KR20220053664A - 물 에멀젼으로부터 물 분리를 위한 항유화제 결정 시스템 및 방법 - Google Patents

물 에멀젼으로부터 물 분리를 위한 항유화제 결정 시스템 및 방법 Download PDF

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시구르두르 트리그비 토롯센
위시안 티아엔
스지앙 양
에합 엘사다위
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킹 압둘라 유니버시티 오브 사이언스 앤드 테크놀로지
사우디 아라비안 오일 컴퍼니
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Abstract

제1 농도를 가지는 혼합물(620)을 얻기 위해서, 건조 오일(902)을 항유화제(904)와 혼합하는 것(1300); 물방울(610)을 상기 혼합물(620)내에 발생시키는 것(1302); 물방울(610)과 혼합물(620)을 미세 유체 채널(110) 내로 펌핑하는 것(1304); 레이저 빔(122)를 미세 유체 채널(110)을 통해 보내는 것(1306); 카메라(130)로 혼합물(620)에서 물방울(610)의 이미지를 기록하는 것(1308); 및 중력에 의해서, 혼합물(620)을 통해서 자유 낙하할 때, 미세유체 채널(110) 내에서 합체하는 물방울의 퍼센트를 계산하는 것(1310)을 포함하는, 오일로부터 물을 분리하는데 가장 효율적인 항유화제 및 그 농도를 선택하는 방법.

Description

물 에멀젼으로부터 물 분리를 위한 항유화제 결정 시스템 및 방법
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 "물 에멀젼으로부터 물 분리를 위한 항유화제 결정 시스템 및 방법"이라는 제목으로 2019년 9월 4일에 출원된 미국 가특허출원 제 62/895,622호에 대한 우선권을 주장하며, 그 개시 내용은 전체가 본 명세서에 참고로 포함되어 있다.
배경
기술분야
여기서 개시된 주제의 실시예는 일반적으로 물 에멀젼으로부터의 물 분리를 위한 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 미세유체 채널 기반 시스템 내에서 하나 이상의 항유화제의 효율을 테스트하는 것에 관한 것이다.
배경 논의
물 에멀젼으로부터 물 방울을 분리하는 공정은 적절한 항유화제(demulsifier)/계면활성제(surfactant)를 필요로 한다. 항유화제의 선택과 그 농도 또는 부피비는 많은 파라미터에 의존하며, 그 중 일부는 에멀젼의 다른 성분들과 그들의 농도이다.
석유 산업에서는 다음과 같은 이유로 추출된 원유로부터 물의 분리가 처리 전에 요구된다. 원유가 정제소에서 처리될 때, 원유에 존재하는 물은 이러한 정제소에서 사용하는 파이프 및 기타 장비를 부식시킬 수 있다. 이 장비는 고가이므로, 처리 전에 원유에서 물을 제거하는 것이 업계의 요구 사항이다. 원유에는 다음과 같은 이유로 다량의 물이 존재한다. 유정에서 향상된 오일 회수(Enhanced-Oil-Recovery) 절차 동안, 밑에 있는 오일을 추출하기 위해서, 물을 지하 저장고로 펌핑하여 지하 저장고의 압력을 상승시킨다. 또한 셰일 탐사의 경우, 오일이 유정으로 유입되는 더 많은 경로를 생성하기 위해서 유정이 파쇄된다. 파쇄 과정은 물을 다른 화학 물질과 함께 고압으로 유정내로 펌핑하는 것과, 다음 이 혼합물을 유정을 둘러싼 지하로 밀어 넣어 유정과 오일 저장소 사이에 더 많은 경로를 열어주는 것을 포함한다. 물은 두 공정 모두에서 가압되고 저장소의 원유와 효과적으로 교반되며, 유정에서 추출되는 물-오일 에멀젼을 생성한다.
이 에멀젼으로부터 물을 분리하기 위해, 화학적 계면활성제(항유화제)가 원유에 첨가되어 물방울의 합체를 향상시킨다. 이 항유화제는 전형적으로 에틸렌 옥사이드의 폴리머 체인과 알코올의 폴리프로필렌 옥사이드, 에톡시레이티드 페놀, 에톡시레이티드 알코올 및 아민, 에톡시레이티드 레진, 에톡시레이티드 노닐페놀, 폴리하이드릭 알코올 및 설폰산 염으로 제형화된다. 주어진 물-오일 에멀젼에 대해 항유화제의 최적 타입과 농도를 선택하는 것이 중요하며, 그렇지 않으면 전체 공정이 효율적이지 않고 물이 원유에 남게 되고, 그래서 원유의 처리 단계에서 정제 장비가 손상될 수 있다.
주어진 원유 샘플에 대해 가장 효과적인 항유화제를 선택하기 위해, 현재 테스트 및 스크리닝 방법은 실험실 "병 테스트"이며, 이는 일정량의 원유 에멀젼 및 일정량의 항유화제를 병에 수동으로 첨가하는 것을 포함한다. 테스트를 위해서 다른 유형과 농도의 항유화제들을 다른 병들에 있는 동일한 원유 에멀젼에 첨가한다. 이것은 지루한 과정이지만, 석유 산업에서 널리 사용된다. 상기와 같이 여러 개의 병을 준비한 후, 병을 원심분리기에 넣어 항유화제를 원유에 분배하고 원유에서 물의 분리를 시도한다. 주어진 시간 동안 병을 원심 분리한 후, 각 병에서 합체(coalesced)된 물의 부피 분율을 측정하고 분석하고, 최적의 항유화제와 그 농도를 결정한다.
그러나, 병 테스트는 지루하고 느릴 뿐만 아니라 실제 분리기에서 발생하는 실제 동적 흐름 조건을 정확하게 반영하지 않는 정적 테스트다.
적절한 항유화제를 결정하기 위한 새로운 방법이 [1]에서 제안되었다. [1]의 방법은 작은 액적을 생성하는 마이크로 유체 장치와 이들을 미세 채널에서 응집시키는 테스트를 제안했다. 그러나 [1]의 장치는 실제 조건과 유사한 전단 유동을 생성할 수 없다.
따라서, 원유 흐름에서 액적의 역학을 재현하고, 더 짧은 시간에 수행할 수 있고, 기존 테스트만큼 힘들지 않고, 정적인 병 테스트에 의해 유도되는 편차를 피할 수 있는 새로운 테스트에 대한 요구가 존재한다.
발명의 간단한 요약
일 실시예에 따르면, 오일로부터 물을 분리하는데 가장 효율적인 항유화제 및 그 농도를 선택하는 방법이 있다. 이 방법은 건조 오일을 항유화제와 혼합하여 제1 농도를 갖는 혼합물을 얻는 것과, 혼합물 내부에 물방울을 생성하는 것과, 물방울과 상기 혼합물을 미세 유체(micro-fluidic) 채널로 펌핑하는 것과, 미세 유체 채널을 통해 레이저 빔을 보내는 것과, 혼합물 내 물방울의 이미지를 카메라로 기록하는 것과, 및 중력으로 인해 혼합물을 통해 자유낙하할 때 미세 유체 채널 내부에서 합체되는 물방울의 백분율을 계산한다.
