KR20120068812A - 물로부터 석유 및 기체를 분리하기 위한 분리 탱크 - Google Patents

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얀 토레 나에스
핀 벡크만
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슐룸베르거 노거 아에스
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Abstract

물로부터 석유 및 기체를 분리하기 위한 분리 탱크(1)로서, 이것은 복수개의 분리 탱크 유닛(2)들을 가진 실질적으로 수직의 탱크 케이싱(3)을 구비한다. 분리 탱크 유닛(2, 2',2")들은 분리 탱크를 고리형 외부 영역(5) 및 중앙 영역으로 분할하는 내부 고리형 엔크로져(4)의 중앙 영역내에서 하나가 다른 것의 위에 배치된다. 분리 탱크 유닛(2)들의 유입부(7)들에 대한 유체의 유동 경로 및 분리 탱크 유닛들의 적어도 하나의 제 2 유출부(9)로부터의 유체의 유동 경로는 적어도 고리형 외부 영역에 배치된다.

Description

물로부터 석유 및 기체를 분리하기 위한 분리 탱크{A separator tank for separating oil and gas from water}
본 발명은 물로부터 석유(oil) 및 기체를 분리하기 위한 분리 탱크에 관한 것으로서, 분리 탱크는 분리 탱크 유닛을 가지는 실질적으로 원통형인 수직의 탱크 케이싱을 구비하고, 분리 탱크 유닛은 상부 부분 및 하부 부분, 유체의 유입부, 내부 고리형 벽, 분리 탱크 유닛의 상부 부분에 있는 적어도 하나의 제 1 유출부 및, 분리 탱크 유닛의 하부 부분에 있는 적어도 하나의 제 2 유출부를 가지고, 상기 내부 고리형 벽은 분리 탱크 유닛의 상부 부분과 하부 부분 사이의 소통을 허용하는, 상기 내부 고리형 벽의 상부 단부에 있는 제 1 개구를 가진다.
이러한 종류의 분리 탱크는 국제 출원 공개 WO 02/41965 에 공지되어 있으며, 여기에서 단일의 분리 탱크 유닛에 있는 내부 고리형 벽은 유입 가이드 베인에의해 둘러싸인 실린더형 동체이다. 국제 출원 공개 WO 2007/049246 도 이러한 종류의 분리기 탱크를 설명하는데, 단일의 탱크 유닛에 있는 내부 고리형 벽은 원추 형상 동체이고, 몇개의 분리 탱크들의 직렬 또는 병렬 연결이 설명된다. 국제 출원 공개 WO 2007/049245 도 분리 탱크를 설명하는데, 중앙의 와류 파열기(vortex-breaker)는 단일의 분리 탱크 유닛내에 존재하고, 몇개의 분리 탱크들의 직렬 또는 병렬 연결이 설명된다.
분리 탱크들은 소량의 석유를 물의 주요 흐름으로부터 제거하는데 이용된다. 물의 주요 흐름은 수원(wellhead)으로부터 오는 유체 유동으로부터 석유의 초기 분리 이후에 원유 제조의 통상적인 결과이다. 초기 분리는 하나 또는 그 이상의 단계들에서 발생될 수 있고, 석유로부터 분리된 물의 흐름은 소량의 석유 및 기체를 포함하는데, 예를 들어 물 1 리터당 100 mg 의 석유( 100 ppm 석유) 또는 그보다 적은 석유를 포함하고, 예를 들어 물 1 리터당 50 mg 의 석유(50 ppm 석유)를 포함한다. 비록 이러한 석유의 양이 작게 보일 수 있을지라도, 물이 적절한 수용처인 바다 또는 저장부로 배출되기 전에 석유가 더욱 감소된다면 환경상의 이유 때문에 유리한 것이다. 물이 배출되기 전에 정화시키는 것에 추가하여, 분리 탱크들은 회수된 석유가 이용될 수 있다는 별개의 장점을 제공한다. 이와 관련하여 유전 형성부로 물이 다시 주입되는 경우에 높은 정도의 정화가 유리할 수 있다.
배출된 물에서 석유 및 기체의 소망되는 낮은 수준을 얻기 위하여 물을 2 개 또는 그 이상의 차후 정화 단계들에서 처리하는 것이 필요하고, 그것을 위하여 몇개의 분리 탱크들이 필요하다. 유전이 노후화됨에 따라 제조된 석유의 체적들과 관련된 물의 분리된 체적들은 더 커지고, 동시에 석유 제조의 가치는 적은 양 때문에 감소된다.
본 발명의 목적은 석유 제조에서 물의 세정에 필요한 장비를 단순화시키는 것이며, 특히 설비에 필요한 영역과 관련하여 분리 탱크의 효율을 증가시키는 것이다.
이러한 목적을 위하여, 처음에 언급된 분리 탱크는, 본 발명에 따라서, 내부 고리형 엔크로져(inner annular enclosure)를 포함하고, 내부 고리형 엔크로져는 분리 탱크를 고리형 외부 영역 및 중앙 영역으로 분할하고, 2 개 또는 그 이상의 분리 탱크 유닛들은 중간 저부에 의해 분리된 중앙 영역내에서 하나가 다른 것의 상부에 배치되고, 분리 탱크 유닛들에 있는 유입부들로의 유체의 유동 경로 및 분리 탱크 유닛들에 있는 적어도 하나의 제 2 유출부로부터의 유체의 유동 경로는 적어도 고리형 외부 영역내에 배치된다.
내부 엔크로져 안에서 분리 탱크 유닛들이 하나가 다른 것의 상부에 배치되는 것은 몇가지 장점을 가진다. 내부 엔크로져의 벽은 내부 엔크로져 안의 중앙 영역에 배치된 개별의 분리 탱크 유닛들의 외측 벽으로서 기능하는 단일 부분일 수 있다. 분리 탱크 내측의 고리형 외부 영역 및 그러한 고리형 영역에 있는 개별적인 분리 탱크 유닛들 사이의 유동 경로들의 배치는 많이 필요하게 되는 벽의 침투가 내부 엔크로져에 있게 되고, 분리 탱크의 케이싱에 있지 않는 단순화의 결과를 가져온다. 분리 탱크의 케이싱은 압력이 시험되는 압력 시험 용기이고, 그것은 용접에 대한 큰 수요가 있고, 대형 크기의 재료 및 구조의 시험을 필요로 한다. 분리 탱크 유닛들은 하나가 다른 것의 상부에 위치되므로, 종래 기술의 몇개의 개별적인 분리 탱크들의 배치와 비교하여 유동 경로들은 최소가 되고, 많은 배관이 절감된다. 짧은 유동 경로들도 유동 저항을 감소시키며, 특히 물의 유동에 대하여 유동 저항을 감소시킨다.
본 발명에 따른 단일의 분리 탱크의 설치는 종래 기술에서 몇 개의 탱크들을 설치하는 것보다 용이한데, 왜냐하면 분리 탱크 안의 분리 탱크 유닛들중 2 개 또는 그 이상을 만드는 작업이 공장에서 수행되고, 분리 탱크가 설치 장소에 단일의 단위체로서 전달되기 때문이다. 이러한 설치의 용이성은 특히 근해의 유전에 중요한데, 그곳에서는 설치 작업의 비용이 비싸고, 작업이 기상 조건에 영향을 받는다. 다른 중요한 설치 국면은 종래 기술에서 몇 개의 분리된 분리 탱크들과 비교하여 작은 영역이 필요하다는 것이다.
분리 탱크의 구현예에서, 제 1 유입 유동 경로는 분리 탱크상의 유입부를 적어도 2 개의 분리 탱크 유닛들중 제 1 분리 탱크 유닛에 있는 유체의 유입부와 연결시키고; 제 2 유입 유동 경로는 제 1 분리 탱크 유닛에 있는 제 2 유출부를 적어도 2 개의 분리 탱크 유닛들중 제 2 분리 탱크 유닛에 있는 유체의 유입부와 연결시키고; 제 1 유출 유동 경로는, 분리 탱크가 2 개의 분리 탱크 유닛을 가질 때, 분리 탱크상의 물 유출부를 제 2 분리 탱크 유닛의 제 2 유출부와 연결시키거나, 또는 분리 탱크가 2 개 보다 많은 분리 탱크 유닛들을 가질 때, 마지막 분리 탱크 유닛의 제 2 유출부와 연결시킨다. "제 1 유입 유동 경로" 및 "제 2 유입 유동 경로"라는 용어는 유입 유동들에 대한 제 1 경로 및 제 2 경로를 나타내는 용어들이고, "제 1 유출 유동 경로" 및 "제 2 유출 유동 경로"라는 용어는 유출 유동들에 대한 제 1 경로 및 제 2 경로를 나타내는 용어이다. 따라서 분리 탱크 안의 분리 탱크 유닛들은 직렬로 연결되며, 이것은 석유 및 기체를 물로부터 효율적으로 제거하는 것을 허용한다. 만약 큰 용량의 분리 탱크가 더 중요하다면, 분리 탱크상의 유입부로의 병렬 유동 경로들 및 분리 탱크상의 물 유출부에 대한 다른 병렬 유동 경로들을 통하여, 분리 탱크내의 2 개 또는 그 이상의 분리 탱크 유닛들이 연결될 수 있다.
