CN1246064C - 脱气浮选组合罐 - Google Patents

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Abstract

一种用于分离含有可观数量的油气的水的脱气浮选组合罐。罐中产生出的旋转水流将诸如油气液滴的较轻成分压向一个内同心圆柱状壁，它们在此结合并上升至液面且通过出口(3)排出，同时，较重的部分被迫向下运动，较重的颗粒沉到下部，它们在此可以矿泥的形式排出。水通过罐下部的出口排出。该脱气浮选组合罐特别适用于海上石油生产时、在水排回海里之前将油气从水流中清除。

Description

脱气浮选组合罐
                       发明领域
本发明是关于将含有水、不易与水混和且密度低于水的液体及气体的混合物分离成这些成份的方法。
本发明特别关于一种脱气浮选组合罐，它特别适用于将包含有油气的水分离成这些成份的过程。
本发明广泛适用于构成石油工业的各种工业，包括石油的开采和生产、提炼、运输、存储，罐和/或者设备的清洗等。
                       发明背景
在石油工业中，原油的生产包括将油、气和水的混合物从地下贮藏点抽出来。原油通常在井口进行初步分离，仍包含一些气体和水的原油在提炼前则在一个或更多分离装置中经处理清除更多的水份和气体。
在海上石油生产中，经井口分离或之后的分离装置出来的水通常在经过部分地清除气体、石油、化学物质和其它杂质后排入海里。目前这种清除过程使用的是诸如油/气分离器、浮选罐、水力旋流器和脱气罐等来完成，它们在生产平台上占用了相当大的面积。
随着油田的老化，可以发现伴随油的水量越来越多，所以经常需要提高水处理能力来处理增加的水量。
进而言之，海上的石油生产，特别是在环境脆弱的地区，如北极地区或渔区进行石油生产产生的污染成为普遍关心的问题。石油业界有种恐惧认为，如果依靠现有设备的话，减少石油流失会使在许多已知的贮藏地进行石油生产变得十分不经济。所以业界和有关方面努力寻找可行成本内在石油生产中减少石油流失的方法。
海上作业的石油生产平台上通常只有有限的空间，因此对安装用于处理增加的水量的新设备的空间具有严格限制，尤其在生产者注重关注环境和减少污染时。如果他们考虑在海床上进行石油生产时，对空间的要求限制会更加严格。
在先有技术中已有许多油-气-水分离装置。在US4,424,068中阐述了一种分离装置和一种用于分离来自诸如油井的油，气和水的混合物的方向。该分离装置是一个被分成分离腔的容器，它装有隔板和一个动力分离器，进入的混合物在其中多次改变方向。尽管该分离装置已在许多年前就为人所知，但并未被广泛使用。该分离装置进一步包括几个腔和许多元件，其维护很费时间，并使石油生产发生代价昂贵的中断。
US4,364,833阐述了一种分离装置，它包括一个具有多个水平平行排列板的部分，以使小油滴与大油滴结合，第二部分包括多个垂直平行排列的板，以使形成的大油滴上升到顶部并形成可收集的油层。由于该分离装置在平行板间具有许多狭窄的通道，这些通道易被进入的水流中的固体堵塞，所以会导致停产清洗。
US3,797,203阐述了一种分离装置，它包括多个位于其表面的圆锥状屏，小油滴在此结合成大油滴，上升至分离装置的顶部，并可以油层的形式被收集。
WO99/20873阐述了一种可装在油井上的沙障装置，以在进一步加工原油前清除诸如沙子等较重的颗粒。该装置具有一个朝向一个罐相对较窄部分的嘴，以及一个朝向罐相对较宽部分的较大的连接物，沙子和较重的颗粒可以在此进行沉淀。
除了已知的许多油-气-水分离装置外，仍需要有一种改进的油-气-水分离装置，它是一种能更好地将这些层进行分离，不需占用很大空间，能够连续运作，对维护要求很低，造价和运作成本很低的装置。
                       发明概述
