DE3535199C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen von Öl,
Wasser und anderen verdampfbaren Flüssigkeiten aus Bohr
schlamm, Bleicherde, Schlamm aus Öltanks, Ölschiefer,
etc.
Die Verwendung von Bohrschlamm auf Ölbasis anstelle von
Bohrschlamm auf Wasserbasis ist, obwohl das Interesse
hierfür mehr und mehr ansteigt und beachtliche tech
nische Vorteile sowohl bei Versuchsbohrungen als auch bei
Förderbohrungen an Land oder auf See erzielbar sind,
nicht frei von Problemen.
Aufgrund des Ölgehaltes des Bohrschlammes, der aus dem
Bohrloch austritt, kann dieser Schlamm nicht ohne weite
res als Abfallprodukt behandelt werden. Vielmehr sind
wirkungsvolle Maßnahmen dahingehend nötig, den Ölanteil
aus dem Schlamm zu entfernen.
Hierbei bereitet insbesondere der feinkörnige Anteil in
dem Bohrschlamm Probleme. Der grobkörnige Anteil wird
auf oszillierenden Sieben ausgesiebt oder kann vor dem
Abführen des Bohrschlamms ausgewaschen werden oder ver
bleibendes Öl kann ausgebrannt werden. Dieses Verfahren
wird heutzutage am meisten bei Bohrplattformen in der
Nordsee verwendet.
Der feinkörnige Anteil wird für gewöhnlich in Abklärern
oder Hydrozyklonen behandelt, wo ein Teil des Öls und
des Wassers aus dem Schlamm entfernt wird.
Der verbleibende Ölanteil wird jedoch durch Kapillar
kräfte, Oberflächenspannungen und Polaritätsbindungen
sehr stark an den Schlamm angebunden, und es gibt noch
keine befriedigende Lösung zur Behandlung des Schlammes
in bezug auf diesen verbleibenden Restanteil.
Bei einer experimentell durchgeführten Destillation
zweier Arten von Schlamm, einer mit sogenannten Spä
nen mit einer Feinverteilung von 1000 µm und
darunter und einer, der fast ausschließlich aus Schwer
spat mit einer Feinverteilung von 15 µm und darunter be
stand, wurde herausgefunden, daß überraschend hohe Tem
peraturen notwendig sind, um das Öl aus dem Schlamm aus
zutreiben. Aufgrund der oben genannten Bindungskräfte
erfolgt ein Anheben des Siedepunktes auf 100 bis 200°C.
Wenn somit das Öl aus dem Schlamm durch Aufheizen ausge
trieben werden soll, beispielsweise in einer Destilla
tionsanlage, sind derartig hohe Temperaturen nötig, daß
sich Teile des Öls aufspalten und neue Kohlenwasserstoffe
gebildet werden.
Dies ist beispielsweise aus der norwegischen Patentan
meldung 7 71 423 bekannt. Aus der US-PS 33 93 951 ist
es bekannt, Bohrschlamm auf ein Förderband zu geben und
mit Infrarotstrahlung zu behandeln, bevor der Schlamm in
das Meerwasser abgeführt wird. Aufgrund der Temperatur
verhältnisse wurde dieses bekannte Verfahren praktisch
nicht ausgeführt und Öl kann nicht aus dem Schlamm zu
rückgewonnen werden, um in einem Recyclingverfahren wie
der verwendet zu werden.
Derselbe Sachverhalt trifft auf die US-PS 22 66 586 zu,
gemäß der Gasbrenner verwendet werden und der Schlamm
weiterhin mit Wasser gespült wird. Zusätzlich zu den
oben erwähnten Nachteilen muß hier auch noch das Wasser
nach dem Ausspülen des Schlammes gereinigt werden und
weiterhin ist ein hoher Energieverbrauch für das Auf
heizen nötig.
Aus der US-PS 36 58 015 ist ein Verbrennungsofen be
kannt, in welchem das Öl in dem Schlamm einfach ausge
brannt wird. Zwar wird bei diesem Verfahren der Schlamm
ausreichend gereinigt, so daß er als unbedenkliches Ab
fallprodukt betrachtet werden kann, jedoch kann das Öl
nicht zurückgewonnen werden, sondern ist durch die Ver
brennung verloren. Aufgrund der Explosionsgefahr wird
dieses Verfahren in Ölanlagen auch nicht verwendet. Wei
terhin ist bei diesem Verfahren eine Energiezufuhr nötig,
um das Öl aus dem Schlamm auszubrennen, so daß sich die
ses Verfahren nicht von denen unterscheidet, welche her
kömmliche Trocknungsöfen verwenden.
