NO323162B1 - Anordning og fremgangsmate for separering med en rorformet elektro-koalescer - Google Patents

Description

OPPFINNELSENS OMRÅDE

Foreliggende oppfinnelse gjelder det område som angår behandling av emulgert utstrømning, særlig petroleumsutstrømninger fra produksjonsbrønner. De emulsjoner som det gjelder er slike hvor den dispergerte fase er elektriske le-dende, til forskjell fra den kontinuerlige fase, f.eks. vann dispergert i en organisk fase, slik som olje.

Det er viktig å separere vann fra den produserte utstrømning for derved å

begrense omfanget av behandlings- og transportutstyret. Etter å ha ført den emulgerte utstrømning gjennom vanlig vann/olje-separatorer, inneholder utstrømningen fremdeles omkring 1 til 5% vann emulgert i oljen. Formålet for foreliggende oppfinnelse er å senke restandelene av vann og salter for derved å oppfylle de tekniske fordringer til nedstrømsprosesser.

OPPFINNELSENS BAKGRUNN

Patentdokumentet US-5,647,981 beskriver en anordning som kombinerer prinsippet for en elektrokoalescer med sentrifugering.

Emulgeringer av vann i olje kan brytes opp ved koalisering av vanndråper ut i fra virkningen av et elektrisk felt. For å øke effektiviteten av slike elektrosta-tiske separatorer prøver man imidlertid å øke det elektriske potensiale mellom vedkommende elektroder, men da ved en risiko for at det opptrer nedbrytnings-fenomener mellom elektrodene. I betraktning av den påkrevde oppholdstid mellom elektrodene er imidlertid den mengdestrøm av utstrømningsvæske som kan be-handles ganske lav, hvis da ikke en installasjon med uforholdsmessig omfang anvendes.

I henhold til oppfinnelsen overvinnes disse kjente ulemper ved å optimalisere kombinasjonen mellom en elektro-koalescerer av fastlagt størrelse og sentri-fugerings- og separeringsutstyr som er spesifikt i forhold til denne koalescerer.

SAMMENFATNING AV OPPFINNELSEN

Foreliggende oppfinnelse gjelder således en anordning for å separere en utstrømning som omfatter faser med innbyrdes forskjellig densitet og konduktivitet, idet denne anordning omfatter et par elektroder, midler for å innføre utstrømnin-gen mellom disse elektroder, utstyr innrettet for separering av fasene og utløp av disse separerte faser. I henhold til oppfinnelsen omfatter separeringsutstyret minst ett sentrifugeringselement som omfatter en skrueformet kanal hvori utstrømningen sentrifugerer etter å ha passert mellom elektrodene.

Denne skoleformede kanal kan utgjøres av en skrueformet vegg anordnet i et ringformet romområde.

Den skrueformede vegg kan være i kontakt med det indre rør, men danne en klaring overfor veggen av det indre rør.

Den skrueformede kanal kan utgjøres av et skrueformet rør.

De angitte elektroder kan ha form av sylindere anordnet langs samme akse.

Den skrueformede kanals strømningstverrsnitt kan bestemmes slik at ut-strømningens hastighet økes i forhold til utstrømningens hastighet i nærheten av elektrodene.

Den lettere fase kan avgis gjennom en aksial ledning.

Utløpsutstyret kan omfatter en syklon og en aksial port for utløp av i det minste en del av den sentrifugerte fase.

Utløpsutstyret kan omfatte minst én port i periferien av den sentrifugerte ut-strømning for derved å slippe ut i det minste en del av den sentrifugerte fase.

Oppfinnelsen gjelder også en fremgangsmåte for å separere en utstrøm-ning som omfatter faser med innbyrdes forskjellig densitet og ledningsevne, og som omfatter benyttelse av minst ett elektro-koalesceringstrinn mellom to elektroder, et separeringstrinn, et utløpstrinn forde separerte faser. I henhold til denne fremgangsmåte kan separeringstrinnet følge etter koalesceringstrinnet og omfatte minst ett prosesstrinn som går ut på sentrifugering av utstrømningen i en skrueformet kanal.

Sentrifugeringstrinnet kan være av en slik art at utstrømningens hastighet økes i forhold til dens hastighet mellom elektrodene.

Et utløpstrinn for sentrifugert fase kan følge etter sentrifugeringstrinnet ved å bruke en syklon som den heliske kanal munner ut i.

I det minste en del av den sentrifugerte fase kan slippes ut gjennom minst én åpning anordnet ved periferien av og nedstrøms for den skrueformede kanal.

