Deshydrations des bruts lourds par electrocoalescence

Présenté par Steeven ABADIER M2 PRO FORMULATION

Année 2006/2007

PARTIE. I. Introduction

I.1 Technologies et appareils utilisés.

I.1.1 Introduction et technologie disponible.

I.1.2 Présentation et description des appareils utilisés

a. appareil pour la séparation électrostatique et centrifuge des liquides (dispersion)

b. flux parallèle EPIC configuration

c. dispositif horizontal constitué d'un vaisseau allongé comprenant un système d'électrode et une section mécanique de séparation.

d. facteurs affectant l'electrocoalescence

I.1.3 Quelques applications industrielles

I.1.4 Conclusions

PARTIE. II Description du phénomène et mécanisme

II.2.1 Modélisation du phénomène

II.2.2 Démonstration et explication de F

II.2.3 Résultats et commentaires.

CONCLUSION GENERALE.

INTRODUCTION GENERALE

Du fait du nombre très important des bruts pétroliers, différentes techniques de productions ont vu le jour afin d'améliorer la production pétrolière. Ainsi, au cours de cette gestion de projet nous allons étudier l'une d'entre elles : la déshydratation des bruts par champs électriques.

En première approche, on sait que l'eau par rapport à l'huile est conductrice, donc si on mets deux gouttes d'eau dans une enceinte constituée de deux électrodes (+ et -), et comme le potentiel V est constant dans la goutte, et comme l'eau va se polarisée sous l'effet du champ électrique, donc les deux gouttes vont se rapprocher. L'idée sera donc d'approcher les gouttes d'eau sous l'effet d'un champ électrique. C'est-à-dire dégager quelques équations qui vont décrire ce phénomène, et connaître la force au point de contact le plus proche.La force dont l'expression et la nature est à expliquer.

Aussi, du fait de la polarisation la goutte s'allonge et prends la forme d'une ellipse, on va donc chercher à connaître le 1 /2 petit et grand axe de cette ellipse. Comprendre et expliquer cette déformation, voir différentes déformations pour quelques valeurs de champ électriques (oscillations) afin d'accéder aux valeurs utiles pour la déshydratation des bruts.

I. PARTIE THEORIQUE.

I.1 Technologies et appareils utilisés.

La technologie pour l'amélioration de l'électro-coalescence de gouttelettes d'eau dans les émulsions de pétrole reste un sujet de recherche pointue. Il convient bien évidemment de rappeler que, l'enlèvement efficace des phases d'eau dispersée dans les phases continues d'huile est ce qui est fortement désiré. A ce titre, ils existent de nos jours plusieurs méthodes à savoir : la démulsification chimique, réglage centrifuge ou de gravité, l'ajustement pHmétrique, filtration, traitement de chaleur, membrane séparatrice et la démulsification électrostatique. Chacune de ces méthodes possède ses avantages et ses inconvénients, mais nous allons principalement nous intéresser à la méthode de déshydratation électrique des émulsions de bruts lourds car celle-ci fait l'objet de plusieurs brevets par rapport à d'autres. Ce qui est résumé dans la figure ci-dessous (Fig .1)

Ce tableau résume donc les différentes méthodes et appareils utilisés pour la séparation des composantes des émulsions, et montre surtout que ces méthodes combinent les effets de la force centrifuge et de l'électro-coalescence des gouttelettes d'eau pour séparer des phases dispersées d'eau des phases continues d'huile, sans utiliser les traitements chimiques et les transferts de chaleur pour diminuer la viscosité du liquide dispersé.

En effet, le besoin de réduire la viscosité de l'huile a été évité par l'application simultanée de la force centrifuge et l'electrocoalescence sur certains appareils, surtout dans l'amélioration de la séparation d'eau dans l'huile.

Comme on peut le voir sur la figure 1, il existe encore des méthodes combinant les effets de la pression avec le traitement électrique. Cette méthode de démulsification à une pression inférieure à la pression atmosphérique produit un peu de séparation rapide.

En effet, les gouttelettes d'émulsion contiennent du gaz pris au piège, et ces gaz sont de plus en plus expansibles lorsqu'ils sont exposés à une basse pression. Ensuite, quand ces émulsions sont soumises un champ électrique, il se produit une action rapide de coalescence toujours en basse température. Il arrive parfois que cette application en basse température soit accompagnée par un échauffement, ce qui améliore un peu plus la coalescence et la séparation. Dans ces conditions, l'huile est plus expansible que l'eau, ce qui va donc marquer leur différence par rapport à la gravité, et bien évidemment améliorer leur séparation.

