用於從液體中去除顆粒物質的裝置的製作方法

2023-08-08 10:10:46

本發明涉及從流體中分離固體顆粒物質，尤其是對於具有高電阻率的流體中(例如油)的介電泳分離的領域。

背景技術：

在工業界中，將液體中混合的固體形式的雜質分離出來，對於工業中的各種應用都是非常重要的。通常，在這些應用中，五種最常用的固液分離方法是重力沉澱、機械過濾分離、離心分離、靜電分離和化學輔助分離。任何分離方法的有效性與正在分離的固體顆粒的尺寸和它們從其中分離的液固混合物的物理和化學性質是密切相關的。固液分離的有效性直接影響到製造和環境的成本，因此合適的分離方法的選擇通常基於技術可行性、成本評價和效益評價以及環境影響的考慮。

原油在當今世界發揮著顯著作用，其煉化的產品，如汽油、柴油對於當今的工業界和人們的生活至關重要。原油精煉產品的質量，如噴氣燃料中的顆粒和釩化合物，對於噴氣發動機的健康操作和壽命也是至關緊要的。

此外，燃燒帶有汙染物的燃料將引起嚴重的環境汙染。在如美國和英國這樣的發達國家，燃料油必需滿足固體含量濃度120ppm的標準。因此，需要有效的低運行成本技術來滿足這種應用需求。本發明的目標是提高煉油工業需要的固體顆粒去除效率。

最具挑戰性的應用之一是從催化裂化(fcc)的重循環油和油漿副產品中去除催化劑顆粒。fcc是被廣泛用於將石油原油的高沸點、高分子量烴餾分轉化為包括更有價值的汽油、烯烴氣體和其它產品的更小的分子鏈。fcc的原料通常是原油在常壓下具有340℃或更高的初沸點和平均分子量範圍約為200到600或更高的部分。fcc方法通過在高溫和中等壓力下使原料與流化的粉末狀催化劑接觸，將高沸點烴油的長鏈分子蒸發並斷裂成更短的分子。

催化劑是通過流入到fcc的熱蒸汽和油製成流體的固體砂狀材料。通常，催化劑顆粒的尺寸範圍為0.5到80微米，其中大部分在10微米以下。最常見的fcc催化劑是堆積密度為0.80到0.96g/cm3的固體砂狀細粉末，其通過流入到fcc的熱蒸氣和油製成流體。新鮮的fcc催化劑細粉通常具有範圍為10到150μm的粒度分布和50到100μm的平均粒度。fcc單元的設計和操作在很大程度上取決於催化劑的化學性質和物理性質。通過接觸流體狀催化劑粉末，大部分長鏈fcc烴原料的長鏈分子被斷裂成更短的分子，而小部分約2％-9％不可斷裂的長鏈烴原料油，則沉留在fcc處理分餾器的底部，被稱為fcc油漿或殘油。這些fcc殘油或油漿含有高濃度的fcc催化劑，從1000ppm到10,000ppm。

催化劑顆粒雖然可用於「裂化」和減少烴的長度，但在對於將油漿轉換為更有添加價值的原料應用中卻是有害的。傳統上，將含有催化劑的油漿傳送到油漿沉降器，其中，在沉降之後，底部油含有大部分催化劑顆粒並且被循環到原料中或者以澄清的形式用作重油燃料。未能去除催化劑顆粒經常導致油漿被用作貨物船隊的較低級別的重油燃料，其除了效率較低之外，還存在空氣汙染。

直徑小於20微米的固體顆粒需要長時間沉降，通常需要幾天的時間，這使得煉油廠在大規模生產環境中採用重力沉澱法是不現實的。機械過濾對於這種小尺寸粒子也是無效的，因為金屬網和粉末燒結過濾器具有較差的孔徑均勻性，過濾後油漿中的固含量濃度仍在幾百ppm的範圍內。靜電分離方法在工業應用中顯示出其高效的固含量去除率，但卻有許多缺點，包含操作成本高、其方法對油漿原料的物理性質方面高度選擇性和除固率不穩定的性能。而且，當油漿中的固含量超過6000ppm時，靜電分離是無效的。

