DE19923901A1

DE19923901A1 - Verfahren und Mittel zur Zugabe von Emulsionsbrechern in einen Prozesstank

Info

Publication number: DE19923901A1
Application number: DE19923901A
Authority: DE
Inventors: John Anthony Byatt; Thomas Kleiner; Daniel Matter; Pretre Philippe
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1999-05-25
Filing date: 1999-05-25
Publication date: 2000-11-30
Also published as: WO2000071640A1; AU4283900A

Abstract

In einem Verfahren zur kontrollierten Zugabe von Emulsionsbrechern (EB) in einen Prozesstank, insbesondere in einen mit Öl und Wasser gefüllten Separationstank (1), wird mittels eines Sensors (2) mit vertikaler Ortsauflösung eine Emulsionsschicht (E) detektiert und ein Sensorsignal an eine Zufuhrsteuerung (3) geleitet, worauf mittels der Zufuhrsteuerung (3) eine Menge an zuzuführendem Emulsionsbrecher (EB) in Abhängigkeit des Sensorsignals dosiert zugegeben wird. Dadurch lässt sich die Menge an Emulsionsbrecher (EB) minimal dosieren. Als Sensoren sind insbesondere kapazitive Füllstandssensoren oder Gammastrahlen-Dichteprofilsensoren geeignet.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Prozess steuerung. Sie bezieht sich auf ein Verfahren und ein Mittel zur kontrollierten Zugabe von Emulsionsbrechern in einen Prozesstank gemäss Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 6.

Stand der Technik

Unerwünschte Emulsionsbildung in Prozesstanks erfolgt in diversen Herstelllungsbereichen. Ein Beispiel hierfür ist der Ölseparationstank, bei welchem ein frühzeitiges Erkennen und eine rechtzeitige Reduktion einer Emulsionsbildung an der Öl/Wasser-Grenzschicht wesentlich ist, um die Ölförderung zu optimieren. Es werden deshalb Chemikalien, sogenannte Emul sionsbrecher oder Demulgiermittel, zugeführt, welche die Emulsion aufbrechen und dadurch eine Verzögerung des Prozesses vermeiden. Derartige Emulsionsbrecher sind aus dem Stand der Technik bekannt. Üblicherweise werden sie kontinuierlich in den Prozesstank geleitet, wobei ihre Menge auf Erfahrungswerten beruht und so gross bemessen ist, dass Emulsionen mit Sicherheit aufgebrochen werden.

Prozesstanks, welche frei zugänglich sind, lassen sich bezüg lich Emulsionsbildung sporadisch durch Augenscheinnahme kon trollieren. Befindet sich der Prozesstank jedoch auf dem Meeresboden, beispielsweise bei einer Offshore-Erdölförderung, so ist eine derartige Kontrolle nicht möglich. Um die Funktionsfähigkeit der Separationsanlage zu gewährleisten, wird in diesem Fall die zugeführte Menge an Emulsionsbrechern überaus grosszügig bemessen.

Die Verwendung von Emulsionsbrechern weist jedoch mehrere Nachteile auf. Emulsionsbrecher sind teuer, sie belasten die Umwelt und müssen zudem oft wieder aus dem Prozessfluid extrahiert werden.

Darstellung der Erfindung

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und ein Mittel zur Zugabe von Emulsionsbrechern in einen Prozesstank zu schaffen, welche eine minimale Dosierung von Emulsions brechern erlauben.

Diese Aufgabe löst ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie ein Mittel mit den Merkmalen des Patentanspruches 6.

Erfindungsgemäss wird die Bildung einer Emulsionsschicht mittels eines eine vertikale Ortsauflösung aufweisenden Sensors detektiert, wobei lediglich bei Detektion einer Emulsionsschicht Emulsionsbrecher in einer zur Auflösung der Emulsionsschicht erforderlichen Menge zugeführt wird.

Die Verwendung eines Sensors mit einer vertikalen Orts auflösung ermöglicht eine quantitative Aussage über die Dicke der Emulsionsschicht, was eine optimierte Dosierung der Menge an Emulsionsbrecher erlaubt.

Vorzugsweise wird ein kapazitiver Sensor oder ein Gamma strahlen-Sensor verwendet. Derartige Sensoren sind im Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus DE 197 22 837 und WO 98/33044, wobei sie als Füllstandssensoren eingesetzt werden.

