KR20100016131A - 액체 분리 시스템 및 방법 - Google Patents

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KR20100016131A
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fluid
fluid mixture
vortex generating
zone
separation device
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KR1020097022873A
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마이클 하우드쉘
에드워드 제이. 고디욱스
아사돌라 하야트다보우디
커티스 디. 쿨레이
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지멘스 워터 테크놀로지스 코포레이션
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Abstract

유체 혼합물의 성분을 분리하는 장치 및 방법이 개시된다. 이 장치는 역전된 원뿔대로서 형성된 와류 발생 구역, 고형물 수집 영역, 분리 구역, 하나 또는 그보다 많은 유체 유입구, 하나 또는 그보다 많은 가스 유입구, 하나 또는 그보다 많은 유체 배출구, 및 하나 또는 그보다 많은 가스 배출구를 포함한다. 가스는 유체 혼합물의 성분을 용이하게 분리하도록 와류 발생 구역 내의 유체로 도입된다.

Description

액체 분리 시스템 및 방법{SYSTEMS AND METHODS FOR LIQUID SEPARATION}
관련 출원
본 출원은 35 U.S.C. §119(e)에 따라 2007년 4월 3일자로 제출되고 제목이 "SEPARATION OF HYDROCARBON FROM AN AQUEOUS ENVIRONMENT"인 U.S.가출원번호 제60/909,769호에 대한 우선권을 주장하며, 이는 전체로서 본 명세서에서 참조된다.
본 발명은 유체 혼합물 내의 성분을 분리하는 시스템 및 방법, 특히 상이한 밀도를 갖는 유체를 분리하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
처리 플랜트 또는 이러한 설비에서 사용되는 다른 시설에서 발생되는 물을 세척하거나 재전달하기 위해, 예를 들면 오일 및 가스, 영양물 처리, 해양 수송, 및 발전(power generation)을 포함하는 다수의 산업에서 인정되는 요구가 존재한다. 종종 오일과 같은 탄화 수소를 포함하는 오염물질, 및 다른 오염물질과 현탁 물질(suspended solids)을 함유하는 처리 용수는 이들 산업의 작업에 대한 공통적인 부산물이다. 특히, 오일 및 가스 정에 대한 산출 및 이들 유체의 정제는 탄화 수소로 오염된 폐수를 발생시킨다.
다수의 장치 및 시스템이 통상적으로 폐수 내의 물로부터 오일을 분리함으로써 오염된 폐수로부터 물을 용이하게 회수하는데 사용된다. 이러한 장치는 하이드 로 사이클론(hydrocyclones), 중력 분리 장치, 공기/가스 부양 시스템, 및 오일/가스 스키머 시스템(oil/gas skimmer systems)을 포함한다.
하나 또는 그보다 많은 실시예에 따르면, 본 발명은 일반적으로 물로부터 오일 및 고형물 오염물질과 같은 유체 혼합물의 성분을 분리하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 유체 혼합물 분리 장치는 용기, 상기 용기 내에 위치되는 테이퍼 벽(tapered wall)을 갖는 와류 발생 구역(vortex generation zone), 그리고 상기 와류 발생 구역으로 각도를 이루어 연장하는 유체 유입구로서, 상기 각도는 상기 유체 유입구에 근접하는 상기 내부 벽 상의 한 지점에서 상기 와류 발생 구역의 내부 벽에 정접하는 성분을 갖는 유체 유입구를 포함한다. 상기 유체 혼합물 분리 장치는 상기 와류 발생 구역으로 연장하는 가스 유입구 및 상기 용기에 유체 유동가능하게(fluidly) 연결되는 유체 배출구를 더 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 유체 혼합물 분리 장치는 용기, 상기 용기 내에 위치되는 테이퍼 벽을 갖는 와류 발생 구역, 및 상기 와류 발생 구역 외부의 상기 용기 내에 위치되는 상기 와류 발생 구역과 유체 소통하는 분리 구역을 포함한다. 상기 유체 혼합물 분리 장치는 상기 와류 발생 구역과 유체 소통하는 가스 유입구 및 상기 분리 구역과 유체 소통하는 유체 배출구를 또한 포함한다.
본 발명의 다른 양태는 유체 혼합물 분리 방법에 관한 것이다. 상기 유체 혼합물 분리 방법은 제 1 성분 및 제 2 성분을 포함하며 상기 제 1 성분이 상기 제 2 성분의 밀도와 상이한 밀도를 갖는 유체 혼합물을 제공하는 단계, 및 용기 내에 위치된 테이퍼 벽을 포함하는 와류 발생 구역으로 상기 유체 혼합물을 도입하는 단계를 포함한다. 상기 유체 혼합물 분리 방법은 상기 와류 발생 구역 내에서 상기 유체 혼합물의 상승류(upward flow)를 일으키는 단계, 상기 와류 발생 구역 내에서 상기 제 1 성분 및 상기 제 2 성분으로 제한된 회전 모멘텀(rotational momentum)을 가하는 단계, 및 상기 와류 발생 구역 내의 상기 유체 혼합물로 가스를 도입하는 단계를 더 포함한다. 상기 유체 혼합물 분리 방법은 상기 제 1 성분이 풍부한 상기 유체 혼합물을 포함하는 제 1 구역 및 상기 제 2 성분이 풍부한 상기 유체 혼합물을 포함하는 제 2 구역을 형성하도록 상기 유체 혼합물의 제한된 회전 모멘텀을 해제하는 단계, 및 상기 용기의 제 1 유체 배출구로부터 상기 제 1 성분이 풍부한 상기 유체 혼합물의 적어도 일부를 방출하는 단계를 또한 포함한다.
본 발명의 다른 이점, 신규한 특징 및 목적은 첨부 도면과 함께 고려할 때 하기의 본 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
첨부 도면은 일정한 비율로 그려지는 것을 목적으로 하지 않는다. 도면에서 여러 가지 도면에 도시된 각각의 동일하거나 거의 동일한 구성요소는 동일한 참조부호로 나타내어진다. 명확성을 위해 모든 구성요소가 모든 도면에서 분류되는 것은 아닐 수 있다. 본 발명의 바람직한 비제한적인 실시예는 첨부 도면을 참조로 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 장치의 측단면도이고;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 용기 내의 벽의 점감률에 대한 유체의 회전 속도의 도표이며;
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 장치의 측단면도이며;
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 장치의 측단면도이며;
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 장치의 도 4의 5-5선을 통과하는 하향횡단면도이며;
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 장치의 부분 횡단면도이며;
도 7은 본 발명의 하나 또는 그보다 많은 실시예가 실행될 수 있는 컴퓨터 시스템을 도시하는 개략도이며;
도 8은 본 발명의 하나 또는 그보다 많은 실시예에 따른, 도 7의 컴퓨터 시스템과 사용될 수 있는 저장 시스템의 개략도이며;
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 장치의 부분 횡단면도이며;
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 퍼센트 효율 대 펌프 유동의 표면도(surface plot)이며;
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 퍼센트 효율 대 펌프 유동의 윤곽도(contour plot)이다.
본 발명은 도면에 도시되거나 하기의 상세한 설명에서 설명되는 구성요소의 배치 및 구조의 세부 사항에 대해 그 적용에 제한되지 않는다. 본 발명은 다른 실시예일 수 있으며, 다양한 방식으로 실행되거나 실시될 수 있다. 또한, 본 명세서 에서 사용되는 표현 및 용어는 설명을 위한 것이며 제한적으로 생각되지 않아야 한다. "포함하는(including)", "포함하는(comprising)", 또는 "갖는(having)", "함유하는(containing)", "수반하는(involving)", 및 명세서 내의 이에 대한 변형의 사용은 추가의 항목뿐만 아니라 추후 나열되는 항목 및 그 등가물을 포함함을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "유체 혼합물"은 유체 혼합물, 유체 및 고형물의 혼합물, 및 유체 및/또는 고형물 및/또는 슬러리의 혼합물을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다.
상이한 밀도의 성분, 예를 들면 오일과 같이 탄화 수소와 물을 포함하는 유체 혼합물에서, 이 성분들은 유체 혼합물에 회전 유동을 일으킴으로써 적어도 부분적으로 분리될 수 있다. 예를 들면, 유체 혼합물이 용기 내에 배치되고 용기의 내면 둘레에서 유체 혼합물에 회전 유동이 가해지는 경우, 더 낮은 밀도를 갖는 유체 성분은 회전 유동에 의해 발생된 구심력 및/또는 원심력에 따라 회전 유동의 중심 축선을 향해 이동한다. 더 높은 밀도를 갖는 유체는 회전 유동에 의해 발생된 구심력에 따라 회전 유동의 외주를 향해 이동한다. 밀도가 더 작은 성분이 풍부한 유체는 회전하는 유체 혼합물의 중심 축선에 근접한 영역으로부터 제거될 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 밀도가 더 높은 성분이 풍부한 유체는 회전 유동하는 유체 혼합물의 질량체의 외주에 근접한 영역으로부터 제거될 수 있다.
상이한 밀도의 성분들을 포함하는 유체 혼합물은 중력 분리(gravitational separation)에 의해 시간이 지나면서 또한 분리될 수 있다. 오일과 같이 밀도가 더 작은 성분 및 물과 같이 밀도가 더 큰 성분을 함유하는 유체 혼합물이 교반되지 않은 상태로 용기 내에서 움직이지 않게 되는 경우, 시간이 지나면서 밀도가 더 작은 성분은 떠오르고, 밀도가 더 높은 성분은 가라앉아서, 유체 혼합물의 위쪽 레벨에 밀도가 더 작은 성분이 풍부한 유체가 오게 되고 유체 혼합물의 하부에 밀도가 더 큰 성분이 풍부한 유체가 오게 된다. 이러한 분리 과정은, 예를 들면 밀도가 더 작은 성분의 밀도보다 작은 밀도를 갖는 기포가 유체 혼합물 내의 밀도가 더 작은 성분과 접촉함으로써 가속될 수 있다. 기포는 다수의 방법으로 밀도가 더 작은 성분과 접촉될 수 있으며, 다수의 방법은, 예를 들면 용해 가스를 함유하는 유체를 분리될 유체 혼합물 내로 도입하거나 유체 혼합물 내로 직접적으로 가스를 기포 형태로 도입하는 것을 포함한다. 유체 혼합물 및 가스는 가스, 용해 가스, 또는 용해 가스로부터 생기는 기포를 밀도가 더 작은 성분과 접촉하게 하도록 더 혼합될 수 있다. 일부 실례에서, 가스의 일부는 밀도가 더 작은 성분으로 확산됨으로써, 밀도가 더 작은 성분의 부력을 증가시킬 수 있다. 또한, 일부 실례에서 가스 부양 분리 시스템은 유체 혼합물 및/또는 가스로의 열의 도입에 의해 도움을 받을 수 있다.
본 발명에 따른 유체 혼합물 분리 장치 및 방법의 다양한 실시예는 유체 혼합물 내의 하나 또는 그보다 많은 밀도가 더 높은 성분으로부터 하나 또는 그보다 많은 밀도가 더 작은 성분의 분리를 일으키는 하나 또는 그보다 많은 이러한 방법을 포함할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예에 대한 하기의 상세한 설명에서, 유체 혼합물 내의 성분의 분리는 탄화 수소 성분 및 물을 포함하는 유체 혼합물을 탄 화 수소 성분이 풍부한 유체와 물이 풍부한 유체로 분리하는 것에 관하여 설명될 것이지만, 본 발명의 다양한 실시예는 탄화 수소가 풍부한 성분과 물이 풍부한 성분으로 유체 혼합물을 분리하는 것에 제한되지는 않는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명의 다양한 실시예는 상이한 밀도를 기초로 임의의 많은 상이한 유체 혼합물을 임의의 많은 상이한 성분으로 분리하는데 활용될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 실시예의 시스템 및 방법은 상이한 밀도의 탄화 수소를 함유하는 혼합물, 상이한 밀도의 생물학적 유체의 혼합물, H2O(일반적인 물)와 D2O(중수; heavy water)의 혼합물, 물과 무거운 염수(heavy brine)의 혼합물, 또는 역청 및 다른 고형물(solids)을 갖는 역청탄 슬러리(tar sand slurry)를 분리하는데 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 분리될 유체의 성분은 상이한 밀도를 가질 필요가 없다. 이들 실시예에서, 성분의 유효한 밀도는 분리 과정의 일부로서 달라질 수 있다. 일부 실시예에서, 한 성분의 특징은 예를 들면 혼합물 내의 다른 성분에 비해 한 성분의 밀도를 다르게 하는 화학 반응에 의해 변화될 수 있다. 예를 들어, 유체 혼합물의 제 1 성분이 제 2 성분보다 가스에 대한 더 큰 친화력을 갖는 경우, 이 가스가 혼합물에 첨가되어 제 2 성분에 비해 제 1 성분의 밀도를 다르게 할 수 있다.