離心分離可產生較好的固含量去除率，且不依賴與油漿的物理性質，但油漿需要預熱至超過200℃，也導致高操作成本、長處理周期和低處理能力。由於整個液體介質需要高的旋轉能量來分離0.5％或5000ppm，所以能源效率低，並且僅對於使用如核反應堆燃料的高價值原料是實用的。對於一個具有100千噸/年油漿的典型煉油廠，由於高溫操作的要求，離心分離則成本高昂是不實用的。

大多數機械濾器通過累加過濾芯以實現對於尺寸小於10μm的固體顆粒的過濾效果。結果，機械濾器在正常操作中很快地被堵塞，並且一旦壓降達到極限，就需要定期清潔或反衝洗。而實際中，徹底清洗堵塞的微米級別的孔徑是非常困難的。清洗後殘留的固體顆粒將在開口中或周圍累積，使通過過濾器的壓降增加，從而限制過濾能力。一旦堵塞的過濾器不能再清潔，就必須更換。大多數具有高粘度油漿的精煉廠發現，由於需要定期更換金屬過濾芯，機械過濾方法的成本也是高昂的。

從20世紀70年代開始，開一種稱為「電過濾器」或「靜電分離器」的新型過濾器應運而生，其特點是使用一種位於高達50kvdc的高壓電產生的的強電場下的玻璃珠床或多孔過濾介質。在過去二十年中，發明和開發了幾種類型的電濾器，用於去除重油中的金屬化合物固體或催化劑細粉。電過濾器技術運用先進的流動的由球形平滑表面組成玻璃珠床，克服了機械過濾器在操作期間經歷的清潔困難。當電場關閉時，其清潔方法是很有效的。即使有很少的科學參考文獻或理論研究直接論證電過濾器的靜電分離機制，電過濾器在煉油廠確實是有一定程度的成功。

過去，介電泳分離主要應用於生物物理學或生物醫學領域中的細胞分離。介電泳「dep」一詞，最早是於1950年代由pohl第一次使用，用於研究暴露於電場梯度下的，懸浮在流體介質中的固體顆粒的獨特的電子機械特性。在均勻電場中，電荷中性電介質粒子上的場感應力為零或極小。一旦施加的電場不均勻或具有梯度，顆粒和流體介質之間的介電極化的差異導致一個被稱為是「介電泳力」(dep力)的力作用在極化顆粒上。dep公式可以根據由施加的靜電場引起的對極化顆粒的有效電磁偶極力來導出和量化。以一個半徑為r，介電常數為εp的球形顆粒為例，當其浸入在一個介電常數為εm的無損介電流體中，並受到非均勻電場e作用使：

其中k是(εp-εm)/(εp+2εm)，克勞修斯-莫索蒂因子的實部，其表示顆粒相對於液體介質的有效極化率。量化電場強度和梯度。等式(1)表明dep力與顆粒的體積或尺寸以及施加的電場e的強度和梯度成比例。因此，dep過濾系統可以通過設計施加電場的有效梯度和強度來進行設計和改進。

然而，應用dep原理以解決工業固液分離或過濾，尤其是去除fcc油漿中的催化劑，還存在一些問題。在高壓和高溫操作環境中，精煉方法通常採用圓柱形容器作為反應器。流體通過容器的中心和側面之間的梯度電場。電場通常由中心絕緣的高壓電極產生。在一個中心電極加有3000v高壓的5cm圓柱形靜電場下，一個密度為2g/cm3的5μm顆粒在油中將受到約2x10-13n的dep力，該dep力比由於顆粒的重量產生的5x10-12n的重力約弱25倍。而在工業應用中將大於50kvdc應用於5cm圓柱形容器是不實用的。至今，幾乎沒有工業上固液分離的dep應用。到目前為止，dep主要用於在生物或生物醫學應用中捕獲或分離如血細胞和癌細胞這樣的顆粒，因為通過在微機電結構電極上施加正常10svdc或vac，可以產生比重力沉降力強10倍的dep力。

在過去十年中，在微觀dep生物醫學應用，如細胞分離和捕獲的應用上產生了數千個技術出版物和數百個專利。為將dep應用於工業應用中，從數千噸精煉工藝燃料油如油漿中去除數噸催化劑細粉，必須在顆粒上產生更強的dep力以實現實際的除固效率和油漿處理能力。因此，需要一種以一致的方式可以產生更強的dep力以便於油應用中的固液分離的裝置和方法。