Weitere vorteilhafte Varianten des Verfahrens und bevorzugte Ausführungsformen gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden wird das erfindungsgemässe Verfahren und der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Ausführungs beispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Separationstanks mit einer Emulsionsbrecher-Zufuhreinrichtung;

Fig. 2a eine schematische Darstellung eines kapazitiven Sensors in einem Separatortank gemäss einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2b eine eine Emulsionsbildung aufzeigende Graphik, gemessen mittels des kapazitiven Sensors gemäss Fig. 2a und

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Gammastrahlen sensors in einem Separationstank gemäss einer zweiten Ausführungsform.

Wege zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1 ist als Beispiel für einen Prozesstank ein Separa tionstank 1 dargestellt. Derartige Separationstanks 1 werden in der Offshore-Erdölförderung unterhalb der Meeresoberfläche eingesetzt, um die bei der Ölförderung auftretenden verschie denen Phasen (Sand, Öl, Wasser und Gas) aufgrund ihrer Dichte unterschiede zu separieren und in getrennten Leitungssystemen abzuführen.

Der Separationstank 1 weist eine Einfüllöffnung 10 sowie vier Auslassöffnungen 11, 12, 13, 14 auf. Durch die Einfüllöffnung 10 gelangt eine Mischung aus Gas, Öl, Wasser und Sand in den Separationstank 1. Die Einzelkomponenten der Mischung lagern sich entsprechend ihrer Dichte in unterschiedlichen Abständen von der Einfüllöffnung 10 sowie in verschiedenen Höhen ab. So sammelt sich der schwere Sand S in der Nähe der Einfüllöffnung 10 und lässt sich durch die zur Einfüllöffnung am nächsten liegenden, vorzugsweise im Boden des Tanks angeordneten ersten Auslassöffnung 11 abführen. Über der Sandschicht S lagern sich Wasser W, Öl O und Gas G ab, und zwar in genannter Reihen folge. Zwischen Gas G und Öl O ist im allgemeinen eine Schaum schicht F vorhanden. Ebenso bildet sich zwischen Öl O und Wasser W eine Emulsionsschicht E. In Einlassrichtung nach der sandabführenden ersten Auslassöffnung 11 ist die zweite Aus lassöffnung 12 für Wasser W und dieser nachfolgend die dritte Auslassöffnung 13 für das Öl O angeordnet. Die Einzugsbereiche der zweiten und dritten Auslassöffnungen 12, 13 sind hierfür durch eine Trennwand 15 voneinander getrennt. Das Gas G ent weicht durch die vierte Auslassöffnung 14, welche im oberen Bereich des Separationstanks 1 angeordnet ist. In einer anderen, insbesondere bei Unterwassertanks bevorzugten Ausführungsform wird das Gas G zusammen mit dem Öl O durch die dritte Auslassöffnung 13 geleitet.

Im Separationstank 1 ist ferner ein stabförmiger Sensor 2 an geordnet, welcher in einer vertikalen Ortsauflösung die Grenz schicht zwischen Öl O und Wasser W und somit die Emulsions schicht detektiert. Im hier dargestellten Beispiel dient er zugleich als Füllstandssensor zur Detektion einzelner Grenz schichten des gesamten Füllgutes. Er ragt deshalb in den Sepa rationstank 1 hinein, wobei er sich mindestens annähernd über die gesamte Höhe des Separationstanks 1 und somit durch alle Phasen des Füllgutes erstreckt. Zur Detektion der Emulsions schicht würde es jedoch grundsätzlich ausreichen, wenn sich der Sensor 2 lediglich über denjenigen Bereich des Separa tionstankes 1 erstreckt, in welchem potentiell eine Emulsion entstehen könnte.

Der Separationstank 1 ist mit einer Emulsionsbrecher-Zufuh reinrichtung 3 versehen, welche einen Emulsionsbrecher- Vorratstank 30 und eine Emulsionsbrecher-Zufuhrsteuerung 31 aufweist. Der Emulsionsbrecher-Vorratstank 30 ist über eine Zuführungsleitung 33 mit dem Separationstank 1 verbunden, wobei die Zuführungsleitung mittels eines über die Zufuhr steuerung 31 regelbares Ventil 32 verschliessbar ist.

Die Emulsionsbrecher-Zufuhreinrichtung 3 ist mit der Sonde 2 verbunden. Detektiert die Sonde 2 eine Emulsionsschicht, so wird ihr Signal an die Zufuhrsteuerung 31 weitergeleitet, worauf Emulsionsbrecher aus dem Vorratstank 30 in den Separa tionstank 1 geleitet wird. In einer ersten Variante des Ver fahrens wird bei Auftreten der Emulsionsschicht E Emulsions brecher EB eingeleitet und die Zuleitung erst wieder gestoppt, wenn der Sensor 2 keine relevante Emulsionsschicht mehr detek tiert.

