NO334668B1 - Fremgangsmåte for separasjon av en emulsjon ved hjelp av elektromagnetisk stråling - Google Patents

Abstract

Fremgangsmåte for å behandle en emulsjon omfattende vann- dråper (1) i en organisk væske (2) for å separere vannet og den organiske væsken, der emulsjonen utsettes for mikrobøl- gestrållng, der emulsjonen utsettes for mikrobølgestråling med en frekvens i området fra 300 MHz til 100 GHz, der dra- pene selektivt oppvarmes og der frekvensen, innenfor det gitte frekvensområde, velges innenfor et område der vannet har en forhøyet tendens til å overføre mikrobølgestråling til varme.

Description

Fremgangsmåte for separasjon av en emulsjon ved hjelp av elektromagnetisk stråling

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for be-handling av en emulsjon omfattende vanndråper i en organisk væske med det formål å separere vannet og den organiske væsken, idet emulsjonen utsettes for mikrobølgestråling. Oppfinnelsen vedrører nærmere bestemt separasjon av en emulsjon omfattende vann og olje. I oljeproduksjonsindust-rien er det meste av råoljen blandet med vann. Det er derfor nødvendig å separere vannet og oljen for etterfølgende transport av oljen til et raffineri og resirkulering av vannet.

En fremgangsmåte for å fremme en separasjon av hydrokarboner og vann i en emulsjon ved å utsette emulsjonen for mik-robølgestråling er kjent fra US patent nummer 4 582 62 9. Mikrobølgestrålingen er her angitt til å strekke seg fra 1 til 300 GHz. Det er angitt at mikrobølgefrekvenser fra 2 til 3 GHz er foretrukket. Virkningen av mikrobølgebehand-lingen på emulsjonen er angitt å muligens resultere av en kombinasjon av to mekanismer. Første mekanisme antas å være oppvarming som i et konvensjonelt system. Den andre meka-nismen antas å være forbundet med eksitasjon av bundne vannmolekyler som bryter opp de overflateaktive molekylene som er tilstede i et grensesjikt mellom hver vanndråpe og olj en.

Det finnes imidlertid et behov for en mer detaljert evalue-ring av mikrobølgevirkningen på en emulsjon omfattende vann og olje for å finne det optimale frekvensområde for stråling. Det er nødvendig å redusere kraftforbruket til et minimum og derved gjøre prosessen økonomisk gjennomførbar for separasjon av store mengder emulsjoner.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en fremgangsmåte for å oppnå en mer effektiv separasjon av en emulsjon av vann og en organisk væske. Dermed ønsker man å gjøre det mulig å separere vannet og oljen raskere og/eller med et lavere kraftforbruk enn det som er mulig i dag.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en fremgangsmåte for å forbehandle en emulsjon omfattende vanndråper i en organisk væske for å separere vannet og den organiske væsken, der emulsjonen strømmer i et rørledningssystem mens det utsettes for elektromagnetisk stråling med en frekvens som velges innenfor et frekvensområde der vannet har en forhøyet tendens til å overføre elektromagnetisk stråling til varme, før emulsjonen føres inn i et gravitasjonsseparatortanksystem.

Emulsjonen utsettes for elektromagnetisk stråling med en frekvens i området fra 300 MHz til 100 GHz, slik at dråpene varmes opp på en selektiv måte og slik at frekvensen, innenfor det angitte frekvensområde, velges å være innenfor et område der vannet har en forhøyet tendens til å overføre elektromagnetisk stråling til varme. Det totale energibeho-vet for separasjonen reduseres og den påfølgende gravita-sjonsseparasjonsgraden økes. Utstyret kan dermed lages mindre, vekten av utstyret kan reduseres, etc, noe som er av spesiell betydning for offshoreapplikasjoner. Det er også mulig å redusere mengden av tilsatte demulgatorer som brukes for å destabilisere grensesjiktet, noe som resulterer i en mer kostnadseffektiv og miljøvennlig fremgangsmåte .

