KR101490147B1 - Treating method of Produced Water - Google Patents
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Abstract
본 발명은 원유 채취 시 발생되는 다량의 오일이 포함된 생산수를 처리하기 위한 생산수 처리방법에 대한 것으로서, 자세하게는 원유로부터 분리된 생산수로부터 샌드 성분과 오일 성분을 제거한 후 잔존오일과 가스 성분을 분리 제거하는 생산수 처리공정에 있어서, 생산수와 가스 성분을 혼합하는 가스혼합 단계를 추가로 포함하여 물과 오일의 분리 효율을 증가시키는 한편, 오일 성분 제거 단계에서 사용되는 하이드로싸이클론 라이너의 내벽 구조를 개선함으로써 생산수에서 오일을 효과적으로 제거할 수 있는 생산수 처리방법에 관한 것이다.The present invention relates to a production water treatment method for treating production water containing a large amount of oil generated at the time of crude oil extraction. More specifically, the present invention relates to a method for producing oil containing residual oil and gas component And a gas mixing step of mixing the produced water and the gas component so as to increase the separation efficiency between water and oil, and the hydrocyclone liner used in the oil component removing step To a production water treatment method capable of effectively removing oil from production water by improving the inner wall structure.
Description
본 발명은 원유 채취 시 발생되는 다량의 오일이 포함된 생산수를 처리하기 위한 생산수 처리방법에 대한 것으로서, 자세하게는 원유로부터 분리된 생산수로부터 샌드 성분과 오일 성분을 제거한 후 잔존오일과 가스 성분을 분리 제거하는 생산수 처리공정에 있어서, 생산수와 가스 성분을 혼합하는 가스혼합 단계를 추가로 포함하여 물과 오일의 분리 효율을 증가시키는 한편, 오일 성분 제거 단계에서 사용되는 하이드로싸이클론 라이너의 내벽 구조를 개선함으로써 생산수에서 오일을 효과적으로 제거할 수 있는 생산수 처리방법에 관한 것이다.The present invention relates to a production water treatment method for treating production water containing a large amount of oil generated at the time of crude oil extraction. More specifically, the present invention relates to a method for producing oil containing residual oil and gas component And a gas mixing step of mixing the produced water and the gas component so as to increase the separation efficiency between water and oil, and the hydrocyclone liner used in the oil component removing step To a production water treatment method capable of effectively removing oil from production water by improving the inner wall structure.
생산수(Produced Water)는 오일 생산 과정 중 발생하는 폐기물 중에서 가장 큰 비중을 차지하는 오일폐수(Oily Wastewater)로서, 본질적으로 오일 생산 중에 지표면으로 방출되는 지하수에 갇힌 물이다. 1 배럴의 오일을 생산하는데 발생하는 생산수는 7 ~ 10 배럴 정도이다. 이러한 생산수는 매우 독성이 강하고 보통 오일, 유지(grease) 및 다른 탄화수소를 포함하고 있을 뿐만 아니라, 다량의 염, 금속 및 미량원소도 포함되어 있다. 이를 관리하는 것은 상당한 환경적 영향을 미칠 수 있으며 많은 비용부담을 발생시키게 된다(1).Produced Water is Oily Wastewater which occupies the largest proportion among the wastes generated during the oil production process, and is essentially water entrapped in groundwater discharged to the earth surface during oil production. The production of one barrel of oil is about 7 to 10 barrels. These are highly toxic and usually contain oils, greases and other hydrocarbons, as well as large amounts of salts, metals and trace elements. Managing it can have significant environmental impacts and cost a lot (1).
오일샌드에서 추출되는 석유성분은 비튜멘이라는 무겁고 끈적끈적한 검은색 점성질의 기름으로, 오일샌드의 약 10 ~ 12 %를 차지한다(2). 통상적인 원유는 물보다 가볍지만, 비튜멘은 물과 비슷한 비중을 가지므로, 상기 비튜멘은 자연 상태에서는 시추공이나 송유관 내에서 흐르지 않기 때문에 스팀을 가하거나 희석제(초경질원유 혹은 경질석유제품)와 혼합해 비중과 점성도를 낮춘 후 송유관으로 수송하여 얻어진다. 때문에 비튜멘에는 다량의 물이 함유되어 있어 오일을 회수하기 위해서는 1차 분리 FWKO(Free Water Knock-Out), 2차 분리로 항유화제(Demulsifier Chemicals), 전기장(Electrostatic Field) 등을 사용하여 오일을 회수한다(3,4). 오일성분 회수 후 발생하는 생산수 속에는 여전히 다량의 유분 및 고용성분 등을 포함하고 있어 이를 방출하거나 재활용하기 위해서는 5 ppm 이하의 유분을 포함하는 물로 처리하는 생산수 처리 공정을 거쳐야 한다.The oil component extracted from the oil sands is heavy, sticky black viscous oil called bitumen, which accounts for about 10-12% of the oil sands (2). Since natural crude oil is lighter than water but bitumen has a similar weight to water, the bitumen does not flow in boreholes or pipelines in the natural state, so steam is added or diluent (ultra-hard crude oil or light petroleum product) Mixed and reduced in specific gravity and viscosity, and then transported to an oil pipeline. Because bitumen contains a large amount of water, it is necessary to separate the oil by using a primary separation FWKO (Free Water Knock-Out), a secondary separation as demulsifier chemicals, and an electric field (Electrostatic Field) (3, 4). The production water after the recovery of the oil component still contains a large amount of oil and solvent components, and in order to release or recycle it, the production water treatment process should be performed with water containing less than 5 ppm of oil.
생산수 처리방법은 크게 세 가지로 분류되는데, 물리적 처리방법과 생물학적 처리방법 그리고 화학적 처리방법을 들 수 있다(5). 이 중에서 가장 많이 사용되고 있는 방법은 물리적 처리방법이며, 분리효율이 높은 방법은 생물학적 처리방법과 화학적 처리방법이다.The production water treatment methods are roughly classified into three types: physical treatment, biological treatment, and chemical treatment (5). Among them, the most widely used methods are physical treatment methods, and the methods with high separation efficiency are biological treatment methods and chemical treatment methods.
물리적 처리방법은 가장 이용하기 쉬운 방법으로 여과(Filtration), 수착(Sorption), 중력침강(Gravity), 원심력 분리(Centrifugal force), 멤브레인(Membrane), 증류(Distillation), 스키머(Skimmer), 부유법(Flotation) 등의 많은 처리방법들이 존재한다(6). 장점으로는 화학적 처리기술이나 생물학적 처리기술 보다 제어하기 쉽다는 점을 꼽을 수 있으며, 단점으로는 물리적 처리기술로는 높은 분리효율을 기대하기 어렵다는 점이다. Physical treatment methods are the easiest and easiest methods to use, such as Filtration, Sorption, Gravity, Centrifugal force, Membrane, Distillation, Skimmer, (Flotation), and so on (6). The advantage is that it is easier to control than chemical or biological treatment techniques, and the disadvantage is that it is difficult to expect high separation efficiency with physical treatment technology.
생산수 속에 포함된 유기물을 확실히 제거하기 위해서는 화학반응이나 생물학적 반응을 이용한 방법들이 추가적으로 필요하다. 현재 가장 많이 사용되는 기술이 여과와 수착(흡착/흡수) 그리고 중력침강이다. 여과와 수착은 재료를 쉽게 구할 수 있다는 장점을 갖고 있으며, 중력침강은 장치건조비가 여과나 수착에 비해 비싸지만 유지비가 적게 든다는 장점이 있다.In order to reliably remove the organic matter contained in the production water, methods using chemical reaction or biological reaction are additionally needed. Currently the most used techniques are filtration, sorption (adsorption / absorption) and gravity sedimentation. Filtration and sorption have the advantage that they can be obtained easily. Gravity settling is advantageous in that the drying cost of the apparatus is higher than that of filtration or sorption, but the maintenance cost is lower.
생물학적 처리방법에는 미생물에 의한 처리방법과 활성슬러지를 이용한 처리방법으로 분류할 수 있다. 미생물에 의한 처리방법은 호기성 미생물법과 혐기성 미생물법으로 나눌 수 있다. 생물학적 처리방법 중 호기성 미생물법에 의한 처리방법이 가장 많이 사용되며, 살수여상(Trickling Filter), 미생물 반응조(SBR: Sequencing Batch Reactor), 생물산화 여과공정(Biological Aerated Filter) 등이 있다. 혐기성 미생물에 의한 처리방법은 오염물질의 농도가 낮을 때 사용하면 비용대비 효율이 높은 장점이 있다. 갈대 여과(Reed Bed) 방법이 많이 이용되며 3,000 m3/day의 생산수 처리에서 평균 96%의 탄화수소 분리효율을 보인다(5,7).Biological treatment methods can be classified into microbial treatment methods and treatment methods using activated sludge. Methods of treatment with microorganisms can be divided into aerobic microbiology and anaerobic microbiology. Among biological treatment methods, aerobic microorganism treatment is most commonly used. Trickling filter, Sequencing Batch Reactor (SBR), and Biological Aerated Filter are some of the biological treatment methods. The anaerobic microbial treatment method is advantageous in cost efficiency when the concentration of the pollutant is low. The reed bed method is widely used and the average hydrocarbon separation efficiency is 96% at the production water treatment of 3,000 m3 / day (5,7).
