從流體過濾汙染物的方法、過濾裝置和過濾模塊的製作方法
2023-07-07 14:38:31
從流體過濾汙染物的方法、過濾裝置和過濾模塊的製作方法
【專利摘要】本發明涉及從流體過濾汙染物的方法，從流體過濾汙染物的過濾模塊，以及包含至少一個這種過濾模塊的過濾裝置。在一個實施方案中，公開了從從流體過濾汙染物的方法，所述方法包括以下步驟：(1)將含汙染物的原料流體(feedstream fluid)導入含至少一個過濾元件(18a)的過濾室(14a)內；使導入所述過濾室內的至少一部分原料流體以以下方向的一種流動：A)順向流動，其中所述流體以第一方向經過所述過濾元件的壁(22a)；以及B)逆向流動，其中所述流體以第二相反的方向經過所述過濾元件的壁。所述方法還包括：將濾液導出所述室並進入濾液流線(26a)用於收集；隨後使導入所述過濾室內的所述原料流體以順向流動和逆向流動中的另一種流經所述過濾元件，以從所述元件的壁表面除去汙染物材料；在通過所述流體以順向流動和方向流動中的另一種流動除去所述汙染物材料後，繼續引導使原料流體以所述另一種方向經過所述過濾元件的壁，從而在以所述另一種方向流動期間從所述流體過濾掉汙染物；以及之後除去所述汙染物材料，將以所述另一種流動方向流經所述過濾元件的壁所產生的濾液導出所述室並導入所述濾液流線用於收集。
【專利說明】從流體過濾汙染物的方法、過濾裝置和過濾模塊
【技術領域】
[0001] 本發明涉及從流體過濾汙染物的方法。本發明還涉及從流體過濾汙染物的過濾模 塊，以及包含至少一個這樣的過濾模塊的過濾裝置。特別但不是唯一的是，本發明涉及從流 體過濾汙染物的方法，其中將含汙染物的流體導入含有至少一個過濾元件的過濾室中；以 及包含這樣的過濾室的過濾模塊；以及包含至少一個這樣的過濾模塊的過濾裝置。
【背景技術】
[0002] 已開發了各種不同類型的過濾系統用於從流體過濾汙染物。其中在常常需要清潔 含烴類材料如油（oil)的大量水的油氣開採和生產工業中對從水中過濾烴類材料的系統 特別感興趣。例如，含有油沉積物的地下巖層通常還包含與回收油一起採出的大量水。其 必須與流體中回收至表層的油分離，且在油汙染物排放至環境中前，必須從油汙染物充分 清除水。油通常以懸浮在水中的小液滴形式存在。固體如小砂粒通常也存在於採出的水中 且必須通過過濾系統處理。
[0003] 近年來，對由石油開採採出的水的處理成為日益重要的問題，伴隨此引入了新 的規定和現有立法的實施。特別是，目前英國運營商預期將採出水中烴類材料的水平降 低至30mg/l，以滿足奧斯陸和巴黎公約對保護東北大西洋海洋環境（Oslo and Paris Conventions for the protection of the marine environment of the North-East Atlantic(OSPAR))中規定的年總計卸油限制。如果總經類濃度降低至10-15mg/l以下，貝Ij 通常僅可達到年負載限度。在世界其他地方，l〇_15mg/l已是適當的。
[0004] 在加工石油之前，常常有必要從採出油過濾少量水。這可能是為了除去採出油中 天然存在的任何懸浮水滴，和/或已進入鑽井孔並與採出油一起回收的任何水。固體顆粒 如砂粒通常也存在於採出油中且必須將其除去。
[0005] 已開發數種不同的方法和系統用於從採出水除去分散的油。這些包括水力旋流 器、板分離器、氣浮選技術、離心、固體吸附系統和終端過濾法。水力旋流器和離心系統比其 他可用的系統在生產和操作方面更複雜且更昂貴。
[0006] 在水力旋流器中，採用旋風原理，通過該原理由通往渦流室的高流速噴嘴所產生 的渦流來分離不同密度的組分。
[0007] 板分離器採用的是加速重力分離原理。
[0008] 在氣體浮選中，通過利用經由水上升的氣泡，從水中分離油；可以將氣體加入或可 以將氣泡導入水中。
[0009] 在離心器中，通過機械旋轉的容器產生的離心力分離不同密度的組分。
[0010]固體吸附系統的一個例子是，使含有油液滴和粉末（小尺寸的固體顆粒）的供料 水經過用吸附或物理保留該油/粉末的固體材料填充的容器。所述材料可以是粉末、顆粒 (如為活性炭系統）或者其他材料如碎堅果殼。使濾液（處理的水）經過容器，被去除的 油/粉末保留在固體床上。所述固定床常常設計為一次性的，但是在一些情況下其可以通 過反向衝洗被再利用。 toon] 終端過濾法的一個例子包括將被油汙染的供料水導入過濾器。使濾液（處理的 水）經過過濾器，且油液滴和粉末保留在過濾器中。使用其中孔徑尺寸小於油液滴和粉末 尺寸的排他原理或者通過使用汙垢層來操作過濾器。數種材料可用於過濾器，包括無紡布、 聚合物膜、金屬網以及陶瓷膜。過濾器有時能通過用水或者清洗液反向衝洗被再利用，但是 通常過濾器是一次性的，因此當過濾器變"滿（full) "和流速下降時就會被丟棄。
[0012] 所有這些系統和方法的主要缺點是它們不能夠實現或不能夠以經濟的成本或以 環境可持續的方式實現所需要的低至10到15毫克/升的最終油水平，並且實際上，經常甚 至不能實現低於20到30毫克/升的水平，尤其是當油液滴尺寸為微米或亞微米級時。
[0013] 用於這些情況而開發的另一系統是'錯流'微過濾法。這提供了改進的性能，但也 有其固有的缺點。
[0014] 錯流系統通常使用位於過濾室內被稱為膜的聚合物或陶瓷過濾元件。錯流以被 稱為'濃縮液'流的連續流體流經過每個過濾膜，並且其用於除去通過過濾膜收集的油和粉 末。錯流的主要目的是阻止過濾膜表面上形成汙染物的汙垢層，否則會損壞膜的性能。因 此，為了阻止汙垢層的形成，錯流微過濾系統中的錯流流速一直保持相對較高。因此過濾僅 通過尺寸排除法進行，通過過濾膜中通道的孔徑確定可排除的汙染物液滴/粉末的最小尺 寸。因此僅收集到尺寸大於膜孔徑的汙染物。
[0015] 這種錯流系統有很多缺點。首先，當液滴/顆粒存在時，需要相對小的孔徑（通常 0. 2?4微米，取決於所需的最終油水平）。這導致經過過濾膜的"流量"（單位時間流經過 濾膜單位面積的流體體積）顯著減少，隨著泵壓力的增加，系統部件的功率和磨損也增加， 所有這些對成本都有影響。事實上，雖然錯流微過濾系統可以實現所需的濃度水平，但是對 於高吞吐量應用例如油田採出水處理而言，其並不是很有吸引力的選擇。這是因為資本和 運行成本非常高，且甚至遠遠高於水力旋流器和離心機的成本。錯流微過濾裝置的封裝也 相對較大，並且在近海環境中並不可行，例如空間奇缺的鑽探設備上。
[0016] 另外發現，儘管在錯流微濾系統中的錯流流速較高的，但也會形成汙垢層，這是不 希望發生的並且會快速損害性能。當檢測到汙染層已經形成（通過減少流量和/或增加背 壓）時，已知應停止過濾過程並且嘗試通過引導"反脈衝"流體以相反方向經過過濾膜以去 除汙垢層。這包括間歇地向後泵運濾液或空氣使其經過膜較短時間，通常為約1-5秒。一 旦判斷汙垢層已被除去，即以順流方向恢復過濾。然而，通常，這種錯流系統中所需的小孔 徑會使得過濾膜的孔永久地且不可恢復地堵塞，尤其是通過沉積的粉末。這需要將含膜的 模塊取出不用且替換膜，降低了該方法的效率並增加了成本。
[0017] 應理解，上述系統和方法可以應用於其他工業，且事實上用於從不同種類的流體 過濾其他種類的汙染物材料。實際上，汙染物可以是廣範圍的不同物質的任何一種。同樣， 從其過濾汙染物的流體也可以是廣範圍的不同流體的一種，且通常可以是含水溶液/混合 物、水、烴類材料如油或一些其他溶劑。然而，在每種情況下，可能遇到上述類似的缺點或問 題。
【發明內容】
[0018] 本發明的至少一個實施方案的目的是消除或減輕至少一個上述缺點。
[0019] 根據本發明的第一方面，提供了一種從流體過濾汙染物的方法，所述方法包括以 下步驟：
[0020] (1)將含汙染物的原料流體（feedstream fluid)導入含至少一個過濾元件的過 濾室內；
[0021] (2)使導入所述過濾室內的至少一部分原料流體以以下方向的一種流動：
[0022] A.順流方向，其中所述流體以第一方向經過所述過濾元件的壁；以及
[0023] B.逆流方向，其中所述流體以第二相反的方向經過所述過濾元件的壁；
[0024] (3)將濾液導出所述室並進入濾液流線用於收集；
[0025] (4)隨後使導入所述過濾室內的所述原料流體以順流方向和逆流方向中的另一種 方向流經所述過濾元件，以從所述過濾元件的壁表面除去汙染物材料；
[0026] (5)在通過所述流體以順流方向和逆流方向中的另一種方向除去所述汙染物材料 後，繼續引導使原料流體以另一種方向經過所述過濾元件的壁，從而在以所述另一種方向 流動期間從所述流體過濾掉汙染物；以及
[0027] (6)之後除去所述汙染物材料，將以所述另一種流動方向流經所述過濾元件的壁 所產生的濾液導出所述過濾室並導入所述濾液流線用於收集。
[0028] 順向和逆向流動可以持續相同的時間或不同的時間。順向和逆向的流速可以相同 或不同。
[0029] 與現有的錯流方法和系統相反，本發明的第一方面的方法包括以所述另一種流動 方向從所述原料流體主動過濾汙染物。因此，例如在最初以順流方向過濾的情況下，改變為 逆流方向流動，並且保持逆流方向流動，在這樣的逆流期間從所述流體過濾汙染物。這提供 了包括縮短停機時間和提高效率的優點。
[0030] 該方法可以包括監控至少一個參數的另一步驟，以及可選地在監測所述至少一個 參數的預定變化時，採取以下步驟：使所述原料流體以順流方向和逆流方向的另一種流經 所述過濾元件的壁。可在預定時間或間隔之後進行布置使所述原料流體以順流方向和逆流 方向的另一種流經所述過濾元件的壁的步驟。使所述原料流體以順流方向和逆流方向的另 一種流經所述過濾元件的壁的步驟可在以下情形時首先進行：監測所述至少一個參數的預 定變化；和預定時間期滿。因此，例如，在開始以順向流動過濾時，在監測所述至少一個參數 的變化和/或預定時間期滿時所述流動改變為逆向流動。所述參數可以是經過所述過濾元 件的流量，也即經過所述過濾元件每單位面積的流速。隨著汙染物材料在過濾元件的壁表 面上的積累，流量會減少。在監測達到預定臨界水平的流量時，可使原料流體以另一方向流 動。所述參數可以是濾液中汙染物的濃度。汙染物濃度的增加表明性能退化，這需要改變 流動的方向以清潔所述過濾元件的壁表面。所述方法可以包括監控以另一方向流動期間濾 液中汙染物的濃度，以及在監測到汙染物的濃度降低至期望水平時，將所述濾液引導至濾 液流線用於收集。所述汙染物可以是或可以包含廣範圍的不同物質的任一種，但可特別包 含碳氫化合物材料，且可以是油或油類，並且所述物質可以以懸浮液滴的形式存在於所述 原料流體中。所述汙染物可以是或可以包含水。所述汙染物可以是或可以包含粒狀巖材料 例如沙。所述汙染物可以是加入水中用於各種加工理由的化學物質。例如，可將聚合的化 學物質加入油田採出水中用於提高原油採收率，以及將陶瓷材料加入頁巖氣加工的水力壓 裂液中。應理解，本文流體中存在的"汙染物（contaminant)"或"汙染物（contaminants)" 指的是流體中存在的"物質（material)"或"物質（materials)"，且需要除去它。所述汙染 物是所述流體不同的物質。所述汙染物可以是或可以包含流體和/或固體物質。從其中過 濾汙染物的流體還可以是廣範圍的不同的流體，並且通常可以是水溶液/混合物、水、碳氫 化合物材料例如油、或一些其他溶劑。
