KR20160137688A

KR20160137688A - 비혼화액을 위한 분리 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20160137688A
Application number: KR1020167032789A
Authority: KR
Inventors: 반-콰이 부; 안서 괴블러
Original assignee: 술저 켐테크 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2008-11-07
Filing date: 2009-10-15
Publication date: 2016-11-30
Also published as: KR101781016B1; RU2514989C2; US20110309040A1; MY172866A; CA2742875C; EP2355913A1; AU2009312944A1; MX2011004703A; JP2012508100A; BRPI0921610A2; WO2010052108A1; CA2742875A1; CN102215931A; AU2009312944B2; CN102215931B; MX356453B; US10092861B2; KR20110081288A; BRPI0921610B1; JP5778034B2

Abstract

본 발명의 세척 분리기(1)는, 제1 유체(3)와 제2 유체(4)를 포함하는 용기(2)를 포함하며, 상기 제2 유체(4)는 상기 제1 유체(3)와 다른 밀도를 가지고 있다. 상기 제1 유체(3)는 상기 제2 유체(4)와 혼합될 수 없으며, 상기 제1 유체와 상기 제2 유체는 계면(5)에 의해 서로로부터 분리되어 있고, 공급 스트림(15, 24, 31, 61)이 공급되며, 상기 공급 스트림(15, 24, 31, 61)은 상기 제1 유체(3)와 상기 제2 유체(4)의 분산액을 포함하고, 액적 형태의 분산상을 형성하는 상기 제2 유체(4)는, 연속상을 형성하는 상기 제1 유체(3) 내에 분배되어 있다. 상기 공급 스트림(15, 24, 31, 61)을 상기 제2 유체(4) 내에 분배하기 위해 상기 용기(2) 내에 분배 부재(6)가 구비되어 있고, 상기 공급 스트림(15, 24, 31, 61)은 상기 분배 부재(6)로부터 배출된 후에, 상기 용기 내의 상기 제2 유체 내에서 최대 15분의 체류 시간을 가지고 있다.

Description

비혼화액을 위한 분리 방법 및 장치{SEPARATION METHOD AND APPARATUS FOR IMMISCIBLE FLUIDS}

본 발명은, 제1 및 제2 비혼화액 특히 물과 오일 분산액(dispersion)을 수상(water phase)과 유상(oil phase)으로 분리하기 위한 방법, 및 그러한 분리를 수행하기 위한 세정 분리기에 관한 것이다.

종래의 3상 분리기는 다음과 같이 작동되는데, 즉, 통상적으로 유중수 분산액(water in oil dispersion) 내의 물이 분리기 내로 공급된다. 그러한 유중수 분산액은 유정(oil well)으로부터 얻은 유정 유체(well fluid)일 수 있다. 유중수 분산액은, 주로 유상으로부터 탈가스된 가스를 추가적으로 포함할 수 있다.

종래의 3상 분리기는 3개의 섹션으로 구성되는데, 즉, 유중수 분산액(가스 포함)을 포함하는 제1 섹션, 물과 오일이 분리된 제2 섹션, 및 오일을 포함하는 제3 섹션으로 구성된다. 제1 섹션은 소정 공급량을 저장하기 위해 사용되며, 흐름 균질화기 및 입구 섹션으로서 작용한다. 제2 섹션에서, 침전에 의한 분리가 일어난다. 제3 섹션은 오일 저장 섹션이며, 역시 흐름 균질화기로서 작용할 수 있다. 침전은 제1, 제2 및 제3 섹션중 어느 섹션에서도 수행된다. 침전 단계가 완료되기 위해 몇 시간을 필요로 하기 때문에 제2 및 제3 섹션은 상당히 용적이 필요하다. 이러한 종래의 3상 분리기는 분리기 사이즈가 제한되지 않는 상태에서 만족스럽게 사용 및 작동될 수 있다.

그러나 종래의 3상 분리기는 예를 들면 해저 오일 생산 환경에서 유중수 분산액의 분리를 위해 사용될 때, 분리기의 사이즈가 커서 여러 제약이 따른다. 그러한 응용을 위해, 분리기의 사이즈는 고압에서 작동될 임의의 분리용 장비에 부과되는 요구사항을 충족시키기 위해 감소되어야 한다.

침전 단계가 중력에 의한 분리를 포함한다는 사실로 인해, 침전 섹션 내의 분산액의 체류 시간은 길다. 세 시간 이상 또는 그 이상이 체류 시간의 일반적인 값이다. 높은 분리 효율이 필요하면, 유상으로 존재하는 작은 2차 물 액적을 분리하기 위해 몇 시간의 체류 시간이 필요하다. 이것은, 예를 들면 중유 물 혼합물이 분리되어야 하는 경우일 수 있다.

따라서 해저 상태에서 사용될 수 있는 분리기가 필요하다. 그러한 고압 상태를 위한 분리기는 사이즈가 작아야 한다.

본 발명의 목적은 해저 상태에서 작동하기에 적합한 분리기를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은, 서로 다른 밀도를 가지며 서로 혼합될 수 없는 제1 유체와 제2 유체를 포함하는 용기를 포함하며, 상기 제1 유체와 상기 제2 유체가 계면에 의해 서로 분리되어 있는 세척 분리기에 있어서, 상기 제1 유체와 상기 제2 유체의 분산액을 포함하는 공급 스트림이 공급되며, 액적 형태의 분산상(disperse phase)을 형성하는 상기 제2 유체는 연속상(continuous phase)을 형성하는 상기 제1 유체 내에 분배되어 있고, 상기 공급 스트림을 상기 제2 유체 내에 분배하기 위해 상기 용기 내에 분배 부재가 구비되어 있고, 상기 공급 스트림은 상기 분배 부재로부터 배출된 후에, 상기 용기 내의 상기 제2 유체 내에서 최대 15분의 체류 시간을 가지는, 세척 분리기에 의해 달성된다.

