JP2012505074A - エマルジョンを破壊する改良方法 - Google Patents

Abstract

エマルジョンを解乳化する方法が提供される。この方法は、入口（１６）及び出口（１８）を有する流体プロセッサ通路（１４）に供給するステップを備え、前記入口（１６）及び出口（１８）間の前記通路（１４）の横断面積は前記入口（１６）における横断面積より小さくならない。前記通路（１４）を囲み、前記入口（１６）及び出口（１８）の中間で前記通路（１４）に開口する輸送流体ノズル（３４）に輸送流体源（６０）からが輸送流体が供給される。記輸送流体はノズル入口（３６）又はノズル出口（４０）の横断面積より小さい横断面積を有する前記輸送流体ノズル（３４）のスロート（３８）により加速される。前記輸送流体は前記ノズル出口（４０）から前記通路（１４）内の前記エマルジョン内に注入され、その結果前記エマルジョンが噴霧化され、連続蒸気相内にエマルジョン液滴の分散相を備える蒸気−液滴レジームが形成される。前記蒸気−液滴レジーム内のエマルジョン液滴の少なくとも一部分が気化され、その蒸気が最終的に凝縮されて液相に戻る。この方法を実行するのに適した装置も提供される。

Description

本発明は流体の処理に関する。より詳しくは、本発明はエマルジョンを破壊するプロセス及び装置を提供する。

エマルジョンは２つ以上の液体からなり、一つの液体の小滴（分散相）が別の液体（連続相）中に分散されている。エマルジョンの安定性は、密度、粘度、温度、ｐＨ、イオン強度及び液滴直径等のバルク材の多数のパラメータ及び薄膜粘度、電荷及び表面張力等の界面薄膜の多数のパラメータの関数である。エマルジョン安定性は自然に存在するもしくは添加された乳化剤の性質及び品質によっても影響される。エマルジョンを安定化させる乳化剤は多種多様である。一例として、油−水エマルジョン用の乳化剤／表面活性剤は油溶性（炭化水素基）部分と水溶性（極性）部分の両方を有する。従って、これらの剤は油−水界面に累積し、極性基が水に向き、炭化水素基が油に向き、安定な界面膜を形成する。この膜はエマルジョン液滴同士の合体を阻止し、エマルジョンを安定化する。同様に、粘土又は砂の微粒子のような粉末も、界面薄膜に移動し、液滴の周囲に密集した構造を形成し、物理的に合体を阻止することでエマルジョンを安定化する。

水性エマルジョンは石油産業において一般に出会うことができ、地下から原油を抽出すために利用されている種々の技術は油中水滴又は水中油滴エマルジョンをもたらしている。このような抽出技術の一例はスチームアシスト重力排水法であり、砂中に閉じ込められた油がスチームを砂中にポンプで注入することによって液化される。この技術は閉じ込められた油を砂から抽出することができるが、得られるスラリーは地表に水と油のエマルジョンとして現れる。このような原油中の「油」は単一の均質物質ではなく、異なる特性（密度，粘度等）を有する種々の炭化水素の混合物からなる。それゆえ、原油は貯留層間で大きく変化し得る。このエマルジョンの形成及びその安定性は、ナフテン酸、樹脂及びアスファルテンなどの油中に含まれる自然発生乳化材及び土又は砂の微粒子のような不純物により促進され得る。加えて、掘削流体、腐食及びスケール防止剤、ワックス及びアスファルテン分散剤及び防止剤などの油抽出に使用される化学物質及び剤もエマルジョンの形成及び安定化に寄与し得る。油を回収するために、エマルジョンを解乳化として知られるプロセスで破壊し、水を除去する必要がある。

原油は水と気体を自然に含有する貯留層に含まれている場合が多い。多くの場合、この水は塩水である。最初は密度が低い傾向がある油と気体が貯留層の上部に存在し、水はその下にある。油と気体が貯留層から抽出されるにつれて、水が次第に貯留層の大きな割合を満たし、最終的には油と一緒に水が地表に汲み上げられる点まで達する。ポンプ抽出プロセスに固有の乱流及び貯留層内に存在し得る自然発生乳化剤のために、混合物はエマルジョンとして地表に到達する傾向があり、このエマルジョンには多くの場合多量の塩も存在する。水及び他の汚染物（特に塩）は原油価額を下げるのみならずパイプライン及び精製装置を損傷し得るので、このエマルジョンは油を精製する前に破壊しなければならない。場合によっては、少しの水の存在でも、原油中に多量の塩が存在し得る。水を加え、混合して塩を溶解し、こうして生成されたエマルジョンを次に解乳化し、塩水を除去して、原油を精製することができる。

別の抽出技術は貯留層に水（例えば海水）を意図的に注入し、貯留層から油を取り出す。水は圧力を増大し且つ又油を抽出点に向け移動させ、その両プロセスが所定の貯留層から回収できる総油量を大きく増大するとともに抽出レートを長期間維持する。この抽出技術も地表に到達する原油の水性エマルジョンをもたらし、この場合もやはり成分への分離を必要とする。

石油産業における別の一般的なプロセスは、油ベースの流体及び泥を用いて井戸からドリル切屑を搬出する。これらの切屑はその後流体／泥から分離しなければならず、次に流体はコスト及び環境上の理由から清浄化し、再利用するのが好ましい。原油の抽出の副産物として生じる別の大量のエマルジョンはエマルジョン分離しがたい所謂「廃油」であり、これまで大形タンク又はラグーンに廃棄又は投棄されていた。環境規制の変化によって、このような廃棄によりもたらされる長期の環境ハザードはもはや許されず、安全な廃棄のために多大なコストがかかる。更に、このような「廃油」エマルジョンから油を回収できれば、そうすることに経済的利益がみこめるであろう。