[0031] 根據本發明的第二方面，提供了從流體過濾汙染物的方法，所述方法包括以下步 驟：
[0032] (1)將含有汙染物的原料流體導至含有至少一個過濾元件的過濾室內；
[0033] (2)使導入所述過濾室的一部分原料流體流經所述過濾元件的壁，並將所述濾液 導出所述室並進入濾液流線用於收集；以及
[0034] (3)使導入所述過濾室的所述原料流體的剩餘物以錯流滲出流（bleed stream) 經過所述過濾元件並進入滲出流線；
[0035] 當所述流體以錯流滲出流流經所述過濾元件的速度不大於約4m/s時，有利於在 所述過濾元件的表面上形成汙染物材料的汙垢層，從而藉助於所述過濾元件和所述汙垢層 組合實現了其它汙染物材料的過濾。
[0036] 與現有的錯流方法和系統相反，本發明第二方面的方法包括引導流體以錯流滲出 流以不大於約4m/s的速度經過所述過濾元件，有利於形成汙垢層。本發明人認識到汙垢層 的形成有益於有效過濾汙染物。在現有地方法和系統中，特別教導了汙垢層的形成是有害 的且因此保持相對高（高於4m/s)的滲出流流體速度，以損害汙垢層的形成。
[0037] 根據本發明的第三方面，提供了從流體過濾汙染物的方法，所述方法包括以下步 驟：
[0038] (1)將含有汙染物的原料流體導至含有至少一個過濾元件的過濾室內；
[0039] (2)使導入所述過濾室的一部分原料流體流經所述過濾元件的壁，並將所述濾液 導出所述室並進入濾液流線用於收集；以及
[0040] (3)使導入所述過濾室的所述原料流體的剩餘物以錯流滲出流（bleed stream) 經過所述過濾元件並進入滲出流線；
[0041] 其中以錯流滲出流流經所述過濾元件的原料流體的體積為所述原料流中流體總 體積的至少約5%。
[0042] 與現有的錯流方法和系統相反，本發明第三方面的方法包括引導所述原料流中流 體總體積的至少約5%以錯流滲出流流經所述過濾元件。在現有的方法和系統中，特別期望 將所述滲出流中流體的量維持為所述原料流中流體總體積的儘可能低的比例（小於5%且 通常為約1% )，從而使流經所述過濾元件的量即吞吐量（throughput)最大化。在本發明 中，相比現有方法和系統，引導相對大比例的原料流體沿著錯流滲出流提供了按照所述方 法的特定要求調節第三方面的方法的更大的自由。
[0043] 根據本發明的第四方面，提供了從流體過濾汙染物的方法，所述方法包括以下步 驟：
[0044] (1)將含有汙染物的原料流體導至含有至少一個過濾元件的過濾室內；
[0045] (2)使導入所述過濾室的一部分原料流體流經所述過濾元件的壁，並將所述濾液 導出所述室並進入濾液流線用於收集；以及
[0046] (3)使導入所述室的所述原料流體的剩餘物以錯流滲出流（bleed stream)經過 所述過濾元件並進入滲出流線；
[0047] 其中使以錯流滲出流的所述流體以層流剖面流動，以促進汙染物材料的汙垢層形 成在所述過濾元件的表面上，從而藉助於所述過濾元件和所述汙垢層的組合實現其他汙染 物材料的過濾。
[0048] 與現有的錯流方法和系統相反，本發明第四方面的方法包括引導其中所述流體以 層流剖面流動的錯流滲出流的流體，以促進汙垢層的形成。本發明人認識到汙垢層的形成 有益於有效過濾汙染物。在現有地方法和系統中，特別教導了汙垢層的形成是有害的，且因 此將滲出流流體以湍流剖面流動，以損害汙垢層的形成。
[0049] 根據本發明的第五方面，提供了從流體過濾汙染物的方法，所述方法包括以下步 驟：
[0050] (1)將含有汙染物的原料流體導至含有至少一個過濾元件的過濾室內；
[0051] (2)使導入所述過濾室的一部分原料流體流經所述過濾元件的壁，並將所述濾液 導出所述室並進入濾液流線用於收集；以及
[0052] (3)使導入所述室的所述原料流體的剩餘物以錯流滲出流（bleed stream)經過 所述過濾元件並進入滲出流線；
[0053] 當所述流體以錯流滲出流流經所述過濾元件的速度不大於約4m/s時，有利於在 所述過濾元件的表面上形成汙染物材料的汙垢層，從而藉助於所述過濾元件和所述汙垢層 組合實現了其它汙染物材料的過濾。
[0054] 其中將所述流體以錯流滲出流流動，使雷諾數不大於約2500,以促進汙染物材料 的汙垢層形成在所述過濾元件的表面上，從而藉助於所述過濾元件和所述汙垢層的組合實 現其他汙染物材料的過濾。
[0055] 與現有的方法和系統相反，本發明的第五方面的方法包括引導其中所述流體以不 大於約2500的雷諾數流動的錯流滲出流流體，以促進汙垢層的形成。本發明人認識到汙垢 層的形成有益於有效過濾汙染物。在現有地方法和系統中，特別教導了汙垢層的形成是有 害的，因此將滲出流流體的雷諾數設置為顯著大於2500,以損害汙垢層的形成。
[0056] 根據本發明的第六方面，提供了從流體過濾汙染物的方法，所述方法包括以下步 驟：
[0057] (1)將含有汙染物的原料流體導至含有至少一個過濾元件的過濾室內，所述過濾 元件具有用於從所述原料流體過濾汙染物的多個孔，其孔徑不小於約4微米；
[0058] (2)使導入所述過濾室的一部分原料流體流經所述過濾元件的壁，並將所述濾液 導出所述室並進入濾液流線用於收集；
[0059] (3)使導入所述室的所述原料流體的剩餘物以錯流滲出流（bleed stream)經過 所述過濾元件並進入滲出流線；以及
[0060] (4)控制所述錯流滲出流的一個或多個參數以促進汙垢層形成在所述過濾元件的 表面上，從而通過所述過濾元件和所述汙垢層的組合實現汙染物材料的過濾。
[0061] 與現有的錯流方法和系統相反，本發明第六方面的方法包括將所述原料流體導至 含有過濾元件的過濾室內，所述過濾元件具有孔徑不小於約4微米的多個孔。在現有的方 法和系統中，當希望過濾小液滴或顆粒時，需要相對小的孔徑。典型的孔徑可以是〇. 2-1. 2 微米。通過尺寸排除進行過濾，且分離的汙染物（液滴或細粉）的尺寸比所述過濾元件的 孔徑更大。特別教導了應該避免形成汙垢層，基於此這將會限制相對小的孔且快速損害性 能。事實上，已發現孔徑會被不可恢復地堵塞，如上所述。本發明人已認識到在涉及穿過過 濾膜的錯流滲出流的方法中，汙垢層的形成有益於有效過濾汙染物。因此，本發明人已認識 到可以增大過濾膜的孔徑，由此有益於增大流量以及吞吐量，從而提高效率並節省成本。增 大孔徑的另一益處是這有利於阻止由於滲入具有與孔尺寸相當的固體顆粒導致的不可恢 復的過濾元件汙垢的產生。另一益處是由於使用比現有方法中使用的那些具有更大孔徑的 過濾元件所產生的更大的流量。
[0062] 如上定義的本發明的第一至第六中任一方面的方法可以與本發明的一個或多個 其他方面共有一個或多個特徵。
[0063] 因此，本發明第二至第六中任一方面的方法可以包括使導入所述過濾室的一部分 原料流體以以下方向的一種流動：
[0064] A.順流方向，其中所述流體以第一方向經過所述過濾元件的壁；以及 [0065] B.逆流方向，其中所述流體以第二相反的方向經過所述過濾元件的壁；
[0066] (1)將濾液導出所述室並進入濾液流線用於收集；
[0067] (2)隨後使導入所述過濾室的原料流體以順流方向和逆流方向的另一種流經所述 過濾元件，以從所述元件的壁表面除去汙染物材料；
[0068] (3)在通過所述流體以順流方向和逆流方向的另一種流動除去所述汙染物材料之 後，繼續引導所述原料流體以另一方向流經所述過濾元件，從而在以另一方向流動期間從 所述流體過濾掉汙染物；以及
[0069] (4)隨後除去所述汙染物材料，將由以所述另一流動方向流經所述過濾元件所產 生的濾液導出所述室並進入過濾流線用於收集。
[0070] 所述方法可以包括監控至少一個參數的另一步驟，並且可選地，在檢測至少一個 參數的預定變化時，採取以下步驟：使所述原料流體以順流方向和逆流方向的另一種流經 所述過濾元件。在預定時間之後，可以採取使所述原料流體以順流方向和逆流方向的另一 種流經所述過濾元件的步驟。使所述原料流體以順流方向和逆流方向的另一種流經所述過 濾元件的步驟可以在以下情形下首先進行：檢測至少一個參數的預定變化；和在預定時間 期滿時。
[0071] 本發明的第一方面的方法可以是終端過濾法，其中引導所有原料流體經過所述過 濾元件的壁。然而，本發明的第一方面的方法可以包括使導入所述過濾室的至少一部分原 料流體以順流方向和逆流方向的一種流動；並且使導入所述過濾室的原料流體的剩餘物以 錯流滲出流經過所述過濾元件並進入滲出流線。可以將以錯流滲出流流經所述過濾元件 的流體以不大於約4m/s的速度流動，以促進汙染物材料的汙垢層形成在所述過濾元件的 表面上，從而藉助於所述過濾元件和所述汙垢層的組合實現其他汙染物材料的過濾。以錯 流滲出流流經所述過濾元件的原料流體的體積可以是所述原料流中流體總體積的至少約 5%。可以將錯流滲出流的流體以層流剖面流動，以促進汙染物材料的汙垢層形成在所述過 濾元件的表面上，從而藉助於所述過濾元件和所述汙垢層的組合實現其他汙染物材料的過 濾。所述原料流體可以是含水的，且可以將以錯流滲出流的流體以滲出流流動，使得其具有 不大於約2500的雷諾數，以促進汙染物材料的汙垢層形成在所述過濾元件的表面上，從而 藉助於所述過濾元件和所述汙垢層的組合實現其他汙染物材料的過濾。引導含有汙染物的 原料流體進入所述過濾室的步驟可以包括引導所述原料流進入含有過濾元件的過濾室，所 述過濾元件具有用於從原料流體過濾汙染物的多個孔，其孔徑不小於約4微米；且控制錯 流滲出流的一個或多個參數以促進汙垢層形成在所述過濾元件的表面上，從而可以通過所 述過濾元件和所述汙垢層的組合實現汙染物材料的過濾。