다른 실시예에 따르면, 1 mm 보다 작은 적어도 2개의 측면을 갖는 미세 유체 채널을 포함하는 항유화제 테스트 시스템이 있으며, 여기서 미세 유체 채널은 수직 방향을 따라 연장되며, 레이저 소스는 레이저 빔을 생성하도록 구성되며, 여기서 상기 레이저 빔은 상기 미세 유체 채널을 통과하도록 지향되며, 카메라는 상기 미세 유체 채널을 통해 지나간 후 레이저빔을 수신하도록 위치되며, 그리고 단분산(mono-dispersed) 액적 생성 메커니즘이 상기 미세 유체 채널에 유동적으로 연결된다. 단 분산 액적(mono-dispersed droplet) 생성 메커니즘은 건조 오일과 항유화제의 혼합물에 물방울을 생성하도록 구성된다.
도면의 간단한 설명
본 발명의 보다 완전한 이해를 위해, 이제 첨부 도면과 함께 취해진 다음의 설명을 참조하며, 여기서:
도 1A는 단일 미세유체 채널을 갖는 항유화제 테스트 시스템의 개략도이다.
도 1B는 복수의 미세유체 채널을 갖는 항유화제 테스트 시스템의 개략도이다.
도 2A 및 2B는 다양한 오일 및 물의 흡광도를 도시한다.
도 3은 다양한 카메라 및 인간의 눈의 광에 대한 스펙트럼 감도를 도시한다.
도 4는 근적외선 광의 광 시준을 위한 장치를 도시한다.
도 5A 및 5B는 병진 확산기가 근적외선으로 촬영된 이미지의 품질을 향상시키는 것을 도시한다.
도 6A 및 도 6B는 오일에 물방울을 생성하기 위한 단분산 액적 생성 메커니즘을 도시한다.
도 7은 상이한 초기 사이즈의 물방울을 함유하는 다양한 에멀젼에 대해 시간에 따른 다분산도가 변하는 것을 도시한다.
도 8은 시간에 대해 미세유체 장치에 의해 생성된 물방울의 다분산도를 도시한다.
도 9A 내지 도 9C는 미세유체 채널에서 물방울의 움직임을 도시한다
도 10은 시간에 대해 미세 유체 채널 내부에서 중력하에 물방울이 떨어질 때 물방울의 평균 속도를 도시한다.
도 11은 도 1A에 도시된 항유화제 테스트 시스템으로 측정된, 시간 에 따른 다양한 에멀젼에 대한 합체 확률을 예시한다.
도 12는 다양한 에멀젼의 합체를 측정하기 위한 방법의 흐름도이다.
도 13은 오일로부터 물을 분리하기 위해 오일에 첨가될 최상의 항유화제 및 이의 농도/비율을 선택하는 방법의 흐름도이다.
발명의 상세한 설명
실시예의 다음 설명은 첨부 도면을 참조한다. 다른 도면에서 동일한 참조 번호는 동일하거나 유사한 요소를 식별한다. 다음의 상세한 설명은 본 발명을 제한하지 않는다. 대신, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해 정의된다. 다음 실시예는 단순함을 위해 원유 내 물방울의 합체 성향을 결정하기 위해 하나 이상의 미세 유체 채널을 사용하는 시스템과 관련하여 논의된다. 그러나, 다음에 논의될 실시예들은 물 에멀젼으로부터 물을 분리하는 것으로 제한되지 않고, 임의의 에멀젼에 대한 적절한 항유화제를 결정하는데 적용될 수 있다.
명세서 전체에 걸쳐 "일 실시예" 또는 "일 구현예"에 대한 언급은 실시예와 관련하여 설명된 특정 특징, 구조 또는 특성이 개시된 주제의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 명세서 전체에 걸쳐 다양한 곳에서 "일 실시예에서" 또는 "일 구현예에서"라는 문구의 출현은 반드시 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다. 또한, 특정 특징, 구조 또는 특성은 하나 이상의 실시예에서 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있다.
일 구현예에 따르면, 신규 항유화제 테스트 시스템은 하나 이상의 미세유체 채널을 포함하며, 여기서, 제어된 양의 특정 항유화제, 물 및 오일이 도입되고, 특정 에멀전에 대한 합체 이벤트의 유행 및 수를 정량화하기 위해 자유 낙하가 허여된다. 물방울은 하나 이상의 긴 미세 유체 채널에서 중력 하에서 천천히 자유 낙하하도록 허여된다. 물방울의 이 느린 침전은 인접한 물방울 사이에서 긴 상호작용 시간을 제공하여, 이들이 합쳐질 가능성을 높이다. 작은 채널에서 자유 낙하는 액적이 다른 속도로 움직이도록 만들며, 그러므로 서로 지나가며(pass), 그리고 전단 운동을 경험하는 경향을 가지며, 이것은 합체 과정을 향상시킬 수 있으며, 정유 분리 용기에서 원유에 항유화제를 첨가할 때의 실제 조건과 유사하다. 합체 이벤트를 식별하기 위해, 시스템은 균일한 크기의 물방울을 미세 유체 채널에 공급하기 위한 흐름 초점 장치를 사용한다. 이 시스템은 또한 물방울이 미세 유체 채널의 바닥을 향해 가라앉을 때, 물방울을 이미지화하는 카메라를 포함한다. 불투명한 원유를 통과할 수 있는 근적외광에 민감한 고속 비디오 카메라가 물방울을 이미지화하기 위해 사용된다. 근적외광을 생성하는 레이저 장치가 시스템에 포함되어 있다. 카메라에 의해 기록됨에 따라 물방울의 크기가 분석되며, 그리고 합체 과정이 액적의 크기를 증가시키기 때문에, 이것은 어떤 합체의 발생을 나타낸다. 다양한 농도에 대해 주어진 각 에멀젼에 대한 합체 수를 비교하고 이러한 이벤트가 얼마나 빨리 발생했는지가 항유화제 효과의 지표로 사용된다. 이 새로운 테스트 시스템 및 방법은 이제 도면과 관련하여 더 자세히 설명된다.
도 1A는 광원(120)과 고속 카메라(130) 사이에 배치된 미세유체 채널(110)을 포함하는 항유화제 테스트 시스템(100)을 도시한다. 광원(120)에 의해 방사된 광빔(122)은 미세 유체 채널(110)에 진입하기 전에 정적 확산기(140)를 통해 지향된다. 하나 이상의 렌즈(150)가 미세 유체 채널(110)에 존재하는 액적(112)으로부터 반사/굴절된 광을 집중시키기 위해 미세 유체 채널(110) 뒤에 그리고 고속 카메라(130) 앞에 배치될 수 있다. 제어기(160)는 후술하는 바와 같이 이들을 제어하기 위해 이들 요소 각각에 유선 또는 무선 방식으로 연결될 수 있다. 도 1B는 단일 미세 유체 채널(110)을 사용하는 대신에, 복수의 채널(110A 내지 110D)이 사용된다는 차이점이 있는 유사한 구성을 도시한다. 도 1B가 네개의 미세 유체 채널을 평행하게 설치하였지만, 당업자는 평행하게 배치된 더 적거나 많은 채널이 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
도면에서 스케일로 도시되지 않은 미세유체 채널(110)은 적어도 하나의 측면을 가지며, 예를 들어 그 폭(W) 또는 그 깊이(D)가 100 ㎛ 에서 1 mm 사이다. 일 실시예에서, 두 측면이 W 및 D 둘 다가 이 범위의 크기를 가진다. 일 실시예에서, 미세유체 채널(110)의 단면은 정사각형, 즉 W=D이다. 이 실시예에서, 채널의 폭과 깊이는 약 500 ㎛일 수 있다. 다른 실시예에서, 미세 유체 채널(110)의 단면은 직사각형이다. 정사각형 또는 직사각형 모양은 다음과 같은 이유로 유리한다. 물방울은 후술하는 바와 같이 채널(110)의 상단에서 하단을 향해 떨어진다. 만일 [1]과 같은 2차원 채널(내부 직경이 액적의 직경보다 작은)을 사용하면, 물방울이 서로 지나갈 공간이 충분히 존재하지 않게 되며, 즉, 물방울은 그림에서 Z축으로 표시된 중력 방향을 따라 단일 자유도를 갖게 된다.
