EP2421626A1 - Méthode de séparation de deux liquides non miscibles en phase dispersée - Google Patents

Méthode de séparation de deux liquides non miscibles en phase dispersée

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Publication number
EP2421626A1
EP2421626A1 EP10717196A EP10717196A EP2421626A1 EP 2421626 A1 EP2421626 A1 EP 2421626A1 EP 10717196 A EP10717196 A EP 10717196A EP 10717196 A EP10717196 A EP 10717196A EP 2421626 A1 EP2421626 A1 EP 2421626A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
separator
phase
water
liquids
separation
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10717196A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Stéfano FALAPPI
Thierry Palermo
Christine Noik
Benjamin Brocart
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IFP Energies Nouvelles IFPEN
TotalEnergies SE
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles IFPEN
Total SE
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Filing date
Publication date
Application filed by IFP Energies Nouvelles IFPEN, Total SE filed Critical IFP Energies Nouvelles IFPEN
Publication of EP2421626A1 publication Critical patent/EP2421626A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D17/00—Separation of liquids, not provided for elsewhere, e.g. by thermal diffusion
    • B01D17/02—Separation of non-miscible liquids
    • B01D17/0208—Separation of non-miscible liquids by sedimentation
    • B01D17/0211—Separation of non-miscible liquids by sedimentation with baffles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D17/00—Separation of liquids, not provided for elsewhere, e.g. by thermal diffusion
    • B01D17/02—Separation of non-miscible liquids
    • B01D17/0208—Separation of non-miscible liquids by sedimentation
    • B01D17/0214—Separation of non-miscible liquids by sedimentation with removal of one of the phases
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D17/00—Separation of liquids, not provided for elsewhere, e.g. by thermal diffusion
    • B01D17/02—Separation of non-miscible liquids
    • B01D17/04—Breaking emulsions
    • B01D17/047—Breaking emulsions with separation aids

Definitions

  • the present invention relates to the field of effluent treatment comprising two immiscible liquids in the dispersed phase, such as petroleum effluents from production wells.
  • the invention relates to a method for separating two immiscible liquids in emulsion, in particular water and liquid hydrocarbons.
  • the object of the invention is a method of alternative separation of two immiscible liquids in dispersed phase by means of a gravity separator.
  • the method makes it possible to optimize the dimensioning of the separator and / or the operating conditions of the separator with respect to a constraint (cost, dimensioning, separation efficiency).
  • the method is based on a modeling of the separation within a gravity separator, by means of a physical model.
  • the invention relates to a method for separating two immiscible liquids in dispersed phase, into which the dispersed phase is introduced into a gravity separator.
  • the two liquids are separated by decantation during a sedimentation time T SED in which a first phase is obtained consisting of a first liquid at the bottom of the separator, a second phase consisting of the second liquid at the top of the separator.
  • a third phase containing the two immiscible liquids in dispersed phase
  • a fourth phase containing the two immiscible liquids forming a dense bed.
  • the method comprises the following steps: a) measuring physicochemical parameters of said liquids and of the dispersed phase; b-a physical separation model is defined which is a function of said physicochemical parameters and parameters relating to the operation and the dimensioning of said separator, considering that said separator operates in stationary conditions, by using a material conservation report on the first fluid within dense bed to take into account a first coalescence between the first phase and drops of first liquid present in the fourth phase, and using a law of evolution of size D drops of first liquid during the separation to take into account has a second coalescence between drops of first liquid within the third phase and; c- using said model to determine at least one of said parameters; and d- the separation is carried out according to the values of said parameters.
  • the balance of conservation of the material on the first fluid within the dense bed leads to the equality of a volume of the first fluid (v w ) out of the dense bed and a volume of the first fluid (v s ) entered the dense bed, and one defines the volume of the first fluid (v w ) out of the dense bed as a function of a speed N of passage of the first liquid contained in the fourth phase to the second phase.
  • the volume of the first fluid (Vs) entering the dense bed can then be defined as a function of a surface occupied by the third phase in a last section of the separator S EMUL -
  • the parameters S EMUL and N can be determined according to the law of evolution of size D drops of first liquid during the separation.
  • the dispersed phase may be an emulsion of water and oil
  • the parameters determined in step c may be chosen from the following parameters: the sedimentation time T S ED.
  • parameters relating to the sizing of the separator can be chosen from the following parameters: length and radius of the separator, height of a spillway of the separator.
  • the parameters relating to the operation of the separator can be chosen from the following parameters:
  • the parameter determined in step c may be an interface voltage coefficient ( ⁇ ) between the two liquids to have a fixed separation efficiency ⁇ , and an additive is added to the dispersed phase. chosen so that the liquids within the dispersed phase respect the value of the determined interface voltage coefficient ( ⁇ ).
  • the parameter determined in step c may be the length L of the separator to have a fixed separation efficiency ⁇ , and the separator is sized accordingly to implement the separation.
  • the parameter determined in step c may be the inlet flow Q E of the liquids to have a fixed separation efficiency ⁇ , and the two liquids are injected with this flow rate Q E to put implement the separation.
  • the parameter determined in step c may be the efficiency ⁇ of the separator.
  • FIG. 1 represents a flowchart of the method according to the invention.
  • Figure 2 shows the division into three zones of a horizontal gravity separator.
  • FIGS. 3A, 3B and 3C schematize the stable steady-state stratified flow, leading to the distinction of four phases within the separator.
  • FIG. 4 represents the curve of the volume of water (v s ) which reaches the dense bed by sedimentation, and the curve of the volume of water (v w ) coming out of the dense bed by coalescence with the foot of water, according to different height values of the dense emulsion / emulsion interface (h D ).
  • FIG. 5 illustrates the notion of the last section of the separator, the area occupied (S Emu i) by the emulsion in this last section, as well as the available area (S D i Sp ) for the passage of the emulsion and the oil already separated in the separator.
  • FIG. 1 represents a flowchart of the method of alternative separation of two immiscible liquids in dispersed phase, according to the invention.
  • the method essentially comprises the following steps:
  • a cylindrical horizontal gravity separator is used to separate an emulsion from oil and water.
  • volume fraction of water in the dense bed is also between 0.65 and 0.7
  • the horizontal gravity separators are large cylindrical tanks (figure 2) in which one introduces continuously a mixture Ml petrol-water (and possibly gas) in order to obtain two ( or three) distinct and uniform phases in output. The difference in density of these phases allows their separation.
  • a separator must be sized to allow sufficient time for drops of the dispersed phase to reach the interface and coalesce (COI) with it.
  • Their diameter is generally between 3 and 5 m for a length of between 15 and 30 m.
  • a horizontal gravity separator can be divided into three zones ( Figure 2).
  • the inlet of the separator (zone 1 - Z1) is equipped with perforated plates, baffles or screens to avoid the formation of an inlet jet and reducing the speed and turbulence of the dispersion.
  • the dispersion flows along the decanter, as indicated by the arrow EC in Figure 2, and reaches a steady state within a settling zone (zone 2 - Z2).
  • the drops of the dispersed phase sediment (SED) vertically. Arrived at the interface, the drops accumulate forming a zone of dense emulsion before coalescing with their homophase.
  • this dense emulsion zone is due to the difference between the characteristic times of sedimentation and coalescence: in most cases, the drops sediment more quickly than they coalesce with the interface. They thus accumulate above this one to form a zone of dense emulsion (dense bed) or Dense Packed Zone in English (DPZ).
  • This zone thus consists of a stack of drops of different sizes, and can be considered fixed with respect to the main flow of the separator.
  • DPZ Dense Packed Zone in English
  • the interface between the oil phase and the gas above is positioned at the height H equal to the height of the weir. below, an intermediate water-in-oil emulsion phase with a volume fraction equal to the input volume fraction.
  • the interface between the oil phase and the emulsion phase is located at the height h s .
  • a water-in-oil emulsion phase with a volume fraction close to the maximum volume fraction (dense bed).
