DE102010064139A1

DE102010064139A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Trennung von Öl und Wasser aus einer Öl/Wasser-Emulsion

Info

Publication number: DE102010064139A1
Application number: DE102010064139A
Authority: DE
Inventors: Werner Hartmann; Andreas Hauser
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-12-23
Filing date: 2010-12-23
Publication date: 2012-06-28
Also published as: CA2822704A1; RU2013134241A; SG190934A1; US20130292339A1; WO2012084448A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Trennung von Öl und Wasser aus einer Öl/Wasser-Emulsion mittels der Agglomeration von Öltröpfchen und/oder Wassertröpfchen jeweils zu größeren Tropfen, sowie einer Phasentrennung zwischen Öl und Wasser aufgrund gravitativer Kräfte beschrieben, wobei die Öl/Wasser-Emulsion zur Agglomeration von Öltröpfchen und/oder von Wassertröpfchen mit funktionalen Festkörperpartikeln gemischt wird und die funktionalen Festkörperpartikel zur Agglomeration von Öltröpfchen hydrophobisiert sind oder zur Agglomeration von Wassertröpfchen hydrophilisiert sind.

Description

Die Erfindung betrifft die Behandlung eines Gemisches aus Öl und Wasser, insbesondere Rohöl und Wasser, das im Wesentlichen als Öl/Wasser-Emulsion vorliegt. Die hauptsächliche Betrachtungsweise besteht in der Abtrennung des Wassers vom Öl.
Die Öl/Wasser-Emulsion besteht neben einem gewissen Feststoffanteil aus typischerweise 10–30 μm großen Tröpfchen bei einem Wassergehalt von typischerweise 10–30%. Aufgrund der geringen Größe der Tröpfchen werden diese von der Brownschen Molekularbewegung in der Schwebe gehalten. Aus diesem Grund kann mittels einfacher Absetz- und Flotationsverfahren keine Trennung der Emulsionspartner Öl und Wasser durchgeführt werden.
Ähnliches gilt für die Abtrennung von gelösten mineralischen Stoffen im Öl. Hier sind insbesondere Sulfide und Chloride zu nennen. Zur wesentlichen Abtrennung dieser Stoffe aus dem Öl wird das vorgereinigte Rohöl nochmals mit Wasser zu einer Emulsion vermischt. Die löslichen mineralischen Anteile wandern bevorzugt in den Wasseranteil und werden somit dem Öl entzogen. Auch bei dieser Verfahrensstufe wird die vorliegende Emulsion wiederum in getrennte Ströme aus Wasser bzw. Öl separiert.
Im Stand der Technik werden zur Separation von Öl und Wasser aus einer Emulsion elektrostatische Agglomeratoren eingesetzt. Darin wird die vorliegende Emulsion einem Gleich- oder Wechselfeld oder einer Kombination daraus ausgesetzt. Dabei liegen in der Regel 20 kV bis 30 kV Spannung an. Es werden die voneinander getrennten Tröpfchen, deren Abstand mehrere 10 μm betragen kann, in Schwingungen versetzt, sodass diese sich zeitweise berühren, wodurch sie sich zu größeren Tropfen vereinigen. Der Energiebedarf einer solchen Anlage ist sehr hoch. Dies ist begründet in der hohen Leitfähigkeit der Emulsion aufgrund der im Wasser und im Öl gelösten Salze und der somit enorm hohen Ohmschen Verluste.
Bei ausreichend großer Tröpfchengröße besitzen die Öltröpfchen ausreichend Auftrieb bzw. die Wassertröpfchen ausreichend Abtrieb, um eine Phasentrennung zwischen Öl und Wasser aufgrund gravitativer Kräfte einzuleiten. Ist das Verfahren ausreichend fortgeschritten, wird sich jedoch der Abstand zwischen den verbleibenden Tröpfchen in der Emulsion vergrößern, sodass sich keine weitere Tropfenvergrößerung mehr erreichen lässt. Die im Anschluss daran noch in der Emulsion verbleibenden kleinen Tröpfchen können daher nicht mehr abgetrennt werden, sodass ein Teil des Öls im Wasser verloren geht bzw. ein Teil des Wassers im Öl verbleibt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, womit mit geringem Energieaufwand eine verbesserte und schnellere Abtrennung des Öls vom Wasser oder umgekehrt, ermöglicht.
Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmalskombination der unabhängig formulierten Patentansprüche.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei der Aufbereitung einer Öl/Wasser-Emulsion zur Agglomeration von Öltröpfchen oder Wassertröpfchen. zur Bildung von größeren Tropfen aus entweder Öl oder aus Wasser eine Mischung mit funktionalen Festkörperpartikeln mit der Emulsion vorgenommen wird, wobei die funktionalen Festkörperpartikeln entweder zur Agglomeration von Öltröpfchen hydrophobisiert sind und/oder zur Agglomeration von Wassertröpfchen hydrophilisiert sind. Verfahren, die mit einem hohen elektrischen Energieverbrauch verbunden sind, werden zunächst nicht eingesetzt.