그러나, 도 1A에 도시된 바와 같이 미세 유체 채널(110)을 위한 정사각형 또는 직사각형 단면을 가짐으로써, 물방울은 X축을 따라 추가적인 자유도를 갖는다. 다시 말해, 물방울은 Y축뿐만 아니라 X축을 따라 이동하여 다른 물방울과 상호작용할 수 있다. 원유는 불투명하고, 그리고 물방울을 구별하기 위해 고속 카메라에 충분한 빛이 전달되지 않기 때문에, Y축을 따라서 깊이 D는 일정 수준 이상으로 증가할 수 없다. 미세 유체 채널(110)의 길이(L)는 100 mm 내지 2 m로 다양할 수 있다. 본 발명자들에 의해 수행된 실험은 300 mm 길이의 채널(110)을 사용하였다. 미세 유체 채널(110)은 수직 위치로 놓여지고, 즉 그 길이(L)가 수직 축(Z)에 정렬되고, 그래서 물방울이 채널(110)의 상단에서 하단으로 중력에 의해 떨어지도록 배치된다. 일 실시예에서, 미세 유체 채널(110)은 수직 축(Z)에 대해 0이 아닌 각도로 배치될 수 있고, 여전히 동일한 결과를 달성할 수 있다.
광원(120)은 하나 이상의 근적외선 범위(NIR) 레이저 다이오드로서 구현될 수 있다. NIR은 705~2000 nm 범위의 파장을 갖는 광으로 정의된다. 그러나 시스템(100)에 사용 가능한 NIR 광은 다음 두 가지 요인에 의해 제한된다. 하나는 원유의 광 흡수이고, 다른 하나는 카메라 센서의 감도이다. 충분한 조명과 보다 적은 광 강도 손실을 가지기 위해, 980 nm 파장이 본 발명자들에 의해 수행된 실험을 위해 선택되었다. 원유는 도 2A 및 2B(각각 [2]의 도 1 및 [3]의 도 1에 상응함)에 도시된 바와 같이, 800 nm 내지 1600 nm 범위에서 상대적으로 낮은 흡수를 가지며, 이는 NIR 레이저 (705 nm - 2000 nm)의 범위에 있다. 도 2A는 물(곡선 200)과 다양한 원유(24 API 원유에 대한 곡선(202), 30 API 원유에 대한 곡선(204), 38 API 원유에 대한 곡선(206))의 흡수 스펙트럼을 보여주며, 반면 도 2B는 원유(곡선 210) 및 정제유(곡선 212)의 흡수 스펙트럼을 보여준다. 도 2A에서, y축 항목 A는 M-1cm-1 의 단위를 가지는 파장-의존 몰 흡수 계수이며, 이 항목은 Beer-Lambert Law에서 유도되며, 이것은
Figure pct00001
이며, 여기서 C는 용액의 농도, L은 투과 길이, I 및 lo는 각각 투과 및 초기 광의 광도를 나타낸다. 그러나 카메라의 CMOS 센서는 1100nm 이상에서 효율적으로 작동하지 않는다. 따라서, 시스템(100)에서 사용되는 NIR 레이저의 파장은 800 nm 내지 1100 nm 범위에서 선택된다.
확산기(140)는 광원(120)과 미세 유체 채널(110) 사이에 위치하며, 집속된 광빔(122)을 확산시킨다. 고속 카메라(130)는 CMOS 고속 카메라 Photron SA5로 구현될 수 있다. 이러한 카메라는 7000 fps만큼 높은 프레임 속도로 전체 프레임 이미지(1280px x 800px)를 얻을 수 있다. 더 작은 픽셀 영역을 관찰하면 더 높은 프레임 속도를 얻을 수 있다. 카메라는 렌즈(150), 예를 들어 조정 가능한 배율, 조리개 및 초점이 있는 Leica 현미경 렌즈(Z16 APO)에 부착된다. 일반적인 배율은 8이며 2.5 ㎛/px 해상도를 제공한다. 도 3은 (1) 곡선(300)으로 CMOS 카메라 센서, (2) 곡선(302)으로 CCD 카메라, 및 (3) 곡선(304)으로 인간의 눈에 대한 스펙트럼 감도를 도시한다. CMOS 카메라 센서 곡선(300)은 NIR 광(980 nm의 파장에서)에 대해 약 35%의 감도로 NIR 광을 감지할 수 있으며, 이는 이 방법의 목적에 충분한다.
일 실시예에서, 레이저 다이오드(120)는 전용 시준 렌즈(124)와 함께 특수 열교환기 마운트(121)에 설치된다. 이 실시예에서, 시준 빔(126)의 직경은 도 4에서 도시된 바와 같이, 다이오드의 초점 거리(f=5.6 mm)에 따라서 약 3.0 mm(r=1.5 mm)이다. 수평축 Y와 빔(122)의 대부분의 외부 광선 사이에 형성된 각도 θ는 이 구성에 대해 약 15 도이다. 레이저 다이오드(120)는 최대 전력이 200 mW인 전력 제어기(160)에 의해 구동될 수 있다. 시스템(100)은 또한 레이저 다이오드에 대한 열적 손상을 방지하기 위해 도 4에 도시된 바와 같이 온도 제어기(128)를 포함할 수 있다. 시스템은 다양한 레이저 다이오드를 수용하도록 구성되며, 즉, 서로 다른 파장의 교체 가능한 다이오드를 가진다.
미세 유동 채널(110)을 따라 낙하하는 동안 물방울의 합체를 감지하기 위한 시스템이므로, 고속카메라(130)에 의해서 생성된 화질은 최상이어야 한다. 카메라의 품질 외에도 다른 요소가 이미지의 품질에 중요한 역할을 한다. 예를 들어, 이미지 품질은 스펙클(speckle) 패턴으로 인해 백그라운드 확산기(140)에도 의존하는 것으로 관찰되었다. 하나 대신에 두 개의 확산기(140, 142)를 사용함으로써, 즉 하나의 정적 확산기(140)와 빠르게 움직이는 확산기(142)를 사용함으로써, 더 나은 이미지 품질을 얻을 수 있다. 일 응용에서, 단지 하나의 확산기가 사용되지만, 도 1A 및 1B에서 화살표(144)로 표시된 바와 같이 위아래로 움직인다. 모터(146)는 확산기(142)를 자동으로 위아래로 움직이거나 x-z 평면에서 회전시키기 위해 사용될 수 있다. 모터(146)는 제어기(160)에 의해 제어될수 있다. 이러한 방식으로, 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이 카메라(130)에 의해 촬영되는 이미지의 품질이 향상될 수 있다. 도 5A는 단일 고정식 확산기로 찍은 원유의 물방울 이미지를 보여 주며, 반면 도 5B는 고정식 확산기와 이동식 확산기로 찍은 유사한 물방울의 이미지를 보여줍니다. 도 5B의 이미지 품질은 도 5A의 이미지 품질에 비해 훨씬 향상되었다.