바람직한 실시예에서, 상기 용기 내의 상기 제2 유체 내에서의 상기 체류 시간은 최대 10분, 바람직하게 최대 5분이다.

상기 공급 스트림은 제1 공급 스트림 및 제2 공급 스트림을 포함할 수 있다. 상기 제2 유체의 보충 스트림을 상기 제1 공급 스트림에 첨가하기 위한 공급 부재가 구비될 수 있다.

상기 공급 스트림 내에서 분산상을 형성하는 상기 제2 유체의 비율은 상기 분배 부재 내에서 90 부피 %, 바람직하게 60 부피 %, 특히 바람직하게 45 부피 %까지에 달하여, 상기 제2 유체의 60 부피 %는 라인(17) 및/또는 상기 보충 스트림(16)으로부터 발생한다.

혼합 부재 특히 정적 혼합기는, 상기 분배 부재의 상류에 배치될 수 있다. 또한, 혼합 부재는, 상기 세척 분리기로부터 배출되는 상기 제1 유체의 스트림 내에 배치될 수 있다.

상기 제2 유체를 상기 용기로부터 상기 제1 공급 스트림으로 재순환하기 위한 라인이 구비될 수 있다.

상기 용기는 하부를 가지고 있다. 상기 하부에 가까이 상기 분배 부재가 배치되어 있다. 상기 분배 부재는, 상기 제2 유체를 분산상으로서 포함하는 상기 제1 유체를 분배하기 위한 하나 이상의 출구 개구를 가지고 있다. 본 발명에 따라, 상기 계면과 상기 분배 부재의 상기 출구 개구 사이의 거리는 액적 사이즈, 상기 제1 유체의 점성, 및 상기 제1 유체와 상기 제2 유체의 밀도 차이에 의존한다. 상기 계면과 상기 분배 부재의 상기 출구 개구 사이의 거리는 최대 10m, 바람직하게 최대 5m, 특히 바람직하게 최대 3m이다.

상기 공급 스트림은 기상 및/또는 고상을 포함할 수 있으며, 상기 고상은, 상기 계면 아래에 배치된 고체 체류 부재에 의해 분리될 수 있다.

합체(coalescence)를 촉진하기 위한 부재는, 상기 분배 부재의 상기 출구 개구와 상기 계면 사이 및/또는 상기 계면 위에 배치될 수 있고, 및/또는 상기 계면은 상기 부재 내에 있다.

상기 제1 유체는 오일일 수 있으며, 상기 제2 유체는 물일 수 있다.

상기 실시예들 중 어느 한 항에 따른 세척 분리기에서 수행될 제1 비혼화액과 제2 비혼화액을 분리하기 위한 방법은, 상기 제1 유체와 상기 제2 유체를 포함하는 상기 공급 스트림을 상기 용기 내로 공급하는 단계, 및 상기 공급 스트림을 상기 분배 부재에 의해 상기 제2 유체 내로 분배하는 단계를 포함한다.

상기 방법을 수행하기 위해, 상기 공급 스트림은 제1 공급 스트림과 제2 공급 스트림을 포함할 수 있다. 상기 방법은, 상기 제2 공급 스트림이 상기 분배 부재를 떠나기 전에, 상기 제2 유체를 상기 제1 공급 스트림에 첨하가는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 세척 분리기는 바람직하게, 상기 임계점에서의 압력 미만의 압력 또는 주위 압력 하에서, 또는 주위 압력 아래의 압력, 또는 최소로 주위 압력에서, 또는 최대로 상기 임계점에서의 압력 아래의 압력 하에서 작동된다.

상기 세척 분리기는 바람직하게 해저 설비를 위해 사용된다.

오일은, 최대 10 부피 % BSW, 바람직하게 최대 5 부피 %, 특히 바람직하게 최대 1 부피 %, 가장 바람직하게 최대 0.5 부피 %의 해저 상태 하에서, 특히 최소 1 바, 임계 압력을 포함하여 임계 압력까지의 압력, 바람직하게 10 내지 150 바의 압력, 특히 바람직하게 40 내지 120 바의 압력에서의 해저 상태 하에서의 중간 제품으로서, 상술한 방법에 의해 얻어질 수 있다.

실험 및 현장 데이터는, 3m 아래의 수두에서, 0.5 부피 % 미만의 BSW가 달성되었다는 것을 보였다.

본 발명을 아래에서 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 오일에 대한 상평형도이다.
도 2는 종래의 3상 분리기를 도시한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 세정 분리기이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 세정 분리기이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 세정 분리기이다.
도 6은 세정 분리기를 위한 작동 범위를 포함하는 도 1의 상평형도이다.

도 1은, 소정 압력 및 온도 상태에서 어느 상이 안정한지를 나타내는, 유정 유체와 같은 오일을 위한 상평형도를 도시하고 있다. 다이어그램의 수평 또는 x-축 상에, 온도(T)가 표시되어 있다. 수직 또는 y-축 상에, 압력(p)이 표시되어 있다.

