DE3854892T2

DE3854892T2 - Verfahren und vorrichtung zur phasentrennung einer mehrphasigen flüssigkeit

Info

Publication number: DE3854892T2
Application number: DE3854892T
Authority: DE
Inventors: Noel Carroll; Robert Carroll; Charles Kalnins
Original assignee: Conoco Specialty Products Inc
Current assignee: Lubrizol Specialty Products Inc
Priority date: 1987-11-19
Filing date: 1988-11-16
Publication date: 1996-09-05
Anticipated expiration: 2008-11-17
Also published as: MY103638A; EP0355127B1; DE3854892D1; EP0355127A1; JPH02502266A; WO1989004725A1; US5055202A; EP0355127A4; CA1305390C

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Trennen von Phasen einer Mehrphasenflüssigkeit.
Im besonderen, aber nicht ausschließlich, betrifft die Erfindung die Trennung einer Wasserkomponente von einer Öl- Wasser-Mischung, wie etwa der Förderflüssigkeit von einem Ölquellenkopf. Charakteristischerweise enthält eine solche Flüssigkeit erhebliche Quantitäten Gas und Wasser in Zumischung zu Ölkomponenten, und als ein erster Schritt beim Herstellprozeß ist es üblich, einen Trennprozeß durchzuführen, der die Aufgabe hat, erhebliche Quantitäten des Gases und des Wassers zu entfernen, um eine Ausgangsflüssigkeit zu erhalten, in der das Öl zumindest dominiert und zumindest die Wasserkomponente auf einen relativ kleinen Bruchteil vermindert ist.
Konventionell wird die oben beschriebene Trennung in einem Trenntank durchgeführt, in dem sich die Wasserkomponente am Boden des Tankes absetzt, von dem sie leicht abgezogen werden kann. Solche Tanks sind jedoch voluminös, schwer und allgemein unbequem im Gebrauch, im besonderen unter Umständen wie auf Offshore-Ölplattformen, wo Raum- und Gewichtsbeschränkungen wichtige Faktoren sind.
Es ist vorgeschlagen worden, Zyklontrenner zum Trennen von Öl- und Wasserkomponenten von einer Mischung daraus zu verwenden, und solche Trenner kommen zunehmend zur Anwendung wegen der erheblichen Effizienz, die sie aufweisen können, und der allgemein kleineren und leichteren Trenneinrichtungen, die mit ihnen aufgebaut werden können. Im Prinzip ist diese Verwendung jedoch auf von dem oben beschriebenen anfänglichen Trennprozeß weiter entfernte Trennprozesse beschränkt. Diesbezüglich weist die Wasserkomponente, wenn sie einmal in dem anfänglichen Trennprozeß entfernt worden ist, etwas Restöl auf, typischerweise einige Prozent, und bei der Trennung dieses Restöls haben diese Zyklonseparatoren bisher vornehmlich Anwendung gefunden.
Die Tatsache, daß der Zyklon-Trenner bisher für die anfängliche Trennung von Wasser von der Förderflüssigkeit nicht allgemein verwendet worden ist, geht, ungeachtet der durch eine solche Verwendung zu erzielenden Vorteile, darauf zurück, daß es sich als nicht möglich herausgestellt hat, Zyklon-Trenner zu entwerfen, die effektiv mit der Förderflüssigkeit arbeiten können. Zum Teil liegt das daran, daß es allgemein schwieriger zu sein scheint, effektive Trenner zum Umgang mit hohen Ölkonzentrationen ("Entwässerungs"-Trenner) als Trenner zum Umgang mit hohen Wasserkonzentrationen ("Entöl"-Trenner) zu entwerfen. Zu einem Teil scheint das Problem auch wegen der größeren Variation der Zusammensetzung der Förderflußflüssigkeit im Vergleich zu der relativ kleineren Variation der Zusammensetzung der Flüssigkeit, mit der Entöltrenner gewöhnlich arbeiten, zu entstehen. Entöltrenner arbeiten typischerweise mit einer Flüssigkeit, die vornehmlich Wasser mit einigen Prozent Öl ist, und sind effektiv beim Reduzieren des Ölgehalts auf einige zehn Teile pro Million. Andererseits können Entwässerungstrenner verwendet werden zum Trennen einer Öl/Wasser-Mischung mit einem zwischen 20 und 70 % variierenden Wassergehalt. Zumindest Adaptierungen von für Entölanwendungen geeigneten Konstruktionen können für Mischungen mit Wassergehalten am unteren Ende des zuletzt erwähnten Bereichs zur Wirkung gebracht werden, jedoch sind diese möglicherweise zum Umgang mit Wassergehalten am oberen Ende dieses Bereichs nicht effektiv.
