigbare Komponenten aus den geförderten Schachtausflüssen am
Bohrlochkopf zu entfernen, indem die Schachtausflüsse in einer
Drossel gekühlt
und die gekühlten Schachtausflüsse in ein
sogenanntes „LTX" (Low Temperature
expansion) Gefäß eingespritzt
werden, in welchem die verflüssigten
und/oder verfestigten Komponenten, wie Wasser, Wachs, Asphaltene
und Hydrate, zum Boden tropfen, wo sie auf etwa 20°C erhitzt
werden, um einen pumpbaren Flüssigkeitsschlamm
zu bilden, der dann in eine Flüssigkeitsaustragleitung
gepumpt wird, die sich im Bodenteil des LTX-Gefäßes befindet. Die gasförmigen Komponenten
werden aus dem LTX-Gefäß über eine
Gasauslaßleitung
nahe dem oberen Ende des LTX-Gefäßes ausgetragen.
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Das
US-Patent 4,208,196 offenbart ein LTX-Gefäß, in welches die Ausflüsse eingespritzt werden,
ohne vorher in einer Drossel expandiert zu werden. Das bekannte
LTX-Gefäß ist mit
einem vertikal orientierten rohrförmigen Einlaßabschnitt
versehen, in welchen die Schachtausflüsse tangential eingespritzt
werden, um die Trennung von verflüssigten und/oder verfestigten
Komponenten von den gasförmigen
Komponenten durch Zentrifugalkräfte
zu begünstigen.
Der rohrförmige
Einlaßabschnitt
ist mit einer Kappe und an seinem unteren Ende mit einer Gitterstruktur
versehen, um eine Extension des Wirbels zu verhindern, der in dem
Einlaßabschnitt
zum Flüssigkeitssammelbereich
am Boden des LTX-Tanks hervorgerufen wird. Der rohrförmige Einlaßabschnitt ist
innerhalb eines zylindrischen und horizontalen Trenntanks angeordnet,
in welchem Wasser und Öl gesammelt
und voneinander durch Schwerkraft getrennt und nachfolgend über getrennte
Wasser- und Ölaustragrohre
nahe dem Boden des Tanks ausgetragen werden. Die gasförmigen Komponenten
werden dazu veranlaßt,
durch das Gitter aus dem rohrförmigen
Einlaßabschnitt
nach unten in den Trenntank zu strömen, und werden von der Oberseite
des Trenntanks in einem beträchtlichen
Abstand von dem Einlaßabschnitt
abgezogen.
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Die
internationale Patentanmeldung PCT/NL00/00382 offenbart ein Trenngefäß zum Trennen
von schweren Komponenten, wie flüssigen oder
festen Komponenten, von einem gasförmigen Gemisch, wobei in dem
Gefäß innere
und äußere Gegenstromwirbel
durch Gegenstromwirbel erzeugende Flügel erzeugt werden, die nahe
der Mitte und dem Außenumfang
des Gefäßes angeordnet
sind. Der Nachteil dieser bekannten Vorrichtung besteht darin, daß die wirbelerzeugenden
Flügel
der Verunreinigung unterliegen.
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Die
internationale Patentanmeldung PCT/EP98/04178 offenbart einen Überschallzyklon-Schwerkraftseparator,
in welchem die geförderten
Schachtausflüsse
durch adiabatische Expansion in folge Ergebnis ihrer Beschleunigung
auf Überschallgeschwindigkeit
in einer Überschalldüse drastisch
abgekühlt
werden. In der Überschalldüse wird ein
Wirbel erzeugt, um die auf diese Weise kondensierten und/oder verfestigten
schweren Komponenten von den leichtern gasförmigen Komponenten zu trennen.
Die gasförmigen,
kondensatarmen Komponenten werden aus dem Separator durch eine zentrale
primäre
Gasauslaßleitung
abgegeben, wogegen die kondensatangereicherten Komponenten aus dem Separator
durch eine oder mehrere sekundäre
Auslaßleitungen
ausgetragen werden, die sich von einer zentralen Achse der Düse wegerstrecken.
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Es
hat sich gezeigt, daß der
sekundäre
Fluidauslaß für kondensatangereichertes
Fluid eines Überschallzyklon-Trägheitsseparators
an ein LTX-Gefäß angeschlossen
werden kann, daß aber die
hohe Geschwindigkeit des eingespritzten verflüssigten und/oder verfestigten
kondensatangereicherten Fluidgemisches in einer verminderten Schwerkrafttrennwirksamkeit
des LTX-Gefäßes resultiert. Die
mehrstufige Fluidtrennvorrichtung und das Verfahren gemäß dem Oberbegriff
der Ansprüche
1 und 17 sind aus dem US-Patent 2,825,423 bekannt. Bei der bekannten
Vorrichtung wird Fluid in einen rohrförmigen Abschnitt eines sekundären Trenngefäßes über eine
einzelne sekundäre
Fluideinspritzleitung eingespritzt, die zu einer Instabilität des Wirbels
und damit auch der Trennleistung des sekundären Trenngefäßes führen kann,
wenn der Druck und die Geschwindigkeit des eingespritzten Fluids
fluktuieren.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine hybride, mehrstufige
Fluidtrennvorrichtung zu schaffen, in welcher ein LTX-artiges Trenngefäß an einen
Fluidauslaß für mit verflüssigten
und/oder verfestigten Kondensaten angereichertes Fluid angeschlossen
wird, wobei der Auslaß zu
einer oder mehreren Gaskühlvorrichtungen
gehört,
wie Überschall- und/oder
Unter schallzyklon-Schwerkraftseparatoren, derart, daß ein Synergieeffekt
zwischen der Leistung der Gaskühlvorrichtung,
wie einem Zyklon-Trägheitsseparator,
und dem LTX-Trenngefäß erzielt
wird.
