FR2663947A1 - Electrostatic coalescer for dehydrating crude oil - Google Patents
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Abstract
Description
Coalesceur électrostatique pour la déshydratation du pétrole brut.Electrostatic coalescer for the dehydration of crude oil.
L'effluent recueilli à la sortie d'un puits de pétrole est généralement constitué d'un mélange triphasique de gaz, d'huile et d'eau. Il contient parfois aussi des particules solides en suspension, telles que sable, argile à l'état colloïdal, produits de corrosion, produits paraffiniques ou asphaltiques précipités, etc... The effluent collected at the outlet of an oil well generally consists of a three-phase mixture of gas, oil and water. It sometimes also contains solid particles in suspension, such as sand, clay in the colloidal state, corrosion products, precipitated paraffinic or asphaltic products, etc.
En tête de puits, cet effluent traverse une duse qui permet de contrôler le débit, mais qui, simultanément, crée une turbulence génératrice d'émulsions fines.At the head of the well, this effluent passes through a nozzle which makes it possible to control the flow rate, but which simultaneously creates a turbulence generating fine emulsions.
L'effluent est séparé ensuite en ses trois phases. The effluent is then separated into its three phases.
La plus grosse partie de 11 eau associée au brut est sous forme libre et décante dans des séparateurs. Le brut qui sort de ces derniers contient de 3 à 10% d'eau sous forme d'émulsion d'eau dans llhuile. Il est nécessaire de faire subir à ce brut un traitement de déshydratation complémentaire pour ramener la teneur en eau à une valeur conforme aux spécifications commerciales du brut et pouvant atteindre 0,1 à 0,3% en volume du brut.Most of the water associated with the crude is in free and decanted form in separators. The crude oil which leaves them contains 3 to 10% of water in the form of an emulsion of water in oil. It is necessary to subject this crude oil to an additional dehydration treatment to reduce the water content to a value in accordance with the commercial specifications of the crude oil and which may reach 0.1 to 0.3% by volume of the crude oil.
Les technologies classiques utilisées pour déshydrater un brut font appel à l'injection dans celui-ci d'un désémulsifiant et à l'utilisation d'un procédé de lavage du brut à liteau froide ou à l'eau chaude, suivi d'une décantation. Toutefois, ce dernier procédé ne convient pas lorsqu'il ## agit de traiter des émulsions très fines sur des plates-formes en mer, par suite du temps de résidence très long nécessaire à ce type d'équipement. Conventional technologies used to dehydrate crude oil require the injection of a demulsifier therein and the use of a process of washing the crude oil with a cold slat or with hot water, followed by decantation. . However, this latter method is not suitable when ## it is to treat very fine emulsions on platforms at sea, owing to the very long residence time necessary for this type of equipment.
Pour les champs pétroliers en mer, il est donc souhaitable de disposer d'équipements de déshydratation les plus compacts et les plus légers possibles. For offshore oil fields, it is therefore desirable to have the most compact and lightest dewatering equipment possible.
Outre les déshydrateurs classiques fonctionnant par gravité, longtemps utilisés dans le passé, les constructeurs ont développé un nouveau type d'appareil appelé déshydrateur électrostatique dans lequel on fait passer le brut à travers un champ électrique intense. Sous l'action du champ, les gouttelettes d'eau eu se chargent d'électricité, # , s ' s'attirent et coalescent. En s'unissant, elles forment des gouttes plus lourdes qui se séparent plus rapidement par gravité. In addition to conventional gravity-operated dehydrators, which have been used for a long time in the past, manufacturers have developed a new type of device called an electrostatic dehydrator in which crude oil is passed through an intense electric field. Under the action of the field, the water droplets get charged with electricity, #, attract and coalesce. By uniting, they form heavier drops which separate more quickly by gravity.
Un exemple de déshydrateur électrostatique connu et utilisé dans l'industrie comprend une cuve cylindrique d'axe horizontal emplie de pétrole brut, et contenant une électrode plane horizontale. La cuve est reliée à la masse et l'électrode à la borne positive d'une source de haute tension. On établit un champ électrique de l'ordre de 2 kV/cm entre la paroi de la cuve et l'électrode, ce qui entraîne la coalescence des gouttelettes d'eau, puis leur séparation par décantation gravitaire jusqu'à la couche d'eau située au fond de la cuve. An example of a known electrostatic dehydrator used in the industry comprises a cylindrical tank of horizontal axis filled with crude oil, and containing a horizontal planar electrode. The tank is connected to ground and the electrode to the positive terminal of a high voltage source. An electric field of the order of 2 kV / cm is established between the wall of the tank and the electrode, which leads to the coalescence of the water droplets, then their separation by gravity settling down to the water layer located at the bottom of the tank.
