NO312404B1

NO312404B1 - In-line elektrostatiske koalescer med doble heliske elektroder

Info

Publication number: NO312404B1
Application number: NO20002383A
Authority: NO
Inventors: Pal J Nilsen; Ole-Morten Midtgard; Gorm Sande
Original assignee: Aibel As
Priority date: 2000-05-05
Filing date: 2000-05-05
Publication date: 2002-05-06
Also published as: DE60141023D1; NO20002383L; WO2001085297A1; NO20012238D0; OA12328A; WO2001085297A9; US6811693B2; BR0110495B1; BR0110495A; NO20002383D0; NO20012238L; NO314714B1; EP1299167B1; EP1299167A1; ATE454198T1; US20030155310A1

Description

Teknisk område

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en elektrisk drevet anordning for koalescing av et første ledende fluid, emulgert i et andre fluid omfattende: - et rørelement, som har i det minste en fluidinngang, og i det minste en fluidutgang, nevnte rørelement definerer en strømningskanal for en emulsjon av det første og andre fluid fra dets innløpsside til dets utløpsside og omfattende i det minste en del med et elektrisk isolerende lag, nevnte kanal har et generelt rundt eller elliptisk tverrsnitt, og - et interaktivt par av en første og en andre elektrode som er separert med et mellomrom og arrangert på utsiden av og tilliggende den i det minste ene isolerende lagdel som atskiller elektrodene fra kanalen og derved fra umiddelbar kontakt med emulsjonen, og et spenningsforsyningsmiddel som forsyner den første og den andre elektrode med en pulserende eller alternerende spenning med det formål å utsette det første og andre fluid som strømmer gjennom strømningskana-len for et elektrostatisk felt.

Siden oppfinnelsen er spesielt rettet mot elektrostatisk

koalesceranordninger for å fremme koalescering av vann i en emulsjon omfattende olje og vann, vil den bli beskrevet med referanse til en slik applikasjon. Imidlertid skal det forstås at den også kan benyttes på alle typer koalescer-applikasjoner i hvilke det er mulig å påvirke og fremme koalescensen av det første fluid i en emulsjon omfattende et første og et andre fluid ved hjelp av et elektrisk felt på-ført emulsjonen.

Selv om oppfinnelsen er brukbar for alle typer oljebehand-lingslinjer, er den spesielt fordelaktig i offshore-applikasjoner i hvilke en koalescer er plassert med det formål å fremme eller effektuere en preseparering av vann fra olje, eller vanndråpeforstørrelse, før en uttrukket emulsjon omfattende olje og vann videre ledes til en etter-følgende klaringstank for graviteringsklaring av oljen. I en slik applikasjon bidrar koalesceren til en viktig senk-ning av den totale vekt av klaringsarrangementet.

Oppfinnelsens bakgrunn

I oljeindustrien hvor olje ekstraheres fra en eller flere brønner i et oljefelt vil olje bli ekstrahert sammen med vann. Vannet må fjernes fra oljen og dette gjøre vanligvis ved hjelp av klaringstanker i hvilke oljen tillates å skil-les ut ved hjelp av gravitasjonskraft. Imidlertid kan komp-lekse olje-vann-emulsjoner utvikles i løpet av ekstrahe-ringen av oljen. For eksempel kan fjerningen av gass fra olje-vann-emulsjonen ved hjelp av gass-væske-sykloner bidra til en mer kompleks emulsjon, noe som gjør det vanskelig å separere kun ved hjelp av klaring.

Kjent teknikk

Det er velkjent å arrangere såkalte elektrostatiske koalescere med det formål å oppnå en destabilisering av vann-i-olje-emulsjoner, det vil si en vanndråpeforstørring eller koalescens av vann i oljen.