고리형 외부 영역에 있는 유체의 유동 경로들은 고리형 외부 영역에 장착된 내부 벽들에 의해 형성될 수 있다. 그러나, 바람직한 구현예에서, 유입 유동 경로들은 고리형 외부 영역에 있는 파이프들에 의해 형성된다. 파이프들은 유동 단면적에서의 그 어떤 변화도 없이 굽힘(bend)을 수행할 수 있다는 장점을 가지며, 그것은 일정한 유동을 보장하고 유입되는 물과 함께 전달되는 모래 또는 다른 입자들이 정체될 위험성이 가장 낮아지는 것을 보장한다. 또한 추가적으로 파이프들은 내부 고리형 엔크로져의 벽으로 장착될 수 있고, 따라서 유동 경로를 형성하기 위하여 내부 벽들이 이용될 때 필요한, 분리 탱크 케이싱의 내부에 대한 대부분의 장착을 회피할 수 있다.
일 구현예에서 제 2 유출 유동 경로는 분리 탱크상의 석유 및 기체의 유출부를 분리 탱크 유닛들중 적어도 하나의 분리 탱크 유닛상의 제 1 유출부와 연결시킨다. 따라서 석유 및 기체는 직접적으로 분리 탱크 유닛(들)으로부터 분리 탱크의 외부로 이송되는데, 석유 및 기체는 하류로 유동하여 예를 들어 거부 탱크로 유동할 수 있다.
다른 구현예에서, 제 2 유출 유동 경로는 분리 탱크 안의 고리형 외부 영역을 분리 탱크 유닛들중 적어도 하나에 있는 제 1 유출부와 연결시킨다. 따라서 고리형 외부 영역은 석유 및 기체를 일시적으로 유지하기 위한 탱크로서 이용되고, 그것은 기체가 고리형 외부 영역의 상부 영역을 점유하고 석유가 고리형 외부 영역의 낮은 영역을 찾도록 할 수 있다. 이러한 구현예의 한가지 장점은 분리 탱크들의 제 1 유출부로부터 고리형 외부 영역으로의 매우 짧은 유동 경로들인데, 왜냐하면 그 경로는 내부 고리형 엔크로져의 벽을 통하여 오직 밖으로만 연장될 필요가 있기 때문이다. 다른 장점은 상부 영역에서 집적된 기체를 분리 탱크 유닛들중 하나 또는 그 이상의 유체 유입부에 주입되는 재활용의 부양 기체로서 사용할 수 있는 가능성이다.
바람직스럽게는, 제 1 기체 복귀 경로는 분리 탱크에 있는 기체의 유출부를 적어도 2 개의 분리 탱크 유닛들중 적어도 하나의 분리 탱크 유닛의 유체 유입부에 있는 기체 주입 수단과 연결시킨다. 분리 탱크는 7 barg 보다 낮은 압력 또는 4 barg 보다 낮은 압력과 같이, 상당히 낮은 압력에서 작동되며, 그 압력은 물이 회수되는 유전 형성부의 압력보다 통상적으로 훨씬 낮으므로, 용해된 기체는 물로부터 유리될 것이며 분리 탱크 안에서 부양될 것이다. 여하튼, 물로부터 석유를 제거하는 것의 효율성은 기체를 물에 더 추가함으로써 증가될 수 있고, 분리 탱크 안에서 유리된 기체가 유체의 유입부로 재순환될 때 기체의 유동은 외부 공급원으로부터 공급될 필요가 없다.
분리 탱크를 단일의 공통적인 유량 제어 밸브로 작동시키거나, 또는 제어 없이 유량을 변화하게 하는 것이 가능하지만, 분리 탱크의 최적화된 용량을 위하여, 그리고 제 1 유출부 밖으로의 유량에서 상대적으로 높은 양의 석유를 얻기 위하여, 개별적인 분리 탱크 유닛이 분리 탱크 유닛의 제 1 유출부로부터의 유동을 제어하기 위한 유량 제어 밸브를 가지는 것이 바람직스럽다. 유량의 개별적인 설정은 제 1 유출부를 통한 유동에서 기체와 석유 사이의 비율을 개별적으로 조절할 수 있게 한다. 너무 높은 유량은 너무 많은 기체의 유출을 야기할 수 있고, 아마도 물의 유출을 야기할 수 있으며, 결과적으로 유출물에 있는 기체와 관련하여 너무 작은 양의 석유를 야기할 수 있다. 너무 낮은 유량은 분리 탱크 유닛의 액체 수준이 낮아지게 할 수 있고, 결과적인 통과 유동의 실패 및 분리 탱크 유닛의 낮은 용량을 일으킬 수 있다.
일 구현예에서 분리 탱크상의 물 유출부로부터의 물 유출 도관은 압력 제어 밸브의 하류측의 물 유출 도관에서의 압력보다 분리 탱크상의 물 유출부에서의 압력이 더 높도록 제어하는 압력 제어 밸브를 가진다. 그것의 효과는 전체적으로 적절한 압력이 분리 탱크 안에 유지된다는 것이며, 보다 정확하게는 분리 탱크 유닛 안에 유지된다는 것이다. 그러한 구현예의 장점은 오직 단일의 압력 제어 밸브가 필요하다는 것이며, 분리 탱크에 있는 모든 분리 탱크에 걸쳐서 공통적인 압력 강하로서 제어된다. 그것은 특히 분리 탱크에 있는 분리 탱크 유닛들이 병렬로 결합될 때 유리하며, 그러나 분리 탱크 유닛들이 직렬로 결합되었을 때도 이용될 수 있다.
일 구현예에서 개별의 분리 탱크 유닛은 압력 제어 밸브의 하류측의 압력보다 탱크 유닛의 제 2 유출부에서의 압력이 더 높도록 제어하기 위한 압력 제어 밸브를 가진다. 분리 탱크 유닛들의 개별적인 제어는 분리 탱크 작동의 더 정확한 제어를 허용하는데, 왜냐하면 개별적인 분리 탱크 유닛을 가로지르는 압력 강하의 제어가 더 정확하기 때문이며, 따라서 유입 유체의 속도 제어가 우수하다. 이것은 특히 분리 탱크에 있는 분리 탱크 유닛들이 직렬로 결합될 때 유리하며, 왜냐하면 분리 탱크 유닛들에 걸쳐 서로 다른 압력 강하의 설정을 허용하기 때문이다.
바람직한 구현예는, 석유 및 기체의 분리 탱크 유출부의 하류측에, 하류측 압력을 제어하기 위한 압력 제어 장치를 가지며, 따라서 바람직스럽게는 석유 및 기체의 분리 탱크의 유출부에서의 압력이 분리 탱크상의 물 유출부에서의 압력보다 낮다. 분리 탱크가 작동될 때, 개별적인 분리 탱크 유닛내의 액체 수준은 석유 및 기체의 제 1 유출부 둘레에서 맥동의 방식으로 상승 및 하강하며, 석유 및 기체의 분리 탱크의 유출부에서의 압력이 물의 유출부에서의 압력보다 낮을 때, 그리고 바람직스럽게는 적어도 0.2 bar 로서 낮을 때, 적절하게는 약 0.4 bar 로서 낮을 때, 맥동하는 액체 수준 변화에서의 진폭은 작으며, 결과적으로 석유와 함께 밖으로 유동하는 물의 양은 감소된다. 하류측 거부 탱크에서의 압력을 제어함으로써, 분리 탱크의 하류측상에서 압력이 제어될 때, 압력은 석유 및 기체의 분리 탱크의 유출부에서와 같이 분리 탱크를 위하여 제어되고, 개별적인 분리 탱크 유닛들은 제 1 유출부에서 동등한 압력 수준을 겪는다.
다른 구현예에서, 개별적인 분리 탱크 유닛은 분리 탱크 유닛의 제 1 유출부의 하류측 압력을 제어하기 위한 압력 제어 장치를 가지며, 따라서 바람직스럽게는 그 압력이 분리 탱크 유닛의 제 2 유출부에서의 압력보다 낮고, 그러한 구현예는 제 1 유출부에서 압력의 개별적인 설정을 허용한다. 분리 탱크 유닛들이 직렬로 결합되었을 때, 제거되어야 하는 석유의 양은 마지막 분리 탱크 유닛에서보다 제 1 분리 탱크 유닛에서 더 크고, 결과적으로 제 1 유출부에서의 압력은 마지막 분리 탱크 유닛에서 가장 낮도록 설정될 수 있다.
