Brevet FR2855078A1 — publié le 20041126

La présente invention concerne le domaine des traitements d'effluents émulsionnés, notamment les effluents pétroliers provenant de puits de 5 production. Les émulsions concernées sont celles dont la phase dispersée est électriquement conductrice contrairement à la phase continue, par exemple de l'eau dispersée dans une phase organique, telle que de l'huile. Il est important de séparer l'eau de l'effluent produit pour augmenter la qualité, donc la valeur marchande, de l'effluent et pour limiter la taille des 10 équipements de traitement et de transport. Après le passage de l'effluent émulsionné dans des séparateurs eau/huile conventionnels, celui-ci contient encore de l'ordre de 1 à 5% d'eau émulsionnée dans l'huile. La présente invention a pour objectif de diminuer ces quantités résiduelles d'eau et de sels afin de répondre aux spécifications techniques des procédés en aval. On connaît le document US-5647981 qui décrit un dispositif qui combine le principe d'un l'électro-coalesceur avec de la centrifugation. Les émulsions eau dans l'huile peuvent être " cassées " par coalescence des gouttes d'eau grâce à l'action d'un champ électrique. Cependant, dans le but d'augmenter l'efficacité de ces séparateurs électrostatiques, on tente 20 d'augmenter le potentiel électrique entre les électrodes avec le risque réel de voir apparaître les phénomènes de claquage entre électrodes. D'autre part, compte tenu du temps de résidence nécessaire entre les électrodes, le débit d'effluent pouvant être traité est faible, à moins d'une installation démesurée en taille. Le document FR 2 824 489 divulgue une combinaison entre un électrocoalesceur de forme déterminée et des moyens de centrifugation et de séparation spécifiques audit coalesceur. La présente invention propose de perfectionner les moyens de séparation décrits par le document FR 2 824 489. Ainsi, la présente invention concerne un dispositif de séparation d'un 10 effluent comportant des phases de densité et de conductivité différentes. Le dispositif compore un couple d'électrodes des moyens d'introduction de l'effluent entre lesdites électrodes, un canal hélicoïdal dans lequel ledit effluent est centrifugé, après passage entre lesdites électrodes, de sorte que les phases soit séparées, et des moyens d'évacuations des phases séparées. Les moyens 15 d'évacuations comporte une ouverture s'étendant sur la périphérie dudit effluent centrifugé pour évacuer une partie de l'effluent centrifugé. Le dispositif est caractérisé en ce que les moyens d'évacuations comportent en outre des moyens d'obturation pour limiter l'évacuation de la phase la moins dense à travers ladite ouverture. Les moyens d'obturation peuvent comporter un cache obturant ladite ouverture et laissant subsister un orifice, de sorte que la phase la plus dense répartie dans la partie inférieure dudit canal soit évacuée à travers ledit orifice et de sorte que la phase la moins dense répartie dans la partie supérieure dudit canal soit maintenue à l'intérieur des moyens d'évacuation par ledit cache. Les moyens d'obturation peuvent comporter une surface convergeant vers l'intérieur des moyens d'évacuation, de sorte qu'une partie de l'effluent 5 évacué par ladite ouverture est recueillie par ladite surface puis introduite à l'intérieur des moyens d'évacuation. Cette surface peut être tronconique. L'orifice peut s'étendre sur une portion angulaire comprise entre 20 et 180 . Le canal hélicoïdal peut être constitué par au moins une paroi en hélice 10 placée dans un espace annulaire. L'extrémité de la paroi en hélice coïncide avec un bord de l'orifice. L'orifice peut également s'étendre de part et d'autre de l'extrémité de ladite paroi en hélice. La paroi hélicoïdale est en contact avec le tube interne mais peut ménager un jeu avec la paroi du tube externe. Le canal hélicoïdal peut être constitué par un tube en hélice. Les électrodes peuvent être en forme de cylindres disposés selon le même axe. La section de passage dudit canal hélicoïdal peut être déterminée pour que la vitesse de l'effluent augmente par rapport à la vitesse de l'effluent au 20 niveau desdites électrodes. Selon l'invention, la phase la moins dense peut être évacuée par un conduit axial. Selon l'invention, les moyens d'évacuation peuvent comporter un cyclone et un orifice axial pour l'évacuation d'au moins une partie de la phase centrifugée. La présente invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, nullement limitatif, illustré par les figures ci-annexées, parmi lesquelles: - la figure 1 montre schématiquement le principe de l'invention, 10 - la figure 2 schématise la sortie du