Introduksjon til gass

Introduksjon til gass-væske
separasjon
TEKNA separasjonsseminar 2009
Richard Arntzen, STN
© Shell 2009
Innhold
•
•
•
•
•
•
•
•
Introduksjon
Grensebetingelser
Designfilosofi
Designmetodikk
Innmat og –valg. Prosesstusser.
Instrumentering
Vanligste feilmodi
Oppsummering
2
Introduksjon
Denne innledende presentasjonen er ment som en oversikt/
oppsummering av de ulike valgene som typisk gjøres i
prosessdesignet av en konvensjonell gass-væske
separator.
Så langt det er praktisk mulig er det søkt unngått firmaspesifikke krav og filosofier, men i praksis har de fleste
større aktører noenlunde sammenfallende oppfatninger av
hva som er fornuftig – i hvert fall på det overfladiske planet
denne presentasjonen beveger seg i.
3
Grensebetingelser
• Sikkerhet
– Eksternt og internt miljø
– Designtrykk, temperatur
– Materialvalg
• Fødebetingelser
– Gass eller
væskedominert
– Flerfaseregime
– Transienter
• Nedstrøms utstyr
– Krav til utløpskvalitet
– Krav til buffervolum
– Kontroll/responstider
• Kunde og lokasjon
– Regionale/nasjonale
standarder
– Kundespesifikke krav
4
Designfilosofi
1. Transformér innkommende impuls til
tilnærmet respektive gjennomsnittsimpulser (så fort som mulig)
2. Beskytt separerte bulkfaser mot
opprivning/innblanding av fremmed
fase. Unngå skumdannelse!
3. Demisting:
• Dann en væskefilm (dråpekoalesens/aggregering)
• Beskytt denne mot oppriving
• Drener den til væske bulkfase
Bilde © Wikipedia
5
Designmetodikk
Horisontal
Endeinnløp
Gas dominated
Horisontal
senterinnløp
Vertikal
Liquid dominated
Gjett diameter og lengde
Bestem diameter
HP: beregn veggtykkelse
HP: beregn veggtykkelse
Bestem væskenivå + slugvolum + Gass k-faktor
Bestem væskenivå + slugvolum + Gass k-faktor
Bestem størrelse på
stusser og velg internals
Bestem størrelse på
stusser og velg internals
Bestem høyde
Prosess
Design
ferdig
6
Innmat og –valg: innløp
•
Innløpet er (sannsynligvis) det viktigste av all innmat. Her kan man gjøre mye
riktig, og mye galt.
•
Innløpet og omliggende strømningssoner er det eneste stedet det er (kinetisk)
energi av noenlunde størrelse, og også stedet der det er mest flerfasekarakter.
– Derfor er innløpet stedet der design har mest å si (sammen oppstrøms
rørføring).
– Energien må dissiperes forsiktig, eller kan til og med brukes konstruktivt
(mer avansert).
Enkle innløp: ‘ingenting’ (hull i veggen), ‘half-pipe’, momentbryter, pallringboks.
Mer avanserte innløp har ledeskovl-arrangementer (eks. Schoepentoeter™
og varianter av dette).
Innløp som benytter rotasjon: innløpssykloner, Spinlet™ (beveger seg mot sk.
kompakte design).
•
•
•
•
I en horisontal tank bør man ha strømningsrettere umiddelbart etter innløpet.
Schoepentoeter er registrert varemerke av Shell, Spinlet er registrert varemerke av StatoilHydro
7
Et knippe innløp
Bilder (med tillatelse) © Sulzer
Chemtech, FMC Technologies, Aker
solutions ASA, Bismo
8
Demisting (tåkefjerning?)
• Innløpets fokus bør være primært å unngå
skumming, sekundært å få så lite væske i
gassen som mulig.
– Det er mye vanskeligere å håndtere skum
enn tåke etterpå (du trenger energi som
du i utgangspunktet ikke har til
skumdreping).
– Det finnes flere typer innmat som er
utmerket på gassrensing (tåkefjerning).
– Merk at innmat som krever lukket drenasje
(altså har et signifikant internt trykkfall; stort
sett sykloner men også til en viss grad vane
packs) må ha nok statisk høyde til
væskefasen, så man unngår reversering av
strømningen i drenasjerøret.
– Dette kan være vanskelig å få til i
horisontale tanker (vertikal plassmangel)
9
Innmat: mesh pad
•
•
•
•
•
•
Strikket (som oftest) ståltråd legges
lagvis i en matte som fanger dråper
i gassen.
Utmerket for lave gasslaster (kfaktor).
Ved for høy k-faktor dras væsken
gjennom matten, og den fungerer
da som en koalescer, og kan også
forbedre strømningsbildet til neste
trinn.
Ved alt for høy k-faktor gjør den lite
nytte, men heller ikke mye skade.
Kan ha problemer med
forurensinger, spesielt i tungoljeapplikasjoner (asfaltener,
naftenater, faste partikler).
Det finnes mesh pads i en rekke
materialer, trådtykkelser,
maskevidder, mattetykkelser etc.
Mistmat
36
10
Innmat: vane pack (ledeskovlpakke?)
• Parallelle kanaler legges ved siden
av hverandre med vinkler
• Retningsforandringene i vinklene
fører til at væske avsettes langs
‘yttervegg’.
