Til hovedinnhold

Tradisjonelt brukes gravitasjonsseparasjon uten elektriske felt for olje-vann separasjon. Dette skjer i store tanker med lang oppholdstid for at olje og vann skal skille seg, og at sand skal kunne falle til bunnen. Typiske dimensjoner på slike tanker kan være opptil 30 m i lengde og 5 m i diameter.

Elektriske felt
For å kunne effektivisere prosessen har en introdusert elektriske felt i slike store tanker med sin relativt stagnante emulsjon. Nyere, mer kompakte koalesere baserer seg på kombinasjon av turbulent væskestrøm og elektriske felt. Den turbulente væskestrømmen gir hyppigere dråpekollisjoner og det elektriske feltet gir tiltrekning mellom vanndråper som kommer nær hverandre. De større dråpene bunnfeller raskere enn de små. Dermed kan enten produksjonen i et felt økes eller en kan redusere størrelse på separasjonstankene.

Erfaring viser at teknikken virker, men detaljene i hva som skjer når to dråper koaleserer har tidligere vært ukjent. Det har derfor vært vanskelig å forstå hvordan prosesser og utstyr skulle optimeres med hensyn på turbulensgrad og størrelse og frekvens av elektrisk spenning. Spesielt ettersom råoljer varierer i kvalitet og i sin natur er ugjennomsiktige og skjuler hva som skjer mellom dråper i råoljebaserte emulsjoner.

Høyhastighetskamera ser gjennom råoljer
For å kunne studere de fundamentale effektene ved en slik prosess kreves det høyteknologiske apparater, som for eksempel et høyhastighetskamera som kan gi et bilde av hva som skjer akkurat i det to vanndråper møtes og slår seg sammen (koaleserer), og det i en tungolje som ikke er gjennomsiktig. Vi benytter et NIR (near infrared) kamera som er innkjøpt spesifikt for slike eksperimenter og som kan gi bilder som viser effekter ingen tidligere har kunne studere i en slik detaljgrad. 

Figur 1
Oppsett av eksperimenter med NIR-kamera

Et slikt oppsett krever mye datakraft for å kunne prosessere de bildene som tas. Et typisk bilde fra dette kameraet (se figuren nedenfor) vil vise en vanndråpe som sort, mens det omgivende lyse/grå-hvite mediet vil være tungolje som man ikke kan se gjennom med det blotte øyet.

Slike bilder viser tydelig grenseflater mellom vanndråper og vi kan dermed se hvordan dråpen påvirkes om man setter på elektriske felt. Figuren nedenfor viser hvordan dråpen koaleserer med den større dråpen i bunn i 12 bilder hvor tiden fra første til siste bilde er mindre enn 0,04 sekund; Overflaten på den store underliggende dråpen trekkes opp mot den øverste dråpen og gir kontakt mellom vannfasen i de to dråpene, deretter bevirker overflatespenningen at de raskt trekkes sammen. Dette illustrerer hvor rask prosessen er og hvilke krav som stilles til kameraet og oppsettet. Tidligere er dette blitt studert i transparente modelloljer, noe som egentlig er utilfredsstillende siden problemet i virkeligheten gjelder råoljer generelt og tungoljer mer spesifikt. Disse har imidlertid så langt ”skjult sitt indre liv”.

Figur 2
Bilder av vanndråpe som koaleserer med en større vanndråpe i et vertikalt elektrisk felt

Med slike tydelige bilder forsøker vi nå å sammenligne eksperimentelle resultater utført med tungoljer av ulik kvalitet ved varierende temperatur, med matematiske modellberegninger av tilsvarende effekter. Akkurat som for det eksperimentelle oppsettet, kreves det omfattende grad av detaljer for å kunne modellere effektene vi ser når to dråper koaleserer og hvordan prosessen påvirkes av elektriske krefter og overflateegenskaper i olje-vann emulsjonen.

Beregningsmodell
Det har blitt utviklet en detaljert beregningsmodell som kan regne på en enkelt dråpe og hvordan den påvirkes av et elektrisk felt, som enten er konstant eller som varierer. Selve koalesensprosessen mellom to dråper er også modellert. Utfordrende aspekter ved å sammenligne eksperimenter og beregninger har blitt tydelige i prosjektet, som en følge av at det i seg selv er krevende å kunne se slike effekter man undersøker både eksperimentelt og i beregningsmodellen. Sammenligningen vil påvirkes av usikkerheter i det eksperimentelle oppsettet, det være seg i omgivelsestemperatur som påvirker fluidenes egenskaper eller egenskaper som viskositet og overflateegenskaper i vann/olje blandingen. Modeller som benyttes i beregningsverktøyet vil også til enhver tid ha en viss usikkerhet og begrensning som følge av at det er nettopp modeller som benyttes.

Figur 3
Sammenligning av eksperimenter og modellering av fallende dråpe på vannoverflate, og selve koalesens-prosessen mellom dråpen og vannoverflaten. Figur fra Knut Erik Teigen, NTNU. For øvre del: Gjengitt med tillatelse fra Xiaopeng Chen, Physics of Fluids, 18, 051705 (2006). Copyright 2006, American Institute of Physics

Krever separasjon
Enten det er på den norske kontinentalsokkelen, barsil eller i Saudi-Arabia, vil det som produseres fra oljereservoarene inneholde en blanding av olje, gass, vann og sand. For enkelte tungoljer og også for tjæresandutvinning brukes vanndamp under utvinning for å redusere viskositet, med olje/vannblandinger som resultat. Slike blandinger krever en prosessering før oljen kan selges til en kunde, enten som naturgass til bruk i husholdninger og gasskraftverk eller som olje til produksjon av for eksempel bensin eller diesel.

Det å kunne separere disse fire hovedkomponentene fra hverandre kan gjøres med grunnlag i tetthetsforskjellene for olje, gass, vann og sand:- gass kan separeres lett på grunn av den store tetthetsforskjellen

  • olje og vann har en mindre tetthetsforskjell og vil kreve lengre tid for separasjon
  • sand skilles ut som et bunnfall

Kontakt:

Petter Egil Røkke
Lars Lundgaard

Illustrasjoner:
Svein Magne Hellesø, SINTEF Energiforskning og Knut Erik Teigen, NTNU

 

Fakta:
SINTEF Energiforskning leder et forskningsprosjekt, ” Electrocoalescence – Criteria for an efficient process in real crude oil systems”, hvor det forskes på de fundamentale egenskapene og prosessene omkring koalesens av vanndråper i olje, og hvordan disse påvirkes av elektriske krefter.

Dette innebærer både krevende eksperimenter og detaljert modellering, som gjennomføres hos SINTEF Energiforskning og hos de utøvende forskningspartnerne Ugelstad Lab (NTNU) og G2E lab (CNRS – Frankrike). Den industrielle relevansen i prosjektets arbeid er tydelig gjennom det sterke internasjonale konsortiet i prosjektet, som består av teknologileverandørene Aibel og Aker Kværner Process Systems samt oljeselskapene StatoilHydro, Shell, BP, Petrobras og Saudi Aramco.