In einer weiteren Variante des Verfahrens wird die Menge an Emulsionsbrecher dem Signalwert angepasst. Das heisst, je dicker die Emulsionsschicht E, umso mehr Emulsionsbrecher EB wird zugeführt. Die genau eingeleitete Menge hängt dabei im wesentlichen von der Art des Emulsionsbrechers EB und der Dicke der Emulsionsschicht E ab und wird im allgemeinen empi risch festgelegt. Dadurch lässt sich die Zufuhr an Emulsions brecher EB bereits stoppen, bevor die Emulsionsschicht E redu ziert worden ist.

Als Sensor 2 eignet sich grundsätzlich jeder Sensor, welcher eine Emulsionsbildung nachweisen kann. Vorzugsweise wird eine Elektrodenanordnung zur kapazitiven Messung der Elektroden umgebung oder ein Gammastrahlen-Sensor eingesetzt.

In Fig. 2a ist schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel des Sensors zur Detektion der Emulsionsschicht dargestellt. Es handelt sich um eine stabförmige geschlossene Sonde, welche in ein Füllgut eingetaucht ist, um die umgebungsabhängige Kapazi tät zu messen. Dieser kapazitive Sensor 2' weist mehrere, entlang einer Sondenachse 20 angeordnete ringförmige Elektro den 21, 22, 23, 24, 25, 26 auf. Die prinzipielle Funktionsweise beruht darauf, dass zwischen benachbarten Elektroden 21, 22, 23, 24, 25, 26 die Kapazitätsänderung gemessen wird, welche durch eine Verschiebung einer Grenzschicht zwischen einem leitfähigen Medium, beispielsweise Salzwasser, und einem iso lierenden Medium, beispielsweise Öl, verursacht wird. Elektro denpaare, welche im isolierenden Material liegen, messen eine Kapazität von mindestens annähernd 0. Beginnt sich eine Emul sionsschicht zu bilden, so verzeichnet die Sonde einen Anstieg der Kapazität. Die Dicke der Emulsionsschicht ergibt sich dabei aus den einzelnen Kapazitätswerten sowie aus der Anzahl der betroffenen Elektronenpaare.

Für diese Messung als besonders geeignet hat sich der in WO 98/33044 beschriebene kapazitive Füllstandssensor erwiesen. Er weist im wesentlichen den oben beschriebenen Aufbau auf, wobei die Elektroden grossflächig ausgebildet sind und relativ dicht beeinander liegen. Das Verhältnis von Elektrodenhöhe zum Abstand benachbarter Elektroden ist dabei grösser als eins, vorzugsweise liegt es im Bereich von 1 bis 6. Dieser Füll standsensor weist eine hohe Messgenauigkeit über einen grossen Füllstandsbereich auf. Der störende Einfluss von Schmutzfilmen auf das Sondensignal wird bei dieser Sonde dadurch vermieden, dass sie mit Frequenzen betrieben wird, welche an die Leit fähigkeit der Medien, in diesem Beispiel Öl und Wasser, und des Schmutzfilms angepasst sind.

In Fig. 2b ist eine Simulation einer Emulsionsbildung in einem Separatortank dargestellt, welche mit dem obengenannten kapazitiven Füllstandssensor gemessen worden ist. Die von den einzelnen Elektroden detektierten Kapazitäten in Farad [F] sind als Funktion der Zeit in Sekunden [s] dargestellt. Zum Zeitpunkt 0 sind die Elektroden 21, 22 und 23 von Wasser und die Elektroden 24 und 25 von Öl O umgeben. Die Elektrode 26 liegt in der gasförmigen Zone. Dies ist in Fig. 2a dargestellt. Die Signale der benachbarten Elektroden sind in der Fig. 2b mit 21', 22', 23', 24' und 25' gekennzeichnet, wobei das Signal 21' vom Elektrodenpaar 21 und 22 herrührt.

Zum Zeitpunkt 50 wurde eine schwache Emulsion gebildet, welche im Signal 22' erkennbar ist. Die Emulsion löste sich schnell wieder auf. Zum Zeitpunkt 100 wurde eine stärkere Emulsion gebildet, welche sich über die Elektroden 24 und 25 erstreckt. Die korrespondierenden Signale 24' und 25' sind eindeutig erkennbar. Zum Zeitpunkt 165 erfolgte, wie ebenfalls in Fig. 2b erkennbar ist, eine Separation, welche zum ursprünglichen Messsignal zurückgeführt hat.