활성슬러지는 호기성 미생물법의 일종으로 수처리 공정에서 가장 많이 사용되는 기술 중 하나다. 주로 스키머 기술과 함께 사용되며, 20일의 고체체류시간(SRT: Solids Retention Time)에서 약 98~99%의 분리효율을 보이는 것으로 알려져 있다(5).Activated sludge is a type of aerobic microorganism that is one of the most used techniques in water treatment process. It is mainly used with the skimmer technology and it is known that it has a separation efficiency of about 98 ~ 99% at 20 days of Solids Retention Time (SRT) (5).
화학적 처리방법으로는 산화(Oxidation), 응결(Coagulation), 항유화제에 의한 방법(Demulsifier Chemicals) 등이 있으며, 최근에는 전기를 이용한 전기화학적 방법(Electrochemical Process)과 광분해 처리방법(Photocatalytic Treatment)에 대한 연구가 진행되고 있다(5).Chemical treatment methods include oxidation, coagulation, and demulsifier chemicals. In recent years, there has been a great deal of research on electrochemical processes and photocatalytic treatments using electricity. Research is underway (5).
산화법은 주로 내화물질(Refractory Chemical)을 분해하는 방법으로 사용되며, 강산화제(Strong Oxidant), 촉매(Catalyst), 조사(Irradiation) 등을 이용한다. 현재 고급산화공정(AOP: Advanced Oxidation Process)이란 기술이 개발, 상용화되어 있으며, AOP는 방전 램프에 자외선 파장과 오존 생성파장을 동시 발생시켜 공기 중의 산소와 결합하여 광분해하는 과정에서 다량의 OH 라디칼을 생성, 산화처리하는 공정이다. 응결은 주고 부유물질이나 콜로이드 입자 등을 제거하는 용도로 사용되며, 용해되어 있는 물질을 제거하는 것에는 비효율적이다(5,10).Oxidation is mainly used to decompose refractory chemicals. Strong Oxidant, Catalyst, Irradiation, etc. are used. At present, AOP (Advanced Oxidation Process) technology is developed and commercialized, and AOP simultaneously generates ultraviolet wavelengths and ozone generating wavelengths in a discharge lamp, so that a large amount of OH radicals And oxidation treatment. Condensation is used to remove suspended solids and colloidal particles, and it is inefficient to remove dissolved substances (5, 10).
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 원유 채취 시 발생 되는 다량의 오일이 포함된 생산수를 처리하기 위한 생산수 처리방법에 있어서, 화학적, 생물학적 처리 없이도 기존 공정의 간단한 설계 변경을 통하여 물과 오일의 분리 효율을 증가시킬 수 있는 생산수 처리방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide a production water treatment method for treating production water containing a large amount of oil generated during crude oil collection, And to provide a production water treatment method capable of increasing the separation efficiency between water and oil.
또한, 본 발명의 목적은 생산수에서 오일을 물리적으로 분리해내는 핵심 부품에 해당하는 하이드로싸이클론 라이너의 내벽 구조를 개선함으로써 생산수에서 오일을 효과적으로 제거할 수 있는 생산수 처리방법을 제공하는 것이다.It is also an object of the present invention to provide a production water treatment method capable of effectively removing oil from production water by improving the inner wall structure of a hydrocyclone liner corresponding to a core part for physically separating oil from production water .
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 원유로부터 분리된 생산수로부터 샌드 성분을 분리 제거하는 샌드제거 단계; 상기 샌드 성분이 제거된 생산수로부터 오일 성분을 분리 제거하는 오일제거 단계; 상기 오일 성분이 제거된 생산수로부터 잔존오일 및 가스 성분을 분리 제거하는 가스제거 단계;를 포함하는 생산수 처리공정에 있어서, 상기 샌드제거 단계 또는 상기 가스제거 단계 전에, 생산수와 가스 성분을 혼합하는 가스혼합 단계;를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 생산수 처리방법을 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention provides a sand removing method for separating and removing a sand component from production water separated from crude oil; An oil removing step of separating and removing the oil component from the produced water from which the sand component is removed; And a gas removing step of separating and removing remaining oil and gas components from the produced water from which the oil component has been removed, wherein, in the production water treatment step, before the sand removing step or the gas removing step, And a gas mixing step of mixing the gas and the gas mixture.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 가스혼합 단계에서 이루어지는 생산수와 가스 성분의 혼합이, 후공정인 가스제거 단계보다 고압의 조건에서 이루어지는 것이 바람직하다. 본 발명의 또 다른 실시예로, 상기 가스혼합 단계에서 생산수와 가스 성분의 접촉면을 증가시키기 위하여, 생산수와 가스 성분이 혼합되는 가스혼합조 내에 난류가 형성되는 것이 바람직하며, 상기 가스혼합조 내에 난류가 형성되도록 가스 혼합조 내 생산수의 흐름 방향과 가스의 유입방향이 서로 수직으로 교차하는 것이 바람직하다. In an embodiment of the present invention, it is preferable that mixing of the produced water and the gas component in the gas mixing step is performed at a higher pressure than in the gas removing step as a post-process. In another embodiment of the present invention, in order to increase the contact surface between the produced water and the gas component in the gas mixing step, it is preferable that turbulence is formed in the gas mixing tank in which the produced water and the gas component are mixed, It is preferable that the flow direction of the produced water and the gas inflow direction in the gas mixing tank are perpendicular to each other so that turbulent flow is formed in the gas mixing tank.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 가스제거 단계에서 분리된 가스의 적어도 일부 이상이 상기 가스혼합 단계에서 생산수와 혼합되는 가스 성분으로 재활용되는 것이 바람직하다.In an embodiment of the present invention, it is preferable that at least a part or more of the gas separated in the gas removing step is recycled as a gas component mixed with the produced water in the gas mixing step.
한편, 상기 샌드제거 단계 또는 오일제거 단계가 하이드로싸이클론을 사용하여 이루어지게 되는데, 상기 하이드로싸이클론이 중공 구조의 하이드로사이클론 라이너를 포함하며, 상기 하이드로사이클론 라이너는 상기 오일을 포함하는 생산수가 도입되는 도입부; 상기 생산수 내에서 상대적으로 비중이 낮은 오일 성분이 배출되는 상부 배출부; 및 상기 생산수 내에서 상대적으로 비중이 높은 물 성분이 배출되는 하부 배출부;를 포함한다. The hydrocyclone includes a hydrocyclone liner having a hollow structure, and the hydrocyclone liner is introduced into the hydrocyclone liner in a state where the production water containing the oil is introduced Introduction portion; An upper discharge portion through which the oil component having a relatively low specific gravity is discharged in the produced water; And a lower discharge portion through which the water component having relatively high specific gravity is discharged in the produced water.
상기 중공 구조의 라이너 일측 끝부분의 중심부에 상기 상부 배출부가 위치하고, 반대쪽 타측 끝의 중심부에는 상기 하부 배출부가 위치하되, 상기 도입부는 상기 상부 배출부 아래쪽으로 라이너 측부에 위치하며, 상기 상부 배출부가 위치된 라이너의 일측 끝 부분에서 하부 배출부가 위치된 라이너의 타측 끝 부분에 이르는 라이너 내벽의 기울기가 서로 다른 제1 영역과 제2 영역 및 제3 영역으로 구분된다. Wherein the upper discharge portion is located at the center of one end of the liner of the hollow structure and the lower discharge portion is located at the center of the other end of the opposite end of the hollow structure, A first region, a second region and a third region in which slopes of the inner wall of the liner from the one end of the liner to the other end of the liner where the lower discharge portion is located are different from each other.
