51
7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 1/51  1 DETAILED REPORT SiC MEMBRANE PILOT ULTRAFILTRATION TEST FOR PRODUCED WATER TREATMENT OCELOTE field – HOCOL (COLOMBIA)  August 2012 Prepared by: Oscar  Andrés  Prado Rubio  Project Manager, LiqTech David Cardona Technical  profesional,  Conconcreto Revised by: Tore Svendsen Application Manager, LiqTech Linfeng Yuan Project Manager SiC membranes,  LiqTech 

Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 1/51

 

DETAILED REPORT

SiC MEMBRANE PILOT ULTRAFILTRATION TEST FORPRODUCED WATER TREATMENT

OCELOTE field – HOCOL (COLOMBIA)

 August 2012

Prepared by:

Oscar 

Andrés 

Prado‐

Rubio 

Project Manager, LiqTech 

David Cardona 

Technical profesional, Conconcreto 

Revised by:

Tore Svendsen 

Application Manager, LiqTech 

Linfeng Yuan 

Project Manager SiC membranes, LiqTech 

Page 2: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 2/51

 

Table of  Contents 1.  Introduction ................................................................................................................................  3 

1.1. 

Problem description

 ............................................................................................................

 3 

1.2.  Test objectives .....................................................................................................................  5 

1.3.  Test facility ..........................................................................................................................  5 

1.4.  Facilities description ............................................................................................................  8 

1.5.  Experimental methodology ...............................................................................................  13 

1.5.1.  Operating window identification ‐ Operability investigation ....................................  13 

1.5.2.  Continuous operation tests .......................................................................................  14 

1.5.3.  Chemical cleaning efficiency evaluation ...................................................................  14 

1.6.  Activities schedule .............................................................................................................  14 

2.  Water permeability test ............................................................................................................  16 

3.  Experimental evaluation point: Before the skimming tanks .....................................................  18 

3.1.  Characteristics of  the inlet water  – field information .......................................................  18 

3.2.  Preliminary tests  – conventional ultrafiltration ............................................................  19 

3.3.  Operating window identification ‐ Operability investigation ........................................  20 

3.4.  Continuous operation ...................................................................................................  25 

2.5 

Conclusions.................................................................................................................... 30

 

4.  Experimental evaluation point: After the skimming tanks .......................................................  32 

4.1.  Characteristics of  the inlet water  – field information .......................................................  32 

4.2.  Operating window identification ‐ Operability investigation ........................................  33 

4.3.  Continuous operation ...................................................................................................  37 

4.4  Conclusions....................................................................................................................  41 

5.  Cleaning in place evaluation .....................................................................................................  42 

6.  Final remarks .............................................................................................................................  43 

Evaluation point before skimming tanks: .....................................................................................  43 

Evaluation point after the skimming tanks: ..................................................................................  43 

7.  Future challenges ......................................................................................................................  44 

8.  Appendix: Critical flux estimation .............................................................................................  45 

Page 3: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 3/51

 

1. Introduction

HOCOL 

is 

private 

company, 

with 

over 

half  

century 

of  

presence 

in 

exploration 

and 

production 

of  

oil and gas in Colombia. HOCOL currently has exploration projects in the Upper Magdalena Valley, 

Lower  Magdalena  Valley,  the  Eastern  Plains  and  the  Llanos  Foothills.  Besides,  it  has  engaged 

production operations  in  the  states  of   Huila,  Tolima  and Meta,  pumping  the produced  crude oil 

through their own pipelines in the Alto Magdalena. 

Currently, HOCOL has an average production of  32,307 barrels (gross) per day in fifteen fields and 

a portfolio of  net 2P reserves of  57.7 million barrels and 0.9 giga cubic feet of  gas waiting to be 

developed  efficiently  and  with  high  operational  excellence.  In  2011,  the  company  produced  9.9 

million barrels of  oil. 

HOCOL showed

 interest

 to

 test

 new

 technologies

 for

 the

 separation

 of 

 oil

 in

 water

 emulsions,

 as

 a 

way  to  bring  innovation  into  their  installations,  in  that  way  fulfilling  their  future expectations  in 

produced water treatment. A process proposed by the consortium Conconceto/LiqTech, based on 

Silicon Carbide  (SiC) membrane  technology. LiqTech  is a Danish company who manufactures  the 

membrane.  For  the  last  11  years,  LiqTech  has  been  at  the  leading edge  in  developing  and 

marketing its own proprietary products to the environmental industry. LiqTech’s core is its ability 

to manipulate SiC, which has allowed it making a high value, high performance products for liquid 

and gaseous filtration. Conconcreto has  joined LiqTech efforts to promote this technology in South 

America. Conconcreto  is a Colombian company with more than 50 years of  experience providing 

services in South America, mainly in the construction area. Recently, Conconcreto has created an 

innovation 

department 

to 

provide 

cutting 

edge 

technologies 

for 

domestic 

and 

industrial 

water 

treatment.  The  produced  water  application  is  one  of   the  most  promising  applications  of   SiC 

membranes.  LiqTech/Conconcreto  and  HOCOL  have  agreed  to  perform  a  test  of   the  SiC 

membranes  for  produced  water  treatment.  This  test  is  relevant  for  the  consortium 

LiqTech/Conconcreto since it is a great opportunity to improve its understanding of  the separation 

and at the same time validate the technology under Colombian conditions. The  intention of  this 

test  is  to  gather  sufficient  data  to  allow  Conconcreto/LiqTech  propose  a  commercial  service 

solution for the produced water treatment. 

1.1. Problem description 

The pilot plant testing has been conducted  in “Campo OCELOTE”,  inside of  the crude processing 

area referred to as “Fluid Processing Central  – CPF” (see Figure 1). During the oil recovery process, 

an interesting challenge is to separate the oil and water mixture. This separation is limited by the 

stability  of   the  oil  in  water  emulsion.  Conventionally,  emulsion  breakers  are  added  in  order  to 

facilitate the oil separation and to allow the filters to remove the suspended solids. The HOCOL’s 

processing area is divided into two sections, first the oil recovery plant and secondly the produced 

water treatment plant for reinjection. 

Page 4: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 4/51

 

The oil  and water  mixture  coming  from  all  drilling  points  is sent  to  the processing area  through 

two  pipelines.  Those  enter  the  CPF  in  a  manifold  where  temperature  is  adjusted  for  the 

subsequent oil recovery section. The oil treatment process  is composed  in two  (02) Surge tanks, 

one  (01)  Gun  barrel  and  finally  two  (02)  Storage  tanks.  The  outlet  stream  has  an  average 

concentration  of   500  ppm  of   oil  in  water  (OiW)  and  total  suspended  solids  (TSS),  respectively. 

From  the  oil  recovery  plant,  55.000  BWPD  are  sent  to  water  treatment  facilities.  This  section 

consists of  two skimming tanks, one microflotation unit and two walnut shell filters. 

From the skimming tanks there is an oil recovery which is sent back to the oil processing plant. The 

treated water goes to the microflotation unit with OiW concentration of  around 75 ppm and 500 

ppm of  TSS. 

From the microflotation process, the produced water stream has 7.5 ppm of  OiW and 50 ppm of  

TSS approximately.

 Currently,

 the

 Microflotation

 process

 has

 been

 by

‐passed

 and

 the

 outlet

 from

 

the  skimming  tanks  is  sent  directly  to  walnut  shell  filters.  The  water  at  the  end  of   the  process 

should  have  a  maximum  of   5  ppm  of   OiW  and  TSS.  Finally  the  produced  water  is  sent  to  the 

storage tanks, and then re‐injected. 

Figure 1. Diagram of the fluid processing central CPF at OCELOTE field. Red square shows the oil

recovery plant. Green square shows the produced water treatment plant.

Page 5: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 5/51

 

As an alternative solution for the produced water treatment, the SiC membrane technology offers 

reliable  performance.  This  technology  exploits  the  oil  droplets  and  suspended  solids  size  to 

achieve  the  separation.  The  separation  is  possible  due  to  the  membrane  is  highly  hydrophilic 

allowing the water to pass through and retaining the oil drops and suspended solids. 

1.2. Test  objectives 

The objective of  the test  is to determine the operability of  the pilot plant at the field conditions. 

Therefore,  the  necessary  information  is  gathered  to  evaluate  the  technical  feasibility  of   this 

technology for the produced water treatment which will be reflected in a commercial design. It is 

aimed to deliver water with concentrations below 5 ppm of  OiW and TSS. The activities  involved 

during the test are: 

  Evaluate the

 effect

 of 

 the

 operation

 variables

 on

 the

 separation

 performance

 at

 different

 

sampling points in the OCELOTE field 

  Reveal the most appropriate operation conditions given the input water quality and clean 

water requirements. 

  Investigate the inlet characteristics variance at the interesting sampling points in the field. 

  Investigate the influence of  the inlet water quality on the separation performance 

  Determine the water and oil separation efficiency at field conditions 

  Determine the total suspended solid separation efficiency at field conditions 

  Evaluate the sustainable continuous operation of  the pilot plant. 

1.3. Test  facility

 

The test rig is a Multibrain pilot unit from LiqTech (CFU8), it can be seen in Figure 2. The PID can be 

seen in Figure 3. 