Aus der US-PS 38 60 091 ist ein mechanisches Verfahren
zum Reinigen des Schlammes bekannt. Hierbei wird über
Separatoren soviel Öl wie möglich abgezogen und das ver
bleibende Öl wird mittels eines Reinigungsmittels ent
fernt. Dieses Verfahren ist durchaus praktikabel und
wirkungsvoll, jedoch aufgrund des Verbrauches an Reini
gungsmittel ausgesprochen teuer. Weiterhin ist es mit
diesem Verfahren nicht möglich, nach dem Zentrifugier
vorgang das verbleibende Öl wiederzugewinnen, und zwar
aufgrund der oben erwähnten Kapillarkräfte.
Aus der DE-OS 30 49 907 ist ein Verfahren zum Verdampfen
von flüssigen Bestandteilen aus hochviskosen Materia
lien, wie z. B. synthetischen Polymerisaten unter Einsatz
eines Dünnschichtverdampfers bekannt. Dabei wird mittels
eines Torsionsblattes die eingespeiste Polymerisat-Zu
sammensetzung zu einer dünnen Schicht aufgezogen und
durch ein Quetschblatt zwischen den Heizblättern und die
Verdampferwandung gepreßt. Für den vorliegenden Zweck
ist ein derartiges Verfahren jedoch ungeeignet. Da
Heizblätter mit einer sehr großen Breite verwendet wer
den, um eine ausreichende Menge von Wärmeenergie durch
Reibung in der zu einer Dünnschicht aufgezogenen Poly
merisat-Mischung zu erzeugen, würde der Einsatz dieses
Verfahren zum Verdampfen von Öl aus einer Bohrschlamm-
Mischung unweigerlich zu einem Zusammenklumpen des
Bohrschlamms und zur Beschädigung der Heizblätter füh
ren, da sich Sandkörner und andere Festbestandteile des
Bohrschlamms zwischen den Heizblättern und der Verdamp
ferwandung festsetzen würden.
Aus der bereits oben erwähnten norwegischen Patentanmel
dung 7 71 423 ist ein Verfahren zum Verdampfen von Öl
aus dem Bohrschlamm bekannt, wobei der Schlamm durch eine
Förderschnecke geführt wird, welche durch elektrische
Widerstandselemente und/oder durch ein Wärmeübertra
gungs-Fluid aufgeheizt wird, wobei das Wärmeübertra
gungs-Fluid mittels elektrischen Hilfs-Wärmetauschern
aufgeheizt wird.
Dieses Verfahren unterscheidet sich von dem erfindungs
gemäßen Verfahren insbesondere dadurch, daß die Wärme
mittels eines Wärmetauschermechanismus zugeführt wird,
wobei diese Wärmezufuhr derart erfolgt, daß die oben er
wähnten Kapillarkräfte nicht zerstört werden. Wie erwähnt
macht dies sehr hohe Temperaturen nötig, um das Öl aus
dem Schlamm entfernen zu können. Diese Temperatur liegt
im Bereich von ungefähr 260-360°C, wie sich auch in
Untersuchungen herausgestellt hat, die im Rahmen der vor
liegenden Erfindung angestellt wurden. Dies führt zu den
erheblichen Problemen die bereits erwähnt wurden, das
heißt Oxidation oder Zersetzung des entstehenden Abfall
gases kann nicht verhindert werden, um die Bildung von
neuen Verbindungen zu vermeiden. Gemäß dem oben erwähnten
Verfahren wurden Anstrengungen unternommen, die Bildung
von neuen Verbindungen zu unterdrücken, indem ein inertes
Gas in den Prozeß eingebracht wurde. Weiter wird es in
dem oben erwähnten Verfahren für wichtig erachtet, daß
Sauerstoff oder oxidierende Gase sorgfältig vermieden
werden, während der Schlamm in dem Behälter aufgeheizt
wird. Untersuchungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung
haben dies auch bestätigt.
Nach dem Verdampfen wird das Gas in einen Kondensierer
geführt, der die Ölgase durch direktes Besprühen mit
Wasser kondensieren läßt. Die Verwendung von Wasser führt
jedoch zu dem beachtlichen Problem des Trennens des Was
ser/Öl-Kondensats und man kann niemals mit absoluter Si
cherheit ausschließen, daß das Wasser Ölrück
stände enthält.
