JPS58137406A - 油水エマルジヨンから静電的機械的に脱水する方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 技術分り！ｆ 本発明は、油井流の油と水と？段階的に分離するため電
界と−Ｆ向きに傾斜した回収面とり１テイ°１」１旧す
ることに係るものである。更に具体的にいえば、本発明
によれば、電界とその下流にセパレータとを設け、この
セパレータは下向きに傾斜してし・イノ平行板？有し、
それに続いて静止分離域があってこの分離域では分離し
た液体は水）１１に流れて垂直に流れることによる分離
阻害ヶ回避している。

背景技術 油井流 一方の液相は原油もしくは瀝青砂岩からつくられたシン
クルート（５ｙｎｃｒｕｃｌｅ　）もしくはシェール油
であり、そして他方の液相は水もしくはプラインである
液／＃分離ケ火量月っ迅速に行なうことは石油産業では
當にどこでも必要とされている。

勿論、油と水とは混じらないが、高度に分１１ｔシて、
不連続な相とし゛（水相は産出した油にしばＩ７は存在
する。この混合ｉ（′！、’１７エマルジヨンという。

この水相の根源は生成水及び又は二次、三次回１１′Ｉ
に使用されろ凝縮蒸気である。

電界に、−ｈろ会合 油からその中に沈まれた、もしくは混和している水を回
収するととは以下に挙げる特許や刊行物から明らかなよ
うにずいぶん以前からの問題であて）。米国特許第３，
７７２，１８０号（１９７３年）；同第３．８４７，７
７５号（ｉ　！１７４年）；同第４，１１６，７９０号
（１９７８年）；同第４，３０８，１２７号（１９８１
年）；ウオターマン、エル、シー、ケミカルエンジニャ
リング、プログレス、吋（１０）　、　５１−５７　（
１９６５年）；ジョブロム、ジー、エル及びゴーレンツ
ニス、エル、アイエンドイージーファンｊ”　＋　”　
＋　（４Ｌ５］９　５２５　（１９６６年）。この分離
ケ行なうのに最も広く使用されている方法の一つは高電
圧電界？使用することである。極性のない媒質例えば油
の中で極性のある水もしくはプラインの粒滴ン電界の力
で凝縮させるのに２つのメカニズムが働いている。第１
に、荷電電極と直接接触することに、Ｌり又は油が電極
から電荷を対流移転することにより水滴が電荷ケ得る。

反対の電荷ケ得た水滴どうしの間で吸引力が作用する。

これらの吸引力が会合（ｃｏａｌｅｓｃｅ　）　ｊ、（
促進する。第２に、慣性のあろ水分子と外の電界とのア
ライメントにより、そして水滴内の動ける帯電粒子もし
くはイオンのＣ）分布により電界中の水滴は分粒する。

近くどうしの水滴の反対極性で帯電している部分の間で
吸引静電力が働いてそれらを会合させる。こ」′１らの
２つのメカニズムの間でどちらが重要であるがというこ
とは２つの相の（物理的特性と化学的性質とにより明確
に決定される。特に重要なのは油の導電性である。電気
的に促進される会合（ｃｏａｌｃｓｃｃｎｃｃ　）は以
下の文献に詳述されている。ピアース、シーアラン、ア
ール・ニス及ヒメイスン、ニス・シー。

トランス、ファー・ソザエテイ、　５７　、２０２７−
２０４０　（１９６１年）；ボール、エイチ、エイ、ジ
ャーナルアプライドフィジックス、２２（７）。

８６９−８７１　（１９５１年）；ペイルース、ジエイ
及−テツク、ニス、イー及びヘンドリックス、シー・デ
ィ、アイエンドイー・シーファント、　１３．１３９−
１４２　（１９７４年）。

高電圧会合装ＪＫＩは、この装置内で得られる最大の水
滴の寸法についである制限ケうげる（ザデック、ニス・
イー及びヘンドリックス、シー・ディー・アイアンドイ
ージーファン）”、　１３　、１３９−１４２　（１９
７４年）、並びにウォタ・−マン、エル・シー、ケミカ
ルエンジニャリングプログレス。

