Brevet FR2612418A1 — publié le 19880923

La présente invention concerne un procédé pour éliminer les gaz dissous, par exemple l'oxygène, des liquides. Il était connu depuis longtemps que l'eau peut contenir certains gaz à l'état dissous qui peut provoquer des problèmes sévères de corrosion. Par exemple, dans la production des hydro- carbures, il est commun d'injecter de l'eau dans la formation productrice pendant que les hydrocarbures sont soutirés pour maintenir la pression de production dans la formation. Dans les emplacements au large des côtes, l'eau de mer brute est utilisée de manière routinière dans ce but. Il est connu que l'eau de mer contient normalement des gaz dissous, incluant de l'oxygène, qui conduisent à unecorrosion sévère du système d'injection qui, à son tour, peut éventuellement boucher la formation de production elle- même. En conséquence, l'eau de mer brute doit être traitée, c'est- à-dire désaérée, pour éliminer l'oxygène dissous avant que l'eau soit injectée dans la formation. Une grande variété de techniques est connue pour éliminer les gaz corrosifs dissous de l'eau. Par exemple, il y a des systèmes de désaération chimique selon lesquels des agents réducteurs sont combinés avec les gaz corrosifs dissous pour réduire chimiquement lesdits gaz. Toutefois, en raison du grand volume d'eau de mer qui doit être traitée dans une opération d'injection de routine, la logistique et les coûts de ces techniques de désaération chimique les rendent inattrayants pour la plupart des applications au large des côtes. Plusieurs techniques de désaération mécanique ont été proposées comme variantes efficaces de la désaération chimique. Elles incluent l'extraction sous vide, l'extraction thermique, et l'extraction gazeuse, cette dernière étant la plus communément utilisée dans les emplacements au large des c6tes. Dans l'extrac- tion gazeuse, la pression partielle de l'oxygène dissous dans l'eau de mer est réduite par remplacement de l'atmosphère ambiante autour de l'eau par un gaz exempt d'oxygène, par exemple du méthane ou de l'azote, permettant ainsi à l'oxygène de sortir de la solution et d'être transporté ailleurs par le gaz d'extraction. 26 12418 Les systèmes d'extraction gazeuse utilisés avec succès dans les sites au large des côtes requièrent normalement un équipement plus petit et moins coûteux que la désaération thermique ou sous vide. De plus, pour une fourniture facile donnée de gaz d'extrac- tion, le coût de l'opération journalière est inférieure à celui avec d'autres systèmes de désaération connus. Toutefois, dans les systèmes connus de désaération par extraction gazeuse, le gaz d'extraction circule toujours à contre- courant du courant d'eau à traiter. Cet écoulement à contre- courant a lieu normalement à l'intérieur d'une grande colonne qui contient des plateaux, des garnissages, et des pulvérisateurs ce qui, à son tour, augmente substantiellement les coûts de construction et d'installation. Par exemple, une colonne utilisée dans une opération de désaération typique au large des côtes peut atteindre 21 m de hauteur et plus de 4,3 m de diamètre. En raison de la taille et du poids de la colonne requise pour la désaération à écoulement à contre-courant, la colonne est normalement disposée au voisinage du bord extérieur de la plate- forme de production et prend-un espace considérable sur cette plate-forme. En fait, dans un grand nombre de cas, un encagement additionnel est en porte à faux du côté de la plate-forme sur lequel la colonne est installée. De plus, même dans les eaux dormantes ou calmes, une ou plusieurs grues flottantes ayant des flèches atteignant 49 m sont requises pour installer l'une de ces colonnes à son emplacement au large des côtes. Pour une description plus complète et des discussions plus complètes, des colonnes de désaération à contre-courant, voir "pratique recommandée - dessin et opération des colonnes d'extraction pour éliminer l'oxygène de l'eau", NACE Standard RP-02-78, association nationale de l'ingénieur de corrosion, Houston, Texas 1978; "désaération et son adaptation au système d'injection d'eau", l'ingénieur chimiste, novembre 1984, p. 44-48; "systèmes d'injection d'eau de mer des champs Forties", OE-77.1.SPE 2.6677.5, conférence Offshore, Europe 77, Aberdeen, Ecosse, septembre 1977; et "désorption d'oxygène de l'eau utilisant le gaz naturel pour l'extraction à contre-courant"; journal de la technologie du pétrole, mai 1963, p. 51 et suivantes. On peut voir d'après ce qui précède que bien que les systèmes connus de désaération par extraction gazeuse soient généralement plus petits et moins coûteux que d'autres systèmes connus de désaération, ils sont néanmoins encore trop grands et trop