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PROCEDE AMELIORE DE COALESCENCE ELECTRIQUE.
La présente invention est relative à un procédé amélioré de coa- lescence électrique et à l'appareil pour l'emploi de ce procédé. Elle est plus spécialement relative à un procédé et un appareil améliorés pour la rup- ture d'émulsions huileuses, comme, par exemple, des émulsions d'huile aqueu- ses. Une adaptation particulière de la présente invention est relative à un procédé et un appareil perfectionnés pour traiter des huiles hydrocarbonées afin d'en enlever des substances étrangères, telles que, par exemple, pour l'enlèvement de sels contenus dans des courants hydrocarbonés fluides. La présente invention concerne spécialement un procédé'amélioré d'enlèvement électrique de sels, dans lequel l'écoulement du courant de fluides, dont on enlève les sels, est contrôlé d'une manière critique.
Suivant la présente invention, un courant hydrocarboné contenant des sels est traité chimiquement, émulsionné et envoyé dans une zone où il est soumis à l'effet d'un champ élec- trique en vue de sa coagulationo Le courant est enlevé du champ électrique et envoyé dans une zone de décantation séparée.
Il est bien connu dans la pratique que divers pétroles bruts non- tiennent des sels et autres substances nuisibles en concentrations diverses.
Ces sels comprennent le chlorure de magnésium, le chlorure de calcium et le chlorure de sodium. On trouve parmi d'autres métaux présents, le fer, le stron- tium, le potassium et le vanadium. Leurs sels peuvent être présents sous for- me de bromunes, sulfates, carbonates et bicarbonates.
Il est nécessaire que ces sels soient enlevés des matières brutes ou au moins réduits dans une grande mesure, car les gels non seulement provoquent la corrosion de l'ins- tallation de raffinage, mais encore bouchent les appareils, comme, par exem- ple, les échangeurs de chaleur, les condenseurs, etc.,... Bien que le chle- rure de sodium soit présent dans la concentration la plus grande, ce sont le chlorure de sodium et le chlorure de calcium qui provoquent le plus de corrosion et de dommages à l'installation de raffinage et de distillation.
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Il est connu d'enlever ces sels nuisibles par divers procédés.
Un procédé courant utilisé consiste à ajouter de l'eau à Ia ma- tière brute contenant ces sels et à chauffer le mélange jusque'une tempé- rature élevée, telle que, par exemple, jusqu'à environ 300 F. Le courant chauffé est maintenu à une pression élevée de, par exemple, environ 200 livres. Dans une opération d'enlèvement de sels de ce type, en vue d'assu- rer un excellent contact entre l'eau et le sel de la matière brute,'il'est nécessaire de réaliser un mélange complet de l'eau et de l'huile brute, ce qui a pour résultat la formation d'une émulsion de l'huile et de l'eau. Le mélange peut être assuré par tout moyen quelconque, mais il est habituelle- ment réalisé en faisant passer le courant à travers une soupape de réduction de pression.
L'émulsion résultante est habituellement passée à travers un lit de matière donnant la coagulation, qui comporte généralement du sable.
Le courant est ensuite envoyé à une zone de décantation, où l'eau et l'huile se séparent. La phase aqueuse contenant le sel est enlevée à la base de la zone de décantation, tandis que la phase huileuse, qui est habituellement sensiblement débarrassée de sels, est enlevée au sommet de cette zone de dé- cantation. Le degré auquel l'huile est débarrassée des sels est, dans une gran- de mesure, fonction des dimensions de l'installation et de la quantité d'eau utilisée. Habituellement, en vue d'assurer une diminution satisfaisante de la teneur en sels de l'huile, il est nécessaire d'utiliser une cristallisa- tion relativement grande.
Divers procédés électriques ont également été proposés. En géné- ral, ces procédés comprennent une addition d'eau à la matière brute conte- nant des sels, le chauffage du mélange jusqu'à une température d'environ 200 F à une pression d'environ 75 livres, et le passage du courant à travers une soupape de réduction de pression ou autre moyen de mélange pour assurer un mélange approprié, qui a pour résultat, un émulsionnement. L'émulsion est envoyée dans une zone contenant des électrodes qui maintiennent un champ électrique entre elles. Due au champ électrique, une rupture de l'émulsion se produit, ce qui permet à la phase aqueuse de se séparer de la phase hui- leuse. Le sel, dans une grande mesure, s'associe à la phase aqueuse.
Bien que ces procédés soient satisfaisants, il est nécessaire d'utiliser une ins- tallation relativement grande.
Suivant la présente invention, il a maintenant été découvert que des résultats inattendus et avantageux sont assurés en prévoyant que l'epé- ration d'enlèvement électrique des sels soit menée de manière qu'un-courant passe d'abord à travers,une zone électrique dans laquelle il est soumis'aux effets d'un champ électrique, et ensuite envoyé dans une zone de décantation ou de séparation distincte. Des mises en oeuvre préférées de la présente in- , vention sont atteintes en utilisant une série de surfaces parallèles, de pré- férence des surfaces inclinées, à la fois dans la zone électrique et dans- la zone de coalescence
La présente invention peut être facilement comprise en se réfé- rant aux dessins illustrant des réalisations de ladite invention.
La figure 1 illustre une adaptation de l'invention, dans laquel- le la zone électrique et la zone de décantation consistant en deux récipients séparés.
La figure 2 illustre une adaptation de l'invention, dans laquql- le la zone de séparation fait partie intégrante de l'appareil d'enlèvement - des sels et est disposée de telle manière, par rapport à la zone électrique, que 1'émulsion.non brisée tende à revenir vers la.zone électrique.
La figure 3 est une adaptation particulière de 1''invention, si- milaire à la réalisation de la figure 2.
La figure 4 illustre l'opération améliorée d'enlèvement des sels.
La figure 5 montre les électrodes, tandis que la figure 6 montre en détail le type préféré de surfaces de coalescence.
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En se référant spécialement à la figure 1, une huile d'alimenta- tion hydrocarbonée, contenant des sels, est introduite dans le système par une conduite d'alimentation 1. De 1?eau est introduite dans le système par la conduite 2. Le mélange peut contenir tout produit chimique convenable, qui est particulièrement capable de briser une émulsion, en améliorant ain- si les opérations électriques d'enlèvement des sels. Le mélange est chauffé jusqu'à une température élevée et maintenu à une pression élevée également.
