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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Entschäumen von wässrigen und nicht-wässrigen Schäumen und
Mischungen davon unter Verwendung von Schallbehandlung zum Kollabieren
der Schäume.
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Hintergrund der Erfindung
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In
mehreren vorgeordneten, nachgeordneten und chemischen Verfahren
ist die Bekämpfung (Kontrolle)
und Verringerung von Schaum für
die Effizienz des Verfahrens entscheiden. Schäume werden in Verarbeitungsanlagen
erzeugt, in denen wässrige oder
Kohlenwasserstoffflüssigkeiten
in belüfteten Umgebungen
kräftig
gemischt werden. Die Anwesenheit von oberflächenaktiven polaren Spezies
in der flüssigen
Phase des Schaums führt
zu reichlichem und stabilem Schaum. Solche Schäume führen zu Störungen des Verfahrens und beschränkt die
Kapazitätsausnutzung
von Verfahrensanlagen. Der derzeitige Ansatz für die Schaumbekämpfung ist
in der Mehrzahl der Fälle
die Behandlung mit chemischem Entschäumer. Chemische Entschäumer sind
neben der Tatsache, dass sie Spezialchemikalien sind, nicht robust
und in den meisten Fällen
anwendungssensibel.
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Wässrige und
Kohlenwasserstoffflüssigkeiten,
die polare oberflächenaktive
Spezies aufweisen, neigen zur Schaumbildung, wenn sie in belüfteten oder
gasförmigen
Umgebungen kräftig
gemischt werden. Beispiele für
solche oberflächenaktiven
Spezies sind oberflächenaktive
Naphthensäuren
mit niedrigem Molekulargewicht, basische und saure Asphaltene, basische
stickstoffhaltige organische Verbindungen und Calcium-/Natriumsalze
von Säuren
mit C6- bis C20-Kohlenwasserstoffseitenketten
und Sulfaten. Diese polaren, grenzflächenaktiven Verbindungen stabilisieren
Flüssigkeits-Gas-Grenzflächen und bilden
an der Flüs sigkeits-Gas-Grenzfläche viskoelastische
Filme. Feststoffe von Submikrometergröße, wie Siliciumdioxid und
Ton, treten mit polaren Verbindungen in Wechselwirkung, wenn sie
in der flüssigen Phase
vorhanden sind, und bilden feststoffstabilisierte organische Filme
an der Flüssigkeits-Gas-Grenzfläche. Die
Stabilität
von Schäumen
ist auf die viskoelastische Natur dieser Filme zurückzuführen. Die beiden
Hauptansätze
zur Entschäumung,
die in der Technik bekannt sind, sind Ersetzen der oberflächenaktiven
polaren Verbindungen durch chemische Entschäumermoleküle, die steife Filme bilden,
die nicht viskoelastisch sind, und Solubilisierung der polaren oberflächenaktiven
Spezies, die die Flüssigkeits-Gas-Grenzfläche mit
Lösungsmitteln
wie Alkoholen, Ethern und aromatischen Lösungsmitteln stabilisieren.
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Es
wird ein nicht chemischer Entschäumungsansatz
benötigt
und ist noch in der Industrie zu realisieren.
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US 3,238,144 offenbart einen
Schallschaumunterdrücker
zur Verwendung mit Pipelines, die Flüssigkeit mit einem hohen Schaumgehalt
führen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein
Verfahren wie in jeglichen der angefügten Ansprüchen definiert geliefert.
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Gemäß einer
Ausführungsform
beinhaltet die Erfindung ein Verfahren zum Entschäumen eines Schaums,
bei dem der Schaum mit einer Schallenergie von mindestens etwa 25
Watt/cm2 schallbehandelt wird, wobei der
Schaum ausgewählt
ist aus der Gruppe bestehend aus wässrigen und nicht-wässrigen
Schäumen
und Mischungen davon, und wobei der Schaum eine Dispersion eines
Gases oder Dampfes in einer Flüssigkeit
umfasst.
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Die
Erfindung kann ferner gegebenenfalls die Zugabe von chemischen Entschäumeradditiven oder
Lösungsmittel
zu dem Schaum vor oder während
der Schallbehandlung umfassen.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Die
Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Entschäumen oder Kollabieren eines
Schaums, der wässrig,
nicht wässrig
oder eine Mischung aus wässrigem
und nicht-wässrigem
Schaum sein kann.