[0072] 視情況而定，本發明第二至第六的任一方面的方法可以包括一個或多個以下特 徵。所述原料流體可以是含水的，且可以將流體以錯流滲出流流動，從而使得其具有不大於 約2500的雷諾數，以促進汙染物材料的汙垢層形成在所述過濾元件的表面上，從而藉助於 所述過濾元件和所述汙垢層的組合實現其他汙染物材料的過濾。可以將錯流滲出流的流體 以層流剖面流動，以促進汙染物材料的汙垢層形成在所述過濾元件的表面上，從而藉助於 所述過濾元件和所述汙垢層的組合實現其他汙染物材料的過濾。所述原料流體以錯流滲出 流流經所述過濾元件的原料流體的體積可以是所述原料流中流體總體積的至少約5%。以 錯流滲出流流經所述過濾元件的速度可以是不大於約4m/s，以促進汙染物材料的汙垢層形 成在所述過濾元件的表面上，從而藉助於所述過濾元件和所述汙垢層的組合實現其他汙染 物材料的過濾。引導含有汙染物的原料流體進入所述過濾室的步驟可以包括引導所述原料 流進入含有過濾元件的過濾室，所述過濾元件具有用於從原料流體過濾汙染物的多個孔， 其孔徑不小於約4微米；且控制錯流滲出流的一個或多個參數，以促進汙垢層形成在所述 過濾元件的表面上，從而通過所述過濾元件和所述汙垢層的組合可以實現汙染物材料的過 濾。
[0073] 本發明第一至第六的任一方面的方法的其他可選特徵如下。
[0074] 所述方法可以使用為中空的至少一個過濾元件。所述方法可以包括將導入所述過 濾室的至少一部分原料流體以以下方向的一種流動：
[0075] A.順流方向，其中所述流體以第一方向從所述元件的內部經過所述過濾元件的壁 到所述元件的外部；以及
[0076] B.逆流方向，其中所述流體以第二相反的方向從所述元件的外部進過所述過濾元 件的壁到所述元件的內部。
[0077] 所述方法可以使用至少一個過濾元件，其形式通常為具有相反的第一表面和第二 表面的平板。所述方法可以包括將導入所述過濾室的至少一部分原料流體以以下方向流 動：
[0078] A.順流方向，其中所述流體以第一方向從第一表面經過所述過濾元件的壁朝向第 二表面流動；以及
[0079] B.逆流方向，其中所述流體以第二相反的方向從第二表面經過所述過濾元件的壁 朝向第一表面流動。
[0080] 所述方法可以使用具有其他期望形狀或其他配置的至少一個過濾元件。
[0081] 在以順流方向流經所述過濾元件時，汙染物材料的汙垢層形成在所述過濾元件的 內部表面或內表面或第一表面上。可以將所述流體以逆流方向流動以除去形成在所述過濾 元件的表面上的至少一部分汙垢層。在以逆流方向流經所述過濾元件時，汙染物材料的汙 垢層形成在所述過濾元件的外部表面或外表面或第二相反的表面上。可以將所述流體以順 流方向流動以除去形成在所述過濾元件的表面上的至少一部分汙垢層。所述方法可以包括 以下其他步驟：隨後以順流方向和逆流方向的另一種流動以除去所述汙染物材料並過濾， 使導入所述過濾室的原料流體以最初選擇的順流方向和逆流方向的一種再次流經所述過 濾元件，以從所述元件的壁表面除去汙染物材料，其是由流體以順流方向和逆流方向的另 一種流動產生的。流動可繼續以該流動方向進行，隨後除去所述汙染物材料，可將由該流動 產生的濾液導出所述室並進入濾液流線用於收集。為響應如上討論的對測定參數中預定變 化的檢測和/或預定時間的期滿，所述方法可以包括視情況在順流方向和逆流方向之間改 變原料流體的方向。
[0082] 中空的濾元件可以是管狀的，且通常可以是圓柱形管狀過濾元件。所述過濾元件 可以限定沿其長度延伸的中心空隙、通路或通道。在流體以順流方向流動期間，流體可從中 心空隙向外經過所述過濾元件的壁到所述元件的外部，且實質上可以以徑向流動。可以限 定所述過濾元件的內表面和外表面之間的空間，且經過所述過濾元件的壁的流體可以進入 該空間。所述過濾室的形狀通常可以是圓柱形。在以逆流方向流動期間，所述流體可從該 空間向內經過所述過濾元件的壁並進入中心空隙，且實質上可以以徑向流動。當導入所述 過濾室並經過所述過濾元件的壁的部分原料流體以順流方向流動時，以錯流滲出流流動的 部分流體可以流經所述過濾元件的中心空隙。當導入所述過濾室並經過所述過濾元件的壁 的部分原料流體以逆流方向流動時，以錯流滲出流流動的部分流體可以以一個方向流經所 述過濾元件的內表面和外表面之間限定的空間。
[0083] 在原料流體完成以順流方向和逆流方向流動的至少一個循環後，並且在測定參數 的預定變化發生在縮短的時間內（其可能表示過濾性能損傷）的情況下，所述方法可以包 括清潔所述過濾元件的步驟。該損傷可能是由於剩餘的汙染物材料逆向流動導致的，並且 其可能阻塞至少一些孔。清潔所述過濾元件的步驟可以包括引導清洗液進入所述過濾室並 使所述流體以順流方向或逆流方向流動。當檢測到性能損傷時，如果清洗液的方向選擇與 流體流動的方向相反，則是有益的。然而，清洗液可以相同的方向流動。清洗液的使用可防 止汙染物進一步積累在所述過濾元件上或中。可引導清洗液以所選的順流方向和逆流方向 中的一種經過所述過濾元件的壁預定時間，同時監控至少一個參數，並且可以包括隨後引 導流體以順流方向和逆流方向的另一種進行預定時間同時監控至少一個參數。在清潔過程 中可進行其他逆向流動。當確定所述過濾元件的性能已恢復至可接受水平時，所述方法可 以包括重新引導原料流體進入所述過濾室以及使所述流體以所選的順流方向和逆流方向 中的一種流經所述過濾元件的壁的步驟。
[0084] 所述方法可以包括引導所述原料流體進入含有多個過濾元件的過濾室。多個過濾 元件的提供可以為給定尺寸的室提供更大流量的濾液。所述方法可以包括使導入所述過濾 元件的至少一部分原料流體以順流方向和逆流方向的一種流動。所述方法可以包括合併每 個過濾元件的濾液流並將合併的流導出所述室並進入濾液流線。
[0085] 所述方法可以包括引導所述原料流體進入多個過濾室，可選地來自公共來源，每 個過濾室含有多個過濾元件。這使得至少一個過濾室可脫機進行，例如用於清潔或維護目 的，在該過程中通過至少一個其他的過濾室繼續過濾。所述方法可以包括引導原料流體進 入過濾模塊，每個模塊限定或包含過濾室。所述方法可以包括採取脫機的至少一個過濾模 塊/過濾室用於逆向循環流動的目的。用這種方式，可以依次進行經過所有室的逆向循環 流動。
[0086] 測定的至少一個參數可選自包括以下的組：經過所述過濾元件的流量，測定的穿 過所述過濾元件的壓降；和/或留在濾液中的汙染物的比例或濃度。經過所述過濾元件的 運行流量通常在約800至約40001/m2/h的範圍內；在現有的錯流過濾方法中流量通常為 約200至4001/m2/h。運行流量應該指在進行過濾方法一定期間內經過所述過濾元件的流 量，在該方法中，進行過濾，引導濾液至濾液流線，並且留在濾液內的汙染物的濃度在規格 內（且因此在可接受水平內，其可以在約lmg/1至約10mg/l之間，但是其可以甚至更低並 且可以小於約lmg/1)。啟動時，流量可以更高並且可高達約90001/m2/h。隨著汙染物積累 以在所述過濾元件的表面上形成汙垢層，流量可降低至足以從原料流體有效過濾汙染物的 運行水平（通過確定濾液中汙染物的比例來測定），同時提供足夠的流體吞吐量。當確定濾 液中汙染物的比例達到可接受的水平時，可將濾液導入濾液流線用於收集。當流量降低至 較低水平時，其會朝向上述範圍的較低端（這是汙垢層積累至足夠的厚度以至於過度限制 吞吐量和/或阻塞所述過濾元件的孔的指示），將導入所述過濾室的原料流體以順流方向 和逆流方向的另一種流動。
[0087] 以錯流滲出流流動的原料流體的體積可以是所述原料流中流體總體積的至少約 10%，且可以是至少約15%。該體積可以是所述原料流中流體總體積的不大於約10%，可 以是不大於約15%，且可以是不大於約20%。可以將所述滲出流的體積調整為用於所述原 料流特定性質，例如分散的油和固體的濃度和物理/化學性質和原料流的速度。滲出流流 速還可以調整為優化數個參數,包括所需的濾液質量、整個過程流速、逆向循環流動的頻率 和清潔操作的頻率。
[0088] 在順流方向，對於中空的過濾元件，以錯流滲出流流動的流體的速度可限定為：進 入過濾元件的原料流體的供料流速（m3/s)除以所述過濾元件的中心空隙的截面面積或各 種過濾元件的中心空隙的截面面積總和（m2)。當存在多個過濾室時，以錯流滲出流流動的 流體的速度可以等於進入所有過濾室的合併供料流速（m3/s)除以所有過濾元件的中心空 隙的截面面積總和（m2)。在逆流方向中，以錯流滲出流流動的流體的流速可以限定為：進 入過濾室的原料流體的供料流速（m3/s)除以限定過濾室的過濾模塊的內表面和過濾元件 的外表面之間限定的空間的截面面積（m2)。當存在多個過濾室時，以錯流滲出流流動的流 體的速度可以等於進入所有過濾室的原料流體的合併供料流速（m3/s)除以所述過濾室的 內表面和外表面之間限定的截面面積總和（m2)。
[0089] 對於平板過濾元件，以錯流滲出流流動的流體的速度可以限定為：進入過濾室的 原料流體的供料流速（m3/s)除以滲出流通道的截面面積（m2)。流道可以受限定過濾室和 一個或多個過濾元件的模塊的限制。當存在多個過濾室時，以錯流滲出流流動的流體的速 度可以等於進入所有過濾室的原料流體的合併供料流速（m3/s)除以所有滲出流通道的截 面面積總和。
[0090] 在流體力學中，雷諾數提供了慣性力與粘性力之比的指示。對於含水流體/水，不 大於約2500的雷諾數可產生層流，並且在本發明的上下文中，這促進汙垢層形成在所述過 濾元件的壁表面上。對於其他流體，如含烴類的流體（例如油），含汙染物的流體，例如少量 的水，不同的雷諾數可以是層流的指示。同樣，在其他流體例如有機溶劑的情況下，不同的 雷諾數可以是層流的指示。
[0091] 所述過濾元件可以是多微孔的。所述過濾元件中孔的孔徑可以不小於約4微米， 可以不小於約10微米，可以不小於約15微米，可以不小於約20微米，且可以不小於約30 微米。所述孔徑可以不大於約15微米。所述孔徑可以不大於約20微米。在本發明中，可 以用具有約4微米尺寸的孔的過濾元件過濾約0. 1微米或更大的汙染物；可以用具有約15 微米或更大尺寸的孔的過濾元件過濾1微米和更大的汙染物。所述過濾元件的孔可以是在 所述過濾元件的內表面和外表面之間延伸的通道形式。所述孔的截面通常為圓形，並且可 以是圓柱形。所述孔可以是穿過膜的路徑，其中所述孔徑可以限定為可以穿過膜的最大顆 粒。因此本領域技術人員通常理解，孔的尺寸指的是孔的直徑或截面面積。