Le mélange est envoyé dans une soupape de réduction de pression 3, dans la- quelle la pression est donc réduiteo Ceci forcera l'huile et l'eau à se mé- langer complètement, avec pour résultat la formation d'une émulsion. L'émul- sion est introduite dans une zone électrique 10, qu'elle traverse entre des électrodes espacées 4. Dans le champ électrique, une rupture partielle de l'émulsion a lieu. Une phse riche en huile, qui est formée, est enlevée de la zone 10 par la conduite 5. La phase riche en eau, qui se forme, est évacuée de la zone 10 par la conduite 6.
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Le courant enlevé par la conduite 5 est introduit au sommet de la zone de décantation 20, tandis ue la phase riche en eau, enlevée de la zone 10 par la conduite 6, est introduite au ou près du fond de la zone 20.., Ces courants circulent longitudinalement à travers la zone 20, entre une sé- rie d'éléments 7, de coalescence ou formant chicanes, parallèles, espacés.' Ces éléments formant chicanes ou de coalescence sont légèrement inclinés ' vers le haut dans la direction d'écoulement des courants respectifs, en per- mettant ainsi à toute phase aqueuse qui s'y forme de s'écouler librement vers l'arrière en direction de l'extrémité d'admission de la zone.
Il est préfé- rable que ces éléments de coalescence 7 présentent des rebords ou lèvres 9 qui, dans une grande mesure, empêchent l'écoulement d'eau par-dessus la par- tie ayant des éléments respectifs. Une matière brute, sensiblement exempte d'eau et ayant donc une teneur relativement faible en sel est enlevée de la zone 20 par la conduite 11. La phase aqueuse est évacuée de la zone 20 par la conduite 12 et utilisée suivant les désirs. Suivant une adaptation, particulière de l'invention, toute émulsion non rompue est enlevée d'un point supérieur au fond de la zone 20 par la conduite 13 et recyclée vers la conduite 1 pour tre réintroduite avec l'alimentation dans la zone 10.
En se référant particulièrement à la figure 2, un courant d'hui- le contenant des sels est introduit dans le système par la conduite 21. De l'eau est introduite dans le système par la conduite 22. Le mélange d'huile et d'eau peut contenir un réactif chimique convenable, qui aide à la rup- . ture de 1'émulsion. Le mélange d'huile et d'eau est envoyé dans une soupa- pe de réduction de pression 23, d'une manière similaire à celle décrite en' rapport avec la figure 1.
De mme, d'une manière semblable à celle décrite en rapport avec la figure 1, l'huile est chauffée jusqu'à une température élevée et maintenue à une pression supérieure à la pression atmosphérique'.' Du fait de la chute de pression assurée lorsque l'huile et l'eau passent à travers la soupape 23, un mélange complet de l'eau et de l'huile est réa- lisé, avec, pour résultat, la formation d'une émulsion. Cette émulsion pas- se longitudinalement à travers la zone 30 entre les électrodes espacées 24. Un potentiel électrique est maintenu entre les électrodes. Avec l'aide du champ électrique, l'émulsion se rompt en une phase aqueuse contenant sensiblement tout le sel et en une phase huileuse qui est relativement exemp- te de sel.
La phase aqueuse est enlevée de la zone 30 par la conduite 25, tandis que la phase huileuse, en même temps qu'une certaine quantité d'é- mulsion, s'écoule vers le'haut dans la zone 40 qui est disposée à un angle compris entre environ 30 et 60 par rapport à la zone 30. La zone 40 contient une série d'éléments 26 de décantation ou formant chicanes, parallèles, es- pacés. Lorsque les particules d'émulsion se rompent, les particules d'eau se recueillent sur les chicanes et s'écoulent vers le bas, tandis que les par- tieules d'huile, exemptes d'eau et de sel, s'écoulent vers le haut et sont enlevées sous forme d'une seule phase huileuse homogène venant de la zone 40, par la conduite 27. La soupape intermédiaire entre l'eau et l'huile est contrôlée par le contrôleur du niveau 60 ou moyen équivalent.
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Suivant cette variante de l'invention, la phase d'émulsion qui ne se rompt pas tend à se recycler par inhérence dans le système à partir de la zone de décantation 40 vers la zone électrique 30, dans laquelle l'émulsion non rompue est soumise à un nouveau traitement électrique. De cette maniéré, des particules d'émulsion qui sont difficiles à rompre sont recyclées pour, être exposées encore un peu plus au champ électrique, plutôt que de leur per- mettre de rester dans un récipient pendant un temps plus long, ce qui serait sinon nécessaire pour assurer leur rupture. Si ce dernier processus était suivi, les dimensions de l'installation devraient être extrêmement grandes comparativement aux dimensions de l'installation requise suivant le présent procédé.
En se référant particulièrement à la figure 3, un courant huileux, contenant des sels, est introduit dans le système par une conduite 41. De l'eau est introduite dans le courant d'huile par la conduite 42, et un pro- duit chimique peut être ajouté par tout moyen désiré. Le courant est chauf- fé jusqu'à une température élevée dans une zone de chauffage 43 et maintenu à une pression supérieure à la pression atmosphérique. Le courant passe à travers une soupape de réduction de pression 44, dans laquelle la pression est fortement réduite.
Du fait de la forte chute de pression, un mélange in- time de l'huile et de l'eau est assuré avec, pour résultat, la formation d' une émulsion qui est introduite dans une zone 50 comprenant une section élec- trique inférieure et une section de décantation supérieure, séparée et dis- tincte, Le courant d'alimentation s'écoule entre une série d'anodes et de cathodes électriques 51 disposées dans la zone 50. Avec l'aide de l'effet du champ électrique, une rupture de l'émulsion est assurée avec, peur ré- sultat, la formation d'une phase aqueuse contenant le sel, qui est enlevée' de la zone 50 par une conduite 52.
