Verfahren zur Abtrennung einer Wasserphase aus einer ölphase

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung einer Wasserphase aus einer ölphase eines ölgemisches gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 2.

Die Abtrennung von einer Wasserphase aus einer ölphase, insbesondere aus Rohöl und ölprodukten, kann im Prinzip entweder mittels physikalischer, chemischer oder aber thermischer Verfahren erfolgen. Die beiden letztgenannten Verfahren ziehen dabei häufig Sekundärkontaminationen in Form einer zusätzlichen Befrachtung des Abwassers mit Chemikalien nach sich. Demgegenüber benötigen thermische Verfahren große E- nergiemengen und gelten deshalb sowohl aus ökologischer als auch aus ökonomischer Sicht als nicht zeitgemäß. Dagegen stellen physikalische Verfahren eine umweltfreundliche Alternative dar, was insbesondere unter dem Aspekt zunehmend schärferer Umweltauflagen von Bedeutung ist.

Nachteilig bei diesen Verfahren ist jedoch, dass eine Leistung der Verfahren, das heißt eine Durchsatzmenge pro Zeit relativ gering ist, so dass für größere Mengen an zu trennenden öl-Wasser-Gemischen erheblich Zeit benötigt wird.

Aus der DE 102 41 518 Al ist ein gattungsgemäßes Verfahren zur Abtrennung von einer diskontinuierlichen Nebenphase aus einer flüssigen Hauptphase bekannt, wobei in einem ersten Schritt Wassertropfen einer vorgegebenen kontrollierten Größe gebildet werden, die dann in einem zweiten Schritt auf eine Mehrphasen-Trennprofileinheit geleitet, auf dieser koa- leszieren in eine Sinkbahn gelenkt und abgeschieden werden. Das koaleszierte und abgeschiedene Wasser wird in einem Wassersack gesammelt und von dort abgezogen. Zur weiteren Verfeinerung der Abtrennung können beispielsweise eine mechanische Emulsionsbrecher-Stufe sowie eine oder mehrere wasserabweisende Membranen nachgeschaltet werden.

Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Verfahren der gattungsgemäßen Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, mit welcher sich auch große Mengen an Wasser aus ebenfalls großen Mengen öl schnell und einfach und insbesondere kontinuierlich trennen lassen.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Unteransprüche.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, zur Abtrennung einer Wasserphase aus einer ölphase eines öl- Wasser-Gemisches ein mehrstufig arbeitendes Druckentwässerungssystem mit Mehrpasen-Trennprofilen einzusetzen, welches die im öl-Wasser-Gemisch vorhandenen Wasseranteile schrittweise in mehreren Stufen abtrennt. Dabei sind in einer ersten Stufe in einem ersten Strömungsgenerator die Trennprofile als Phasen-Trennelemente ausgebildet und so angeordnet, dass in dem diese durchströmenden öl-Wasser-Gemisch Turbulenzen erzeugt werden, welche ein Ablagern von Wasser auf den Trennprofilen begünstigen. Die als Phasen-Trennelemente ausgebildeten Trennprofile weisen dabei vorzugsweise eine hydrophile Beschichtung auf oder sind aus einem hydrophilen Material hergestellt, wodurch das in dem öl-Wasser-Gemisch vorhandene Wasser von den Trennprofilen angezogen und dort abgelagert werden kann. Durch das Erzeugen von Turbulenzen treffen sich die im öl-Wasser-Gemisch befindlichen Wassertropfen, welche an den hydrophilen Trennprofilen abgelagert und abgetrennt werden können. Gleichzeitig bewirken die Turbulenzen in der Strömung ein Aufbrechen von sogenannten Wassernestern, welche einen Abtrennvorgang verbessern. Auf der Oberseite beziehungsweise der Anströmseite der Trennprofile bildet sich ein Wasserfilm, welcher zusätzlich hydrophil wirkt .

