JP6465272B2 - 油水分離器、油水分離方法、およびろ過膜ユニット - Google Patents
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Description
これとは別にHPセパレータ2で分離された含油随伴水(含油水、随伴水、Produced waterなどと呼ぶこともある。)20Bを供給方向d2に送り、熱交換器51aで所定の温度に冷却後、スキムタンク5にいったん貯蔵する。このとき、随伴水の一部はLPセパレータ3からも分離され、HPセパレータからの随伴水と混合される。また、HPセパレータ2及びLPセパレータ3では蒸発ガスも発生し、これもそれぞれ外部に排出する。次いで、インデュース・ガス・フローテーション(Induced Gas Flotation)6、ウォルナットシェルなどを用いたオイルリムーバルフィルタ(Oil Removal Filter)7という流れで、油分を分離除去し、従来の処理水20D’を回収する(後述する本発明の処理水20Dと区別するよう、20D’とした。)。この方法における油水分離は、基本的には油と水の比重差を利用した重力分離である。
本発明者らは、上記のとおり開発された含油水の処理技術をさらに応用し、ビチュメンの採掘のみならず、原油や天然ガスといった、油分を含む随伴水の処理に広く適用することを検討した。また、その検討にあたり、上記特許文献2及び3に開示された発明の油水分離器の改善点を洗い出し、さらにその有用性を高めた装置の研究開発を進めた。
〔1〕含油水から油分を除去する油水分離器であって、
容器と、ろ過膜ユニットと、供給配管と、排出機構と、回収機構と、排液配管と、処理水払出し配管とを有し、
上記容器には上記含油水が供給され、
上記供給配管は上記容器の下部に接続され、
上記ろ過膜ユニットは上記容器内に設置され、
上記回収機構が上記ろ過膜ユニットの上方で上記含油水の液面またはその近傍の位置に高油分濃度液を回収可能に設けられ、上記排液配管は上記回収機構内部の上記高油分濃度液を回収し、
上記処理水払出し配管は上記ろ過膜ユニットの下部に設置され、
上記ろ過膜ユニットはろ過膜モジュールと、上部キャップと、個別配管と、緩衝配管と、返戻配管とを有し、上記ろ過膜ユニットは上記含油水に浸漬させた状態でろ過を行い、上記ろ過膜モジュールと上記上部キャップ、上記上部キャップと上記個別配管、上記個別配管と上記緩衝配管、上記緩衝配管と上記返戻配管はそれぞれ連通して接続し、
上記ろ過膜モジュールは長尺構造のろ過膜であり、1つまたは2つの開口部を端部に有し、上記開口部は上部封止材で上記ろ過膜モジュールの一方の端に固定され、
上記上部封止材は上記上部キャップに嵌入され固定され、
上記返戻配管は上記ろ過膜モジュールに沿って延在し、鉛直方向に配設され、上記処理水払出し配管に接続され、
上記ろ過膜ユニットは着脱可能に上記処理水払出し配管に支持され、鉛直方向に配設され、
上記油水分離器はろ過された上記含油水が上記長尺構造のろ過膜、上記上部キャップ、及び上記個別配管の内部を上昇し、上記緩衝配管で集水され、上記返戻配管の内部を下降し、上記容器下部の上記処理水払出し配管から回収されるようにした油水分離器。
〔2〕上記容器が縦型である〔1〕に記載の油水分離器。
〔3〕上記容器の胴部が円筒形状であり、端部が曲面形状であることを特徴とする〔1〕または〔2〕に記載の油水分離器。
〔4〕上記ろ過膜がポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製である〔1〕〜〔3〕のいずれか1項に記載の油水分離器。
〔5〕上記ろ過膜は中空糸膜もしくは管状膜である〔1〕〜〔4〕のいずれか1項に記載の油水分離器。
〔6〕上記ろ過膜は、円筒形状の中空糸膜もしくは管状膜であり、上記ろ過膜はその長手方向で折り返され、その両端の開口部が上記ろ過膜モジュールの一方の端で固定されている〔5〕に記載の油水分離器。
〔7〕さらに上記ろ過膜ユニットに向け気泡を供給する気泡発生手段を有する〔1〕〜〔6〕のいずれか1項に記載の油水分離器。
〔8〕さらに上記ろ過膜ユニットを取り出すための空間で該ろ過膜ユニットの高さと実質的に同等以上の高さのある取出空間を上記ろ過膜ユニットの上方に有する〔1〕〜〔7〕のいずれか1項に記載の油水分離器。
〔9〕上記回収機構が、液面に向かって液中から立設する隔壁を有し、該隔壁を越えた上記含油水の液面またはその近傍の油分を回収する〔1〕〜〔8〕のいずれか1項に記載の油水分離器。
〔10〕上記ろ過膜が円筒形状の中空糸膜もしくは管状膜であり、上記ろ過膜モジュールが当該円筒形状の中空糸膜もしくは管状膜を複数有する〔1〕〜〔9〕のいずれか1項に記載の油水分離器。
〔11〕上記ろ過膜は中空糸膜であり、上記中空糸膜の開孔径が0.0001〜1μmである〔1〕〜〔10〕のいずれか1項に記載の油水分離器。
〔12〕上記取出空間は人が入って作業できる容積を有する〔8〕〜〔11〕のいずれか1項に記載の油水分離器。
〔13〕上記容器内にその底部から上方に向けて延びる含油水の上昇流路を配置し、該上昇流路の内部に含油水を供給する〔1〕〜〔12〕のいずれか1項に記載の油水分離器。
〔14〕上記含油水に化学薬品を含有させて上記容器に導入する手段を具備する〔1〕〜〔13〕のいずれか1項に記載の油水分離器。
〔15〕〔1〕〜〔14〕のいずれか1項に記載の油水分離器により含油水から油分を除去する油水分離方法。
〔16〕上記含油水の油分濃度が50〜3,000ppmであり、そのろ過により上記処理水の油分濃度を5ppm以下とする〔15〕に記載の油水分離方法。
〔17〕上記容器内の上記含油水の温度が10〜150℃であり、圧力を0〜10kg/cm2Gである〔15〕または〔16〕に記載の油水分離方法。
〔18〕ろ過膜モジュールと、上部キャップと、個別配管と、緩衝配管と、返戻配管とを有するろ過膜ユニットであって、