La phase huileuse, en même temps que de- l'émulsion, s'écoule dans la section supérieure de la zone 50, dans laquelle une série d'éléments de coalescence parallèles, tels que, par exemple des plaques, sont dispersés sur toute l'étendue de la section. La phase huileu- se est enlevée de la zone 50 par la conduite 53. L'émulsion qui se rompt abandonne des particules d'eau sur les surfaces de coalescence respective, particules qui reviennent le long des surfaces, se recueillent dans la par- tie inférieure de la zone 50 et sont enlevées par la conduite 52.
De plus, d'une manière similaire à celle décrite en rapport avec la figure 2, de l'émulsion non rompue qui atteint la section de séparation et les surfaces de coalescence tend à s'écouler vers l'arrière, au-dessus de la phase aqueu- se, et est ainsi réintroduite dans le champ électrique entre les électrodes.
De cette manière, des particules d'émulsion, difficiles à rompre, sont recy- clées dans le champ électrique.
En se référant particulièrement à la figure 4, une huile d'ali- mentation, dont on doit enlever le sel, est introduite dans le système par une conduite 80, chauffée jusqu'à la température désirée dans la zone de chauf- fage 61, et mélangée avec une matière caustique qui est introduite par la con- duite 62. Un agent de rupture d'émulsion est ajouté au courant d'huile par la conduite 63.
Cependant, dans certaines circonstances, il est préférable d'a- jouter l'agent de rupture d'émulsion directement au courant d'eau chaude par la conduite 54. De l'eau chaude est ajoutée au courant d'huile par la con- duite 65, et l'entièreté du mélange est envoyée dans une zone de mélange 66.
Il doit être noté que la zone de mélange comprend de préférence une soupape dans laquelle la pression est réduite en vue d'assurer une turbulence et un mélange convenable. Lorsque ce mode préféré de fonctionnement est suivi, le mélange d'alimentation est envoyé à travers une soupape de réduction de prés- sion 82 et la conduite 83, au lieu d'être envoyé dans le mélangeur 66. L'é- mulsion est enlevée de la zone 66 par la conduite 67 et envoyée à travers des gicleurs 68 pour projeter l'émulsion entre des électrodes 69 et 70. 'Un potentiel convenable est maintenu entre les plaques positives et négatives des électrodes en vue d'assurer une rupture de l'émulsion.
L'émulsion trai- tée est enlevée de la zone électrique et passe horizontalement entre des sur-
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faces de coalescence. Suivant la présente invention, ces surfaces de coales- cence comprennent une structure du type en forme de chevrons. L'huile dont. le sel est enlevé est évacuée à la partie supérieure de la zone d'enlevé- ' ment du sel 72, par une conduite 73. La couche aqueuse contenant le sel est enlevée en une série de points à la base' de la zone 72 par une conduite 74.
Cette solution de sel peut être ensuite manipulée de toute manière désira- ble pour enlever les particules d'huile entraînées.
Suivant la présente invention, de l'émulsion non rompue est enle- vée d'un point intermédiaire dans la zone 72 par une conduite 75 et est de préférence recyclée dans la couche d'eau existant sur le fond de la zone 72, par la conduite 76o Une partie de cette émulsion non rompue ou toute cette émulsion, dans certaines conditions, peut être réintroduite dans la conduite d'alimentation 67 par la conduite 77. Si une rupture satisfaisante de l'émul- sion n'est pas assurée, l'opération peut être réglée par l'introduction de vapeur ou d'eau chaude dans le fond de la zone 72 par une série de points d' injection 78 grâce à la conduite 79, la pompe 85 et la conduite 84.
Les surfaces de coalescence 71 ont des rebords 82 qui empêchent un écoulement d'eau vers l'arrière dans la zone électrique. Un élément de tête 80 empêche le libre écoulement des courants respectifs entre les élé- ments de coalescence 71. L'élément 80 présente une série d'ouvertures 81 immédiatement en dessous de chaque surface de coalescence. Le nombre d'ouver- tures entre les surfaces respectives est réglé de manière à assurer une chu- te de pression uniforme entre tous les éléments, en assurant ainsi une répar- tition égale d'écoulement des courants entre les éléments respectifs'de coa- lescence.
Les électrodes et les surfaces de coalescence, en forme de che- vrons, utilisées sont représentées aux figures 5 et 6, montrant des vues en coupe transversale des électrodes 69 et 70, et des surfaces de coalescence 71. Il est manifeste que chaque courant s'écoulant entre les surfaces 71 au- ra la forme d'un V renversé, en coupe transversale.
Bien que la présente invention ait été décrite en considérant son application particulière à l'enlèvement des sels d'une huile brute, elle concerne d'une manière générale un procédé amélioré de coalescence électri- que et un appareil pour la mise en oeuvre de ce procédé. Elle peut être ap- pliquée à la rupture de toute émulsion, spécialement des émussions aqueuses.
L'invention se rapporte à un procédé dans lequel le courant d'alimentation est soumis à l'effet d'un champ électrique et est ensuite envoyé à une zone distincte et séparée de coalescence. Les pressions et températures particu- lières utilisées dans une opération dépendent du type de courant traité, aussi bien que du type et de la concentration des substances dispersées présentes. Comme signalé, la présente invention englobe plus spécialement une opération d'enlèvement électrique de sels, dans laquelle'la zone de traitement électrique et la zone de décantation sont des aires distinctes et séparées, et dans laquelle des surfaces en forme de chevrons sont utili- sées.
Suivant la présente invention, l'huile dont on doit enlever les sels est traitée avec un agent neutralisant, comme, par exemple, avec une , solution caustique ou de carbonate. L'huile est alors mise en contact avec un réactif chimique de rupture d'émulsion, et émulsionnée avec de l'eau.
Il est préférable que la température de l'eau ajoutée soit de l'ordre de 150 à 250 F, de préférence de l'ordre de 1900 à 220 F. Le réactif chimi- que peut être toute matière connue pour aider à la rupture d'émulsions.
