Brevet FR2663947A1 — publié le 19920103

Coalesceur électrostatique pour la déshydratation du pétrole brut. L'effluent recueilli à la sortie d'un puits de pétrole est généralement constitué d'un mélange triphasique de gaz, d'huile et d'eau. Il contient parfois aussi des particules solides en suspension, telles que sable, argile à l'état colloïdal, produits de corrosion, produits paraffiniques ou asphaltiques précipités, etc... En tête de puits, cet effluent traverse une duse qui permet de contrôler le débit, mais qui, simultanément, crée une turbulence génératrice d'émulsions fines. L'effluent est séparé ensuite en ses trois phases. La plus grosse partie de 11 eau associée au brut est sous forme libre et décante dans des séparateurs. Le brut qui sort de ces derniers contient de 3 à 10% d'eau sous forme d'émulsion d'eau dans llhuile. Il est nécessaire de faire subir à ce brut un traitement de déshydratation complémentaire pour ramener la teneur en eau à une valeur conforme aux spécifications commerciales du brut et pouvant atteindre 0,1 à 0,3% en volume du brut. Les technologies classiques utilisées pour déshydrater un brut font appel à l'injection dans celui-ci d'un désémulsifiant et à l'utilisation d'un procédé de lavage du brut à liteau froide ou à l'eau chaude, suivi d'une décantation. Toutefois, ce dernier procédé ne convient pas lorsqu'il ## agit de traiter des émulsions très fines sur des plates-formes en mer, par suite du temps de résidence très long nécessaire à ce type d'équipement. Pour les champs pétroliers en mer, il est donc souhaitable de disposer d'équipements de déshydratation les plus compacts et les plus légers possibles. Outre les déshydrateurs classiques fonctionnant par gravité, longtemps utilisés dans le passé, les constructeurs ont développé un nouveau type d'appareil appelé déshydrateur électrostatique dans lequel on fait passer le brut à travers un champ électrique intense. Sous l'action du champ, les gouttelettes d'eau eu se chargent d'électricité, # , s ' s'attirent et coalescent. En s'unissant, elles forment des gouttes plus lourdes qui se séparent plus rapidement par gravité. Un exemple de déshydrateur électrostatique connu et utilisé dans l'industrie comprend une cuve cylindrique d'axe horizontal emplie de pétrole brut, et contenant une électrode plane horizontale. La cuve est reliée à la masse et l'électrode à la borne positive d'une source de haute tension. On établit un champ électrique de l'ordre de 2 kV/cm entre la paroi de la cuve et l'électrode, ce qui entraîne la coalescence des gouttelettes d'eau, puis leur séparation par décantation gravitaire jusqu'à la couche d'eau située au fond de la cuve. Toutefois, un tel déshydrateur électrostatique requiert un temps de séjour relativement long, de l'ordre de 20 minutes, jusqu'à ce que le brut soit déshydraté à une teneur en eau de 0,1% à 0,3%, ce qui immobilise une grande masse d'équipement pendant ce temps. De plus, des courts-circuits peuvent se produire entre l'électrode et la masse, lors de la formation de grosses gouttes d'eau, ce qui oblige à arrêter le fonctionnement du déshydrateur jusqu'à ce que l'on ait éliminé ces gouttes. Pour diminuer le volume global de l'appareil et donc son poids, on a séparé la fonction coalescence de la fonction déshydratation en étudiant un pilote de coalesceur électrostatique rapide. On a réussi en laboratoire à abaisser le temps de coalescence de gouttes d'eau à environ 5 secondes, grâce à un coalesceur constitué par une cuve cylindrique formant masse, d'axe vertical, dans laquelle est montée une électrode cylindrique coaxiale occupant la presque totalité du volume de la cuve. Pour éviter les courtscircuits, l'électrode est revêtue extérieurement d'un isolant vitrifié ou à base de mica. Mais un tel isolant a une tenue limitée dans le temps du fait qu'il a tendance à se détacher de l'électrode. De plus, en raison du volume important qu'occupe l'électrode dans la cuve, on ne traite dans un tel coalesceur qu'un faible débit de pétrole. La présente invention vise à remédier aux inconvénients de la technique antérieure en proposant un coalesceur électrostatique utilisable notamment dans les exploitations pétrolières en mer, et qui puisse coalescer une émulsion d'eau dans un grand débit de pétrole brut en un temps extrêmement court, de l'ordre de 5 secondes. L'invention a donc pour objet un coalesceur électrostatique, caractérisé en ce qu'il comprend - une cuve parallélépipédique d'axe vertical, reliée à la masse et pourvue à une extrémité d'un premier orifice pour l'entrée d'un mélange pétrole et eau, et d'un second orifice situé à l'autre extrémité de la cuve pour la sortie du pétrole - au moins une électrode plate s'étendant parallèlement à l'axe de la