ろ過膜モジュールはろ過膜と上部封止材とを有し、
上記ろ過膜は長尺構造であり、1つまたは2つの開口部を端部に有し、上記ろ過膜モジュールはそのろ過膜の開口部の方向を揃えて並置され、上記上部封止材に上記ろ過膜の開口を保持して固定され、
上記ろ過膜モジュールは、上記上部キャップの一方の端において上記上部封止材で固定され、
上記上部キャップと、上記ろ過膜モジュールの開口部が固定された上部封止材とは一方の端で連通し、
上記上部キャップと上記個別配管とは、上記上部封止材と上記上部キャップと連結した端とは反対側の端で固定されて連通し、
上記個別配管と上記緩衝配管とは、上記上部キャップと上記個別配管と連結した端とは反対側の端で固定されて連通し、
上記緩衝配管と、上記返戻配管とは、上記個別配管と上記緩衝配管と連結した端とは反対側の端で固定されて連通し、
上記緩衝配管は複数の上記個別配管と連通し、
上記返戻配管は、上記ろ過膜モジュールの長手方向に沿って配置され、複数の上記ろ過膜モジュールの略中央に囲まれて設置され、上記返戻配管と上記緩衝配管とを連結した端とは反対側の上記返戻配管の端は、他の配管と固定可能なフランジを有するろ過膜ユニット。
〔19〕上記ろ過膜は複数の中空糸膜であり、上記中空糸膜はその長手方向で折り返され、その両端の開口部が上記上部封止材に固定されている〔18〕に記載のろ過膜ユニット。
〔20〕〔1〕〜〔14〕のいずれか1項に記載の油水分離器のろ過膜ユニットを交換する方法であって、上記油水分離器の上記容器上部に上記ろ過膜ユニットを取り出し可能な搬入搬出口を有し、上記容器上方側部および上記容器下部にマンホールを有し、上記油水分離器内に載置された上記ろ過膜ユニットと上記排出機構との接続を上記下部に設けたアクセス可能なマンホールから入って解除し、容器上方側部に設けたマンホールから上記容器内に入り、解除されたろ過膜ユニットを上記容器上部の搬入搬出口から取り出すろ過膜ユニットの交換方法。
〔21〕上記容器上部の搬入搬出口から交換用のろ過膜ユニットを挿入し、上記取り出したろ過膜ユニットが載置されていた場所に載置し、上記載置された交換用ろ過膜ユニットを、上記排出機構と接続することを特徴とする〔20〕に記載のろ過膜ユニットの交換方法。
本明細書において「連通」とは流体が流れる状態にすることを意味する。典型的には、流体が流通可能な状態で2つ以上の部材が連結されていることを指す。このとき、各部材は他の部材を介して連結されていてもよいし、各部材が離間した状態で流体が流通可能な状態となっていてもよい。「延びる」または「延在する」とは、長さのある部材がその長手方向を所定方向に向けて配置されていることを意味する。
また、本発明のろ過膜ユニットは、上記の優れた油水分離器および油水分離方法に好適に利用することができる。
図1は、本発明の油水分離器の一実施形態としての利用態様を例示したものであり、原油の生産において含油随伴水をろ過する過程を概略的に示したフロー図である。同図に示した工程では、油井1から原油混合流体20Aを採掘する。そこには、天然ガス、水、砂、重金属等が含まれている。ここからは上記でも概略説明したが、これを減圧した後、HPセパレータ2、LPセパレータ3に原油混合流体20Aを送り、該セパレータ等により原油、天然ガス、水に分離する。分離された水が、含油水(以下、含油随伴水ということがある)であり、油分を多く含んだ油汚濁水である。この含油随伴水20Bを本発明に係る油水分離器15(図2−1参照)に導入し、その中から油分を取り除く。図2−1では、そこで示した全体の機構(容器15eおよびその内部の機構、ガス供給手段19、各流路15a〜15d、17)を油水分離装置10と呼び、容器15eとその内部の機構を油水分離器15と呼んでいる。ただし、本明細書において、広義には、油水分離器15もその概念として油水分離装置に含まれるものである。他方図1に示した採掘における工程全体を含めて言うときには、油水分離システム100として区別することがある。なお図1、図10中の囲みの中に記載された濃度は油分の含有濃度で、図10のオイルリムーバルフィルタ下流の濃度は実情の値で、その他は設計値である。ただし、これらの具体的な濃度等の記載により本発明が限定して解釈されるものではない。
原油を採掘する場合、油層の圧力が高い状態では原油は自ら噴出する(自噴する)が、油層の圧力が低い状態では自噴せずポンプによって原油を汲み上げる。これらの方法を一次回収(Primary recovery)という。多くの油層では、高圧になっており、150kg/cm2G(Gはゲージ圧を意味する。)以上というケースもまれではない。この場合、減圧弁により圧力を低下させ、HPセパレータの運転圧力は、20〜50kg/cm2Gとしているケースが多い。通常、一次回収で回収できるのは油層に含まれる原油の一部でしかなく、一次回収では生産ができなくなった油井では、原油を分離した後の随伴水や天然ガスを油層に注入し残った原油を加圧して回収する。これを二次回収(Secondary recovery)という。水を注入する方法は「水攻法」(Water flooding)、ガスを注入する方法は「ガス圧入法」(Gas injection)と呼ばれ、総称して回復法(Improved Oil Recovery)と呼ぶこともある。21世紀初頭現在では、それによって総合的に回収量が増えると見込まれる場合には、一次回収の最初から水やガスを注入するようになっている。二次回収でも残った原油を回収するために三次回収(Enhanced Oil Recovery, EOR)または強制回収法と呼ばれる技術の開発、実用化が進んでいる。これは水蒸気、炭酸ガス、界面活性剤(洗剤)などを注入して原油の流動性を改善する方法である。本発明の好ましい実施形態では、一次回収時に随伴水を油水分離を含む処理をして海または河川に放流するケース、また、二次回収の水攻法で、随伴水を油水分離して圧入水、さらに三次回収での蒸気圧入用のボイラー給水として利用するケースにおいて好適に対応することができる。
