KR20210071179A

KR20210071179A - 스마트워터 생산시스템

Info

Publication number: KR20210071179A
Application number: KR1020190160922A
Authority: KR
Inventors: 박재원; 문철환; 박변주; 김지호; 정의택; 오수현
Original assignee: 주식회사 이피에스이앤이
Priority date: 2019-12-05
Filing date: 2019-12-05
Publication date: 2021-06-16
Also published as: KR102338769B1

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 스마트워터 시스템은, 원유 채취공정에서 발생하는 생산수에 포함된 고체상 물질을 제거하는 분리부; 상기 분리부를 통과한 상기 생산수에 포함된 이온성 물질을 제거하는 결정화부; 상기 결정화부에서 배출된 상기 생산수를 저장하는 저장부; 및 상기 결정화부에서 배출된 결정화슬러지에서 이온성분을 회수하는 회수부를 포함하고, 상기 회수된 이온성분을 상기 저장부 또는 상기 생산수가 상기 저장부로 연결되는 이송라인에 주입하여 스마트워터를 제조하는 것을 특징으로 한다.

Description

스마트워터 생산시스템 {System for manufacturing smart water}

본 발명은 스마트워터 생산 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원유 채취공정에 사용되는 스마트워터를 효율적으로 생산하기 위한 스마트워터 생산시스템이다.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시 예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.

지하의 석유를 채굴하는 경우 압력 보강 없이 자연 상태의 압력을 이용해 생산하는 것을 1차 회수 단계, 지하에 있는 물이나 기름을 넣어 압력을 보강하는 2차 회수단계 라고 하며, 2차회수 단계 이후 지하에 존재하는 물질 외 물질이나 에너지를 가하는 단계를 3차 회수단계라고 한다.

미국의 DOE 등은 이 3차 회수단계에 적용되는 기술을 EOR(Enhanced Oil Recovery) ‘EOR’ 이라고 정의하기도 하나 통상적으로 EOR(Enhanced Oil Recovery) 이란 원유를 채굴할 때 처음보다 압력이 하락하여 채굴량이 감소하면 물 이나 가스를 주입해 생산량을 증대시키는 방법을 통칭하여 말한다.

EOR 기법은 열처리, 이산화탄소 주입, 폴리머 주입 등으로 원유의 점성도를 낮추는 방법이 주로 고려되고 있으며, EOR 기술을 적용하면 자연생산에 비해 총생산량이 약33% 더 생산 가능하다고 알려져 있다.

한편 지하(underground)에 매장되어 있던 석유(Oil)를 채굴하면 석유와 함께 지하수(underground water)도 분출되는데, 이 지하수를 '생산수(Produced water)'라고하며, 이 생산수가 EOR 공정에서 사용된다.

생산수는 기본적으로 Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ 등의 이온을 포함하는데, 이들의 농도가 너무 높거나 낮을 경우 생산수와 잔여석유 사이의 이온결합이 충분치 않아 정상적인 공정이 불가능한 경우가 많다. 즉, 생산수를 석유회수증진에 적극적으로 활용하기 위해서는 적합한 농도가 되어야 하는 문제점이 있다.

US 7069990 B1 :Enhanced Oil Recovery Methods

한국자원공학회지 J. Korean Soc. Miner. Energy Resour. Eng. Vol. 55, No.6 (2018) pp. 660-669, https://doi.org/10.32390/ksmer.2018.55.6.660 : 석유회수증진을 위한 화학적 공법 연구 동향 및 전망

본 발명의 일측면은 석유 채취 시 분출된 생산수를 회수하여 석유회수증진(EOR)공정에 활용하기 위하여, Ca²⁺, Mg²⁺이온을 넣어 적절한 농도의 스마트워터로 제조하는 스마트워터 생산시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명의 다른 측면은 스마트워터 생산시스템을 이용하는 스마트워터 석유회수증진 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명의 다른 측면은 석유 채취 시 분출된 생산수를 회수하여 석유회수증진(EOR)공정에 활용하기 위하여, Ca²⁺, Mg²⁺이온을 넣어 적절한 농도의 스마트워터로 제조하는 스마트워터 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트워터 시스템은, 원유 채취공정에서 발생하는 생산수에 포함된 고체상 물질을 제거하는 분리부와 분리부를 통과한 상기 생산수에 포함된 이온성 물질을 제거하는 결정화부, 결정화부에서 배출된 상기 생산수를 저장하는 저장부 및 결정화부에서 배출된 결정화슬러지에서 이온성분을 회수하는 회수부를 포함하고, 회수된 이온성분을 상기 저장부 또는 상기 생산수가 상기 저장부로 연결되는 이송라인에 주입하여 스마트워터를 제조한다.

또한, 상기 회수부는 상기 결정화 슬러지와 산성수를 혼합하여 상기 이온성분을 해리시키는 해리부와 상기 해리부에서 해리된 상기 이온성분을 추출하는 추출부를 포함한다.

또한, 상기 회수부의 상기 이온성분은 Ca²⁺, Mg²⁺를 포함할 수 있으며, 상기 산성수는 상기 원유 채취 공정에서 발생하는 CO₂를 포집하여 물과 혼합하여 제조될수 있다.

