NO314714B1 - Innretning for separering av fluida samt anvendelse av denne - Google Patents

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 innløps-side 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 arrangert på utsiden og tilliggende i det minste en isolerende lagdel av rørelementet og forsynt med en pulserende eller alternerende spenning med det formål å utsette det første og andre fluid som strømmer gjennom strømningskanalen 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 påført 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 forseparering av vann fra olje, eller vanndråpeforstørrelse, før en uttrukket emulsjon omfattende olje og vann videre ledes til en et-terfølgende sedimenteringstank for graviteringssedimente-ring av oljen. I en slik applikasjon bidrar koalesceren til en viktig senkning av den totale vekt av sedimente-ringsarrangementet, siden en redusert sedimenteringstid vil redusere det nødvendige tankvolum.

Oppfinnelsens bakgrunn

I oljeindustrien hvor olje utvinnes fra en eller flere brønner i et oljefelt vil olje bli ekstrahert sammen med vann. Vannet må fjernes fra oljen og dette gjøres vanlig-vis ved hjelp av sedimenteringstanker i hvilke oljen til-lates å skilles ut ved hjelp av gravitasjonskraft. Imidlertid kan komplekse olje-vann emulsjoner utvikles i løpet av utvinningen 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 sedimentering.

Som et alternativ eller supplement til sedimenteringsbe-handling, har elektrostatisk behandling av olje og vann blitt benyttet av oljeindustrien i mange år som hjelp ved separasjon av vann fra en oljekontinuerlig strøm. Behandling av en vann-i-olje-emulsjon ved å passere den gjennom et høyspent elektrostatisk felt har blitt vist å fremme hurtig koalescens av vanndråpene, hvilket fører til hurtig separasjon.

Kjent teknikk

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

Kjent teknikk som foreslått av WO 99/62611, omfatter en koalescer hvor en eller flere senterelektroder er innret-tet i et rør. Ifølge en utførelse definerer røret en jor-det elektrode, og senterelektroden drives med et elektrisk potensial, valgt å frembringe det ønskede elektrostatiske felt, som kan være opptil 15 kilovolt.

Ifølge en annen utførelse er en rekke senterelektroder arrangert i en konsentrisk oppstilling inne i røret. Annen-hver elektrode drives med en elektrisk kraftforsyning, mens de andre er koblet til jord. Elektrostatiske felt blir derved generert mellom de drevne og jordede elektroder.

Et alternativ til løsningen presentert i WO 99/62611 er beskrevet i en artikkel av 0. Urdahl et al. med tittelen "Electrostatic destabilisation of water-in-oil emulsions under conditions of turbulent flow", Trans IchemE, volum 74, Del A, mars 1996, sidene 158-165. I dette dokument legges frem en elektrostatisk koalescer med elektroder som er plassert på motsatte sider av og på utsiden av et rør som definerer en strømningskanal med et rektangulært tverrsnitt. Elektrodene er parallelle plater som er isolert fra emulsjonen med en isolerende vegg av koalescerrø-ret. Et antall elektrodepar er plassert i lengderetningen til røret.

Søkeren har ytterligere utviklet koalesceren som foreslått av Urdahl et al. ved å tilveiebringe en innretning hvor de første og andre elektroder er atskilt med en spalte og generelt strekker seg parallelt i lengderetningen av eller helisk rundt strømningskanalen. Derved oppnås det en fordelaktig fordeling av det elektriske felt i strømningska-nalen gjennom hvilken den behandlede emulsjon strømmer. Fortrinnsvis har strømningskanalen definert av den indre omkrets av rørelementet et generelt sirkulært tverrsnitt. Dette er en fordelaktig utforming i fullskala applikasjo-ner for behandling av olje-vann-emulsjoner, og det doble heliske arrangement av elektrodene vil resultere i et særlig godt fordelt elektrisk felt i en kanal med et slikt tverrsnitt.

Imidlertid er hovedulempen ved en slik utforming at det kreves en meget høy påtrykt spenning hvis tverrsnittet av røret er stort.

Oppfinnelsens formål

Det er et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en elektrisk drevet koalesceranordning med en konstruksjon som fremmer anvendelse av relativt lave spenninger for å oppnå koalesceringseffekten på den behandlede emulsjon, selv for store tverrsnitt av røret.