본 발명의 일 실시예는 i) 상기 제1 영역의 내벽에 의해 정의되는 내각이 상기 제2 영역의 내벽에 의해 정의되는 내각의 크기보다 1.5 ~ 2 배이거나, ⅱ) 상기 제1 영역의 내벽의 기울기가 지수(exponential)함수 또는 2차 함수 형태의 곡선 형태로 변화되며, 상기 제1 영역에 위치하는 도입부를 통해 도입된 오일을 포함하는 생산수는 원심력에 의해 발생되는 소용돌이에 의해 생산수 내에서 비중이 상대적으로 낮은 오일 성분은 상부 배출부를 통해 배출되고, 생산수 내에서 비중이 상대적으로 높은 물 성분은 제1 영역의 하부에 위치하는 제2 영역을 거쳐 제3 영역에 위치하는 하부 배출부를 통해 배출되는 것을 특징으로 한다. An embodiment of the present invention is characterized in that i) the inner angle defined by the inner wall of the first region is 1.5 to 2 times larger than the inner angle defined by the inner wall of the second region, or ii) The slope is changed into an exponential function or a curve of a quadratic function type, and the production water containing the oil introduced through the inlet portion located in the first region is produced by the vortex generated by the centrifugal force, The oil component having a relatively low specific gravity is discharged through the upper discharge portion and the water component having a relatively high specific gravity in the production water flows through the lower discharge portion positioned in the third region through the second region located in the lower portion of the first region And is discharged.
본 발명의 상기 제1 영역의 라이너 내벽의 최대 지름을 DH, 제2 영역의 라이너 내벽의 최대 지름을 DS, 상부 배출부의 지름은 D0, 하부 배출부의 지름은 DU라 정의하면, 0.03 ≤ D0/DH ≤ 0.08, 0.4 ≤ DS/DH ≤ 0.6, 0.2 ≤ DU/DH ≤ 0.3의 관계식을 만족한다. If the maximum diameter of the inner wall of the liner in the first region is D H , the maximum diameter of the inner wall of the liner in the second region is D S , the diameter of the upper discharge portion is D 0 and the diameter of the lower discharge portion is D U , ? D 0 / D H ? 0.08, 0.4? D S / D H ? 0.6, and 0.2? D U / D H ? 0.3.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 제1 영역의 내벽에 의해 정의되는 내각의 크기는 30o 내지 40o일 수 있으며, 또 다른 실시예에서는 상기 제1 영역의 내벽의 기울기는 하기의 식(1), (2)과 같은 지수(exponential)함수 형태로 변화되는 것이 바람직하다.In one embodiment of the invention the size of the cabinet is defined by the inner wall of the first area may be a 30 o to 40 o, yet another embodiment of to the slope of the inner walls of the first region formula (1) , And (2), respectively.
(1) (One)
(단, 여기서 상기 제1 영역에서 지수함수 기울기에 영향을 주는 a값은 6 에서 21 사이의 값을 가지며, 길이방향 z의 값은 0에서 225의 범위를 갖는다.)(Note that an a value that affects the exponential slope in the first region has a value between 6 and 21, and a value in the longitudinal direction z ranges from 0 to 225).
(2) (2)
(단, 여기서 D는 제1 영역의 지름을 의미하며, 길이방향 z의 값은 0에서 225의 범위를 갖는다.)(Where D denotes the diameter of the first region, and the value of the longitudinal direction z ranges from 0 to 225).
본 발명의 또 다른 실시예로, 상기 제1 영역의 내벽의 기울기는 하기의 식(3)과 같은 이차(polynomial)함수 형태로 변화되는 것이 바람직하다.In another embodiment of the present invention, the slope of the inner wall of the first region may be changed into a polynomial function as shown in the following equation (3).
(3) (3)
(단, 여기서 D는 제1 영역의 지름을 의미하며, 길이방향 z의 값은 0에서 225의 범위를 갖는다.)(Where D denotes the diameter of the first region, and the value of the longitudinal direction z ranges from 0 to 225).
상기 제2 영역에서 라이너 내벽(DS)은 내각(2b)의 크기가 1.3°에서 1.5°의 범위를 갖는 것이 바람직하며, 상기 제1 영역의 라이너 내벽의 최대 지름(DH)은 30 mm에서 내지 70 ㎜인 것이 바람직하다.In the second region, the liner inner wall (D s ) preferably has a size of the inner angle (2b) ranging from 1.3 to 1.5 degrees, and the inner wall of the first region has a maximum diameter (D H ) of 30 mm To 70 mm.
본 발명의 다른 실시 형태로는 상기 오일을 포함하는 생산수가 도입되는 도입부의 단면은 타원형인 것이 바람직하며, 상기 타원형의 도입부의 장축과 단축의 비는 0.2 내지 0.5인 것이 바람직하다.In another embodiment of the present invention, the cross-section of the introduction portion into which the production water containing the oil is introduced is preferably elliptical, and the ratio of the long axis to the short axis of the elliptical inlet portion is preferably 0.2 to 0.5.
본 발명의 생산수 처리방법은 원유로부터 분리된 생산수로부터 샌드 성분과 오일 성분을 제거한 후 잔존오일과 가스 성분을 분리 제거하는 생산수 처리공정에 있어서, 생산수와 가스 성분을 혼합하는 가스혼합 단계를 추가로 포함하여 물과 오일의 분리 효율을 증가시키며 디가싱 드럼(De-gassing drum)의 크기를 줄이는 효과를 얻을 수 있다. The production water treatment method of the present invention is a production water treatment process for separating residual oil and gas components after removing a sand component and an oil component from production water separated from crude oil, Thereby increasing the separation efficiency between water and oil and reducing the size of the de-gassing drum.
또한, 본 발명의 오일제거 단계에서 사용되는 중공 구조의 하이드로사이클론 라이너는 통상적인 단일 기울기면을 갖는 기존의 라이너에 비해 더 큰 원심력을 가져 오일과 물이 더 효율적으로 분리되며 전체적인 처리량을 증가시킬 수 있다. In addition, the hollow structure of the hydrocyclone liner used in the oil removing step of the present invention has a larger centrifugal force than the conventional liner having a conventional single slope surface, so that the oil and water are more efficiently separated and the overall throughput can be increased have.
도 1은 본 발명의 생산수 처리 시스템을 도식적으로 나타낸 공정도이다.
도 2는 본 발명의 가스혼합단계에서 사용되는 가스혼합조의 일 실시예를 나타내는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 가스혼합단계에서 사용되는 가스혼합조 내부의 유동 수치를 해석한 도면이다.
도 4는 종래의 라이너 구조를 도식적으로 나타낸 그림이다.
도 5a~d는 본 발명의 각 실시예에 따른 라이너 구조를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 6a,b는 종래의 라이너 구조인 비교예(도 6a)과 본 발명의 라이너(도 6b)의 중심축 속도와 압력 및 농도 분포를 전산모사한 결과이다.
도 7a,b는 종래의 라이너 구조인 비교예(도 7a)과 본 발명의 라이너(도 7b)의 중심축 속도 분포(a, b)와 접선 속도 분포(c,d)를 위치별(a,c는 z=1/2*Ds, b,d는 z=Ds)로 전산모사한 결과이다.
도 8은 비교예의 분리효율을 액적 크기별로 전산모사한 결과이다.
도 9는 본 발명과 비교예의 분리효율을 액적 크기가 30㎛인 경우에 대해 비교한 결과이다.
도 10a,b는 각각 본 발명의 각 실시예에 대해서 중심축 속도 분포(도 10a)와 접선 속도 분포(도 10b)를 전산모사한 결과이다.
도 11은 본 발명의 다양한 실시예들과 비교예의 분리효율을 액적 크기가 30㎛인 경우에 대해 전산 모사하여 비교한 결과이다.1 is a process diagram schematically showing a production water treatment system of the present invention.
2 is a conceptual diagram showing an embodiment of a gas mixing tank used in the gas mixing step of the present invention.
3 is an analysis of the flow values inside the gas mixing vessel used in the gas mixing step of the present invention.
4 is a diagram schematically illustrating a conventional liner structure.
Figures 5a-d schematically illustrate a liner structure according to each embodiment of the present invention.
6A and 6B are computational results of the center axis velocity, the pressure and the concentration distribution of the conventional liner structure (FIG. 6A) and the liner of the present invention (FIG. 6B).
7A and 7B show the distribution of the center axis velocity a and b and the tangential velocity distributions c and d of the liner structure of the present invention (Fig. 7A) and the liner of the present invention (Fig. c is z = 1/2 * Ds, b, d is z = Ds).
Fig. 8 is a result of computational simulation of the separation efficiency of the comparative example for each droplet size.
Fig. 9 shows the results of comparison of the separation efficiencies of the present invention and the comparative example when the droplet size is 30 mu m.
10A and 10B are results obtained by computer simulation of the central axis velocity distribution (FIG. 10A) and the tangential velocity distribution (FIG. 10B), respectively, for each of the embodiments of the present invention.
11 is a result of a comparison between the separation efficiencies of the various embodiments of the present invention and the comparative example in the case of a droplet size of 30 占 퐉.
이하에서는 본 발명의 오일을 포함하는 생산수(Produced water)의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는 것이다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of produced water including oil according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings, which may be easily carried out by a person having ordinary skill in the art to which the present invention pertains It should be understood, however, that the detailed description and specific examples, while indicating preferred embodiments of the invention, are given by way of illustration only, and thus are not limitative of the inventive concept and scope of the invention.