Page 6: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 6/51

 

Figure 2. Pilot unit located at OCELOTE-CPF. The pilot unit is equipped with a feed pump which

pressurizes the feed stream, a recirculation pump which generates the cross-flow and a pump for

backflush. The pressure and flow rates inside the system are controlled by adjusting the position of 

control valves and pump speeds. In addition, the unit is equipped with a BackPulse Hammer (BPH)

The unit consists of  three pumps: a feed pump delivering the feed solution  into the recirculation 

loop, a recirculation pump generating the cross‐flow and a pump sitting at the permeate side for 

Backflush. In addition, the pilot unit is equipped with a Back Pulse Hammer (BPH). The BPH system 

is a pulse generator, which delivers high frequency water pulses from the permeate side in order 

to keep the membrane clean and free of  foulants. The filtration membrane element  is based on 

Silica Carbide (SiC). 

Page 7: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 7/51

 

Figure 3. PID-diagram of the test unit. The LiqTech Multibrain CFU08 is an industrial pilot unit for

water filtration applications

Page 8: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 8/51

 

1.4. Facilities description 

The  pilot  unit  was  located  inside  CPF  area,  beside  the  Microflotation  unit,  this  location  allow 

having the connections for the first and second test points very close to the pilot plant. 

The following figure shows the localization of  the pilot unit inside the CPF area. 

Figure 4. General Layout of CPF area (The precise location is indicated with the red circle in the

layout)

Page 9: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 9/51

 

The connections  for  the  first and second point of  operation with  the pilot unit were suitable  by 

HOCOL, installing a valve for control the feed flow rate (as can be seen in Figure 5 and Figure 6). 

Figure 5. First point of connection, outlet surge tanks.

Figure 6. Second point of connection, outlet skimming tanks.

The equipments that complement the pilot plant are: 

  Transformer:  the  voltage  in  the  field  is  480V.  Therefore  was  necessary  to  install  an 

electrical transformer to reduce the voltage to 440V (see Figure 7). 

Page 10: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 10/51

 

10 

Figure 7. Electrical transformer, 480V to 440V, 32A.

  Panels:  as  protection  for  the  equipment,  there  are  different  electrical  panels  that  allow 

connecting  the  pilot  plant,  heater,  a  pump  and  the  computers  that  use  440V  and  110V 

(Figure 8 and Figure 9). 

Figure 8. Electric panel for connection 220V and 110V.

Page 11: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 11/51

 

11 

Figure 9. Electric panel for connection 440V.

  Cleaning in place unit (CIP): Consist of  two plastic tanks with 250 liters of  capacity, with a 

configuration  of   pipelines  and  valves  that  allow  connecting  the  feed,  permeate  and 

retentate  hose’s.  In  these  tanks  the  chemical  cleaning  solution  with  alkaline  and  acid  is 

prepared for

 the

 membrane

 cleaning

 (Figure

 10).

 

Figure 10. Cleaning in place unit (CIP).

  Prefilter: this equipment filters the water through a mesh, where particles with size larger 

than  300  micrometers  are  retained.  This  is  a  protection  device  which  avoid  that  these 

Page 12: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 12/51

 

12 

particles  enter  the  pilot  unit,  in  that  way  preventing  the  obstruction  the  feed  channels. 

There is a small pump (8 m3/h) to generate flow if  necessary (Figure 11). 

Figure 11. Prefilter is showed in the left side, pump shown in the right side.

  Storage tanks: There are two plastic tanks, the first with 1000 L of  capacity, used for feed 

of  produced water. The emulsion is kept in the tank by strong agitation and temperature 

regulation. The second tank with a capacity of  2000 L, is employed for clean water storage 

to be used for the membrane washing. 

Figure 12. In the left side of the picture is showed the feed tank, and in the right side the clean water

tank.

Page 13: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 13/51

 

13 

1.5. Experimental methodology 

In order  to evaluate the  influence of  operating  variables on  the separation behavior, a stepwise 

methodology  is  proposed.  The  separation  performance  is  assessed  in  terms of   well‐established 

indexes  like:  flux, permeate quality,  recovery and  sustainability. The most appropriate  operating 

conditions  are  estimated  from  an  analysis  of   the  independent  experiments  based  on  the 

mentioned  indexes.  The  following  inputs,  that  define  the  membrane  performance,  can  be 

controlled by the membrane pilot unit: 

  Flow conditions: cross‐flow velocity 

  Driving force: transmembrane pressure (TMP) 

  Cleaning:  combination  of   the  available  cleaning  strategies  (backpulse  hammer, 

backflush and cleaning in place) 

The separation efficiency  is determined by the membrane characteristics, the mixture properties 

and how the system is operated. During the filtration of  any mixture (e.g. emulsions, suspensions, 

solutions), the solvent flux through the membrane is always lower than the pure water flux due to 

two tightly coupled phenomena referred to as concentration polarization and fouling. 

In order to determine the best way to operate the process, it is important to identify the influence 

of  the operating conditions on the mentioned phenomena, thus on the separation performance. 

For that purpose, an experimental design is used. 

1.5.1.  Operating window identification - Operability investigation 

In  order  to  minimize  the  number  of   experiments,  a  hierarchical  structure  is  employed.  The 

operating  mode  selected  for  the  experiments  is  constant  flux,  which  can  be  automatically 

controlled  (in  a  selected  experiment  the  constant  TMP  mode  is  tested,  which  analogous  to  the 

constant  flux  operation).  The  influence  of   flux  increments  is  evaluated  through  a  conservative 

stepwise strategy. This is necessary in order to avoid an initial irreversible fouling and at the same 

time  more  carefully  follow  the  separation  performance.  In  that  way  viable  and  reproducible 

results can be obtained. An additional advantage of  this procedure  is that the membrane has an 

appropriate time to get used to the environment. The first series of  experiments on a new type of  

water application  are  initiated  with  the smallest  flux  possible and  maximum  cross  flow velocity. 

For this

 pilot

 unit,

 the

 transmembrane

 pressure

 should

 be

 kept

 below

 0.3

 bars

 and

 the

 cross

‐flow

 

should be kept as high as 2 m/s (50 m3/h). 

The  used  methodology  is  called  “step  up‐down”  method  for  the  estimation  of   the  sustainable 

flux1.  The  experiment  starts  with  an  initial  flux  which  is  gradually  increased;  each  increment  is 

followed by a relaxation period. After each  increment, the transmembrane pressure will  increase 

as  a  consequence  of   the  higher  desired  flux.  The  transmembrane  pressure  should  reach  a 

relatively stationary average value,  indicating a situation where there  is equilibrium between the 

1 Beier, S.P. and Jonsson, G. Critical Flux Determination by Fux Stepping. AIChE Journal 56(7). 1739‐1747. 

Page 14: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 14/51

 

14 

amount of  material being deposited on the membrane surface and material being removed by the 

cross‐flow and  employed  cleaning  strategy. This equilibrium  is  achieved due  to  the efficiency  of  

the equipment to remove the reversible fouling. 

The  idea of  the experiments  is to find the so called critical flux, since exceeding that point  is not 

possible  to  achieve  a  stationary  operation,  meaning  that  there  is  not  equilibrium  between  the 

fouling formation and removal by the cleaning strategy (cross‐flow, backflush or backpulse). Above 

the critical flux  it  is very difficult to maintain a sustainable production due to the  formation of  a 

dominating irreversible fouling. After considerable irreversible fouling, there is a loss of  separation 

performance which cannot be recovered. It is not recommended to operate the equipment above 

the critical flux, thus it is an important parameter to identify.  During the experiments for each flux 

conditions,  the  physical  cleaning  variables  are  tested  such  as  frequency  and  intensity.  The 

frequency of  the cleaning strategies has a big influence on the operating cost of  the pilot plant. 

The separation performance is followed using quantitative measurements of  the total suspended 

solids and oil  in water. The analyses are performed following the standard protocols used  in the 

field laboratory (ANTEK)2. 

The  determination  of   the  critical  flux  methodology  is  applied  at  two  different  points  in  the 

produced water treatment, before and after the skimming tanks. As a preliminary experiment, the 

first evaluation point includes a test of  conventional ultrafiltration. 

1.5.2.  Continuous operation tests 

Once 

the 

operating 

conditions 

are 

identified, 

the 

sustainable 

operation 

is 

evaluated 

using 

continuous operation. The initial tests are performed at moderated operating time, increasing the 

operation window. During the continuous tests, the water quality is determined regularly. 

1.5.3.  Chemical cleaning efficiency evaluation 

As  a  parallel  activity  to  the  experimental  design,  the  efficiency  of   the  chemical  cleaning  is 

evaluated. The objective of   the chemical cleaning  is  to  remove the accumulated organic matter, 

solids and precipitated salts in both surface and internal structure of  the membrane. Thus, recover 

the  initial  stable  separation  potential  of   the  membrane.  The  cleaning  efficiency  is  quantified 

through 

the 

water 

permeability 

assessment. 

Using 

the 

test 

results, 

the 

recommended 

cleaning 

strategy is refined in order to match an acceptable water permeability recovery at field conditions. 

1.6.  Activities schedule 

The  activities  are  organized  in  four  main  areas;  every  one  of   these  has  a  time  line  defined, 

including  labor, resources and troubleshooting that were necessary  for  the correct development 

of  the project. 

2 ANTEK is a certified laboratory that makes all quantitative measurements in the field. 

Page 15: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 15/51

 

15 

In the following figure, the time line for every area is depicted. 

Figure 13. Work schedule for the test period at OCELOTE field-HOCOL

The Assembly and Installation of  the pilot unit and was started 27/06/2012. The installation of  the 

pilot plant was delayed due to the absence of  440V in the field. HOCOL had promised 440V but at 

the end there was no way to provide  it  in the  field. Therefore, a transformer was  installed. This 

activity took

 a week.