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Es
ist ein weiteres Ziel, eine hybride, mehrstufige Fluidtrennvorrichtung
zu schaffen, die kompakter als eine Kombination aus einer Gaskühlvorrichtung,
wie einen Zyklon-Schwerkraftseparator, und einem konventionellen
LTX-Gefäß ist.
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Es
ist ein weiteres Ziel, eine hybride, mehrstufige Fluidtrennvorrichtung
zu schaffen, bei welcher eine Vielzahl von Gaskühlvorrichtungen, wie Zyklon-Schwerkraftseparatoren,
an ein einziges kompaktes LTX-Gefäß über relativ kurze Fluidauslaßleitungen
für verflüssigtes
und/oder kondensatangereichertes Fluid angeschlossen werden können, derart, daß die Gefahr
von Feststoff-, Wachs- und/oder Hydratablagerungen in diesen sekundären Auslaßleitungen
minimiert wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß der Erfindung
wird eine mehrstufige Fluidtrennvorrichtung geschaffen, mit
einer
primären
Gaskühlvorrichtung
(1, 31, 61), die einen Auslaß für mit verflüssigtem
und/oder verfestigtem Kondensat angereichertes Fluid aufweist; und
einem
sekundären
Fluidtrenngefäß mit einem
rohrförmigen
Abschnitt, dessen zentrale Achse im wesentlichen vertikale oder
geneigte Orientierung hat, wobei das Gefäß an den Auslaß für kondensatangereichertes
Fluid der primären
Gaskühlvorrichtung
angeschlossen ist, so daß während des
Normalbetriebes des Ge fäßes das
kondensatangereicherte Fluid dazu veranlaßt wird, um die zentrale Achse
des rohrförmigen
Abschnittes des Gefäßes einen
Wirbel zu erzeugen, derart, daß ein
tertiärer
Strom von verflüssigtem
und/oder verfestigtem Kondensat durch Schwerkraft oder Zentrifugalkräfte veranlaßt wird,
in einer Wirbelbewegung entlang der Innenfläche des rohrförmigen Abschnittes
des Gefäßes in Richtung nach
unten in einen an oder nahe dem Boden des Gefäßes vorgesehenen Flüssigkeitssammeltank
zu strömen,
der ein tertiäres
Gemisch von verflüssigtem und/oder
verfestigtem Kondensat sammelt, wobei der Tank mit einer oder mehreren
Heizeinrichtungen zum Erhitzen des tertiären Gemisches, um die Menge
an verfestigtem Kondensat zu reduzieren, und mit einem oder mehreren
Auslässen
zur Abgabe des tertiären
Gemisches aus dem Tank versehen ist, wobei eine Vielzahl von sekundären Fluideinspritzleitungen einer
Vielzahl von primären
Gaskühlvorrichtungen
in regelmäßigen Umfangsabständen mit
dem rohrförmigen
Abschnitt des sekundären
Trenngefäßes verbunden
ist, wobei die Leitungen im Betrieb kondensatangereichertes Fluid
in zumindest teilweise tangentialer Richtung in das Innere des sekundären Trenngefäßes einspritzen.
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Es
wird bevorzugt, daß der
rohrförmige
Abschnitt des sekundären
Trenngefäßes mit
einer tertiären
Gasauslaßleitung
ausgestattet ist, die einen Einlaß aufweist, der an oder nahe
der zentralen Achse des rohrförmigen
Abschnittes liegt, und welcher tertiäre Gasauslaß sich durch ein oberes Ende
des rohrförmigen
Abschnittes des sekundären
Trenngefäßes erstreckt.
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Zweckmäßig hat
das sekundäre
Trenngefäß einen
dom- oder scheibenförmigen
Oberteil, der an der Oberseite des rohrförmigen Abschnittes montiert ist,
und die tertiäre
Gasauslaßleitung
im wesentlichen koaxial zur zentralen Achse des rohrförmigen Abschnittes
angeordnet ist und den Oberteil durchsetzt.
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Vorzugsweise
ist der Auslaß für mit verflüssigtem
und/oder mit verfestigtem Kondensat angereichertes Fluid zumindest
einer primären
Gaskühlvorrichtung
mit einer sekundären
Fluideinspritzleitung verbunden, welche im Betrieb das kondensatangereicherte
Fluid in zumindest teilweise tangentialer Richtung in den rohrförmigen Abschnitt
des sekundären
Trenngefäßes einspritzt.
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Es
wird auch bevorzugt, daß die
zentrale Achse des rohrförmigen
Abschnittes des sekundären Trenngefäßes im wesentlichen
vertikale Orientierung hat und die sekundären Fluideinspritzleitungen
im Betrieb mit verflüssigtem
und/oder mit verfestigtem Kondensat angereichertes Fluid in zumindest
teilweise tangentialer und teilweise nach unten weisender Richtung
in das Innere des sekundären
Trenngefäßes einspritzt.
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Zweckmäßig ist
vorgesehen, daß der
Flüssigkeitssammeltank
durch einen schalenförmigen rohrförmigen unteren
Teil des Zweitstufen-Trenngefäßes gebildet
wird, der im wesentlichen koaxial zur zentralen Achse verläuft und
eine größere Innenweite
als der obere Teil des Gefäßes hat,
und daß ein Wirbelbrecher
im Inneren des sekundären
Trenngefäßes zwischen
dem unteren Ende des rohrförmigen Abschnittes
und dem Flüssigkeitssammeltank
angeordnet ist.
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Die
Vorrichtung kann mit einem oder mehreren Ultraschallschwingungswandlern
ausgestattet sein, um eine oder mehrere Komponenten der Vorrichtung
mit Ultraschallschwingungen mit einer Frequenz zwischen 20 und 200
kHz zu beaufschlagen, wie die sekundären Fluideinspritzrohre und
der Wirbelbrecher, um die Ablagerung von verfestigten Kondensaten,
wie Eis, Wachs und/oder Hydraten, innerhalb der Vorrichtung zu verhindern.