６１　（１０）　、　５１−５７　（１９６５年）参照
）。これらの制限の第１のものは水滴にが＼るハイドロ
ダイナミックフォース又は動水力学的力に関係している
。水滴の帯電電荷又は分極は、２つの電極、すなわち帯
電電極と大地との間で水滴ケ急速に動かす。この運動に
付随するのが電気対流（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｃｏｎｖｅｃ
ｔｉｖｃ　ｃｕｒｒｅｎｔｓ　）であって連続油相中に
発生する。これらの運動により水滴はハイドロダイナミ
ックフォース又は動水カ馨うけそれにより個個の水滴は
分散する。水滴乞分散するに要する動水力の大きさは水
滴半径によっても変る。水滴半径が小さくなればなる程
、水滴？分散するに必要な動水力は大きくなる。

前記の制限の第２のものは水滴にか＼る電気的ストレス
に関係する。帯電水滴が分散する傾向があることは認め
られている（ドイル、エイ、モヘット、ディー・アール
、ボネガツｌ−、ビー、ジーヤ１９６４　年）　、ウオ
ターマン、エル、シー、ケミ力５７　（１９６５年）；
ザデツク、ニス・イー及び照）。水滴表面の臨界的な分
散電界は水滴半径の平方根に逆比例することが認められ
ている（ドイル、エイ、モヘッド、ディ・アール、ボネ
ガツｌ−。

ビー、ジャーナルコロイドサイエンス、　１９．１３６
−１４：（（１９６４年）参照）。従って水滴が大きけ
れば大きい程、水滴馨分散させる水滴表面の電界は小さ
くなる。水滴表面に過剰な電荷勾配が、水滴の伝導もし
くは対流帯電によって又は水滴の分極によってつくられ
ることがｋ）る。結論として、高電圧会合装置における
・・イドロダイナミックストレスと電気ストレスとはそ
の装置内での水滴の最大寸法を決める傾向がある。この
最大水滴寸法は、２つの液相の物理的特性と使用される
電界の特性とにより決定される。到達可能の最大水滴寸
法の確ケに寄与することに加えて、大きな水滴にか＼る
電気的ストレスは電界の出ｌ］域において特に有害であ
るということに注目すべきである。電気的ストレスの影
響下にある水滴分散メカニズムによれば１分散粒子はも
との粒子よりもはるかに小さくなる。電界の出口域で分
散するとその分散粒子は再会合せず、小さい寸法となっ
ているので沈澱距離があればそれらの重力沈降にはとて
も長い滞留時間がかかる。電界内で到達し得るものより
も最大滴粒を増大させ、そして電界の出口域における電
気ストレスの分散によりつくられる小さい水滴を集める
には別のメカニズムと力とが必要である。この問題を解
決するため、傾斜板セパレーターのポテンシャルを利用
スル・ 傾斜板セパレータ 本文にいう「傾斜板セパレータ」又はし傾斜面セパレー
タ」とは、分散液相を第２の混和しない連続液相から比
重の差を第１」用して分離する装置であって次の特徴を
備えている。すなわち、（１）全体の流れが複数の流ｂ
！Ｍに分けられ、それＬ゛）の流ＩＩ′名では分散液相
の粒滴は短かい距離を−に−１：’　してか１′）面に
集められ、（２）収集面は傾刷ｌ〜ていＣ分ｊｊｌＩ〆
（ｆ相の収集された液滴はその面に沿って動いて、分散
相の他の液滴ど会合して大きな液滴となってその面を出
ていく。

傾斜板セパレータの代表例としてはロイヤルダツチシエ
ルにより例年も前に開発されたセパレータがある。この
セパレータの最も普通の使い方は、精製しようとする廃
棄水から油とスラッジを取除くことであった。セパレー
タは平らな又は波状の板を並べたものから全体としては
構成されている。