技術實現要素：

如等式1所示，一旦顆粒的介電常數εp與介質εm的介電常數顯著不同，引發的介電泳力就會在顆粒和介質之間產生分離運動。根據顆粒相對於懸浮介質的介電性質，介電泳力可以是正的或負的，使感應顆粒移動到更強或更弱的電場區域。介電泳力的大小與施加的電場和由此產生的電場梯度是成比例的。通過對導致不均勻電場的電極的某些布置，可產生更大的dep力區域，以最大化分離運動和收集。

通常，在第一方面，本發明的特點在於一種固液分離裝置，其包含通常為圓柱形的容器，並且具有至少一個入口和一個出口，而容器殼體用作接地電極，位於圓柱體的中心的電極連接高壓電，且有絕緣塊用於高壓電極穿過用以與殼體絕緣。該裝置還包含具有均勻分配的多孔的一對絕緣盤，其允許來自入口的液體均勻地流經分離電場。容器、中心電極和金屬杆直徑的選擇，用以保證金屬杆的密集排列使杆與杆之間的空隙最小化而其中形成的相對梯度最大化。密集排列的金屬杆和殼體或容器的壁之間形成了為流體的流經的小的或微型的通道。一旦中心電極加以高壓dc或ac電，則液體中的固體顆粒就會感受顯著的dep力，產生垂直於流動方向的分離運動。受分離運動的固體顆粒將被吸附在金屬杆之間或和容器壁之間的接點處。

本發明提供一種可對流動液體中的固體顆粒產生dep分離力的dep分離器，，其包含由層層絕緣金屬杆的緊密圍繞的中心電極和環繞絕緣金屬杆並提供接地參考和屏蔽的圓柱形殼體。中心電極和絕緣金屬杆需要用密集排列方法組裝，在一個實施例中是六邊形填充。根據電極尺寸與絕緣金屬杆尺寸的比率，排列方向可以變化為五邊形，七邊形，八邊形或其他。絕緣金屬杆的密集排列在其間產生允許液體介質流經的小通道。通過層層圍繞中心電極的絕緣金屬杆陣，導電金屬杆將施加的電場改變為許多垂直於中心電極或流體流動方向的局部梯度電場。

由於金屬杆的介電常數無限大並且能在圓柱形電場中高度極化，所以密集排列的金屬杆在截面圖中的接觸點處或在體積視圖中的線中產生最大電場和最小電場。由於最大電場點和最小電場點因密集排列而彼此緊密地定位，所以最大電場梯度將在每個局部區域中的接觸點或線之間產生。由於定向圓柱電場的特徵，感應電場梯度垂直於杆或流動通道。絕緣金屬杆之間的最大梯度電場對通過通道的液體中的固體顆粒產生最大的dep力。當來自入口的流體流經由密集排列的金屬杆產生的通道時，流體中的固體顆粒經歷垂直於通道的或正或負dep力。繼而，流體中的固體顆粒將經歷垂直於流動方向的分離運動，將固體顆粒從流體中分離。在本發明中應用高介電常數的或金屬的介質杆加上杆與杆的密集排列是使dep力最大化的關鍵措施。

通常，本發明的特點在於dep分離器是由圓柱形金屬殼體環繞的中心金屬電極及周圍的密集排列的高介電常數(金屬)杆組成。所有幾何形狀的杆都可以應用於本發明以實現固體顆粒分離效果。考慮到金屬杆表面上的絕緣層的可製造性和壽命，圓柱形或圓形形狀杆是優選和選擇的。以圓柱形殼體作為邊界，可以選擇若干直徑尺寸的圓柱形杆以實現更密集的排列以使dep力和分離效率最大化。對於中心層的六邊形密集排列均勻直徑的杆，而在六邊形中心層和圓柱形容器的內壁之間的最後一層之間排列不同半徑的杆，對杆表面區域最大化是有利的。

在一些實施例中，根據固體顆粒的尺寸和液體的粘度和介電常數等特性，需要選擇較小的絕緣金屬杆以使分離效率和容量最大化。數學上具有良好限定的圓柱形殼體，絕緣金屬杆之間優化的幾何排列和間距可以在分離效率和流動容量上的產生優化的dep分離性能。在本實施例中，6.35mm和3.18mm金屬杆都用於dep分離器中。