場合によっては高粘性の原油（例えばビチューメン及びアスファルト性原油）をパイプラインを通して長距離に亘って輸送する必要がある。これを達成する方法は粘度を下げるために希釈剤（例えば低粘性油）又は加熱を使用する。このような方法は費用がかかる。代替方法ではパイプラインを通して輸送する前に水とできれば乳化剤を意図的に加えることによってエマルジョンを生成する。目的地に到着後、このエマルジョンを破壊して水を除去し、油を回収する必要がある。

上述した例では自ら油を分離するために、エマルジョン内の安定性を促進する力及び剤を分裂させる、弱める又は中和させることによってエマルジョンを破壊し、よって分散液滴同士の合体を促進する必要がある。

この種のエマルジョンを破壊する従来の方法は、殆どの場合、（例えば、液滴を互いに反発させる電荷を中和するか、粒子を液滴表面で安定化する挙動を変更することによって）原油に自然に存在するエマルジョンを中和する例えば界面活性剤のような化学的解乳化剤によるか、もしくは、エマルジョンの化学的性質を変更するためｐＨ又はイオン分布を変更するか分散相を連続相に沈殿し得る大きな液滴に集合（凝集）し合体するのを促進する剤によっている。エマルジョンを安定化する種々の力を満足に分裂させるために、これらの剤がエマルジョンに加えられ、次に分離容器内で高温度に加熱し、所望の作用を生じさせることができる。多量のこのような剤の使用はエマルジョン破壊プロセスのコスト及び環境に大きな影響を与え得る。更に、エマルジョンを適切な高温に加熱し、剤がエマルジョンを破壊作用する何時間もの間その温度を維持することは多量のエネルギーを消費し、これもプロセスのコスト及び潜在的な環境影響を増大する。最後に、スタンドアロン（独立型）分離容器の注入、加熱及び排出がプロセスの実行に必要とされる時間を大きく増大する。

一例として、ある油田では１日当たり８００，０００バレル（１バレル=１６０リットル）の原油を抽出することができる。現在、エマルジョンを分解するために解乳化剤が３００ｐｐｍの最大投与速度で投与されているならば、１日当たり３８，４００リットルの解乳化剤が必要とされることになる。これは、１リットル当たり４ドルの解乳化剤のコストでは、エマルジョンを分解し原油を析出するためには１日当たり１５３，６００ドルのコスト（加えてエマルジョンを加熱し所定の期間高温度に維持するコスト）が必要とされることになる。エマルジョンを少量又は無乳化剤で分解することは油田の寿命に亘って大きなコスト削減を意味する。

特許文献１は油と水のエマルジョンの成分を分離する装置及び方法を開示している。エマルジョンは好ましくはスチームをエマルジョン内に注入することによって加熱され、次にベンチュリノズルを経て精留塔容器内にスプレーされる。エマルジョン内に存在する水と軽質油の液滴は、凝縮され分離される前に容器内で蒸発してフラッシュオフされる。スチーム注入は通常の蒸気注入器を用いて実行され、エマルジョンを加熱するだけである。加熱されたエマルジョンをベンチュリノズルの狭いスロートを経てスプレーすることは、エマルジョン内に粒子が存在する場合に装置が閉塞の影響を受けやすくなる。

米国特許第５７３８７６２号明細書

本発明の目的は、上述した欠点の一つ以上を除去又は緩和することにある。

本発明の第１の態様によれば解乳化装置が提供され、該解乳化装置は、
入口及び出口を有する通路と、該通路を囲み、前記入口及び出口の中間で前記通路に開口する輸送流体ノズルとを含む流体プロセッサ、及び
前記輸送流体ノズルと流体連通している輸送流体源を備え、
前記入口及び出口間の前記通路の横断面積が前記入口における横断面積より小さくならないこと、及び
前記輸送流体ノズルはノズル入口、ノズルスロート及びノズル出口を有するコンバージェント・ダイバージェントノズルであり、前記ノズルスロートの横断面積が前記ノズル入口又はノズル出口の横断面積より小さいこと、
を特徴とする。

前記解乳化装置は前記流体プロセッサの通路の入口と流体連通している保持容器を更に備えることができる。第１の制御弁によって前記保持容器から前記流体プロセッサへのエマルジョンの流れを制御することができる。

前記輸送流体源はスチーム発生器とすることができる。第２の制御弁によって前記輸送流体源から前記輸送流体ノズルへのエマルジョンの流れを制御することができる。

前記装置は、前記輸送流体の圧力を制御するように構成された圧力コントローラを更に備えることができる。

前記流体プロセッサは前記通路と流体連通する添加口を更に備えることができる。この添加口は輸送流体ノズルの出口のすぐ下流に設けることができる。

前記装置は、互いに直列に接続された複数の流体プロセッサを備えることができる。また、複数の流体プロセッサは互いに直列及び／又は並列に接続することもできる。

前記装置は前記流体プロセッサの出口と流体連通する分離容器を更に備えることができる。分離容器は遠心分離機を備えることができる。

輸送流体ノズルはノズルスロートからノズル出口に向かって８〜３０度の等価開き角を有することができる。

前記流体プロセッサはハウジング及び該ハウジング内に軸方向に延在する突部を含み、前記突部が前記通路入口の下流に前記通路の一部分及び前記輸送流体ノズル出口の内部表面を画成する構成とすることができる。

前記通路は長手軸線を有し、前記輸送流体ノズル出口の内部表面は前記長手軸線に対して最大で７０度の角度にすることができる。前記輸送流体ノズル出口の内部表面は前記長手軸線に対して３５度の最大角度にするのが好ましい。

