第一種液體從第二種液體中分離的方法
2023-12-12 11:35:02 6
專利名稱：第一種液體從第二種液體中分離的方法
技術領域：
本發明涉及一種使第一種液體從第二種液體中分離的方法，特別是從油中分離出水滴或相反從水中分離出油滴。
來自礦床中的油，即石油或所謂凝析油通常均含水，這是由於地質過程、海水侵入油田或氣田或採油時為保持油田壓力而注入高壓水等原因造成。凝析油是一種由重烴組成的液體，它在採氣過程中作為伴生物質出現，而又要與氣體分離。後面的油和石油的概念也包括凝析油。
作為煉油原料的油中只容許少量水存在，這是由於輸油船或輸油管的腐蝕、由於無價值水的運輸費用、由於大多數煉油廠的分餾過程只能在無水條件下進行。用油船運輸的油所含的水一般不超過1％。
一種眾所周知的設備(「Performax聚結器」)由臥式圓柱型容器組成，這種設備將混合物進行分相，該混合物由氣、油和微滴水等三相組成。平均直徑約為10-30μm的水滴是在高壓閥(「節流閥」)壓力下降時產生的，而且壓力下降可達數百巴。水滴直徑的數值圍繞平均值有較大的波動。
氣和油/水混合物從該設備的上部或其下部從進口區流到出口區，水和油籍助於比重差相互分離；在出口區形成其含水量只有0.5-1％的油層，而在其下為被油沾汙的水層。這種水應進行後續處理(例如用離心沉降器)，使其質量達到環境容許的水平。
在三相分離設備的入口區內可設置填料，其目的如下如果設備的應用場所為船或懸浮鑽臺(「海上裝置」)，則應防止由於擺動而引起的三相返混；此外還應促進細水滴的聚結。第一個目的毫無疑問能夠達到，而第二個目的卻似乎有問題，因為大多數小液滴在流經填料時未與其表面發生接觸，從而促進聚結的作用是弱的。
這種三相分離設備的體積非常大，這對於海上裝置是一個缺點。油的停留時間約需3-10分鐘，流動相在設備中的速度量級約為每秒數毫米。
水/油過濾器是眾所周知的，其聚結基於過濾作用，而不是基於流動作用或重力作用。這種過濾器只適用於含水量小的情況，其範圍為1％到10ppm，因為在含水量大的情況下，過濾器被水飽和，從而失效。
除了從油中分離水之外，還應可能從水中分離油，例如油船失事之後海水被汙染的情況所要求的。
本發明之目的在於提供一種方法，該方法能在儘可能小的裝置中和/或在裝置中儘可能短的停留時間條件下進行兩種液體的分離，其中一種液體以液滴形式包含在另一種液體之中。此目的可通過權利要求1所定義的方法以及獨立權利要求7或8中之一的裝置來達到。
本發明之方法的目的在於將第一種液體從第二種液體中分離出來，其中一種液體在另一種液體中是不溶的，第一種液體以小液滴形式包含在第二種液體之中，並且兩種液體具有不同的比重。該方法包括下面三個步驟1．為使液滴聚結，液體混合物在第一時期內呈湍流通過內部構件，具體而言流過填料塔中所採用的填料體或一種靜態混合器。
2．為使聚結繼續進行，物流在第二個時期內保持較低的速度。
3．最後物流在更低的速度下與重力同向或反向流動，其間下降的或上升的大液滴匯集並分離出，而小液滴則被第二種液體繼續帶走。
與先前所知的方法相比，本發明方法大大縮短油在裝置中的停留時間，其原因在於液滴增大是在三個步驟中進行的，而且每一個步驟選擇了適宜的流動速度。在第一個步驟中藉助內部構件和較高的流速形成湍流，正如實驗證明的那樣，這使所有的小液滴處於一種使小液滴與大液滴匯合的流動狀態，由此促進聚結。在第二個步驟中兩相流動恢復平靜，而聚結繼續進行，最後在第三個步驟中，藉助比重差進行相的分離，此時大液滴沉降出來，而小液滴繼續懸浮在第二液體之中。在最後一個步驟中進行的小水滴沉降可籍助於填料加以改進。根據本發明的方法，油的純度較高(在所進行的試驗中含水為0.05％而不是0.5-1％)。在先前已知的分離設備中，在液體混合物與氣相共存的條件下是不能完成該分離的，因而該分離基本上與應用區的可能擺動無關。
根據本發明進行的另一些實驗得到了特別好的結果油中含水為0.1-0.2％，排出的水中含油為20ppm。(因為排放入海水中的水中油含量不容許超過40ppm，根據這個實驗結果，水無需進行再淨化)。