これらの根の材料は金属、プラスチック又はファイバー
ガラスである。水平に灯して斜めに流れの中に複数の板
を配列してその流れの分散液の収集面とする。典型的な
動作では、油滴は根と板との間の短かい距離を上昇して
上の板の底面にぶつがってこれと接触して板に沿って上
方に動いて他の収集された油滴と会合する。結果として
、その会合して板の面を出ていく油滴は板のアレーに入
る油滴よりも大きくなっている。大きい粒滴は大きな速
度で一］二っていき、そしてプレートアレーの流路の小
さい粒滴よりも液相から効率よく敗除かれる。この形式
のセパレータによる油滴の寸法の増大は液相分離に必要
とされる滞留時間を短縮する。

板に沿うハイドロリックフリクションによって生じる好
都合の、均一な流れ分布によって都留時間は更に短縮さ
れる。渦や大きな環流はなくなる。

滞留時間が短縮されるので容器の寸法は減縮でき、そし
て資本も節約できる。この形のセパレータは次の文献に
紹介されいる。プランズマン、ジェイ。

ジエイ、コーネリッセン、ジェイ及びアイラーズ。

エイチ、ジエイ、ダブリューピーシ−エフ、　　５１（
１）　、　４４−５５　（１９６２年）；ミランダ、ジ
ェイ。

エンドガスジャーナル、　Ｐ、　８６−８８　（１９７
０年１２月１４日）。

傾斜面セパレータは廃水から油を取除くのに使用されて
いたけれども、この七パレータは油から水もしくはブラ
インの粒滴を取除くのにも同じ、１うに適している。こ
の場合液相の分散粒滴は７■ｊ力の作用により板と板と
の間の短距離を１４’Ｆｌ、、傾斜面を下降していくと
き他の水滴と会合する。

傾斜面セパレータは、収集される分散相粒滴の寸法に関
しである制限をうける。第２の、混オロしない連続相内
で分散相（水にせよ油にせよ）の液滴の沈降速度は粒滴
の直径の自乗で増大する。重力分離を行なう二相分離装
置では分散相の粒滴の寸法がある程＃以上大きくなげれ
ば分離できないのである。例えば、水中に分散１−てい
る油を取除＜トキ、傾斜面セパレータでは８０ミクロン
ヨリも油滴が小さいと油滴を取除くことは経済的にも技
術的にもできないのである（ボイド、ジエイ・エル、シ
ェル、シー−ニル及ヒダールストローム。

ングシンポジウムシリーズ、扁１２４　、６８　、３９
３−４０１　（１９７１年）参照）。

結　　　論 電気的会合と傾斜面セパレータによる会合との両方が、
油中の水又はプラインの分散液滴を会合させれる粒度に
ついて制限をうける。電気会合装置は非常に小さい水滴
を会合させることができるが、２相の物理的特性と使用
する電界の特性とにより決定される到達し得る粒滴の寸
法に対しての上限がある。もし水滴直径がこの上限を越
えて増大すると、相分離に要する滞留時間は減少する。

傾斜面セパレータは非常に小さい水滴の会合のための適
切な装置ではないが、電気的会合によりつくられる水滴
を更に会合させるには理想的なまでに適している。

発明の開示 本発明は、極性のある分散液相と極性のない連続液相と
のエマルジョンを電界に、そしてその分散相のための会
合面をつくっている機械的セパレータに通すことを意図
している。電界と機械セバレータとに続いて静止分前域
を設けて、そこでは分離する液体の相互に反対の直接的
な垂面の流れを回避することによりａり体の分離を促１
１（する。

更に本発明は、水平にのびる容器の中で液体のエマルジ
ョンを、帯電電極によりつくられた電界ニ、ソれからエ
マルジョンの水平の流れカイ）−Ｆ向きになっている甲
−行通路を構成してい４）、機械的セパレータユニット
に適寸ことを意図している。電界電極を数句けた容器の
部分と機械的セパレータのプレートユニットな数句けた
容器の部分とに続いて、電界からそしてセパレータユニ
ットから流れる液体のため静止分離域を設けている。

本発明の他の目的、利点及び特徴は以下の説明から当業
者には明らかとなろう。

本発明の最良の実施例を油井の流体混合物の分離プロセ
スについて説明する。すなわち、これらの分離される液
体とは油と水である。油を抽出する層に水があり、そし
てこねなしはしばブラインと称することは知られている
。水に関ずろずべてこの術語は［水相−」という熟語に
しばしば含まれる。