前記装置は前記制御弁を制御するように構成されたコントローラを更に備えることができる。

前記装置は、エマルジョンを前記流体プロセッサの入口に送り込むように構成されたポンプを更に備え、前記コントローラが前記ポンプも制御するようにできる。

前記プロセッサは、前記通路の出口の下流に戻りループ及び切り替え弁を更に備え、前記戻りループが流体の流れを前記通路の入口に戻すように構成することができる。

前記装置は、前記装置内の圧力を調整するように構成された上流及び過流圧力調整弁を更に備えることができる。

本発明の第２の態様によれば、エマルジョンを解乳化する方法が提供され、該方法は、
入口及び出口を有する通路を含み、前記入口及び出口間の前記通路が前記入口における横断面積より小さくならない横断面積を有する流体プロセッサの前記通路にエマルジョンを供給するステップ、
前記通路を囲み、前記入口及び出口の中間で前記通路に開口する輸送流体ノズルに輸送流体源から輸送流体を供給するステップ、
前記輸送流体をノズル入口又はノズル出口の横断面積より小さい横断面積を有する前記輸送流体ノズルのスロートに通して加速するステップ、
前記輸送流体を前記ノズル出口から前記通路内の前記エマルジョン内に流入して前記エマルジョンを噴霧化し、連続蒸気相内にエマルジョン液滴の分散相を備える蒸気−液滴レジームを形成するステップ、
前記蒸気−液滴レジーム内のエマルジョン液滴の少なくとも一部分を蒸発させるステップ、及び
前記蒸気を凝縮して液相に戻すステップ、
を備えることを特徴とする。

前記方法は、前記凝縮されたエマルジョンの成分を分離容器内で分離するステップを更に備えることができる。

エマルジョンは水性エマルジョンとすることができる。「水性エマルジョン」という用語はここでは構成液の一つが水であるエマルジョンを記述するために使用されている。水は分散相（他の液体内に分散された水滴）又は連続相（水中の他の液体の液滴）のいずれかとし得る。場合によっては水−液体―水のようなマルチエマルジョンが生じうる。この点に関して、水は純粋な水に限定されず、あらゆる種類の水（例えば塩水、硬水及び軟水、水溶液）を含むことを意図している。

前記輸送流体は圧縮ガスとすることができる。好ましくは、輸送流体源はスチーム発生器とし、輸送流体はスチームとすることができる。

エマルジョンは水と原油のエマルジョンとすることができる。スチーム発生器はスチームをスチームベースの原油抽出プロセスにも供給することができる。

前記方法は、エマルジョンに解乳化剤を添加するステップを更に備えることができる。好ましくは、前記解乳化剤は前記通路内の前記ノズル出口のすぐ下流の添加口からエマルジョンに添加することができる。

前記方法は、エマルジョンを前記流体プロセッサの通路に供給する前に希釈剤をエマルジョンに添加するステップを更に備えることができる。また、希釈剤は前記通路内の前記輸送流体ノズルのすぐ下流の添加口からエマルジョンに添加することもできる。

前記方法は前記流体プロセッサの上流でエマルジョンに圧縮ガスを加えるステップを更に備えることができる。

前記分離ステップは重力分離を含むことができる。また、分離ステップは遠心分離を含むこともできる。

流体プロセッサの断面図である。 輸送流体ノズルの開き角を計算可能にする図である。 水性エマルジョンを破壊する装置の概略図である。

添付図面を参照して本発明の好適実施例をほんの一例として以下に記載する。

図１は全体を１０で示す流体プロセッサの縦断面図である。プロセッサ１０は長手軸線Ｌを有する長手方向に延在する通路１４をその内部に画成するハウジング１２を備える。通路１４は入口１６及び出口１８を有し、ほぼ一定の円形横断面である。通路１４の横断面積は、入口を通過するいかなる粒子も通路１４の残部の通過を阻止する断面縮小部と出合うことがないように、入口１６の横断面積より決して小さくならない。

突部２０が入口１６からハウジング１２内に軸方向に延在し、圧縮可能な輸送流体導入用プレナム２２をその外部に画成する。プレナム２２には輸送流体源（図１には示されていない）に接続可能な入口２４が設けられる。突部２０はその内部に入口１６及び通路１４の上流部を画成する。突部２０は入口１６から遠く離れた遠隔端部２６を有する。突部２０の遠隔端部２６は、内向きテーパ表面２８を画成するように増大後減少する厚さを有する。ハウジング１２は壁３０を有し、この壁は突部２０のテーパ表面２８に隣接する位置において厚さを増大する。この厚さの増大は突部２０のテーパ表面２８に対応する内向きテーパを有する表面３２を壁３０の一部分に与える。突部２０のテーパ表面２８及び壁３０のテーパ表面３２はそれらの間に環状ノズルを形成する。ノズル３４は、プレナム２２と流体連通するノズル入口３６、通路１４に開口するノズル出口４０及びノズル入口３６及びノズル出口４０の中間にあるノズルスロート３８を有する。ノズル３４はコンバージェント・ダイバージェントノズルである。当業者に理解されるように、このタイプのノズルはノズル入口３６又はノズル出口４０の横断面積より小さい横断面積を有するノズルスロート３８を有する。ノズル３４はノズル入口３６からノズルスロート３８まで滑らかで連続的な横断面積の減少及びノズルスロート３８からノズル出口４０まで滑らかで連続的な横断面積の増大を有する。このようなコンバージェント・ダイバージェントノズルは、ノズル３４を通過中の流れに渦を発生する凸凹又は小さな隆起（渦発生源）を表面に有するかもしれないが、横断面積の突然の階段状変化又は急変は決して有しない。通路１４は混合領域１７も含み、この領域はノズル出口４０のすぐ下流に位置する。

一例として、ノズル３４の断面積の増大及び減少は直線的にすることができ、またもっと複雑な形状にすることもできる。このような一つの形状は、流れ方向横断面が砂時計形状の横断面を有するラバールノズルの流れ方向横断面とほぼ同一にすることができる。ノズル３４が環状であるならば、その横断面積が適切な態様に変化するようにするには、ノズル３４の等価開き角の計算が必要とされる。図２はこれを模式的に示す。Ｅ１はノズルスロート３８と同一の横断面積を有する円の半径である。Ｅ２はノズル出口４０と同一の横断面積を有する円の半径である。距離ｄはスロート３８と出口４０との間の等価通路距離である。角度βは、Ｅ２及びＥ１の最上点を通る線を、等価距離線ｄと交差するまで引くことによって計算される。この角度βは、縮尺拡大図から測定することもでき、また半径Ｅ１，Ｅ２と距離ｄを用いて三角法により計算することもできる。そして、輸送流体ノズルの等価開き角Υは角度βに２の係数を乗じることによって計算することができる（ここで、Υ＝２β）。環状ノズルの横断面積の最適な開きは８〜３０度の範囲内の等価開き角を用いて達成することができた。

