De-Oiling Hydrocyclones: Theoretical Study of Produced Water Treatment Using Hydrocyclones in Parallel and Series

Abstract

Produsert vann er en stor utfordring i olje -og gass industrien. Utslipp av oljete vann i havet er den største forurensningskilden i et produksjonsfelt, så tilstrekkelig separasjon av olje/vann er avgjørende for å følge reguleringer og redusere miljøskade. Hydrosykloner er en av de mest brukte apparatene til vannrensing i industrien, siden de er relativt enkle og kostnadseffektive sammenlignet med alternativer.

Hydrosykloner har en kort oppholdstid av fluider, med rask og kompleks dynamikk. De er derfor lett påvirket av oppstrøms forstyrrelser, med store mulige økonomiske og miljømessige konsekvenser. Sensitiv og presis kontroll er nødvendig for effektiv drift. Trykkfall-forholdet (PDR) er typisk brukt i kontroll, og krever kun trykkmålinger fra systemet. PDR-kontroll er derimot ikke effektiv for alle forstyrrelser, som for eksempel endringer i oljekonsentrasjon i innløpet.

To metoder er foreslått; Parallell-sykloner med mulighet for å både variere antall syklonenheter i systemet og syklonlinere i en enhet, og serie-sykloner. Førstnevnte har potensiale til å optimalisere et videre spekter med driftsbetingelser innad i systemet. Hydrosykloner i serie gir en lengre oppholdstid og kan fange opp flere oljedråper. En grunnprinsipps modell ble implementert i MATLAB og Simulink, og en forenklet representasjon av metodene ble undersøkt gjennom simuleringer.

Parallell-syklon og liner metoden fungerte som strømningskontroll for systemet, men den klarte bare å finne gunstige betingelser sammen med ventilkontroll. Det ble sett som en mulig fordel ved ekstreme betingelser, men kombinert med PDR-kontroll kunne det fortsatt ikke korrigere alle forstyrrelser, samtidig som kompleksiteten og kostnaden anses som høy. Med tanke på begrensede fordeler og store ulemper, ble metoden konkludert ikke gjennomførbar.

Hydrosykloner i serie resulterte i økt effektivitet i nesten alle situasjoner, siden separasjonsvarigheten økte. Store og små endringer i oljekonsentrasjonen i innløpet ble fanget opp, og den andre syklonen virket lovende som en buffer for å fange forstyrrelser og sub-optimal drift av den første syklonen. Med PDR-kontroll er det sannsynlig at forstyrrelser fanges opp ved å kjøre begge syklonene mest optimalt, siden den andre syklonen får inn mye mindre olje enn den første. Det kan dermed også øke den totale effektiviteten. Metoden krever kun én ekstra syklon i et kjent system, og er derfor også kostnadseffektiv. Med tanke på store mulige fordeler er metoden konkludert gjennomførbar og lovende, og burde bli undersøkt videre.

Produced water is a major challenge in the oil -and gas industry. Discharge of oily water into the sea is the largest pollution source in a production field, hence adequate oil/water separation is essential to meet regulations and reduce environmental damage. Hydrocyclones are one of the most used devices for de-oiling in the industry, being relatively simple and cost-effective compared to alternatives.

Hydrocyclones have a low residence time, with quick and complex dynamics. They are therefore highly susceptible to upstream disturbances, with large potential economic and environmental consequences. Sensitive and precise control is required for efficient operation. The pressure drop ratio (PDR) is typically used for control, requiring only pressure measurements from the system. PDR-control is, however, not effective for all disturbances, such as inlet oil concentration changes.

Two approaches are proposed; Parallel-hydrocyclones with the ability to vary both number of units in the system and liners within units, and series-hydrocyclones. The first may be beneficial as a wider range of operating conditions can be optimized within the system. Series-hydrocyclones yield higher residence times and may capture more oil droplets. A first principles hydrocyclone model was implemented in MATLAB and Simulink, and a simplified representation of the approaches was investigated through simulations.

The parallel-hydrocyclone and liner setup was seen to work as flowrate control for the system, however only finding optimal conditions when used with valve control. This may be beneficial in extreme conditions, but combined with PDR-control still cannot correct all disturbances, furthermore being of high complexity and cost. Considering limited benefits and huge disadvantages, the approach was concluded not feasible.

The series-hydrocyclone setup resulted in increased efficiency in almost all situations, as separation duration increased. Large and small changes in inlet oil concentration were captured, and the second cyclone showed promise in correcting disturbances and inefficiencies from the first cyclone. With PDR-control, non-detectable disturbances can likely be caught running both cyclones at optimal setpoints, as the second cyclone receives far less oil than the initial one, and may also increase total system efficiency. Requiring only another hydrocyclone in a known system, the setup is deemed cost-effective, and considering potential benefits the system is concluded a feasible solution and should be investigated further.