CN102183981B - 流体处理的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于流体磁处理的装置，其在时间段T_c内产生临界磁场强度H_c或以上的一个磁场，时间T_c和场强H_c相对于彼此而决定并且取决于流体的性质。

Description

流体处理的方法和设备

本申请是申请号为200580023369.3(国际申请号为PCT/AU2005/000688)的中国发明专利申请的分案申请，该中国发明专利申请的申请日为2005年5月13日，发明名称为“流体处理的方法和设备”。

技术领域

本发明涉及流体的处理，特别是碳氢化合物、燃料和油的处理，并且具体涉及使用磁场来影响碳氢化合物的物理特性的方法和设备。

背景技术

使用磁设备和方法来处理碳氢化合物在在先技术中是已知的。然而，这种处理的方法和效果并未被很好的知晓并且也很难预测。

在通常的燃料磁处理的领域中，在先技术的例子如下：

美国专利3,830,621-Process and Apparatus for Effecting EfficientCombustion。

美国专利4,188,296-Fuel Combustion and Magnetizing Apparatusused therefor。

美国专利4,461,262-Fuel Treating Device。

美国专利4,572,145-Magnetic Fuel Line Device。

美国专利5,124,045-Permanent Magnetic Power-Cel lSystem forTreating Fuel Lines for More Efficient Combustion and Less Pollution。

美国专利5,331,807-Air Fuel Magnetizer。

美国专利5,664,546-Fuel Saving Device。

美国专利5,671,719-Fuel Activation Apparatus using MagneticBody。

美国专利5,829,420-Electromagnetic Device for the MagneticTreatment of Fuel。

在先技术文档(上面提及的仅是其中的一小部分)特别注重燃料流的处理，其目的在于防止在管子中的结垢、侵蚀或生物生长，或者增加在机器中燃烧时的燃料燃烧效率。

然而，也有许多文档提出了用于“流体或燃料的调节”的设备，而设备的应用方法则很不清楚。部分这类文档的概要如下：WO99/23381-Apparatus for Conditioning a Fluid

这篇文档介绍了利用磁场调节在管子中流动的流体的装置。这种流体可以是“燃料”并且磁体可以是钕铁硼颗粒，其被置于中心并且被压缩以提供一种特别强的永久磁铁。该文档介绍了使用永久磁铁的液体条件。

美国专利6,056,872-Magnetic device for the treatment of fluid

这篇文献公开了用于磁处理流体如气体或液体的设备。该设备包括许多磁组(永久性的或电磁性的)用来在流体中产生磁场。磁体放置在管子或其它内部有流动流体的流体管道周围，并且这个设备使用具有不同的磁场强度的磁体以改变沿着管子或流体管道的长度方向的场通量。要指出的是，在说明书的发明背景部分，讨论的问题有关防止在管子中结垢、腐蚀或藻类生长。磁设备还在改善燃料消耗以及减少机器的不理想的故障(omission)的情况中进行了讨论。

石蜡是生产原油中的一个主要问题。虽然在形成中石蜡通常保持在溶液中，但是在石油被生产时，一些较轻的端被丢失，这能够改变石蜡的晶体形式，使其由于温度的变化参与并且/或者产生一种蜡状物。大约40％的把有用的石油带到市场的成本在于控制石蜡。

已知使用化学试剂来防止、溶解或者从管子中移除这些材料，通常采用酸和昂贵的生物杀虫剂。然而，这些并不总是有效的。这些化学试剂可能是有毒或者昂贵的，并且通常这些化学试剂产生了长期的运营花费，因为它们必须被不断的加入到流体当中。

应该清楚的理解，如果在此参考在先出版物，这种参考并不构成这样一种认可，即该出版物在澳大利亚或其它的任何国家构成了公知常识的一部分。

发明内容

本发明涉及一种磁处理流体的设备，其至少可以部分克服上面提及的至少一个劣势或者为消费者提供一种有用的或者商业的选择。

根据本发明的一方面，提供了一种用于流体磁处理的装置，包括多个沿着传输该流体的管子或管道间隔分布的电磁体，每一个该电磁体在时间段T_c里产生处于临界磁场强度H_c或以上的至少一个磁场，该时间段T_c和该临界磁场强度H_c是相对于彼此而确定的并且取决于该流体的性质，其中由每一个所述电磁体施加的所述临界磁场强度H_c根据下面的公式计算：