KORT BESKRIVELSE AV FIGURENE

Andre særtrekk og fordeler ved foreliggende oppfinnelse vil fremgå klart fra gjennomlesning av den følgende beskrivelse av et ikke begrenset utførelseseks-empel under henvisning til de vedføyde tegninger, hvorpå:

fig. 1 viser skjematisk oppfinnelsens utførelsesprinsipp,

fig. 2 viser en detalj ved utløpet fra separatoren i henhold til oppfinnelsen, fig. 3 viser en utførelsesvariant for sentrifugen,

fig. 4 anskueliggjør foreliggende oppfinnelsesgjenstands effektivitet.

DETALJERT BESKRIVELSE

Den generelle oppbygning av et eksempel på utførelsen av en anordning i henhold til oppfinnelsen tilfredsstiller de følgende fordringer: - fluidet blir fortrinnsvis tilført under trykk mellom to sylinderformede og konsentriske vegger, hvor tangensialt innløp ikke er vesentlig, men fortrinnsvis opprettholdes, - elektrokoalescereren har en fastlagt geometri som gjør det mulig å oppnå tilstrekkelig oppholdstid for utstrømningen. Dens lengde kan f.eks. være omkring 1 m og det ringformede romområde er da av en slik art at oppholdstiden for fluidet er 10 sekunder for en mengdestrøm på 500 l/h. Avstanden mellom sylinderne er derfor 7,86 mm (radiusforskjell mellom et 2-tommers rør (50,8 mm) og et 1-tommers rør (25,4)), - en sentrifuge er anordnet etter elektrokoalesceren, og hvis bevegelige ele-ment er en skrueformet flate anordnet mellom to konsentriske sylindere over en lengde på 500 mm. Avstanden mellom disse sylindere er blitt redusert til 6,35 mm (radiusforskjell mellom et 1,5 tommers rør og et 1-tommers rør) for det formål å øke fluidets hastighet når det strømmer gjennom sentrifugen, - sentrifugen munner ut i en egentlig separator. Denne bestanddel er vesentlig og av ømtålig utførelse for å hindre at den intense turbulens som utvikles ved sentrifugeutløpet, fra å atter spre vanndråpene.

Rørene er valgt i samsvar med petroleumsindustriens standardforskrifter med det formål å lette industriell iverksetting ved hjelp av eksisterende utstyr.

I fig. 1, som viser hele anordningen 1 i henhold til oppfinnelsen, henviser

henvisningstallene 2,3 og 4 henholdsvis til koalescereren, sentrifugen og separa-tordelene. Pilen 5 viser innstrømningen av den utløpsvæske som inneholder emul-sjonen inn i anordningen, mens pilen 6 viser utstrømningen av den dehydrerte av-løpsvæske som avgis til transport- og raffineringsinstallasjoner 8, og pilene 7 viser de forskjellige utløp for den hovedsakelig vannholdige fase som avgis til avløpsbe-handlende installasjoner 9.

Anordningen for innmating av det emulgerte utløp inn i koalescereren er slik at fluidet mates inn tangensiait inn i det ringformede område 11 som på sine ut-side er avgrenset av elektroden 12 og på sin innside av skjermen 13. Elektrokoa-lescererens dimensjoner, diametralt og longitudinalt, er fastlagt slik at i betraktning av innsprøytningen av utløpsvæsken gjennom anordningen 10 vil oppholdstiden i luftgapet mellom elektrodene være slik at koalesceringen av vanndråpene blir optimalt. Elektrodene 12 og 13 er elektrisk koplet til en elektrisk feltgenerator 14. Da utløpsvæskens sirkulasjon i koalescereren skal være skrueformet, er elektrodene 12 og 13.fortrJnnsvis sylinderformet. Ved ytterenden av koalescereren separe-rer elektrisk illustrerende enheter 15 elektrodene fra innløpsinnretningen for sentrifugen 3.

Sentrifugen 3 består av et ytre sylinderformet rør 16, et indre rør 17 i fortsettelse av koalescererens sentrale elektrode 12, samt en skrueformet vegg 18 i kontakt med innsiden av røret 16 og utsiden av røret 17, slik at det derved dannes en kontinuerlig skrueformet kanal 19 langs anordningens lengdeakse. Formen av denne kanal 19 er slik at utløpsvæsken ved koalescererens utløp bringes til å sen-trifugere over den totale lengdeutstrekning av sentrifugen 3. Denne lengde er videre fastlagt for å optimalisere sentrifugeringsvirkningen. Koniske koplingselemen-ter 20 kan anvendes mellom koalescereren og sentrifugen for det formål å redusere utløpsvæskens hovedsakelige strømningstverrsnitt på en slik måte at strøm-ningens hastighet inn i sentrifugen økes. Jo høyere hastighet, jo bedre sentrifugering og således også faseseparering.