따라서, C는, 임계 압력(Pc) 및 임계 온도(Tc)를 가지는 임계점을 나타낸다. 최대 압력의 점은 자주 크리콘덴바 점(cricondenbar point)(100)이라고 지칭된다. 크리콘덴바 점은 반드시 임계점(C)에 대응하는 것은 아니다. 임계점의 좌측에 연장되는 곡선은 액체 포화 곡선(101)이다. 곡선의 다른 부분, 즉 임계점의 우측에 연장되는 곡선은 증기 포화 곡선(102)이다.

여러 가지 상에 대한 안정성의 영역은 다음과 같다. 액체상의 안정성의 영역은 문자 L로 표시되고, 도 1에서 액체 포화 곡선(101) 위에 연장되며, 액체 포화 곡선(101)은, 액체상으로부터 액체 및 기상이 공존하는 2상 영역(V+L)으로의 전이를 나타낸다. 임계점의 온도 위에 존재하는 초임계 유체의 영역인 고밀도상(dense phase)으로의 전이 온도는, 액체상의 안정성의 영역(L)의 상부 경계를 나타낸다.

임계점에서의 온도 위에서는 고밀도상만 존재한다. 기상(V)은, 증기 포화 곡선의 우측에 연장되는 도 1에 따른 영역에 존재하며, 그것은 2상 영역으로의 전이를 뜻한다. 영역(V)은, 임계점에 대응하는 온도를 나타내는 선까지 연장된다.

따라서 도 1에서, L+V는, 액체와 증기가 동시에 존재하는 2상 영역을 나타낸다.

도 2에 따른 종래의 3상 분리기(110)는 다음과 같이 작동된다. 유중수 분산액이 분리기 내로 공급된다. 그러한 유중수 분산액은 유정으로부터 얻어지는 유정 유체일 수 있다. 유중수 분산액은 그러한 경우에, 주로 유상으로 용해되는 가스를 추가적으로 포함할 수 있다. 이러한 유중수 분산액 내의 유상(113)은 따라서 연속상인 반면에, 수상(114)은 탱크(112)의 제1 섹션(115) 내에 액적으로서 존재한다.

도 2에 따른 종래의 3상 분리기(110)는 3개의 섹션으로 구성되는데, 즉, 유중수(및 가스)적형 분산액을 포함하는 제1 섹션(115), 분산액이 2개의 상으로 분리되는 제2 섹션(116), 및 오일을 포함하는 제3 섹션(117)으로 구성된다. 제1 섹션(115)은 소정 공급 스트림을 저장하기 위해 사용되며, 흐름 균질화기 및 입구 섹션으로서 작용한다. 제2 섹션(116)에서, 침전에 의한 분리가 일어난다. 제3 섹션(117)은 오일을 위한 저장 섹션이며, 역시 흐름 균질화기로서 작용할 수 있다. 침전은 제1, 제2 및 제3 섹션(115, 116, 117)중 어느 섹션에서도 수행될 수 있다. 침전 단계가 완료되기 위해 몇 시간을 필요로 한다는 사실로 인해, 제1, 제2 및 제3 섹션(115, 116, 117)의 필요한 볼륨은 상당하다. 그러한 종래의 3상 분리기는, 분리기 사이즈가 제한되지 않는 상태에서 만족스럽게 사용 및 작동될 수 있다. 제1 섹션(115)은 천공된 플레이트(120)에 의해 제2 섹션으로부터 분리될 수 있다. 분산액은 천공된 플레이트(120)를 가로질러 이동된다.

제1 섹션으로부터 제2 섹션으로 그 후에 제3 섹션으로의 분산액의 이동 동안에, 침전 단계에서 중력에 의해 2상으로의 분산액의 분리가 수행된다. 유상으로 존재하는 물 액적은 강하되고, 수상으로 존재하는 오일 액적은 계면(118)으로 서서히 상승된다. 각각의 액적이 계면에 도달할 때, 액적은 대응하는 연속상과 병합되어, 오일 액적은 유상(113)에 의해 수용되고 유상(113)에 의해 병합되는 반면, 물 액적은 수상(114)에 의해 수용되고 수상(114)에 의해 병합된다.

유상(113)은 제2 섹션(116)을 주행하여, 오버플로우 둑(119)을 거쳐 제3 섹션(117)으로 공급된다. 오일의 최상층은 경사 분리되는데, 그것은 오일의 최상층이 둑(119)을 넘어 쏟아져, 제3 섹션을 형성하는 수조(basin) 내에 수집된다. 수상은 제2 섹션 내의 탱크의 하부 부분에 축적되고, 잔류물(126)로서 탱크로부터 배출된다.

제3 섹션(117)은 오일을 위한 저장 섹션으로서, 역시 어큐뮬레이터로서 작용할 수 있으며, 어큐뮬레이터로부터 오일이 오일 배출물(128)로서 연속적으로 후속 프로세스 유닛으로 공급될 수 있다. 따라서, 제3 섹션은, 오일이 후속 연속적 프로세스 단계에 이용될 수 있는 것을 확실하게 한다.

유상으로부터의 임의의 가스의 분리, 따라서 탈기체 단계는 주로 제2 섹션과 제3 섹션에서 일어난다. 기상은 가스 배출 스트림(127)에 의해 탱크(112)의 상부로부터 배출된다.

제2 섹션으로부터 제3 섹션으로의 유상의 점진적 이동은, 점선으로 표시된 화살표(130)에 의해 표시된다. 제2 섹션을 통해 서서히 이동될 때, 오일에 포함된 물 액적은 중력에 의해 강하되어, 유중수 분산액의 최상층은, 도 2에 도시된 바와 같이 제2 섹션(116)을 우측에서 경계짓는 둑(119)에 도달할 때, 물이 없어진다.

