KR101445101B1

KR101445101B1 - 내벽의 구조가 개선된 하이드로싸이클론 라이너 및 이를 사용하여 생산수로부터 오일을 제거하는 방법

Info

Publication number: KR101445101B1
Application number: KR1020140035806A
Authority: KR
Inventors: 장호길; 김동관; 임재호
Original assignee: 선보공업주식회사
Priority date: 2014-03-27
Filing date: 2014-03-27
Publication date: 2014-10-02

Abstract

본 발명은 원유 채취 시 발생 되는 다량의 오일이 포함된 생산수를 처리하기 위한 생산수 처리시스템(Produced water treatment system)에 사용되는 오일제거용 하이드로싸이클론(De-oiling Hydrocyclone) 단계의 오일 제거용 라이너(liner)에 관한 것으로, 라이너의 내벽 구조를 최적화함으로써 기존의 라이너에 비해 다량의 오일이 포함된 생산수에서 오일 성분의 분리 효율을 효과적으로 향상시킬 수 있다. 본 발명의 라이너는 상부 배출부가 위치된 라이너의 일측 끝 부분에서 하부 배출부가 위치된 라이너의 타측 끝 부분에 이르는 라이너 내벽의 기울기가 서로 다른 제1 영역과 제2 영역 및 제3 영역으로 구분되고, 상기 제1 영역의 라이너 내벽을 다양한 형태로 변화시켜 최적화함으로써, 상기 제1 영역에 위치하는 도입부를 통해 도입된 오일을 포함하는 생산수는 원심력에 의해 발생되는 소용돌이에 의해 생산수 내에서 비중이 상대적으로 낮은 오일 성분은 상부 배출부를 통해 배출되고, 생산수 내에서 비중이 상대적으로 높은 물 성분은 제1 영역의 하부에 위치하는 제2 영역을 거쳐 제3 영역에 위치하는 하부 배출부를 통해 배출되는 것을 특징으로 한다.

Description

내벽의 구조가 개선된 하이드로싸이클론 라이너 및 이를 사용하여 생산수로부터 오일을 제거하는 방법{Hydrocyclone Liner with Modified Inner Stuctucture and Oil-Removal Method from Produced Water}

원유 채취 시 발생 되는 다량의 오일이 포함된 생산수를 처리하기 위한 생산수 처리시스템(Produced water treatment system)에 포함되는 오일제거용 하이드로싸이클론(De-oiling Hydrocyclone) 단계에서 사용되는 라이너(liner)에 관한 것으로, 라이너의 내벽 구조를 개선함으로써 생산수에서 오일을 효과적으로 제거하는 방법 및 이러한 방법에 사용되는 하이드로싸이클론 라이너에 관한 것이다.

생산수(Produced Water)는 오일 생산 과정 중 발생하는 폐기물 중에서 가장 큰 비중을 차지하는 오일폐수(Oily Wastewater)로서, 본질적으로 오일 생산 중에 지표면으로 방출되는 지하수에 갇힌 물이다. 1 배럴의 오일을 생산하는데 발생하는 생산수는 7 ~ 10 배럴 정도이다. 이러한 생산수는 매우 독성이 강하고 보통 오일, 유지(grease) 및 다른 탄화수소를 포함하고 있을 뿐만 아니라, 다량의 염, 금속 및 미량원소도 포함되어 있다. 이를 관리하는 것은 상당한 환경적 영향을 미칠 수 있으며 많은 비용부담을 발생시키게 된다(1).

오일샌드에서 추출되는 석유성분은 비튜멘이라는 무겁고 끈적끈적한 검은색 점성질의 기름으로, 오일샌드의 약 10 ~ 12 %를 차지한다(2). 통상적인 원유는 물보다 가볍지만, 비튜멘은 물과 비슷한 비중을 가지므로, 상기 비튜멘은 자연 상태에서는 시추공이나 송유관 내에서 흐르지 않기 때문에 스팀을 가하거나 희석제(초경질원유 혹은 경질석유제품)와 혼합해 비중과 점성도를 낮춘 후 송유관으로 수송하여 얻어진다. 때문에 비튜멘에는 다량의 물이 함유되어 있어 오일을 회수하기 위해서는 1차 분리 FWKO(Free Water Knock-Out), 2차 분리로 항유화제(Demulsifier Chemicals), 전기장(Electrostatic Field) 등을 사용하여 오일을 회수한다(3,4). 오일성분 회수 후 발생하는 생산수 속에는 여전히 다량의 유분 및 고용성분 등을 포함하고 있어 이를 방출하거나 재활용하기 위해서는 5 ppm 이하의 유분을 포함하는 물로 처리하는 생산수 처리 공정을 거쳐야 한다.