Konstruksjonen av anordningen skal fremme en optimal fordeling av et elektrisk felt over tverrsnittet til emulsjo-nens strømningskanal. Anordningen skal også være operativt pålitelig og fremme et enkelt vedlikehold. Det skal ikke være tilbøyelighet til kortslutning mellom elektrodene.

Kort beskrivelse av oppfinnelsen

Formålet med oppfinnelsen oppnås med en anordning ifølge det vedføyde patentkrav 1. Ytterligere fordelaktige utfø-relsesformer av oppfinnelsen fremgår av de etterfølgende uselvstendige krav 2-10. Oppfinnelsen finner særlig anvendelse ved separering av olje og vann, slik det fremgår av det vedføyde patentkrav 11. Anordningen ifølge oppfinnelsen omfatter minst en passiv senterelektrode, laget av et ledende materiale, arrangert i kanalen og elektrisk isolert fra de første og andre elektroder. Ved passiv menes at senterelektroden ikke er koblet til noen spenning eller strømkilde. Senterelektroden vil øke den elektriske felt-styrke i fluidet, men vil også redusere fluidets tverrsnitt.

Den minst ene senterelektrode er plassert motsatt den første og andre elektrode, innen nevnte elektrostatiske felt generert av den første og andre elektrode. Dette betyr at elektroden er arrangert i den samme longitudinale seksjon av rørelementet som hvor elektrodene er arrangert.

For å oppnå en best mulig feltfordeling når fritt vann

(særlig hvis det ikke er i kontakt med senterelektroden)

er tilstede i koalescerrørelementet, bør senterelektroden ha et flytende potensial, som betyr at den ikke bør være koblet til jord. Dette gjelder særlig i de tilfeller hvor koalesceren er plassert i en generelt horisontal posisjon og det første ledende fluid ikke kommer i kontakt med og ikke elektrisk lader senterelektroden. Følgelig er senterelektroden elektrisk isolert fra jord.

Hvis koalescerrørelementet er orientert generelt vertikalt, vil systemet være symmetrisk. Da er det ingen grunn til å ha en senterelektrode med flytende potensial. I dette tilfellet blir senterelektroden fortrinnsvis koblet til jord.

Fortrinnsvis er senterelektroden langstrakt og generelt koaksial med kanalen i rørelementet. Tverrsnittet av senterelektroden bør være sirkulært eller elliptisk.

Ifølge en utførelse er senterelektroden belagt med et elektrisk isolerende materiale. Et belegg vil redusere tendensen til at emulsjonen lader senterelektroden, og reduserer derved behovet for å koble elektroden til jord.

Tverrsnittet av senterelektroden bør være minst 10 %, fortrinnsvis minst 20 %, og mest fortrinnsvis i det minste 25 % av tverrsnittet av kanalen i rørelementet. Hvis både kanal og senterelektrode har et sirkulært tverrsnitt, vil en elektrodediameter på minst 50 % av kanaldiameteren resultere i den ovenfor nevnte reduksjon av fluidtverrsnit-tet med minst 25 %, hvilket foretrekkes.

Ifølge en foretrukket utførelse har kanalen definert av rørelementet et generelt sirkulært eller elliptisk tverrsnitt, og den første og andre elektrode er atskilt med en spalte og strekker seg generelt parallelt med eller helisk rundt strømningskanalen. Derved oppnås det et fordelaktig fordelt elektrisk felt i strømningskanalen gjennom hvilken den behandlede emulsjon flyter.

Ytterligere egenskaper og fordeler ved foreliggende oppfinnelse fremlegges i den etterfølgende detaljerte beskrivelse og de ytterligere uselvstendige 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 delvis snittbilde av en utførelse av den innovative anordning, Figur 2 er et skjematisk tverrsnitt som viser en første utførelse av den innovative anordning, Figur 3 er et skjematisk tverrsnitt som viser en andre ut-førelse av den innovative anordning,

Figur 4 er et tverrsnitt etter IV-IV i figur 3,

Figur 5 er et perspektivbilde av en utførelse av en del av den innovative anordning, Figur 6 er et perspektivbilde av en alternativ utførelse av delen av den innovative anordning vist i figur 5, og Figur 7 er et tverrsnitt etter VII-VII i figur 6.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

Figur 1 viser en første utførelse av koalesceranordningen i henhold til oppfinnelsen. Koalesceren omfatter et røre-lement 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 "in line" med et rør eller leder for leding av en emulsjon omfattende et første og et andre fluid. Emulsjonen kan være en i hvilken et 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 sedimenteringstank. Det første fluid er da vann og det andre fluid er olje, og vannkoalescensen er påvirket og promotert ved hjelp av den innovative koalescer før emulsjonen når en etterfølgende sedimenteringstank (ikke vist).