 

The experimental phase was divided in two tests: the first sample point used feed water from the 

outlet of  surge tanks, and the second used water from the outlet of  skimming tanks. The order of  

the  tests  was  imposed  by  HOCOL.  All  these  activities  were  started  the  10/07/2012  and  finished 

03/08/2012. 

Closing Operation consisted in un‐mounting of  the equipment, cleaning and shut down of  the pilot 

unit. These activities were started the 04/08/2012 and finished 06/08/2012. 

Page 16: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 16/51

 

16 

2. Water permeabil ity test

The 

ultrafiltration 

membrane 

used 

for 

the 

experiments 

was 

LiqTech‐

103377. 

The 

water 

permeability  is  used  to  evaluate  the state  of   the  membrane.  The permeability  is  defined  as  the 

ratio between the flux and the applied transmembrane pressure. 

In  the  field,  the  membrane  permeability  is  estimated  according  to  the  water  quality  available. 

There is a limitation since there is not a drinking water line available (see Figure 14a). The cleanest 

source available  is  the outlet of   the walnut shell  filter 2. This  water  is  not  in  optimal conditions 

neither  for  cleaning  nor  for  water  permeability  estimation  but  there  is  no  other  initial  water 

source.  The  quality  of   this  water  changes a  lot  as  it  can  be  as  bad  as  it  is  shown  in  Figure  14b, 

which is an extreme case seen in the at the beginning of  the experiments. 

(a)  (b) 

Figure 14. Quality of the water available in the field. (a) Drinking water, the color is due to a severe

oxidation of the pipelines. (b) Example of bad quality water from the walnut shell filter 2 (not all the

time was bad ).

The water flux was estimated as a function of  the TMP. The results are shown in the Figure 15. It 

can be seen how the flux  increases very fast by raising the pressure at  low TMPs. At higher TMP, 

the slope tends to settle. The results are clearer by looking the permeability in Figure 16. 

The  initial  permeability  changed  from  1550  to  4500  LMH/bar  at  the  lowest  TMP  evaluated. 

However,  it  rapidly  stabilizes  around  3000  LMH/bar  at  TMPs  higher  than  0.1  bar.  At  moderate 

TMP, a high

 recovery

 is

 achieved

 and

 the

 permeability

 tends

 to

 decrease.

 It

 is

 believed

 that

 this

 

effect is due to the quality of  the water that was coming from the walnut shell filter (OiW: 1 ppm 

and  TSS:  3.3  ppm,  this  average  information  was  provided  by  the  Latin‐American  treatment 

personal, at HOCOL). 

Despite the water quality, the results agree with the expected value of  3000 LMH/bar, reported by 

LiqTech3. 

3 LiqTech International A/S. CoMem Conduit  – OD146mm diameter Round Channels data sheet. 

Page 17: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 17/51

 

17 

Figure 15. Water permeability test using water from the walnut shell filter 2 (12/07/12).

Figure 16. Water permeability test using water from the walnut shell filter 2 (12/07/12).

0.00

100.00

200.00

300.00

400.00

500.00

600.00

700.00

800.00

900.00

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

    W   a    t   e   r    f    l   u   x    (    L    M    H    )

Transmembrane pressure (bar)

0.00

500.00

1000.00

1500.00

2000.00

2500.00

3000.00

3500.00

4000.00

4500.00

5000.00

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

    P   e   r   m   e   a    b    i    l    i    t   y    (    L    M    H     /    b   a   r    )

Transmembrane pressure (bar)

Field

Perm

Page 18: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 18/51

 

18 

3. Experimental evaluation point: Before the skimmingtanks

The test  in this evaluation point took place between the 11/07/2012 to 28/07/2012. This period 

included testing time and maintenance of  the pilot plant due to some unexpected situations. 

3.1. Characteristics of  the inlet  water – field information 

In the field, the oil  in water and total suspended solids are quantified twice per day. The average 

values during the testing days are shown in the following plots. The place where the inlet is taken 

is a point where the 3 shown streams are combined. 

Figure 17. Oil in water average concentration at the outlet of the oil recovery section. ST: Surge tank,

GB: Gun Barrel (Information provided by Latin-American treatment personal, at HOCOL)

It can be seen  in Figure 17 that the OiW outlet concentration of  the surge tank 1  is considerably 

higher  than  the  other  units.  The  surge  tank  2  manages  the  lowest  variance  and  the  Gun  barrel 

manages  lower  outlet  concentrations,  however  it  has  a  substantial  variance.  According  to  this 

record, heavy oil load has been received especially in the middle and at the end of  the experiment, 

the heaviest load has been seen during the period with continuous operation of  the pilot plant. 

0.00

100.00

200.00

300.00

400.00

500.00

600.00

700.00

    O    I    W

     (   p   p   m    )

ST 1

ST 2

GB

Page 19: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 19/51

 

19 

On  the  other  hand,  the  total  suspended  solids  concentrations  show  lower  variance  and  the 

concentrations are below 20ppm (see Figure 18). However, there is an atypical event at the end of  

the  test  where  there  is  a  tremendous  increase  in  the  TSS  concentration  (six  times  higher 

concentrations). This event took place during the continuous evaluation of  the operating point. 

It has to be mentioned that these concentrations are average of  two samples per day. Therefore, 

they do not really represent the variance that can be seen in the field, but give an overview of  the 

challenges faced during the experiments. 

Figure 18. Total suspended solids evolution in the lines at the outlet of the oil recovery section. ST:

Surge tank, GB: Gun Barrel. (Information provided by Latin-American treatment personal, at

HOCOL)

3.2. Preliminary tests – conventional ultrafiltration 

The purpose of  the first experiment was to provide a fast indication of  the fouling challenge in this 

evaluation  point.  The  idea  was  to  determine  the  sustainable  flux  during  conventional 

ultrafiltration. An  inspection of  this data would provide relevant  information about how  fast the 

flux  is  limited  by  irreversible  fouling.  At  the  same  time,  this  point  is  a  comparison  standard  to 

evaluate the efficiency of  the in situ cleaning strategies. 

The  ultrafiltration  test  has  shown  that  the  critical  flux  without  any  in  situ  cleaning  mechanism 

occur  at  relatively  low  TMP.  The  summary  of   the  results  are  shown  in  the  Table  1.  For  this 

experiment,  the  operating  and  relaxation  time  per  operating  point  were  60  and  30  minutes, 

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

120.00

140.00

    T    S    S    (   p   p   m    )

ST 1

ST 2

GB

Page 20: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 20/51

 

20 

respectively. The  permeate  flow  rate  increase was  initially  0.5 m3/h,  but  it was  decreased along 

the experiment. 

Table 1. Results from the conventional ultrafiltration operation mode.

Crossflow 

(m3/h) 

Critical TMP* 

(bar) 

Critical Flux  Average inlet concentration 

LMH  Permeate (m3/h)  TSS (ppm)  OiW (ppm) 

30  0.7  150  1.2  28.38  117.53 

*This TMP has been already affected by an initial irreversible fouling during the experiment 

From the preliminary results, it was evidenced that irreversible fouling is formed at relatively low 

TMPs and LMH.  It has been seen that completely unsustainable operation  is achieved already at 

170 LMH. These results have been influenced by the initial fouling generated by the quality of  the 

clean water available in the field (during the permeability test). 

From this experiment  it can be stated that there  is a need of  using the  in situ cleaning strategies 

for  this  application.  The  cleaning  frequency  should  be  moderate  in  order  to  avoid  irreversible 

fouling formation. 

3.3. Operating window identification - Operability investigation 

A  sequence  of   experiments  were  performed  in  order  to  determine  the  sustainable  operation 

conditions of   the plant according  to  the given water quality. The  initial  strategy was  to  emulate 

continuous operation by having around 500 L of  produced water in the feed tank and recirculating 

both  retentate  and  permeate  streams.  In  that  way,  it  was  expected  to  have  approximately 

constant inlet concentration for each experiment (the variation would be due to the accumulated 

material within the equipment). In this scenario, strong agitation and temperature regulation were 

provided. The first 3 tuning experiments were performed in this way. 

Nevertheless,  it was noticed that there was a considerable oil  inlet concentration decrease along 

the experiments (see Figure 21). This was mainly due to the oil tendency to stick to the feed tank 

surface  and  to  some  extend  within  the  equipment.  Therefore,  it  was  decided  to  perform  the 

remaining  tuning  experiments  using  a  continuous  feed  stream  to  the  feed  tank,  while  the 

retentate  and  permeate  where  disposed  out  of   the  system.  This  operation  mode  brought  new 

challenges due to the variance of  the inlet oil and suspended solid concentrations along the tuning 

experiments. Besides,

 it

 introduces

 the

 inlet

 concentrations

 as

 variables

 within

 the

 experimental

 

design. On the other hand, this strategy was advantageous due to the constant monitoring of  the 

inlet concentrations along the experiments, providing more  information about the system, which 

is relevant for the plant design and operation. 

Due  to  the  variable  quality  of   the  clean  water  used  for  washing  and  permeability  estimation 

between experiments, it was decided that as long as the water coming from the walnut shell filter 

2  showed  bad  aspect,  the  permeate  water  would  be  used  for  those  purposes.  This  water  was 

collected in one of  the 2000L tanks available. 

Page 21: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 21/51

 

21 

The  tuning  experiments  at  constant  flux  started  using  a  low  recovery  and  it  was  increased  step 

wise  between  experiments.  The  summary  of   the  operating  conditions  for  the  experiments  are 

shown in the Table 2. For the last experiment the constant TMP operating mode was tested. Only 

the results certified by ANTEK laboratory are reported. 