  • the interface between the emulsion phase and the dense bed is located at height h D.
  • the thickness of the dense bed is typically constant (h D -h w is a constant).
  • a phase consisting of almost pure water, at the bottom of the separator, is called water foot.
  • the height h w of the water foot is kept constant in the separator.
  • the length of zone 2 is called L. This length is defined as the "effective" length of the separator, considering that the phenomenon of phase separation takes place only in this zone.
  • the water outlet (WE) is in zone 2: it is used to adjust the height of the water foot by acting on a pump located downstream, on the water tap of the separator.
  • the evacuation zone (zone 3 - Z3) allows the liquid hydrocarbons, commonly called oil, to flow over a weir (DE) and then exit the separator (OE).
  • OE separator
  • gas comes out of a GE outlet. If the residence time of the effluents in the separator is sufficient, the oil thus recovered is freed from most of its water.
  • the flow of effluents entering the separator is called Q E. These effluents are characterized by a volume fraction of water ⁇ o .
  • the effluents leave the separator, either through the spillway with a flow rate Q s , composed of an oil flow rate Q S M and a water flow rate Q S M or by the water quilting with a water flow rate Q w .
  • the flow rate Q s is characterized by a volume fraction of water ⁇ s which can vary between 0 in the case of complete separation, and ⁇ o in the absence of separation.
  • We can therefore divide the flow rate Q s into two parts: the flow rate of the residual water in the emulsion (Qs / w Qs ⁇ s) and the oil flow at the outlet of the weir
  • the parameters related to the operation and sizing of the separator can be grouped into four sets: a.
  • parameters relating to the geometry of the separator (length L and radius R of the separator, height H of the weir); b. parameters relating to the conditions of entry into the separator: the inlet flow (Q E ) and the fraction of water ( ⁇ o ) within the dispersed phase.
  • vs. parameters relating to the settling phenomenon within the separator the height (h w ) of water within the separator, the heights /? and h n respectively of the emulsion and the dense bed within the separator and the residence time (7 " SED) in the separator;
  • zone 2 settling zone of the separator
  • the method is applicable to a separator for which there is at least one stationary operating point.
  • decantation corresponding to the sedimentation phenomenon of drops of water dispersed in the emulsion and reaching the dense bed.
  • This phenomenon is characterized by a flow of water.
  • the coalescence of water drops from the dense bed with the foot of water, noted COI in Figure 2.
  • This phenomenon is characterized by the flow of water Q w that comes out of the dense bed by interfacial coalescence with the foot of water .
  • N the speed of passage through the interface h w of the water present in the dense bed (this speed can be seen as the speed of the interface between the water and the dense bed, if one did not empty not water)
  • B w the width of the interface between the foot of water and the dense bed at height h w
  • the speed N depends on the physicochemical properties relating to the liquids, the dispersed phase, the parameters related to the dimensioning of the separator and the parameters related to the operation of the separator.
  • S & mj '•' has the emulsion surface occupied in the last section of zone 3 of the separator, i.e. the chute section matching.
  • the surface S BmuJ depends on the physicochemical properties relating to the liquids, the dispersed phase, the parameters related to the sizing of the separator and the parameters related to the operation of the separator.
  • the volumes v s and v w are determined by taking into account the coalescence phenomena within the separator, in particular the fact that there are two types of coalescence: the coalescence of the drops of water in the emulsion, which corresponds to the shocks between drops during decantation; - the coalescence between the drops of water and the foot of water at the dense bed / water interface.
  • S EMUL and N can be determined by considering a change in the size of the drops of water during sedimentation.
  • D is the average diameter of the drops. It is considered that in the separator at a certain moment, all the drops have the same size. D directly depends on the sedimentation time within the separator T SED . D accounts for flow collisions in the separator: impacts between drops during sedimentation and horizontal flow interactions.
  • the first term to the right of equation 9 takes into account the impacts between drops during sedimentation.
  • the frequency of these impacts is expressed as the ratio of the average distance between drops at a characteristic speed chosen as proportional to the sedimentation rate.
  • K The second term to the right of equation 9, K, considers the flow interactions in a horizontal direction.
  • K is proportional to the average velocity gradient in the available section, evaluated assuming a laminar flow.
  • the parameters D 0 and ⁇ are determined by means of a calibration performed by "bottle test". This technique is well known in the art and described for example in:
  • h D y (pi, P 2 , ..-) where j is a function and pi, p 2l ... are parameters independent of h D.
  • j is a function and pi, p 2l ... are parameters independent of h D.
  • the position of the interface h D is considered as the independent variable. It can vary between the height of the water foot h w and the height of the weir H. This range of variation (H - h w ) is discretized into n segments. For each segment, one chooses a value of h D , called h D * This last one makes it possible to calculate an available section, and thus a residence time T * Sed , a surface occupied by the emulsion in the last section and a value of speed N *.
  • the output water fraction can also be evaluated with the following equation: We can then define a separation efficiency of the separator:
  • the model thus makes it possible to determine the sedimentation time T SED , and at the same time: h s , S E MUL, h D , Q w , Q 8 M, Q & H, ⁇ s-
  • the separation is then carried out by means of the separator and respecting the sizing and operating parameters fixed or determined by means of the physical separation model.
  • an additive is added to the emulsion chosen so that the interface voltage coefficient ⁇ within the emulsion has the determined value.
  • the efficiency ⁇ of the separator is determined. This makes it possible to determine whether it is necessary to optimize the separation parameters.
  • ⁇ D volume fraction of water in the dense bed V mean volume of the drops ⁇ viscosity continuous phase (oil) ⁇ pressure exerted by the dense emulsion column on the interface water / dense emulsion time characteristic of coalescence during sedimentation
  • the volume of water passed into the dense bed during the dwell period is equal to the volume of water lost by the emulsion at the same time, and this is the difference between the volume of water that enters v £ the separator is the volume vyw coming out of the weir of the separator:
  • V S V E - V SIW
  • the volume of water that enters the separator during the residence time is as follows:
  • the volume of water coming out of the separator is related to the flow of water at the outlet of the weir
  • V mo y (V mo y) of the whole emulsion plus oil already separated is uniform in the separator, so it remains constant in all sections of the passage, including the last one. This simplification is confirmed by observation, and is applicable if the volume of water lost v s is substantially smaller than the volume of water entering the separator E v.
  • the S emu surface ⁇ of the emulsion in the last section is a function of the height of the interface h s between the emulsion and the already separated oil strip.
  • the volume of the drops evolves in the time according to the following relation:
  • the first part takes into account the impacts between the drops during sedimentation, while the second part considers the interactions due to the flow in the horizontal direction.
  • K is the average gradient of the velocity in the available section and is evaluated assuming a laminar flow. This hypothesis is usually well verified in the separator or we find speeds of the order of a few cm / s.
  • the emulsion and the already separated oil have the same speed in all the section of the separator, so the emulsion + oil unit reaches the last section at the time T Sed after entering the separator.
  • the height of the sedimentation interface in the last section is:
  • the equation Eq. 19 is a function of the size of drops (D) during sedimentation.
  • the size D that we consider in the model is the size of the drops in the last section.
  • We can follow the evolution of the diameter of the drops in time by writing the equation Eq. 8 depending on the diameter of the drops and integrating it into the time T Se d •
  • the term dhw / dt does not represent a displacement of the foot of water interface - dense bed, but a transmission rate through the interface h w AE water present in the dense bed.
  • the displacement with a star is indicated below, to notice that it is a virtual and non-real displacement:
  • the size of the drops that is used in the equation is the size evaluated with equation Eq. 20.