Den oppfinneriske ideen er å varme vanndråpene ved å utsette emulsjonen for mikrobølge ved en frekvens der vannet har forhøyet evne til å overføre elektromagnetisk energi til varme. Som følge av det faktum at olje har mye dårligere evne til å overføre elektromagnetisk energi til varme enn vann i det angitte området, vil hovedsakelig bare vanndråpene varmes opp. Grensesjiktet mellom hver vanndråpe og oljen vil i sin tur varmes opp som følge av varmeledning fra de oppvarmede dråpene. Denne oppvarmingen av grensesjiktet vil føre til at oljelagets stabiliserende bestanddeler for- styrres og at det dermed blir mulig for dråpene å forene seg. Dermed kan energiforbruket reduseres og prosessen bli mer økonomisk gjennomførbar.

Et bestemt materiales evne til å konvertere elektromagnetisk energi til varme bestemmes av dets dielektriske taps-indeks. Tapsindeksen til materialer som inneholder vann skyldes forskjellige virkninger ved forskjellige frekvenser. Det er kjent at den dielektriske tapsindeksen til vann har en toppverdi ved en frekvens på omtrent 2 0 GHz som føl-ge av relaksasjonen av fritt vann. Ved lavere frekvenser, for eksempel under 4 GHz, vil virkningene av DC-konduktiviteten på tapsindeksen få økende betydning. Dette er av spesiell betydning for vann som inneholder salt. Den optimale dielektriske tapsindeksen kan dermed befinne seg ved forskjellige frekvenser ved forskjellige forhold. Den optimale frekvensen for å oppnå nevnte optimale energiover-føring i emulsjonen bestemmes for eksempel av saltinnhol-det, temperaturen og vanndråpestørrelsen. Frekvensen som brukes ligger fortrinnsvis innenfor et område der vannet har en toppverdi.

Fremgangsmåten kan også brukes til å oppnå en mer effektiv separasjon av en emulsjon av saltvann og en organisk væske, der emulsjonen utsettes for elektromagnetisk stråling.

I en utførelsesform av oppfinnelsen er vanndråpene salt-vannsdråper. I det tilfellet utsettes emulsjonen for elektromagnetisk stråling med en frekvens i området fra 300 MHz til 3,9 GHz. Saltvann har en økende evne til å overføre elektromagnetisk energi til varme ved lavere frekvenser fra omtrent 3 GHz. Denne evnen til saltvannet øker spesielt raskt fra en frekvens på 2 GHz og nedover. Saltvann har for eksempel klart større evne til å overføre elektromagnetisk energi til varme når den utsettes for elektromagnetiske bølger med en frekvens på 1,5 GHz enn 2 GHz.

I det følgende er det gitt en nærmere beskrivelse av eksem-pelutførelser under henvisning til de vedføyde tegninger.

Figur 1 viser et tverrsnitt av to vanndråper i en kontinuerlig oljefase før og etter de er blitt utsatt for mikro-bølgestråling, og figur 2 viser et diagram av temperatur og frekvensvirkninger på de dielektriske egenskapene av rent vann og vannoppløst NaCl.