Bei der Verwendung von Bohrschlamm auf Ölbasis ist es
wünschenswert, Kohlenwasserstoffe zu verwenden, die
nicht giftig sind (z. B. Kero, Somentor 31, TSD 2803
oder TSD 2832). Zusätzlich zu der möglichen Explosions
gefahr, Problemen mit dem Material der Anlage selbst und
Probleme hinsichtlich des Verrußens ist es weiterhin äu
ßerst nachteilig, daß aufgrund der hohen Temperaturen
Endprodukte entstehen, die bezüglich einer möglichen Ge
sundheitsgefährdung nicht mehr kontrolliert sind.
Es wäre anzunehmen, daß beim Destillieren von Öl aus
Bohrschlamm unter Vakuum ausreichend geringe Siedetempe
raturen erreichtbar wären. Untersuchungen haben jedoch
gezeigt, daß selbst bei einer Vakuumdestillation keine
ausreichend niedrigen Temperaturen erzielbar sind.
Mit den heutzutage bekannten Destillationsverfahren, da
runter auch die oben erwähnten, sind Siedetemperaturen
von annähernd 350°C nötig, um ausreichend Öl aus den
Mineralien oder dem Schlamm zu entfernen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
gemäß der aus der norwegischen Patentanmeldung
7 71 423 bekannten Art zu schaffen, daß das Verdampfen
der flüssigen Komponente der zu trennenden Materialien
bei erheblich tieferen Temperaturen erlaubt.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale
des Anspruchs 1.
Bei Destillationsversuchen, in denen die Siedeprozesse
untersucht wurden, hat sich herausgestellt, daß die
Oberflächenspannungen und die Polaritätsbindungen zwi
schen den Molekülen durch Bewegung verhindert werden
können. Eine schnelle Relativbewegung zwischen den Mole
külen verhindert, daß diese aneinandergebunden werden.
Diesen Umstand macht sich die vorliegende Erfindung zu
nutze. Die gesamte Energie für den Destillationsvorgang
wird durch Bewegung des Schlammes mittels einem Schlag
rührwerk zugeführt. Die zur Verdampfung notwendige Wär
meenergie entsteht dabei durch innere Reibung in dem Ma
terial aufgrund des Schlagrührwerks. Aufgrund des Frei
werdens des Wassers zusammen mit dem Öl ist z. B. bei dem
Öltyp Somentor 31 die Siedetemperatur um 188°C gerin
ger als bei einem entsprechenden Aufsieden in einer Re
torte. Dies bedeutet, daß der Partialdruck des Öls unge
fähr 50% des Gesamtdruckes der Gasmischung ausmacht.
Der Schlamm wird von Rühr- oder Schlagarmen durchgeführt
und aufgeschlagen, welche von einem Elektro- oder Ver
brennungsmotor in Drehung versetzt werden, was sowohl ein
Verdampfen des Kristallwassers als auch des freien Was
sers in dem Schlamm zufolge hat, so daß der Partialdruck
des Öldampfes (und des Dampfes anderer Flüssigkeiten) zu
sätzlich zu dem Partialdruck des Wassers einen Gesamt
druck in der Gasmischung erzeugt, was wiederum zufolge
hat, daß die Verdampfungstemperatur der gesamten Gas
mischung entsprechend der Verdampfungstemperatur für den
Partialdruck des Öles verringert wird. Energie wird dem
Schlamm von der Energiequelle als Reibungshitze aufgrund
der Reibung zwischen den Partikeln in dem Schlamm und
zwischen den Partikeln und den Rührarmen zugeführt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist auch vorgese
hen, die Kondensationswärme abzuführen. Hierzu ist ein
Einspritzkondensator herkömmlicher Bauweise oder ein
Ejektor-Kondensator vorgesehen. Erfindungsgemäß wird ein
gekühltes Kondensat als Kühlmittel verwendet. Zusätzlich
zur Minimierung der Probleme des Trennens von Öl und Was
ser ist dieses Verfahren umempfindlich gegenüber Ver
schmutzung durch Staub und verhindert jegliche Ver
schmutzung des Kühlwassers.
