NO964232L - Fremgangsmåte og anordning for olje/vann-separering ved utnyttelse av et sentrifugal-koalescens-apparat med dobbeltelektrode - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse gjelder en fremgangsmåte og anordning for olje/vann-separer-

ing ved utnyttelse av et sentrifugal-koalescens-apparat med dobbeltelektrode.

Elektrostatisk behandling av olje og vann har i mange år blitt brukt av oljeindustrien for å bistå under separeringen av vann fra en kontinuerlig oljestrøm. Det er blitt vist at det å behandle en vann-i-olje-emulsjon ved å lede den igjennom et høyspent elektrostatisk felt, fremmer rask koalescens av små vanndråper, hvilket fører til rask separering. Denne metode har imidlertid tradisjonelt vært begrenset til et vanninnhold i oljen av inntil omtrent 20 %. De elektrostatiske spenningskilder innbefatter sådanne av vekselstrøms-

og likestrømstype samt kombinert vekselstrøms-/likestrøms-type. Forsøk på å øke det tillatelige innløpsvanninnhold har blitt begrenset pga. den elektrisk ledende, egenskap for emulsjoner med høyt vanninnhold.

En elektrostatisk metode utviklet av Dr. Philip Bailes og Steve Larkai ved Universitetet i Bradford, USA har vist seg å behandle emulsjoner med hell, som har et vanninnhold så

høyt som 70 % eller mer. Emulsjonen må forbli "oljekontinuerlig" med vannet fint dispergert gjennom det hele. Et koalescensapparat ifølge Bailes/Larkai løser problemet med høy konduktivitet ved å utnytte to metoder, nemlig en isolert elektrode og et pulset likespenningsfelt. De vanlige beholderkonstruksjoner som vanligvis brukes i industrien har imidlertid vist seg å være utilfredsstillende for det formål å behandle oljefeltemulsjon-

er med høyt vanninnhold, som arbeider ved høye trykk.

For ytterligere bakgrunnsopplysninger angående den grunnleggende gjenstand for denne oppfinnelse kan det henvises til US patent nr. 4.601.834 og 4.747.921, som begge tas med her som referanse.

Denne oppfinnelse realiserer koalescens-begrepet i en sylinder ved å bruke en isolert midtelektrode.

I en utførelsesform kommer vann-i-olje-emulsjonen tangensialt inn i sylinderen for å gi

fluidet en rotasjonsbevegelse. Utgangsmunnstykket er anordnet tangensialt ved den motsatte ende av sylinderen for å opprettholde fluidets rotasjon ettersom det nærmer seg utløpet.

En elektrisk midtleder som virker som den ladede elektrode er anordnet langs sylinder-

ens midtakse som strekker seg langs hoveddelen av lengden. Et isolasjonsmaterial

velges særskilt for å utøve det elektrostatiske felt over emulsjonen som skal behandles, og strekker seg en passende lengde ovenfor og nedenfor den ledende komponent. Elektroden er en mindre sylinder som danner et ringformet hulrom mellom seg og den større beholder. Elektroden holdes på plass ved hjelp av en høy spenning som tilføres gjennom en bøssing som leder høyspenning igjennom beholdertoppen ved den ene ende. Emulsjonen som skal behandles strømmer i spiraler omkring midtelektroden ettersom den passerer langs lengden av beholderen. Sentrifugalkrefter fjerner den mer ledende komponent med større densitet i emulsjonen (vann) bort fra den ladede midtelektrode, for derved i stor grad å redusere de elektriske krefter som utøves på isolasjonsmaterialet og påfører emulsjonen mer koalescerende kraft. Den isolerende virkning av den tørrere olje omkring den ladede elektrode tillater bruk av tynnere isolasjonsmaterial, hvilket ytterligere reduserer felttapene gjennom isolatoren. I noen operasjoner vil sentrifugalkreftene eliminere behovet for en isolert elektrode.