US 4,601,834 beskriver en elektrostatisk koalescer, i hvilken en av elektrodene er plassert ved den indre periferi av et rør som definerer en passasje, mens den andre elektrode er plassert ved den ytre periferi av det samme rør på den motsatte side derav. Et slikt arrangement har den ulempen at den indre elektrode må dekkes med et isolerende materia-le og at den indre elektrode også vil være til fysisk hin-der for emulsjonen som flyter i passasjen gjennom koalesceren. Imidlertid har dagens koalescere med et rundt eller elliptisk kanaltverrsnitt fremdeles denne noe ufordelaktige design.

I en artikkel av 0. Urdahl et al. med tittelen "Electrosta-tic destabilisation of water-in-oil emulsions under condi-tions of turbulent flow", Trans IchemE, volum 74, Del A, mars 1996, sidene 158-165, legges det frem en elektrostatisk koalescer med elektroder som er plassert på motsatte sider av og på utsiden av et rør som definerer en strøm-ningskanal med et rektangulært tverrsnitt. Elektrodene er parallelle plater som er isolert fra emulsjonen med en isolerende vegg av koalescerrøret. Et antall elektrodepar er plassert i lengderetningen til røret. Imidlertid er ulempen med et slikt arrangement en ikke-optimal fordeling av det elektriske felt over tverrsnittet til emulsjonens strøm-ningskanal. Videre, for fullskala applikasjoner, er en rek-tangulær kanal ikke praktisk. Imidlertid vil en kanal med et rundt eller elliptisk tverrsnitt være å foretrekke.

Oppfinnelsens formål

Det er et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en elektrisk drevet koalesceranordning med aktive elektroder som spares for direkte kontakt med en emulsjon som behandles ved hjelp av anordningen. Konstruksjonen av anordningen skal fremme en optimal fordeling av et elektrisk felt over tverrsnittet til emulsjonens strømningskanal. Anordningen skal også være operativt pålitelig og fremme et enkelt ved-likehold .

Kort beskrivelse av oppfinnelsen

Formålet med oppfinnelsen oppnås ved hjelp av den innled-ningsvis definerte anordning, karakterisert ved at den første og andre elektrode strekker seg kontinuerlig og generelt parallelt i lengderetning av eller helisk rundt strømningskanalen for å fremme en optimalisert fordeling av et elektrisk felt over tverrsnittet av emulsjonskanalen.

Utstrekning parallelt i eller med lengderetningen av kanalen korresponderer til det ekstreme tilfellet av en heliks med en uendelig stigning. I et slikt tilfelle er det foretrukket at de respektive elektroder er platelignende og

fremstiller en indre kurve som er generelt parallell med

den tilliggende indre periferi av rørelementet, det vil si til den tilliggende ytre periferi av kanalen. Elektrodene definerer så to lag eller foringer, plassert ved motsatte sider av kanalen og omsluttende minst en del av kanalens tverrsnitt.

Fortrinnsvis har strømningskanalen definert av den indre periferi av rørelementet et generelt rundt tverrsnitt. I fullskala applikasjoner for behandling av olje-vann-emulsjoner er dette en fordelaktig design, og det doble heliske arrangement av elektrodene vil resultere i et spesielt godt distribuert elektrisk felt i en kanal med et slikt tverrsnitt.

Rørelementet er fortrinnsvis generelt sylindrisk, elektrodene er enten festet til den ytre periferi av rørelementet eller plassert på innsideveggen av rørelementet. I det sis-te tilfellet er elektrodene fortrinnsvis støpt inn i rør-elementveggen eller satt inn i prearrangerte fordypninger.