Table 2. Summary of the operating conditions for the tuning experiments. The experiments labels stand

for Dynamic Ultrafiltration (DUF). It is referred as dynamic due to the operation of the in situ cleaning

strategies.

Test*  Crossflow 

(auto) 

Feed pump 

(auto) 

Backpulse

(s) 

Backflush

(s) 

Permeate  Retentate 

04V04(%)  03V01(%)  03V02(%) 

DUF 1  30  29‐38  60  300  40‐90  100  100 

DUF 2  30  30‐50  60  300  60‐100  100  70‐100 

DUF 3  30  32‐56  60 300 100 60  60

DUF 4 

30 

28‐42

 60

 300

 80

‐100

 40

 50

 *DUF  – Dynamic Ultrafiltration 

As  an  example  of   the  results  obtained,  the  dynamic  behavior  of   the  3th  experiment  (DUF  3)  is 

shown  in  Figure  19  and  Figure  20.  It  can  be  seen  that  the  backpulse  and  backflush  operation 

disturb  the  system  having  the  noise  effect.  This  disturbance  is  rejected  by  the  constant  flux 

controller that manipulates the feed pump. From the flux values in the figure, the challenge of  the 

separation can be seen due to the low fluxes obtained from the beginning. 

Figure 19. Flux profile during the critical flux determination (DUF3)

0.00

50.00

100.00

150.00

200.00

250.00

300.00

350.00

400.00

13:55:12 15:07:12 16:19:12 17:31:12 18:43:12

    P   e   r

   m   e   a    t   e    f    l   u   x    (    L    M    H    )

Time (h:m:s)

Page 22: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 22/51

 

22 

Figure 20. TMP profile during the critical flux determination (DUF3)

The  summary  of   the  tuning  experiment  results  are  depicted  in  Table  3.  The  minimum  flux 

condition  is the starting point. The maximum  flux conditions correspond to the point where the 

maximum permeate flow was evaluated. 

Table 3. Summary of the tuning experiments before the skimming tanks. Values taken by inspectionfrom the display during operation, before the BPH.

Point Min. flux conditions  Maximum flux conditions 

Average inlet 

(ppm)* 

Initial 

PERM

** LMH  TMP  REC  PERM  LMH  TMP  REC PERM  OiW  TSS 

DUF 1  63  0.10  7  720  200  0.35  19  700  106.50  22.11  1860 

DUF 2  125  0.15  17  750  280  0.90  24  310  70.50  3.5  600 

DUF 3  175  0.60  33  310  276  1.55  28  172  74.32  7.25  1250 

DUF 4  150  0.55  40  260 435 0.95 62 435 65.39  4.07  1500

 * From our measurements 

** The variance in the initial permeability is highly correlated to the quality of  the cleaning water 

The results depicted  in Table 3 give the  range of  operating conditions achievable given the  inlet 

concentrations.  It can be seen that the operating window was extended for the last experiments, 

where  higher  TMPs  were  tested.  Despite  the  first  experiment  was  performed  using  the  highest 

average inlet concentrations, it has shown the best permeabilities. This result is expected since the 

membrane  was  new.  The  second  and  third  experiments  are  interesting  since  they  have  similar 

water  quality  in  oil  concentration  but  different  suspended  solids  concentration  (TSSDUF3  is  more 

than  2  times  TSSDUF2).  The  impact  in  the  permeability  is evident at  minimum  and  maximum  flux 

conditions;  there  is  a  reduction  around  50%  from  DUF2  to  DUF3.  This  effect  is  visible  in  the 

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

13:55:12 15:07:12 16:19:12 17:31:12 18:43:12

    T    M    P    (    b   a   r    )

Time (h:m:s)

Page 23: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 23/51

 

23 

maximum flux tested, where a much higher TMP is required in DUF3 to achieve basically the same 

flux.  It  has  to  be  accounted  for  that  during  DUF  3  the  inlet  concentration  decreased  along  the 

experiment while during DUF 4 it increases. 

The  last  experiment  showed  the  highest  flux  at  moderate  TMPs,  with  inlet  concentrations 

comparable to the second experiment. This is an indication that effect of  the suspended solids on 

the process does not depend entirely of  the concentration. 

The water quality during the tuning experiments  is shown Figure 21 and Figure 22. The data are 

certified  by  ANTEK  laboratory.  The  samples  1‐5  were  taken  the  20/07/2012  (DUF  3)  and  the 

remaining  samples  the  21/07/2012  (DUF  4).  According  to  the  data  reported  by  the  field,  the 

measured  inlet  OiW  concentrations  were  considerably  lower,  between  30%  and  65%  of   the 

average values reported by the field laboratory4. This confirms the variability of  the concentrations 

measured in

 the

 field,

 and

 why

 average

 concentrations

 do

 not

 entirely

 represent

 the

 system.

 

Figure 21. Oil in water concentration at the inlet and outlet of the pilot plant for the tuning experiments

For  the DUF  3 experiment,  it can be seen how  the OiW concentration decreases along  the  test. 

The situation that generated the change in the feed strategy, as mentioned previously (notice that 

the concentration  increases  in  DUF4). The  OiW  outlet concentration does  not necessarily  follow 

the trend in the inlet concentration in the evaluated flux conditions. From the reported values, all 

4 In the field, Latinametican chemical treatment also measures the concentrations along the process. 

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

    O    i    l    i   n   w   a    t   e   r   o   u    l    t   e    t    (   p   p   m    )

    O    i    l    i   n   w   a    t   e   r    i   n    l   e    t    (   p   p   m    )

Sample (1 hour difference)

DUF 3 ‐ inlet DUF 4 ‐ inlet DUF 3 ‐ oulet DUF 4 ‐ outlet

Page 24: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 24/51

 

24 

permeate water fulfill the required the target (max 5 ppm). The maximum outlet concentration is 

around 3 ppm. The oil removal from the inlet stream during the tuning experiments was between 

83.6 and 99.4%. 

Regarding the total suspended solids concentrations, there is no concentration decrease along the 

experiment DUF 3 (see Figure 22). Interestingly, the reduction in the TSS is seen when the feed is 

in continuous  mode  (DUF4).  For  both experiments,  the  inlet concentration  is between 3 and 10 

ppm.  The  TSS  concentrations  in  the  permeate  stream  are  very  low,  in  some  cases  below  the 

detectability of   the  instrument.  It  means  that  the equipment  is  not  able  to  distinguish  between 

distillated water and the permeate samples. The TSS removal during the tuning experiments was 

between  82.3%  and  100%.  Notice  that  the  82.3%  is  the  last  point  in  Figure  22,  and  does  not 

entirely represent the overall behavior, for all the other samples the TSS removal was above 95%. 

Some examples

 of 

 the

 water

 quality

 during

 DUF

 3 and

 DUF

 4 can

 be

 seen

 in

 Figure

 23.

 

Figure 22. Total suspended solids concentration at the inlet and outlet of the pilot plant for the tuning

experiments

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

    T   o    t   a    l   s   u   s   p   e   n    d   e   s

   s   o    l    i    d   s   o   u    t    l   e    t    (   p   p   m    )

    T   o    t   a    l   s   u   s   p   e   n    d   e    d   s   o    l    i    d   s    i   n    l   e    t    (   p   p   m    )

Sample (1 hour difference)

DUF 3

‐inlet DUF

 4

‐inlet DUF

 3

‐oulet DUF

 4

‐outlet

Page 25: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 25/51

 

25 

(a)  DUF 3  (b)  DUF 4 

Figure 23. Pictures of the inlet water and treated water during the tuning experiments

The  shown  flux  ranges  correspond  to  the  tested  values.  The  purpose  of   the  experiments  is  to 

determine a sustainable operation of  the  system. The precise  value  for  each  inlet concentration 

can  be  estimated  from  a  rigorous  analysis  of   the  experimental  data.  However,  a  qualitative 

inspection of  the data provides sufficient preliminary information in order to plan the continuous 

experiments.  From  the  analysis,  it  was  seen  that  the  sustainable  operation  was  in  the 

neighborhood 

of  

0.7 

to 

bar 

for 

the 

evaluated 

concentrations. 

Higher 

TMP´s 

would 

require 

considerable increase in the feed channels pressure in order to keep the constant permeate flux. 

3.4. Continuous operation 

The continuous operation of   the system was evaluated at  three different operating  times  (6, 12 

and 27 hours).  Besides, the system was operated at constant TMP. The biggest challenge for these 

experiments is to achieve stable operation given the disturbances in the inlet concentrations. This 

issue is particularly difficult to handle due to the frequency and amplitude of  the disturbances. 

A  summary  of   the  pilot  plant  inputs  is  shown  in  the  Table  4.  Taking  advantage  of   the  longer 

operation 

time, 

the 

influence 

of  

different 

crossflow, 

backpulse 

frequency 

and 

recovery 

values 

were tested. In other situations the recovery was manipulated in order to increase productivity or 

handle disturbances. 

Page 26: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 26/51

 

26 

Table 4. Summary of the operating conditions for the continuous operation of the treatment before the

skimming tanks.