Aussi, on peut remarquer sur le tableau plus haut que la combinaison du traitement chimique et électrique a été divisé en trois parties qui sont : une phase d'inversion, une phase due à la gravité et une phase où on applique un second traitement électrique. Ce qui renseigne un peu plus sur les différentes théories avancées sur les effets chimiques dans la cassure des émulsions des fluides pétroliers.

En effet, la théorie la plus avancée est celle-ci : la coalescence des phases dispersées dans les émulsions ne résulte d'aucune réactions chimiques mais plutôt des effets physiques de ces réactions, c'est-à-dire des propriétés interfaciales des deux phases facilitant la coalescence.

Pour mieux comprendre, les différents effets et mécanisme de cette coalescence, nous allons donc présenter quelques appareils utilisés actuellement.

I.1.2 Présentation et description des appareils utilisés

a. appareil pour la séparation électrostatique et centrifuge des liquides (dispersion)

Dans cet appareil, un électrolyte aqueux d'émulsion d'huile est entretenu à l'intérieure d'un cylindre rotatoire(cylindrical vessel) via des tubes plastiques et un distributeur, qui enlève l'électrolyte de la périphérie du cylindre, et les composantes organiques venant des tubes adjacents.

L'émulsion est séparée par l'application simultanée d'un champ électrique radial, et d'une force centrifuge pour produire une interface de masse perpendiculaire à la direction du champ électrique radial et à la force centrifuge.

Ici, le champ électrique appliqué va provoquer la coalescence et l'agrandissement des gouttelettes dispersées pour avoir une taille suffisante par rapport à la force centrifuge, puis permettre la séparation des gouttelettes sans produire de ce fait la petite force suffisante pour les briser. De plus, par l'action de la force centrifuge, les huiles qui sont autour des électrodes contiennent très peu d'eau.

Le problème dans cette géométrie, est que le champ électrique soit radialement divergent, ce qui pourrait donc causer la cassure ou la migration. Cet appareillage connaît donc quelques imperfections, même si la force centrifuge sépare rapidement les gouttelettes d'eau dans des régions de forts champs électriques.

flux parallèle EPIC configuration

ce type d'appareil est utilisé pour la séparation des émulsions d'eau dans l'huile avec une forte concentration et dispersion de la phase aqueuse.

c. dispositif horizontal constitué d'un vaisseau allongé comprenant un système d'électrode et une section mécanique de séparation.

Fig. 4

Dans cet appareil, on combine à la suite de l'effet de chaleur, un effet électrique et mécanique.

Pour l'échauffement, un conducteur électrique de forte résistance est directement plongé dans l'émulsion, et l'émulsion est chauffée jusqu'à 200°C. Ce qui aura pour effet, la transformation des gouttelettes d'eau en vapeur.

Lors ce processus une partie de l'huile est transformée aussi en vapeur, mais celle-ci se fait à la dernière étape.

A la suite du système d'électrodes chargées, une section mécanique de séparation est installée dans le dispositif c'est-à-dire une surface inclinée séparatrice.

Et ces surfaces sont inclinées pour permettre aux gouttelettes aqueuses accumulées de migrer vers d'autres gouttelettes aqueuses, résultat rassemblement des gouttelettes de plus en plus important.

b. facteurs affectant l'electrocoalescence

L'objectif de l'électrocoalescence est d'améliorer la coalescence des gouttelettes d'eau dans les émulsions d'huile. Ce qui suppose que ces gouttelettes doivent atteindre une certaine taille pour être séparé des phases continues par des effets de gravité, ou par des méthodes centrifuges ou simplement par la conjugaison de plusieurs de ces effets.

D'importants facteurs vont donc régit ce phénomène à savoir le champ électrique, la géométrie des électrodes et la fréquence.

? CHAMP ELECTRIQUE

En effet, la seule utilisation du champ électrique peut augmenter la coalescence des phases dispersées dans les émulsions si la phase continue a une plus faible permittivité que la phase dispersée. Aussi, la phase continue doit avoir une faible conductivité et agit comme un isolant entre les deux électrodes.

