NO871239L - Fremgangsmaate og apparat for separering av fremmede stoffer fra en vaeske ved flotasjon. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte og et apparat for separering av fremmede stoffer fra en væske, og særlig en prosess i hvilke en væskestråle som inneholder indusert eller bevegelig gass og oppløst gass anvendes for å bevirke denne separering. Prosessen er særlig rettet mot separering av olje og vann.

FlotasJonssystemer som er tilgjengelige idag for separering av olje og vann er to hovedtyper, nemlig indusert gassflotasjon og oppløst gassflotasjon. I den induserte gassflotasjon-prosess, innføres gass inn i væsken ved bruk av en mekanisk anordning slik som en roterende impeller som dispergerer mange små gassbobler i væsken. Stigende gassbobler tilveiebringer dermed en stor gass-væskegrenseflate ved hvilke olje og oljefuktede partikler er konsentrert. Disse partikler stiger til overflaten med boblene og forblir i skummet over vannet fra hvilke de kan effektivt og enkelt skimmes bort. FlotasJonsprosessen med oppløst gass innbefatter oppløsing av gass i vann ved et forøket trykk og innføring av vannet under trykk inn i en celle holdt ved et lavere trykk og som inneholder væsken som skal behandles. Trykkfallet ved innføring av vannet under trykk inn i cellen bevirker at små bobler av gassen frigjøres. Gassboblene stiger til overflaten av væsken sammen med olje som skal fjernes fra væsken. Oljen kan deretter fjernes fra væskeoverflaten av cellen ved skimming.

Internasjonal patentansøkning nr. W085/04432 beskriver en innretning for å innføre luft i et fluid som passerer gjennom et rør av varierende diameter som er avdelt i innløps-, blande- og trekkseksJoner.

"Water Research" årgang 13, nr. 4 ( 1979 ) sidene 385 - 391 beskriver en metode for å separere oljeforurensninger fra vann ved bruk av oppløst luftflotasjon med en mengde kjemiske hj elpemidler.

Forskjellen mellom f lotasj onsprosessen med Indusert gass og oppløst gass er derfor metoden ved hvilke gassen Innføres 1 væsken. Imidlertid krever begge disse f lotasj onsprosesser betraktelige kraftmengder og generelt innbefatter apparatet flere komplekse og kostbare komponenter. For applikasjoner i hvilke enten rommet eller vekten er avgjørende, f.eks. på ol j efeltplattf ormer til havs, er disse f Iotas j onssystemer svært ineffektive med hensyn ril gulvareal, volum og vekt.

Det er nå utviklet en ny prosess og apparat for separering av fremmede stoffer fra en væske ved flotasjon som overvinner problemene og ulempene av flotasjonsprosessene med indusert gass og oppløst gass, og som har et vesentlig redusert antall komponenter, opptar mindre rom, har lavere vekt og krever mindre kraft.

I et aspekt tilveiebringer den foreliggende oppfinnelse en prosess for separering av fremmede stoffer fra en væske, hvilke prosess innbefatter blanding av en strøm av forurenset væske som inneholder oppløst gass med en strøm av indusert gass for å tilveiebringe en multifasestrømning, og utsette multifasestrømmen for turbulens og forskyvning for derved å fremstille en godt dispergert, boblet væskestrøm, og å passere den boblede væskestrøm inn i en beholder som inneholder væasken forurenset med fremmed materiale under den frie overflate av væsken, og gi gassboblene mulighet til å stige til overflaten av væsken, idet overflatevedhenget mellom gassboblene og partiklene av fremmed materiale bevirker disse partikler til å flyte til væskeoverflaten.

Ved utførelse av prosessen ifølge oppfinnelsen fjernes det fremmede materiale fortrinnsvis fra væskeoverflaten, f.eks. ved hjelp av en skimmer. Uttaket kan være kontinuerlig eller intermitterende.