도 1a로 돌아가서, 단분산 액적 생성 메커니즘(170)은 원유에서 액적을 생성하여 유중수형(water in oil) 에멀젼을 형성하는데 사용된다. 그런 다음 물 에멀젼은 연결 튜브(172)를 통해 미세 유체 채널(110)로 펌핑된다. 도 1A는 스케일이 없기 때문에 연결 튜브(172)는 불균형하게 미세 유체 채널(110)보다 작은 것으로 보인다. 그러나 실제로는 연결 튜브(172)의 직경은 미세 유체 채널(110)의 직경과 비슷하다.
단분산 액적 생성 메카니즘은 미세유체 채널(110)에 삽입되는 원유의 양에 대한 물의 양을 제어하도록 구성된 펌핑 시스템(180)에 대응하는 튜브(174, 176, 178)에 연결된다. 일 실시예에서, 펌핑 시스템(180)은 각각 대응하는 튜브(174, 176, 178)에 연결된 3개의 독립적인 펌프(184, 186, 188)를 포함한다. 두 펌프(184, 188)는 원유와 항유화제의 혼합물을 대응하는 튜브(174, 178)에 주입하도록 구성되며, 반면 펌프(186)는 튜브(176)에 물을 주입하도록 구성된다.
단분산 액적 생성 메커니즘(170)은 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이 마이크로-크로스(micro-cross) 장치로서 구현될 수 있다. 도 6B는 마이크로 크로스 장치의 개요를 보여주는 반면, 도 6A는 이 장치의 단면을 보여주며, 여기서 이 장치의 몸체(602)가 보이고, 크로스에서 각 팔에 하나씩 4개의 채널(604)을 가진다. 대응하는 마이크로 페룰(micro-ferrule)(606)이 각 채널(604)에 제공되고, 대응하는 튜브(172, 174, 176, 178)를 수용한다. 대응하는 너트(608)는 본체(602)에 부착된 각 튜브 및 마이크로 페룰을 홀드한다. 마이크로 페룰(606)은 마이크로 페룰의 팁이 마이크로 페룰의 다른 부분보다 더 작은 직경을 갖도록 형상화되며, 이것은 도 6A의 삽도와 같이, 원유/항유화제 에멀젼(620) 내로 단분산 물방울(610)을 생성시킨다. 이런 식으로, 유사한 크기의 외경을 갖는 잘 정의된 물방울을 제어된 방식으로 생성한 다음 미세 유체 채널(110)을 통해 이동할 때 이러한 물방울의 합체를 관찰하는 것이 가능하다. 물방울이 합체됨에 따라 직경이 증가하고, 나중에 논의되는 것과 같이, 기록된 이미지(정지 이미지 또는 비디오)로부터, 초기 물방울의 몇 퍼센트가 합쳐졌는지 계산할 수 있다. 일 실시예에서, 튜브(172 내지 178)의 외경은 약 1.6mm이고 내경은 약 178 ㎛이다. 이러한 직경에 대해서는 다른 값이 사용될 수 있다. 도 6A의 실시예에서 배관(176)에 물이 삽입되고 원유와 항유화제의 혼합물이 배관(174, 178) 둘 모두에 삽입되지만, 물 배관과 원유/항유화제 배관을 하나만 가지거나 다른 배열이 있을 수 있음을 유의한다. 또한, 물 및 원유/항유화제의 양은 해당 펌프(184 내지 188)에서 조절될 수 있음을 유의한다. 또한, 원유 대 항유화제의 비율은 해당 펌프(184, 188)에 공급되기 전에 조절될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 제어기(160)는 도 1a 또는 1b에 도시된 바와 같이 믹서(190)을 제어하도록 구성될 수 있으며, 이것은 저장 유닛(192)으로부터 원유 그리고 저장 유닛(194)으로부터 항유화제가 공급된다. 추가로, 제어기(160)는 믹서(190)에게 원하는 비율/농도로 원유를 유화제와 혼합하도록 지시할 수 있고, 이어서 이 비율/농도를 펌프(184 및 188)에 공급할 수 있다. 또한, 제어기(160)는, 주어진 속도로 물을 주입하도록 펌프(186)에 지시하도록 추가로 구성될 수 있으며, 그래서 원유/항유화제 혼합물에 대한 물의 비율이 조정될 수 있다. 이와 같이, 항유화제의 종류, 원유 및/또는 물에 대한 항유화제의 비율은 제어기(160)에 의해 지속적으로 자동적으로 조절될 수 있다.
단분산 액적 생성 메커니즘(170)을 사용하여 원유/항유화제 혼합물(620)에서 단분산 물방울(610)을 생성하는 메커니즘이 이제 논의된다. 합체가 발생하였는지 여부를 확인할 수 있도록, 미세 유체 채널(110)의 입구에서 매우 단분산된 물방울 분포가 바람직하다. 그렇지 않으면 합체되지 않은 큰 물방울과 합체된 작은 물방울을 구별하기 어렵다. 따라서, 단분산 액적 생성 메커니즘(170)은 미세 유체 채널(110) 내에서 중력에 의해 하강하는 동안 물방울에서 관찰된 크기의 증가가, 불균일한 입구 액적들로부터가 아니라, 그러한 두 액적의 합체에 의한 것임을 보증하기 위해서 요구된다.
이러한 결정이 명확하기 위해서는, 두 개의 물방울이 합쳐질 때 물방울 직경의 증가가 원래 생성된 액적의 단분산도의 스프레드보다 상당히 커야할 필요가 있다. 크기가 D인 두 개의 물방울이 합쳐질 때, 그들의 결합된 직경은 다음이 된다:
Figure pct00002
또한 N개의 이러한 물방울이 합쳐지면, 결과적인 물방울 크기는 다음과 같이 된다.
Figure pct00003
따라서, 채널(110)의 입구에서 액적 크기의 스프레드는 1.26의 값보다 훨씬 작아야 하며, 또는 유니티(unity)로부터 적어도 10% 미만이어야 한다. 단분산 액적 생성 메커니즘(170)은 이러한 스프레드보다 적게 달성하도록 구성되었다. 일 응용에서, 단분산 액적 생성 메커니즘(170)은 원유 내에서, D=90 ㎛ 에서 D = 220 ㎛의 범위의 일련의 단분산 미세 액적을 생성할 수 있는 미세 인터섹션(P-899, Upchurch Scientific)이며, 두 상의 상대 유량(연속 액체 Qc, 이는 원유와 항유화제의 혼합물이고, 분산된 액체 상 Qd, 이는 물임) 및 이들의 점도, 또한 그들의 절대 속도에 의존하며, 모두 제어기(160)에 의해 제어될 수 있다.
도 6A에서 4개의 채널(604)의 크로스-인터섹션은 폭이 150㎛이고 단분산된 액적 생성 메커니즘(170)은 미세 유체 채널(110) 내로 물방울(610)을 펌핑하며, 여기서 액적-액적 상호작용이 일어난다. 입구는 외경이 3.0 mm이고 내경이 1.0 mm일 수 있다. 물방울은 연속 흐름인 원유와 분산 흐름인 물을 가지는 Plateau-Rayleigh 불안정성에 의해 생성된다.