일 구현예에서, 개별적인 분리 탱크 유닛은 분리 탱크 유닛의 상부 부분에 있는 제 1 유출부로부터 분리 탱크 유닛의 하부 부분에 있는 제 2 유출부로 연장되는 중앙의 파이프를 가지며, 중앙의 파이프는 제 1 유출부와 제 2 유출부 사이에 있는 유동 격벽에 의해 차단되고, 중앙의 파이프는 분리 탱크 유닛의 밖으로 연장된 상부 연장부 및 분리 탱크 유닛의 밖으로 연장된 하부 연장부를 가진다. 중앙의 파이프는 제 1 유출부를 통하여 유동하는 석유 및 기체를 위하여 이용되고, 또한 제 2 유출부를 통하여 유동하는 물을 위하여 이용되고, 따라서 디자인은 오직 몇 개의 분리 부분들을 가진 매우 콤팩트한 것이 된다. 더욱이, 중앙의 파이프는 분리 탱크 유닛의 중앙에서 와류 파열기(vortex breaker)로서 작용하고, 제 2 유출부 둘레의 유동을 평온화시키는 수단을 위한 지지부로 작용하며, 가능하게는 분리 탱크 유닛에 있는 내부 고리형 벽을 위한 지지부로서 작용한다.
본 구현예의 다른 개선점은 분리 탱크에 있는 가장 낮은 분리 탱크 유닛에서 중앙의 파이프의 하부 연장부는 분리 탱크의 저부 단부를 통해 아래로 연장되고, 분리 탱크에 있는 가장 높은 분리 탱크 유닛에서 중앙의 파이프의 상부 연장부는 분리 탱크의 상부 단부를 통해 위로 연장되는 반면에, 중앙의 파이프들의 나머지 연장부들은 굽힘 부분을 통해 반경 방향으로 분리 탱크 유닛들의 밖에 연장된다. 이러한 구현예는 분리 탱크를 가로질러 유동 저항을 감소시킨다.
바람직한 구현예에서, 적어도 2 개의 분리 탱크 유닛들중 제 1 분리 탱크 유닛은 분리 탱크의 내부 고리형 엔크로져 안에서 가장 높게 위치되고, 적어도 2 개의 분리 탱크 유닛들중 제 2 분리 탱크 유닛은 제 1 분리 탱크 유닛의 아래에 근접하게 위치된다. 이러한 디자인은 분리 탱크 안의 유동 경로들의 길이를 최소화시킨다.
본 발명의 구현예들은 개략적으로 도시된 도면을 참조하여 보다 상세하게 아래에 설명된다.
도 1 은 본 발명에 따른 분리 탱크 및 관련된 거부 탱크(reject tank)를 도시한다.
도 2 는 도 1 의 분리 탱크의 제 1 구현예를 통한 길이 방향 단면이다.
도 3 은 도 1 의 분리 탱크의 제 2 구현예를 통한 길이 방향 단면이다.
도 4 는 도 1 의 분리 탱크의 제 3 구현예를 도시한다.
도 5 는 도 1 의 분리 탱크의 제 4 구현예를 도시한다.
도 6a 및 도 6b 는 도 2 에 도시된 제 1 구현예에서 분리 탱크 유닛으로부터 베인의 측면도 및 평면도를 도시한다.
도 1 에서 도면 번호 1 로 표시된 바와 같은 분리 탱크는 다단계 분리 탱크로서, 이것은 하나가 다른 것의 위에 배치된 2 개 또는 그 이상의 분리 탱크 유닛(2,2')을 포함한다. 다음에 설명된 다양한 구현예들에서, 동일한 참조 번호는 동일한 사항을 나타내도록 이용된다. 2 개의 분리 탱크 유닛들은 직렬로 연결되고, 즉, 분리 탱크 유닛(2)에 있는 물의 제 2 유출부(9)는 분리 탱크 유닛(2')에 있는 유체의 유입부(7)와 연결된다. 이러한 방식으로, 분리 탱크 유닛(2)에서 청결하게 되는 물은 분리 탱크 유닛(2')에서도 더 청결하게 된다. 분리 탱크는 처리된 물이 사전에 정화되는 위치와 같은 실제의 유정(oil well)으로부터 떨어진 제조 설비에 설치될 수 있는데, 그러한 위치는 통상적으로 플랫폼(platform) 또는 유정(rig)과 같이 수면 위의 위치이거나, 또는 해안 위치와 같은 것이다. 석유 제조 현장에서 이용될 때, 분리 탱크는 수원(well head)에 위치하는 분출 방지기(Blow Out Preventer, BOP)의 하류에 설치된다.
도 2 에 도시된 바와 같이, 분리 탱크 유닛(2,2')들은 수직의 실린더형 탱크 케이싱(3)내에 위치되는데, 그 케이싱은 탱크 내의 작동 압력에 관련된 압력 시험 등급(pressure testing class)을 수행할 수 있는 압력 용기로서 치수가 정해진다. 케이싱의 내부는 내부의 고리형 엔크로져(4)에 의해 2 개로 분할되며, 고리형 엔크로져는 케이싱(3)보다 작은 벽 두께를 가진 강철 플레이트의 실린더형 벽이다. 내부의 고리형 엔크로져(4) 내의 중앙 영역은 분리 탱크 유닛들을 유지하며, 내부 고리형 엔크로져(4)의 외측 표면과 케이싱(3)의 내측 표면 사이의 고리형 외부 영역(5)은 분리 탱크 유닛(2,2')의 안과 밖으로 이송되는 유체의 유동 경로를 유지한다.
중간 저부(6)는 상부의 제 1 분리 탱크 유닛(2)을 하부의 제 2 분리 탱크 유닛(2')으로부터 분리시킨다. 분리 탱크 유닛들이 바람직스럽게는 분리 탱크내에서 유사하게 설계되지만, 동일한 분리 탱크내에서 상이한 디자인의 분리 탱크 유닛들을 가질 수도 있다. 분리 탱크 유닛은 그 내부에 상부 부분 및 하부 부분을 가지는데, 이들은 또한 상부 및 하부로 지칭될 수 있고, 본 발명에 따라서 분리 탱크 유닛의 상부 부분 및 하부 부분은 분리 탱크 유닛의 상부 영역 및 분리 탱크 유닛의 하부 영역에 있는 것을 의미하도록 취급될 수 있다. 분리 탱크 유닛은 그 상부 부분에 있는 유체의 유입부(7) 및 제 1 유출부(8)를 가지고, 하부 부분에 제 2 유출부(9) 및 제 2 유출부 둘레의 흐름을 평온화(calming)시키기 위한 수단(10)을 가진다. 분리 탱크 유닛은 내부의 고리형 벽(11)을 더 가지며, 고리형 벽은 분리 탱크 유닛의 상부 부분에서의 유동을 내부 고리형 벽의 외측에서 발생되는 외측 와류 유동 및 내부 고리형 벽의 내측에 있는 중앙 영역에서의 내측 유동으로 분할한다.
내부 고리형 벽은 그것의 상단부에 있는 제 1 개구(12) 및 그것의 하단부에 있는 제 2 개구(13)를 가지며, 제 1 개구(12) 및 제 2 개구(13)는 분리 탱크 유닛(2,2')의 상부 부분과 하부 부분 사이의 유체 유동 소통을 허용하고, 하부 부분은 제 2 개구(13)로부터 아래로 위치된다. 외측 와류는 내부의 고리형 벽과 내부의 고리형 엔크로져(4) 사이의 고리형 공간내에서 발생되고, 내부 고리형 벽에 근접하여 물의 유동은 회전 운동에 더하여 아래로 움직인다. 내부 고리형 벽의 하부 가장자리에서, 유동의 최내측 부분은 가장자리 둘레로 유동하여 제 2 개구(13)를 통해 위로 유동할 수 있다. 이러한 상방향 유동은 기체 포말들을 포함할 수 있다.
도 1 에서 제 1 분리 탱크 유닛(2)에 있는 유체를 위한 유입부(7)는 접선 방향으로 지향됨으로써, 유입부는 내부 고리형 엔크로져의 내측을 따라 수평 방향으로 유입 유동을 배출하여, 유입 유동이 분리 탱크 유닛 안의 유체를 와류 유동으로 회전시키도록 작용하는 효과를 가져온다. 회전 운동은 석유 액적 및 기체 포말과 같은 가벼운 성분들이 탱크의 중앙을 향해 강제되게 한다. 회전 및 중력 효과에 기인하여, 유체에 있는 석유 및 기체는 유체 유도의 반경 방향 내측 부분에 집중되는 경향이 있으며, 그 부분에서 석유 및 기체는 물의 하방향 운동에 반하여 상방향으로 움직이는 경향을 가진다. 내부 고리형 벽은 석유 및 기체의 상방향 운동을 몇가지 방식으로 돕는다. 유체 유동이 내부 고리형 벽을 만날 때, 석유 및 기체 포말들은 합체되어 더 커지고 따라서 주의 물보다 낮은 밀도 때문에 상승하는 경향이 커지게 된다. 위에서 설명된 바와 같이, 내부 고리형 벽의 하부 가장자리는 특히 작은 기체 포말들 및 석유가 가장자리 둘레로 유동하고, 물의 흐름에 의해 하방향으로 끌려진 이후에 중앙 부분에서 상승하는 것을 허용한다.