En høyspenning, som kan være pulserende, tilføres elektroden ettersom emulsjonen strømmer i spiraler omkring den. Dette elektriske felt fremmer koalescens. Særlig når det anvendes en pulserende spenning frembringes det smådråpekjeder i perioder med høy spenning etterfulgt av rask koalescens i perioder uten spenning. En riktig puls-frekvens kan dessuten forbedre koalescensraten for vannet dispergert i oljen. Dette koalescerte vann beveger seg til sylinderens innervegg pga. den sentrifugalkraft som påføres vanndråpene av den spiralstrømmende emulsjon. Denne forflytning av den største del av vannet bort fra elektroden, reduserer oljens elektriske ledeevne nær elektroden og muliggjør forbedret behandling av den tørrere emulsjon som blir tilbake ved midtelektroden.

I en alternativ utførelsesform utnyttes dobbelt strømning av emulsjonen sammen et par konsentriske elektroder. Vann-i-olje-emulsjonen sprøytes tangensialt inn i en beholder med sylindriske vegger nær en ende av beholderen. Emulsjonen bringes til å strømme omkretsmessig inne i beholderen omkring en rørformet elektrode som strekker seg fra den ene ende av beholderen. Den rørformede elektrode strekker seg konsentrisk inne i beholderen.

En forlenget elektrode strekker seg aksialt og konsentrisk inne i den rørformede elektrode. Emulsjonen bringes så til å strømme aksialt gjennom den rørformede elektrode til et utløp i den ene ende av beholderen mellom den rørformede elektrode og den forlengede elektrode. Et elektrisk potensial påføres mellom elektrodene og beholderen. Anvendelse av koalescensapparatet i henhold til denne beskrivelse har vist seg å forbedre vannsepareringsraten med så mye som 1.250 % i forhold til konvensjonelle separeringsmetoder ved hjelp av tyngdekraften.

En bedre forståelse av oppfinnelsen kan oppnås utfra den etterfølgende beskrivelse av foretrukne utførelsesformer sett i sammenheng med de vedføyde tegninger, på hvilke: fig. 1 er en sideskisse av et apparat for å forsterke koalescensen av vann i en vann-i-olje-emulsjon, idet deler av apparatet er delvis skåret bort for å vise elektroden

som brukes i apparatet og som også er delvis vist i tverrsnittet,

fig. 2 viser et snitt gjennom koalescensapparatet langs linjen 2-2 i fig. 1, og som viser

det tangensiale fluidinnløp,

fig. 3 viser et snitt gjennom koalescensapparatet langs linjen 3-3 i fig. 1,

fig. 4 viser et snitt gjennom koalescensapparatet langs linjen 4-4 i fig. 1,

fig. 5 viser et snitt gjennom koalescensapparatet langs linjen 5-5 i fig. 1, og som viser

det tangensiale fluidutløp,

fig. 6 er en forstørret tverrsnittsskisse av en foretrukket utførelse av en inngangs-bøssing som brukes i koalescensapparatet vist i fig. 1, og som viser hvordan

bøssingen er montert i koalescensapparatets rørformede beholder,

fig. 7 viser et snitt gjennom bøssingen langs linjen 7-7 i fig. 6,

fig. 8 er en sideskisse av en alternativ utførelsesform av apparatet for å forsterke

koalescensen av vann i en vann-i-olje-emulsjon, vist delvis bortskåret,

fig. 9 viser et snitt gjennom apparatet langs delelinjen 9-9 i fig. 8,

fig. 10 viser et snitt gjennom apparatet langs delelinjen 10-10 i fig. 8, og fig. 11 viser et snitt gjennom apparatet langs delelinjen 11-11 i fig. 8.

Det henvises til tegningene og først til fig. 1- 5 hvor den grunnleggende struktur for et apparat for å forsterke koalescensen av vann i en vann-i-olje-emulsjon, er vist. En langstrakt rørformet beholder 10 har en toppende 12 forsynt med en flens 14 samt en bunnende 16 forsynt med en flens 18. En blindflensplate 20 er festet til bunnflensen 19 ved hjelp av bolter 22 for å lukke bunnen av beholderen. Toppen av beholderen har et lukkeelement 24 som holdes fast på toppflensen 14 ved hjelp av bolter 26. Lukkeelementet 24 har en gjenget åpning 28 i seg.