Zusätzlich kann ein Großteil der Hitze des getrockneten
Schlammes verwendet werden, den nicht behandelten Schlamm
vorzuheizen, so daß Wärmeverluste wesentlich verringert
werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchgeführte Ver
suche wurden auf einer Testanlage mit einer Leistung von
45 kW durchgeführt. Die Testanlage wies eine Verdampf
ungstrommel mit einem Durchmesser von 55 cm und einer
Länge von 60 cm auf, innerhalb der ein Rotor angeordnet
war, dessen Rührarme einen Abstand von ungefähr 10 mm zur
Innenwand der Trommel hatten. Der Antrieb des Rotors er
folgte durch einen 45 kW Synchronmotor, dessen Stromver
brauch über ein Amperemeter meßbar war. Die Drehzahl des
Rotors lag ungefähr bei 2000 U/min. Auf der Oberseite der
horizontal angeordneten Trommel war eine Gas-Abführlei
tung angeordnet, welche zu einem Kondensator führte, so
wie eine Leitung zum Zuführen von Schlamm. Das Öl in dem
Bohrschlamm wies verschiedene Fraktionen auf, welche bei
verschiedenen Temperaturen verdampften. Dies zeigte sich
eindeutig bei Versuchen. Die Temperatur stieg sehr rasch
auf ungefähr 42°C und verblieb dort für einige Minuten,
bis die betreffende Fraktion entfernt war. Danach stieg
die Temperatur wieder um einige Grad und blieb wieder
konstant, bis die nächste Fraktion entfernt war. Auf
diese Weise stieg die Temperatur um ungefähr sieben Tem
peraturstufen an, wobei Öl von den kondensierten Gasen
getrennt wurde. Der Grund dafür, daß bei den verschiede
nen Temperaturstufen kein Anwachsen der Temperatur zu
bemerken war, bis die betroffenen Fraktionen verdampft
waren, ist der, daß die gesamte zugeführte Energie ver
wendet wurde, um das Öl zu verdampfen.
Bei einer Temperatur von 172°C war ein kontinuierliches
Ansteigen der Temperatur zu bemerken, ohne daß weitere
ausgeprägte Temperaturstufen oder Öldampf entstanden.
Der getrocknete Schlamm war ein feinkörniges Pulver mit
blasser Farbe im Gegensatz zu dem Ausgangsmaterial, das
schwarz war. Farbe und Konsistenz des getrockneten
Schlammes waren sowohl bei Schlamm mit Spänen als
auch bei Ölschlamm mit Schwerspat
(Baryt) gleich.
In den Tests ergaben sich die folgenden Ergebnisse:
- 1. Rohmasse mit 16% Öl.
- 2. Rohmasse mit 13,9% Öl.
Test 02 1084 bei 172°C.
- 1. Masse mit 0% Öl.
- 2. Masse mit 3,6% Öl.
Test 03 1084.
- 1. Masse mit 3,5% Öl.
Test 04 1084 bei 150°C.
- 1. Masse mit 3,6% Öl.
Test 04 1084 bei 160°C.
- 1. Masse mit 2,45% Öl.
Test 03 1084 bei 172°C.
- 1. Masse mit 1,8% Öl.
Der Grund für die Schwankungen in den Ergebnissen liegt
in Ungenauigkeiten der Meßmethode selbst, sowie in Mu
stern die nicht völlig homogen waren.
Anhand der Fig. 1 der Zeichnung soll nun im folgenden
das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert werden:
Schlamm aus einem Tank 12 wird über eine einstellbare
Pumpe 9 einem Verdampfer zugeführt, der auf dem Rei
bungsprinzip arbeitet und somit als Reibungsverdampfer 1
bezeichnet wird. Der Schlamm kocht in dem Verdampfer und
der entstehende Dampf geht über eine Staubabtrennungs
vorrichtung zu einem Direktkontakt-Kondensator 4. Die
Staubabtrennungsvorrichtung besteht im wesentlichen aus
einem Ventilator 2 und einem Zyklon 3.
Der entstehende trockene Schlamm ist ein fluidisiertes
Pulver ohne irgendwelche Ölbestandteile und wird über
ein Ventil 10 abgelassen. Von dem Ventil oder Ablaß 10
kann der trockene und heiße Schlamm, bzw. dessen Rück
stand über einen Wärmetauscher 14 geführt werden, wo er
seine Hitze an Öl abgibt, welches von einer Pumpe 15 ei
nem Wärmetauscher 16 in dem Tank 12 zugeführt wird, so
daß der unbehandelte Schlamm vorgeheizt werden kann.
Der getrocknete Schlamm in Form des Pulvers kann unter
Beimischung von gewöhnlichem Zement zu Briketts geformt
werden. Der Vorteil hier ist, daß das Volumen und somit
auch die Oberfläche des Pulvers verringert wird, was
wiederum die Gefahr verringert, daß aus dem Baryt
(BaSO4) Barium frei wird, wenn das Material gelagert
wird. Die Briketts können kubisch, zylindrisch oder der
gleichen sein und haben in jedem Fall eine leicht han
delbare Form des Pulvers zur Folge, das somit in geeig
neten Lagerstätten oder dergleichen gelagert werden kann.