Prosessen ifølge den foreliggende oppfinnelse er særlig tilpasset for separering av olje og vann og er særlig nyttig for fjerning av oljeholdig spill og svevende faststoffer fra spillvann i petroleumsindustrien, slik som produksjonsvann i oljefeltet, raf f ineringsprosessvann, og spillvann dannet i produksjon av kjemikalier fra naturgass eller petroleum. Prosessen ifølge den foreliggende oppfinnelse kan også anvendes f.eks. for behandling av avløpsvann for kjemiske anlegg og matvareanlegg før biologisk behandling eller utslipp, for uttak av organisk materiale og svevende faststoffer fra vannet, for behandling av spillvann fra papir-produksj onsindustr ien og på mineral- og det metallurgiske felt.

Ved separeringen av olje fra vann er den flytende strømning som inneholder oppløst gass en strøm av oljeforurenset vann som mettes med fremstilt gass. For store systemer kan et antall bobleholdige væskestrømmer føres inn i beholderen for å sikre en jevn strømning av den bobleholdige væskestrømning inn i den forurensede væske og en jevn fordeling av bobler.

Ved utførelsen av prosessen ifølge den foreliggende oppfinnelse må en adekvat gassmengde inntas i væskestrømmen som små bobler for å tilveiebringe den nødvendige fysiske kontakt mellom overflaten av partiklene av det fremmede materiale, f.eks. oljedråper eller svevende faste partikler, og overflaten av gassboblene.

Flotasjonen påvirkes således av kollisjonen mellom boblene og partiklene av fremmed materiale, dannelsen av partikkel-flokker og adsorbsjonen av bobler på partiklene og flokk-strukturene. Reaksjonen mellom boblen og partikkelen styres av overflatekjemien til systemet og det skal forstås at ved kontakt må disse overflater addere snarere enn drives tilbake. Denne overflatekarakteristikk kan forøkes ved bruk av koaguleringsmidler slik som jernsalter, aluminium eller kalsium, eller organiske polyelektrolytter.

Den bobleholdige væskestrøm føres inn i beholderen som inneholder væsken forurenset med fremmed materiale under den frie overflate av væsken, fortrinnsvis vil den bobleholdige væskestrøm entre beholderen ved et hjørne eller en ende av denne. Et tilstrekkelig stort stillestående flotasjonsområde er således tilveiebragt i det gjenværende av beholderen slik at partiklene/gassboblene kan stige til overflaten av væsken og derved separere partiklene av fremmed materiale fra hovedvæsken. For store forstyrrelser i dette området kunne bevirke separering av partiklene/gassboblene eller til og med reemulgering av partiklene inn i væsken.

En spesiell fordel ved prosessen ifølge den foreliggende oppfinnelse for behandling av produsert vann fra oljeproduk-sjonsbrønner er at det produserte vann er under trykk. Dette eliminerer behovet for pumpeutstyr. Videre er det produserte vann på oljeproduksjonsplattformer til havs ikke bare vanligvis under trykk, men også fullstendig mettet med produsert gass.

Prosessen Ifølge oppfinnelsen er særlig egnet for separering av olje og saltholdig vann, f.eks. på oljeproduksjonsplattformer til havs, ettersom boblene dannet i saltvann er små, vanligvis i området fra 0,2 - 0,8 mm i diameter, og vanntemp-eraturen er vanligvis i området av 50°C - 90°C. Disse faktorer frembringer respektivt små bobler og en økning i graden ved hvilke boblene stiger til vannoverflaten som derved resulterer i en mer hurtig separering av oljen fra vannet.

Hovedfordelene med prosessen ifølge oppfinnelsen er som følger: (a) en betraktelig økning i graden av masseoverføring er gjort mulig sammenlignet med de kjente rotasjonsprosesser med indusert gass og oppløst gass, (b) den høye graden av masseoverføring gjør det mulig å redusere volumet av reaksjonsbeholderen betraktelig, og (c) prosessen kan utføres med forholdsvis enkelt utstyr.

Den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer også, i et annet aspekt, et apparat for separering av fremmed materiale fra en væske, hvor apparatet innbefatter en beholder for å holde væsken forurenset med fremmed materiale, hvor beholderen har en innløp for forurenset væske, hvis innløp er i det minste en dyse innbefattende innretninger for å blande en strømning av en væske inneholdende oppløst gass med en strømning av indusert gass for å tilveiebringe en multifasestrømning og innretninger for å utsette multifasestrømningen for turbulens og forskyvning eller skjæring for derved under bruk å fremstille en godt dispergert bobleholdlg væskestrømning inn i beholderen, og et utløp for den rensede væske.