생산수로부터 유분을 처리하는 기존 방법으로 흡착제를 이용하는 기술이 있지만 이러한 방법의 경우, 흡착제가 포화상태에 이르면 흡착제를 추가하거나 교환하는 비용이 발생할 뿐만 아니라 사용된 흡착제를 처리하기 위한 후처리 공정이 뒤따라야 하는 문제점이 있다(5,6). 생산수의 유분을 처리하는 또 다른 방법으로는, 미생물, 효모 등을 사용하는 생물학적 처리 방법이 있지만 처리 시간이 오래 걸리므로 설비가 대형화한다는 문제점이 있다(5-7).

이러한 문제점을 극복하기 위해 광촉매, 전기분해, 초음파, UV 등을 이용한 고도산화처리기술이 도입되고 있지만 고비용 및 유지관리의 어려움이 있다. 이에 따라 오일성분의 제거 효율성을 높이고 경제적이면서 친환경적인 방법의 개발이 필요하다(8-10).

앞서 언급하였듯이, 생산수란 석유채유공정이나 오일샌드의 비튜멘 추출공정 등에서 발생된 폐수를 말하며, 생산수 속에는 오일 성분이 들어있기 때문에 농업, 식용에는 사용할 수 없으며, 자연환경을 위해서도 반드시 정화가 필요한 물이다. 생산수 처리방법은 크게 세 가지로 분류되는데, 물리적 처리방법과 생물학적 처리방법 그리고 화학적 처리방법을 들 수 있다(5). 이 중에서 가장 많이 사용되고 있는 방법은 물리적 처리방법이며, 분리효율이 높은 방법은 생물학적 처리방법과 화학적 처리방법이다.

물리적 처리방법은 가장 이용하기 쉬운 방법으로 여과(Filtration), 수착(Sorption), 중력침강(Gravity), 원심력 분리(Centrifugal force), 멤브레인(Membrane), 증류(Distillation), 스키머(Skimmer), 부유법 (Flotation) 등의 많은 처리방법들이 존재한다[6]. 장점으로는 화학적 처리기술이나 생물학적 처리기술 보다 제어하기 쉽다는 점을 꼽을 수 있으며, 단점으로는 물리적 처리기술로는 높은 분리효율을 기대하기 어렵다는 점이다.

생산수 속에 포함된 유기물을 확실히 제거하기 위해서는 화학반응이나 생물학적 반응을 이용한 방법들이 추가적으로 필요하다. 현재 가장 많이 사용되는 기술이 여과와 수착(흡착/흡수) 그리고 중력침강이다. 여과와 수착은 재료를 쉽게 구할 수 있다는 장점을 갖고 있으며, 중력침강은 장치건조비가 여과나 수착에 비해 비싸지만 유지비가 적게 든다는 장점이 있다.

생물학적 처리방법에는 미생물에 의한 처리방법과 활성슬러지를 이용한 처리방법으로 분류할 수 있다. 미생물에 의한 처리방법은 호기성 미생물법과 혐기성 미생물법으로 나눌 수 있다. 생물학적 처리방법 중 호기성 미생물법에 의한 처리방법이 가장 많이 사용되며, 살수여상(Trickling Filter), 미생물 반응조(SBR: Sequencing Batch Reactor), 생물산화 여과공정(Biological Aerated Filter) 등이 있다.

혐기성 미생물에 의한 처리방법은 오염물질의 농도가 낮을 때 사용하면 비용대비 효율이 높은 장점이 있다. 갈대 여과(Reed Bed) 방법이 많이 이용되며 3,000 m3/day의 생산수 처리에서 평균 96%의 탄화수소 분리효율을 보인다(5,7).

활성슬러지는 호기성 미생물법의 일종으로 수처리 공정에서 가장 많이 사용되는 기술 중 하나다. 주로 스키머 기술과 함께 사용되며, 20일의 고체체류시간(SRT: Solids Retention Time)에서 약 98~99%의 분리효율을 보이는 것으로 알려져 있다(5).

화학적 처리방법으로는 산화(Oxidation), 응결(Coagulation), 항유화제에 의한 방법(Demulsifier Chemicals) 등이 있으며, 최근에는 전기를 이용한 전기화학적 방법(Electrochemical Process)과 광분해 처리방법(Photocatalytic Treatment)에 대한 연구가 진행되고 있다(5).

산화법은 주로 내화물질(Refractory Chemical)을 분해하는 방법으로 사용되며, 강산화제(Strong Oxidant), 촉매(Catalyst), 조사(Irradiation) 등을 이용한다. 현재 고급산화공정(AOP: Advanced Oxidation Process)이란 기술이 개발, 상용화되어 있으며, AOP는 방전 램프에 자외선 파장과 오존 생성파장을 동시 발생시켜 공기 중의 산소와 결합하여 광분해하는 과정에서 다량의 OH 라디칼을 생성, 산화처리하는 공정이다. 응결은 주고 부유물질이나 콜로이드 입자 등을 제거하는 용도로 사용되며, 용해되어 있는 물질을 제거하는 것에는 비효율적이다(5,10).