Toutefois, un tel déshydrateur électrostatique requiert un temps de séjour relativement long, de l'ordre de 20 minutes, jusqu'à ce que le brut soit déshydraté à une teneur en eau de 0,1% à 0,3%, ce qui immobilise une grande masse d'équipement pendant ce temps. De plus, des courts-circuits peuvent se produire entre l'électrode et la masse, lors de la formation de grosses gouttes d'eau, ce qui oblige à arrêter le fonctionnement du déshydrateur jusqu'à ce que l'on ait éliminé ces gouttes. Pour diminuer le volume global de l'appareil et donc son poids, on a séparé la fonction coalescence de la fonction déshydratation en étudiant un pilote de coalesceur électrostatique rapide. However, such an electrostatic dehydrator requires a relatively long residence time, of the order of 20 minutes, until the crude is dehydrated to a water content of 0.1% to 0.3%, which immobilizes a large mass of equipment during this time. In addition, short circuits can occur between the electrode and the mass, during the formation of large drops of water, which makes it necessary to stop the operation of the dehydrator until these drops have been eliminated. . To reduce the overall volume of the device and therefore its weight, the coalescence function was separated from the dehydration function by studying a pilot of rapid electrostatic coalescer.
On a réussi en laboratoire à abaisser le temps de coalescence de gouttes d'eau à environ 5 secondes, grâce à un coalesceur constitué par une cuve cylindrique formant masse, d'axe vertical, dans laquelle est montée une électrode cylindrique coaxiale occupant la presque totalité du volume de la cuve. Pour éviter les courtscircuits, l'électrode est revêtue extérieurement d'un isolant vitrifié ou à base de mica. Mais un tel isolant a une tenue limitée dans le temps du fait qu'il a tendance à se détacher de l'électrode. De plus, en raison du volume important qu'occupe l'électrode dans la cuve, on ne traite dans un tel coalesceur qu'un faible débit de pétrole. In the laboratory, we have succeeded in reducing the coalescence time of drops of water to around 5 seconds, thanks to a coalescer constituted by a cylindrical tank forming a mass, of vertical axis, in which is mounted a coaxial cylindrical electrode occupying almost all the volume of the tank. To avoid short circuits, the electrode is coated externally with a vitrified or mica-based insulator. However, such an insulator has a limited resistance over time because it tends to detach from the electrode. In addition, because of the large volume occupied by the electrode in the tank, only a small flow of oil is treated in such a coalescer.
La présente invention vise à remédier aux inconvénients de la technique antérieure en proposant un coalesceur électrostatique utilisable notamment dans les exploitations pétrolières en mer, et qui puisse coalescer une émulsion d'eau dans un grand débit de pétrole brut en un temps extrêmement court, de l'ordre de 5 secondes. The present invention aims to remedy the drawbacks of the prior art by proposing an electrostatic coalescer usable in particular in offshore oil operations, and which can coalesce a water emulsion in a large flow of crude oil in an extremely short time, from l 'order of 5 seconds.
L'invention a donc pour objet un coalesceur électrostatique, caractérisé en ce qu'il comprend
- une cuve parallélépipédique d'axe vertical, reliée à la masse et pourvue à une extrémité d'un premier orifice pour l'entrée d'un mélange pétrole et eau, et d'un second orifice situé à l'autre extrémité de la cuve pour la sortie du pétrole
- au moins une électrode plate s'étendant parallèlement à l'axe de la cuve, ladite ou lesdites électrodes étant reliées à la borne positive d'une source de tension par des conducteurs qui traversent la paroi latérale, à travers des manchons isolants garnis de joints d'étanchéité,
- au moins deux plaques planes, électriquement isolantes, disposées respectivement de part et d'autre de l'électrode et à égale distance de celle-ci et des parois en regard de la cuve, et
- des éléments d'étanchéité en appui contre les deux autres parois de la cuve, et dans lesquels viennent s'encastrer les bords périphériques desdites plaques isolantes.The subject of the invention is therefore an electrostatic coalescer, characterized in that it comprises
- a parallelepiped tank with vertical axis, connected to the mass and provided at one end with a first port for the entry of a petroleum and water mixture, and with a second port located at the other end of the tank for oil release
- at least one flat electrode extending parallel to the axis of the tank, said electrode (s) being connected to the positive terminal of a voltage source by conductors which pass through the side wall, through insulating sleeves lined with seals,
at least two flat, electrically insulating plates, disposed respectively on either side of the electrode and at equal distance from the latter and from the facing walls of the tank, and
- Sealing elements bearing against the other two walls of the tank, and in which the peripheral edges of said insulating plates are fitted.