該裝置可以包含入口多孔盤，流體可以通過該入口多孔盤被分配到絕緣金屬杆杆和dep分離通道。該裝置還包含出口多孔盤，流體可以通過該出口多孔盤從裝置的底部流出。入口多孔盤和出口多孔盤是由諸如ptfe的絕緣材料製成，可使絕緣金屬杆與圓柱形容器的底盤絕緣。入口多孔盤和出口多孔盤的開口位置根據絕緣金屬杆通道的開口位置設計。需要盤和通道之間的開口的對準，以有效地用清洗流體清潔通道中被吸附的固體顆粒。清潔充滿固體顆粒通道所需的時間間隔可以通過總通道的固體顆粒收集體積、需要過濾液體中的固含量、分離效率和液體流速來估算。在操作期間，清潔時間間隔還可以主動地由入口和出口之間的指定壓降閾值來控制。清潔也可以用高壓空氣完成。在清潔過程中，特別是空氣清潔過程，dep分離器斷電，或中央高壓電極斷電。沒有dep力作用的固體顆粒，可以輕易地被清潔，這與麻煩的機械濾器清潔相比具有顯著的優點。

在另一方面，本發明的特點在於用於從液體中過濾細小顆粒的過濾系統，其包括上述方面的dep分離裝置和貯油罐，其中，所述貯油罐分別用於為dep分離器提供和收集液體。該系統還可以包含預過濾器，用於在液體被輸送到該分離裝置之前，預先過濾來自貯油罐的液體。預過濾器可以大致上防止液體中的某些固體顆粒進入設備。這些固體顆粒可能大於固體顆粒閾值的尺寸，而固體顆粒閾值尺寸可以等於或大於由相鄰絕緣金屬杆形成的通道的寬度的最大尺寸。

通常，在另一方面，本發明的特點在於它是一種用於過濾流體的系統，其包含供油貯油罐、密集排列在中央電極和容器殼體電極之間的絕緣金屬或高介電常數杆的陣列、收集貯油罐和高達10kv的高壓直流電源。在系統的操作期間，供油貯油罐將流體輸送到由密集排列的相鄰絕緣金屬或高介電常數杆形成的通道，高壓電源在中央電極上施加所需的電壓電勢以產生梯度電場，收集貯油罐收集從通道中流出的流體。

在一個實施例中，介電泳分離器具有分離器容器，其具有在第一側處的流體入口和在第二側處的流體出口，沿著中心軸放置在容器內的電極與電源連接、多個高介電常數介質杆，平行放置於容器內所述電極周圍，其中，電極具有第一極性，並且容器具有第二極性，使得在電極和容器之間生成電磁場。

介電泳分離器可具有在入口和出口相對端處具有的圓柱形容器。絕緣金屬或高介電常數介質杆也可連接到電源。

在一個實施例中，介電泳分離器的絕緣金屬杆是陽極電鍍鋁杆，或者可塗覆有選自ptfe塑料和陶瓷之類的絕緣材料。

高介電常數介電桿放置於中央電極周圍，並且可在電極周圍形成同心圖案，其排列用於最小化杆與杆之間的中空空間，尤其是六邊形形狀圖案。

介電泳分離器可具有在流體入口和杆之間的入口多孔盤，以及在杆和流體出口之間的出口多孔盤，並且入口多孔盤和出口多孔盤是選自於ptfe塑料和陶瓷之類的材料製成。

介電泳分離器也可在流體入口上加有預過濾器，以在流體進入容器之前過濾大顆的固體顆粒。

多個高介電常數介質杆也可是電極並且產生電磁場。

執行分離操作具有以下步驟：i)將容器內的中央電極通電，使得電極和容器具有相反的極性，其中，多個高介電常數介電桿放置在容器內，ii)流體通過杆與杆之間的通道，iii)流體內的固體顆粒通過電場被吸附在高介電常數介電桿上。