Råolje omfatter en blanding av hydrokarboner med forskjel-lig struktur, for eksempel parafiner, iso-parafiner, nafta-lener, aromater og poly-aromater. Mindre mengder hydrokar-bonmolekyler som inneholder heteroatomer finnes også. Heteroatomene er svovel, nitrogen og oksygen. Tilstedeværelsen av disse molekylene som inneholder heteroatomer er både med hensyn til mengde og type av stor betydning for olje-/vannfaseseparasjonen. Disse bestanddelene er mer polare av natur enn de rene hydrokarbonene og er gruppert i forskjellige klasser. Harpiks, asfalt og maltener. Stabiliserings-mekanismen til vanndråper i råolje regnes som en sterisk partikkelstabilisering. Rent skjematisk dannes stabile emulsjoner dersom heteroatomene ikke lenger er oppløst i oljefasen, men danner hydrogenbindinger i olje-/vann-sj iktet. Figur 1 viser to vanndråper i en kontinuerlig oljefase. Hver dråpe er dekket av et grenselag som omfatter de ovennevnte harpikser, asfalter og maltener. Asfaltpartikler er inntegnet. Koalesensen av vanndråpene vil hindres av det faktum at de, eller nærmere bestemt grensesjiktene, omfatter et stivt lag med større molekyler som delvis er polare av natur. Man må derfor forstyrre grenselaget eller oppløse dets bestanddeler i oljen for å oppnå en koalesens av vanndråpene. Figur 1 viser også hvordan to vanndråper, som er frigjort fra grensesjiktet, kolliderer. Dråpene vil koale-sere når de kolliderer, større dråper vil dannes og til slutt oppnås en faseseparasjon. Figur 2 er basert på data fra boken "Industrial Microwave Heating" av A.C. Metaxas og R.J. Meredith, side 60, 1983. Grafen viser den effektive tapsindeksen s"effsom en funksjon av frekvens for rent vann og for saltvann. Den dielektriske tapsindeksen er et mål på hvor effektivt vann overfører elektromagnetisk energi til varme. Det bemerkes at det finnes en toppverdi for den effektive tapsindeksen for vann ved 250°C ved omtrent 2 0 GHz. Dette skyldes relaksasjonen av fritt vann. Toppverdien for den effektive tapsindeksen når omtrent 35 ved 20 GHz. Den dielektriske tapsindeksen for olje er betydelig lavere ved 20 GHz og har en toppverdi under 1 GHz. Dette innebærer at det er mulig å selektivt varme vannet ved å utsette emulsjonen for høye frekvenser, så som 20 GHz. Oljen vil dermed stort sett ikke bli påvirket av stråling som har slike høye frekvenser. Grensesjiktene vil i sin tur varmes av varmeledning fra vanndråpene. Grensesjiktene har dessuten en mer polar ka-rakter sammenlignet med oljen og vil dermed også påvirkes mer direkte av strålingen.

Avhengig av for eksempel vannstrukturen og volumfraksjonen av vann i forhold til oljen, varierer den karakteristiske, optimale frekvensen der energien absorberes mer effektivt. Det er selvfølgelig mulig å endre egenskapene til vannet og dermed også endre den karakteristiske frekvensen ved å set-te til tilsetningsstoffer.

En emulsjon med vanndråper som ikke inneholder salt eller har et nokså lavt saltinnhold, skal ifølge foreliggende oppfinnelse utsettes for mikrobølgestråling med en frekvens i området 3,1 til 100 GHz, fortrinnsvis minst 3,5 GHz, mer foretrukket minst 4 GHz, enda mer foretrukket minst 6 GHz, og mest foretrukket 10 GHz. Det er dessuten foretrukket å bruke en frekvens på minst 14 GHz, mer foretrukket minst 18 GHz og mest foretrukket 20 GHz. Emulsjonen er dessuten fortrinnsvis utsatt for en mikrobølgestråling med en frekvens lavere enn 30 GHz og mer foretrukket lavere enn 2 5 GHz .

Innenfor det angitte frekvensområde, velges frekvensen

ifølge foreliggende oppfinnelse innenfor et område der vannet har en forhøyet tendens til å overføre elektromagnetisk stråling til varme. Den anvendte frekvensen tilsvarer fortrinnsvis frekvensen der vannets overføringsevne har en

toppverdi eller i hvert fall 75% av toppverdien. Ved å bruke denne frekvensen vil kraftforbruket for å oppnå separasjonen reduseres til et minimum. Begrepet "forhøyet" bør imidlertid forstås i en utvidet betydning. Med "forhøyet" mener man en verdi som ligger 25% over den laveste dielektriske tapsindeksverdien i hvert gjeldende område, fortrinnsvis 50% over den laveste verdien og mest foretrukket 100% over verdien. For frekvensområdet fra 3,1 GHz til 100 GHz bør man velge en frekvens som resulterer i en tapsin-deks på mer enn 25, fortrinnsvis mer enn 30, og mest foretrukket mer enn 40.