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kollabieren von wässrigen
oder nicht-wässrigen
Schäumen
durch Schallbehandlung des Schaums mit einer ausreichenden Energie,
um den viskoelastischen Film an der Flüssigkeits-Gas-Grenzfläche. zu
brechen. Die Schäume
können
Schallbehandlung in einem Frequenzbereich von 15 kHz bis 10 MHz,
vorzugsweise 20 kHz bis etwa 10 MHz und am meisten bevorzugt etwa
20 kHz Frequenz und Energien von mindestens etwa 25, vorzugsweise
etwa 25 bis etwa 500 Watt/cm2 unterzogen
werden, wodurch der Schaum rasch kollabiert (zusammenfällt). Der
Mechanismus des Kollabierens des Schaums kann auf Kompression mit
hoher Energie und Verdünnungswellen
zurückgeführt werden,
die sich durch den Schaumkörper
hindurch ausbreiten und zu Kavitation und schockinduziertem Brechen
des Films und anschließendem
Zusammenfließen
des dispergierten Gases führen.
Schallbehandlung kann bewirkt werden, indem eine Schallsonde direkt
in den Schaum eingebracht wird, auf den eingewirkt werden soll.
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Der
Hauptvorteil dieses Verfahrens gegenüber Verfahren des Standes der
Technik liegt darin, dass es einen nicht-chemischen Ansatz zum Kollabieren
des Schaums beinhaltet. Schallbehandlung kann gegebenenfalls mit
chemischem Entschäumeradditiv
oder Zugabe von Lösungsmittel
vor oder während
der Schallbehandlung kombiniert werden, um die Effektivität des Kollabierens
des Schaums zu erhöhen.
Wenn derartige Komponenten erwünscht sind,
können
sie nach Techniken, die dem Fachmann bekannt sind, in den Schaum
eingebracht werden, wie Sprühen
des Entschäumeradditivs
oder Lösungsmittels
in den Schaum.
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Das
hier offenbarte Schallentschäumungsverfahren
kann auf Anwendungen in der Rohölproduktion,
Raffinierungs- und chemischen Verfahren angewendet werden, in denen
Schaumbekämpfung und
-verringerung für
die Verfahrenseffizienz entscheidend sind. Zu Beispielen gehören die
Verwendung von Öl-Wasser-Gas-Abscheidern (Produktionsverfahren),
Schäume
in Trommeln für
verzögertes Verkoken
(Raffinierung) und Polymerverarbeitung und Chemikalienherstellung
oder -synthese, einschließlich
Aromatenalkylierungsreaktoren und Aromaten- oder Rohöl-Resid-Sulfonierungsreaktoren.
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Das
hier beschriebene Verfahren ist auf wässrige und nicht-wässrige Schäume und
Mischungen davon anwendbar.
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Die
wässrige
Phase des Schaums umfasst Wasser und kann außerdem Wasser, das Salze von Halogeniden,
Sulfaten und Carbonaten von Elementen der Gruppe 1 und Gruppe 2
enthält,
einschließen. Die
Kohlenwasserstoffphase kann im Fall von nicht-wässrigem
Schaum Rohöl,
Rohöldestillate, Pflanzenöle, synthetische Öle und tierische
fette Öle umfassen.
Die Schäume
sind in der Regel aus einer flüssigen
und einer gasförmigen
Phase zusammengesetzt. Die polaren Spezies, die in der flüssigen Phase
der Schäume
vorhanden sind, die in Produktions-, Raffinierungs- und chemischen
Verfahren vorkommen, sind allgemein oberflächenaktive Spezies, wie oberflächenaktive
Naphthensäuren
mit niedrigem Molekulargewicht, basische und saure Asphaltene, basische
stickstoffhaltige organische Verbindungen, Calcium-/Natriumsalze
von Säuren
mit C6- bis C20-Kohlenwasserstoffketten
und Sulfate, Feststoffe von Submikrometergröße, wie Tone, Siliciumdioxid,
Ruß, Raffineriekoksfeinteile,
Polymerpartikel und andere anorganische und organische Feststoffe. Die
gasförmige
Komponente des Schaums kann Luft, Stickstoff, Inertgase oder Kohlenwasserstoffgase
wie Ethan, Propan, Butan, Isobutan und Mischungen davon sein. Die
gasförmige
Komponente des Schaums kann auch Dämpfe von Kohlenwasserstoffen
oder Mischungen von Dämpfen
von Kohlenwasserstoffen und Luft, Stickstoff oder Inertgasen sein.
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Obwohl
Schallbehandlung allein zum Kollabieren des Schaums wirksam ist,
kann sie mit chemischem Entschäumeradditiv
oder Lösungsmittelbehandlung
kombiniert werden.