固體顆粒被吸附在杆與杆之間的接觸點中。

絕緣金屬或高介電常數介質杆可與電源連接並且生成電磁場。

絕緣金屬杆可是陽極電鍍鋁杆，或者可塗覆選自ptfe塑料和陶瓷之類的絕緣材料。

該方法可有附加步驟：i)使容器內的中央電極斷電以停止生成電磁場，ii)清潔流體進入容器，以及iii)清潔流體通過通道並將通道中的固體顆粒推出通道，其中，固體顆粒不再吸附在絕緣金屬或高介電常數介質杆上。

在一個實施例中，清潔流體從出口端進入容器並從入口端退出。該方法可需附加的步驟，用加壓氣體通過容器以推出清潔流體。

從以下對本發明的優選實施例、附圖和權利要求的更具體的描述，本發明的前述以及其它特點和優點將是顯而易見的。

附圖說明

為更完全地理解本發明及其目的和優點，現在結合下面簡要描述的附圖來參考隨後的描述。

圖1為根據本發明的實施例的介電泳(「dep」)過濾系統的簡圖；

圖2a為根據本發明的實施例的介電泳分離器的示意圖；

圖2b為根據本發明的實施例的分離器的等距剖視圖；

圖2c為根據本發明的實施例的分離器的立面剖視圖；以及

圖3為根據本發明的實施例的硬陽極電鍍金屬杆的立面剖視圖。

具體實施方式

本發明的優選實施例及其優點可通過參考圖1到圖3來理解，其中，類似的附圖數字指代類似的元件。

參考圖1，根據本發明的典型介電泳(「dep」)過濾系統100包含dep分離器110容器、供油貯油罐120和140、收集貯油罐130和150、加壓氣體或空氣容器160、預過濾器170和一個或多個泵(例如主泵125和清潔泵135)、高壓電源145、輸油管道112和122以及閥門146。供油貯油罐120通過輸油管122連接到預濾器。預過濾器170通過入口輸油管112連接到分離器110，收集貯油罐130通過出口輸油管132收集從分離器流出的澄清液體。

主泵125通過輸油管112和122以及預過濾器170將高固含量的液體從貯油罐120輸送到dep分離器110。清潔泵135通過輸油管162和閥門180將清潔液體從貯油罐140各自驅動到分離器110中。閥門180在固體顆粒分離模式時選擇將高固含量液體輸送到分離器110中或在清潔模式下為清潔系統提供流體。清洗貯油罐150在清潔過程時連接到分離器110用以收集用過的高濃度固體顆粒清潔液體。高壓電源168通過高壓電纜166連接到分離器110，為分離器110內的高壓電極供電。dep過濾系統100還可包含加壓氣體/空氣容器160，其供應加壓氣體或空氣以輔助分離器110清洗。閥門180切換或切斷來自貯油罐的清潔液體或空氣。

在工業應用中(例如原油精煉廠)，操作過濾系統有兩個主要的方法循環：固體顆粒的分離和清潔。在固體顆粒分離期間，泵125通過輸油管122和預過濾器170將液體，如高固含量的油漿從供油貯油罐120輸送到分離器110，在液體進入dep系統100和輸油管112之前先過濾液體中大顆粒固體顆粒。一旦流體進入分離器110中，為從流體中分離固體顆粒，高壓電源160向dep分離器110內的中心電極施加高壓。dep分離器110通過介電泳原理從流體中吸附固體顆粒，並且將固體顆粒保留在dep系統100內。過濾後的流體通過輸油管132流出分離器110存在貯存澄清的液體的貯油罐130中。下面進一步詳細描述電極和分離器結構。施加的電壓在中央電極和圓柱形殼體之間生成梯度電場。此外，中央電極和殼體之間的絕緣金屬杆在杆與杆之間的電場中產生許多局部強梯度通道，以有效地增強作用在固體顆粒上的dep力。根據固體顆粒和流體的介電性質，梯度電場將固體顆粒吸附在通道中。雖然圖1示出，供油貯油罐120放置於高於dep分離器110和收集貯油罐130，使液體向下流動，在優選的工業實施例中，供油貯油罐120中的液體大部分從dep分離器110的低部或底部泵送，使得流體克服重力向上輸送。這可以減少固體顆粒在系統中的沉降，並且增加dep分離器110的處理能力。