Anordningen omfatter en første elektrode 5 og en andre elektrode 6 festet til rørelementet 1. Elektrodene 5,6 strekker seg langs nevnte element og er arrangert på den ytre overflate av kanal 4. Rørelementets 1 vegg definerer en 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 koblet til en transformator 10 via hvilken de drives elektrisk med enten en pulsert spenning eller en alternerende spenning. I dette tilfellet vil den nødvendige spenning være opptil 10 kilovolt. Transformatoren 10 er i den viste utførelse festet til en ytre omkrets av rørelementet 1, men den kan også være plassert på av-stand fra rørelementet 1. Transformatoren brukes til å øke spenningen fra en spenningsforsyning (ikke vist).

I kanalen 4 er det arrangert en senterelektrode, fortrinnsvis i form av et hult metallrør med en ledende overflate laget av for eksempel en kobberfolie eller en plate. I det minste er oppstrøms ende, som sett i emulsjonsstrøm-men, av metallrøret lukket. Fortrinnsvis er begge ender lukket. Senterelektroden kan også være i form av et generelt massivt metallegeme. Senterelektroden er passiv i den betydning at den ikke er koblet til noen spenning eller strømkilde. Et elektrisk felt generert i kanalen 4 av de første og andre elektroder 5, 6 vil påvirkes av senterelektroden 11 og vil være mer konsentrert i det gjenværen-de kanalområde mellom senterelektrode 11 og den indre omkrets av rørelementet 1. Figur 2 viser en utførelse hvor senterelektroden 11 er koblet til jord. Dette er særlig tilfelle når koalesceren generelt orienteres vertikalt eller når nivået av den vannkontinuerlige fase (fritt vann) er slik at den er i kontakt med senterelektroden 11, og derved elektrisk lader den siste. For å sikre en symmetrisk spenning er senter-punktet av sekundærviklingen 12 av transformatoren 10 koblet til jord. Figur 3 viser en annen utførelse hvor senterelektroden 11 ikke er koblet til jord. Denne utførelse foretrekkes når orienteringen av koalesceren ikke er vertikal og når emul-sjonsnivået er lavere enn et forhåndsbestemt nivå ved hvilket senterelektroden 11 lades elektrisk av emulsjonen.

Senterelektroden har fortrinnsvis en lengde korresponde-rende til lengden eller utstrekningen av de første og andre elektroder 5, 6 i den longitudinale retning av rørele-mentet 1. Siden emulsjonen underkastes koalescens og fritt vann i emulsjonen vil påvirke det elektriske felt, vil den elektriske feltfordeling være forskjellig i oppstrøms og nedstrøms deler av koalesceren. Fortrinnsvis er det i forhold til koalesceringen av emulsjonen en minskende felt-styrke i strømningsretningen av emulsjonen. Dette kan oppnås ved å bruke en serie av individuelle koalescere arrangert i strømningsretningen, hvor spenningen levert til enhver nedstrøms koalescer er lavere enn for den foregående oppstrøms koalescer. Alternativt er arrangementet av elektrodene forskjellig for enhver nedstrøms koalescer i forhold til den tilliggende oppstrøms koalescer slik at hver nedstrøms koalescer genererer et svakere elektrisk felt enn den foregående oppstrøms koalescer.

Som et alternativ til å bruke en rekke koalescere med forskjellig elektrodearrangement eller minskende spenning, blir tverrsnittet, fortrinnsvis tverrsnittsarealet, av en enkelt senterelektrode 11 redusert i den longitudinale retning av denne, hvilket reduserer feltstyrken som emulsjonen underkastes.

Det samvirkende par av elektroder 5, 6 er typisk kobber-elektroder 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 rørele-mentet 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 interaksjon, et passende distribuert elektrisk felt genereres i kanal 4 når en pulsert spenning eller en alternerende spenning påføres elektrodene under drift av koalesceren.

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.