• Etter hver vinkel søkes væskefilmen
drenert inn i et volum som er
skjermet fra hoved(gass)strømmen.
• Det finnes et utall varianter med
forskjellig kapasitet for gass og
væske; ‘single’ og ‘double pocket’,
forskjellig kanalbredde, ulike
vinkler, -dreneringskapasitet etc.
Bilde (med tillatelse)
© Aker
Solutions ASA
11
Innmat: demister-sykloner (aksiale)
• En ledeskovlseksjon setter
gass-strømmen i spinn
• Væsken slås ut på veggen og
dreneres gjennom utsparringer
her
• Det finnes flere leverandører,
med ulike varianter.
– Utforming av ledeskovler, utsparringer, med og uten
resirkulering av gass samt
utformingen av denne etc.
Bilder © Natco Norway,
FMC Technologies (med tillatelse)
12
Prosesstusser (med tilhørende opp- og
nedstrøms rørføring)
For separasjonsdesignets del er innløpsstussen sentral i å sette opp
hastigheten (og dermed kinetisk energi) inn i innløpet.
Det er vanlig å kreve rettstrekk oppstrøms innløpsstussen, i samme
diameter som innløpsstussen, typisk 10xID.
Dette er for å fjerne det meste av forstyrrelser på strømningen. Typisk
er at etter en vesentlig endring (ventil, ekspansjon etc.) vil trykkustabiliteter (store fluktuasjoner, koking etc.) dempes etter ca. 3xID,
og små fluktuasjoner (bølger, lavfrekevente svigninger) noe senere.
Det er videre overraskende vanlig at piping ikke tar hensyn til disse
kravene, og har alt for korte rettstrekk, gjerne også med mindre
diameter. Dette vil som oftest gi nedsatt ytelse, noen ganger sterkt
nedsatt ytelse (noe avhengig av valgt innløp samt enkelte andre valg).
Så sjekk det. Alltid.
Utløpsstusser og nedstrøms rørføring er ikke like kritisk for separatorperformance (dog kan nedstrøms utstyr lide). Sørg for å ha
vortexbreaker på væskeutløpet, og at sugesonene fra stussene ikke
påvirker strømningen i tanken unødig negativt.
13
Instrumentering
Følgende instrumentering er vanlig:
Trykk og temperatur (regulering og alarmer på trykk, kun
alarm på temperatur)
Væskenivå (regulering og alarm)
Vanligste prinsipp for væskenivå er differensialtrykk. I tillegg
har det de siste årene kommet en del varianter av
væskeprofilmålere på markedet, etter ulike prinsipper
(nukleonisk, induktiv, kapasitiv etc.) Disse kan ofte gi nyttig
informasjon hvis det er problemer med virkningsgrad.
14
Vanligste feilmodi (OREDA 2002)
Hva feiler en scrubber oftest? (per rapportert feil)
Nivåinstrumentering: 51.56%
Ventiler: 20.31%
Trykkmålere: 8.33%
Ukjent: 5.21%
Trykktank mekanisk: 4.17%
Resten av registrerte feilkilder 2.08% og lavere.
Det hører med til bildet at instrumentfeil som regel er mindre alvorlige enn
mekanisk feil ved trykktanken. Og hvorvidt carry-over av skum til
kompressor skal ansees som en feil på nivåmåleren eller en feil på
designet kan noen ganger være vanskelig å si. Carry-over til
kompressor er også mindre alvorlig enn gasslekkasje på dekk. Uansett:
hvis det går an er det lov til å prøve å hjelpe nivåmåleren I
prosessdesignet, og også tenke redundans her.
15
Oppsummering
Design i forhold til grensebetingelsene.
Sørg for at oppstrøms piping matcher krav (størrelse,
rettstrekk): det som foregår i innløpet er viktig.
Pass på nivå-instrumenteringen.
16
Kildehenvisninger (illustrasjoner)
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c4/Vap-Liq_Separator.png
http://www.sulzerchemtech.com/en/desktopdefault.aspx/tabid-234/289_read-353/
http://www.akersolutions.com/NR/rdonlyres/DF1908C9-9CA5-4397-ACE59C9BABC3CA73/16513/Gsep_2_ill_small.jpg
http://www.fmctechnologies.com/CDSSeparationTechnologies/Publications/InletDevices.aspx
http://www.bismoindustrier.no/nr%2004%20Bergesen%20FPSO%20Inlet%20Cyclone%20no.htm
http://www.akersolutions.com/NR/rdonlyres/F5C18A2A-CDDC-43D0-96FA7ED96A289B16/10204/vanedemister1.gif
http://www.natcogroup.com/bin/webroot/media/general/DCImage.jpg
http://www.fmctechnologies.com/CDSSeparationTechnologies/ProductsAndServices/SpiraFlo
wCyclone.aspx
17
Xtra: K-kaktor (eks. for kule, men er uavhengig
av geometri)
Oppdrift for kule (Newtons 2. lov)
FB
d
6
mg
K-faktor sier ikke “alt”,
spesielt ikke ved høye trykk
(lave overflatespenninger)
3
l
g
g
Drag for kule (etter Rayleigh)
FD
1
2
1
2
2
u
g g CD A
2
u
g g CD
d2
4
Balanserer kreftene og isolerer ug (SoudersBrown)
ug
8 gd
6 CD
l
g
g
K
l
g
g
19