séparateur selon l'invention, - la figure 3 est une vue développée d'une partie de l'invention, - la figure 4 représente en détail un élément de la sortie du séparateur, - la figure 5 illustre une variante du centrifugeur, - la figure 6 représente la répartition des phases huile et eau à la sortie du séparateur. L'agencement général d'un exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention répond aux préconisations suivantes: - le fluide est de préférence introduit sous pression entre deux parois cylindriques et concentriques, l'entrée tangentielle n'est pas indispensable mais est de préférence conservée; - l'électro-coalesceur a une géométrie déterminée pour obtenir un temps de résidence de l'effluent suffisant. Par exemple, il peut avoir une longueur d'environ 1 m et l'espace annulaire est tel que le temps de séjour du fluide est de 10 secondes au débit de 500 1/h. Pour cela, la distance entre les cylindres est 5 ainsi de 7,86 mm (différence de rayon entre un tube de 2 pouces (50,8 mm) et un tube de 1 pouce (25,4 mm)); -un centrifugeur fait suite à l'électro-coalesceur dont l'élément moteur est une ou plusieurs surfaces hélicoïdales insérées entre deux cylindres concentriques sur, par exemple, une longueur de 500 mm. A titre indicatif, la 10 distance entre cylindres a été réduite à 6,35 mm (différence de rayon entre un tube de i pouce 1/2 et un tube de i pouce) afin d'accroître la vitesse du fluide lorsqu'il s'écoule dans le centrifugeur; -le centrifugeur débouche sur un séparateur proprement dit. Cette partie est essentielle et de conception délicate o l'on doit éviter que la 15 turbulence intense développée à la sortie du centrifugeur vienne disperser à nouveau les gouttelettes d'eau. Sur la figure 1 qui représente l'ensemble du dispositif 1 selon l'invention, les références 2, 3 et 4 représentent respectivement les parties 20 coalesceur, centrifugeur et séparateur. La flèche 5 représente l'entrée de l'effluent contenant l'émulsion dans le dispositif, la flèche 6 représente la sortie de l'effluent déshydraté dirigé vers les installations de transport et de raffinage 8, les flèches 7 représentent les différentes sorties de la phase essentiellement aqueuse dirigée ensuite vers des installations de traitement des rejets 9. Les moyens d'introduction de l'effluent émulsionné dans le coalesceur sont tels que le fluide entre tangentiellement dans l'espace annulaire 11 défini 5 par l'extérieur de l'électrode 12 et l'intérieur de l'enveloppe 13. Les dimensions de l'électro-coalesceur, diamétrales et longitudinales sont déterminées pour que, compte tenu du débit d'injection de l'effluent par les moyens 10, le temps de résidence dans l'entrefer des électrodes est tel que la coalescence des gouttes d'eau est optimale. Les électrodes 12 et 13 sont reliées électriquement 10 à un générateur de champ électrique 14. Les électrodes 12 et 13 sont de préférence de forme cylindrique. A l'extrémité du coalesceur, des moyens d'isolation électrique 15 séparent les électrodes des moyens d'entrée du centrifugeur 3. Le centrifugeur 3 est constitué par un tube cylindrique extérieur 16, de 15 préférence en position verticale, un tube intérieur 17 en continuité avec l'électrode centrale 12 du coalesceur, et d'une paroi hélicoïdale 18 en contact avec l'intérieur du tube 16 et l'extérieur du tube 17, de façon à former un canal continu hélicoïdal 19 autour de l'axe longitudinal du dispositif La forme de ce canal 19 est telle que l'effluent en sortie du coalesceur est conduit à être 20 centrifugé sur toute la longueur du centrifugeur 3. Cette longueur est d'ailleurs déterminée pour optimiser l'effet de centrifugation. Des moyens de raccordement coniques 20 peuvent être utilisés entre le coalesceur et le centrifugeur afin de réduire la section principale de passage de l'effluent afin d'augmenter la vitesse de déplacement du fluide dans le centrifugeur. Plus grande est la vitesse, meilleure peut être la centrifugation, et donc la séparation des phases. D'une manière équivalente, on peut réaliser le centrifugeur à partir une 5 conduite de section adaptée et formée selon une hélice pour réaliser la centrifugation du fluide. On peut, par exemple, enrouler au moins un tube selon une hélice autour d'un tube. Sans sortir du cadre de l'invention, le centrifugeur 3 peut comporter plusieurs canaux hélicoïdaux. La figure 5 montre une variante du centrifugeur dans laquelle la paroi hélicoïdale 18 n'est pas en contact avec la paroi interne du tube extérieur 16. Le jeu d permet la constitution d'une couche de la phase centrifugée qui peut être libre de s'écouler également dans le sens longitudinal, c'est à dire de haut en bas