Méthodologie améliorée de conception de systèmes de séparation liquide-liquide

27 janvier, 2020 | Blogue

TOM LATTA, ing.

Ingénieur sénior, procédés

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Cette nouvelle méthodologie de conception vise à améliorer le choix de la technologie et les spécifications de l’équipement à utiliser pour la séparation de deux liquides, à l’étape de séparation primaire du processus. Il est essentiel que le séparateur primaire atteigne le rendement de séparation cible, puisqu’un faible taux d’efficacité aurait des effets négatifs sur tous les systèmes de traitement en aval (c.-à-d. les étapes de séparation secondaire et tertiaire) et pourrait avoir pour résultat le non-respect des spécifications pour les liquides produits. Les deux phases liquides sont appelées « légère » (autrement dit, de faible densité) et « lourde » (autrement dit, de plus forte densité) dans la figure 1 étant donné que cette procédure s’applique à n’importe quels deux liquides non miscibles de densités différentes. Dans bien des cas, la phase légère est un hydrocarbure liquide (c.-à-d. une huile) tandis que la phase lourde est aqueuse (c.-à-d. de l’eau). C’est pourquoi on utilise ce système comme exemple ci-dessous.

Figure 1. Schéma d’un système de séparation d’un liquide lourd et d’un liquide léger comprenant une étape de séparation primaire suivie de systèmes de traitement secondaire pour les phases liquides lourde et légère.

Lorsque l’on conçoit des déshuileurs pour séparer des hydrocarbures de la phase aqueuse, le but ultime est de ramener la quantité d’hydrocarbures entraînés à un niveau qui permettra :

  • un fonctionnement efficace de l’équipement en aval;
  • le respect des normes environnementales pour le rejet des eaux usées.

Alors que les règlementations environnementales deviennent de plus en plus rigoureuses, il devient nécessaire d’améliorer les méthodes de conception actuelles (norme 421 de l’American Petroleum Institute [API]) pour la séparation gravitaire des hydrocarbures de la phase aqueuse afin que les limites de rejets ne soient pas dépassées. Le but est d’éviter une réduction de la production tout au long de la durée de vie des installations de production en veillant à ce que l’eau rejetée soit conforme aux normes environnementales.

Cibles pour les eaux usées

À l’heure actuelle, les projets extracôtiers ciblent un taux de 29 mg/l d’huile et de graisse tel que mesuré selon la méthode 1664A de l’EPA. Cette méthode détermine les composants solubles dans l’hexane des eaux usées et mesure par conséquent :

  • l’huile dispersée (libre);
  • l’huile dissoute;
  • la graisse (s’il y en a).

Comme les limites futures seront sans doute plus basses, un équipement de séparation bien conçu et très efficace est nécessaire. La marge d’erreur dans la conception est par conséquent mince, ce qui exige des méthodes de conception supérieures (c.-à-d. plus précises) à celles de la norme API 421.

Énoncé du problème

Il n’est pas possible de prescrire un rendement de séparation des gouttelettes d’une taille spécifique en phase dispersée, indépendamment de la quantité d’entraînement d’ hydrocarbures ciblé. En effet, puisque l’un des paramètres est dépendant de l’autre, il y a qu’un seul degré de liberté, et non deux. Le facteur de corrélation fondamental liant deux paramètres (en supposant qu’il n’y a pas de coalescence) est la distribution de la taille des gouttelettes en phase dispersée, produites par l’équipement de procédé. Il est donc nécessaire de prévoir et de mesurer la distribution des gouttelettes selon leur taille.

La vitesse de décantation est fonction de la taille des gouttelettes. Puisque les gouttelettes peuvent coalescer, il faut tenir compte de l’incidence de ce phénomène sur la décantation. Le taux de coalescence à l’interface fractionnaire (fICE), soit la probabilité de coalescence en cas de collision entre deux gouttelettes, doit aussi être déterminé par des mesures expérimentales.

Lors de la modélisation de la décantation (pour les déshuileurs gravitaires), il faut connaître la distribution de la tailles des gouttelettes et le fICE. Il faut aussi tenir compte d’un régime de décantation freinée pour déterminer correctement le temps de résidence nécessaire pour atteindre le rendement de séparation ciblé.