물방울의 크기는 주로 두 액체, 즉 물(Qd)과 원유/항유화제(Qc) 사이의 유속 비에 의해 결정된다. 따라서, 제어기(160)는 펌프(184 내지 188)의 속도를 제어함으로써 생성된 물방울의 크기 D를 선택할 수 있다. 항유화제 테스트 시스템(100)은 높은 0.33에서부터 낮은 0.05 까지의 유량비
Figure pct00004
로 시험되었으며, 이는 넓은 범위의 유속과 상당히 넓은 범위의 액적 크기를 제공했다.
미세 유체 채널(110)에 들어가는 액적의 단분산도를 먼저 확인하여 미세 유체 채널의 바닥에서 관찰된 액적이 합체를 식별하는데 의존할 수 있음을 확인하였다. 표준 편차
Figure pct00005
와 액적 직경의 평균
Figure pct00006
사이의 비율로 정의되는 시간에 따른 다분산도
Figure pct00007
의 변화는 다음과 같이 표현되고,
Figure pct00008
그리고, 다양한 액적 직경(D)에 대해 도 7 및 8에 예시되어 있다. 각 직경(D)의 다분산도(polydispersity)가 10분에 걸쳐 5% 미만인 것으로 관찰되며, 이는 항유화제 테스트 시스템(100)에서 생성된 액적이 매우 단분산임을 나타낸다. D = 90 ㎛ 크기를 갖는 가장 작은 액적은, 이들을 감지하는데 사용되는 카메라의 픽셀 해상도가 가장 작은 액적들의 측정에 대부분의 랜덤 노이즈를 추가하기 때문에, 크기에 있어 가장 큰 스프레드를 가지는 것에 유의하라. 그러나 관찰된 스프레드는 식(1)에 의해 지시된 한계 내에 있다. 합체되는 두 개의 원래 액적의 결과적인 직경이 각 액적의 원래 크기 D보다 1.26배 더 크기 때문에, 시스템(100)의 다분산성은 2개의 액적이 합체된 때를 결정할 수 있도록 요구되는 임계값 26%보다 훨씬 낮으며, 이것은 시스템(100)이 통계적 분석에 대해서 개개의 액적들과 합체된 액적들 사이의 액적 크기 차이의 관점에서 신뢰할만 하다는 것을 의미한다.
액적 크기 스프레드에 대한 시스템 테스트한 후, 액적의 합체 확률을 결정하기 위한 실제 테스트가 수행되었다. 이러한 테스트를 위해, 단일 크기의 물방울(610)은 건조 원유(902)와 항유화제(904)의 혼합물(900)에서 단분산 액적 생성 메커니즘(170)으로 생성되었으며, 이 혼합물(900)은 도 9A에 도시된 바와 같이 중력에 대항하여 미세 유체 채널(110)까지 펌프 압력 상승에 의해 구동되었다. 미세 유체 채널(110)은 항유화제 시스템(100)에서 수직 위치로 유지된다는 점에 유의한다. 그러나 미세 유체 채널(110)이 혼합물이 그것을 통과할 때까지 수평 위치로 유지되고, 이후 채널이 수직하게 회전하는 것도 가능하다. 일 실시예에서, 또한 도 9a에 도시된 바와 같이, 튜브(172)을 채널(110)의 바닥이 아니라 그 상단에 튜브(172')로 연결한 다음 채널(110)의 상단으로부터 혼합물을 펌핑하는 것도 가능하다. 어떻게 채널(110)내로(하단 또는 상단에서) 혼합물(900)과 물방울(610)이 펌핑되는지와 상관 없이, 채널(110)이 혼합물(900) 및 물방울(610)로 가득 찬 후, 도 9b에 도시된 바와 같이, 채널(110)의 바닥 부분(910)은 클램핑되어 혼합물이 채널을 빠져나갈 수 없도록 한다. 추가로, 채널(110)이 바닥에 고정되어 있기 때문에, 액적과 연속상이 무게와 부력에 의해 구동되어 서로에 대해 상대적으로 흐를 수 있을지라도, 에멀젼의 평균 유속은 제거된다. 채널은 또한 유효 중력을 줄이기 위해 0-90° 각도로 기울일 수 있다.
이와 같이, 이제 물방울(610)은 중력에 의해 채널(110)의 바닥부(910)를 향해 떨어지는 위치에 있게 되며, 이 과정에서 다른 물방울(610)과 합체되어 합체된 물방울(612)을 형성한다. 광원(120)은 도 9b에 도시된 바와 같이, 채널(110)의 관찰 체적(920)을 통과하는 광 빔(122)을 생성한다. 관찰 체적(920)은 채널의 바닥에 위치하도록 선택된다. 통과하는 광 빔은 도 9C에 개략적으로 도시된 바와 같이 다양한 액적의 이미지를 기록하는 카메라(130)에 도달한다. 카메라(130)의 시야는 채널(110)의 바닥에 가까운 위치에 고정되고, 그래서 그들의 크기 분포가 기록되기 전에, 떨어지는 물방울 사이의 상호 작용 또는 접촉 시간이 가능한 한 길게 유지된다. 미세 유체 채널의 매우 낮은 레이놀즈 수에서, 액적은 자유롭게 침전되는 흐름 동안 즉시 최종 속도에 도달한다. 액적(610, 612)의 이미지는 카메라의 센서에 의해 기록되고 통계 분석을 위해 시스템(100)과 관련된 메모리에 저장된다.
분리된 액적의 침강 속도는 다음과 같이 물방울의 무게와 부력의 균형을 맞추는 것에 의해 추정될 수 있다.
Figure pct00009
여기서 FD 는 항력, W는 물방울 무게, FB 는 부력이다. 물방울에 작용하는 이 세 가지 힘이 평형에 도달하면 물방울의 가속도는 0이 되어 물방울의 속도는 최종 속도가 된다. 구형 물방울의 경우 위에 언급된 세 가지 힘은 Stokes의 항력 법칙을 가정하여 다음과 같이 설명된다.
Figure pct00010
Figure pct00011
최종 속도(ut)는 다음과 같이 주어진다:
Figure pct00012
여기서 D는 액적의 직경,
Figure pct00013
는 물의 밀도,
Figure pct00014
은 원유의 밀도, μ은 오일 점도, g는 중력이다. 식 (8)로부터, 직경이 210 ㎛인 액적에 대한 종단 속도는 0.73 mm/s로 계산되고 90 ㎛ 입자에 대한 종단 속도는 0.13 mm/s로 계산된다. 이 두 속도 모두 측정된 속도보다 크며, 이것은 채널(110) 벽의 존재로 인한 전단력이 고려되어야 함을 의미한다.