L'utilisation des différents types de courants « AC, DC, Pulsed DC » ou leur combinaison va donc dépendre du choix des différents mécanismes voulus pour la séparation.

Le champ dû au courant alternatif (AC) a d'une manière prédominante des effets polarisants, c'est pourquoi on lui fait appel quand on doit déshydrater des bruts lourds ou très lourds.

On utilise aussi une combinaison du champ crée par AC-DC si la phase continue est un distillat et que la phase dispersée est acide.

De plus, le phénomène de polarisation induit par le champ électrique produit des forces dipôle -dipôle, et ces forces sont de courte portée, ce qui va significativement améliorer la coalescence des gouttelettes. D'autan plus que la collision de ces gouttelettes est fonction du flux hydrodynamique et de la mixture des émulsions.

Le courant alternatif (AC) présente donc plusieurs avantages techniques, par exemple le danger de la corrosion électrostatique peut être éliminé et les valeurs raisonnables du champ électrique dû s'accordent bien avec la proportion d'eau dans les émulsions.

? LA FREQUENCE

La sélection pour un optimum en fréquence est très importante, surtout pour des applications avec des potentiels bas ,et dépend du revêtement des matériaux et de la composition du liquide dispersée. La gamme de fréquence à choisir va donc nécessairement dépendre du type de champ électrique, et de l'arrangement des électrodes utilisées.

Pour un champ électrique dû au courant alternatif (AC), Roberts a utilisé une fréquence de 60 à 10000Hz, pendant que Hsu et Al ont utilisés une fréquence comprise entre 60 et 1000Hz pour un dispositif type figure 4.

A l'opposé, des fréquences plus basses sont utilisées dans le cas Pulsed DC et DC. Ce qui confirme bien la complexité et la diversité des compositions des émulsions des bruts pétroliers.

? ELECTRODE

Les caractéristiques et la géométrie des électrodes (généralement cylindrique ou plate) déterminent la performance de l'éléctrocoalescence. Le type d'émulsion et de champ électrique utilisé va aussi guider le choix des combinaisons éventuelles des électrodes.

I.1.3 Quelques applications industrielles

Actuellement on trouve plusieurs industries qui utilisent la technologie de l'electrocoalescence, non seulement pour améliorer la séparation des émulsions d'eau dans l'huile mais aussi pour une utilisation courante dans notre environnement. Un exemple typique d'utilisation de cette technologie est observé dans le procédé conventionnel de production d'huile de palm comme le montre la figure suivante :

En effet ce diagramme schématise les différentes étapes importantes pour la fabrication d'huile de palme, et les petits ronds en pointillé représentent et montrent l'application potentielle de la méthode d'électrocoalescence.

Par ailleurs, les compagnies telle que : Axsia, Axsia Serck Baker et Axsia Howmar ont recours au système de déshydratation électrostatique des huiles pour leurs raffineries et pour leurs différentes opérations des « oilfield ». Ils possèdent donc des unités de déshydratation embarquée pour les opérations offshore. Et ce système mobile est très avantageux, car il va permettre directement le traitement des bruts pétroliers sur les platforms.

I.1.4 Conclusions

La déshydratation des bruts par champs électriques a prouvé son efficacité dans la séparation des émulsions type « water-in -oil ». Toute l'ingénierie et la recherche pour comprendre le mécanisme de l'électrocoalescence des gouttelettes vont dans le sens de l'amélioration et le développement des nouveaux types d'électrode de coalescence.

Bien que tous les dispositifs d'électrocoalescence ,particulièrement dans les industries pétrolières utilisent le courant alternatif pour la séparation des émulsions d'eau dans l'huile,certaines recherches sont faites pour voir la performance avec l'utilisation d'un champ électrique dû à un courant direct à pouls(pulsed DC).

PARTIE. II : Description du phénomène et mécanisme

II.2.1 Modélisation du phénomène

Pour mieux comprendre et bien décrire ce phénomène de coalescence, il convient tout de même de faire une observation de ce mécanisme lorsqu'un champ électrique crée par une pair d'électrode est appliqué sur les phases aqueuses des émulsions d'huile.