  • the ⁇ parameter is a characteristic parameter of the interfacial film at the dense water / emulsion interface. It depends directly on the coefficient ⁇ , interface voltage coefficient between the oil and the water

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Abstract

Méthode de séparation de deux liquides non miscibles en phase dispersée. On introduit les deux liquides dans un séparateur gravitaire, au sein duquel les deux liquides sont séparés par décantation. On obtient une première phase constituée d'un premier liquide en bas du séparateur, une seconde phase constituée du second liquide en haut du séparateur, une troisième phase contenant les deux liquides non miscibles en phase dispersée, et une quatrième phase contenant les deux liquides non miscibles constituant en lit dense. On mesure des propriétés physicochimiques des liquides et de la phase dispersée, et l'on définit un modèle physique de séparation. Ce modèle est défini en considérant que le séparateur fonctionne en conditions stationnaires, en utilisant un bilan de conservation de la matière sur le premier fluide au sein du lit dense, tout en tenant compte d'un premier phénomène de coalescence entre gouttes d'eau au sein de la troisième phase, et d'un second phénomène de coalescence entre gouttes d'eau de la quatrième phase et la première phase. Puis, on utilise ce modèle pour optimiser la mise en oeuvre de la séparation. Application à la séparation d'effluents pétroliers par exemple.

Description

MÉTHODE DE SÉPARATION DE DEUX LIQUIDES NON MISCIBLES EN PHASE DISPERSÉE
La présente invention concerne le domaine des traitements d'effluents comportant deux liquides non miscibles en phase dispersée, tels que les effluents pétroliers provenant de puits de production.
En particulier, l'invention concerne une méthode de séparation de deux liquides non miscibles en émulsion, notamment de l'eau et des hydrocarbures liquides.
Il est important de séparer l'eau des hydrocarbures liquides produits pour en augmenter la qualité et en faciliter le traitement et le transport. Or, après passage de l'effluent émulsionné dans des séparateurs eau/hydrocarbures conventionnels, celui-ci contient encore de 1 à 5% d'eau émulsionnée résiduelle dans les hydrocarbures liquides.
Il est important de diminuer la quantité d'eau résiduelle afin de répondre aux spécifications techniques des procédés en aval.
État de la technique
Pour ce faire, on connaît des techniques permettant de définir les dimensions des séparateurs gravitaires de façon à améliorer la séparation. Le plus souvent, on suppose une taille moyenne des gouttelettes d'eau à l'entrée du séparateur, autour de 100 microns, et on dimensionne la taille du séparateur en calculant un temps de chute des gouttes d'eau en utilisant des lois de sédimentation pour une dispersion de particules sphériques dans un fluide Newtonien aux faibles Reynolds particulaires.
En régime dilué, la vitesse de sédimentation d'une goutte, qu'on assimile à une sphère, est donnée par la vitesse de Stokes Vst : _ Ap.g.D2
* St 18//
Avec :
D : diamètre moyen des gouttes g : accélération de pesanteur VSt : vitesse de Stokes (vitesse pour une goutte isolée)
Ap : différence de masse volumique entre phase eau et huile μ : viscosité phase continue (huile)
Trois lois de sédimentation en régime concentré (sédimentation "gênée" - « hindered settling ») sont classiquement utilisées. Ces lois prennent en compte l'influence de la concentration en phase dispersée sur la vitesse de sédimentation :
La loi empirique de Richardson - Zaki :
Avec : V - vitesse de sédimentation φ : fraction volumique en gouttes
: un exposant généralement pris autour de 5.
La loi de Snabre - Mills pour des nombres de Reynolds particulaires Rep « 1 et qui repose sur des fondements physiques plus rigoureux :
Avec : y : vitesse de sédimentation
4 V = 0 pour φ > φm =-
Φm : fraction volumique d'eau maximale - La loi de Kozeny - Carman applicable aux écoulements en milieu poreux :
V V — — y
VsC (W)3
10.0
Avec :
V ; vitesse de sédimentation Ces lois sont classiquement utilisées pour dimensionner les séparateurs. Cependant, l'utilisation de ces lois ne permet pas de prendre en compte les phénomènes de coalescence entre gouttes d'eau ainsi que la présence d'une phase d'émulsion dense à l'interface eau libre / émulsion. Ainsi, les séparateurs sont soit surdimensionnés, ce qui a pour conséquence un coût et un encombrement excessifs, soit ils sont sous-dimensionnés, ce qui a pour conséquence une efficacité limitée.
L'objet de l'invention est une méthode de séparation alternatif de deux liquides non miscibles en phase dispersée, au moyen d'un séparateur gravitaire. La méthode permet d'optimiser le dimensionnement du séparateur et/ou les conditions de fonctionnement du séparateur par rapport à une contrainte (coût, dimensionnement, efficacité de séparation). La méthode repose sur une modélisation de la séparation au sein d'un séparateur gravitaire, au moyen d'un modèle physique.
La méthode selon l'invention
L'invention concerne une méthode de séparation de deux liquides non miscibles en phase dispersée, dans lequel on introduit la phase dispersée dans un séparateur gravitaire. Au sein de ce séparateur, les deux liquides sont séparés par décantation pendant un temps de sédimentation TSED au cours duquel on obtient une première phase constituée d'un premier liquide en bas du séparateur, une seconde phase constituée du second liquide en haut du séparateur, une troisième phase contenant les deux liquides non miscibles en phase dispersée, et une quatrième phase contenant les deux liquides non miscibles constituant en lit dense. La méthode comporte les étapes suivantes : a- on mesure des paramètres physicochimiques desdits liquides et de la phase dispersée ; b- on définit un modèle physique de séparation fonction desdits paramètres physicochimiques et de paramètres relatifs au fonctionnement et au dimensionnement dudit séparateur, en considérant que ledit séparateur fonctionne en conditions stationnaires, en utilisant un bilan de conservation de la matière sur le premier fluide au sein du lit dense pour prendre en compte une première coalescence entre la première phase et des gouttes de premier liquide présentes dans la quatrième phase, et en utilisant une loi d'évolution de taille D des gouttes de premier liquide au cours de la séparation pour prendre en compte une seconde coalescence entre gouttes de premier liquide au sein de la troisième phase et ; c- on utilise ledit modèle pour déterminer au moins un desdits paramètres ; et d- on met en oeuvre la séparation selon les valeurs desdits paramètres.
Selon un mode de réalisation, le bilan de conservation de la matière sur le premier fluide au sein du lit dense conduit à l'égalité d'un volume du premier fluide (vw) sorti du lit dense et d'un volume du premier fluide (vs) entré dans le lit dense, et l'on définit le volume du premier fluide (vw) sorti du lit dense en fonction d'une vitesse N de passage du premier liquide contenu dans la quatrirème phase vers la seconde phase. Le volume du premier fluide (Vs) entré dans le lit dense peut alors être défini en fonction d'une surface occupée par la troisième phase dans une dernière section du séparateur SEMUL- Les paramètres SEMUL et N peuvent être déterminés en fonction de la loi d'évolution de taille D des gouttes de premier liquide au cours de la séparation. Selon ce mode de réalisation, on peut estimer la loi d'évolution de taille D des gouttes de premier liquide au cours de la séparation, en exprimant une variation au cours du temps d'un volume moyen des gouttes en fonction d'une efficacité de coalescence et d'un temps caractéristique de coalescence pendant la sédimentation, et on peut exprimer le temps caractéristique en prenant en compte des impacts entre des gouttes pendant la sédimentation et des interactions dues à un écoulement en direction horizontale des liquides.