L'émulsion est passée à travers une zone électrique, dans laquelle elle est soumise aux effets d'un champ électrique. Le champ électrique peut être four- ni par tous processus et disposition d'anodes et de cathodes connus. La ten- sion entre les électrodes peut varier d'une manière appréciable et peut être de l'ordre d'environ 5000 à 35.000 voltset plus; une tension avantageuse est de l'ordre d'environ 16.000 à 20.000-'volte. Les phases respectives s'é-
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coulent hors du champ électrique et sont envoyées à une zone de décantation.
Suivant un mode de mise en oeuvre de l'invention,toute émulsion non rompue se recycle elle-même par inhérence vers la section à champ électrique, où elle est resoumise aux effets dudit champ électrique.
Le procédé comprend l'émulsionnement du courant d'alimentation qui peut être constitué par une huile brute ou par tout courant de raffine- rie contenant des sels. Le mélange d'eau et d'huile, qui peut contenir une.' addition de produits chimiques, est envoyé à travers une zone de mélange, de préférence une soupape de mélange ou tout moyen équivalent. Cependant, le procédé préféré de mélange consiste à faire passer le courant à travers . une soupape de commande de pression différentielle avec, pour résultat, la formation d'une émulsion.
L'émulsion, en vue de la rempre, est introduite dans un récipient horizontal, de préférence cylindrique, contenant des élec- trodes opérant à des tensions relativement élevées. L'émulsion s'écoule ho- rizontalement entre les électrodes, est soumise à l'effet du champ éleetri- que et est ainsi rompue. Les phases quittant le champ électrique s'écoulent vers une zone de coalescence qui est' pourvue d'éléments de coalescence pa-' rallèles, étroitement espacés. -
Dans son essence, le procédé est mené en deux phases distinctes qui sont particulièrement destinées à des fins distinctes.
La phase de champ électrique est conçue pour soumettre d'une manière efficace le courant aux effets du champ électrique indépendamment des exigences du point de vue dé- cantation ou séparation, tandis que la phase'de décantation ou séparation est conçue pour assurer une décantation rapide et efficace indépendamment des exigences au point de vue du champ électrique.
L'émulsionnement résulte du mélange prononcé des phases respec- tives, qui est nécessaire pour assurer l'enlèvement désiré du sel. Gomme signalé, divers agents pour la rupture d'émulsions peuvent être utilisés, aussi bien que des agents pour le réglage de la valeur du pH. Un agent de cette dernière classe est l'hydroxyde de sodium qui est habituellement employé en une concentration qui varie d'environ 0 à 15 livres d'hydroxyde de sodium par mille barils d'huile dont on enlève le sel.
L'huile est habi- tuellement chauffée jusqu'à une température de l'ordre d'environ 150 à 350 F, et maintenue à une pression de l'ordre d'environ 25 à 300 livres par pouce carré, Suivant l'adaptation préférée de la présente invention, l'huile est chauffée jusqu'à une température de l'ordre d'environ 220 à ' 270 F, et maintenue à une pression effective de l'ordre d'environ 100 à 250 livres par pouce carré. Le mélange est assuré en faisant passer le coti- rant chauffé, sous pression, à travers une soupape de réduction de pression, ou un moyen équivalent, de manière à en réduire la pression. Il est désira- ble d'avoir une chute de pression d'environ 25 à 85 livres par pouce carré' à travers La soupape de mélange.
Evidemment, si le courant d'alimentation contient une quantité suffisante d'eau, il peut ne pas être nécessaire d' @ ajouter de l'eau additionnelle. Un procédé particulièrement avantageux d'en- lèvement de sels d'une huile brute consiste à chauffer celle-ci jusqu'à une température d'environ 250 F et à maintenir la pression effective- sur le courant à environ 220 à 240 livres par pouce carré. Ce courant est passé à travers une soupape de réduction de pression, ou moyen équivalent, dans laquelle la pression effective est réduite, par exemple, jusqu'à environ 140 à 150 livres par pouce carré.
Comme signalé ci-avant, én opérant suivant la présente inven- tion, le temps nécessaire pour la rupture de l'émulsion est abaissé 'une manière appréciable, ce qui exige ainsi une installation moins importante pour des rendements équivalents. Les dimensions réelles de l'installation peuvent varier beaucoup suivant différents facteurs, tels que les vitesses d'alimentation, la concentration de sel dans l'huile d'alimentation, 'et sui- vant d'autres caractéristiques, telles que, par exemple, la viscosité'de 1' alimentation. Suivant la présente invention, il est très avantageux que la zone de décantation ou de séparation contienne une série d'éléments de coa- lescence espacés dans le sens longitudinal.
Ces éléments de coalesscence sont,
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de'préférence, parallèles entre eux, et peuvent être espacés l'un de l'autre d'environ 1 à 20 pouces. Cependant, on préfère que l'espacement soit d'envi- ron 2 à 6 pouceso
Suivant une adaptation préférée de la présente invention, les électrodes et les éléments de coalescence sont en forme de chevrons ou de
V renversés. De cette manière, chaque courant s'écoulant entre ces surfaces en forme de chevrons aura une forme de V renversé, en coupe transversale. En ce qui concerne les électrodes et les surfaces de coalescence, l'inclinaison devrait, de préférence, être de l'ordre d'environ 10 à 20 degrés. Il est pré- férable que les éléments d'électrodes s'étendent dans une portion de 2 à 6 pouces de la surface intérieure de la zone d'enlèvement des sels.
Il est aus- si préférable que les surfaces de coalescence se prolongent du côté intérieur de la zone d'enlèvement des sels, avec des trous prévus dans les surfaces de coalescence au voisinage de la paroi interne de la zone d'enlèvement des sels, pour permettre à la phase aqueuse séparée de s'écouler à travers des trous et le long de la paroi intérieure de ladite zone vers le fond de celle-ci, d'où la phase aqueuse séparée peut être enlevée.
L'invention peut encore être illustrée par les exemples suivants.
EXEMPLE 1. -
Dans une opération courante dans laquelle le taux d'alimenta- tion était de 50.000 barils par jour, de l'eau était ajoutée à une matière brute contenant 1 à 3% d'eau et 250 livres de sel par 1000 barils, pour aug- menter la teneur en eau jusqu'à environ 15 à 20% en volumes. Le mélange était chauffé jusqu'à une température d'environ 200 F et maintenu à une pression effective d'environ 75 litres par pouce carré. La pression était réduite jus- qu'à 50 livres sur la matière brute en assurant un mélange qui a, pour résul- tat, la formation d'une émulsion.