cuve, ladite ou lesdites électrodes étant reliées à la borne positive d'une source de tension par des conducteurs qui traversent la paroi latérale, à travers des manchons isolants garnis de joints d'étanchéité, - au moins deux plaques planes, électriquement isolantes, disposées respectivement de part et d'autre de l'électrode et à égale distance de celle-ci et des parois en regard de la cuve, et - des éléments d'étanchéité en appui contre les deux autres parois de la cuve, et dans lesquels viennent s'encastrer les bords périphériques desdites plaques isolantes. Les plaques isolantes peuvent être constituées par des plaques de verre, ou en matière diélectrique isolante. Ainsi, selon l'invention, les plaques isolantes n'adhèrent pas à l'électrode comme dans les coalesceurs de la technique antérieure. Il n'y a donc plus de problème d'adhérence de l'isolant à l'électrode. Du point de vue électrique, le coalesceur selon l'invention est équivalent à deux condensateurs et deux résistances en série, chaque condensateur étant constitué par l'ensemble de l'électrode d'une paroi de récipient et d'une plaque isolante, et chaque résistance étant celle de la masse du mélange pétrole-eau circulant entre l'électrode et chacune desdites parois. Il en résulte qu'il faut appliquer au coalesceur selon l'invention une tension électrique double de celle qui était appliquée au coalesceur cylindrique décrit précédemment, puisque ce dernier est équivalent à un unique condensateur en série avec une seule résistance.Ceci peut parattre comme étant un inconvénient du coalesceur de l'invention, mais d'un autre côté, on peut faire passer dans le coalesceur un débit de brut double de celui du coalesceur connu, du fait que le brut passe dans tous les intervalles compris entre l'électrode, les parois de la cuve et les plaques isolantes. Cela n'est pas le cas du coalesceur cylindrique dans lequel l'électrode occupe tout le centre de la cuve. De plus, avec le coalesceur selon l'invention, les risques de court-circuit sont pratiquement exclus, puisque l'électrode est électriquement isolée par rapport aux parois du récipient, grâce aux éléments d'étanchéité. Un autre avantage du coalesceur selon l'invention réside dans le fait que les plaques isolantes en verre sont économiques et facilement remplaçables dans le cas où elles se briseraient, alors que dans le coalesceur selon la technique antérieure, la vitrification d'une électrode est une opération qui coûte cher et qui nécessite le démontage de l'électrode. Un mode de réalisation de l'invention sera décrit à présent à titre d'exemple non limitatif en regard du dessin annexé dans lequel La figure 1 est une vue en élévation d'un coalesceur électrostatique selon l'invention La figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'un coalesceur à deux électrodes, selon la ligne Il-Il de la figure 3 ; et La figure 3 est une vue en coupe à plus grande échelle suivant la ligne III-III de la figure 2. La description qui va suivre sera faite dans le cas d'un coalesceur à deux électrodes, mais comme on le verra, le coalesceur peut comprendre une seule électrode ou plus de deux électrodes. Le coalesceur électrostatique 10 est alimenté par un mélange de pétrole et d'eau qui arrive par une canalisation 14 branchée sur un orifice d'entrée 18 situé à la partie supérieure du coalesceur. Une fois la coalescence effectuée, le pétrole et les gouttes coalescées sont évacués, par un orifice de sortie 20 et une canalisation 22 vers un séparateur non représenté, de type gravitaire ou à effet cyclonique ou centrifuge. La référence 28 désigne des conducteurs électriques servant à l'alimentation des électrodes. Comme le montrent les figures 2 et 3, le coalesceur 10 comprend une cuve métallique 38, de forme parallélépipédique allongée et disposée verticalement. La cuve est électriquement reliée à la masse M. Elle est divisée intérieurement par au moins une cloison métallique 40, parallèle à deux parois opposées 42, 44 de la cuve et équidistante de ces dernières. De préférence, la cloison 40 vient de fabrication avec les deux autres parois 46, 48 de la cuve. A l'intérieur de la cuve sont ainsi formés au moins deux canaux 50, 52 de même section, indépendants l'un de l'autre. Dans lesdits canaux sont disposées, respectivement, parallèlement à la cloison 40 et à égale distance de celle-ci et des parois latérales 42, 44, deux électrodes rectangulaires plates 54, 56. Comme le montre la figure 2, ces électrodes sont légèrement plus courtes que la hauteur de la cuve, de sorte que leurs bords supérieur et inférieur sont situés à l'intérieur de la cuve, à faible distance des extrémités de celle-ci. Elles sont moins larges que les canaux et leurs côtés longitudinaux sont encastrés dans des