Et tangensialt fluidinnløp 30 kommuniserer med beholderveggen i nærheten av toppen 12. Det tangensiale innløp 30 er utformet slik som vist i fig. 2 for å få fluid ført inn i beholderen til å strømme i en bane som går omveier. Et tangensialt utløp 32 kommuni serer med beholden/eggen i nærheten av bunnenden 16. Som anskueliggjort i fig. 5 øker det tangensiale utløp 32 den omkretsmessige strømning av fluid inne i beholderen, siden det sørger for tangensial utgang av fluid når det strømmer ut av beholderen. Det tangensiale innløp 30 og tangensiale utløp 32 er et viktig aspekt ved oppfinnelsen, siden de får fluidet inne i den sylindriske beholder til å strømme i en omkretsmessig spiralform-et bane. Som antydet med pilene i tverrsnittsskissene i fig. 2 - 5 bevirker den omkretsmessige strømning at sentrifugale krefter påføres fluidet og som beveger den tyngre komponent, dvs. vannkomponenten i vann-i-olje-emulsjonen, mot beholderens innervegg 10A. Den har også den virkning at den lettere komponent, dvs. oljekomponenten i vann-i-olje-emulsjonen, holdes tilbake inntil midten av beholderen, hvilket gir fordeler som i stor grad vil bli beskrevet.

En bøssing 34 mottas inne i en gjenget åpning 28 i lukkeelementet 24. Til bøssingen 34 er det festet en elektrode dannet av to hovedkomponenter, dvs. en ledende midtstav

36 omgitt av en isolasjonskappe 38.

Bøssingen 34 utgjør et middel for å understøtte elektroden dannet av den ledende stav 36 og isolasjonskappen 38 aksialt inne i det indre av beholderen 10, således at elektroden strekker seg over i det minste en vesentlig andel av beholderens lengde. Videre utgjør bøssingen 34 et middel for å tilføre et elektrisk potensial til elektrodens ledende stav 36. I fig. 1 er kilden for elektriske potensial en spenningsgenerator 40 som har en første leder 42 forbundet med bøssingen 34 og en andre leder 44 forbundet med beholderen 10. Egenskapen til spenningen som påføres mellom elektroden 36 og beholderen 10 vil bli drøftet senere.

Det henvises til fig. 6 og 7 hvor det er vist en forstørret, mer detaljert skisse av en foretrukket utførelsesform av bøssingen 34. Bøssingen 34 har en mantel 46 med et parti som har større diameter og er utvendig gjenget ved henvisningstallet 48. Gjengene 48 på mantelen 46 mottas i den gjengede åpning 28 i lukkeelementet 24, slik som beskrevet med henvisning til fig. 1.

Mantelen 46 er rørformet og har en innvendig overflate 50 som mottar en rørformet isolator 52 med en innvendig rørformet åpning 52A. Isolatoren 52 har et parti 54 med redusert diameter inntil sin øvre ende og som mottas i mantelen 46. Den øvre ende av partiet 54 med redusert diameter er utvendig gjenget ved henvisningstallet 56. En rørformet sperremutter 58 mottas på gjengene 56 således at dens nedre ende går i inngrep med mantelen 46 for derved å holde isolatoren 52 inne i mantelen 46.

En ledende stav 60 fremstilt i metall, slik som stål, kobber e.l., mottas inne i den

rørformede isolator 52. Den nedre ende av staven 60 er gjenget for ved å skrus, å gå i inngrep med et ledende endeparti 62. En fullstendig gjenget tapp 64 strekker seg fra endepartiet 62.

En muffe 66 av ikke-ledende material mottas på det nedre parti av isolatoren 52. Ved

den øvre ende av bøssingen er en kort muffe 68 som kan være en teflonforing, anbragt omkring staven 60 der den kommer ut fra den øvre ende av isolatoren 52.

Fig. 1 viser bøssingen 34 på en generell måte for å understøtte en isolert elektrode 36,

38, mens fig. 6 og 7 viser en foretrukket utførelsesform av bøssingen.

Når bøssingen vist i fig. 6 og 7 anvendes, er den ledende stav 36 festet til bøssingens endedel 62 ved hjelp av den fullstendig gjengede skrue 64. Bøssingen 34 av den type som er vist i fig. 6 og 7 understøtter således den ledende stav 36 omgitt av den isolerende kappe 38 for å strekke seg en vesentlig del av lengden av beholderen 10, slik som tidligere beskrevet.