quand le dispositif est disposé verticalement, ce qui est généralement 15 préférable. Un élément de séparation 4 est fixé sur l'extrémité du centrifugeur. Son rôle est de récupérer les gouttes d'eau qui se trouvent par centrifugation au contact de la paroi extérieure. Une partie conique 20 en prolongement du centrifugeur produit une séparation de type cyclonique, la phase centrifugée 20 s'évacuant par l'orifice 21, la phase la plus légère (la phase organique), s'évacuant selon la direction de l'axe du cône par l'espace intérieur du tube 17 prolongé par le conduit intérieur de l'électrode 12. L'élément de séparation 4 comporte en plus une surface d'ouverture latérale 22 qui permet de séparer la plus grande partie de la phase aqueuse en contact avec la paroi intérieure du tube 16. La figure 2 montre plus en détail les moyens de séparations. Les mêmes références de la figure 1 ont été reportées sur cette figure 2. Le canal 19 est s délimité par deux parois hélicoïdales 18a et 18b séparées par une distance h correspondant à la hauteur du canal 19. A l'extrémité du centrifugeur 3, le canal 19 débouche dans un volume annulaire 30 défini entre la surface intérieure du tube 16 et la surface extérieure du tube 17. Le volume 30 communique avec le volume de collecte 31 à travers l'ouverture 22 pratiquée io dans le tube 16. Le volume de collecte est délimité par l'extérieur du tube 16 et par le tube divergent 35. Il faut noter que l'extrémité 23 du tube 17 se prolonge après l'ouverture 22. L'ouverture 22 est une couronne complète, qui s'étend sur la périphérie du tube 16, pour que la plupart du liquide aqueux centrifugé s'évacue à travers cette ouverture. L'ouverture 22 peut être réalisée en 15 découpant une portion du tube 16 entre deux plans. Ainsi, le tube 16 est séparé en deux tronçons distincts: un tronçon s'étendant en amont de l'ouverture 22 et un tronçon s'étendant en aval de l'ouverture 22. Sous l'effet de la centrifugation, l'eau, plus dense que l'huile, a tendance à se répartir et à circuler dans la partie inférieure du canal 19 tandis que 20 l'huile a tendance à se répartir et à circuler dans la partie supérieure du canal 19. La figure 3 représente le canal 19 développé dans un plan. La partie inférieure du canal 19 repose sur la surface hélicoïdale 18a. La partie supérieure du canal 19 est délimitée par la surface hélicoïdale 18b séparée par la hauteur h de la surface 18a. Les phases de l'effluent à l'extrémité 29 du canal 19 sont séparées. L'eau représentée par le volume pointillé circule dans la partie inférieure du canal 19 sur la hauteur hl. L'huile représentée par le volume hachuré circule dans la partie supérieure du canal 19 sur la hauteur h2. La figure 2 représente deux moyens référencés 32 et 33 ayant pour fonction de ne laisser passer par l'ouverture 22 principalement que du liquide aqueux et de maintenir l'huile dans le volume 30. Le premier moyen 32 consiste en une surface qui s'étend dans le volume 10 31, par exemple un cône tronqué qui converge vers l'intérieur du tube 16. Le cône tronqué 32 permet de recueillir une partie de l'effluent qui a passé à travers l'ouverture 22 et de la réintroduire dans le tube 16. Sous l'effet de la centrifugation du canal 19, la phase huile ayant traversé l'ouverture 22 selon la direction indiquée par la flèche F1 est recueillie par le cône tronqué 32 puis, 15 est réintroduite dans le volume intérieur du tube 16. La phase aqueuse, plus dense que la phase huile, circule principalement selon la direction indiquée par la flèche F2. La phase aqueuse n'est pas affectée par le cône tronqué 32 et est évacuée du volume 31 par une sortie 7. Le deuxième moyen 33, représenté en pointillé sur la figure 2 et 20 représenté en détail sur la figure 4, consiste en un cache qui obstrue une partie de l'ouverture 22. Le cache 33 peut être une portion de tube qui s'insère à l'intérieur ou à l'extérieur du tube 16. Le cache 33 laisse subsister un orifice 34. La position et la géométrie de l'orifice 34 sont choisies de sorte que l'eau circulant dans la partie inférieure du canal 19 soit évacuée à travers l'orifice 34, et de sorte que l'huile circulant dans la partie supérieure du canal 19 soit maintenue dans le volume annulaire 30 par le cache 33. Par exemple, l'orifice 34 s'étend sur une portion angulaire 0 comprise entre 20 et 180 et sur une 5 hauteur H comprise entre 10% et 100% de la hauteur h du canal 19. L'orifice 34 peut être positionné par rapport à l'extrémité de la surface hélicoïdale 18 marquant la fin du canal 19. Par exemple la portion angulaire 0 de l'orifice 34 est répartie de part et d'autre de l'extrémité de la surface hélicoïdale 18. Ou