[坑井元エリア]
生産流体はウェルヘッドセパレータからのガス、液はヘッダーに集められ、油水分離エリアに向かう。
[油水分離エリア]
生産された流体は通常2段のオイルセパレータ(HPセパレータとLPセパレータ)に入り、ガス(炭化水素、水分、若干の硫化水素)、原油、及び随伴水の3相に分離される。原油はさらにデハイドレータに移送され0.5%質量程度まで脱水される。
[油分除去エリア]
油分分離エリアからの含油随伴水は、1,000ppm程度の油分を含んでいる。当エリアの基本構成は、スキムタンク5、インデュース・ガス・フローテーション、油水分離フィルタ(ウォルナットシェルなど)の3つであり、各々の機器で油分が除去される。本明細書において「ppm」の単位は、特に断らない限り質量基準である。
図1では含油随伴水20Bに1,000ppmの油分が含まれている例を示している。本発明の効果が顕著になる範囲としていえば、50ppm以上が好ましく、100ppm以上であることがより好ましく、200ppm以上が特に好ましい。上限は特にないが、3,000ppm以下であることが好ましく、1,000ppm以下であることがより好ましく、500ppm以下であることが特に好ましい。
処理後の処理水20Dの油分濃度は要求に応じて適宜その濃度を目標として設定することができる。低油分濃度とする場合、10ppm以下に抑えることが好ましく、5ppm以下がより好ましく、1ppm以下がさらに好ましい。
図10に記載の従来の分離方法によれば、前処理等多段のプロセスを必要とし、かつその処理水の油分濃度は、しばしば10ppmを超えているのが実情である。
油分: 5 ppm
SS: 0.1 ppm
1μm以上の最大許容粒子: 1ml当たり5個
溶存酸素: 10 ppb(vol)O2
バクテリア: 50 MPN/ml
(MPN:Most Probable Number、最確数)
(ml:ミリリットル)
嫌気性バクテリア: 50 MPN/ml
従来の処理法(図10)では、これらの要求を満足することは極めて困難であるが、本発明の好ましい実施形態によれば、これらを確実にかつ安定して達成することが可能である。さらにPTFE膜によって油分を除去された随伴水を石灰ソーダ法(Lime Softening)によって軟化・脱珪処理し、さらにイオン交換樹脂による軟化処理をすればボイラー給水として利用可能である。要求水質の例としては硬度:0.5mg/l as CaCO3、シリカ:50mg/l as SiO2、TDS:7,000mg/lである。
(1)油水分離器(容器)
本実施形態の油水分離器15は円筒縦型の容器15eをその筐体として構成されている。容器15eの材質は特に限定されないが、鉄製、ステンレススチール製、特殊合金製など、適宜その運転条件や製作上の要求やコストに応じて選定すればよい。容器15eの大きさや形状は特に限定されないが、原油や天然ガスの採掘現場において効率的な処理を行うことを想定すると、内容積で、40m3以上であることが好ましく、50m3以上であることがより好ましく、60m3以上であることが特に好ましい。上限としては、実際上、100m3以下であることが好ましく、90m3以下であることがより好ましく、80m3以下であることが特に好ましい。形状としては、縦型でも横型でもよいが、設置面積を低減可能であることとろ過膜ユニットの交換を考慮すると縦型であることが好ましい。縦型の形状を採用した場合の扁平率(高さを幅で除した値)は、1超であることが好ましく、1.6以上であることがより好ましく、1.8以上であることが特に好ましい。上限としては、2.4以下であることが好ましく、2.2以下であることがより好ましく、2以下であることが特に好ましい。
このろ過膜ユニットは処理水払出し配管15dに接続されており、ここからろ過された処理水20Dを回収する。この場合のろ過に必要なドライビングフォースとしてのろ過膜内外面の差圧は必要に応じ吸引ポンプを処理水払出し配管に接続して行ってよいが、本実施形態においては、容器内の圧力P1と処理水側の圧力P2とに差を設け、処理水20Dの移行が行われるようにしている。容器内の圧力P1は特に限定されないが、0〜10kg/cm2Gとなるように設定することが好ましく、2〜5kg/cm2Gとなるように設定することがより好ましい。上記処理水側との差圧(P1−P2)は0〜5kg/cm2となるように設定することが好ましく、0.2〜1kg/cm2となるように設定することがより好ましい。
一方、加圧状態で使用し、かつろ過膜ユニットの交換が必要な場合、円筒形状の胴体で少なくとも片方の端部に鏡板をフランジで固定し、鏡板を開放可能な構造とすることが想定される。しかしながら内径が例えば3mを超える場合は内部の流体が漏れないようにフランジをシーリングすることが困難であることがある。また排出機構の配管の取り合いが煩雑となることがある。このような点を考慮する場合には、容器を縦型の構造とすることが好ましい。
横型であっても加圧状態で使用しないときは、容器を直方体形状とし、上面を開放可能な構造にすれば、シーリングの問題は解消される。また、ろ過膜ユニットを上部から搬入搬出可能とすることができる。その場合、容器内に作業スペースを設けなくてもよい。
・ろ過膜ユニット
本実施形態の油水分離器15においては、長尺のろ過膜ユニット80が複数その長手方向を揃えて並列して容器15eの内部に収容載置されている。具体的には、図2−2の断面に示したように、長尺直方体のろ過膜ユニット80が円形の容器断面に対してできるだけ多く配設される配列で載置されている。本実施形態では、図面の上から3本,4本,5本,4本,3本の合計19本のろ過膜ユニットが断面六角形状になって載置されている。この配列形態は特に制限されるものではないが、このように容器の形態に応じてできるだけ多くのろ過膜ユニットが入る配置とすることが好ましい。