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Der
Flüssigkeitssammeltank
kann mit einem Rost von Heizrohren ausgestattet sein, die so ausgebildet
sind, daß sie
das Flüssigkeits-
und Feststoff-Fluidgemisch im Tank auf eine Temperatur von zumindest
15°C erhitzen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung weist eine oder mehrere primäre Gaskühlvorrichtungen einen Zyklon-Schwerkraftseparator
auf, der eine Expansionsdüse
hat, in welcher das Fluidgemisch durch im wesentlichen isotropische
Expansion auf eine Temperatur unter 0°C gekühlt wird, und in welcher eine
oder mehrere wirbelerzeugende Flügel
dem Fluid eine Wirbelbewegung in einem divergierenden Auslaßabschnitt
auferlegen, der mit einer zentralen Auslaßleitung für primäres kondensatarmes Fluid und
einer äußeren Auslaßleitung
für sekundäres kondensatangereichertes
Fluid versehen ist.
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Zweckmäßig hat
jede primäre
Gaskühlvorrichtung,
wie ein Zyklon-Schwerkraftseparator, eine Expansionsdüse, die
so ausgebildet ist, daß sie
das Fluidgemisch innerhalb der Düse
auf Überschallgeschwindigkeit
beschleunigt, wodurch im Betrieb eine Abkühlung der Temperatur des durch
die Düse
strömenden
Fluids auf unter –20°C erfolgt.
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Die
Fluidtrennvorrichtung gemäß der Erfindung
kann eine Vielzahl von primären
Zyklon-Schwerkraftseparatoren aufweisen, deren Expansionsdüsen im wesentlichen
parallel und gleich beabstandet zur zentralen Achse des rohrförmigen Abschnittes
des sekundären
Trenngefäßes sind,
und von denen die Fluidauslässe
für sekundäres kondensatangereichertes
Fluid mit sekundären
Fluideinspritzleitungen verbunden sind, welche die Wand des rohrförmigen Abschnittes
des sekundären
Trenngefäßes in regelmäßigen Umfangsabständen und
in zumindest teilweise tangentialer Richtung schneiden, wobei die
sekundären
Fluideinspritzleitungen je eine Länge von weniger als 4 Metern
haben.
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Die
Gaskühlvorrichtung
kann Drosseln, wie Joule Thompson-Ventile, aufweisen, in welchen
das Gas beschleunigt und durch Expansion gekühlt wird, derart, daß ein Fluid
erzeugt wird, das mit verflüssigten
und/oder verfestigten Kondensaten angereichert ist, welches nachfolgend
dem sekundären
Fluidtrenngefäß zugeführt wird.
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Die
Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Trennen kondensierbarer
Komponenten aus einem Fluidgemisch in einer mehrstufigen Fluidtrennvorrichtung,
wobei das Verfahren umfaßt:
Einspritzen
des Fluidgemisches in eine primäre
Gaskühlvorrichtung,
in welcher das Fluidgemisch expandiert und gekühlt wird und kondensierbare
Komponenten verflüssigt
und/oder verfestigt und gegebenenfalls von den gasförmigen Komponenten
durch Zentrifugalkraft getrennt werden, wobei ein Strom von kondensatangereicherten
Fluidkomponenten einem sekundären
Fluidauslaß zugeführt wird;
und
Einspritzen des Stromes von kondensatangereicherten Fluidkomponenten
in ein sekundäres
Fluidtrenngefäß mit einem
rohrförmigen
Abschnitt, dessen zentrale Achse im wesentlichen vertikale oder
geneigte Orientierung hat, und in welchem der kondensatangereicherte
Fluidstrom dazu veranlaßt
wird, um die zentrale Achse des rohrförmigen Abschnittes des Gefäßes zu wirbeln,
derart, daß ein
tertiäres
Gemisch von verflüssigten
und/oder verfestigten Kondensaten durch Schwerkraft und Zentrifugalkräfte veranlaßt wird,
in Richtung nach unten entlang der Innenfläche des rohrförmigen Abschnittes
des Gefäßes in einen
Flüssigkeitssammeltank
an oder nahe dem Boden des Gefäßes zu wirbeln,
in welchem Tank das tertiäre
Gemisch von verflüssigten
und/oder verfestigten Kondensaten gesammelt und erhitzt wird, um
die Menge an verfestigten Kondensaten zu redu zieren, und aus welchem
Tank Flüssigkeit und/oder
verfestigte Komponenten durch einen oder mehrere Auslässe ausgetragen
werden; wobei eine Vielzahl von sekundären Fluideinspritzleitungen
einer Vielzahl von primären
Gaskühlvorrichtungen
in regelmäßigen Umfangsabständen mit
dem rohrförmigen
Abschnitt des sekundären
Trenngefäßes verbunden
ist, welche Leitungen kondensatangereichertes Fluid in zumindest
teilweise tangentialer Richtung in das Innere des sekundären Trenngefäßes einspritzen.
