DE19538908A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Spaltung von Öl-Wasser-Emulsionen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Spaltung von Öl-in-Wasser und Wasser-in-Öl Emulsionen. Derartige Emulsionen fallen in großen Mengen bei der Erdölförderung und der Verarbeitung in der Petrochemie, dem Maschinenbau und verschiedenen industriellen Fertigungsprozessen an. Derartige Emulsionen können durch Festkörperpartikel und in der Öl- und der Wasserphase gelöste Substanzen verunreinigt sein. Die Ölphase kann sowohl zum überwiegenden Teil aus einer chemischen Verbindung als auch aus einer Vielzahl von für Mineralöl unterschiedlicher Herkunft typischen Verbindungen bestehen. Häufig sind derartige Emulsionen durch Zugabe von Emulgatoren stabilisiert.

Eine Spaltung derartiger Emulsionen ist zur Gewinnung von Wertstoffen, zur Rückführung von Prozeßflüssigkeiten und zur Abwasserbehandlung von Bedeutung. Meist wird die Emulsionsspaltung unter Zugabe von Fremdstoffen wie Säuren, Salzen, Adsorbenzien oder speziellen Demulgatoren bewirkt. Mit zunehmender Konzentration der abzutrennenden Phase nimmt auch die zur Emulsionsspaltung benötigte Fremdstoffmenge zu. Der Zusatz von Fremdstoffen zur Emulsionsspaltung ist daher vor allem dann geeignet, wenn die abzutrennende Phase in nur geringer Konzentration vorliegt.

Bekannte Verfahren zur Emulsionsspaltung ohne Zugabe von Fremdstoffen sind Destillation, Filtration und Elektrophorese. Die Trennung durch Destillation ist jedoch langwierig energieintensiv, meist unvollständig und in der Regel apparativ aufwendig. Bei der Filtration durch Festbetten aus Sand, Ziegelmehl usw. können nur sehr geringe Durchflußgeschwindigkeiten realisiert werden, bei der Ultrafiltration ist eine Aufkonzentration der ölhaltigen Phase auf höchstens ca. 50% möglich, und die Elektrophorese ist für viele Emulsionen nicht geeignet.