Die funktionalen Festkörperpartikel werden in der Regel oberflächlich behandelt, so dass sie von der Oberfläche her entweder hydrophob wirken oder hydrophil wirken. Die für eine Phasentrennung zwischen Öl und Wasser notwendige Bildung größerer Tropfen, entweder von Öl oder von Wasser, wird nicht wie im Stand der Technik durch Tröpfchenschwingung erzeugt, wobei sich die Tröpfchen berühren, sondern durch Anlagerung der funktionalen Festkörperpartikel, entweder ausschließlich an die Öltröpfchen und nicht an die Wassertröpfchen, oder ausschließlich an die Wassertröpfchen und nicht an die Öltröpfchen.
Es werden für die Festkörperpartikel magnetisierbare Materialien eingesetzt, beispielsweise natürlicher oder künstlich hergestellter Magnetit mit Korngrößen typischerweise im Bereich der anfänglichen Tröpfchengrößen. Durch Einbringen einer entstandenen Suspension aus funktionalen Festkörperpartikeln und entweder angelagerten Öltropfen oder angelagerten Wassertropfen in ein Magnetfeld werden sich die mit einer Ölschicht bzw. Wasserschicht umhüllten Partikel zu größeren Agglomeraten vereinigen, wodurch entweder das Wasser oder das Öl verdrängt wird. Es entsteht entweder eine reine Öl/Festkörper-Suspension sowie eine reine Wasserphase oder eine reine Wasser/Festkörper-Suspension, sowie eine reine Ölphase.
Eine Variante, bestehend aus der Mischung mit hydrophilen, funktionalen Festkörperpartikeln, läuft analog zur ersten Variante ab, indem die Suspension aus Feststoff und Wasser besteht und die Ölphase in reiner Form abgetrennt werden kann. Dies hat den Vorteil, dass die Abtrennung von funktionalen Festkörperpartikeln in einer Flüssigkeit mit geringer Viskosität geschehen kann.
In einer weiteren Variante werden gleichzeitig hydrophobe und hydrophile Feststoffpartikel eingebracht, so dass sich sowohl eine magnetisierbare ölreiche Suspension als auch eine magnetisierbare wasserreiche Suspension bilden, welche scharfe Phasengrenzen zueinander aufweisen und in separaten Magnetanordnungen voneinander getrennt werden.
Für den Fall, dass die funktionalen Festkörperpartikel unmagnetisch oder nur schwach magnetisch sind, so dass sie sich nur in der Eigenschaft hydrophob/hydrophil unterscheiden, um eine Affinität zum Öl bzw. zum Wasser zu haben, kann zur Erzeugung der jeweils reinen Phase ein Schwerkraftverfahren eingesetzt werden. Dies dient zur jeweiligen Agglomeration entweder von Öltröpfchen oder von Wassertröpfchen und zur Bildung entsprechender Agglomerate.
Durch die Erfindung kann bei der Zumischung von funktionalen Festkörperpartikeln zu einer Öl/Wasser-Emulsion eine Separation zwischen Öl und Wasser erzielt werden, wobei das Wasser noch weitere Stoffe in Lösung führt. Dies ergibt den wesentlichen Vorteil, dass aufwändige und nachgeschaltete Reinigungsverfahren deutlich einfacher und kostengünstiger gestaltet werden.
Im Folgenden werden detaillierte Ausführungsbeispiele, die die Erfindung nicht einschränken, sondern lediglich vorteilhafte Ausgestaltungen darstellen, beschrieben:
Der Kern der Erfindung liegt darin, dass eine energieaufwändige Agglomeration in einem elektrischen oder magnetischen Feld, Gleich- oder Wechselfeld, vermieden wird. Im Gegensatz dazu nutzt die Erfindung aus, dass funktionale Festkörperpartikel zu einer Emulsion zugemischt werden können, um eine gezielte Agglomeration, beispielsweise von Öl oder von Wasser in einer Öl/Wasser-Emulsion zu erzielen.
Als geeignete Werkstoffe für die funktionalen Festkörperpartikel können magnetisierbare Partikel wie z. B. Magnetit (Fe₃O₄) oder nicht magnetisierbare Partikel wie beispielsweise Sand (SiO₂) verwendet werden. Es wird ausgenutzt, dass sich diese Partikel, die oberflächlich entsprechend behandelt sind, um eine gewünschte Funktionalität aufzuweisen, selektiv an die Öltröpfchen bzw. an die Wassertröpfchen anlagern, sich jedoch jeweils nicht mit den andersartigen Tröpfchen vereinigen.
Wird die so entstandene Suspension, die eine Aufschwemmung von Feststoffen in einer Flüssigkeit darstellt, in ein Magnetfeld gebracht, so vereinigen sich die mit einer Ölschicht umhüllten magnetischen Partikel, falls diese hydrophob sind, zu größeren Agglomeraten, wodurch das Wasser verdrängt wird und abgetrennt werden kann. Dabei setzt sich die aufgrund der hohen Dichte des Magnetits entstandene, weitgehend reine, Öl/Magnetit-Suspension als solche unterhalb des Wassers ab. Die Abtrennung des funktionalen Festkörperpartikel-Anteils, insbesondere Magnetit, vom Öl, erfolgt in einem magnetischen Separator. Dabei wird insbesondere ein magnetischer Separator mit einem magnetisch erzeugten Wanderfeld eingesetzt. Es können aber auch andere magnetische Separatoren nach dem Stand der Technik, beispielsweise magnetische Trommelseparatoren, Bandseparatoren, oder Hochfeld- bzw. Hochgradientenseparatoren mit normal- oder supraleitenden Magnetwicklungen eingesetzt werden.