H_c＝[k_BT/(nμ_f)]^1/2(μ_p+2μ_f)/[a³(μ_p-μ_f]

并且，其中所述时间段T_c等于τ，τ根据下面的公式计算：

τ＝n^-1/3/v＝πη₀(μ_p+2μ_f)²/[μ_fn^5/3a⁵(μ_p+μ_f)²H²]＝πη₀a/(n^2/3k_BTα)

其中，n是基液中假想颗粒的颗粒数量密度；v是假想颗粒的平均速度；η₀是基液的粘度；μ_p是假想颗粒的磁化率；μ_f是基液的磁化率；

a是类似球体的颗粒的半径；H根据以上计算H_c的公式计算；k_B是玻尔兹曼常数；T是绝对温度；并且α由下面的公式计算：

α＝μ_fm²n/(k_BT)

其中，m是颗粒和基液之间的偶极矩，所述电磁体的分隔距离根据该流体流过该管子或管道的速度和拆分时间T_b而确定，所述拆分时间取决于所述时间段T_c和所述临界磁场强度H_c。

一方面，本发明涉及一种对所处理的流体的至少一个物理的或流变学特性产生改变的流体磁处理的装置，该装置包括至少一种使磁场应用到流体的磁装置。

在另一更具体的方面中，本发明涉及一种能够在时间段T_c里产生临界磁场强度H_c或以上的磁场的流体磁处理装置，时间T_c和场强H_c是相对于彼此而确定的并且取决于流体的性质。

另一方面，本发明可能涉及一种流体磁处理的方法，该方法包括将至少一个磁场应用到待被处理的流体中的步骤。

另一个具体形式中，本发明涉及一种流体磁处理的方法，该方法包括在时间段T_c施加临界磁场强度H_c或以上的至少一个磁场的步骤，时间T_c和场强H_c是相对于彼此而确定的并且取决于流体的性质。

根据本发明的方法和装置当被应用到带有碳氢化合物的流体时有特别的用途，无论它们是液体或是气体。应该了解的是，虽然本发明的装置和方法特别应用于碳氢化合物流体或者那些含有碳氢化合物的流体(无论是混合物或非混合物)，但其也可以被用到其他流体上。通常，一个简单的应用磁场到流体的方法可以是当流体正在流动时，类似的，场可以被施加到沿管子或管道流动的流体。

虽然不想被理论所束缚，一种碳氢化合物流体理论上可以被分成颗粒，其可以被定义为大的分子，悬浮在由较小的分子构成的基液中，这些较小的分子通常是占大部分的，因此形成基液。因此，碳氢化合物流体的粘度可以近似为悬浮液体的粘度，其与单分子液体，例如水和液态氮，是非常不同的。对于同样的体积Φ，表观粘度取决于颗粒大小。当颗粒变小，表观粘度变高了。这可以从穆尼等式中看出[4]，

η/η₀＝exp[2.5Φ/(1-kΦ)]    (1)

其中，当颗粒尺寸变小时，拥挤因子k增大。一些在先技术实验估计：对于微米级颗粒，k＝1.079+exp(0.01008/D)+exp(0.00290/D²)，其中D是以微米为单位的颗粒直径。

每一个大的分子或“颗粒”有一个不同于基液的磁化率μ_f的磁化率μ_p。在磁场中，这些颗粒因此沿着场的方向被极化。如果这些颗粒是半径为α的统一球体，在磁场中，偶极矩可以由下面公式估计：

m＝Ha³(μ_p-μ_f)/(μ_p-2μ_f)    (2)

其中，H是本地磁场，其在稀释的情况下应该接近于外部磁场。在这些到极子之间的偶极相互作用引起磁偶极子，其强度由下面的公式给出：

U＝μ_fm²(1-3cos²θ)/r³    (3)

其中r是这两个极子之间的距离，并且θ是极子和磁场间的直线间的夹角。如果这种相互作用强于正常的布朗运动，这两个极子将聚集在一起沿场的方向排列。如果偶极相互作用非常强并且磁场的持续时间足够长，这些颗粒将聚集成可见的链状或者纵队，其将阻塞液体流并且增加表观粘度，这是一种在磁流变(MR)流体中常见的现象。