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BESCHREIBUNG
VON ZWECKMÄSSIGEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Zweckmäßige Ausführungsformen
einer mehrstufigen Fluidtrennvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
werden detaillierter unter Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen beschrieben,
in denen zeigen:
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1 eine
schematische vertikal getrennte Querschnittansicht eines ersten
zweckmäßigen Ausführungsbeispieles
einer mehrstufigen Fluidtrennvorrichtung gemäß der Erfindung, bei welcher
vier primäre
Zyklon-Schwerkraftseparatoren ein mit Kondensaten angereichertes
Fluidgemisch in ein vertikal orientiertes, rohrförmiges, sekundäres Fluidtrenngefäß abgeben;
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2 eine
Draufsicht der mehrstufigen Fluidtrennvorrichtung nach 1;
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3 eine
schematische vertikal getrennte Querschnittsansicht eines anderen
zweckmäßigen Ausführungsbeispieles
einer mehrstufigen Fluidtrennvorrichtung gemäß der Erfindung, bei welcher zwei
primäre
Zyklon-Schwerkraftseparatoren ein kondensatangereichertes Fluidgemisch
in ein horizontal orientiertes, sekundäres Fluidtrenngefäß abgeben;
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4 eine
horizontale Querschnittsansicht der mehrstufigen Fluidtrennvorrichtung
nach 3, quer durch die primären Zyklon-Schwerkraftseparatoren
und von oben gesehen;
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5 ein
schematischer horizontaler Querschnitt einer vereinfachten mehrstufigen
Fluidtrennvorrichtung, bei welcher die primären Gaskühlvorrichtungen aus Drosseln
bestehen, die als Joule Thompson-Ventile bekannt sind; und
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6 eine
schematische vertikale Querschnittsansicht der Vorrichtung nach 5.
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Unter
Bezugnahme auf 1 ist in dieser ein primärer Zyklon-Schwerkraftseparator 1 gezeigt,
der mit einem sekundären
LTX-Fluidtrenngefäß 2 durch eine
Leitung 3 für
sekundäres
kondensatangereichertes Fluid verbunden ist.
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Der
primäre
Zyklon-Schwerkraftseparator 1 umfaßt einen Fluideinlaß 4,
der mit einem Bohrlochkopf (nicht gezeigt) eines Erdgasförderschachtes über ein
Gemisch von Erdgas, Wasserdämpfen,
Kondensaten, Hydraten und anderen kondensierbaren Komponenten gefördert wird.
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Das
Fluidgemisch, das in den primären
Separator 1 strömt,
wird zuerst in einer Düse 5 auf
eine hohe, vorzugsweise Überschallgeschwindigkeit
beschleunigt und dadurch abgekühlt,
vorzugsweise auf eine Temperatur unter –20°C, derart, daß der Wasserdampf
und/oder andere kondensierbare Komponenten infolge der adiabatischen
Expansion kondensieren und/oder verfestigen, und nachfolgend durch einen
geneigten Flügel 6 in
eine Wirbelbewegung versetzt werden, so daß das gekühlte Fluidgemisch durch Zentrifugalkräfte in einen
zentralen Strom von kondensatarmem Erdgas und einen ringförmigen äußeren Strom
von kondensatangereichertem Fluid getrennt wird.
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Der
zentrale Strom von kondensatarmem Erdgas wird durch einen zentralen
primären
Auslaß 7 für kondensatarmes
Fluid in eine Gasverteilleitung abgegeben (nicht gezeigt), und der
ringförmige äußere Strom
von kondensatangereichertem Fluid wird durch eine ringförmige Fluidauslaßkammer 8 für kondensatangereichertes
Fluid in die sekundäre
Einspritzleitung 3 für
kondensatangereichertes Fluid abgegeben, wie dies durch den Pfeil 9 angedeutet
ist.
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Die
Fluideinspritzleitung 3 für kondensatangereichertes Fluid
speist das kondensatangereicherte Fluid in einen vertikalen Abschnitt 10 des
sekundären
LTX-Fluidtrenngefäßes 2 zur
weiteren Trennung in im wesentlichen trockenes Gas, Wasser und verflüssigte Kohlenwasserstoffe
und Hydrate.
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Wie
in 2 gezeigt, speist eine Reihe von vier primären Schwerkraftseparatoren 1, 1B, 1C und 1C kondensatangereichertes
Fluid tangential in den vertikalen rohrförmigen Abschnitt 10 des
sekundären LTX-Trenngefäßes 2 über eine
Reihe von vier Fluideinspritzleitungen 3, 3B, 3C und 3D für kondensatangereichertes
Fluid.
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In 1 sind
schematisch eine vertikal geteilte Querschnittsansicht des ersten
primären Schwerkraftseparators 1 und
des sekundären LTX-Trenngefäßes 2,
sowie die Konturen von drei primären
Schwerkraftseparatoren 1B, 1C und 1D,
die strichliert dargestellt sind, gezeigt.
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Wie
in 1 dargestellt, weist das sekundäre LTX-Trenngefäß 2 unterhalb
des vertikalen rohrförmigen
Abschnittes 10 einen Bodenabschnitt 11 größeren Durchmessers
auf, in welchem ein tertiärerer
Strom von Flüssigkeiten
gesammelt und weiter getrennt wird, einen Wirbelbrecher 12,
der zwischen dem rohrförmigen
Abschnitt und dem Bodenabschnitt 10 bzw. 11 angeordnet ist,
und einen domförmigen
Oberteil 13, durch welchen sich eine tertiäre Gasauslaßleitung 14 in
den rohrförmigen
Abschnitt 10 erstreckt.
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Der
Einlaß 15 der
tertiären
Gasauslaßleitung 14 ist
unterhalb des Niveaus angeordnet, auf welchem die Einlaßleitung 3 für kondensatangereichertes
Fluid in den rohrförmigen
Abschnitt 10 des sekundären
Trenngefäßes 2 mündet.
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Das
Fluid, das über
die tangentialen Fluideinspritzleitungen 3 in den rohrförmigen Abschnitt 10 eingespritzt
wird, zirkuliert von oben gesehen im Gegenuhrzeigersinn entlang
der Innenwand des rohrförmigen
Abschnittes 10, wie dies durch Pfeile 17 angedeutet
ist. Ein tertiärer
Strom von flüssigen und/oder
festen Komponenten wird am äußeren Umfang
des Inneren des rohrförmigen
Abschnittes 10 konzentriert und wird infolge Gravitation
durch den ringförmigen
Spalt 16 entlang des Außenumfanges des Wirbelbrechers 12 in
den Flüssigkeitssammeltank 19 innerhalb
des Bodenabschnittes 11 großen Durchmessers des sekundären Fluidtrenngefäßes 2 fallen.