본 발명은, 도 1과 같은 원유 채취 시 발생 되는 다량의 오일이 포함된 생산수를 처리하기 위한 생산수 처리시스템(Produced water treatment system)에 포함되는 오일제거용 하이드로싸이클론(De-oiling Hydrocyclone) 단계에서 사용되는 라이너(liner)에 관한 것이다. 상기 하이드로싸이클론(Hydrocyclone) 단계에서 사용되는 라이너(liner)는, 오일이 포함된 생산수에서 오일을 물리적으로 분리해내는 핵심 부품으로, 라이너의 성능에 따라 오일의 분리 효율이 결정되는 것이 일반적이다.

발생된 생산수(Produced water)를 해양으로 배출할 때의 환경 규제가 엄격해짐에 따라, 오일제거용 하이드로싸이클론(De-oiling Hydrocyclone)의 효율이 매우 중요하게 취급되고 있어, 분리 효율이 향상된 라이너(Liner)의 최적화된 설계 구조가 필수적이며, 본 발명에서는 이러한 라이너(Liner)의 내부 구조 혹은 내부 형태를 새롭게 변경하여 최적화시킴으로써 오일의 분리 효율을 증가시킬 수 있었다.

대한민국 공개특허 제199-0045521호 (1999년 6월 25일 공개됨) 대한민국 특허출원 제2014-002782호 (2014년 3월 10일 출원됨)

(1) Tellez, G. T., Nirmalakhandan, N. and Gardea-Torresdey, J. L.,"Evaluation of Biokinetic Coefficients in Degradation of Oilfield Produced Water under Varying Salt Concentrations", Wat.Res., 29(7), 1711-1718(1995). (2) Park, Y. K., Choi, W. C., Jeong, S. Y. and Lee, C. W., "High Valueadded Technology of Oilsands", Korean Chem. Eng. Res.(HWAHAK KONGHAK), 45(2), 109-116(2007). (3) Park, K., Han, S. D., Han, H. J., Kang, K. S., Bae, W. and Rhee,Y. W., "Technology Trend of Oil Treatment for Oilsands by the Patent Analysis", CLEAN TECHNOLOGY, 15(3), 210-223 (2009). (4) Park, K., Han, S. D., Noh, S. Y., Bae, W. and Rhee, Y. W., "Characteristics of Separation of Water/Bitumen Emulsion by Chemical Demulsifier", CLEAN TECHNOLOGY, 15(1), 54-59(2009). (5) Fakhru'l-Razi, A., Pendashteh, A., Abdullah, L. C., Biak, D. R.A., Madaeni, S. S. and Abidin, Z. Z., "Review of Technologies for oil and Gas Produced Water Treatment", J. Hazardous Materials, 170(2-3), 530-551(2009). (6) Murray-Gulde, C., Heatly, J. E., Karanfil, T., Rodgers Jr, J. H. and Myers, J. E., "Performance of a Hybrid Reverse Osmosis-constructed Wetland Treatment System for Brackish Oil Field Produced Water", Water Res., 37(3), 705-713(2003). (7) Xu, P., Drewes, J. E., Heil, D. and Wang, G., "Treatment of Brackish Produced Water Using Carbon Aerogel-based Capacitive Deionization Technology", Water Res., 42(10-11), 2605-2617(2008). (8) Cha, Z., Lin, C., Cheng, C. and Hong, P. K. A., "Removal of Oil and Oil Sheen from Produced Water by Pressure-assisted Ozonation and Sand Filtration", Chemosphere, 78(5) 583-590(2010). (9) McCormack, P., Jones, P., Hetheridge, M. J. and Rowland, S. J., "Analysis of Oilfield Produced Waters and Production Chemicals by Electrospray Ionisation Multi-stage Mass Spectrometry (ESI-MSn)", Water Res., 35(15), 3567-3578(2001). (10) Shpiner, R., Vathi, S. and Stuckey, D. C., "Treatment of Oil Well "Produced Water" by Waste Stabilization Ponds: Removal of Heavy Metals", Water Res., 43(17), 4258-4268(2009).

본 발명은, 원유 채취 시 대량으로 발생되는 생산수를 처리하는 생산수 처리 시스템(Poduced water treatment system)에 사용되는 오일 제거용 하이드로싸이클론(De-oiling Hydrocyclone)의 라이너(Liner)에 관한 것으로, 오일을 포함하는 생산수(Produced water)에서 물과 오일 성분의 분리 효율을 보다 더 향상시키고, 처리량을 증가시켜 운전비용을 감소시킬 수 있는 개선된 내벽 구조를 갖는 라이너 구조에 관한 것이다.

좀더 구체적으로는, 상부 배출부가 위치된 라이너의 일측 끝 부분에서 하부 배출부가 위치된 라이너의 타측 끝 부분에 이르는 라이너 내벽의 기울기가 서로 다른 제1 영역과 제2 영역으로 구분되도록 라이너의 내벽 구조를 설계함으로써, 보다 효과적으로 상기 라이너 내부에서 소용돌이를 일으켜 오일을 포함하는 생산수가 비중 차이로 인해 오일 성분과 물 성분이 분리되도록 하는 것을 발명의 목적으로 하고 있다.