図１に戻り説明すると、角度Ａは輸送ノズル出口４０の内部表面２８と通路１４の長手軸線Ｌとで決まる。ノズル出口４０の外部表面３２と長手軸線Ｌとの間に形成される角度は、所要の等価開き角Υによって、従ってノズル出口４０の横断面積によって制限される。角度Ａは好ましくは長手軸線Ｌに対して０〜７０度であり、最も好ましくは長手軸線Ｌに対して１５〜３５度である。

得られるノズル３４は上述したコンバージェント・ダイバージェントノズルである。このようなノズルに沿う任意の所定の横断面における輸送流体の平均流速はフロー条件（温度、圧力、密度、位相及びスチームの場合には乾燥率）及び当該点におけるノズルの横断面に依存する。あるフロー条件下では、このようなノズル３４を通過する輸送流体はその全長に沿って亜音速にすることができ、他のフロー条件では、輸送流体はノズル長に沿って通過するにつれて最初に亜音速フローに、次に超音速フローにすることができ、ノズルの全発散部分の至る所及びノズル出口の下流でも超音速にすることができる。このようなフロー条件は、例えば輸送流体源又は輸送流体ノズル入口２４で又は両者の間の任意の点で圧力コントローラにより制御することができる。一例として、ノズル入口２４の直前に制御弁（図示せず）を設置することができる。この弁とプレナム２２との間に圧力タップを設置し、圧力測定装置（図示せず）に接続することができる。オペレータは、この領域の圧力を所望のレベル又は所望の範囲内に維持するために輸送流体フローをより多い程度又はより少ない程度に抑制するように前記弁を調整することができる。プロセスプラントにおいては、遠隔コントローラが圧力測定装置に接続され、このコントローラが圧力を所定のレベル又は所望の範囲内に維持するように前記弁を自動的に開閉する。

図３は、図１に示すタイプの流体プロセッサ１０を含む、解乳化用又はエマルジョン破壊用装置を図式的に示す。本装置５０は、遠隔位置から供給ライン５１を経て水性エマルジョン（例えば油と水）を受け入れる保持タンク５２を備える。保持タンク５２は出口弁５６により制御される出口５４を有する。

保持タンク５２の下流は流体プロセッサ１０である。保持タンク５２の出口５４は第１の処理ライン５８を経て図１に示す通路１４の入口１６に流体接続される。更に図３に示されるように、輸送流体源６０が輸送流体供給ライン６２を経てプロセッサ１０のプレナム入口２４に接続される。供給弁６３は輸送流体源６０からの輸送流体の流量を制御する。プロセッサ１０の下流は分離容器６６であり、この容器内でエマルジョンの成分が互いに分離される。分離容器６６はプロセッサ１０の出口１８に流体接続された第２の処理ライン６４を経て供給される。分離容器６６はドレイン弁７０により制御されるドレインライン６８を有する。

必要に応じ、保持タンク５２から流体プロセッサ１０にエマルジョンを注入するためにポンプ（図示せず）を設けることもできる。本装置内の種々の弁５６，６３，７０及び必要に応じ設けられるポンプはプログラマブルシステムコントローラ（図示せず）により制御することができる。

今から本装置５０により実行されるプロセスを図１及び図３を参照して説明する。本装置５０は任意の水性エマルジョンを破壊するためのものであるが、油と水のエマルジョンを処理し破壊する本装置５０の好適な応用例について説明する。これらの油と水のエマルジョンは、多くの場合、石油産業において抽出しにくい埋蔵油を抽出するために使用されている抽出プロセスの結果であり、例えば砂に閉じ込められた原油をスチームアシスト重力排水プロセスにより抽出する場合に生じる。

最初に、油と水のエマルジョンが井戸から地表にポンプで汲み上げられ、次いで供給ライン５１を経て保持タンク５２に供給される。その後エマルジョンは処理が要求されるまでタンク５２に保持することができる。エマルジョンが特に粘性である場合には、本装置によるエマルジョンの処理を助けるために、この段階でより軽い油又はもっと多くの水又は熱を加えることができる。

エマルジョンを処理する時間になると、システムコントローラ（図示せず）は出口弁５６を開いてエマルジョンを第１の処理ライン５８に沿ってプロセッサ１０に流すことができる。出口弁５６の開放と同時に、制御装置はプロセッサ１０への輸送流体の供給を制御する供給弁６３を開く。その結果、輸送流体は輸送流体源６０からプレナム２２を経てプロセッサ１０内へ流入する。この好適実施例では、輸送流体は輸送流体源６０内で加熱される圧縮可能ガスとする。このガスは好ましくはスチームであり、輸送流体源６０は好ましくはスチーム発生器である。スチームアシスト重力排水の応用例においては、油抽出プロセスのためのスチーム発生器は本発明のプロセッサ１０にスチームを供給するものと同一にすることができ、また抽出及び解乳化プロセスは別個のスチーム発生器を使用することもできる。