Selon l'invention, la phase dispersée peut être une émulsion d'eau et d'huile, et les paramètres déterminés à l'étape c peuvent être choisis parmi les paramètres suivants : le temps de sédimentation TSED. des paramètres relatifs au dimensionnement du séparateur, des paramètres relatifs au fonctionnement du séparateur, des propriétés physico-chimiques des liquides et de la phase dispersée. Les paramètres relatifs au dimensionnement du séparateur peuvent être choisis parmi les paramètres suivants : longueur et rayon du séparateur, hauteur d'un déversoir du séparateur. Les paramètres relatifs au fonctionnement du séparateur peuvent être choisis parmi les paramètres suivants :
- paramètres relatifs aux conditions d'entrée dans le séparateur, tels que : débit d'entrée (QE), fraction du premier liquide (Φo) au sein de la phase dispersée, hauteur (hw) de la première phase au sein du séparateur ; - paramètres relatifs à la décantation au sein du séparateur, tels que : hauteurs des troisième (hs) et quatrième (hD) phases au sein du séparateur, et temps de séjour (TSED) dans le séparateur. Selon un mode de réalisation, le paramètre déterminé à l'étape c peut être un coefficient de tension d'interface (σ) entre les deux liquides pour avoir une efficacité η de séparation fixée, et l'on ajoute à la phase dispersée un additif choisi de façon à ce que les liquides au sein de la phase dispersée respectent la valeur du coefficient de tension d'interface (σ) déterminé.
Selon un autre mode de réalisation, le paramètre déterminé à l'étape c peut être la longueur L du séparateur pour avoir une efficacité η de séparation fixée, et l'on dimensionne le séparateur en conséquence pour mettre en œuvre la séparation.
Selon un autre mode de réalisation, le paramètre déterminé à l'étape c peut être le débit d'entrée QE des liquides pour avoir une efficacité η de séparation fixée, et l'on injecte les deux liquides avec ce débit QE pour mettre en œuvre la séparation.
Selon un autre mode de réalisation, le paramètre déterminé à l'étape c peut être l'efficacité η du séparateur.
Enfin, selon l'invention, on peut également déterminer au moins l'un des paramètres suivants relatifs à la sortie du séparateur des liquides : débits aux sorties du déversoir (Qs/w. QS/H). fraction d'eau en sortie du déversoir (Φs), efficacité du séparateur (η), hauteur du front de sédimentation (hs), hauteur de l'interface entre les troisième et quatrième phases (hD), débit d'eau en sortie d'une sortir d'eau du séparateur (Qw). et surface occupée par la troisième phase dans une dernière section du séparateur (SEMUL)-
D'autres caractéristiques et avantages de la méthode selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.
Présentation succincte des figures
La figure 1 représente un organigramme de la méthode selon l'invention.
La figure 2 schématise la division en trois zones d'un séparateur gravitaire horizontal.
Les figures 3A, 3B et 3C schématisent l'écoulement stratifié stable en régime permanent, conduisant à la distinction de quatre phases au sein du séparateur. - La figure 4 représente la courbe du volume d'eau (vs) qui atteint le lit dense par sédimentation, et la courbe du volume d'eau (vw) qui sort du lit dense par coalescence avec le pied d'eau, en fonction de différentes valeurs de hauteur de l'interface émulsion / émulsion dense (hD). La figure 5 illustre la notion de dernière section du séparateur, la surface occupée (SEmui) par l'émulsion dans cette dernière section, ainsi que la surface disponible (SDiSp) pour le passage de l'émulsion et de l'huile déjà séparée dans le séparateur.
Description détaillée de la méthode
La figure 1 représente un organigramme de la méthode de séparation alternatif de deux liquides non miscibles en phase dispersée, selon l'invention.
La méthode comporte essentiellement les étapes suivantes :
1- Mesure de propriétés physicochimiques relatives aux liquides et à la phase dispersée (MPP) ;
2- Choix de paramètres pré-déterminés liés au fonctionnement et au dimensionnement du séparateur (PAR) ;
3- Définition d'un modèle physique de séparation en fonction des paramètres (MODPH) ;
4- Utilisation du modèle pour déterminer l'ensemble des paramètres non fixés, et réalisation de la séparation en respectant les valeurs des paramètres (OPT, SEP).
La nomenclature utilisée au cours de la description est précisée dans l'annexe 1.
Selon un exemple particulier de réalisation, on utilise un séparateur gravitaire horizontal de forme cylindrique pour séparer une émulsion d'huile et d'eau.
1. Mesure de propriétés phvsicochimiαues relatives aux liquides et à la phase dispersée
En laboratoire, par des techniques connues en soi, on détermine les propriétés physico chimique de l'eau, de l'huile suivantes :
- p : la densité de l'huile
- pw : la densité de l'eau
- μ : la viscosité de l'huile σ : le coefficient de tension d'interface entre l'huile et l'eau De plus, on définit une valeur pour les propriétés propres à l'émulsion suivantes :
Φm, fraction volumique d'eau maximale, est compris entre 0.65 et 0.7 - ΦD, fraction volumique d'eau dans le lit dense, est également compris entre 0.65 et 0.7
2- Choix de paramètres liés au fonctionnement et au dimensionnement du séparateur Les séparateurs gravitaires horizontaux sont de grands bacs cylindriques (figure 2) dans lesquels on introduit continûment un mélange Ml pétrole-eau (et éventuellement gaz) dans le but d'obtenir deux (ou trois) phases distinctes et uniformes en sortie. La différence de densité de ces phases permet leur séparation.
Un séparateur doit être dimensionné de façon à laisser suffisamment de temps aux gouttes de la phase dispersée pour atteindre l'interface et coalescer {COI) avec elle. Leur diamètre est généralement compris entre 3 et 5 m pour une longueur comprise entre 15 et 30 m.
Un séparateur gravitaire horizontal peut être divisé en trois zones (figure 2). L'entrée du séparateur (zone 1 - Z1) est munie d'équipements de type plaques perforées, chicanes ou encore grillages permettant d'éviter la formation d'un jet en entrée et réduisant la vitesse et la turbulence de la dispersion. Une fois la zone d'alimentation passée, la dispersion s'écoule le long du décanteur, comme indiqué par la flèche EC sur la figure 2, et atteint un régime stabilisé au sein d'une zone de décantation (zone 2 - Z2). Dans le même temps les gouttes de la phase dispersée sédimentent (SED) verticalement. Arrivées à l'interface, les gouttes s'accumulent formant une zone d'émulsion dense avant de coalescer avec leur homophase. La formation de cette zone d'émulsion dense est due à la différence entre les temps caractéristiques de la sédimentation et de la coalescence : dans la plupart des cas, les gouttes sédimentent plus rapidement qu'elles ne coalescent avec l'interface. Elles s'accumulent donc au-dessus de celle-ci pour former une zone d'émulsion dense (lit dense) ou Dense Packed Zone en anglais (DPZ). Cette zone consiste ainsi en un empilement de gouttes de différentes tailles, et peut être considérée fixe par rapport à l'écoulement principal du séparateur. En régime permanent, on peut considérer que, dans la zone 2, on obtient un écoulement stratifié stable constitué de quatre phases (Figure 3), ainsi caractérisées du haut vers le bas : - une phase constituée quasiment que d'huile au dessus du séparateur, appelée zone à huile ou dispersion. L'interface entre la phase huile et le gaz au dessus est positionnée à la hauteur H, égale à la hauteur du déversoir. - au dessous, une phase intermédiaire d'émulsion eau dans l'huile à fraction volumique égale à la fraction volumique d'entrée. L'interface entre la phase huile et la phase émulsion est située à la hauteur hs.
- au dessous, une phase d'émulsion eau dans l'huile à fraction volumique proche à la fraction volumique maximale (lit dense). L'interface entre la phase émulsion et le lit dense est située à la hauteur hD. L'épaisseur du lit dense est typiquement constante (hD-hw est une constante).
- au dessous, une phase constituée d'eau quasiment pure, en bas du séparateur, est appelée pied d'eau. La hauteur hw du pied d'eau est maintenue constante dans le séparateur.
Sur l'exemple de la figure 2, les phases sont ainsi notées : gaz (G), huile (O), dispersion (DISP), lit dense (DPZ), eau (W), mélange initial (Ml).
On appelle L la longueur de la zone 2. Cette longueur est définie comme la longueur "efficace" du séparateur, en considérant que le phénomène de la séparation des phases a lieu seulement dans cette zone.
