(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エマルジョンの不混和性の重い成分と軽い成分の分離を増強する方法であって、
前記エマルジョンを処理ベッセル内に導入するステップと、
周波数が選択可能なＡＣ電圧源を設けるステップと、
前記電圧源からの、少なくとも１つの選択した周波数Ｆ１のＡＣ電圧を用いて、前記エマルジョンが通過する前記ベッセル内に少なくとも１つの電界を確立するステップと、
（ａ）周波数変調、および（ｂ）振幅および周波数変調の組み合わせから選択した変調方法を用いて、前記ＡＣ電圧を周期的に変調するステップと、
を含む、方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、正弦波、方形波、三角形状波、台形状波、指数形状波、対数形状波、半円形状波、および逆半円形状波、ならびにその組み合わせから成る群から選択したフォーマットで、前記ＡＣ電圧を変調する、方法。
【請求項３】
請求項１記載の方法において、前記ＡＣ電圧は、本質的に、選択可能な周波数Ｆ１の正弦波である、方法。
【請求項４】
請求項１記載の方法において、前記電界は、前記ベッセル内において離間した電極間に確立する、方法。
【請求項５】
請求項４記載の方法において、前記電極の１つは、接地電位にある、方法。
【請求項６】
請求項１記載の方法において、前記ＡＣ電圧変調により変調される前記ＡＣ電圧の振幅は、選択したしきい値電圧に等しい振幅下限値を有する、方法。
【請求項７】
請求項１記載の方法において、Ｆ１および前記変調方法は、前記エマルジョンの別個の特性に応じて、別個に選択する、方法。
【請求項８】
請求項１記載の方法において、Ｆ１は、前記エマルジョンの導電率に応じて選択される、方法。
【請求項９】
請求項１記載の方法において、前記選択した変調方法は、液滴の質量および／または前記エマルジョンの界面張力によって決定する、方法。
【請求項１０】
請求項１記載の方法において、Ｆ１は、１００から１６００Ｈｚまでの好ましい範囲内である、方法。
【請求項１１】
請求項１記載の方法において、前記変調周波数は０から６０Ｈｚまでの範囲内である、方法。
【請求項１２】
請求項１記載の方法において、前記変調電圧電位の強度および周波数を同時に変調する、方法。
【請求項１３】
請求項１記載の方法において、各サイクルの第１の半部において、前記ＡＣ電圧の強度が指数的に上昇し、各サイクルの第２の半部において前記ＡＣ電圧の強度が指数的に低下する波形で、前記ＡＣ電圧の振幅を周期的に変調する、方法。
【請求項１４】
請求項１記載の方法において、各サイクルの第１の半部において、前記ＡＣ電圧の強度が第１の指数関数的速度で上昇し、各サイクルの第２の半部において前記ＡＣ電圧の強度が前記第１の指数関数的速度より低い第２の指数関数的速度で低下する波形で、前記ＡＣ電圧の振幅を周期的に変調する、方法。
【請求項１５】
請求項１記載の方法において、各サイクルの第１の半部において、前記ＡＣ電圧の強度が第１の指数関数的速度で上昇し、各サイクルの第２の半部において前記ＡＣ電圧の強度が前記第１の指数関数的速度より速い第２の指数関数的速度で低下する波形で、前記ＡＣ電圧の振幅を周期的に変調する、方法。
【請求項１６】
請求項１記載の方法において、前記ＡＣ電圧は一定の強度のままであり、その周波数が、第１の周波数と該第１の周波数より低い第２の周波数との間で周期的に変化する、方法。
【請求項１７】
請求項１記載の方法において、各サイクルの第１の半部において、前記ＡＣ電圧の強度が線形に上昇し、各サイクルの第２の半部において前記ＡＣ電圧の強度が線形に低下する波形で、前記ＡＣ電圧の振幅を周期的に変調する、方法。
【請求項１８】
請求項１記載の方法において、各サイクルの第１の半部において、前記ＡＣ電圧の強度が第１の線形速度で上昇し、各サイクルの第２の半部において前記ＡＣ電圧の強度が前記第１の線形速度より高い第２の線形速度で低下する波形で、前記ＡＣ電圧の振幅を周期的に変調する、方法。
【請求項１９】
請求項１記載の方法において、各サイクルの第１の半部において、前記ＡＣ電圧の強度が第１の線形速度で上昇し、各サイクルの第２の半部において前記ＡＣ電圧の強度が前記第１の線形速度より低い第２の線形速度で低下する波形で、前記ＡＣ電圧の振幅を周期的に変調する、方法。
【請求項２０】
請求項１記載の方法において、前記ＡＣ電圧の強度は、第１の強度と該第１の強度より高い第２の強度との間で周期的に変化し、その周波数は、第１の周波数と該第１の周波数より低い第２の周波数との間で周期的に変化する、方法。
【請求項２１】
請求項１記載の方法において、前記ＡＣ電圧の強度は、第１の強度と該第１の強度より高い第２の強度との間で周期的に変化し、前記ＡＣ電圧の周波数は、第１の周波数と該第１の周波数より低い第２の周波数との間で同時に周期的に変化し、該周波数の変化は、前記ＡＣ電圧の周期的強度変化と一致して周期的に生ずる、方法。
【請求項２２】
水／油性エマルジョンにおいて水を凝集する方法であって、
ＡＣ電圧源を設けるステップと、
水が下位部分の予め選択した水位まで維持してあるベッセルに、前記エマルジョンを通すステップであって、前記水が電気接地電位として作用する、ステップと、
前記ベッセルの前記水位よりも上に、離間した電極を設けるステップと、
前記電極間において上向きに前記エマルジョンを通過させるステップと、
前記ＡＣ電圧源から周波数Ｆ１を用いるステップと、
前記ＡＣ電圧を半波整流して、第１極性の整流電圧電位を得て、前記電極の一方に印加するステップと、
前記ＡＣ電圧を半波整流して、逆極性の整流電圧電位を得て、前記電極の他方に印加するステップであって、前記電圧電位は、前記電極と前記水接地電位との間に印加することにより、周波数Ｆ１で変化する、ステップと、
（ａ）周波数変調、ならびに（ｂ）振幅および周波数変調の組み合わせから選択した変調方法を用いて、周波数Ｆ１の前記ＡＣ電圧を周期的に変調するステップと、
前記ベッセルの下位部分から、前記水位を維持するための必要に応じて、水を引き抜くステップと、
前記ベッセルの上位部分から、水含有量が減少したエマルジョンを引き抜くステップと、
を含む、方法。
【請求項２３】
液体炭化水素の脱塩方法であって、
ＡＣ電圧源を設けるステップと、
塩分を含む炭化水素をベッセルの一部に流入させるステップと、
前記ベッセル内に、複数の平行な離間した電極を設けるステップと、
前記液体炭化水素の特性に応答して、前記ＡＣ電圧源から、周波数Ｆ１のＡＣ電圧を用いるステップと、
前記周波数Ｆ１のＡＣ電圧を前記電極に印加することにより、隣接する電圧間に電界を確立するステップと、
（ａ）周波数変調、ならびに（ｂ）振幅および周波数変調の組み合わせから選択した変調方法を用いて、前記ＡＣ電圧を周期的に変調するステップと、
隣接する前記電極間に前記塩分を含む炭化水素を導入するステップと、
前記ベッセルの前記隣接する電極間に、前記炭化水素の流れと逆方向の流れで淡水を流入させるステップと、
前記ベッセルの一部から水を引き抜くステップと、
前記ベッセルの一部から塩分を低減した炭化水素を引き抜くステップと、
を含む、方法。
【請求項２４】
エマルジョンの不混和性の重い成分および軽い成分の分離を増強する方法であって、
ＡＣ電圧源を設けるステップと、
前記エマルジョンのしきい値電圧を決定するステップと、
前記エマルジョンを処理ベッセルに導入するステップと、
前記ＡＣ電圧源から、周波数Ｆ１のＡＣ電圧を用いるステップと、
前記エマルジョンが通過する前記ベッセル内に少なくとも１つの電界を確立するために、前記周波数Ｆ１のＡＣ電圧を用いるステップと、
（ａ）周波数変調、ならびに（ａ）振幅および周波数変調の組み合わせから選択した変調方法を用いて、前記ＡＣ電圧を変調するステップであって、その最小電圧を前記決定したしきい値電圧の０．８から１．２倍とする、ステップと、
を含む、方法。
【請求項２５】