또한, 상기 분리부는 필터, 디스크 필터(DISK FILTER), 모래여과장치, 한외여과장치, 활성탄 여과장치, 생물학적 수처리장치, 폭기 장치, 및 멤브레인 장치로 구성되는 군에서 선택되는 하나 이상을 사용할 수 있다.

또한, 상기 결정화부는 내부에 시드가 충진되어, 오염물질 또는 이온을 포함하는 처리대상수와 결정화제가 난류상에서 반응하여 상기 시드 표면상에 결정화되며, 상기 시드 상에서 결정화되지 않은 반응물은 미세입자로 생성되는 반응조와 반응조 상부에 구비되며, 부력에 의해 상승하는 일부 상기 미세입자를 상기 반응조로 반송시키도록 층류 및 난류가 공존하는 분리조 및 분리조 상부에 구비되며, 부력에 의해 상승하는 일부 상기 미세입자가유출되지 않도록 층류를 발생시켜 상기 미세입자를 침전시키는 침전조를 포함할 수 있다.

또한, 상기 결정화부는 상기 분리조에서 유체 일부를 상기 반응조의 하부로 재순환시키는 내부 반송관을 포함할 수 있다.

또한, 상기 분리조에서의 유체 흐름이 하기 식 2로 계산된 값이 2,100 초과 내지 4,000 이하인 상기 생산수를 유체 흐름이 하기 식 4로 계산된 값이 2,100 이하로 변경하여 상기 침전조에 공급하는 연결부위를 더 포함할수 있다.

[식 2]

Re₂₁ = D₂V₂ρ/μ

(여기서, D₂은 상기 분리조의 직경(m)이고, V₂는 상기 분리조의 유속(m/sec)이고, ρ는

밀도(kg/m³)이고, μ는 점도(kg/m.s)이다.)

[식 4]

Re₄₂ = D₄V₄ρ/μ

(여기서, D₄는 상기 연결부위의 직경(m)이고, V₄는 상기 연결부위의 유속(m/sec)이고, ρ는 밀도(kg/m³)이고, μ는 점도(kg/m.s)이다.)

또한, 상기 결정화 부에서 배출된 생산수에서 입자성 물질을 안정화하여 응집시켜 추가적으로 제거하는 전기 분해부를 포함할 수 있으며, 상기 전기분해부에서 배출된 생산수에서 미립자를 추가적으로 제거하는 제2분리부를 더 포함할 수 있다.

또한 상기 제2분리부에서 배출된 생산수에서 이온성 물질을 추가적으로 제거하는 RO처리부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면은 상기 스마트워터 생산 시스템을 이용한 석유회수 증진 시스템이다.

본 발명의 다른 측면은 스마트 워터 생산 방법에 대한 것으로,

생산수에 포함된 고체상 물질을 제거하는 분리단계;

상기 분리단계를 거친 생산수에 포함된 이온성 물질을 제거하는 결정화 단계; 및

상기 결정화 단계에서 생성되는 결정화 슬러지에서 이온성분을 회수하는 회수단계를 포함하고, 상기 회수된 이온성분을 상기 결정화 단계 이후의 생산수에 주입하여 스마트워터를 제조하는 스마트워터 생성단계를 포함한다.

본 발명의 일측면에 따른 스마트워터 생산시스템은 지하에서 분출된 생산수를 EOR공정에 사용함에 있어서, 사용하는 생산수를 적절한 농도의 스마트워터로 개질하여 재주입함으로써 EOR공정의 효율성일 높이는 효과가 있다.

이 때 농도 조절을 위해서 사용되는 Ca²⁺, Mg²⁺ 이온성분을 결정화 장치에서 발생된 결정화 슬러지에서 회수하여 생산수에 혼합함으로써 별도의 약품의 구매, 보관장소의 설치, 약품관리가 필요 없다. 즉, 결정화 장치에서 발생된 결정화 슬러지는 생산수 내에 존재하는 Ca²⁺, Mg²⁺이온을 pH 조정제인 NaOH를 통하여 만들어낸 것으로, 결정화 슬러지 자체가 Ca²⁺, Mg²⁺ 이온 공급원으로 사용될 수 있다. 따라서 결정화 슬러지를 재사용하여 스마트워터에 주입시켜 경제성과 편리성의 향상을 기대할 수 있다.

또한, 결정화 슬러지 내의 Ca²⁺, Mg²⁺이온을 해리할 때, 유전에서 발생된 이산화탄소를 주입하여 사용하므로, 이산화탄소가 대기 중으로 직접 방출시 발생하는 환경문제를 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 기본 개념을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2은 본 발명의 일실시예에 따른 스마트워터 생산시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 스마트워터 생산시스템에 사용되는 결정화부의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트워터 생산시스템에 사용되는 용존공기 부상장치의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트워터 생산시스템에 사용되는 회수부의 개념도이다.

본 명세서에서 "스마트워터"는 EOR공정에 사용되기 위해 생산수에 특정 성분 및 특정 농도로 조절된 물을 말한다. 또한 "시스템"은 공정에서 사용되는 여러 단위장치들이 합쳐서 이루는 장치들의 그룹을 의미한다.