L'hypothèse d'uniformité de l'épaisseur du pied d'eau sur toute la longueur de la zone de décantation est acceptable en raison de la faible viscosité de l'eau. En revanche, la même hypothèse pour le lit dense n'est pas assurée. Cependant, des mesures ont montré que la variation d'épaisseur du lit dense est faible. On fait donc l'hypothèse d'une épaisseur du lit dense constante, et égale à la valeur moyenne de son épaisseur sur la longueur de la zone de décantation.
La sortie d'eau (WE) se situe dans la zone 2 : elle permet de régler la hauteur du pied d'eau en agissant sur une pompe située en aval, sur Ie piquage eau du séparateur. A l'extrémité du décanteur, la zone d'évacuation (zone 3 - Z3) permet aux hydrocarbures liquides, communément appelé huile, de s'écouler par dessus un déversoir (DE) pour ensuite sortir du séparateur (OE). Éventuellement, du gaz sort par une sortie GE. Si le temps de séjour des effluents dans le séparateur est suffisant, l'huile ainsi récupérée est débarrassée de la majeure partie de son eau. On appelle QE le débit des effluents qui entrent dans le séparateur. Ces effluents sont caractérisés par une fraction volumique d'eau Φo. Les effluents quittent le séparateur, soit par le déversoir avec un débit Qs, composé d'un débit huile QSM et d'un débit d'eau QSM soit par le piquage eau avec un débit d'eau Qw. Le débit Qs est caractérisé par une fraction volumique d'eau Φs qui peut varier entre 0 dans le cas de séparation complète, et Φo en l'absence de séparation. On peut donc diviser le débit Qs en deux parties : le débit de l'eau résiduelle dans rémulsion (Qs/w= Qs Φs) et le débit d'huile en sortie du déversoir Les paramètres liés au fonctionnement et au dimensionnement du séparateur peuvent être regroupés en quatre ensembles : a. paramètres relatifs à la géométrie du séparateur (longueur L et rayon R du séparateur, hauteur H du déversoir) ; b. paramètres relatifs aux conditions d'entrée dans le séparateur : le débit d'entrée (QE) et la fraction d'eau (Φo) au sein de la phase dispersée. c. paramètres relatifs au phénomène de décantation au sein du séparateur : la hauteur (hw) d'eau au sein du séparateur, les hauteurs /? et hn respectivement de l'émulsion et du lit dense au sein du séparateur et le temps de séjour (7" SED ) dans le séparateur ;
d. paramètres relatifs à la sortie du séparateur des liquides : débits aux sorties, fraction d'eau en sortie du déversoir et efficacité du séparateur.
3- Définition d'un modèle physique de séparation en fonction des paramètres
Pour modéliser les phénomènes de séparation de la zone 2 (zone de décantation du séparateur), on considère que le séparateur fonctionne en conditions stationnaires (la méthode est applicable à un séparateur pour lequel il existe au moins un point de fonctionnement stationnaire). Dans un séparateur en régime stationnaire, on peut considérer que deux phénomènes principaux se produisent : la décantation, correspondant au phénomène de sédimentation des gouttes d'eau dispersées dans l'émulsion et atteignant le lit dense. Ce phénomène se caractérise par un débit d'eau. la coalescence des gouttes d'eau du lit dense avec le pied d'eau, noté COI sur la figure 2. Ce phénomène se caractérise par le débit d'eau Qw qui sort du lit dense par coalescence interfaciale avec le pied d'eau.
En considérant que le séparateur fonctionne en conditions stationnaires, on peut établir un bilan de conservation de la matière sur l'eau dans le lit dense, bilan qui conduit à l'égalité volumique suivante : vw = vs Ainsi, le volume d'eau vw sorti du lit dense (par coalescence entre les gouttes du lit dense et l'eau) est égal au volume d'eau v5 entré dans le lit dense (sédimentation des gouttes de l'émulsion). Autrement dit, l'eau qui arrive dans le lit dense par décantation coalesce avec le pied d'eau. En considérant qu'en régime permanent, l'épaisseur du lit dense est uniforme dans le séparateur (et donc la vitesse horizontale des gouttes dans le lit dense est nulle), on peut écrire : vw = Bw.LN.TSed
Avec : TSED '• le temps de sédimentation au sein du séparateur
N : la vitesse de passage à travers l'interface hw de l'eau présente dans le lit dense (cette vitesse peut être vue comme la vitesse de l'interface entre l'eau et le lit dense, si l'on ne vidait pas l'eau)
L : la longueur du séparateur
Bw : la largeur de l'interface entre le pied d'eau et le lit dense à la hauteur hw
(figure 3C)
La vitesse N dépend des propriétés physicochimiques relatives aux liquides, à la phase dispersée, aux paramètres liés au dimensionnement du séparateur et aux paramètres liés au fonctionnement du séparateur.
En considérant également que le volume de liquide qui s'écoule du déversoir, correspond au volume de liquide au dessus du lit dense que l'on retrouve dans la dernière section du séparateur, on peut écrire : vs = φϋQETSed -φϋ SEmul L
Avec :
S&mj '• 'a surface occupée par l'émulsion dans la dernière section de la zone 3 du séparateur, c'est à dire la section en correspondance du déversoir. La surface SBmuJ dépend des propriétés physicochimiques relatives aux liquides, à la phase dispersée, aux paramètres liés au dimensionnement du séparateur et aux paramètres liés au fonctionnement du séparateur.
Selon l'invention, on détermine les volumes vs et vw en prenant en compte les phénomènes de coalescence au sein du séparateur, en particulier le fait qu'il existe deux types de coalescence : la coalescence des gouttes d'eau dans l'émulsion, qui correspond aux chocs entre gouttes lors de la décantation ; - la coalescence entre les gouttes d'eau et le pied d'eau au niveau de l'interface lit dense / eau.
Pour ce faire, on peut déterminer SEMUL et N en considérant une évolution de la taille des gouttes d'eau au cours de la sédimentation. On note D le diamètre moyen des gouttes. On considère que dans le séparateur à un certain instant, toutes les gouttes ont la même taille. D dépend directement du temps de sédimentation au sein du séparateur TSED. D tient compte des collisions dues à l'écoulement dans le séparateur : les impacts entre le gouttes pendant la sédimentation et les interactions dues à l'écoulement en direction horizontale.
1- On exprime la variation dans le temps du volume moyen des gouttes v(v=(π/6)C^), rapporté au volume initial VQ \
Eq. 8 É∑!^ = aλ dt τc
Avec : a : efficacité de coalescence pendant la sédimentation τc : temps caractéristique de coalescence pendant la sédimentation
2- On veut que la fréquence de collision entre les gouttes prenne en compte aussi les collisions dues à l'écoulement dans le séparateur :
Avec :
- L'indice 0 indique une valeur au temps f=0.
- J(Φ) : terme de dépendance en Φdans l'expression de la vitesse de sédimentation V = Vst.fiφ) . Ici : f(φ0) = (1 -φ0)" .
- Φm : fraction volumique d'eau maximale
- Φo : fraction d'eau au temps f=0
- D : diamètre moyen des gouttes
- D0 : diamètre moyen des gouttes au temps t=0 - Vst0 : vitesse de Stokes au temps f=0 :
0 18//
- K ; gradient moyen de la vitesse horizontale dans la section disponible
K ^ _=-6 φ,0- & π r" SDisp(H-hD)
- SDisp • ' surface disponible pour le passage de l'émulsion
Le premier terme à droite de l'équation 9 prend en compte les impacts entre les gouttes pendant la sédimentation. La fréquence de ces impacts s'exprime comme le rapport de la distance moyenne entre gouttes à une vitesse caractéristique choisie comme proportionnelle à la vitesse de sédimentation.
Le second terme à droite de l'équation 9, K , considère les interactions dues à l'écoulement en direction horizontale. Le terme K est proportionnel au gradient moyen de la vitesse dans la section disponible, évalué en supposant un écoulement laminaire.