エマルジョンの不混和性の重い成分および軽い成分の分離を増強する方法であって、
ＡＣ電圧源を設けるステップと、
前記エマルジョンの物理特性の少なくとも一部を判定するステップと、
前記エマルジョンを処理ベッセルに導入するステップと、
前記エマルジョンが通過する前記ベッセル内に少なくとも１つの電界を確立するために、前記ＡＣ電圧源から周波数Ｆ１を用いるステップと、
（ａ）周波数変調、ならびに（ｂ）振幅および周波数変調の組み合わせから選択した変調方法を用いて、周波数Ｆ２で前記ＡＣ電圧を周期的に変調するステップであって、判定したエマルジョンの物理特性に応じて、Ｆ１およびＦ２を別個に選択する、ステップと、
を含む、方法。
【請求項２６】
導電性エマルジョンの不混和性の重い成分および軽い成分の分離を増強する方法であって、
ＡＣ電圧源を設けるステップと、
前記エマルジョンを処理ベッセルに通すステップと、
前記エマルジョンが通過する前記ベッセル内に少なくとも１つの電界を確立するために、前記電圧源から周波数Ｆ１のＡＣ電圧を用いるステップであって、前記エマルジョンの導電率に応じてＦ１を選択するステップと、
選択した周波数Ｆ２で前記ＡＣ電圧を変調するステップであって、Ｆ１がＦ２よりも高く、（ａ）周波数変調、ならびに（ｂ）振幅および周波数変調の組み合わせから変調方法を選択する、ステップと、
を含む、方法。
【請求項２７】
液滴を有するエマルジョンの不混和性の重い成分および軽い成分の分離を増強する方法であって、
ＡＣ電圧源を設けるステップと、
前記エマルジョンを処理ベッセルに導入するステップと、
前記ＡＣ電圧源から、基本周波数Ｆ１を用いるステップと、
前記エマルジョンが通過する前記ベッセル内に少なくとも１つの電界を確立するために、基本周波数Ｆ１の電圧を用いるステップと、
選択した周波数Ｆ２で前記基本周波数Ｆ１のＡＣ電圧を変調するステップであって、Ｆ１がＦ２よりも高く、液滴の効果的な成長を達成するようにＦ２を選択し、（ａ）周波数変調、ならびに（ｂ）振幅および周波数変調の組み合わせから変調方法を選択する、ステップと、
を含む、方法。
【請求項２８】
請求項２７記載の方法において、液滴のストークス径を超える効果的な成長を達成するようにＦ２を選択する、方法。
【請求項２９】
エマルジョンの不混和性の重い成分および軽い成分の分離を増強する方法であって、
ＡＣ電圧源を設けるステップと、
前記エマルジョンの界面張力を測定するステップと、
前記エマルジョンを処理ベッセルに導入するステップと、
前記エマルジョンが通過する前記ベッセル内に少なくとも１つの電界を確立するために、前記ＡＣ電圧源から周波数Ｆ１のＡＣ電圧を用いるステップと、
選択した周波数Ｆ２で周波数Ｆ１のＡＣ電圧を周期的に変調するステップであって、Ｆ１がＦ２よりも高く、Ｆ２を前記測定した界面張力によって決定し、（ａ）周波数変調、ならびに（ｂ）振幅および周波数変調の組み合わせから変調方法を選択する、ステップと、
を含む、方法。
【請求項３０】
エマルジョンの不混和性の重い成分および軽い成分の分離を増強する方法であって、
前記エマルジョンを処理ベッセルに導入するステップと、
ＡＣ電圧源を設けるステップと、
前記エマルジョンが通過する前記ベッセル内に少なくとも１つの電界を確立するために、少なくとも１つの周波数Ｆ１のＡＣ電圧を前記ＡＣ電圧源から用いるステップと、
（ａ）周波数変調、および（ｂ）振幅および周波数変調の組み合わせから選択した変調方法を用いて、前記ＡＣ電圧を周期的に変調するステップと、
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エマルジョンの不混和性の成分の静電凝集の分野であり、特に、原油においてよく目にするような油性エマルジョンにおける水滴の凝集に関する。
【背景技術】
【０００２】
（開発に関する連邦支援研究に関する一文）
本願の主題は、開発に関して存続する連邦支援研究のいずれにも関連がなく、本願はいずれのマイクロフィッシュ・アペンディクス(microfiche appendix)においても引用されていない。
（関連技術に関する説明）
石油工業の創成以来、油と水の分離は課題であり続けている。世界で生産される原油の殆ど全ては、油と水の組み合わせとして地表に到達する。原油によっては、水はどちらかと言うと少ない成分である場合もあるが、殆どにおいてそれは厄介な成分である。更に、基本流体がエマルジョンであり、水が小さな液滴となって油基剤内に懸濁している場合には、油と水の分離は一層難しくなる。
【０００３】
水を油から分離する基本的なメカニズムは、重力の使用による。殆どの油生産は、地表に到達した後、分離装置(separator)、即ち、原油を導入するベッセルを通される。ベッセルは、比較的静態なゾーンを確立し、水を底辺に沈降させ、牛乳においてクリーム分が上昇するのと同様に、油を最上部まで上昇させる。水は分離装置の底面から引き出され、油は分離装置の上面から引き出される。原油によっては、重力分離が効率的に作用する場合もあるが、別の原油ではそれが難しくなる場合もある。水および油が高度に乳化されていない場合、即ち、水が非常に小さい液滴、あるいは顕微鏡的液滴の形態にもなっていない場合、重力分離は効果的である。しかしながら、多くの用途では、水は非常に微細に油基剤内に散乱しているので、重力分離は完全に効果的ではなく、その場合、追加の処理技法が必要となる。
【０００４】
油／水分離の有効性を高める標準的な技法の１つに、凝集の使用がある。種々の技法により、油内に懸濁する小さな水液滴を凝集させることができる。即ち、互いに結び付き、大きくなった水沈殿を形成する。水液滴のサイズが大きくなるに連れて、重力分離の動力学が改善する。即ち、大きな水液滴の方が、小さな水液滴と比較して、自由にエマルジョンから降下し易い。水および油のエマルジョンを凝集によって処理することは、石油業界において長年採用されている技法である。
【０００５】
基本的な凝集の概念は、確立した電界にエマルジョンを通過させることである。電界を確立する典型的な方法は、離間した電極、通常金属板、をベッセルの内部に位置付け、エマルジョンがベッセルを移動して通り抜ける際に、エマルジョンの少なくとも一部が電極の間を通過するように、ベッセルを配置することから成る。ベッセルが静電凝集による分離を増強するような構造となっている場合、ベッセル内部では実際の分離が行われないように、単一の入力および単一の出力を有する。このような凝集用の機器は、実際に水および油の分離が行われる別の機器よりも前に用いることができる。例えば、分離が行われない静電凝集は、液体サイクロンよりも前に用いることができる。液体サイクロンのことを、渦管と呼ぶこともある。エマルジョンを処理するには、電界を加えて、水液滴のサイズを増大させた後に、エマルジョンを液体サイクロンに通して、サイズが大きくなった液滴がサイクロン作用によって一層効率的に分離されるようにする。同じ機器を用いて、エマルジョンを電界に通し、次いでこのエマルジョンを分離ベッセルに移送し、ここで重力による分離が行われる。しかしながら、エマルジョンを電界で処理するために最も頻繁に用
いられる機器は、ベッセル内部に離間した板を設けており、ベッセルはエマルジョンの入口と、軽い成分（油）用の上位出口と、重い成分（水）用の下位出口とを有する。このように、凝集および分離が同じベッセル内で行われる。
【０００６】
エマルジョンの重い成分および軽い成分を凝集するための典型的なシステムが、１９８３年８月２３日に発行され、"Voltage Control System for Electrostatic Oil Treater"（静電油処理装置用電圧制御システム）と題する米国特許第４，４００，２５３号に示されている。この開示では、電界強度が周期的に増大および減少して、凝集を強める。１９８３年１１月２９日に発行され、"Circuit for Maintaining the Strength of an Electrostatic Field Generated in a Fluid Mixture of Varying Dielectric Strength"（誘電強度が変化する流体混合物において発生する静電界の強度を維持する回路）と題する米国特許第４，４１７，９７１号は、電界を用いて凝集を強化するシステムについて教示しており、液体混合物の誘電強度が変化するに連れて、静電界の強さを維持するために、整流器を設けている。