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Gasförmige Komponenten
geringer Dichte des Fluidgemisches, die über die tangentialen Fluideinspritzleitungen 3, 3B, 3C und 3D in
den rohrförmigen
Abschnitt 10 eingespritzt werden, werden nahe der Mitte
des rohrförmigen
Abschnittes 10 konzentriert und nach oben in den tertiären Gasauslaß 14 strömen. Die
Anordnung des Einlasses 15 des tertiären Gasauslasses 14 unterhalb
des Niveaus, auf welchem die tangentialen Fluidleitungen 3, 3B, 3C und 3D das
Fluid in den rohrförmigen
Abschnitt 10 einspritzen, wird allgemein dazu führen, daß die gasförmigen Komponenten
in einem Wirbelstrom 18 in von oben gesehen entgegengesetzter
Richtung im Uhrzeigersinn verwirbelt werden. Der im Uhrzeigersinn
zirkulierende Wirbelstrom 18 aus im wesentlichen trockenem
Gas, das infolge des Hirsch-Rankin-Effekts in Richtung entgegengesetzt
zum äußeren Strom 17 aus
Kondensaten strömt,
verstärkt
das Trennen des trockenen Gases von den flüssigen und/oder festen Komponenten.
Der Wirbelbrecher 12 hat konische Gestalt, und die Oberseite
des Wirbelbrechers 12 wirkt als Wirbelsucher für das Rotieren des
zentralen Wirbelstromes 18 aus trockenem Gas im Uhrzeigersinn.
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Der
rohrförmige
Abschnitt 10 ist ein im wesentlichen offenes Gefäß ohne Wirbelflügel, um
die Gefahr eines Verlegens und/oder einer Verunreinigung des Inneren
des Gefäßes zu minimieren.
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Der
Flüssigkeitssammeltank 19 ist
mit Heizwendeln 20 ausgestattet, welche die gesammelten
flüssigen
und festen Komponenten im wesentlichen auf einer konstanten Temperatur
zwischen 15°C
und 25°C
halten. Bei dieser Temperatur schmelzen Wachse und Hydrate und schwimmen oberhalb
des Wassers in dem Flüssigkeitssammeltank
derart, daß eine
obere Schicht 21 aus Wachs, Hydraten, Kondensaten und anderen
Kohlenwasserstoff-Flüssigkeiten
auf einer unteren Schicht 22 aus Wasser schwimmt.
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Wasser
(H2O) wird über eine Wasseraustragleitung 23 vom
Boden des Flüssigkeitssammeltanks 19 ausgetragen,
wogegen das Gemisch aus Wachs, Hydraten, Kondensaten und anderen
Kohlenwasserstoffen über
den oberen Rand 24 des Flüssigkeitssammeltanks 19 in
eine ringförmige
Kohlenwasserstoff-Flüssigkeiten-Sammelzone 25 strömt, die
mit einer Kohlenwasserstoff-Flüssigkeiten-Austragleitung 26 ausgestattet
ist. Die Wasseraustragleitung 23 ist mit einem Ventil (nicht
gezeigt) ausgestattet, welches derart gesteuert wird, daß die Wasser/Kohlenwasserstoff-Flüssigkeiten-Schnittstelle 27 auf
im wesentlichen konstantem Niveau gehalten wird.
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Wahlweise
werden der Wirbelbrecher 12 und die Wände des vertikalen rohrförmigen Abschnittes 10 des
sekundären
Trenngefäßes 2 und
der Leitungen 3, 3B, 3C und 3D erhitzt
und/oder mit Ultraschallschwingungswandlern (nicht gezeigt) ausgestattet, um
die Ablagerung von Wachs, Rückständen und Hydraten
und anderen Verunreinigungen an diesen Komponenten zu verhindern.
Die Ultraschallschwingungswandler versetzen vorzugsweise die Wände dieser
verschmutzungssensitiven Komponenten in Vibration mit einer Frequenz
zwischen 20 und 200 kHz, um jegliche Ablagerungen abzuschütteln.
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Die
kompakte Ausbildung der mehrstufigen Trennvorrichtung gemäß der Erfindung
macht sie zur Verwendung auf Offshore-Plattformen, wo der Deckraum
begrenzt ist, sehr geeignet, und das Vorhandensein von kleinen Oberflächenzonen
innerhalb der kurzen Leitungen 3, 3B, 3C und 3D und
innerhalb des sekundären
Trenngefäßes 2,
welche anfällig
für Verschmutzung
sind und erhitzt sowie vibriert werden können, um jegliche Ablagerungen
zu entfernen, gestattet die Verwendung von primären Zyklonseparatoren, in denen
das feuchte Gas adiabatisch auf eine sehr niedrige Temperatur abgekühlt wird,
die unterhalb –20°C oder sogar
unterhalb –40°C liegen
kann, derart, daß eine
maximale Menge an Wasser, Hydraten, Wachsen und/oder anderen kondensierbaren und/oder
verfestigbaren Komponenten kondensieren und/oder verfestigen kann,
ohne die zugeordneten Umfangsleitungen 3, 3B, 3C und 3D sowie
das sekundäre
LTX-Trenngefäß 2 zu
verlegen.