惊奇的发现，如果施加的磁场是短脉冲，其产生的偶极相互作用没有足够的时间来影响以肉眼可见的距离分开的颗粒，但是迫使邻近的颗粒形成小的群体。这些聚集的群体因此尺寸有限，例如为微米极的尺寸。当颗粒的体积因数保持不变时，新颗粒的平均尺寸变大。这可以导致表观粘度的减小，因为拥挤因子k的数值被减小了。

优选地，磁场强度H_c和磁场作用时间T_c之间的相互关系可以如下计算：

一旦施加到流体T_c时间的磁场停止，产生的偶极相互作用将会逐渐消失。然而，通常，由于磁滞现象，聚集的颗粒群能够保持一段时间。一段时间后，布朗运动和其它各种干扰通常将会拆分这一聚集的颗粒。在聚集的颗粒被完全分解后(这将花费大约8到10个小时，拆分时间T_b)，液体悬浮物的流变学特性通常回到磁处理之前的状态。因此，优选地是在长距离或延长传输时间流体传输的应用中，例如燃油管道中，根据拆分时间T_b将磁场施加导流体上。

适当地，有多个施加磁场的装置沿着传送流体的管道或管子间隔分布。装置之间的分隔距离可以根据流体流过管道的速度和拆分时间T_b来确定。为了保持流体中的较低粘度，场的施加和管子上的磁聚集间隔，相应于沿管子的流动速度可以被调节或者是可调节的。

如果颗粒数量密度是n，两个相邻颗粒通常间隔为n^-1/3。使用等式(2)，在两个颗粒之间的偶极相互作用大约为m²nμ_f。为了使颗粒聚集在一起，这个相互作用最好强于热布朗运动，这种运动会把相邻的颗粒拉到一起。适当地，可以指定偶极相互作用和热运动之间的竞争的参数α，可以因而得出

α＝μ_fm²n/(k_BT)    (4)

其中，k_B是波尔兹曼常数，并且T是绝对温度。

使用等式(2)，用于实现发明的临界场可以因而如下计算：

H_c＝[k_BT/(nμ_f]^1/2(μ_p+2μ_f)/[a³(μ_p-μ_f)]    (5)

如果应用的磁场弱于H_c，热布朗运动可能阻止颗粒聚集在一起。为了改变流体悬浮的表观速度，施加的磁场根据本发明来施加，适当地不低于H_c。

由于偶极相互作用，在相邻颗粒间的力通常是6μ_fm²n^4/3。将这一关系式用于颗粒上的斯托克拉力6απη_αv，这个颗粒的平均速度适当地为v＝μ_fm²n^4/3/(πη_αα)。

两个相邻颗粒聚集到一起所需要的时间则近似是

τ＝n^-1/3/v＝πη₀(μ_p+2μ_f)²/[μ_fn^5/3a⁵(μ_p+μ_f)²H²]＝πη₀a/(n^2/3k_BTα)(6)

如果磁场的持续时间远远小于τ，颗粒可能没有足够的时间聚集到一起。另一方面，如果磁场的持续时间远长于τ，宏观链形成，并且流体的表观粘度可能会增加而不是减小。

因此，根据本发明的一个优选实施例，磁场的合适持续时间应该和τ一个量极。根据等式(6)，可以清楚地看出，如果施加磁场变强，脉冲持续时间应该变短。因此，应用磁场的强度H_c可以相关于施加的场的持续时间T_c来决定。

在MR流体中(α≥100)，偶极相互作用可能太强并且在数微秒内使颗粒沿着场的方向形成链。在石油中，产生的磁极子作用可以优选地比MR流体中的弱很多。因此，根据本发明的一个特别的优选实施例，在其中被处理的流体的α值在1到10之间，液体悬浮的表观粘度可以通过选择合适的磁场施加持续时间而有效地减小。

