Brevet FR2924621A1 — publié le 20090612

La présente invention concerne le domaine des traitements d'effluents émulsionnés, notamment les effluents pétroliers provenant de puits de 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. 15 Il est important de séparer l'eau de l'effluent produit pour limiter la taille des 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 d'augmenter l'efficacité des séparateurs 20 conventionnels en diminuant ces quantités résiduelles d'eau et de sels afin de répondre aux spécifications techniques des procédés en aval. La présente invention se situe en amont d'un séparateur et joue le rôle de pré-coalesceur en 2 favorisant la coalescence des gouttes d'eau par effet électrique et donc induit un grossissement de la taille des gouttes, ce qui facilite la séparation de la phase eau de celle de l'huile. On connaît le document US-5647981 qui décrit un dispositif qui combine 5 le principe d'un l'électro-coalesceur avec de la centrifugation. Les émulsions eau dans l'huile peuvent être "déstabilisées" 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 d'augmenter le potentiel électrique entre les 10 électrodes avec le risque réel de voir apparaître les phénomènes de claquage entre électrodes. D'autre part, compte tenu des débits importants des effluents à traiter, le temps de résidence nécessaire entre les électrodes est faible. De plus, la vitesse importante des effluents en entrée des équipements induit des zones de turbulence qui peuvent provoquer l'effet inverse souhaité, c'est-à-dire 15 une diminution de la taille des gouttes d'eau par des effets de rupture tels que démontrés dans la littérature. Il est donc important de trouver un moyen qui permet de stabiliser les écoulements en entrée d'un coalesceur électrostatique sans pour autant diminuer la capacité de débits. Des installations comprenant une série d'électrodes concentriques sont proposées dans la littérature, 20 cependant, le régime d'écoulement dans les annulaires n'est pas optimisé, ainsi que l'effet de coalescence électrostatique. 3 La présente invention pallie les inconvénients connus en optimisant les moyens d'entrée du fluide dans un électro-coalesceur de forme déterminée et équipé d'électrode concentriques. Ainsi, la présente invention concerne un dispositif de coalescence électrostatique d'un effluent comportant des phases de densité et de conductivité différentes, le dispositif comportant une série de couples d'électrodes concentriques, des moyens d'introduction de l'effluent entre lesdites électrodes comprenant une conduite et un divergent. Le divergent contient intérieurement n cônes de diffusion constitués par n troncs de cônes dont la hauteur est comprise entre 0,5 et 0,75 de la hauteur du divergent, et dont les demi angles au sommet sont des multiples de (A/n+1), A étant le demi angle au sommet du divergent, de façon à ce que lesdits cônes soient répartis régulièrement angulairement dans le divergent. Les entrées des cônes de diffusion peuvent se situer sensiblement à 15 l'entrée du divergent. Il peut y avoir deux cônes de diffusion de hauteur environ de la moitié de la hauteur du diffuseur, et de demi angle au sommet A/3 et 2A/3. Les paramètres d'écoulement de l'effluent peuvent être choisis de façon à ce que les écoulements entre lesdites électrodes concentriques soient 20 laminaires. 4 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 une coupe du dispositif de coalescence selon l'invention, - la figure 2 montre plus en détail l'entrée du coalesceur électrostatique et les différents cônes diffuseurs testés, - les figures 3a et 3b montrent les résultats comparés avec et sans les 10 moyens de diffusion selon l'invention, - les figures 4a, 4b et 4c illustrent les critères de sélection de la construction des moyens d'entrée du fluide selon la présente invention. 15 Sur la figure 1 qui représente l'ensemble du dispositif de coalescence électrostatique 1 selon l'invention, la référence 2 désigne les électrodes de coalescence définissant entre elles des espaces annulaires dans lesquels circule l'effluent selon un écoulement laminaire, tout en étant soumis à un champ électrostatique. 20 Les électrodes sont placées dans un carter cylindrique constitué de trois parties principales: un corps d'entrée, un corps central, un corps de sortie. Le corps central contient les électrodes. Le corps d'entrée comprend la conduite d'amenée 4 de l'effluent et un divergent 5 qui raccorde la conduite d'amenée 4 au corps central. Le corps de sortie définit un volume post électrodes et le départ d'une conduite d'évacuation 6. Dans le diffuseur, on a représenté deux troncs de cônes 7 et 8 de s diffusion selon l'invention. La description ci-après montrent l'efficacité des moyens de diffusion pour la répartition optimale des écoulements laminaires dans les espaces annulaires entre électrodes. Ainsi, l'effet coalescence électrostatique est optimisé dans ce dispositif par diminution des risques de rupture des gouttes sous effet turbulent. Toutes les évaluations des dispositifs selon l'invention ont été effectuées en simulant les fonctionnements avec le code FLUENT, connu de la mécanique des fluides. Le dispositif de diffusion est destiné à répartir uniformément l'écoulement qui traverse le coalesceur électrostatique constitué d'électrodes circulaires et concentriques. La répartition est optimum lorsque les vitesses d'écoulement entre les électrodes sont identiques, ce qui garantit les mêmes temps de séjour du fluide dans la zone active du coalesceur, quel que soit son trajet. Le régime d'écoulement doit être laminaire. Pour cela, on ajuste le débit d'injection compte tenu de la nature de l'effluent