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Wenn
chemische Entschäumeradditive
oder Lösungsmittel
verwendet werden, wird die Behandlung mit chemischem Entschäumer additiv
oder Lösungsmittelbehandlung
vorzugsweise vor der Schallbehandlung durchgeführt. Die Behandlung mit chemischem
Entschäumer
oder Lösungsmittel
reduziert die Schallbehandlungsdauer und die Schallbehandlungsenergie
oder -intensität,
die um Kollabieren des Schaums erforderlich ist. Es können auch
Mischungen von chemischem Entschäumeradditiv
und Lösungsmittel
verwendet werden. Es können
Lösungsmittel
allein verwendet werden; Entschäumeradditive erfordern
jedoch ein Trägerlösungsmittel
und müssen
daher zusammen mit einem Lösungsmittel
verwendet werden.
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Chemische
Entschäumeradditive
und Lösungsmittel
lassen sich durch den versierten Fachmann leicht identifizieren.
Lösungsmittel
können
Alkohole, Ether, Kohlenwasserstoffe und Mischungen davon umfassen,
wie Methanol, Ethanol, n-Propanol, Isopropanol, n-Butylalkohol,
Isobutylalkohol, tert.-Butylalkohol, Diethylether, aromatische Kohlenwasserstofflösungsmittel
einschließlich
Toluol, Xylol und Mischungen davon (einschließlich ortho-, meta-, para- und
anderen Isomeren).
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In
der Technik sind chemische Entschäumeradditive gut bekannt und
lassen sich durch den versierten Fachmann auch leicht auswählen. Sie
umfassen beispielsweise Siloxanoligomere, Fluorkohlenstoffethoxylat-Tenside
und Mischungen davon.
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Schallbehandlung
ist der Akt, ein System Schallwellen (akustischen Wellen) auszusetzen.
Die Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeiten
ist in der Regel etwa 1500 m/s. Ultraschall überspannt die Frequenz von
etwa 15 kHz bis 10 MHz mit den dazugehörigen Wellenlängen von
etwa 10 bis 0,02 cm. Die Erfindung kann mit Frequenzen von etwa
20 kHz bis etwa 1 MHz durchgeführt
werden. Die Ausgabeenergie bei einer gegebenen Frequenz wird als
Schallenergie in den Einheiten Watt/cm2 angegeben.
Die in der vorliegenden Erfindung bereitgestellte Schallbehandlung
wird in der Regel mit Energien von mindestens etwa 25 und vorzugsweise
etwa 25 bis etwa 500 Watt/cm2 bewirkt. Die
Schallbehandlung kann in beliebiger Weise einschließlich kontinuierlichen
und Pulsmodi angewendet werden.
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Das
Verfahren kann bei Temperaturen des Schaums von etwa 20 bis etwa
200°C und
Drücken von
Umgebungsdruck bis 1000 psig (1480,4 kPa) durchgeführt werden.
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Das
chemische Entschäumeradditiv
oder Lösungsmittel
wird dem Schaum vorzugsweise vor oder während der Schallbehandlung
zugegeben. Die zuzufügende
Menge an Entschäumeradditiv
oder Lösungsmittel
liegt im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 5,0 Gew.%, bezogen auf die
Menge der flüssigen
Phase des Schaums. Ein Fachmann kann leicht die in dem Schaum vorhandene
Flüssigkeitsmenge
bestimmen, indem eine Probe des Schaums genommen und kollabiert
wird, um die darin vorhandene Flüssigkeitsmenge
zu bestimmen.
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Ein
Fachmann wird erkennen, dass die Verwendung eines Entschäumeradditivs
zur Herabsetzung der Schallenergie dient, die zum Brechen des Grenzflächenfilms
des Schaums erforderlich ist. Es mag daher erwünscht sein, ein Entschäumeradditiv zu
verwenden. Eine begrenzte Anzahl an Schäumen erfordert daher möglicherweise
wegen der Festigkeit des Grenzflächenfilms
ein Entschäumeradditiv.
Derartige Schäume
lassen sich durch den versierten Fachmann leicht identifizieren,
da Schallbehandlung allein den Schaum nicht in ausreichender Weise bricht.
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Die
Erfindung ist auf beliebigen Schaum anwendbar, insbesondere jene,
die Komponenten wie organische Säuren
und Feststoffe enthalten und die zudem Asphaltene, basische Stickstoffverbindungen enthalten
können.
Die Kohlenwasserstoffe, die einen nicht-wässrigen Schaum oder eine Mischung
aus wässrigem
und nicht-wässrigem
Schaum bilden, können
somit Rohöle,
Rohöldestillate,
Rohölresids oder Öle, die
aus pflanzlichen und tierischen Quellen stammen, wie Pflanzenöle und tierische Öle oder synthetische Öle, wie
Silikonöle,
einschließen.
Die Schäume
können
in gleicher Weise Tenside oder andere Komponenten enthalten, die
in dem Kohlenwasserstoff vorhanden sind oder diesem zugesetzt wurden.