Les plaques isolantes peuvent être constituées par des plaques de verre, ou en matière diélectrique isolante. The insulating plates may consist of glass plates, or of insulating dielectric material.
Ainsi, selon l'invention, les plaques isolantes n'adhèrent pas à l'électrode comme dans les coalesceurs de la technique antérieure. Il n'y a donc plus de problème d'adhérence de l'isolant à l'électrode. Thus, according to the invention, the insulating plates do not adhere to the electrode as in the coalescers of the prior art. There is therefore no longer any problem of adhesion of the insulator to the electrode.
Du point de vue électrique, le coalesceur selon l'invention est équivalent à deux condensateurs et deux résistances en série, chaque condensateur étant constitué par l'ensemble de l'électrode d'une paroi de récipient et d'une plaque isolante, et chaque résistance étant celle de la masse du mélange pétrole-eau circulant entre l'électrode et chacune desdites parois. Il en résulte qu'il faut appliquer au coalesceur selon l'invention une tension électrique double de celle qui était appliquée au coalesceur cylindrique décrit précédemment, puisque ce dernier est équivalent à un unique condensateur en série avec une seule résistance.Ceci peut parattre comme étant un inconvénient du coalesceur de l'invention, mais d'un autre côté, on peut faire passer dans le coalesceur un débit de brut double de celui du coalesceur connu, du fait que le brut passe dans tous les intervalles compris entre l'électrode, les parois de la cuve et les plaques isolantes. Cela n'est pas le cas du coalesceur cylindrique dans lequel l'électrode occupe tout le centre de la cuve. From an electrical point of view, the coalescer according to the invention is equivalent to two capacitors and two resistors in series, each capacitor consisting of the entire electrode of a container wall and an insulating plate, and each resistance being that of the mass of the oil-water mixture circulating between the electrode and each of said walls. It follows that it is necessary to apply to the coalescer according to the invention an electrical voltage double that which was applied to the cylindrical coalescer described above, since the latter is equivalent to a single capacitor in series with a single resistance. This may appear to be a disadvantage of the coalescer of the invention, but on the other hand, it is possible to pass through the coalescer a flow rate of crude oil double that of the known coalescer, owing to the fact that the crude oil passes in all the intervals between the electrode, the walls of the tank and the insulating plates. This is not the case with the cylindrical coalescer in which the electrode occupies the entire center of the tank.
De plus, avec le coalesceur selon l'invention, les risques de court-circuit sont pratiquement exclus, puisque l'électrode est électriquement isolée par rapport aux parois du récipient, grâce aux éléments d'étanchéité. In addition, with the coalescer according to the invention, the risks of short circuit are practically excluded, since the electrode is electrically isolated from the walls of the container, thanks to the sealing elements.
Un autre avantage du coalesceur selon l'invention réside dans le fait que les plaques isolantes en verre sont économiques et facilement remplaçables dans le cas où elles se briseraient, alors que dans le coalesceur selon la technique antérieure, la vitrification d'une électrode est une opération qui coûte cher et qui nécessite le démontage de l'électrode. Another advantage of the coalescer according to the invention lies in the fact that the insulating glass plates are economical and easily replaceable in the event that they break, whereas in the coalescer according to the prior art, the vitrification of an electrode is a operation which is expensive and which requires the disassembly of the electrode.