통상적인 생산수 처리 방법을 살펴보면, 먼저 분리조(100)에서 원유로부터 분리된 생산수가 샌드제거(De-Sanding)와 오일제거(De-Oiling) 단계를 거치면서 생산 수 내 샌드 성분과 오일 성분이 분리제거되게 된다. 이와 같이 샌드 성분과 오일 성분이 분리제거된 생산수는 마지막으로 생산수에 잔존하는 오일 및 가스 성분을 분리 제거하는 가스제거 단계를 거치게 된다. A typical production water treatment method is as follows. First, the production water separated from the crude oil in the
상기 가스제거는 디가싱(De-Gassing) 드럼(400)과 같은 가스제거조에서 이루어지는데, 상기 디가싱 드럼으로 유입된 생산수 내의 가스 성분이 유입시의 압력저하로 인해 버블형태로 방출되어 플레어가스 라인(flare gas line)으로 배출되게 된다. 이때 방출되는 가스가 잔존 오일 액적(droplet)을 끌어당기면서 계면에 얇은 오일 층이 형성되게 되며, 상기 계면의 잔존 오일들이 가스와 함께 분리, 배출되어 재사용되게 된다.The degassing is performed in a degassing vessel such as a
상기 디가싱 드럼(400)은 생산수의 충분한 탈가스화를 위해 생산수가 최소 보유시간(retention time) 이상 체류할 수 있도록 설계되어야 하므로, 생산수의 처리량에 따라 적정한 크기로 설계된다.
The
본 발명은 상기 디가싱 드럼(400)에서의 오일과 물의 분리효율을 향상시키기 위하여, 도 1a에 도시된 것과 같이 상기 샌드제거 단계 또는 상기 가스제거 단계 전에, 생산수와 가스 성분을 혼합하는 가스혼합 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다. In order to improve the separation efficiency of oil and water in the
상기 가스혼합단계는 가압부상조의 원리를 이용한 가스혼합조(500)에서 이루지게 된다. 상기 가스혼합조(500)는 오일과 물의 분리를 가속화시키 위한 장치로서, 액체와 기체를 혼합하여 액체 내에 기체를 포화시킴으로써, 이후 디가싱 드럼(400)에서 더 많은 양의 버블이 발생하도록 유발시키는 장치이다. The gas mixing step is performed in a
상기 가스혼합조(500)를 자세히 살펴보면, 도 2에 도시된 것과 같이 액체인 생산수가 가스혼합조를 통과할 때 기체가 기체유입구(510)을 통해 액체 내로 유입되게 된다. 이와 같이, 기체가 유입된 유체는 도 3과 같이 난류를 형성하게 되고 이 난류로 인하여 액체와 기체의 접촉면이 넓어져 더욱 많은 양의 기체가 액체에 포화되게 된다. 이때, 상기 가스혼합조(500) 내에 난류가 효율적으로 형성되도록 가스 혼합조 내 생산수의 흐름 방향과 가스의 유입방향이 서로 수직으로 교차하는 것이 바람직하다. As shown in FIG. 2, when the production water, which is a liquid, passes through the gas mixing chamber, the gas is introduced into the liquid through the
또한, 상기 가스혼합조(500)의 내부는 디가싱 드럼(400)보다 고압으로 유지되는 것이 바람직하다. 고압 조건에서 더 많은 양의 기체가 액체에 포화될 수 있으며, 상기 포화된 기체는 디가싱 드럼(400)에서 큰 압력 차로 인하여 더 효율적으로 버블 형태로 배출되게 된다. In addition, the inside of the
이때, 잔존오일이 배출되는 버블 형태의 기체와 함께 부상되어 물과 오일을 분리하게 되는데, 분리 효율의 증가하면서 물과 오일의 분리시간을 단축시킬 수 있다. 또한, 디가싱 드럼(400)의 보유시간(retention time)이 줄어들기 때문에 디가싱 드럼(400)의 용량, 즉 크기를 줄이는 효과를 얻을 수 있다. At this time, the remaining oil is floated together with the bubble-shaped gas that is discharged, so that the water and the oil are separated. The separation efficiency between the water and the oil can be shortened by increasing the separation efficiency. In addition, since the retention time of the
또한, 본 발명의 가스혼합조(500)에 공급되는 가스는 디가싱 드럼(400)에서 플레어가스(flare gas)로 배출되는 가스를 재활용함으로써 환경오염을 줄일 수 있다.
In addition, the gas supplied to the
한편, 본 발명의 샌드제거 단계 또는 오일제거 단계는 하이드로싸이클론을 사용하여 이루어지는 것이 바람직하다. 하이드로싸이클론은 유체의 회전운동을 통해 원심력을 발생시켜 더 무거운 물 성분은 바깥쪽으로 밀고, 더 가벼운 오일 성분은 콘(cone)의 중심으로 모이게 함으로써 물과 오일을 분리하는 장치이다. Meanwhile, the sand removing step or the oil removing step of the present invention is preferably performed using a hydrocyclone. A hydrocyclone is a device that separates water and oil by generating a centrifugal force through rotational motion of the fluid, pushing the heavier water component outward, and the lighter oil component to the center of the cone.
특히 오일제거 단계에서 사용되는 디오일링 하이드로싸이클론(300)의 라이너(liner)는, 오일이 포함된 생산수에서 오일을 물리적으로 분리해내는 핵심 부품으로, 라이너의 성능에 따라 오일의 분리 효율이 결정되는 것이 일반적이다. 본 발명에서는 이러한 라이너(Liner)의 내부 구조 혹은 내부 형태를 새롭게 변경하여 최적화시킴으로써 오일의 분리 효율을 더욱 증가시키는 것을 특징으로 한다. Particularly, the liner of the
먼저 기존의 라이너 구조를 살펴보면 도 4와 같다. 이러한 라이너 구조는 본 출원인이 종래에 개발하여 연구를 계속해온 라이너 구조로, 공지된 라이너 구조는 아니다. 도 4에서 확인할 수 있듯이, 기존의 라이너는 라이너 상부 측부에 오일을 포함하는 생산수(Produced water)가 유입되는 도입부가 존재하고, 라이너 내부의 관벽을 따라 상기 생산수가 흘러내리는데, 관벽이 좁아짐에 따라 원심력이 발생한다. First, a conventional liner structure is shown in FIG. Such a liner structure is a liner structure that the present applicant has developed and studied conventionally, and is not a known liner structure. As can be seen from FIG. 4, in the conventional liner, there is an inlet portion into which the produced water containing oil flows into the upper side of the liner, and the produced water flows down along the inner wall of the liner. A centrifugal force is generated.
오일 성분과 물의 비중 차이로 인해, 비중이 낮은 오일 성분은 상기 라이너의 중심으로 소용돌이(vortex)를 형성하면서 모이게 되어 라이너의 도입부 위쪽에 존재하는 상부 배출부를 통해 배출되며, 상대적으로 비중이 높은 물 성분은 라이너 내벽을 따라 흘러 최종적으로 하부 배출구를 통해 배출된다.Due to the difference in specific gravity between the oil component and water, the low specific gravity oil component is collected while forming a vortex at the center of the liner and discharged through the upper discharge portion existing above the inlet portion of the liner, Flows along the inner wall of the liner and finally discharged through the lower outlet.
이러한 기존의 라이너 구조를 살펴보면, 도입부에서 라이너를 따라 지름이 일정하게 변화하지 않는 직선 중공 영역(A1), 일정한 각(2a)도로 지름이 감소하는 제1 감소 영역(A2), 상기 제1 감소 영역에 비해 더욱 완만한 각도(2b)로 지름이 감소하는 제2 감소 영역(A3) 및 지름이 일정하게 유지되는 제3 영역(A4)의 4개의 영역으로 구분된다.In the conventional liner structure, a linear hollow region A1 in which the diameter does not change uniformly along the liner at the introduction portion, a first reduction region A2 in which the diameter of the
즉, 기존의 라이너 구조의 내경을 기준으로 살펴보면, 일정한 지름(DH)을 유지하는 직선 중공 영역(A1), 내부의 지름이 2a의 각도를 유지하면서 일정하게 감소하여 DS의 지름을 갖게 되는 제1 감소 영역(A2), 상기 제1 감소 영역에 비해 더욱 완만한 기울기로 지름이 감소하는 제2 감소 영역(A3) (유지되는 각도는 2b) 및 지름이 하부 배출부의 지름(DU)으로 일정하게 유지되는 제3 영역(A4)의 총 4 개의 구간으로 구분된다.That is, the look relative to the inner diameter of the existing liner structure, and a constant diameter (D H) for maintaining linear hollow regions (A1), the internal diameter decreasing constant while maintaining 2a angles have a diameter of D S No. 1 decreased the area (A2), the first reduced region further to the reduction in diameter as a gentle slope a second reduced area compared to the (A3) (keeping the angle is 2b) and a diameter of the lower outlet portion diameter (D U) And a third area A4 that is kept constant.