In dem Kondensator 4 wird der Öldampf mittels gekühltem
Öl aus einem Tank 6 kondensiert, wobei das Kühlöl zu dem
Kondensator 4 mittels einer Pumpe 7 gefördert wird.
Wenn das Verfahren unter Vakuumbedingungen ausgeführt
wird, um eine weitere Verringerung der Siedetemperatur zu
erreichen, ist es notwendig, entweder einen Einspritz
kondensator zu verwenden oder die Gase von dem Kondensa
tor über eine Vakuumpumpe zu entfernen.
Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird nun der Reibungsver
dampfer 1 gemäß Fig. 1 näher erläutert.
Der Verdampfer weist einen teilbaren zylindrischen Be
hälter 21 auf, dessen innere Oberfläche mit langgestreck
ten Rippen 22 besetzt ist. Im Inneren des Behälters 21 ist
ein Rotor angeordnet, der im wesentlichen aus einer An
triebswelle 23, Rotorblätter 25 und Schlagarmen 24 be
steht.
Die Schlagarme 24 sind ähnlich herkömmlicher Hammermühlen
aufgebaut, jedoch breiter ausgelegt, um zu vermeiden,
daß die Schlammpartikel unnötig zerkleinert werden.
Wenn der Rotor mittels eines Elektromotors 11 (Fig. 1)
in Drehung versetzt wird (mit ungefähr 1500-1400 U/min)
wird der Schlamm nach außen in Richtung der Zylinderwand
geschlagen und formt eine sich drehende Schicht auf der
Innenwand mit großer interner Reibung zwischen den Par
tikeln. Somit wird mittels der Reibung zwischen den Par
tikeln und der Reibung zwischen den Partikeln und den
Schlagarmen Energie aufgebracht. Es soll hier festgehal
ten werden, daß kein Kontakt zwischen dem Schlamm und den
Rotorblättern, an welchen die Schlagarme befestigt sind,
erfolgt. Weiterhin ist mit diesem Aufbau das Zerschlagen
ölhaltiger Mineralien, wie beispielsweise Ölschiefer
möglich, um das Öl aus diesen Mineralien zu gewinnen.
Die Energie des Elektromotors wird in den Schlamm als
Reibungshitze übertragen.
Von einem Einlaß 26 an einer Endfläche des Behälters wird
der Schlamm zugeführt. Wenn somit Bohrschlamm kontinu
ierlich zugeführt wird, wird er mit einer derartigen
Rate in dem Verdampfer verdampfen, daß die Schicht in dem
Behälter im wesentlichen aus fluidisiertem trockenem
Pulver besteht. Dieses Pulver kann dann einfach und kon
tinuierlich an der anderen Endfläche des Behälters über
ein Ventil 27 abgelassen werden, das vorzugsweise über die
Temperatur des entstehenden Dampfes geregelt wird.
Der freigewordene Dampf wandert in Richtung der An
triebswelle 23 des Rotors und Staub in dem Dampf wird
wirksam aufgrund des Zentrifugen- oder Zyklon-Effektes
entfernt, so daß der relativ reine Dampf den Verdampfer
über einen Auslaß 28 verläßt.
Claims (3)
1. Verfahren zum Trennen von Öl, Wasser und anderen
verdampfbaren Flüssigkeiten aus einer Mischung die
ser Flüssigkeiten mit feinen Partikeln durch Ver
dampfung der flüssigen Komponente aus dem Schlamm in
einem Verdampfer, wobei das Material im Verdampfer
durch Energie erhitzt wird, die vollständig durch
Reibung in dem Material mittels eines Schlagrühr
werkes erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Dampf aus dem Reibungsverdampfer (1) durch
das gekühlte Kondensat der abgetrennten verdampfba
ren Flüssigkeit kondensiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Material aus einem Schlammtank (12) über
eine regulierbare Pumpe (9) kontinuierlich dem Ver
dampfer (1) zugeführt wird; daß der Dampf, der aus
dem Verdampfer (1) ausgeschieden wird, über einen
Staubabscheider (2, 3) zu einem Direktkontaktkonden
sator (4) geleitet wird, der die feinen Partikel als
ein fluidisiertes, trockenes, fast ölfreies Pulver
aus dem Verdampfer (1) und dem Staubabscheider (2,
3) aussondert und der die kondensierte Flüssigkeit
fast frei von Partikeln aus dem Kondensator (4)
aussondert.
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