図１を参照すると、コンバージェント・ダイバージェント形状のノズル３４は輸送流体を加速し、好ましくは超音速の高速輸送流体ジェットをノズル出口４０から流体通路１４に注入する。同時に、エマルジョンが入口１６を経て通路１４に流入する。輸送流体はノズル３４から通路１４に注入されるので、輸送流体はノズル出口４０を通過するときエマルジョンにせん断力を与える。このせん断力はエマルジョンを噴霧化し、蒸気と分散エマルジョン液滴からなる流体（以後蒸気−液滴レジームという）のフローを形成する。高速輸送流体の注入は蒸気−液滴レジームが通過する通路１４の混合領域１７内に低圧領域も生成し、それにより存在する水又は軽質油留分の液滴の蒸発が高まる。輸送流体とエマルジョンとの間の速度、温度及び圧力の差は高速輸送流体から低速エマルジョンへの運動量移動ももたらし、エマルジョンを加速させる。加えて、輸送流体がノズル３４の縮小横断面積から混合領域１７の比較的大きな横断面積内へ流れるとき、輸送流体の圧力及び速度の急速変化及び輸送流体とエマルジョンとの間のせん断によって乱流及び渦巻きが生じる。乱流混合領域１７は蒸気−液滴レジーム内の液滴に加減速力を与え、液滴の更なる噴霧化及び液滴の衝突の可能性の増大をもたらす。

輸送流体がノズル３４を出る角度Ａは、輸送流体と通路１４を通過するエマルジョンとの間のせん断の程度、蒸気−液滴フローレジームの乱流レベル及び流体フローの更なる発生に影響を及ぼす。

蒸気−液滴レジームが通路１４の出口１８に向かって流れるにつれて、その流れは減速し始める。この減速は通路１４内の圧力の増大を生じる。通路１４内のある点において、速度の低下及び圧力の上昇は蒸気−液滴レジーム内の蒸気の急速凝縮をもたらす。この急速凝縮が始まる通路１４内の点は通路１４内の凝縮衝撃波を規定する。圧力の上昇及びその結果の相変化は衝撃波を横切って起こり、フローは衝撃波の下流側で液相に戻る。通路１４内の衝撃波の位置は輸送流体及びエマルジョンの供給パラメータ（例えば、圧力、密度、速度、温度）、流体プロセッサの幾何学寸法及び輸送流体及びエマルジョン間の熱及び質量移動速度により決まる。

水性エマルジョンの化学的及び物理的性質は広く変化する。例えば、石油産業の場合には、原油エマルジョンは井戸ごとに変化し得るのみならず、同じ井戸でも時間とともに変化し得る。通路１４への輸送流体の注入はエマルジョンに多数の影響を与え得る。高速輸送流体の注入はエマルジョンを噴霧化する混合領域１７において大量の乱流、渦巻き運動及びせん断を生じさせ、液滴衝突の可能性を高める。輸送流体からエマルジョンへの運動量移動はエマルジョンを加速せしめる。それゆえ、混合室内における高速度のエマルジョン液滴及び凝縮衝撃波は、電荷反発のような界面現象に打ち勝つのに十分なエネルギー（慣性など）を有し、同種の液滴同士の合体を促進する。

また、高レベルのせん断はエマルジョン内の油の粘性を減少させること（所謂シヤースィニング）もでき、下流の分離容器６６におけるエマルジョンの重力アシスト分離を加速することができる。第２に、輸送流体がエマルジョンより暖かい場合（例えば輸送流体がスチームの場合）、輸送流体とエマルジョンとの間で熱移動が起こる。この熱移動は液滴の表面張力を低減し、同種の液滴同士の合体を容易にする。熱はエマルジョンの粘性も低減でき、界面における乳化剤の効果を中和又は低減することができる。熱はエマルジョンに含まれる水及び油の軽質油部分の気化も促進し、そのプロセスは噴霧化されたエマルジョンの大きく増大した表面積によって一層容易になる。高速輸送流体の注入により生成される低圧力領域も水及び油の軽質部分の気化を高める。更に、エマルジョン内の種々の軽質油留分及び水は異なる気化潜熱を有するので、それらの気化点及び蒸発速度は圧力低下及び（輸送流体が熱い場合には）熱の付加により異なる影響を受ける。

エマルジョン内の安定化力及び界面薄膜の安定性は輸送流体により発生されるせん断力及び乱流により生じるエマルジョンの破壊によって悪影響を受ける。小さな粒子（例えば砂又は土）が液滴表面に存在する場合、上述した破壊プロセスはそれらを除去するか、それらを液滴の周囲に無秩序を導入することができる。このような効果もエマルジョンの安定性を低減し、エマルジョン内の種々の液体の同種の液滴同士の合体を促進する。蒸気−液滴レジーム内において、エマルジョンからの水の液滴は他の水又は凝縮スチームの液滴と合体することができる。エマルジョン内の水液滴（及び場合により軽質油留分）の気化及びそれに続く急速凝縮によりキャビテーションプロセスが混合領域１７内で起こる。キャビテーションは、他の応用において、局所化された一時的な高温及び高圧を生成し、例えば化学的結合の破壊、自由ラジカル及びイオンの生成、ｐＨの変更、汚染物質の破壊、高レベルせん断の発生、安定化力の破壊などの局所化された有益な効果をもたらし得ることが示されており、解乳化プロセスに有益な効果を有する現象であることも知られている。キャビテーションのこのような効果は短寿命であり、局所化されることが知られているが、多数のこのようなキャビテーションプロセスの累積効果は種々の工業的プロセスを加速し向上させることが知られている。このような望ましい効果は本発明の装置において発生可能である。

流体プロセッサに生じる上述のメカニズムはエマルジョン及び／又は液体の液滴間の界面薄膜を安定化する力を低減又は中和し、それによって表面張力を低減し、各液体の液滴を同種の液滴と個別に合体させることができる。輸送流体からのエネルギー移動により生じるエマルジョンの加速は、十分な運動エネルギーを液滴に与え、それらの慣性効果が界面現象、例えば液滴が互いに衝突するとき反発電荷がそれらの合体を妨げる現象に打ち勝つようにすることによって、合体プロセスを促進することができる。このように、エマルジョンは流体プロセッサ１０の出口１８を出るとき、分散相内の液滴は互いに合体し、エマルジョンは破壊され、その成分に分離する。