Rørelementet omfatter fortrinnsvis et indre lag som er tilpasset til å være i direkte kontakt med emulsjonen til det første og andre fluid som flyter gjennom strømningskanalen og være i stand til å motstå høye elektriske felt, et mellomliggende lag i direkte kontakt med elektrodene og i stand til å motstå høye elektriske felt og et ytre lag. Ma-terialet til en av lagene bør være tilpasset til å motstå trykklasten bedre enn materialene i de andre lagene. Det indre lagmaterialet bør være kjemisk kompatibelt med emulsjonen og motstandsdyktig mot høye elektriske felt. Eksemp-ler på slike materialer er PEEK, pleksiglass og termoplas-tikk. Hovedbestanddelen av det mellomliggende laget er fortrinnsvis en herdbar harpiks, slik som epoksy, eller et polymerkomposittmateriale, mens hovedbestanddelen til det ytre lag fortrinnsvis er en polymer eller en fiberforsterket polymer eller stål. Elektrodene er fortrinnsvis plassert i det mellomliggende lag.

Ytterligere trekk og fordeler med den foreliggende oppfinnelse presenteres i den følgende detaljerte beskrivelse og ytterligere avhengige krav.

Kort beskrivelse av tegningene

Nedenfor vil foretrukne utførelser av anordningen i henhold til oppfinnelsen bli beskrevet i nærmere detalj med referanse til de vedlagte tegningene, av hvilke: figur 1 er et perspektivbilde som viser en første utførelse av den inventive anordning,

figur 2 er et perspektivbilde som viser en andre utførelse av den inventive anordning,

figur 3 er en tverrsnitt i henhold til III-III i figur 2, og

figur 4 er en tverrsnitt i henhold til IV-IV i figur 2.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

Figur 1 viser en første utførelse av koalesceranordningen i henhold til oppfinnelsen. Koalesceren omfatter et rørele-ment 1, som definerer en sylinder med en inngang 2 og en utgang 3. Rørelementet 1 omgir og definerer en strøm-ningskanal 4 for et medium. Kanalen har et generelt rundt

tverrsnitt. Fortrinnsvis er rørelementet 1 plassert i linje med et rør eller leder for leding av en emulsjon omfattende et første og et andre fluid. Emulsjonen kan være en i hvilken en av fluidene har slike karakteristika at koalescensen derav kan oppnås som et resultat av et elektrisk felt som

blir påført emulsjonen. I en spesielt foretrukket applikasjon er rørelementet plassert i linje med et rør for å lede en ekstrahert olje-vann-emulsjon fra en brønn til en klaringstank. Det første fluid er da vann og det andre fluid er olje, og vannkoalescensen er påvirket og promotert ved

hjelp av den inventive koalscer før emulsjonen når en et-terfølgende klaringstank (ikke vist).

Anordningen omfatter en første elektrode 5 og en andre elektrode 6 festet til rørelementet 1 av den ytre overflate derav. Rørelementets 1 vegg definerer et elektrisk isolerende del som separerer elektrodene 5, 6 fra kanalen 4' og derved fra umiddelbar kontakt med mediet som flyter gjennom dette.

Elektrodene 5, 6 er typisk kobberelektroder som strekker seg helisk rundt den ytre periferi av rørelementet 1. De strekker seg over den samme seksjon som rørelementet 1. De er enten støpt sammen med rørelementet og derved festet til dette eller festet til den ytre overflate ved et hvilket som helst passende middel, for eksempel ved liming. De er separert med et mellomrom eller forskjøvet i lengderetning av rørelementet 1, slik at, takket være elektrodenes inter-aksjon, et passende distribuert elektrisk felt genereres i kanal 4 når en pulsert spenning eller en alternerende spenning påføres elektrodene under drift av koalesceren.

Hver elektrode er kontinuerlig og har bare et elektrisk forbindelsespunkt. En av dem er forbundet til jord, mens den andre er forbundet til en spenningsforsyningskilde.