즉, 오일을 포함하는 생산수가 도입되는 도입부 및 상부 배출구가 위치하는 제1 영역의 라이너 내벽의 기울기를 기존과는 달리 더욱 급격한 경사를 부여하거나, 지수(exponential)함수 또는 2차 함수 형태의 곡선 형태로 변화시키고, 하부 배출구와 연결되는 제2 영역의 라이너 내벽은 일정 기울기를 갖는 직선 형태로 유지시킴으로써, 본 발명의 라이너 내벽은 다단 내벽 기울기를 갖게 된다.

또한, 본 발명에서 오일을 포함하는 생산수가 도입되는 도입부의 형태는 통상적인 직사각형 또는 원형의 개구부가 아닌, 타원형의 개구부 형태를 가짐으로써, 보다 많은 양의 오일을 포함하는 생산수가 라이너의 내벽을 타고 흐를 수 있어, 처리량을 더욱 증가시킬 수 있어, 처리 용량을 향상시키면서 동시에 처리 비용을 감소시킬 수 있다.

본 발명은 오일을 포함하는 생산수(Produced water)에서 물과 오일 성분을 분리하기 위한 중공 구조의 하이드로사이클론 라이너에 관한 것으로, 상기 오일을 포함하는 생산수가 도입되는 도입부; 상기 생산수 내에서 상대적으로 비중이 낮은 오일 성분이 배출되는 상부 배출부; 및 상기 생산수 내에서 상대적으로 비중이 높은 물 성분이 배출되는 하부 배출부;를 포함한다.

상기 중공 구조의 라이너 일측 끝부분의 중심부에 상기 상부 배출부가 위치하고, 반대쪽 타측 끝의 중심부에는 상기 하부 배출부가 위치하되, 상기 도입부는 상기 상부 배출부 아래쪽으로 라이너 측부에 위치하며, 상기 상부 배출부가 위치된 라이너의 일측 끝 부분에서 하부 배출부가 위치된 라이너의 타측 끝 부분에 이르는 라이너 내벽의 기울기가 서로 다른 제1 영역과 제2 영역 및 제3 영역으로 구분된다.

본 발명의 일 실시예는 상기 제1 영역의 내벽에 의해 정의되는 내각이 상기 제2 영역의 내벽에 의해 정의되는 내각의 크기보다 1.5 ~ 2 배이며, 본 발명의 다른 실시예는 상기 제1 영역의 내벽의 기울기가 지수(exponential)함수 또는 2차 함수 형태의 곡선 형태로 변화되며, 상기 제1 영역에 위치하는 도입부를 통해 도입된 오일을 포함하는 생산수에서 비중이 낮은 오일은 상기 상부 배출부를 통해 배출되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 제1 영역의 라이너 내벽의 최대 지름을 D_H, 제2 영역의 라이너 내벽의 최대 지름을 D_S, 상부 배출부의 지름은 D₀, 하부 배출부의 지름은 D_U라 정의할 경우, 0.03 ≤ D₀/D_H ≤ 0.08, 0.4 ≤ D_S/D_H ≤ 0.6, 0.2 ≤ D_U/D_H ≤ 0.3의 관계식을 만족한다.

본 발명의 일 실시예에서는 상기 제1 영역의 내벽에 의해 정의되는 내각의 크기가 30^o 내지 40^o일 수 있으며, 또 다른 실시예에서는 상기 제1 영역의 내벽의 기울기는 하기의 식(1)과 같은 지수(exponential)함수 형태로 변화되는 것이 바람직하다.

(1)

(단, 여기서 D는 제1 영역의 지름을 의미하며, 길이방향 z의 값은 0에서 225의 범위를 갖는다.)

본 발명의 또 다른 실시예로, 상기 제1 영역의 내벽의 기울기는 하기의 식(2)와 같은 2차 함수(polynomial)함수 형태로 변화되는 것이 바람직하다.

(2)

본 발명의 라이너의 상기 제2 영역에서 라이너 내벽(D_S)은 내각(2b)의 크기가 1.3^o 에서 1.5^o의 범위를 갖는 것이 바람직하며, 상기 제1 영역의 라이너 내벽의 최대 지름(D_H)은 30 mm에서 내지 70 ㎜인 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 실시 형태로는 상기 오일을 포함하는 생산수가 도입되는 도입부의 단면은 타원형인 것이 바람직하며, 상기 타원형의 도입부의 장축과 단축의 비는 0.2 내지 0.5 인 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 실시 형태로 상기 기재된 어느 하나의 중공 구조의 하이드로사이클론 라이너를 사용하여, 상기 라이너 내부에서 발생되는 원심력에 의한 소용돌이를 통해, 상기 생산수에서 오일과 물을 분리하는 방법을 포함한다.

