Improved Separator Design through Dense Packed Layer (DPL) Extraction and Treatment

Separasjon av dispersjoner er nødvendig der kommersielle produkter skal utvinnes fra en emulsjon, som f.eks. råolje med vann; biodiesel med glyserol; etc. Separasjonsraten avhenger av konsentrasjonen og egenskapene til de overflateaktive komponentene (SAC) (asfaltener, harpikser, naftensyrematerialer og oljeløselige organiske komponenter), dråpestørrelsesfordeling og separasjonsmetoder. IMPOSE-prosjektet har utviklet metoder/teknikker for å karakterisere SAC og måle dråpestørrelsesfordelingen i sanntid. For å karakterisere overflateaktive komponenter (SAC) i et råoljesystem har SINTEF samarbeidet med Max-Planck Institute (MPI) i Tyskland. MPI har brukt FT-ICR massespektroskopi for å karakterisere SAC i råolje fra norsk sokkel som Grane, Oseberg Øst, Gjøa, Brage osv. Disse studiene ga en viktig innsikt i råolje-vannemulsjonssystemet. FT-ICR MS-spektroskopi ble spesifikt inkludert og brukt i ESI (-ve)-modus for å nøye dechiffrere sure grupper i råoljeprøver. Sure grupper er vanligvis mest overflateaktive og er sammen med asfaltener og voks den grunnleggende årsaken til emulsjonsstabilitet. Ved å bruke denne surheten og molekylær spredning av forskjellige sure grupper kan den generelle strukturen til SAC kartlegges. Gjennom forskninga i IMPOSE-prosjektet har SINTEF kommet fram til et nytt instrument som kan måle dråpestørrelsesfordelingen i sanntid. Det utviklede systemet består av en nøye designet mikroskopisk lasersonde som tar bilder av emulsjon. Disse bildene som samles i datasystemer overføres øyeblikkelig til et GPU-system hvor de behandles for å oppdage dråper. Ved hjelp av kunstig intelligens estimeres dråpestørrelsesfordelingen fra bilder. Denne dråpestørrelsesfordelingen vises kontinuerlig på datamaskinens brukergrensesnittskjerm der det gjeldende systemet kan overvåkes. Et av målene med IMPOSE-prosjektet var å utvikle miljøvennlige metoder for å skille oljen fra råvannsoljeemulsjonen. IMPOSE-prosjektet har testet flere separasjonsteknikker, som mikrobølgeoppvarming, sentrifugering, termisk oppvarming og elektrokoalescens. Selv om elektrokoalescens var den mest effektive metoden for emulsjonsseparering, er de eksisterende elektrokoalescensteknologiene ikke optimalisert for råoljevann. I løpet av IMPOSE-prosjektet har vi utviklet elektrokoalescensteknikker som kan destabilisere en emulsjon innen 2 timer, som normalt tar mer enn en dag å separere ved hjelp av en gravitasjonsseparator. Nanoteknologi er kjent for å kunne ha viktige anvendelser i mange bransjer, inkludert olje og gass. Både miljø- og kostnadsgevinster kan oppnås ved bruk av nanopartikler for separering av vann og olje eller for videre rensing av produsert vann. En effektiv emulsjonsseparasjon kan oppnås ved selektiv adsorpsjon av naturlig tilstedeværende stabiliserende komponenter og fjerning av nanopartikkelmerkede dråper ved hjelp av et magnetfelt. IMPOSE-prosjektet har testet bruken av nanopartikler (NP) for olje-vann-separasjon. En oversiktsartikkel om bruk av nanoteknologi for asfaltenadsorpsjon og demulgering av råolje har blitt publisert. Mange studier i bruk av NP-er utført under IMPOSE-prosjektet viste at NP-er med høye overflatearealer adsorberer asfaltener effektivt, noe som fører til en effektiv olje-vann-separasjon.

The project, directly and indirectly, contributed to the following impacts Economical impact: As of today, the industry faces serious challenges in the choice of separation methods and they are unable to decide which de-emulsification method or combination of de-emulsification methods should be used for efficient separation. The most common methods in the oil industry for the separation of W/O emulsions are the use of demulsifiers, thermal and microwave heating, and an electrostatic treatment. The conventional heat treatment is limited by the temperature of the surface and the physical properties of the emulsion being heated. Microwave heating treatment is restricted due to the complex interaction of surface-active compounds with oil and water. The excessive use of chemical demulsifiers not only causes monetary losses but also environmental issues. Most of the profits and cost reductions for petroleum industries will come by accelerating the separation process and by reducing the amount of chemicals used for separation. IMPOSE has developed a state-of-the-art separation technique based on electrocoalescence. Based on our lab study, this electrocoalescence technique destabilizes an emulsion within 2 hours, which normally takes more than one day to separate using a gravity separator. This will eventually lead to cost reduction incurred during the separation process. Environmental impacts: During the separation process excessive amount of demulsifiers are used. Although demulsifiers are very effective, environmentally unfriendly, expensive, and nonrecyclable. The use of nanoparticles (NPs) for emulsion destabilization, tested during the IMPOSE project, is cost-effective and environmentally friendly. These NPs are easy to recycle with minimum energy consumption. Scientific impact: The IMPOSE project findings have been published in high-impact peer-reviewed journals and have been presented at high-visibility international conferences. The project has contributed to the following outcomes 1) Cheaper and reliable microscopic probe: The available microscopic probe for droplet detection on the market cost around 1 million Norwegian kroner. The probe developed during the IMPOSE project cost around 200 thousand kroner. However, the IMPOSE probes have been tested at TRL 5 and need to be tested at TRL 7 before commercialization. 2) Faster and real-time software for estimating droplet size distributions: The existing software for estimating the droplet size distribution in the flowing emulsions does not provide information in real-time. During the IMPOSE project, we developed software on a deep learning-based neural networking method (Faster R-CNN). This software is much faster providing information in real-time on the display system attached to the probe. 3) Nanoparticles-based emulsifier 4) Improve electrocoalescence design 5) Educating 10 bachelor's students, 4 international exchange students, and 6 summer interns during the project

Traditionally separators are large due to constraint on residence time. As per today, the industry faces serious challenges on the choice of separation methods and they are unable to decide which de-emulsification method or combination of de-emulsification methods should be used for efficient separation. The most common methods in the oil industry for the separation of W/O emulsions are use of demulsifiers, thermal and microwave heating and an electrostatic treatment. In the project a state of art stirred tank separator with inbuilt emulsion characterization technique is proposed. This separator cell will be equipped with chemical injection for de-emulsifiers and gas-pressurization to mimic the reality. Besides, thermal heating, microwave heating, and electric field will be designed, fabricated and implemented into the tank cell giving the system a multi-dimensional analysis capacity. Further a range of measurement accessories will be utilized to accurately measure emulsion dynamics or relaxation timescales for droplet coalescence. This advanced bottle test can be utilized by oil industry to develop operation regime map for optimized dissipation A method will be designed on the efficient removal of asphaltene and resins from the emulsion. We further propose that it is necessary to process DPL separately after it comes out of the separator. The reason being simply that the DPL is in need of a different processing strategy relative to the raw crude O/W emulsion. This diagnosis will be done in the stirred tank cell and appropriate operation strategy will be devised for the DPL. Thus a research-based understanding is derived to diagnose and troubleshoot separation. Further, stability parametric models will be developed that can be implemented in simulation software. Assuming that the entire research and technology development is successful, parameterization of surface chemistry will support scaling up and optimize modelling of DPL in industrial scale separation.