유체 혼합물의 분리를 실행하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 장치는 일반적으로 내부 구조물을 수용하는 외부 용기를 포함하고, 이 용기 내에서 용기 내에 도입되는 유체 혼합물에 회전 동작이 가해질 수 있다. 내부 구조물은 본 명세서에 서 와류 발생 구역으로 지칭된다. 일부 실시예에서 하나 또는 그보다 많은 유체 유입구가 유체를 와류 발생 구역으로 도입하도록 제공될 수 있다. 유체 유입구는 와류 발생 구역의 내부 둘레에서 유체의 회전 유동을 일으키기 위해, 분리될 유체를 유체 유입구에 근접한 와류 발생 구역의 내부 벽에 정접하는 성분을 갖는 각도로 와류 발생 구역으로 도입하도록 배열될 수 있다. 유체 유입구는 와류 발생 구역을 통해 유체의 상승류(upward flow)를 일으키기 위해 분리될 유체를 상향각(upward angle)으로 와류 발생 구역으로 도입하도록 배열될 수도 있다.
하나 또는 그보다 많은 가스 유입구가 와류 발생 구역으로 용해 가스 또는 기포의 형태로 가스를 제공하도록 제공될 수 있다. 가스는 유체 혼합물의 하나 또는 그보다 많은 성분과 접촉하여, 일부 실례에서는 이들 성분의 유효 밀도를 다르게 함으로써, 하나 또는 그보다 많은 다른 성분에 비해 하나 또는 그보다 많은 성분의 상향 운동을 용이하게 할 수 있다. 이는 유체 혼합물의 성분의 분리를 용이하게 할 수 있다. 와류 발생 구역 내의 유체의 회전 운동은 구심력 및/또는 원심력의 작용을 통해 상이한 유효 밀도를 갖는 유체 성분의 분리를 일으킬 수 있다.
분리 용기 내의 와류 발생 구역의 위와 둘레에는 분리 구역이 존재할 수 있다. 와류 발생 구역을 통하는 유동 후에, 부분적으로 분리된 유체 혼합물은 분리 구역으로 들어갈 수 있다. 분리 구역에서, 밀도가 더 작은 유체 성분은 밀도가 더 큰 유체 성분이 아래쪽으로 떨어지는 동안 위쪽으로 떠오른다. 추가의 가스가 유체 성분의 분리를 더 용이하게 하도록 분리 구역으로 가스 유입구에 의해 도입될 수 있다.
분리 구역의 상단부에 근접하여서, 밀도가 더 작은 성분이 풍부한 유체가 상부의 유체 배출구를 통하여 제거될 수 있다. 분리 구역의 하단부에 근접하여서, 밀도가 더 큰 성분이 풍부한 유체가 하부 유체 배출구를 통하여 제거될 수 있다.
도 1에는 본 발명의 일 양태에 따라 유체 혼합물을 복수의 구성 성분으로 분리하기 위한 장치가 도시된다. 이 장치는 측벽(102), 상부벽(104) 및 바닥벽(106)을 갖는 용기(100)를 포함한다. 용기(100)는 특정한 목적에 적합한 임의의 크기 및 형상일 수 있다. 용기(100)는 일부 실시예에서 원통형, 직사각형, 정사각형, 또는 원형일 수 있다. 용기(100)는 원하는 양의 성분을 분리하기에 충분한 거리를 제공하는 높이를 가질 수 있다. 용기의 측벽(102)은 일부 실시예에서 곡선형이며, 이에 따라 원통형 용기를 형성한다. 상부벽(104) 및/또는 하부벽(106)은 일부 실시예에서 도 1에 도시된 바와 같이 곡선형일 수 있지만, 평면, 요면, 또는 임의의 다양하고 상이한 형태일 수도 있다.
용기(100)는 용기 내에 위치되는 테이퍼 벽(112)을 포함할 수 있다. 용어 "테이퍼 벽"은 벽의 적어도 일부에서 수직 축선에 대해 각도를 이루는 벽을 의미함이 이해될 것이다. 테이퍼 벽(112)은 하부벽(106)에 연결되며, 일 단부에 출구를 갖는 와류 발생 구역(114)을 형성한다. 하부벽(106)에 근접하는 베이스의 와류 발생 구역(114)의 횡단면적은 와류 발생 구역(114)의 출구의 횡단면적보다 더 클 수 있다. 테이퍼 벽(112)의 높이는 와류 발생 구역(114) 내의 유체 혼합물의 원하는 체류 시간 및/또는 와류 발생 구역(114) 내로 도입되는 유체 혼합물의 원하는 분리량을 제공하기에 충분할 수 있다. 테이퍼 또는 테이퍼 벽(112)은 도 1에 도시된 바와 같이 일정할 수 있거나, 테이퍼의 비율이 증가하거나 감소하는 하나 또는 그보다 많은 영역을 가질 수 있다. 테이퍼 벽(112)은 곡선형일 수 있다. 일부 실시예에서, 테이퍼 벽(112)은 베이스에서 상단부의 횡단면보다 더 큰 횡단면 직경을 갖는 역전된 원뿔대(inverted truncated cone)의 형태일 수 있다. 테이퍼는 테이퍼 벽(112)의 원주 둘레의 모든 영역에서 균일할 필요는 없다.
테이퍼 벽(112)은 본 명세서에서 와류 발생 구역(114)으로서 지칭되는 용기(100) 내부의 영역을 형성한다. 사용시, 유체 혼합물은 와류 발생 구역(114)의 하부로 각도를 이루어 도입되며, 이 각도는 도입 지점에서 테이퍼 벽(112)에 정접하는 성분을 갖는다. 도입 각도로 인해, 유체 혼합물은 특정한 회전 속도에 도달한다. 회전 모멘텀의 보존으로 인해, 회전 속도는 와류 발생 구역의 횡단면적 또는 직경이 더 작아지기 때문에 유체 혼합물이 와류 발생 구역을 통해 상승함에 따라 증가한다. 회전 유동은 구심력 및/또는 원심력의 작용으로 인해 유체 혼합물의 밀도가 더 낮은 성분이 와류 발생 구역의 중심을 향해 이동하게 하고, 밀도가 더 높은 성분이 테이퍼 벽(112)을 향해 이동하게 한다. 와류 발생 구역을 통해 상부로 나아가는 유체의 회전 속도가 증가함에 따라, 유체의 성분들에 의해 가해진 구심력 및 원심력도 증가하여, 와류 발생 구역의 상단부에서 유체 성분들을 더 분리시킬 수 있다.
테이퍼 벽(112)의 테이퍼는 특정 유체 처리량에 바람직한 정도로 유체 성분을 분리하기에 충분한, 와류 발생 구역 내의 회전 유체 속도를 제공하도록 선택될 수 있다. 와류 발생 구역의 테이퍼 벽(112)의 테이퍼는 유체 혼합물 외에도 와류 발생 구역으로 도입될 수 있는 기포와 유체 혼합물 사이의 접촉 및 이들의 적절한 혼합을 허용하기에 충분한, 와류 발생 구역 내의 유체 혼합물의 체류 시간을 제공하도록 선택될 수도 있다. 정해진 용기 높이로 인해, 테이퍼 벽(112)의 테이퍼가 더 커질수록 와류 발생 구역의 상부 영역의 회전 속도가 더 커지고, 유체의 체류 시간 및 기포가 와류 발생 구역 내의 유체 성분과 접촉할 수 있는 가용 시간이 감소한다.
도 2는 27 인치 직경의 베이스 및 0.046 피트/초의 도입된 유체의 초기 합성 속도(Vr)를 갖는 와류 발생 구역을 구비한, 본 발명의 일 실시예에 따른 테이퍼 벽(112)의 테이퍼 각도에 대한 와류 발생 구역 내의 합성 속도(Vr) 대 높이를 도시한다. 합성 속도는, 수평 성분만을 포함하는 회전 속도와 반대로, 수직 및 수평 성분을 모두 포함하는 유체의 합 속도(total velocity)를 의미하는 것으로 이해될 것이다. 합성 속도(Vr)는 유체가 초기 합성 속도(Vr)로 도입될 때 테이퍼 벽(112)의 여러 가지 각도에 대해 증가할 것이다. 도 2에서 유체의 합성 속도는 유체가 테이퍼 벽 위로 이동함에 따라 증가한다. 합성 속도의 증가 비율은 정해진 높이에서 테이퍼 벽(112)의 테이퍼의 각도가 증가함에 따라 증가한다. 유체 혼합물의 회전 속도가 증가함에 따라, 유체 혼합물의 상부 표면은 구심력 및 원심력으로 인해 포물선 보울형 표면을 형성하고 오목해지기 시작할 수 있다. 예를 들면, 2.5 피트의 높이, 27 인치의 베이스 직경 및 145 갤런/분의 유수(oily water)의 유입구 유동을 갖는 와류 발생 구역에 대해, 유체 혼합물 표면의 오목화(dishing)는 와류 발생 구역의 벽이 수직선으로부터 약 5도보다 큰 각도로 테이퍼지는 경우, 발달하기 시작할 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 오목화는 상부 유체 배출구(120)로부터 유체의 제거를 방해할 수 있다.
따라서, 테이퍼 벽(112)에 대한 테이퍼 각도를 선택할 때 와류 발생 구역 내의 유체의 체류 시간 및 회전 속도 모두를 고려하는 것이 바람직할 수 있다. 테이퍼 각도는, 예를 들면 와류 발생 구역의 크기 및 형상, 용기를 통하는 유체의 처리량, 그리고 와류 발생 구역 및/또는 분리 구역으로부터 유체 혼합물의 밀도가 더 낮은 성분을 추출하는 방법을 포함하는 요인들을 기초로 선택될 수 있다. 테이퍼 벽(112)은 일부 실시예에서 일반적으로 수직선으로부터 0 내지 약 14도의 각도로 테이퍼져서, 와류 발생 구역 및/또는 분리 구역 내에서의 난류 유동(turbulent flow)을 방지한다. 일부 실시예에서, 약 14도보다 큰 테이퍼 각도는 와류 발생 구역 및/또는 분리 구역 내의 난류 유동을 일으킬 수 있으며, 이러한 난류 유동은 유체 혼합물의 밀도가 더 높은 성분으로부터 밀도가 더 낮은 성분의 유착 및 분리보다는 유체 혼합물의 밀도가 더 낮은 성분의 비말(droplets)의 분산을 초래할 수 있다. 다른 실시예에서, 테이퍼는 수직선으로부터 약 5 내지 약 10도일 수 있다. 일부 실시예에서, 약 10도보다 큰 테이퍼 각도는 용기 내의 유체 혼합물의 표면을 오목해지게 할 수 있으며, 와류 발생 구역 및/또는 분리 구역으로부터 밀도가 더 낮은 유체 혼합물의 성분의 제거를 방해하기에 충분히 클 수 있다. 다른 실시예에서, 테이퍼는 수직선으로부터 약 9도일 수 있다.
와류 발생 구역의 전체 형상 및 부피는 분리될 유체 혼합물의 유형, 원하는 처리량 및/또는 분리 용기의 원하는 전체 풋프린트와 같은 요인을 기초로 선택될 수 있다. 많은 경우, 더 높은 처리량 및 더 작은 풋프린트가 바람직하다. 예로서, 5,000 배럴/일(대략 145 갤런/분)의 처리량으로 물로부터 오일을 분리하도록 설계되고 약 12 피트의 길이와 약 8 피트의 폭의 크기를 갖는 스키드(skid)에 맞도록 형성되는 와류 발생 구역을 포함하는 용기는 유수의 적절한 분리를 제공하기 위해 약 17.5 인치의 상단부에서의 직경과 약 27 인치의 최대 폭 지점에서의 직경을 갖고, 수직선으로부터 약 9도의 벽 테이퍼(wall taper) 및 약 30인치의 높이를 구비한 와류 발생 구역을 가질 수 있다. 이들 치수의 와류 발생 구역을 포함하는 용기는 일부 실시예에서 길이가 약 10 피트이고 폭이 약 7 피트인 풋프린트를 가짐으로써 스키드 상에 추가의 유닛을 배치할 수 있거나 더 작은 스키드를 사용할 수 있다. 더 높은 처리량을 위해, 와류 발생 구역은 크기가 증가될 수 있거나, 벽 테이퍼가 감소될 수 있다. 일부 실시예에서, 예를 들면 전처리 또는 후처리 유닛과 같은 추가의 유닛은 본 발명의 실시예에 따른 용기와 동일한 스키드에 사용될 수 있다.