Test Crossflow

 

(auto) 

Feed pump

 

(manual) 

Backpulse 

(s) 

Backflush

(s) 

Permeate 

Retentate 

04V04(%) 03V01

(%) 

03V02

(%) 

CDUF 2‐ 6h  30  35‐40  60‐90  300  100  40  45 

CDUF 4‐ 12h  30‐35  30‐32  60‐120  300  100  55‐60  55‐60 

CDUF 5‐ 27h  30‐40  30‐35  60‐90  300  100  40‐70  45‐70 

For  the  continuous  operation,  the  results  are  shown  in  table  5.  Different  exogenous  events 

affected the length of  the experiments. First of  all, it can be noticed that the inlet concentrations 

are substantially higher than during the tuning experiments. Despite of  this situation, the obtained 

fluxes are

 within

 the

 expected

 values.

 During

 the

 experiment

 CDUF

 4,

 there

 was

 a problem

 with

 a 

valve  in the  retentate  line that  forced a shut down. The operation was  recovered after 2 hours. 

This prolonged shut down had a negative effect in the plant performance.  In the  last continuous 

experiment (CDUF 5) there was an atypical situation that generated an unsustainable condition. 

Since the last continuous experiment is the most interesting, it will be discussed further. 

Table 5. Summary of the continuous experiments before the skimming tanks

Point Minimum flux conditions  Maximum flux conditions 

Average inlet 

(ppm) Initial 

PERM* 

LMH 

TMP 

REC 

PERM LMH TMP REC PERM OiW 

TSS CDUF 2  185  0.70  51  250  495  0.95  81  540  221.20  7.33  1200 

CDUF 4  135  0.70  35  190  370  0.35  54  925  722.56  16.74  484 

CDUF 5  200  0.65  63  280  610  0.60  87  1000  367.91  13.14  2400 

* The variance in the initial permeability is highly correlated to the quality of  the cleaning water 

The operation of  the CDUF 5  is shown  in Figure 24 and Figure 25.  Initially a conservative TMP of  

0.4 bar was used, obtaining stable operation for approx 9 hours at an average of  490 LMH with a 

recovery of  70%. This was possible due to the quality of  the inlet water. Later, the TMP was slightly 

raised further  increasing the flux and the recovery. At this point, 5 hours of  stable operation was 

achieved at 0.55 bar with 590 LMH and 80% recovery. This operation window represents the best 

evaluated case.

 

At 10:00 am, there was a material recirculation  from the sludge treatment plant trough the  line 

used for the feed. This material  is characterized by high OiW and TSS content, beyond the  limits 

managed  in the produced water treatment plant. The  impacts of  this event are clear on the  flux 

and  permeate  quality.  In order  to  evaluate  the  plant  performance  without  chemical  cleaning,  it 

was  decided  to  continue  the  experiment.  Nine  hours  after  the  incident,  the  flux  had  decreased 

more than 50% and reached a new stationary operation point at 240 LMH. 

Page 27: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 27/51

 

27 

Figure 24. Flux profile during the continuous experiment CDUF 5

Figure 25. TMP profile during the continuous experiment CDUF 5

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

19:54:46 00:42:46 05:30:46 10:18:46 15:06:46 19:54:46

    F    l   u   x    (    L    M    H    )

Time (h:m:s)

‐1

‐0.5

0

0.5

1

1.5

19:54:46 00:42:46 05:30:46 10:18:46 15:06:46 19:54:46    T    M    P    (    b   a   r    )

Time (h:m:s)

Page 28: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 28/51

 

28 

The OiW concentration behavior during the continuous tests  is depicted  in Figure 26. Comparing 

the  inlet  concentrations  with  the  average  values  reported  by  the  field  laboratory,  there  are  big 

differences  (between  40  and  60%,  only  in  the  average  values,  see  Figure  17).  Evidently,  the 

difference at certain points  is even higher with the actual concentration being up to 5 times the 

average.  These  concentrations  are  considerably  higher  than  the  values  used  for  the  equipment 

tuning.  Meaning  that  during  some  periods  the  pilot  plant  was  operated  at  higher  TMP´s  than 

recommended. As a consequence, some oil was able to pass through the membrane. This effect 

can be seen along the continuous experiments and it is critical in CDUF 5 after the incident, where 

the  amount  of   oil  in  the  permeate  stream  is  far  beyond  the  desired  value.  Despite  the  plant 

achieved  a  new  stationary  operation  point,  the  permeate  water  quality  indicates  that  the 

membrane was saturated with oil. The OiW removal is between 67.4% and 99.5% for most of  the 

data, with atypical values of  23.4 and 53.4% after the incident in CDUF 5. 

The non

 satisfactory

 OiW

 concentration

 in

 the

 treated

 water

 was

 also

 influenced

 by

 some

 non

 

complete  recovery  of   the  water  permeability  between  experiments.  Due  to  time  constraints,  it 

was decided to continue the experiments being aware of  the possible consequences. 

Figure 26. Oil in water concentration at the inlet and outlet of the pilot plant for the continuous

operation

0

50

100

150

200

250

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 5 10 15 20 25

    O    i    l    i   n   w   a    t   e   r   o   u    t    l   e    t    (   p   p   m    )

    O    i    l    i   n   w   a    t   e   r    i   n    l   e    t    (   p   p   m    )

Sample

CDUF 2

‐inlet CDUF

 4

‐inlet CDUF

 5

‐inlet

CDUF 2 ‐ outlet CDUF 4 ‐ outlet CDUF 5 ‐ outlet

Page 29: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 29/51

 

29 

Figure 27. Total suspended solids concentration at the inlet and outlet of the pilot plant for the

continuous operation

In  Figure  27,  the  suspended  solid  concentrations  during  the  continuous  operation  are  shown. 

These  values  are  similar  to  the  average  values  reported  by  the  field  laboratory  (see  Figure  18). 

Operation at higher TMP’s does not have a significant effect in the concentration in the permeate 

TSS  concentration,  due  to  the  incompressible  nature  of   the  suspended  solids.  Despite  the 

concentration  picks,  the  TSS  concentrations  in  the  treated  water  are  kept  below  2  ppm.  The 

suspended solid removal during the continuous experiments is between 92.5 and 100%. 

Some  pictures  of   the  continuous  experiments  are  shown  in  Figure  28.  In  the  Figure  28(b),  the 

operation  was  satisfactory  and  the  quality  evident.  In  Figure  28(c),  the  difference  between  the 

expected feed water and the recirculated sludge can be seen. Due to the low residence time in the 

machine the effect in the permeate quality is immediate. After the incident, the water looks like in 

Figure 28 (d). 

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15 20 25

    T   o    t   a    l   s   u   s   p   e   n    d   e    d   s   o    l    i    d   s   o   u    t    l   e    t    (   p   p   m    )

    T   o    t   a    l   s   u   s   p   e   n    d   e    d   s   o    l    i    d   s    i   n    l   e    t    (   p   p

   m    )

Sample

CDUF 2 ‐ inlet CDUF 4 ‐ inlet CDUF 5 ‐ inlet

CDUF 2 ‐ outlet CDUF 4 ‐ outlet CDUF 5 ‐ outlet

Page 30: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 30/51

 

30 

(a)  CDUF 2 – satisfactory performance (b)  CDUF 5 – satisfactory performance

 

(c)  CDUF 5 – incident time (left the sludge fed) (d)  CDUF 5 – after incident 

Figure 28. Pictures of the inlet water and treated water during the continuous experiments

2.5 Conclusions 

From this first testing it can be concluded: 

  From the laboratory analysis of  the average inlet water characteristics, it can be seen that 

there  is  considerable  variance  from  day  to  day,  where  the  concentration  can  easily 

increase more than 100% 

  The need of  the  in situ cleaning strategies  is evident,  since  the sustainable  fluxes where 

increased more than 3 times (depending on the inlet concentration and nature). 

Page 31: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 31/51

 

31 

  The  tuning  experiments  showed  a  preliminary  indication  that  the  concentration  and 

nature of  the suspended solids  in this field can be a  limiting flux factor, since duplicating 

the TSS had a significant effect in the TMP necessary to obtain the same flux. This result is 

also influenced by the slope in the inlet concentration. There is a considerable variance in 

the nature of  the treated water since it comes from several oil wells in the area. 

  The qualitative analysis of  the obtained data indicated that the best sustainable operation 

can be achieved with TMP´s between 0.7 and 1 bar. 

  The  tuning  experiments  showed  that  the  OiW  and  TSS  target  concentrations  where 

achieved, not higher than 5 ppm. The oil and TSS removal were up to 99.4 % and 100%, 

respectively. 

  During  the  continuous  operation  of   the  plant,  large  disturbances  were  evidenced  in  the 

feed concentration, even atypical situations. These variables have a significant influence in 

the plant performance, implying a significant reduction in the flux. Despite new stationary 

operating  points  were  achieved;  the  oil  content  in  the  water  indicated  the  need  of   a 

premature chemical cleaning. The accidental recirculation of  the sludge is the worst water 

in the field to treat, and still good oil and TSS removal were achieved  (up to 99.5 % and 

100%, respectively). The recommended operating conditions are 30‐40 m3/h of  crossflow, 

60 s of  backpulse frequency and 300 s of  backflush. These results indicate how important 

is to monitor the inlet concentrations in order to have an appropriate plant operation. It is 

relevant  to  notice  that  the  OiW  and  TSS  loads  during  the  tuning  experiments  were 

considerably lower than during the continuous operation. Therefore, it  is expected that a 

longer  trial  time  would  provide  the  necessary  information  for  an  improved  plant 

operation. 