流体プロセッサ１０の出口１８から出る蒸気−液滴レジームから凝縮された液体は第２の処理ライン６４を経て分離容器６６に運ばれる。エマルジョンの成分は重力によりそれらの分離が終了するまで放置することができる。最大密度を有する成分液は容器６６の底に沈降する。次に、ドレイン弁７０が開放されると、この成分液は容器６６からドレインライン６８を経て取り出される。その後他の液体を同じドレインライン６８を経て取り出すことができる。分離容器６６から回収された水は（できれば水溶性生成物を除去するために何らかの浄化を付加した後に）加熱してスチームを発生させ、油抽出／解乳化プロセスに再利用するか、（適切な場合には）地下貯水池に戻すことができる。

上述したように水性エマルジョンを噴霧化して蒸気−液滴フローレジームを形成することによって、本発明のプロセス及び装置は、通常分散相液の液滴が互いに合体するのを妨げるエマルジョン及び／又は分散相及び連続相間の界面薄膜を不安定化することができる。所定の輸送流体の注入によって生じる熱移動も、エマルジョンの加熱はその粘性を低減し、分散相液の界面薄膜を弱めるので、この不安定化を促進する。エマルジョンの噴霧化により生じる蒸気−液滴フローレジームは、スチームを輸送流体として使用する場合には、個々の水液滴同士及びスチームとの合体を促進する。エマルジョンより高い温度を有する輸送流体の注入は輸送流体からエマルジョンへの熱移動を生じる。加えて、エマルジョンへの高速輸送流体の注入は低圧領域を生成する。これは、噴霧化された水液滴及び油の軽質部分が大気圧にある場合より低い温度で気化することを意味する。

本発明のプロセスは各液敵を自然に互いに反発させる電荷を破壊させることもできると思われる。この破壊は、次の効果、即ち気化及びその直後の水液滴の急速凝縮により生じるキャビテーション、乱流蒸気−液滴相内の衝突液滴により形成される静電荷及び輸送流体によりエマルジョンに与えられるせん断力、の一つ以上により生じる。こうした電荷の破壊及び中和によって液滴はそれらの自然な反発に打ち勝つことができるものとなる。更に、本発明のプロセスはエマルジョンのｐＨに一時的な局所的変化を生じさせ、液滴間の電荷の中和を助けることもできると思われる。このｐＨの変化は、水が蒸発する際に水から二酸化炭素が開放され且つ再吸収されるかもしれない結果又は低圧領域を通過する際に溶液からガスが開放される結果生じ得る。輸送流体としてスチームを使用する場合には、このｐＨ変化は二酸化炭素がスチーム内にトラップされスチーム発生器から搬送される結果生じることもある。

本発明のプロセス及び装置はエマルジョンを破壊する有効な構成を提供するが、所定の環境では、その破壊を助けるためにエマルジョンに解乳化剤を加えるのが有益であり得る。このような例の一つは、最初の段階でエマルジョンの生成を助けるために乳化剤が加えられている場合（又は前述したように、このような乳化剤が油内に自然に生じる場合）である。本発明では、解乳化剤の作用を最大にするために蒸気−液滴レジームを生成するための輸送流体によるエマルジョンの噴霧化を液体の表面積の大部分に作用させる。従って、解乳化剤をエマルジョン内に親密に混合することができ、よってエマルジョンの満足な破壊に必要とされる解乳化剤の量を減少させることができる。よれゆえ、本発明のプロセス及び装置は解乳化剤の使用を含む場合でも、エマルジョンを破壊するためにこのような解乳化剤を多量に使用する既存のプロセスより費用がかからず、環境破壊も小さくなる。更に、このような解乳化剤は、大量使用では、パイプラインの腐食を促進するので、解乳化剤が必要とされる場合には必要とされる量を最少にすることが望まれる。

流体プロセッサの通路の横断面積はその入口の横断面積より小さくならないので、本装置は保持タンクから分離容器までのエマルジョンの流路に縮小部はない。よって、本装置に入ったエマルジョンに含まれる固形物は本装置を塞がないので、本装置は固形物を含むエマルジョンを取り扱うことができる。微小粒子（例えば砂又は塵）がエマルジョン内で凝集するとき水と油のエマルジョン内に固体堆積物が現れ得る。プロセッサ内への輸送流体の注入により生じるせん断力及び乱流により生じる破壊はエマルジョン内に存在する固体堆積物の凝集を破壊することができる。

本装置は既存の処理ラインに組み込むことができる。従って、本装置はスタンドアロンプロセッサとして動作させる必要はない。スチーム又は他の適切な輸送流体の導入に付随して生じる加熱はプロセスに専用の加熱手段の使用を不要にする。輸送流体の温度及び／又は輸送流体をプロセッサに導入する圧力を制御することによって、輸送流体とエマルジョンとの間の熱移動を最適にすることができる。従って、本発明のプロセス及び装置は非効率的なスタンドアロン加熱容器に依存する一般のエマルジョン破壊プロセスよりエネルギー消費を低くすることができる。本発明のプロセスは連続的であるので、エマルジョンを破壊するのに要する時間をこのようなスタンドアロン装置より短くすることもできる。

本装置の好ましい構成において、保持タンクは必須ではない。その代わりに、流体プロセッサの入口をエマルジョン源に直接接続することもできる。

解乳化剤の添加が必要とされる場合には、解乳化剤はエマルジョンが流体プロセッサに到達する前に加えることができる。例えば、解乳化剤は保持タンク（もしあれば）に加えることができ、さもなければ流体プロセッサの上流の第１の処理ラインに加えることができる。或いは又、プロセッサは通路に開口した添加口を含むことができる。添加口は入口とノズルの間に位置させることができ、またノズルのすぐ下流の混合領域に開口させることもできる。この場合、解乳化剤は、エマルジョンが流体プロセッサを通過するとき、エマルジョン内に取り込まれる。他の代替例では、流体プロセッサ内で既に行われたエマルジョンの破壊プロセスを補完するために、解乳化剤はエマルジョンが流体プロセッサの出口を出たときに加えることもできる。