被用于本发明的磁场聚集起来的颗粒可能不是球形的。它们可能沿着场方向被延长并且可能在磁场的影响下旋转，其可以进一步帮助减小表观粘度。

可以提供一个装置用来实现本发明。通常，用来施加磁场的装置将会磁体。这个磁体可以由任何合适的材料组成并且可以是，例如，永磁体或电磁体，其可以是现有技术已知的或以后开发的。当磁体是永磁体时，特别合适的磁性材料包括陶磁和稀土材料，尤其包括钕铁硼磁体和钐钴型磁体。

在电磁体的情况下，显而易见的是，其应该附在合适的电源上，以使它们的电磁特性能被保持。磁体的物理形式可以是任何合适的形式，并且其只有在这里提到的设备排列中是优选的。

磁体应该具有足够高的居里温度，这样磁体能够在其被暴露的工作温度下保持磁性特征。例如，在一个汽车发动机中，燃料线路磁体将放置于发动机模块之上，在那里相对的加热将大大提高它们的温度。一些磁体在温度升高时会失去大量的磁场强度。铝镍钴合金磁体的居里温度在760℃到890℃之间，陶瓷磁体(铁酸盐磁体)的居里温度为450℃，钕的居里温度在310℃到360℃之间，并且钐的居里温度在720℃到825℃之间。

应该理解的是，上述针对本发明描述的磁体可以是磁体，也可以是磁体和一个或多个元素的任意结合，该一个或多个元件可以改善磁场在管道中的渗入，或加强磁体的场强度。这些包括使用一个或多个铁或钢(尤其是低碳冷轧钢)制成的电极片。这样的电极片最好放在磁体的一个面或一个极的中间，并且在管道的外壁上。理想情况下，电极片和导管外壁接触的部分具有和导管外壁的形状相似的轮廓，因此电极片可以安装到管道上。通常，电极片接触到外壁的部分具有弯曲的轮廓，其对应于管道(尤其是管子)的外壁半径。在管道具有平面的情况下(例如导管具有正方形、三角形或矩形形状的截面)，电极片和外壁相接触的部分可以是平面轮廓。这些电极片可以安排在任何磁体的任何侧面上，例如位于磁体和导管的外壁之间，至少和磁体的一部分连触，并且同时垂直于导管的外壁。电极片也可以是锥形的，使和磁体接触的电极片的面等于或大于与其接触的磁体侧面的表面面积，但是在其相对面，电极片具有较小的表面面积。在这样结构中，电极片具有锥形的外形，这能使位于磁体和电极片的交界表面触的磁场聚集到电极片相对面的较小面积，这一较小的表面积是在导管的外壁或其附近。

关于构造根据本发明中的设备，任何适合在上面所述的管道外面安置每一个磁体组的装置都可以被使用。磁体不必和管道有物理接触，但是对铁磁体这可能是非常理想的，例如一根铁或钢的管子。这些装置可能包括合适的机械装置，例如夹具、支架、带子、皮带、具有放置磁体的空间的框架，以及化学方法，例如将磁体粘在管道外壁上。

任何合适的方法，包括任何上面提及的专利中已经描述过的方法和设备，都可以被使用。在另一个实施例中，也可以考虑磁体作为导管的一部分的情况，例如也被包括在管道外壁的结构中。这些磁体也可以被放置在管道的内壁上。还可以考虑的情况是，用于实现本发明的这些磁体可以形成管道壁的一部分。在这种结构中，可能提供一个带有凸缘、线或其他附着方法的管道部分，这些方法可以用来将所述管道部分插入相符的传输流体的管道中。这样的管道部分将包括依照这里所述的本发明的创造性概念来安排的磁体，其包括在管道部分的壁中或作为管道部分的墙的一部分。

本发明的方法和设施也可以被应用到碳氢化合物流体的分解。分解通常是流体和周围空气的相互作用的结果，并且整个分解过程包括几个相互作用的机制，其中最后的分解阶段中较大的滴进行分裂。在平衡中，一个小滴的半径是由液体的表面张力和压力差所决定，

r＝2γ/Δp    (7)

其中γ是表面张力，并且Δp＝p_i-p_α是液滴内部压力p_i和小滴表面附近的空气压力p_α之间的压力差。公式(7)中r的大小通常被认为是关键值。在喷射的过程中，液滴可能最初远大于r。它们随后不断的分裂成小液滴。液体粘度的影响，通过反对液滴分解，可以增加分裂时间。因此，低液体粘度有助于液滴的快速分解并导致产生更小的液滴。