bien, l'extrémité de la surface hélicoïdale 18 coincide avec un bord de l'orifice 10 34, l'orifice 34 s'étendant sur une portion angulaire 0 à compter de ce bord dans le sens de rotation de l'hélice du canal 19. La figure 3 représente également le cache 33 développé dans un plan. L'orifice 34 est positionné par rapport au canal 19 de sorte que le canal 19 conduise principalement la phase aqueuse à l'orifice 34. L'un des premier et deuxième moyens 32 et 33 peut être utilisé indépendamment de l'autre. Les premier et deuxième moyens 32 et 33 peuvent être utilisés simultanément. Le fonctionnement du dispositif selon l'invention a été simulé avec le 20 code de mécanique des fluides FLUENT. La figure 6 représente l'extrémité du séparateur. Sur la figure 6, on observe les résultats de la simulation numérique: la répartition de l'huile et de l'eau composant un effluent pétrolier circulant dans le dispositif selon l'invention. Sur la figure 6, on observe d'une part que l'eau 40 est répartie audessus de la surface 18 (c'est à dire dans la partie inférieure du canal 19) et d'autre part que l'huile 41 est répartie en dessous de la surface 18 (c'est à dire dans la partie supérieure du canal 19). La mise en oeuvre de la surface 32 ou du cache 33 selon l'invention permettent d'augmenter la valeur de la fraction d'eau séparée d'environ 25 % par rapport au dispositif muni de l'ouverture 22 sans surface 32 ni cache 33. REVENDICATIONS 1) Dispositif de séparation d'un effluent comportant des phases de densité et de conductivité différentes, ledit dispositif comportant un 5 couple d'électrodes (12, 13), des moyens d'introduction (10) de l'effluent entre lesdites électrodes, un canal hélicoïdal (19) dans lequel ledit effluent est centrifugé, après passage entre lesdites électrodes, de sorte que les phases soit séparées, et des moyens d'évacuations (4) des phases séparées, les moyens d'évacuations (4) 10 comportant une ouverture (22) s'étendant sur la périphérie dudit effluent centrifugé pour évacuer une partie de l'effluent centrifugé, caractérisé en ce que les moyens d'évacuations comportent en outre des moyens d'obturation (32; 33) pour limiter l'évacuation de la phase la moins dense à travers ladite ouverture (22). 2) Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les moyens d'obturation comporte un cache (33) obturant ladite ouverture (22) et laissant subsister un orifice (34), de sorte que la phase la plus dense répartie dans la partie inférieure dudit canal (19) soit évacuée à travers ledit orifice (34) et de sorte que la phase la moins dense 20 répartie dans la partie supérieure dudit canal (19) soit maintenue à l'intérieur des moyens d'évacuation (4) par ledit cache (33). 3) Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel les moyens d'obturation comporte une surface (32) convergeant vers l'intérieur des moyens d'évacuation (4), de sorte qu'une partie de l'effluent évacué par ladite ouverture (22) est recueillie par ladite surface puis introduite à l'intérieur des moyens d'évacuation (4). 4) Dispositif selon la revendication 3, dans lequel ladite surface (32) est tronconique. 5) Dispositif selon la revendication 2, dans lequel ledit orifice (34) s'étend sur une portion angulaire comprise entre 20 et 180 . 6) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel ledit canal hélicoïdal est constitué par au moins une paroi (18) en hélice placée 10o dans un espace annulaire. 7) Dispositif selon la revendication 6, dans lequel l'extrémité de ladite paroi (18) coincide avec un bord dudit orifice (34). 8) Dispositif selon la revendication 6, dans lequel ledit orifice (34) s'étend de part et d'autre de l'extrémité de ladite paroi (18). 9) Dispositif selon l'une des revendications 6 à 8, dans lequel ladite paroi hélicoïdale est en contact avec le tube interne (17) mais ménage un jeu (d) avec la paroi du tube externe (16). 10)Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel ledit canal hélicoïdal est constitué par un tube en hélice. 11)Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdites électrodes sont en forme de cylindres (12, 13) disposés selon le même axe. 12)Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la section de passage dudit canal hélicoïdal est déterminée pour que la vitesse de l'effluent augmente par rapport à la vitesse de l'effluent au niveau desdites électrodes. ^13)Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la phase la moins dense est évacuée par un conduit axial. 14)Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les moyens d'évacuation comportent un cyclone (20) et un orifice axial (21) pour l'évacuation d'au moins une partie de la phase centrifugée.