Det er dessuten ikke nødvendig å anvende nevnte optimale frekvens, men i stedet oppnå gode separasjonsresultater ved å anvende frekvens som er lavere enn den optimale frekvensen, men likevel innenfor det angitte område, som følge av det faktum at kurven som viser at den dielektriske tapsindeksen som en funksjon av frekvens heller oppover fra be-gynnelsen av området til toppverdien av den dielektriske tapsindeksen.

Det er kjent at penetreringsdybden i vann er mindre for høyere frekvenser og har et minimum ved omtrent 20 GHz. Penetreringsdybden er omtrent 3 mm ved denne frekvensen. I motsetning til dette er penetreringsdybden for en frekvens på 5 GHz. Størrelsen til vanndråpene i emulsjonen som trenger forbedret separasjon, er langt under penetreringsdybden, typisk under 20 mikrometer. Lavere frekvenser velges imidlertid fortrinnsvis for emulsjoner med et sammen-lignbart høyere vanninnhold for å oppnå den ønskede separasjonen .

Ovennevnte fremgangsmåte er selvfølgelig anvendbar for både vann og saltvann.

Oppfinnelsen vedrører også en fremgangsmåte for å behandle en emulsjon omfattende dråper av saltvann i en organisk væske for å separere vannet og den organiske væsken, der emulsjonen utsettes for elektromagnetisk stråling med en frekvens på mindre enn 9 GHz. De stiplede linjene på figur 2, som er angitt med 0,3 molal og 0,1 molal, angir at saltvannet har en forhøyet tendens til å overføre elektromagnetisk stråling til varme ved frekvenser på mindre enn 3 GHz. Denne tendensen er imidlertid spesielt stor for frekvensen mindre enn 2 GHz. Den effektive tapsindeksen når for eksempel 100 ved 900 MHz for en 0,3 molal løsning.

Oljen har maksimal evne til å overføre elektromagnetisk stråling til varme ved lave frekvenser. Den optimale dielektriske tapsfrekvensen for heptan er for eksempel mindre enn 1 GHz. Dette innebærer at oljen vil i stor grad varmes opp ved lavere frekvenser. Som angitt ovenfor, varmer mann ifølge foreliggende oppfinnelse opp vannet på en selektiv måte ved å påføre mikrobølger som påvirker vannet, men i hovedsak ikke påvirker oljen. Som følge av den radikalt økende dielektriske tapsindeksen for saltvannet ved indek-ser under 2 MHz, bør det være en optimal frekvens lavere enn 2 GHz, der vannet fremdeles varmes opp i betydelig større grad enn oljen. For frekvenser lavere enn denne optimale frekvensen vil oljen bare i stor grad varmes opp, noe som er ufordelaktig ettersom oppvarming av oljen tar lenger tid, krever mer energi og dermed også tildels mer utstrakte arrangementer.

Emulsjonen blir ifølge sistnevnte fremgangsmåte utsatt for elektromagnetisk stråling med frekvens i området fra 3 MHz til 9 GHz, fortrinnsvis lavere enn 1,8 GHz, mer foretrukket lavere enn 1,5 GHz og enda mer foretrukket lavere enn 1,1 GHz. Frekvensen er ytterligere fortrinnsvis minst 30 MHz, mer foretrukket minst 0,3 GHz, enda mer foretrukket minst 0,6 GHz og i en foretrukket utførelse minst 0,8 GHz.

Den store penetreringsdybden til mikrobølgene ved de angitte lavere frekvensområdene er fordelaktige ettersom emulsjoner med et større vanninnhold kan bestråles og større emulsjonsmengder per tidsenhet kan behandles.