와류 발생 구역(114)의 외부에는 분리 구역(116)이 존재한다. 분리 구역(116)은 와류 발생 구역(114)의 위와 옆에 위치된다. 분리 구역의 높이 및 분리 구역의 폭을 포함하는 분리 구역(116)의 크기는 분리 구역(116) 내에 유체에 대한 원하는 체류 시간을 제공하도록 선택될 수 있다. 분리 구역(116)은 용기 벽(102), 하부벽(106), 테이퍼 벽(112) 및 상부 내부 벽(118)에 의해 형성된다. 도 1에서, 상부 내부 벽(118)은 돔형의 곡선 형상을 갖는 것으로 도시되지만, 일부 실시예에서, 상부 내부 벽(118)은 상이한 곡률을 가질 수 있거나 곡률이 전혀 없거나, 그 직경의 일부를 따라서만 곡률을 가질 수 있다. 상부 내부 벽(118)은 분리 구역(116)에 근접한 용기의 중심 수직선에 근접하게 와류 발생 구역(114)의 중심 영역 위에 위치되는 상부 유체 배출구(120)를 포함한다.
상부 유체 배출구(120)는 일부 실시예에서 와류 발생 구역의 상단부 위에 위치될 수 있다. 사용시, 상부 유체 배출구(120)는 용기(100)로 도입되는 유체 혼합물의 다른 성분보다 밀도가 낮은 성분이 풍부한 유체를 위한 배출구이다. 유체 배출구(120)의 벽은 도 1에서 수직으로 도시되어 있지만, 이는 제한으로 간주되어서는 안된다. 일부 실시예에서, 유체 배출구(120)의 벽은 테이퍼지거나 존재하지 않을 수도 있다. 도 1, 3 및 4에 도시된 바와 같은 상부 내부 벽(118), 유체 배출구(120), 상부 용기 벽(104) 및 상부 용기 유체 배출구(120)의 결합은 "헤드-인-헤드(head-in-head)" 유체 배출구 디자인으로 지칭될 수 있다. 일부 실시예에서, 대안적인 구성 및 방법이 사용되어 유체 혼합물의 밀도가 더 낮은 성분이 풍부한 유체를 와류 발생 구역(114) 및/또는 분리 구역(116)으로부터 제거할 수 있다. 이들 대안적인 구성 및 방법은, 예를 들면 스키머, 흡입 펌프 및 관련 배관, 원뿔형 유체 어큐뮬레이터 및 사이폰 관(siphon tube)을 포함할 수 있다.
용기(100)는 와류 발생 구역(114)에 유체 유동가능하게 연결되는 하나 또는 그보다 많은 유체 유입구(126)를 포함할 수도 있다. 도 1에는 하나의 유체 유입구(126)가 도시되어 있지만, 일부 실시예는 복수의 유체 유입구(126)를 포함할 수 있다. 작동시, 유체 유입구 또는 유입구들(126)은 용기(100)의 와류 발생 구역(114)으로 분리될 유체 혼합물을 공급한다. 일부 방법에서, 유체가 와류 발생 구역(114)으로 들어가기 전에 유입구 또는 유입구들(126)을 통해 유동하는 유체 혼합물로 가스가 도입될 수 있다.
유체 유입구 또는 유입구들(126)은 일부 실시예에서 수평 축선으로부터 상부로 각도를 이룬 방향으로 와류 발생 구역으로 유체를 도입하도록 각도를 이루며 위치될 수 있다. 일부 실시예에서, 유체 유입구 또는 유입구들(126)은 수평 축선 위로 0 내지 약 10도의 각도로 와류 발생 구역으로 유체 혼합물을 도입할 수 있다. 일부 실시예에서, 수평 축선 위로 약 10도보다 큰 와류 발생 구역으로의 유체 도입 각도는 유체 혼합물의 성분을 충분히 분리시키기에 불충분한 와류 발생 구역 내의 유체 혼합물의 체류 시간을 초래할 수 있다. 다른 실시예에서, 유체 유입구 각도는 와류 발생 구역 내의 유체 혼합물의 더 긴 체류 시간을 제공하기 위해 약 1 내지 2도일 수 있다. 다른 실시예에서, 이 각도는 대략 1도일 수 있다.
일부 실시예에서, 유체 유입구 또는 유입구들(126)의 상향각은 와류 발생 구역 내의 유체 혼합물에 와류 발생 구역 내의 유체의 원하는 처리량 또는 체류 시간을 제공하기에 충분한 상향 속도 성분(upward velocity component)을 가하도록 선택될 수 있다. 복수의 유체 유입구(126)가 존재하는 경우, 이들 유입구는 모두 수직 축선으로부터 동일한 각도로 기울어질 필요는 없다. 가스가 와류 발생 구역 내의 유체 혼합물의 성분과 접촉할 수 있는 긴 체류 시간 및/또는 긴 기간이 바람직한 실시예에 대해, 유체 유입구 또는 유입구들(126)은, 예를 들면 1.2도의 상향각으로 기울어질 수 있다.
또한, 일부 실시예에서 유체 유입구 또는 유입구들(126)은 각도를 이루어 와 류 발생 구역으로 유체를 도입하도록 위치되고 기울어질 수 있으며, 이 각도는 유체 유입구 또는 유입구들(126)에 근접한 내부 벽 상의 한 지점에서 와류 발생 구역(114)의 내부 벽에 정접하는 벡터 성분을 갖는다. 이로 인해 유체 유동의 정면 충돌(head on collisions)의 가능성이 감소하고/감소하거나 와류 발생 구역 내의 유체의 회전 유동의 생성을 도울 수 있다. 와류 발생 구역 내의 유체 유동의 정면 충돌은, 일부 경우에, 와류 발생 구역 내에 존재할 수 있는 더 작은 기포의 응결로부터 더 큰 기포의 생성 및 난류를 초래할 수 있으며, 이는 하기에 보다 충분히 설명될 이유로 인해 바람직하지 않을 수 있다. 복수의 유체 유입구(126)가 존재하는 경우, 이들 유입구는 모두 각각의 유체 유입구(126)에 근접하는 내부 벽 상의 한 지점에서 와류 발생 구역(114)의 내부 벽에 대해 동일한 각도로 기울어질 필요는 없다.
용기(100)는 제 1 유체 배출구(108) 및 제 2 유체 배출구(110)를 포함하는 복수의 유체 배출구를 가질 수 있다. 제 1 및 제 2 유체 배출구(108, 110)의 위치는 용기의 상부 또는 하부 상의 어디라도 될 수 있다. 일 실시예에서, 제 1 유체 배출구(108)는 용기(100)의 상부 상에 위치된다. 유체 배출구(108)는 유체 혼합물의 밀도가 더 낮은 성분을 위한 배출구일 수 있다. 다른 실시예에서, 제 2 유체 배출구(110)는 용기(100)의 하부 상에 위치되며 분리 구역(116)에 유체 유동가능하게 연결된다. 유체 배출구(110)는 유체 혼합물의 밀도가 더 높은 성분을 위한 배출구일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 제 2 유체 배출구(110)는 가스 유입구 또는 유입구들(122)에 의해 도입된 가스의 제거를 방지하거나 최소화하도록 존재할 때, 가스 유입구(122) 아래에 위치될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 제 2 유체 배출구(110)는 가스 유입구(122) 아래로 적어도 약 1 피트에 위치될 수 있다. 배출구는 기술상 공지된 임의의 유체 배출구의 형상 및 모양을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 용기는 와류 발생 구역, 분리 구역, 또는 이들 모두로 가스를 지향시키기 위해 하나 또는 그보다 많은 가스 유입구를 포함할 수 있다. 이들 유입구를 통해 도입되는 가스는 자유 가스(free gas), 유체 내의 기포의 형태로, 또는 유체 내에 용해된 가스로서 도입될 수 있다.
도 1을 참조하면, 가스 유입구(122)는 분리 구역(116)에 유체 유동가능하게 연결되며, 가스 유입구(124)는 와류 발생 구역에 유체 유동가능하게 연결된다. 가스 유입구(122)는 가스, 또는 일부 실시예에서는 기포 또는 용해 가스를 포함하는 유체를 용기(100)의 분리 구역(116)으로 공급하도록 위치된다. 일부 실시예에서, 이들 유입구는 하부 유체 배출구(110) 위에 위치된다. 일부 실시예에서, 이들 유입구는 하부 유체 배출구(110) 위로 적어도 약 1 피트에 위치된다. 가스 유입구(122)를 충분히 하부 유체 배출구(110) 위에 위치시키면 가스의 양을 감소시킬 수 있거나 가스 유입구(122)를 통해 도입되는 가스가 하부 유체 배출구(110)를 통해 용기의 외부로 유동하는 임의의 유체와 함께 끌어 당겨지는 것을 방지할 수 있다. 가스 유입구(124)는 가스 또는 일부 실시예에서는 가스 함유 유체를 용기(100)의 와류 발생 구역(114)으로 공급하도록 위치된다. 각각의 유입구들 중 2개의 유입구(122, 124)가 도 1에 도시되어 있지만, 일부 실시예에서는 하나 또는 그보다 많은 가스 유입구(122)가 제공되어 분리 구역으로 가스를 도입할 수 있고, 하나 또는 그보다 많은 유입구(124)가 제공되어 와류 발생 구역으로 가스를 도입할 수 있다.
일부 실시예에서, 가스 유입구(124)는 가스 또는 기포를 함유하는 유체 또는 용해 가스를 와류 발생 구역으로 각도를 이루어 도입하도록 위치되고 기울어질 수 있으며, 이 각도는 와류 발생 구역 내의 유체 혼합물의 원하는 처리량 또는 체류 시간을 제공하기에 충분한 와류 발생 구역 내의 유체 혼합물에 대한 상향 속도 성분을 가하기에 충분하다. 일부 실시예에서, 이 각도는 수평 축선 위로 0 내지 약 45도일 수 있다. 긴 체류 시간이 요구되는 실시예에 대해, 가스 유입구 구 유입구들(124)은 가스 또는 가스 함유 유체를 수평으로 또는 와류 발생 구역으로 수평 축선 아래로 각도를 이루어서라도 도입하도록 위치될 수 있다.
가스 유입구 또는 유입구들(124)은 일부 실시예에서 각도를 이루어 와류 발생 구역으로 가스를 도입하도록 위치되고 기울어질 수도 있으며, 이 각도는 가스 유입구 또는 유입구들(124)에 근접한 내부 벽 상의 한 지점에서 와류 발생 구역(114)의 내부 벽에 정접하는 벡터 성분을 갖는다. 이로 인해 상이한 유체 흐름들의 정면 충돌의 가능성이 감소하고/감소하거나 와류 발생 구역 내의 유체의 회전 유동의 생성을 도울 수 있다. 복수의 가스 유입구(124)가 존재하는 경우, 이들 유입구는 모두 각각의 가스 유입구(124)에 근접한 내부 벽 상의 한 지점에서 와류 발생 구역(114)의 내부 벽에 대해 동일한 각도로 기울어질 필요는 없다.
일부 실시예에서, 가스 유입구 또는 유입구들(122)은 가스 또는 기포를 함유하는 유체 또는 용해 가스를 분리 구역(116)으로 분리 구역 내의 유체에 원하는 체 류 시간을 가하기에 충분한 각도로 도입하도록 위치되며 기울어질 수 있다. 가스 유입구 또는 유입구들(122)은 분리 구역 내의 유체의 원하는 유동을 제공하도록 각도를 이루어 위치될 수 있으며, 이러한 각도는 예를 들면 와류 발생 구역의 형태, 분리된 유체 혼합물의 유형, 용기 내의 유체의 원하는 체류 시간 및 가스 유입구 또는 유입구들(122)을 통하는 가스 또는 가스 함유 유체의 원하는 유동을 포함하는 복수의 요인들에 좌우될 수 있다. 가스 유입구 또는 유입구들(122)은 분리 구역 내에 원하는 가스의 분산을 제공하도록 위치될 수도 있다. 입구의 하부 각도(lower angle)는 가스 유입구 또는 유입구들(122)을 통해 도입되는 가스가 분리 구역을 통하여 보다 균일하게 분산되게 하고, 가스가 입구의 상부 각도(higher angle)보다 상승할 때 가스가 유체 혼합물의 성분과 접촉할 증가된 기회를 제공하게 할 수 있다. 일부 실시예에서, 이 각도는 수평 축선 위로 0 내지 약 45도일 수 있다. 이러한 각도의 입구는 일부 실시예에서 수평 축선 아래에 있어서, 분리 구역(116) 내에서 유체의 체류 시간을 더 증가시킬 수 있다. 복수의 가스 유입구(122)가 존재하는 경우, 이들 유입구는 모두 수평 축선 위로 동일한 각도로 기울어질 필요는 없다.
가스 유입구 또는 유입구들(122)은 또한 일부 실시예에서 분리 구역(116)으로 가스를 각도를 이루어 도입하도록 위치되며 기울어질 수 있으며, 이 각도는 가스 유입구 또는 유입구들(122)에 근접한 용기 벽(102) 상의 한 지점에서 분리 구역(116)의 내부 벽에 정접하는 벡터 성분을 갖는다. 이로 인해 유체 유동의 정면 충돌의 가능성이 감소하고/감소하거나 분리 구역 내의 유체의 회전 유동의 생성 또 는 유지를 도울 수 있다. 복수의 가스 유입구(122)가 존재하는 경우, 이들 유입구는 모두 각각의 가스 유입구(122)에 근접한 용기 벽 상의 한 지점에서 용기 벽(102)에 대해 동일한 각도로 기울어질 필요는 없다.