Bei der Verwendung von Zyklontrennern zur Trennung von flüssigen Mischungen ist es im Falle eines Abfalls der Trenneffizienz und einer zu hohen Kontamination des aus einem Ablaß austretenden Materials üblich, dieses Material zur weiteren Behandlung in den Zyklon-Trenner zurückzuführen. Diese Rückführung wird fortgesetzt, bis die Trenneffizienz wiederhergestellt ist. Ein solches Betriebsverfahren und ein nach dem Verfahren arbeitendes Trennsystem sind z. B. in der WO-A-85/00851 beschrieben.
Diese Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß die Trenneffizienz leicht und im wesentlichen augenblicklich wiederhergestellt werden kann, indem das Ausmaß der Kontamination zumindest eines der Auslaßströme überwacht wird und die erhaltene Information beim Einstellen der Zusammensetzung des Einlaßmaterials durch Zugabe einer bestimmten Menge der einen oder anderen der Komponenten der zu trennenden Mischung verwendet wird.
Nach einem ersten Aspekt der Erfindung wird angegeben ein Verfahren zum Trennen von Komponenten von einer flüssigen Mischung unter Verwendung eines Zyklontrenners, beinhaltend das Bestimmen der Effizienz der Trennung zumindest einer ersten der Komponenten von der Mischung und bei Bestimmung, daß die Effizienz von einem vorbestimmten Effizienzwert abgewichen ist, das Zugeben einer Quantität einer der Komponenten zu der in den Trenner eintretenden Mischung, um die Effizienz zum Zurückkehren auf den vorbestimmten Wert zu bringen, wobei die zugegebene Quantität von der Abweichung abhängt.
Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung wird angegeben eine Trennvorrichtung, aufweisend einen Zyklontrenner mit einer Einlaßeinrichtung für eine zu trennende Mischung von Flüssigkeiten und zumindest zwei Auslässen zum Auslassen jeweiliger Komponenten der Mischung, welche Komponenten sich in der Dichte unterscheiden, wobei die Vorrichtung ferner eine Zuführeinrichtung zum Zuführen einer Quantität einer der Komponenten und eine Einrichtung zum selektiven Zumischen einer Menge der einen Komponente aus der Zuführeinrichtung zu der Mischung vor dem Einlassen in den Trenner aufweist, wobei die Vorrichtung ferner eine zum Ausführen der Zumischung der einen Komponente zu der Mischung auf eine zum Konstanthalten der Trenneffizienz zumindest einer ersten der Komponenten der Mischung geeignete Weise ausgelegte Steuereinrichtung und eine Erfassungseinrichtung aufweist, die so angeordnet ist, daß sie dem getrennten Fluß der ersten Komponente zum Erfassen ihrer Reinheit ausgesetzt ist, wobei die Steuereinrichtung auf die Erfassungseinrichtung zum Variieren der Quantität der zugemischten einen Komponente abhängig von der erfaßten Reinheit anspricht.
Das Verfahren und die Vorrichtung der Erfindung können ferner dazu ausgelegt sein, Zugaben einer ausgewählten von mehr als einer der Komponenten auszuführen oder eine Zugabe verschiedener Komponenten auszuführen. Genauso kann die Steuereinrichtung auf Reinheitssensoren ansprechend sein, die zum Erfassen der Reinheit von mehr als der ersten getrennten Komponente angeordnet sind.