在系統清潔操作期間，先前施加到分離器110的高壓電被斷開，並且各自連接到貯油罐120和130的輸油管112和132也被斷開。在沒有高壓電的情況下，梯度電場消失，固體顆粒不再受dep力抵靠在電極和高介電常數介質杆上。通過閥門180將具有高壓液體從供油貯油罐140泵送道分離器110中，將其內部吸附的固體顆粒衝洗到收集貯油罐150裡。一旦清潔操作完成，關閉閥門180，並且斷開輸油管152。此外，或者為節省清潔流體，dep分離器110可以用來自氣體容器160的高壓氣體衝洗。加壓衝洗液體將固體顆粒衝洗到收集貯油罐中。一旦清潔或衝洗循環完成，dep系統就準備好在固體顆粒分離操作循環中更多的過濾流體。

確定分離和清潔循環的適當間隔持續時間是有價值且必要的用以最大化的使用dep分離器。通常，有兩種方法來找出分離和清潔循環的適當周期：操作分離循環和清潔循環的靜態或固定的持續時間；以及分離及清潔循環的動態反饋控制。一旦液體中的固含量穩定或在預定範圍內變化，在恆定周期內重複操作的分離循環可採用靜態方法。在一個實施例中，分離周期間隔ts可以簡單地由分離器110的通道容量w、流速f和液體固含量λ估算：

ts＝w÷(f×λ)

通常，由於斷開高壓電和通道表面平滑度，清潔周期tc較短並且是預定義的。操作周期為ts和tc二者之和。另一種方法是動態方法，其中，反饋迴路由所需的壓力或輸油量來確定，其中，任一方面的顯著減少會導致自動進入清潔循環。動態方法更傾向於系統的工業自動化應用。在工業環境中，自動化操作可通過編程使分離和清潔操作交替進行。

與機械濾器相比，dep分離器具有過濾10μm以下的細小固體顆粒的優點。為最大化使用dep分離器110，實施預過濾器170以過濾不期望的大顆固體顆粒進入dep分離器110，以防止它們將不成比例地阻塞通道並且影響對較小顆粒的去除效率。在一些實施例中，預過濾器170是通過小於某一確定的閾值尺寸，如75μm的金屬過濾器或複式過濾器。閾值尺寸可以是目標固體顆粒的最大預期尺寸，並且預過濾器170還可將在流體中進入dep分離器110之前自然地去除較大的非目標粒子。在一些實施例中，預過濾器170的閾值尺寸可以根據分離器110的物理通道特徵來定，例如可容易地堵塞分離器110的最大固體顆粒的尺寸。這樣可以防止dep分離器110被堵塞。在一些工業實施例中，如果液體中存在顯著的固體顆粒成分，則對預過濾器反衝洗循環是必要的，以防止預過濾器被堵塞。

參考圖2a、圖2b和圖2c，dep分離器110包括外部容器和內部高壓電極，其中，電極210和金屬容器240具有兩個相反的極性，以在其間產生電場。在一個實施例中，該容器240是圓柱形。此外，多個絕緣金屬杆250圍繞中心電極，逐層密集排列，以裝填滿中心電極和圓柱形殼體之間的圓柱形空間。採用asme標準的標準機械法蘭241和242與圓柱形殼體形成壓力容器，以允許dep分離器110應用於石油化工廠或煉油廠中常見的處理環境的高壓和高溫環境。法蘭242上的高壓饋通230穿過接地電勢的容器240和法蘭242連接到高壓中心電極210。接地線245將容器240和法蘭241連接以保證有良好的接地參考，即與出口或建築地面的接地。入口管215被焊接在法蘭241的表面上，而出口管225則被安裝在另一個法蘭242上。一旦流體通過入口管215，流體就會被入口多孔盤270調節和分配，以均勻地貫穿dep通道255。在另一端，出口多孔盤220用以收集過濾的流體並且還為絕緣金屬杆與金屬法蘭242提供所需的電絕緣。

本發明的關鍵應用之一是對原油精煉廠中重油的過濾，因此入口多孔盤270和出口多孔盤260可由如陶瓷或ptfe(teflon)的高溫絕緣材料製成。根據絕緣金屬杆250和圓柱形殼體240的直徑以及填充形式，dep分離通道具有獨特的圖案，並且開口端上的入口多孔盤和出口多孔盤圖案是一樣的。dep分離通道和入口多孔盤270或出口多孔盤260之間的圖案校準對於用清潔流體清潔dep分離器的有效性和效率是有益的，尤其是在額外使用加壓氣體或空氣清潔dep通道中的固體顆粒的情況下。在一個實施例中，入口多孔盤和出口多孔盤為具有均勻穿孔的板，以便將粒子密集的油分配在通道255上。