方法從屬權利要求2-5和裝置權利要求7-11與本發明優選實施方案有關。權利要求6的內容是本發明的一種應用。
眾所周知，籍助於靜態混合器將第一種液體分散在第二種液體之中，從而產生一種液體混合物，其中一種呈小液滴形式的液體懸浮在另一種液體之中(參見F.Streiff「靜態混合器在聯機分散中的應用」，MM Maschinenmarkt(機器市場)，1977,p289)。本發明的方法是與這種分散方法相反，但可部分採用類似的手段，即內部構件，其結構與靜態混合器的結構相同。用靜態混合器研究分散過程時發現，形成的小滴的直徑不能達到任意小，而只能達到一個穩定狀態，這種穩定狀態在流經另一些靜態混合器時保持不變。這種穩定狀態與混合器結構和流速有關。可以設想，在穩定狀態下新的小滴的產生與已有小滴的聚結處於平衡。
本發明的基本思路在於，適當改變操作條件，使這種平衡發生轉移，以使聚結過程佔優勢。其結果可能使含小滴的液體混合物在適宜的操作條件下在靜態混合器中產生一種與分散相反的作用，即使小滴的平均直徑增大。實驗證實了這種設想，從而表明本發明的第一個步驟真的是一種促進聚結的措施。
本發明的第一個步驟的湍流應該這樣形成，它應使儘量少的大液滴分解和儘量多的小液滴匯結。湍流的作用應只在於，在內部構件空間的每一個位置上都具足夠強的環流作用，以防止由於比重差引起的相分離。
亦可採用不顯示靜態混合的其它內部構件形成湍流，例如採用填料塔用的填料體。EP-B0418338(=p.6332)公布了一種所謂的湍流填料，該填料適用於實施本發明的第一步驟。
下面根據
本發明。
圖1表示實施本發明方法的三相分離設備，圖2表示實施靜態混合的內部構件，圖3表示另一例內部構件的元件，圖4a-5表示本發明裝置的橫剖面圖，圖6表示本發明裝置的縱剖面，圖7表示圖6裝置的填入件，圖8表示本發明裝置的另一實施例，圖9表示圖1設備的一種變型，圖10表示一種從水中除去油的裝置。
圖1表示一種三相分離設備A，該設備包括本發明的裝置1，其作用是分離兩相液體混合物10，具體而言是從油中分離小水滴。通過閥門B將一種除兩種液相之外還含有氣相的三相混合物送入設備A，在該設備中將氣從兩相混合物10中分離出，並經管接頭C從設備A導出。在兩相混合物10中，第一液體呈小液滴狀包含在第二液體之中，在所示例子中，第一液體(水)的比重大於第二液體(油)的比重。
混合物10在裝置1中按本發明之方法儘可能分為兩種液體本方法的第一步驟在部件11中進行，該部件含內部構件110，例如圖2所示的靜態混合器。由於內部構件110中的湍流而產生聚結，在這個過程中大液滴通過捕集小液滴而增大。湍流的平均速度在100-1000mm/s之間。在位於部件11下面的空間12中聚結繼續進行(第二步驟)。流速降低(50-100mm/s)可使大液滴112沉降。它們在設備1的集液槽形成基本上由第一液體組成的液相140，並具有界面14，該界面具有分界性質界面14是由一種乳液狀過渡區組成，其中液滴122逐漸匯合為連續相140。第一液相140可通過管接頭141從設備A導出。比重較低的第二液體從空間12向上移動，其中夾帶較重液體的小液滴123。在其上部空間13第二液體流動較慢(10-100mm/s；第三步驟)，這樣可使更多的液滴122發生沉降。內部構件132可促進或加速第一液體的沉降，其中另一些由第二液體夾帶的液滴附著於內部構件132的表面上並形成向下流淌的液膜，後者最終呈大液滴124脫離內部構件132。基本上不含第一液體的第二液體可經管接頭131從設備A導出。
以剖視示於圖2的部件11呈圓柱形，並包含一靜態混合器110。該混合器是由平行排列的波紋層111構成，並具有交叉通道結構，即是說，它組成一種具有開放式相互交叉通道的有序結構或填料。該混合器由多個單元112組成，而且相鄰的單元的波紋層相互交叉定向。對於第三工藝步驟的內部構件132亦可是交叉通道結構。部件11的內部構件110可採用多種結構。圖3表示一種帶環形截面的結構元件113，它可作部件11的構件。相應的內部構件結構由這種結構元件113的線性排列組合而成。