이하 도면들을 참고하여 본 발명의 일측면에 대해 설명한다. 도 1은 본 발명의 개념을 설명하기 위한 개략도이다.

본 발명에서 이용하는 EOR공정은 원유의 생산량을 증가시키기 위하여 주입되는 물을 스마트워터화 하여 주입하는 스마트워터 EOR공정이다.

스마트워터 EOR공정은 EOR공정의 주입수로서 칼슘과 마그네슘이 적절한 농도로 조절된 스마트워터를 사용하며, 스마트워터를 주입하여 잔여석유를 추가적으로 채굴한다. 이 때, 잔여석유는 생산수와 혼합되어 배출되는 데, 이를 분리하여 생산수와 석유로 분리한다.

다음으로 이 생산수를 다시 적절한 성분 및 농도의 스마트워터화 하여 EOR공정에 사용한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 스마트워터 생산시스템의 개념도이다.

이에 따르면, 본 발명의 일측면에 따른 스마트워터 생산 시스템은 제1 분리부(100), 결정화부(200), 전기분해부(300), 제2 분리부(400), RO 처리부(500), 저장부(600), 및 회수부(700)를 포함하여 구성된다.

제1분리부(100)는 원유를 채취공정에서 발생하는 생산수에 포함된 고체상 물질을 제거하는 장치로서, 생산수의 탁도를 일정수준 이하로 유지함으로써 이후 공정의 효율을 높이기 위한 물리적 처리창치의 하나이며, 생산수에 포함된 이물질을 제거하는 전처리 시설로 기능한다. 구체적으로 필터장치, 디스크 필터(DISK FILTER)장치, 모래여과장치, 한외여과장치, 활성탄 여과장치, 순수 미생물만을 이용한 생물학적 수처리장치, 폭기 장치, 및 멤브레인 장치 또는 방법이 이용될 수 있다. 이 때 역세척 사용이 가능한 디스크 필터 장치가 바람직하다. .

결정화부(200)는 상기 분리부(100)를 통과한 생산수에 포함된 염류를 제거하는 장치이다. 생산수를 재사용하기 위해서는 염류를 적절한 농도로 유지해야 하는 데, 염류를 적절한 농도로 유지하기 위한 1단계로서 일단 생산수에 포함된 모든 염류를 제거한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 결정화부의 개략도이다. 이를 참조하여 결정화부의 일실시예를 상세하게 설명한다. 결정화부는 본 발명의 일 실시예에 따른 결정화부(200)는 반응조(210), 분리조(220), 침전조(230), 생산수 유입부(240), 약품 유입부(250), 내부 반송관(260), 배출부(270)을 포함한다.

반응조(210), 분리조(220), 침전조(230)는 각각 원통형이고, 반응조(210)의 직경은 분리조(220)의 직경보다 작고, 분리조(220)의 직경은 침전조(230)의 직경보다 작은 것이 본 발명에서 결정화 반응 효율 및 분리 효율을 극대화할 수 있어 바람직하다.

반응조(210)는 본 발명의 일 실시예에 따른 결정화부(200)에서 내부에 시드가 충진되고, 생산수 유입부(240)를 통해 공급되는 염류를 포함하는 생산수와 약품 유입부(250)를 통해 공급되는 결정화제와 같은 약품이 난류상에서 반응하여 시드 표면상에 결정화되며, 시드 상에서 결정화되지 않은 반응물은 미세입자로 생성되는 결정화 반응이 일어나는 베이스 반응기에 해당한다.

반응조(210)의 시드는 하부로부터 상부로 갈수록 점점 크기가 작아지게 된다.

반응조(210)의 시드의 상부에 존재하는 미세입자는 시간의 경과에 따라 미세입자 표면상에 결정화가 이루어져 시드로 성장하게 된다.

즉, 적절한 pH에서 원소와의 화학 반응으로 형성된 최초의 결정은 수um 정도의 미세 입자로, 상향류에 의한 부력과 중력이 균형을 이루는 지점에 머무른다. 미세입자들은 주입된 원소 또는 주변 미세입자들과 지속적으로 반응하여 입경이 점차 커짐에 따라 부력이 중력보다 작아져서 하부로 이동한다. 이렇게 처리하고자 하는 오염물질이 포함된 폐수 또는 액상 물질과 약품을 계속 주입하면 미세 입자 결정이 형성되고, 이들 입자의 성장과 하부로의 이동 현상이 하나의 장치 내에서 지속적으로 발생한다.

하부로 이동한 결정은 결정화장치의 반응조 하부에서 액상 물질 및 생산수, 주입된 약품과의 반응으로 입경이 계속 증가하면 결정화된 미세 입자를 흡착하면서 성장하여 시드가 되므로, 결정화 반응조의 운전 시작시 시드를 일회성 주입하면 별도의 시드를 주입하지 않아도 결정화 반응이 지속적으로 일어난다.

시드는 일정한 크기(또는 일정한 주기)가 되면 결정화장치 하부를 통해 생성된 결정을 추출하고 반응조 내의 충진물의 양과 부피를 일정하게 유지한다.