Den indre diameter av rørelementet 1, det vil si diamete-ret 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 forsyner den første og den andre elektrode 5, 6 med en pulserende unipolar høyspenning, det vil si pulserende DC i frekvensområdet fra 1-2 000 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 sedi-menteringsoppførselen 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 rørelementmaterialet, og også av rørelementets 1 utførelse (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. Figur 5 viser en utførelse hvor de første og andre elektroder, 5, 6 er arrangert på den ytre omkrets av rørelemen-tet 1, mens de andre figurene viser foretrukne utførelser hvor de første og andre elektroder 5, 6 er arrangert i veggen av rørelementet 1. I det siste tilfellet vil det isolerende materiale i veggen motvirke kortslutninger mellom elektrodene 5, 6. Figur 6 viser en alternativ utførelse av den innovative koalescer, ved hvilken rørelementet omfatter et antall individuelle 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. Det indre lagmaterialet bør være kjemisk kompatibelt med emulsjonen og motstå høye elektriske felt. Eksempler på slike materialer er PEEK, pleksiglass eller en termaplast. Hovedbestanddelen av det mellomliggende lag er fortrinnsvis en herdbar harpiks, slik som epoksy, eller et polymer komposittmateriale mens hovedbestanddelen av det ytre lag fortrinnsvis er en polymer eller en fiberforsterket polymer eller stål. Elektrodene er fortrinnsvis plassert i det mellomliggende lag.

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

Det er å forstå at det ikke-heliske arrangement av de første og andre elektroder 5, 6 som illustrert i figur 1-3, er en alternativ måte å arrangere elektrodene på innen omfanget av oppfinnelsen, mens et annet mulig alternativ er det heliske arrangement vist i figur 5-7.

Det er å forstå at forskjellige antall av og forskjellige arrangementer så vel som geometri fra det som er vist her er mulig for senterelektroden, men at slike alternative utførelser alle dekkes av omfanget av oppfinnelsen som definert i de vedføyde krav.

Claims (11)

1. En elektrisk drevet anordning for koalescing et førs-te 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 (I) definerer en strømningskanal (4) for en emulsjon av det første og andre fluid fra dets innløpsside til dets utløpsside og omfattende i det minste en del med en elektrisk isolerende veggdel, og - et interaktivt par av en første og en andre elektrode (5, 6) atskilt fra det første og det andre fluid med i det minste en isolerende veggdel av rørelementet (1) og forsynt med spenning med det formål å utsette det første og andre fluid som strømmer gjennom strømningskanalen for et elektrostatisk felt, karakterisert ved at den omfatter minst en passiv senterelektrode (11) laget av et ledende materiale, arrangert i kanalen (4) og elektrisk isolert fra de første og andre elektroder (5, 6), idet den minst ene senterelektrode (11) er plassert motsatt den første og andre elektrode, innen nevnte elektrostatiske felt generert av den første og andre elektrode (5, 6), og ved at tverrsnittet av senterelektroden (11) er minst 10 %, fortrinnsvis minst 20 % og mest fortrinnsvis minst 25 % av tverrsnittet av kanalen (4) av rørelementet (1).

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at senterelektroden (II) er koblet til jord.

3. Anordning ifølge krav l, karakterisert ved at senterelektroden (11) er elektrisk isolert fra jord.

4. Anordning ifølge et av kravene 1-3, karakterisert ved at senterelektroden (11) er langstrakt og generelt koaksial med kanalen (4) av rørelementet (1).

5. Anordning ifølge et av kravene 1-4, karakterisert ved at tverrsnittet av senterelektroden (11) er sirkulært eller elliptisk.

6. Anordning ifølge et av kravene 1-5, karakterisert ved at senterelektroden (11) er belagt med et elektrisk isolerende materiale.

7. Anordning ifølge et av kravene 1-6, karakterisert ved at nevnte kanal har et generelt sirkulært eller elliptisk tverrsnitt, og at den første og andre elektrode (5, 6) er atskilt med en spalte og strekker seg generelt parallelt med eller helisk rundt strømningskanalen (4).

8. Anordning ifølge et av kravene 1-7, karakterisert ved at spenningen påført den første og andre elektrode (5, 6) er en pulset eller alternerende spenning.

9. Anordning i henhold til et av kravene 1-8, 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 2 000 Hz.

10. Anordning i henhold til et av kravene 1-9, 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 2 000 Hz.

11. Anvendelse av en anordning i henhold til et av kravene 1-10 for koalescing av et første ledende fluid emulgert i et andre fluid, idet det første fluid er vann og det andre fluid er olje.