目前发现可以通过使用一种脱气浮选组合罐来满足这些需要。该罐包括一个圆柱状垂直罐(1)，一个沿切线方向的入口(2)，用于气体和石油的、位于罐上部的至少一个出口(3)，一个用于水的、位于罐下部的出口(4)，以及一个内同心圆柱壁，它在所述内同心圆柱壁与罐壁之间形成位于罐上部的浮选和脱气区。
根据本发明的脱气浮选组合罐被证明可以显著提高将油/气相从水相分离的效率。在石油生产的水处理过程中，剩余的油气可从排出的水相中通过排水管清除，其碳氢化合物成份变得很低，同时被清除的还有沙子及其它颗粒物。进而言之，就所处理的水量而言，罐的产量很大，占地很小。
在一个优选实施例中，内同心圆柱壁在罐的上部形成一个内筒，在所述筒与罐顶之间留有开放的空间。它进一步包括一个位于罐(1)和内筒(10)之间的入口导片(11)，在内筒(10)与入口导片(11)之间留有开放的空间，以及用于在水出口(4)周围制造缓和水流的装置。
在另一个优选实施例中，根据本发明的脱气浮选组合罐包括一个圆柱状垂直罐(1)，一个沿切线方向的入口(2)，一个用于气和油的、位于罐上部的出口(3)，一个用于水的、位于底部中央的出口(4)，一个同心垂直排列的第一隔板(5)，它从罐顶伸出，在罐下部留有水流通道，并在罐上部留有气体通道，以及一个同心的圆柱状垂直内隔板(6)，其直径小于第一隔板(5)，并从罐底伸出，在罐上部留下一个通道。
在另一个优选实施例中，该脱气浮选组合罐的用于在水的出口周围产生缓和水流的装置做成水平圆板或环绕水的出口的向下开口的环。
在另一个优选实施例中，一个诸如吸附过滤型装置的过滤装置与脱气浮选组合罐的出口连接，它可以高效地从水中清除碳氢化合物。
根据本发明的脱气浮选组合罐特别适用于在海上石油生产工厂在将来自井口或之后的分离器的水排回海中之前对其进行处理。本发明的脱气浮选组合罐还可用来处理已用常规方法清除掉主要的油气部分的水。
因此，该脱气浮选组合罐在石油生产中的用途形成本发明的另一优选的方面。
                      附图概述
图1是根据本发明的脱气浮选组合罐的截面示意图；
图2是显示罐中流向的根据本发明的脱气浮选组合罐的截面示意图，其中装有中置筛屏(7)和矿泥出口(8)；
图3是根据本发明的脱气浮选组合罐的截面示意图，其中内筒(10)装在罐的上部，筒和罐顶之间留有开放空间，并在罐中向下延伸至大约2/3处。罐的下部还装有入口导片(11)和一个水平圆板(12)，板和罐壁之间留有开放空间；
图4是实施例实验的图表，显示出根据本发明的脱气浮选组合罐的效率。
                    本发明的详细说明
本发明基于这样的认识：通过气泡的同时上升大大有利于对油滴进行浮选。进而言之，根据本发明，由于进入罐中的液体被引入向上的螺旋运动，所以因为旋转的作用，诸如油滴和气泡等较轻的成份将被压向罐的中间，到达内同心筒壁，油滴和气泡因其密度小于周围的水而结合并升起。
同时，进入的混合物中的沙子及其它重颗粒被压向罐(1)壁并落到罐底。
因此，根据本发明，在罐和内同心筒壁间、入口及其上方就形成了一个浮选和脱气区。
进水的入口在切线方向，以使罐中的水产生旋转运动。
入口导片(11)可与入口(2)连接以导入污水。在本连接中，入口导片是装在罐壁上以引导进入的水流产生向上的螺旋流的导片。入口导片可短可长，与罐周向壁呈30-330°，优选是90-300°，180-300°更佳，约270°最佳。入口导片的安装位置使导片(11)与内同心筒壁间留出开放空间。
进入的水流沿导片直达导片末端，水流在此继续以扇形流动，一部分水流将沿导片进入另一轮“再循环”，而剩下的水流将不再循环。再循环部分很大程度上取决于导片的倾斜度。试验证明适合的导片倾斜范围在5-15°之间，5-10°更佳，约7°最佳。此倾斜度可产生适当的再循环部分，同时水流在最大程度不受阻障。