Die Erfindung wird nur beispielhaft anhand der begleitenden Zeichnung weiter beschrieben, deren einzige Figur eine schematische Darstellung einer nach der Erfindung aufgebauten Trennvorrichtung ist.
Die gezeigte Trennvorrichtung 10 weist einen Zyklontrenner 12 mit einem Einlaß 14 zum Einströmen einer zu trennenden Mehrkomponentenflüssigkeit, einen Überlaufauslaß 16 zum Ausfließen einer leichteren Komponente der eingelassenen Flüssigkeit und einen Unterlaufauslaß 18 zum Ausfließen einer schwereren Komponente der eingelassenen Flüssigkeit auf. In diesem Fall umfaßt die gezeigte eingelassene Flüssigkeit Förderflüssigkeit 22 aus einer Ölquelle (nicht gezeigt). Diese Flüssigkeit wird über eine Rohrleitung 20 mit zwei Mischventilen 24, 26 darin zu dem Trennereinlaß 14 befördert. Falls erforderlich, kann in der Rohrleitung 20 eine Pumpe eingebaut sein, um den Druck und den Volumenfluß der Einlaßflüssigkeit auf für den Betrieb des Trenners 12 geeignete Werte zu bringen.
Der Trenner kann ähnlich wie die Entöltrenner aufgebaut sein, die z. B. in den Patenten der Vereinigten Staaten 4,237,006, 4,576,724 und in der internationalen Anmeldung PCT/AU85/00010 beschrieben sind, obwohl einige Modifikationen wünschenswert sein können, um der Tatsache Rechnung zu tragen, daß es wünschenswert sein kann, den Trenner zum Betrieb mit Einlaßflüssigkeiten mit etwas höheren Ölkonzentrationen als diejenigen zu optimieren, für die diese Trenner gewöhnlich optimiert sind. Im besonderen kann es erforderlich sein, daß der Überlaufauslaß 16 in bezug auf seine Querschnittsfläche erheblich vergrößert wird.
Der Trenner 12 arbeitet auf konventionelle Weise, wobei die Flüssigkeit 22 auf solche Weise tangential in eine langkegelförmige Trennkammer gelassen wird, daß die dichtere Wasserkomponente 28 aus dem axial angeordneten Unterflußauslaß 18 herausgeführt wird und die weniger dichte Ölkomponente 30 aus dem axial angeordneten Überflußauslaß 16 herausgeführt wird. Wie gezeigt, sind die Auslässe 16, 18 an entgegengesetzten Enden der Trennkammer, wobei der Auslaß 18 an dem Ende der Trennkammer mit kleinerem Durchmesser ist und der Auslaß 16 an dem Ende mit größerem Durchmesser ist, auf welches Ende zu der Einlaß 14 entsprechend angeordnet ist.
Das abgetrennte Wasser aus dem Trenner 12 wird aus der Vorrichtung 10 über eine Rohrleitung 32 herausgeführt, etwa zur weiteren Verarbeitung. Das abgetrennte Öl aus dem Trenner wird aus der Vorrichtung 10 über eine Rohrleitung 34 gleichfalls zur weiteren Verarbeitung herausgeführt. In der Praxis können Gas und andere leichtere Komponenten gleichfalls in Zumischung zu dem Öl aus dem Auslaß 16 zu der Rohrleitung 34 durchgelassen werden. Zumindest einige dieser anderen Komponenten können durch Zwischenschaltung weiterer Trenner oder anderer Geräte in der Rohrleitung 34 abgetrennt werden; ob solche weiteren Trenner oder andere Geräte vorgesehen sind oder nicht, ist jedoch nicht wichtig für die Zwecke der Erfindung.
Die Rohrleitungen 32, 34 enthalten in sich entsprechende Kontaminationssensoren 38, 40. Der Sensor 38 dient zum Messen des relativen Kontaminationsgrades des in der Rohrleitung 32 fließenden Wassers durch Öl, während der Sensor 40 zum Messen des relativen Kontaminationsgrades des in der Rohrleitung 34 fließenden Öls durch Wasser dient. Geeignete Sensoren können zum Messen der Kontamination durch Messung der optischen Dichte der in den Rohrleitungen 32, 34 fließenden oder durch geeignete Nebenrohrleitungen fließenden Flüssigkeiten dienen.