유체 혼합물 및 가스의 와류 발생 구역으로의 도입 각도는 분리될 유체의 유동 및 가스 함유 유체의 유동의 정면 충돌의 발생률을 감소시키도록 선택될 수 있다. 이들 유체 유동의 정면 충돌로 인해 난류 및/또는 용해 가스의 큰 기포로의 응결이 초래될 수 있으며, 이는 어떤 경우에 바람직하지 않을 수 있다. 예를 들면, 큰 기포로의 용해 가스의 응결은 가스의 전체 표면적 및/또는 가스의 분산을 감소시킴으로써 유체 혼합물과의 접촉을 감소시켜 분리 효율을 감소시킬 수 있다. 또한, 더 큰 가스 기포는 더 작은 가스 기포보다 와류 발생 구역을 통해 상부로 보다 빠르게 이동할 수 있어서, 와류 발생 구역 내의 유체 혼합물의 성분들과 기포 사이의 가능한 접촉을 위한 더 적은 시간을 제공할 수 있다.
일부 실시예에서, 유체 유입구 또는 유입구들(126)은 내부의 예비 나선형 분리기(preliminary spiral separator)와 같은 추가의 분리기를 포함할 수 있다. 예비 나선형 분리기는 유체 혼합물을 그 구성 성분들로 초기에 부분적으로 분리시킬 수 있으며/있거나, 예를 들면 유체 혼합물 내에 존재하는 탄화 수소와 같이 밀도가 더 작은 성분의 비말의 크기를 증가시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 예비 나선형 분리기는 유체 유입구 또는 유입구들(126)의 상류에 위치되며 유체 혼합물의 공급원 및 유입구 또는 유입구들(126)과 유체 소통할 수 있다. 활용될 수 있는 예비 나선형 분리기의 일례는 용도를 불문하고 전체로서 본 명세서에 의해 참조되는 U.S.특허 제5,277,803호에서 설명된다. 특히 U.S.특허 제5,277,803호의 요소(34)인 SPIRALSEP은 본 발명의 특정 실시예에서 활용될 수 있는 나선형 분리기의 일 실시예이다.
용기(100)는 분리 구역(116) 내에 응결 재료(coalescing material; 128)를 포함할 수도 있다. 응결 재료(128)는 재료의 분리된 단면을 포함할 수 있거나, 일부 실시예에서 연속적인 재료일 수 있고, 연속적인 재료는 테이퍼 벽(112)을 실질적으로 또는 완전히 둘러쌀 수 있으며 테이퍼 벽(112)으로부터 용기의 측벽(102)으로 연장할 수 있다. 응결 재료는 가스 유입구 또는 유입구들(122) 위에 위치될 수 있다. 일부 실시예에서, 응결 재료는 용기 내에서 높이에 관해 조정 가능할 수 있는 지지 구조물(미도시)에 의해 지지될 수 있다.
높은 표면적 대 부피 비율과 특정 시스템 내에서 분리될 유체의 성분들에 의한 감손에 대한 저항을 갖는 임의의 응결 재료가 일부 실시예에서 사용하기 적합할 수 있다. 적합한 응결 재료는, 예를 들면 (텍사스 휴스턴에 소재한 National Tank Co.로부터 이용 가능한) Nacto-Lescer®와 같은 응결 매질 또는 (텍사스 휴스턴에 소재한 National Tank Co.로부터 이용 가능한) Performax® 응결 매질과 같은 시트 매질(sheet media)의 압축 층(packed bed)을 포함할 수 있다. 사용될 수 있는 다른 시트형 응결 매질은 용도를 불문하고 전체로서 본 명세서에 의해 참조되는 U.S.특허 제5,300,222호 및 제5,407,584호에서 설명된다. 이러한 응결 패킹(coalescence packing)은 다수의 상호연결 채널을 생성하는 십자형 단면 구 조(cross fluted structure)를 갖는 모듈형 시트 타입 매질을 포함할 수 있다.
작동시, 응결 재료(128)는 분리 구역 내에서 역류 유동으로 회전하며 아래로 유동하는 유체의 속도 및/또는 난류를 감소시킬 수 있다. 감소된 속도 및/또는 난류는 분리 구역 내에 존재하는 기포 또는 용해 가스, 또는 가스 유입구 또는 유입구들(122)로부터 도입될 수 있는 기포 또는 용해 가스를, 예를 들면 분리 구역 내에 존재하는 탄화 수소와 같이, 밀도가 더 작은 유체 성분과 접촉하게 할 수 있으며, 이에 따라 분리 구역(116)을 통해 상부로 이러한 성분의 부양을 용이하게 한다. 응결 재료(128)는 분리 구역을 통해 아래로 유동하는 유체 내에 존재하는 밀도가 더 작은 성분을 유지할 수도 있지만, 밀도가 더 큰 성분이 하부 유체 배출구(110)를 통과하게 하며, 일부 실시예에서 하부 유체 배출구(110)를 통해 제거되도록 할 수 있다.
도 3을 참조하면, 용기(100)는 중간벽(145)에 의해 형성되는 고형물 수집 구역(130)을 포함할 수도 있다. 중간벽(145)은 용기(100)의 고형물 배출구(132) 및 테이퍼 벽(114)에 밀봉 연결될 수 있다. 이러한 고형물 수집 구역은 와류 발생 구역(114) 아래에 와류 발생 구역(114)과 유체 소통하도록 위치될 수 있다. 작동시, 용기로 도입되는 유체 혼합물이 와류 발생 구역(114)을 통해 유동함에 따라, 유체 혼합물 내에 존재하는 고형물은 중력에 의해 혼합물로부터 떨어지며 고형물 수집 구역(130) 내에 놓일 수 있다. 축적된 고형물은 고형물 배출구(132)를 통해 연속적으로 또는 간헐적으로 고형물 수집 구역(130)으로부터 제거될 수 있다.
도 3은 또한 헤드-인-헤드 배출구 내의 상부벽(118)의 대안적인 형태를 도시 한다. 도 3에서, 벽(118)은 그 전체 직경을 따라 일정한 곡률을 갖지 않는다기보다는 상부 유체 배출구(108)에 근접하여 상부로 구부러진 부분을 갖는다. 이로 인해 중간 수집 영역이 제공되어, 나선 흐름 동작(swirling motion) 및/또는 구역(150) 내의 밀도가 더 작은 성분에 가스를 추가로 도입하는 것이 감소될 수 있다.
도 4는 용기(100)의 대안적인 형태를 도시한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 용기(100)는 가스 유입구 또는 유입구들(124) 및 공통 수평면을 따라 위치되고 배열되는 유체 유입구 또는 유입구들(126)을 포함한다. 다른 실시예에서, 가스 유입구 또는 유입구들(124)은 유체 유입구 또는 유입구들(126)에 의해 형성되는 수평면의 위 또는 아래에 위치될 수 있다. 예를 들면, 일부 실시예에서 가스 유입구 또는 유입구들(124)은 유체 유입구(126)에 의해 형성된 수평면의 위 또는 아래로 약 6 인치에 위치될 수 있다. 가스 유입구 또는 유입구들(124) 및 유체 유입구 또는 유입구들(126)을 와류 발생 구역 내의 상이한 높이에 배치하는 것은 다른 유입구들로부터의 유체 유동의 정면 충돌의 경우를 감소시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 가스 유입구 또는 유입구들(124) 및 유체 유입구 또는 유입구들(126)은 최대 횡단면적(134)을 갖는 와류 발생 구역의 일부를 수평으로 통과하는 평면과 테이퍼 벽(112)의 교차점에 근접하여, 또는 다른 말로 도 4에 도시된 바와 같이, 와류 발생 구역의 최대폭 지점의 테이퍼 벽(112)에 근접하여 위치될 수 있다. 가스 유입구(122), 가스 유입구(124) 및 유체 유입구(126)의 직경 및 형상은 특정한 적용에 대한 특정 필요조건에 맞도록 선택될 수 있다. 예를 들면, 하루에 대량의 유체를 처리하도록 설계된 용기에는 더 많은 유체 유동을 수용하기 위해 하루에 더 적은 양의 유체를 처리하도록 설계된 용기에 사용되는 것보다 더 큰 직경의 유입구가 사용될 수 있다.
도 4는 또한 헤드-인-헤드 배출구 내의 상부벽(118)의 대안적인 형태를 도시한다. 도 4에서, 벽(118)은 그 전체 직경을 따라 구부러지지 않는다기보다 그 외주에 인접하여 평평화된 부분을 갖는다. 이는 유체 혼합물의 밀도가 더 작은 성분을 즉시 제거하기 위한 것일 수 있다. 다른 실시예에서, 상부벽(118)의 평평한 부분은 배출구(108)를 통하여 유체를 손쉽게 제거하기 위해 용기(100)의 대향 측면상의 벽(118)의 평평한 부분과 상이한 높이에 있을 수 있다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 와류 발생 구역의 테이퍼 벽(112)은 테이퍼 벽(112)의 나머지 부분과 상이한 테이퍼를 갖는 상부벽 영역(112a)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 이 상부벽 영역(112a)은 유체 성분을 더욱더 분리하기 위해, 유체가 와류 발생 구역을 떠나기 직전에 유체의 회전 속도를 증가시키도록 작용할 수 있다. 와류 발생 구역의 상단부에 인접한 영역에만 고도의 테이퍼를 갖는 와류 발생 구역을 제공함으로써, 와류 발생 구역 내의 유체의 회전 속도를 증가시켜, 유체 혼합물의 밀도가 더 낮은 성분의 강제 응결(forced coalescence)을 도울 수 있으며, 와류 발생 구역 내의 가스를 이용하여 유체 혼합물의 성분들의 적절한 접촉을 제공하기에 충분히 긴 체류 시간을 유지할 수 있다.
도 5는 도 4의 가스 유입구(124) 및 유체 유입구(126)의 배치에 대한 대안적인 도면이다. 도 5는 도 4의 5-5선을 통과하는 하향 횡단면도이다. 도 5는 각각 2개의 가스 유입구(124)와 유체 유입구(126)를 포함하며, 각각의 유입구는 유입구들에 근접한 내부 벽상의 한 지점에서 와류 발생 구역(114)의 내부 벽에 실질적으로 정접하는 각도로 와류 발생 구역으로 가스 및/또는 유체를 도입하도록 위치된다. 일부 실시예에서, 가스 유입구(124) 및 유체 유입구(126)는 도 5에 도시된 것보다 더 작은 정접 성분을 갖는 각도로 와류 발생 구역으로 가스 및/또는 유체를 도입하도록 위치되고 기울어질 수 있다. 가스 유입구(124) 및 유체 유입구(126)는 동일하거나 유사한 각도로 와류 발생 구역으로 가스 및/또는 유체를 도입하도록 기울어질 수 있지만 반드시 그러하지는 않다. 가스 유입구(124)는 서로에 대해, 일부 실시예에서는 유체 유입구(126)에 대해 와류 발생 구역 둘레에서 균일하게 이격되어 있을 수 있다. 가스 유입구(124) 및 유체 유입구(126)는 대안적으로 위치될 수 있으며 와류 발생 구역 둘레에 실질적으로 균일하게 이격되어 있을 수 있다. 가스 유입구(122)는 와류 발생 구역(114)의 외주 둘레에 균일하거나 대략 균일하게 이격되어 있을 수도 있다. 일부 실시예에서, 가스 유입구(124) 및/또는 유체 유입구(126)는 도 5에 도시된 바와 같이 와류 발생 구역으로 연장하지 않을 수 있다기보다 테이퍼 벽(112)에서 종결될 수 있다. 가스 유입구(124) 및/또는 유체 유입구(126)로부터의 가스 및/또는 유체는 이들 실시예에서 테이퍼 벽(112) 내의 오리피스를 통해 와류 발생 구역(114)으로 유동할 수 있다. 이들 오리피스는 일부 실시예에서, 예를 들면 테이퍼 벽(112)을 따라 수평으로 연장하는 3 인치의 장축(major axis)과 테이퍼 벽(112)을 따라 수직으로 연장하는 1 인치의 단축(minor axis), 또는 2 인치의 장축과 0.6 인치의 단축의 치수를 갖는 타원 형상을 가질 수 있다. 이들 오리피스는 대안적인 실시예에서 원형, 삼각형, 직사각형일 수 있거나, 와류 발생 구역(114)으로 유체 혼합물을 도입시키도록 하고 이러한 유체 혼합물에 회전 속도를 가할 수 있는 다른 방식으로 형성될 수 있다.