앞서 말한 결정화 반응에서 안정적이고 효율적인 결정화 운전을 위해서는 결정화 반응이 일어나는 베이스가 되는 반응조에서 미세입자를 안정적으로 유지할 수 있는 장치가 필요하다. 본 발명은 반응조에서 전달된 유체에서 고액 분리가 일어나는 구간인 분리조에서 미세입자들이 과량 존재하는 것을 방지하고 반응조 내 미세입자를 안정적으로 유지할 수 있다.

구체적으로, 미세입자는 입자 자체 무게의 의한 침강력(Fg = π/6D_p ³(ρ_p-ρ_w)g)과 하부에서 상부로 이동하는 유체의 부력(F=3πμDpv)에 따라 침강하거나 상승한다. 따라서 미세입자의 외부 유출 방지를 위해서는 부력보다 침강력이 커야 하며, 이를 위해 입자의 무게가 증가(밀도의 증가)하거나 부력을 약화시켜야 한다. 이중에서 입자의 무게 증가는 단시간 내에 이루어질 수 없으므로 부력을 약화시키는 것이 효과적이다.

이를 위해 유체의 선속도(v)를 감소시켜야 하는데, 유량이 동일할 때 단면적이 증가하면 선속도는 감소(Q = A₁V₁= A₂V₂에서 A₁<A₂인 경우 V₁>V₂)하므로 부력을 약화시킬 수 있으며, 선속도의 차이가 클수록(즉, V₁》V₂) 더 작은 입자의 분리가 가능하다.

반응조(210) 내 유체 흐름은 하기 식 1로 계산된 값이 4,000 초과인 것이 결정화 반응에 의해 생성된 미세입자가 외부 유출 없이 장치 내부에 효과적으로 유지되면서 미세결정으로 성장시킬 수 있어 바람직하다.

[식 1]

Re₁ = D₁V₁ρ/μ

(여기서, D₁은 반응조의 직경(m)이고, V₁는 반응조의 유속(m/sec)이고, ρ는 밀도(kg/m³)이고, μ는 점도(kg/m.s)이다.)

본 명세서에서 사용하는 용어 밀도와 점도는 달리 특정되지 않는 한, 밀도는 20℃에서 물의 밀도인 998.23kg/m³를 지칭하고, 점도는 0.001016kg/m.s를 지칭한다.

본 결정화부에 의해서 제거되는 물질은 이에 한정하는 것은 아니나, 불소, 암모니아, Ca²⁺, Mg²⁺, F^- 등을 포함한다.

분리조(220)는 상기 반응조(210) 상부에 구비되며, 부력에 의해 상승하는 일부 상기 미세입자를 상기 반응조(210)로 반송시키도록 층류 및 난류가 공존하며, 반송된 미세입자들이 반응조(210)에서 재차 결정화 반응에 사용되도록 한다.

미세입자는 입자 자체의 무게에 의한 침강력과 하부에서 상부로 이동하는 유체의 부력에 따라 침강하거나 상승하게 되는데, 미세입자의 외부 유출 방지를 위해서는 부력보다 침강력이 커야 한다.

침강력을 크게 하기 위해서는 입자의 무게가 증가(밀도 증가)하거나 부력을 약화시켜야 하는데, 입자의 무게 증가가 단시간 내에 이루어질 수 없으므로 부력을 약화시키는 것이 효과적이다.

부력 약화를 위해서 유체의 선속도(v)를 감소시켜야 하며, 유량이 동일할 때 단면적이 증가하면 선속도는 감소하므로 부력을 약화시킬 수 있으며, 선속도의 차이가 클수록 더 작은 입자의 분리가 가능하다.

분리조(220)는 이러한 원리를 이용하여 난류영역(또는 천이영역)과 층류영역이 공존하도록 구성하는 것이 바람직하다.

분리조(220)에서 유체 흐름은 상기 반응조(210)와 연결부위로부터 상기 침전조(230)와 연결된 부위로 갈수록 층류 흐름이 난류 흐름보다 큰 흐름 구배를 갖거나 교대층 흐름을 갖는 것이 분리 효율을 극대화하기에 바람직하다.

즉, 상기 분리조 내 유체 흐름은 하기 식 2로 계산된 값이 2,100 초과 내지 4,000 이하인 것이 결정화 반응에 의해 생성된 미세입자가 외부 유출 없이 장치 내부에 효과적으로 유지되면서 미세결정으로 성장시킬 수 있어 바람직하다.

[식 2]

Re₂ = D₂V₂ρ/μ

(여기서, D₂은 분리조의 직경(m)이고, V₂는 분리조의 유속(m/sec)이고, ρ는 밀도(kg/m³)이고, μ는 점도(kg/m.s)이다.)

또는, 분리조와 침전조간 연결부위 내 유체 흐름은 하기 식 4로 계산된 값이 2,100 이하인 것이 결정화 반응에 의해 생성된 미세입자가 외부 유출 없이 장치 내부에 효과적으로 유지되면서 미세결정으로 성장시킬 수 있어 바람직하다.

[식 4]

Re₄= D₄V₄ρ/μ

(여기서, D₄는 연결부위의 직경(m)이고, V₄는 연결부위의 유속(m/sec)이고, ρ는 밀도(kg/m³)이고, μ는 점도(kg/m.s)이다.)