本実施形態においては、ろ過膜ユニット80は複数の(具体的には8本の)ろ過膜モジュール8が組み立てられて構成されている(図3参照)。図3(a)がろ過膜ユニット80の側面図を示しており、図3(b)がその一部斜視図である(図2−1の矢視IIIに対応)。本実施形態においては、前記ろ過膜モジュール8がその長手方向を揃えて並列して組み立てられている。さらに、前記ろ過膜モジュール8は上部キャップ81により個別配管82と接続される。個別配管82と緩衝配管83は連通して接続されているので、前記複数のろ過膜モジュールでろ過された含油水は緩衝配管で集水される。集水された処理水20Dは、連通する返戻配管84を介して、ろ過膜モジュール8の下方に送液される。なお本発明で上記個別配管82、緩衝配管83、返戻配管84を総称して返戻機構と指すことがある。なお、本明細書において、上方とは図2−1のU方向を指し、高さとはこの方向の距離をいう。下方とは、図2−1のL方向を指し、深さとはこの方向の距離をいう。容器15eにおいて、下方の端部を底部(Bt)と呼び、上方の端部を天部(Tp)と呼ぶことがある。
本実施形態において、このようにろ過膜ユニットが複数の膜モジュールによって構成されている。このとき、処理水は、上述のように、膜モジュール上方のヘッダー配管(個別配管82、緩衝配管83)を通過し、各膜モジュールに囲まれた返戻配管84を介して下方向へ導かれる。このように、敢えて上方に集水された処理水を下方に導いて回収することでろ過膜ユニット上方に広がる取出空間S2(図2−1)に障害物の少ないより大きな空間を保持することができる。作業の妨げとなる配管等が乱雑に配置されないことによりこのろ過膜ユニットを取出し可能な高さを設ければ、良好なろ過膜ユニットの交換作業が可能となる。またこの返戻機構はろ過膜モジュールを支持する機能も兼ねることができる。
1つのろ過膜ユニットを構成するろ過膜モジュールの本数は特に限定されないが、本発明では、2本以上であることが好ましく、4本以上がより好ましく、6本以上がさらに好ましい。上限は、取り扱い上、24本以下が好ましく、12本以下がより好ましい。
本発明において返戻機構ないし排出機構は、上記の形態に限定して解釈されるものではない。
前記ろ過膜モジュール8はその例として、1つまたは2つの開口部を端部に有する長尺のろ過膜が挙げられる。本実施形態では、2つの開口部を両端に有する長尺の円筒形状のろ過膜(中空糸膜あるいは管状膜)8bを複数有している例を示している(図4参照)。そしてその開口部はろ過膜モジュールの一方の端に集められて固定されている。本実施形態においては、油水分離器が、前記円筒形状のろ過膜の外部と内部空間に差圧を発生させる差圧付与機構を有し、その差圧により円筒形状のろ過膜外部の含油随伴水を内部空間に移行させる。そのとき円筒形状のろ過膜を通過させて含油随伴水20Bのろ過を行い、当該円筒形状のろ過膜の内部空間から油分濃度の低減された処理水20Dを回収することができる。図5は、図4のV矢視の拡大側面図であり、併せてその含油随伴水の移行状態を模式的に図示している。円筒形状のろ過膜8bの内部空間qには圧力差による吸引力w2が作用している(図5、6参照)。これにより、その内部と外部とに差圧が生じ、その外部から含油随伴水が押し込まれる(w1)。この内部への移行の際に、含油随伴水はろ過され油分濃度の低い処理水20Dとされる。この処理水は、開口部8cを介して上記吸引力により返戻機構の方へと移行する(d6)。
図4は本発明の好ましい実施形態として図2、図3で採用されているろ過膜モジュールを示している。本実施形態では、特開2009−154032に示されている中空糸のような円筒形状のろ過膜8bがその長手方向の一端8dで折り返されたものを採用している。つまり、糸状もしくは紐状の円筒形状のろ過膜8bをU字にして折り返す構造とされている。したがって、図4の形態のろ過膜モジュール8においては、ろ過膜8bはその端部から5〜10cm程度上部キャップ8aに開口をたもったまま挿入され、固定されている。上部封止材8aに設けられた開口部8cが含油随伴水をろ過した処理水の出口となり、処理水を回収する構造とされている。なお、図4のろ過膜モジュール8においては、円筒形状のろ過膜8bの重さのみでその直線的な配列が保たれることになるが、図2に示したように容器内で鉛直方向に向けて載置する場合には、その自重で直線状態が保持されるため適正な設置形態が得られる。本実施形態においては、前記上部封止材8aは上部キャップ81に嵌入しており、上部キャップにより個別配管82と連通する構造とされている(図5(b)参照)。同図5(b)では、キャップ81と個別配管82とが連続した構造体のように示しているが、この部分を螺合する構造にしたり、勘合する構造にしたり、あるいはパッキンなどで封止するようにしてもよい。上部封止材8aと上部キャップ81の嵌入構造も図示したものに限定されず、パッキンなどで封止したり、螺合したりしてもよい。
また円筒形状のろ過膜はU字にして折り返す構造ではなく、1つの開口部を端部に有する構造としてもよい。具体的には、上部封止材8aで一方の開口部を固定し、もう一方の端部を閉塞させたI字構造でもよい。中空糸膜の束が積極的に揺動し、膜表面へのファウリングを低減でき、膜表面に供給するガスがろ過膜モジュール下部から供給できるという点でU字状のものを採用することが好ましい。
上記の各例において、ろ過膜は1つでもよいが複数適用され、ろ過膜モジュールの一方の端部で複数のろ過膜の開口部が集められて固定されていることが好ましい。