Selon un mode de réalisation, on utilise les modèles suivants, dont le fondement est décrit dans l'annexe 2 :
a) -W ^1(A55R5Z5H) et
SD. L d) Tsed = — 1^5- - ou Tsed est le temps de résidence de l'émulsion dans le séparateur
Selon un mode de réalisation, on détermine les paramètres D0 et α, au moyen d'un calage effectué par « bottle test ». Cette technique est bien connue des spécialistes et décrite par exemple dans :
1. Lissant, K.J., "Demulsification-lndυstrial Application", Surfactant Science Séries, Vol. 13, Marcel Dekker, New York (1983).
2. Kokal, S., "Crude oil emulsions : a state of the art review", In Proceedings SPE ATCE, San Antonio, Tx, 29/09-2/10 2002, SPE paper n° 77497.
4- Utilisation du modèle pour déterminer l'ensemble des paramètres non fixés et réalisation de la séparation en respectant les valeurs des paramètres
L'inconnue du modèle est la position hD de l'interface entre le lit dense et l'émulsion. Dans ce modèle plusieurs quantités dépendent de hD, et il n'existe pas pour cette équation une solution analytique, c'est-à-dire que l'on ne peut pas extraire de ce modèle une équation de la forme : hD = y(pi, P2,..-) où j est une fonction et pi, p2l... sont des paramètres indépendants de hD. On dit alors que l'on ne peut pas expliciter hD à partir du modèle. L'équation est dite « implicite ». Selon un mode de mise en œuvre de l'invention, on procède de la façon suivante :
La position de l'interface hD est considérée comme la variable indépendante. Elle peut varier entre la hauteur du pied d'eau hw et la hauteur du déversoir H. On discrétise cet intervalle de variation (H - hw) en n segments. Pour chaque segment, on choisit une valeur de hD, appelée hD * Cette dernière permet de calculer une section disponible, et donc un temps de séjour T* Sed, une surface occupée par l'émulsion dans la dernière section et une valeur de vitesse N*.
Pour chaque segment (chaque valeur de hD * ), on calcule les valeurs de v5 et vw , et l'on trace des courbes des deux volumes en fonction de hD * , par interpolation. La figure 4 représente les courbes vs et vw, en fonction de la valeur de hD * . On peut déterminer alors le point d'intersection des courbes, qui correspond à l'égalité des volumes. L'abscisse de ce point donne la valeur de hD recherchée, qui permet de calculer directement TSed.
On peut également évaluer la fraction d'eau en sortie avec l'équation suivante : On peut ensuite définir une efficacité de séparation du séparateur :
Le modèle permet donc de déterminer le temps de sédimentation TSED, et en même temps : hs, SEMUL, hD, Qw, Q8M, Q&H, Φs-
De plus, en fixant tous les paramètres du modèle sauf un, il est possible de déterminer la valeur optimale du paramètre non fixé. Ainsi, l'utilisation de ce modèle permet par exemple
- de déterminer la géométrie du séparateur nécessaire pour obtenir une efficacité de séparation fixée et connaissant les paramètres relatifs au fonctionnement du séparateur et les propriétés physicochimiques des liquides et de l'émulsion. - de déterminer le débit d'entrée (QE) OU la fraction d'eau (Φo) au sein de la phase dispersée ou la hauteur d'eau (hw) au sein du séparateur, nécessaire pour obtenir une efficacité de séparation fixée, connaissant les paramètres relatifs au fonctionnement du séparateur, les paramètres relatifs au dimensionnement du séparateur et les propriétés physicochimiques des liquides et de l'émulsion. - de déterminer les débits aux sorties ou la fraction d'eau en sortie du déversoir ou l'efficacité du séparateur connaissant les paramètres relatifs au fonctionnement du séparateur, les paramètres relatifs au dimensionnement du séparateur et les propriétés physicochimiques des liquides et de l'émulsion. - de déterminer les additifs pour améliorer la séparation connaissant les paramètres relatifs au fonctionnement du séparateur, les paramètres relatifs au dimensionnement du séparateur et des propriétés physicochimiques des liquides et de l'émulsion.
Un exemple d'application de chacune de ces utilisations est décrit ci-après. i. Détermination de la longueur L du séparateur pour avoir une efficacité n de séparation Données connues Géométrie
R = 0.35 m H = 0.4 m
Propriétés physico-chimiques des fluides PH = 810 kg/m3 pw = 1000 kg/m3 μ= 0.004 Pa s σ= 0.003 N/m Φm - φD = 0.65
Condition de fonctionnement
Qe = 10 m3/h Φ0 = 0.3 /7ιy = 0.18 m (Bw = 0.6118 m)
Propriétés de l'émulsion en entrée D0 = 100 μm α = 0.8
Efficacité fixée η = 0.95 Résultats
L = 2.83 m Tsed = 91 -87 s hD = 0.28 m Autres résultats hs = 0.287 m Semu/ = 0.005 m2
Q1V = 2.9 m3/h Qaw = 0.10 m3/h Q5^ = 7 m3/h
Φs = 0.014 ii. Détermination du débit d'entrée Qg pour avoir une efficacité η de séparation Données connues Géométrie
L = 2.5 m R = 0.35 m H = 0.4 m - Propriétés physico-chimiques des fluides
PH = 810 kg/m3 pw = 1000 kg/m3 μ = 0.004 Pa s σ= 0.003 N/m Φm = ΦD = 0.65
Condition de fonctionnement
Φ0 = 0.3 /7w = O.18 m (βw = 0.6118 m) - Propriétés de l'émulsion en entrée
D0 = 100 μm α = 0.8
Efficacité fixée η = 0.95 Résultats QE = 8.8 m3/h 7Sed = 92 s ΛD = 0.28 m
Autres résultats hs = 0.287 m Semuι = 0.005 m2
Qiv = 2.55 m3/h Qw = 0.08 m3/h Q5^ = 6.24 m3/h
Φs = 0.014
Ni. Détermination l'efficacité n du séparateur Données connues Géométrie
L = 2.5 m R = 0.35 m H = 0.4 m - Propriétés physico-chimiques des fluides
PH = 810 kg/m3 /v = 1000 kg/m3 μ = 0.004 Pa s σ= 0.003 N/m Φm = <Zb = 0.65
Condition de fonctionnement QE=10m3/h Φo = 0.3 hw=0A8 m (8*,= 0.6118 m)
Propriétés de l'émulsion en entrée
D0= 100 μm α=0.8
Résultats A/ = 0.76 rSed=78.26s A?D = 0.285 m
Autres résultats hs = 0.32 m Semu/= 0.024 m2
Qw = 2.45 m3/h Qaw = 0.55 m3/h Q5^ = 7 m3/h
Φs = 0.07
iv. Détermination de la valeur du coefficient de tension d'interface σ (fonction des additifs) pour avoir une efficacité n de séparation
Données connues
Géométrie L = 2.5 m R = 0.35 m H =0.4 m
Propriétés physico-chimiques des fluides
PH = 810 kg/m3 pw = 1000 kg/m3 μ = 0.004 Pa s
Φm= ΦD = 0.65 Condition de fonctionnement QE=10m3/h Φo = 0.3 Av= 0.18 m (6^ = 0.6118 m)
Propriétés de l'émulsion en entrée
D0= 100 μm α=0.8
Efficacité fixée η = 0.95 Résultats σ= 0.0008 N/m TSed = 105.9 s hD = 0.239 m
Autres résultats h s = 0.249 m Semu, = 0.006 m2 Qw = 2.9 m3/h Qsw = 0.1 m3/h Qs/H = 7 m3/h
Φs = 0.014
On réalise ensuite la séparation au moyen du séparateur et en respectant les paramètres de dimensionnement et de fonctionnement fixés ou déterminés au moyen du modèle physique de séparation.
Selon l'exemple iv), on ajoute à l'émulsion un additif choisi de façon à ce que le coefficient de tension d'interface σ au sein de l'émulsion ait la valeur déterminé.