[0092] 根據本發明的第七方面，提供了用於過濾裝置的過濾模塊，所述過濾模塊用於從 流體過濾汙染物，且包括：
[0093] 含有至少一個過濾元件的過濾室，所述過濾元件從導入過濾室並經過過濾元件的 壁的原料流體過濾汙染物；
[0094] 其中所述過濾元件具有用於從原料流體過濾汙染物的多個孔；以及
[0095] 其中所述孔徑不小於約4微米。
[0096] 根據本發明的第八方面，提供了用於從流體過濾汙染物的過濾裝置，所述裝置包 括：
[0097] 至少一個過濾模塊，所述至少一個過濾模塊包括含有至少一個過濾元件的過濾 室，所述過濾室從導入至少一個過濾室內並經過過濾元件的壁的原料流體過濾汙染物； [0098] 其中所述過濾元件具有用於從原料流體過濾汙染物的多個孔；以及
[0099] 其中孔徑不小於約4微米。
[0100] 所述過濾元件可以是多微孔的。所述過濾元件中孔的孔徑可以不小於約4微米， 可以不小於約10微米，可以不小於約15微米。所述孔徑可以不大於約15微米。所述孔徑 可以不大於約20微米。所述孔徑可以不大於約30微米。所述孔徑可以大於約30微米。所 述孔徑可以大於被除去的油液滴和粉末的尺寸。例如，本發明可有利於用具有約4微米尺 寸的孔的過濾元件除去約0. 1微米和更大的液滴和粉末；或用具有約15微米的孔的過濾元 件除去約1微米尺寸的液滴和粉末。所述過濾元件中的孔可以是在所述過濾元件的內表面 和外表面之間延伸的通道形式。所述孔的截面通常可以為圓形，並且通常為圓柱形。因此 本領域技術人員通常理解，所述孔的尺寸指的是所述孔的直徑或截面面積。在本發明中，可 以用具有約4微米尺寸的孔的過濾元件過濾約0. 1微米或更大的汙染物；可以用具有約15 微米或更大尺寸的孔的過濾元件過濾1微米和更大的汙染物。所述過濾元件的孔可以是在 所述過濾元件的內表面和外表面之間延伸的通道形式。所述孔的截面通常為圓形，並且可 以是圓柱形。所述孔可以是穿過膜的路徑，其中所述孔徑可以限定為可以穿過膜的最大顆 粒。因此本領域技術人員通常理解，孔的尺寸指的是孔的直徑或截面面積。
[0101] 本發明的第七方面和第八方面的所述模塊和/或裝置的其他特徵可以衍生自或 有關於如上定義的本發明的第一至第六方面的方法。
[0102] 本文公開了從流體過濾汙染物的方法（參見如上的第一方面），其中，在原料流體 以順流方向和逆流方向的一種流動後，使所述原料流體以順流方向和逆流方向的另一種流 經所述過濾元件，以從所述過濾元件的壁表面除去汙染物材料。然而，應理解，在本發明的 可能性的範圍內，在以所選的順流/逆流方向流動之後，以另一方向流動以除去汙染物材 料至少最初使用了除原料流體外的流體。例如最初流動使用清洗液，然後在確定或預計所 述元件的壁通過以另一方向流動充分清潔後轉換為原料流體。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0103] 現僅通過示例的方式參考附圖描述本發明的實施方案，其中：
[0104] 圖1是根據本發明的一個實施方案的過濾裝置的示意圖，所述過濾裝置用於根據 本發明的一個實施方案的從流體過濾汙染物的方法中；
[0105] 圖2是根據本發明的一個實施方案的過濾模塊的示意性縱向截面圖，所述過濾模 塊形成圖1中示出的過濾裝置的一部分；
[0106] 圖3是圖2示出的過濾模塊的示意圖，所述模塊的後蓋被除去；
[0107] 圖4和5是圖2中示出的過濾模塊的視圖，示出在本發明的過濾汙染物的方法中 流體流經模塊的不同方向；
[0108] 圖6示出根據本發明的另一實施方案的流程和過濾裝置的操作的框圖；
[0109] 圖7、8和9分別是根據本發明的另一實施方案的過濾裝置的一部分的正視圖、平 面圖和側視圖；
[0110] 圖10和11是根據本發明的另一實施方案的過濾模塊的示意性縱向截面圖，所述 過濾模塊形成過濾裝置的一部分例如圖1示出的裝置，該圖示出在本發明的過濾汙染物的 方法中流體流經模塊的不同方向；
[0111] 圖12和13是示出圖1所示裝置的測試結果的圖表；以及
[0112] 圖14是示出圖6所示的裝置的測試結果的圖表。
【具體實施方式】
[0113] 以下結合附圖實施例對本發明作進一步詳細描述。
[0114] 首先參見圖1，示出了根據本發明的一個實施方案的過濾裝置的示意圖，該裝置通 常用參考標號10表示。過濾裝置10用於根據本發明的一個實施方案的從流體過濾汙染物 的方法中。圖1所示的過濾裝置10是構建以測試基於本發明的原理的實驗室規模試驗裝 置。該裝置10包括至少一個過濾模塊12,且在圖1示出的實施方案中，包括兩個這樣的過 濾模塊12a和12b。閱讀說明書剩餘部分應理解，該過濾裝置10/方法可以使用任何期望或 合適數目的過濾模塊。過濾模塊12都具有相似的構造和操作，且類似的部件共享具有合適 的後綴"a"、"b"等的相同參考標號。在圖1的實施方案中，僅詳細描述了過濾模塊12a。
[0115] 過濾模塊12a在圖2的縱向截面圖和圖3的平面圖中更好地示出，且其示出後蓋 16被除去的模塊。所述過濾模塊12a包括至少一個過濾元件，且在示出的實施方案中，包括 19個這樣的過濾元件18a。在該實施方案中，過濾元件18a是中空的，但可以使用其他形狀 /配置。每個過濾元件18a從導入由過濾模塊12a限定的過濾室14a的原料流體過濾汙染 物。圖4示出原料流體進入過濾室14a的過濾模塊12a，如同箭頭20所示，所述流體以順 流方向流經過濾模塊12a。在順流方向中，原料流體從每個元件的內部24a經過每個中空 過濾元件18a的壁22a到每個元件的外部。還可以引導原料流體以逆流方向經過過濾元件 12a，如圖5所示。在逆流方向中，原料流體以箭頭20的方向進入過濾元件12a並從每個元 件的外部經過每個過濾元件18a的壁22a到內部24a。
[0116] 在通過中空過濾元件18a的壁22a期間過濾掉原料流體的汙染物材料，且將所得 濾液導出過濾模塊室14a並進入過濾流線26 (圖1)，用於隨後在成品油罐28中收集。如圖 1可知，布置各個過濾模塊12a、12b使得從所述模塊流出的濾液被導入共享的濾液流線26， 且由此到達成品油罐28,或到達規格外的油罐29 (取決於濾液中汙染物的濃度）。進入濾 液模塊12a的原料流體包含如上所述的汙染物，其可以是或可以包含廣範圍的不同物質的 任何一種。特別是，所述原料流體可以是水，且所述汙染物可以包含烴類材料，其可以是油， 以懸浮液滴形式存在於原料流體中。所述汙染物還可以包含粒狀巖材料如砂。可選地，所 述原料流體可以是烴類材料或其他材料例如油，且所述汙染物可以是或可以包含水。本文 中存在於原料流體中的汙染物指的是存在於流體中的物質且需要將其除去。所述汙染物可 以是與所述流體不同的物質，且可以是或可以包含流體和/或固體材料。
[0117] 在本發明的一個方面，從原料流體過濾汙染物的方法包括以下步驟。將含汙染物 的原料流體導入過濾室14a並布置為以如上所述的順流方向和逆流方向的一種流動。將濾 液導入濾液流線26用於收集。隨後，改變原料流體，使得導入過濾室14a的流體以順流方 向和逆流方向的另一種流經過濾元件18a。用這種方式，在以另一種方向流動期間除去積 累在過濾元件18a的壁22a的表面上的汙染物材料。在通過以另一種方向流動除去汙染物 材料後，繼續引導原料流體以另一種方向經過過濾元件18a。因此，在以另一方向流動期間 通過中空過濾元件18a過濾掉原料流體中的汙染物。將由該流動所產生的濾液導入濾液流 線26用於隨後在成品油罐28中的收集。與現有的方法相反，因此本發明的該方面的方法 包括當流體以相反方向流經過濾元件18a時從原料流體主動過濾汙染物。
[0118] 更詳細地，具體參考圖4和5,本發明的方法進行如下。首先將原料流體導入過濾 室14a以順流方向流動，從過濾元件18a的內部24a穿過過濾元件的壁22a到過濾元件的 外部。將濾液導出過濾室14a然後進入濾液流線26用於收集。從其他過濾模塊特別是模 塊14b的流動在開始時通常是順流方向，但隨時間其可以變化。在順流方向中，汙染物材料 的汙垢層積累在過濾元件壁22a的內表面30a上。如以下所述的，特別期望促進汙垢層的 形成，其提供優於現有方法的優點。然而，所述汙垢層最終會積累至這樣的程度，其中流量 (流體經過每單位體積過濾模塊12a的流速）降低至不足以繼續進行有效過濾的水平。在 過濾過程中測定該方法的參數，並且當檢測表明汙垢層積累至這樣的程度的測定參數的變 化時，原料流體的流動轉換為圖5的逆流方向。
[0119] 如上所述，在逆流方向中，進入過濾室14a的原料流體從過濾元件18a的外部穿過 過濾元件的壁22a到過濾元件的內部24a。以該方向經過過濾元件18a的原料流體的通道 除去至少一些汙染物材料，通常為大部分汙染物材料，其粘附至過濾元件壁22a的內表面 30a。在通過流體以逆流方向流動除去所述汙染物材料後，繼續引導原料流體以逆流方向經 過過濾元件18。因此，沒有必要在除去汙染物後恢復為以順流方向流動。原料流體可以繼 續以逆流方向流動，同時汙垢層形成在過濾元件壁22a的外表面32a上。如同以下更詳細 地描述的，使以逆流方向流動所產生的濾液進入濾液流線26用於收集。當然，最初流動可 以為逆流方向且在需要時轉換為順流方向。而且，流動可在順流方向和逆流方向之間進行 轉換，視情況可為任何所需的次數。以下討論清潔的要求，唯一有意義的停機時間是發生汙 染物除去時和之後的轉換，其中將攜帶被除去的汙染物的濾液收集用於隨後的去除和/或 重新引導至含原料流體36的供料罐34 (圖1)。
[0120] 通常基於使用流量計37測定的經過過濾模塊14a的流量，來進行流動的轉換。當 流量降低至預定水平時，可逆轉流動。然而，此外或作為基於測定經過過濾模塊12a的流量 的替代，可以基於對一個或多個其他參數的監控來進行流動的轉換。例如，可以使用壓力計 40監控從供料罐34延伸至過濾模塊12a的流線38中原料流體的背壓。背壓的增加表明汙 垢層形成在過濾元件18a對應的內表面或外表面30a/32a上（取決於流動方向）。背壓增 加至某一臨界值表面汙垢層積累至流動轉換所需的足夠程度。同樣，可使用壓力計42監控 濾液流線26中濾液的壓力。濾液流線26中濾液的壓力降低至臨界值還表明汙垢層已經積 累至流動轉換所需的程度。濾液中汙染物濃度也是可用於轉換的重要參數。留在濾液中的 汙染物比例的增加可以是需要流動轉換的指示。