접선 방향의 유입 유동은 몇 개의 상이한 방식으로 얻어질 수 있다. 한가지 가능성은 유입 파이프가 분리 탱크 유닛으로의 입구에서 접선 방향으로 연장되도록 유입 파이프를 장착하는 것이다. 다른 가능성은 유입부에 격벽 플레이트를 배치하여, 유입 파이프가 유입 개구의 부근에서 어떻게 연장되는지에 상관없이 유입 유동이 접선 방향으로 지향되게 하는 것이다. 유입 파이프는 예를 들어 반경 방향에서 분리 탱크 유닛으로 연장될 수 있고 개구의 전방에 장착된 격벽 플레이트를 가질 수 있다. 도 2 의 제 1 구현예에서, 유입 파이프(14)는 케이싱(3)을 통해 반경 방향으로 연장되고 내부 고리형 엔크로져를 통과하는 굽힘 부분에서 끝나서, 유체의 유입부(7)는 접선 방향으로 향하고, 그에 의하여 탱크(1) 안에서 물의 회전 운동을 제공한다.
도 1 의 분리 탱크 유닛의 제 1 유출부(8)는 유출 파이프(16)를 통하여 거부 탱크(reject tank, 15)에 연결된다. 각각의 유출부(8)는 유량 제어 밸브(17)와 관련된다. 그 밸브가 작동 동안에 폐쇄된다면, 관련 분리 탱크 유닛은 그 자체에서 물이 고갈되고 기체로 채워질 것이다. 만약 밸브(17)가 작동 동안에 완전히 개방된다면, 제 1 유출부를 통한 유량은 크게 될 것이고 유동내의 물의 함량도 높아질 것이다. 밸브(17)가 바람직스럽게는 분리 탱크 유닛들에 대하여 개별적으로 설정되며, 따라서 바람직스럽게는 제 1 분리 탱크(2)와 관련된 밸브(17)가 제 1 분리 탱크 유닛(2')과 관련된 밸브(17)보다 더 개방된다.
거부 탱크(15)내의 석유, 기체 및 물은 다시 한번 분리되는 것이 허용되지만, 그곳에서 석유의 함량은 높으며, 특히 밸브(17)들이 물의 함량을 최소화시키는 정확성을 가지고 설정되고 자동 조건들이 안정적일 경우에 그렇게 된다. 석유는 압력 제어 밸브(19)의 형태로 압력 제어 장치를 가지는 석유 라인(oil line, 18)을 통해 철회되는데, 압력 제어 밸브는 거부 탱크 안의 압력을 제어하는데 이용되고, 따라서 제 1 유출부(8)에서 압력을 제어하는데 이용된다. 대안으로서, 압력 제어 장치는 유출 파이프(16)내의 압력 제어 밸브일 수 있고, 그러한 단일 밸브는 유출 파이프(16)의 공통 분기에 존재할 수 있거나, 또는 대안으로서 유출 파이프(16)의 개별적인 분기가 압력 제어 밸브를 가질 수 있다. 펌프(21)를 가진 기체 라인(20)은 거부 탱크로부터 유입 파이프(14)로 기체를 재순환시킬 수 있다. 펌프(21)는 기체 압력을 유입 파이프 안의 압력보다 더 높게 증가시킨다. 물의 압력을 증가시키기 위한 펌프(24) 및 조절 밸브(23)를 가진 물 라인(22)은 거부 탱크상의 물 유출부를 유입 파이프(14)와 연결시킬 수 있거나, 또는 물 라인은 드레인(drain)에 단순히 연결될 수 있다.
제 1 분리 탱크 유닛(2)에 있는 제 2 유출부(9)는 중간 파이프(25)를 통하여 제 2 분리 탱크 유닛(2')에 있는 유체의 유입부(7)와 연결된다. 기체 분기 라인(20')은 기체를 중간 파이프에 있는 물로 공급할 수 있다. 제 2 분리 탱크 유닛(2')에 있는 제 2 유출부(9)는 압력 제어 밸브(27)로써 물 유출 도관(26)에 연결된다. 압력 제어 밸브는 분리 탱크를 가로지르는 압력 강하를 제어한다. 도 1 에 도시된 예에서, 압력 강하는 크다. 유입 파이프내의 압력은 3.0 barg 이고, 밸브(27)는 유입 파이프(14)로부터 유출 도관(26)으로의 압력 강하가 1.6 bar 가 되도록 설정되고, 제 1 분리 탱크 유닛(2)에서의 압력은 약 2.2 barg 인 것으로 간주되고, 제 2 분리 탱크 유닛에서의 압력은 1.4 barg 이다. 탱크 유닛의 제 2 유출부에서의 압력은 탱크 유닛내의 압력과 대략 같다. 거부 탱크 안의 압력이 대략 1.0 barg 이도록 압력 제어 밸브(19)가 설정된다. 통상적인 경우에. 유입 파이프(14)로부터 유출 도관(26)으로의 압력 강하는 위에서 언급된 밸브의 대략 절반이며, 즉, 약 0.8 bar 이고, 유입 파이프(14)내의 공급 압력은 대략 1.8 barg 이고, 제 1 분리 탱크 유닛(2)내의 압력은 대략 1.3 barg 이고, 제 2 분리 탱크 유닛내의 압력은 대략 0.9 barg 이다. 거부 탱크내의 압력이 대략 0.5 barg 이도록 압력 제어 밸브(19)가 설정된다. 압력이 낮을 때 물 안의 기체가 큰 범위로 증발할 것이기 때문에, 가능한한 낮은 압력을 이용하는 것이 유리하다. 그것은 한편으로 분리 탱크 안에서 이용되는 기체 포말을 제공할 것이고, 다른 한편으로 물의 기체 함량에 관하여 세정되고 따라서 더 정화된다.
분리 탱크(1) 및 거부 탱크(15)는 함께 세정 시스템을 형성하는데, 그곳에서 적어도 96 % 의 물의 함량 및 전체적으로 많아봐야 4 % 의 기체 및 석유의 함량을 가진 유체 혼합물 형태의 청결하게 되지 않은 물의 유입 유동이 유입 파이프(14)에서 공급된다. 물 유출 도관(26)에서, 거의 청결하게 된 물이 전달되는데, 바람직스럽게는 0.001 % 의 보다 적은 석유 및 기체의 함량을 가진 물이 전달된다. 석유 라인(18)에서, 회수된 석유는 석유 제조 라인에 추가되기에 맞는 상태로 전달된다.
분리 탱크 유닛에 대한 실제 구현예들에 대한 다음의 다양한 예에서 더욱 상세하게 설명된다. 당연히 첨부된 특허 청구 범위들의 내용 안에서 구현예들을 수정하는 것이 가능하며, 상이한 구현예들에 대한 상세 내용들은 특허 청구 범위의 내용 안에서 다른 구현예들에 조합될 수 있다.
도 2 의 제 1 구현예에서, 헬리컬 베인(28)은 유체의 유입부에 위치됨으로써 베인은 유입 개구 바로 아래에 있고 유입 유체의 유동 방향으로 내부 고리형 엔크로져(4)의 내측상에서 상방향으로 연장되며, 따라서 유입 유체는 약간 상방향으로 지향된 소용돌이의 유체 움직임으로 유동하게끔 강제된다. 와류 회전의 방향에서 보면, 헬리컬 베인은 그것의 길이 부분이 유체의 유입부 이전으로, 또는 그것의 상류측으로 연장되면서 위치된다. 즉, 헬리컬 안내 베인은 유체의 유입부의 양쪽 측부로 연장된다. 헬리컬 베인의 길이는 상류측 단부(29)로부터 하류측 단부(30)까지이다. 유입부 이전에 위치된 길이의 부분이 바람직스럽게는 전체 길이의 25 % 내지 50 % 의 범위이고, 적절하게는 헬리컬 베인의 전체 길이의 대략 30 내지 35 % 이다. 헬리컬 베인의 이러한 부분은 하방향 물의 흐름의 일부를 포착하여 그것을 상방향으로 지향시키도록 기능함으로써, 기체 및 석유가 유동의 상부 표면으로 상승될 가능성이 향상되면서 물이 탱크 안에 체류하는 시간이 더 길어지게 된다.