本実施態様において上記浸漬ろ過膜及びその具体的な操作手順等は従来知られている物や手法を適用することができ、例えば、(社)日本水環境学会・膜を利用した処理技術研究委員会編「未循環の時代 膜を利用した水再生」39−49頁、有限責任中間法人 膜分離技術振興会・膜浄水委員会 監修、浄水膜(第2版)編集委員会 編集「浄水膜(第2版)」216頁以下、特開昭61−129094等を参照することができる。
ろ過膜(例えばPTFE製)の平均開孔径は特に限定されないが、ろ過性能を考慮して、0.0001μm以上であることが好ましく、0.001μm以上であることがより好ましい。入手可能性等を考慮すると、0.01μm以上であることが好ましく、0.03μm以上であることがより好ましく、0.05μm以上であることがさらに好ましい。上限としては、1μm以下であることが好ましく、0.5μm以下であることがより好ましい。小さな開孔径のものとするときには、平均開孔径を0.1μm以下とすることが好ましく、0.05μm以下とすることがより好ましく、0.01μm以下とすることがさらに好ましい。中空糸膜の形状において外径は特に限定されないが、容積当たりの流量や強度を考慮して、1mm以上に設定することが好ましい。上限としては、4mm以下に設定することが好ましく、3mm以下に設定することがより好ましい。内径は、同様の観点で、0.4mm以上が好ましく、0.6mm以上がより好ましく、0.8mm以上が特に好ましい。上限は、2mm以下が好ましく、1.5mm以下がより好ましく、1.2mm以下が特に好ましい。ろ過膜(例えばPTFE製)の厚さも特に限定されないが、上記と同様にろ過性能及び強度を考慮して、0.1mm以上にすることが好ましく、0.3mm以上がより好ましく、0.5mm以上が特に好ましい。上限としては、1.5mm以下にすることが好ましく、1mm以下にすることがより好ましい。
管状膜の内径は通常3mm〜14mmであるが、上限は11mm以下が好ましく、8mm以下がより好ましい。下限は5mm以上が好ましく、7mm以上がより好ましい。厚みは約0. 3〜1mmであることが好ましい。
管状膜の長さは特に限定されないが長尺であることが好ましい。中空糸膜としては、例えば、50cm以上が好ましく、90cm以上がより好ましく、100cm以上がさらに好ましく、120cm以上が特に好ましい。上限値としては、1000cm以下が好ましく、500cm以下がより好ましく、400cm以下がさらに好ましく、300cm以下がさらに好ましく、230cm以下がさらに好ましく、210cm以下がさらに好ましく、200cm以下が特に好ましい。
ろ過膜モジュールの長さは、20cm以上が好ましく、40cm以上がより好ましく、80cm以上がさらに好ましく、100cm以上が特に好ましい。上限値としては、500cm以下が好ましく、450cm以下がより好ましく、400cm以下がさらに好ましく、300cm以下が特に好ましい。
中空糸膜の市販品としては、住友電工社製、登録商標:ポアフロンなどを利用することができる。
本実施態様では耐熱性に優れるPTFE製のろ過膜を好適に採用可能であるため、処理対象とする随伴水(図1の20B)を冷却する必要がない点も利点となる。
ろ過膜は単層であっても2層以上の複層であってもよい。複層の中空糸膜としては、内層と外層あるいは中間層と、それぞれ平均開孔径の異なるものを用いることもできる。例えば、特開2004−141753号公報、特開平4−354521号公報、特開平3−109927号公報などを参考にすることができる。
平均開孔径の測定は定法によれば良いが、例えば、下記の平均流量孔径により評価することができる。細孔分布測定器(パームポロメータ CFP−1500A:Porous Materials,Inc製)により、液体として、GALWICK(プロピレン,1,1,2,3,3,3酸化ヘキサフッ酸(Porous Materials,Inc製)を用いて、測定した。具体的には、次のようにして求められる。先ず、膜に加えられる差圧と膜を透過する空気流量との関係を、膜が乾燥している場合と膜が液体で濡れている場合について測定し、得られたグラフをそれぞれ、乾き曲線及び濡れ曲線とする。乾き曲線の流量を1/2とした曲線と、濡れ曲線との交点における差圧を(ハーフドライ空気圧力)P(Pa)とする。次の式により、平均流量孔径を求める。
平均流量孔径d(μm)=cγ/P
ここで、cは定数で2860であり、γは液体の表面張力(dynes/cm)である。測定温度は特に断らない限り25℃とし、昇圧速度は1kPa/秒とする。その他の詳細な手順等はASTM:F316−03の規定を参照することができる。
膜厚や円筒形状のろ過膜(中空糸膜)の内径および外径は、ファインカッターで径方向にスライスし、その断面を顕微鏡(走査型電子顕微鏡)で観察することにより求めることができる。サンプリングは5箇所の断面で行い、その平均値を採用する。詳細な条件はJISK5600−1−7:2014 5.4「光学的方法」に準じて、行うこととする。
本実施形態においては、当該返戻配管は前記容器の下方で、容器外部に送液する処理水払出し配管に接続されている。当該払出し配管は、そこに固定されたろ過膜ユニット自体の重さと、含油水をろ過し内部を通過させる際の負荷を十分に支持する程度の強度を有するようにされている。またこの処理水払出し配管の差圧付与機構として下流に吸引ポンプを設けてもよいが、容器内の圧力が処理水払出し配管から払い出すのに十分に高い場合は、吸引ポンプを設けなくてもよい。なお、本発明が、図示した排出機構(処理水払出し配管15d等)により限定して解釈されるものでないことは、上記で述べたとおりである。すなわち、排出機構とは容器外部に処理液等を排出する構造体全般を指し、本発明の効果を奏する範囲で、当業者が採用するあらゆる手段を好適に適用することができる。例えば、図2−2に示した形態ではろ過膜ユニットの列ごとにまとめて1個所から容器外部に排出し、さらにそれを一つにまとめて排出する構造としているが、この形態に限定されない。