분리조는 분리조(220)로부터 배출된 일부 유체를 상기 약품유입부(250)로 순환시키는 내부 반송관(260)이 구비된 것일 수 있다. 이때 상기 내부 반송관(260)은 분리조(220)의 상단에 구비되는 것이 분리조(220) 내에서 분리된 미세입자가 반응조(210)로 재순환되는 흐름을 방해하지 않아 더욱 바람직하다.

분리조(220)와 상기 내부 반송관(260)을 연결하는 배관은 드레인 밸브를 가질 수 있고, 이 경우 미세입자의 순환을 용이하게 할 수 있는 효과가 있다.

침전조(230)는 상기 분리조(220) 상부에 구비되며, 부력에 의해 상승하는 일부 상기 미세입자가 유출되지 않도록 층류를 발생시켜 상기 미세입자를 침전시키게 된다.

상기 침전조 내 유체 흐름은 하기 식 3으로 계산된 값이 2,100 이하인 것이 결정화 반응에 의해 생성된 미세입자가 외부 유출 없이 장치 내부에 효과적으로 유지되면서 미세결정으로 성장시킬 수 있어 바람직하다.

[식 3]

Re₃ = D₃V₃ρ/μ

(여기서, D₃은 침전조의 직경(m)이고, V₃는 침전조의 유속(m/sec)이고, ρ는 밀도(kg/m³)이고, μ는 점도(kg/m.s)이다.)

전술한 바와 같이, 본 발명의 반응조(210) 내에 미세입자를 안정적으로 유지하기 위해서는, 상기 반응조(210)의 직경은 상기 분리조(220)의 직경보다 작고, 상기 분리조(220)의 직경은 상기 침전조(230)의 직경보다 작은 관계를 만족하면서 위에서부터 차례로 연결되어 있는 것이 바람직하다. 이러한 구조와 직경을 갖는 경우 미세입자가 부력에 의해 상류로 뜨더라도 반응조로 다수회 순환시키게 되어 미세결정으로 성장시키기에 유리하다.

분리조(220)의 직경은 반응조(210)의 직경 기준으로 2~4배 큰 것일 수 있다. 또한 침전조(230)의 직경은 반응조(210)의 직경 기준으로 4.5배 이상큰 동시에 분리조(220)의 직경 기준으로 2배 초과하여 큰 것일 수 있다.

여기서, 분리조(220)의 상부 직경은 침전조(300)의 직경과 같거나 작은 것일 수 있으며, 반응조(210)의 직경은 구체적인 예로 5~20cm인 것을 기준으로 할 수 있으나 가변가능하다.

또한, 분리조(220)의 선속도는 일례로 침전조의 선속도 기준으로 4.5배 이상 20배 미만일 수 있으며, 반응조(210)의 선속도는 침전조(230)의 선속도 기준으로 일례로 10~25배일 수 있다.

분리조(220)의 상부 선속도는 침전조(230)의 선속도와 같거나 큰 것일 수 있으며, 침전조(230)의 선속도는 일례로 1~7m/hr인 것을 기준으로 할 수 있다.

도 3에서는 반응조(210)와 분리조(210)의 연결 부위(215) 및 분리조(200)와 침전조(300)의 연결 부위(225)가 선형 테이퍼 형상을 갖는 구조를 예시하나 이에 제한되는 것은 아니다. 연결부위(215, 225)는 만곡형 테이퍼형상이나 교차만곡형 테이퍼 형상등을 가질 수 있다. 연결부위(215, 225)는 전술한 바와 같이 유체흐름을 변경하는 데 용이하다. 일례로 테이퍼 각도는 45ㅀ내지 90ㅀ의 각도일 수 있다.

약품 유입부(250)는 결정화제를 주입하며, 반응조(210)의 하부측으로 공급되되 모래와 함께 주입되는 것이 바람직하며, 결정화제는 생산수에 포함된 오염물질 또는 이온의 종류에 따라 가변 가능한 것으로, NH₄ ⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, F^- 등의 이온을 포함한 경우 결정화제로는 나트륨화합물(NaOH), 칼슘화합물(예, CaCl₂), 마그네슘화합물(예, MgCl₂) 및 인산염인화합물(예, AlPO₄) 중에서 선택된 1종 이상을 사용하는 것이 적절한 pH 조절과 결정화를 수행할 수 있어 바람직하다. pH조정제로 NaOH를 주입 및 유동시킬 수 있다. 통상 pH가 10정도 일 때, 결정화가 진행된다.

한편 결정화부의 침전조에서 이온성 물질이 제거된 처리수가 생산수 배출부(270)를 통해 방출되고, 하부의 시드는 축적된 후 일정한 주기로 배출되는 데, 이를 결정화 슬러지라 한다. 결정화 슬러지에는 이온성분이 포함되어 있다.

