Der Wirbelrohrabscheider ist ein robustes Gerät für die Abkühlung von Gasen. Der Abkühlungsprozess im V(ortex) T(ube) S(eparator) ist eine effizientere Gasentspannung als das Joule Thomson Ventil mit einem nachgeschalteten Flüssigkeitsabscheider. In anderen Worten ausgedrückt, die abgeschiedene Flüssigkeitsmenge ist bedeutend größer als die bei einem Joule Thomson Prozess, oder es wird ein niedrigerer Taupunkt bei gleichem Druckgefälle erreicht.

Der Wirbelrohrabscheider besteht aus einem Doppelmantelrohr, einem Verteilerkopf, Einlaufdüsen und einem Stellkegel. Der VTS hat keine beweglichen Teile und die Wartungsanforderungen sind äußerst gering.

Der Wirbelrohrabscheider basiert im wesentlichen auf folgenden beiden physikalischen Effekten:

• Dem Joule-Thomson-Effekt.
  Der Joule-Thomson-Effekt bewirkt eine Abkühlung des Gases aufgrund isenthalper Drosslung.
  Bei dem Durchströmen der Eingangsdüse wird das Gas adiabat entspannt und kühlt ab. Die Abkühlung ist eine Funktion des Druckverhältnisses, wobei die kälteste Temperatur dort erreicht wird, wo der Druck am niedrigsten ist.
  
• Dem Ranque - Hilsch-Effekt.
  Bei tangentialer Einführung eines Gasstromes durch eine Düse in ein Wirbelrohr erfolgt eine Trennung des Gases von der Flüssigkeit im Gravitationsfeld des Wirbels. Gleichzeitig werden die durch den Ranque - Hilsch-Effekt bewirkten Temperaturveränderungen im Wirbelfeld (die Temperatur verringert sich von der Wand zum Rohrzentrum hin) ausgenutzt, um den Gasstrom zusätzlich zu kühlen und kondensierende Gaskomponenten abzutrennen. Wegen des Temperaturgefälles verschiebt sich die Expansion isenthalpe Drosslung zu einer effizienteren isentropen Expansion.

Bei dem VTS wird das Gas oder die Gasmischung durch die Einlaufdüsen tangential in den Mantelraum eingedüst. In den meisten Fällen, abhängig von dem Druckverhältnis Eingangs- zu Ausgangsdruck, erreicht das Gas beim Entspannen in den VTS fast Schallgeschwindigkeit.

Während der isenthalpen Drosslung des Gases in der Einlaßdüse erfolgt die Kondensation der im Gas gelösten Komponenten. Diese werden durch die im Wirbel auftretenden Zentrifugalkräfte an die Mantelwand geschleudert und durch Auslaßöffnungen in den Kondensatableiter abgeführt.

Nach dem Austritt aus der Entspannungsdüse und der Umlenkung strömt das Gas zunächst in Rohrwandnähe durch das Wirbelrohr (Außenströmung) bis zum Stellkegel, wird umgelenkt und strömt in Achsnähe innerhalb der Außenströmung in entgegengesetzter Richtung zurück. (Innenströmung) Ein Teil der anfänglich hohen Geschwindigkeitsenergie wird wieder in Druck umgewandelt, ein anderer Teil wird durch Dissipation abgebaut. Beide Effekte erhöhen die Gastemperatur. Das Gas erwärmt sich daher bis zum Erreichen des Stellkegels. Dort wird ein Teilgasstrom als sogenannter" Warmgasstrom" abgeführt. Der umgelenkte Innenstrom gibt einen Teil seiner Wärme an die umhüllende, kältere Außenströmung und kühlt sich weiter ab. Die axial austretende Innenströmung wird deshalb als "Kaltstrom" bezeichnet.

Die effektiv abgeschiedene Kondensat- oder NGL-Menge liegt in bezug auf den Gleichgewichtstaupunkt höher als bei einem konventionellen Choke-Ventil, jedoch geringer als bei einem Turbo-Expander.
Der Warmgas- und Kaltgasstrom werden nach dem VTS zusammengeführt, wobei sich entsprechend dem Mengenverhältnis der Einzelströme eine Mischtemperatur einstellt. Diese Mischtemperatur entspricht etwa der Temperatur nach einem herkömmlichen Joule Thomson Ventil.

Potentielle Einsatzmöglichkeiten

Die Haupteinsatzmöglichkeiten des VTS sind die Kohlenwasserstoff -Taupunktabsenkung, Gastrocknung auf Öl- / Gasfeldern, wo typische Joule Thomson Ventile eingesetzt werden und Erdgasspeicher zur H2O- Trocknung, wo ausreichend Druck im System vorhanden ist.

Der VTS kann u.a. für die Kohlenwasserstoff -Taupunktabsenkung von Verkaufsgas- und Heizgassystemen anstelle herkömmlicher Druckreduzier- Regelanlagen eingesetzt werden.

Das p/t Diagramm Abbildung 3 zeigt, im Phasendiagramm die unterschiedlichen Taulinien für einen VTS, Joule Thomson Separator und Turboexpander, wenn unbehandeltes Gas in seinem Kohlenwasserstofftaupunkt gesenkt wird. Die Ausgangsbedingungen und der Druckabfall für jeden Prozeß ist identisch.

Nach den Kurven in Abbildung 3 liegt der Kohlenwasserstofftaupunkt nach einem VTS zwischen dem Joule Thomson- und Turboexpander Prozeß.

Einsatzanforderungen

Drei Hauptkriterien müssen für den Einsatz des VTS erfüllt werden.

• Das Druckverhältnis Eingangs-/Ausgangsdruck sollte mindestens 1.3 betragen. Bei speziellen Anwendungen sind auch kleinere Druckverhältnisse möglich.
  
• Der Gewichtsanteil von freien Flüssigkeiten sollte geringer als 20% sein.
• Das Wirbelrohr muß vor einem großen Anfall von mechanischen Verunreinigungen durch einen Staub-/Zyklonabscheider gschützt werden. Geringe Mengen von Partikeln kleiner 300 Mikron werden mit der Flüssigkeit abgeschieden

Gastrocknung

Der VTS wird schon eingesetzt für die Abscheidung von Kohlenwasserstoffen bei gleichzeitiger H2O -Trocknung. Bei der H2O -Trocknung wird in der Zuleitung zum VTS ein Trocknungsmittel inhibiert. Es wird eine wesentlich geringere Gas-/ Trocknungsmittel Kontakttemperatur erreicht als bei einem konventionellen Absorber, daraus folgt ein günstigeres Absorbtionsgleichgewicht und damit trockneres Gas. Das mit H2O beladene Glykol wird über einen Abscheider der Regeneration und dann wieder dem Prozess zugeführt.

Die bei der H2O -Trocknung mit dem Wirbelrohr benötigte Trocknungsmittelmenge für die Absorption ist um ca. 60 % geringer als bei der herkömmlichen Absorberturmtrocknung. Die Selektiviät des Trocknungsmittels kann je nach Betriebsbedingungen bis auf 80% reduziert werden. Alle nachgeschalteten Komponenten bauen kleiner, und der Energieverbrauch für den Regenerierungsprozess wird erheblich gesenkt.

Installationen des Wirbelrohres

Das Wirbelrohr wird seit März 2001 von der Thyssengas GmbH in der Grosstechnik auf dem Kavernenspeicher in Epe für die Gastrocknung eingesetzt. Die Durchsatzrate beträgt min/max. 20.000 / 140.000 Vnm³/h bei einem Kavernendruck von min/max. 36 / 210barü.