무한 풀의 고립된 액적과 비교시, 채널 벽의 제한이 점성 응력을 증가시키기 때문에, 이러한 이론적인 추정이 항력을 과소평가할 가능성이 있다. 이러한 이유로, 일 실시예에서, 채널(110)의 내벽은 벽에 물이 젖는 것을 방지하는 물질로 처리하여, 물방울의 움직임에 대한 채널 벽의 영향을 최소화할 수 있다. 또한, 실험에서 물방울은 원래 미세 유체 채널(110)을 따라 위로 이동하는 압력 구동 스트림에 대략 균일하게 분포된다. 물방울(610)의 무게는 채널로 상승하는 동안 물방울을 끌어 내릴 것이다. 다시 말해서, 혼합물(900)이 채널(110) 위로 이동함에 따라 액적의 수 밀도가 약간 증가할 것이다. 그러나, 도 9b에 도시된 바와 같이, 채널(110) 아래로 액적(610)의 느린 중력 구동 침전 동안, 액적의 농도는 그들이 채널(110)의 바닥 영역을 향해 이동할 때 증가한다. 또한, 액적은 함께 그룹화하고(도 9B 및 9C의 요소 906 참조), 덩어리로 이동하는 경향이 있는 것으로 관찰되었다. 이 프로세스는 액적의 상호 작용 시간을 상당히 증가시킨다. 낮은 농도의 액적의 경우 상호 작용은 덜하지만, 채널 벽과 다른 거리에 위치하여 포물선 층류 프로파일의 다른 부분을 경험하므로, 서로 전단력이 있다. 이것은 일반적으로 단기적인 상호 작용으로 이어진다. 반면에 덩어리가 생기면 물방울이 함께 움직이며 표면이 훨씬 더 오랜 시간 동안 서로 눌려지고, 이것은 액적 사이의 접촉과 이어지는 합체를 허여하기 위해 방해하는 오일 필름이 제거되는 것을 허여한다.
튜브에서 연속성을 만족시키기 위해, 연속상이 액적 사이에서 위로 이동해야 하기 때문에, 덩어리(906)는 또한 격리된 액적(610)보다 느리게 떨어질 것이다. 액적 사이의 이러한 흐름은 추가 압력 강하에 의해 구동되며, 이는 중량에 대응하고 움직임을 늦춘다. 이것은 무한 풀에서 물방울의 덩어리에 대해 예상할 수 있는 것과 반대라는 점에 유의한다. 이 경우 이러한 덩어리의 유효 밀도가 증가하여 가속화된다. 도 10은 상이한 액적 크기 D에 대한 침강 운동의 시작부터 시간에 대한 도 9C에 예시된 저면도에서 관찰된 평균 액적 속도를 보여준다.
다양한 항유화제, 원유 및 항유화제에 대한 물의 비율, 및/또는 항유화제에 대한 원유의 비율에 대해 이러한 테스트를 수행한 후, 기록된 데이터는 분석될 필요가 있으며, 그리고 주어진 타입의 원유로부터 방울 합체에 의해서 물의 분리를 위해 어떤 항유화제가 어떤 농도에서 최선인지를 결정하기 위해서 물 방울의 합체가 평가된다. 이 분석을 위해 채널(110)로의 공급 흐름이 중단된 후, 자유 침전 단계에서 물의 액적 크기-분포가 다른 시간 간격으로 처리된다. 이 분석은 다른 액적 직경, 예를 들어, D = 220 ㎛, 170 ㎛, 150 ㎛, 130 ㎛ 및 85 ㎛에 대해서 수행되었으며, 이것은 실제 물-기름 에멀젼에서 실제 물방울의 크기 순서에 유사하다.
기록된 데이터로부터, 예상한대로, 합체의 총 수가 시간에 따라 증가하는 것이 관측되었다. 테스트 동안 수집된 이미지로부터, 반복적인 합체가 발생하고, 그리고 시간이 지남에 따라, 이중 액적이 원래 크기의 액적과 합체되어, 이론에 의해 예측된 것처럼, 31/3의 삼중항을 형성하는 것이 관측되었다. 이것은 계속해서 더 큰 액적을 만들 것이다. 이 과정은 모든 더 큰 액적에 대해 관찰된다. 이 결정에서, 카메라(130)의 시야에 나타나는 액적은 5분 시간 간격에 걸쳐 추적되었다. 이러한 시간 간격은 채널(110)에서 압력 구동 흐름이 멈춘 후, 약 3.5, 12.5 및 17.5분에 집중되었다. 시간 간격은 통계적 측정을 위해 필요에 따라 더 짧거나 더 길게 선택할 수 있다. 이 결정을 위해, 제어 체적(920)을 통해 흐르는, 원래 크기를 갖는 액적 및 증가된 크기를 갖는 액적의 분율이 식별되고 계수되었다. 합체된 액적의 직경은 위에서 논의한 바와 같이 원래 크기 D보다 n배 더 크다. 따라서 합체 확률은 다음과 같이 정의할 수 있다.
Figure pct00015
여기서 P는 합체 확률, nk, 를 나타내며, k는 1보다 큰 정수 값을 취하며, k개의 원래 액적에 의해 형성된 합체된 액적을 나타내며, no는 원래 단일 크기 방울의 총 수이다. 기록된 데이터를 분석하는 동안, 항유화제를 첨가하지 않는 한, 원래 방울이 합쳐져 원래 방울 크기의 3배 이상인 액적을 형성하는 경우는 매우 드물게 관찰되었다. 그러나, 적절한 항유화제를 첨가했을 때, 원래의 액적보다 직경이 201/3 또는 그 이상의 큰 액적이 관찰되었다.
항유화제 테스트 시스템(100)을 전술한 공정과 함께 사용하여, 전통적인 병 테스트에 의지할 필요가 없이, 주어진 원유에 대해 다양한 유형 및 양의 항유화제를 시험하고, 주어진 원유에 대해 가장 적절한 것을 선택하는 것이 가능해졌다. 항유화제 테스트 시스템(100)은 이러한 모든 실험을 자동으로 독립적으로 수행한 다음, 각 시험된 항유화제 및 각 농도에 대해 합체 분율을 계산하고, 그리고 최종적으로, 비용 대비 최적의 합체 확률을 성취하기 위해 항유화제와 그 상응하는 농도를 선택하도록 만들어질 수 있다.
한 세트의 테스트에서, 항유화제의 투여량은 20 내지 100ppm(parts-per-million) 범위였다. 테스트 중에, 시스템은 ~150 ㎛ 에서 ~230 ㎛ 범위의 다양한 크기의 단일 크기 액적을 생성하고 테스트하였다. 다른 직경은 동시가 아니라 순차적인 순서로 생성 및 테스트되었음을 유의한다. 도 11에 도시된 바와 같이, 물-오일 에멀젼에서 액적의 합체 특성은 항유화제의 상이한 농도에 따라 변한다. 50 ppm 및 100 ppm보다 원유에 용해된 20ppm 항유화제로 더 적은 액적 합체가 발생한다는 것이 주목된다. 합체는 또한 액적 직경에 민감하며, 이 예에서는 더 작은 방울이 더 많이 합체되는 경향이 있음을 보여준다. 그러나 이것은 50ppm의 항유화제에 의해 표시된 것처럼 항상 그런 것은 아니다. 더 많은 항유화제를 첨가할수록 액적이 더 일찍 합체되는 경향이 있음이 추가로 관측되었다. 새로운 시스템(100)을 사용하면, 항유화제의 선택이 가시화되고, 기존의 병 테스트보다 산업 조건에 더 가까운 동적 전단 흐름에서 합체를 포착할 수 있다. 또한 이 테스트는 기존 테스트보다 빠르고 다양한다.