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In
den 3 und 4 ist ein andere geeignete Ausbildung
einer mehrstufigen Fluidtrennvorrichtung gemäß der Erfindung gezeigt, bei
welcher zwei primäre
Zyklon-Schwerkraftseparatoren 31 und 31A ein kondensatangereichertes
Fluidgemisch über Leitungen 33 und 33A tangential
in einem vertikalen rohrförmigen oberen
Abschnitt 30 eines sekundären LTX-Fluidtrenngefäßes 32 austragen.
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Die
beiden primären
Zyklon-Schwerkraftseparatoren 31 und 31A haben
horizontale Orientierung, sind aber ansonsten ähnlich den in den 1 und 2 gezeigten
primären
Zyklon-Schwerkraftseparatoren 1-1D und umfassen auch einen
Naßgaseinlaß 34,
eine Düse 35, 35A,
in welche der Naßerdgasstrom
auf vorzugsweise Überschallgeschwindigkeit
oder eine Geschwindigkeit nahe Überschallgeschwindigkeit
beschleunigt und dadurch adiabatisch auf –20°C bis –40°C gekühlt wird, derart, daß Wasser und
andere kondensierbare und/oder verfestigbare Komponenten kondensieren
und/oder verfestigen, und das gekühlte Fluidgemisch durch eine
oder mehrere wirbelerzeugende Flügel 36, 36A verwirbelt
wird und durch zentrifugale Schwerkraft in einen zentralen Strom
aus im wesentlichen trockenem Gas, der durch einen zentralen Gasauslaß 37, 37A ausgetragen
wird, und einen ringförmigen
Strom kondensatangereicherten Fluids getrennt wird, der über eine ringförmige Sammelzone 38, 38A in
die Leitungen 33 und 33A abgegeben wird.
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Das
sekundäre
LTX-Trenngefäß 32 umfaßt unterhalb
des vertikalen, rohrförmigen
oberen Abschnittes 30 einen langgestreckten, horizontal
orientierten, rohrförmigen
Bodenabschnitt 41, in dem Flüssigkeiten gesammelt und weiter
getrennt werden, einen Wirbelbrecher 42, der zwischen dem
rohrförmigen
oberen Abschnitt 30 und dem unteren Abschnitt 41 angeordnet
ist, und eine domförmige
Kappe 43, durch welche sich eine tertiäre Gasauslaßleitung in den rohrförmigen oberen
Abschnitt 38 erstreckt.
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Der
Einlaß 45 der
tertiären
Gasauslaßleitung 44 ist
unterhalb des Niveaus angeordnet, auf welchem die Einlaßleitungen 33 und 33A für kondensatangereichertes
Fluid in den rohrförmigen
oberen Abschnitt 30 des sekundären Trenngefäßes 32 münden.
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Das über die
tangentialen Fluideinspritzleitungen 33 und 33A in
den rohrförmigen
oberen Abschnitt 30 eingespritzte Fluid zirkuliert von
oben gesehen im Uhrzeigersinn entlang der Innenwand des rohrförmigen oberen
Abschnittes 30, wie dies durch die Pfeile 47 angedeutet
ist. Flüssige
und/oder feste Komponenten konzentrieren sich am Außenumfang des
Inneren des rohrförmigen
Abschnittes 30 und fallen durch Schwerkraft durch den ringförmigen Spalt 46 entlang
des Außenumfanges
des Wirbelbrechers 42 in einen Flüssigkeitssammeltank 49 innerhalb
des langgestreckten rohrförmigen
Bodenabschnittes des sekundären
Fluidtrenngefäßes 32.
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Gasförmige Komponenten
niedriger Dichte des Fluidgemisches, welches über die tangentialen Fluideinspritzleitungen 33 und 33A in
den rohrförmigen
oberen Abschnitt 30 eingespritzt wird, werden nahe der
Mitte des rohrförmigen
oberen Abschnittes 30 konzentriert und nach oben in den
tertiären
Gasauslaß 44 strömen. Die
Anordnung des Einlasses 45 des tertiären Gasauslasses 44 unterhalb
des Niveaus, auf welchem die tangentialen Fluideinspritzleitungen 44 das
Fluid in den rohrförmigen
oberen Abschnitt 30 einspritzen, erzeugt im allgemeinen eine
Verwirbelung der gasförmigen
Komponenten in Form eines Wirbelstromes 48 im Gegenuhrzeigersinn
von oben gesehen. Der im Gegenuhrzeigersinn zirkulierende Wirbelstrom 48 aus
im wesentlichen trockenem Gas, der in Richtung entgegengesetzt zum äußeren Strom 47 der
Kondensate strömt,
begünstigt
die Trennung des trockenen Gases von den flüssigen und/oder festigen Komponenten.
Der Wirbelbrecher 42 hat konische Gestalt, und die Oberseite
des Wirbelbrechers 42 wirkt als Wirbelsucher für den im
Gegenuhrzeigersinn rotierenden Wirbelstrom 48 aus trockenem
Gas.
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Der
Flüssigkeitssammeltank 49 ist
mit Heizspulen 50 ausgestattet, welche die gesammelten flüssigen und
festen Komponenten bei im wesentlichen konstanter Temperatur zwischen
15°C und 45°C halten.
Bei dieser Temperatur schmelzen Wachse und Hydrate und schwimmen
oberhalb des Wassers in dem Flüssigkeitssammeltank
nach oben, derart, daß eine
obere Schicht 51 aus Wachs, Hydraten, Kondensaten und anderen
Kohlenwasserstoff-Flüssigkeiten
auf einer unteren Schicht 52 aus Wasser schwimmt. Die schaumige
obere Lage 51 minimiert auch die Verdampfung der flüssigen Kohlenwasserstoffe
und hält
deshalb den Kohlenwasserstofftaupunkt im oberen Teil des Inneren
des LTX-Gefäßes 2 auf
einem niedrigen Wert.