coûteux à construire et à assembler dans les sites au large des côtes. La présente invention concerne un procédé d'extraction de gaz à cocourant qui permet de réduire la quantité de gaz dissous, par exemple l'oxygène, dans les liquides, tels que l'eau, à un niveau comparable à celui atteint par les procédés connus d'extraction à contre-courant, mais qui est mis en oeuvre en utilisant un équipement qui est beaucoup plus petit et plus facile à installer. Plus particulièrement, la présente invention réside dans un procédé pour éliminer les gaz dissous dans un liquide, ledit procédé consistant à: faire écouler un courant d'un liquide contenant un gaz dissous à travers un dispositif de mélange statique; à injecter un gaz d'extraction inerte vis-à-vis dudit liquide dans le courant liquide de façon que le gaz d'extraction s'écoule à co-courant avec ce courant de liquide à travers ce dispositif de mélange statique pour réduire la pression partielle dudit gaz dissous permettant ainsi à au moins une portion de ce gaz dissous d'être libérée de la solution; à faire passer ce liquide dudit dispositif de mélange statique dans une cuve de séparation; à laisser ce liquide au repos dans la cuve de séparation pour permettre aux gaz de se séparer du Liquide; et à enlever ces gaz et ce liquide de cette cuve par les ouvertures de sortie séparées. Selon une modification de la présente invention, une seconde étape est ajoutée pour réduire davantage la quantité d'oxygène dissous dans l'eau. Ceci consiste à connecter un second dispositif de mélange statique et une seconde cuve de séparation avec l'ouverture de sortie d'eau de la première cuve de séparation. 2 612418 Dans le présent procédé à co-courant, un mélangeur statique relativement petit et une cuve de séparation remplacent la grosse colonne d'extraction des procédés antérieurs à contre- courant. Le mélangeur statique et la cuve de séparation de la présente invention sont plus faciles et beaucoup moins coûteux à construire et à installer que les colonnes de l'art antérieur. L'invention sera maintenant décrite plus particulière- ment en référence aux dessins ci-joints, sur lesquels: La figure 1 est une vue schématique d'un système de désaération typique de l'art antérieur qui utilise un gaz d'extrac- tion qui s'écoule à contre-courant du courant d'eau à traiter; La figure 2 est une vue schématique du système de désaération à écoulement à cocourant selon la présente invention; et La figure 3 est une vue latérale d'une modification du système de la figure 2. Si l'on se réfère à la figure 1, dans le système de désaération de l'art antérieur montré, L'eau contenant un gaz corrosif, par exemple L'oxygène, s'écoule dans une colonne à contre-courant 10 par une entrée d'eau 11 et s'écoule vers le bas à travers des plateaux, des garnissages et/ou des pulvérisa- teurs 12 dans la colonne 10. Un gaz d'extraction, inerte vis-à- vis de l'eau, exempt d'oxygène, par exemple du gaz naturel ou de l'azote, est alimenté par une entrée de gaz 13 et s'écoule vers le haut à travers La colonne 10 à contre-courant vis-à-vis du courant d'eau s'écoulant vers Le bas. Comme il est bien connu dans l'art, le gaz d'extraction réduit la pression partielle de l'oxygène dans l'eau permettant ainsi à une portion appréciable du gaz dissous de sortir de la solution et d'être transportée par Le gaz d'extraction depuis la colonne 10 à travers une sortie de gaz 14. L'eau dont La plus grande quantité de gaz dissous est maintenant éliminée s'écoule de La colonne 10 à travers la sortie d'eau 15. Un agent d'épuration de l'oxygène, par exemple du bisulfite d'ammonium non catalysé, est ajouté à l'eau traitée dans la colonne 10 par l'entrée 16 pour réduire davantage l'oxygène dissous dans l'eau. Le procédé de la figure 1 est bien connu et pour une description plus détaillée d'une colonne à contre-courant typique 10, voir "désaération et son adaptation au système d'injection d'eau", Mangnall, l'ingénieur chimiste, novembre 1984, p. 44 et suivantes. Si l'on se réfère maintenant à la figure 2, le système de désaération à écoulement à co-courant 20 de ta présente inven- tion est illustré comme il devrait être utilisé pour désaérer l'eau de mer à un emplacement au large des c6tes. Une pompe élévatoire 21 est submergée dans un volume d'eau 22 à une profon- deur, par exemple de 21 m ou plus, au-dessous de laquelle les solides et les matières animales, par exemple le plancton, sont normalement présents en quantité substantielle. L'eau de mer brute est refoulée par la pompe 21 à travers la conduite 23 et est chlorée pour inhiber les bactéries, etc., par injection d'un produit chimique de chloration, ou par passage de l'eau à travers un dispositif éLectrochimique