I et foretrukket aspekt av den foreliggende oppfinnelse fremspringer innløpsdysen i horisontalplanet eller nær inntil horisontalplanet inn i beholderen. Den er posisjonert slik at den sikrer at en større del av beholderen vil bli latt i en tilstrekkelig stillestående tilstand for å tillate gassboblene, med partiklene av fremmed materiale addert dertil, og stige hurtig til overflaten av beholderen. Utløpet av beholderen er plassert mot bunnen av beholderen for føring av renset væske derigjennom. Beholderen kan være utstyrt med en skimmer eller lignende for å fjerne fremmed materiale, slik som olje, fra væskeoverflaten. Beholderen er også fortrinnsvis utstyrt med et utløpsarrangement i hvilke en ledeplate forhindrer fremmed materiale å nærme seg utløpet. Den rensede væske føres ned under ledeplaten og trekkes ut fra bunnen av beholderen.

Det kan være fordelaktig å anvende to apparater av den ovenfor beskrevne type i serie for slik å forbedre effektivi-teten for fjerning av fremmed materiale fra den forurensede væske.

Dysen som frembringer den bobleholdige væskestrømning inn i beholderen innbefatter innretninger for å blande en strømning av en væske inneholdende oppløst gass med en strømning av indusert gass for å tilveiebringe en multifasestrømning og innretninger for å utsette den multifasede strømning for turbulens og skjæring.

I et ytterlige aspekt tilveiebringer den foreliggende oppfinnelse en dyse for fremstilling av en bobleholdlg væske som innbefatter en innløpspassasje for væske, to tilstøtende åpningsplater montert i passasjen vinkelrett til dennes akse, hvor i det minste en av platene er bevegbare slik at ved bevegelse av platene, enten enkeltvis eller sammen, endres det totale åpningsareal av passasjen etterhvert som åpnings-over1appingen endres, et innløp for indusert gass, et blanderør nedstrøms av innløpet for indusert gass som divergerer til dyseutløpet og innretninger til å variere posisjonen eller posisjonene av den bevegbare åpningsplate eller plater slik at trykket av den flytende strømning gjennom dysen kan kontrolleres.

Innretningene til å variere posisjonen til de bevegbare åpningsplater kan f.eks. være en føler plassert oppstrøms av disse som overvåker væskestrømningen gjennom innløpspassasjen for væske. Bevegelsen til platen eller platene bevirker at det totale åpningsareal varierer og dette regulerer tilstede-værelsen av væsken som inneholder oppløst gass. En ventil kan også inngå for å variere strømningen av indusert gass inn i dysen, og om ønsket kan gasstrømningen reguleres ved den samme føler som brukes til å variere posisjonene av den bevegbare åpningsplate eller plater.

I et første foretrukket aspekt tilveiebringer den foreliggende oppfinnelse en dyse for fremstilling av en bobleholdlg væske som innbefatter en innløpspassasje for væske, en fast åpningsplate montert i passasjen vinkelrett til dennes akse, en dreibar plate med en varierbar åpning montert straks inntil den fast åpningsplate vinkelrett til aksen av innløps-passasj en for væske, et innløp for indusert gass, et blanderør nedstrøms av innløpet for indusert gass som divergerer til dyseutløpet og innretninger for å variere posisjonen av den dreiende åpningsplate slik at trykket på væskestrømningen gjennom dysen kan reguleres.

Fortrinnsvis er åpningen i den faste åpningsplate plassert sentralt deri og fortrinnsvis er den varierbare åpning i den variable åpningsplate en bueformet slisse som har en varierende bredde. Innretningene for å variere posisjonen av den dreiende åpningsplate kan f.eks. være en føler plassert oppstrøms av denne som overvåker væskestrømmen gjennom innløpspassasjen for væske. Dreining av den varierbare åpningsplate bevirker at det faktiske åpningsareal varierer og dette regulerer trykket av væsken som inneholder oppløst gass på oppstrømssiden av den faste åpningsplate. En ventil kan også inngå for å variere strømningen av indusert gass inn i dysen, og om ønsket kan gasstrømningen reguleres ved den samme føler som brukes til å variere posisjonen av den dreiende åpningsplate.