Es ergeben sich besondere Vorteile, falls die funktionalen Festkörperpartikel unmagnetisch oder nur schwach magnetisch sind und Wassertröpfchen zu größeren Tropfen und zu einer Wasserphase agglomerieren. Die Unterscheidung erfolgt im Wesentlichen zwischen hydrophober oder hydrophiler Oberfläche, um einerseits Öltröpfchen zu größeren Tropfen zu vereinigen oder andererseits zu binden.
Für den Fall, dass die funktionalen Festkörperpartikel nicht magnetisch oder schwach magnetisch sind, wird zur Erzeugung einer reinen Phase, aus entweder Wasser oder Öl, ein Schwerkraftverfahren eingesetzt. Ziel ist, die jeweiligen Agglomerate soweit zu verdichten, dass sich die reinen Phasen durch Berührung und Vereinigung der einzelnen Tröpfchen zu Tropfen vergrößern und somit die Agglomerate darstellen. Geeignete Verfahren laufen beispielsweise in Hydrozyklonen ab sowie in kontinuierlich arbeitenden Ultrazentrifugen wie in einem Dekanter/Trikanter oder in vergleichbaren Anordnungen.
Die in das Trennverfahren eingebrachten funktionalen Festkörperpartikel bewirken, dass eine Agglomeration unter Ausschluss von Gleich- oder Wechselstromfeldern abläuft. Andererseits werden durch die Festkörperpartikel Fremdkörper in den Prozess mit eingetragen, die zweckmäßigerweise in einem angepassten Recyclingverfahren wiederaufbereitet werden, d. h. im Wesentlichen gewaschen werden. In einem speziellen Fall werden Magnetit-Partikel derart recycelt und dem Prozess wieder zugeführt. Gegebenenfalls müssen an den Partikeln verbleibende Ölreste durch geeignete Verfahren wie beispielsweise thermisches Verdampfen oder durch chemische Mittel entfernt werden, um die Magnetit-Partikel Wiedereinsetzen zu können.
Werden beispielsweise hydrophilisierte Magnetit-Partikel eingesetzt, und wird analog dem beschriebenen Verfahren die Wasserphase vom Öl getrennt, so ergibt sich der Vorteil, dass die Abtrennung der Magnet-Partikel in einer weniger viskosen Flüssigkeit wie beispielsweise Wasser anstelle von Öl, erfolgen kann. Im Allgemeinen weisen sowohl Wasser als auch die Magnet-Partikel eine höhere Dichte auf als das abzutrennende Öl, so dass auch in diesem Fall eine klare Trennung zwischen einer unteren Wasser/Magnetit-Suspension und einer darüber liegenden gereinigten Ölschicht ergibt.
Da größere Volumeneinheiten der funktionalen Festkörperpartikel einzusetzenden sind ist ein geeigneter Feststoff mit entsprechenden Eigenschaften zu suchen. Besonders geeignet ist beispielsweise Magnetit, auch bezeichnet als Magneteisenstein. Dies ist ein Mineral aus der Mineralklasse der Oxide und stellt die stabilste Verbindung zwischen Eisen und Sauerstoff dar. Aufgrund des hohen Eisenanteils von bis zu ca. 70% gehört Magnetit zu den wichtigsten Eisenerzen und Rohstoffen für die Elektroindustrie. Als weiterer Werkstoff ist beispielsweise Sand (SiO₂, Siliziumdioxid) geeignet. Dies ist vorteilhaft, da Sand in ausreichender Menge zu günstigen Preisen verfügbar ist. Es können Festkörperpartikel mit entsprechender Korngröße hergestellt werden. Eine Oberflächenbehandlung zur Hydrophobisierung oder zur Hydrophilisierung ist möglich.
Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, dass unter der Voraussetzung einer durchgreifenden Vermischung der Emulsion mit funktionalen Festkörperpartikeln eine Separation der wesentlichen Bestandteile der Emulsion auch bei bereits starker Verdünnung der Emulsion erfolgen kann. Somit können relativ reine Stoffströme, aus entweder Öl oder Wasser, erzielt werden. Dies vermeidet aufwändige, nachgeschaltete Reinigungsverfahren, die deutlich einfacher und kostengünstiger gestaltet werden können. Insbesondere kann neben einer energieeffizienten Agglomeration eine effektivere Abtrennung innerhalb des gesamten Verfahrens erzielt werden.
Allgemein können Partikel aller Art im Bereich von Nanometer bzw. Mikrometer mithilfe geeigneter Technologien beschichtet werden. Es können insbesondere zusätzliche chemische oder physikalische. Funktionen verliehen werden.