Dans une unité électrique courante d'enlè- vement des sels, le temps de séjour nécessaire pour assurer la rupture de 1' émulsion d'une manière satisfaisante est d'environ 60 minutes. '
Dans une deuxième opération menée sous des conditions identiques, sauf que la zone de séparation était maintenue séparée et distincte de la zone du champ électrique et dans laquelle des surfaces de coalescence sont espacées de 6 pouces, le temps de séjour est d'environ 10 minutes. De cette manière, il est visible que les dimensions de l'installation pour cette se- conde opération ne s'élèveront qu'à 1/6 de celles de l'installation pour la première opération.
Dans une troisième opération menée utilisant deux phases distinc- tes suivant le procédé de la présente invention, et dans laquelle les surfa- ces de coalesoence sont espacées d'environ 2 pouces, le temps de séjour né- cessaire pour assurer la rupture de l'émulsion est d'environ 3 minutes. Dans" cette troisième opération, le dispositif de précipitation électrique a un diamètre d'environ 5 pieds et une longueur d'environ 20 pieds. Dans la se- conde opération dans laquelle les chicanes sont espacées de 6 pouces, le dis- positif de décantation a un diamètre d'environ 7,5 pieds et une longueur d' environ 40 pieds.
EXEMPLE 2,-
Une matière brute du West Central Texas, ayant une gravité de 40 API et contenant 33 livres de sel par 1000 barils, était traitée comme suit : une solution de soude caustique (4 à 5 Bé) était mélangée avec la ma- tière brute en même temps qu'avec un agent chimique de rupture d'émulsion.
La matière brute était chauffée jusqu'à une température d'environ 250 F et émulsionnée. L'émulsion était passée à travers .-des électrodes du type en forme de chevrons, ayant un potentiel d'environ 16.000 volts. L'émulsion rompue était passée le long de surfaces de coalescence, du type en forme de chevrons, disposées longitudinalement dans ladite zone d'enlèvement de sels au voisinage de la zone électrolytique. La matière brute traitée avait une
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teneur finale en sels d'environ 5 livres par 1000 barils. Le rendement de cette opération était d'environ 800 barils par jour.
Lorsque la même ma- tière brute était libérée du sel d'une manière similaire, en utilisant un appareil commercial courant d'enlèvement de sels, ayant les mêmes dimen- sions, le rendement était d'environ 200 barils par jour.
EXEMPLE 3. -
Une matière brute de San Joaquin ayant une gravité de 44 API et une teneur en sel de 32 livres par 1000 barils était traitée d'une manière semblable à celle décrite dans l'exemple 2. La température utilisée était de 210 F. La pression était d'environ 65 livres par pouce carré. La matière bru- te traitée avait une teneur en sel de 2 livres par 1000 barils. Le rendement. était de 500 barils par jour. Lorsqu'on enlève le sel de la même matière bru- te dans un dispositif commercial courant d'enlèvement des delà., ayant les mêmes dimensions, sous des conditions similaires, le rendement était de 200 barils par jour.
EXEMPLE 4.-
Une matière brute de la Louisiane du Sud, ayant une gravité de 370 API et une teneur en sel de 26 livres par 1000 barils, était libérée du sel jusqu'à 1 livre pas 1000 barils avec un rendement de 400 barils par jonr, lorsqu'on enlève le procédé de la présente invention. Lorsqu'on utilise le sel de la même matière brute pour obtenir le même résultat, dans un appareil commercial courant, ayant les mêmes dimensions, le rendement était de 200 ba- rils par -jour,, REVENDICATIONS.
1. Procédé de rupture d'une émulsion, qui comprend le passage de. l'émulsion à travers un champ électrique en une série de courants en forme de, V renversés, disposés en hauteur, grâce à quoi une composante de mouvement, . vers le bas et vers l'extérieur, est impartie aux particules plus lourdes. de ladite émulsion, et une composante de mouvement, vers l'intérieur et vers le haut, est impartie aux particules plus légères de ladite émulsion.
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IMPROVED ELECTRICAL COALESCENCE PROCESS.
The present invention relates to an improved method of electrical coalescence and to the apparatus for employing this method. More particularly, it relates to an improved method and apparatus for breaking up oily emulsions, such as, for example, aqueous oil emulsions. A particular adaptation of the present invention relates to an improved method and apparatus for treating hydrocarbon oils to remove foreign substances therefrom, such as, for example, for the removal of salts contained in fluid hydrocarbon streams. The present invention is especially directed to an improved method of electric salt removal, wherein the flow of the fluid stream, from which the salts are removed, is critically controlled.
According to the present invention, a hydrocarbon stream containing salts is chemically treated, emulsified and sent to a zone where it is subjected to the effect of an electric field with a view to its coagulation. The current is removed from the electric field and sent in a separate settling area.
It is well known in the art that various crude oils do not retain salts and other harmful substances in various concentrations.
These salts include magnesium chloride, calcium chloride, and sodium chloride. Among other metals present are iron, strontium, potassium and vanadium. Their salts can be present in the form of bromunes, sulphates, carbonates and bicarbonates.
It is necessary that these salts be removed from the raw materials or at least reduced to a great extent, since the gels not only corrode the refining plant, but also clog the apparatus, such as, for example, heat exchangers, condensers, etc., ... Although sodium chloride is present in the greatest concentration, it is sodium chloride and calcium chloride which cause the most corrosion and damage to the refining and distillation plant.
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It is known to remove these harmful salts by various methods.
A common method used is to add water to the raw material containing these salts and to heat the mixture to an elevated temperature, such as, for example, up to about 300 F. The heated stream is heated. maintained at an elevated pressure of, for example, about 200 pounds. In such a salt removal operation, in order to ensure excellent contact between the water and the salt of the raw material, it is necessary to achieve a thorough mixing of the water and the salt. crude oil, which results in the formation of an emulsion of the oil and water. Mixing can be effected by any means, but is usually accomplished by passing the stream through a pressure reducing valve.