Selon l'exemple iii), on détermine l'efficacité η du séparateur. Ceci permet de déterminer s'il est nécessaire d'optimiser les paramètres de séparation.
Grâce au modèle on détermine également hs, SEmui, hD, Qw, QSM/, Q&H. ΦS-
Annexe 1 : nomenclature
Indice valeur au temps t = 0
D diamètre moyen des gouttes /(Φ) terme de dépendance en φ dans l'expression de la vitesse de sédimentation
V = VSlf{φ) ; par exemple pour Richardson - Zaki : f(φ) = (l - φ)" g accélération de pesanteur h variable d'espace (hauteur) H hauteur initiale de l'émulsion dans le cas statique / hauteur du déversoir dans le cas dynamique hauteur de l'interface émulsion / émulsion dense
1W hauteur de l'interface eau / émulsion dense
K hauteur du front de sédimentation v vitesse de sédimentation
St vitesse de Stokes (vitesse pour une goutte isolée) a efficacité de coalescence pendant la sédimentation β paramètre caractéristique du film interfacial à l'interface eau / émulsion dense Ap différence de masse volumique entre phase eau et huile φ,φm,φ0 fraction volumique d'eau, fraction volumique d'eau maximale, fraction volumique d'eau à t=0
ΨD fraction volumique d'eau dans le lit dense V volume moyen des gouttes μ viscosité phase continue (huile) π pression exercée par la colonne d'émulsion dense sur l'interface eau / émulsion dense temps caractéristique de coalescence pendant la sédimentation
QE débit d'émulsion en entrée du séparateur Qs débit en sortie du déversoir QSIH débit huile en sortie du déversoir
Q-SlW débit eau en sortie du déversoir
Qw débit eau en sortie de la sortie eau
^Disp surface disponible pour le passage de l'émulsion mσy vitesse horizontale moyenne de l'écoulement dans le séparateur
TSed temps de séjour volume d'eau qui atteigne le lit dense par sédimentation
"w volume d'eau sort du lit dense par coalescence avec le pied d'eau
K gradient moyen de la vitesse horizontale dans la section disponible fraction volumique d'eau en sortie du déversoir efficacité de la séparation Annexe 2 : détermination des volumes v^et vs
On considère qu'en régime permanent, l'épaisseur du lit dense est uniforme dans le séparateur, et que la vitesse horizontale dans le lit dense est nulle. La section verticale au-dessus du lit dense reste donc constante sur toute la longueur du séparateur. Cette section est la section disponible (SD,Sp) pour le passage de l'émulsion et de l'huile déjà séparée dans le séparateur (voir figure 5). En première approximation, on considère que l'émulsion et l'huile ont la même vitesse horizontale (Vm0x) et que cette vitesse reste constante sur toute la longueur du séparateur et a la valeur. De plus, on ne prend pas en compte la variation du débit émulsion + huile au sein du séparateur, car on considère que le débit Qw est négligeable devant QE. Ainsi on peut écrire :
E *-qH- 1 ' V r moy = -& ς, - àDisp
Le temps de résidence de l'émulsion dans le séparateur est donc évalué avec la relation :
Eq. 2 Tsed = -^- - y
≈-E * moy
Comme le pied d'eau est maintenu à une valeur constante et que l'épaisseur du lit dense est considéré fixe, le temps de séjour dépend directement de la section de passage du fluide dans le séparateur SDiSp, donc de l'épaisseur de l'émulsion {HDisp=H-hD), donc de l'épaisseur du lit dense hD-hw. Si par exemple l'épaisseur du lit dense augmente, la section de passage du fluide SDisp va diminuer et la vitesse du fluide s'accroître. Le temps de séjour et la quantité d'eau décantée seront moindres. D'où l'existence d'un état d'équilibre pour lequel la quantité d'eau décantée est égale à la somme de la quantité d'eau coalescée. On écrit alors un bilan sur le temps de séjour, en prenant en considération le volume d'eau vw qui sort du lit dense par coalescence interfaciale avec le pied d'eau pendant le temps de séjour et le volume d'eau vs dispersée dans l'émulsion atteignant le lit dense par sédimentation :
Eq. 3 vs = QsTSed = QwTSed = vw Détermination de y?
Le volume d'eau passé dans le lit dense pendant la période de séjour est égal au volume d'eau perdu par l'émulsion dans le même temps, et celui-ci est la différence entre le volume d'eau v£ qui rentre dans le séparateur est le volume vyw qui sort du déversoir du séparateur :
Eq- 4 VS = VE - VSIW
Le volume d'eau qui rentre dans le séparateur pendant le temps de séjour est le suivant :
Eq- 5 vE = φ0QETSed
Le volume d'eau qui sort du séparateur est lié au débit d'eau en sortie du déversoir
Qsw '-
Eq- 6 vsιw = Qs/wTSed
II faut donc évaluer le débit d'eau en sortie du déversoir. On considère que la vitesse
(Vmoy) de l'ensemble émulsion plus huile déjà séparée est uniforme dans le séparateur, donc elle reste constante dans toutes les sections du passage, y compris la dernière. Cette simplification est confirmée par l'observation, et est valable si le volume d'eau perdue vs est sensiblement plus petit que le volume d'eau entré dans le séparateur vE.
Pour simplifier le modèle, on impose aussi que ce que l'on retrouve dans la dernière section du séparateur est ce qui sort du déversoir. Dans la dernière section du séparateur, la section disponible pour le passage est occupée par une bande d'huile et par une bande d'émulsion. Si on appelle SEmui la surface occupée par l'émulsion dans la dernière section, on peut définir le débit d'eau sortant du déversoir (voir figure 5) :
Eq- 7 Qslw = ΦQV^S^
La surface SEmuι de l'émulsion dans la dernière section est fonction de la hauteur de l'interface hs entre l'émulsion et la bande d'huile déjà séparée.
Pour évaluer cette hauteur hs, on considère un modèle statique d'évolution du front de sédimentation et on le modifie en prenant en compte les effets dynamiques présents dans le séparateur.
Le volume des gouttes évolue dans le temps suivant la relation suivante :
Eq. 8 é∑h± = aL dt z- La fréquence de collision entre les gouttes doit prendre en compte aussi les collisions dues à l'écoulement dans le séparateur :
Où
Dans l'équation Eq. 9 la première partie prend en compte les impacts entre le gouttes pendant la sédimentation, alors que la deuxième partie considère les interactions dues à l'écoulement en direction horizontale.
Le terme K est le gradient moyen de la vitesse dans la section disponible et il est évalué en supposant un écoulement laminaire. Cette hypothèse est d'habitude bien vérifiée dans le séparateur ou on retrouve des vitesses de l'ordre de quelques cm/s.
La vitesse verticale de descente du front de sédimentation (interface entre l'huile séparée et l'émulsion résiduelle) peut s'écrire :
d'où :
De plus : On a donc : dV 4 dv Eq. 14 dt J(Φo) 1D dt En combinant l'équation Eq. 8 dans l'équation Eq. 14, et en écrivant vn = — — , on obtient :
dV 2 T- ,, . . D0 1
Eq. 15 dt 3 s'» J KΨa } D τc
Pour avoir la vitesse de descente de l'interface à l'instant t on intègre entre le temps t et le temps t0 (vitesse de sédimentation VSl f(φ0)). On a donc :
On combine l'équation Eq. 9 et l'équation Eq. 16 :
Pour obtenir la position de l'interface à l'instant t on intègre l'équation Eq. 17 entre le temps t (position de l'interface hs) et le temps t0 :
Eq. 18 s - Vstof{φo)t
Dans le modèle, l'émulsion et l'huile déjà séparée ont la même vitesse dans toutes la section du séparateur, donc l'ensemble émulsion+huile atteint la dernière section au temps TSed après l'entrée dans le séparateur. La hauteur de l'interface de sédimentation dans la dernière section est donc :
L'équation Eq. 19 est une fonction de la taille de gouttes (D) pendant la sédimentation. La taille D que l'on considère dans le modèle est la taille des gouttes dans la dernière section. On peut suivre l'évolution du diamètre des gouttes dans le temps en écrivant l'équation Eq. 8 en fonction du diamètre des gouttes et en l'intégrant dans le temps TSed '•
La connaissance de la position de l'interface de sédimentation hs dans la dernière section nous permet d'évaluer dans la même section la surface occupée par l'émulsion, puis via les équations Eq. 7 et Eq.6, le volume d'eau vs perdu par l'émulsion pendant le temps de séjour TSed, et passé dans le lit dense dans le même temps :
Eq. 21 = ΦθQE TSed -Φθ SEm,d
On peut également évaluer le débit d'eau sortant du déversoir Qsw • Détermination de vw
Pour évaluer le volume d'eau sortie du lit dense pendant le temps de séjour, on se place dans le cadre statique avec l'hypothèse de vitesse nulle dans le lit dense.