På lignende måte kan sentrifugen opprettes ved hjelp av en rekke egnede seksjoner med skrueform for sentrifugering av fluidet. Minst ett rør kan f.eks. være skrueformet viklet omkring et annet rør.

Fig. 3 viser en utførelsesvariant av sentrifugen, hvor den skrueformede vegg 18 ikke befinner seg i kontakt med innsiden av det ytre rør 16. Klaringen d til-later dannelse av et lag av den sentrifugerte fase og som fritt også kan strømme i lengderetningen, hvilket vil si i retning nedover når anordningen er anordnet verti-kalt, hvilket vanligvis er å foretrekke.

Et separeringselement 4 er festet til enden av sentrifugen. Dets formål er å fjerne de vanndråper som befinner seg i kontakt med ytterveggen ut i fra sentrifug-eringspåvirkning. En konisk del 20 som danner en fortsettelse av sentrifugen frem-bringer en separering av syklontype, hvor den sentrifugerte fase avgis gjennom porten 21, mens den lettere fase (organiske fase) avgis i retning av konusaksen gjennom det indre rom i røret 17 som er forlenget med det indre ledningsrør i elektrode 12. Separeringselementet 4 omfatter videre en siderettet åpningsflate 22 som gjør det mulig å separere ut hoveddelen av den vandige fase som befinner seg i kontakt med innerveggen av røret 16.

Fig. 2 viser mer detaljert separeringselementene. De samme henvisnings-tall som i fig. 1 er også benyttet i denne figur. Det kan bemerkes at ytterenden 23 av røret 17 er forlenget etter åpningen 22. Denne åpning 22 utgjøres fortrinnsvis av en komplett åpningsring, slik at hoveddelen av den sentrifugerte vandige væske kan drives ut ved hjelp av denne anordning.

Resultater

All evaluering av anordningene i henhold til oppfinnelsen ble utført ved en simuleringsprosess med den kjente FLUENT-fluidmekanikkode. Den anvendte sirkuleringsteknikk med endelig volum krever gitteroppdeling av de indre volum-partier ved hjelp av den GAMBIT-gitteroppdeling som har sammenheng med be-regningskoden.

De tilstander som er påført FLUENT-koden for beregning er da:

Løser:

• tredimensjonal,

- stasjonær,

- "koplet implisitt" (Cl) eller "segregert implisitt" (Sl) alt etter forholdene.

Modeller:

Turbulens: "realiserbar" K-e-type,

- Vegglover: "ikke-likevektstype".

Fluid:

"Fontaine au Bron"-olje: densitet = 850 kg/m<3>,

kinematisk viskositet = 0,0083 m<2>/s.

Grensebetingelser:

Den mengdestrøm som påføres ved innløpet: 500 l/time og 1000 l/time (0,12 kg/s og 0,236 kg/s).

Trykkene ved utløpene: trykket settes til 0 relative bar ved oljeutløpet og trykkverdiene ved vann/olje-utløpene innstilles i avhengighet av de foreliggende forhold på en slik måte at det opprettholdes et 80 % oljeutvinningsforhold sett i sammenheng med den totale mengdestrøm (utvinningsforhold = mengdestrøm av skrubbet olje/total mengdestrøm). Denne betingelse er nødvendig på grunn av at separeringsforholdet er avhengig av utvinningsforholdet.

Konvergens:

Beregningene anses å være konvergerende når restverdiene av de forskjellige parametere (masse, trykk og hastighet) er stabilisert på sine minste verdier og massebalansen for utstyret ligger under 1 %oo av den totale mengdestrøm.

Det kan undersøkes om den tid det tar for fluidet å passere gjennom elektrokoalescereren er i samsvar med den foreskrevne tid, nemlig omkring 10 sekunder for 500 l/h. Denne tid blir logisk dividert med en faktor 2 hver gang mengde-strømmen fordobles. Lengden av elektrokoalescereren kan derfor justeres i samsvar med den valgte nominelle mengdestrøm.