Durch die als Laminar-Phasen-Trennelemente ausgebildeten Trennprofile des zweiten Strömungsgenerators in der zweiten Stufe wird eine laminare, das heißt eine beruhigte Strömung des öl-Wasser-Gemisches erzeugt, wodurch größere Tropfen an

den ebenfalls hydrophil ausgebildeten Trennprofilen abgelagert werden können. In dem zweiten Strömungsgenerator herrscht dabei eine deutlich geringere Strömungsgeschwindigkeit als in der ersten Stufe, da der Strömungsquerschnitt, insbesondere ein Abstand zwischen den Laminar-Phasen- Trennelementen im Vergleich zur ersten Stufe größer ist.

In einem dritten Strömungsgenerator einer dritten Stufe sind als mechanische Phasenseparatoren ausgebildete Trennprofile vorgesehen, welche in der Lage sind, auch kleinste noch im öl-Wasser-Gemisch verteilte Wasseranteile in Form von kleinsten Tröpfchen, abzuscheiden. Dabei sind auch die Trennprofile der dritten Stufe hydrophil ausgebildet, so dass die noch im öl-Wasser-Gemisch verbliebenen Wasseranteile koalesziert und abgeschieden werden können. Durch die erfindungsgemäße Lösung ist es somit möglich, auch größere Mengen eines öl-Wasser-Gemisches in seine ölanteile und seine Wasseranteile aufzuspalten und das Wasser aus der ölphase abzutrennen. Dies ist insbesondere für moderne Raffinerievorgänge von entscheidender Bedeutung, da bei diesen dem Rohöl zur Qualitätsverbesserung in einem späteren Prozess zunächst größere Wassermengen zugegeben werden. Diese nicht unerheblichen Wassermengen von bis zu 20%, sind für den Ver- edelungsprozess unabdingbar, sollen jedoch nach der Veredelung aus dem öl-Wasser-Gemisch wieder entfernt werden. Herkömmliche Verfahren, welche nahezu ausschließlich auf einem Abscheiden des Wassers aufgrund von Gravitation beruhen, stoßen dabei schnell an die Grenzen ihrer Leistungsfähigkeit und sind für große Mengen gänzlich ungeeignet. Mit dem er-

findungsgemäßen Verfahren ist es jedoch möglich, auch zuvor zur Veredelung zugesetzte große Wassermengen wieder schnell und einfach zu entfernen, wodurch sich das Veredelungsverfahren deutlich ökonomischer durchführen lässt.

Die Erfindung beruht außerdem auf dem allgemeinen Gedanken, zur Durchführung des im vorigen Absatz beschriebenen Verfahrens eine Vorrichtung einzusetzen, welche zumindest ein Druckentwässerungssystem mit Mehrphasen-Trennprofilen aufweist, wobei letztere aus einem hydrophilen Material ausgebildet sind und/oder eine hydrophile Beschichtung aufweisen. Eine derartige hydrophile Beschichtung beziehungsweise ein solches hydrophiles Material kann beispielsweise Stahl, insbesondere polierter Edelstahl und/oder Kunststoff sein. Stahl und Kunststoff besitzen dabei hydrophile Oberflächen, welche beim Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung stets von einem Wasserfilm bedeckt sind. Hydrophile Oberflächen haben dabei gegenüber Wasser eine Kontaktwinkel, welcher kleiner als 90° ist. Sowohl Stahl als auch Kunststoffe sind robuste Werkstoffe, welche einen zuverlässigen Betrieb und eine lange Lebensdauer der erfindungsgemäßen Vorrichtung gewährleisten können.

Vorteilhafte, näher erläuterte Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen jeweils schematisch dargestellt.