I et andre foretrukket aspekt, tilveiebringer den foreliggende oppfinnelse en dyse for fremstilling av en bobleholdlg væske som innbefatter en innløpspassasje for væske, to tilstøtende glidbare åpningsplater montert i passasjen vinkelrett til dennes akse slik at ved glidebevegelse av platene enten enkeltvis eller sammen endres det totale åpningsareal av passasjen etterhvert som åpningsoverlappen endres, et innløp for indusert gass, et blanderør nedstrøms av innløpet for indusert gass som divergerer mot dyseutløpet og innretninger for å variere posisjonene av åpningsplatene slik at trykket av væskestrømmen gjennom dysen kan reguleres.

Hensiktsmessig er åpningene i glideplatene elipser. Innretningene til å variere posisjonen av de glidbare åpningsplater kan f.eks. være en føler plassert oppstrøms av denne som overvåker væskestrømningen gjennom innløpspassasjen for væske. Bevegelsen av platene bevirker at det totale åpningsareal varierer og dette regulerer trykket av væsken som inneholder den oppløste gass. En ventil kan også inngå for å variere strømningen av indusert gass inn i dysen, og om ønsket kan gasstrømningen reguleres ved den samme føler som anvendes til å variere posisjonene av den glidbare åpningsplate .

Dysen med varierbart areal ifølge den foreliggende oppfinnelse muliggjør således et konstant trykk i væsken som inneholder oppløst gass å bli opprettholdt til tross for en varierende strømning. Den innkomne væskestrømning som inneholder oppløst gass, som føres gjennom innløpspassasjen, er under trykk og på oljeproduksjonsplattformer til havs er denne væske vanligvis fullstendig mettet med produsert gass. Etterhvert som den mettede væske passerer gjennom åpningsplaten ved oppstrømssiden av dysen, reduseres trykket til trykket av væsken i f Iotas jonsbeholderen. Trykkfallet over åpningsplaten vil bevirke at mye av den produserte gass kommer ut av oppløsningen, og danner således små bobler. Ved passering gjennom åpningen blandes væskestrømmen med en separat gasstrøm som er produsert gass tatt fra beholderfri-høyden, og ekspanderer radielt som en veneinnsnevring og passerer ned blanderøret som et hovedsakelig invertert ringformet strømningsforløp. I dette området støter strømnin-gen mot veggene av blanderøret og gassen blandes inn med væsken slik at multifasestrømningen fremskrider som en godt dispergert bobleholdlg væske. Enhver reduksjon av strømnings-graden til fIotasjonsbeholderen ville resultere i et redusert trykkfall over dysen. På oljeproduksjonsplattformer til havs er trykket nedstrøms fast og det reduserte trykkfall ville derfor skje oppstrøms av fIotasjonsbeholderen som er ved et konstant trykk og dette ville forårsake en trykkforskjell oppstrøms av dysen. Gass i innløpsvæskestrømmen ville derfor bli skyllet fra oppløsningen oppstrøms av dysen. Nærværet av gassen ville forårsake at gasslommer passerer gjennom dysen og inn i hovedflotasjonsbeholderen, og således forstyrre den stillestående tilstand nødvendig for å tillate jevn stigning av bobler. Dette problem er overvunnet ved dysen ifølge oppfinnelsen hvor trykket i innløpsvæskestrømmen oppretthol-des konstant ved hjelp av den dreiende åpningsplate som har en varierbar åpning eller ved hjelp av den glidende åpningsplate eller plater.

Den foreliggende oppfinnelse vil bli ytterligere beskrevet gjennom et eksempel og med henvisning til de vedlagte tegninger hvor: Fig. 1 er en tverrsnittskisse av dysen eller munn-stykket ifølge oppfinnelsen;

fig. 2 er en fremstilling av den dreibare plate med en

varierbar åpning;

fig. 3 er en fremstilling av apparatet i hvilke fremmed

materiale separeres fra en væske,

fig. 4 er en fremstilling av den glidbare åpningsplate

med en varierbar åpning.