헬리컬 베인(28)은 도 6a 및 도 6b 에 보다 상세하게 도시되어 있다. 헬리컬 베인은 내부 고리형 엔크로져(4)의 원주 내측 둘레에서 180°내지 450°범위에서 연장될 수 있다. 바람직스럽게는, 헬리컬 베인이 360°보다 작게 연장되며, 예를 들어 내측 원주 둘레에서 290°내지 320°범위로 연장된다. 도시된 구현예에서, 헬리컬 베인은 306°를 통해 연장된다. 이것은 단부(29,30)들 사이에 개방 섹터(open sector, 31)를 남기는데, 예를 들어 54°의 각도 섹터를 남기며, 이러한 개방 섹터에서 물이 자유롭게 하방향으로 유동한다. 베인은 하류 방향에서 나선형으로 위로 가게되어, 하류측 단부(30)는 상류측 단부(29) 보다 높은 수준에 위치되고, 높이(h)의 차이가 도 6a 에 도시되어 있고 그 차이는 예를 들어 내부 고리형 벽(11)의 25 내지 50 %, 바람직스럽게는 30 내지 40 % 및, 적절하게는 약 35 %이다. 약간 상방향으로 회전하는 물의 흐름이 하류측 단부(30)를 통과할 때, 유동은 헬리컬 베인에 의해 상방향으로 더 이상 안내되지 않고, 개방 섹터에서 아래 방향으로 전환될 것이다. 그러나, 유동에서의 회전 운동이 계속되고, 유동이 하방향으로 전환될 때 상류측 단부(29)의 방향으로 움직이며, 그곳에서 유동의 일부는 헬리컬 베인의 상부 측에서 유동하도록 강제됨으로써 분리 탱크 유닛에서 상방향으로 다시 움직일 것이다.
내부 고리형 벽(11)은 헬리컬 베인의 상류측 단부(29)의 수준 주위로부터 연장되고, 바람직스럽게는 헬리컬 베인의 높이(h)에서의 연장부의 대략 2 배의 높이를 가진다. 내부 고리형 벽(11)은 실린더형이고, 그 외부 직경은 헬리컬 베인의 내부 직경(Di)보다 작아서, 내부 고리형 벽(11)은 고리형 자유 공간(32)에 의해 둘러싸이는데, 고리형 자유 공간을 통하여 물이 자유롭게 하방향으로 유동한다. 기체 포말 및 석유가 유닛의 상부 부분으로 떠오르기 위하여 물의 하방향 속도보다 더 큰 물에 대한 상방향의 속도를 가질 필요가 있으므로, 물의 하방향 유동의 속도는 떠오르는 것(flotation)에 영향을 미친다. 따라서, 헬리컬 베인은 내부 고리형 벽(11)의 외부 직경(Dw) 보다 큰 내부 직경(Di)을 가지며, 바람직스럽게는 Di 가 1.2 Dw 내지 1.6 Dw 의 범위이고, 보다 바람직스럽게는 Di 가 1.3 Dw 내지 1.45 Dw 범위이다.
내부 고리형 엔크로져(4)는 내부 직경(De)을 가지고, 헬리컬 베인(28)의 내부 직경(Di)과 De 사이의 비율(De/Di)는 예를 들어 1.5 내지 2 의 범위이고, 바람직스럽게는 1.60 내지 1.90 이다. 가장 바람직스러운 비율은 약 1.78 이다. 내부 고리형 벽(11)의 외측 직경(Dw)과 내부 고리형 엔크로져(4)의 내부 직경(De) 사이의 비율(Dw/De)은 2.35 내지 2.85 사이이고, 바람직스럽게는 2.40 내지 2.70 이고, 가장 바람직스럽게는 2.66 이다.
개별의 분리 탱크 유닛(2)의 높이와 직경 사이의 비율(H/D)에는 예를 들어 1 내지 4 의 범위와 같은 오히려 넓은 제한이 있지만, 바람직스럽게는 그 비율(H/D)이 적어도 1.30 이고, 예를 들어 1.3 내지 2.5 이고, 보다 바람직스럽게는 1.3 내지 1.8 의 범위이다.
헬리컬 베인 및 탱크의 고리형 벽과 조합된 접선 방향 유입부는 탱크의 상부 부분에서의 와류 유동 및 탱크의 하부 부분에서의 와류 유동의 형성을 제공한다. 와류 유동은 탱크의 중앙에서 와류의 눈(vortex eye)을 형성하지 않는 것이 바람직스러우며, 와류의 눈에는 액체 혼합물이 없다. 와류의 눈은 유닛의 용량을 감소시키기 때문에 와류의 눈을 형성하는 것은 바람직스럽지 않다. 와류의 눈 형성을 회피하기 위하여, 로드(rod) 형상의 수직으로 연장된 와류의 눈 파열기(breaker)가 분리 탱크 유닛의 중심선을 따라서 장착될 수 있다. 그것은 국제 출원 공개 WO 2007/049245 로부터 알려진 원리이다. 본 발명에 따라서 그리고 도 2 및 도 3 에 도시된 구현예들에서 제 1 유출부(8) 및 제 2 유출부(9)로 이어지는 파이프들은 중심 파이프(33)의 길이를 통해 상호 연결된다. 유동 격벽(34)은 파이프의 내측에 장착되고, 바람직스럽게는 제 1 유출부(8) 바로 아래의 위치에 장착되며, 그 격벽은 파이프의 내부 체적을 2 개 부분들로 분리시키고 유체가 한 부분으로부터 다른 부분으로 유동하는 것을 방지하고 한 부분이 다른 부분과 다른 압력으로 되는 것을 허용한다. 유출부들은 파이프의 측부에 있는 개구로서 형상화되며, 세정된 물은 제 2 유출부(9)를 통하여 밖으로 유동하고, 기체 및 석유는 제 1 유출부(8)를 통해 밖으로 유동한다.
제 2 유출부(9)는 분리 탱크 유닛의 하부 부분에 위치되고, 오일 유출부는 분리 탱크 유닛의 상부 부분에 위치된다. 제 2 분리 탱크 유닛(2')에서 (도 2 의 구현예에서 가장 낮은 유닛), 중앙 파이프(33)의 하부 연장부(35)는 분리 탱크(1)의 저부 단부(36)를 통해 아래로 연장된다. 제 1 분리 탱크 유닛(2)에서 중앙 파이프의 상부 연장부(37)는 분리 탱크의 상부 단부(40)를 통해 위로 연장된다. 중간 저부(6)에서 제 2 분리 탱크 유닛(2')에 있는 중앙 파이프(33)는 90°의 굽힘 부분을 가지며 반경 방향에서 분리 탱크 유닛의 밖으로 유량 제어 밸브(17)로 계속된다. 중앙 파이프(33)는 내부 고리형 벽(11)을 위한 지지부로서의 역할을 하는데, 내부 고리형 벽은 2 개의 반경 방향으로 연장된 스트럿(strut, 38)을 통하여 중앙 파이프에 장착되거나, 또는 예를 들어 내부 고리형 벽(11)의 상부 단부 및 하부 단부에 장착된 3 개 스트럿들중 2 개의 세트들을 통하여 중앙 파이프에 장착된다. 제 2 유출부(9) 둘레의 유동을 평온화시키기 위한 수단은 원추 형상(중국식 모자(Chinese hat))일 수 있고 중앙의 파이프(33)에 용접될 수 있다. 원추 형상의 수단(10) 위에 있는 영역내의 탱크 유닛(2,2') 안의 체적은 원추 형상의 수단(10) 아래에 있는 영역과 유동 연결되는데, 이것은 원추 형상의 수단(10)의 외측 테두리와 내부 고리형 엔크로져(4)의 내측 표면 사이의 고리형 공간(39)을 통해서만 이루어진다. 따라서 물의 하방향 유동은 제 2 유출부(9)로 유동하기 위하여 그러한 고리형 공간을 통과하여야 한다. 물이 제 2 유출부(9)를 통해 배출되기 전에, 유닛의 하부 부분에서의 와류 유동은 그렇게 평온화(calm)되거나, 보다 균일해지거나, 또는 현저하게 감쇠된다.
탱크 안의 압력(Pt)은 유출 파이프(16) 안의 압력(Po)보다 높게 유지되는데, 유출 파이프는 거부된 석유(reject oil), 기체를 이송시키고, 만약 회피될 수 없다면 물도 이송시킨다. 바람직스럽게는, 압력 차이(Pt-Po)가 대략 0.4 bar 이다. 탱크 안의 압력(Pt)이 바람직스럽게는 압력 제어 밸브(27)의 하류측에 있는 물 유출 도관내의 압력(Pw) 보다 높아야 하며, 즉, Pt>Pw 이며, 적절하게는 Pt 가 Pw 보다 대략 0.5 바아 높게 유지된다. 위에서 언급된 바와 같이, 일 구현예에서 압력의 차이는 분리 탱크와 관련된 압력 제어 밸브들에 의해 제어되지만, 대안으로서 그것은 압력을 설정하는 분리 탱크 상류측 및 하류측의 공정 시스템내의 장치들일 수 있다. 그러나, 다른 시스템들에 의존하여 분리 탱크의 정확한 기능이 이루어진다.