Un mode de réalisation de l'invention sera décrit à présent à titre d'exemple non limitatif en regard du dessin annexé dans lequel
La figure 1 est une vue en élévation d'un coalesceur électrostatique selon l'invention
La figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'un coalesceur à deux électrodes, selon la ligne Il-Il de la figure 3 ; et
La figure 3 est une vue en coupe à plus grande échelle suivant la ligne III-III de la figure 2.An embodiment of the invention will now be described by way of nonlimiting example with reference to the appended drawing in which
Figure 1 is an elevational view of an electrostatic coalescer according to the invention
Figure 2 is a longitudinal sectional view of a coalescer with two electrodes, along the line II-II of Figure 3; and
FIG. 3 is a section view on a larger scale along the line III-III of FIG. 2.
La description qui va suivre sera faite dans le cas d'un coalesceur à deux électrodes, mais comme on le verra, le coalesceur peut comprendre une seule électrode ou plus de deux électrodes. The description which follows will be made in the case of a coalescer with two electrodes, but as will be seen, the coalescer may comprise a single electrode or more than two electrodes.
Le coalesceur électrostatique 10 est alimenté par un mélange de pétrole et d'eau qui arrive par une canalisation 14 branchée sur un orifice d'entrée 18 situé à la partie supérieure du coalesceur. Une fois la coalescence effectuée, le pétrole et les gouttes coalescées sont évacués, par un orifice de sortie 20 et une canalisation 22 vers un séparateur non représenté, de type gravitaire ou à effet cyclonique ou centrifuge. La référence 28 désigne des conducteurs électriques servant à l'alimentation des électrodes. The electrostatic coalescer 10 is supplied with a mixture of petroleum and water which arrives via a pipe 14 connected to an inlet orifice 18 situated at the top of the coalescer. Once the coalescence has been carried out, the oil and the coalesced drops are discharged through an outlet orifice 20 and a pipe 22 to a separator, not shown, of gravity type or with cyclonic or centrifugal effect. Reference 28 designates electrical conductors used to supply the electrodes.
Comme le montrent les figures 2 et 3, le coalesceur 10 comprend une cuve métallique 38, de forme parallélépipédique allongée et disposée verticalement. La cuve est électriquement reliée à la masse M. Elle est divisée intérieurement par au moins une cloison métallique 40, parallèle à deux parois opposées 42, 44 de la cuve et équidistante de ces dernières. De préférence, la cloison 40 vient de fabrication avec les deux autres parois 46, 48 de la cuve. A l'intérieur de la cuve sont ainsi formés au moins deux canaux 50, 52 de même section, indépendants l'un de l'autre. As shown in FIGS. 2 and 3, the coalescer 10 comprises a metal tank 38, of elongated parallelepiped shape and arranged vertically. The tank is electrically connected to earth M. It is internally divided by at least one metal partition 40, parallel to two opposite walls 42, 44 of the tank and equidistant from the latter. Preferably, the partition 40 comes from manufacture with the other two walls 46, 48 of the tank. Inside the tank are thus formed at least two channels 50, 52 of the same section, independent of each other.
Dans lesdits canaux sont disposées, respectivement, parallèlement à la cloison 40 et à égale distance de celle-ci et des parois latérales 42, 44, deux électrodes rectangulaires plates 54, 56. Comme le montre la figure 2, ces électrodes sont légèrement plus courtes que la hauteur de la cuve, de sorte que leurs bords supérieur et inférieur sont situés à l'intérieur de la cuve, à faible distance des extrémités de celle-ci. Elles sont moins larges que les canaux et leurs côtés longitudinaux sont encastrés dans des rainures 58 formées dans deux blocs d'étanchéité 60, 62, par exemple en "Téflon", qui sont respectivement en appui contre les parois latérales 46, 48 de la cuve. In said channels are arranged, respectively, parallel to the partition 40 and at equal distance from the latter and the side walls 42, 44, two flat rectangular electrodes 54, 56. As shown in FIG. 2, these electrodes are slightly shorter than the height of the tank, so that their upper and lower edges are located inside the tank, a short distance from the ends thereof. They are narrower than the channels and their longitudinal sides are embedded in grooves 58 formed in two sealing blocks 60, 62, for example in "Teflon", which are respectively in abutment against the side walls 46, 48 of the tank .