【０００７】
本発明は、エマルジョンの不混和性の重い成分および軽い成分の分離を増強する方法およびシステムであり、内部に電界を有するベッセル内にエマルジョンを導入し、基本周波数で電界を変化させ電界を変調させつつエマルジョンに電界をかけて、凝集を強化するステップを含む。変調は、振幅変調、周波数変調、または振幅および周波数変調の組み合わせの形態とすることができる。
【０００８】
エマルジョンの重い成分および軽い成分の分離に関するその他の背景情報は、以下の米国特許から得ることができる。
【０００９】
【表１】
0005406454.tif 000002
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、エマルジョンの分離、即ち、エマルジョンの不混和性の重い成分および軽い成分の分離を強化する方法およびシステムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本方法は、エマルジョンを処理ベッセルに導入するステップを含む。ベッセル内部に電界を確立する。選択した基本周波数Ｆ１で、電界を予め変化させる。電界の強度を変調する。変調方法は、（ａ）振幅変調、（ｂ）周波数変調、および（ｃ）振幅および周波数変調の組み合わせから選択することができる。このように、電界は多重周波数であり、本方法は、多重周波数静電凝集と見なすことができる。
【００１２】
本発明の基本システムは、エマルジョン入口と少なくとも１つの流体出口とを有するベッセルを含む。ベッセル内部に設置した電極が処理区域を規定し、この中を、エマルジョンの少なくとも一部が、エマルジョン入口と流体出口との間を流れる際に、通過する。電極に接続されている回路が、処理区域内に少なくとも１つの電界を供給する。この回路は、基本周波数Ｆ１で電界を変化させるように機能する。基本周波数Ｆ１は、振幅、周波数、または振幅および周波数双方で変調する。
【００１３】
本発明の更に別の目的および特徴は、添付図面を参照し、以下の好適な実施形態の説明を読むことによって明白となろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
長年にわたって、エマルジョンの凝集を増強するために電界が用いられている。電界を用いる際、定常状態のＤＣ電圧電位、交流電流電位、整流交流電流電位、パルス状ＤＣ電圧電位、およびこれらの組み合わせによって確立していた。凝集を増強するための電界の使用は、特に、水および油の分離において補助するために、石油業界において採用されている。凝集は、小さな液滴を一緒に合わせてこれらよりも大きな液滴を形成することを意味する。
【００１５】
近年において、パルス状ＤＣ電圧場を用いることによって、凝集が改良される結果が得られている。この技術は、水の含有量が多い用途では重要である。即ち、通例、水はエマルジョンの３０パーセント（３０％）よりも多く、従来の静電プロセスでは、一貫的かつ効果的に機能しない。水の含有量が多いエマルジョンにおいてパルス状ＤＣ場を確立するためには、絶縁電極を利用することが通常役に立つ。
【００１６】
図１を参照すると、本発明の典型的な用途が略図で示されている。ベッセルが参照番号１０で示されており、エマルジョン入口１２、重い成分（水）出口１４、および軽い成分（油）出口１６を有する。種々のエマルジョンの重い成分および軽い成分を分離するために、凝集を用いることができる。しかしながら、この技術が最も広く応用されているのは、石油業界であり、ここでは原油からの水および油の分離を促進するために凝集が用いられている。地下構造において発見される原油の殆どは、地表に到達する際、油および水双方を含有するエマルジョンとなっている。地表、および原油の輸送および精製の種々の段階において、含有する水を分離できることが重要となる。このため、重成分出口１４は通例水成分出口と見なすことができ、一方軽成分出口１６は通例油出口と見なすことができる。本発明では、特に、原油のようなエマルジョンに適用可能であり、通常の状況と同様、水が重成分である場合について説明する。地球には、重油を生産する区域がある。重油とは、乳化した水成分が炭化水素成分よりも軽い原油性エマルジョンのことである。ここに記載する方法およびシステムは、このような重油の用途において水液滴の凝集を促進するために適用することができる。主な相違の１つは、分離した水をベッセルの上位部分から引き出し、一方重油を低い部分から取り出すことにあるが、凝集を促進するために静電界を発生し用いる方法に変わりはない。
【００１７】
ベッセル１０内部において、水／油界面１８を形成する重力によって、入力したエマルジョンから水を分離する。界面１８よりも上で分離した油は液位２０まで上昇し、その上
に気体が蓄積する。気体は気体出口２２から引き出される。
【００１８】
エマルジョン入口１２は、１つ以上の分配管２４に接続されている。分配管２４には小径の出口開口２６があり、ここを通ってエマルジョンがベッセル１０内に入る。分配管２４は、発生する外乱を最少に抑えつつエマルジョンをベッセル１０に流入させるように設計された種々の流体搬入系を代表する。
【００１９】
ベッセル１０内部には、第１電極２８と、これと離間した、第２の接地電極３０が位置付けられている。
電極２８および３０には穿孔されており、エマルジョンが入口１２から出口１４および１６に進むときに、これらを貫通し、更にその間を通過するように位置付けられている。電極２８および３０は、油／水界面１８よりも上に電界を形成する。水液滴の形成を増強するために電気エネルギを電極２８および３０間に印加する。この目的のため、第１導体３２が電極２８まで達しており、第２導体３４が第２電極３０を接地に接続する。ベッセル１０は接地電位にあり、したがって、第２電極３０をベッセル内部に直接接続することができ、第２導体３４の必要性を解消する。
【００２０】
一次巻線３８および二次巻線４０を有する変圧器３６によって、電極２８および３０間に電位を印加する。二次巻線３０間にかかる電圧は、接地電位と導体３２との間に供給される。定常状態のＡＣ電圧を変圧器３７の一次巻線３８に印加する場合、ここまで記載してきた、電界を利用してエマルジョンの重い成分および軽い成分の分離を増強するシステムは、標準的な手順となる。しかしながら、本発明のシステムは、本質的に、電気エネルギを変圧器の一次巻線３８に印加する方法が異なる。
【００２１】
変圧器３６の一次側に印加する電気エネルギの波形を制御する図１の要素について説明する前に、ここで図２を参照する。この図は、波形を示し、電圧を横軸に、時間を縦軸にとっている。即ち、基本周波数の振幅即ち強度が時間とともにどのように変化するかを示す。電圧波形は、波形４２で示す基本周波数（以後波形４２の周波数をＦ１と呼ぶ）から成り、基本周波数の強度即ち振幅を周波数Ｆ２で変調する。Ｆ１の変調の振幅は、波形４４となる。即ち、波形４４の周波数はＦ２である。
【００２２】
図２は、変調４４の振幅（Ｆ２）が正弦波形状であるときに、図１のシステムの変圧器３６の一次側に印加する基本信号４２（Ｆ１）を示す。Ｆ１の周波数は、Ｆ２の周波数よりもかなり高い。Ｆ２は、図２に示すように、正弦波の形状とするとよく、あるいは図２Ｃに見られるような方形波の形状とすることもできる。変調信号４４（Ｆ２）は、加えて、台形波、三角形状波、指数波、対数波、半円波、逆半円波、あるいはその他の対称的または非対称的形状の波とすることができる。Ｆ２の形状が変化することができるだけでなく、一部の信号形状に関して、波の傾きも変化することもできる。一例をあげると、三角形状波形は対称的であり、同じ率で上昇および降下するとすればよいが、素早く上昇しゆっくり降下する、またはその逆というように、非対称的とすることもできる。用途によっては、非対称的波形Ｆ２の使用により、格別な利点が得られる場合もある。
