Fundamental understanding of electrocoalescence in heavy crude oils

Elektrokoalesens (EC) brukes for å forbedre olje-vann-separasjon ved prosessering av råolje. Elektriske felt kan bidra til at små vanndråper slår seg sammen til større dråper som felles ut raskere fra råoljen. Dette vil gi redusert oppholdstid i separatortanker. EC kan enten bli anvendt under stillestående betingelser i større separatortanker, eller i kompakte koalesere hvor det er turbulens og skjærstrømning. Dette er en energieffektiv prosess, og bidrar til å redusere forbruket av kjemiske emulsjonsbrytere. Elektrokoalesens virker ved at en vann-i-olje-emulsjon utsettes for et elektrisk felt. Vanndråpene blir polarisert fra det påtrykte feltet, og - hvis de er nær hverandre - frembringer polariseringen en sterk tiltrekningskraft mellom dråpene. Skjærstrømning hjelper til med å føre dråper tett sammen. I to tidligere prosjekter har effekten av spenningsform og frekvens samt væskestrømning blitt studert eksperimentelt for modelloljer. Inkludert i dette arbeidet var utvikling av CFD-modeller for oppførselen av dråpepar og emulsjoner ved tilsvarende betingelser. Det ble observert feltforsterkede mikroskopiske instabiliteter i dråpeoverflatene i forkant av dråpesammenslåing. Det er altså åpenbart at overflateegenskaper styrer koalesensmekanismen, men et spesifikt koalesenskriterium finnes ennå ikke. Overflateegenskapene til vanndråper varierer med råoljetype, temperatur, anvendelse av kjemikalier, etc. I dette prosjektet har det vært fokus på å forbedre forståelsen av koalesensprosessen i en reell råolje, samt å utvikle et praktisk verktøy for å studere hvordan elektrokoalesens kan optimaliseres for en bestemt råolje. Elektrokoalesens forklares på et overordnet nivå av fluiddynamikk og elektrostatiske krefter, men det er ikke trivielt å modellere oppførselen til dråpepar som møtes i en væskestrømning hvor elektrostatiske krefter trekker dråpene mot hverandre og deformerer dråpeoverflatene. På mikroskopisk nivå styres dråpesammenslåing av egenskapene til overflatefilmen som omslutter vanndråpene. Denne filmen kan bli karakterisert vha. overflatespenning og viskoelastiske egenskaper. For å utvikle et koalesenskriterium, må disse egenskapene bli forklart. I prosjektet er det utviklet et testoppsett for å studere hvordan krefter fra det elektriske feltet påvirker overflateoppførselen til frie vanndråper i stillestående råolje. Optiske observasjoner i "svart" råolje oppnås ved hjelp av et lang-distanse-mikroskop koblet til et hurtig nær-infrarødt (NIR) kamera. Når en vanndråpe i en råolje påvirkes av et elektrisk felt, vil den bli polarisert, og det elektrostatiske trykket vil strekke og deformere dråpen. Når de elektrostatiske påkjenningene varieres, kan de dynamiske egenskapene til dråpeoverflaten bli observert og karakterisert. Denne teknikken ? dråpestrekking vha. elektrisk felt ? anses å være et alternativ til mer tradisjonelle metoder for å karakterisere vann-olje-grenseflater. CFD (Computational Fluid Dynamics eller numeriske strømningsberegninger) og level set-metoden ble benyttet for å modellere oppførselen til vanndråper som utsettes for elektrostatiske påkjenninger. Modellen beskriver overflateaktive stoffer (surfaktanter) som beveger seg på overflaten, varierende overflatespenning og Maragoni-krefter. Det ble funnet god kvantitativ overenstemmelse mellom simuleringer og eksperimenter for modellsystemer med tilsatte surfaktanter. Det viktigste gjenværende hinderet er beskrivelsen av visse overflateegenskaper, som er svært forskjellige i råoljer i forhold til "rene" væsker. Vi har oppnådd viktige foreløpige resultater ved bruk av en flerskala-metode utviklet i prosjektet. I denne tilnærmingen er molekyldynamiske simuleringer av asfalten-molekyler benyttet for å bestemme modellparameterne for grenseflaten i CFD-modellen For å forenkle eksperimenter på dråper og dråpepar av ønsket størrelse, er det utviklet en teknikk for kontrollert produksjon av vanndråper i olje. Dråper og dråpepar av en bestemt størrelse kan lages ved bruk av en elektrostatisk teknikk der vanndråper trekkes ut av en nål. Sett fra et mer praktisk ståsted er det behov for å studere koalesenseffektivitet under realistiske betingelser, hvor man kan tilsette emulsjonsbrytere, øke temperaturen, introdusere skjærstrømning og justere spenningsnivå samt frekvens for å optimalisere separasjonen. For å oppnå dette ble det utviklet en modellkoaleser. Den er inspirert av reometer med en roterende stav i et rør for å generere skjær i væsken, men er designet slik at alle problemene relatert til lading av dråper fra metalliske elektroder unngås. Dette i kontrast til hva som oppnås i et standard reometer. I modellkoaleseren kan alle nevnte parametere varieres og infrastrukturen anses å kunne være et praktisk verktøy for industrien. Vi er nå godt rustet til å ta utfordringen med å utvikle et koalesenskriterium og i tillegg har industrien tilgang til en ny praktisk testmetode for å optimalisere elektrokoalesens for reelle systemer.

Electrocoalescence depends on the success of getting drops to get close enough in turbulence and shear to allow electrostatic forces to pull the drops closer and finally coalesce. In a crude oil this is often hindered by components that stabilize the surf aces of drops in an emulsion. The processes that facilitate and hinder electrocoalescence in a real and dark crude oil is are not yet uncovered. A new high-frame-rate NIR camera enables observations of drop behavior inside crude oil with sufficient resolu tion to support comparison with mathematical modeling. We will study drop pair behavior in shear flow and electric field in a setup where drop pairs can be released and studied optically in a transparent model system to support mathematical electrohydrody namic models. This will be compared with behavior of water-/ crude emulsions in a high- pressure heated flow. The dynamic behavior of the interfacial layers in water drops of a selection of crudes will be studied in a novel electrostatic "tensiometer" and compared with conventional pendant drop studies to allow for comparison with mathematical models and numerical simulations based on the level-set method. The next step is to further develop the models to handle drop pairs with surface coating. Then the behavior of adjacent drops in an electric field will be studied optically to investigate the behavior leading to or not leading to coalescence and compare with the models. Finally we will investigate possibilities for diagnosing the character of an oil-w ater emulsion (oil conductivity, water cut and drop distributions) using dielectric spectroscopy. The oil conductivity is a parameter governing the time constant of a liquid and it is necessary to optimize the ac AC frequency to be used to get an efficien t electric field distribution inside a coalescer with covered electrodes.