de chloration 24. L'eau chlorée est ensuite envoyée à travers un ou plusieurs filtres 25 pour réduire les solides contenus dans l'eau. L'eau filtrée passe ensuite à travers des dispositifs de mélange statique 26 comprenant une enveloppe allongée contenant un matériau qui fournit un trajet tortueux à l'eau qui s'y écoule pour produire un écoulement turbulent à l'intérieur du dispositif 26. Le matériau de mélange statique peut être un garnissage perméable, un matériau granulaire, ou analogue, mais comprend de préférence une ou plusieurs sections d'un élément de mélange statique disponible dans le commerce qui sont assemblées par empilement et fixation des plaques ondulées ensemble pour former des canaux d'intersection ouverts; par exemple, l'élément de mélange statique modèle SMV, vendu dans le commerce par la firme Sulzer Brothers Limited, Winterhur, Suisse peut convenir. Un gaz d'extraction, inerte vis-à-vis de l'eau, exempt d'oxygène, par exemple du gaz naturel (principalement du méthane) ou de l'azote, est injecté à travers la conduite d'entrée de gaz 27 dans le courant d'eau dans la conduite 23 juste en amont du matériau de mélange statique dans l'enveloppe 26. Comme l'eau et le gaz s'écoulent à co-courant à travers le circuit tortueux dans le dispositif de méLange statique 26, le gaz d'extraction remplace l'atmosphère entourant l'eau réduisant ainsi la pression partielle de l'oxygène dissous dans l'eau. Ceci permet à l'oxygène dissous de se dégager de la solution. L'eau, le gaz d'extraction et l'oxygène libre s'écoulent ensuite du dispositif de mélange statique 26 vers la cuve de séparation 30 par l'entrée d'eau et de gaz 29. Le gaz d'extraction et l'oxygène libre se séparent par gravité seule de l'eau dans la cuve 30 et sont mis à l'atmos- phère par la sortie de gaz 31. Si du gaz naturel est utilisé comme gaz d'extraction, le gaz dégagé peut être utilisé comme gaz combus- tible à bord de la plate-forme au large des côtes ou pour une utilisation similaire qui s'ajoute à l'efficacité du procédé de désaération. Un agent chimique d'épuration d'oxygène, par exemple du bisulfite d'ammonium, est ajouté à l'eau dans la cuve 30 par la conduite 32 pour réduire davantage la quantité d'oxygène dissous dans l'eau avant que cette eau s'écoule par la sortie 33 vers la pompe à injection 34 qui, à son tour, pompe l'eau de mer désaérée dans une formation de production pour y maintenir la pression. Pour mieux apprécier les avantages que le présent procédé de désaération à co-courant fournis par rapport au procédé connu à contre-courant de l'art antérieur, un exemple bref sera mainte- nant décrit pour comparer la taille de l'équipement nécessaire pour traiter 15 000 barils d'eau de mer par jour contenant 8-10 parties par million (ppm) d'oxygène dissous. Dans le procédé d'écoulement à contre-courant de l'art antérieur de la figure 1, la colonne 10 doit avoir une hauteur approximative de 18 m et un diamètre de 1,2 m et doit inclure plusieurs plateaux d'écoulement du bord au centre et du centre au bord. La colonne doit être construite en acier au carbone avec une chemise résistant à la corrosion. Dans le présent procédé de la figure 2, le dispositif de mélange statique 26 a une enveloppe ayant une longueur de 2,6 m seulement et un diamètre extérieur de 15 cm seulement et est rempli d'éléments de mélange statique disponibles dans le commerce comme décrit précédemment. Du gaz d'extraction, par exemple du gaz naturel, s'écoule à co-courant avec l'eau de mer à un taux de 0,7 Nm3/m3 d'eau de mer. La cuve de séparation 30 a une hauteur de 4,6 m et un diamètre de 1,8 m. La cuve 30 remplit trois fonctions: permettre la séparation du gaz d'extraction et de l'oxygène libre de l'eau; permettre un séjour de 5 min pour la réaction chimique entre l'oxygène dissous restant dans l'eau et l'agent d'épuration d'oxygène; et s'assurer qu'une quantité suffisante d'eau est toujours disponible pour la pompe à injec- tion 34. En raison de la nature de ces fonctions, la cuve 30 est faite en fibres de verre ou en un matériau équivalent qui réduit substantiellement le coût comparé à une colonne à contre-courant en acier au carbone 10. L'autre équipement associé, par exemple les pompes, les filtres, etc., est identique pour les deux procédés. La teneur en oxygène dissous finale de l'eau après la désaération initiale par la présente désaération à cocourant est légèrement supérieure à celle de l'eau désaérée dans la colonne 10, par exemple 1 000 comparé à 50 parties par billion (ppb). Toutefois, en augmentant légèrement l'agent d'épuration d'oxygène dans le présent procédé de désaération à co-courant, la teneur finale en oxygène dissous de l'eau désaérée sera sensiblement égale à celle