본 발명의 중공 구조의 하이드로사이클론 라이너는, 생산수가 유입되어 흐르는 제1 영역의 내벽 형상이 직선이 아닌 기존과는 달리 더욱 급격한 경사가 부여되거나, 지수(exponential)함수 또는 2차 함수 형태의 곡선 형태로 변화되며, 하부 배출구와 연결되는 제2 영역의 라이너 내벽은 일정 기울기를 갖는 직선 형태로 유지됨으로써, 다단 내벽 기울기를 갖게 된다. 따라서, 오일을 포함하는 생산수(Produced water)가 유입된 후 상기 제1 영역을 통과할 때 통상적인 단일 기울기면을 갖는 기존의 라이너에 비해 속도가 더 증가되고, 발생하는 원심력이 커지기 때문에 오일과 물이 더 효율적으로 분리될 수 있다.

또한, 상기 오일을 포함하는 생산수(Produced water)가 유입되는 라이너 제1 영역의 도입부의 개구부 또는 통공의 모양이 통상적인 직사각형이나 원형과는 달리 타원형의 형태로 되어 유체가 유입될 때 보다 많은 양의 유체가 내벽을 타고 흐를 수 있어, 처리량이 증가되는 효과가 있다.

도 1은 통상적인 생산수 처리 시스템을 도식적으로 나타낸 그림이다.
도 2는 기존의 라이너 구조를 도식적으로 나타낸 그림이다.
도 3은 기존의 라이너 구조에 대해 중심축 속도와 압력 및 농도 분포를 전산모사한 결과이다.
도 4(a) 내지 4(b)는 기존의 라이너 구조에 대해, 중심축 속도 분포(a, b)와 접선 속도 분포(c,d)를 위치별(a,c는 z=1/2*Ds, b,d는 z=Ds)로 전산모사한 결과이다.
도 5는 본 발명의 각 실시예에 따른 라이너 구조를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 6(a)와 도6(b)는 각각 본 발명의 각 실시예에 대해서 중심축 속도 분포(a)와 접선 속도 분포(b)를 전산모사한 결과이다.
도 7은 본 발명과 비교예의 분리효율을 액적 크기가 30㎛인 경우에 대해 전산 모사하여 비교한 결과이다.

이하에서는 본 발명의 오일을 포함하는 생산수(Produced water)에서 물과 오일 성분을 분리하기 위한 중공 구조의 하이드로 사이클론 라이너 구조에 대하여 구체적으로 설명하고자 한다.

통상적인 생산수 처리 시스템(Produced water treatment system)은 유전/가스전에서 오일/가스 생산 시 함께 생산된 물(생산수, Produced water)을 환경 규제에 대응하여 재사용하거나 유정에 재주입할 수 있는 청정수로 처리하는 시스템을 의미하며, 도 1에 이러한 생산수 처리 시스템을 도식적으로 나타내었다. 상기 도 1에서 알 수 있듯이, 3상(three phase) 분리조(separator)에서 분리된 오일과 물의 혼합물을 하이드로 싸이클론에서 물과 오일 성분으로 분리된 후, 필터를 거쳐 최종적으로 생산수가 배출된다.

본 발명에서는 상기 오일제거용 하이드로싸이클론(De-oiling Hydrocyclone) 공정에 사용되는 라이너(liner)의 구조에 관한 것으로, 라이너의 내벽 구조를 전산 모사와 실험을 통해서 최적화함으로써, 오일의 분리 효율을 향상시키고, 처리용량을 극대화 함으로써 경제적인 생산수 처리를 가능하게 하는 효과가 있다.

먼저 기존의 라이너 구조를 살펴보면 도 2와 같다. 이러한 라이너 구조는 본 출원인의 종래에 개발하여 연구를 계속해온 라이너 구조로, 공지된 라이너 구조는 아니다. 상기 도 2에서 확인할 수 있듯이, 기존의 라이너는 라이너 상부 측부에 오일을 포함하는 생산수(Produced water)가 유입되는 도입부가 존재하고, 라이너 내부의 관벽을 따라 상기 생산수가 흘러내리는데, 관벽이 좁아짐에 따라 원심력이 발생한다.

오일 성분과 물의 비중 차이로 인해, 비중이 낮은 오일 성분은 상기 라이너의 중심으로 소용돌이(vortex)를 형성하면서 모이게 되어 라이너의 도입부 위쪽에 존재하는 상부 배출부를 통해 배출되며, 상대적으로 비중이 높은 물 성분은 라이너 내벽을 따라 흘러 최종적으로 하부 배출구를 통해 배출된다.

이러한 기존의 라이너 구조를 살펴보면, 도입부에서 라이너를 따라 지름이 일정하게 변화하지 않는 직선 중공 영역(A1), 일정한 각(2a)도로 지름이 감소하는 제1 감소 영역(A2), 상기 제1 감소 영역에 비해 더욱 완만한 각도(2b)로 지름이 감소하는 제2 감소 영역(A3) 및 지름이 일정하게 유지되는 제3 영역(A4)의 4개의 영역으로 구분된다.