同様に、エマルジョンの粘性を減少させるために希釈剤をエマルジョンに加えることもでき、また塩の抽出を助けるために追加の水をエマルジョンに加えることが必要とされ得る。加える水は純粋な水でなく、脱イオン化されているかもしれず、また適切な薬品を添加することによって、解乳化プロセスを助ける所定のｐＨ又は塩分に調整されているかもしれない。これらの追加の流体は前述したように保持タンク（もしあれば）に加えることができ、さもなければ流体プロセッサの上流の第１の処理ラインに入口を通して加えることができる。これらの追加の流体をエマルジョンに親密に混入するために流体プロセッサ入口の上流のパイプライン（又は保持タンク）に任意の形態の混合装置を付加する必要があり得る。また、（特に、塩の除去のために追加の水を加える場合には）追加の流体を輸送流体ノズルのすぐ下流の混合領域に添加口から直接加え、流体プロセッサの混合室内内における高レベルの乱流、渦巻き及びせん断によって追加の流体がエマルジョンに容易に取り込まれ混合されるようにできる。

本装置は、エマルジョンが破壊されたらすぐに液体の分離を達成するために分離容器を含むのが好ましいが、これはエマルジョン自体を破壊する本装置又はプロセスにとって必須ではない。それが存在する場合、分離容器は重力アシスト分離を利用するのが好ましいが、必要に応じ遠心分離装置を設け、遠心分離装置内で発生される遠心力によって液体の分離を達成することもできる。分離容器は、分離された液体を別々の場所に排出させるために複数のドレインライン及びドレイン弁を含むこともできる。本発明のいくつかの実施例では、プロセッサ１０は分離容器６６に直接送出することができ、分離容器６６はプロセッサ１０の出口１８に直接流体的に接続される。破壊されたエマルジョンの分離容器６６への放出は、この放出が小さな容積（通路１４）から大きな容積（分離容器６６）へと行われる場合には、混合物の成分の分離を更に促進するように行い得る。更に、混合物に含まれる油のより揮発し易い軽質部分は、特にガス状のままであれば、より容易に上昇し、分離容器の上部の追加の排出パイプにより分離することができる。分離容器に代えてもしくは加えて、本装置は静電コアレッサー又は同種の装置のような二次解乳化装置を備えることもできる。

必要に応じ、本プロセスはエマルジョンの満足な破壊を達成するために反復することができる。これを容易にするために、本プロセッサは、その通路の出口からのエマルジョンを、分離容器又は他の下流位置の代わりに、その通路の入口へ選択的に戻すことができる戻りループ及び切り替え弁を含むことができる。また、プロセスステップの反復は流体プロセッサの配列を装置に付加することによって達成することもできる。流体プロセッサの配列は複数の流体プロセッサが直列に、並列に、又は直列と並列の組み合わせに配列されたものとし得る。

本発明の装置は、装置の圧力及び温度を制御するために装置の上流側と下流側に圧力調整弁を更に備えることができる。これらの弁はシステムコントローラ（もしあれば）により制御することができる。いくつかの用途のためには、大気圧より上又は下の所望の圧力に維持できる完全密封装置にすることが望ましい。これは、例えば揮発性生成物がエマルジョンに含まれる場合であり、その目的は装置全体（又は装置の一部分）を高圧に維持することによってそれらが蒸発するのを防止することにある。別の可能な用途は、圧縮ガス（例えば二酸化炭素、窒素、アルゴン又は二酸化硫黄等）が上流の保持容器内のエマルジョンに加圧下で注入され、気泡とエマルジョンの混合物（又はフロー条件に依存して溶解したガス）が流体プロセッサに到達するまで加圧された状態に維持される場合である。この点において輸送流体の注入により生じる圧力の低下がエマルジョン内の気体を急速に膨張させる。この急速膨張はエマルジョンの噴霧化を促進することができ、場合によりｐＨを変更することもでき、エマルジョンの安定性に影響を与える。

輸送流体の加熱は本発明のプロセス及び装置に望ましいが、必須ではない。前述の説明で述べたように、圧縮可能な輸送流体は好ましくはスチームである。しかし、代替輸送流体の使用も可能である。このような代替輸送流体の一つは二酸化炭素であり、別の一つは窒素である。圧縮可能な流体がスチームの場合には、スチームの乾燥率を種々の性能条件を与えるために調整することができる。

いくつかの用途では、処理すべき生産物は、エマルジョンに懸濁されている容易に分離する油の混合物を含むものとすることができる。このような場合には、上流保持タンクを上流分離容器に変えて、容易に分離する油を本発明のプロセッサに通す前に除去し、このような処理を必要としない生産物の処理にエネルギー及び時間を浪費しないようにすることができる。同様に、混合物は油相、水相及びエマルジョン相に容易に分離することができるかもしれず、また混合物は存在する固形物の一部分が沈殿するかもしれない。更に、このような容易に回収可能な留分／汚染物質はエマルジョンを加熱する前に保持タンク／上流分離タンクから除去することができる。

上述した解乳化装置及びプロセスは（石油）油抽出／精製産業以外の分野、即ち同様に油−水エマルジョンを分離する必要がある産業で使用することもできる。例えば、油汚染排水を水処理に関する法律上及び環境上の要件を満たすように処理することに使用でき、この場合には油の相当部分を分離し再利用することができるという経済的な利益も得られる。このような油汚染排水源には、重工業からの副産物及び船のタンク及び船底からの洗浄液の２つの例がある。

例えば生物（動物又は野菜）源から抽出される油（魚油及び椰子油の例に限定されない）の生産においても油−水エマルジョンを分離する必要があり得る。このような油を処理して、燃料、食料又はその有益な特性のために利用することができる。また、このような生物源により生成される潜在的に有益な化合物が例えば植物の遷移部分に含まれていることがある。このような化合物の抽出を助けるために外部源から油及び／又は水を供給して加え、こうして生成されたエマルジョンをその後破壊する必要がある。また、植物に自然に存在する油と水がすべて必要とされることもある。これらの化合物は有用な特性（例えば薬学的、栄養的、医薬的特性）を有し得る。このような有用な化合物の例として、ある種の植物により生成される油に極めて溶けやすいリコピン色素及びベータカロチンがある。