Die die relevanten Kontaminationspegel angebenden elektrischen Ausgangssignale der Sensoren 38, 40 werden über Leitungen 44 bzw. 46 einem Steuergerät 48 zugeführt.
Die Vorrichtung weist ferner Reservoire 50, 52 auf, die Wassermengen 28a bzw. Ölmengen 30a enthalten. Diese Reservoire 50, 52 stehen mit den Mischventilen 24, 26 über entsprechende weitere Rohrleitungen 54, 56 in Verbindung. Diese Rohrleitungen enthalten entsprechende Pumpen 58, 60. Die Ventile 24, 26 und die Pumpen 58, 60 sind unter dem Einfluß von aus dem Steuergerät 48 auf entsprechenden Leitungen 62, 64, 66, 68 dorthin gelieferten Signalen elektrisch steuerbar.
Bei Betriebsbedingungen, bei denen die Sensoren 40, 38 dem Steuergerät 48 einen Kontaminationsanstieg des aus dem Trenner 12 über den Auslaß 16 austretenden Öls 30 oder des über den Auslaß 18 austretenden Wassers 28 anzeigende Signale zuführen, betätigt das Steuergerät 48 funktionsgemäß entweder die Pumpe 60 und das Ventil 24 oder die Pumpe 58 und das Ventil 26, um über die entsprechenden Mischventile 24, 26 mit der in den Trenner einlaufenden Flüssigkeit in der Rohrleitung 20 zu vermischende Flüssigkeit aus dem Reservoir 52 bzw. 50 zu pumpen.
Diese Steuerung kann nach Wunsch entsprechend irgendeinem geeigneten Programm durchgeführt werden, z. 13. in dem Fall, daß die Reinheit des aus dem Trenner kommenden Öls von Hauptbedeutung ist, und es ist bekannt, daß ein Trenneffizienzverlust, was die Reinheit des austretenden Öls angeht, an einem Anstieg der Ölmenge in der eintretenden Flüssigkeit über einen vorbestimmten Pegel liegt, das Steuergerät 48 kann einfach dafür zuständig sein, auf ein Ausgangssignal vom Sensor 40 hin das Ventil 26 und die Pumpe 58 zu betätigen, wodurch der Wasseranteil in der eintretenden Flüssigkeit erhöht wird, bis zu dem Zeitpunkt, zu dem der Ölausflußkontaminationspegel fällt. In einem solchen Fall können das Ventil 24 und die Pumpe 60 weggelassen werden, oder das Steuergerät 48 kann das Ventil 24 und die Pumpe 60 bei Bedarf nur als zweite Steuerung betätigen. Eine solche zusätzliche Steuerung kann jedoch erforderlich sein (oder kann alleine vorgesehen sein), wenn die Charakteristiken des Trenners 12 50 sind, daß die Trenneffizienz mit niedrigen Wasserkonzentrationen in der eintretenden Flüssigkeit abfällt. Auch in diesem Fall kann es erwünscht sein, in der Rohrleitung 20 einen geeigneten Sensor vorzusehen, der zum Erzeugen eines das Öl/Wasser-Verhältnis in der eintretenden Flüssigkeit angebenden Ausgangssignals dient, wobei das Steuergerät in diesem Fall auf dieses Ausgangssignal anspricht, um die Bestimmung durch das Steuergerät, ob eine Ölzugabe oder eine Wasserzugabe erforderlich ist, um den Betrieb zu optimieren, zu erleichtern. In anderen Ausführungsbeispielen werden die Sensoren 38 und 40 weggelassen, wobei das Steuergerät entsprechend erfaßten Öl/Wasser- Verhältnissen in der eintretenden Flüssigkeit in der Rohrleitung 20 arbeitet, um das Öl/Wasser-Verhältnis durch Zugabe von Wasser oder Öl zu der eintretenden Flüssigkeit, je nach Bedarf, innerhalb eines erwünschten Bereichs zu halten.