【００２３】
図２、図２Ａ、図２Ｂ、および図２Ｃでは、基本信号４２（Ｆ１）は、正弦波の形状となっている。これは一例に過ぎない。多くの用途では、Ｆ１は本質的に方形波である。
図１からわかることは、ベッセル１０の電極２８および３０に供給される電気エネルギは、周波数Ｆ１で変化し、同時に周波数Ｆ２で強度変調を受ける電界から成るということである。図１の構造は、エマルジョンの凝集を増強するために二重周波数方法を用いた、二重周波数静電凝集システムとして動作する。  
【００２４】
図１に戻ると、図２に示した種類の信号は、参照電圧入力４６を利用し、これを整流器
４８に供給して電圧バス５０上にＤＣ電圧を精製することによって、発生することができる。変調器５２が、ＤＣ電圧を、図２に見られるような変調信号４４に変換し、これを導体５４に供給する。次いで、チョッパ回路５６が電圧信号Ｆ２を、図２に見られるような、それよりも周波数が高い基本電圧信号Ｆ１に細断する。信号Ｆ２によって強度変調を受けた基本電圧信号Ｆ１は、導体５８上に現れ、変圧器３６の一次側３８に供給される。
【００２５】
高電圧変圧器３６の二次巻線４０に現れる二重周波数波形は、多数の方法で発生することができる。前述のような図１の回路部分は、変調波形Ｆ２を最初に発生し、これを細断して、周波数を高めた基本波形Ｆ２を精製するシステムとなっている。あるいは、ＡＭ無線送信機と類似した回路システムを採用することもでき、この場合、基本周波数Ｆ１を発生し、信号Ｆ２によって強度変調する。図２、図２Ａ、図２Ｂ、および図２Ｃに例示した高電圧二重周波数信号を精製するために利用する電気回路システムは、本開示の主題ではない。代わりに、本開示は、二重周波数静電電圧電荷をエマルジョンに印加して凝集を増強する概念に関し、このような二重周波数電圧信号を得る特定の回路は、本発明の本質ではない。何故なら、二重周波数波形を達成する回路は、電気設計業務の技術範囲内のことであるからである。
【００２６】
回路構成要素４８、５２および５６は、例示に過ぎず、図２に表した信号を供給するために用いることができる回路の一例として、その基礎を示す。
本発明を実用化する際、処理ベッセル内にある電極に印加する電気エネルギ信号は、処理するエマルジョンの特性に応じて選択する。基本周波数Ｆ１がエマルジョンの油成分の導電率に比例する場合に、水含有油性エマルジョンの凝集が改善することが確認されており、導電率はｐＳ／ｍで表されている。一例として、油成分の導電率が７５，０００ｐＳ／ｍであるエマルジョンでは、好ましい基本周波数は約１４５０Ｈｚである。
【００２７】
更に、変調周波数Ｆ２が、エマルジョンにおける水液滴のサイズが減少するに連れて上昇する場合に、凝集が改善する、即ち、エマルジョンにおける水液滴が小さい程、エマルジョンにおける液滴が大きい場合よりも、高い変調周波数の使用が必要となることも確認されている。一例として、エマルジョンにおける水液滴の径が平均５００ミクロンである場合、変調周波数、即ち、Ｆ２が約６．４Ｈｚのときに、システムは一層効果的に凝集を増強する。
【００２８】
図１の凝集ベッセルの入口１２に入るエマルジョンの特性が、油成分の導電率が７５，０００ｐＳ／ｍであり、水液滴の平均直径が５００ミクロンであると仮定すると、変圧器の一次側３８、または対応して変圧器の二次側４０の出力に現れる信号は、基本周波数が約１４５０Ｈｚであり、変調周波数Ｆ２は約６．４Ｈｚとするとよい。
【００２９】
凝集を増強するためには、電界にはしきい値電圧、即ち、凝集を開始する最少電圧が必要となる。ここで用いる場合、「しきい値電圧」という用語は、油および水のエマルジョンからの散乱水の凝集を開始するための十分なエネルギを有する最低電圧レベルを意味する。この電圧は、界面張力および導電率を含む、いくつかの油のプロパティに依存する。理論的なしきい値電圧は、その電極およびベッセルの幾何学的形状に対する依存性のために、計算することができず、経験的に決定するのが最良であるというのが一般的である。
【００３０】
しきい値電圧と対照的なのが「臨界電圧」、即ち、凝集している水液滴を分離させる最も高い電圧である。臨界電圧を超過すると、水液滴の径が縮小し、水の油からの分離が停止する。臨界電圧は、水液滴のストークス径および界面張力から推定することができる。
【００３１】
「最小電圧」は、しきい値電圧に関係があり、変調周波数Ｆ２において電極に印加される最低電圧６０である。実際には、最少電圧がしきい値電圧またはその近傍である場合、
最大液滴直径が得られ、その結果分離率が最大となり、流出物における残留水含有量が最低となる。「最大電圧」は、臨界電圧に関係があり、変調周波数Ｆ２において電極に印加される最高電圧６２である。実際には、最大電圧が短い期間だけ臨界電圧を超過する可能性がある。臨界電圧を一時的に超過すると、最も小さい散乱水液滴を付勢し、導き出して凝集および分離プロセスに関与させる。
【００３２】
本発明を実用化する際、最小電圧６０は、しきい値電圧またはそれよりも多少低くするとよく、最大電圧６２は臨界電圧またはそれよりも多少高くするとよい。
更に、ここで用いる場合、「基本周波数」Ｆ１という用語は、散乱水液滴の最大放電を防止するために必要な最小周波数を意味する。この周波数は、主に、油の導電率による影響を受ける。基本周波数Ｆ１を上昇させる（６０Ｈｚよりも高く）ことができると、広範囲の原油に対して静電凝集プロセスを最適化することができる。「変調周波数」Ｆ２は、最小電圧において形成する最大水液滴の自然周波数である。この周波数はいずれの液滴直径、界面張力、および液滴質量についても計算することができるが、実際には、プロセス・ベッセルが異なれば水力効率が異なるため、経験から決定するのが最良である。
【００３３】
本発明の方法を実用化する際、Ｆ１は約６０から約２５００Ｈｚまでの範囲の周波数であり、Ｆ２は約０．１から約１００Ｈｚまでの範囲の周波数である。一般に、本発明のシステムはが利用する基本周波数Ｆ１は、過去の静電凝集装置において用いられていた交流電流場よりも総じて高い。
【００３４】
一般に、原油の生産において発生する種類の水および油の所与のエマルジョンについて、エマルジョンにおける油の導電率を参考にして基本周波数Ｆ１を選択し、水液滴の質量および／またはエマルジョンの界面張力を参考において変調周波数Ｆ２を決定し、エマルジョンの油成分の界面張力および導電率に関係するしきい値電圧またはそれよりも僅かだけ低くなるように、最小電圧６０を選択する。最小電圧６０は、ベッセルの幾何学的形状によっても多少変化する可能性がある。
【００３５】
分離が停止する臨界電圧は、上昇する油蒸気内に懸濁している水液滴のストークス径を参考にして決定する。最大電圧６２は、前述のように、臨界電圧近傍とするとよい。
「しきい値電圧」および「臨界電圧」は、ここで用いる場合、物理法則によって決定される電圧であり、処理するエマルジョンの特性、処理ベッセルの幾何学的形状、およびエマルジョンの流量によって決定する。「最小電圧」および「最大電圧」は、Ｆ２の振幅を定義する電圧を意味し、システムを設計する技術者が、ここに開示する二重周波数プロセスを実用化するために選択する電圧である。前述のように、Ｆ２を定義する最小電圧は、しきい値電圧に近いとよいが、必ずしも一致しなくてもよく、Ｆ２を定義する最大電圧は、エマルジョンの臨界電圧に近いとよいが、必ずしも一致しなくてもよい。前述のように、用途によっては、最大電圧が多少しきい値電圧よりも低いと都合がよい場合もあり、最大電圧は臨界電圧よりも多少高くてもよい。
【００３６】