이와 달리, 본 발명에서 제안되는 라이너의 구조를 살펴보면 도 5a 내지 5d의 구조와 같은데, 상기 도 4의 기존의 라이너와는 달리, 상기 상부 배출부가 위치된 라이너의 일측 끝 부분에서 하부 배출부가 위치된 라이너의 타측 끝 부분에 이르는 라이너 내벽의 기울기가 각각 서로 다른 제1 영역과 제2 영역 및 제3 영역으로 구분된다. In contrast, the structure of the liner proposed in the present invention is similar to that of FIGS. 5A to 5D. Unlike the conventional liner of FIG. 4, the lower discharge portion is located at one end of the liner where the upper discharge portion is located A slope of the inner wall of the liner leading to the other end of the liner is divided into a first region, a second region and a third region which are different from each other.
이때, 상기 제1 영역에서 라이너 내벽은, i) 상기 제1 영역의 내벽에 의해 정의되는 내각이 상기 제2 영역의 내벽에 의해 정의되는 내각의 크기보다 1.5 ~ 2 배이거나, ⅱ) 상기 제1 영역의 내벽의 기울기가 지수(exponential)함수 또는 2차 함수의 곡선 형태로 변화될 수 있다. Wherein the inner wall of the liner in the first region is i) the inner angle defined by the inner wall of the first region is 1.5 to 2 times larger than the inner angle defined by the inner wall of the second region, or ii) The slope of the inner wall of the region may be changed to an exponential function or a curved form of a quadratic function.
좀 더 구체적으로는, 상기 제1 영역의 내벽에 의해 정의되는 내각의 크기가 30o 내지 40o이거나, 상부 배출부에서 하부 배출부방향으로 라이너 중심축을 따라 하기 지름(D)이 하기 식 (1),(2)과 같은 지수함수 형태의 곡면 형상 또는 하기 식(3)과 같은 2차 함수 형태의 곡면 형상을 가질 수 있다. More specifically, the inner diameter defined by the inner wall of the first region may range from 30 o to 40 o, or a diameter (D) along the liner center axis in the direction from the upper discharge portion toward the lower discharge portion may satisfy the following formula ), (2), or a curved surface shape of a quadratic function such as the following equation (3).
(1) (One)
(여기서 상기 제1 영역에서 지수함수 기울기에 영향을 주는 a값은 6 에서 21 사이의 값을 가지며, 길이방향 z의 값은 0에서 225의 범위를 갖는다.)(Wherein the a value affecting the exponential slope in the first region has a value between 6 and 21, and the value in the longitudinal direction z ranges from 0 to 225).
(2) (2)
(여기서 D는 제1 영역의 지름을 의미하며, 길이방향 z의 값은 0에서 225의 범위를 갖는다.)(Where D is the diameter of the first region and the value of the longitudinal direction z ranges from 0 to 225).
(3) (3)
(여기서 D는 제1 영역의 지름을 의미하며, 길이방향 z의 값은 0에서 225의 범위를 갖는다.)(Where D is the diameter of the first region and the value of the longitudinal direction z ranges from 0 to 225).
또한, 상기 제1 영역의 라이너 내벽의 최대 지름을 DH, 제2 영역의 라이너 내벽의 최대 지름을 DS, 상부 배출부의 지름은 D0, 하부 배출부의 지름은 DU라 정의하면, 0.03 ≤ D0/DH ≤ 0.08, 0.4 ≤ DS/DH ≤ 0.6, 및 0.2 ≤ DU/DH ≤ 0.3 의 관계식을 만족하게 된다. 상기 제2 영역에서 라이너 내벽(D)은 내각(2b)의 크기가 1.3°에서 1.5°의 범위에서 선택되며, 상기 제1 영역의 라이너 내벽의 최대 지름(DH)은 30 ㎜에서 70 ㎜인 것이 바람직하다.If the maximum diameter of the inner wall of the liner in the first region is D H , the maximum diameter of the inner wall of the liner in the second region is D S , the diameter of the upper discharge portion is D 0 , and the diameter of the lower discharge portion is D U , D 0 / D H ≤ 0.08, 0.4 ≤ D S / D H ≤ 0.6, and 0.2 ≤ D U / D H ≤ 0.3. The inner diameter D of the liner inner wall in the second region is selected in the range of 1.3 to 1.5 degrees and the maximum diameter D H of the inner wall of the first region is in the range of 30 mm to 70 mm .
또한, 더 많은 유량의 생산수를 라이너 내로 도입하고, 이를 통해서 효과적으로 오일을 포함하는 유체가 라이너의 내벽을 타고 흐를 수 있도록, 상기 오일을 포함하는 생산수가 도입되는 도입부의 단면은 타원형인 것이 바람직하며, 상기 타원형의 도입부의 장축과 단축의 비는 0.2 내지 0.5인 것이 바람직하다.It is also preferred that the cross-section of the lead-in portion into which the product water containing the oil is introduced is introduced into the liner through which a fluid containing an oil can effectively flow through the inner wall of the liner, , The ratio of the long axis to the short axis of the elliptical inlet portion is preferably 0.2 to 0.5.
이하에서는 이렇게 4개의 영역으로 구분되는 종래의 라이너 구조와 3개의 영역으로 구분되는 본 발명의 라이너 구조의 오일 분리 성능에 대하여 구체적으로 살펴보고자 한다.
Hereinafter, the oil separating performance of the conventional liner structure divided into four regions and the liner structure of the present invention divided into three regions will be described in detail.
[실시예 1][Example 1]
먼저 본 발명의 라이너 구조의 성능과 종래의 라이너 구조의 성능을 비교하기 위해서 전산모사를 통해 라이너 구조 내부에서 오일 성분과 물 성분의 흐름 특성을 분석하였다. 물과 오일의 분리는 앞서 언급하였던 것과 같이, 라이너 관벽을 따라 오일과 물의 혼합물이 흘러내릴 때 발생되는 소용돌이(vortex)에 의해 주로 발생되므로, 상기 소용돌이의 영향이 상대적으로 낮은 마지막 하부 배출부의 영역은 양 쪽 라이너 모두 동일하게 하였다. First, in order to compare the performance of the liner structure of the present invention with the performance of the conventional liner structure, flow characteristics of the oil component and the water component in the liner structure were analyzed through computer simulation. Since the separation of water and oil is mainly caused by the vortex generated when the mixture of oil and water flows down along the liner tube wall, as mentioned above, the area of the last lower outlet portion where the effect of the vortex is relatively low Both liner were made identical.
또한 본 발명의 라이너 구조는 도입부와 연통되는 부분에서만 지름이 일정하게 유지되는 부분이 존재할 뿐, 도입부와 연통되는 부분의 아래에서 부터는 라이너 내벽이 지수함수 형태의 곡면 형상을 가지면서 감소되는 제1 영역을 갖도록 설계하였다. 이때 사용되었던 양 라이너의 구체적인 구조는 다음의 표 1과 같다.Also, the liner structure of the present invention has a portion where the diameter is constantly maintained only at a portion communicating with the introduction portion, and a first region where the inner wall of the liner has a curved shape of an exponential function and is decreased from below the portion communicating with the introduction portion. Respectively. The concrete structure of the sheath liner used at this time is shown in Table 1 below.
도 6a, 6b는 각각 종래의 라이너 구조인 비교예(a)과 본 발명의 라이너 구조인 실시예(b)의 중심축 속도와 압력 및 농도 분포를 전산모사한 결과이다.6A and 6B are computational results of the central axis velocity, the pressure and the concentration distribution of the comparative example (a) of the conventional liner structure and the embodiment (b) of the liner structure of the present invention, respectively.
도 6a의 종래의 라이너 구조에서는 라이너 중심부 상단에서 중심축 방향 속도가 (+)인 영역이 존재함을 확인할 수 있었으며, 라이너 내부의 오일 성분의 농도 분포의 경우에는 오일 액적 크기에 따라 약간 상이하게 나타남을 알 수 있는데, 액적의 크기가 클수록(50㎛) 상부 배출부 부근에서 높은 농도로 존재하며, 하부 배출부 부근에서는 액적의 크기가 작을수록(30㎛) 더 높은 농도로 존재함을 확인할 수 있었다.In the conventional liner structure shown in FIG. 6A, it can be seen that there exists a region having a positive (+) center axial velocity at the upper end of the liner center, and the concentration distribution of the oil component in the liner is slightly different depending on the oil droplet size It can be seen that the larger the size of the droplet is (50 μm), the higher the concentration in the vicinity of the upper discharge portion, and the lower the droplet size in the lower discharge portion, the higher the concentration is (30 μm) .