電界内で液／液混合物を処理するとき、それらの電気的
特性に基づいて油と水とを区別することが必要である。

それ故、この術語は水を導電性としてそして液体のうち
で極性のあるものとして、そして油を非導電性としてそ
して液体のうちで極性のないものとし゛Ｃ参照する場合
にときどき使用する。この術語は当業者間ではよく使用
され、混乱を生ずることはない。

帯電電極によりつくられる場は「電界」として参照され
る。又、その場を「静電界」としても参照する。これら
の術語を使用しても当業者が混乱するということはない
。

電界から処理流体をうけるように数句けた機械的装置に
ついて、この装置の平行板は「アレー」として参照する
ことをことわっておく。添付図からこれらの何枚かの平
行板は、処理液を通す平行路を板と板との間に形成する
よう「組合せたもの」といえることが理解されよう。

本発明の広い概念は、分散液相が少なくとも一板の表面
に集まるように処理流体の流れに板を配置するというこ
とである。勿論、この広い一念の下位、眠念として、同
じように作用する複数の＆を複数の収集面と複数の水路
をつくるように配置してもよいということがある。

添付図は、最も簡単な形態として水平にのびる殻１を断
面で示す。油と水のエマルジョンを導管２を通して殻の
左端に入れろ。分離した後油は上方出口３を通って殻１
から取除かれ、そして水は下方出口４を通って殻１がら
取除がれる。殻１内に入れられるエマルジョン内にガス
があってもよい。本発明の開示に当ってガスを無視して
、本発明は油と水との液／液分離に係るものとする。

殻ｌの内側は隔室に分けられている。第１の隔室５内に
は熱源が配置されていて、隔室５を流れる油井流が熱源
に接触する。このように構成したのは下流側の本発明の
装置により行なわれる液、／敵分離を促進するに必要な
油井流の温度を高めるためである。勿論、油井流へのこ
の熱入力は殻１の上流側の導管２内に設けたヒータによ
って供給してもよい。しかし、殻１内で処理Ｊるのに備
えて油井流に熱を入れる必要がないこともある。

殻１を水平に配置したことには意味がある。殻１内の各
隔室は水平に流れる液体をうける。処理液の水平の流れ
は、各隔室内で、垂直になるが、隔室と隔室との間の流
れは水平方向である。液体混合物が各隔室内につくられ
る力をうけてから、混じり合わない液体と液体との間で
ある程度の分離が期待される実質的に水平な流れ空間が
つくられる。水平の流れ内で制御されると、これらの分
離した液体は相互に対抗することなく、上下に重力によ
って分かれる最大の機会を持つことになる。

電気部分 隔室６はヒータ隔室５の下流にあって、隔室６の電界内
での液／液分離の開始に適する温度範囲内にある油井流
をうけとる。隔室６内の電界は電極７間に発生し、これ
らの電極は変圧器８がも充電される。電極７、電界を通
すように油井流を流すのに必要なバッフル、及び他のす
べての機械的、回路的構成は種々変更し得る。極性のな
（・液体中に分散した極性のある液体の混合物へ電界を
イ１効に印加するには多くの方法がある。これについて
は本文の技術背暇のところで参照文献を示して説明した
。

隔室６とそれらの電界を通して油井流を流した結果とし
て粒滴寸法は大きくなる。あるものは、殻１の下方部分
にある水１０への沈降を開始するだけの大きさとなる。

分離域 隔室６の電界へさらされた液体の混合物は領域１１を通
って水平に流れる。領域１１は殻１内で隔室６の下流の
下側にある。この静止域によっである程度の量の会合液
が−に又は下に分離沈降（２て。

分離１］標の一部分の分離を実施寸４）。隔室【１を通
して水平にとｉ＋らの液体を流すことに１、す、水から
油の、そして油から水の分離を行なうが、その分離を遅
らせろこととなるような向流は最小とされている。