Aufgabe der Erfindung ist es, Öl-Wasser-Emulsionen, insbesondere Emulsionen mit einem Wasseranteil von höchstens 90% und mindestens 10% Öl ohne Zugabe von Fremdstoffen auf vorteilhaftere Weise zu spalten, als es nach den bisher bekannten Verfahren möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das kennzeichnende Merkmal des Anspruchs 1 gelöst. Nach dem Auftauen bilden sich klar voneinander abgegrenzte Wasser- und Ölphasen aus. Bei einigen Emulsionen bildet sich bereits vor der Eisbildung während der Abkühlung eine wäßrige Phase aus. In energetischer Hinsicht ist es von Vorteil, in derartigen Fällen die gebildete wäßrige Phase nicht dem erfindungsgemäßen Einfrierprozeß zu unterwerfen, sondern vorher abzutrennen. In energetischer Hinsicht ist es ferner von Vorteil, die Kälteleistung einer Kältemaschine zum Einfrieren und gleichzeitig die Abwärme der Kältemaschine zum Auftauen zu nutzen. In energetischer Hinsicht ist es ferner von Vorteil, vor der Durchführung des Einfriervorganges durch Filtrieren oder Zentrifugieren etwa vorhandene suspendierte Feststoffe abzutrennen und eine teilweise Spaltung der Emulsion herbeizuführen, sofern dies mit diesen Maßnahmen ohne besonderen Aufwand möglich ist. Bei Emulsionen mit einem hohen Wasseranteil kann zunächst eine Ultrafiltration durchgeführt werden und anschließend das erfindungsgemäße Verfahren auf das Retentat angewandt werden. Enthält z. B. die zu behandelnde Emulsion 90% Wasser und wird durch eine Ultrafiltration der Wassergehalt im Retentat auf 50% erniedrigt, dann muß nur 1/5 des Volumens der ursprünglichen Emulsion eingefroren werden. Daß durch Einfrieren eine Emulsionsspaltung herbeigeführt werden kann, ist überraschend, da die Stabilität von Emulsionen durch Temperaturabsenkung in der Regel erhöht wird.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens können verschiedenartige, anderweitig bekannte Einfrier- und Auftauvorrichtungen genutzt werden, z. B. Block- oder Schuppeneiserzeuger. Die in den Fig. 1 bis 5 dargestellten Einfriervorrichtungen weisen jedoch den Vorteil auf, daß das erfindungsgemäße Verfahren mit Hilfe dieser Vorrichtungen auf besonders einfache Weise kontinuierlich durchgeführt werden kann. In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt, und die Fig. 2 bis 5 zeigen besonders vorteilhafte Ausführungen dieser Vorrichtung.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung dreht sich in einem Behälter 1 mit der Emulsion 2 eine hohle zylinderförmige Walze 3 in dem durch den Pfeil 4 gekennzeichneten Drehsinn. Bei 5 wird der Kälteträger in die Walze 3 eingeleitet und bei 6 abgeführt. Als Kälteträger kann sowohl das in der Kältemaschine eingesetzte Kältemittel, das in diesem Falle in der Walze verdampft, verwendet werden als auch eine durch den Kältemaschinenverdampfer gekühlte Sole. Durch in der Fig. 1 nicht dargestellte Einbauten in der Walze wird verhindert, daß der Kälteträger direkt von Eintritt 5 zum Austritt 6 gelangen kann, und dafür gesorgt, daß der Kälteträger dem Mantelbereich entlangströmen muß, um zum Austritt 6 zu gelangen. An der Oberfläche der Walze 3, insbesondere am Walzenmantel, bilden sich Eiskristalle 7, die mit den feststehenden Schaber 8 vom Walzmantel abgeschabt werden, wobei der Abstand zwischen Schaber und Walzenmantel einstellbar ist. Der Schaber kann auch z. B. durch Federkraft auf den Walzenmantel gedrückt werden. Das abgeschälte Eis wird z. B. mit Hilfe einer Fördervorrichtung 9, z. B. eines Förderbandes zur Auftauvorrichtung gefördert. Zur Durchführung des Auftauprozesses wird die Abwärme der Kältemaschine entweder direkt oder indirekt über einen Kälteträger genutzt.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung weist die hohle Walze 3 an einer Stirnseite ein zur Drehachse konzentrisches Loch 10 auf, durch das der Wärmetauscher 11 eingeführt werden kann. Der Rand des Loches 10 wird durch ein schmales Ansatzstück 13 gebildet, über das die Walze gelagert und eventuell auch in Drehung versetzt werden kann. Die Lagerung und der Drehantrieb ist in Fig. 2 nicht dargestellt. Die Drehung der Walze kann auch über die Lagerung der Walze auf der anderen Stirnseite oder gleichzeitig über die Ansatzstücke auf beiden Stirnseiten erfolgen. Je enger das Loch 10 und je breiter das Ansatzstück 13 ist sind, desto größer muß der Winkel 12 sein, damit der Wärmetauscher 11 in die Walze eingeführt werden kann. Die Walze wird ferner zum Betrieb über das Loch 10 in ihrem unteren in die Emulsion eintauchenden Teil mit einer Flüssigkeit 14 gefüllt, deren Gefrierpunkt unter den Gefrierpunkten der beiden Phasen der Emulsion liegt. Die Walze 3 wird nur soweit in die Emulsion eingetaucht, daß keine Emulsion durch das Loch 10 in die Walze fließen kann. Die Öffnung 10 kann nach Einführen des Wärmetauschers 11 durch eine am Ansatzstück 13 angebrachte, in Fig. 2 nicht dargestellte, Manschette verengt werden, um das Eindringen von Flüssigkeit 14 in die Walze zu erschweren. Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung weist den Vorteil auf, daß der Wärmetauscher 11 bei einer Drehung der Walze 3 nicht mitgedreht wird. Dadurch können Verluste an durch den Wärmetauscher 11 fließenden Kälteträger vermieden werden. Dies ist besonders von Vorteil, wenn der Wärmetauscher 11 durch den Verdampfer einer Kältemaschine gebildet wird. Das an der Unterseite der Walze 3 gebildete Eis gelangt bei der Drehung der Walze 3 auf die Oberseite und wird wie bei der Erläuterung der in Fig. 1 dargesellten Vorrichtung vom Walzmantel entfernt. Zur Verbesserung des Wärmeübergangs auf die Flüssigkeit 14 kann der Wärmetauscher 11 zur Vergrößerung der Wärmetauscherflächen mit Rippen versehen sein.