본 발명의 라이너 구조의 전산 모사 결과인 도 6b를 살펴보면, 중심 축 방향 속도가 (+)인 영역의 길이가 기존의 라이너 구조에 비해 길게 나타남을 확인할 수 있었으며, 그 두께 역시 전체적으로 기존의 구조에 비해 큼을 확인할 수 있었는데, 이는 비중이 낮은 오일 성분이 보다 더 효율적으로 상부 배출부를 통해 배출될 수 있음을 의미한다. 또한, 오일 성분의 농도 분포 역시 상부 배출부 존재 영역에서 최고 농도 지점을 가짐을 알 수 있어, 전체적으로 본 발명의 라이너 구조가 종래의 라이너 구조에 비해 오일 성분의 분리에 더욱 효과적임을 확인할 수 있었다.6B, which is a result of the computer simulation of the liner structure of the present invention, it can be seen that the length of the region in which the center axial velocity is positive is longer than that of the conventional liner structure, , Which means that the oil component with low specific gravity can be discharged more efficiently through the upper discharge portion. Also, it can be seen that the concentration distribution of the oil component also has the highest concentration point in the region of the upper discharge portion, and as a whole, the liner structure of the present invention is more effective in separating the oil component than the conventional liner structure.
도 7a,도 7b는 종래의 라이너 구조인 비교예(도 7a)와 본 발명의 라이너(도 7b)의 중심축 속도 분포와 접선 속도 분포를 제1 영역의 특정 위치(Z= 1/2*DS, Z=DS)별로 대해서 전산모사한 결과이다. 본 발명의 지수함수의 형태로 지름이 감소하는 본 발명의 라이너 구조가 일정한 기울기(혹은 일정한 각도)로 지름이 감소하는 종래의 라이너 구조에 비해 중심 축 방향 속도가 상대적으로 크다는 점을 알 수 있었으며, 이러한 속도의 차이는 제1 영역의 하부로 갈수록 (즉, 제2 영역과 가까워질수록) 증가함을 알 수 있었다. 또한, 중심 축 방향 속도 분포와 함께 접선 방향의 속도 분포 역시 본 발명의 라이너가 더 큼을 확인할 수 있었다.7A and 7B show the distribution of the central axis velocity and the tangential velocity distribution of the liner of the present invention (FIG. 7A) and the liner of the present invention (Z = 1/2 * D S , Z = D S ). It can be seen that the liner structure of the present invention having a reduced diameter in the form of an exponential function of the present invention has a relatively large central axis velocity in comparison with a conventional liner structure in which the diameter is reduced at a constant slope (or a certain angle) It can be seen that the difference in the speed increases as the distance to the bottom of the first area (i.e., closer to the second area) increases. In addition, it was confirmed that the liner of the present invention is also better in the tangential velocity distribution along with the central axial velocity distribution.
도 8에서는 비교예인 종래의 라이너 구조를 사용한 경우, 액적의 크기별로 라이너 분리 효율을 계산한 결과이고, 도 9는 본 발명과 비교예의 라이너 분리효율을 액적 크기가 30㎛인 경우에 대해 비교한 결과이다.Fig. 9 shows the liner separation efficiencies of the present invention and the comparative example when the droplet size is 30 mu m as a result of comparing the liner separation efficiency according to the droplet size in the case of using the conventional liner structure as a comparative example to be.
도 8의 결과를 살펴보면, 약 2초 이내에 일정한 분리 효율로 모두 수렴하는 결과를 확인할 수 있었으며, 액적의 크기가 커짐에 따라 분리효율이 향상되어 약 50㎛의 액적의 경우 거의 99%이상의 제거 효율을 가짐을 확인할 수 있었다.As shown in FIG. 8, it was confirmed that all of the results converge at a constant separation efficiency within about 2 seconds. As the size of the droplet increases, the separation efficiency is improved. In the case of the droplet of about 50 μm, .
본 발명의 라이너가 갖는 오일 액적의 분리 효율을 비교하기 위해, 도 9와 같이 30㎛의 크기를 갖는 액적의 경우에 대해서 비교하였으며, 본 발명의 지수함수의 형태로 지름이 감소하는 라이너 구조가 일정한 기울기로 지름이 감소하는 종래의 라이너 구조에 비해 30㎛의 액적에 대해서 약 8.7% 분리 효율이 향상됨을 확인할 수 있었다.In order to compare the separation efficiencies of the oil droplets of the liner of the present invention, the comparison was made for the case of droplets having a size of 30 mu m as shown in Fig. 9. The liner structure in which the diameter decreases in the form of the exponential function of the present invention is constant It was confirmed that the separation efficiency was improved by about 8.7% with respect to the droplet of 30 mu m in comparison with the conventional liner structure in which the diameter was reduced by the inclination.
[실시예 2][Example 2]
이러한 전산 모사의 실험 결과를 바탕으로 실제로 실시예 1과 동일한 구조의 지수함수의 형태로 지름이 감소하는 라이너 구조를 제조하여, 오일을 포함하는 생산수(Produced water)에서 오일 성분을 제거하는 실험을 수행하였으며, 구체적인 실험 조건과 오일의 제거 효율은 아래의 표2 및 표3과 같다.Based on the results of the computer simulation, an experiment was conducted to fabricate a liner structure having a reduced diameter in the form of an exponential function having the same structure as in Example 1, and to remove oil components from the produced water containing oil The specific experimental conditions and the oil removal efficiency are shown in Tables 2 and 3 below.
실제 분리 실험에서는 앞선 실시예 1과는 달리, 오일을 포함하는 생산수가 도입되는 도입부의 단면 구조를 직사각형이 아닌 타원형으로 변경하였고, 이때 타원형의 도입부의 장축과 단축의 비는 0.2 에서 0.5의 범위로 조절하였다. In the actual separation experiment, the cross-sectional structure of the introduction part introducing the production water containing oil was changed to the elliptical shape instead of the rectangular shape, unlike the
이렇게 도입부의 단면을 타원형으로 변화를 줌으로써, 보다 많은 유량의 오일을 포함하는 생산수(Produced water)를 라이너 내로 도입할 수 있었고, 이를 통해서 효과적으로 오일을 포함하는 유체가 라이너의 내벽을 타고 흐를 수 있는 장점이 존재한다.By thus changing the cross-section of the inlet section to an elliptical shape, Produced water containing more oil can be introduced into the liner through which fluid, including oil, can flow effectively through the inner wall of the liner There are advantages.
QF Introduction flow
Q F
유량 QU The lower discharge portion
Flow rate Q U
유량 Q0 The upper discharge portion
Flow rate Q 0
PF Inlet pressure
P F
압력 PU The lower discharge portion
Pressure PU
압력 PO The upper discharge portion
Pressure P O
상기 표 2에서 부피 유량 Q는 liter/min의 단위이고, 압력의 단위는 모두 bar이며, 유량비(Q0/QH)를 0.06에서 0.07의 범위로 변화시키면서도, 감압비(Pressure Drop Ratio, PDR)는 모두 1.7을 유지하도록 하면서 총 3회 실험을 수행하였다. In Table 2, the volume flow rate Q is in units of liter / min, the unit of pressure is bar, and the pressure drop ratio (PDR) is varied while changing the flow ratio Q 0 / Q H in the range of 0.06 to 0.07. Were all held at 1.7.
이러한 실험을 통해서 관찰된 오일 성분의 분리효율은, 하부 배출부 오일 농도를 도입부 오일 농도로 나눈 값을 1에서 뺀 값으로 정의하였으며, 표 3의 결과에서 알 수 있듯이, 세 번의 실험 모두에서 약 92%의 높은 분리 효율을 가짐을 확인할 수 있었다.The separation efficiency of the oil components observed through these experiments was defined as the value obtained by dividing the oil concentration at the lower outlet by the inlet
[실시예 3][Example 3]
본 발명의 라이너 구조의 성능과 기존의 라이너 구조의 성능을 비교하기 위해서 전산모사를 통해 라이너 구조 내부에서 오일 성분과 물 성분의 흐름 특성을 분석하였다. 물과 오일의 분리는 앞서 언급하였던 것과 같이, 라이너 관벽을 따라 오일과 물의 혼합물이 흘러내릴 때 발생되는 소용돌이(vortex)에 의해 주로 발생되므로, 상기 소용돌이의 영향이 상대적으로 낮은 마지막 하부 배출부의 영역은 양 쪽 라이너 모두 동일하게 하였다. In order to compare the performance of the liner structure of the present invention with that of the conventional liner structure, flow characteristics of the oil component and the water component in the liner structure were analyzed through computer simulation. Since the separation of water and oil is mainly caused by the vortex generated when the mixture of oil and water flows down along the liner tube wall, as mentioned above, the area of the last lower outlet portion where the effect of the vortex is relatively low Both liner were made identical.