En effet, les chaînes des gouttelettes des phases aqueuses s'élargissent d'une électrode à une autre, et vont à la rencontre d'autres gouttelettes. Ce phénomène s'opère généralement en trois étapes : dans la première étape les gouttelettes s'approchent des unes des autres et se séparent de la phase continue par le biais d'un film. La seconde étape est que l'épaisseur du film qui sépare les deux phases entraîne des propriétés importantes de la zone interfaciale.

L'épaisseur du film est affectée par la pression capillaire, et est inversement proportionnel au carré de la taille d'une gouttelette, et quand l'épaisseur du film atteint une certaine valeur appelée épaisseur critique, il se produit une instabilité qui cause la rupture et la coalescence a lieu. D'où la troisième étape.

Par ailleurs, pour bien voir ce qui se passe en réalité et aller un peu plus loin dans la description du phénomène. Nous allons essayer de comprendre et d'expliquer la force qui caractérise le point de contact le plus proche lorsqu'on rapproche deux gouttelettes d'eau.

En supposant comme un dipôle chaque gouttelette d'eau,on peut donc qualifier l'interaction entre les deux gouttelettes comme l'interaction entre deux dipôles dont l'expression est donnée par les lois d'électrostatiques. Soit F=

On voit que cette force va dépendre non seulement du champ électrique qui règne dans le milieu, mais aussi du rayon des gouttelettes des phases aqueuses et de la permittivité de l'huile. Ainsi, pour bien comprendre l'origine de cette force, donnons une démonstration de celle-ci dans la suite de notre investigation.

Supposons pour cela une gouttelette d'eau dans une émulsion d'huile, qu'on met dans une enceinte constituée de deux électrodes.

Considerons les figures suivantes :

Figure a ci-dessus : on peut remarquer que sans la gouttelette d'eau les lignes de champs sont parallèles et perpendiculaires aux équipotentiels.

Figure b ci-dessus : du fait de la polarisation de la gouttelette d'eau les, lignes de champs et les équipotentielles se déforment, du a la présence des électrodes.

II.2.1 Démonstration et explication de F

(1) Sans la présence de la goutte on peut écrire que :

V=Vo - Ez avec Vo : le potentiel au centre

E : champ entre deux équipotentielles

V=Vo - Ez*r*Cos si on considère un point M repéré par r et

(2) En présence d'une goutte le potentiel existant initialement est donc modifié soit :

V=Vo - EZrCos+ V' , V' étant le potentiel d'un dipôle puisque notre goutte est polarisée. Pourbien comprendre et donner une démonstration de cette force F, faisons un zoom sur le schéma 2 ou on réduit la goutte d'eau à un dipôle rigide constitué de deux charges ponctuelles et , placées aux points A et B situés sur l'axe (Oz) et distants de 2a. On note son vecteur moment dipolaire.

Le potentiel V(P) créé par le dipôle au point P s'exprime sous la forme :

La distance AP peut s'écrire en fonction de et de l'angle. En effet :

D'où

L'expression de 1/AP s'en déduit :

Dans le cadre de l'approximation dipolaire,  ; par conséquent, au 1^er ordre en a / r :

et de même

Le potentiel créé par le dipôle au point P s'écrit finalement :

Le champ électrique se calcule à partir de la relation, soit :

Regardons maintenant la force entre deux dipôles :

En supposant que la force d'un dipôle est q*d et comme nos deux dipôles sont séparés d'une distance d, on en déduit après un développement in fine :

F=

II.2.3 Résultats et commentaires.

Discutons des cas suivants :

d = r les deux gouttes sont en contact immédiat et la force de contact va dépendre de E et de rayon du film interfacial.

d >>r le phénomène de coalescence est généré par la nature des électrodes

d<<r les deux gouttes s'unissent

Conclusion générale :

Le phénomène de coalescence des gouttelettes d'eau dans l'huile comme revue dans ce projet, peut être vue selon les grandes lignes suivantes :

1) Interaction gouttelettes-gouttelettes

2) Gouttelettes - interface de coalescence

1 et 2 sous l'influence de l'application du champ électrique, qui par type (alternative ou continu) joue un rôle important.

La recherche pourrait donc s'accentuer sur l'optimisation de la fréquence du champ électrique, de son design et de revêtement des électrodes.

L'électrocoalescence des gouttelettes d'eau dans l'huile est plus que jamais une piste de développement de l'industrie pétrolière pour une raison fondamentale : le champ électrique est plus « saint « pour notre environnement.