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Bei
der Anwendung der Schallenergie auf den Schaum wird ein Fachmann
erkennen, dass die Schallenergie oder -intensität angepasst werden muss, um
das Kollabieren des Schaums zu be wirken. Die Schallenergie kann
somit von mindestens etwa 25 Watt/cm2 in
Schritten von mindestens etwa 25 Watt/cm2 auf
bis zu etwa 500 Watt/cm2 erhöht werden,
bis Kollabieren beobachtet wird. In der Regel sollten zwischen jeder
schrittweisen Erhöhung
der Schallenergie etwa 5 bis etwa 10 Minuten verstreichen.
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Die
folgenden Beispiele sollen illustrierend und in keinerlei Weise
einschränkend
sein.
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Beispiel 1: Entschäumen wässriger Schäume durch Schallbehandlung
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Das
allgemeine Verfahren zur Herstellung von wässrigem Schaum beinhaltet die
Zugabe von 0,5 g nicht-ionischem Tensid, Dodecylhexaethoxyalkohol
(angeboten unter dem Handelsnamen Emerest 2661 von Henkel Corporation,
PA, USA) zu 100 ml Wasser, gefolgt von Mischen. Zum Mischen wurde ein
Silverson-Mischer
verwendet, erhalten von Silverson Machines, Inc., East Longmeadow,
Massachusetts, USA. Das Mischen wurde bei 25°C und mit 1000 bis 2000 UpM
für eine
Zeit durchgeführt,
die erforderlich war, um einen Schaum von 5 cm Höhe in einem zylindrischen Gefäß zu erzeugen.
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Der
so erzeugte Schaum wurde in ein Schallhorn eingebracht und der Schaum
schallbehandelt. Es wurde ein Vibra Cell Schallbehandlungsgerät (Sonics
and Materials Inc., Danbury, CT, USA) verwendet, und eine Minute
lang wurden Schallwellen mit einer Frequenz von 20 kHz in den Schaumkörper eingebracht.
Es wurde ein vollständiges
Kollabieren des Schaums beobachtet. Die Schallintensität wurde
in Schritten von 50 Watt/cm2 variiert. Das
Kollabieren des Schaums wurde mit 300 Watt/cm2 beobachtet. Sowohl
die kontinuierlichen als auch die Pulsmodi des Verfahrens waren
wirksam, um den Schaum zu kollabieren.
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In
dem Kontrollexperiment wurde wie oben beschrieben Schaum erzeugt,
und der Schaum wurde stehen gelassen. Es wurde in einem Beobachtungszeitraum
von 60 Minuten beobachtet, dass weniger als 10 des Schaums kollabierte.
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Beispiel 2: Entschäumen nicht-wässriger
Schäume durch
Schallbehandlung
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Das
allgemeine Verfahren zur Herstellung von nicht-wässrigem Schaum beinhaltete
die Zugabe von 0,5 g kommerzieller Erdölnaphthensäure mit einem Molekulargewicht
von 350, angeboten von Pfaltz und Bauer Inc., zu 100 ml einer Kohlenwasserstoffdestillatmischung,
die 40/30/30 Isopar-M/Solvent 600 N/Aromatic 150 umfasste, gefolgt
von kräftigem Mischen.
Zum Mischen wurde ein Silverson-Mischer verwendet, erhalten von
Silverson Machines, Inc., East Longmeadow, Massachusetts, USA. Das
Mischen wurde bei 25°C
und mit 2000 bis 4000 UpM für eine
Zeit durchgeführt,
die erforderlich war, um einen Schaum von 5 cm Höhe in einem zylindrischen Gefäß zu erzeugen.
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Der
so erzeugte Schaum wurde in ein Schallhorn eingebracht und der Schaum
schallbehandelt. Es wurde ein Vibra Cell Schallbehandlungsgerät verwendet,
und eine Minute lang wurden Schallwellen mit einer Frequenz von
20 kHz in den Schaumkörper eingebracht.
Es wurde ein vollständiges
Kollabieren des Schaums beobachtet. Die Schallintensität wurde in
Schritten von 50 Watt/cm2 variiert. Das
Kollabieren des Schaums wurde mit 200 Watt/cm2 beobachtet. Sowohl
die kontinuierlichen als auch die Pulsmodi des Verfahrens waren
wirksam, um den Schaum zu kollabieren.
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In
dem Kontrollexperiment wurde wie oben beschrieben Schaum erzeugt,
und der Schaum wurde stehen gelassen. Es wurde in einem Beobachtungszeitraum
von 20 Minuten beobachtet, dass weniger als 10 % des Schaums kollabierten.