분리 탱크 유닛의 상부 부분에 있는 제 1 유출부(8)는 분리 탱크 유닛의 상부로부터 거리를 두고 위치된다. 그것은 유닛의 최상부 부분에 기체가 축적되는 것을 허용한다. 기체가 제 1 유출부(8) 위의 체적을 채우고 기체 수준이 제 1 유출부에 도달했을 때, 기체는 제 1 개구 안으로 유동하고 유출 파이프(16)를 통해 밖으로 유동한다. 최상부 부분에 집적된 기체는 유닛의 하부 부분들에 존재하는 액체/기체 유체들보다 훨씬 더 압축성이 있으며, 따라서 집적된 기체는 쿠션으로서 작용하여 분리 탱크 유닛에 대한 유입부 및 유출부에서의 순간 압력 변화를 흡수한다. 정상적인 작동 동안에 이러한 효과를 달성하기 위하여 특정 체적의 기체가 필요하며, 결과적으로 유출 개구는 분리 탱크 유닛의 상부 단부 아래의 내부 고리형 엔크로져(4)의 직경(De)의 7 내지 20 % 범위에 위치되는 것이 바람직스럽고, 보다 바람직스럽게는 그 직경(De)의 10 내지 15 % 범위에 위치된다. 기체는 유입 파이프(14)를 통해 유닛 안으로 유동하는 물, 석유 및 기체의 혼합물로부터 온다. 유닛 안의 와류 유동내에서 기체는 석유를 집적시키고, 합체(coalescence)를 통하여 기체 포말들의 크기가 증가되어, 포말들이 물의 유동을 통해 위로 상승하고 유닛의 최상부 영역에 부양되는 크기를 얻을 수 있게 한다. 분리 탱크 유닛 안의 전체적인 조건들에 기인하여, 기체 안의 압력 수준이 감소 및 증가될 때 유닛 안의 액체 수준은 위 아래로 요동하는 경향을 가진다. 석유는 액체의 표면에 집중되므로, 주로 석유가 제 1 유출부(8)를 통하여 밖으로 유동하도록 파동(fluctuation)이 작은 것이 바람직스럽다.
보통의 작동에서, 기체가 탱크 안의 혼합물의 액체 부분을 제 1 유출부 바로 아래의 수준으로 변위시킬 때까지 기체를 축적시킴으로써, 기체의 축적(build up)이 발생된다. 이러한 지점에서 기체 및 석유는 제 2 유출부를 통해 배출되어 분리 탱크 유닛을 떠날 것이다. 액체 혼합물의 수준(level)은 석유 및 기체의 유출부 위로 상승할 것이며 기체 축적의 새로운 시퀀스가 발생될 것이다. 이러한 방식으로 석유는 분리 탱크 유닛에서 물의 상부로부터 자동적으로 거두어질(skim) 것이다. 보통의 작동에서, 유체의 유입부를 통해 유닛 안으로 유동하는 유체의 대략 0.2 % 내지 3 % 는 제 1 유출부를 통해 밖으로 유동한다.
바람직한 구현예에서 추가적인 기체가 유입 파이프(14) 안에서 유동하는 유체로 주입된다. 물이 회수되는 저장부로부터 오는 기체의 양을 물이 통상적으로 가질지라도, 유체와 혼합될 수 있는 추가적인 기체를 공급하여 유체 혼합물내의 석유 입자들을 포착하는 능력을 증가시키는 것이 유리하다. 기체 주입에 이용되는 기체는 유체 안에 포말을 형성하기에 적절한 임의의 기체일 수 있으며, 예를 들어, CO2, 질소 또는 탄화수소에 기초한 기체이다. 바람직스럽게는, 기체 및 석유를 물로부터 분리시키는데 이용되는 공정으로부터의 기체가 재활용된다. 그러한 재활용은 유닛안의 체적의 최상부 부분으로부터 유입 파이프(14)로 이어지는 기체 재활용 도관(41)을 제공함으로써 개별의 분리 탱크 유닛으로부터 발생될 수 있다. 유입 파이프는 기체를 추가하기 위한 장치(43)를 가진다. 그 장치가 배출기(ejector)의 유형이라면, 그 자체로서 기체를 유닛으로부터 유인할 수 있으며, 다음에 오직 유량 제어 밸브(42)만이 도관(41)내에 필요하다. 대안으로서, 기체 압력을 증가시키기 위한 펌프가 도관(41)내에서 이용될 수 있으며, 다음에 기체는 노즐 개구들을 통하여 유입 파이프(14)내의 유체 유동으로 주입될 수 있다.
더해진 기체의 양은 통상적으로 유체의 1 m3 당 0.02 내지 0.2 St.m3 의 범위이다. 유체의 1 m3 당 0.05 내지 0.18 St.m3 의 범위의 값들이 바람직스럽지만, 더해진 기체의 양에 대하여 더 높은 값들도 이용될 수 있고, 예를 들어 1 m3 당 최대 0.3 St.m3 까지의 양이 이용될 수 있다. St.m3 은 기체 매체의 표준적 입방 미터이다. St.m3 은 근해의 유전(15.6℃ 및 101.325 kPa 의 압력에서의 건조 기체의 체적)에서 표준화된 것이다.
분리 탱크 유닛의 치수들은 통상적으로 처리되도록 의도된 물의 양에 따라서 선택된다. 시험 작동에서는 분리 탱크 유닛 안의 체류 시간이 바람직스럽게는 5 내지 60 초인 것으로 선택될 수 있고, 바람직스럽게는 5 내지 40 초로 선택될 수 있고, 보다 바람직스럽게는 8 내지 35 초로 선택될 수 있다. 체류 시간이 설정되고, 소망의 용량이 알려졌을 때, 필요로 하는 효율적인 부양 체적이 계산될 수 있고, 그 계산은 1 m3 의 효율적인 부양 체적 및 30 초의 액체 체류 시간을 가진 분리 탱크 유닛이 시간당 120 m3 의 용량을 가진다는 가정에 기초하여 이루어질 수 있다. 체류 시간이 짧아진다면 용량이 비례적으로 증가되거나, 또는 체적이 비례적으로 감소된다. 용량이 증가되고 체류 시간이 유지된다면, 체적은 비례적으로 증가되어야 한다.
분리 탱크 유닛 안으로 진입하기 전에 작은 기체 포말들이 병합되어 더 큰 기체 포말들을 형성하는 것을 회피하기 위하여, 유입 개구로부터 짧은 거리에만 위치하는 노즐 장치(43)를 통하여 유입 도관내 유체 안으로 기체가 주입됨으로써, 기체가 바람직스럽게는 작은 포말로서 유체 안에 분산되어 있다. 기체 주입이 바람직스럽게는 유체의 유입부(7)로부터 5 내지 40 cm 보다 크지 않은 거리의 유입 파이프(14)내에서 수행된다. 주입을 위한 노즐 또는 노즐들은 이러한 경우에 링(ring)에 위치될 수 있고, 유입 파이프는 기체와 유체의 혼합을 향상시키기 위하여 파이프내 유동의 난류를 일으키는 유동 제한부를 가질 수 있다.
저부 단부 및 상부 단부를 가지는 탱크 케이싱(3)은 적어도 ANSI 150 psi 에 따라서 만들어지고, 통상적으로 작동 압력이 단지 1 내지 3 barg 사이일지라도, 17 내지 20 bar 사이의 최대 압력으로써 작동되도록 인가된다.
분리 탱크 유닛들이 도 2 및 도 3 에 도시된 바와 같이 직렬로 연결되었을 때, 제 1 분리 탱크 유닛(2)은 예를 들어 석유 및 기체 형태로 불순물의 800 ppm 을 가진 물, 석유 및 기체의 혼합물을 수용하고, 제 1 유닛(2)으로부터의 유출부(9)에서 물은 대략 90 ppm 의 불순물 함량으로 세정되었다. 제 2 분리 탱크 유닛은 제 1 분리 탱크 유닛으로부터 전달된 물을 약 9 ppm 의 불순물의 함량으로 더 세정시킬 수 있다. 이러한 값들은 단지 예를 든 것일 뿐이며, 많은 다른 값들을 얻을 수 있지만, 물의 유동은 더 많은 단계들에서 처리되었을 때 더 청결하게 된다. 하나가 다른 것의 위에 장착된 개별 유닛을 가진 다단계 분리 탱크는 물을 청결하게 하는 해법으로서, 그것은 매우 효율적이고 작은 면적만을 점유한다.
도 3 의 제 2 구현예는 도 2 에 도시된 제 1 구현예와 대부분의 세부 사항이 같고, 차이점에 대해서만 아래에 설명될 것이며, 다른 모든 세부 사항은 위의 설명을 참조하기로 한다. 제 1 구현예의 분리 탱크는 분리 탱크에 대한 대부분의 연결들이 탱크의 저부에서 이루어져서, 그 주위의 세부 부분을 가진 탱크가 가능한 한 작은 영역(용량과 관련하여 매우 작은 영향 범위)을 점유하도록 설계된다. 고리형 외부 영역(5)은 필요한 유동 경로를 위한 공간을 제공하고, 유입 파이프(14)는 탱크의 저부 단부(36)를 통하여 아래로부터 고리형 외부 영역(5)에 진입하고 고리형 외부 영역(5)내에서 수직 상방으로 연장되어, 유체의 유입부와 같은 높이에서 굽혀지는데, 그곳에서 유체는 내부 고리형 엔크로져(4)를 통과하여 유체의 유입부(7)로 흘러나오며, 그 유입부는 접선 방향으로 유입 유체를 지향시킨다.