“与入口连接”是指入口导片的安装位置使导片接触进入的水流并引导进入的水流向上形成螺旋流。
水流的出口位于罐的下部。最好将出口设在水流平缓的位置，以保证油气滴不会因高流速而被带走。可以在出口附近设置缓和水流的设备，以防止快速的水流将油滴带走。如出口位于底部中间，这些设备可以设计成水平圆板，在板和罐间留有开放的空间，或者，如在罐壁下部有一个或多个出口，则这些设备可设计成遮盖出口的向下开放的环。
根据出口位置的不同，落入罐底的固体会形成矿泥。矿泥和固体在罐下部的沉积十分不利，会降低罐的分离性能。
如果水流出口(4)位于罐的最低点，且罐的底部没有伸出的隔板，落下的固体将主要被流出的水带走。如果水流出口位于可沉积矿泥的位置，则最好在罐上装一个矿泥出口。矿泥出口可设计用于连续或断续地清除矿泥。
可以安装一个或更多油气出口。如果油气出口多于一个，则一个出口可用于气出口，而另一个用于油出口。
按照本发明，“基本上的圆柱状”是指罐呈圆形，其顶部和底部平坦或弯曲。在使用中，罐以与其圆柱的轴线基本垂直的位置放置。
在图3示出的本发明的优选实施例中，浮选脱气组合罐的上部装有一个内筒(10)，在所述筒和罐顶之间留有开放的空间，罐还包括一个装在罐(1)和内筒(10)中间的入口导片(11)，在入口导片与内筒和一个水平圆板(12)间为板和罐之间的水留有通道。
内筒(10)的位置可使油气和水的通道处于筒顶部的上方。筒可向下往罐中延伸1/2-3/4，最好向下往罐中延伸约2/3。
内筒和罐直径的比率可参照以下限额，以使水流通道不受限制。所述比率优选为0.3至0.75之间，0.4-0.6更佳，约0.5最佳。
在图1和图2所示的另一个实施例中，罐(1)的下部装有一个入口(2)。入口(2)位于切线方向，使进入的水流如图2所示在罐中旋转。该旋转产生向心力将较轻的油滴压向隔板(5)，它们在此结合形成较大液滴，并最终在罐壁与第一隔板(5)之间上升汇集至液体顶层。油在此通过油气出口(3)被清除。
水流受力向下至第一隔板(5)下面并在所述第一隔板与出口(4)和/或内隔板(6)之间上升。水流上升到一定程度并通过出口(4)从罐排出。
隔板做成在筒一端开放，另一端由罐的顶部或底部封闭。
第一隔板(5)从罐顶部伸出，可在所述第一隔板(5)和罐顶之间形成一个槽。第一隔板(5)可沿隔板的总高度具有统一直径，或其下端具有较大直径，以使入口区的液体具有最高旋转速度。
内隔板(6)从罐底伸出，是水流出口(4)延伸物的一部分。根据本发明的脱气浮选组合罐的一个功能，一个溢水口可以使罐确定罐中水的高度，内隔板(6)可由伸至所希望的水高度的出口管(4)形成。
水的高度最好提前确定，并与油气出口(3)高度相同，以从罐中连续清除油气，避免导致分离性能下降的累积现象。
在第一隔板(5)和内隔板(6)之间，可***更多隔板，最好间隔地从罐的顶部和底部伸出。这些隔板将迫使水流在罐中更多地进行上升或下降运动，使更多的气体从水层中选出。
每块隔板均基本与罐同心排列，并设计成其上端允许气体通过。
罐在低压下工作，以使气体从水相选出。低压是指低于10×105帕的压力，如小于5×105帕或大气压。在该低压下，大部分气体将在入口周围区域(入口区)形成气泡，并将在油滴被压向第一隔板(5)时上升至罐顶，在此气体从油气出口排出。
气泡在入口区的形成和上升进一步增加了传统浮选罐的效果，在传统浮选罐中，气泡的上升和气体的加入增强了混合物中油的分离。在不被理论所束缚的情况下，在根据本发明的脱气和浮选罐中的入口区气泡的形成和所形成气泡的上升显著提高了分离效果。
由于上升的气泡会产生有益效果，如果水中的气体量很少，在进入脱气浮选组合罐前向污水中注入气体十分有利。在已知污水源中加入的最佳气体量和是否注入气体取决于掌握该技术的人士的经验，这十分有利于达到所希望的洁净度。