[0121] 所述方法可以包括採用至少一個脫機的過濾模塊12a、12b用於逆向循環流動的 目的，同時在該過程中繼續經過至少一個過濾模塊過濾。用這種方式，可以依次進行經過所 有模塊的逆向循環流動。
[0122] 如上所述，在轉換後，存在這樣的一個時期，其中離開所述室14a的濾液攜帶從過 濾元件18a除去的汙染物材料。該濾液指的是"規格外（out of spec.)"的濾液，且使導出 的該濾液進入規格外罐29。規格外濾液可以路由返回至供料罐34。線35 (圖1)提供了用 於從兩個模塊18a和18b路由錯流滲出流流體返回至所述罐34的路徑。
[0123] 將規格內（in-spec)流導入罐28。為此，濾液流線26分為規格內流線44和規格 外流線46,通過各自的閥48和50來控制經過這些線的流動。使用油監控儀52監控汙染 物（在本申請中為烴類，通常為油）的程度。啟動閥48和50以響應油監控儀閱讀。如同 通過油監控儀52所測定的，當流線26中濾液27的油汙染物的比例降低至所需規格範圍內 時，可啟動閥48和50以將濾液27導入規格內線44並由此進入成品油罐28。
[0124] 原料流體36流動方向的轉換的另一選擇是基於時間轉換流動。轉換間的時間間 隔可考慮以下各個參數來確定，包括：原料流體36中汙染物的比例；汙染物的組成；汙染物 材料的平均尺寸（對於流體，為平均液滴尺寸；且對於固體顆粒，為平均顆粒尺寸）；容積和 經過過濾模塊12a的預期流量；原料流體36的輸入壓力和/或流速；或甚至這些或其他合 適參數的組合。此外，可基於預定時間間隔期滿或測定參數（其選自上組）的預定變化的 出現來首先實現轉換。如上所述，汙染物水平對於轉換流動方向是重要的參數。
[0125] 現更詳細地描述過濾模塊12a的結構及其在本發明的第一方面的方法中的用途。
[0126] 再次參見圖2至5,過濾模塊12a包括外殼54a，其限定過濾室14a。20個過濾元 件18a的每一個都位於過濾室14a內且通過第一端板56a和第二端板58a支撐。過濾元件 18a是伸長的，且放置為基本上平行於過濾模塊12a的主軸60a。圖3示出過濾元件18a的 第一端62a，其從第一端板56a的平面突出；以及第二端64a，其從第二端板58a突出。在 圖2至5示出的敞開的圓柱形膜單元中，合適材料的0環形密封用於防止過濾元件和端板 56a和58a之間的洩漏。中空的過濾元件18a通常為合適材料的多孔膜。然而，其他材料 也是合適的。例如，過濾元件18a可以是塑料材料，其可以是聚合物材料。使用陶瓷材料用 於膜18a的一個優點是在過濾元件的孔被烴類沉積物阻塞的情況下，可從模塊14a移出過 濾元件並將其放置在乾燥爐中，以加熱過濾元件並燒掉烴類沉積物。過濾模塊12a具有兩 個入口 66a和68a、兩個出口 70a和72a。過濾室14a分為端部74a和76a、主要中心部分 78a。入口 66a通往端部76a，且出口 70a通往端部。入口 68a和出口 72a都通往主要中心 部分78a。如下所述，在使用中，使用合適的閥控制經過對應的入口 66a/68a和對應的出口 70a/72a流進和流出過濾模塊的流體的流動。
[0127] 圖4示出流體以順流方向流動的過濾模塊12a。將含有汙染物的原料流體36經由 入口 66a泵入過濾模塊12a中，如圖4的箭頭20所示。關閉第二入口 68a。流出過濾模塊 12a的主流是經過出口 72a，少量的錯流經由出口 70a滲出所述模塊。閥控制流經出口 72a 和70a的比例，且在順流方向中，通常為至少90%的流體經過出口 72a。原料流體36進入 過濾室14a的端部76a，並流入中空過濾元件18a的中心空隙24a。當以錯流滲出流的流體 比例僅達到進入過濾模塊的流體體積的約10%時，大部分（至少約90%)流體呈放射狀向 外流出，經過過濾元件18a的壁22a。
[0128] 在通過過濾元件壁22a期間，從原料流體20過濾掉汙染物材料。起初，以及直至 汙垢層積累在過濾元件18a的內表面30a上時，通過形成過濾元件18a的材料的孔徑尺寸 確定汙染物的過濾。換言之，通過孔徑尺寸確定被過濾掉的汙染物的最小尺寸。將初始濾 液導入規格外線46。然而，隨著汙垢層的積累，較小尺寸的汙染物將會被過濾掉並導入規格 內線44中。濾液流入過濾室的主要中心部分78a，其通常指"圓環域（annulus)"。這是元 件18a之間以及元件18a和外殼54a之間的空間。因此從不同的過濾元件18a流出的濾液 合併在圓環域78a，並且其經由出口 72a離開過濾模塊12a。然而，錯流滲出流經過過濾元 件18a的中心空隙24a，並從過濾元件的上端62a流出至過濾室的端部74a。由此來自不同 過濾元件18a的滲出流合併，並經過出口 70a流出過濾模塊12a。
[0129] 圖5示出以逆流方向流經模塊12a的流體。在這種情況下，將原料流體36經過入 口 68a導入過濾模塊12a中，如通過箭頭20所示，並關閉入口 66a。布置控制流經出口 70a 和72a的閥，使得來自過濾模塊12a的流體的主流（至少約90% )經過出口 70a，同時錯流 滲出流（多達約10% )經過出口 72a。由此原料流體20導入至圓環域78a，且當主流經過 出口 70a時，原料流體流經各個過濾元件18a的壁22a並進入中心空隙24a。對於順流方 向，通過過濾元件的孔徑尺寸確定初始過濾，直至汙垢層積累在過濾元件18a的外表面32a 上。濾液流經中心空隙24a並進入過濾室的端部74a，其中濾液流合併並經由出口 70a流 出過濾模塊12a。以錯流滲出流流動的流體經過圓環域78a，且經由出口 72a離開過濾模塊 12a。視需要，在順流方向和逆流方向之間轉換濾液流，如以下更詳細地描述。
[0130] 在以上所述的現有方法和系統類型中，避免汙垢層形成在過濾元件上已成為明確 的目標。因此，在現有的方法/系統中，通常引導錯流滲出流以相對高的速度穿過過濾元 件。在本發明中，本發明人已認識到汙垢層的形成可以有益於汙染物的有效過濾。特別是， 可以製備孔徑相對大的過濾元件18a，事實上大於期望從原料流過濾的液滴/顆粒的尺寸。 這提供了經過過濾模塊12a的相對高的流量。汙垢層的形成還將導致從原料流體36有效 地過濾液滴/顆粒，其具有比過濾元件18a更小的尺寸。在本發明的一個方面，通過引導 以錯流滲出流流動體以不大於約4m/s流動來促進汙垢層的形成。這尤其適用於含水流體。 除了被量化的特定因素（速度，雷諾數等）之外，適用一般的流動條件（包括速度和湍流的 程度）以促進汙垢層的形成以及抑制汙垢層的除去。同樣，在現有的方法和系統中，特別期 望布置以錯流滲出流流動的流體以湍流剖面流動，以抑制汙垢層的形成。本發明人已認識 到布置經過過濾元件18a的錯流滲出流以層流剖面流動是有益的，因為這促進汙垢層的形 成。至少對於含水流體而言，這可以通過布置所述流體以錯流滲出流流動使得其具有不大 於約2500的雷諾數來實現。
[0131] 而且，在現有的方法和系統中，特別期望錯流滲出流保持為原料流中流體總體積 的儘可能低的比例（小於5%，且通常為約1% )。如此的目的是為了使經過過濾元件的流 量即吞吐量最大化。本發明人已經認識到，引導相對大比例（通常為原料流中流體總體積 的至少5%)的原料流體36沿錯流滲出流穿過過濾元件18a是有益的。特別是，相比現有 的方法和系統，這提供了調節過濾方法以適應該方法的特定要求的更大的自由。例如，這 可以提供調節該方法的更大的能力以考慮流體性質的變化、經過過濾模塊12a的容積和流 量、和/或汙染物的性質例如速度和顆粒尺寸。
[0132] 此外，在現有的方法和系統中，使用含有相對小的孔徑尺寸的過濾元件，通常為 0. 2-4微米，且常常為0. 2微米。通過尺寸排除法進行過濾，分離的液滴/顆粒具有比過濾 元件的孔徑更大的尺寸。而且如上討論，特別教導了應該避免形成汙垢層。本發明人已經 認識到汙垢層的形成能夠使得使用的過濾元件18a具有較大的孔徑尺寸，導致經過過濾模 塊12a的更大的流量。已確定不小於約4微米的合適的孔徑是特別有益的。使用這類過濾 元件18a的方法包括控制穿過過濾元件18a的錯流滲出流的一個或多個參數以促進汙垢層 的形成。用這種方式，通過過濾元件本身（由孔徑尺寸確定）和汙垢層的組合來實現汙染 物材料的過濾。
[0133] 現參見圖6,示出說明根據本發明的另一實施方案的過濾裝置100的操作的框圖。 過濾裝置100是示範裝置，基於來源於試驗裝置10的測試結果（其將在下文中討論），按照 與圖1的試驗裝置10相關的上述原理進行構建和操作。示範裝置100中與圖1至5的試 驗裝置10類似的部件具有與其相同的參考標號加上100的參考標號。
[0134] 在這種情況下，示範裝置100包括過濾模塊112的兩個陣列179、180,每一陣列包 含兩個模塊。所述模塊都具有參考標號112並分別加上其後綴"a"至"d"。下文中僅詳細 地描述了第一陣列179。
[0135] 在這種情況下，原料流線138將含汙染物的原料流體供應至陣列179和180。分支 83和84與原料流線138相通，用於將流體供應至對應的陣列179和180。分支83分為順 向和逆向供料線85和86,用於根據所需的流向將原料流體供應至模塊112a和112b。通過 各自的閥87和88控制經過所需供料線85和86的流量。示出過濾模塊112a的入口 166a、 168a和出口 170a、172a。所述裝置100還包括濾液流線126,其提供了來自兩個陣列79和 80的共同出口。濾液流線126分支為規格內線144和規格外線146。通過閥89和90控制 流至規格內線144或規格外線146的流量。濾液分支91和92分別將來自陣列179和180 的流體供應至濾液流線126。再者，考慮到僅僅是陣列179,且特別是模塊112a，取決於以 順向流動還是逆向流動，出口線93和94將濾液引導至分支91中並進入流線126中。出口 線93和94還可以與接受錯流滲出的稀釋滲出線95相通。通過成對閥96、97和98、99來 控制流入濾液流線126或稀釋滲出線95的流體流量。
[0136] 過濾裝置100特別是陣列179的過濾模塊112a的操作如下。在順流方向中，關閉 閥88並打開閥87,從而引導原料流體從分支83進入順流供料線85。由此原料流體經由入 口 166a進入過濾模塊112a並流經包含在過濾室114a的過濾元件（未示出）。濾液經由出 口 172a離開過濾室114a並進入出口線93。穿過過濾元件的錯流滲出流經由出口 170a離 開過濾室141a並流入出口線94。通過閥96至99控制經過出口 170a(錯流滲出流的）和 172a (濾液的）的流量。