Fig. 6 og 7 forestiller et eksempel på en foretrukket type bøssing som kan anvendes for å holde den isolerte elektrode midtstilt inne i beholderen.

Spenningsgeneratoren 40 er fortrinnsvis av en sådan type som genererer pulserende likespenning på den måte som er beskrevet i US patent nr. 4.601.834. Når en pulser-

ende likespenning tilføres, slik som beskrevet i dette patentskrift, vil vannkomponenter i en vann-i-olje-emulsjon som har fint dispergerte små dråper bringes til å koalescere, dvs.

å føye seg sammen for å danne dråpekjeder i perioder med høy spenning. I påfølgende perioder med redusert eller ingen spenning koalescerer dråpekjedene, dvs. slår seg sammen for å danne større vanndråper. Ved denne koalescerende virkning samler vannkomponenten i vann-i-olje-emulsjonen seg i større dråper som reagerer på

tyngdekraft- og sentrifugalseparasjon. Således utnyttes innretningen vist i fig. 1 forut for en beholder (ikke vist) for separasjon ved hjelp av tyngdekraften og sentrifugale krefter,

for å forsterke separasjonen av vann fra emulsjonen.

Fig. 8-11 viser en alternativ utførelsesform 70 av anordningen og fremgangsmåten for å forsterke koalescensen av vann i en vann-i-olje-emulsjon. Fig. 8 forestiller en sideskisse av den alternative utførelsesform 70, som er delvis bortskåret for klarhetens skyld. En langstrakt sylindrisk beholder 72 har et par motstående ender, dvs. en toppende 74 forsynt med en flens 76 i radial retning og en bunnende 78 forsynt med en flens 80 i radial retning. En flensplate 82 er festet til bunnenden 78 med festemidler som danner en fluidtett forsegling ved bunnenden 78 av beholderen 72. Et topplukkeelement 86 holdes fast på toppflensen 76 ved hjelp av festemidler 88 som danner en fluidtett forsegling ved toppenden 74 av beholderen 72. Topplukkeelementet 86 har en gjenget åpning 90 i seg.

Et tangensialt fluidinnløp 92 kommuniserer gjennom veggen av den sylindriske beholder 72 i nærheten av toppenden 74. Emulsjonsfluid som føres inn i beholderen bringes således til å strømme i en bane som går omveier. Fluidstrømningen beveger seg omkring det ytre av en rørformet ledende elektrode 94 (vist i tverrsnitt). Den rørformede elektrode 94 befinner seg konsentrisk og aksialt på linje med den sylindriske beholder 72. Fluidet strømmer i beholderen i en omkretsmessig spiralbane og vil også bevege seg aksialt mot bunnenden 78.

Den rørformede elektrode 94 strekker seg konsentrisk fra topplukkeelementet 86 i toppenden 74, mot bunnenden 78. Det vil bli observert at den rørformede elektrode 94 ikke strekker seg over hele lengden av beholderen til bunnenden 78. Således sirkulerer fluidet innledningsvis i rommet mellom det ytre av den rørformede elektrode 94 og det indre av den sylindriske beholder 72, slik som vist i tverrsnittskissen i fig. 9. Pilene 95 tjener til å vise fluidets omkretsmessige bevegelse. Den rørformede metallelektrode er omgitt med isolasjon 104 på alle sider.

En langstrakt ledende elektrode 96 strekker seg konsentrisk og aksialt fra topplukkeelementet 86 inne i den rørformede elektrode 94. Den langstrakte elektrode 96 har en ledende midtstav eller pol 98 omgitt av en isolasjonskappe 100.

Som tidligere beskrevet bevirker den omkretsmessige strømning at sentrifugale krefter påføres fluidet, hvilket beveger den tyngre vannkomponent i emulsjonen mot den sylindriske beholders vegg. Den lettere oljekomponent forblir tilbake i nærheten av den rørformede elektrode 94.

Slik det best er vist med pilene 106 i fig. 8, vil fluidet så snart det har vandret en sirkulær bane omkring det ytre av den rørformede elektrode og beveget seg til bunnenden 78 av beholderen 72, bytte om retning, slik som vist med pilene 106, og bevege seg aksialt inne i den rørformede elektrode 94 mot toppenden.