脱气浮选组合罐可装上筛屏以清除污水中的诸如沥青等小颗粒。筛屏可以中置圆柱屏(7)的形式与罐装在一起，在出口(4)周围形成一个管，它可直接安装在出口上或作为罐外的单独装置与出口连接。
在一个实施例中，内隔板(6)由屏(7)构成，其中水的高度由通过屏(7)的水流率决定。
筛屏使用已知材料和用于屏板设计的常规屏板制成，这对本技术领域的人士来说是公知的。
在脱气浮选组合罐装有一块内隔板(6)和一个中置圆柱屏(7)的情况下，该罐为污水具备了方便的出口，用于清除位于出口旁边底部的屏上获得的物质(图中未示)，该出口位于底部的出口(4)附近。
本专业技术人员将认识到，根据本发明的脱气浮选组合罐，可用于2，3或4相分离，相可从水、油、气和固体中选择，其中至少一个相在操作条件下呈液态。
脱气浮选组合罐的体积可根据要处理的水量选择。在操作中发现，液体在罐中停留处理的时间可从5至300秒间选择，优选为5-150秒，10-60秒更佳，10-40秒最佳。特别优选的停留时间是约20秒。
就根据本发明的脱气浮选组合罐而言，通过计算罐(1)中的空间量与罐中的液体高度可算出有效浮选数量。以停留时间为基础，可计算出罐的处理性能，例如，一个罐的有效浮选量为1m3，液体停留时间为20秒，其处理性能是每小时180m3。
罐的高度与直径的比率可在很宽的范围内选择，最好在1∶1至4∶1之间，1∶1至2∶1更佳。
本专业技术人员可根据其经验按实际条件及用途、如要处理的液体量、所述液体的成份、选择的压力、液体的温度和是否在任何一个混合相加入腐蚀性化学品等来选择制造罐的材料。
在制造脱气浮选组合罐时，所有表面都应垂直，或至少具有很陡的倾斜度，或可产生快速水流，这样可以防止固体的沉积，由于在某些部分的表面可用来收集特别的材料和矿泥，这些部分最好具有清除这些材料的出口。进而言之，罐中没有狭窄的通道。因此，根据本发明的脱气浮选组合罐中不存在可能会被固体物质阻塞的地方。所以脱气浮选组合罐可以连续运转而不需要或需要最小程度上的维护。在此情况下，必要的维护，如更换圆柱屏，可容易地从罐顶进行，它最好制成可更换型。因此，根据本发明的脱气浮选组合罐具有出色的牢固度，即它可以长期不停地运转，维护所需的少量停机时间也可被缩短。
根据本发明的脱气浮选组合罐所具有的高性能、小体积和牢固度使其特别适用于诸如石油生产平台等的海上油厂。进而它也适用于厂房位于海床上的石油生产，因为此位置对占地的要求比传统石油生产平台的更严格，且维护能力较低。
在进入根据本发明的脱气浮选组合罐之前，也可在水中加入诸如凝聚剂等的添加剂，以提高清除效率。
在使用根据本发明的脱气浮选组合罐时，要定期将油/水混合物中的油份减少至20毫克/升或从几百毫克/升至更少，如200-800毫克/升。
全面试验(大于150m3/小时)显示油份可从几千ppm降至约10ppm并使水中基本上不含气体。
在一个优选实施例中，脱气浮选组合罐与一个过滤装置一起使用，后者最好为吸附/吸收型，过滤装置可进一步减少污水中的油份。最适合用于该组合的过滤设备是欧洲专利申请第00610080.4号中的过滤装置。从每升油/气/水混合物含有400至800毫克碳氢化合物开始，经过脱气浮选组合罐后，碳氢化合物成份减至低于20毫克/升，经过过滤设备后则可进一步减至5毫克/升或更少，同时可保持高产量。
尽管脱气浮选组合罐主要被描述为用于石油生产，本发明并不局限于该用途，而可广泛用于将水、液态不溶于水的物质和气体的液体混合物分离。
现在举例说明本发明，不应将这些例子视为对本发明的限制。
实施例1
一个与图2相对应的脱气浮选组合罐，其直径为500mm，高度为1200mm，有效浮选量为125升，对一个商业石油生产平台上第二步油分离器流出的水相进行实验。水样包含不同数量的油和气，其范围大约为每升含50-200毫克碳氢化合物。进入量为1.8和9.5m3/h不等。