在分離循環操作中，從供油貯油罐120泵送的流體通過與法蘭241匹配地嚙合的入口管215進入圓柱形容器。流體流經並由入口多孔盤270分配。流體沿著絕緣金屬杆平行地流經通道255。電源168提供高壓以使中心電極210通電。在中心電極210和圓柱形殼體240之間，產生垂直於中心電極的梯度電場。通過用絕緣金屬杆密集排列填滿圓柱形殼體內的空間，在絕緣金屬杆之間的多個小通道255內產生局部的和更強的電場梯度，當流體沿著絕緣金屬杆流經dep分離通道255時，流體中的固體顆粒經歷較強的dep分離力並被吸附到杆與杆之間的接觸點上。固體顆粒可達到的漂移速度取決於其尺寸和流體粘度，以及移動到絕緣金屬杆之間的接觸點上的局部產生的最大或最小電場。

在一些實施例中，從供油貯油罐120泵送的流體通過底部法蘭242上的管道225並通過多孔盤埠260進入圓柱形容器。來自底部管道225的流體對dep分離效率來說需要克服的重力影響較小。

在清潔循環期間，中心電極210上的高壓被斷開，從而消除作用在固體顆粒和杆250交叉點之間的作用力。貯油罐140中的清潔流體通過入口管215泵送到分離器圓柱形殼體240中。入口多孔盤270將進入的加壓流體均勻地分配到由絕緣金屬杆250形成的每個分離通道。dep分離器通道255中被吸附的固體顆粒很容易地被洗掉，因為由於中心電極的斷電，捕獲力、dep力和極化顆粒的吸引力被消除。在清潔循環開始時，清潔流體和高濃度的固體顆粒，在一些實施例中濃度高達20％，流出出口多孔盤。在短時間間隔之後，清潔流體再次變得澄清，因為固體顆粒已被洗掉，並且已完成dep分離器110的清潔循環。可以通過在洗滌循環期間測量固含量來確定清潔循環的間隔。

在工業應用中，使用儘可能少的流體以在清潔循環期間實現有效清潔是經濟的。一種優化策略是儘可能長地延長分離循環，而不使分離效率降低至閾值，即95％。分離循環的持續時間可根據分離效率的要求、金屬杆尺寸和通道長度等特定的應用來確定。另一種優化策略是採取加壓空氣或氣體來輔助通道清潔，特別是對於較小通道。對於空氣或氣體輔助清潔，通過增加分離通道內的空氣速率,在真空泵的出口端維持真空來增加清潔。

在一個實施例中，在清潔過程期間，高壓空氣或氣體從容器的排出端施加，並且可被加壓以超音速氣流通過杆之間的孔。由於在反衝洗循環時沒有對電極供電，因此不存在吸附催化劑的dep力。殘油粘附到杆上是唯一必須克服的力。在另一個實施例中，高壓空氣或氣體施加在容器的入口端，與通常發生的分離的方向相同。

參考圖3，在本實施例中，硬陽極電鍍鋁杆250用作絕緣金屬杆。硬陽極電鍍鋁杆層350使金屬杆351絕緣。通常，硬陽極電鍍鋁表面具有由氧化鋁(al2o3)形成的約50μm厚的絕緣層。對於工業應用中，如原油精煉廠中的重油催化劑過濾，需要長期操作或壽命的絕緣層，鋁杆上的50μm硬陽極電鍍層就會太薄，不能長時間耐受具有高級催化劑濃度的磨料高溫重油。在用於工業應用的優選實施例中，高溫絕緣材料，如telfon或陶瓷，可用於塗覆在金屬杆表面。通常，陶瓷塗層在耐磨性和更高的操作溫度上比telfon類型的高溫塑料更好，但是陶瓷塗層的成本更高。在實現實際的工業實施例中需要一些權衡。