另外，在许多流体中，如果流体的粘度被减小，它表面的张力也随之下降。可以预见的是，根据本发明的方法应用的脉冲磁场也可以减小这些石油燃料的表面张力和表观粘度。

附图说明

参考以下附图对本发明的各个实施例进行描述，其中：

图1是在10℃、95转/分、应用1.3T的磁场5秒钟时间时含有20％酒精的汽油的粘度图。

图2是在10℃、95转/分、应用1.3T磁场1秒钟时间时含有10％MTBE的汽油的粘度图。

图3是在10℃、35转/分、应用1.1T磁场8秒钟时间时的柴油粘度图。

图4是在10℃、10转/分、应用1.3T磁场4秒钟时间时Sunoco原油的粘度图。

具体实施方式

根据本发明的一方面，提供了处理碳氢化合物和特殊燃料、燃油和原油的方法。

许多应用的例子被实施，其中磁场强度临界值H_c或以上的磁场被应用到碳氢化合物流体T_c时间。时间段T_c和场强H_c相对于彼此而决定并且取决于流体性质。已发现，以这种方式强加磁场可以减小流体的表面粘度。

在这些例子中，方法和设施被用来处理没有任何添加剂的纯汽油、纯柴油和纯煤油。然而，因为产生的大量碳氢化合物中含有某种添加物，这里介绍的例子针对具有类似于用于汽车、卡车的主要类型燃料的成分的碳氢化合物流体进行，并且也针对原油进行。

这些例子通过使用带有UL适配器的布氏

数字粘度计LVDV-II+实施。布氏LVDV-II+粘度计以固定的剪切速度测量流体粘度。其操作原理是通过校准后的弹簧驱动浸入测试流体的轴。对轴的粘度拖力通过弹簧的偏离来测量并且用旋转变换器来测量。LVDV-II+具有15-2,000,000cP的测量范围。

UL适配器包含一个精度圆柱轴，其在精确的机械管中旋转从而以较高的准确度测量低粘度流体的粘度。使用UL适配器和轴，处于1-2,000cP范围内的粘度都是可测量的。

在下面的说明和附图中，磁场在时间零点(T＝0)被加入。

例1-具有20％乙醇的汽油

乙醇是一些市场上出售的汽油的重要添加剂。这个例子使用含有20％乙醇的汽油来实现。有趣的是可以发现纯汽油具有非常低的粘度，在10℃时大约为0.8cP。然而，乙醇具有相当高的粘度，在10℃时大约为1.7cP。因此，具有20％乙醇的汽油混合物具有大约0.95cP的粘度。

1.3T的强磁场被施加在样本上5秒左右。表观粘度下降到0.81cP，但是随后快速上升到大约0.865cP，波动并且逐渐上升，如图1所示。然而，3小时后，表观粘度保持在0.88cP，比原始值低8％。在应用磁场后200分钟，表观粘度保持在明显低于原始值的状态。我们期望在大约10小时后，粘度恢复到0.95cP。

例2-具有10％MTBE的汽油

MTBE(甲基叔丁基醚)仍然被广泛使用作汽油添加剂。这个例子使用含有10％MTBE的汽油。不同于乙醇，MTBE具有相当低的粘度。因而，具有10％MTBE的汽油混合物在10℃时具有0.84cP的粘度，略高于纯汽油的粘度。

1.3T的磁场被施加在样本上大约1秒。表观粘度立即下降到0.77cP。随后在0.78cP左右波动几小时并且逐渐上升，可以从图2中看出。

然而，如图2所示，在超过2小时后，粘度保持在比之前的值0.84cP低约7％。在使用磁场150分钟后，表观粘度保持在比原始值低很多的状态。这一状况与在脉冲磁场下混有乙醇的汽油的状况非常相似，但是我们也注意到，对于具有10％MTBE的汽油，磁场脉冲持续时间应该比具有10％乙醇的汽油短很多。

例3-柴油燃料

柴油的粘度比汽油高很多。例3使用纯柴油和含有0.5％乙基乙基硝酸(ethylhexyl nitrate，EHN)盐添加剂的柴油。这两种样本的行为非常相似，因为添加剂的体积含量很小。