오일 내의 물의 액적 사이즈가 매우 작고 및/또는 오일과 물 사이의 밀도차가 작으면, 침전 작동은 충분히 여러 시간 걸릴 수 있다. 24 시간의 침전 시간은 그러한 종래의 3상 분리기에서 통상적이다. 더욱 상세히 설명될 스톡스 법칙은, 액적 사이즈와 액적 침전의 속도 사이의 관계를 설명한다. 스톡스 법칙으로부터, 작은 액적은 침전의 속도가 실질적으로 감소되어, 필요한 침전 또는 체류 시간을 증가시킨다.

그러한 긴 침전(또는 체류) 시간을 위해 디자인되어야 하는 분리기는 따라서, 사이즈가 너무 큰 오일 플랫폼과 같은 많은 응용에서, 사이즈가 커진다.

도 2에 따른 종래의 3상 분리기에 비하여 도 3 내지 도 5에 따른 본 발명의 세척 분리기는, 단지 몇 분의 체류 시간만 요구한다. 이러한 짧은 체류 시간으로 인해, 세척 분리기는 사이즈가 상당히 감소되는 것이 가능하게 되었다. 도 2에 따른 종래의 3상 분리기에 필요한 제1 섹션은 도 3 내지 도 5의 어느 것에서도 완전히 없앨 수 있다.

세척 분리기(1)는, 제2 유체(4)가 제1 유체(3)와는 다른 밀도를 가지도록, 제1 유체(3) 및 제2 유체(4)를 포함하는 용기(2)를 포함한다. 제1 유체(3)는 제2 유체(4)와 혼합되지 않으며, 제1 유체와 제2 유체는 계면(5)에 의해 서로 분리된다. 공급 스트림(15)이 구비되고, 공급 스트림(15)은 제1 유체(3)와 제2 유체(4)의 분산액을 포함한다. 따라서, 제2 유체(4)는 공급 시에, 연속상을 형성하는 제1 유체(3) 내에 분포되는 액적 형태의 분산상을 형성한다. 공급 스트림(15)은 분배 부재(6)를 통해 세척 분리기(1) 내로 연속적으로 인입될 수 있다. 용기(2) 내에 구비되는 분배 부재(6)에 의해, 공급 스트림(15)은 제2 유체(4) 내로 분배된다. 분산액이 분배 부재를 통과한 후에, 상은 공지된 분리기에 대해 역전되는 것에 유의하여야 한다. 이제 용기 내의 제2 유체(4)는 주로, 제1 유체(3)를 포함하는 액적이 분포되는 연속상이다. 제1 유체(3)의 이들 액적은 다시 제2 유체(4)의 작은 액적을 포함할 수 있다.

따라서, 제1 유체(3)는, 상의 조성과 무관하게 항상 저밀도의 유체이며, 제2 유체는 고밀도의 유체이다. 특히, 제1 유체는 오일일 수 있고, 제2 유체는 물일 수 있다. 이러한 특별한 경우에, 공급 스트림(15)은 유중수 분산액이다. 따라서, 도면 부호 3은 유상을 지칭하며, 도면 부호 4는 수상을 지칭한다. 따라서, 물은 도 3 내지 도 5 각각의 공급 스트림(24, 61, 31) 내에서 발생된 물일 수 있다. 물은 또한, 라인(17) 내의 물과 같이, 담수(16), 예를 들면 해수 또는 재순환수일 수 있다.

그러한 상 역전을 사용하면, 합체에 의해, 완전히 다른 분리 기구에 의해 발생되는 분리가 가능하게 된다. 이것은, 공급 스트림(15)이 상기 분배 부재(6)로부터 배출된 후에, 용기 내의 제2 유체 내의 최대 15분의 체류 시간을 가지는 주된 이유이다. 본 발명은 합체(coalescence)를 사용할 수 있다는 사실로 인해, 용기(2) 내의 제2 유체(4) 내의 체류 시간은 최대 10분, 바람직하게 최대 5분이다.

그러한 합체(coalescence)를 가능하게 하는 세척 분리기의 디자인으로 인해, 침전에 기초하는 종래의 중력식 분리기에 비해, 분리는 예상치 않게 현저하게 향상된다.

다음의 기구는, 시스템 오일/물에 대해 설명될 예상치 않은 결과에 기여한다고 가정한다. 그러나, 본 발명은 결코 오일/물 시스템에 한정되지 않고, 제1 유체와 제2 유체를 포함하는 임의의 분산액으로 연장될 수 있다. 세척 분리기 내의 다중 분산액이라고도 지칭되는 수중유 분산액을 형성하는 수상으로 존재하는 오일 액적 또는 수중유 분산액 내의 물은, 시나리오 a) 또는 b)로 표현되는 2개의 다른 기구의 작용을 받는다.

오일 액적이 물 액적을 포함하면, 시나리오 a)에 따른 물 액적은 오일 액적에 합체되거나, 시나리오 b)에 따라, 물 액적은, 용기 내에서 오일 액적을 연속적 수상으로부터 분리시키는 계면으로 이주하고, 오일 액적을 둘러싸는 연속적 수상과 합체된다.

시나리오 a) 하에서, 오일 액적 내의 물 액적은, 물 레그(leg) 내의 오일 액적의 이동에 의해 발생되는 오일 액적 내의 2차 흐름 필드로 인해 이동된다. 오일 액적 내에서의 물 액적의 이동 동안에, 물 액적은 다른 물 액적과 만난다. 또 다른 물 액적과 접촉될 때, 2개의 작은 물 액적은 단일 큰 물 액적에 병합되려는 경향이 있다.