Emulsjonen er fortrinnsvis påvirket på en slik måte at de oppvarmede vanndråpene kolliderer. Dette kan for eksempel oppnås ved å røre i emulsjonen eller selektivt påvirke dråpene ved hjelp av for eksempel et elektrisk felt eller et akustisk felt. Ifølge en foretrukket utførelse settes emulsjonen i bevegelse ved hjelp av en turbulent strømning under strålingen.

Emulsjonen strømmer dermed i et rørledningsystem og ikke i et stasjonært batch-system. I slikt rørledningssystem vil oppholdstiden der hver emulsjonsenhet utsettes for behand-ling være mindre enn 5 sekunder, fortrinnvis mindre enn 3 sekunder og mer foretrukket mindre enn 1 sekund. Behandlingstiden og den elektromagnetiske strålingseffekten velges slik at temperaturøkningen som helhet i emulsjonen er mindre enn 10°C. Emulsjonen, innbefattet vanndelen, forblir i en væsketilstand.

Rørledningssystemet er fortrinnsvis et rørledningssystem som fører fra et oljereservoar til et gravitasjonsseparatortanksystem der emulsjonen skal separeres til vann og olje under påvirkningen av gravitasjonen. Mikrobølgebehand-lingssystemet kan også befinne seg mellom individuelle se-paratortanker i en slik separatortank. Takket være oppfinnelsen kan tiden som behøves for separasjonen i separator-tanksystemet reduseres.

Oppfinnelsen innbefatter derfor bruken av en mikrobølgepå-fører eller lignende som er anordnet for å utføre behand- lingsfremgangsmåten ifølge oppfinnelsen på en emulsjon som strømmer gjennom et slikt rørledningssystem.

I visse tilfeller vil turbulensen fra naturlige strømninger i rørsystemet være tilstrekkelig. I tillegg til å utsette emulsjonen for strålingen, kan emulsjonen ifølge en alter-nativ utførelse også varmes opp ved å tilføre varmeenergi fra for eksempel konvensjonelle varmeapparater. I visse applikasjoner, spesielt i tilfeller der prosessparametrene er forskjellige eller endrer seg, så som emulsjonstempera-tur, olje-/vanninnhold og saltinnhold i vannet, vil frekvensen av mikrobølgestrålingen periodisk kunne endres innenfor det angitte frekvensområde. Frekvensen der vannet innehar en forhøyet frekvens til å overføre mikrobølgeener-gien til varme kan dermed anvendes til tross for endrede parametere under prosessen.

Ifølge det ovennevnte kan det være foretrukket å måle en egenskap, så som dråpestørrelse, dielektriske egenskaper, vanninnhold, ledeevne eller temperatur i emulsjonen på en gjentakende eller kontinuerlig måte og å basere frekvensvalget på målingene.

Det bemerkes at ovennevnte beskrivelse bare er en eksempel-angivelse på den oppfinneriske ideen som oppfinnelsen byg-ger på. Det er dermed åpenbart at fagmannen kan utføre de-taljerte modifikasjoner uten å forlate oppfinnelsen ramme.

Selv om ovennevnte beskrivelse fokuserer på oppvarming av vanndråpene og deretter grensesjiktene ved varmeledning for derved å forstyrre grensesjiktene ved å utnytte emulsjonen for en mikrobølgestråling, regnes destabiliseringen av grensesjiktene som en kombinasjon av et antall mekanismer, så som å bryte opp hydrogenbindingene mellom overflatemole-kylene og vannmolekylene.

Claims (21)

1. Fremgangsmåte for å forbehandle en emulsjon omfattende vanndråper i en organisk væske for å separere vannet og den organiske væsken, karakterisert vedat emulsjonen strømmer i et rørledningssystem mens det utsettes for elektromagnetisk stråling med en frekvens som velges innenfor et frekvensområde der vannet har en forhøyet tendens til å overføre elektromagnetisk stråling til varme, før emulsjonen føres inn i et gravitasjonsseparatortanksystem.

2 . Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat når vanndråpene ikke inneholder salt eller har et nokså lavt saltinnhold, er frekvensområdet i området fra 3,1 GHz - 100 GHz.