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Wasser
(H2O) wird über eine Wasseraustragleitung 53 vom
Boden des Flüssigkeitssammeltanks 49 ausgetragen,
wogegen das Gemisch aus Wachs, Hydraten, Kondensaten und anderen
Kohlenwasserstoffen über
den oberen Rand 54 der Trennwand 58 auf der rechten
Seite des Flüssigkeitssammeltanks 49 in
eine Kohlenwasserstoff-Flüssigkeiten-Sammelzone 55 strömt, die
mit einer Kohlenwasserstoff-Flüssigkeiten-Austragleitung 56 ausgestattet
ist. Die Wasseraustragleitung 53 ist mit einem Ventil (nicht gezeigt)
versehen, welches derart gesteuert wird, daß die Wasser/Kohlenwasserstoff-Flüssigkeiten-Schnittstelle 57 auf
im wesentlichen konstantem Niveau gehalten wird.
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Wahlweise
werden der Wirbelbrecher 42 und die Wände des vertikalen, rohrförmigen oberen
Abschnittes 30 des sekundären Trenngefäßes 32 und die
Leitungen 33 und 33A erhitzt und/oder mit Ultraschallschwingungswandlern
ausgestattet (nicht gezeigt), um die Ablagerung von Wachs, Verunreinigungen
und Hydraten und anderen Rückständen an
diesen Komponenten zu verhindern. Die Ultraschallschwingungswandler
vibrieren die Wände
dieser verschmutzungssensitiven Komponenten mit einer Frequenz zwischen
20 und 200 kHz, um jegliche Verschmutzung abzuschütteln.
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Das
große
Volumen und die horizontale Oberflächenzone des Flüssigkeitssammeltank 49 erleichtern
niedrige Flüssigkeitsgeschwindigkeit
des abgetrennten Wassers und der verflüssigten Kohlenwasserstoffkomponenten
derart, daß eine
optimale Schwerkrafttrennung der wäßrigen und Kohlenwasserstoff-Phasen
innerhalb des Tanks 49 stattfinden kann.
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Es
versteht sich, daß die
Trennwand 58 von dem rohrförmigen Bodenabschnitt 41 des
Gefäßes 32 entfernt
und der Kohlenwasserstoff-Flüssigkeitsauslaß 56 durch
die Seitenwand des rohrförmigen Bodenabschnittes 41 unmittelbar
unterhalb der oberen Fläche
der schaumigen oberen Schicht 51 aus Kohlenwasserstoff-Flüssigkeiten
geführt
werden kann.
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Unter
Bezugnahme auf die 5 und 6 ist ein
Satz von vier primären
Kühlvorrichtungen 61, 61B, 61C und 61D gezeigt,
die an das sekundäre LTX-Fluidtrenngefäß 62 über einen
Satz von vier tangentialen sekundären Einspritzleitungen 63, 63B, 63C und 63D für kondensatangereichertes
Fluid angeschlossen sind.
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Jede
primäre
Kühlvorrichtung
weist einen Fluideinlaß 64 auf,
der mit dem Kopf (nicht gezeigt) des Erdgasförderschachtes, über welches
ein Gemisch aus Erdgas, Wasserdampf, Kondensaten, Hydraten und anderen
kondensierbaren Komponenten gefördert
wird, angeschlossen ist.
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Das
Fluidgemisch, das in jede primäre
Kühlvorrichtung 61, 61B, 61C und 61D strömt, wird
auf eine hohe Geschwindigkeit, vorzugsweise Überschallgeschwindigkeit, in
einer Strömungsverengung 65,
wie einer Venturi-Düse,
einer Drossel, einem Joule Thompson-Ventil, beschleunigt und dadurch abgekühlt, vorzugs weise
auf eine Temperatur unter –20°C, derart,
daß der
Wasserdampf und/oder andere kondensierbare Stoffe infolge der adiabatischen Expansion
kondensieren und/oder verfestigen, worauf ein mit verflüssigten
und/oder verfestigten Kondensaten angereichertes Fluidgemisch in
den schmalen sekundären
Fluideinspritzleitungen 63, 63B, 63C und 63D strömt.
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Jede
Einspritzleitung 63, 63B, 63C und 63D für kondensatangereichertes
Fluid speist mit hoher Geschwindigkeit das verflüssigte und/oder verfestigte
kondensatangereicherte Fluid in den vertikalen Abschnitt 70 des
zweiten LTX-Fluidtrenngefäßes 62 zur
Trennung im wesentlichen in Trockengas, Wasser und verflüssigte Kohlenwasserstoffe
und Hydrate.
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Wie 5 zeigt,
speist eine Reihe von vier primären
Schwerkraftseparatoren 61, 61B, 61C und 61D ein
mit verflüssigten
und/oder verfestigten Stoffen angereichertes Fluidgemisch tangential
in den vertikalen rohrförmigen
Abschnitt 70 des sekundären LTX-Trenngefäßes 62 über eine
Reihe von vier Einspritzleitungen 63, 63B, 63D und 63D für kondensatangereichertes
Fluid.
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6 zeigt
schematisch den vertikalen Querschnitt des primären Schwerkraftseparators 61 und 61C und
des sekundären
LTX-Trenngefäßes 62.
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Wie 6 zeigt,
weist das sekundäre LTX-Trenngefäß 62 unterhalb
des vertikalen rohrförmigen
Abschnittes 70 einen Bodenabschnitt 71 auf, in
dem ein tertiärer
Strom von Flüssigkeiten
gesammelt und weiter getrennt wird, einen Wirbelbrecher 72,
der zwischen dem rohrförmigen
Abschnitt 70 und dem Bodenabschnitt 71 angeordnet
ist, und einen domförmigen
Oberteil 73, durch welchen sich eine tertiäre Gasauslaßleitung 74 in
den rohrförmigen
Abschnitt 70 erstreckt.