Die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung unterscheidet sich von der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung dadurch, daß die hohle, teilweise in die Emulsion eintauchende Walze an beiden Stirnflächen jeweils ein kreisförmiges, zur Drehachse konzentrisches Loch 10 aufweist. Durch dies Loch 10 kann der Wärmetauscher 15 in die Walze eingeführt werden. Im eingeführten, in Fig. 3 dargestellten Zustand ragt die Eintrittsleitung des Wärmetauschers 15 durch das Loch 10 auf der einen Stirnseite und die Austrittsleitung durch das Loch 10 auf der anderen Stirnseite aus der Walze heraus. Bei langen Walzen ist eine Ausführung gemäß Fig. 3 von Vorteil, da der Wärmetauscher 15 auf beiden Seiten der Walze an der Eintritts- und Austrittsseiten stabil gelagert werden kann. Die Ränder der Löcher 10 werden durch schmale Ansatzstücke 13 und 16 gebildet, über die die Walze 3 gelagert und gedreht werden kann. Wenn der Antrieb für die Drehung der Walze nur über das Ansatzstück auf einer Seite erfolgt, z. B. über das Ansatzstück 16, dann kann das andere Ansatzstück 13 schmaler ausgebildet sein als das Ansatzstück 16. Der Wärmetauscher 15 wird in diesem Fall vorzugsweise auf der Seite mit dem schmaleren Ansatzstück 13 eingeführt. Je breiter das Ansatzstück 13 ist und je enger das Loch 10 ist, umso größer müssen die beiden Winkel 12 sein, damit der Wärmetauscher 15 in die Walze eingeführt werden kann. Die Verbindung der Ansatzstücke 13 und 16 mit der Walze kann auch trennbar ausgeführt sein, so daß vor dem Montieren der Ansatzstücke 13 und 16 der Wärmetauscher 11 in die Walze eingeführt werden kann.

Bei Verwendung von Vorrichtungen gemäß der Fig. 2 und 3 kann durch unsachgemäße Bedienung oder bei Störungen über die Löcher 10 Flüssigkeit 14 in die Emulsion oder Emulsion in die Flüssigkeit 14 gelangen. Es ist daher von Vorteil, eine Flüssigkeit 14 zu verwenden, die mit der Emulsion 2 und den Bestandteilen der Emulsion nicht mischbar ist.

Der sich auf den beiden Stirnzeiten der Walze bildende Eisansatz wird bei den in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Vorrichtungen nicht entfernt. Es ist jedoch auch möglich, den Eisansatz von den Stirnseiten zu entfernen und weiter zu behandeln. In den Fig. 4 und 5 sind Vorrichtungen dargestellt, bei denen der Eisansatz von den Stirnseiten entfernt wird. Wird nur der sich an den Stirnseiten bildenden Eisansatz entfernt aber nicht der Eisansatz auf der Mantelfläche, ist es von Vorteil, die Mantelfläche möglichst klein zu halten und die hohle Walze 3 scheibenförmig zu gestalten.

In Fig. 4 ist die Entfernung als Eisansatz von einer Stirnseite dargestellt. Mit Hilfe eines Schabers 7 wird der Eisansatz von der Stirnfläche abgeschabt und mit Hilfe einer Fördervorrichtung, z. B. einem Förderband zur weiteren Behandlung abtransportiert. Auf gleicher Weise wird der Eisansatz auf der gegenüberliegenden Stirnfläche entfernt und abtransportiert. Durch einen zusätzlichen Schaber kann der Eisansatz von der Mantelfläche entfernt werden. Die drei Schaber für die beiden Stirnseiten und die Mantelfläche bilden zusammen ein "U" mit den Schabkanten auf der Innenseite. Das bei Drehung der Scheibe entfernte Eis kann z. B. über Leitbleche auf eine tiefer liegende gemeinsame Fördereinrichtung z. B. ein Förderband geleitet und abtransportiert werden.

Mehrere Scheiben können durch eine gemeinsame Hohlwelle miteinander verbunden werden. Dies ist für 3 Scheiben als Beispiel in Fig. 5 dargestellt. Auf diese Weise können große Eisansatzflächen bei geringem Raumbedarf untergebracht werden. Der zur Kühlung eingesetzte Kälteträger wird bei 5 zugeführt und bei 6 abgeleitet. Wird als Kälteträger eine Kühlsole eingesetzt, so kann z. B. durch in Fig. 5 nicht dargestellte Trennscheiben in der Mitte der Hohlscheiben 3 sichergestellt werden, daß die Kühlsole nicht direkt vom Eingang 5 zum Ausgang 6 fließt. Wenn die Kühlsole die hintereinandergeschalteten Scheiben 3 nacheinander durchströmt, steigt ihre Temperatur kontinuierlich an. Wird als Kälteträger dagegen ein Kältemittel eingesetzt und sind die hintereinandergeschalteten Scheiben 3 Bestandteil eines Kältemaschinenverdampfers, so kann für alle Scheiben die gleiche Kühltemperatur und eine hohe Wärmeleistung bei geringerem Kältemittelstrom realisiert werden. Das bei 5 eingeleitete Kältemittel ist flüssig, das bei 6 abgezogene gasförmig. Es ist daher von Vorteil, wie in Fig. 5 dargestellt, den Querschnitt der Hohlwelle entsprechend dem Gasanteil vom Eintritt 5 bis zum Austritt 6 zu vergrößern. Falls erforderlich kann durch in Fig. 5 nicht dargestellte zusätzliche Einrichtungen sichergestellt werden, daß jede Scheibe mit dem gleichen Kältemittelmassenstrom beaufschlagt wird. Es kann z. B. für jede Scheibe eine eigene Kältemittelleitung durch die Hohlwelle geführt werden. Das bei der Drehung der Scheiben entfernte Eis kann z. B. über Leitbleche auf eine tiefer liegende allen hintereinandergeschalteten Scheiben gemeinsame Fördereinrichtung z. B. ein Förderband geleitet und abtransportiert werden.