勿論、すべての液体が相互に分離することばなく、領域
１１から機械的分離設備のある下流の隔室１２へ混合敵
として運ばれていく。

機械的セパレータ 先行技術は油から水を抜き出して集めるときの「仕上げ
」部分として電界を利用することを教示している。電界
中で会合する比較的小さい水滴は、油からの効果的な重
力分離を行なうため粒滴の寸法を増大する別の力も必要
とすることがはっきりした。このことに気がついたこと
により、電気的に会合した水滴を、更に会合を有効に行
なわせる収集面へ送るという思想がうまれた。かくして
、下向に傾２＋−だ板のセパレータが電界隔室６の放出
側に配置−夕れば有用であるということに想到したので
ある・ 平行板のアレー１４を隔室１２内に取付けて平行板と平
行板との間の通路が隔室６の電界から放出されるものを
うけとれるようにする。水滴はアレーの板の面に接触し
、これらの板の面に沿って進み、その間水滴は会合し、
そして重力沈降ができるだけの大きさとなって板の面を
離れて殻１の下方部分の水に入る。勿論、油（オ上！ｉ
　ｌ−て隔室１５の上刃部分の東められた油と一緒にな
る。両方の流体は別々の嗜管によって取出される。分離
面体のための平行通路と分離した相の収集面とを形成す
る複数の板としてアレー１４を示しているけれども、混
合物の流れに対して斜めになっている表面ヲつくってそ
の」二で分離相の粒滴が会合して電界によって得られる
よりも大きな寸法とｔ「るようにすればよいのである。

収ＩＪ４面と収集面との間隔を実用的な範囲で狭くして
分団ト相の粒滴が収集前に沈降しなければならない距離
をできるだけ短かくするのが好ましい。複数の平行板を
配列するのが実施上好ましいが、上位概念としては液体
混合物の水平の流れに対して斜めに傾斜している面とす
ればよいのである。いずれにしても、静止領域をこのア
レー１４の下流につくる。この領域は領域１１と同じで
ある。

第２分離域 アレー１４の下流の殻１内に空間をつくり、会合の程度
を高めた混合物の液体の分離を１Ｑひ行なわせろ。この
空間内で、アレー１４から出てきた液体は更に分離する
機会を与えられ、上昇する油と下降する水とは殻１の頂
部と底部とのそれぞれの集まりに加わっていく。分離液
体はアレー１４から水平方向に解放されて油の上昇と水
の下降とができるだけ邪魔しあうことがないようにする
。

殻１から油と水とを回収するためのその他の構成は、こ
＼に開示した構成が実施する全プロセスにとっては末梢
的なものである。

結　　　論 本発明を方法としてもしくは装置として限定しても、い
ずれにしても本発明は液体の混合物に電界の力を作用さ
せ、それから機械的なセパレータの力を作用させて液体
の分離を促進させる。第１に、会合機能における電界の
役割は逆にされている。電界は分離プロセスの終りの位
置から分離プロセスの始めの位置へ移されている。機械
的分離ユニットは電界が開始ｌまた分離を仕上げる場所
に位置している。

液体の会合は先ず電界により、そして次に機械的セ・ｚ
（／−夕に」ニリ促進さ第１、てから、静市領域内の水
平流となって会合液体が重力に」：し分ｉ’７１ｆする
最大の機会を辱えるようになっている。

叙にから本発明が本文中に述べたす−・ての目的を達成
し、そのＪｊ法と装置とに固有の効果を奏するものであ
ることを理解され」二う。

ある特徴と組合せとは有用なものであり、そしてそれら
は他の特徴と組合とに関わりなく利用できる。これも本
発明の技術的思想内に含１れる。

多くの実施の態様が可能であり、それらは−ずれも本発
明の技術的思想の範囲に属するものである。添付図に示
し−にに説明したものは例示に過ぎず、これに限定］２
て本発明を解釈すべきものではない。