上述の油は生体起源であるが、本発明の装置及びプロセスは合成油―水エマルジョンの分離を必要とする分野にも使用することができる。原油は多数の異なる種類の油を含むのに、上述した生物学的合成エマルジョンは単一源からの油からなる必要はなく、種々の源からの油の混合物からなるエマルジョン（例えば、数種類の植物を一緒に処理してそれらの油を抽出し、油−水エマルジョンを生成する場合）とすることもできること明らかである

本装置及びプロセスの好適実施例は水性エマルジョンを破壊するが、本発明は２以上の液体を備える任意のエマルジョンを破壊するために使用することができること明らかである。本発明は、このプロセスに理想的に適しているが、水性エマルジョンの破壊に限定されない。

これらの及び他の変更及び改良は本発明の範囲に含めることができる。

Claims (23)

1. 入口及び出口を有する通路と、該通路を囲み、前記入口及び出口の中間で前記通路に開口する輸送流体ノズルとを含む流体プロセッサ、及び
   前記輸送流体ノズルと流体連通している輸送流体源を備え、
   前記入口及び出口間の前記通路の横断面積が前記入口における横断面積より小さくならないこと、及び
   前記輸送流体ノズルはノズル入口、ノズルスロート及びノズル出口を有するコンバージェント・ダイバージェントノズルであり、前記ノズルスロートの横断面積が前記ノズル入口又はノズル出口の横断面積より小さいこと、
   を特徴とする解乳化装置。
2. 前記解乳化装置は前記流体プロセッサの通路の入口と流体連通している保持容器を更に備える、請求項１記載の装置。
3. 前記輸送流体源はスチーム発生器であることを特徴とする請求項１又は２記載の装置。
4. 前記輸送流体の圧力を制御するように構成された圧力コントローラを更に備える、請求項１−３のいずれかに記載の装置。
5. 前記流体プロセッサは前記通路と流体連通する添加口を更に備え、該添加口は輸送流体ノズルの出口のすぐ下流に位置する、請求項１−４のいずれかに記載の装置。
6. 互いに直列及び／又は並列に接続された複数の前記流体プロセッサを備える、請求項１−５のいずれかに記載の装置。
7. 前記流体プロセッサの出口と流体連通する分離容器を更に備える、請求項１−６のいずれかに記載の装置。
8. 前記分離容器は遠心分離機を備える、請求項７記載の装置。
9. 前記輸送流体ノズルは前記ノズルスロートから前記ノズル出口に向かって８〜３０度の等価開き角を有する、請求項１−８のいずれかに記載の装置。
10. 前記流体プロセッサはハウジング及び該ハウジング内に軸方向に延在する突部を含み、前記突部が前記通路入口の下流の前記通路の一部分及び前記輸送流体ノズル出口の内部表面を画成し、前記通路は長手軸線を有し、前記輸送流体ノズル出口の内部表面は前記長手軸線に対して最大で７０度の角度をなす、請求項１−９のいずれかに記載の装置。
11. 前記輸送流体ノズル出口の内部表面は前記長手軸線に対して最大で３５度の角度をなす、請求項１０記載の装置。
12. 前記プロセッサは、前記通路の出口の下流に戻りループ及び切り替え弁を更に備え、前記戻りループが流体の流れを前記通路の入口に戻すように構成されている、請求項１−１１のいずれかに記載の装置。
13. 前記装置内の圧力を調整するように構成された上流及び過流圧力調整弁を更に備える、請求項１−１２のいずれかに記載の装置。
14. 入口及び出口を有する通路を含み、前記入口及び出口間の前記通路が前記入口における横断面積より小さくならない横断面積を有する流体プロセッサの前記通路にエマルジョンを供給するステップ、
    前記通路を囲み、前記入口及び出口の中間で前記通路に開口する輸送流体ノズルに輸送流体源から輸送流体を供給するステップ、
    前記輸送流体をノズル入口又はノズル出口の横断面積より小さい横断面積を有する前記輸送流体ノズルのスロートに通して加速するステップ、
    前記輸送流体を前記ノズル出口から前記通路内の前記エマルジョン内に注入して前記エマルジョンを噴霧化し、連続気相内にエマルジョン液滴の分散相を備える蒸気−液滴レジームを形成するステップ、
    前記蒸気−液滴レジーム内のエマルジョン液滴の少なくとも一部分を気化するステップ、及び
    前記蒸気を凝縮して液相に戻すステップ、
    を備えることを特徴とする、エマルジョンを解乳化する方法。
15. 前記凝縮されたエマルジョンの成分を分離容器内で分離するステップを更に備える、請求項１４記載の方法。
16. 前記輸送流体は圧縮ガスである、請求項１４又は１５記載の方法。
17. 前記輸送流体源はスチーム発生器であり、前記輸送流体はスチームである、請求項１４−１６のいずれかに記載の方法。
18. 前記エマルジョンは水と原油のエマルジョンである、請求項１４−１７のいずれかに記載の方法。
19. 前記スチーム発生器はスチームをスチームベース原油抽出プロセスにも供給可能である、請求項１８記載の方法。
20. 前記通路内の前記ノズル出口のすぐ下流の添加口から前記エマルジョンに解乳化剤を添加するステップを更に備える、請求項１４−１９のいずれかに記載の方法。
21. 前記エマルジョンを前記流体プロセッサの通路に供給する前に希釈剤を前記エマルジョンに添加するステップを更に備える、請求項１４−２０のいずれかに記載の方法。
22. 前記通路内の前記輸送流体ノズルのすぐ下流の添加口から前記エマルジョンに希釈剤を添加する、請求項１４−２０のいずれかに記載の方法。
23. 前記流体プロセッサの上流で前記エマルジョンに圧縮ガスを加えるステップを更に備える、請求項１４−２２のいずれかに記載の方法。

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