  In  an  industrial  scale,  the  plant  operation  can  be  adapted  to  handle  the  concentration 

peaks.  One  option  is  to  reduce  the  plant  productivity  (lower  TMP)  during  abnormal 

conditions.  It  is  expected  that  using  this  strategy  the  plant  can  operate  longer  time 

avoiding a premature chemical cleaning. The alternative is to have a flexible stages design 

that allows modifying the plant configuration to guarantee the permeate quality. Both of  

these strategies would require continues measurement of  OiW content. 

Page 32: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 32/51

 

32 

4. Experimental evaluation point: After the skimmingtanks

The test in this evaluation point took place between the 30/07/2012 to 03/08/2012. 

4.1. Characteristics of  the inlet  water – field information 

In the field, the oil  in water and total suspended solids are quantified twice per day. The average 

values during the testing days are shown in the following plots. The place where the inlet is taken 

is a point where the outlet of  the 2 skimming tanks is combined. 

Figure 29. Oil in water concentration at the outlet of the oil recovery section. SK: Skimming tank

(Information provided by Latin-American treatment personal, at HOCOL)

In  contrast  to  the  previous  feed  point,  the  variance  in  the  inlet  concentration  is  not  that  high. 

There is only one pick the 31st of  July during the tuning experiments. The two skimmers behaved 

similarly. The average concentration at the inlet of  the skimming tanks in those days was between 

200 ppm and 400 ppm, the skimming tanks were able to remove around 85% of  the oil. 

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

90.00

    O    I    W

     (   p   p   m    )

SK 1

SK 2

Page 33: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 33/51

 

33 

Figure 30. Total suspended solids concentration at the outlet of the Skimming tanks. SK: Skimming

tanks. (Information provided by Latin-American treatment personal, at HOCOL)

The TSS concentration follows the behavior of  the OiW. The variance  is moderated having a pick 

the 31st of  July as well. The purpose of  the skimming tanks  is to recover the remaining oil  in the 

water. However, part of  the suspended solids is removed too. In these days, approximately 60% of  

the solids were removed with the oil. According to the current understanding of  the nature of  the 

suspended  solids  by  the  people  in  the  field,  parts  of   the  suspended  solids  are  hydrocarbons  of  

interest (soluble in xylene) and are supposed to be recovered in the skimmers. 

4.2. Operating window identification - Operability investigation 

The experiments were carried out using a constant feed coming from the skimming tanks and at 

constant permeate operation mode. The water for washing and permeability estimation was taken 

from the walnut shell filter 2. During this part of  the experiment, the water quality from the filter 

was exceptionally good (below 1 ppm OiW/TSS). Once again, the tuning experiments started using 

a low recovery and it was increased step wise between experiments. 

The operating conditions for the tuning experiments are shown in Table 6. 

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

    T    S    S    (   p   p   m    )

SK 1

SK 2

Page 34: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 34/51

 

34 

Table 6. Summary of the operating conditions for the tuning experiments

Test  Crossflow 

(auto) 

Feed pump 

(auto) 

Backpulse

(s) 

Backflush

(s) 

Permeate  Retentate 

04V04(%) 

03V01(%) 

03V02(%) 

DUF 1  30  28‐38  90  300  100  70‐80  70‐80 

DUF 2  30  29‐50  90  300  55‐90  50‐60  50‐60 

DUF 3  30  28‐58  90  300  60‐100  40  40 

As  an  example  of   the  results  obtained,  the  dynamic  behavior  of   the  3rd  experiment  (DUF  3)  is 

shown in Figure 31. 

Figure 31. Flux and TMP profile during the critical flux determination

It can be seen that  for  the given  inlet concentration of   the  last  tuning experiment, higher  fluxes 

are achievable compared to the previous feed point and the noise is reduced.  The summary of  the 

results for the tuning experiments are depicted in Table 7. 

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

17:45:36 18:28:48 19:12:00 19:55:12 20:38:24 21:21:36 22:04:48

    T    M    P    (    b   a   r    )

    F    l   u   x    (    L    M    H    )

Time (h:m:s)

LMH TMP

Page 35: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 35/51

 

35 

Table 7. Summary of the tuning experiments before the skimming tanks. Values taken by inspection

from the display during operation before de BPH

Point 

Minimum flux conditions  Maximum flux conditions Average inlet 

(ppm) 

Initial 

PERM* LMH  TMP  REC  PERM  LMH  TMP  REC PERM  OiW  TSS 

DUF 1  250  0.2  31  1250  501  0.35  46  1200  8.30  3.17  1700 

DUF 2  250  0.15  40  1300  692  0.95  71  767  38.58  6.02  1300 

DUF 3  315  0.15  74  1600  816  1.65  85  490  22.23  3.21  2400 

* The variance in the initial permeability is highly correlated to the quality of  the cleaning water 

From  the  table  can,  it  be  seen  that  the  initial  and  final  fluxes  where  increased  as  well  as  the 

recovery between experiments. High permeabilities are evidenced at minimum flux conditions, a 

situation  that  changes  for  the  maximum  flux  conditions.  Considering  the  reduced  OiW  and  TSS 

load in

 the

 feed,

 the

 fluxes

 do

 not

 increase

 in

 the

 same

 ratio.

 Comparing

 the

 fluxes

 from

 DUF

 2 

and  DUF  3  at  similar  TMPs,  the  results  are  comparable  despite  the  differences  in  the  inlet 

concentrations (results not shown in the table). The last tuning experiment has shown the highest 

flux  and  recovery  (816  LMH  and  85%,  respectively).  The  influence  of   the  OiW  and  TSS 

concentrations is not clearly visible from the results. 

The water quality during the tuning experiments is shown in Figure 32 and Figure 33. The data 1‐5 

were  taken  the  30/07/2012  (DUF  1),  6‐13  taken  the  31/07/2012  (DUF  2)  and  14‐22  taken  the 

1/08/2012 (DUF 3). 

Figure 32. Oil in water concentration at the inlet and outlet of the pilot plant for the tuning experiments 

0

1

2

3

4

5

6

7

8

910

0

10

20

30

40

50

60

70

0 5 10 15 20 25

    O    i    l    i   n   w   a    t   e   r   o   u    t    l   e    t    (   p   p   m    )

    O    i    l    i   n   w   a    t   e   r    i   n    l   e    t    (   p   p   m    )

Sample 

DUF 1 ‐ inlet DUF 2 ‐ inlet DUF 3 ‐ inlet

DUF 1 ‐ outlet DUF 2 ‐ outlet DUF 3 ‐ outlet

Page 36: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 36/51

 

36 

Comparing  the  average  oil  concentration  measured  during  the  experiments  (Table  7)  and  the 

values reported by the  laboratory in the field (Figure 29), our values are between 50% and 100% 

higher.  There  is  not  a  clear  trend  in  the  OiW  inlet  concentrations.  Regarding  the  outlet 

concentration, there is only one value that is slightly above the desired limit. The oil removal from 

the inlet stream during the tuning experiments was between 55.8 and 100%, but the lowest is an 

atypical data since most of  them are above 95%. 

Figure 33. Total suspended solids concentration at the inlet and outlet of the pilot plant for the tuning

experiments

The  suspended  solid  concentrations  are  more  in  accordance  with  the  values  reported  by  the 

laboratory in the field, where the biggest difference is 21%. The TSS removal from this inlet stream 

is considerable superior compared to the previous feed point, achieving between 91.2% and 100%. 

The remarkable low concentrations in the treated water has to be highlighted, in several cases the 

removal was 100%. Some examples of  the water quality during DUF 2 and DUF 3 can be seen  in 

Figure 33.

 

From the  inspection of  the tuning results,  it  is expected to have the sustainable operation using 

TMPs between 0.8 and 1 bar. Pictures of  the treated water can be seen in Figure 34. 

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 5 10 15 20 25

    T    S    S   o   u    l   e    t    (   p   p   m    )

    T    S    S    i   n    l   e    t

    (   p   p   m    )

Sample 

DUF 1 ‐ inlet DUF 2 ‐ inlet DUF 3 ‐ inlet

DUF 1

‐outlet DUF

 2

‐outlet DUF

 3

‐outlet

Page 37: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 37/51

 

37 

(a)  DUF 2  (b)  DUF 3 

Figure 34. Pictures of the inlet water and treated water during the tuning experiments

4.3. Continuous operation 

The continuous operation of  the system was evaluated for 26 hours without a chemical cleaning. 

The  system  was  operated  at  constant  TMP.  The  biggest  challenge  is  still  to  achieve  stable 

operation given

 the

 disturbances

 in

 the

 inlet

 concentrations.

 A

 summary

 of 

 the

 pilot

 plant

 inputs

 is

 

shown in the Table 8. 

Table 8. Summary of the operating conditions for the continuous operation of the treatment after the

skimming tanks. 

Test Crossflow 

(auto) 

Feed pump 

(manual) 

Backpulse 

(s) 

Backflush

(s) 

Permeate  Retentate 

04V04(%) 03V01

(%) 

03V02

(%)

CDUF 26 h  30‐40  28‐45  60‐90  300  80‐90  40‐50  40‐50 

For the

 continuous

 operation,

 the

 results

 are

 shown

 in

 Table

 9 and

 data

 shown

 in

 Figure

 35

 and

 

Figure 36. Only one point  is evaluated due  to  time constraints. When  the experiment started, a 

moderate TMP was chosen to start with. Based on the tuning experiments it should provide a flux 

of   approximately  500  LMH.  The  initial  flux  was  around  400  LMH  which  declined  with  time  and 

achieved stable operation at around 340 LMH after 5 hours of  operation. This flux was maintained 

all  night  slightly  increasing  the  TMP.  After  19  hour  of   operation,  it  is  decided  to  operate  at 

constant  flux  conditions  with  a  target  of   440  LMH.  The  system  achieved  a  new  stationary 

operating point at a TMP of  1.2 bar. The sustainable flux was very similar to the fluxes obtained for 

the  previous  feed  point.  However,  the  operation  in  this  point  was  more  stable  and  potentially 

Page 38: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 38/51

 

38 

longer  operating  time  between  chemical  cleanings,  specially  using  the  constant  permeate 

operating mode. 