또한 실시예에서의 라이너 구조는 도입부와 연통되는 부분에서만 지름이 일정하게 유지되는 부분이 존재할 뿐, 도입부와 연통되는 부분의 아래에서부터는 라이너 내벽의 지름이 다음의 표와 같이 감소되는 제1 영역을 갖도록 설계하였다The liner structure in the embodiment has a first region where the diameter of the inner wall of the liner is reduced as shown in the following table from a portion communicating with the introducing portion, Designed to have
이때 사용되었던 양 라이너의 구체적인 구조는 다음의 표 4와 같으며, 구체적인 형태는 도면 5a 내지 5d에 각각 제시되어 있다. 비교예로 사용된 기존의 라이너 구조는 앞서 언급하였듯이 도 4에 제시되어 있다.The concrete structure of the sheath liner used at this time is shown in Table 4 below, and specific shapes are shown in Figs. 5a to 5d, respectively. The conventional liner structure used as a comparative example is shown in Fig. 4 as mentioned above.
여기서는 전산 모사의 편의를 위해 도입부를 5.517ㅧ16 mm2와 같이 직사각형 형태의 구조를 사용하였으나, 이후의 실제 실험 단계(실시예 4)에서는 장축과 단축의 비는 0.2 내지 0.5 인 타원형 단면을 갖는 도입부를 적용하였다.In this case, for convenience of computer simulation, the introduction part is a rectangle-shaped structure such as 5.517 ㅧ 16 mm 2 , but in the actual experimental stage (Example 4), the ratio of the long axis to the short axis is 0.2 to 0.5, Respectively.
도 10a의 중심축 속도(axial velocity) 관찰 결과를 살펴보면, 구조예 1 내지 4에 대해서 중심축 속도에서 차이가 발생함을 알 수 있었는데, 구조예3-구조예4-구조예2-구조예1의 순서로 감소함을 알 수 있었으며, 수렴부의 형상에 따라 약간씩 변화하는 양상을 보였다. 접선속도를 관찰한 도 10b의 결과에서는 각각의 구조예 1 내지 4가 약간의 차이가 발생하지만 거의 유사한 경향을 나타내었으며, 최대 접선 속도는 약 11m/sec임을 확인할 수 있었다.10A, it can be seen that the difference in the central axis velocity occurs in Structural Examples 1 to 4. Structural Example 3-Structural Example 4-Structural Example 2-Structural Example 1 , And it was slightly changed according to the shape of the convergent part. 10B, which observed the tangential velocity, it was confirmed that each of Structural Examples 1 to 4 slightly varied, but showed almost similar tendency, and the maximum tangential velocity was about 11 m / sec.
도 11에서는 비교예에 해당하는 기존의 라이너 구조 및 실시예 1의 지수함수 내벽을 갖는 라이너 구조와 비교하여 본 발명의 구조예 1 내지 4의 라이너 분리효율을 비교 관찰한 결과이다.11 shows the results of comparative observation of the liner separation efficiencies of Structural Examples 1 to 4 of the present invention in comparison with the conventional liner structure of Comparative Example and the liner structure having the inner wall of the exponential function of Example 1. Fig.
도 11의 결과를 살펴보면, 약 2초 이내에 일정한 분리 효율로 모두 수렴하는 결과를 확인할 수 있었으며, 기존의 라이너 구조의 경우 분리효율이 83.1%로 수렴하였으며, 실시예 1의 라이너의 경우 91.7%로 분리 효율이 향상됨을 알 수 있다. 11, it was confirmed that all of the results converge at a constant separation efficiency within about 2 seconds. In the case of the conventional liner structure, the separation efficiency converged to 83.1% and the liner of Example 1 was separated to 91.7% The efficiency is improved.
본 발명의 구조예 1 내지 4의 경우에는, 비록 최종 수렴값에 도달하는 시간의 차이가 약간씩 존재하지만, 최종적으로 도달된 분리효율의 수렴값이 97.0%로, 기존 및 본 출원인의 선출원 라이너 구조에 비해 현저히 향상된 값을 가짐을 확인할 수 있었다.In the case of Structural Examples 1 to 4 of the present invention, although there is a slight difference in time to reach the final convergence value, the final convergence value of the separation efficiency reached 97.0% Which is significantly improved compared to that of the conventional method.
[실시예 4][Example 4]
이러한 전산 모사의 실험 결과를 바탕으로 구조예 1 내지 4와 동일한 구조의 지수함수의 형태로 지름이 감소하는 라이너 구조를 제조하여, 오일을 포함하는 생산수(Produced water)에서 오일 성분을 제거하는 실험을 수행하였다. 이때 상부 배출부 유량(QO)와 하부 배출부의 유량(QH)의 비를 0.07로 유지하고, 도입부 유량(QF) 및 도입부 압력(PF)를 각각 57 liter/min, 4.0 bar로 고정하면서, 구조예 1 내지 4 라이너의 분리 효율을 측정하였다.Based on the results of such computational simulation, a liner structure having a reduced diameter in the form of an exponential function having the same structure as those of Structural Examples 1 to 4 was prepared, and an oil component was removed from the produced water containing oil Respectively. The inlet flow rate (Q F ) and inlet pressure (P F ) were fixed at 57 liter / min and 4.0 bar, respectively, while maintaining the ratio of the upper outlet Q o to the lower outlet Q H at 0.07. , The separation efficiency of the liner of Structural Examples 1 to 4 was measured.
실제 분리 실험에서는 앞선 실시예 3과는 달리, 오일을 포함하는 생산수가 도입되는 도입부의 단면 구조를 직사각형이 아닌 타원형으로 변경하였고, 이때 타원형의 도입부의 장축과 단축의 비는 0.2 에서 0.5의 범위로 조절하였다. In the actual separation experiment, the cross-sectional structure of the introduction part introducing the production water containing oil was changed to the elliptical shape instead of the rectangular shape, unlike the previous example 3. In this case, the ratio of the major axis to the minor axis of the elliptical type inlet was in the range of 0.2 to 0.5 Respectively.
이렇게 도입부의 단면을 타원형으로 변화를 줌으로써, 보다 많은 유량의 오일을 포함하는 생산수(Produced water)를 라이너 내로 도입할 수 있었고, 이를 통해서 효과적으로 오일을 포함하는 유체가 라이너의 내벽을 타고 흐를 수 있는 장점이 존재한다.By thus changing the cross-section of the inlet section to an elliptical shape, Produced water containing more oil can be introduced into the liner through which fluid, including oil, can flow effectively through the inner wall of the liner There are advantages.
오일 성분의 분리효율은, 하부 배출부 오일 농도를 도입부 오일 농도로 나눈 값을 1에서 뺀 값으로 정의하였으며, 실제 생산수에 대한 구조예 1 내지 4의 오일 성분의 분리 효율은, 실시예 2의 라이너 구조의 분리 효율 92%에 비해 모두 약 5% 정도 높은 분리효율을 나타내었다.The separation efficiency of the oil component was defined as a value obtained by dividing the value obtained by dividing the lower outlet oil concentration by the inlet oil concentration by 1 and the separation efficiency of the oil component in Structural Examples 1 to 4 with respect to the actual production water was as shown in Example 2 Separation efficiency of liner structure was about 5% higher than that of 92%.
본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.
The present invention is not limited to the above-described specific embodiments and descriptions, and various modifications can be made to those skilled in the art without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. And such modifications are within the scope of protection of the present invention.