図３は、本発明の方法およびシステムの代替実施形態である。場合によっては、地下構造から地表に搬出される原油には、混入塩水の形態で過剰な塩分を随伴する。輸送および精製の効率上、塩分含有量を減少させると有利である。図３のシステムのフロー配列は、原油のような、水含有油性エマルジョンの凝集および分離に特に適用可能であり、また原油の脱塩にも適用可能である。図３のシステムにおいて、淡水を原油と混合する。淡水はエマルジョン（原油）から塩分を吸収する。淡水は、淡水入口６８を通じてエマルジョンに添加され、淡水入口６８はエマルジョン入口管７０と融合し、ベッセルエマルジョン入力１２に達する。淡水入口６８における水制御弁７２を用いて、入口７０を通過するエマルジョンに添加する淡水の量を制御する。エマルジョン入口１２を通過してベッセル１０に流入する総体積は、エマルジョン入口弁７４によって制御される。
【００３７】
ベッセル１０内部では、エマルジョンが受ける静電界によって凝集が増強され、水液滴が拡大し、エマルジョンから欠落して、油／水界面１８を形成する区域に達する。水は管１４を通じて引き出される。淡水入口６８から添加され塩分を溶解した淡水を含む、混入水の大部分を有する油は、これによって、エマルジョンの油成分が油出口１６から流出される前に、除外される。
【００３８】
このように、図３の構成は、二重周波数静電凝集によって強化された分離装置、または二重周波数凝集によって強化された脱塩装置のいずれかとして機能する。
図３の構成では、図１と比較して、第１および第２電極７６および７８は、垂直に方位付けられ、これらの間に空間があり、ここを通過してエマルジョンが流れ、ベッセル内部の界部分から上位油出口１６に向かって移動するように示されている。二重周波数静電界が形成されるのは、電極７６および７８の間である。電極７６および７８の実際の物理的構造は、エマルジョンの実質的に全てがこれらの間を通過するように、または電極に印加した電気信号が発生する静電界を少なくとも受けるようになっている。
【００３９】
変圧器の二次側４０の出力は、導体８０によって第１整流器８２に供給され、これと並列に、第２整流器に供給される。導体８６は、整流器８２を電極７８と直列に接続し、導体８８は、整流器８４を電極７６に接続する。したがって、電極７６および７８の各々に印加される電圧信号は、半波整流信号となる。図２Ａは、電極７６に現れる電圧の波形を示し、図２Ｂは、電極７８に現れる電圧の波形を示す。更に、変圧器の二次側４０の一方の脚部は、接地電位にあり、ベッセル１０は、先に湿したように、接地電位にあるのが通例であるので、ベッセル１０内部に確立した静電界は、対向する電極７６および７８間のみに存在するのではなく、電極とベッセル１０の壁との間にも存在する。
【００４０】
図３の分離システムを脱塩のために用いる場合、先に論じたように淡水を導入するが、エマルジョン（更に具体的には、過剰な塩分を内部に有する原油）が淡水と完全に混合し、その後に希釈したエマルジョンがベッセル１０に入ることが重要である。エマルジョン入口場弁７４は、ベッセル１０内への入力流量を規制するために用いられ、更に、希釈エマルジョンがベッセル１０に入る前に、エマルジョンを淡水と混合する機能にも役立つ。したがって、弁７４は、その混合機能を遂行するためには、５から１５ｐｓｉの圧力降下を生ずることが好ましい。
【００４１】
図４を参照すると、本発明の実施形態が示されており、凝集および分離と組み合わせた原油脱塩用とに特に適用可能である。図４の実施形態では、複数の電極板７６Ａおよび７６Ｂの対が示されている。板は、これらの間に垂直な通路ができるように垂直に方位付けられており、通路を通過するエマルジョンが静電界を受ける。参照番号７６Ａで識別する板が構成する電極には、整流器８４を直列に有する導体８８が接続し、板７６Ａには負に荷電するようになっている。即ち、板７６Ａに印加される信号は、図２に示す電圧波形の下半分によって表される。板７６Ｂには、整流器８２と直列の導体８６が接続し、正に荷電される。即ち、これらの板に印加される電圧波形は、図２の図の上半分における波形によって表される。
【００４２】
エマルジョン入口管１２はスプレッダ９０と接続しているので、エマルジョンは水／油界面１８よりも上に分散し、エマルジョンは、板７６Ａおよび７６Ｂの対間を通って上に移動する。淡水が淡水供給管６８を通じて導入され、淡水供給管６８は、管６８Ａおよび６８Ｂに分岐する。分岐管６８Ａおよび６８Ｂは、小径の開口（図示せず）を内部に有するので、淡水が板７６Ａおよび７６Ｂよりも上に導入されるようになっている。淡水は、エマルジョンを貫通して下方に移動し、一方エマルジョン自体は上方に移動するので、エマルジョンおよび淡水は、板の間の区域において、互いに混じり合う。
【００４３】
本発明の回路は、整流器４８、変調器５２、チョッパ５６、および高電圧変圧器３６によって例示されており、基本信号周波数Ｆ１を供給する。基本信号周波数Ｆ１は、変調器５２によって振幅が制御され、板７６Ａおよび７６Ｂの対間の電圧が変調周波数Ｆ２で変化して、所定の率で電圧を上昇させることにより、エマルジョンにおける水液滴を剪断し、淡水と剪断した水液滴を最初に混合させることにより、エマルジョンにおける過剰な塩分を淡水によって吸収させるようにしている。強度は順次変化して、エマルジョン内にある水液滴を凝集させ、これによってエマルジョンから降下し、油／水界面１８よりも下において、ベッセルの界部分に収集し、最終的に水出口１４を通じてベッセルから排水され、一方エマルジョンの油含量は油出口１６を通じて放出される。分離装置の通常動作においては、油含量は、分離ベッセル１０Ｂの上面付近にある収集システムによって取り出される。このように、図４のシステムは、独特の二重周波数電気信号を採用し、これを導体８６および８８に供給し、混合装置、凝集装置、および分離装置として同時に機能することにより、一層効果的にエマルジョンを脱塩しつつ、エマルジョンをその油および水の軽成分および重成分に分離する。
【００４４】
Floyd Prestridge et al.による"Electrostatic Mixer/Separator"（静電混合／分離装置）と題する米国特許第４，６０６，８０１号は、図４と同様の分離システムを図示し記載するが、この特許は、二重周波数電圧の使用という独特の利点について教示していない。米国特許第４，６０６，８０１号は、本発明の原理を適用することができる、多重板混合／分離装置に関する良質の背景情報を提供する。
【００４５】
別の分離技法と合わせた静電分離の使用の良い例が、Kerry L. Subletteに発行され"Method and Apparatus for Separating Oilfield Emulsion"（油田エマルジョンの分離方法および装置）と題する米国特許第４，５８１，１２０号に開示されている。
【００４６】
本発明は、エマルジョンが本質的に垂直に１つ以上の電界を通過して流れるベッセルに関するものとして主に図示し説明してきた。しかしながら、本文書において論じているような二重周波数静電凝集を採用するシステムおよび方法は、エマルジョンが水平に流れるベッセルでも同様に等しく用いることができる。電極は、互いに平衡に配置すれば、確立される電界に対して、エマルジョンは水平に通過する。即ち、小孔(foraminous)垂直電極を採用することができる。"Energy-Saving Heavy Crude Oil Emulsion-Treating Apparatus"（エネルギ節約重原油エマルジョン処理装置）と題する米国特許第６，３９１，２６８号は、水平ベッセルおよび処理システムの一種を示しており、これには本発明の原理を応用することができる。
【００４７】
前述のように、混入水を油および水エマルジョンを分離する基本メカニズムは重力による。凝集は、水液滴を凝集させることによって、即ち、互いに融合させることによって、もっと大きな水液滴を形成し、これらが油周囲の表面張力を克服し、これによって、重力が水液滴をエマルジョンから分離し沈静させることによって、重力分離が増強される。重力は、地球の重力場の結果として自然に発生するが、円周方向の流れによって、即ち、円形路、更に具体的には、螺旋状通路にエマルジョンを流すことにより、重力を誘起させることもできる。この技法を遠心分離器に採用する。本発明の二重周波数凝集システムは、遠心分離と合わせて効果的に採用することができる。