즉, 기존의 라이너 구조의 내경을 기준으로 살펴보면, 일정한 지름(D_H)을 유지하는 직선 중공 영역(A1), 내부의 지름이 2a의 각도를 유지하면서 일정하게 감소하여 D_S의 지름을 갖게 되는 제1 감소 영역(A2), 상기 제1 감소 영역에 비해 더욱 완만한 기울기로 지름이 감소하는 제2 감소 영역(A3) (유지되는 각도는 2b) 및 지름이 하부 배출부의 지름(D_U)으로 일정하게 유지되는 제3 영역(A4)의 총 4 개의 구간으로 구분된다.

이러한 기존 구조의 라이너의 성능을 살펴보면, 도 3에 제시된 것처럼, 라이너 중심부 상단에서 중심축 방향 속도가 (+)인 영역이 존재함을 확인할 수 있었으며, 라이너 내부의 오일 성분의 농도 분포의 경우에는 오일 액적 크기에 따라 약간 상이하게 나타남을 알 수 있는데, 액적의 크기가 클수록(50㎛) 상부 배출부 부근에서 높은 농도로 존재하며, 하부 배출부 부근에서는 액적의 크기가 작을수록(30㎛) 더 높은 농도로 존재함을 확인할 수 있었다.

또한 도 4(a) 내지 4(d)는, 기존의 라이너 구조에 대해서 라이너의 중심축 속도 분포와 접선 속도 분포를 제1 영역의 특정 위치(Z= 1/2*D_S, Z=D_S)별로 전산모사한 결과로, 본 발명의 구체적인 실시예에 제시된 라이너 구조의 결과와 비교하여 뒤에서 상세히 설명하고자 한다.

본 발명에서 제안되는 라이너의 구조를 살펴보면 도 5(a) 내지 5(d)의 구조와 같은데, 상기 도 2의 기존의 라이너와는 달리, 상기 상부 배출부가 위치된 라이너의 일측 끝 부분에서 하부 배출부가 위치된 라이너의 타측 끝 부분에 이르는 라이너 내벽의 기울기가 각각 서로 다른 제1 영역과 제2 영역 및 제3 영역으로 구분된다.

이때, 상기 제1 영역의 라이너 내벽의 최대 지름을 D_H, 제2 영역의 라이너 내벽의 최대 지름을 D_S, 상부 배출부의 지름은 D₀, 하부 배출부의 지름은 D_U라 정의하면, 0.03 ≤ D₀/D_H ≤ 0.08, 0.4 ≤ D_S/D_H ≤ 0.6, 및 0.2 ≤ D_U/D_H ≤ 0.3 의 관계식을 만족하게 된다.

또한, 상기 제1 영역에서 라이너 내벽은, i)상기 제1 영역의 내벽에 의해 정의되는 내각이 상기 제2 영역의 내벽에 의해 정의되는 내각의 크기보다 1.5 ~ 2 배이거나(구조예 1 및 2), ii)상기 제1 영역의 내벽의 기울기가 지수(exponential)함수(구조예 3) 또는 2차 함수 형태(구조예 4)의 곡선 형태로 변화될 수 있다. 좀 더 구체적으로, 상기 제1 영역의 내벽에 의해 정의되는 내각의 크기가 30^o (구조예 1)내지 40^o(구조예 2)이거나, 하기 식 (1)과 같은 지수함수 형태의 곡면 형상(구조예 3) 또는 하기 식(2)와 같은 2차 함수 형태의 곡면 형상(구조예 4)을 가질 수 있다.

구조예 3과 4에서 지름(D)은 상부 배출부에서 하부 배출부방향으로 라이너 중심축을 따라 길이방향(z)으로, 아래와 같은 식(1) 또는 식(2)와 같이 변화되는 것을 특징으로 한다.

(1)

(2)

상기 제2 영역에서 라이너 내벽(D)은 내각(2b)의 크기가 1.3^o 에서 1.5^o의 범위에서 선택되며, 상기 제1 영역의 라이너 내벽의 최대 지름(D_H)은 30 ㎜에서 70 ㎜인 것이 바람직하다.

이하에서는 이렇게 4개의 영역으로 구분되는 종래의 라이너 구조와 3개의 영역으로 구분되는 본 발명의 라이너 구조의 오일 분리 성능에 대하여 구체적으로 살펴보고자 한다.

[ 실시예 ]

본 발명의 라이너 구조의 성능과 기존의 라이너 구조의 성능을 비교하기 위해서 전산모사를 통해 라이너 구조 내부에서 오일 성분과 물 성분의 흐름 특성을 분석하였다. 물과 오일의 분리는 앞서 언급하였던 것과 같이, 라이너 관벽을 따라 오일과 물의 혼합물이 흘러내릴 때 발생되는 소용돌이(vortex)에 의해 주로 발생되므로, 상기 소용돌이의 영향이 상대적으로 낮은 마지막 하부 배출부의 영역은 양 쪽 라이너 모두 동일하게 하였다.