Table 9. Summary of the continuous experiments after the skimming tanks

Operating 

point 

Minimum flux conditions  Maximum flux conditions  Average inlet (ppm)  Initial 

PERM* LMH  TMP  REC  PERM  LMH  TMP  REC PERM  OiW  TSS 

CDUF 26h  310  0.6  63  490  440  1.2  68  390  20.36  2.86  1700 

* The variance in the initial permeability is highly correlated to the quality of  the cleaning water 

Figure 35. Flux profile during the continuous experiment CDUF 26h

0

100

200

300

400

500

600

700

800

13:55:12 18:43:12 23:31:12 04:19:12 09:07:12 13:55:12

    F    l   u   x    (    L    M    H    )

Time (h:m:s)

Page 39: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 39/51

 

39 

Figure 36. TMP profile during the continuous experiment CDUF 26h

The water quality during the continuous experiment is shown in Figure 37 and Figure 38. 

Figure 37. Oil in water concentration at the inlet and outlet of the pilot plant for the continuous

operation 

‐0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

13:55:12 18:43:12 23:31:12 04:19:12 09:07:12 13:55:12

    T    M    P    (    b   a   r    )

Time (h:m:s)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 2 4 6 8 10 12

    O    i    l    i   n   w   a    t   e   r   o   u    t    l   e    t    (   p   p   m    )

    O    i    l    i   n   w   a    t   e   r    i   n    l   e    t    (   p   p   m    )

Sample 

CDUF 1 ‐ inlet CDUF 1 ‐ outlet

Page 40: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 40/51

 

40 

It can  be  seen  in Figure  37  that  at  the  beginning of   the  experiment  the OiW  concentration  was 

rather  constant  for  18  hours.  Only  at  the  end  there  was  a  considerable  increase  in  the 

concentration.  Despite this moderate variation, the OiW content  in the treated water was kept 

below 1 ppm.  The oil removal was between 96.3% and 100%. 

Figure 38. Total suspended solids concentration at the inlet and outlet of the pilot plant for the

continuous operation

The suspended solids  inlet concentration was stable at the beginning of  the experiment whereas 

some disturbances appeared  towards  the end. The TSS removal was 100%  in most of  the cases, 

only one point showed a lower removal (96.4 %). Some pictures of  the continuous operation of  the 

plant are depicted in Figure 39. 

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

0 2 4 6 8 10 12

    T   o    t   a    l

   s   u   s   p   e   n    d   e    d   s   o    l    i    d   s    (   p   p   m    )

    T   o    t   a    l

   s   u   s   p   e   n    d   e    d   s   o    l    i    d   s    (   p   p   m    )

Sample 

CDUF 1 ‐ inlet CDUF 1 ‐ outlet

Page 41: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 41/51

 

41 

(a)  OiW content  (b) Suspended solids 

Figure 39. Pictures of the inlet water and treated water during the tuning experiments

4.4 Conclusions 

From this first testing it can be concluded: 

  From the laboratory analysis of  the average inlet water characteristics, it can be seen that 

there is

 considerable

 variance

 from

 day

 to

 day,

 where

 the

 concentration

 can

 easily

 amplify

 

several times (eight for OiW and two for TSS). 

  The  tuning  experiments  of   the  second  sampling  point  (after  skimming  tanks)  showed 

improvements  in  the  maximum  flux  compared  to  the  first  feed  point  evaluated  (before 

skimming  tanks),  around  30%.  However,  this  result  is  not  linearly  correlated  with  the 

changes in the inlet concentrations for both points. 

  The qualitative analysis of  the obtained data indicated that the best sustainable operation 

can be achieved with TMP´s between 0.8 and 1 bar. 

  The  tuning  experiments  shown  that  the  OiW  and  TSS  target  concentrations  where 

achieved, not higher than 5 ppm. The oil and TSS removal were up to 100%. 

  During  the continuous operation of   the plant, moderate disturbances were evidenced  in 

the  feed  concentration.  Stationary  operation  was  achieved  at  moderate  flux  conditions 

first 340 LMH and later 440 LMH, using 30 m3/h cross flow, a backpulse frequency of  60 s, 

a backflush  frequency of  300  s. At this  feed point,  it  is not  that  relevant  to monitor  the 

inlet  concentration,  since  the  Skimming  tanks  act  storage  tanks  that  buffer  the  inlet 

disturbances.  During  the  continuous  operation,  the  OiW  and  TSS  target  were  achieved 

(concentration below 5 ppm). From the tuning experiments  it  is expected to have better 

fluxes. 

Page 42: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 42/51

 

42 

5. Cleaning in place evaluation

The 

cleaning 

strategy 

was 

evaluated 

through 

the 

water 

permeability 

evaluation. 

The 

results 

of  

the 

experiments are depicted in Figure 40. The  initial water permeability of  the membrane was 2800 

LMH/bar  at  a  TMP=  0.2  bar  and  using  a  cross  flow  of   30  m3/h.  The  fouling  load  in  each  of   the 

experiments was different mainly due to changes  in  inlet concentrations, cleaning water quality, 

TMP, recovery and operation time. Initially the cleaning strategy consisted of  one washing cycle: 

1.  Flushing with water 

2.  Alkaline cleaning: 30 min with 1% NaOH, 50 m3/h crossflow 

3.  Flushing with water 

4.  Acid cleaning: 30 min with 1% Oxalic acid, 50 m3/h crossflow 

5.  Flushing with water 

Figure 40. Flux recovery after chemical cleaning. The initial water permeability was 2800 LMH/bar.

One  cleaning  cycle  was  enough  during  the  first  operation  days.  However,  a  loss  of   cleaning 

efficiency was evidenced the 14/07/2012 and 21/07/2012. The 21/07/2012, was decided to use 2 

washing cycles in order to recover the water permeability. It is acceptable to have a flux recovery 

above 70%.  After the continuous tests performed on the 24/07/2012,  it was difficult to recover 

permeability,  even  after  the  2  washing  cycles.  However,  the  desired  permeability  was  restored 

after  the  26/07/2012.  Those  dates  correspond  to  the  second  sampling  point  (after  skimming 

tanks).  It  can  be  concluded  that  the  type  of   fouling  evidenced  in  the  field  is  reversible  to  the 

desired point in most of  the cases. 

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

80.0

90.0

100.0

    R   e   c   o   v   e   r   y    (    %    )

Page 43: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 43/51

 

43 

6. Final remarks

Evaluation point  before skimming tanks: 

5.1.1 Inlet water quality 

  Variance in the inlet water quality: high 

  Variance in the outlet water quality: low 

5.1.2 Operability 

  Monitoring level required: significant 

  Changes in the operating conditions: significant 

  Chemical cleaning frequency: largely depends on the atypical events faced during continuous 

operation 

  Longer operation might show other operation challenges (i.e. scaling and irreversible fouling) 

5.1.3 Other aspects 

  Technical  feasibility:  it  is  recommended  to  include  a  buffer  tank  to  assist  the  membrane 

operation. 

  Membranes  arrangement:  parallel/series  configuration  with  multiple  membrane  housings 

could be exploited 

Evaluation point  after the skimming tanks: 

5.2.1 Inlet water quality 

  Variance in the inlet water quality: moderate 

  Variance in the outlet water quality: negligible 

5.2.2 Operability 

  Monitoring level

 required:

 low

 

  Changes in the operating conditions: low 

  Chemical  cleaning  frequency:  considerable  lower  than  in  the  first  evaluation  point.  The 

appropriate frequency can be estimated from and OPEX analysis 

5.2.3 Other aspects 

  Technical feasibility: high 

  Membranes arrangement: parallel/series configuration could be exploited 

Page 44: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 44/51

 

44 

7. Future challenges

  It  is  important  to  understand  further  the  characteristics  of   the  feed  streams,  not  only 

concentrations. This information is not only relevant for the operation but to improve the 

cleaning strategies. 

  The  methodology  used  for  the  determination  of   the  operative  window  is  impaired  by 

fluctuations  in  the  inlet  concentrations,  making  the  estimation  of   the  sustainable 

operation more difficult. Further developments in the tuning strategy are needed. 

  The variance in the inlet concentration is probably the biggest obstacle to tune the system 

and  to  operate  in  continuous.  Monitoring  of   the  inlet  concentration  is  relevant  for  the 

appropriate operation. 

 In

 

the 

field 

there 

are 

interactions 

between 

the 

pilot 

plant 

and 

the 

existing 

installations 

at 

industrial scale. Further electric protection for the system can avoid damage. 

  There  is a  lack of  understanding of  the  interactions between the added chemicals  in the 

actual  treatment  and  the  membrane.  Besides,  the  interactions  between  the  acid  and 

alkaline solutions and the chemicals added. These topics remain for investigation. 