Elektrodene bør ha et symmetrisk tverrsnitt, for eksempel rundt, eller ha en mer platelignende design. I utførelsene til figur 1-4 er de platelignende og fremviser en kurve som korresponderer til (er parallell med) den indre periferi av de respektive tilliggende deler av den indre periferi av rørelementet 1, som er den ytre periferi av kanalen 4. For det ekstreme tilfelle av en uendelig helikal stigning, som er parallelle elektroder som strekker seg mot motsatte sider av kanalen 4, foretrekkes platelignende elektroder som inneholder en del, fortrinnsvis en stor del, av kanalen 4. For et rørelement med en indre diameter på 4 0 mm er mellom-rommet, det vil si distansen mellom elektrodene, i området 5-30 mm og vidden av de platelignende elektrodene i området 15-35 mm. Helikskurven definert ved hver elektrode har fortrinnsvis en stigning i området 50-110 mm/omgang. I dette tilfellet vil spenningen være opp til 10 kV.

Den indre diameter av rørelementet 1, det vil si diameteren av kanal 4, er i området 25-500 mm. Distansen mellom og vidden av elektrodene, stigningen og spenningen avhenger av den indre diameter.

En spenningsforsyning (ikke vist) forsyner den første og den andre elektrode 5, 6 med en pulserende unipolar høy-spenning, det vil si pulserende DC i frekvensområdet fra 1-2000 Hz, fortrinnsvis 10-500 Hz og mest fortrinnsvis 50-500 Hz. Alternativt forsyner spenningsforsyningen den første og andre elektrode med en alternerende spenning, med de samme frekvenser som for den pulserende DC. Forskjellen i kla-ringsoppførselen til en olje-vann-emulsjon i det ovenfor nevnte området er heller liten, men spesielt når det første fluid er saltvann er høyere intervaller foretrukket.

Det må imidlertid påpekes at det optimale frekvensområdet avhenger av de elektriske egenskapene til emulsjonen og ma-terialet i rørelementet, og også av rørelementets 1 design (tykkelsen på det/de isolerende lag).

Høyspenning er foretrukket, fra 1 kV opp til omtrent 100 kV AC, og høyere spenning kan påføres for å kompensere, men kun til en viss grad, for ikke-ideell frekvens.

Figurene 2-4 viser en alternativ utførelse av den inventive koalescer, ved hvilken rørelementet omfatter et antall in-dividuelle sammenkoblede lag 7-9. Her omfatter anordningen tre lag, nemlig et indre lag 7 tilpasset til å være i direkte kontakt med emulsjonen av første og andre fluid som flyter inn i strømningskanalen 4, et mellomliggende lag 8 i direkte kontakt med elektrodene 5, 6 og et ytre lag 9. Fortrinnsvis er i det minste det indre og mellomliggende lag elektrisk isolerende og i stand til å motstå sterke elektriske felt. I det minste et av lagene, fortrinnsvis det ytre lag, bør være tilpasset til å motstå trykklasten bedre enn de andre lagene.

Figur 4 viser rørelementet i henhold til figurene 2 og 3 som er forsynt med et middel 10 for å koble rørelementet 1 i linje med en rørledning (ikke vist) for å lede emulsjonen. Midlene 10 omfatter et par flenser arrangert ved hen-holdsvis inngangssiden og utgangssiden av rørelementet 1 og tilpasset til å være forbundet med rørledningen. Derved kan koalseceren lett arrangeres i linje med rørledningen og også lett erstattes i tilfelle feil eller behov for vedli-kehold .

I figur 4 er det også vist en fordypning 11 i rørelementet 1 for å sette inn en forbindelse mellom elektrodene 5, 6 og en spenningsforsyningskilde.

For rørledninger av større dimensjoner, hvor tverrsnittet av rørledningen er stort, kan det være passende å benytte et antall parallelle rørelementer 1 med mindre tverrsnitt-områder for å holde de påkrevde spenninger på et fornuftig nivå for å oppnå den ønskede elektriske feltstyrke over strømningskanalen 4 av hvert slikt rørelement 1. Deretter bør flensene 11 erstattes med eller i det minste suppleres med passende forgreningsforbindelser.