Puisque l'épaisseur du lit dense reste constante ainsi que les positions des interfaces pied d'eau - lit dense {hw) et lit dense - émulsion (hD), dans le cas dynamique, le terme dhw/dt ne représente pas un déplacement de l'interface pied d'eau - lit dense, mais une vitesse de passage à travers l'interface hw àe l'eau présente dans le lit dense. On indique ci- dessous le déplacement avec une étoile, pour remarquer qu'il s'agit d'un déplacement virtuel et non réel :
La taille des gouttes qui est utilisée dans l'équation est la taille évaluée avec l'équation Eq. 20. Le paramètre β est un paramètre caractéristique du film interfacial à l'interface eau / émulsion dense. Il dépend directement du coefficient σ, coefficient de tension d'interface entre l'huile et l'eau
Le volume d'eau v^ qui sort du lit dense par coalescence interfaciale avec le pied d'eau pendant le temps de séjour est donc :
Eq. 21 vw = Bw .L.N.TSed où Bw est la largeur de l'interface h> W-
Le bilan des volumes sur le lit dense est donc : Eq. 22 φ0QETSed -φ0 SEmd L = BW .L.N.TSed
On note alors que les paramètres de l'équation Eq. 22 sont connus, ou dépendent de paramètres connus, à l'exception du paramètre hD. On écrit alors le modèle de la façon suivante, pour bien noter l'inconnue du modèle, hD '.
Eq. 23 ΦoQETseΛhD)-Φo SEmul(hD)L = Bw .L.N{hD\TSed{hD)

Claims

REVENDICATIONS
1. Méthode de séparation de deux liquides non miscibles en phase dispersée, dans lequel on introduit la phase dispersée dans un séparateur g ravi taire, au sein duquel les deux liquides sont séparés par décantation pendant un temps de sédimentation TSED au cours duquel on obtient une première phase constituée d'un premier liquide en bas du séparateur, une seconde phase constituée du second liquide en haut du séparateur, une troisième phase contenant les deux liquides non miscibles en phase dispersée, et une quatrième phase contenant les deux liquides non miscibles constituant en lit dense, caractérisée en ce que : a- on mesure des paramètres physicochimiques desdits liquides et de la phase dispersée ; b- on définit un modèle physique de séparation fonction desdits paramètres physicochimiques et de paramètres relatifs au fonctionnement et au dimensionnement dudit séparateur, en considérant que ledit séparateur fonctionne en conditions stationnâmes, en utilisant un bilan de conservation de la matière sur le premier fluide au sein du lit dense pour prendre en compte une première coalescence entre la première phase et des gouttes de premier liquide présentes dans la quatrième phase, et en utilisant une loi d'évolution de taille D des gouttes de premier liquide au cours de la séparation pour prendre en compte une seconde coalescence entre gouttes de premier liquide au sein de la troisième phase et ; c- on utilise ledit modèle pour déterminer au moins un desdits paramètres ; et d- on met en oeuvre la séparation selon les valeurs desdits paramètres.
2. Méthode selon la revendication 1 , dans laquelle le bilan de conservation de la matière sur le premier fluide au sein du lit dense conduit à l'égalité d'un volume du premier fluide
(Vw) sorti du lit dense et d'un volume du premier fluide (vs) entré dans le lit dense, et l'on définit le volume du premier fluide (vw) sorti du lit dense en fonction d'une vitesse N de passage du premier liquide contenu dans la quatrirème phase vers la seconde phase.
3. Méthode selon la revendication 2, dans laquelle le volume du premier fluide (vs) entré dans le lit dense est défini en fonction d'une surface occupée par la troisième phase dans une dernière section du séparateur SEMUL-
4. Méthode selon la revendication 3, dans laquelle on détermine SEMUL et N en fonction de ladite loi d'évolution de taille D des gouttes de premier liquide au cours de la séparation.
5. Méthode selon la revendication 4, dans laquelle on estime la loi d'évolution de taille D des gouttes de premier liquide au cours de la séparation, en exprimant une variation au cours du temps d'un volume moyen des gouttes en fonction d'une efficacité de coalescence et d'un temps caractéristique de coalescence pendant la sédimentation, et on exprime ledit temps caractéristique en prenant en compte des impacts entre des gouttes pendant la sédimentation et des interactions dues à un écoulement en direction horizontale desdits liquides.
6. Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la phase dispersée est une émulsion d'eau et d'huile.
7. Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les paramètres déterminés à l'étape c sont choisis parmi les paramètres suivants : le temps de sédimentation TSED, des paramètres relatifs au dimensionnement du séparateur, des paramètres relatifs au fonctionnement du séparateur, des propriétés physico-chimiques des liquides et de la phase dispersée.
8. Méthode selon la revendication 7, dans laquelle les paramètres relatifs au dimensionnement du séparateur sont choisis parmi les paramètres suivants : longueur et rayon du séparateur, hauteur d'un déversoir du séparateur.
9. Méthode selon l'une des revendications 7 ou δ, dans laquelle les paramètres relatifs au fonctionnement du séparateur sont choisis parmi les paramètres suivants : - paramètres relatifs aux conditions d'entrée dans ledit séparateur, tels que : débit d'entrée (QE), fraction du premier liquide (Φo) au sein de la phase dispersée, hauteur (hw) de la première phase au sein du séparateur ;
- paramètres relatifs à la décantation au sein du séparateur, tels que : hauteurs des troisième (hs) et quatrième (hD) phases au sein du séparateur, et temps de séjour (TSED) dans le séparateur.
10. Méthode selon l'une des revendications 7 à 9, dans laquelle le paramètre déterminé à l'étape c est un coefficient de tension d'interface (σ) entre les deux liquides pour avoir une efficacité η de séparation fixée, et l'on ajoute à la phase dispersée un additif choisi de façon à ce que les liquides au sein de la phase dispersée respectent la valeur du coefficient de tension d'interface (σ) déterminé.
11. Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le paramètre déterminé à l'étape c est la longueur L du séparateur pour avoir une efficacité η de séparation fixée, et l'on dimensionne le séparateur en conséquence pour mettre en œuvre la séparation.
12. Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le paramètre déterminé à l'étape c est le débit d'entrée QE des liquides pour avoir une efficacité η de séparation fixée, et l'on injecte les deux liquides avec ce débit QE pour mettre en œuvre la séparation.
13. Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le paramètre déterminé à l'étape c est l'efficacité η du séparateur.
14. Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle on détermine également au moins l'un des paramètres suivants relatifs à la sortie du séparateur desdits liquides : débits aux sorties du déversoir (Qs/w. QS/H). fraction d'eau en sortie du déversoir (Φs), efficacité du séparateur (η), hauteur du front de sédimentation (hs), hauteur de l'interface entre les troisième et quatrième phases (hD), débit d'eau en sortie d'une sortir d'eau du séparateur (Qw), et surface occupée par la troisième phase dans une dernière section du séparateur (SEMUL)-
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