如图3所示，柴油在10℃时具有大约5.8cP粘度，这远高于汽油的粘度值。在施加1.1T的磁场8秒后，表观粘度降至5.64cP，随后保持在5.7cP几小时。在应用磁场后160分钟，表观粘度保持在明显低于原始值的状态。

为了决定磁场脉冲的优化持续时间，可能需要进一步的实验。一方面，因为柴油更接近于原油，所以预期产生的偶极相互作用的磁场应该强于汽油。另一方面，因为柴油的原始粘度高于汽油，所以预期磁脉冲应该具有略长的持续时间。图3的结果显示磁场脉冲可以减小柴油的表面粘度。

例4-原油

例4使用Sunoco原油。因为Sunoco原油是轻原油并且具有很低的固化温度，本例在10℃下进行。如图4所示，在该温度下Sunoco原油具有大约26.2cP粘度。使用1.3T的磁场4秒后，表观粘度下降到22.2cP，其比原始值低16％。在磁场关闭后，粘度保持低值，但是在逐渐上升。

200分钟后，粘度达到25.0cP，但是仍然低于原始值5％。从这条曲线推断，可以预期粘度将在大约10小时后恢复到原始值。

在本说明书和权利要求书中，“包含”一词包括所述的每一个整数，但是并不排除包含一个或更多其它的整数。

本说明书中，参考“一个实施例”或“实施例”意味着与这个具体实施例对应的一个特别的特征、结构或特性被至少包含在本发明的一个实施例。因而，在本说明书的不同地方出现的词“在一个实施例中”或“在实施例中”并不必然指同一个具体实施例。另外，特殊的特征、结构或特性可能在一个或多个结合例中以任何合适的方式结合。

Claims (7)

1.一种用于流体磁处理的装置，包括多个沿着传输该流体的管子或管道间隔分布的电磁体，每一个该电磁体在时间段T_c里产生处于临界磁场强度H_c或以上的至少一个磁场，该时间段T_c和该临界磁场强度H_c是相对于彼此而确定的并且取决于该流体的性质，其中由每一个所述电磁体施加的所述临界磁场强度H_c根据下面的公式计算：

H_c＝[k_BT/(nμ_f)]^1/2(μ_p+2μ_f)/[a³(μ_p-μ_f)]

并且，其中所述时间段T_c等于τ，τ根据下面的公式计算：

τ＝n^-1/3/v＝πη₀(μ_p+2μ_f)2/[μ_fn^5/3a⁵(μ_p+μ_f)²H²]＝πη₀a/(n^2/3k_BTα)

其中，n是基液中假想颗粒的颗粒数量密度；v是假想颗粒的平均速度；η₀是基液的粘度；μ_p是假想颗粒的磁化率；μ_f是基液的磁化率；a是类似球体的颗粒的半径；H根据以上计算H_c的公式计算；k_B是玻尔兹曼常数；T是绝对温度；并且α由下面的公式计算：

α＝μ_fm²n/(k_BT)

其中，m是颗粒和基液之间的偶极矩，所述电磁体的分隔距离根据该流体流过该管子或管道的速度和拆分时间T_b而确定，所述拆分时间取决于所述时间段T_c和所述临界磁场强度H_c。

2.一种用于传输流体的系统，包括至少一个根据权利要求1所述的装置，所述装置放置在管道周围，所述流体流动通过所述管道。

3.如权利要求2所述的用于传输流体的系统，其中所述电磁体与所述管道的外壁接触的部分具有和该管道的外壁的轮廓相似的轮廓。

4.如权利要求3所述的用于传输流体的系统，其中所述电磁体的接触到所述外壁的所述部分具有对应于所述管道的外壁半径的弯曲的轮廓。

5.如权利要求2所述的用于传输流体的系统，还包括机械装置用以将所述装置放置在管道周围，该机械装置选自包括夹具、支架、带子、皮带、具有放置所述电磁体的空间的框架的组。

6.如权利要求2所述的用于传输流体的系统，其中，使用用于将所述电磁体粘在所述管道的外壁上的化学方法将所述电磁体安装到所述管道的所述外壁上。

7.如权利要求2所述的用于传输流体的系统，其中所述电磁体放置在所述管子或管道的内壁上。

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