本發明的另一實施例包含具有均勻直徑的圓形橫截面的電絕緣金屬杆替代陽極電鍍杆250。其它橫截面形狀可用於變化表面面積和場強度以及特徵，例如三角形、正方形、五邊形和六邊形。

在本發明的另一個實施例中，具有圓形橫截面的電絕緣金屬杆直徑可以有變化，並且間隙地放置，以最小化杆與杆的間隙。容器240儘可能多地裝填有杆束，以便使接觸點的高電場最大化。杆的粗細度可根據經驗確定：當杆太細時，它們變得柔性，並且當杆太粗時，通道太大而不能提供有效的分離。

過濾系統100的過濾能力取決於dep分離器110的處理體積和流經分離器110的流體液體的處理時間。處理時間可以通過流經分離器110的流體的流速來控制。在本實施例中，dep分離器110具有約1320毫升的體積，並且系統100可以過濾約900毫升的流體。流速可以控制在10ml/min到500ml/min的範圍內。然後處理時間在1.8分鐘至90分鐘之間。然而，在其他實施例中，系統100可以適於基於工業能力過濾工業體積，此外，過濾能力可以根據需要變化。下面詳細討論支配分離器110的這些特徵的參數。雖然系統100中的預過濾器170被示出為單獨的單元，但是在其他實施例中，預過濾器可以被包含在分離器110內作為部件。或者，預過濾可以在與系統100分離的系統中執行，或者根本不執行。預過濾器的示例包含具有矽和陶瓷過濾器設計孔徑為排除不期望的固體顆粒。矽和陶瓷濾器可是有利的，因為穿過過濾器表面的交叉流可以用於去除不期望的固體顆粒，孔徑可以是均勻的和/或可以實現高孔密度用以提供高流速的可能性。

入口多孔盤270和出口多孔盤260具有相同的尺寸和形狀。通常，入口和/或出口多孔盤的尺寸和形狀可根據需要變化以裝配在容器中用於金屬杆的校準和油分配。此外，流體通道和/或入口和/或出口多孔盤的組合可以經設計用於提供通過器件的期望的流體流動。在本實施例中，為給出尺寸示例，入口板具有52.1mm的直徑，並且由厚度為6.35mm的鋁板構成。基於便於油流入六邊形杆陣列的金屬杆的排列通道，其由陽極電鍍鋁杆成束構成，在入口多孔盤上鑽出多個3mm孔以防止杆穿過孔。陽極電鍍鋁管的內徑可為52.3mm。出口多孔盤是具有6.35mm厚度的直徑為52.1mm的ptfe盤。在一個實施例中，基於杆的六邊形陣列的圖案在板上鑽出3mm孔，以允許油通過杆排出。ptfe板具有薄壁以保持杆在適當位置。入口多孔盤和出口多孔盤與杆對齊，因此油可以通過流體通道，並且杆的表面吸附上的固體顆粒。

在本發明的另一個實施例中，參考圖2c，多個電絕緣杆以同心六邊形的形式組裝在高壓電極周圍，以減少絕緣杆之間的間隔，並增加杆的圓周周圍的電場emax點。在一個優選實施例中，為減少杆之間的空間，高壓電極被由具有與電極相似的直徑的6個陽極電鍍鋁杆形成的六邊形形狀圍繞。形成最內六邊形的這6個杆再由12個電極形成的六邊形形狀圍繞，而且這12個電極由第三個由18個電極圍成的同心六邊形環繞在中間。

在使用中，油在杆250的間隙內穿過容器240。高壓電極210接高壓電和接地容器壁240之間提供電場。電場內的每個金屬杆由電場來充電，並根據其粗細提供偶極子。因為通常含有0.5-1.0％催化劑的油漿通過充電的杆，所以催化劑被吸附到杆上並保留在那裡。杆與杆之間保留的催化劑積聚並阻塞油流，然後通過清潔循環去除。

本發明的其他目的、方面、特點和優點將從下面的描述中顯現，其中已經結合附圖和所附權利要求詳細闡述了優選實施例。

本文使用具體實施例僅為了說明的目的來描述本發明。對於本領域的普通技術而言，這將是顯而易見的，本發明的原理可以以其他方式包含。因此，本發明不應被認為限於本文公開的具體實施方式的範圍，而應被認為在與所附權利要求完全相稱的範圍上。