Die Reservoire müssen über Einfüllen aus externen Wasser- und Ölquellen über die gezeigten Einlaßrohrleitungen 69, 70 aufgefüllt gehalten werden. Wie gezeigt, können alternativ mit der Ölrohrleitung 34 bzw. der Wasserrohrleitung 32 in Verbindung stehende Anzapfrohrleitungen 71, 72 vorgesehen sein, welche entsprechende Ventile 74, 76 aufweisen, die wie erforderlich von dem Steuergergät 48 zum Abzapfen von Öl und Wasser aus den Rohrleitungen 34, 32 über die Anzapfrohrleitungen 72, 71 zu den entsprechenden Reservoiren 52, 50 gesteuert werden.
Die Erfindung hat auch andere Anwendungen als zur Optimierung der Betriebseffizienz des Trenners 12 in bezug auf variierende Einlaß-Öl/Wasser-Konzentrationen. Zum Beispiel wird die Trennung einer Förderflüssigkeit in Öl- und Wasserkomponenten weniger effektiv gemacht, wenn die Flüssigkeit Sand oder ähnliche Partikel enthält. Die Trenneffizienz kann in diesem Fall jedoch durch Zumischung von Öl zum Erhöhen der Ölkonzentration in der eintretenden Flüssigkeit verbessert werden. Daher gibt die Erfindung nach einem anderen Gesichtspunkt ferner ein Verfahren zum Trennen von Komponenten aus einer flüssigen Mischung unter Verwendung eines Zyklontrenners an, das den Schritt des Bestimmens der Anwesenheit von Sand oder ähnlichen Partikeln in der Mischung und des Zufügens einer Quantität zumindest einer der Komponenten oder (richtig: im Falle) des Bestimmens dieser Anwesenheit aufweist. Die Erfindung gibt ferner eine Vorrichtung zum Ausführen dieses Verfahrens an.
Ferner sind die Lehren der Erfindung im besonderen auf Trenntechniken zum Trennen von flüssigen Mischungen mit einer dispergierten Phase und einer kontinuierlichen Phase anwendbar, wobei die Zugabe zu der zu trennenden Mischung aus einer Flüssigkeit besteht, die die gleiche oder ähnlich derjenigen der Flüssigkeiten in der Mischung ist, die die dispergierte Phase enthält. Für Öl-Wasser-Mischungen, bei denen Öl die dispergierte Phase ist, wird also Öl zugegeben, während für Öl-Wasser-Mischungen, bei denen Wasser die dispergierte Phase ist, Wasser zugegeben wird.
In einem allgemeineren Sinn berücksichtigt die Erfindung ferner die Zugabe anderer Materialien, wie etwa Surfactants (grenzflächenaktive Stoffe) oder dgl., und zwar ansprechend auf eine Bestimmung von Einlaß- oder Auslaßbedingungen in einem Zyklon-Trenner.
Die beschriebene Konstruktion ist nur zum Zweck der Erklärung ausgeführt worden, und viele Variationen und Modifikationen können ohne Verlassen des Schutzbereichs der Erfindung, wie in den anliegenden Ansprüchen definiert, daran vorgenommen werden.