시나리오 b) 하에서, 오일 액적 내에서 이동되는 물 액적은, 오일 액적을 둘러싸는 연속적 수상과 오일 액적의 계면을 향해 이동되려는 경향을 가진다. 그러한 물 액적이 계면에 도달될 때, 물 액적은, 오일 액적을 둘러싸는 연속적 수상과 병합된다. 그 결과, 오일 액적 내의 물 액적의 수는 감소된다. 따라서, 오일 액적은 물 액적이 없어진다.

실험적으로, 시나리오 b)는, 수상 내에서의 오일 액적의 상승 이동 동안에, 시나리오 a)보다 더 자주 일어나는 것이 보여졌다.

두 가지의 시나리오 하에서, 오일 액적 내의 작은 물 액적은, 사이즈가 증가되고 및/또는 그 수가 감소된다. 따라서, 두 가지 시나리오는 오일과 물의 분리를 향상시키는데 기여한다.

오일과 물의 분리는, 세척 분리기 내의 수상과 유상의 계면(5)에서 일어난다. 시나리오 a)에 따라 오일 액적이 계면(5)에 도달하면, 오일 액적은 유상(3)과 병합되어, 계면의 상부와 계면 위의 유체층을 형성한다. 오일 액적 내의 물 액적은 그 사이즈로 인해, 계면의 하부로, 즉 계면(5) 아래의 수상으로 되돌려 이주할 가능성이 있다.

수상으로의 이러한 이주는 또한, 스톡스 법칙, 중력에 의한 분리의 설명에 사용되는 모델에 따라 발생되어야 한다.

스톡스 법칙은 액적 침전의 속도와 관련되며, 즉, 이 경우에, 계면의 하부의 방향으로 하향으로 시나리오 a)의 물 액적의 이동과 관련된다.

스톡스 법칙에 따라, 액적 침전의 속도는 액적 직경의 제곱에 비례한다. 따라서, 액적의 사이즈의 증가는 액적 침전의 속도에 큰 영향을 준다.

따라서, 시나리오 a)에 따른 큰 물 액적은, 수상에 의해 형성되는 계면의 하부의 방향으로 이주할 가능성이 있고, 물 액적은 오일 액적과 함께 유상에 혼입될 가능성이 없다. 따라서, 시나리오 a)가 일어날 때, 물과 오일의 분산액의 분리가 향상된다.

오일 액적이, 오일 액적 내의 작은 물 액적이 그 수가 연속적으로 감소된다는 사실로 인해, 오일 액적이 수상을 통해 이주될 때, 시나리오 b)는 이미 분리를 향상시킨다.

따라서, 결론은, 시나리오 a) 또는 시나리오 b)가 일어나면 분리가 향상되어, 두 가지 시나리오는 액적의 합체를 이용한다는 것이다.

더욱이, 오일 액적 내의 다중 분산액의 존재는, 오일 액적 내의 작은 물 액적들 사이의 거리가 종래의 3상 분리기의 오일층 내의 물 액적들의 거리에 비해 훨씬 작다는 추가적 이점을 가진다. 따라서, 이들 물 액적은 시나리오 a)에 따라 훨씬 신속히 합체되거나, 시나리오 b)에 따라 훨씬 신속히 오일/물 계면에 도달한다.

따라서, 그러한 합체를 가능하게 하는 세척 분리기의 디자인은, 침전에 기초하는 종래의 중력 분리기에 비해 분리를 예상치 않게 현저히 향상시킨다.

도 3에 따른 세척 분리기는, 제1 유체(3)와 제2 유체(4)의 분리가 완료되는 제1 섹션(8) 및 제2 섹션(9)을 가진다. 제1 유체는 탈기체될 수 있어, 제1 섹션(8) 또는 제2 섹션(9) 내에 존재하는 임의의 기상이 배수된다. 제2 섹션으로부터, 제1 유체는 제품 스트림(20)으로서 배출된다. 제1 유체는 둑(25)을 넘어 제1 섹션으로부터 제2 섹션으로 통과된다. 제1 유체 내에 존재하는 임의의 기상은 용기의 상부로 상승되고, 가스 스트림(18)으로서 배출된다.

바람직하게, 제2 유체의 보충 스트림(16)을 공급 스트림에 첨가하기 위한 공급 부재(10)가 예상될 수 있다. 그에 대한 대안으로서 또는 그에 대한 추가로서, 용기(2)의 하부(7)를 떠나는 제2 유체(4)의 스트림(22)으로부터 분리되는 라인(17)이, 공급 스트림(15)이 분배 부재(6)에 인입되기 전에, 공급 스트림(15)에 첨가될 수 있다. 예상치 못하게, 공급 스트림 내의 제2 유체의 비율이 90 부피 %, 바람직하게 60 부피 %, 특히 바람직하게 45 부피 %에 달하면, 분리를 위해 필요한 용기(2)의 볼륨은 분배 부재(6)로부터 배출되기 전에 증가될 필요가 없어, 제2 유체의 60 %에 달하는 볼륨이 라인(17) 및 또는 보충 스트림(16)으로부터 발생된다.