[0137] 特別是，在順流方向中，打開閥96並關閉閥97。用這種方式，經由出口 172a離開 過濾室114a的濾液流入出口線93,通過閥96並最終進入濾液流線126。關閉閥98並打開 閥99,使得出口線94中的錯流滲出流流入稀釋滲出線95中。通過控制閥31和32的位置 來測定濾液和錯流滲出流的比例。可選地，通過控制閥96和99的閥片（未示出）的驅動 位置來測定濾液和錯流滲出流的比例。
[0138] 在逆向流動中，關閉閥87並打開閥86,使得原料流體經由入口 168a進入過濾室 114a。然後濾液經由出口 170a離開過濾室114a，且錯流滲出流經由出口 172a離開過濾室。 現關閉閥96並打開閥97,使得濾液從出口線94流至濾液流線126。關閉閥99並打開閥 98,從而將錯流滲出流通過閥98引導至稀釋滲出線95。在順流方向和逆流方向流動中存在 卸料循環（dump cycle)。在逆向流動的第一階段，將流體傳送至規格外線46。在以該方向 繼續流動並形成汙垢層後，根據測定的參數（時間）所確定的，將濾液27引導至規格內線 44。
[0139] 濾液裝置100還包括排出管線11。需要時，可以使用有合適的化學添加劑的清洗 液對各個模塊112的過濾元件進行就地清洗（CIP)。CIP罐13含有清洗液，其可以視需要 被泵入各個過濾模塊112中。提供油濃度監控儀（OCM) 152,其與濾液流線126通過OCM線 15和閥17相通。提供清潔水校準輸入線19以用於供應清潔水，用於校準的目的。主泵21 將原料流體供應至陣列179和180。第二泵23與CIP罐13相通並在需要時將清洗液供應 至陣列79和80。可用清洗液以順向流動和逆向流動來進行CIP操作。應理解提供了各個 不同的閥用於根據以下來控制流經過濾裝置100的流體：順向流動還是逆向流動；CIP是否 進行；和/或在過濾過程中進行其他期望的步驟。這類閥在本文中不會詳細描述，但示出於 框圖中。本領域技術人員容易理解如何操作各個閥以控制流量。
[0140] 現參考圖7、8和9,分別示出根據本發明的另一實施方案的全尺寸過濾裝置200的 一部分的正視圖、平面圖和側視圖。基於來源於試驗裝置和示範裝置的測試結果（如下所 討論），按照與圖1和6的試驗裝置10和示範裝置100相關的上述原理構建並操作過濾裝 置200。裝置200中與圖1的裝置10和圖6的裝置100類似的部件具有相同的參考標號分 別加上200和100的參考標號。
[0141] 示出過濾裝置200的單元25,其包括過濾模塊的四個陣列279、280、281和282， 每個陣列包括三個過濾模塊212。在該實施方案中，每個過濾模塊212包括20個過濾元件 (未示出）。視情況，過濾元件212具有後綴"a"至"1"。所述過濾裝置是模塊化的且可以 包括任意期望的數目個單元25。為了減小裝置200的封裝，可以以較大的裝置垂直堆疊模 塊212。所述全尺寸裝置200是模塊化的，其由標準的撬裝單元25組成，每個包含20個膜 模塊212,且其容量介於300-1500m3/h之間，其取決於所需的最終油水平、膜安裝的類型、 原料流組成和其他工藝變量。圖中示出20個模塊單元25的總布置。在示出的實施方案中， 該封裝為約2. 5mX8. 5m，如果如圖所述堆疊模塊212,則得到約5. 8m的高度。設計用於容 量為1200m3/h的裝置例如含有三個或四個這樣的標準單元25。需要四個單元25用於保守 設計，同時從示範裝置測定最低流量，得到油水平小於l〇mg/l。
[0142] 現轉向圖10和11，示出根據本發明的另一實施方案的過濾模塊的示意性縱向截 面圖，過濾模塊通常用參考標號312表示。過濾模塊構成過濾裝置（未示出）的一部分，例 如圖1所述的裝置，其中提供許多模塊312代替模塊12。模塊312中與圖1至5的模塊12 類似的部件具有相同的參考標號加上300的參考標號。
[0143] 圖10和11示出在本發明的過濾汙染物的方法中經過模塊312的流體的不同流動 方向，圖10示出順流方向且圖11示出逆流方向。過濾模塊312包括至少一個過濾元件，且 在示出的實施方案中包括5個這樣的過濾元件318。在該實施方案中，過濾元件318通常為 平板形式。模塊312限定含有過濾元件318的過濾室314,且具有許多個一級流量孔67a和 67b，其可以布置為將原料流體導至過濾室314或將濾液導出過濾室，如下所述。模塊312 還具有許多個次級流量孔69a和69b，其可以關閉或打開以允許滲出流流動。
[0144] 由圖可知，布置過濾元件318使其限定許多個流道378,其用於經過過濾室314的 滲出液的流動，如下所述。在圖10的順流方向中，將原料流體320經由一級流量孔67a導 入至過濾室314。原料流體320穿過每個過濾元件318的壁322朝向一級流量孔67b，使得 在經過過濾元件318的期間過濾掉汙染物。
[0145] 附圖中經過過濾元件318的壁的流動可以是向上或向下的方向，即經過限定通道 的過濾元件，其中來自每個孔67a的原料流流入該通道。
[0146] 濾液經由一級流量孔67b離開過濾室314。參考濾液320的向上/向下流動，應理 解這取決於過濾模塊312的方向。在順向流動期間，打開次級出口 69b (或部分打開，視需 要）以允許一定比例的原料流體320以錯流滲出流流經通道378。如上所述，控制該比例以 促進汙垢層的形成。此時關閉次級出口 69a。
[0147] 還可引導原料流體320以逆流方向經過過濾模塊312,如圖11所示。如上所述，期 望這會清除順流方向流動期間形成在過濾元件312的第一表面或上表面330上的汙垢層。 在逆流方向中，將原料流體320經由一級流量孔67b導入過濾室314中。附圖中原料流體 320以向上或向下方向穿過每個過濾元件318的壁322,使得在通過過濾元件318期間過濾 掉汙染物。濾液經由一級流量孔67a離開過濾室314。再者，參考濾液320的向上/向下流 動，應理解這將取決於過濾模塊312的方向。在以逆流方向流動期間，打開次級出口 69a (或 部分打開，視需要）以允許一定比例的原料流體320以錯流滲出流流經通道378。再次，控 制該比例以促進汙垢層的形成。同時關閉次級出口 69b。
[0148] 由上可知，應理解通道378交互為滲出通道和濾液通道。在圖10中，離開孔69b 的通道378是滲出通道，而離開孔67b的通道378是濾液通道。在圖11中，離開孔69a的 通道378是滲出通道,而離開孔67a的通道378是濾液通道。
[0149] 視需要，可將流動轉換為順流方向以清除逆流方向流動期間形成在過濾元件312 的第二表面或下表面332上的汙垢層。按照圖1至9相關的上述原理所需要的，可進行其 他轉換，以及進行卸料循環。
[0150] 現討論試驗裝置10、示範裝置100和全尺寸裝置200的構建和操作的一般情況。
[0151] 在裝置10、100和200中，通過使水穿過陶瓷膜元件（例如敞開的圓柱體）實現從 水原料流分離油和粉末。採用終端過濾法所有的水原料流可穿過所述膜元件的的壁。然 而，可在一端對所述膜元件進行局部限制，使得大部分水流經所述壁，且一些以錯流滲出流 流動。可優選引導水原料流的至少5%、可選地為5%和10%之間或更多以錯流滲出流流 動。將一組膜元件（通常為19個或20個膜，但可根據具體的設計進行變化）安裝在模塊 中。將模塊配製為使得水以兩種方向中的一種流動（通過合適的閥控制）。在以第一（順 流）方向流動中，進入模塊的水流入圓柱形元件的中心空隙，經過壁，並向外流至每個元件 的圓環域。將元件的圓環域中的流合併至模塊中，並且作為濾液流流出模塊。這就是供料 水，通過元件的壁已從其除去（過濾）油和粉末。然而，應注意汙垢層可以透入表面層達到 一定程度，使得過濾效果不僅是表面效果。
[0152] 可布置少部分的供料水至每個元件（通常為零以上至10%，但在一些情況下高於 10% )，使得其不穿過壁，但直接穿過中心空隙並流出元件。這就是經過所述膜元件的錯流 滲出流。收集來自每個元件的錯流滲出流並將其合併至模塊中，並作為被稱為"濃縮液"的 流流出模塊。在濃縮液流中收集通過所述膜元件從水分離的油和粉末，所述濃縮液流以比 供料流高很多的濃度流至模塊。
[0153] 在第二（逆向）流動方向中，進入模塊的水流入所述膜元件周圍的圓環域，經過所 述元件的壁，並進入中心空隙。將來自中心空隙的流合併並作為用於逆流方向流動的濾液 流流出模塊。可布置少量的水（〇. 5-10% )使得其不穿過所述壁但穿過所述元件的圓環域。 這就是用於逆向方向流動的錯流滲出流。將所述錯流滲出流合併至模塊中並作為用於逆流 方向流動的濃縮液流流出模塊。
[0154] 所述膜元件的孔徑尺寸通常為1-30微米（已使用15微米的膜元件進行測試工 作），且優選為至少約4微米。所述孔徑尺寸可以大於待除去的油液滴和粉末的尺寸（例如 可通過孔徑尺寸為15微米的元件除去尺寸為1微米的液滴和粉末）。通過以下兩種機制可 實現過濾：（1)對尺寸大於膜孔徑尺寸的液滴和粉末進行物理拋棄；（2)在所述膜表面上形 成汙垢層，這導致對尺寸小於孔徑尺寸的液滴和粉末的拋棄。
[0155] 通過在順流方向和逆流方向之間順序地改變供料流流至模塊的方向。通過以下順 序實現處理：使供料水進入設置為順向流動的模塊。當水穿過所述膜元件時，油和粉末的汙 垢層積累在所述膜壁的表面上。形成汙垢層而不論液滴和粉末的尺寸如何，甚至當尺寸小 於所述膜的孔徑尺寸時。粉末沒有必要存在於供料中，只有油會形成該汙垢層。立即對尺 寸大於所述膜孔徑尺寸的液滴/粉末進行過濾。當形成汙垢層時，對尺寸小於孔徑尺寸的 液滴/粉末進行過濾。
[0156] 監控濾液並將其自動傳送到規格外排放流直至汙垢層形成並達到處理所需的程 度。規格外流通常路由返回至供料流。當汙垢層充分積累使得實現所需的處理時，將濾液 傳送到規格內排放流。汙垢層積累的時間通常介於5秒和2分鐘之間。通常就濾液中懸浮 的（分散的）油水平（其可以自動測定）限定處理所需的程度；但是根據應用可以其他方 式例如濾液中的粉末或特定組分的濃度來限定處理要求。然後以順流方向繼續過濾。將濾 液通過規格內線（用於處理水的排出）排出。