제 2 분리 탱크 유닛(2')에서 제 1 유출부(8)로부터의 유출 파이프(16)는 고리형 외부 영역(5)에 있는 90°하방향의 굽힘부를 가지며, 중간 저부(6)를 통하여 아래로 통과한다. 중간 저부(6)는 수평 방향으로 연장되어 내부 고리형 엔크로져(4)를 통과하여 실린더형 탱크 케이싱(3)의 내부로 용접됨으로써, 실린더형 탱크 케이싱 안의 체적이 분리 탱크 유닛(2,2')의 높이의 연장에 대응하는 분리 섹션들로 분할된다. 따라서 하부 고리형 외부 영역(5')은 자체적으로 콘테이너 또는 탱크 체적을 가진다. 따라서 제 2 분리 탱크 유닛(2')으로부터의 유출 파이프(16)는 석유, 기체 및, 가능하다면 물의 유츨을 하부 고리형 외부 영역(5')의 체적 안으로 전달하며, 그 안에서 석유의 유량은 작기 때문에 기체는 더 오랜 시간 동안 석유로부터 분리된다. 기체는 기체 재순환 도관(41)을 통하여 재순환될 수 있고, 석유는 하부 고리형 외부 영역(5')으로부터 유동 제어 밸브(47)를 가진 오일 거부 라인(44)을 통해 밖으로 꺼내질 수 있다. 또한 상부 연장부(37)가 탱크 케이싱(3) 안에서 굽혀져서 내부 고리형 엔크로져(4)를 통하여 고리형 외부 영역(5)으로 배출되며, 그곳에서 제 1 유닛 외부의 고리형 외부 영역으로 흘러나가거나 또는 더 굽혀져서 중간 저부를 통해 아래로 연장되어 하부 고리형 외부 영역(5')으로 흘러나간다.
분리 탱크 유닛은 첨부된 특허 청구 범위의 범위내에서 다른 방식으로 설계될 수도 있다. 그것의 하나의 예는 도 4 에 도시되어 있으며, 분리 탱크는 3 개의 분리 단계들을 가지고 구현되며, 즉, 제 1 분리 탱크 유닛(2), 제 2 분리 탱크 유닛(2') 및, 제 3 분리 탱크 유닛(2'')으로써 구현된다. 개별적인 분리 탱크 유닛의 내부는 제 1 및 제 2 구현예에 관련하여 설명된 것과 상이한 설계이다. 도관, 파이프, 연결부, 밸브, 중간 저부 고리형 외부 영역, 유입부, 유출부, 흐름을 평온화시키는 수단, 내부 고리형 엔크로져등과 관련하여, 제 1 및 제 2 구현예와, 그들의 기능에 대한 상기의 설명을 참조하기로 한다. 그러나, 내부 고리형 벽에 관련해서는 완전히 상이한 디자인이 이용되며, 즉, 국제 출원 공개 WO 2007/049246 에 설명된 바와 같이, 하부 단부에 큰 개구를 가지고 상부 단부에 작은 개구를 가지는 원추 형상으로써 내부 고리형 벽이 이루어진다.
또한, 다른 대안으로서, 국제 출원 공개 WO 2007/049247 에 개시된 바와 같이, 아래로 향하는 원추를 가진 분리 탱크 유닛에서 내부 고리형 벽을 설계할 수 있거나, 또는 내부 고리형 벽이 도 5 에 도시된 바와 같이 원추 형상의 2 중 고리형 벽으로서 설계될 수 있으며, 도 5 에서 양쪽 원추들에 있는 플랜지 영역(45)에는 하방향 유동을 위한 배출 개구가 제공되고, 하부 고리형 플랜지(46)는 하부 원추의 플랜지 영역에 있는 배출 개구 아래에 위치된다.
더욱이, 내부 고리형 엔크로져(4)는 탱크 케이싱의 단부들에 의해 상부 및 저부에서 폐쇄될 필요가 없다. 대신에, 중간 저부(6)와 같은 플레이트가 내부 고리형 엔크로져의 양쪽 단부에 제공될 수 있으며, 그것은 탱크 케이싱이 없이 끝날 수 있어서 파이프 또는 유동 경로들이 탱크 케이싱과 내부 고리형 엔크로져의 단부들 사이의 자유 공간으로 연장될 수도 있다. 내부 고리형 엔크로져는 탱크 케이싱의 실린더형 부분에 고정될 수 있거나, 또는 탱크 케이싱의 저부 단부로부터 상승된 다리들 또는 고정부들에 의해 지지될 수 있다.
도 2 및 도 3 의 구현예들에서, 헬리컬 베인의 상류측 단부(29)는 제 2 개구(13) 위에 짧은 거리에 있는 수준에 위치된다. 대안으로서, 내부 고리형 벽(11)은 상류측 단부(29)에 대하여 아래로 더 연장될 수 있으며, 상류측 단부가 제 2 개구 위에서 대응되게 증가된 거리에 있을 수 있거나, 또는 상류측 단부가 제 2 개구(13) 아래에서 짧은 거리에 있는 수준에 위치될 수 있다.
분리 탱크 유닛들로의 유체 유입부 또는 유출부에 대한 유동 경로들의 파이프의 대안으로서, 플레이트 벽들이 내부 고리형 엔크로져(4)의 외측과 탱크 케이싱(3)의 내측 사이에서 연장되어 유동 경로들을 형성할 수 있다. 따라서, 분리 탱크상의 유입부를 유체의 유입부(7)와 연결시키는 제 1 유입 경로는, 도 2 의 구현예에서 케이싱에 있는 유입 파이프(14)로부터 유체 유입부(7)로 연장되는 파이프 섹션 대신에, 상기의 플레이트 벽들에 의해 형성될 수 있고; 제 1 탱크 유닛(2)에 있는 제 2 유출부(9)를 제 2 탱크 유닛(2')에 있는 유체 유입부(7)와 연결시키는 제 2 유입 유동 경로는, 도 2 의 구현예에서 중간 파이프(25) 대신에, 상기 플레이트 벽들에 의해서 형성될 수 있고; 분리 탱크상의 물 유출부를 제 2 탱크 유닛(2')에 있는 제 2 유출부(9)와 연결시키는 제 1 유출 유동 경로는, 도 2 의 구현예에 있는 하부 연장 파이프(35) 대신에, 상기 플레이트 벽들에 의해 형성될 수 있고; 제 1 유출부(8)를 분리 탱크상의 기체 및 석유 유출부와 연결시키는 제 2 유출 유동 경로는, 도 2 의 구현예에 있는 상부 연장 파이프(37) 대신에, 상기 플레이트 벽들에 의해 형성될 수 있다. 이것은 2 개의 분리 탱크 유닛들이 있을 때 적용된다. 만약 분리 탱크가 예를 들어 3 개의 탱크 유닛들을 가진다면, 상기 언급된 제 1 유출 유동 경로는 물 유출부를 마지막(제 3) 탱크 유닛의 제 2 유출부와 연결하고, 제 2 유입 유동 경로와 같은 유동 경로는 제 2 탱크 유닛의 제 2 유출부를 마지막 탱크 유닛에 있는 유체의 유입부와 연결한다.
청결화 효율(cleaning efficiency)을 향상시키기 위하여 응집제(flocculant)와 같은 첨가제들이 분리 탱크 유닛 안으로 들어가기 전에 물에 첨가될 수도 있다.
분리 탱크 유닛의 상부 부분에 있는 제 1 유출 개구(8)는 상방향으로 연장되는 유출 파이프에 있는 하부 단부 개구일 필요는 없지만, 대신에 하방향으로 연장되어 낮은 수준에서 탱크 유닛의 밖으로 나오는 유출 파이프에 있는 상부 단부 개구일 수 있거나, 또는 탱크 유닛의 밖으로 측방향 또는 반경 방향으로 연장되는 유출 파이프에 있는 개구일 수 있다.
구현예는 다음에 설명된다.
예:
도시된 구현예에서 내부 고리형 엔크로져는 직경(De)이 265 mm 이고, 헬리컬 베인의 내부 직경(Di)이 157 mm 이고, 내부 고리형 벽(11)의 직경(Dw)은 114 mm 이다. 분리 탱크는 이러한 치수들을 가지면서 동등하게 설계된 분리 탱크 유닛들을 가지고, 개별적인 높이가 500 mm 이고, 분리 탱크 유닛들은 하나가 다른 하나의 위에 장착되는데, 중간 파이프(25)는 제 1 유닛의 제 2 유출부를 제 2 유닛으로의 유체의 유입부와 연결시킨다. 유체의 유입부는 분리 탱크 유닛의 중간에 위치되었다. 내부 고리형 벽(11)의 높이는 205 mm 이고, 하부 개구(13)는 헬리컬 베인상의 상류측 단부(29)와 같은 높이이다. 유체의 유입부에서 물에 있는 석유 농도는 약 1050 mg/l 내지 1150 mg/l 였다. 보다 안정된 값으로 얻어진 작동 파라미터들에서 수시간 가동된 이후에 물 유출 도관(26)내의 물의 석유 함량은 약 2 mg/l 이었다.