et des géométries des conduites et carter. Les calculs indiquent que la répartition s'uniformise naturellement pour les fluides dont les viscosités sont élevées (au dessus de 100 cPo), mais que ce n'est plus le cas pour les fluides faiblement visqueux (en dessous de 10 cPo). La figure 3a montre les vitesses d'écoulement dans les espaces annulaires (en ordonnée) en fonction de l'abscisse radiale dans une section transversale au niveau des électrodes. Un des objectifs de la présente invention est d'aménager un dispositif qui palliera cet inconvénient dans une large gamme de viscosité. Le dispositif proposé ici est constitué de troncs de cônes placés dans le divergent d'entrée du coalesceur, et faisant office de guides de diffusion pour l'écoulement. La figure 2 montre une série de cônes de diffusion cl, c2, c3, c4 placés dans le sommet du divergent 5, et dont les demi angles au sommet permettent leur disposition angulaire répartie dans le divergent. Ainsi, dans la section d'entrée SE, les sommets des troncs de cônes de diffusion forment des couronnes d'épaisseur égale. La multiplicité des solutions possibles quant au nombre de ces troncs de cône internes et à leur dimensionnement a nécessité une étude paramétrique afin de distinguer les meilleurs dispositions. Cette étude repose essentiellement sur des calculs en simulation, une configuration étant caractérisée par une combinaison de cônes diffuseurs dont chacun est défini 7 par son demi angle au sommet et sa hauteur. La figure 2 montre les cônes diffuseurs cl, c2, c3 et c4. On a considéré 4 cônes diffuseurs au maximum avec la répartition angulaire suivante, la mesure du demi angle au sommet étant exprimée en 5 fraction du demi angle du divergent d'entrée du coalesceur: diffuseur diffuseur diffuseur diffuseur cl c2 c3 c4 Demi 20% 40% 60% 80% angle Chacun des 4 troncs de cônes est fractionné en quatre parties selon sa hauteur (25%, 50%, 75%, 100%), ce qui correspondent à quatre dimensions potentielles. La plus grande est égale à la hauteur du divergent d'entrée. 10 On obtient ainsi 15 combinaisons angulaires et un total de 60 combinaisons en y incluant les quatre hauteurs possibles et si l'on ne considère que des associations de cônes de même dimension. Le tableau suivant effectue le bilan des tests, dont les résultats sont jugés selon le degré d'uniformité des 15 écoulements obtenus, comme explicité sur les figures 4a, 4b et 4c, qui définissent les critères. Hauteur des 1/4 1/2 3/4 1 cônes sans diffuseur insatisfaisant tous les insatisfaisant insatisfaisant insatisfaisant moyen diffuseurs diffuseur 1 seul insatisfaisant diffuseur 2 seul insatisfaisant diffuseur 3 seul insatisfaisant insatisfaisant bon insatisfaisant diffuseur 4 seul insatisfaisant insatisfaisant insatisfaisant moyen diffuseurs 1&2 insatisfaisant diffuseurs 1&3 insatisfaisant diffuseurs 1&4 insatisfaisant diffuseurs 2&3 insatisfaisant diffuseurs 2&4 insatisfaisant insatisfaisant bon bon diffuseurs 3&4 insatisfaisant diffuseurs insatisfaisant 1&2&3 diffuseurs insatisfaisant insatisfaisant insatisfaisant moyen 1&2&4 diffuseurs insatisfaisant moyen bon bon 1&3&4 diffuseurs moyen moyen insatisfaisant insatisfaisant 2&3&4 9 On rappelle que les tests ont été réalisés avec un fluide peu visqueux (1 cPo) et pour un même débit total. L'unité centiPoise (cP) usuelle dans la profession doit être convertie en Pascal.seconde (Pa.$) par multiplication par le coefficient 0,001. La figure 3b montre les écoulements entre les électrodes pour différentes viscosités avec deux cônes de diffusion et de hauteur la moitié de la hauteur du divergent. On observe une parfaite régularité des écoulements dans les espaces annulaires entre électrodes ce qui favorise incontestablement l'effet électrostatique. Peu de configurations atteignent la qualité d'écoulement requise. Les plus favorables se distinguent par une association de diffuseurs de hauteur au moins supérieure à celle de la moitié de la hauteur du divergent, et de demi angle au sommet compris entre 1/4 et 3/4 du demi angle du divergent. De préférence, le nombre de cônes diffuseur n'excède pas trois. Ce qui correspond pour trois cônes à des demi angles au sommet de 25%, 50% et 75% du demi angle au sommet du divergent. Comme déjà mentionné, les résultats s'améliorent généralement lorsque la viscosité du fluide augmente, ceci quelle que soit la configuration. REVENDICATIONS 1) Dispositif de coalescence électrostatique d'un effluent comportant des phases de densité et de conductivité différentes, ledit dispositif comportant une série de couples d'électrodes concentriques incluses dans un carter cylindrique, des moyens d'entrée de l'effluent comprenant une conduite raccordée à un divergent tronconique fixé sur ledit carter, caractérisé en ce que ledit divergent contient intérieurement n cônes de diffusion constitués par n troncs de cônes dont la hauteur est comprise entre 0,5 et 0,75 de la hauteur du divergent, et dont les demi angles au sommet sont des multiples de (Aln+l), A étant le demi angle au sommet du divergent, de façon à ce que lesdits cônes soient répartis régulièrement angulairement dans le divergent. 2) Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les entrées des cônes de diffusion se situent sensiblement à l'entrée du divergent. 3) Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel il y a deux cônes de diffusion de hauteur environ de la moitié de la hauteur du diffuseur, et de demi angle au sommet A/3 et 2A/3. 4) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les paramètres d'écoulement de l'effluent sont choisis de façon à ce queIl les écoulements entre lesdites électrodes concentriques soient laminaires.