Dabei zeigen

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Anlage mit einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Entwässerung von ölen,

Fig. 2 einen detaillierten Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine Detailansicht möglicher Trennprofile eines

Druckentwässerungssystems der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Gemäß Fig. 1 steht zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens öl 4, welches in einem öltank 1 gelagert ist und Wasser 5, welches in einem Wassertank 2 gelagert ist. Zur Verbesserung der Qualität des öls 4 wird dieses einer Einrichtung 3, insbesondere einer Veredelungseinrichtung 3, zugeführt, in welchem es veredelt wird. Da der Veredelungsprozess einen nicht unerheblichen Anteil an Wasser 5 im öl 4 verlangt, wird zunächst Wasser 5 aus dem Wassertank 2 dem öl 4 aus dem öltank 1 zugemischt, so dass ein öl-Wasser-Gemisch 6 entsteht, welches in einem hierfür vorgesehenen Tank 7 zwischengelagert wird. Von dem Tank 7 ausgehend gelangt das öl- Wasser-Gemisch 6 über die Veredelungseinrichtung 3, in welcher es veredelt wird, zu einer Vorrichtung 8, in welcher die Wasseranteile wieder aus dem öl-Wasser-Gemisch entfernt werden. Dabei gelangt das öl-Wasser-Gemisch 6 zunächst in eine spezielle Mischeinheit 9, in welcher ein Wassertropfenspektrum, kurz auch als Controlled-Water-Drop (CWD) genannt,

erzeugt wird. Dieses für die Abtrennung des Wassers 5 aus dem öl 4 erforderliche Wassertropfenspektrum ist für eine optimale Wasserabscheidung in der nachfolgenden Vorrichtung 8 unerlässlich . Die Vorrichtung 8 kann dabei je nach Anwendung einen Durchmesser von mehreren Metern erreichen und eine kontinuierliche Wasserabscheidung bewirken, welche so groß ist, dass sie eine übliche Prozessgeschwindigkeit nicht behindert. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung 8 sinkt das abgeschiedene Wasser in vorher genau definierten Flugbahnen ab und sammelt sich in hierfür vorgesehenen Wassersammelräu- men 10, 10', aus welchen es einem weiteren Wassertank 2' zugeführt werden kann. Das von den Wasseranteilen vorzugsweise gänzlich gereinigte öl 4 gelangt in einen weiteren öltank 1' und wird von dort beispielsweise über den Seeweg 11 oder den Landweg 12 einer nicht gezeigten Raffinerie zugeführt. Das abgetrennte Wasser 5' kann beispielsweise in einem Ent- ölungssystem 13 aufbereitet und entweder dem Prozess erneut zugeführt oder aber entsorgt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung 8 zur Abtrennung der Wasserphase aus der ölphase des öl-Wasser-Gemisches 6 umfasst dabei zumindest ein Druckentwässerungssystem 14, welches schematisch in Fig. 2 und detailliert in Fig. 3 dargestellt ist. Das Druckentwässerungssystem 14 weist dabei in hintereinander geschalteten Strömungsgeneratoren sogenannte Mehrphasen-Trennprofile 15 auf, welche aus einem hydrophilen Material ausgebildet sind und/oder eine hydrophile Beschich- tung aufweisen. Eingangsseitig der Vorrichtung 8 ist, wie den Fig. 1 und 2 zu entnehmen ist, die Mischeinrichtung 9

angeordnet, in welcher kontrollierte, genau definierte Wassertropfen (CWD - Controlled-Water-Drops) erzeugt werden. Von dort gelangt das öl-Wasser-Gemisch 6 in eine Vorkammer 16 des Druckentwässerungssystems 14, welche dabei eine Ruhezone bildet und einerseits eine gleichmäßige Verteilung des öl-Wasser-Gemischstroms über den gesamten Querschnitt der Vorrichtung 8 bewirkt und andererseits einem Impulsabbau der eintretenden, turbulenten Strömung dient. über eine Verteilungseinrichtung 17, insbesondere über ein Dispersionsver- teilungssegment, wird das öl-Wasser-Gemisch 6 auf eine erste Stufe des Druckentwässerungssystems 14, welches insgesamt drei Stufen aufweist, verteilt.