The resulting emulsion is usually passed through a bed of coagulating material, which usually includes sand.
The stream is then sent to a settling zone, where the water and oil separate. The aqueous phase containing the salt is removed at the base of the settling zone, while the oily phase, which is usually substantially free of salts, is removed at the top of this settling zone. The degree to which the oil is freed from salts is, to a large extent, a function of the size of the installation and the amount of water used. Usually, in order to ensure a satisfactory decrease in the salt content of the oil, it is necessary to use a relatively large crystallization.
Various electrical methods have also been proposed. In general, these methods involve adding water to the raw material containing salts, heating the mixture to a temperature of about 200 ° F at a pressure of about 75 pounds, and passing the mixture through. flowing through a pressure reducing valve or other mixing means to ensure proper mixing, which results in emulsification. The emulsion is sent to an area containing electrodes which maintain an electric field between them. Due to the electric field, a breakdown of the emulsion occurs, which allows the water phase to separate from the oil phase. The salt, to a large extent, associates with the aqueous phase.
Although these methods are satisfactory, it is necessary to use a relatively large plant.
In accordance with the present invention, it has now been discovered that unexpected and advantageous results are obtained by providing that the electric salt removal operation be carried out so that a current first passes through a zone. electric field in which it is subjected to the effects of an electric field, and then sent to a separate settling or separation zone. Preferred implementations of the present invention are achieved by using a series of parallel surfaces, preferably inclined surfaces, both in the electrical zone and in the coalescence zone.
The present invention can be readily understood by reference to the drawings illustrating embodiments of said invention.
Figure 1 illustrates an adaptation of the invention, in which the electrical zone and the settling zone consisting of two separate containers.
Figure 2 illustrates an adaptation of the invention, in which the separation zone is an integral part of the salt removal apparatus and is so arranged, relative to the electrical zone, that the emulsion .unbroken tends to return to the electrical zone.
Figure 3 is a particular adaptation of the invention, similar to the embodiment of Figure 2.
Figure 4 illustrates the improved salt removal operation.
Figure 5 shows the electrodes, while Figure 6 shows in detail the preferred type of coalescing surfaces.
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With special reference to Figure 1, a hydrocarbon feed oil, containing salts, is introduced into the system through a feed line 1. Water is introduced into the system through line 2. The system is supplied with water. The mixture may contain any suitable chemical which is particularly capable of breaking down an emulsion, thereby improving electrical salt removal operations. The mixture is heated to a high temperature and maintained at a high pressure as well.
The mixture is sent to a pressure reducing valve 3, in which the pressure is therefore reduced. This will force the oil and water to mix completely, resulting in the formation of an emulsion. The emulsion is introduced into an electric zone 10, which it passes through between spaced apart electrodes 4. In the electric field, partial rupture of the emulsion takes place. An oil-rich phase, which is formed, is removed from zone 10 through line 5. The water-rich phase, which forms, is discharged from zone 10 through line 6.
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The current removed through line 5 is introduced at the top of settling zone 20, while the water-rich phase, removed from zone 10 through line 6, is introduced at or near the bottom of zone 20 .., These currents flow longitudinally through zone 20, between a series of parallel, spaced apart coalescing or baffle elements 7. These baffle or coalescing elements are tilted slightly upward in the direction of flow of the respective streams, thus allowing any aqueous phase formed therein to flow freely backward in the direction of the stream. the inlet end of the zone.
It is preferable that these coalescing elements 7 have rims or lips 9 which to a great extent prevent the flow of water over the part having respective elements. Raw material, substantially free of water and therefore having a relatively low salt content is removed from zone 20 through line 11. The aqueous phase is discharged from zone 20 through line 12 and used as desired. According to a particular adaptation of the invention, any unbroken emulsion is removed from a point higher than the bottom of zone 20 by line 13 and recycled to line 1 in order to be reintroduced with the feed into zone 10.
With particular reference to Figure 2, a stream of oil containing salts is introduced into the system through line 21. Water is introduced into the system through line 22. The mixture of oil and oil is introduced into the system. The water may contain a suitable chemical reagent, which aids in the breakdown. ture of the emulsion. The mixture of oil and water is passed to a pressure reducing valve 23, in a manner similar to that described in connection with Figure 1.
Likewise, in a manner similar to that described in relation to FIG. 1, the oil is heated to a high temperature and maintained at a pressure greater than atmospheric pressure. ' Due to the pressure drop ensured when oil and water pass through valve 23, complete mixing of water and oil is achieved, resulting in the formation of a emulsion. This emulsion passes longitudinally through the area 30 between the spaced apart electrodes 24. An electrical potential is maintained between the electrodes. With the help of the electric field, the emulsion breaks up into an aqueous phase containing substantially all of the salt and an oily phase which is relatively free of salt.
The aqueous phase is removed from zone 30 through line 25, while the oily phase, together with a certain amount of emulsion, flows upward into zone 40 which is disposed at an elevation. an angle of between about 30 and 60 with respect to the zone 30. The zone 40 contains a series of settling or baffle elements 26, parallel, spaced apart. When the emulsion particles break, the water particles collect on the baffles and flow downwards, while the oil particles, free of water and salt, flow towards the bottom. top and are removed in the form of a single homogeneous oily phase coming from zone 40, through line 27. The intermediate valve between water and oil is controlled by the level 60 controller or equivalent means.
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According to this variant of the invention, the emulsion phase which does not break down tends to be inherently recycled in the system from the settling zone 40 to the electrical zone 30, in which the unbroken emulsion is subjected. to a new electrical treatment. In this way, emulsion particles which are difficult to break are recycled to be further exposed to the electric field, rather than allowing them to remain in a container for a longer time, which would otherwise be. necessary to ensure their rupture. If the latter process were followed, the dimensions of the installation would be extremely large compared to the dimensions of the installation required by the present method.
With particular reference to Figure 3, an oily stream, containing salts, is introduced into the system through line 41. Water is introduced into the oil stream through line 42, and a chemical is introduced into the system. can be added by any desired means. The stream is heated to an elevated temperature in a heating zone 43 and maintained at a pressure above atmospheric pressure. The current passes through a pressure reducing valve 44, in which the pressure is greatly reduced.