第一工藝步驟可包括至少兩個分步驟，由於內部構件的水力學直徑和/或幾何的變化，液流的韋伯數(We)從一個步驟到下一個步驟將逐步減少。同時由於湍流的減小，聚結液滴的平均直徑增加。(參見上面所引的Streiff的文獻，關係式(5)、(8)和圖4，從中可以看出韋伯數We愈小，液滴愈大。We=ρw2dhσ-1=比重乘流動速度的平方乘內部構件水力學直徑乘界面張力的倒數)。
在一試驗裝置中實施本發明之方法時，曾經分離了水(第一液體)和paracryo1(第二液體)的混合物。在一個分散器中生成小水滴，其平均直徑在10-30μm之間。在第一步驟結束之後，在第二步驟中形成的小水滴的直徑大於3mm。去除小水滴之後，paracryol中含水量約為0.05％。試驗裝置中paracryol的停留時間約為60秒，大約比已知分離裝置中小3-10倍。該試驗裝置能處理2-3m3/h的液體。
圖4a-4c和圖5表示裝置1的剖面，該裝置擬用於處理大量的兩相液體(1000-1200m3/h)。圖4a中部件11組成一束多個靜態混合器，各混合器的截面都是圓柱形的。隔板11′將這個構件包圍在圓形空間13的中心，在其中進行本發明的第三步驟。部件11亦可排列成一個環形空間如圖4b，或排列成多個環形空間如圖4c。在圖5的裝置1中部件11排列在矩形截面的通道中。
如圖6和7所示矩形截面通道，最好由延伸到整個截面的內部構件填滿。
圖6所示的裝置1包含圖7所示的填入件1′。後者以疊層的方式組成，靜態混合器110(交叉通道結構)和空心的空間13交替排列，空間13的下端是開口的。空間13可包含填料132(參見圖1)。按本發明方法處理之後的第二液體可從其上端經管131′導出，並經集液管131″導入出口管接頭131。亦可採用上述的湍流填料代替交叉通道結構的內部構件。
在圖6所示的設備1中，需進行處理的混合物經旁管接頭9引入，不合小液滴的產品液體經上管接頭131導出。將需進行處理的混合物從上面引入，產品液體從旁側導出可能更為有利。如果在圖7的填入件1′中，為第一工藝步驟所用的靜態混合器結構110用供第三工藝步驟用的空心室13中的填料所交換也是可能的。
圖8的設備1表明，實施第一工藝步驟的部件11是水平方向的。第三工藝步驟則在直立容器13中進行。作為部件11的延伸部分的管件125水平安置在容器13中，第二工藝步驟的聚結過程在其中發生。由管段125界定的部分空間，在其導向容器13的內空間的出口處有一朝下的擴大孔。亦可不採用管段125，因為第二工藝步驟也可在沒有該管段的部分空間進行。容器13也可包含內部構件。
應用本發明之方法可以製備基本不含油的水。水的純度與設備1的集液槽140有關(參見圖1)，特別與下列參數有關單位時間內在分界面14上沉降的液滴數量和水在集液槽140中的停留時間。在集液槽140中設置內部構件還可改善水的純度。
分界面14基本上是層狀區，其厚度隨沉降液滴比率的增加而增大。沉降出來的水的純度取決於這個區的厚度。要獲得高的純度必須使這個區的厚度儘量小。為達到這個目的可從裝置的結構上採取措施，如圖9所示。
圖9所示的裝置1是圖1的變型，其中混合物10的第一部分經過靜態混合器11中的一個進入第一室12、13，而其第二部分則經過另一混合器11′進入位於其下的第二室12′、13′。隔板15將兩室分開。在這些室中實施第二和第三工藝步驟。由於這裡的分界面14和14′的總面積是圖1的兩倍，可以期望，在處理量相同的前提下從管接頭141和141′流出的水的純度會更高。同時，從裝置1的兩個管接頭131和131′流出的油亦會有較高的質量。當然，為了再增大分界面14和14′可相應地設置比兩個室12、13和12′、13′更多的室。
本發明的方法可用於純化由油船失事汙染的海水，在這種情況下油滴(第一液體)包含在水(第二液體)之中。因此，分離兩種液體的裝置應與上面描述的裝置相反。圖10表示出這種類型的裝置1汙染水(混合物10)的進口管接頭9位於下部，分離出來的油的導出管接頭141位於上部，淨化後的水的導出管接頭131位於旁側。混合物的處理仍在靜態混合器11(帶混合器結構110)和另外內部構件中進行，後者呈帶交叉通道的填料是有利的。在以點劃線表示的界面14的上面設有另外一些內部構件，其作用是從上浮的油中分離夾帶的水滴，這裡的界面14仍具有分界性質(在水中懸浮的油滴，以及在油中懸浮的水滴)。