Det vises til figurene 1 og 2 hvor figur 1 viser i tverrsnitt en dyse eller et munnstykke ifølge oppfinnelsen. Dysen har en innløpspassasje 1 for væske gjennom hvilke f.eks. vann forurenset med olje og som inneholder gass føres. Denne væskestrømning møter en plate 2 plassert i passasjen vinkelrett til dennes akse, hvor platen har en sentral, sirkulær åpning 3 dannet deri. Den dreibare plate 6 med den varierbare åpning 12 er montert straks nedstrøms av platen 2. Et innløp 4 for strømning av indusert gass inn i dysen er plassert nedstrøms av åpningsplatene. Væskestrømmen passerer gjennom den varierbare åpningsplate og blander seg med gasstrømningen i blanderøret 7. Blanderøret har divergerende vegger 8 som avslutter i utgangen 9 av dysen. Ved passering gjennom den faste åpningsplate 2 og den dreibare åpningsplate 6 ekspanderer multifasestrømmen radielt, og i blanderøret innblandes gassen som entrer gjennom innløpet 4 med væsken og multifase-strømmen fremskrider som en godt dispergert bobleholdlg væske. Den bobleholdige væske forlater dysen via utgangen 9. Pilene indikerer strømningsretningen gjennom dysen.

Det vises til figur 2 hvor den dreibare plate 6 dreier omkring et rotasjonssenter 11. Platen har en bueformet slisse 12 som varierer i bredde langs sin lengde. Den dreiende åpningsplate er plassert på en slik måte at den bueformede slisse 12 er i flukt med den sirkulære åpning 3 i den faste åpningsplate 2 etterhvert som den dreibare plate dreier omkring rotasj onssenteret 11. Det skal forstås at når den bueformede slisse 12 beveger seg bak den faste åpning 3 varieres det effektive åpningsareal.

Det vises til figur 3 hvor en beholder 21 som inneholder en væske forurenset med fremmed materiale 22 har en innløpsdyse 25 for passering av forurenset væske gjennom beholderen og et utløp 24 gjennom hvilke den rensede væske passerer. En gass-atmosfære, slik som produsert gass, er tilveiebragt over flaten av den forurensede væske. En stråle av bobleholdlg væske dannes gjennom dysen 25 og en tett sky av bobler fremstilt ved den kombinerte induserte gass og oppløste gass sprer seg over bunnen av beholderen. Gassboblene med partikler av fremmed materiale addert til seg stiger til overflaten av væsken og danner et lag eller skum av fremmed materiale ved væskens overflate. Væsken som strømmer gjennom beholderen støter på en ledeplate 27 som ikke forløper i dybde helt til bunnen av beholderen og det er et rom 28 dannet mellom denne og bunnen av beholderen. Renset væske forlater således hoved-separeringsområdet av beholderen 21 via rommet 28 og forlater beholderen via utløpsrøret 24. Laget eller skummet med fremmed materiale dannet på væskeoverflaten kan fjernes ved hjelp av en skimmer eller lignende (ikke vist).

Det skal forstås at apparatet som illustrert i figur 3 kan være av enhver ønsket dimensjon avhengig av væskemengden som det er ønsket å behandle.

Det vises til figur 4 hvor de glidbare 31 og 32 glir i retningene vist ved pilene 35 og 36. Hver plate har eliptisk tilformede åpninger 33 og 34. Platene er plassert på en slik måte at de eliptiske åpninger overlapper hverandre for å danne en åpning 37, hvis areal kan varieres ved å glideføre en eller begge platene.

Det skal forstås at de glidbare åpningsplater 31 og 32 ifølge figur 4 kan innta plassen til den faste åpningsplate 2, og dreibare plate 6 ifølge figur 1 i den dyse illustrert i denne figur.

Prosessen ifølge den foreliggende oppfinnelse er ytterligere illustrert ved det følgende ikke-begrensende eksempel.