【００４８】
Sams, et al.に発行され"Method for Augumenting the Coalescenc of Water in a Water-In-Oil Emulsion"（水含有エマルジョンにおいて水の凝集を増強する方法）と題する米国特許第５，６４３，４３１号は、図１１に示すシステムに類似した、エマルジョンの分離を増強する遠心システムについて詳細に記載している。
【００４９】
Gary W. Sams et al.に発行され"Method and Apparatus for Oil/Water Separation Using a Dual Electrode Centrifugal Coalescer"（二重電極遠心凝集装置を用いた油／水分離方法および装置）と題する米国特許第５，５７５，８９６号は、図１２に示す形式の凝集／分離ベッセルの使用について、詳細な説明を提供する。
【００５０】
単一周波数静電界を利用する従来の静電凝集プロセスの結果を以下の表に示し、二重周波数静電凝集プロセスの結果と比較する。
【００５１】
【表２】
0005406454.tif 000003
【００５２】
最終結果、即ち、流出油における水が０．２％に対して０．５％というのは劇的には見えないかもしれないが、この差は、石油生産および精製プロセスの操業においては非常に有意である。何故なら、この低下により、パイプラインや生産および精製機器における腐食が大幅に減少するからである。また、精製コストも低減する。
【００５３】
前述のように、本発明の原理にしたがって凝集を強化するために処理ベッセルの電極に印加する基本周波数Ｆ１は、ｐｓ／ｍ単位で表すエマルジョンの導電率と関係がある。Ｆ１は、ｐＳ／ｍ単位でのエマルジョンの導電率の約０．０１から０．０４倍の範囲であることが好ましい。図示の例では、原油の導電率レベルがｐＳ／ｍ単位で７５，０００であり、Ｆ１を１４５０Ｈｚに選択した。つまり、比率は０．０１９３、即ち、好ましい範囲の中間である。変調周波数Ｆ２は、エマルジョンの界面張力に関係があり、約１０から６０の範囲の値を、ダイン／ｃｍ単位で表した場合の界面張力で除算した値が好ましい。図示の例では、原油の界面張力は１５ダイン／ｃｍと測定され、選択した変調周波数Ｆ２は２．７Ｈｚであり、４０の定数が得られた。この場合も、好適な範囲のほぼ中間である。
【００５４】
二重周波数システムの選択可能に可変なＦ１およびＦ２に加えて、エマルジョンの凝集を強化するための処理ベッセルの設計者は、最小および最大変調電圧も決定しなければならない。前述のように、最大電圧は、エマルジョンの臨界電圧程度であることが好ましく、したがって、計算した臨界電圧の約０．８倍から１．２倍の範囲とするとよい。臨界電圧は、エマルジョンが原油である場合には、ダイン／ｃｍ単位で表したエマルジョン界面張力を、ミクロン単位の水液滴径で除算した値の平方根の約２５５，０００倍であることが好ましい。前述の表に示した例において用いられる原油に対してこの関係を用いると、臨界電圧は３８，４００Ｖ  ＲＭＳと計算され、Ｆ２の最大電圧にこれを選択した。
【００５５】
理論的には、エマルジョンのしきい値電圧を計算することは可能であるが、実際には、エマルジョンのサンプルから直接測定することが最良である。この理由のため、ユーザが原油の凝集を強化するために処理ベッセルを調達したい場合、通常、設計者にエマルジョンの閾邸電圧を提供するか、またはサンプルを供給し、設計者が実験室においてしきい値電圧を決定する。しきい値電圧は、最小のエネルギでエマルジョン内の水液滴を凝集させて大きなサイズとし、エマルジョンから沈静させる最低電圧である。ここに教示する二重周波数凝集方法では、変調周波数Ｆ２の最小電圧は、測定したしきい値電圧の約０．８倍から１．２倍の範囲とするとよい。教示する二重周波数方法では、最小電圧は、１サイクルのいずれの実質的な割合(substantial percentage)についても、しきい値電圧よりも低くなければならない。何故なら、凝集はこのような時間中本質的に停止するからであるが、場合によっては、Ｆ２の最小値をしきい値電圧よりも少し低く設定することが望ましい場合もある。図示の構成では、処理する原油のしきい値電圧は１７，０００Ｖ  ＲＭＳであり、これをＦ２の最小電圧として選択した。
【００５６】
油／水エマルジョンにおける水の凝集を強化するためのＡＣ静電界の使用に関する基本概念は、双方ともPresstridgeに発行された米国特許第３，７７２，１８０号および第４，４００，２５３号、ならびに、Ferrin, et al.に発行された第４，４１７，９７１号に記載されている。
【００５７】
以下の更に別の米国特許は、ここで引用することにより、本願にも含まれるものとする。第６，０１０，６３４号、第４，６０６，８０１号、第４，７０２，８１５号、第４，５８１，１２０号、第５，７４３，４３１号、第５，５７５，８９６号、第３，７７２，１８０号、第４，４００，２５３号、および第４，４１７，９７１号。
【００５８】
他の分離技法と組み合わせて図示および説明したものを含む、本発明の二重周波数静電凝集方法およびシステムの用途の例示は、限定ではなく一例として行ったに過ぎない。これは、本発明のシステムおよび方法を含む二重周波数静電凝集概念は、エマルジョンの重い成分および軽い成分の分離の効率および有効性向上を達成するために他の独特で有用な組み合わせにも採用できるからである。
【００５９】
この論点について本発明の技術を例示し論じたのは、これが特に「二重周波数」静電凝集に関するからである。場合によっては、丁度２種類、即ち、二重周波数よりも多くの周波数を用いた場合に、静電凝集の改善が強化されることも確認されている。この改良技術は、「多重周波数静電凝集」と名付けることもできる。勿論、「二重」周波数は、静電凝集技術を記述するために用いる場合には、「多重周波数」の一例となる。
【００６０】
更に、変調周波数によって強度を変調する基本周波数、即ち、振幅変調ではなく、周波数変調や、振幅変調および周波数変調の組み合わせというような、別の種類の変調も、静電凝集を強化するために採用できることも収得した。このような技術を「多重周波数」静電凝集と呼ぶことにする。
【００６１】
印加電圧を変調すると、油含有水エマルジョンを不安定にするのに役立つ。エマルジョンにおいて水液滴を適当に不安定にし損ねるのは、一般に、脱水性能が低いことが原因である。有効となるには、電圧を低しきい値電圧から高臨界電圧まで変調しなければならない。電圧がしきい値レベルよりも低い場合、静電凝集は本質的に停止する。電圧が臨界電圧よりも高い場合、液滴が粉砕され、したがってエマルジョンから沈静するのに必要な十分な直径まで成長しない。
【００６２】
典型的な多重周波数分離プロセスは、高い周波数（８００〜１６００Ｈｚ）の電源を、
低い周波数（１〜２０Ｈｚ）の変調と組み合わせて利用する。このプロセスは、三相電圧をＤＣバス電圧に変換することによって実用化することができる。次いで、ＤＣ電圧を変調して低周波電圧を供給し、更にこれを細分して所望の高周波を得る。このプロセスによって発生する波形は、静電凝集に成功するためには、５つの特性上の特徴を有していなければならない。第１に、最低電圧はしきい値電圧またはその近傍でなければならない。第２に、最高電圧は臨界電圧近傍でなければならない。第３に、基本周波数Ｆ１を、原油の導電率から決定する。第４に、変調周波数Ｆ２は、必要な液滴サイズ、ならびに原油および水の混合物、即ち、エマルジョンの界面張力に左右される。振幅変調高周波波長を１対のダイオードによって整流すると、正および負の波形が生ずる。図２Ａおよび図２Ｂを参照のこと。第５に、波形特性、即ち、変調の形状が重要である。この形状は、正弦波または方形波、あるいは図５から図１２に示すような種々のその他の波形とすることができる。加えて、図１２に示すような波形の組み合わせも用いることができる。