(4)気泡発生手段
本実施形態の油水分離器15においては、内部に気泡発生手段としての散気管16が導入されている。この散気管16は、含油随伴水に浸漬し、ろ過膜ユニット80(ろ過膜モジュール8)の鉛直方向下方に位置するように配置している。そして、この散気管にガスボンベ等のガス供給手段19からガス流路15aを介して所定のガスを供給し(供給方向d3参照)ろ過膜モジュールに向け気泡53を発生させる。このとき容器内のガスを回収して循環ブロア56を介して循環させ(ガス循環手段:循環ブロア56,循環流路17)、再度散気管16に送り込み、気泡53を含油随伴水内に発生させてもよい。大気中の酸素が入らないため、また炭化水素を含むガスを大気に放出しないよう、発生したガスを循環させるために、油水分離器15で使用される容器15eは気密構造となっている。具体的に、本実施形態においては、容器15e内で発生したガスを循環流路17を介して再度散気管に戻すことができるようにされている。
本実施形態の油水分離器15においては、さらに含油随伴水20Bの液面sの位置に、高濃度の油分を回収する円筒もしくは箱型形状の高油分濃度液回収機構(オイルスキマー)が設けられている。当該オイルスキマー21は、容器15eの天部から支持具21cでつるされた支持棒によって固定されている。その他の形状としては図7−1に示したように容器の内壁にオイルスキマーを取り付けた構造でも良い。このオイルスキマー21は隔壁21aと底板21bとで構成されており、その内部に隔壁を越えた高油分濃度液20Eが内包される。前述のように本実施形態においては油分の自然な上昇とともに、気泡に随伴して油分が液面sに向かって上昇してくる。これにより、容器15e内の含油随伴水は液面側、すなわち鉛直方向の上方ほど高い油分濃度となっている。これに対し容器内には前記供給配管15bから連続的に含油随伴水20Bが供給されており、嵩が増した含油随伴水は隔壁21aを越えてオイルスキマー内部へ流れ出す。このようにして高油分濃度液20Eは隔壁21aを介してオイルスキマー21内に移行して分離され、排液配管15cから回収される(方向d4参照)。この高油分濃度液はたとえばHPセパレータ2に返戻してもよい。つまり、前隔壁を越えた油分濃度の高い含油水の液面またはその近傍の液を前記原油混合流体と合流するように戻す返戻手段を設けることが好ましい。オイルスキマー21の大きさは特に限定されないが、後述する取出空間を十分に確保し、高油分濃度液を十分に回収して系外に放出できる容積が確保されていることが好ましい。
オイルスキマーの隔壁や底板は油分が透過しないよう孔のない板状であることが好ましい。なお、図2−1では、オイルスキマーから下方に延びる排液配管15cを取り出し空間S2に延出するように示している。しかし、これは図示の便宜であり、オイルスキマーの直下で側方に延びるようにされており、取り出し空間に入らず、ろ過膜ユニットの交換に支障のない配置とされている。
本発明において回収機構は上記の形態に限らず、本発明の効果を奏する範囲で、どのような形態のものも好適に採用することができる。例えば、図7−1ではオイルスキマーに溜まった排液は容器の側面に設けた排液配管15cから抜き取り可能な構造となっている。図7−1の装置では容器の内壁の一部分に備え付けてあるが内壁の周面全体に設けても良い。図7−1の装置では略中央に後で説明する上昇流路があるため、ライザーパイプの上方ではなく、容器の側面に設置した方が排液を好適に排出できるという点で好ましい。また液面sの近傍またはその下方に配管を配置し、そこから液面付近の含油随伴水を吸引して回収するようにしてもよい。あるいは、液面sに浮遊する構造の容器として、その側方から高濃度の油分が容器内部に回収される構造のものとしてもよい。
本実施形態の油水分離器15には、その内部でろ過膜ユニットが載置された空間より上方にろ過膜ユニットを取り出すための作業スペースとなる取出空間S2が形成されている。図2ではこの取出空間を高さ方向の距離S2として示しているが図示の便宜であり、この幅に収まる容器内の空間を取出空間と定義している。この取出空間には、上述のように作業者が入ることができるようにされている。ろ過膜モジュールは1本が約10〜20kgであり、これを8本組み合わせたろ過膜ユニットとしても1本が150〜200kgである。したがって、チェーンブロック等で容易に交換作業を行うことができる。
本発明の好ましい実施形態によれば、容器内にろ過膜ユニットを設置する上で搬入搬出口かろ過膜ユニットごとに設置でき、上述のように作業者が人の手や簡易な器具でその交換をできる。また、重機などの設備が必要なくなり、ろ過膜ユニットの重量も軽くなるためコストや管理上の低減効果も非常に大きい。
本実施形態においては容器15e下部に例えば球形状の樹脂製の充填材等のコアレッサーを設置してもよい。図2に示した構成ではこのコアレッサー18を散気管16の下方の位置に設置している。このようなコアレッサー18を設置することで、油水分離する前に、分散している微細な油分を合一させて、粒径を大きく成長させることによって、ガスによる浮上分離効果とろ過膜表面での油分除去率を向上させることが期待できる。
一般に、膜分離(ろ過)については、ろ過膜表面へのファウリングによりフラックス(流束)の低下が懸念されている。これに対し、本発明の好ましい実施形態に係る油水分離器によれば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製のろ過膜のようなファウリングをしにくい素材を適用することができ、かつ連続的にろ過膜表面を天然ガス等の気泡で洗浄することができる。さらに、定期的に逆洗を行えば、下記の実施例で示したように、フラックスの低下が顕著に抑えられる。