Due to the large pressure drop, an intimate mixing of oil and water is ensured resulting in the formation of an emulsion which is introduced into a zone 50 comprising a lower electrical section. and a separate and distinct upper settling section. The feed stream flows between a series of electric anodes and cathodes 51 arranged in zone 50. With the help of the effect of the electric field, breakage of the emulsion is ensured with the resulting formation of an aqueous phase containing the salt which is removed from zone 50 through line 52.
The oily phase, together with the emulsion, flows into the upper section of zone 50, in which a series of parallel coalescing elements, such as, for example, plaques, are dispersed throughout. extent of the section. The oil phase is removed from zone 50 through line 53. The emulsion which breaks leaves water particles on the respective coalescing surfaces, particles which return along the surfaces collect in the section. lower part of zone 50 and are removed via line 52.
In addition, in a manner similar to that described in connection with Figure 2, unbroken emulsion which reaches the separation section and the coalescing surfaces tends to flow backward, over the aqueous phase, and is thus reintroduced into the electric field between the electrodes.
In this way, difficult-to-break emulsion particles are recycled into the electric field.
With particular reference to Figure 4, a feed oil, from which the salt is to be removed, is introduced into the system through a line 80, heated to the desired temperature in the heating zone 61, and mixed with a caustic material which is introduced through line 62. An emulsion breaking agent is added to the oil stream through line 63.
However, in some circumstances it is preferable to add the emulsion breaking agent directly to the hot water stream through line 54. Hot water is added to the oil stream through line 54. pick 65, and the entire mixture is sent to a mixing zone 66.
It should be noted that the mixing zone preferably includes a valve in which the pressure is reduced in order to provide turbulence and proper mixing. When this preferred mode of operation is followed, the feed mixture is sent through a pressure reducing valve 82 and line 83, instead of being sent to mixer 66. The emulsion is removed. from zone 66 through line 67 and sent through nozzles 68 to project the emulsion between electrodes 69 and 70. A suitable potential is maintained between the positive and negative plates of the electrodes to ensure rupture of the electrode. 'emulsion.
The treated emulsion is removed from the electrical zone and passes horizontally between over-
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coalescing faces. In accordance with the present invention, these coalescing surfaces comprise a structure of the chevron-shaped type. The oil of which. The salt being removed is discharged at the top of the salt removal zone 72, through a line 73. The aqueous layer containing the salt is removed at a series of points at the base of the zone 72 by a pipe 74.
This salt solution can then be handled in any desirable manner to remove entrained oil particles.
In accordance with the present invention, unbroken emulsion is removed from an intermediate point in zone 72 through line 75 and is preferably recycled to the layer of water existing on the bottom of zone 72, through line. line 76o A part of this unbroken emulsion or all of this emulsion, under certain conditions, can be reintroduced into the supply line 67 through line 77. If satisfactory rupture of the emulsion is not assured, the The operation can be regulated by the introduction of steam or hot water into the bottom of zone 72 through a series of injection points 78 through line 79, pump 85 and line 84.
The coalescing surfaces 71 have flanges 82 which prevent backward flow of water into the electrical area. A head member 80 prevents the free flow of the respective currents between the coalescing elements 71. The element 80 has a series of openings 81 immediately below each coalescing surface. The number of openings between the respective surfaces is regulated so as to ensure a uniform pressure drop between all the elements, thus ensuring an equal distribution of flow of the currents between the respective co-elements. lescence.
The electrodes and the chevron-shaped coalescing surfaces used are shown in Figures 5 and 6, showing cross-sectional views of the electrodes 69 and 70, and of the coalescing surfaces 71. It is evident that each current s Flowing between surfaces 71 will be in the shape of an inverted V in cross section.
Although the present invention has been described with regard to its particular application to the removal of salts from a crude oil, it relates generally to an improved process of electrical coalescence and to an apparatus for carrying out this process. process. It can be applied to the breakdown of any emulsion, especially aqueous emussions.
The invention relates to a method in which the feed current is subjected to the effect of an electric field and is then sent to a distinct and separate zone of coalescence. The particular pressures and temperatures used in an operation will depend on the type of stream being processed, as well as the type and concentration of dispersed substances present. As pointed out, the present invention more particularly encompasses an electrical salt removal operation, in which the electrical treatment zone and the settling zone are distinct and separate areas, and in which herringbone-shaped surfaces are used. sées.
According to the present invention, the oil from which the salts are to be removed is treated with a neutralizing agent, such as, for example, with a caustic or carbonate solution. The oil is then contacted with a chemical emulsion breaking reagent, and emulsified with water.
It is preferable that the temperature of the added water is in the range of 150 to 250 F, preferably in the range of 1900 to 220 F. The chemical reagent can be any material known to aid in breaking down the water. emulsions.
The emulsion is passed through an electric zone, in which it is subjected to the effects of an electric field. The electric field can be provided by any known process and arrangement of anodes and cathodes. The voltage between the electrodes can vary appreciably and can be on the order of about 5,000 to 35,000 volts and more; an advantageous voltage is of the order of about 16,000 to 20,000 volts. The respective phases are
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flow out of the electric field and are sent to a settling zone.
According to one embodiment of the invention, any unbroken emulsion inherently recycles itself to the electric field section, where it is resubmitted to the effects of said electric field.
The process comprises emulsifying the feed stream which may be a crude oil or any refinery stream containing salts. The mixture of water and oil, which may contain a. ' addition of chemicals, is passed through a mixing zone, preferably a mixing valve or equivalent means. However, the preferred method of mixing is to pass the current through. a differential pressure control valve resulting in the formation of an emulsion.
The emulsion, with a view to filling, is introduced into a horizontal container, preferably cylindrical, containing electrodes operating at relatively high voltages. The emulsion flows horizontally between the electrodes, is subjected to the effect of the electric field and is thus broken. The phases leaving the electric field flow to a coalescing zone which is provided with parallel, closely spaced coalescing elements. -
In essence, the process is carried out in two distinct phases which are particularly intended for distinct purposes.