다시 도 2로 돌아가면, 전기분해부(300)는 처리수에 전류를 부과하여 부유입자, 에멀젼 입자, 불용성 입자등 입자성물질들을 안정화하여 응집시키기 위한 장치이다. 배치된 금속판에 부과된 전류는 화학반응을 일으키는 전기적 추진력으로 작용하게 되고 용해된 금속이 가수분해하여 현탁ㅇ용존성 및 콜로이드성의 수산화물을 형성하게 된다. 일예로 부과된 전류는 배치된 철제판에서 철(Fe³⁺)성분을 발생시키고 이는 황산제2철, 염화제2철 등의 응집제 역할을 한다. 이때 생성된 금속 수산화물은 화학적으로 제조된 수산화물보다 활성이 강하고 전위가 낮기 때문에 응집, 흡착 및 침강 특성이 우수하며 처리수 내의 부유입자, 에멀젼입자, 불용성 입자 등 입자성물질을 응집시켜 떠오르게 한다.

전기분해장치는 응집효과도 있지만 분해효과도 있어서 에멀젼형태의 시료를 물과 기름으로 분해시키기도 한다. 양극에서 발생되는 산소는 수중의 유기물을 산화시킬 수 있으며 음극과 양극에서 생성되는 수소와 산소기체에 의한 기포는 부상법에 활용할 수 있다. 즉, 전류를 가하여 전극에서 발생된 이온이 화학반응 및 침전을 일으키거나 콜로이드 입자를 응집 및 전리 부상시켜 오염물질을 제거한다. 전기분해장치는 작동 중 상시 전류가 가해지고 있으며, 반응조 내 체류시간(RT)은 1 내지 5분이다.

전기응집처리법은 각종 폐수, 염색공장, 잉크공장, 도축장, 피혁공장, 섬유공장, 제지공장 등에서 배출하는 폐수 특히 색도처리, 각종유해중금속 처리, 지방, 기름, 그리스 제거에 탁월한 효과가 있고, 박테리아, 바이러스, 시스티스(남조류) 파괴 및 처리에 큰 효과가 있으며, 지하수에 포함되어 있는 철, 마그네슘, 칼슘, 질산염 등을 처리할 수 있다.

제2 분리부(400)에서 잔여입자를 추가적으로 제거한다. 제1 분리부(100) 및 결정화부(200), 전기분해부(300)를 거친 생산수에 포함된 입자는 그 크기가 작기 때문에, 용존공기 부상장치를 이용하는 것이 바람직하다.

용존공기 부상장치(DAF: Dissolved Air Flotation)는 생산수에 미세한 기포를 불어넣어 부유물질, 기름, 불용해성 물질등을 부상ㅇ분리 시켜 제거하는 장치이다. 스마트워터 생산시스템에서는 전기분해장치에서 1차적으로 응집, 부상분리 된 입자성 물질 및 오일성분을 추가로 부상 ㅇ 분리 시켜주는 역할을 한다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 용존공기 부상장치의 개략도이다. 전기분해부를 거친 생산수가 유입관(410)을 통해 유입되면 미세공기 주입장치(420)가 작동되어 미세공기가 가이드판(430)을 따라 부상하며 용존공기 부상장치가 가동된다. 처리수조(440)에서 부상ㅇ분리된 오일성분 및 입자성 물질의 슬러지는 처리수조(440) 상부의 배플(441)을 넘어 슬러지집수조(4450)에 저장된 후 슬러지배출관(460)을 통해 배출되며, 부상장치의 하단 연결관(470)을 통해 집수조(480)에 유입된 처리수는 배출관(490)을 통해 장치로부터 배출된다.

RO 처리부(500)는 역삼투압방식으로 생산수의 이온성 물질을 추가적으로 제거한다. RO 처리부는 역삼투법을 이용한 장치로, 압력에너지를 이용하여 물은 통과시키지만 용질(이온성 물질)은 거의 투과시키지 않는 역삼투막(Reverse Osmosis Membrane)에 가압하여 담수만을 분리해내는 방법으로, 처리된 후 이온성 물질(Cl^-,Na⁺,SO4^2-,Mg²⁺, Ca²⁺,K⁺등)이 거의 배제된다. 이때 멤브레인은 물에 용해되어 있는 이온성 물질은 거의 배제하고, 순수한 물만 통과시키는 특수한 막(멤브레인)을 사용한다.

전술한 전기분해부, 제2분리부, 막처리부는 선택적으로 포함될 수 있으며, 결정화부 및 선택적으로 포함되는 전기분해부, 제2분리부, 막처리부를 통과한 생산수는 저장부(300)에 저장된다.

저장부(300)에는 RO처리부(500)를 통과한 생산수가 최종적으로 저장되며, 저장부로 생산수를 전달하는 이송배관이 구비된다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 회수부를 도시한다. 이를 참조하면, 회수부(700)는 결정화부에서 생성되는 결정화 슬러지에서 이온성분을 회수하여 저장부또는 전술한 생산수를 저장부에 보내는 이송배관으로 보내며, 해리부(710)와 추출부(720)를 포함한다.

해리부(710)는 결정화부에서 배출된 결정화 슬러지를 산성수와 반응시키고, 추출부(720)는 해리부(710)에서 결정화슬러지에 포함되어 있다가 해리된 이온성분을 추출한다. 해리부(710)에서는 이온성분인 예를들어, Ca²⁺, Mg²⁺이온을 해리하며 이러한 이온성분은 저장부 또는 생산수가 저장부에 회수되는 이송라인에 적절한 농도로 주입되어 생산수를 스마트워터로 개질한다.