그러한 실질적인 양의 제2 유체를 공급 스트림(15)에 첨가함으로써, 통상적으로, 용기(2) 내의 체류 시간이 감소되어, 분리 효율에 부정적으로 영향을 줄 것이라고 가정될 것이다. 또는 통상적으로, 동일한 분리 효율을 얻고자 하면, 용기의 볼륨은 증가되어야 한다고 가정될 것이다. 놀랍게도, 공급 스트림(15)에 대한 제2 유체(4)의 첨가는 이들 예상되는 효과를 전혀 발생시키지 않는다는 것이 입증되었다. 세척 분리기의 용기의 볼륨을 증가시키지 않고도, 이 경우에 체류 시간이 감소되더라도, 더욱 효율적인 분리가 얻어진다. 따라서, 특히 제2 유체가 공급 스트림(15)에 첨가될 때, 도 2에 따른 분리기에 비해 세척 분리기의 사이즈를 현저하게 감소시킬 수 있다. 세척 분리기 내의 분리는 침전으로 인해 발생하지 않고, 주로 합체에 기초한다는 것이 알려졌다. 이것은, 분리가 스톡스 법칙, 및 액적의 침전 속도 또는 용기의 볼륨 내의 체류 시간에 의해 제한되지 않으며, 특히 많은 원유 시스템에서 침전 시간에 비해 매우 짧은 합체 시간에 의해 제한된다는 것을 뜻한다. 상술한 바와 같이 시나리오 a) 또는 시나리오 b) 하에서 제1 유체의 액적 내의 제2 유체의 액적의 합체가 분리 효율을 강화하고 체류 시간을 짧게 한다. 원유 공급에 제2 유체 특히 물을 첨가하면, 공급 스트림(15) 내에 존재하는 표면활성제 및 나프텐산의 농도가 감소되며, 그것은 합체를 현저하게 촉진시킨다. 나프테네이트(naphthenates)의 형성이 감소된다는 사실로 인해, 계면(5)의 장애가 방지된다.

보충 스트림(16) 및/또는 라인(17) 내의 첨가된 제2 유체의 양은 원유 필드의 수명 동안에 통상적으로 감소될 수 있는데, 그것은 공급 스트림(24, 31, 61) 내의 제2 유체의 양이, 보충 스트림(16) 및/또는 라인(17)에 의한 제2 유체의 첨가 없이도 증가되기 때문이다. 공급 스트림(15) 내의 제2 유체의 비율은 분배 부재 내에서 90 부피 %, 바람직하게 60 부피 %, 특히 바람직하게 45 부피 %까지 달하며, 제2 유체의 60 부피 %까지 라인(17) 및/또는 보충 스트림(16)으로부터 발생된다.

보충 스트림(16) 및/또는 라인(17)은 분배 부재(6)를 떠나기 전에 공급 스트림(24, 31, 61) 내에서 혼합될 수 있다. 혼합 부재(12) 특히 정적 혼합기는 이러한 목적으로 분배 부재(6)의 상류에 배치될 수 있다.

분배 부재를 떠나는 공급 스트림 내의 제2 유체 내의 제1 유체의 액적의 사이즈는 분배 부재의 하나 이상의 출구 개구에 의해 결정된다. 그러한 분배 부재는, 10mm 미만의 평균 사이즈의 액적을 발생시키기 위한 노즐을 포함할 수 있다. 또는, 분배 부재는, 수 밀리미터 범위, 바람직하게 1 내지 25mm, 특히 바람직하게 1 내지 15mm의 평균 액적 사이즈를 가지는 액적을 형성하기 위한 복수의 출구 개구를 포함한다.

더욱이, 향상된 분리로부터, 계면(5)과 용기(2)의 분배 부재(6)의 출구 개구(23) 사이의 거리는 최대 10m, 바람직하게 최대 5m, 특히 바람직하게 최대 3m이다.

도 4는, 도 3과 유사한 구조의 용기(2)를 가지는, 본 발명의 제2 실시예에 따른 세척 분리기(1)를 도시하고 있다. 이러한 세척 분리기(1)의 면모(feature)와 관련하여, 도 3의 설명을 참조한다. 도 4에서, 제2 세척 분리기(60)가 세척 분리기(1)의 상류에 도시되어 있다. 이러한 특정 실시예에서, 세척 분리기(1)는, 단지 개략적으로만 도시된 제2 세척 분리기(60)로부터 오는 공급 스트림(15)으로서의 "낮은 액체 대 가스 낮은 BSW 라이브 원유(low gas to liquid low BSW live crude)"에 의해 작동된다.

용어 "낮은 액체 대 가스 낮은 BSW 라이브 원유(low gas to liquid low BSW live crude)"는, 원유 또는 생산 원유(production crudes)라는 용어로도 알려진, 유정으로부터 생산되었거나 용기로부터 배출되는 것과 같은 원유를 나타낸다. 그러한 원유는, 원유가 안정적이라는 것을 확실하게 하고 운반 및 저장 동안에 탈기체를 피하기 위해, RVP 또는 리드 증기 압력(Reid Vapor Pressure)이라고 특성이 표시된다. 또한, 원유는 BSW(기본 침전물 및 물(Basic Sediment and Water)) 값에 의해 특성이 표시되며, BSW는 물과 침전물 따라서 고상의 부피 %이다. 이러한 BSW 값은 원유의 수출 품질 표준을 충족시키기 위해 통상적으로 최대 0.5 부피 %이어야 한다. 또 다른 특성치는 염도이며, 염도는, 염화나트륨과 동등한 100mg/l 미만, 특히 후속 정제 단계에서 더욱 프로세스되기에 적합한 원유에 대해서는 60mg/l 미만이어야 한다.