【００６３】
正および負の波形は、平行板状に配置し、各々逆の電気極性を有する、隣接した電極に印加することができる。この配置を図３に示す。
この「多重周波数」方法は、高周波静電界を確立し、電界強度および低周波変調場を最大にして散乱水の凝集を促進し最大液滴サイズにすることによって、静電凝集を促進する。この技法は、商業的に成功しており、従来の非変調凝集方法に対して、３０から１００％凝集性能を向上させる。
【００６４】
図１から図４までを参照しながら論じた波形は、高周波波形の振幅を制御することによって発生する低周波波形から成る。この多重周波数方法は、低しきい値電圧と高臨界電圧との間の印加電圧の強度を変調し、多数の試験的な試作に利用されており、少なくとも１つの現場試作において成功している。多重周波数波形の適用によって得られた性能結果から、同一の流出水含有量を維持しつつ、既設の静電分離器の処理容量を２倍にすることができた。
【００６５】
多重周波数静電凝集装置が最大効率で作動しているとき、散乱水は容易に凝集して非常に大きな液滴となり、この液滴は、臨界レベルよりも高い過剰電圧で容易に粉砕することができる。これらの大きな液滴を維持するためには、臨界電圧を下げなければならない。図１３を参照のこと。臨界電圧の理論的限界は、しきい値電圧であるが、実用上の限界は、しきい値よりも約２ｋＶ上であると考えられる。数回の性能検査において、最良の結果が得られたのは、臨界電圧を、しきい値電圧よりも数千ボルト高く設定したときであった。
【００６６】
多重周波数プロセスによって精製した大きな水液滴のために、液滴の粉砕を防止するためには、最適変調周波数を低下しなければならないことも観察されている。この観察は、液滴サイズおよび界面張力に基づく液滴の自然周波数とも一致する。図１４を参照のこと。変調周波数の理論的限界は、液滴の成長が最大のときには０である。最大の液滴凝集のため、そして応用物理にしたがうと、理想的な変調周波数は、計算した最大水液滴の自然周波数未満でなければならない。図１５に示すように、加える周波数Ｆａが液滴の自然周波数Ｆｎと一致する場合、液滴は過度に伸張し、粉砕される。図１５を参照のこと。図１５は、加える周波数が液滴の自然周波数に等しいときに、最大の液滴伸張が生ずることを示す。経験から決定される実用上の限界は、約０．１Ｈｚであると考えられる。
【００６７】
変調周波数は、液滴サイズおよび界面張力に基づいて選択するが、原油の導電率は水液滴の静電挙動を制御する。対称的な波形を歪ませて唯一の波形を精製することにより、２つの追加の周波数が得られる。図６から図１１は、歪ませた波形を示す。原油では、導電率が低いと変調波形が歪み、図６、図８、および図１０に示すように、そして図８において最も分かりやすく示すように、電圧が急速に上昇し、次いでゆっくりとした電圧の低下
が生じ、静電エネルギを最大に高める。導電率が高い原油では、図７および図１１に示すように、電圧はゆっくりと上昇して液滴の粉砕を防止し、次いで急速な電圧が生ずる。検査によって確認されたのは、図７および図１１に示すような高周波上昇電圧に最も良く応答する原油があり、他方図６、図８、および図１０に示すような高周波低下電圧を必要とする原油もあるということである。
【００６８】
多重周波数方法を原油における散乱水の凝集に適用することによって、しきい値電圧と臨界電圧との間で電圧を変調すると、著しい液滴成長を促進することが実証されている。しかしながら、この凝集が達成される場合、液滴サイズを制御するために最大電圧を低下させなければならないことも観察されている。また、変調波形において正しい荷電周波数と別個の正しい凝集周波数とを設定することは、凝集プロセスには非常に有益であることも観察されている。図１４および図１５に示すように、加える周波数と液滴の成長との間には、強い相関がある。静電界強度の変調は、液滴の凝集を最適化するためには、最小に抑えなければならないので、静電界周波数を変調することにより、一層の液滴成長を達成できることが観察されている。図５および図１２に示す周波数変調波形の使用等によって、広いスペクトルにわたって周波数を掃引することにより、最大の液滴母集団(population)の顕著な不安定化が促進する。最小の散乱水液滴は、最高の周波数において不安定となる。この周波数が減衰するに連れて、大きな液滴が不安定になり初め、周波数が最低レベルとなるまで、凝集により一層大きな液滴が形成される。この「周波数変調」の概念を図５および図１２に示す。
【００６９】
図５および図１２に示すような、広いスペクトルにわたって周波数を掃引することは、しきい値および臨界レベル間で電圧強度を変調することに相当する。しかしながら、既に説明したように、液滴の母集団が大きな液滴サイズに移っていくと、しきい値電圧および臨界電圧は互いに接近し合い、電圧レベルが一致すると破壊に至る。
【００７０】
理論的には、全てのサイズの水液液が存在できるのは、しきい値電圧において変調周波数が０Ｈｚのときのみである。変調周波数が上昇するに連れて、高調波破壊により、大きな水液滴が粉砕し始める。他方において、一旦これらの液滴が不安定になると、これらは容易に凝集して大きな液滴となり、エマルジョンから分離する。周波数をほぼ０Ｈｚからほぼ５０Ｈｚまで掃引すると、散乱水液滴の大きな母集団が不安定になる。図１４を参照のこと。外部水液滴膜を破壊すると、散乱水液滴が不安定となり、電圧変調のみで可能な液滴の成長（凝集）よりも大きく成長することが可能となる。
【００７１】
周波数の変調を電圧の変調と組み合わせることにより、いずれかの形式の変調のみを用いる場合よりも、大きな水液滴の不安定化および凝集を達成することができる。上位および下位周波数間の変動は、第３「周期」周波数において発生し、液滴の凝集を増加することができる。図１２を参照のこと。
【００７２】
基本周波数は、効果的な凝集に必要であれば、０および２５００Ｈｚの間で変更することができる。最適な範囲は１００および１６００Ｈｚの間である。基本周波数は、電圧振幅と同時に変化させることができる。図１２を参照のこと。また、液滴の成長を促進する更に別のツールを設けるために、基本周波数を０から１８０度までずらすこともできる。変調周波数は、０Ｈｚを含むいずれの周波数においても一定に保持することができる。変調周波数は、常に基本周波数Ｆ１未満でなければならないが、０Ｈｚから１００Ｈｚまで変化することができる。最適変調周波数は０．１および６０Ｈｚの間である。
【００７３】
図５から図１１に示すように、変調波形を歪ませる場合、変調周波数は、高および低周波数の組み合わせから成る平均である。高周波数は、波形の先端または後端とするとよい。例えば、電圧が３０Ｈｚの周波数において徐々に上昇し、２Ｈｚの周波数で徐々に低下
する場合、平均周波数は３．７５Ｈｚとなる。振幅変調周波数が０Ｈｚで、印加電圧がしきい値レベル近傍の場合、基本周波数は、図５の波形を用いることによるというように、液滴の凝集を促進するために、広い範囲にわたって変調した周波数とすることができる。０Ｈｚよりも大きな振幅変調周波数では、基本周波数は、更に低い基本周波数から更に高い基本周波数までの広い範囲にわたって変調した周波数とすることもできる。例えば、基本周波数は１６００Ｈｚおよび５００Ｈｚの間で変更することができ、発振周波数は、変調周波数と同等とすることもできる。
【００７４】
本発明は、熟練した技術者には周知であり、周波数変調比送信および受信の実際において例示されている周波数変調回路の使用により、図５および図１２にの波形において図示したように、周波数変調を含むように実用化することができる。周波数変調は、図１および図３の変調器５２おおびチョッパ５６を、周波数変調機器と交換することによって行うことができる。これらの図における変調器５２は、周波数変調を行う容量(capacity)を含む。