Norme API 421 VS procédure de conception améliorée :

 

Malheureusement, la norme API 421 part de l’hypothèse que toutes les gouttelettes de la phase dispersée ont la même taille.   Il y a un risque inhérent d’entraînement excessif d’hydrocarbures si la majorité des gouttelettes de la phase dispersée (à l’entrée du déshuileur) ont une taille significativement inférieure à celle définie pour la conception.

Puisque la norme API 421 suppose qu’il n’y a pas de coalescence entre les gouttelettes (ce qui favorise la décantation), cet effet n’est pas pris en compte. L’autre faiblesse de la norme API 421 est qu’elle tient uniquement compte d’un régime de décantation libre, ce qui n’est pas une représentation de la réalité aussi exacte que lorsque l’on considère un régime de décantation freinée. En conclusion, la méthode de conception de la norme API 421 est une méthode principalement empirique reposant sur des données historiques qui pourrait ou ne pas convenir à la situation à l’étude.

Facteurs influant sur la séparation des hydrocarbures de la phase aqueuse

Figure 2. Schéma des phénomènes physiques influençant la distribution de la dimension des gouttes et le rendement de séparation des séparateurs liquide-liquide primaires.

Estimation de la distribution de la taille des gouttelettes

Les distributions de la taille des gouttes obtenues au moyen d’une forte chute de pression dans une vanne sont généralement bimodales, car il se forme des « gouttelettes satellites » de plus petite taille que les gouttelettes principales. Pour réduire adéquatement l’entraînement de la phase dispersée à des niveaux de concentration spécifiés, il faut estimer ou déterminer de manière expérimentale la distribution de la tailles des gouttelettes de cette phase. À l’aide de cette distribution de la dimension des gouttelettes, on choisit ensuite un critère de rendement de séparation selon la taille de gouttelettes, ce qui permet d’atteindre le niveau d’entraînement d’hydrocarbures ciblé.

Figure 3. Schéma du processus de fragmentation des gouttes qui mène à la formation de gouttes satellites et à l’apparition d’une distribution bimodale de la dimension des gouttes.

Détermination de la coalescence – fICE :

La probabilité (c.-à-d. le taux) de coalescence (fICE) entre les gouttelettes doit être déterminée de manière expérimentale afin d’évaluer le taux de coalescence.  Pour ce faire, la meilleure méthode est par le test d’agitation.  Le nombre de Weber utilisé pour cet essai doit être estimé à partir des conditions physiques et de la composition du fluide de procédé qui s’écoule dans la vanne/soupape de contrôle, ces chiffres étant corrigés pour tenir compte de la proportion gaz-liquide.

L’essai d’agitation donne une estimation plus précise de la coalescence que l’essai en flacon habituel parce qu’il vise à établir une distribution de la taille des gouttelettes se rapprochant de la distribution réelle du procédé, ce qui en fait une représentation plus exacte de la réalité. On obtient de meilleurs renseignements pour dimensionner l’équipement de déshuilage. La température du procédé à laquelle la séparation se produit est un autre facteur clé dont il faut tenir compte, comme le montre la figure ci-dessous.

Figure 4.  Exemple de séquence temporelle du processus de séparation liquide-liquide au cours d’essais en flacon.

Modèle de décantation :

Une fois que la distribution de la taille des gouttelettes et le fICE sont déterminés, il faut utiliser un modèle de décantation tenant compte de la coalescence et d’un régime de décantation freinée afin de déterminer le temps de résidence nécessaire pour obtenir le taux de séparation voulu. Ensemble, ces deux facteurs aident à déterminer la technologie de déshuilage qui convient et la dimension d’équipement nécessaire pour atteindre le rendement de séparation exigé par les normes environnementales.

Vous pouvez compter sur l’aide de vos experts

Comme on le voit, les méthodes de conception reposant sur la norme API 421 laissent grandement à désirer. Le défi pour les propriétaires d’installations consiste à s’assurer que, durant la conception initiale (ou la modernisation d’une installation existante), tous les aspects qui auront une incidence sur la distribution de la dimension des gouttelettes et le fICE pendant la durée de vie des installations sont pris en compte. Cela oblige notamment à se pencher sur les conceptions de vanne qui augmentent la distribution de la taille des gouttelettes, les températures de fonctionnement, les fluctuations de la composition, etc., puisque tous ces facteurs ont une incidence sur le déshuilage. Appelez-nous!

Cet article de blogue a été écrit en collaboration avec Edgar Acosta, ing., Professeur à l’Université de Toronto au Département de génie chimique et de chimie appliquée.

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