Page 45: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 45/51

 

45 

8. Appendix: Critical flux estimation

The 

critical 

flux 

was 

estimated 

using 

two 

different 

methodologies 

described 

in 

literature

5

referred 

to  as  average  pressure  and  fouling  rate  methods.  Details  of   the  methods  can  be  found  in  the 

mentioned  paper.  According  to  the  employed  methodology  during  the  experiments,  the  flux  is 

increased  step  wise  aiming  to  find  where  the  production  becomes  unsustainable  for  the  given 

input  water  quality.  As  mentioned  extensively  along  the  report,  the  variance  in  the  inlet 

concentration is the biggest obstacle to determine the critical flux. Therefore, it is better to aim for 

identification of  the critical flux window for each of  the evaluated test points. 

The  critical  flux  is  estimated  using  two  different  methods.  Additionally,  the  step  up‐down  test 

allows identifying when the irreversible fouling starts forming. Small description of  the methods is 

presented bellow. 

a)  Average pressure: this method evaluates the average TMP against the average flux along 

the  experiment.  The  critical  flux  is  determined  by  the  deviation  from  linearity,  meaning 

the presence of  a maximum flux. 

b)  Fouling  rate  method:  this method evaluates  the  fouling  rate  (dP/dt)  against  the average 

flux  along  the  experiment.  The  critical  flux  is  determined  for  a  notable  increase  in  the 

fouling rate by increasing the flux. 

c)  Irreversible fouling:  it should be understood as the onset of  the  irreversible fouling. This 

method evaluates the difference TMP for the same flux level steps. When fouling starts to 

get irreversible, the TMP cannot be restored when moving from the next step due to the 

higher flux

 in

 between.

 

It should be mentioned that not all the experiments behave as in the ideal case. It is believed that 

the concentration changes along the experiments are the main reason. 

8.1 Evaluation before the skimming tanks 

For  this  test  point,  there  are  four  tuning  experiments.  The  first  one  does  not  use  the  in  situ 

cleaning strategies, so it is called conventional ultrafiltration (CUF). The remaining experiments use 

the  backpulse  and  backflush,  so  they  are  referred  to  as  dynamic  ultrafiltration  (DUF).  Good 

examples of  the obtained plots are shown in Figure 41 and Figure 42. A summary of  the results for 

all experiments

 are

 shown

 in

 Table

 10.

 

5 Beier, S.P. and Jonsson, G. Critical Flux Determination by Fux Stepping. AIChE Journal 56(7). 1739‐1747. 

Page 46: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 46/51

 

46 

Figure 41. Average pressure method for critical flux estimation. Results of experiment DUF4 (Critical

flux at 0.8 bar)

Figure 42. Fouling rate method results for critical flux estimation. Results from CUF experiment

(Critical flux 150 LMH)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0.72 0.74 0.76 0.78 0.80 0.82 0.84 0.86

    A   v   e   r   a   g   e    f    l   u   x    (    L    M    H    )

Average TMP (bar)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

    d    P     /    d    t    (    b   a   r     /    h    )

Flux (LMH)

Page 47: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 47/51

 

47 

Table 10. Critical flux estimation from the tuning experiments before the skimming tanks.

Experiment 

Critical flux 

Method (Avg P) 

Critical flux 

Method (dP/dt) Irreversible 

fouling flux 

(LMH) Flux 

(MLH)TMP

 

(bar) dP/dt

 

(bar/h)Flux

 

(MLH)TMP

 

(bar)dP/dt

 

(bar/h) 

CUF  187.5  0.54  15.63  150  0.65  1.96  150.00 

DUF 1*  186.5  0.24  2.09  186.5  0.24  2.09  155.69 

DUF 2*  240.23  0.69  2.05  240.23  0.69  2.05  182.30 

DUF 3  218.56  0.95  6.53  205.03  0.97  26.21  170.84 

DUF 4  352.41  0.80  0.72  352.41  0.80  0.72  341.61 

* Critical flux not achieved, then maximum value depicted 

Due  to  time constraints  performing  the experiment,  the  critical  flux  is  not  achieved  in all  cases. 

However, the information gathered was used in the following experiments. It can be seen in Table 

10, that

 the

 critical

 flux

 was

 not

 achieved

 in

 DUF1

 and

 DUF2.

 Therefore,

 the

 maximum

 evaluated

 

flux is shown. The results are presented in Figure 43 and Figure 44. 

Figure 43. Critical flux from the tuning experiments before the skimming tanks

Only  for  the  conventional  ultrafiltration,  both  methods  gave  considerable  different  results 

(approx. 25%). From the experiments, it can be seen that the critical flux lies between 200 and 350 

LMH.  This  range  is  broad  and  totally  depends  on  the  concentrations  given  during  the  tuning 

experiments.  For  this  reason,  the  operating  TMP  is  considered  as  a  better  way  to  delimit  the 

operating  window  since  the  operation  mode  is  constant  TMP.  In  Figure  44,  the  critical  TMP 

Avg. P

dP/dt0

50

100

150

200

250

300

350

400

CUFDUF 1

DUF 2DUF 3

DUF 4

    C   r    i    t    i   c   a    l    f    l   u   x    (    L    M    H    )

Experiment

Page 48: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 48/51

 

48 

window  can  be  identified between  0.7 and  1 bar. This  confirms  the conclusions obtained  in  the 

field for this testing point. 

In most

 of 

 the

 cases

 the

 onset

 of 

 the

 irreversible

 fouling

 formation

 is

 lower

 than

 the

 critical

 flux

 

(see Table 10). For that reason, the continuous experiments were performed using a conservative 

TMP and sustainable operation was achieved due to the in situ cleaning strategies. 

Figure 44. Critical TMP from the tuning experiments before the skimming tanks

8.2 Evaluation after the skimming tanks 

For the test after the skimming tanks, there are three tuning experiments. All the experiments use 

the backpulse and backflush, and referred to as dynamic ultrafiltration (DUF).  Good examples of  

the  obtained  plots  are  depicted  in  Figure  45  and  Figure  46.  The  summary  of   the  results  of   all 

experiments are shown in Table 11. 

Table 11. Critical flux estimation from the tuning experiments after the skimming tanks

Experiment 

Critical flux 

Method (Avg P) 

Critical flux 

Method (dP/dt) Irreversible 

fouling flux 

(LMH) Flux 

(MLH) 

TMP 

(bar) 

dP/dt 

(bar/h) 

Flux 

(MLH) 

TMP 

(bar) 

dP/dt 

(bar/h) 

DUF 1*  405.03  0.32 ‐0.14  405.03  0.32 ‐0.14  N/A 

DUF 2*  573.24 0.69  1.94 573.24 0.69 1.94  486.32

DUF 3  703.28  1.24  11.25  600.97  0.88  1.97  536.87 

* Critical flux not achieved, then maximum value depicted 

Avg. P

dP/dt0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

CUFDUF 1*

DUF 2*DUF 3

DUF 4

    C   r    i    t    i   c   a    l    T    M    P

    (    b   a   r    )

Experiment

Page 49: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 49/51

 

49 

Figure 45. Average pressure method for critical flux estimation. Results of experiment DUF3 (Critical

flux at 1.24 bar)

Figure 46. Fouling rate method results for critical flux estimation. Results from DUF experiment

(Critical flux 645.86 LMH)

In  the  average  pressure  method  (Figure  45),  the  deviation  from  linear  behavior  occurs  in  the 

maximum  flux  evaluated.  In  the  second  method  the  critical  flux  lies  between  the  last  two 

evaluated  points,  and  then  the  last  with  relatively  low  fouling  rate  is  selected  (notice  that  the 

second  plot has only  4 points,  this  is  due to a  lost  in  the data  for  this experiment).  The  results 

from Table 11 are depicted in Figure 47 and Figure 48. Notice that the first two experiments, DUF1 

and DUF2, did not achieve the critical flux. 

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40

    A   v   e   r   a   g   e    F    l   u   x    (    L    M    H    )

Average TMP

 (bar)

0

2

4

6

8

10

12

400 450 500 550 600 650 700 750

    d    P     /    d    t    (    b   a   r     /    h    )

Average flux (LMH)

Page 50: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 50/51

 

50 

Figure 47. Critical flux from the tuning experiments after the skimming tanks

From the experiments, it is difficult to determine if  both methods are giving the same results since 

only one experiment achieved the critical flux. In that case, the obtained critical fluxes are slightly 

different (approx. 16%). For this testing point,  it  is estimated to have sustainable fluxes between 

600 and 700 LMH. Nevertheless, this result depends on the evaluated concentrations. The limited 

information was collected  in this evaluation point due to time constraints. For evaluation of  this 

point, more conservative sustainable  fluxes are expected. This was confirmed during continuous 

operation where

 the

 system

 operated

 at

 maximum

 440

 LMH.

 

Figure 48. Critical TMP from the tuning experiments after the skimming tanks

Avg. P

dP/dt0

200

400

600

800

DUF 1*DUF 2*

DUF 3

    C   r    i    t    i   c   a    l    f    l   u   x    (    L    M    H    )

Experiment

Avg. …

dP/dt0

0.5

1

1.5

DUF 1*DUF 2*

DUF 3

    C

   r    i    t    i   c   a    l    T    M    P    (    b   a   r    )

Experiment

Avg. P

dP/dt

Page 51: Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

7/27/2019 Final_report_HOCOL_test_LiqTech.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/finalreporthocoltestliqtechpdf 51/51

 

Once again, it is relevant to determine the TMP operating window. It can be seen in Figure 48 that 

the  TMP  operating  window  lies  between  0.8  and  1.2  bar.  This  confirms  as  well  the  proposed 

operating window investigated during continuous operation.  Finally, the onset of  the irreversible 

fouling formation occurs again at fluxes lower than the identified critical fluxes (see Table 11).