작동시, 하나 또는 그보다 많은 유체 유입구(126)를 통해 와류 발생 구역(114)으로 상향각으로 및 유체 도입의 위치에 근접한 와류 발생 구역의 내부 벽에 정접하는 성분을 갖는 각도를 이루어 유체 혼합물을 도입시킴으로써 와류 발생 구역(114) 내의 유체의 나선형 상승류를 일으킬 수 있다. 유체는 와류 발생 구역(114)을 통한 후 와류 발생 구역(114)의 위와 옆의 분리 구역(116)으로 나선형의 상승 경로로 유동할 수 있다.
와류 발생 구역 내에서, 하나 또는 그보다 많은 유체 유입구(126)로부터 도입되는 유체 혼합물 및 가스 유입구(124)를 통해 도입되는 가스 또는 기포를 함유하는 유체 및/또는 용해 가스는 가스 유입구(124) 및 유체 유입구(126)로부터 유체의 회전 정류 유동(rotating co-current flow)이 발생되도록 대략 동일한 각도로 도입될 수 있다. 예를 들면, 유체 유입구(126) 및 가스 유입구(124)를 통해 도입되는 유체는 모두 유체 및 가스가 시계 방향으로 유동하도록 도입 위치에 근접한 와류 발생 구역의 벽에 정접하는 벡터 성분을 갖는 각도로 도입될 수 있다. 와류 발생 구역 내의 유체와 가스의 정류 유동은 일부 경우에 유리할 수 있어서, 와류 발생 구역 내의 난류를 감소시키고/감소시키거나, 유체 혼합물의 성분 접촉시 덜 효과적일 수 있으며 더 작은 기포가 더 큰 기포로 응결될 수 있는 유체 유동의 정면 충돌을 방지한다.
추가의 유체 분리 장치 또는 시스템이 용기(100)의 상류 또는 하류에 존재할 수 있다. 이러한 추가의 시스템은 용기(100)에 부분적으로 분리된 용액을 전달하도록 유체 혼합물을 전처리할 수 있거나, 산출 유체를 제 1 및 제 2 유출물로 더 분리하도록 용기(100)로부터의 유체 산출물을 후처리할 수 있다. 이러한 추가의 시스템은 용기(100)와 유사할 수 있거나, 예를 들면 하이드로 사이클론 기반의 분리 시스템과 같은 다른 시스템 또는 장치일 수 있다.
유체 혼합물을 분리하기 위해 전술된 장치의 실시예를 활용하는 방법은 분리될 유체 혼합물을 용기(100)로 도입하는 단계를 포함할 수 있다. 유체 혼합물은 유체 혼합물의 공급원으로부터 유체 유입구 또는 유입구들(126)을 통해 도입될 수 있다. 일부 실시예에서, 가스는 용기로 도입되기 전에 유체 혼합물로 도입될 수 있다. 일부 실시예에서, U.S.특허 제5,277,803호에 기재된 SPIRALSEP™ 분리기와 같은 나선형 예비 분리기(preliminary separator)가 유체 유입구 또는 유입구들(126)에 또는 유체 혼합물의 공급원과 유체 유입구 또는 유입구들(126) 사이에 존재할 수 있다. 예비 분리기를 통과하는 유체는 유체 혼합물 내에 존재하는 다양한 성분으로 적어도 부분적으로 분리될 수 있다. 예를 들면, 유체 혼합물 내에 존재할 수 있는 탄화 수소는 용기 내로 유체 혼합물을 도입하기 전에 적어도 부분적으로 응결될 수 있다.
와류 발생 구역(114)으로 도입되는 유체 혼합물은 와류 발생 구역을 통해 회전하며 상부로 유동한다. 일부 실시예에서, 이러한 상승류는 약 0.1 내지 0.5 피트/초의 속도로 일어날 수 있다. 이러한 속도는 와류 발생 구역으로 도입될 수도 있는 가스와 충분히 섞이도록 와류 발생 구역 내의 유체 혼합물의 적절한 체류 시간을 제공할 수 있다. 이러한 상승류는 유체 혼합물을 와류 발생 구역으로 상향각으로 도입함으로써 촉진될 수 있다. 이는 유체 유입구 또는 유입구들(126) 상에 위로 각이 진 단부 부분을 포함함으로써 이루어질 수 있다. 유체는 와류 발생 구역에서 회전식으로 유동할 수도 있다. 이러한 회전 유동은 유체 혼합물 도입 위치에 근접한 와류 발생 구역의 내부 벽에 정접하는 성분을 갖는 각도로 유체 혼합물을 도입함으로써 촉진될 수 있다. 유체 혼합물의 유동의 회전 성분은, 유체 혼합물이 와류 발생 구역의 테이퍼 형상으로 인해 와류 발생 구역을 통해 상부로 유동함에 따라 증가할 수 있다. 유체 혼합물이 와류 발생 구역 내에서 회전하며 유동할 때, 다른 성분들에 비해 더 낮은 밀도를 갖는 유체 혼합물 내의 성분은 와류 발생 구역의 중심 수직 축선을 향해 이동할 수 있는 반면, 보다 밀도가 높은 성분은 구심력 및/또는 원심력의 작용으로 인해 테이퍼 벽(112) 쪽으로 이동할 수 있다.
가스가 와류 발생 구역으로 도입될 수도 있다. 가스는 가스 유입구 또는 유입구들(124)을 통해 도입될 수 있다. 가스는 그 유효 밀도 및/또는 점성 대 다른 유체 성분의 변화를 가하도록 유체 혼합물의 성분의 특성을 변화시킬 수 있는 가능성을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 가스는 예를 들면 공기, 메탄, 아세틸렌, 천연 가스 및 이들의 조합일 수 있다. 가스는 가스 상태로 직접, 또는 유체 내에 용해된 가스로서, 또는 유체에 의해 운반되는 기포로서 도입될 수 있다. 일부 실시예에서, 기포 발생기(gas bubble generator)는 가스 유입구(122 및/또는 124)로 기포를 공급할 수 있다. 예를 들면, 본 명세서에서 전체로서 참조되는 U.S.특허 제6,337,023호에 기재된 바와 같은 용해 가스 부양 펌프가 가스 유입구(122 및/또는 124)로 용해 가스를 포함하는 유체를 제공하도록 활용될 수 있다. 많은 경우, 기포의 가용 표면적을 증가시키기 위해 더 큰 것보다는 더 작은 기포를 도입하는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 이는 도입된 가스의 주어진 부피당 더 많은 기포를 생성하게 하여, 화학적 비용을 절감할 수 있고 기포가 유체 혼합물의 특정 성분과 접촉할 수 있는 더 큰 가능성을 제공할 수 있다. 예를 들면, 일부 실시예에서 용해 가스 부양 펌프는 직경이 약 5 내지 100 미크론의 크기를 갖는 기포를 유체 분리 용기의 와류 발생 구역으로 도입하도록 활용될 수 있다. 일부 실시예에서, 용해 가스 부양 펌프는 약 50 내지 70 미크론의 평균 기포 직경을 갖는 가스를 유체 분리 용기의 와류 발생 구역 및/또는 분리 구역으로 도입할 수 있다.
일부 실시예에서, 용해 가스 부양 펌프에 의해 유체로 도입된 가스의 적어도 일부는 용기(100)로부터 도 4에 도시된 가스 배출구(136)와 같은 가스 배출구를 통해 가스 재순환될 수 있다. 가스 배출구(136)는 유체 혼합물의 밀도가 더 작은 성분과 함께 구역(150)으로 들어가는 가스를 포착하도록 구역(150)의 벽에 위치될 수 있다. 기술상 공지되어 있는 바와 같은 통상적인 가스 회수 하위 시스템(gas recovery sub-system)이 일부 실시예에서 제공될 수 있어서 가스 배출구(136)로부터 가스의 회수를 용이하게 하고/용이하게 하거나, 용기를 빠져나가는 유체로부터 용해 가스를 회복시킬 수 있다. 가스는 용해 가스 부양 펌프 또는 기포 발생기의 가스 유입구와 유체 소통하는 분리된 가스 공급원으로부터 용기로 도입될 수도 있다.
유체 혼합물이 와류 발생 구역을 통해 유동함에 따라, 유체 혼합물과 도입되거나 가스 유입구 또는 유입구들(124)을 통해 도입된 가스는, 예를 들면 유체 혼합물 내에 존재할 수 있는 탄화 수소와 같이 밀도가 더 작은 성분과 접촉할 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 유체 성분과 가스의 선택적 접촉을 용이하게 하도록 와류 발생 구역 내의 유체 혼합물에 계면 활성제가 부가될 수 있다.
유체 혼합물은 와류 발생 구역(114)을 빠져나감에 따라 분리 구역(116)으로 들어갈 수 있다. 분리 구역에서, 유체 혼합물의 회전 속도는 마찰, 와류 발생 구역과 반대로 분리 구역의 증가된 횡단면 및/또는 응결 재료(128)에 의한 회전 유동의 방해로 인해 감소될 수 있다. 예를 들면, 탄화 수소와 같이, 유체 혼합물의 밀도가 더 작은 성분은 분리 구역을 통해 상부로 부양할 수 있다. 밀도가 더 작은 성분 또는 성분들과 접촉하게 될 수 있는 가스는 상부 부양(upward flotration)의 과정을 용이하게 할 수 있다. 밀도가 더 큰 성분 또는 성분들 및/또는 밀도가 더 큰 성분 또는 성분들이 풍부한 유체 혼합물은 제거를 위해 테이퍼 벽(112)과 용기 벽(102) 사이의 분리 구역을 통해 아래로 이동할 것이다.
일부 경우, 밀도가 더 작은 성분 중 일부는 유체가 분리 구역을 통해 아래로 유동함에 따라 밀도가 더 작은 성분이 풍부한 유체 내에 남아 있을 수 있다. 분리 구역이 하나 또는 그보다 많은 가스 유입구(122)를 포함하는 실시예에서, 가스 또는 기포를 함유하는 유체 및/또는 용해 가스는 도입된 가스 함유 유체와 분리 구역 내의 유체 사이의 밀도 차로 인해 및/또는 가스 함유 유체의 도입 상향각으로 인해, 분리 구역을 통해 상부로 유동할 수 있다. 분리 구역 내의 가스와, 유체 혼합 물의 밀도가 더 큰 성분이 풍부한 유체의 이러한 역류는 밀도가 더 큰 성분 또는 성분들이 풍부한 유체와 함께 남아 있을 수 있는 유체의 밀도가 더 작은 성분에 대한 가스의 접촉을 용이하게 한다. 가스가 이들 남아 있는 성분들 중 일부와 접촉함에 따라, 이 성분들 중 일부의 유효 부력이 증가하며 이 성분들 중 일부는 분리 구역의 최상부에서의 제거를 위해 분리 구역을 통해 상부로 부양한다. 일부 실시예에서, 분리 구역으로 도입될 수 있는 가스의 양에 상한이 없다. 다른 실시예에서, 분리 구역으로 도입될 수 있는 가스의 양에 대한 상한은, 분리 구역 내의 가스/유체 혼합물이 유체 혼합물의 밀도가 더 작은 성분보다 밀도가 더 작아지는 지점을 계산함으로써, 결정될 수 있다.
일부 실시예에서, 예를 들면 비말 또는 용해된 성분과 같은 밀도가 큰 성분이 풍부한 유체 혼합물 내에 남아 있을 수 있는 탄화 수소와 같이 밀도가 더 작은 성분은 밀도가 더 큰 성분이 분리 구역을 통해 아래로 이동할 때 응결 재료(128) 상에 응결될 수 있다. 응결 재료상에서 밀도가 더 작은 성분 또는 성분들이 용액으로부터 나올 수 있으며, 추가의 분자 또는 추가의 비말이 응결함에 따라 비말을 형성할 수 있다. 가스 유입구 또는 유입구들(122)로부터의 가스는 응결 재료를 살포하여, 응결 재료로부터 축적된 성분 또는 성분들을 제거하고/제거하거나 응결 패킹(128) 및/또는 분리 구역 내에 또는 응결 패킹 및/또는 분리 구역 상에 존재하는 성분 또는 성분들의 일부 또는 전체와 접촉할 수 있다.
일부 실시예에서, 분리 구역 내의 유체 혼합물의 밀도가 더 큰 성분이 풍부한 유체는, 구심력 및/또는 원심력의 작용으로 인해 밀도가 더 작은 성분이 테이퍼 벽(112) 쪽으로 이동하고 밀도가 더 큰 유체 성분이 용기의 측벽(102)을 향해 이동할 때, 밀도가 더 큰 성분으로부터 밀도가 더 작은 성분을 추가로 분리시키는 회전 속도를 갖는다.