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Der
Einlaß 75 der
tertiären
Gasauslaßleitung 74 liegt
unterhalb des Niveaus, auf welchem die Einlaßleitungen 63, 63A, 63B und 63C für kondensatangereichertes
Fluid in den ringförmigen
Abschnitt 70 des sekundären
Trenngefäßes 62 münden.
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Das über die
tangentialen Fluideinspritzleitungen 63 in den rohrförmigen Abschnitt 70 eingespritzte
Fluid zirkuliert von oben gesehen im Gegenuhrzeigersinn entlang
der Innenwand des rohrförmigen
Abschnittes 70, wie durch die Pfeile 77 angedeutet.
Ein tertiärer
Strom von flüssigen
und/oder festen Komponenten wird am Außenumfang des Inneren des rohrförmigen Abschnittes 70 konzentriert
und fällt
infolge Gravitation durch den ringförmigen Spalt 76 entlang
des Außenumfanges
des Wirbelbrechers 72 in den Flüssigkeitssammeltank 79 innerhalb
des Bodenabschnittes 71 des sekundären Fluidtrenngefäßes 62.
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Gasförmige Komponenten
niedriger Dichte, wie Methan (CH4) etc.,
des über
die tangentialen Fluideinspritzleitungen 63, 63B, 63C und 63D in
den rohrförmigen
Abschnitt 70 eingespritzten Fluidgemisches werden nahe
der Mitte des rohrförmigen
Abschnittes 70 konzentriert und nach oben in den tertiären Gasauslaß 74 strömen. Die
Anordnung des Einlasses 75 des tertiären Gasauslasses 74 unterhalb des
Niveaus, auf welchem die tangentialen Fluideinspritzleitungen 63, 63B, 63C und 63D das
Fluid in den rohrförmigen
Abschnitt 70 einspritzen, versetzt im allgemeinen die gasförmigen Komponenten
in eine Wirbelbewegung als Wirbelstrom 78, der von oben
gesehen im Uhrzeigersinn strömt.
Der im Uhrzeigersinn zirkulierende Wirbelstrom 78 aus im
wesentlichen trockenem Gas, der infolge des Hirsch-Rankin-Effektes
in einer Richtung entgegengesetzt zum äußeren Strom 77 aus
Kondensaten strömt,
begünstigt
ferner die Trennung des trockenen Gases von den flüssigen und/oder
festen Komponenten. Der Wirbelbrecher 72 hat konische Gestalt,
und die Oberseite des Wirbelbrechers 72 wirkt als Wirbelsucher
für den
im Uhrzeigersinn rotierenden zentralen Wirbelstrom 78 aus
trockenem Gas.
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Der
Bodenabschnitt 71 des Gefäßes 62 ist mit Heizspulen 80 ausgestattet,
welche die gesammelten flüssigen
und festen Komponenten im wesentlichen auf eine Temperatur zwischen
15°C und 25°C halten.
Bei dieser Temperatur werden Wachse und Hydrate schmelzen und oberhalb
des Wassers in dem Flüssigkeitssammeltank
schwimmen, derart, daß eine
obere Lage 81 aus Wachs, Hydraten, Kondensaten und anderen
Kohlenwasserstoff-Flüssigkeiten
(CxHy) über einer
unteren Lage 82 aus Wasser schwimmt.
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Wasser
(H2O) wird durch eine Wasseraustragleitung 64 an
der Unterseite des Gefäßes 62 ausgetragen,
wogegen das Gemisch aus Wachs, Hydraten, Kondensaten und anderen
Kohlenwasserstoffen (CxHy) über eine
zentrale Kohlenwasserstoff-Flüüsigkeiten-Austragleitung 83 ausgetragen
wird. Die Austragleitungen 83 und 84 können mit
Ventilen (nicht gezeigt) ausgestattet sein, die so gesteuert werden können, daß die Schnittstelle 87 für Wasser/Kohlenwasserstoff-Flüssigkeiten
auf im wesentlichen konstantem Niveau gehalten wird.
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Falls
erwünscht,
können
Wasser und Kohlenwasserstoffe aus dem Gefäß 62 über einen
einzigen Flüssigkeitsauslaß am Boden
des Gefäßes 62 zur
weiteren Trennung in einer Trenneinheit (nicht gezeigt) stromabwärts des
Gefäßes 62 ausgetragen werden.
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Gegebenenfalls
werden der Wirbelbrecher 72 und die Wände des vertikalen rohrförmigen Abschnittes 70 des
sekundären
Trenngefäßes 62 und die
Leitungen 63, 63B, 63C und 63D erhitzt
und/oder mit Ultraschallschwingungswandlern (nicht gezeigt) ausgestattet,
um die Ablagerung von Wachs, Rückständen und
Hydraten und anderen Verunreinigungen an diesen Komponenten zu verhindern.
Die Ultraschallschwingungswandler versetzen die Wände dieser
verschmutzungssensitiven Komponenten vorzugsweise mit einer Frequenz
zwischen 20 und 200 kHz in Schwingung, um jede Verunreinigung abzuschütteln.
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Die
mehrstufige Trennvorrichtung gemäß der Erfindung
eignet sich auch zum Trennen von festen Teilchen aus einem gasförmigen Fluidstrom.
In den Gaskühlvorrichtungen
werden die festen Teilchen als Quelle von Kernen dienen, die das
Wachstum von Tröpfchen
von verflüssigten
Kondensaten begünstigen.
Die festen Teilchen strömen
gemeinsam mit den verflüssigten
Kondensaten in den Flüssigkeitssammeltank
des sekundären
Fluidtrenngefäßes und
werden dadurch aus dem tertiären
Strom an Kondensaten verarmten, im wesentlichen trockenem Gas getrennt,
d.h. von der Oberseite des sekundären Fluidtrenngefäßes abgegeben.