Et fluidutløp 108 kommuniserer med beholderen 72 gjennom topplukkeelementet 86 mellom den rørformede elektroden 94 og den langstrakte elektrode 96. Etterat fluidet har beveget seg fra bunnenden 70 til toppenden 74 vil det følgelig bli fjernet fra apparatet 70 gjennom utløpet.

En bøssing 102 som understøtter elektroden 96 inne i beholderen og utgjør et middel for å tilføre et elektrisk potensial til den langstrakte elektrode 96, mottas inne i den gjengede åpning 90 i lukkeelementet 86.

Et elektrisk potensial tilføres både den rørformede elektrode 94 og den langstrakte elektrode 96.

En spenningskilde, slik som den vist ved henvisningstallet 110, kan omfatte en trans-formator 112 samt dioder 114 og 116. En første leder 118 er forbundet med den sylindriske beholder 72 mens et par andre ledere 120 og 122 er forbundet med hen-holdsvis den rørformede elektrode 94 og den langstrakte elektrode 96. Lederen 122 kan passere gjennom bøssingen 126 i beholderens sidevegg.

Spenningskilden 110 kan generere pulsert likespenning. Vannkomponenter i vann-i-olje-emulsjonen som har fint dispergerte små dråper bringes til å koalescere eller føye seg sammen innbyrdes for å danne dråpekjeder i perioder med høy spenning. I påfølgende perioder med redusert spenning koalescerer og setter dråpekjedene seg sammen for å danne større vanndråper. Ved denne koalescerende virkning samler vannkomponenten i vann-i-olje-emulsjonen seg til større vanndråper som reagerer på separering ved tyngdekraften og på sentrifugale krefter. Det vil således sees at den alternative utfør-elsesform 70 kan brukes forut for en beholder beregnet på separering ved hjelp av tyngdekraften eller sentrifugale krefter, for å øke separeringen av vann fra emulsjonen.

Som vist i fig. 8 såvel som i fig. 9 og 11, kan en valgfri drenering 124 innlemmes nær bunnenden 78 av beholderen for å tømme akkumulert vann.

Patentkravene og beskrivelsen angir den presenterte oppfinnelse og de uttrykk som er anvendt i kravene har sin betydning fra bruken av sådanne uttrykk i beskrivelsen. Når de samme uttrykk er brukt for å beskriv tidligere kjent teknikk, kan de ha en bredere mening enn det som særlig er benyttet her. Dersom det skulle foreligge tvil om det er en bredere definisjon av sådanne uttrykk som er brukt ved beskrivelse av tidligere kjent teknikk eller den mer spesifikke anvendelse av sådanne uttrykk i denne beskrivelse, er det den mer spesifikke betydning som er ment.

Selv om oppfinnelsen er blitt beskrevet med en viss grad av nøyaktighet, gis det til kjenne at mange endringer kan gjøres i konstruksjonsdetaljene og ordningen av komponentene uten å forlate beskrivelsens ide og omfang. Det skal forstås at oppfinnelsen ikke er begrenset til de utførelsesformer som her er angitt med det formål å angi eksempler, men er bare begrenset av omfanget av de vedføyde patentkrav innbefattet det fulle område av verdilikhet som hvert av trekkene i disse er berettiget til.

Claims (9)

1. Anordning for å øke koalescensen av vann i en vann-i-olje-emulsjon, karakterisert ved at anordningen omfatter - en rørformet beholder (72) som har en sylindrisk sidevegg og motstående ender (74, 78), - et tangensialt innløp (92) i nevnte sylindriske sidevegg i nærheten av en (74) av nevnte beholderender, - en rørformet elektrode (94) med en ytre diameter mindre enn den indre diameter av nevnte beholder (72), idet nevnte rørformede elektrode strekker seg konsentrisk inne i nevnte beholder fra nevnte ene ende (74) og kortere enn den fullstendige lengde av nevnte beholder (72), - en langstrakt elektrode (96) som strekker seg aksialt og konsentrisk inne i nevnte rørformede elektrode (94) fra nevnte ene ende (74), - et utløp (108) i nevnte ene ende (74) mellom nevnte rørformede elektrode (94) og nevnte langstrakte elektrode (96), idet nevnte innløp (92) og nevnte utløp (108) tjener til å bringe fluid til å strømme innledningsvis gjennom nevnte beholder (72) i en omkretsmessig bane utenfor nevnte rørformede elektrode (94) og deretter aksialt gjennom nevnte rørformede elektrode mot nevnte utløp, og - utstyr (110, 118, 120, 122) for å påføre et elektrisk potensial mellom nevnte elektroder (94, 96) og nevnte beholder (72).

2. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at den omfatter en drenering (124) i nærheten av den annen ende (78) av nevnte beholderender for uttømming av akkumulert vann.

3. Anordning som angitt i krav 1 karakterisert ved at den omfatter en isolator (104) som omgir nevnte rørformede elektrode (94).

4. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at den omfatter en isolerende kappe (100) som omgir nevnte langstrakte elektrode (96).

5. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at det til nevnte ene ende (74) av nevnte beholder (72) er festet en lukning (86) som har en åpning (90) i seg konsentrisk i forhold til nevnte rørformede beholder (72), idet nevnte åpning er beregnet på å motta nevnte langstrakte elektrode (96).

6. Anordning for å øke koalescensen av vann i en vann-i-olje-emulsjon, karakterisert ved at anordningen omfatter: - en rørformet beholder (10) som har en sylindrisk sidevegg og motstående første og andre ender (12, 16), idet beholderens første ende (12) har en lukning (24) med en innvendig gjenget åpning (28) konsentrisk i forhold til den rørformede beholder, - en innvendig gjenget, rørformet mantel (46) skrubart mottatt i nevnte lukning (24), - en langstrakt rørformet isolator (52) mottatt inne i nevnte mantel (46), - en langstrakt ledende elektrode (36) mottatt inne i nevnte isolator (52), - en isolerende kappe (38) som omgir nevnte elektrode (36), - et tangensialt innløp (30) i nevnte sylindriske sidevegg i nærheten av nevnte beholders første ende (12), - et tangensialt utløp (32) i nevnte sylindriske sidevegg i nærheten av nevnte beholders andre ende (16), idet nevnte tangensiale innløp (30) og utløp (32) tjener til å bringe fluid til å strømme gjennom nevnte beholder (10) i en omkretsmessig bane og derved tvinge vannkomponenter til å migrere radialt utover mot nevnte sylindriske sidevegg, og - utstyr (40, 42, 44) for å påføre et elektrisk potensial mellom nevnte elektrode (36) og nevnte beholder (10).

7. Fremgangsmåte for å øke koalescensen av vann i en vann-i-olje-emulsjon, karakterisert ved at fremgangsmåten omfatter at: - nevnte emulsjon innsprøytes tangensialt i en elektrisk ledende beholder med sylindriske vegger og som har en sylindrisk indre overflate for å bringe emulsjonen til å strømme omkretsmessig inne i beholderen omkring det ytre av en hovedsakelig sylindrisk rørformet elektrode, for derved å bringe vannkomponenten i emulsjonen til å migrere mot beholderens sylindriske indre overflate og opprettholde en høyere prosentandel av oljekomponenten inne i beholderens indre, - nevnte emulsjon deretter bringes til å passere aksialt gjennom et ringformet område anordnet mellom det indre av nevnte rørformede elektrode og det ytre av en langstrakt elektrode som strekker seg konsentrisk inne i nevnte rørformede elektrode, idet beholderen, den rørformede elektrode og den langstrakte elektrode er elektrisk isolert fra hverandre, således at emulsjonen strømmer til et utløp i nevnte ene ende av nevnte beholder innenfor nevnte rørformede elektrode, - et første elektrisk potensial påføres mellom nevnte rørformede elektrode og nevnte beholder, og derved over emulsjonen som strømmer inne i nevnte beholder, og - et andre elektrisk potensial påføres mellom nevnte langstrakte elektrode og nevnte beholder, og derved over emulsjonen som strømmer mellom nevnte langstrakte elektrode og nevnte rørformede elektrode.

8. Fremgangsmåte som angitt i krav 7, karakterisert ved at nevnte første og andre elektriske potensialer er pulserende likespenninger med motsatt polaritet.

9. Fremgangsmåte som angitt i krav 8, karakterisert ved at nevnte første og andre elektriske potensialer har hovedsakelig lik størrelse.