理想情況下，水可純化到含油40ppm。在嚴重事故下，快速處理大量的水處於優先地位，從而相應損失其純度。
權利要求
1. 一種分離由第一液體和第二液體組成的液體混合物(10)的方法，其中一種液體不溶於另一種液體，第一液體呈液滴形式包含在第二液體之中，以及兩種液體的比重不同，該方法包括下列三個步驟1．為使液滴產生聚結，液體混合物在第一時期內呈湍流流過內部構件(110,113)-具體而言流過採用填料體的填料柱或一種靜態混合器。2．為使聚結繼續進行，液流在第二個時期內保持較低的速度以及3．最後液流在更低的速度下與重力同向或反向流動，其間下降的或上升的大液滴(122)匯集並分離出，而小液滴(123)則被第二液體繼續夾帶。
2．權利要求1的方法，其特徵在於，流動速度的平均值對第一步驟為0.1-1m/s，對第二步驟為0.05-0.5m/s，對第三步驟為0.01-0.1m/s。
3．權利要求1或2的方法，其特徵在於，在第三步驟中，藉助有附加聚結的作用的內部構件(132)對液滴的沉降是有利的。
4．權利要求3的方法，其特徵在於，第一步驟和/或第三步驟的內部構件(110；132)採用有序結構填料。
5．權利要求1-4中之一的方法，其特徵在於，第一步驟至少包括兩個分步驟，由於內部構件的水力學直徑和/或幾何的變化，液流的韋伯數從一個分步驟到下一分步驟逐步下降，這樣由於湍流減小，聚結液滴的平均直徑增大。
6．權利要求1-5中之一的方法，其特徵在於，一種液體為水，另一種液體為油，特別是從油田或含油氣田開採的油。
7．實施權利要求1-4中之一的方法的裝置(1)，其特徵在於，它包括一個立式容器，該容器包含一個收集液體混合物(10)、特別是收集含水油，以及將該液體混合物分配到下一區域的室，在這個區域中a)一根垂直管(11)或多根並聯的垂直管(11)，這些管的每一個都包含一種填料體，特別是一種靜態混合器(110)，其作用是實施第一步驟以及b)一個位於容器壁和一根管或多根管之間的第二液體的收集空間，其作用是實施第三步驟，此外，在容器中還有一個實施第二步驟的區域(12)，一根管或多根管都通向這個區域，該區域的截面大於管截面之和，以使達到從第一步驟過渡到第二步驟時所預定的流速降低。
8．權利要求7的裝置，其中的管(11)被矩形截面通道所代替，而收集空間則由平行排列矩形室(13)組成。
9．權利要求8的裝置，其特徵在於，通道(11)和平行排列的室(13)含有有序結構的填料(110)，特別是被這種填料填滿。
10．權利要求7-10中之一的裝置，其特徵在於，第一步驟至少採用兩個串聯的區段，並且由於內部構件(110)特別是靜態混合器或湍流填料的水力學直徑和/或幾何的變化，流動液體的韋伯數從一個區段轉到下一個區段時逐步減小，這樣由於流動方向上湍流的減小，聚結液滴的平均直徑增大。
11．權利要求7-10中之一的裝置，其特徵在於，擬採用由隔板(15)隔開的兩個室(12,13；12′,13′)實施第二和第三工藝步驟，而且其中一個室排列在另一個室之上。
全文摘要
本發明涉及一種使第一液體從第二液體中分離的方法,其中一種液體不溶於另一種液體,第一液體呈液滴形式包含在第二液體之中以及兩種液體的比重不同,該方法包括下列三個步驟1.為使液滴產生聚結,液體混合物在第一時期內呈湍流流過內部構件(110,113)－具體而言流過採用填料體的填料柱或一種靜態混合器。2.為使聚結繼續進行,液流在第二個時期內保持較低的速度以及3.最後液流在更低的速度下與重力同向或反向流動,其間下降的或上升的大液滴(122)匯集並分離出,而小液滴(123)則被第二液體繼續夾帶。
文檔編號B01D17/022GK1234287SQ9910631
公開日1999年11月10日 申請日期1999年4月28日 優先權日1998年4月29日
發明者C·茫德裡, H·拉克斯圖赫 申請人:蘇舍化學技術有限公司