Claims

Verfahren zur Trennung von Öl und Wasser aus einer Öl/Wasser-Emulsion mittels der Agglomeration von Öltröpfchen und/oder Wassertröpfchen jeweils zu größeren Tropfen, sowie einer Phasentrennung zwischen Öl und Wasser aufgrund gravitativer Kräfte, dadurch gekennzeichnet, dass die Öl/Wasser-Emulsion zur Agglomeration von Öltröpfchen und/oder von Wassertröpfchen mit funktionalen Festkörperpartikeln gemischt wird, wobei die funktionalen Festkörperpartikel zur Agglomeration von Öltröpfchen hydrophobisiert sind oder zur Agglomeration von Wassertröpfchen hydrophilisiert sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die funktionalen Festkörperpartikel magnetisch oder magnetisierbar sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die funktionalen Festkörperpartikel aus Magnetit oder Siliziumdioxid bestehen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig hydrophobe und hydrophile funktionale Feststoffpartikel eingebracht werden, so dass sich sowohl eine magnetisierbare ölreiche Suspension als auch eine magnetisierbare wasserreiche Suspension bilden, welche scharfe Phasengrenzen zueinander aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Mischung der Öl/Wasser-Emulsion mit funktionalen Festkörperpartikeln zur Erzeugung von Agglomeraten von Öltröpfchen und/oder Wassertröpfchen die Phasentrennung verstärkt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Einbringen einer nach ein- oder mehrfacher Abscheidung entstandenen Suspension aus einer Öl/Magnetit-Phase oder einer Wasser/Magnetit-Phase in ein Magnetfeld die Phasentrennung verstärkt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennung von magnetischen funktionalen Festkörperpartikeln vom Öl oder Wasser in einem magnetischen Separator geschieht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennung eines Wasseranteils nach der Phasentrennung gleichzeitig zur Entfernung von gelösten mineralischen Stoffen führt, da diese sich bevorzugt im Wasser trennen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Schwerkraftverfahrens eine Verdichtung des jeweiligen Agglomerats bewirkt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennung eines Wasseranteils nach der Phasentrennung gleichzeitig zur Entfernung von gelösten mineralischen Stoffen verwendet wird, die sich bevorzugt im Wasser lösen.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mineralischen Stoffe beispielsweise Sulfide oder Chloride sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die funktionalen Festkörperpartikel nach einem Einsatz zur Trennung einer Emulsion aus der entstehenden Suspension abgetrennt werden und anschließend recycelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unmagnetische oder nur schwach magnetische funktionale Festkörperpartikel eingesetzt werden und zur Erzeugung einer reinen Phase ein Schwerkraftverfahren verwendet wird, um die jeweiligen Agglomerate soweit zu verdichten, dass sich die reinen Phasen durch Berührung von Tröpfchen zu größeren Agglomeraten vereinigen.
Vorrichtung zur Trennung von Öl und/oder Wasser aus einer Öl/Wasser-Emulsion, welche mindestens einen magnetischen Separator mit einem magnetischen Wanderfeld umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 14, welche mindestens einen magnetischen Separator mit einem elektromagnetisch erzeugten Wanderfeld umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 oder 15, welche mindestens einen magnetischen Separator wie magnetischen Trommelseparator, Bandseparator oder Hochfeld- bzw. Hochgradientenseparator umfasst.