In dem Strömungsgenerator der ersten Stufe sind als Phasen- Trennelemente 15a ausgebildete Trennprofile 15 zur Spaltung des öl-Wasser-Gemisches 6 in Wasser 5 einerseits und öl 4 andererseits und zur Erzeugung einer turbulenten Strömung angeordnet. Stromab der als Phasen-Trennelemente 15a ausgebildeten Trennprofilen 15 ist in einem zweiten Strömungsgenerator eine zweite Stufe mit als Laminar-Phasen- Trennelemente 15b ausgebildeten Trennprofilen 15 vorgesehen, welche zur Erzeugung einer laminaren Strömung und zur Abscheidung von Wasser 5 aus dem öl-Wasser-Gemisch 6 dient. Bereits die Trennprofile 15a fördern ein Koaleszieren der Wassertropfen durch ihre Beschaffenheit, insbesondere durch ihre hydrophile Oberfläche und der ihnen gegebenen Geometrie beziehungsweise Anordnung. In dem dritten Generator der darauf folgenden Stufe mit den als Laminar-Phasen- Trennelementen 15b ausgebildeten Trennprofilen 15 wird bei

laminarer Strömung das Benetzungsverhalten beziehungsweise eine Affinität der Profile 15b zu Wasser 5 genutzt, um dadurch deren Tropfenbildung in den nachfolgenden Profilen 15, insbesondere den als mechanischen Phasen-Separatoren 15c ausgebildeten Trennprofilen 15 der dritten Stufe optimal nutzen zu können. Unter Berechnung der sich hier ergebenden Wassertropfengrößen, der Dichtedifferenz und der eingestellten Fließgeschwindigkeit wird über Sensoren 18 eine dem öl- Wasser-Gemisch 6 spezifische Trennschichtlage 19 eingestellt, welche durch eine Ventilsteuerung, insbesondere eine automatische Ventilsteuerung, im Wassersammeiraum 10 stabil gehalten wird. Das im Wassersammeiraum 10 gesammelte Wasser kann proportional zum Produktionsprozess abgelassen werden.

Zur weiteren verbesserten Wasserabtrennung kann ein mechanischer Emulsionsbrecher 20 vorgesehen sein, welcher stromab der Trennprofile 15 angeordnet ist. Ein derartiger mechanischer Emulsionsbrecher 20 ist in der Lage, kleinste, im μm- Bereich befindliche Wassertropfen abzuscheiden. Darüber hinaus kann optional eine speziell auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmte hydrophobe Membran 21, vorzugsweise direkt vor einem Anlagenaustritt 22, vorgesehen sein. Das im mechanischen Emulsionsbrecher 20 und/oder in der hydrophoben Membran 21 abgeschiedene Wasser wird dabei im Wassersammel- raum 10', welcher hier exemplarisch zwischen den beiden Komponenten 20, 21 angeordnet ist, gesammelt und bei Bedarf prozessgerecht abgelassen. Dabei kann ein Wasserstand ebenfalls über einen Sensor 18' überwacht werden.

Komplettiert wird die erfindungsgemäße Vorrichtung 8 von einer Steuereinrichtung 28, welche einen vollautomatischen Betrieb, eine überwachung der Sensoren 18, 18', eine überwachung von Drücken, Durchflussleistung, Heizungen und Pumpen gewährleistet, wobei die Vorrichtung 8 generell sowohl manuell als auch halb- beziehungsweise vollautomatisch betrieben werden kann. Dabei sind sowohl nicht gezeigte Ventile an den Wassersammeiräumen 10, 10' als auch zumindest einer der Sensoren 18, 18' kommunizierend mit der Steuereinrichtung 28 verbunden, so dass diese die Steuerung eines Wasserablasses aus wenigstens einem Wassersammeiraum 10, 10' vornehmen kann. Ebenfalls der Fig. 2 zu entnehmen ist, dass stromauf des mechanischen Emulsionsbrechers 20 eine Verteilungseinrichtung 17' zur Egalisierung des öl-Wasser-Gemisches 6 angeordnet ist.