위에 설명된 구현예들의 변형이 첨부된 청구 범위내에서 가능하며, 구현예들의 세부 사항은 새로운 구현예들로 조합될 수 있다. 특히 내부 고리형 벽은 다른 형상을 가질 수 있다.
1. 분리 탱크 2. 분리 탱크 유닛
3. 탱크 케이싱 4. 내부 고리형 엔크로져

Claims (20)

  1. 분리 탱크 유닛을 가진 실질적으로 실린더형의 수직 탱크 케이싱을 구비하며, 석유(oil) 및 기체를 물로부터 분리하는 분리 탱크로서, 분리 탱크 유닛은 상부 부분 및 하부 부분, 유체의 유입부, 내부 고리형 벽, 분리 탱크 유닛의 상부 부분에 있는 적어도 하나의 제 1 유출부 및, 분리 탱크 유닛의 하부 부분에 있는 적어도 하나의 제 2 유출부를 가지고, 상기 내부 고리형 벽은 분리 탱크 유닛의 상부 부분과 하부 부분 사이의 소통을 허용하는, 상기 내부 고리형 벽의 상부 단부에 있는 제 1 개구를 가지고, 분리 탱크는 분리 탱크를 고리형 외부 영역 및 중앙 영역으로 분할하는 내부 고리형 엔크로져 및, 중간 저부에 의해 분리된 중앙 영역내에서 하나가 다른 것의 위에 배치된 2 개 이상의 분리 탱크 유닛들을 가지고, 분리 탱크 유닛들의 유입부로의 유체 유동 경로 및, 분리 탱크 유닛들의 적어도 하나의 제 2 유출부로부터의 유체 유동 경로는 적어도 고리형 외부 영역에 배치되는, 분리 탱크.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제 1 유입 유동 경로는 분리 탱크상의 유입부를 적어도 2 개의 분리 탱크 유닛들중 제 1 분리 탱크 유닛에 있는 유체의 유입부와 연결시키고, 제 2 유입 유동 경로는 제 1 분리 탱크 유닛에 있는 제 2 유출부를 적어도 2 개의 분리 탱크 유닛들중 제 2 분리 탱크 유닛에 있는 유체의 유입부와 연결시키고,
    제 1 유출 유동 경로는, 분리 탱크가 2 개의 분리 탱크 유닛들을 가질 때, 분리 탱크에 있는 물 유출부를 제 2 분리 탱크 유닛의 제 2 유출부와 연결시키거나, 또는 분리 탱크가 2 개 이상의 분리 탱크 유닛들을 가질 때, 마지막 분리 탱크 유닛의 제 2 유출부와 연결시키는, 분리 탱크.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    파이프들은 고리형 외부 영역에 유입 유동 경로들을 형성하는, 분리 탱크.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항의 어느 한 항에 있어서,
    제 2 유출 유동 경로는 분리 탱크의 석유 및 기체의 유출부를 분리 탱크 유닛들중 적어도 하나의 분리 탱크 유닛에 있는 제 1 유출부와 연결하는, 분리 탱크.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항의 어느 한 항에 있어서,
    제 2 유출 유동 경로는 분리 탱크에 있는 고리형 외부 영역을 분리 탱크 유닛들중 적어도 하나의 분리 탱크 유닛에 있는 제 1 유출부와 연결하는, 분리 탱크.
  6. 제 5 항에 있어서,
    분리 탱크상의 석유 및 기체를 위한 유출부는 분리 탱크에 있는 고리형 외부 영역와 유동 연결되는, 분리 탱크.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    제 1 기체 복귀 경로는 분리 탱크에 있는 기체의 유출부를 적어도 2 개의 분리 탱크 유닛들중 적어도 하나의 분리 탱크 유닛에 있는 유체의 유입부의 기체 주입 수단과 연결시키는, 분리 탱크.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항의 어느 한 항에 있어서,
    개별적인 분리 탱크 유닛은 분리 탱크 유닛의 제 1 유출부로부터의 유동을 제어하기 위한 유량 제어 밸브를 가지는, 분리 탱크.
  9. 제 2 항 내지 제 8 항의 어느 한 항에 있어서,
    분리 탱크상의 물 유출부로터의 물 유출 도관은, 압력 제어 밸브 하류측의 물 유출 도관내의 압력보다 분리 탱크상의 물 유출부의 압력이 더 높도록 제어하기 위한 압력 제어 밸브를 가지는, 분리 탱크.
  10. 제 1 항 내지 제 8 항의 어느 한 항에 있어서,
    개별적인 분리 탱크 유닛은 압력 제어 밸브 하류측의 압력보다 탱크 유닛의 제 2 유출부에서의 압력이 더 높도록 제어하기 위한 압력 제어 밸브를 가지는, 분리 탱크.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항의 어느 한 항에 있어서,
    석유 및 기체를 위한 분리 탱크의 유출부 하류측에 하류측 압력을 제어하기 위한 압력 제어 장치가 있고, 바람직스럽게는 석유 및 기체를 위한 분리 탱크의 유출부에서의 압력이 분리 탱크상의 물 유출부에서의 압력보다 낮도록 하류측 압력을 제어하는, 분리 탱크.
  12. 제 1 항 내지 제 10 항의 어느 한 항에 있어서,
    개별적인 분리 탱크 유닛은 분리 탱크 유닛의 제 1 유출부의 하류측의 압력을 제어하기 위한 압력 제어 장치를 가지고, 바람직스럽게는 그 압력이 분리 탱크 유닛의 제 2 유출부에서의 압력보다 낮은, 분리 탱크.
  13. 제 3 항 내지 제 12 항의 어느 한 항에 있어서,
    개별적인 분리 탱크 유닛은 분리 탱크 유닛의 상부 부분에 있는 제 1 유출부로부터 분리 탱크 유닛의 하부 부분에 있는 제 2 유출부로 연장된 중앙의 파이프를 가지고, 중앙의 파이프는 제 1 유출부와 제 2 유출부 사이에 있는 유동 격벽(flow barrier)으로 차단되고, 중앙의 파이프는 분리 탱크 유닛의 밖으로 연장된 상부 연장부 및 분리 탱크 유닛의 밖으로 연장된 하부 연장부를 가지는, 분리 탱크.
  14. 제 13 항에 있어서,
    분리 탱크의 가장 낮은 분리 탱크 유닛에서 중앙의 파이프의 하부 연장부가 분리 탱크의 저부 단부를 통해 아래로 연장되고, 분리 탱크의 가장 높은 분리 탱크 유닛에서 중앙의 파이프의 상부 연장부가 분리 탱크의 상부 단부를 통해 위로 연장되고, 중앙의 파이프들의 나머지 연장부들은 굽힘 부분을 통하여 반경 방향으로 분리 탱크 유닛들의 밖으로 연장되는, 분리 탱크.
  15. 제 2 항 내지 제 14 항의 어느 한 항에 있어서,
    적어도 2 개의 분리 탱크 유닛들중 제 1 분리 탱크 유닛은 분리 탱크의 내부 고리형 엔크로져 안의 가장 높은 곳에 위치되고, 적어도 2 개의 분리 탱크 유닛들중 제 2 분리 탱크 유닛은 제 1 분리 탱크 유닛의 아래에 가까이 위치되는, 분리 탱크.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항의 어느 한 항에 있어서,
    탱크 케이싱의 치수는 내부 고리형 엔크로져보다 더 큰 벽 두께를 가진 압력 용기로서 정해지는, 분리 탱크.
  17. 제 1 항 내지 제 15 항의 어느 한 항에 있어서,
    개별적인 분리 탱크 유닛은 내부 고리형 엔크로져의 내측을 따라서 290°내지 320°범위의 원주 섹터(circumferential sector)를 통해 연장된 헬리컬 베인(helical vane)을 가지는, 분리 탱크.
  18. 제 16 항에 있어서,
    헬리컬 베인의 내부 직경(Di)에 대한 내부 고리형 엔크로져의 내부 직경(De)의 비율(De/Di)은 1.5 내지 2 의 범위인, 분리 탱크.
  19. 제 1 항 내지 제 18 항의 어느 한 항에 있어서,
    개별적인 분리 탱크 유닛은 내부 고리형 엔크로져의 내부 직경(De)에 대한 내부 고리형 벽의 외부 직경(Dw)의 비율(Dw/De)이 2.35 내지 2.85 범위인, 분리 탱크.
  20. 제 1 항 내지 제 19 항의 어느 한 항에 있어서,
    분리 탱크는 수원(well head)에 위치하는 분출 방지기(Blow Out Preventer, BOP)의 하류측에 설치되는, 분리 탱크.
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