【００７５】
特許請求の範囲および明細書は、提示した発明について記載したのであり、特許請求の範囲において用いた用語は、その意味を明細書におけるこのような用語の使用から引き出している。従来技術において用いられている同じ用語は、この中で具体的に用いている場合よりも意味が広い。従来技術において用いられているこのような用語の広い定義と、この中における用語の更に具体的な使用との間に疑問がある場合はいつも、更に具体的な意味を想定している。
【００７６】
本発明は、ここに図示し説明した回路、波形、およびグラフィックスに限定されるのではなく、各要素またはステップに与えられる均等の最大範囲を含む、ここに添付した特許請求の範囲によってのみ限定されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】図１は、処理ベッセル内に離間して位置する電極に電気エネルギを供給する回路を示す模式図である。エマルジョンが処理ベッセルに流入すると、少なくともその一部が、電極間に発生する電界内を通過する。ベッセルは、当該ベッセルの下位部分に位置する重い成分（水）出口と、ベッセルの上位部分に位置する軽い成分（油）出口とを含む。図１の回路は、多数の方法で変調する基本周波数Ｆ１において、ベッセル内部の電極間に確立した電界を変化させる。
【図２】図２は、本発明のエマルジョンの不混和性の重成分および軽い成分の分離を増強する方法を実用化するために用いられる処理ベッセル内にある電極に印加する電位を表す波形パターンである。図２のグラフが示す電圧パターンは、電界を発生するために離間電極に印加することができる。電圧パターンは、周波数Ｆ２で振幅変調した基本周波数Ｆ１を有する。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明を実用化する際に用いる高電圧変圧器の二次側に供給される正電圧の波形を示す。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明を実用化する際に用いられる高電圧変圧器の二次側における負電圧の波形を示す。図２Ａおよび図２Ｂは、整流器を各電極と直列に用いるときに得られる波形パターンを示す。
【図２Ｃ】図２Ｃは、変調周波数Ｆ２が方形波であるときに、変圧器の一次側に印加する電圧パターンを示すことを除いて、図２と同様である。
【図３】図３は、図１に示した発明の基本概念を変更した実施形態である。この実施形態では、電圧波形が、接地に対して、半波サイクルとなるように、ダイオードが各電極と直列となっており、一方の電極が正の半波サイクルを有し、他方の電極が負の半波サイクルを有する。更に、図３は、エマルジョンを脱塩するために用いるように改造可能な発明を示す。この場合、淡水をシステム内に注入して、過剰な塩分を排出しつつ、同時にシステムの静電凝集機構が、システムから移る油に含有する水の量を低減する。
【図４】図４は、図３に関して参照した、脱塩用途に特に適用する場合における本発明の方法を開示し、ここでは、凝集環境において淡水を用いて、油出力の塩分含有量を低減する。複数の垂直に配置し離間したプレートが規定する区域において、基本波形を有する電圧の印加により静電界を発生する。基本周波数Ｆ１を変調して、エマルジョンに含有する水の液滴の凝集を促進する。
【図５】図５は、図２の波形と比較する、異なる種類の変調を含む波形を示す。この波形では、振幅は、基本周波数が順次変動する間、本質的に一定に留まる。具体的には、波形は周期的に周波数Ｆ１から周波数Ｆ３まで変化する。つまり、これは周波数変調器である。この種の変調を周波数変調と呼び、「ＦＭ」無線伝送において習慣的に用いられている。
【図６】図６は、本質的に正弦波状の基本周波数Ｆ１を示す、異なる波形であり、基本周波数の振幅を、「階段」パターンを生成するように変調する。図６において、基本周波数Ｆ１の振幅の強度は、周期的に素早く上昇しゆっくり低下する。一般的に言うと、エマルジョンが図６に示す形式の電界を通過するとき、波形の振幅が増大する部分が水液滴を不安定にし、一方電圧波形の振幅が減少する部分では、液滴の凝集が生ずる。
【図７】図７は、図６の観察である波形の一例を示し、Ｆ１の振幅が徐々に増大し、次いでそれよりも急激に減少する。この実施形態では、エマルジョンの水液滴が不安定になるのを遅くし、凝集が生ずるまでの時間を短縮する。この種の波形は、低導電率の原油を処理するときに採用すると成功する。
【図８】図８は、立ち上がり部分が立ち下がり部分と比較してかなり素早いことを除いて、図６と同様の波形パターンである。
【図９】図９は、エマルジョンの凝集のために、離間した電極に印加することができる電気信号の変調パターンを示し、基本電圧Ｆ１の強度が指数的に上昇し、同様に指数的に低下する。図９において、上昇および低下の指数関数的速度は、実質的に同一である。
【図１０】図１０は、静電凝集システムの電極に印加する基本周波数Ｆ１を示すという点で、図９に相当し、波形の強度即ち振幅が高い指数関数的速度で上昇、低い指数関数的速度で低下する。
【図１１】図１１は、図１０の観察を示し、基本電圧の強度が低い指数関数的速度で上昇し、高い指数関数的速度で減少する。通例、図１１の波形は、導電率が高い原油性エマルジョンと共に用いられ、図１０の波形は、原油の導電率が低いときに用いられる。図９の波形は、通例、原油の導電率が中程度のときに用いられる。
【図１２】図１２は、エマルジョン内にある電極に印加することができる電圧波形であり、基本波形Ｆ１が正弦波であり、周波数変調されて、比較的低い周波数から比較的高い周波数まで変化し、同時に振幅変調する。図１２は、振幅および周波数変調を組み合わせた一例である。
【図１３】図１３は、静電凝集において用いられる波形のしきい値電圧および臨界電圧の重要性に関する。油性エマルジョンにおける水の凝集を促進するために静電界を確立するために印加する電圧波形パターンにおける変化に加えて、これら２つの特性も重要である。しきい値電圧は、凝集が生ずる最大電圧であり、一方臨界電圧は、エマルジョンにおいて水液滴を粉砕せずに用いることができる最大電圧である。通例、交流電流信号によるエマルジョンの静電処理では、信号強度は、しきい値電圧および臨界電圧によって確定される範囲内で変化する必要がある。図１３は、液滴径およびエマルジョンの界面張力に応じて臨界電圧がどのように変化するかを示す。この図は、３つの異なる界面張力、即ち、界面張力が１センチメートル当たり１０ダイン、１センチメートル当たり２０ダイン、および１センチメートル当たり３０ダインとしたときのエマルジョンを示す。
【図１４】図１４は、液滴のサイズに基づいた水液滴の自然周波数とエマルジョンの界面張力との関係を示す。
【図１５】図１５は、最大液滴凝集について、そして応用物理学にしたがって、変調周波数「Ｆａ」は最大水液滴について計算した自然周波数「Ｆｎ」よりも低くなければならないことを示す。印加する変調周波数Ｆａが液滴の自然周波数Ｆｎを超過すると、液滴は過度に長くなって粉砕する、即ち、一層小さな液滴に分解し、所望の凝集とは逆になる。この図は、界面張力が１センチメートル当たり１０ダイン、液滴径「ｄ」が５００ミクロンのときの、ミクロン単位の液滴伸張と、変調周波数の液滴自然周波数に対する割り当て(ration)との関係、即ち、Ｆａ／Ｆｎを示す。
【図１６】図１６は、基本周波数を電圧の振幅と同時に変化させることができる概念を示す。この図では、電圧信号の周波数は、最大振幅では低く、振幅が減少する程高くなる。
【図１】
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【図２】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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