주어진 원유로부터 물을 분리하기 위해 사용되는 항유화제의 유형 및 그 농도를 결정하기 위한 방법이 이제 도 12와 관련하여 논의된다. 이 방법은 위에서 논의된 항유화제 테스트장치(100)를 사용한다. 이 방법은 특정 유형의 원유가 저장 유닛(192)에 제공되는 단계(1200)에서 시작된다. 주어진 원유에는 물이 포함되어 있지 않으며, 즉, 순수한 오일이다. 단계(1202)에서, 복수의 항유화제가 저장 유닛(194)에 이용가능하게 된다. 단계(1204)에서, 제어기(160)는 제1 항유화제를 선택하고, 단계(1206)에서 제어기는 항유화제의 제1 농도를 선택하고, 저장 유닛(194)으로부터의 제1 항유화제를 저장 유닛(192)에 있는 원유와 혼합한다. 원유와 항유화제의 혼합물은 그 다음 단분산 액적 생성 메커니즘(170)에 주입된다. 물도 또한 이 메커니즘으로 주입되고, 그래서 원유에 단 분산된 물방울이 원유 내에 생성된다. 다음 얻어진 에멀젼은 단계(1208)에서 미세유체 채널(110)에 주입되고, 그리고 채널이 이 에멀젼으로 채워진 후, 그 하단이 클램핑되어 닫힌다. 다음, (1210)단계에서, NIR 레이저 빔이 채널(110)의 바닥 영역을 통해 조사되고, (1212)단계에서, 채널(110)의 원유를 통해 떨어지는 물방울의 이미지들이 고속 카메라(130)로 촬영된다. (1214)단계에서, 제어기(160) 또는 시스템의 오퍼레이터는 주어진 시간 동안 관찰 체적 내부에서 합체된 물방울의 분율을 카운트한다. (1216)단계에서, 제어기는 시험된 농도가 선택된 항유화제에 대해 시험된 마지막 농도인지 여부를 확인한다. 대답이 아니오인 경우, 프로세스는 (1206)단계로 돌아가서 새로운 농도를 선택한다. 대답이 예이면, 프로세스는 마지막 항유화제가 테스트되었는지 여부를 결정하기 위해 (1218)단계로 진행한다. 대답이 아니오인 경우, 프로세스는 단계(1204)로 돌아가서 다른 항유화제를 선택하고 이전 단계를 반복한다. 대답이 예인 경우, 시스템은 예를 들어 도 11과 같이 결과를 표시한다. 그런 다음 작업자 또는 제어기는 예를 들어 도 11에서와 같이 가장 큰 합체 확률에 대해 최상의 항유화제와 최상의 농도를 선택한다. 예를 들어, 도 11의 곡선(1100)이 가장 좋은 것으로 간주되므로 제어기 또는 작업자는 이 곡선과 관련된 항유화제 및 농도를 주어진 원유에 대한 최상의 항유화제로 선택한다. 도 11의 곡선은 항유화제 비용을 최소화하기 위해 90%와 같은 특정 합체 확률을 달성하는데 필요한 최소 농도를 선택하는데 사용될 수도 있다. 도 12와 관련하여 논의된 방법은 주어진 유형의 원유에 대해 많은 항유화제 및 많은 관련 농도를 테스트할 수 있다.
상기 논의로부터 명백한 바와 같이, 신규 항유화제 테스트 시스템(100) 및 도 12와 관련하여 논의된 방법은 하나 이상의 다음 장점을 가진다:
1. 주어진 오일-물 에멀젼에 대한 항유화제를 선택하는데 사용되는 가장 일반적인 테스트 방법은 실험실 "병 테스트"다. 이것은 본질적으로 정적 테스트(에멀젼을 처음 교반한 후)이며, 즉, 에멀젼은 반복 가능한 전단 운동을 강제함이 없이, 시간이 지남에 따라 병에 가라앉는다. 도 12와 관련하여 논의된 방법은 인접한 물방울 사이에 전단을 생성하는 중력 구동 설정을 사용하며, 이는 실제 유수 분리기 용기에서 실제 흐름의 실제 역학을 더 잘 시뮬레이션하며, 필드 테스트에서 보다 신뢰할 수 있는 결과를 생성할 수 있다.
2. 미세유체 채널을 사용하는 것은 테스트되는 항유화제의 극소량만을 요구한다.
3. "병 테스트"는 결과를 얻기 위해 수 시간이 필요한 반면, 미세 유체 채널 테스트는 많은 항유화제 및 많은 해당 농도를 테스트하는데 단지 수십 분이 걸린다.
4. 여기서 논의된 방법은, 인접하는 마이크로채널들을 설계하는 것에 의해, 도 1B와 관련하여 논의된 바와 같이, 다중 에멀젼 농도를 동시에 테스트하도록 설정될 수 있으며, 이는 나란한 마이크로 채널 내로 향하는 상이한 항유화제 농도를 갖는 원유를 자동으로 테스트한다.
5. 여기에 논의된 신규 방법은 단분산 액적 크기를 사용하며, 그래서 각 항유화제의 합체 효율에 대한 액적 크기의 영향을 나타내는 데 사용할 수 있다. 이것은 전통적인 "병 테스트"에서는 불가능한다.
오일로부터 물을 분리하는데 가장 효율적인 항유화제 및 그 농도/비율을 결정하기 위한 방법이 이제 도 13과 관련하여 논의된다. 이 방법은 제 1 비율을 갖는 제 1 혼합물을 얻기 위해서 오일을 제1 항유화제와 혼합하는 단계(1300)와, 제 1 혼합물에 물방울을 생성하는 단계(1302), 미세 유체 채널에서 제 1 혼합물에 있는 물방울을 펌핑하는 단계(1304), 레이저 빔을 미세 유체 채널을 통해 보내는 단계(1306), 카메라로 제1 혼합물의 물방울 이미지를 기록하는 단계(1308), 중력에 의한 자유낙하 시 미세 유체 채널로 합체되는 물방울의 백분율을 계산하는 단계(1310)를 포함한다.
방법은 원유와 제1 항유화제의 추가적인 비율들과, 또한 추가적인 항유화제들과, 및/또는 다양한 비와 다양한 항유화제에 대해서 미세 유체 채널내에 합체하는 물방울의 퍼센트를 비교하는 것과, 및/또는 오일에서 합체되는 물방울의 가장 높은 퍼센트를 가지는 항유화제와 그 비율을 선택하는 것과, 및/또는 물방울을 중력에 대해서 제1 혼합물에 펌핑하는 것과, 및/또는 물방울과 제1 혼합물이 채널에서 흘러나가는 것을 방지하기 위해서 채널의 하단 영역을 클램핑하는 것과, 및/또는 레이저 빔을 생성하는 레이저 소스와 채널 사이에 고정된 확산기를 위치키시는 것과, 그리고 레이저 소스와 채널 사이에 레이저 빔을 확산시키기 위해서 움직일 수 있는 확산기를 위치시키는 것을 위해서 상기 단계들을 반복하는 단계를 더 포함할 수 있다.
한 응용에서, 레이저 빔은 근적외선이다. 방법은 제1 혼합물의 2개의 스트림을 물의 스트림과 혼합하여 물방울을 형성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 미세 유체 채널은 병렬로 배열된 복수의 채널을 포함한다. 다른 실시예에서, 미세 유체 채널의 적어도 2개의 측면은 1 mm 미만이다. 미세 유체 채널의 단면이 정사각형 또는 직사각형인 것이 가능하다.