Passasje gjennom sentrifugen driver fluidet inn i en intens rotasjonsbevegelse. Den frembrakte sentrifugalakselerasjon kan være relativ høy og lik flere titalls ganger tyngdekraftens akselerasjon. Det mål som søkes blir oppnådd og opprett-holdelse av bevegelsen ved hjelp av den skrueformede vegg langs hele sentrifugen blir kontrollert.

Rotasjonsbevegelse av fluidet med sentrifugeutløpet opprettholdes i separatoren, men på et lavere nivå, da den ikke lenger er styrt. Sentrifugalvirkningen er imidlertid tilstrekkelig til å bibeholde hoveddelen av dråpene på periferien.

Idéelt skal de sentrifugerte partikler umiddelbart strømme ut gjennom tverr-åpningen 22 uten å bli spredt ved turbulens. Dette er imidlertid den optimale situasjon.

Den partikkel som ikke er blitt oppfanget av sideåpningen, kan da forbli sentrifugert på periferien av konusen 20 og strømme ut gjennom porten 21 ved ytterenden av røret.

En utilstrekkelig sentrifugert partikkel kan bli drevet tilbake ved turbulens til midt inne i strømningen samt båret videre av tilbakestrømningen av olje.

Denne adferd synes å være meget følsom for hvor utløpet er plassert samt også for utløpets geometri og de foreliggende avløpsporter.

Dråpenes størrelse må logisk ha en påvirkning på separatoren, da denne parameter bestemmer bidraget fra sentrifugalkraften. Dette bekreftes av fig. 4, som viser de resultater som er oppnådd for en 80% påført oljeutvinningshastighet TRH, og da med en mengdestrøm Q på 1000 l/h. Den grafiske fremstilling gir mengdeandelen P av de utvinnede dråper som en funksjon, langs abscissen, av dråpediameteren G angitt i millimeter. Det vil innses at store dråpediametre tilsvarer de høyeste separeringsforhold, men det er også interessant å legge merke til at senkningen av forholdet P med diameter G raskt stabiliserer på en verdi omkring 87%. Dette resultat viser at under en dråpediameterstørrelse på 0,1 mm er åpenbart diameteren ikke lenger noen bestemmende faktor for separeringsforholdet i en anordning i henhold til oppfinnelsen.

Strømningshastighetene og sentrifugens effektivitet avhenger direkte av verdien av den mengdestrøm som påføres utstyret. Et metningsfenomen synes å opptre over en mengdestrømverdi på 2000 l/h for anordningen i dette eksempel.

For en gitt lengde av sentrifugen, bestemmer skrueformens stigning i høy grad separeringseffekten. Dette separeringsforhold er kvasi-proporsjonalt med skrueformens stigning. Det er derfor av interesse å redusere stigningen, og da imidlertid samordnet med moderasjon av trykkfallet, som da øker mer enn lineært med stigningen.

Trykkfallet i anordningen tilsvarer da faktisk et trykk som må påføres ved innløpet for å frembringe en gitt mengdestrøm.

Trykkfallet står logisk i sammenheng med sentrifugelengden samt skrueformens stigning. Dets verdi har tendens til å mettes når lengden økes, og om-vendt til å øke parabolisk med stigningen.

Når det gjelder pumpeeffektene, hvis pumping er påkrevet, vil trykkfallet nå opp til 2,76 bar ved en mengdestrøm på 2000 l/h, hvilket da tilsvarer en 130 kW netto hydraulisk effekt. På den annen side vil denne effekt ikke overskride 3,5 kW ved en mengdestrøm på 500 l/h.

Utførelsen av en separator for emulsjoner av vann i olje må være tilpasset blandinger med densiteter som det knapt er mulig å fastlegge, samt til forholdsvis høye hastigheter for bærerfluidet. Beregning ved hjelp av en direkte fluidmeka-nikkmodell, nemlig i det foreliggende tilfelle FLUENT-koden, gjør det mulig å begrense de vanskeligheter som foreligger.

Den første vanskelighet består i opprettholde rotasjonsbevegelsen i den sterkt viskøse bærefluid. Den skrueformede vegg (eller ledning) synes å være et

godt middel for å overføre denne bevegelse og opprettholde den, hvor skrueformens stigning og lengde er de parametere som benyttes for å justere sentrifugalbe-vegelsens intensitet og dens varighet. Ulempen ved denne løsning er det trykkfall som påføres, men beregninger viser at den fortsatt kan godtas.