Les électrodes sont reliées à la borne positive d'une source de tension par l'intermédiaire de conducteurs 64, 66 qui traversent la paroi latérale 46, à travers des manchons isolants 68 garnis de joints d'étanchéité 70 et du conducteur 28. The electrodes are connected to the positive terminal of a voltage source by means of conductors 64, 66 which pass through the side wall 46, through insulating sleeves 68 provided with seals 70 and conductor 28.
De part et d'autre de chaque électrode sont montées respectivement deux plaques rigides en matière diélectrique isolante 72, 74 et 76, 78, par exemple en verre, disposées parallèlement aux électrodes à égale distance de ces dernières et de la paroi contiguë de la cuve.Ces plaques ont la même hauteur que la cuve, et leurs bords longitudinaux sont encastrés dans des rainures 80 formées dans les blocs d'étanchéité. Il en résulte que les gouttes d'eau qui se forment au cours de la coalescence ne risquent pas de mettre en court-circuit les électrodes avec la cuve. Il n'est pas possible non plus qu'un arc électrique contourne les plaques isolantes, étant donné que les bords de celles-ci sont profondément encastrées dans les rainures 80 des blocs isolants 60, 62. On each side of each electrode are mounted respectively two rigid plates of insulating dielectric material 72, 74 and 76, 78, for example made of glass, arranged parallel to the electrodes at equal distance from the latter and from the contiguous wall of the tank. These plates have the same height as the tank, and their longitudinal edges are embedded in grooves 80 formed in the sealing blocks. As a result, the drops of water that form during coalescence are not likely to short-circuit the electrodes with the tank. Nor is it possible for an electric arc to bypass the insulating plates, since the edges of these are deeply embedded in the grooves 80 of the insulating blocks 60, 62.
Le coalesceur selon l'invention permet de coalescer en 5 secondes les gouttes d'eau d'un diamètre supérieur à 30 pm. De plus, la coalescence est uniforme sur toute la masse de pétrole traitée, contrairement au coalesceur cylindrique de la technique antérieure dans lequel la coalescence ntest bonne que dans une pellicule de pétrole de faible épaisseur entourant l'électrode. The coalescer according to the invention makes it possible to coalesce in 5 seconds the drops of water with a diameter greater than 30 μm. In addition, the coalescence is uniform over the entire mass of oil treated, unlike the cylindrical coalescer of the prior art in which the coalescence is only good in a thin film of petroleum surrounding the electrode.
On donnera pour finir un aperçu des performances du coalesceur selon l'invention, obtenues en laboratoire
- Champ électrique : 2 à 5 KV/cm.Finally, an overview will be given of the performances of the coalescer according to the invention, obtained in the laboratory.
- Electric field: 2 to 5 KV / cm.
- Fréquence du champ : 50 à 1 000 Hz. - Field frequency: 50 to 1000 Hz.
- Nombre de Reynolds inférieur à 2 000. - Reynolds number less than 2000.
- Teneur en eau à l'entrée du coalesceur : 7%. - Water content at the inlet of the coalescer: 7%.
- Tempsde séjour : 3 à 5 s. - Residence time: 3 to 5 s.
- Viscosité du brut : 5 à 15 1n1ssX.ss
- Permittivité de la solution eau brut : 2 à 3,4.- Crude viscosity: 5 to 15 1n1ssX.ss
- Permittivity of the raw water solution: 2 to 3.4.
- Conductivité de l'émulsion : 6,7 106 à 2,7 107bl.m. - Conductivity of the emulsion: 6.7 106 to 2.7 107bl.m.
- Pour des tailles de gouttes à l'entrée du coalesceur de diamètre moyen 40 microns, la taille des gouttes à la sortie a un diamètre moyen > 110 microns. - For drop sizes at the inlet of the coalescer with an average diameter of 40 microns, the size of the drops at the outlet has an average diameter> 110 microns.
A titre indicatif, les dimensions d'un coalesceur industriel capable de traiter 66 m3/h de brut à 7% d'eau sont
- Largeur : 350 mm
- Profondeur : 200 mm
- Hauteur : 2 500 mm.As an indication, the dimensions of an industrial coalescer capable of treating 66 m3 / h of crude oil at 7% water are
- Width: 350 mm
- Depth: 200 mm
- Height: 2,500 mm.
Ce coalesceur devra être raccordé à un transformateur électrique de LOVA. This coalescer must be connected to an LOVA electrical transformer.
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