100 : 분리조 200 : 디샌딩 하이드로싸이클론
300 : 디오일링 하이드로싸이클론 400 : 디가싱(De-Gassing) 드럼
500 : 가스혼합조 510 : 기체 유입구100: Separation tank 200: Desansing hydrocyclone
300: Deoiling hydrocyclone 400: De-Gassing drum
500: gas mixing tank 510: gas inlet
Claims (16)
상기 샌드제거 단계 또는 상기 가스제거 단계 전에, 생산수와 가스 성분을 혼합하는 가스혼합 단계;를 추가로 포함하며,
상기 샌드제거 단계 또는 오일제거 단계가 하이드로싸이클론을 사용하여 이루어지며,
상기 하이드로싸이클론이 중공 구조의 하이드로사이클론 라이너를 포함하며,
상기 하이드로사이클론 라이너가 상기 오일을 포함하는 생산수가 도입되는 도입부; 상기 생산수 내에서 상대적으로 비중이 낮은 오일 성분이 배출되는 상부 배출부; 및 상기 생산수 내에서 상대적으로 비중이 높은 물 성분이 배출되는 하부 배출부;를 포함하고,
상기 중공 구조의 라이너 일측 끝부분의 중심부에 상기 상부 배출부가 위치하고, 반대쪽 타측 끝의 중심부에는 상기 하부 배출부가 위치하되, 상기 도입부는 상기 상부 배출부 아래쪽으로 라이너 측부에 위치하며,
상기 상부 배출부가 위치된 라이너의 일측 끝 부분에서 하부 배출부가 위치된 라이너의 타측 끝 부분에 이르는 라이너 내벽의 기울기가 서로 다른 제1 영역과 제2 영역 및 제3 영역으로 구분되고,
i) 상기 제1 영역의 내벽에 의해 정의되는 내각이 상기 제2 영역의 내벽에 의해 정의되는 내각의 크기보다 1.5 ~ 2 배이거나, ⅱ) 상기 제1 영역의 내벽의 기울기가 지수(exponential)함수 또는 2차 함수 형태의 곡선 형태로 변화되며,
상기 제1 영역에 위치하는 도입부를 통해 도입된 오일을 포함하는 생산수는 원심력에 의해 발생되는 소용돌이에 의해 생산수 내에서 비중이 상대적으로 낮은 오일 성분은 상부 배출부를 통해 배출되고, 생산수 내에서 비중이 상대적으로 높은 물 성분은 제1 영역의 하부에 위치하는 제2 영역을 거쳐 제3 영역에 위치하는 하부 배출부를 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 생산수 처리방법.A sand removing step of separating and removing the sand component from the production water separated from the crude oil; An oil removing step of separating and removing the oil component from the produced water from which the sand component is removed; And a gas removing step of separating and removing residual oil and gas components from the produced water from which the oil component has been removed,
Further comprising a gas mixing step of mixing the produced water and the gas component before the sand removing step or the gas removing step,
The sand removing step or the oil removing step is performed using a hydrocyclone,
Wherein the hydrocyclone comprises a hollow cyclone liner,
Wherein the hydrocyclone liner comprises: an introduction portion into which production water containing the oil is introduced; An upper discharge portion through which the oil component having a relatively low specific gravity is discharged in the produced water; And a lower discharge portion through which the water component having relatively high specific gravity is discharged in the produced water,
Wherein the upper discharge portion is located at the center of one end of the liner of the hollow structure and the lower discharge portion is located at the center of the other end of the opposite end of the hollow structure,
A first region, a second region, and a third region in which inclination of the inner wall of the liner is different from one end of the liner where the upper discharge portion is located to the other end of the liner where the lower discharge portion is located,
i) the inner angle defined by the inner wall of the first region is 1.5 to 2 times larger than the inner angle defined by the inner wall of the second region, or ii) the slope of the inner wall of the first region has an exponential function Or a quadratic function form,
The produced water containing oil introduced through the inlet portion located in the first region is discharged through the upper outlet portion due to the vortex generated by centrifugal force and the oil component having a relatively low specific gravity in the produced water is discharged through the upper outlet portion, Wherein a water component having a relatively high specific gravity is discharged through a lower discharge portion located in a third region through a second region located below the first region.
상기 가스혼합 단계에서 이루어지는 생산수와 가스 성분의 혼합이, 후공정인 가스제거 단계보다 고압의 조건에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 생산수 처리방법.The method according to claim 1,
Wherein the mixing of the produced water and the gas component in the gas mixing step is performed at a higher pressure than in the gas removing step which is a post-process.
상기 가스혼합 단계에서 생산수와 가스 성분의 접촉면을 증가시키기 위하여, 생산수와 가스 성분이 혼합되는 가스혼합조 내에 난류가 형성되는 것을 특징으로 하는 생산수 처리방법.The method according to claim 1,
Wherein a turbulent flow is formed in a gas mixing tank in which the produced water and the gas component are mixed to increase the contact surface between the produced water and the gas component in the gas mixing step.
상기 가스혼합조 내에 난류가 형성되도록, 가스 혼합조 내 생산수의 흐름 방향과 가스의 유입방향이 서로 수직으로 교차하는 것을 특징으로 하는 생산수 처리방법.The method of claim 3,
Wherein a flow direction of the produced water in the gas mixing tank and a flowing direction of the gas perpendicularly cross each other so that turbulent flow is formed in the gas mixing tank.
상기 가스제거 단계에서 분리된 가스의 적어도 일부 이상이 상기 가스혼합 단계에서 생산수와 혼합되는 가스 성분으로 재활용되는 것을 특징으로 하는 생산수 처리방법.The method according to claim 1,
Wherein at least a part of the gas separated in the gas removing step is recycled as a gas component mixed with the produced water in the gas mixing step.
상기 제1 영역의 라이너 내벽의 최대 지름을 DH, 제2 영역의 라이너 내벽의 최대 지름을 DS, 상부 배출부의 지름은 D0, 하부 배출부의 지름은 DU라 정의하면,
0.03 ≤ D0/DH ≤ 0.08, 0.4 ≤ DS/DH ≤ 0.6, 0.2 ≤ DU/DH ≤ 0.3 을 만족하는 것을 특징으로 하는 생산수 처리방법.The method according to claim 1,
If the maximum diameter of the inner wall of the liner in the first region is D H , the maximum diameter of the inner wall of the liner in the second region is D S , the diameter of the upper discharge portion is D 0 , and the diameter of the lower discharge portion is D U ,
0.03 ≤ D 0 / D H ≤ 0.08, 0.4 ≤ D S / D H ≤ 0.6, the production process can be characterized in that that satisfies 0.2 ≤ D U / D H ≤ 0.3.
상기 제1 영역의 내벽에 의해 정의되는 내각의 크기는 30°내지 40°인 것을 특징으로 하는 생산수 처리방법. The method according to claim 1,
Characterized in that the size of the interior angle defined by the inner wall of said first region is between 30 [deg.] And 40 [deg.].
지수함수 형태의 곡면 형상을 갖는 제1 영역에서 라이너 내벽의 지름(D)은, 상부 배출부에서 하부 배출부 방향으로 라이너 중심축을 따라 길이방향(z)으로, 아래와 같은 식(1)과 같이 변화되는 것을 특징으로 하는 생산수 처리방법.
(1)
단, 여기서 상기 제1 영역에서 지수함수 기울기에 영향을 주는 a값은 6 에서 21 사이의 값을 가지며, 길이방향 z의 값은 0에서 225의 범위를 갖는다.The method according to claim 1,
The diameter D of the inner wall of the liner in the first region having the curved shape of the exponential function is changed in the longitudinal direction z along the liner center axis from the upper discharge portion to the lower discharge portion as shown in the following equation Wherein said process water is treated as a product water.
(One)
Here, the a value affecting the exponential slope in the first region has a value between 6 and 21, and the value in the longitudinal direction z ranges from 0 to 225.
상기 제1 영역의 내벽의 기울기는 하기의 식(2)와 같은 지수(exponential)함수 형태로 변화되는 것을 특징으로 하는 생산수 처리방법.
(2)
단, 여기서 D는 제1 영역의 지름을 의미하며, 길이방향 z의 값은 0에서 225의 범위를 갖는다.The method according to claim 1,
Wherein the slope of the inner wall of the first region changes in an exponential function form as shown in the following equation (2).
(2)
Here, D means the diameter of the first region, and the value of the longitudinal direction z ranges from 0 to 225.
상기 제1 영역의 내벽의 기울기는 하기의 식(3)과 같은 이차(polynomial)함수 형태로 변화되는 것을 특징으로 하는 생산수 처리방법.
(3)
단, 여기서 D는 제1 영역의 지름을 의미하며, 길이방향 z의 값은 0에서 225의 범위를 갖는다.The method according to claim 1,
Wherein a slope of the inner wall of the first region is changed into a polynomial function form as shown in the following equation (3).
(3)
Here, D means the diameter of the first region, and the value of the longitudinal direction z ranges from 0 to 225.
상기 제2 영역에서 라이너 내벽(DS)은 내각(2b)의 크기가 1.3°에서 1.5°의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 생산수 처리방법.The method according to claim 1,
Wherein the inner wall (D S ) of the liner in the second region has a size of the inner angle (2b) ranging from 1.3 to 1.5 degrees.
상기 제1 영역의 라이너 내벽의 최대 지름(DH)은 30 mm에서 내지 70 ㎜인 것을 특징으로 하는 생산수 처리방법.The method according to claim 1,
Wherein the maximum diameter D H of the inner wall of the liner in the first region is from 30 mm to 70 mm.
상기 오일을 포함하는 생산수가 도입되는 도입부의 단면은 타원형인 것을 특징으로 하는 생산수 처리방법.The method according to claim 1,
Wherein a cross-section of an inlet portion into which the produced water containing the oil is introduced is elliptical.
상기 타원형의 도입부의 장축과 단축의 비는 0.2 내지 0.5인 것을 특징으로 하는 생산수 처리방법.The method according to claim 1,
Wherein the ratio of the long axis to the short axis of the elliptical inlet portion is 0.2 to 0.5.
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