[0157] 錯流滲出流（濃縮液流）通常返回至供料流，但可以分離以回收油。當進行過濾 時，隨著汙垢層變厚，經過所述膜的流速（流量（flux))通常會降低。當流量降至預定值或 在預定時間間隔後，流動方向從順流改變為逆流。當逆向流動時，通過水的逆向流動來除去 所述膜壁上的汙垢層，並且在卸料循環期間將其從所述模塊衝洗掉。在該循環中，用於逆流 方向流動的濾液流被傳送至規格外排放流。卸料循環的持續時間通常介於5秒和10分鐘 之間，取決於供料水的性質。
[0158] 在卸料循環期間，在所述膜元件的外壁（圓環域側面）上形成新的汙垢層。在卸 料循環後繼續逆向過濾。當汙垢層已充分積累至達到處理（其在卸料循環期間或卸料循環 後的期間）所需的程度時，將濾液流從規格外轉換至規格內排放流。逆向過濾模式的處理 繼續進行預定的期間或直至逆向流動的流量降低至預定的值。然後將流動方向改變回順向 流動，並且重複如上所述的事件的順序。然後在順流方向和逆流方向之間繼續進行自動相 繼的逆向過濾。
[0159] 在運行該裝置數個順向和逆向循環後，在一些情況下，在以逆向流動除去後流量 並沒有恢復至可接受的值。如果發生這種情況，進行自動的就地清洗（CIP)操作。使所述模 塊脫機並使用清洗液（清洗液可以是清潔水、清潔劑或苛性鹼溶液或部分處理濾液）代替 供料水進行多個順向和逆向循環的一個。如此的目的是為了除去所述膜元件的內表面和外 表面上的汙垢層，通過以順流方向和逆流方向的卸料循環並沒有及時完全地將其除去。CIP 操作將流量恢復至可接受的值。通常順序地使各個模塊脫機以用於CIP，使得其他模塊繼續 處理供料水；因此沒有中斷該處理。通過以下操作參數確定處理的程度、濾液的流速、濃縮 液流速和CIP的頻率：選擇的膜元件的類型（孔徑尺寸）；順流、逆流和卸料循環的持續時 間；錯流滲出流流速以及跨膜壓（即，跨過所述膜元件的壓降）。通過對供料水的每種類型 調整這些參數來優化該方法。該方法是使用特定製造商提供的陶瓷膜開發的，但是其原理 獨立於特定製造商的膜。該方法在油氣開發和生產工業的領域中具有特殊的效用，但可以 延伸至包括不同工業中水或其他類型流體的處理。該方法的顯著特徵如下。
[0160] 通過以順流方向和逆流方向的膜元件來進行過濾（通過從空隙向外流動以及從 圓環域向內流動進行過濾）。
[0161] 通過孔徑尺寸（用於分離較大的液滴/顆粒）和形成可逆的汙垢層用於除去具有 比所述膜孔徑尺寸小的液滴和粉末的聯合效果來進行過濾。
[0162] 順序地逆轉流動方向以周期性地除去汙垢層，且因此保持高的總流量。這是相比 傳統的終端過濾法（其中使過濾系統脫機用於衝洗或其中使用一次性濾液）的改進。
[0163] 以較低的流速使用錯流滲出流，其控制所述膜模塊中油/粉末的濃度（在分別用 於順向和逆向的空隙或圓環域中）。
[0164] 濃縮液中油水平的控制提高了過濾效率；如果允許該濃度提高至非常高的值，則 濾液中的油水平增加。
[0165] 使用低的錯流滲出流流速，使得錯流流速並不是如此高，以至於阻止汙垢層的形 成。低的錯流流速還降低了泵的尺寸，並且相比於傳統的錯流過濾法，這減少了方法的操作 成本。在錯流微過濾中，流速（錯流流速）較高，因為該方法的本質是阻止汙垢層的形成 (由於存在尺寸排除過濾法）。本發明的方法促進使用孔徑尺寸大於可被除去的液滴和粉 末的尺寸的膜。這提供了以下益處。
[0166] 相比基於尺寸排除法如錯流微過濾（即孔徑小於待除去的液滴/顆粒），流量較 高。錯流微過濾中的流量通常為200-4001/m2/h，而本發明的發法中的流量為800-20001/ m2/h。因此對於給定的容量（過濾速度），該方法具有較小的膜面積，由此降低了裝置成本 和裝置尺寸。
[0167] 由於所述膜的孔徑大於次微米和微米尺寸固體顆粒（粉末）的尺寸，這阻止所述 膜的不可逆的汙垢（尤其是位於膜基質內的汙垢，膜基質與表面汙垢層相反）。通過逆向 流動或CIP操作不能除去不可逆的汙垢。不可逆的汙垢是其他過濾方法（例如錯流微過濾 法）中的問題，其不能利用汙垢層。
[0168] 使用連續的逆向流動以使所述膜再生（除去汙垢層）意味著該處理是連續的，僅 在卸料循環期間有短暫的中斷。
[0169] 連續的CIP操作，依次採取脫機的模塊，使得該方法能沒有中斷地進行。
[0170] 使用用於該系統的陶瓷膜代替傳統的聚合物膜使得該方法通過高水平的油抵抗 不可逆的汙垢。例如，如果整潔的原油進入該裝置，則可通過正常的CIP操作來恢復所述陶 瓷膜。然而，在其中通過油的不可逆的汙垢不是風險時，該方法的操作原理與相關的益處與 用於聚合物膜系統的相同。
[0171] 測試結果-背景
[0172] 按照與圖1至5相關的以上概述的原理構建實驗室規模的試驗裝置10。用一些陶 瓷膜（過濾）元件18以介於3-1000升/小時的流速操作該裝置。從這些研究中選擇最合適 的膜類型，並且優化關鍵的方法參數。使用已製備以刺激典型的油田採出水的化學組成和 液滴尺寸分布的合成烴類/水混合物來進行該工作。該試驗裝置並不以與全尺寸裝置完全 相同的方式操作，因為沒有為該試驗提供足夠量的測試水；因此用模型研究補充試驗性測 定以預估全尺寸裝置的性能。試驗裝置試驗顯示分散的油水平可從500mg/l的起始水平降 低至5-15mg/l (取決於操作條件）。合成採出水樣的總分散油水平為500mg/l，平均（通過 數目）油液滴尺寸為2μπι。所選的膜類型的流量可以從90001m-2h-l (起初）變化至飽和時 的20001m-2h-l (相比用於實現除去可比的油的錯流膜，其流量通常為200-3501m-2h-l)。
[0173] 由於該方法是模塊化的，按比例增加裝置相對簡單，並且用與全尺寸裝置中使用 的相同的膜（過濾）元件來構建試驗裝置。然而，相比實際樣品，合成採出水的性質是不確 定的，尤其是對於更高分子量OC40)烴類的存在和採出水的表面活性劑性能。
[0174] 從試驗裝置測定獲得的數據用於為大尺寸示範裝置100的設計作準備，該示範裝 置100是按照與圖6有關的上述原理構建且尺寸為用水的容量為高達100m3/h。
[0175] 來自示範裝置試驗的結果顯示其比從試驗裝置試驗獲得的除油效果稍微好，其典 型的最終水平為l〇mg/l以下，但最終（飽和）流量稍微低至1250-17001m-2h-l。這可能是 由於水中C20-C4烴類的存在導致的，這表明一些預處理的益處；但是較低的流量還可能是 由於供應中間歇的油段塞（oil slug)的存在導致的。
[0176] 基於從示範裝置測定獲得的數據，已準備了相當的全尺寸裝置設計，這表明其膜 面積比傳統的現有錯流膜小於約4-9個因數，相應地減低了泵送成本。該裝置封裝還是傳 統的錯流裝置的約50%。
[0177] 本發明的方法是使用陶瓷微過濾膜的混合的終端過濾法和錯流過濾法。通過陶瓷 膜和許多其他過濾法中共有的汙垢層的聯合作用來除去分散的烴類和固體。開發所述膜和 操作規程使得所述膜和汙垢層的聯合作用在用清潔膜開始操作約60-100秒內達到處理的 所需程度。
[0178] 試駘裝置研究
[0179] 如上所述，圖1示出了試驗裝置10的輪廓。流程圖與終端過濾系統的實質上相同， 但具有額外的閥門以包括錯流特徵。膜模塊12的尺寸從40mm直徑X 700mm變化為IOOmm 直徑X 1200_，取決於膜類型。試驗裝置中所述膜元件18與示範裝置中使用的相同。
[0180] 使用內嵌油的水中檢測器（in-line oil-in-water monitor)(折射指數）52測定 處理的水流中分散的油。還可使用60m毛細管柱（聚乙二醇）通過氣-液色譜法和火焰電 離檢測對供料和處理的水進行烴類分析。
[0181] 操作試驗裝置10以研究改變最終油水平和膜流量上的關鍵工藝參數的效果，並 且以優化有關處理能力和處理的水質量的這些參數。這些關鍵參數是供料流速、跨膜壓、錯 流流速以及逆向衝洗頻率（如上還被稱為卸料循環）。
[0182] 準備採出水樣以得到在含1%氯化鈉的水中總油濃度為500mg/l。研究數種方法 以準備代表性的液滴-尺寸分布，包括攪拌和高剪切泵送。發現高倍率離心泵準備了最有 代表性的分布，其中中值的液滴尺寸朝向對於採油廢水報導的範圍的較低端。按數目的平 均液滴尺寸為2.07 μ m。用於比較，確定來自國內油田設備的採出水樣的液滴尺寸分布。按 數目的平均尺寸為2.62μπι，稍微高於合成樣品的；且油濃度為266mg/l。由於這提供了該 方法的最苛求的試驗，因此使用高倍率離心泵準備油分散劑以用於所有試驗裝置試驗。
[0183] 圖12和13中示出被考慮的兩種膜類型的典型的試驗裝置結果，其顯示隨時間的 操作膜流量和處理的採出水中的油水平以及作為跨膜壓的函數。第一膜類型在流量從800 變化至2001/m2/h時達到最終油水平為5mg/l以下。第二膜類型（圖13)的最終油水平從 5mg/l達到15mg/l (取決於操作參數），同時流量從初始值9000降低至飽和度約20001/m2/ h〇
[0184] 示範裝置研究
[0185] 基於從試驗裝置10測定中確定的關鍵設計參數來設計示範裝置100。該裝置被設 計為用水的容量為高達100m3/h，以及用於半自動操作。供料泵產生2. 5巴的壓強，且該裝 置被設計為跨膜壓為〇. 2-2. 5巴。最高操作壓強為10巴，這允許採出水供給壓力為0-7. 5 巴。該裝置含有總膜面積為10m2的四個膜模塊。
[0186] 最初從油水分離器至採出水存儲罐的傳輸管線獲得採出水供給（在回注前）。該 流還含有來自油加熱器的水底流。在由上遊工藝異常產生的採出水中遭遇油段塞的困難。 進行了通過阻止加熱器底流以防止油段塞進入該裝置的嘗試。然而，這並不會消除該油段 塞。當油段塞阻止該裝置連續操作時，試驗證明該膜能忍受整潔的油且使用就地清洗步驟 能夠容易地再生成膜。這些是相對於現有的聚合物膜技術的顯著的優點。
[0187] 改變該方法配置，使得供應至裝置200的採出水取自回注的存儲罐。這降低了油 段塞的風險並允許該裝置被操作延長的時間。調整主要的工藝參數以優化該方法，並且以 定量有關處理的採出水中油水平、最大流量、循環次數、清洗間隔和其他操作參數的工藝性 能。
[0188] 圖14給出了在最佳的一組條件下日常操作的典型結果。該圖表顯示處理的水中 分散的油水平返回至採出水存儲罐。顯示對於兩種跨膜壓（TMP)的結果：可知，較低的TMP 給出較低的最終油水平，而隨著TMP的降低所述膜流量降低。