제2 세척 분리기(60)는 대기 상태에서 작동된다. 탈기체는 이러한 제2 세척 분리기에서의 분리에 더하여 수행될 수 있으며, 제2 세척 분리기는 도 3의 세척 분리기와 동일한 면모를 가지며, 도 3에 도시된 제1 실시예와 관련하여 설명된 바와 같이 작동된다. 제2 세척 분리기로 가는 공급 스트림(61)은 제1 유체와 제2 유체의 분산액이고, 특히 물을 포함하는 원유로서", "2상 라이브 원유" 및 물, 또는 "액체 라이브 원유 및 물", 또는 탈기체화된 "낮은 액체 대 가스 낮은 BSW 라이브 원유"와 물의 혼합물이다. 따라서 "라이브 원유"는, 통상적으로 압력 하에 존재하는 상당한 양의 용해된 기상을 포함하는 원유이다. "2상"은, 액체와 기상이 공존하는 도 1 또는 도 6의 상평형도의 영역, L+V 영역에 관련된다. 용어 "액체 라이브 원유"는 상평형도의 L 영역 내의 분산액과 관련된다. 용어 탈기체화된 "낮은 액체 대 가스 낮은 BSW 라이브 원유"는 도 4 또는 도 5의 공급 스트림(15), 또는 도 3의 공급 스트림(15), 또는 도 6의 공급 스트림(15)을 지칭할 수 있다.

이러한 세척 분리기(1)는, 대기압 범위의 압력(p), 및 40 내지 45℃ 범위의 온도(T)를 가진 상술한 형태의 공급 스트림(15)을 위해 작동된다. 공급 스트림(15) "낮은 액체 대 가스 낮은 BSW 라이브 원유"는, 더 높은 압력 하에 작동되는 제2 세척 분리기(60)로부터 오는 "사전-탈가스화된 원유" 또는 낮은 액체-대-가스 비율 액체 라이브 원유"로 구성된다. 세척 분리기(1) 내에서 수행되는 분리 프로세스로부터 발생되는 제품은 이경우, 안정화된 오일의 제품 스트림(20)이다. 그러한 안정화된 오일은 RVP, BSW 및 염도의 면에서의 판매 규격과 일치한다. 세척 분리기(1)로부터 또는 하나 이상의 세척 분리기가 직렬로 배치된 경우에는 세척 분리기들 중 마지막 세척 분리기로부터 제2 세척 분리기(60)로 인출되는 제품은, 저장 및 운반을 위한 상술한 규격과 일치하는 안정화된 원유이다.

또한, 공급 스트림(61)은 고상(19)을 포함할 수 있다. 고상은 혼합 부재(12)를 통과하여, 공급 스트림(15)과 함께 용기로 인입된다. 고상(19)은, 계면(5) 아래에 배치되는 고체 체류 부재(11)에 의해 분리될 수 있다.

분산액의 처리 특히 원유의 처리를 위한 플랜트 내에 세척 분리기(1)를 배치하는 제3 가능 배치가 도 5에 도시되어 있다.

도 5에, 탈기체화를 수행하기 위한 탈기체화기(30)가 세척 분리기(1)의 상류에 도시되어 있다. 세척 분리기는 압력 하에 작동되며, 도 3에서와 동일한 구성을 가진다.

또한, 합체를 촉진하기 위한 부재(14)는, 도 3, 도 4 또는 도 5에 도시된 실시예들 중 어느 하나에 따라, 분배 부재(6)의 출구 개구(23)와 계면(5) 사이에 구비될 수 있다. 또는, 분배 부재는 복수의 출구 개구(23)를 포함할 수 있다. 그러한 합체를 촉진하기 위한 부재(14)는, 예를 들면 구조화된 패킹, 직조 또는 비직조 구조물 또는 천공된 플레이트로서 구성될 수 있다.

혼합 부재(22)는 또한, 제2 유체의 일부를 여전히 포함할 수 있는 세척 분리기(1)의 용기(2)로부터 배출되는 제1 유체(20)의 스트림 내에 배치될 수 있다.혼합 부재(22)는, 제2 유체의 일부를 여전히 포함하는 제1 유체(20)의 스트림을 분산 및 균질화하며, 제2 유체의 덩어리(agglomerates)의 발생을 피한다. 그러한 덩어리는 제2 유체가 찌꺼기이면 형성될 가능성이 있다. 또한, 제2 유체 내에 존재하는 수화물의 형성은, 제2 유체의 일부를 여전히 포함하는 제1 유체(20)의 스트림의 분산 및 균질화로 인해 감소될 수 있다.

도 6은, 본 발명의 실시예들 중 어느 하나에 따른 세척 분리기를 위한 가능한 작동 범위를 도시하고 있다. 수평 해치(hatched) 영역(107)을 포함하여 교차 해치 영역(103, 105, 106)은 세척 분리기를 위한 가능한 작동점을 나타낸다. 이와 비교하여, 종래의 세척 탱크는, 매우 좁은 수평 해치 영역(107)에서만 작동될 수 있다. 종래의 세척 탱크는 예를 들면 US2947380 또는 Wo2005/100512에 기술되어 있다. 본 발명에 따른 세척 분리기의 이러한 넓은 영역의 가능한 작동은 또 하나의 놀라운 효과인데, 그것은 종래기술에 따른 세척 탱크는 상평형도의 수평 해치 영역(107)에서만 작동될 수 있기 때문이다. 본 발명과 관련하여 설명된 합체에 기초한 분리 기구는 놀랍게도, 도 1 또는 도 6의 L+V 영역(103)에 들어오게 되는 액체/액체 분산액 및 가스/액체 분산액에 적용될 수 있다.