유체 혼합물의 밀도가 더 작은 성분 또는 성분들은 분리 구역을 통해 상부로 부양함에 따라, 상부 내부 벽(118)에 도달하고 유체 배출구(120)를 향해 이동할 수 있다. 밀도가 더 작은 성분이 풍부한 유체는 배출구(120)를 통해 분리 구역을 빠져나가고 용기의 측벽(102), 용기의 상부벽(104) 및 상부 내부 벽(118)에 의해 형성되는 영역(150)으로 들어갈 수 있다. 이러한 유체는 그 후 유체 배출구(108)를 통해 연속적으로 또는 간헐적으로 제거될 수 있다. 대안적인 실시예는 도 1, 3 및 도 4에 도시된 헤드-인-헤드 배출구 설계와 다른 유체 배출구 및/또는 유체 성분 분리 시스템을 활용할 수 있다. 예를 들면, 응결된 탄화 수소를 함유하는 유체는 예를 들어 스키머, 흡입 펌프, 사이펀 드레인(siphoned drain), 또는 위어(weir)를 포함하는 임의의 다양한 수단을 사용하여 와류 발생 구역으로부터 제거될 수 있다.
본 발명에 따른 일부 방법에서, 도 1, 3 및 도 4에 도시된 바와 같은 유체 분리 시스템은 와류 발생 구역의 테이퍼 벽(112)의 상부 레벨 아래의 유체 레벨에 대해 작동될 수 있다. 이러한 구성에서, 와류 발생 구역 내에서 회전하는 유체는 구심력 및 원심력으로 인해 오목한 포물선 상부 표면을 형성할 수 있다. 와류 발생 구역의 내부로부터 유체의 제거를 용이하게 하기 위해, 유체의 표면의 상당한 오목화의 형성 또는 깊은 "와류 보울(vortex bowl)"의 형성을 방지하도록, 와류 발생 구역 내의 유체의 표면에서의 회전 속도를 유지하는 것이 바람직할 수 있다. 깊은 "와류 보울"의 형성은 일부 경우에 와류 발생 구역으로의 유체 혼합물 유동 및/또는 벽 테이퍼 각도를 감소시킴으로써 방지될 수 있다. 예를 들면, 2.5 피트의 높이, 27 인치의 베이스 직경, 및 145 갤런/분의 유수의 유입구 유동을 갖는 와류 발생 구역에 대해, "와류 보울"은 와류 발생 구역이 수직 축선으로부터 약 5도보다 더 큰 각도로 테이퍼진 경우에 발달하기 시작할 수 있다.
유체 레벨이 와류 발생 구역의 상부 레벨 위로 상승하지 않는 작동 방법에서, 밀도가 더 작은 성분이 풍부한 유체는 와류 발생 구역의 중심 축선에 근접한 영역으로부터 제거될 수 있으며, 밀도가 더 큰 성분이 풍부한 유체는 와류 발생 구역의 벽에 근접한 영역으로부터 제거될 수 있다. 다수의 장치 및 방법이 활용되어, 예를 들면 와류 발생 구역의 원하는 영역으로 삽입되는 관에 연결된 펌프, 와류 발생 구역의 원하는 영역으로 삽입되는 사이펀 관(siphon tube), 또는 와류 발생 구역 자체의 벽에 장착되는 하나 또는 그보다 많은 유체 배출구를 포함하여, 와류 발생 구역으로부터 유체를 제거시킬 수 있다.
와류 발생 구역으로부터 직접적으로 유체가 제거되는 본 발명에 따른 장치의 실시예가 도 6에 도시된다. 도 6에서, 와류 발생 구역의 테이퍼 벽(112)의 상부 에지에는 와류 발생 구역의 최상부로 연장하는 원뿔대 형의 유체 배출구(138)가 부착된다. 사용시 밀도가 더 작은 성분은 유체 배출구(138)의 내부 공간 내에 모일 수 있으며, 배출구 파이프(140)를 통해 제거될 수 있다. 밀도가 더 큰 성부는 유체 배출구(142)를 통해 와류 발생 구역으로부터 제거될 수 있다. 배출구(138)의 하단부의 폭(D)은 일부 실시예에서 예를 들면 1 내지 2 인치의 직경과 같이 작아 서, 와류 발생 구역의 중심 축선에 근접한 유체만이 들어가도록 할 수 있다. 이로 인해 밀도가 더 작은 성분과 밀도가 더 큰 성분의 분리가 용이해지는데, 이는 와류 발생 구역의 중심 축선에 근접하게 존재하는 밀도가 더 작은 성분이 바람직하게 배출구(138)로 들어갈 것이기 때문이다. 배출구(138)의 깊이(H)는 일부 실시예에서 약 6 내지 7 인치로 비교적 얕을 수도 있다. 이로 인해 와류 발생 구역 내에 충분한 높이가 가능하여 와류 발생 구역 내에서 유체 혼합물이 구성 성분으로 분리될 수 있으며, 또한 배출구(138)의 허용 가능한 깊이가 가능하여 배출구로부터 배출구 파이프(140)가 유체를 산출물로 뽑아낼 수 있다. 원뿔형 유체 배출구(138)는 또한 일부 실시예에서 도 1, 2 또는 도 4에 도시된 바와 같은 용기 내에서 사용되어 분리 구역(116)의 상부로부터 유체를 제거할 수 있다.
다양한 제어 시스템이 용기(100)의 작동을 제어하기 위해 활용될 수 있다. 제어될 수 있는 파라미터는 용기 내로의 유체의 유동, 용기의 임의의 유체 배출구를 통한 유체의 유동, 및 용기 내부 또는 외부로의 가스의 유동을 포함한다. 예를 들면, 제어 시스템은 용기 내의 유체의 레벨을 모니터링하도록 피드백 기구를 포함하고, 미리 결정된 최소 레벨과 최대 레벨 사이에서 유체 레벨을 유지하도록 유체의 투입 및 산출 유동을 조정할 수 있다. 농도 모니터(concentration monitor)는 용기로부터의 유체 산출물 내의 성분의 농도에 대한 피드백을 제공할 수 있으며, 유체의 유속 및/또는 용기 내의 유체의 체류 시간을 특정한 유체 산출물 내의 특정 성분의 원하는 농도를 얻는데 요구되는 바에 따라 조정할 수 있다. 용해 가스 센서는 용기 내의 유체에 존재하는 용해 가스의 레벨을 모니터링하도록 활용될 수 있 으며, 요구되는 바에 따라 용해 가스 부양 펌프로부터 용기로 유체의 유동을 조정하기 위해 피드백을 제공할 수 있다.
본 발명의 하나 또는 그보다 많은 실시예의 시스템 및 제어기는 시스템의 효율을 증가시키도록 복수의 투입에 반응할 수 있는 복수의 작동 모드를 갖는 다용도 유닛을 제공한다.
본 발명의 시스템에 대한 제어기는 도 7에 예시적으로 도시된 바와 같은 하나 또는 그보다 많은 컴퓨터 시스템(600)을 사용하여 실행될 수 있다. 컴퓨터 시스템(600)은, 예를 들면 인텔 PENTIUM® 타입 처리기, 모토롤라 PowerPC® 처리기, 휴렛 패커드 PARISC® 처리기, 썬 UltraSPARC® 처리기, 또는 임의의 다른 유형의 처리기 또는 이들의 조합을 기반으로 하는 것과 같은 범용 컴퓨터일 수 있다. 대안적으로, 컴퓨터 시스템은 특수하게 프로그램된 특수 목적의 하드웨어, 예를 들면 주문형 집적회로(ASIC) 또는 수처리(water treatment) 시스템용 제어기를 포함할 수 있다.
컴퓨터 시스템(600)은 하나 또는 그보다 많은 메모리 장치(604)에 통상적으로 연결되는 하나 또는 그보다 많은 처리기(602)를 포함할 수 있으며, 메모리는 예를 들면 임의의 하나 또는 그보다 많은 디스크 드라이브 메모리, 플래시 메모리 장치, RAM 메모리 장치, 또는 데이터를 저장하기 위한 다른 장치를 포함할 수 있다. 컴퓨터 시스템(600)은 뉴럴 네트워크(neural network)를 포함할 수 있다. 메모리(604)는 통상적으로 컴퓨터 시스템(600)의 작동중에 프로그램 및 데이터를 저장 하기 위해 사용된다. 예를 들면, 메모리(604)는 작동 데이터뿐만 아니라 시간이 지남에 따른 파라미터에 관한 역사적 데이터를 저장하는데 사용될 수 있다. 본 발명이 실시예를 실행하는 프로그램 코드를 포함하는 소프트웨어는 (도 8에 대해 더 논의되는) 컴퓨터 판독 가능 및/또는 기록 가능한 비휘발성 기록 매체 상에 저장될 수 있으며, 그 후 통상적으로 처리기(602)에 의해 실행될 수 있는 메모리(604)로 복사될 수 있다. 이러한 프로그래밍 코드는 복수의 프로그래밍 언어 중 임의의 언어, 예를 들면 자바(Java), 비주얼 베이직(Visual Basic), C, C#, 또는 C++, 포트란(Fortran), 파스칼(Pascal), 에펠(Eiffel), 베이직(Basic), 코볼(COBAL), 또는 임의의 다양한 이들의 조합으로 기록될 수 있다.
컴퓨터 시스템(600)의 구성요소는 하나 또는 그보다 많은 상호연결 기구(606)에 의해 결합될 수 있으며, 상호 연결 기구는 (예를 들면, 동일한 장치 내에 통합되는 구성요소들 사이에) 하나 또는 그보다 많은 버스 및/또는 (예를 들면, 분리된 별도의 장치상에 존재하는 구성요소들 사이에) 네트워크를 포함할 수 있다. 상호 연결 기구는 통상적으로 시스템(600)의 구성요소들 사이에서 통신(예를 들면, 데이터, 명령어)을 주고받을 수 있게 한다.
컴퓨터 시스템(600)은 하나 또는 그보다 많은 출력 장치(610), 예를 들면 인쇄 장치, 디스플레이 스크린, 또는 스피커뿐만 아니라, 하나 또는 그보다 많은 입력 장치(608), 예를 들면 키보드, 마우스, 트랙볼(trackball), 마이크로폰, 터치 스크린, 및 다른 인간-기계 인터페이스 장치를 포함할 수도 있다. 또한, 컴퓨터 시스템(600)은 (시스템(600)의 하나 또는 그보다 많은 구성요소에 의해 형성될 수 있는 네트워크에 대한 대안으로써 또는 추가로) 컴퓨터 시스템(600)을 통신 네트워크에 연결할 수 있는 하나 또는 그보다 많은 인터페이스(미도시)를 포함할 수 있다.
본 발명의 하나 또는 그보다 많은 실시예에 따르면, 하나 또는 그보다 많은 입력 장치(608)는 시스템 및/또는 그 구성요소의 파라미터를 측정하기 위한 센서를 포함할 수 있다. 대안적으로, 센서, 계량 밸브 및/또는 펌프, 또는 이들 모든 구성요소들은 컴퓨터 시스템(600)에 작동적으로 결합되는 통신 네트워크(미도시)에 연결될 수 있다. 임의의 하나 또는 그보다 많은 전술한 구성요소는 하나 또는 그보다 많은 통신 네트워크에 걸쳐서 컴퓨터 시스템(600)과 통신하도록 다른 컴퓨터 시스템 또는 구성요소에 결합될 수 있다. 이러한 구성은 임의의 센서 또는 신호 발생 장치를 컴퓨터 시스템으로부터 상당히 떨어져서 위치되게 하며/위치되게 하거나, 임의의 센서를 임의의 하위 시스템 및/또는 제어기로부터 상당히 떨어져서 위치되게 하지만, 여전히 이들 사이에 데이터를 제공한다. 이러한 통신 기구는 무선 프로토콜을 활용하는 것을 포함하지만 이에 제한되지는 않는 임의의 적합한 기술을 활용함으로써 영향을 받을 수 있다.
도 8에 예시적으로 도시된 바와 같이, 시스템 제어기는 판독 가능 및/또는 기록 가능한 비휘발성 기록 매체(702)와 같은 하나 또는 그보다 많은 컴퓨터 저장 매체를 포함할 수 있으며, 이 기록 매체에는 하나 또는 그보다 많은 처리기(602)에 의해 실행될 프로그램을 형성하는 신호가 저장될 수 있다. 매체(702)는, 예를 들면 디스크 또는 플래시 메모리일 수 있다. 통상적인 작동시, 처리기(602)는 본 발 명의 하나 또는 그보다 많은 실시예를 실행하는 코드와 같은 데이터가 저장 매체(702)로부터 메모리(704)로 읽히게 할 수 있으며, 메모리는 매체(702)보다 하나 또는 그보다 많은 처리기에 의해 정보에 보다 빠르게 접근하도록 한다. 메모리(704)는 동적 램(DRAM) 또는 정적 메모리(SRAM), 또는 처리기(602)로 및 처리기(602)로부터 정보 전달을 용이하게 하는 다른 적합한 장치와 같은 휘발성 램(volatile, random access memory)이다.
