Separation-on-a-chip: coalescence and the influence of demulsifiers in w/o emulsions studied by advanced microfluidic methods
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/2785360Utgivelsesdato
2020Metadata
Vis full innførselSamlinger
Sammendrag
Petroleumsindustrien produserer betydelig store mengder vann ved produksjon av olje, og dermed vil oljeemulsjoner være tilstede i reservoarene. Siden emulsjoner er termodynamisk ustabile, kreves det energitilførsel for å danne de. Da oljeproduksjonen inkluderer flere kilder for turbulente strømninger, gir dette opphav til dannelse av vann-i-olje emulsjoner. Da råoljen inneholder overflateaktive komponenter som kinetisk stabiliserer disse emulsjonene, forhindrer dette koagulering av de dispergerte vanndråpene i oljen. Det vil dermed være vanskelig å forhindre dannelse av slike emulsjoner. Den produserte vannfraksjonen har stor innvirkning både på kvaliteten på råoljen, og fører til høye energikostnader i oljeproduksjonen. Vannet vil også føre til problemer relatert til korrosjon i rørleldninger og andre prosesseringsenheter. Ulike destabiliseringsmetoder implementeres for å oppnå faseseparasjon mellom vann og olje. Kjemisk demulsifiering er en ofte benyttet metode som innebærer tilsetning av en overflateaktiv emulsjonsbryter for å øke destabilisering. Emulsjonsbryteren destabiliserer fasene ved å erstatte de stabiliserende overflateaktive oljekompoenentene og øker muligheten for koagulering av de dispergerte vanndråpene i oljen. Den kjemiske demulsifiseringen gjennomføres ved konvensjonelle flasketester, men en ny metode som studerer dråpekoagulering i mikro-skala har nå blitt utviklet.
Dette prosjektet gikk ut på å utvikle mikrofluidiske metoder for å studere koagulering av vanndråper i en kontinuerlig oljefase. Eksperimentene ble komplementert og verifisert av konvensjonelle flasketester utført i fordypningsprosjektet under høst-semesteret. I tillegg til kvarts-mikrobalanse- og overflatespenningsmålinger, for å undersøke om den nyutviklede "lab-on-a-chip" teknologien potensielt kan benyttes kommersielt.
Den eksperimentelle delen inkluderte modifiseringer av den mikrofluidiske metoden for å tilrettelegge for optimale flow forhold for vann-i-olje systemer. Testene involverte regulering av temperatur, og dispergert- og kontinuerlig flowhastigheter for å vurdere koagulering ved å variere ulike parametre.
En sammenligning mellom den konvensjonelle flasketestmetoden og den mikrofluidiske metoden viser at sistnevnte gir flere fordeler ved studering av destabiliseringsfenomener, ulike kinetiske parametre og effektiviteten til ulike produksjonskjemikalier. Metoden inkluderer små prøvemengder og rask analysetid som gir store fordeler i petroleumsindustrien. As the petroleum industry produces significantly large amounts of water compared to oil, crude oil emulsions are highly present in the reservoir fluids. As emulsions are thermodynamically unstable and do not form spontaneously, they require energy input. The oil processing includes a variety of mixing sources which enhance the creation of shear forces, hence promote crude oil emulsion formation. Due to the presence of indigenous compounds in the crude oil which kinetically stabilize the emulsions, the phenomena is difficult to prevent. The water fraction is highly unfavorable as it leads to high energy costs in the oil production, and problems related to corrosion in pipelines and other processing units. Different destabilization methods are implemented to obtain phase separation. Chemical demulsification is a commonly used method which involves addition of a surface-active chemical demulsifier to enhance destabilization. The components have the ability to replace the stabilizing natural surface-active agents in the crude oil, and improve destabilization. The chemical demulsification may be tested with the conventional bottle test. Or a recently developed technology which includes the study of droplet coalescence kinetics assessed in micro-scale.
This thesis aims to develop microfluidic methods to study droplet coalescence of water in a continuous crude oil phase. The experiments are complemented and verified by conventional bottle test measurements which were performed in the specialization project last autumn semester. In addition to quartz-crystal microbalance and interfacial tension measurements to investigate if the new "lab-on-a-chip" technology may potentially be used commercially.
The experimental part included modifications of the microfluidic method to facilitate optimum flow conditions for water-in-oil systems. The tests involved adjustments of temperature, and dispersed and continuous flow rates to assess the coalescence behaviour by varying different parameters.
A comparison between the conventional bottle test and the microfluidic method, shows that the latter method includes several benefits for studying destabilization phenomena, kinetic parameters and the efficiency of different production chemicals. The method includes small sample volumes, fast analysis time and automatic functionalities which serve advantages in the petroleum industry. If further improvements and developments were implemented, the method could become a potential substitute for the bottle test.