Claims

1. Verfahren zum Trennen von Komponenten von einer flüssigen Mischung unter Verwendung eines Zyklontrenners, beinhaltend das Bestimmen der Effizienz der Trennung zumindest einer ersten der Komponenten von der Mischung und bei Bestimmung, daß die Effizienz von einem vorbestimmten Effizienzwert abgewichen ist, das Zugeben einer Quantität einer der Komponenten zu der in den Trenner eintretenden Mischung, um die Effizienz zum Zurückkehren auf den vorbestimmten Wert zu bringen, wobei die zugegebene Quantität von der Abweichung abhängt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die eine Komponente zugegeben wird, wenn die Effizienz in eine Richtung von dem vorbestimmten Effizienzwert abweicht, wobei das Verfahren ferner das Zugeben einer anderen der Komponenten zu der eintretenden Mischung, wenn die Effizienz von dem vorbestimmten Effizienzwert in einer der einen Richtung entgegengesetzten Richtung abweicht, beinhaltet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die erste Komponente die eine Komponente beinhaltet.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die erste Komponente eine andere Komponente der Mischung als die eine Komponente beinhaltet.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner beinhaltend das Bestimmen der Effizienz der Trennung einer zweiten der Komponenten der Mischung und bei Bestimmung, daß die Effizienz der Trennung der zweiten Komponente von einem weiteren vorbestimmten Effizienzwert abgewichen ist, das Zugeben einer Quantität einer anderen Komponente als der einen Komponente zu der eintretenden Mischung, um die Effizienz der Trennung der zweiten Komponente zur Rückkehr auf den weiteren vorbestimmten Wert zu bringen, wobei die zugegebene Quantität von der Abweichung abhängt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die erste und die zweite Komponente die eine Komponente bzw. die andere Komponente oder die andere bzw. die eine Komponente beinhalten.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Mischung eine Öl-Wasser-Mischung ist, wobei das Öl und das Wasser dispergierte bzw. kontinuierliche Phasen der Mischung sind und die eine Komponente Öl beinhaltet.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Mischung eine Öl-Wasser-Mischung ist, wobei das Öl und das Wasser kontinuierliche bzw. dispergierte Phasen sind und die eine Komponente Wasser beinhaltet.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, bei dem das Wasser in der Mischung überwiegt.

10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die zugegebene eine Komponente durch Trennen aus der Mischung erhalten wird.

11. Trennvorrichtung, aufweisend einen Zyklontrenner mit einer Einlaßeinrichtung für eine zu trennende Mischung von Flüssigkeiten und zumindest zwei Auslässen (16, 18) zum Auslassen jeweiliger Komponenten der Mischung, welche Komponenten sich in der Dichte unterscheiden, wobei die Vorrichtung ferner eine Zuführeinrichtung (50, 52) zum Zuführen einer Quantität einer der Komponenten und eine Einrichtung (54, 56) zum selektiven Zumischen einer Menge der einen Komponente aus der Zuführeinrichtung (50, 52) zu der Mischung vor dem Einlassen in den Trenner aufweist, wobei die Vorrichtung ferner eine zum Ausführen der Zumischung der einen Komponente zu der Mischung auf eine zum Konstanthalten der Trenneffizienz zumindest einer ersten der Komponenten der Mischung geeignete Weise ausgelegte Steuereinrichtung (48) und eine Erfassungseinrichtung (38, 40) aufweist, die so angeordnet ist, daß sie dem getrennten Fluß der ersten Komponente zum Erfassen ihrer Reinheit ausgesetzt ist, wobei die Steuereinrichtung (48) auf die Erfassungseinrichtung (38, 40) zum Variieren der Quantität der zugemischten einen Komponente abhängig von der erfaßten Reinheit anspricht.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, mit einer weiteren Zuführeinrichtung (50, 52) zum Zuführen einer Quantität einer anderen der Komponenten und einer Einrichtung (54, 56) zum selektiven Zumischen einer Menge der anderen Komponente von der weiteren Zuführeinrichtung (50, 52) zu der Mischung vor dem Einlassen in den Trenner (12).

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der die Steuereinrichtung (48) ausgelegt ist zum Ausführen der Zumischung der anderen Komponente zu der Mischung auf eine zum Halten der Trenneffizienz der ersten und/oder einer zweiten der in der Mischung enthaltenen Komponenten geeignete Art, wobei die Vorrichtung ferner eine weitere Sensoreinrichtung (38, 40) aufweist, die so angeordnet ist, daß sie dem Fluß der getrennten zweiten Komponente zum Erfassen ihrer Reinheit ausgesetzt ist, wobei die Steuereinrichtung (48) auf die weitere Sensoreinrichtung (38, 40) anspricht, um die Menge der zugemischten anderen Komponente in Abhängigkeit von der erfaßten Reinheit zu variieren.