본 발명의 다양한 양태가 실행될 수 있는 일 유형의 컴퓨터 시스템의 예로서 컴퓨터 시스템(600)이 도시되지만, 본 발명은 소프트웨어로 또는 예시적으로 도시된 바와 같은 컴퓨터 시스템상에서 실행되는 것에 제한되지 않음이 이해되어야 한다. 뿐만 아니라, 예를 들면 범용 컴퓨터 시스템상에서 실행되기보다는, 제어기 또는 이의 구성요소 또는 일부가 대안적으로 전용 시스템 또는 전용 프로그램 가능한 로직 제어기(PLC), 또는 분배된 제어 시스템으로서 실행될 수 있다. 또한, 본 발명의 하나 또는 그보다 많은 특징 또는 양태는 소프트웨어, 하드웨어, 또는 펌웨어, 또는 이들의 임의의 조합에서 실행될 수 있음이 이해되어야 한다. 예를 들면, 제어기에 의해 실행되는 알고리즘의 하나 또는 그보다 많은 세그먼트는 분리된 컴퓨터에서 실행될 수 있으며, 이들 컴퓨터는 또한 하나 또는 그보다 많은 네트워크를 통해 통신할 수 있다.
예시:
본 발명의 일 양태에 따른 와류 발생 구역을 포함하는 용기의 제거 효율의 테스트가 실행되었다. 도 9를 참조하면, 와류 발생 구역은 수직 축선으로부터 9°의 벽 각도(θ), 27 인치의 베이스 직경(D1), 17.5 인치의 상부 개구 직경(D2) 및 30 인치의 높이(H1)를 갖는다. 용기는 순환 펌프에 의해 공급되는 서로 약 180°간격으로 이격되어 있는 2개의 유체 유입구 및 용해 가스 부양 펌프(DGF 펌프)에 의해 물속에 용해된 공기가 공급되는 서로 약 180°간격으로 이격되어 있는 2개의 가스 유입구를 갖는다. 각각의 유체 유입구는 대안적으로 각각의 가스 유입구로부터 대략 90°이격되었다. 가스 유입구 및 유체 유입구는 모두 용기의 최대폭 횡단면적을 통과하는 평면에 근접하게 위치되었다. 유체 유입구는 수평 축선 위로 1.2°각도를 이룬 반면, 가스 유입구는 대략 수평으로 위치되었다. 모든 유입구는 유수 및/또는 용해 공기를 함유하는 물을 용기내로 유입구들의 유입 지점의 내부 벽에 실질적으로 정접하게 도입하도록 구성되었다.
사용된 용기의 와류 발생 구역의 부피는 51 갤런이었으며, 고형물 수집 구역의 부피는 14 갤런이었다.
와류 발생 구역이 내부에 수용된 외부 용기는, 용기 벽에 수직한 분리 구역으로 연장하며 수평 축선으로부터 45°로 상부로 각을 이루는, 약 180°간격으로 이격되어 있는 2개의 가스 유입구를 포함하였다.
분리될 유수 및 용해 공기를 갖는 물은 다양한 유속으로 용기로 도입되었다. 유수는 와류 발생 구역으로 도입되는 신선한 물에 110 ppm의 37 API 비중도의 원유를 추가함으로써 생산되었다. 순환 펌프로부터의 유수에 대한 유속은 약 50 내지 150 갤런/분으로 변화되었으며, 용해 공기를 갖는 물의 유속은 약 60 내지 95 갤런 /분으로 변화되었다. 유수로부터 오일의 제거 효율이 측정되었다. 유수를 발생시키기 위해 물이 도입되는 오일의 양은 오일 분사 펌프를 사용하여 약 60 내지 약 115 ml/분으로 변화되었으며, 외부 용기에 인접하여 위치되는 시스템의 유입구에서 와류 발생 구역으로 도입되는 오일의 양은 증가된 순환 펌프 유속에 따라 증가되었다. 14개의 데이터 점이 중심 합성 설계 시험 기준(central composite design experiment criteria)에 따라 선택되었다. 결과는 하기의 표 1에 도시되고, 도 10 및 도 11에 도표로 도시된다.
표 1
실행 순서 기포 (GPM) 원심력 (GPM) 합계 (GPM) 순환/DGF 펌프 비율 오일 분사 (ml/분) 유입구에서 합계 오일 용량 (ppm) 배출구에서 합계 오일 용량 (ppm) % 효율
1 76.50 102.00 178.50 1.33 59.92 44 31 29.54
2 76.50 158.57 235.07 2.07 61.43 118 88 25.42
3 95.59 102.00 197.59 1.06 87.71 114 46 59.64
4 76.50 102.00 178.50 1.33 100.74 302 60 80.13
5 76.50 45.43 121.93 0.59 87.71 208 43 79.32
6 76.50 102.00 178.50 1.33 87.71 170 61 64.11
7 57.41 102.00 159.41 1.77 87.71 118 55 53.38
8 90.00 62.00 152.00 0.68 115.51 231 61 73.59
9 63.00 142.00 205.00 2.25 114.00 233 104 55.36
10 76.50 102.00 178.50 1.33 78.33 173 85 50.86
11 76.50 102.00 178.50 1.33 87.71 323 105 67.49
12 76.50 102.00 178.50 1.33 74.69 222 128 42.34
13 63.00 62.00 125.00 0.98 97.10 139 74 46.76
14 90.00 142.00 232.00 1.57 87.71 173 102 41.04
도 10은 중심 합성 설계(CCD) 시험으로부터의 데이터에 맞는 반응 표면 분석(RSM)을 도시한다. 도 10에 맞는 표면의 방정식은:
Y = -76.92 + 2.14*X1 + 1.14*X2 - O.O19*X1*X2 이다.
이 방정식에서, Y는 퍼센트 제거 효율이고, X1은 갤런/분인 DGV 펌프 유속이며, X2는 갤런/분인 순환 펌프 유속이다. 따라서, 도 10은 유수를 도입한 순환 펌 프 및 물속에 용해되는 공기를 도입한 DGF 펌프 모두의 유동에 대응하는 바와 같은 오일 제거 효율의 3차원 표면도이다. 반응 표면 분석(RSM) 도면인 도 10으로부터 볼 수 있는 바와 같이, 오일 제거 효율은 일반적으로 더 높은 DGF 펌프 유입구 속도 및 더 낮은 순환 펌프 유입구 속도에 대해 증가하였다.
특정한 이론에 구속되지 않고, 이들 결과는 오일 제거 효율이 DGF 펌프에 의해 유수로 도입되는 기포의 증가된 양에 대해 증가함을 반영하는 것으로 생각된다. 증가된 양의 기포는 보다 많은 기포가 보다 많은 오일과 접촉하게 하며 보다 효율적으로 이러한 오일을 제거될 용기의 최상부로 오게 한다.
도 11은 유수를 도입한 순환 펌프와 물속에 용해된 공기를 도입한 DGF 펌프 모두의 유동에 대응하는 바와 같은 오일 제거 효율의 윤곽도이다. 이 도면은 "효율 또는 Y-축"과 평행한 선을 따라 상부로부터 본 바와 같은 도 10의 표면도의 2차원 표시이다. 다시, 도면으로부터 볼 수 있는 바와 같이, 오일 제어 효율은 일반적으로 더 높은 DGF 펌프 유입구 비율 및 더 낮은 순환 펌프 유입구 비율에 따라 증가하였다. 그러나 더 높은 순환 펌프 유속, 즉 125 갤런/분 이상에서, 오일 제거 효율은 증가하는 DGF 유속에 따라 하락했다.
도 11에 보이는 바와 같이, 순환 펌프와 DGF 펌프의 결합된 유속이 너무 높아진 경우(도 11의 우측 상부 영역), 오일 제거 효율은 감소했다. 특정한 이론에 구속되지 않고, 이러한 제거 효율의 하락은 용기를 통하는 액체의 너무 높은 유속이 와류 발생 구역 내의 유체의 체류 시간을 감소시키고/감소시키거나, 유수와 기포 사이의 충분한 접촉을 위한 접촉 시간 또는 체류 시간이 충분하지 않은 정도로 기포-오일 비말 접촉 시간을 감소시킬 수 있음을 가리키는 것으로 생각된다.
또한, 도 11에는 50%의 오일 제거 효율에 대응하는 점이 도시되어 있다. 이 점은 도 10의 표면도와 50% 오일 제거 효율에 대응하는 평면의 교차에 의해 결정되었다. 도 11에 도시된 바와 같이, 이 점은 대략 1.33의 순환 펌프 유속 대 DGF 펌프 유속의 비율이 되게 하는 대략 76 GPM의 DGF 펌프 유속 및 대략 101 GPM의 순환 펌프 유속에 대응한다. 순환 펌프 유속 대 DGF 펌프 유속의 낮은 비율을 갖는 도 11 상의 점(즉, 도 11 상의 지정된 점에 대해 아래쪽 및/또는 오른쪽 지점)은 더 높은 오일 제거 효율을 가져왔다. 따라서, 주어진 체류 시간 또는 접촉 시간에서 허용 가능한 최소 작동 효율로서 평균 50%의 제거 효율이 정해진 경우, 도 10 및 도 11의 데이터가 얻어진 바와 같은 장치는 1.33 또는 그보다 낮은 순환 펌프 유속 대 DGF 펌프 유속으로 가동될 수 있다.
본 발명의 실시예에 다른 장치에 대한 순환 펌프 유속 대 DGF 펌프 유속의 바람직한 작동 비율은 전술한 바와 유사하게 결정될 수 있거나 임의의 크기의 모형(prototype) 및 흐름 모델의 동적 유사물에 기초하여 결정될 수 있다.
이렇게 본 발명의 하나 이상의 실시예의 몇몇 양태가 기재되었지만, 당업자가 다양한 대안, 변형 및 개선을 용이하게 생각할 것임이 이해되어야 한다.
예를 들면, 일부 실시예에서 분리 용기는 외부벽(102), 응결 재료(128), 또는 분리 구역(116) 없이 작동될 수 있다. 와류 발생 구역의 벽(102)은 용기의 외부 벽으로서 작용할 수 있다.
대안적 실시예에서, 용기는 외부 벽(102) 및 분리 구역(116)을 포함할 수 있 지만, 작동시 유체 레벨은 와류 발생 구역의 상단부 아래로 유지될 수 있으며, 유체는 와류 발생 구역으로부터 직접적으로 흡인될 수 있다.
이러한 대안, 변형 및 개선은 본 명세서의 일부로 생각되며, 본 발명의 사상 및 범주 이내일 것이다. 따라서, 전술한 상세한 설명 및 도면은 단지 예시일뿐이다.

Claims (65)

  1. 유체 혼합물 분리 장치로서:
    용기;
    상기 용기 내에 위치되는 테이퍼 벽을 갖는 와류 발생 구역;
    상기 와류 발생 구역으로 각도를 이루어 연장하는 유체 유입구로서, 상기 각도는 상기 유체 유입구에 근접하는 상기 와류 발생 구역의 내부 벽 상의 한 지점에서 상기 내부 벽에 정접하는 성분을 갖는 유체 유입구;
    상기 와류 발생 구역으로 연장하는 가스 유입구; 및
    상기 용기에 유체 유동가능하게 연결되는 유체 배출구;를 포함하는
    유체 혼합물 분리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 테이퍼 벽은 상기 와류 발생 구역을 통해 유동하는 유체 혼합물의 회전 속도를 증가시키도록 각도를 포함하는
    유체 혼합물 분리 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 테이퍼 벽은 수직 축선으로부터 0보다 큰 각도 내지 약 14도 범위의 각도를 포함하는
    유체 혼합물 분리 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 테이퍼 벽은 수직 축선으로부터 약 5 내지 약 10도 범위의 각도를 포함하는
    유체 혼합물 분리 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 테이퍼 벽은 수직 축선으로부터 약 9도의 각도를 포함하는
    유체 혼합물 분리 장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 와류 발생 구역은 유체 혼합물을 상부로 지향시키도록 구성되고 배치되는
    유체 혼합물 분리 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 와류 발생 구역은 가스를 상부로 지향시키도록 구성되고 배치되는
    유체 혼합물 분리 장치.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 유체 유입구는 유체 혼합물의 상승류를 일으키도록 제 2 각도로 상기 와류 발생 구역으로 연장하는
    유체 혼합물 분리 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 유체 유입구는 수평면 위로 0보다 큰 각도 내지 약 10도 범위의 제 2 각도로 상기 와류 발생 구역으로 연장하는
    유체 혼합물 분리 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 2 각도는 수평면 위로 0보다 큰 각도 내지 약 5도 범위인
    유체 혼합물 분리 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 각도는 수평면 위로 약 1도인
    유체 혼합물 분리 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체 유입구와 유체 혼합물의 공급원 사이에 위치되는 예비 분리기를 더 포함하는
    유체 혼합물 분리 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 와류 발생 구역은 역전된 원뿔대로서 형성된 벽에 의해 한정되는
    유체 혼합물 분리 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체 배출구는 상기 와류 발생 구역의 중심 영역 위에 위치되는
    유체 혼합물 분리 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 유체 배출구는 헤드-인-헤드 배출구를 더 포함하는
    유체 혼합물 분리 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 와류 발생 구역 아래에 상기 와류 발생 구역과 유체 소통하도록 위치되는 고형물 수집 영역을 더 포함하는
    유체 혼합물 분리 장치.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체 유입구는 최대 횡단면적을 갖는 상기 와류 발생 구역의 영역에 근접하게 위치되는
    유체 혼합물 분리 장치.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 와류 발생 구역과 유체 소통하는 복수의 유체 유입구를 더 포함하는
    유체 혼합물 분리 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 복수의 유체 유입구는 상기 와류 발생 구역의 외주 둘레에 대략 균일하게 이격되어 있는
    유체 혼합물 분리 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 복수의 유체 유입구는 최대 횡단면적을 갖는 상기 와류 발생 구역의 영역에 근접하여 위치되는
    유체 혼합물 분리 장치.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 와류 발생 구역과 유체 소통하는 복수의 가스 유입구를 더 포함하며,
    상기 복수의 가스 유입구 및 복수의 유체 유입구는 와류 발생 유닛의 주위 둘레에 교번적으로 대략 균일하게 이격되어 있는
    유체 혼합물 분리 장치.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 와류 발생 구역과 유체 소통하는 하나 또는 그보다 많은 가스 유입구를 더 포함하는
    유체 혼합물 분리 장치.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 하나 또는 그보다 많은 가스 유입구는 와류 발생 유닛의 주위 둘레에 대략 균일하게 이격되어 있는
    유체 혼합물 분리 장치.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 하나 또는 그보다 많은 가스 유입구는 최대 횡단면적을 갖는 상기 와류 발생 구역의 영역에 근접하게 위치되는
    유체 혼합물 분리 장치.