【図面の簡単な説明】

添付図は本発明を実施し、た、電極と傾ｊ司板セパＶ−
夕とを有する水平方向にのびる容器と断面図である。 １・・殻、２・・導管、３・・」一方出ＩＩ、４・・Ｔ
刃出［］、５・・第１の隔室、７・・電極、８・・（２
；う） 変圧器、１０・・分離した水、１１・・隔室の下流の下
側の領域、１２・・隔室、１４・・平行板のアレー、１
５・・隔室。 （２４）

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）一方は極性馨有し、そして混合物中の分散相を構
   成しており、他力は極性馨有しておらず混合物中の連続
   相Ｙ　＃Ｉ＝ｊ成している２つの混和しない液体の混合
   物乞分離する方法において、 第１に、極性を有する液体の小さな粒滴ケ会合させるた
   め電界に混合物ケ通し、 第２に、極性２有する液体の大きな会合粒ン商を極性馨
   有しない液体から重力沈降により分離させろ第１の分離
   域に電界から混合物ケ通し、 第３に、分散している極性を有する液滴の収集と会合の
   ため下方に傾斜している面の上ゲ極性を有する液体と極
   性２有していない液体の混合物ケ通過させ、 第４に、会合させ収集する面から会合した極性馨有する
   液＾Ｆｊを第２の分離領域に通し、そこで重力沈降させ
   て極性馨有しない液体から分離させ、 分離した極性２有する液体と極性ケ１１しない液体ど乞
   それぞれに集め、そして その集めた液体を取除く 諸段階ケ含む２つの混和しない液体の混合物乞分離する
   方法。
2. （２）会合力が作用し易いようになる所定範囲に液体混
   合物の温度ケ最初に高めておく特許請求の範囲第１項に
   記載の方法。
3. （３）電界からＩＡｉ　ｉｔヒｆる混合物ン、会合し分
   離した面体が対向流ど７ｃらないように実質的に水平方
   向に第１の分離領域に入れ、そして。 収集面からｆｌｉｔ出゛する混合物ケ、会合し分離した
   液体が対向流とならないように実質的に水平方向に第２
   の分離領域に入れる 特許請求の範囲第１項に記載の方法。
4. （４）混合物の第；３の通過が平行通路ケ通過すること
   でル）って、各通路は分散した極性（１イ」−４る液体
   の集められた＃１．滴が会合するＪＩＹ集而有面有して
   いる特許請求の範囲第１項に記１１＆の方法。
5. （５）　　一方は極性２有し、そして混合物中の分１１
   ダ相ケ構成して二陰り、他方は極性弔−イＪして：ｔ、
   ：ｉ　ｌ：）ず混合物中の連続相馨構成している２つの
   混合物２分π１￥ろ装置において、 水平にのυ・ろ殻、 分離させようとする混合物乞殻の第１のｉ？１ｉｒｉに
   流し込む手段、 電気エネルギー源により発生した電ｗＫ混合物ケうけ入
   れるため穀の第１のグム１に取イ・ｊけた電極、 極性２有するｎｋ滴が会合していてそして会合した極ダ
   １ケ有する粒滴と極性２有しない液体との間で分離が生
   じる、殻内で電界の１流に配置した第１の分離領域、 殻内で第１の分ｌ／ｉ１ｆ領域の下流にあって、イヶ件
   のある液滴が会合する収集面ケっくインため第１の分π
   １６〔１域からの混合物の流Ｊ１に灼して下方へ傾斜し
   ている而をつくっている機械的なセパレーター、 殻内で収ｆＬ面の下流にあって混合物の実質的に水゛１
   ′な流り、ηぐうけそして会合した極性のあイ）粒滴が
   ）ｌｉＤ＜性の１．［い液体から分前して重力沈降でき
   ろようにする第２の分離領域、及び分離した液体を殻か
   ら取除くための手段ケ備えたこと乞特徴とする２つの混
   和しない液体の混合物ケ分離する装置。
6. （６）　　電界に混合物２入れる前に混合物の淵度馨所
   定の範）Ｊｌｌに高める手段を備える特許請求の範囲第
   ５項に記載の装置。
7. （７）傾斜面２１グえる機械的セパレーターが混合物の
   流れに利して面をさらしている複数の平行板ケ備え−（
   いる特許請求の範囲第５項に記載の装置。