The electric field phase is designed to efficiently subject the current to the effects of the electric field regardless of settling or separation requirements, while the settling or separation phase is designed to ensure rapid settling. and effective regardless of electric field requirements.
Emulsification results from the thorough mixing of the respective phases, which is necessary to ensure the desired salt removal. As noted, various agents for breaking up emulsions can be used, as well as agents for adjusting the pH value. An agent of the latter class is sodium hydroxide which is usually employed in a concentration which varies from about 0 to 15 pounds of sodium hydroxide per thousand barrels of oil from which the salt is removed.
The oil is usually heated to a temperature on the order of about 150 to 350 F, and maintained at a pressure on the order of about 25 to 300 pounds per square inch, depending on preferred adaptation. of the present invention, the oil is heated to a temperature in the range of about 220 to 270 F, and maintained at an effective pressure in the range of about 100 to 250 pounds per square inch. Mixing is effected by passing the heated component, under pressure, through a pressure reducing valve, or equivalent means, so as to reduce the pressure therein. It is desirable to have a pressure drop of about 25 to 85 pounds per square inch across the mixing valve.
Obviously, if the feed stream contains a sufficient amount of water, it may not be necessary to add additional water. A particularly advantageous method of removing salts from a crude oil is to heat the oil to a temperature of about 250 F and to maintain the effective pressure on the stream at about 220 to 240 pounds per inch. square. This stream is passed through a pressure reducing valve, or equivalent means, in which the effective pressure is reduced, for example, to about 140 to 150 pounds per square inch.
As noted above, by operating in accordance with the present invention, the time required for emulsion breakage is reduced appreciably, thus requiring less installation for equivalent yields. The actual dimensions of the plant may vary greatly depending on various factors, such as feed rates, the salt concentration in the feed oil, and other characteristics, such as, for example, the viscosity of the feed. According to the present invention, it is very advantageous that the settling or separation zone contains a series of longitudinally spaced coalescing elements.
These elements of coalition are,
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preferably parallel to each other, and can be spaced approximately 1 to 20 inches apart. However, it is preferred that the spacing be about 2 to 6 inches.
According to a preferred adaptation of the present invention, the electrodes and the coalescing elements are in the shape of chevrons or of
V reversed. In this way, each stream flowing between these chevron-shaped surfaces will have an inverted V-shape, in cross section. With respect to electrodes and coalescing surfaces, the tilt should preferably be on the order of about 10 to 20 degrees. It is preferred that the electrode elements extend within a 2-6 inch portion of the interior surface of the salt removal zone.
It is also preferable that the coalescing surfaces extend to the interior side of the salt removal zone, with holes provided in the coalescing surfaces in the vicinity of the inner wall of the salt removal zone, to allowing the separated aqueous phase to flow through holes and along the inner wall of said area to the bottom thereof, from where the separated aqueous phase can be removed.
The invention can be further illustrated by the following examples.
EXAMPLE 1. -
In a common operation in which the feed rate was 50,000 barrels per day, water was added to a crude material containing 1 to 3% water and 250 pounds of salt per 1000 barrels, to increase ment the water content up to about 15 to 20% by volume. The mixture was heated to a temperature of about 200 F and maintained at an effective pressure of about 75 liters per square inch. The pressure was reduced to 50 pounds on the raw material providing mixing which resulted in the formation of an emulsion.
In a common electrical salt removal unit, the residence time required to ensure satisfactory breaking of the emulsion is about 60 minutes. '
In a second operation conducted under identical conditions, except that the separation zone was kept separate and distinct from the electric field zone and in which the coalescing surfaces are spaced 6 inches apart, the residence time is approximately 10 minutes. . In this way, it is visible that the dimensions of the installation for this second operation will be only 1/6 of those of the installation for the first operation.
In a third operation carried out using two separate phases according to the process of the present invention, and in which the coalescing surfaces are spaced about 2 inches apart, the residence time necessary to ensure the rupture of the coalescence. emulsion is about 3 minutes. In this third operation, the electric precipitation device is about 5 feet in diameter and about 20 feet in length. In the second operation in which the baffles are spaced 6 inches apart, the settling device has a diameter of about 7.5 feet and a length of about 40 feet.
EXAMPLE 2, -
A raw material from West Central Texas, having a gravity of 40 API and containing 33 pounds of salt per 1000 barrels, was processed as follows: a solution of caustic soda (4 to 5 Bé) was mixed with the raw material at the same time. time with a chemical emulsion breaking agent.
The raw material was heated to a temperature of about 250 F and emulsified. The emulsion was passed through electrodes of the herringbone type, having a potential of about 16,000 volts. The ruptured emulsion was passed along coalescing surfaces, of the chevron-shaped type, disposed longitudinally in said salt removal zone in the vicinity of the electrolytic zone. The processed raw material had a
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final salt content of about 5 pounds per 1000 barrels. The yield of this operation was about 800 barrels per day.
When the same raw material was liberated from the salt in a similar manner, using a common commercial salt removing apparatus, having the same dimensions, the yield was about 200 barrels per day.
EXAMPLE 3. -
A San Joaquin raw material having a gravity of 44 API and a salt content of 32 pounds per 1000 barrels was processed in a manner similar to that described in Example 2. The temperature used was 210 F. The pressure was about 65 pounds per square inch. The raw material processed had a salt content of 2 pounds per 1000 barrels. The yield. was 500 barrels per day. When removing the salt of the same raw material in a common commercial sieve remover, having the same dimensions, under similar conditions, the yield was 200 barrels per day.
EXAMPLE 4.-
A crude from South Louisiana, having a gravity of API 370 and a salt content of 26 pounds per 1000 barrels, was released from salt up to 1 pound per 1000 barrels with a yield of 400 barrels per jonr, when the process of the present invention is removed. When using the salt of the same raw material to achieve the same result, in a common commercial apparatus, having the same dimensions, the yield was 200 barrels per day.
1. Method of breaking an emulsion, which comprises the passage of. emulsion through an electric field in a series of inverted, V-shaped currents, arranged in height, whereby a movement component,. downward and outward, is imparted to the heavier particles. of said emulsion, and a component of movement, inward and upward, is imparted to the lighter particles of said emulsion.