Im Folgenden sollen die Trennschichtprofile 15 der insgesamt in drei Stufen aufeinanderfolgenden Strömungsgeneratoren des Druckentwässerungssystems 14 anhand der Fig. 3a bis 3c erläutert werden.

Gemäß Fig. 3a ist der erste Strömungsgenerator in der ersten Stufe des Druckentwässerungssystems 14 mit als Phasen- Trennelementen 15a ausgebildeten Trennprofilen 15 dargestellt. Die Phasen-Trennelemente 15a dienen dabei einerseits der Spaltung des öl-Wasser-Gemisches 6 in Wasser 5 und öl 4 sowie der Erzeugung einer turbulenten Strömung. Die Trenn- profilel5a der ersten Stufe weisen dabei eine um einen Winkel CC von ca. 50 bis 60°, vorzugsweise 55°, gegen die Hori-

zontale geneigte Anströmfläche 23 auf, welche das öl-Wasser- Gemisch 6 nach oben umlenkt. Darüber hinaus weisen sie eine um einen Winkel ß von ca. 30 bis 35°, vorzugsweise 33°, gegen die Horizontale geneigte Abströmfläche 24 auf, die das öl-Wasser-Gemisch 6 nach unten ablenkt beziehungsweise umlenkt. Eine gesamte Länge Ii der Trennprofile 15a in Durchströmungsrichtung 26 beträgt dabei vorzugsweise ca. 70 mm. Zwischen der Anströmfläche 23 und der Abströmfläche 24 ist eine im wesentlichen horizontal verlaufende Verbindungsfläche 25 vorgesehen, wobei sowohl die Profile 15a als auch die Profile 15b und 15c aus einem hydrophilen Material ausgebildet sind und/oder eine hydrophile Beschichtung aufweisen. Hierbei kann als hydrophiles Material und/oder als hydrophile Beschichtung insbesondere Stahl, vorzugsweise polierter Edelstahl, und/oder Kunststoff eingesetzt sein. Ein vertikaler Abstand hi zwischen den einzelnen Trennprofilen 15a beträgt ca. 10 bis 20 mm, vorzugsweise 14 mm. Denkbar ist hierbei, dass mehrere Trennprofile 15a in einer gemeinsamen Kassette 27 zusammengefasst sind, wobei wiederum mehrere Kassetten 27, 27' zu einem parallel durchströmbaren Querschnitt zusammensetzbar und/oder hintereinander anordenbar ausgebildet sind. In der Fig. 3a sind exemplarisch zwei Reihen mit jeweils fünf Trennprofilen 15a in Strömungsrichtung 26 hintereinander angeordnet, wobei zwischen den beiden Kassetten 27 und 27' ein Abstand di von vorzugsweise 15 mm eingehalten ist. Eine Länge li _a der Verbindungsfläche 25 in Strömungsrichtung 26 liegt dabei zwischen 15 und 25 mm, vorzugsweise im Bereich von ca. 20 mm. Durch die geometrische Ausbildung und die Anordnung der Profile 15a wird ein Auf-

brechen von Wassernestern erreicht, wobei sich auf den Anströmflächen 23, den Verbindungsflächen 25 und den Abströmflächen 24 ein Wasserfilm ergibt, welcher wiederum seinerseits Wasser 5 aus dem öl-Wasser-Gemisch 6 anzieht und zur Anlagerung den entsprechenden Flächen 23, 24, 25 veranlasst.