流出的水每升约含20毫克或更少的碳氢化合物，在大多数实验中少于20毫克/升。清除有效率以清除的碳氢化合物百分比计算，在大多数实验中均在80至90％之间。
实际数据在图4中示出，它显示在实验中按有规律的时间间隔测量出的入口中的碳氢化合物和脱气浮选组合罐中流出水流的碳氢化合物的浓度图表。
实施例2
如图3所示的脱气浮选组合罐具有以下尺寸：
高度         2530mm
罐直径       1130mm
内筒直径约   550mm
内筒向下往罐中伸出约2/3。
该脱气浮选组合罐以150m3/h的进入量全面运转。
工厂连续不停地运转6个多月，进入的水中混有约200-600ppm的含碳氢化合物的油气，流出的水中含量为5-10ppm。
该研究对高产量、高清除效率和不必间歇性停工维护进行了确认。

Claims (18)

1、脱气浮选组合罐，包括一个圆柱状垂直罐(1)，一个沿切线方向的入口(2)，用于气和油的、位于罐上部的至少一个出口(3)，用于水的、位于罐下部的一个出口(4)和一个内同心圆柱壁，该内同心圆柱壁在所述内同心圆柱壁与罐壁之间形成位于罐上部的脱气和浮选区，
其中所述内同心圆柱壁形成位于罐上部的内筒(10)，在所述内筒和罐顶之间留有开放空间，上述组合罐进一步包括一个位于罐(1)和内筒(10)之间的入口导片(11)，在内筒(10)和入口导片(11)之间留有开放空间，以及一个在水的出口(4)周围产生缓和水流的装置。
2、根据权利要求1的脱气浮选组合罐，其中内筒向下往罐中伸出1/2-3/4。
3、根据权利要求2的脱气浮选组合罐，其中内筒向下往罐中伸出2/3。
4、根据权利要求1或2的脱气浮选组合罐，其中入口导片向上倾斜5°-15°。
5、根据权利要求4的脱气浮选组合罐，其中入口导片向上倾斜7°。
6、根据权利要求1或2的脱气浮选组合罐，其中用于在水的出口(4)周围产生缓和水流的装置被做成水平圆板(12)或环绕水的出口(4)的向下开口的环。
7、脱气浮选组合罐，包括一个圆柱状的垂直罐(1)，一个沿切线方向的入口(2)，一个用于气和油的、位于罐上部的出口(3)，一个用于水的、位于底部中央的出口(4)，一个同心排列的垂直的第一隔板(5)，它从罐顶伸出，在罐下部留有水流通道，并在罐上部留有气体通道，以及一个同心的圆柱状垂直隔板(6)，其直径小于同心排列的垂直的第一隔板(5)，它从罐底伸出，在罐上部留下一个通道，还包括一个与入口(2)连接的入口导片(11)，在入口导片(11)和同心排列的垂直的第一隔板(5)之间留有开放空间。
8、根据权利要求7的脱气浮选组合罐，其中所述圆柱状垂直隔板(6)形成水的出口(4)的延伸。
9、根据权利要求7或8的脱气浮选组合罐，进一步包括一个用于收集颗粒材料的筛屏。
10、根据权利要求9的脱气浮选组合罐，其中所述圆柱状垂直隔板(6)做成一个垂直圆柱屏(7)。
11、根据权利要求9的脱气浮选组合罐，进一步包括一个用于筛屏(7)所收集的固体材料的出口。
12、根据权利要求1或7的脱气浮选组合罐，进一步包括一个用于矿泥的、位于罐下部的出口(8)。
13、根据权利要求1-12中的任何一个脱气浮选组合罐来分离水中含碳氢化合物的油气的用途。
14、根据权利要求13中的用途，在进入的含具有碳氢化合物的油气的水进入罐之前向其注入其它气体。
15、根据权利要求13或14的用途，在进入的水流进入罐前向其注入凝聚剂。
16、根据权利要求13的用途，它用于海上或海床上的石油生产。
17、根据权利要求13的用途，它与一个连接在罐中水的出口(4)上的过滤设备一起使用。
18、根据权利要求16或17的用途，它用来处理已用常规方法清除掉主要的油气部分的水。
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