また、PTFE膜をクロスフローの外圧式で用い、30分に一度10秒間の逆洗を行うが、連続的なガスによるろ過膜表面の洗浄は行わない場合について、国際公開第WO2011/101961号パンフレットの図5(A)〜(C)に、フラックスの経時変化が示されている。しかし、6時間以降は安定するものの、初期にはフラックスの大きな低下が認められる。本発明の好ましい実施形態によれば、浸漬式で、低差圧運転、常時ガスによるろ過膜表面の洗浄を実施することができるため、初期のフラックスの低下も低く抑えることができる。
図7−1は、本発明の別の好ましい実施形態に係る油水分離器を模式的に示す側断面図である。図7−2は、図7−1の油水分離器のA矢視の断面図である。まずその形態について概略的に説明すると、前記の含油水を導入する容器15eの内部には含油水の上昇流路(ライザーパイプ)31が設置されている。該容器15eは、その上部に、油分濃度の高い過剰液を外部へ流出させるオイルスキマー(回収機構)21を具備し、該容器15eの下部には浸漬式のろ過膜モジュールを具備するろ過膜ユニット80が装填されている。本実施形態の油水分離器においては、上記ライザーパイプ31で、浮上分離処理され油分濃度の低くなった含油水は下降流でろ過膜に導かれる。その結果、さらに運転管理性がよく、効率的な油分除去を行うことができる。なお、図7−1は、図10の従来の油水分離システムの要部VIIの位置に、その機構に代え組み込まれることを想定している。図7−1の各部材や構造について一部説明を省略するが、図2−1に示した形態の油水分離器の各部材や構造と符号が同一のものは、それぞれ同じ機能および構造を有するものであることを意味する。ライザーパイプ31の上方端部に例えばハニカム構造のコアレッサーを設置してもよい。
さらに、図7に示した形態では、容器内部に浮上分離用のライザーパイプ31を組み込み、浮上分離した排水を下降流でろ過膜に供給する方式としている。これにより、たとえば1000mg/lで底部から供給された含油水は、パイプの開口部31aから放出され、浮上分離よりその油分濃度は200mg/l程度まで低下した含油水が下降する。図7では、その様子を四角で囲んだ濃度の数値として示している。これをろ過膜にフィードすることになり、1000mg/lの含油水を直接ろ過膜に供給する場合よりも、油分によるファウリングは大幅に低下する。その結果、高い流束,高効率の油除去が期待できる。
なお、これらの説明によって本実施形態に係る装置の処理能力が限定して解釈されるもではない。
テスト用のろ過システムで、油水分離性能試験を実施した。使用した試験膜(中空糸膜)は、平均開孔径0.1μm、外径2.7mm,内径1.3mmの架橋PVA(ポリビニルアルコール)で親水処理されたPTFE製で、気孔率が65%,抗張力が25℃で50−80Nとしている。その膜面積が0.089m2、上部封止材料が耐熱エポキシ樹脂である。この中空糸膜を膜モジュールとしてろ過システムに組み込んだ。含油排水貯留槽(原水タンク)にカナダオイルサンドの運転現場から入手した含油随伴水を投入し、温度を60℃とした。15分に1回空気の噴射によるパルス逆洗を行い、膜モジュールに逆圧(内圧)をかけろ過膜表面に堆積する固形分などを払拭した。
条件を下記の「表A」として、運転したところ、図8に示すように安定したろ過流量を示した。実験開始後6時間経過してもろ過流量は低下せず、実験開始時と同等の値を保持している。油分除去率は99.4%以上と、現在の油水分離設備に匹敵する良好な結果を得られた。また、フラックスは、図8に示すように、定期的な短時間の逆洗操作を行うことによって、実験中ほとんど低下しなかった。
2 HPセパレータ(HP Separator)
3 LPセパレータ(LP Separator)
4 デハイドレータ(Dehydrator)
5 スキムタンク
6 インデュース・ガス・フローテーション(Induced Gas Flotation)
7 オイルリムーバルフィルタ(Oil Removal Filter)
8 ろ過膜モジュール
8a 上部封止材
8b 円筒形状のろ過膜
8c 開口部
10 油水分離装置
15 油水分離器
15a ガス流路
15b 供給配管
15c 排液配管
15d 処理水払出し配管
15e 容器
15f ガス流路
15g 供給配管
16 散気管
17 循環流路
18 充填材
19 ガス供給手段
20A 原油混合流体
20B 含油随伴水
20D 処理水
20E 高油分濃度液
21 オイルスキマー
21a 隔壁
21b 底板
21c 支持具
22 回収ポット
23 ガス流路
24 薬品の供給配管
25 排液配管
29 エダクター
30 ラインミキサー
31 上昇流路(ライザーパイプ)
31a パイプ開口部
31b パイプ内部
51a,51b 熱交換器
53 気泡
54 油分
56 循環ブロア
80 ろ過膜ユニット
81 上部キャップ
82 個別配管
83 緩衝配管
84 返戻配管
S1,S2 取出空間(高さ)
S3 ろ過膜ユニットの高さ
100 油水分離システム
E1 搬入搬出口
E2〜E3 マンホール
Claims (21)
- 含油水から油分を除去する油水分離器であって、
容器と、ろ過膜ユニットと、供給配管と、排出機構と、回収機構と、排液配管と、処理水払出し配管とを有し、
前記容器には前記含油水が供給され、
前記供給配管は前記容器の下部に接続され、
前記ろ過膜ユニットは前記容器内に設置され、
前記回収機構が前記ろ過膜ユニットの上方で前記含油水の液面またはその近傍の位置に高油分濃度液を回収可能に設けられ、前記排液配管は前記回収機構内部の前記高油分濃度液を回収し、
前記処理水払出し配管は前記ろ過膜ユニットの下部に設置され、
前記ろ過膜ユニットはろ過膜モジュールと、上部キャップと、個別配管と、緩衝配管と、返戻配管とを有し、前記ろ過膜ユニットは前記含油水に浸漬させた状態でろ過を行い、前記ろ過膜モジュールと前記上部キャップ、前記上部キャップと前記個別配管、前記個別配管と前記緩衝配管、前記緩衝配管と前記返戻配管はそれぞれ連通して接続し、