In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform ist der Sensor zur Detektion einer Emulsionsbildung ein Gammastrahlen-Sensor. Mittels derartiger Gammastrahlen-Sensoren lässt sich basierend auf der Absorption von Gammastrahlen in einer Materie ein Dichteprofil dieser Materie erstellen. Von einer oder mehreren Gammaquellen werden energiereiche Photonen beziehungsweise Gammastrahlen ausgesandt, welche teilweise von der Materie absorbiert werden. Die Absorption hängt exponentiell von der durchstrahlten Länge ab, wobei der Absorptionskoeffizient proportional zur Dichte ist. Die restlichen transmittierten Photonen werden in mindestens einem Lichtdetektor in ein elektrisches Sensorsignal umgewandelt. Unterschiedliche Sensorsignale signalisieren Dichteunterschiede in der Materie.

Mittels dieses Sensors lässt sich ebenfalls die Entstehung einer Emulsionsschicht sowie ihre Dicke detektieren.

Vorzugsweise wird ein Gammastrahlen-Sensor 2" eingesetzt, wie er in DE-A-197 22 837 als Füllstandsmesser beschrieben. Er um fasst mehrere Gammastrahler 27, die im wesentlichen vertikal übereinander angeordnet sind, sowie einen beabstandet gegen über angeordneten, stabförmigen, lichtleitenden Szintilla tionsdetektor 28, welcher an mindestens einem Ende mit einem Photodetektor 29 optisch verbunden ist. Das Dichteprofil wird aus der Zählrate der Szintillationsblitze in Funktion der Laufzeitdifferenz der sich in entgegengesetzte Richtungen aus breitenden Lichtanteile bestimmt.

Das erfindungsgemässe Verfahren und das erfindungsgemässe Mittel ermöglichen eine den Bedürfnissen angepasste und mini mal dosierte Zugabe von Emulsionsbrechern in einen Prozess tank, da die Emulsionsbildung fortlaufend detektiert wird und in Abhängigkeit dieses Sensorsignals eine Dosierung festgelegt wird.

Bezugszeichenliste

1

Separatortank

10

Einfüllöffnung

11

erste Auslassöffnung

12

zweite Auslassöffnung

13

dritte Auslassöffnung

14

vierte Auslassöffnung

15

Trennwand

2

Sensor

2

' kapazitiver Sensor

2

" Gammastrahlen-Sensor

21

Elektrode

22

Elektrode

23

Elektrode

24

Elektrode

25

Elektrode

26

Elektrode

27

Gammastrahler

28

Szintillationsdetektor

29

Photodetektor

21

' Sensorsignal

22

' Sensorsignal

23

' Sensorsignal

24

' Sensorsignal

25

' Sensorsignal

3

Emulsionsbrecher-Zufuhreinrichtung

30

Emulsionsbrecher-Vorratstank

31

Zufuhrsteuerung

32

Ventil

33

Zuführungsleitung
G Gas
O Öl
W Wasser
S Sand
E Emulsionsschicht
F Schaum
EB Emulsionsbrecher

Claims

1. Verfahren zur kontrollierten Zugabe von Emulsionsbrechern in einen Prozesstank, insbesondere in einen mit Öl und Wasser gefüllten Separationstank (1), dadurch gekennzeich net, dass mittels eines Sensors (2, 2', 2") mit vertikaler Ortsauflösung eine Emulsionsschicht (E) detektiert und ein Sensorsignal an eine Zufuhrsteuerung (3) geleitet wird, worauf mittels der Zufuhrsteuerung (3) eine Menge an zuzu führendem Emulsionsbrecher (EB) in Abhängigkeit des Sensorsignals dosiert zugegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Emulsionsschicht (E) mittels eines kapazitiven Sensors (2') detektiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Emulsionsschicht mittels eines Gammastrahlen-Dichte profilsensors (2") detektiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (2, 2', 2") die Dicke der Emulsionsschicht (E) detektiert und die Dosierung in Abhängigkeit der detek tierten Dicke erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (2, 2', 2") zugleich den Füllstand eines Füll gutes im Prozesstank misst.

6. Mittel zur kontrollierten Zugabe von Emulsionsbrechern in einen Prozesstank, insbesondere in einen mit Öl und Wasser gefüllten Separationstank (1), dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel einen Sensor (2, 2', 2") mit vertikaler Ortsauflösung zur Detektion einer Emulsionsschicht (E) aufweist und dass ein Detektionssignal des Sensors (2, 2', 2") an eine Emulsionsbrecher-Zufuhrsteuerung (3) leitbar ist.

7. Mittel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Gammastrahlen-Dichteprofilsensor (2") ist.

8. Mittel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein kapazitiver Sensor (2') ist.

9. Mittel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (2, 2', 2") ein Füllstandssensor ist.