Gemäß Fig. 3b ist der zweite Strömungsgenerator der zweiten Stufe des Druckentwässerungssystems 14 mit als Laminar- Phasen-Trennelementen 15b ausgebildeten Trennprofilen 15 dargestellt, welche zu einer Erzeugung einer laminaren Strömung und zur Abscheidung von Wasser aus dem öl-Wasser- Gemisch 6 ausgebildet sind. Die Trennprofile 15b der zweiten Stufe weisen dabei eine um einen Winkel CC' von ca. 30 bis 35°, vorzugsweise von 33°, gegen die horizontale geneigte Anströmfläche 23' auf, welche das öl-Wasser-Gemisch 6 nach oben umlenkt und eine um einen Winkel ß' von ca. 30 bis 35°, vorzugsweise von 33°, entgegengesetzt dazu geneigte Abströmfläche 24', welche das öl-Wasser-Gemisch 6 nach unten umlenkt. Hierbei ist im Unterschied zu Fig. 3a der Winkel OC' gleich groß wie der Winkel ß' . Zwischen der Anströmfläche 23' und der Abströmfläche 24' ist wiederum eine im wesentlichen horizontale Verbindungsfläche 25' vorgesehen, wobei ein vertikaler Abstand h ₂ zwischen den einzelnen Trennprofilen 15b der zweiten Stufe größer ist als bei den Trennprofilen 15a der ersten Stufe. Die Länge I2 in Strömungsrichtung 26 beträgt dabei wiederum ca. 70 mm, wobei die Länge l2 _a der Verbindungsfläche 25' in Strömungsrichtung 26 ebenfalls ca. 20 mm beträgt. Der vertikale Abstand h ₂ ist mit ca. 16 mm jedoch größer als der vertikale Abstand hi bei den Trennele-

menten 15a der ersten Stufe. Ein Abstand d2 zwischen einzelnen Trennprofilen 15b in Strömungsrichtung 26 liegt dabei je nach verwendeter ölsorte vorzugsweise bei ca. 30 mm. Selbstverständlich ist die Anzahl beziehungsweise die Ausrichtung der Trennprofile 15b gemäß der Fig. 3b ebenso wie der anderen Trennprofile 15a beziehungsweise 15c gemäß Fig. 3a und 3c rein exemplarisch zu verstehen, so dass auch eine andere Ausrichtung beziehungsweise Anzahl oder Anordnung von Trennprofilen 15 von der Erfindung mit umfasst sein sollen, sofern dadurch die Abtrennung von Wasser 5 aus dem öl-Wasser- Gemisch 6 begünstigt wird.

Gemäß der Fig. 3c ist der dritte Strömungsgenerator der dritten Stufe des Druckentwässerungssystems 14 mit als mechanischen Phasenseparatoren 15c ausgebildeten Trennprofilen 15 dargestellt, welche zum koaleszierenden Abscheiden der noch verbliebenen Wasseranteile dienen. Die Abmessungen I ₃ beziehungsweise h ₃ beziehungsweise die Winkel OC' ' und ß' ' entsprechen dabei im wesentlichen denen der Trennprofile 15b aus Fig. 3b, wobei ein vertikaler Abstand h ₃ zwischen den einzelnen Trennprofilen 15c der dritten Stufe kleiner ist als bei den Trennprofilen 15a der ersten Stufe. Der vertikale Abstand h ₃ liegt dabei vorzugsweise in einem Bereich zwischen 5 und 10 mm, insbesondere bei ca. 8 mm. Ein Abstand d ₃ in Strömungsrichtung 26 zwischen einzelnen Trennprofilen 15c liegt in einem Bereich zwischen 5 und 15 mm, vorzugsweise bei ca. 10 mm.

Insgesamt kann mit den Trennprofilen 15a bis 15c des Druckentwässerungssystems 14 ein Abscheidegrad von über 95% des im öl-Wasser-Gemisches 6 vorhandenen Wassers 5 erreicht werden .

Alle in der Beschreibung und in den nachfolgenden Ansprüchen dargestellten Merkmale können dabei sowohl einzeln als auch in beliebiger Form kombiniert erfindungswesentlich sein.