前記ろ過膜モジュールは長尺構造のろ過膜であり、1つまたは2つの開口部を端部に有し、前記開口部は上部封止材で前記ろ過膜モジュールの一方の端に固定され、
前記上部封止材は前記上部キャップに嵌入され固定され、
前記返戻配管は前記ろ過膜モジュールに沿って延在し、鉛直方向に配設され、前記処理水払出し配管に接続され、
前記ろ過膜ユニットは着脱可能に前記処理水払出し配管に支持され、鉛直方向に配設され、
前記油水分離器はろ過された前記含油水が前記長尺構造のろ過膜、前記上部キャップ、及び前記個別配管の内部を上昇し、前記緩衝配管で集水され、前記返戻配管の内部を下降し、前記容器下部の前記処理水払出し配管から回収されるようにした油水分離器。 - 前記容器が縦型である請求項1に記載の油水分離器。
- 前記容器の胴部が円筒形状であり、端部が曲面形状であることを特徴とする請求項1または2に記載の油水分離器。
- 前記ろ過膜がポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製である請求項1〜3のいずれか1項に記載の油水分離器。
- 前記ろ過膜は中空糸膜もしくは管状膜である請求項1〜4のいずれか1項に記載の油水分離器。
- 前記ろ過膜は、円筒形状の中空糸膜もしくは管状膜であり、当該ろ過膜はその長手方向で折り返され、その両端の開口部が前記ろ過膜モジュールの一方の端で固定されている請求項5に記載の油水分離器。
- さらに前記ろ過膜ユニットに向け気泡を供給する気泡発生手段を有する請求項1〜6のいずれか1項に記載の油水分離器。
- さらに前記ろ過膜ユニットを取り出すための空間で該ろ過膜ユニットの高さと実質的に同等以上の高さのある取出空間を前記ろ過膜ユニットの上方に有する請求項1〜7のいずれか1項に記載の油水分離器。
- 前記回収機構が、液面に向かって液中から立設する隔壁を有し、該隔壁を越えた前記含油水の液面またはその近傍の油分を前記高油分濃度液として回収するオイルスキマーである請求項1〜8のいずれか1項に記載の油水分離器。
- 前記ろ過膜が円筒形状の中空糸膜もしくは管状膜であり、前記ろ過膜モジュールが当該円筒形状の中空糸膜もしくは管状膜を複数有する請求項1〜9のいずれか1項に記載の油水分離器。
- 前記ろ過膜は中空糸膜であり、前記中空糸膜の開孔径が0.0001〜1μmである請求項1〜10のいずれか1項に記載の油水分離器。
- 前記取出空間は人が入って作業できる容積を有する請求項8〜11のいずれか1項に記載の油水分離器。
- 前記容器内にその底部から上方に向けて延びる含油水の上昇流路を配置し、該上昇流路の内部に含油水を供給する請求項1〜12のいずれか1項に記載の油水分離器。
- 前記含油水に化学薬品を含有させて前記容器に導入する手段を具備する請求項1〜13のいずれか1項に記載の油水分離器。
- 請求項1〜14のいずれか1項に記載の油水分離器により含油水から油分を除去する油水分離方法。
- 前記含油水の油分濃度が50〜3,000ppmであり、そのろ過により前記処理水の油分濃度を5ppm以下とする請求項15に記載の油水分離方法。
- 前記容器内の前記含油水の温度が10〜150℃であり、圧力が0〜10kg/cm2Gである請求項15または16に記載の油水分離方法。
- ろ過膜モジュールと、上部キャップと、個別配管と、緩衝配管と、返戻配管とを有するろ過膜ユニットであって、
ろ過膜モジュールはろ過膜と上部封止材とを有し、
前記ろ過膜は長尺構造であり、1つまたは2つの開口部を端部に有し、前記ろ過膜モジュールはそのろ過膜の開口部の方向を揃えて並置され、前記上部封止材に前記ろ過膜の開口を保持して固定され、
前記ろ過膜モジュールは、前記上部キャップの一方の端において前記上部封止材で固定され、
前記上部キャップと、前記ろ過膜モジュールの開口部が固定された上部封止材とは一方の端で連通し、
前記上部キャップと前記個別配管とは、前記上部封止材と前記上部キャップと連結した端とは反対側の端で固定されて連通し、
前記個別配管と前記緩衝配管とは、前記上部キャップと前記個別配管と連結した端とは反対側の端で固定されて連通し、
前記緩衝配管と、前記返戻配管とは、前記個別配管と前記緩衝配管と連結した端とは反対側の端で固定されて連通し、
前記緩衝配管は複数の前記個別配管と連通し、
前記返戻配管は、前記ろ過膜モジュールの長手方向に沿って配置され、複数の前記ろ過膜モジュールの略中央に囲まれて設置され、前記返戻配管と前記緩衝配管とを連結した端とは反対側の前記返戻配管の端は、他の配管と固定可能なフランジを有するろ過膜ユニット。 - 前記ろ過膜は複数の中空糸膜であり、当該中空糸膜はその長手方向で折り返され、その両端の開口部が前記上部封止材に固定されている請求項18に記載のろ過膜ユニット。
- 請求項1〜14のいずれか1項に記載の油水分離器のろ過膜ユニットを交換する方法であって、前記油水分離器の前記容器上部に前記ろ過膜ユニットを取り出し可能な搬入搬出口を有し、前記容器上方側部および前記容器下部にマンホールを有し、前記油水分離器内に載置された前記ろ過膜ユニットと前記排出機構との接続を前記下部に設けたアクセス可能なマンホールから入って解除し、容器上方側部に設けたマンホールから前記容器内に入り、解除されたろ過膜ユニットを前記容器上部の搬入搬出口から取り出すろ過膜ユニットの交換方法。
- 前記容器上部の搬入搬出口から交換用のろ過膜ユニットを挿入し、前記取り出したろ過膜ユニットが載置されていた場所に載置し、前記載置された交換用ろ過膜ユニットを、前記排出機構と接続することを特徴とする請求項20に記載のろ過膜ユニットの交換方法。
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