상술한 실시예들 중 어느 하나에 따른 세척 분리기(1)에서 수행될 제1 및 제2 비혼화액의 분리를 위한 방법은, 제1 유체와 제2 유체를 포함하는 공급 스트림(15)을 용기(2)로 공급하는 단계, 및 공급 스트림(15)을 분배 부재(6)에 의해 제2 유체(4) 내로 분배하는 단계를 포함한다. 상기 방법은, 공급 스트림(15)이 분배 부재(6)를 떠나기 전에, 제2 유체(4)를 공급 스트림(24)에 첨가하는 단계를 더 포함한다.

세척 분리기는 임계점에서의 압력 미만의 압력 하에서, 또는 주위 압력 하에서, 또는 주위 압력 아래의 압력에서도 작동될 수 있다. 세척 분리기는 또한 최소로 주위 압력에서 및 최대로 임계점에서의 압력 아래의 압력에서도 작동될 수 있다. 공급 스트림은 액체/액체 분산액 또는 가스/액체 분산액을 포함한다.

앞의 실시예들 중 어느 하나에 따른 세척 분리기의 가장 바람직한 용도 중 하나는 해저 설비에서 원유와 물을 분리하는 것이다.

Claims

밀도가 서로 상이하고 서로 혼합될 수 없는 제1 유체(3) 및 제2 유체(4)를 포함하는 용기(2)를 포함하며, 상기 제1 유체와 상기 제2 유체가 계면(5)에 의해 서로 분리되는, 세척 분리기(1)에 있어서,
상기 제1 유체(3)와 상기 제2 유체(4)의 분산액을 포함하는 공급 스트림(15, 24, 31, 61)이 공급되며,
액적 형태의 분산상을 형성하는 상기 제2 유체(4)는 연속상(continuous phase)을 형성하는 상기 제1 유체(3) 내에 분배되어 있으며,
상기 공급 스트림(15, 24, 31, 61)을 상기 제2 유체(4) 내에 분배하기 위해 상기 용기(2) 내에 분배 부재(6)가 구비되어 있고,
상기 세척 분리기(1)는 합체(coalescence)를 촉진하기 위한 부재(14)를 더 포함하되, 상기 분배 부재(6)의 출구 개구(23)와 상기 계면(5) 사이에 상기 합체(coalescence)를 촉진하기 위한 부재(14)가 배치되거나, 또는 상기 계면(5)이 상기 합체(coalescence)를 촉진하기 위한 부재(14) 내에 위치하며, 상기 합체(coalescence)를 촉진하기 위한 부재(14)는 구조화된 패킹(structured packing)인,
세척 분리기(1).
제1항에 있어서,
상기 공급 스트림은 제1 공급 스트림(24, 31, 61)과, 상기 제1 공급 스트림 하류의 제2 공급 스트림(15)을 포함하되, 상기 제2 공급 스트림이 상기 용기(2) 내에 공급되고, 상기 세척 분리기(1)는 상기 제2 유체의 보충 스트림(16)을 상기 제1 공급 스트림(24, 31, 61)에 첨가하기 위한 공급 부재(10)를 더 포함하는, 세척 분리기.
제1항에 있어서,
상기 분배 부재(6)의 상류에 배치된 혼합 부재(12) 및 상기 제2 유체의 배출 스트림(21) 내에 배치된 또는 혼합 부재(22) 중 적어도 하나를 더 포함하는 되어 있는, 세척 분리기.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 제2 유체(4)를 상기 용기로부터 상기 제1 공급 스트림(24, 31, 61)으로 재순환하기 위한 라인(17)이 구비되어 있는, 세척 분리기.
제1항에 있어서,
상기 용기(2)는 하부(7)를 가지고 있으며,
상기 분배 부재(6)는 하나 이상의 출구 개구(23)를 가지고 있고,
상기 계면(5)과 상기 분배 부재(6)의 상기 출구 개구(23) 사이의 거리는 최대 10 m인,
세척 분리기.
제1항에 있어서,
상기 공급 스트림(15, 24, 31, 61)은 기상(gas phase; 18) 및 고상(solid phase; 19) 중 적어도 하나를 포함하며,
상기 고상(19)은 상기 계면(5) 아래에 배치된 고체 체류 부재(11)에 의해 분리될 수 있는,
세척 분리기.
제1항에 있어서,
상기 제1 유체(3)는 오일이며,
상기 제2 유체(4)는 물인,
세척 분리기.
제1항에 따른 세척 분리기(1)에서 수행될 제1 비혼화액과 제2 비혼화액을 분리하기 위한 방법에 있어서,
상기 제1 유체와 상기 제2 유체를 포함하는 상기 공급 스트림(15, 24, 31, 61)을 상기 용기(2) 내로 공급하는 단계, 및
상기 공급 스트림(15, 24, 31, 61)을 상기 분배 부재(6)에 의해 상기 제2 유체(4) 내로 분배하는 단계
를 포함하는, 제1 비혼화액과 제2 비혼화액을 분리하기 위한 방법.
제8항에 있어서,
상기 공급 스트림(15, 24, 31, 61)은 제1 공급 스트림(24, 31, 61)과 제2 공급 스트림(15)을 포함하며,
상기 방법은, 상기 제2 공급 스트림(15)이 상기 분배 부재(6)를 떠나기 전에, 상기 제2 유체(4)를 상기 제1 공급 스트림(24, 31, 61)에 첨가하는 단계를 더 포함하는,
제1 비혼화액과 제2 비혼화액을 분리하기 위한 방법.
제8항에 있어서,
상기 세척 분리기(1)는, 주위 압력 아래의 압력, 또는 최소로 주위 압력에서, 또는 임계점에서의 압력 아래의 압력 하에서 작동되는, 제1 비혼화액과 제2 비혼화액을 분리하기 위한 방법.