  25. 제 22 항에 있어서,
    상기 하나 또는 그보다 많은 가스 유입구는 상기 와류 발생 구역으로 연장하는 상기 유체 유입구에 의해 한정되는 수평면 아래에 위치되는
    유체 혼합물 분리 장치.
  26. 제 22 항에 있어서,
    상기 하나 또는 그보다 많은 가스 유입구는 상기 와류 발생 구역으로 연장하는 유체 유입구에 의해 한정되는 수평면 위에 위치되는
    유체 혼합물 분리 장치.
  27. 유체 혼합물 분리 장치로서,
    용기;
    상기 용기 내에 위치되는 테이퍼 벽을 갖는 와류 발생 구역;
    상기 와류 발생 구역과 유체 소통하며, 상기 용기 내에 및 상기 와류 발생 구역 외부에 위치되는 분리 구역;
    상기 와류 발생 구역과 유체 소통하는 가스 유입구; 및
    상기 분리 구역과 유체 소통하는 유체 배출구;를 포함하는
    유체 혼합물 분리 장치.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 유체 배출구 아래에 위치되는 제 2 유체 배출구를 더 포함하는
    유체 혼합물 분리 장치.
  29. 제 27 항에 있어서,
    상기 분리 구역과 유체 소통하는 복수의 가스 유입구를 더 포함하는
    유체 혼합물 분리 장치.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 복수의 가스 유입구는 상기 용기의 주위 둘레에 대략 균일하게 이격되어 있는
    유체 혼합물 분리 장치.
  31. 제 27 항에 있어서,
    상기 와류 발생 구역과 유체 소통하는 복수의 가스 유입구를 더 포함하는
    유체 혼합물 분리 장치.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 복수의 가스 유입구는 상기 와류 발생 구역의 주위 둘레에 대략 균일하게 이격되어 있는
    유체 혼합물 분리 장치.
  33. 제 32 항에 있어서,
    상기 복수의 가스 유입구는 최대 횡단면적을 갖는 상기 와류 발생 구역의 영역에 근접하게 위치되는
    유체 혼합물 분리 장치.
  34. 제 29 항에 있어서,
    상기 분리 구역에서 상기 복수의 가스 유입구 중 하나 이상의 위에 위치되는 응결 재료를 더 포함하는
    유체 혼합물 분리 장치.
  35. 제 34 항에 있어서,
    상기 응결 재료는 상기 와류 발생 구역의 외주를 실질적으로 둘러싸는
    유체 혼합물 분리 장치.
  36. 제 34 항에 있어서,
    상기 와류 발생 구역은 역전된 원뿔대로서 형성된 벽에 의해 한정되는
    유체 혼합물 분리 장치.
  37. 제 36 항에 있어서,
    상기 와류 발생 구역과 유체 소통하며, 최대 횡단면적을 갖는 상기 와류 발생 구역의 영역에 근접하게 위치되는 유체 유입구를 더 포함하는
    유체 혼합물 분리 장치.
  38. 제 37 항에 있어서,
    상기 유체 배출구는 실질적으로 상기 와류 발생 구역 위에 위치되는
    유체 혼합물 분리 장치.
  39. 제 38 항에 있어서,
    상기 와류 발생 구역의 주위 둘레에 대략 균일하게 이격되어 있는 복수의 유체 유입구를 더 포함하는
    유체 혼합물 분리 장치.
  40. 제 39 항에 있어서,
    상기 복수의 유체 유입구는 최대 횡단면적을 갖는 상기 와류 발생 구역의 영역에 근접하게 위치되는
    유체 혼합물 분리 장치.
  41. 제 40 항에 있어서,
    상기 복수의 유체 유입구 중 하나 이상은 상기 와류 발생 구역으로 각도를 이루어 연장하며, 상기 각도는 상기 유체 유입구에 근접하는 상기 와류 발생 구역의 내부 벽 상의 한 지점에서 상기 내부 벽에 정접하는 성분을 갖는
    유체 혼합물 분리 장치.
  42. 제 41 항에 있어서,
    상기 복수의 가스 유입구 및 상기 복수의 유체 유입구는 상기 와류 발생 구역의 주위 둘레에 대략 균일하게 이격되어 있는
    유체 혼합물 분리 장치.
  43. 제 42 항에 있어서,
    상기 복수의 가스 유입구 중 하나 이상과 유체 소통하는 기포 발생기를 더 포함하는
    유체 혼합물 분리 장치.
  44. 제 43 항에 있어서,
    상기 기포 발생기는 용해 가스 부양 펌프를 포함하는
    유체 혼합물 분리 장치.
  45. 제 44 항에 있어서,
    상기 복수의 유체 유입구 중 하나 이상은 상기 와류 발생 구역 내에 위치되며 수평면 위로 각도를 이루는
    유체 혼합물 분리 장치.
  46. 제 45 항에 있어서,
    상기 유체 배출구는 헤드-인-헤드 배출구를 포함하는
    유체 혼합물 분리 장치.
  47. 제 27 항에 있어서,
    하나 이상의 추가 유체 분리 용기를 더 포함하는
    유체 혼합물 분리 장치.
  48. 제 47 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 추가 유체 분리 용기는 하이드로 사이클론인
    유체 혼합물 분리 장치.
  49. 제 27 항에 있어서,
    용액 내의 용해 가스의 레벨에 따라 상기 가스 유입구와 유체 소통하는 기포 발생기로부터의 가스 유동을 조정하도록 형성되고 배치되는 피드백 하위 시스템(feedback subsystem)을 더 포함하는
    유체 혼합물 분리 장치.
  50. 제 27 항에 있어서,
    상기 기포 발생기의 가스 유입구에 유체 유동가능하게 연결되는 가스 공급원을 더 포함하며, 상기 가스 공급원은 메탄, 아세틸렌 및 천연 가스 중 하나 이상을 포함하는
    유체 혼합물 분리 장치.
  51. 제 50 항에 있어서,
    상기 용기의 내부 영역과 유체 소통하는 가스 회수 하위 시스템(gas recovery sub-system)을 더 포함하는
    유체 혼합물 분리 장치.
  52. 유체 혼합물 분리 방법으로서,
    제 1 성분 및 제 2 성분을 포함하며 상기 제 1 성분이 상기 제 2 성분의 밀도와 상이한 밀도를 갖는 유체 혼합물을 제공하는 단계;
    용기 내에 위치된 테이퍼 벽을 포함하는 와류 발생 구역으로 상기 유체 혼합물을 도입하는 단계;
    상기 와류 발생 구역 내에 상기 유체 혼합물의 상승류를 일으키는 단계;
    상기 와류 발생 구역 내의 상기 제 1 성분 및 상기 제 2 성분에 제한된 회전 모멘텀을 가하는 단계;
    상기 와류 발생 구역 내의 상기 유체 혼합물로 가스를 도입하는 단계;
    상기 제 1 성분이 풍부한 상기 유체 혼합물을 포함하는 제 1 구역 및 상기 제 2 성분이 풍부한 상기 유체 혼합물을 포함하는 제 2 구역을 형성하도록 상기 유체 혼합물의 제한된 회전 모멘텀을 해제하는 단계; 및
    상기 용기의 제 1 유체 배출구로부터 상기 제 1 성분이 풍부한 상기 유체 혼합물의 적어도 일부를 방출하는 단계;를 포함하는
    유체 혼합물 분리 방법.
  53. 제 52 항에 있어서,
    상기 제 1 성분은 상기 제 2 성분보다 더 큰 밀도를 갖는
    유체 혼합물 분리 방법.
  54. 제 53 항에 있어서,
    상기 제 1 성분은 물을 포함하고, 상기 제 2 성분은 탄화 수소를 포함하는
    유체 혼합물 분리 방법.
  55. 제 52 항에 있어서,
    상기 유체 혼합물로 가스를 도입하는 단계는 상기 유체 혼합물로 용해 가스를 포함하는 유체를 도입하는 단계를 포함하는
    유체 혼합물 분리 방법.
  56. 제 55 항에 있어서,
    상기 유체 혼합물로 용해 가스를 포함하는 유체를 도입하는 단계는 상기 와류 발생 구역 내의 복수의 지점에 용해 가스를 포함하는 유체를 도입하는 단계를 포함하는
    유체 혼합물 분리 방법.
  57. 제 52 항에 있어서,
    상기 와류 발생 구역으로 상기 유체 혼합물을 도입하는 단계는 상기 유체 유입구에 근접하는 상기 와류 발생 구역의 내부 벽에 정접하는 방향으로 하나 이상의 유체 유입구를 통하여 상기 유체 혼합물을 도입하는 단계를 포함하는
    유체 혼합물 분리 방법.
  58. 제 52 항에 있어서,
    상기 와류 발생 구역으로 상기 유체 혼합물을 도입하는 단계는 상부로 각이 진 방향으로 하나 이상의 유체 유입구를 통하여 상기 유체 혼합물을 도입하는 단계를 포함하는
    유체 혼합물 분리 방법.
  59. 제 52 항에 있어서,
    상기 와류 발생 구역의 외부의 분리 구역 내에 위치된 응결 재료를 가스로 살포하는 단계를 더 포함하는
    유체 혼합물 분리 방법.
  60. 제 52 항에 있어서,
    상기 와류 발생 구역 외부의 분리 구역 내의 난류를 감소시키는 단계를 더 포함하는
    유체 혼합물 분리 방법.
  61. 제 60 항에 있어서,
    상기 분리 구역 내의 난류를 감소시키는 단계는 상기 와류 발생 구역 외부의 분리 구역 내에 응결 패킹을 제공하는 단계를 포함하는
    유체 혼합물 분리 방법.
  62. 제 52 항에 있어서,
    상기 유체 혼합물을 상기 와류 발생 구역을 통해 상부로 유동시키면서 상기 와류 발생 구역 내의 상기 유체 혼합물의 원심 유동(cyclonic flow)의 속도를 증가시키는 단계를 더 포함하는
    유체 혼합물 분리 방법.
  63. 제 52 항에 있어서,
    상기 와류 발생 구역으로 상기 유체 혼합물을 도입하는 단계는 상기 와류 발생 구역 내의 복수의 지점에 상기 유체 혼합물을 도입하는 단계를 포함하는
    유체 혼합물 분리 방법.
  64. 제 52 항에 있어서,
    상기 용기 내의 상기 유체 혼합물의 레벨을 미리 결정된 최대 및 최소 레벨 사이에서 유지하는 단계를 더 포함하는
    유체 혼합물 분리 방법.
  65. 유체 혼합물 분리 방법으로서,
    제 1 성분 및 제 2 성분을 포함하며 상기 제 1 성분이 상기 제 2 성분의 밀도와 상이한 밀도를 갖는 유체 혼합물을 제공하는 단계;
    용기 내에 위치되는 테이퍼 벽을 포함하는 와류 발생 구역으로 상기 유체 혼합물을 도입하는 단계;
    상기 와류 발생 구역 내에서 상기 유체 혼합물의 상승류를 일으키는 단계;
    상기 와류 발생 구역 내의 상기 제 1 성분 및 상기 제 2 성분에 제한된 회전 모멘텀을 가하는 단계;
    상기 와류 발생 구역 내의 상기 유체 혼합물로 가스를 도입하는 단계; 및
    상기 용기의 제 1 유체 배출구로부터 상기 제 1 성분이 풍부한 상기 유체 혼합물의 적어도 일부를 회수하는 단계;를 포함하는
    유체 혼합물 분리 방법.
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