Det bør forstås at et antall alternative utførelser av den inventive anordning vil være åpenbar for fagfolk på området uten å gå utover omfanget av oppfinnelsen slik den er av-grenset av de vedlagte krav understøttet av beskrivelsen og tegningene.

Claims

1. Elektrisk drevet anordning for koalescing av et første ledende fluid, emulgert i et andre fluid omfattende: - et rørelement (1), som har i det minste en fluidinngang (2), og i det minste en fluidutgang (3), nevnte rørelement (1) definerer en strømningskanal (4) for en emulsjon av det første og andre fluid fra dets innløpsside til dets utløps-side og omfattende i det minste en del med et elektrisk isolerende lag, nevnte kanal (4) har et generelt rundt eller elliptisk tverrsnitt, og - et interaktivt par av en første og en andre elektrode (5, 6) som er separert med et mellomrom og arrangert på utsiden av og tilliggende den i det minste ene isolerende lagdel som atskiller elektrodene (5,6) fra kanalen og derved fra umiddelbar kontakt med emulsjonen, og et spenningsforsyningsmiddel som forsyner den første og den andre elektrode (5,6) med en pulserende eller alternerende spenning med det formål å utsette det første og andre fluid som strømmer gjennom strømningskanalen for et elektrostatisk felt, karakterisert ved at den første og andre elektrode (5, 6) strekker seg kontinuerlig og generelt parallelt i lengderetning av eller helisk rundt strømningska-nalen (4) for å fremme en optimalisert fordeling av et elektrisk felt over tverrsnittet av emulsjonskanalen.

2. Anordning i henhold til krav 1, karakterisert ved at i det minste en av den første og andre elektrode (5, 6) er festet til den ytre periferi av det elektrisk isolerende lag.

3. Anordning i henhold til et av kravene 1-2, karakterisert ved at rørelementet (1) generelt er sylindrisk.

4. Anordning i henhold til et av kravene 1-3, karakterisert ved at den første og andre elektrode (5) er festet til den ytre overflate av rørele-mentet (1) .

5. Anordning i henhold til et av kravene 1-3, karakterisert ved at den første og andre elektrode (5, 6) er plassert på innsideveggen av rørele-mentet (1) .

6. Anordning i henhold til krav 5, karakterisert ved at rørelementveggen be-står av et antall elektrisk isolerende lag (7, 8, 9), omfattende - et indre lag (7) tilpasset til å være i direkte kontakt med emulsjonen til den første og andre fluidstrøm i strøm-ningskanalen (4) og være i stand til å motstå høye elektriske felt, - et mellomliggende lag (8) i direkte kontakt med elektrodene (5, 6) og i stand til å motstå høye elektriske felt, og - et ytre lag (9).

7. Anordning i henhold til krav 6, karakterisert ved at hovedbestanddelen av det indre lag (7) er en av PEEK, Pleksiglass og en termoplast.

8. Anordning i henhold til krav 6 eller 7, karakterisert ved at hovedbestanddelen av det mellomliggende lag (8) er et herdbar harpiks eller et polymer komposittmateriale.

9. Anordning i henhold til et av kravene 7-8, karakterisert ved at hovedbestanddelen av det ytre lag (9) er et fiberforsterket polymer.

10. Anordning i henhold til et av kravene 1-9, karakterisert ved at den omfatter midler (10) for å linjekoble rørelementet med en rørledning for å lede emulsjonen.

11. Anordning i henhold til et av kravene 1-10, karakterisert ved at den er forbundet til et spenningsforsyningsmiddel som forsyner den første og andre elektrode med en pulserende unipolar høyspenning i frekvensområdet fra 1 Hz til 2000 Hz.

12. Anordning i henhold til et av kravene 1-11, karakterisert ved at den er forbundet til et spenningsforsyningsmiddel som forsyner den første og andre elektrode med en alternerende spenning i frekvensområdet fra 1 Hz til 2000 Hz.