즉, 생산수는 결정화부, RO 처리부등을 거치면서 이온성 물질이 제거되어 거의 0에 가까운 상태로 되어, 농도를 조절하기 유리한 상태가 된다. 이 때, 결정화부에서 배출된 이온성 물질을 포함한 결정화 슬러지에서 이온성분을 추출하여 적절한 농도로 생산부에 주입함으로써 스마트워터를 제조하게 된다. 이 때 제조되는 스마트워터는 지역별, 계절별로 다소 차이가 있으나, TDS가 1,500mg/L내지 2,100mg/L, 염류의 농도는 Ca²⁺가 20mg/L 내지 40mg/L, Mg²⁺는 40mg/L~내지 60mg/L인 것이 바람직하다.

한편 해리부에 사용되는 산성수는 원유 채취 공정에서 발생하는 CO₂와 물을 혼합하여 제조되는 것이 바람직하다. 일반적으로 유전에서는 물, 석유, 가스가 발생되는데 이 중 가스의 주성분은 메탄과 이산화탄소로서, 분리된 메탄은 가스발전이나 연료를 만드는 주재료로 사용되지만 이산화탄소는 지구온난화를 일으키는 물질이기 때문에 대기 중으로 직접방출 시 환경문제를 야기시키게 된다.

그러나 처리가 곤란한 이산화탄소를 물에 녹여 pH5정도의 산성수를 만들고 이를 사용하여 결정화 슬러지 내의 Ca²⁺, Mg²⁺이온을 해리하는데 사용한다. 이 경우 대기환경오염을 발생시키는 이산화탄소의 배출을 감소시킨다는 점에서 큰 의미가 있다.

한편 본 발명의 스마트워터 생산시스템에 있어 처리수에 약품을 주입하는 단계뿐만 아니라, 시스템을 구성하는 각 장치의 입/출 배관 등에는 TDI, 이온농도 등을 측정하기 위한 센서류가 구비되어 있으며, 이러한 측정값들을 바탕으로 각 처리 장치의 통과 여부와 흐름의 조정을 위한 밸브 제어장치등이 제어부에 의하여 제어된다.

제어부는 작동중 비상조치가 필요한 경우를 상정하여, 각 장치의 제어를 위한 제어부와 이를 모니터 하는 제어부로 구성할 수도 있으며, 또는 각 장치의 제어부 및 통합 제어를 위한 제어부로 이루어진 것 중 어느 하나를 선택 구성할 수 있다.

본 발명의 다른 측면은 전술한 스마트워터 생산시스템에서 제조되는 스마트워터를 사용한 스마트워터 석유회수증진 시스템이다.

스마트워터 석유회수증진 시스템은 석유회수증진에 적합한 염류 농도를 가지는 스마트워터를 이용한 것으로 재주입되는 생산수에 Ca²⁺, Mg²⁺이온을 임의로 첨가하여 잔여석유회수율을 최대로 실현시키는 시스템이다.

본 발명의 또 다른 측면은 전술한 스마트워터 생산방법이다. 스마트워터 생산방법은 분리단계, 결정화단계, 회수단계를 포함한다.

분리단계는 생산수에 포함된 고체상 물질을 제거하는 전처리단계로서, 필터링, 모래여과법, 한외여과법, 활성탄 여과법, 생물학적 수처리법, 폭기법, 및 멤브레인법등이 사용될 수 있다.

결정화단계는 분리단계를 거친 생산수에 포함된 이온성 물질을 제거하는 단계로서, 생산수를 스마트워터로 변경하기 위한 농도조절을 위해서 이온성물질이 제거된다. 결정화단계에서 생산수는 이온성물질이 제거된 생산수와 이온성물질이 포함된 이온성 슬러지로 분리되어 다음 단계로 진행된다.

결정화단계에서 배출된 생산수는 전술한 전기분해부를 통한 전기분해단계, 제2분리부를 통한 제2분리단계, RO처리부를 통한 RO 처리단계를 선택적으로 거쳐 입자상 물질 또는 이온성물질들을 추가적으로 더 제거할 수 있다.

한편 결정화단계에서 배출된 결정화슬러지는 회수단계로 이송된다. 회수단계에서 결정화 슬러지는 이온성분이 추출되는 단계이다. 회수단계에서는 결정화 슬러지와 산성수를 혼합하여 이온성분을 해리시킨 후 추출한다. 이 때, 회수단계의 산성수는 원유 채취 공정에서 발생하는 CO₂를 포집하여 물과 혼합하여 제조되는 것이 바람직하다.

스마트워터 생성단계는 결정화단계 이후의 생산수와 회수단계에서 얻어진 이온성분을 혼합하여 석유회수를 증진시키는 적정한 농도의 스마트워터와 다시 혼합하여 스마트워터를 생성하는 단계이다.