Den hovedvanskelighet som fortsatt foreligger er separering av vanndråpene fra bærefluidet. For at sentrifugeringen skal effektivt kunne fullføre sin funksjon, er det nødvendig å nå opp til høye hastigheter og akselerasjoner, som da skaper høy turbulens ved sentrifugeutløpet og risiko for spredning av dråpene på nytt. Simuleringer viser klart at konfigureringer som er ytterst effektive med lami-nær strømning, blir gjort totalt ineffektive når turbulens tas med i beregningen.

Beregninger gjør det mulig på hensiktsmessig måte å utprøve forskjellige konfigurasjoner og velge den beste av disse. Det har således vært mulig å be-stemme en utførelse som muliggjør et separasjonsforhold på 87% og en mengde-strøm på 1000 l/h, for et oljegjenvinningsforhold på 80%. Blant de viktige parametere, er dråpestørrelsen tatt med i beregningen og slike beregninger viser da at denne parameters betydning kan begrenses. I det tilfelle som er studert har da separeringsforholdet en tendens til å forbli konstant for dråpediametre under 1,0 mm. Det bør bemerkes at dette separeringsforhold er stabilisert på et forholdsvis høyt nivå (87%) til og med for små dråpediametre (0,01 mm), hvor vanlige hyd-rosykloner ikke er særlig effektive.

Claims (13)

1. Anordning for å separere en utstrømning som omfatter faser med innbyrdes forskjellig densitet og ledningsevne, idet anordningen omfatter et par elektroder (12,13), utstyr (10) for å føre inn utstrømningen mellom elektrodene, utstyr bereg-net for separering (3) samt utløp (4) for de separerte faser, karakterisert ved at separeringsutstyret omfatter minst ett sentrifugeringselement (3) som omfatteren skrueformet kanal (19) hvor utstrømningen blir sentrifugert etter å ha passert mellom de angitte elektroder.

2. Anordning som angitt i krav 1, og hvor den skrueformede kanal utgjøres av en skrueformet vegg (18) anordnet i et ringformet romområde.

3. Anordning som angitt i krav 2, hvor den skrueformede vegg befinner seg i kontakt med et innvendig rør (17), men danner en klaring (d) overfor veggen av et ytre rør (16).

4. Anordning som angitt i krav 1, og hvor den skrueformede kanal utgjøres av et skrueformet rør.

5. Anordning som angitt i et av de forutgående krav, og hvor de angitte elektroder har form av sylindere (12,13) anordnet langs samme akse.

6. Anordning som angitt i et av de forutgående krav, og hvor strømningstverr-snittet i den skrueformede kanal er fastlagt slik at utstrømningens hastighet økes i forhold til den hastighet utstrømningen hadde i nærheten av de angitte elektroder.

7. Anordning som angitt i et av de forutgående krav, og hvor den lettere fase avgis gjennom en aksial ledning.

8. Anordning som angitt i et av de forutgående krav, og hvor utløpsinnretnin-gen omfatter en syklon (20) og en aksial portåpning (21) for utløp av i det minste en del av den sentrifugerte fase.

9. Anordning som angitt i et av de forutgående krav, og hvor utløpsinnretnin-gen omfatter minst én portåpning (22) ved periferien av den sentrifugerte utstrøm-ning for derved å bringe til utløp i det minste en del av den sentrifugerte fase.

10. Fremgangsmåte for å separere en utstrømning som omfatter faser med innbyrdes forskjellig densitet og ledningsevne, og som omfatter bruk av minst et elektrokoalisens-trinn mellom to elektroder, et separeringstrinn, et trinn for utløp av de separerte faser, karakterisert ved at separeringstrinnet anordnes for å følge etter koali-sens-trinnet og omfatter i det minste et trinn hvor utstrømningen bringes til sentrifugering i en skrueformet kanal.

11. Fremgangsmåte som angitt i krav 10, og hvor sentrifugeringstrinnet utføres slik at utstrømningens hastighet økes i forhold til dens hastighet mellom elektrodene.

12. Fremgangsmåte som angitt i krav 10 etler 11, og hvor et utløpstrinn for en sentrifugert fase anordnes etter sentrifugeirngstrinnet ved hjelp av en syklon som den angitte skrueformede kanal bringes til å munne ut i.

13. Fremgangsmåte som angitt i et hvilket som helst av kravene 10 til 12, og . hvor i det minste en del av sentrifugeirngsfasen avgis gjennom minst én portåp-nings-anordning ved periferien av og nedstrøms for dens skrueformede kanal.