Claims (18)

1. Verfahren zur Spaltung von Öl-Wasser-Emulsionen, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren zur Spaltung von Öl-Wasser-Emulsionen als Teilschritt das Einfrieren zumindest eines Teils der Emulsion enthält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Durchführung des Einfriervorganges die Emulsion zentrifugiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Durchführung des Einfriervorganges eine Ultrafiltration der Emulsion durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bereits während der Abkühlung noch vor dem Einfrieren sich ausbildende wäßrige Phasen im flüssigen Zustand abgetrennt werden.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kälteleistung einer Kältemaschine zur Durchführung des Ein­ friervorgangs und deren Abwärme gleichzeitig zur Durchführung des Auftauvorganges genutzt wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Behälter (1) mit der Emulsion (2) eine hohle zylinderförmige Walze oder Scheibe (3) teilweise in die Emulsion eintaucht, daß die Drehachse der Walze oder Scheibe (3) sich vollständig oberhalb der Oberfläche der Emulsion befindet, daß die Drehachse der Walze oder Scheibe (3) nur einen kleinen Winkel mit der Emulsionsoberfläche bildet und vorzugsweise in einer zur Emulsionsoberfläche parallelen Ebene liegt, daß die Walze oder Scheibe (3) über einen in die Walze oder Scheibe eingeführten Kälteträger gekühlt wird und daß Schaber (8) an der Wandfläche und/oder an den Stirnseiten der Walze oder Scheibe anliegen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zylinderförmige Walze teilweise mit einer Flüssigkeit (14) gefüllt ist, deren Gefrierpunkt unterhalb des niedrigsten Gefrierpunktes der verschiedenen Phasen der Emulsion liegt, und daß diese Flüssigkeit (14) mit einem Wärmetauscher (11) gekühlt wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Walze oder Scheibe mit einer Kühlsole gekühlt wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Walze oder Scheibe Einbauten enthält, durch die die Kühlsole vom Eintritt (5) entlang des unteren, in die Emulsion eintauchenden Teiles der Mantelfläche der Walze oder Scheibe zum Austritt (6) geleitet wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Walze oder Scheibe Bestandteil des Verdampfers einer Kältemaschine ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Walze (3) auf einer Stirnseite ein Loch aufweist, durch das der Wärmetauscher (11) als ganzes in die Walze (3) einführbar ist und daß sich die Anschlüsse für den Eintritt und den Austritt des in die Walze eingeführten Wärmetauschers (11) außerhalb der Walze befinden.

12. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Walze (3) auf beiden Stirnseiten jeweils ein Loch aufweist, durch die der Wärmetauscher (15) als Ganzes in die Walze einführbar ist, und daß bei eingeführtem Wärmetauscher die Eintrittsleitung durch das Loch auf der einen Stirnseite und die Austrittsleitung durch das Loch auf der anderen Stirnseite herausragt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher auf beiden Stirnseiten gleich groß sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11, 12 oder 13 dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher in der einen oder beiden Stirnseiten der Walze (3) kreisförmig und konzentrisch zur Drehachse der Walze sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder einem der Ansprüche 11 bis 14 dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Flüssigkeit (14) nicht mit der Emulsion (2) oder Bestandteilen der Emulsion (2) mischbar ist.

16. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere durch die Merkmale der Ansprüche 6 oder einen der folgenden Ansprüche gekennzeichnete Vorrichtungen durch eine gemeinsame als Hohlwelle ausgebildete Drehachse starr miteinander verbunden sind.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlwelle einen kreisförmigen Querschnitt besitzt und daß der Innendurchmesser der Hohlwelle an der Austrittsstelle des Kälteträgers aus einer Walze oder Scheibe größer ist als der Innendurchmesser der Hohlwelle an der Eintrittsstelle.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das von den Schabern (8) von den durch die Hohlwelle miteinander verbundenen Walzen oder Scheiben abgeschabte Eis durch Leitbleche oder ähnliche Einrichtungen auf eine tieferliegende Fördereinrichtung (9) z. B. ein Förderband geleitet wird.