3. Fremgangsmåte ifølge et hvert av kravene 1-2,karakterisert vedat strålingsvirkningen og tidsperioden der emulsjonen utsettes for stråling velges slik at grensesjiktet mellom dråpen og den organiske væsken selektivt oppvarmes gjennom strålingsvirkningen.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3,karakterisert vedat virkningen og tidsperioden velges slik at grensesjiktene til i hvert fall en hoveddel av dråpene i emulsjonen varmes opp.

5. Fremgangsmåte ifølge et hvert av kravene 1-4,karakterisert vedat oppvarmingen av dråpene skjer i en slik utstrekning at den fører til en koale-scens av oppvarmede dråper i emulsjonen.

6. Fremgangsmåte ifølge ethvert av kravene 1-5,karakterisert vedat emulsjonen utsettes for elektromagnetisk stråling med en frekvens på minst 3,5 GHz, fortrinnsvis 4,1 GHz, mer foretrukket minst 6,1 GHz og mest foretrukket minst 10 GHz.

7. Fremgangsmåte ifølge ethvert av kravene 1-6,karakterisert vedat emulsjonen utsettes for elektromagnetisk stråling med en frekvens lavere enn 60 GHz, fortrinnsvis lavere enn 30 GHz og helst lavere enn 25 GHz .

8. Fremgangsmåte ifølge ethvert av kravene 1-7,karakterisert vedat emulsjonen utsettes for elektromagnetisk stråling med en frekvens på omtrent 20 GHz .

9. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat vanndråpene er salt-vannsdråper.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 9,karakterisert vedat frekvensområdet er i området fra 300 MHz- 3,9 GHz.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 10,karakterisert vedat det velges en elektromagnetisk stråling med en frekvens lavere enn 1,8 GHz, fortrinnsvis lavere enn 1,5 GHz og helst lavere enn 1,1 GHz .

12. Fremgangsmåte ifølge krav 10 eller 11,karakterisert vedat det velges en elektromagnetisk stråling med en frekvens på minst 0,6 GHz, og fortrinnsvis 0,8 GHz.

13. Fremgangsmåte ifølge de foregående krav,karakterisert vedat emulsjonen påvirkes på en slik måte at de oppvarmede vanndråpene kolliderer.

14. Fremgangsmåte ifølge de foregående krav,karakterisert vedat emulsjonen bevirkes til en turbulent strømning for å få de oppvarmede vanndråpene til å kollidere.

15. Fremgangsmåte ifølge de foregående krav,karakterisert vedat emulsjonen varmes opp ved å tilføre varmeenergi.

16. Fremgangsmåte ifølge kravene 1-8,karakterisert vedat frekvensen omtrent tilsvarer frekvensen der tendensen til å overføre strå-lingsenergi til varmeenergi i vannet har en toppverdi.

17. Fremgangsmåte ifølge ethvert av de foregående krav,karakterisert vedat frekvensen periodisk endres innenfor det angitte frekvensområde.

18. Fremgangsmåte ifølge ethvert av kravene 1-17,karakterisert vedat en emulsjonsegenskap gjentakende eller kontinuerlig måles, idet frekvensvalget baseres på nevnte måling.

19. Fremgangsmåte ifølge ethvert av kravene 1-18,karakterisert vedat emulsjonen strømmer i et rørsystem mens det utsettes for behandlingen, idet oppholdstiden under hvilken hver emulsjonsenhet utsettes for behandlingen er under 5 sekunder, fortrinnsvis mindre enn 3 sekunder og helst mindre enn 1 sekund.

20. Fremgangsmåte ifølge ethvert av kravene 1-19,karakterisert vedat behandlingstiden og den elektromagnetiske strålingseffekten er valgt slik at temperaturøkningen generelt i emulsjonen er mindre enn 10°C.

21. Bruk av en mikrobølgepåfører for å utføre fremgangsmåten ifølge ethvert av kravene 1-20 på en vann-i-olje-emulsjon som strømmer gjennom et rørledningssystem.