Eksempel 1

En rektangulær beholder med en total oppholdstid på 4 minutter ble oppfylt med 3% saltvann holdt ved en temperatur på 75"C. En mengde på 20 ppm av en de-emulgator ble tilført saltvannet. En enkelt ejektordyse ble plassert ved en ende av beholderen under overflaten av saltoppløsningen. En bobleholdlg flytende saltholdig strømning ble dannet ved bruk av en dyse av den beskrevne type med henvisning til figurene 1 og 2. Den oppløste gass som ble brukt var nitrogen og den induserte gass var luft. Den bobleholdige flytende salthold-ige strømning ble innført gjennom ejektordysen ved en strømningsgrad av 270 liter/min. En oljeinnløpskonsentrasjon på 240 ppm ble redusert til en utløpskonsentrasjon på 36 ppm.

Claims (11)

1. Prosess for separering av fremmed materiale fra en væske, karakterisert ved at prosessen innbefatter blanding av en strømning av forurenset væske inneholdende oppløst gass med en strømning av indusert gass for å tilveiebringe en mul tlf asestrømning , at mul ti f asest rømningen utsettes for turbulens og skjæring for derved å fremstille en godt dispergert bobleholdlg væskestrømning, at den bobleholdige væskestrømning føres inn i en beholder som inneholder væsken forurenset med fremmed materiale, under den frie overflate av væsken, og at gassboblene tillates å stige til væskeoverf laten, idet overf latevedhenget mellom gassboblene og partiklene av fremmed materiale bevirker partiklene av fremmed materiale til å flyte til væskeoverflaten.

2. Prosess ifølge krav 1, karakterisert ved at et koaguleringsmiddel tilføres væsken forurenset med fremmed materiale.

3. Prosess ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at det fremmede materiale fjernes kontinuerlig eller intermitterende fra væskeoverflaten.

4. Prosess ifølge et eller fler av de foregående krav, karakterisert ved at et antall bobleholdige væskestrømmer føres inn i beholderen.

5 . Apparat til utførelse av fremgangsmåten ifølge krav 1 til 4, karakterisert ved at apparatet innbefatter en beholder for å holde væsken forurenset med fremmed materiale, hvor beholderen har et innløp for forurenset væske, hvis innløp er i det minste en dyse innbefattende innretninger for å blande en væskestrømning inneholdende oppløst gass med en strømning av indusert gass for å tilveiebringe en multifasestrømning, og innretninger for å utsette mult if ases t rømningen for turbulens og skjæring for derved under bruk å produsere en godt dispergert bobleholdlg væskestrømning inn i beholderen, og et utløp for den rensede væske.

6. Apparat ifølge krav 5, karakterisert ved at dysen fremspringer inn i beholderen i horisontalplanet eller nær til horisontalplanet.

7. Apparat ifølge krav 5 eller 6, karakterisert ved at beholderen er anordnet med en ledeplate under hvilke under bruk renset væske passerer.

8. Apparat ifølge et eller fler av kravene 5-7, karakterisert ved at apparatet i tillegg innbefatter innretninger til å fjerne fremmed materiale fra væskeoverflaten.

9. Dyse for fremstilling av en bobleholdlg væske, karakterisert ved at dysen innbefatter en innløpspassasje for væske, to tilstøtende åpningsplater, montert i passasjen vinkelrett til dennes akse hvor minst en av platene er bevegbare slik at under bevegelse av platene, enten enkeltvis eller sammen, endres det totale åpningsareal etterhvert som åpningsoverlappen endres, et innløp for indusert gass, et blanderør nedstrøms av innløpet for indusert gass som divergerer mot dyseutløpet og innretninger til å variere posisjonen eller posisjonene av åpningsplaten eller platene slik at trykket på væskestrømmen gjennom dysen kan reguleres.

10. Dyse ifølge krav 9, karakterisert ved at begge åpningsplater er glidbare åpningsplater og at åpningen i hver plate er en elipse.

11. Dyse ifølge krav 9 eller 10, karakterisert ved at dysen innbefatter innretninger til å variere strømningen av indusert gass inn i dysen.