개시된 실시예는 주어진 원유 샘플로부터 물을 분리하기 위해 복수의 항유화제 및 복수의 농도를 시험하는데 사용되는 항유화제 테스트 장치 및 대응하는 방법을 제공한다. 이 설명은 본 발명을 제한하려는 것이 아님을 이해해야 한다. 반대로, 예시적인 실시예는 첨부된 특허청구범위에 의해 정의된 본 발명의 사상 및 범위에 포함되는 대안, 수정 및 균등물을 포함하도록 의도된다. 또한, 예시적인 실시예의 상세한 설명에서, 청구된 발명의 포괄적인 이해를 제공하기 위해 다수의 특정 세부사항이 제시된다. 그러나, 당업자는 이러한 특정 세부사항 없이 다양한 실시예가 실시될 수 있음을 이해할 것이다.
본 실시예의 특징 및 요소가 실시예에서 특정 조합으로 설명되었지만, 각 특징 또는 요소는 실시예의 다른 특징 및 요소 없이 단독으로 또는 개시된 다른 특징 및 요소와 함께 또는 개시되지 않은 다양한 조합으로 사용될 수 있다
이 기술된 설명은 임의의 장치 또는 시스템을 만들고 사용하고 임의의 통합된 방법을 수행하는 것을 포함하여 당업자가 동일한 것을 실행할 수 있도록 공개된 주제의 예를 사용한다. 주제의 특허 가능한 범위는 청구범위에 의해 정의되며, 당업자에게 발생하는 다른 예를 포함할 수 있다. 그러한 다른 예는 청구범위의 범위 내에 있는 것으로 의도된다.
Figure pct00016

Claims (20)

  1. 오일로부터 물을 분리하는데 가장 효율적인 항유화제 및 그 농도를 선택하는 방법으로서:
    제1 농도를 가지는 혼합물(620)을 얻기 위해서, 건조 오일(902)을 항유화제(904)와 혼합하는 것(1300);
    물방울(610)을 상기 혼합물(620)내에 발생시키는 것(1302);
    물방울(610)과 혼합물(620)을 미세 유체 채널(110) 내로 펌핑하는 것(1304);
    레이저 빔(122)를 미세 유체 채널(110)을 통해 보내는 것(1306)
    카메라(130)로 혼합물(620)에서 물방울(610)의 이미지를 기록하는 것(1308); 및
    중력에 의해서, 혼합물(620)을 통해서 자유 낙하할 때, 미세유체 채널(110) 내에서 합체하는 물방울의 퍼센트를 계산하는 것(1310)을 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    원유 내 추가적인 항유화제의 농도와 추가적인 항유화제에 대해서 제1항의 단계들을 반복하는 것을 더 포함하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    다양한 농도들과 다양한 항유화제에 대해서 미세 유체 채널 내에서 합체하는 물방울의 퍼센트를 비교하는 것을 더 포함하는 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    오일 내 합체된 물방울의 가장 높은 퍼선트를 가지는 항유화제 및 농도를 선택하는 것을 더 포함하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    중력에 대항해 미세유체채널내로 물방울과 에멀전을 펌핑하는 것을 더 포함하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    채널 밖으로 물방울과 에멀젼이 흘러나가는 것을 방지하기 위해서 채널의 하부 영역을 클램핑하는 것을 더 포함하는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    레이저 빔을 생성하는 레이저 원과 채널 사이에 고정 확산기를 위치시키는 것; 및
    레이저 원과 채널 사이에 레이저 빔을 확산시키기 위해서 이동가능한 확산기를 위치시키는 것을 더 포함하는 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    레이저 빔은 근적외광인 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    물방울을 생성하기 위해서 미세 유체 크로스-정션내로 항유화제-오일 혼합물의 두 스크림과 물의 스트림을 결합하는 것을 더 포함하는 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    미세유체채널은 평행하게 배열된 복수의 채널을 포함하는 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    미세 유체 채널의 적어도 두 측면은 1 mm 미만인 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    미세유체채널의 단면은 정사각형인 방법.
  13. 1 mm 보다 작은 적어도 두개의 측면을 가지는 미세유체체널(110), 여기서, 미세유체채널(110)은 수직 방향으로 연장되며;
    레이저 빔(122)를 생성하도록 구성된 레이저원(120), 여기서, 레이저 빔(122)은 미세유체채널(110)을 통과하도록 지시되며;
    미세유체채널(110)을 통과한 후, 레이저빔(122)를 수신하도록 위치된 카메라(130); 및
    미세유체채널(110)에 유체적으로 연결된 단분산 액적 생성 메카니즘(170);
    을 포함하고, 여기서, 단분산 액적 생성 메카니즘(170)은 물방울(610)을 건조 오일(902)과 항유화제(904)의 혼합물내에 생성시키는 항유화제 테스트 시스템(100).
  14. 제13항에 있어서,
    레이저 원과 미세 유체 채널 사이에 위치된 정적 확산기; 및
    레이저 원과 미세 유체 채널 사이에 위치된 이동가능한 확산기를 더 포함하는 시스템(100).
  15. 제13항에 있어서,
    단분산 액적 생성 메카니즘(170)에 오일과 항유화제의 혼합물의 두 흐름과 물의 한 흐름이 공급되는 시스템(100).
  16. 제13항에 있어서,
    단분산 액적 생성 메카니즘(170)에서 다양한 혼합물을 생성하고,
    다양한 혼합물에 대해서 미세유체채널 내에 합체된 물방울의 퍼센트를 비교하고, 그리고
    혼합물에서 합체된 물방울의 가장 높은 퍼센트를 성취하는 오일 내 항유화제 및 항유화제의 농도를 선택
    하도록 구성된 제어기(160)를 더 포함하는 시스템(100).
  17. 제13항에 있어서,
    레이저 원은 근 적외광을 발생하도록 구성된 레이저원을 포함하는 시스템(100).
  18. 제13항에 있어서,
    미세유체채널은 평행하게 배치된 복수의 채널을 포함하는 시스템(100).
  19. 제13항에 있어서,
    미세유체채널의 적어도 두개의 측면은 1 mm 미만인 시스템(100).
  20. 제13항에 있어서,
    미세유체채널의 단면은 정사각형인 시스템(100).
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113967368B (zh) * 2021-12-23 2022-03-22 胜利油田华海石化有限责任公司 一种油品脱水装置
US11852648B2 (en) * 2022-02-24 2023-12-26 Saudi Arabian Oil Company Crude oil demulsifier characterization
CN116698795A (zh) * 2023-08-04 2023-09-05 东北石油大学三亚海洋油气研究院 定量表征冲击油水界面液膜乳化强度的装置及方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8528589B2 (en) * 2009-03-23 2013-09-10 Raindance Technologies, Inc. Manipulation of microfluidic droplets
FR2978924B1 (fr) * 2011-08-11 2013-09-20 Commissariat Energie Atomique Nouveau procede de destabilisation d'une emulsion de pickering
EP2938208B2 (en) * 2012-12-28 2023-08-02 Société des Produits Nestlé S.A. Emulsifier system
WO2017075072A1 (en) * 2015-10-26 2017-05-04 University Of Wyoming Methods of generating microparticles and porous hydrogels using microfluidics
JP6931540B2 (ja) * 2017-02-27 2021-09-08 シスメックス株式会社 検体処理チップを用いた送液方法、検体処理チップの送液装置

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