이상에서는 본 발명의 시스템의 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

100 : 제1 분리부
200 : 결정화부
210 : 반응조
215 : 제1 연결부위
220 : 분리조
225 : 제2 연결부위
230 : 침전조
260 : 내부 반송관
300 : 전기분해부
400: 제2 분리부
410 : 유입관
420 : 미세공기 주입장치
430 : 가이드판
440 : 처리수조
441 : 배플
450 : 슬러지 집수조
460 : 슬러지 배출관
470 : 연결관
480 : 집수조
490 : 배출관
500 : RO 처리부
600 : 저장부
700 : 회수부
710 : 해리부
720 : 추출부

Claims

원유 채취공정에서 발생하는 생산수에 포함된 고체상 물질을 제거하는 분리부;
상기 분리부를 통과한 상기 생산수에 포함된 이온성 물질을 제거하는 결정화부;
상기 결정화부에서 배출된 상기 생산수를 저장하는 저장부; 및
상기 결정화부에서 배출된 결정화슬러지에서 이온성분을 회수하는 회수부를 포함하고,
상기 회수된 이온성분을 상기 저장부 또는 상기 생산수가 상기 저장부로 연결되는 이송라인에 주입하여 스마트워터를 제조하는 스마트워터 생산 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 회수부는 상기 결정화 슬러지와 산성수를 혼합하여 상기 이온성분을 해리시키는 해리부와 상기 해리부에서 해리된 상기 이온성분을 추출하는 추출부를 포함하는 스마트워터 생산 시스템.
제 2항에 있어서,
상기 이온성분은 Ca²⁺, Mg²⁺를 포함하는 스마트워터 생산 시스템.
제 2항에 있어서,
상기 산성수는 상기 원유 채취 공정에서 발생하는 CO₂를 포집하여 물과 혼합하여 제조되는 스마트워터 생산 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 분리부는 필터, 디스크 필터(DISK FILTER), 모래여과장치, 한외여과장치, 활성탄 여과장치, 생물학적 수처리장치, 폭기 장치, 및 멤브레인 장치로 구성되는 군에서 선택되는 하나 이상을 사용하는 스마트워터 생산 시스템.
제1항에 있어서,
상기 결정화부는 내부에 시드가 충진되어, 오염물질 또는 이온을 포함하는 처리대상수와 결정화제가 난류상에서 반응하여 상기 시드 표면상에 결정화되며, 상기 시드 상에서 결정화되지 않은 반응물은 미세입자로 생성되는 반응조;
상기 반응조 상부에 구비되며, 부력에 의해 상승하는 일부 상기 미세입자를
상기 반응조로 반송시키도록 층류 및 난류가 공존하는 분리조; 및
상기 분리조 상부에 구비되며, 부력에 의해 상승하는 일부 상기 미세입자가유출되지 않도록 층류를 발생시켜 상기 미세입자를 침전시키는 침전조를 포함하는 스마트워터 생산 시스템.
제6항에 있어서,
상기 결정화부는 상기 분리조에서 유체 일부를 상기 반응조의 하부로 재순환시키는 내부 반송관을 포함하는 스마트워터 생산 시스템.
제7항에 있어서,
상기 분리조에서의 유체 흐름이 하기 식 2로 계산된 값이 2,100 초과 내지4,000 이하인 상기 생산수를 유체 흐름이 하기 식 4로 계산된 값이 2,100 이하로 변경하여 상기 침전조에 공급하는 연결부위를 더 포함하는 스마트워터 생산 시스템.
[식 2]
Re₂₁ = D₂V₂ρ/μ
(여기서, D₂은 상기 분리조의 직경(m)이고, V₂는 상기 분리조의 유속(m/sec)이고, ρ는
밀도(kg/m³)이고, μ는 점도(kg/m.s)이다.)
[식 4]
Re₄₂ = D₄V₄ρ/μ
(여기서, D₄는 상기 연결부위의 직경(m)이고, V₄는 상기 연결부위의 유속(m/sec)이고, ρ는 밀도(kg/m³)이고, μ는 점도(kg/m.s)이다.)
제 1항에 있어서,
상기 결정화 부에서 배출된 생산수에서 입자성 물질을 안정화하여 응집시켜 추가적으로 제거하는 전기 분해부를 포함하는 스마트워터 생산 시스템.
제 9항에 있어서,
상기 전기분해부에서 배출된 생산수에서 미립자를 추가적으로 제거하는 제2분리부를 더 포함하는 스마트워터 생산 시스템.
제 10항에 있어서,
상기 제2 분리부는 미세공기 주입장치;
상기 미세공기 주입장치에 의하여 부상된 슬러지/오일을 집수하는 슬러지/오일 집수조; 및
슬러지/오일 집수조 하단을 통해 배출되는 처리수를 일시 저장하는 집수조를 포함하는 스마트워터 생산 시스템.
제11항에 있어서,
상기 제2분리부에서 배출된 생산수에서 이온성물질을 추가적으로 제거하는 RO처리부를 더 포함하는 스마트워터 생산 시스템.
제1항 내지 제12항의 스마트워터 생산시스템을 포함하는 스마트워터 석유회수증진 시스템.
생산수에 포함된 고체상 물질을 제거하는 분리단계;
상기 분리단계를 거친 생산수에 포함된 이온성 물질을 제거하는 결정화 단계; 및
상기 결정화 단계에서 생성되는 결정화 슬러지에서 이온성분을 회수하는 회수단계를 포함하고,
상기 회수된 이온성분을 상기 결정화 단계 이후의 생산수에 주입하여 스마트워터를 제조하는 스마트워터 생성단계를 포함하는 스마트워터 생산 방법.