du procédé de l'art antérieur. Les économies substantielles dans la construc- tion et dans le coût de l'installation réalisées grâce à la présente invention compensent largement toute légère augmentation du coût de l'opération qui pourrait se produire en raison de l'emploi des produits chimiques additionnels. La figure 3 illustre une modification du procédé de la figure 2 qui inclut un second étage de désaération à co-courant qui est utilisé lorsque l'oxygène dissous de l'eau sortant par la sortie 33 de la cuve 30 demeure trop élevé. Dans la figure 3, l'eau provenant de la cuve 30 s'écoule à travers un second dispo- sitif de mélange statique 26a qui a la même construction que le dispositif de mélange statique 26. Du gaz d'extraction est injecté dans l'eau juste en amont du dispositif 26a. De nouveau, le gaz d'extraction s'écoule à co-courant avec l'eau à travers le dispositif de mélange statique 26a et les deux s'écoulent dans la seconde cuve de séparation 30a o ils se séparent. Le gaz et l'oxygène libre s'écoulent de la cuve 30a par la sortie 31a. L'agent addi- tionnel d'épuration d'oxygène peut être ajouté par la conduite 32a si on le désire. L'eau désaérée s'écoule de la cuve 30a par la sortie 33b vers la pompe à injection 34 (figure 2). On peut voir d'après la description précédente que la présente invention fournit un procédé de désaération par extrac- tion de gaz efficace pour l'eau qui requiert un équipement beaucoup plus petit et moins coûteux que les procédés de désaération par extraction gazeuse de l'art antérieur. L'équipement requiert moins d'espace et est beaucoup plus facile à installer, spécialement à un emplacement au large des c8tes. Bien que la présente invention ait été décrite telle qu'elle est utilisée pour désaérer l'eau de mer brute à un emplacement au large des c6tes, on doit reconnaître que la méthode de désaération à écoulement à co-courant de la présente invention peut être utilisée également aussi bien dans l'extrac- tion des gaz ou d'autres substances volatiles dissoutes d'autres courants d'eau, par exemple le traitement d'injection d'eau dans les sites à terre, letraitement des eaux résiduaires avant l'éli- mination, le traitement des eaux pour la restauration aquifère, le traitement des eaux de refroidissement, etc., pour les opéra- tions de raffinage et analogues et le traitement des eaux acides pour l'élimination de l'acide sulfhydrique, du bioxyde de carbone, etc., pour les champs pétrolifères, les raffineries et les opéra- tions analogues. 261241Q REVENDICATIONS 1. Un procédé pour éLiminer les gaz dissous dans un liquide, ledit procédé consistant: à faire écouler un courant d'un liquide contenant un gaz dissous à travers un dispositif de mélange statique; à injecter un gaz d'extraction inerte vis-à-vis dudit liquide dans ce courant de liquide de façon que ledit gaz d'extrac- tion s'écoule à co-courant avec ledit courant de liquide à travers ledit dispositif de méLange statique pour réduire la pression partielle du gaz dissous permettant ainsi à au moins une portion du gaz dissous d'être libérée de la solution; à faire passer ledit liquide de ce dispositif de mélange statique dans une cuve de séparation; à laisser ce liquide au repos dans la cuve de séparation pour permettre aux gaz de se séparer du liquide; et à enlever ces gaz et ce liquide de cette cuve par des sorties séparées. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le liquide est de l'eau. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le gaz dissous est de l'oxygène. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le gaz d'extraction est du gaz naturel ou de l'azote. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que un agent d'épuration d'oxygène est ajouté à cette eau pendant qu'elle est au repos dans la cuve de séparation. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il inclut d'autres étapes consistant: à faire écouler ledit Liquide de cette cuve de sépara- tion à travers un second dispositif de mélange statique; à injecter du gaz d'extraction inerte vis-à-vis dudit liquide dans ce liquide de la cuve de séparation de façon que le gaz d'extraction s'écoule à co-courant avec ledit liquide à travers ce second dispositif de séparation statique pour réduire la pression partielle dudit gaz dissous restant dans cette eau permettant ainsi à au moins une portion de ce gaz dissous d'être libérée de la solution; à faire passer ce liquide dudit second dispositif de mélange statique dans une seconde cuve de séparation; à laisser ce liquide au repos dans cette seconde cuve de séparation pour permettre à ces gaz de se séparer dudit liquide; et à enlever ces gaz et ce liquide de cette seconde cuve par des sorties séparées.