또한 실시예에서의 라이너 구조는 도입부와 연통되는 부분에서만 지름이 일정하게 유지되는 부분이 존재할 뿐, 도입부와 연통되는 부분의 아래에서 부터는 라이너 내벽의 지름이 다음의 표와 같이 감소되는 제1 영역을 갖도록 설계하였다(도 5 참조).

이때 사용되었던 양 라이너의 구체적인 구조는 다음의 표 1과 같으며, 구체적인 형태는 도면 5(a) 내지 5(d)에 각각 제시되어 있다. 비교예로 사용된 기존의 라이너 구조는 앞서 언급하였듯이 도 2에 제시되어 있다.

	구조예 1	구조예 2	구조예 3	구조예 4	기존의 라이너
DH (제1 영역의 최대 지름)	60 mm	60 mm	60 mm	60 mm	60 mm
DU (하부 배출부의 지름)	15 mm	15 mm	15 mm	15 mm	15 mm
DS (제2 영역의 최대 지름)	30 mm	30 mm	30 mm	30 mm	30 mm
D0 (상부 배출부의 지름)	4.2 mm	4.2 mm	4.2 mm	4.2 mm	4.2 mm
L1 (도입 영역의 길이)	16 mm	16 mm	16 mm	16 mm	90 mm
LH (전체 라이너 길이)	1473 mm	1472.9 mm	1473 mm	1473 mm	1392 mm
제1 영역의 기울기	2a=30^o	2a=40^o	식(1)	식(2)	2a = 20^o
제2 영역의 기울기	2b = 1.34^o	2b = 1.34^o	2b = 1.34^o	2b = 1.34^o	2b = 1.34^o
도입부 면적(mm²)	5.517×16	5.517×16	5.517×16	5.517×16	5.517×16

여기서는 전산 모사의 편의를 위해 도입부를 5.517×16 mm²와 같이 직사각형 형태의 구조를 사용하였으나, 이후의 실제 실험 단계(실시예 2)에서는 장축과 단축의 비는 0.2 내지 0.5 인 타원형 단면을 갖는 도입부를 적용하였다.

도 6(a)의 중심축 속도(axial velocity) 관찰 결과를 살펴보면, 구조예 1 내지 4에 대해서 중심축 속도에서 차이가 발생함을 알 수 있었는데, 구조예3-구조예4-구조예2-구조예1의 순서로 감소함을 알 수 있었으며, 수렴부의 형상에 따라 약간씩 변화하는 양상을 보였다. 접선속도를 관찰한 도 6(b)의 결과에서는 각각의 구조예 1 내지 4가 약간의 차이가 발생하지만 거의 유사한 경향을 나타내었으며, 최대 접선 속도는 약 11m/sec임을 확인할 수 있었다.

도 7에서는 비교예에 해당하는 기존의 라이너 구조 및 본 출원인의 선출원인 지수함수 내벽을 갖는 라이너 구조(대한민국 특허출원 제2014-002782호)와 비교하여 본 발명의 구조예 1 내지 4의 라이너 분리효율을 비교 관찰한 결과이다.

상기 도 7의 결과를 살펴보면, 약 2초 이내에 일정한 분리 효율로 모두 수렴하는 결과를 확인할 수 있었으며, 기존의 라이너 구조의 경우 분리효율이 83.1%로 수렴하였으며, 본 출원인의 기출원된 라이너의 경우 91.7%로 분리 효율이 향상됨을 알 수 있다.

본 발명의 구조예 1 내지 4의 경우에는, 비록 최종 수렴값에 도달하는 시간의 차이가 약간씩 존재하지만, 최종적으로 도달된 분리효율의 수렴값이 97.0%로, 기존 및 본 출원인의 선출원 라이너 구조에 비해 현저히 향상된 값을 가짐을 확인할 수 있었다.

이러한 전산 모사의 실험 결과를 바탕으로 구조예 3과 동일한 구조의 지수함수의 형태로 지름이 감소하는 라이너 구조를 제조하여, 오일을 포함하는 생산수(Produced water)에서 오일 성분을 제거하는 실험을 수행하였다.

실제 분리 실험에서는 앞선 실시예 1과는 달리, 오일을 포함하는 생산수가 도입되는 도입부의 단면 구조를 직사각형이 아닌 타원형으로 변경하였고, 이때 타원형의 도입부의 장축과 단축의 비는 0.2 에서 0.5의 범위로 조절하였다.

이렇게 도입부의 단면을 타원형으로 변화를 줌으로써, 보다 많은 유량의 오일을 포함하는 생산수(Produced water)를 라이너 내로 도입할 수 있었고, 이를 통해서 효과적으로 오일을 포함하는 유체가 라이너의 내벽을 타고 흐를 수 있는 장점이 존재한다.