rainures 58 formées dans deux blocs d'étanchéité 60, 62, par exemple en "Téflon", qui sont respectivement en appui contre les parois latérales 46, 48 de la cuve. Les électrodes sont reliées à la borne positive d'une source de tension par l'intermédiaire de conducteurs 64, 66 qui traversent la paroi latérale 46, à travers des manchons isolants 68 garnis de joints d'étanchéité 70 et du conducteur 28. De part et d'autre de chaque électrode sont montées respectivement deux plaques rigides en matière diélectrique isolante 72, 74 et 76, 78, par exemple en verre, disposées parallèlement aux électrodes à égale distance de ces dernières et de la paroi contiguë de la cuve.Ces plaques ont la même hauteur que la cuve, et leurs bords longitudinaux sont encastrés dans des rainures 80 formées dans les blocs d'étanchéité. Il en résulte que les gouttes d'eau qui se forment au cours de la coalescence ne risquent pas de mettre en court-circuit les électrodes avec la cuve. Il n'est pas possible non plus qu'un arc électrique contourne les plaques isolantes, étant donné que les bords de celles-ci sont profondément encastrées dans les rainures 80 des blocs isolants 60, 62. Le coalesceur selon l'invention permet de coalescer en 5 secondes les gouttes d'eau d'un diamètre supérieur à 30 pm. De plus, la coalescence est uniforme sur toute la masse de pétrole traitée, contrairement au coalesceur cylindrique de la technique antérieure dans lequel la coalescence ntest bonne que dans une pellicule de pétrole de faible épaisseur entourant l'électrode. On donnera pour finir un aperçu des performances du coalesceur selon l'invention, obtenues en laboratoire - Champ électrique : 2 à 5 KV/cm. - Fréquence du champ : 50 à 1 000 Hz. - Nombre de Reynolds inférieur à 2 000. - Teneur en eau à l'entrée du coalesceur : 7%. - Tempsde séjour : 3 à 5 s. - Viscosité du brut : 5 à 15 1n1ssX.ss - Permittivité de la solution eau brut : 2 à 3,4. - Conductivité de l'émulsion : 6,7 106 à 2,7 107bl.m. - Pour des tailles de gouttes à l'entrée du coalesceur de diamètre moyen 40 microns, la taille des gouttes à la sortie a un diamètre moyen > 110 microns. A titre indicatif, les dimensions d'un coalesceur industriel capable de traiter 66 m3/h de brut à 7% d'eau sont - Largeur : 350 mm - Profondeur : 200 mm - Hauteur : 2 500 mm. Ce coalesceur devra être raccordé à un transformateur électrique de LOVA. REVENDICATIONS 1. Coalesceur électrostatique pour la déshydratation du pétrole brut, caractérisé en ce qu'il comprend - une cuve parallélépipédique (38) d'axe vertical, reliée à la masse, et pourvue à une extrémité d'un premier orifice (18) pour l'entrée d'un mélange pétrole et eau, et d'un second orifice (20) situé à l'autre extrémité de la cuve pour la sortie du pétrole et des gouttes d'eau coalescées, - - au moins une électrode plate (54, 56) s'étendant parallèlement à l'axe de la cuve, ladite ou lesdites électrodes étant reliées à la borne positive d'une source de tension par des conducteurs (64, 66) qui traversent la paroi latérale (46), à travers des manchons isolants (68) garnis de joints d'étanchéité (70), - au moins deux plaques planes rigides, électriquement isolantes (72, 74 ; 76, 78), disposées respectivement de part et d'autre autre de l'électrode et à égale distance de celle-ci et des parois (40, 42) en regard de la cuve, et - des éléments d'étanchéité (60, 62) en appui contre les deux autres parois (46, 48) de la cuve, et dans lesquels viennent s'encastrer les bords périphériques desdites plaques isolantes. 2. Coalesceur électrostatique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les plaques isolantes (72, 74, 76, 78) sont en verre ou en matériau diélectrique. 3. Coalesceur électrostatique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments d'étanchéité sont constitués par des blocs en "Téflon". 4. Coalesceur électrostatique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les bords longitudinaux de ou des électrodes et des plaques isolantes sont encastrés dans des rainures (58, 80) formées dans les éléments d'étanchéité (60, 62). 5. Coalesceur électrostatique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode ou chaque électrode est plus courte que la hauteur des plaques isolantes, de manière que ses bords supérieur et inférieur soient situés à l'intérieur de la cuve. 6. Coalesceur électrostatique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les plaques isolantes ont la même hauteur que la cuve. 7. Coalesceur électrostatique selon la revendication caractérisé en ce que la cuve est divisée intérieurement par au moins une cloison métallique longitudinale (40) en au moins deux canaux (50, 52) dans chacun desquels sont montés une électrode (54, 56) et deux plaques isolantes (72, 74 ; 76, 78).