[0189] 結果顯示，示範裝置100比從試驗裝置10測定中確定的結果達到稍微好的最終油 水平。達到的最低油水平為6mg/l，且在較低的TMP時該水平通常低於10mg/l。入口油水 平通常介於60和100mg/l之間，且峰值高達250mg/l並具有偶爾的油段塞。通常，相比用 於試驗裝置試驗的合成汙水，觀察到的通過示範裝置除油的改進可能是供料中較低油水平 的結果。
[0190] 發現示範裝置中的膜流量稍微低於試驗裝置研究和模型運算中預測到的。然而， 該流量比現有的錯流微過濾方法高4-9個因數。由於上遊工藝異常仍導致偶爾的油段塞和 周期性地非常高的入口油水平，因此在長期試驗中遇到困難。本發明的方法因此允許更高 的流量和穩定的採出水供應以及油段塞的缺乏。
[0191] 隨後用流速高達100m3/h的採出水進行示範裝置試驗。該試驗證明上述方法的效 果：原料流油水平高達lOOOppm，固體水平高達lOOppm，液滴和顆粒尺寸為1微米至100微 米，且油API比重度數為14和36。從這些試驗獲得的流量較高，高達25001/m2/h。在這些 試驗中始終達到濾液油水平小於IOppm和固體水平小於lOppm。
[0192] 全尺寸裝置設計和經濟數據
[0193] 對於300m3/h至2400m3/h範圍的設計案例，使用從示範裝置100 (圖6)試驗的結 果準備用於全尺寸裝置200的方法和裝置設計（圖7-9)。從示範裝置100數據按比例增大 到較大尺寸裝置是簡單的，因為在所有尺寸的裝置中都使用了相同的膜模塊。現有的錯流 裝置中的大部分投資成本是膜模塊的成本；因此本發明的方法所需的較少的膜面積反映在 預期的裝置成本中。對於1200m3/h的情況，本發明的方法（"SRCF法"）和現有的錯流法 的比較成本在下表中給出。
[0194]
【權利要求】
1. 一種從流體過濾汙染物的方法，其特徵在於：所述方法包括以下步驟： 將含汙染物的原料流體導入含至少一個過濾元件的過濾室內； 使導入所述過濾室內的至少一部分原料流體以以下方向的一種流動： A. 順流方向，其中所述流體以第一方向經過所述過濾元件的壁；以及 B. 逆流方向，其中所述流體以第二相反的方向經過所述過濾元件的壁； 將濾液導出所述過濾室並進入濾液流線用於收集； 隨後使導入所述過濾室內的所述原料流體以順流方向和逆流方向中的另一種方向流 經所述過濾元件，以從所述過濾元件的壁表面除去汙染物材料； 在通過所述流體以順流方向和逆流方向中的另一種方向除去所述汙染物材料後，繼續 引導使原料流體以另一種方向經過所述過濾元件的壁，從而在以另一種方向流動期間從所 述流體過濾掉汙染物；以及 之後除去所述汙染物材料，將以另一種方向流經所述過濾元件的壁所產生的濾液導出 所述過濾室並導入所述濾液流線用於收集。
2. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於：包括監控至少一個參數的另一步驟，以及可 選地在監測到所述至少一個參數的預定變化時，採取以下步驟：使所述原料流體以順流方 向和逆流方向的另一種流經所述過濾元件的壁。
3. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於：包括可在預定時間後進行布置使所述原料 流體以順流方向和逆流方向的另一種流經所述過濾元件的壁的步驟。
4. 如權利要求2所述的方法，其特徵在於：包括使所述原料流體以順流方向和逆流方 向的另一種流經所述過濾元件的壁的步驟在以下情形時首先進行：監測到所述至少一個參 數的預定變化時；和預定時間期滿時。
5. 如權利要求2或4所述的方法，其特徵在於：所述參數是經過所述過濾元件的流量， 在監測到流量達到預定臨界水平時，使原料流體以另一方向流動。
6. 如權利要求2或4所述的方法，其特徵在於：所述參數是濾液中汙染物的濃度，汙染 物濃度的增加表明性能退化，這需要改變流動的方向以清潔所述過濾元件的壁表面。
7. 如前述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於：包括使導入所述過濾室的至少 一部分原料流體以順流方向和逆流方向的一種流經所述過濾元件的壁，以及使導入所述室 的所述原料流體的剩餘物以錯流滲出流經過所述過濾元件並進入滲出流線。
8. 如權利要求7所述的方法，其特徵在於：其中所述流體以錯流滲出流流經所述過濾 元件的速度不大於約4m/s，這有利於在所述過濾元件的表面上形成汙染物材料的汙垢層， 從而藉助於所述過濾元件和所述汙垢層組合實現了其它汙染物材料的過濾。
9. 如權利要求7或8所述的方法，其特徵在於：使以錯流滲出流流經所述過濾元件的 原料流體的體積為所述原料流體總體積的至少約5%。
10. 如權利要求7-9中任一項所述的方法，其特徵在於：使以錯流滲出流的所述流體以 層流剖面流動，以促進汙染物材料的汙垢層形成在所述過濾元件的表面上，從而藉助於所 述過濾元件和所述汙垢層的組合實現其他汙染物材料的過濾。
11. 如權利要求7-10中任一項所述的方法，其特徵在於：所述原料流體是含水的，並且 將所述流體布置為以錯流滲出流流動，使雷諾數不大於約2500,以促進汙染物材料的汙垢 層形成在所述過濾元件的表面上，從而藉助於所述過濾元件和所述汙垢層的組合實現其他 汙染物材料的過濾。
12. 如前述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於：將含有汙染物的原料流體導 至過濾室內的步驟包括：將所述原料流體導至含有至少一個過濾元件的過濾室內，所述過 濾元件具有用於從所述原料流體過濾汙染物的多個孔，所述孔的孔徑不小於約4微米；控 制所述錯流滲出流的一個或多個參數以促進汙垢層形成在所述過濾元件的表面上，從而通 過所述過濾元件和所述汙垢層的組合實現汙染物材料的過濾。
13. 如前述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於：所述至少一個過濾元件是中 空的，並且其中所述方法包括使導入所述過濾室的至少一部分原料流體以以下方向的一種 流動： A. 順流方向，其中所述流體以第一方向從所述元件的內部經過所述過濾元件的壁到所 述過濾元件的外部；以及 B. 逆流方向，其中所述流體以第二相反的方向從所述元件的外部進過所述過濾元件的 壁到所述過濾元件的內部。
14. 如權利要求1-12中任一項所述的方法，其中所述至少一個過濾元件通常為具有相 反的第一表面和第二表面的平板形式，並且其中所述方法包括使導入所述過濾室的至少一 部分原料流體以以下方向流動： A. 順流方向，其中所述流體以第一方向從第一表面經過所述過濾元件的壁朝向第二表 面流動；以及 B. 逆流方向，其中所述流體以第二相反的方向從第二表面經過所述過濾元件的壁朝向 第一表面流動。
15. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於：包括監控以另一方向流動期間濾液中汙染 物的濃度，並且在檢測到汙染物的濃度已降低至期望水平時，將所述濾液導入濾液流線用 於收集。
16. 如前述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於：隨後以順流方向和逆流方向 的另一種流動以除去所述汙染物材料並過濾，所述方法包括使導入所述過濾室的原料流體 以最初選擇的順流方向和逆流方向的一種再次流經所述過濾元件，以從所述過濾元件的壁 表面除去汙染物材料，是由流體以順流方向和逆流方向的另一種流動產生的。
17. 如權利要求16所述的方法，其特徵在於：流動繼續以最初選擇的順流方向和逆流 方向的一種進行，隨後除去所述汙染物材料，將由該流動產生的濾液導出所述過濾室並進 入濾液流線用於收集。
18. 如權利要求17所述的方法，其特徵在於：包括監控以最初選擇的方向流動期間濾 液中汙染物的濃度，並且在檢測到汙染物的濃度已降低至期望水平時，將所述濾液導入濾 液流線用於收集。
19. 如權利要求2-4任一項或引用權利要求2-4中任一項的權利要求5-18的任一項所 述的方法，其特徵在於：所述方法可以包括為響應對測定參數中預定變化的檢測和/或預 定時間的期滿，在順流方向和逆流方向之間改變原料流體的方向。
20. 如權利要求2或引用權利要求2的權利要求3-19的任一項所述的方法，其特徵在 於：在原料流體完成以順流方向和逆流方向流動的至少一個循環後，並且在測定參數的預 定變化發生在縮短的時間內的情況下，所述方法包括通過引導清洗液進入所述過濾室並布 置所述流體以順流方向或逆流方向流動清潔所述過濾元件的步驟。
21. 如權利要求20所述的方法，其特徵在於：包括在檢測性能損傷前，引導所述清洗液 以與所述流體流動的相反方向流動。
22. 如權利要求20或21所述的方法，其特徵在於：當確定所述過濾元件的性能已恢復 至可接受水平時，所述方法包括重新引導原料流體進入所述過濾室以及布置使所述流體以 所選的順流方向和逆流方向中的一種流經所述過濾元件的壁的步驟。
23. 如前述權利要求任一項所述的方法，其特徵在於：包括引導所述原料流體進入多 個過濾室，每個過濾室含有多個過濾元件。
24. 如權利要求23所述的方法，其特徵在於：包括採取脫機的至少一個過濾室用於逆 向循環流動的目的，在該步驟中通過至少一個其他的過濾室進行過濾。
25. 如權利要求2或引用權利要求2的權利要求3-24的任一項所述的方法，其特徵在 於：測定的至少一個參數選自包括以下的組：經過所述過濾元件的流量，測定的穿過所述 過濾元件的壓降，以及留在濾液中的汙染物的比例或濃度。
26. -種用於過濾裝置的過濾模塊，所述過濾模塊用於從流體過濾汙染物，其特徵在 於：包括： 含有至少一個過濾元件的過濾室，所述過濾元件布置為從導入過濾室並經過過濾元件 的壁的原料流體過濾汙染物； 其中所述過濾元件具有用於從原料流體過濾汙染物的多個孔；所述孔的孔徑不小於約 4微米。
27. -種用於從流體過濾汙染物的過濾裝置，所述裝置包括： 至少一個過濾模塊，所述至少一個過濾模塊包括含有至少一個過濾元件的過濾室，所 述過濾室布置為從導入至少一個過濾室內並經過過濾元件的壁的原料流流體中過濾汙染 物； 其中所述過濾元件具有用於從原料流體過濾汙染物的多個孔；所述孔的孔徑不小於約 4微米。
【文檔編號】E21B43/26GK104364004SQ201380025476
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2013年5月14日 優先權日:2012年5月15日
【發明者】斯威尼·克裡斯多夫·威廉 申請人:水動力處理科技有限公司