실제 생산수에 대하여 본 발명의 구조예 3의 라이너를 사용한 오일 분리 실험을 수행하였다. 이때에는 상부 배출부 유량(Q_O)와 하부 배출부의 유량(Q_H)의 비를 0.07로 유지하고, 도입부 유량(Q_F) 및 도입부 압력(P_F)를 각각 57 liter/min, 4.0 bar로 고정하면서, 구조예 1 내지 4 라이너의 분리 효율 및 본 출원인의 선출원인 지수함수 내벽을 갖는 라이너 구조(대한민국 특허출원 제2014-002782호)의 분리 효율을 측정하였다.

본 실시예에서 관찰된 오일 성분의 분리효율은, 하부 배출부 오일 농도를 도입부 오일 농도로 나눈 값을 1에서 뺀 값으로 정의하였으며, 실제 생산수에 대한 구조예 1 내지 4의 오일 성분의 분리 효율은, 본 출원인의 선출원인 지수함수 내벽을 갖는 라이너 구조(대한민국 특허출원 제2014-002782호)의 분리 효율 92%에 비해 모두 약 5% 정도 높은 분리효율을 나타내었다.

100 : 유정 생산수 110 : 3상 1차 분리조
120 : 3상 2차 분리조 130 : 수분 제거조
140 : 건조 부산물 150 : 이송 펌프
160 : 하이드로 싸이클론 170 : 가스 부상조
180 : 미디어 필터 190 : 생산수 배출
210 : 도입부 220 : 상부 배출부
230 : 하부 배출부

Claims

오일을 포함하는 생산수(Produced water)에서 물과 오일 성분을 분리하기 위한 중공 구조의 하이드로사이클론 라이너에 있어서,
상기 오일을 포함하는 생산수가 도입되는 도입부; 상기 생산수 내에서 상대적으로 비중이 낮은 오일 성분이 배출되는 상부 배출부; 및 상기 생산수 내에서 상대적으로 비중이 높은 물 성분이 배출되는 하부 배출부;를 포함하고,
상기 중공 구조의 라이너 일측 끝부분의 중심부에 상기 상부 배출부가 위치하고, 반대쪽 타측 끝의 중심부에는 상기 하부 배출부가 위치하되, 상기 도입부는 상기 상부 배출부 아래쪽으로 라이너 측부에 위치하며,
상기 상부 배출부가 위치된 라이너의 일측 끝 부분에서 하부 배출부가 위치된 라이너의 타측 끝 부분에 이르는 라이너 내벽의 기울기가 서로 다른 제1 영역과 제2 영역 및 제3 영역으로 구분되고,
상기 제1 영역의 내벽의 기울기는 하기의 식(1)과 같은 지수(exponential)함수 형태로 변화되며,
상기 제1 영역에 위치하는 도입부를 통해 도입된 오일을 포함하는 생산수에서 비중이 낮은 오일은 상기 상부 배출부를 통해 배출되는 것을 특징으로 하는, 중공 구조의 하이드로사이클론 라이너.

(1)
(단, 여기서 D는 제1 영역의 지름을 의미하며, 길이방향 z의 값은 0에서 225의 범위를 갖는다.)
제1항에 있어서,
상기 제1 영역의 라이너 내벽의 최대 지름을 D_H, 제2 영역의 라이너 내벽의 최대 지름을 D_S, 상부 배출부의 지름은 D₀, 하부 배출부의 지름은 D_U라 정의하면,
0.03 ≤ D₀/D_H ≤ 0.08, 0.4 ≤ D_S/D_H ≤ 0.6, 0.2 ≤ D_U/D_H ≤ 0.3 을 만족하는 것을 특징으로 하는 중공 구조의 하이드로사이클론 라이너.
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제1항에 있어서,
상기 제2 영역에서 라이너 내벽은 내각(2b)의 크기가 1.3^o 에서 1.5^o의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 중공 구조의 하이드로사이클론 라이너.
제1항에 있어서,
상기 제1 영역의 라이너 내벽의 최대 지름(D_H)은 30 mm에서 내지 70 ㎜인 것을 특징으로 하는 중공 구조의 하이드로사이클론 라이너.
제1항에 있어서,
상기 오일을 포함하는 생산수가 도입되는 도입부의 단면은 타원형인 것을 특징으로 하는 중공 구조의 하이드로사이클론 라이너.
제8항에 있어서,
상기 타원형의 도입부의 장축과 단축의 비는 0.2 내지 0.5 인 것을 특징으로 하는 중공 구조의 하이드로사이클론 라이너.
제1항, 제2항 및 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 중공 구조의 하이드로사이클론 라이너를 사용하여, 상기 라이너 내부에서 발생되는 원심력에 의한 소용돌이를 통해, 상기 생산수에서 오일과 물을 분리하는 방법.