CN102802751B - 聚结器装置和分离方法 - Google Patents

Abstract

总的来说，本发明涉及聚结器装置，以及利用所述聚结器装置从乳液中聚结包含分散液相的材料的分离方法。

Description

聚结器装置和分离方法

发明背景

发明领域

总的来说，本发明涉及聚结器装置以及利用所述聚结器装置从乳液中聚结包含分散液相的材料的分离方法。

相关技术描述

化学和相关工业需要从包含分散液相和连续液相的乳液中分离或聚结分散液相，其中所述分散和连续液相基本上彼此不混溶。这样的乳液的典型实例是油-水乳液。从油藏获取的原油典型地以油-水乳液的形式污染有水。事实上，水是油和天然气生产商产生的最大体积的废液流。在原油可以被运输或精炼之前，并且为了在将水排放之前满足清洁水标准，必须从油-水乳液中除去原油。这样的乳液的其他实例包括各种不混溶的有机和/或含水相，例如异丙醇-己烷、甲苯-水和甲基丙烯酸酯-水。

在分离技术术语中，“完全分割(perfect cut)”是指将所有分散相与连续相分离开，其中所述分散相与连续相构成乳液。例如，对于油-水乳液来说，完全分割意味着在分离的油层和分离的水层之间存在清晰的分界线，在它们之间没有混杂层(rag layer)。取决于油-水乳液包含水基连续相中的油基分散相还是与之相反，混杂层将包含少量分散在水中的油或与之相反。在分批和连续重力分离过程中，实现完全分离花费的时间过长，并且产生的被分离材料得率的增量过低。因此对于采油工业中的油-水分离过程来说，实际目标是如果情况允许的话，维持可接受的小尺寸混杂层并获得令人满意的分离的油、水或两者的质量(例如可以从分离罐顶部获取分离的油，从分离罐底部获取水，或两者)。分流比和油分离效率是可用于表征油-水分离过程的有效性和从其获得的分离层的纯度的两个参数。

在工业中，已经在商业化规模上尝试了多种用于此目的的分散液相分离器装置和分离方法。这样的用于分离油-水乳液的装置和方法的实例是基于重力的分离和倾析方法；使用聚结器装置例如静电聚结器系统(ESCS)；井下油水分离器(DOWS)例如旋液分离器装置；以及双作用泵送系统(DAPS)。工业利用聚结器装置加速油滴的聚结速率。旋液分离器装置利用离心力将较重的水驱赶至装置的外部区域，将较轻的油留在装置的内部区域中。双作用泵送系统利用向上泵送操作将油和极少量水(例如淡水或海水)泵送至表面，然后将大多数向上泵的水向下泵送到水井中。尽管所述聚结器装置(例如ESCS)、DOWS和DAPS与使用仅基于重力的装置的分离相比提高了油与水的分离，并且油分离速率的即使几个百分点的小幅提高对于这些工业来说也是显著和有价值的，但聚结器装置、DOWS和DAPS仍然相对慢、低效或两者兼有。

已尝试了用于从油-水乳液分离油的其他油-水分离器装置和分离方法。它们中的至少一种利用引流管(draft tube)。日本专利申请号JP 55-132608在其中提到一种用于油和水的分离器，其通过在配置于外筒中的引流管(即“导流筒”)中使用空气进料形成空气上升的机制来分离油。外筒用于排出液体并流通排出的液体，并具有多种筒结构。引流管通过交替连接的蜂窝状填充狭隘部分和锥形的伸出部分构造而成。引流管的构造被设计成使流过它的液体受到空气柱的作用，所述空气柱施加高压、剪切应力和其他力。

引流管也使用在用于将液体混合在一起的装置中。美国(U.S.)专利号4,981,366在其中提到了用于在容器内混合液体的混合装置。所述装置利用至少一个与容器中的液体流体连通的泵，产生进入配置在容器内的引流管中的液体流量，从而将液体混合。

US 4,981,366的引流管和JP 55-132608的装置各自缺少配置在其中的叶轮。然而，配置在引流管中的叶轮已知用于将气体与液体混合。

其中配置有叶轮的引流管已在溶剂脱除装置中用作将空气与污染的干洗液混合的装置，并被操作以从水中脱除比水重的液体。德国专利申请号DE 3401934A1在其中提到一种溶剂脱除装置，其用于处理较高比重的液体污染的水，例如来自于干洗操作的废水。参考在DE 3401934A1的图1中示出的溶剂脱除装置的编号和未编号的部件，所述溶剂脱除装置除了其他部件之外包含内部容器(11)。内部容器(11)在其中配置有钟状物(bell)(38)和管体(34)。管体(34)在其中配置有输送装置，其包含在底端具有推进器(49)的轴(48)。曝气室被配置在内部容器(11)的钟状物(38)中液体表面(36)的上方。在溶剂脱除装置运行期间，空气流通过钟状物(38)中的曝气室，同时输送装置(48/49)将液体(污染的水)从内部容器(11)喷射到空气流中，由此将污染的水与空气流混合在一起，并允许从污染的水中脱除比重较高的液体。

其中配置有叶轮的引流管也已被用于将气体与液体混合在一起的另一种装置中。再公告美国专利号RE 32，562及其母专利US4,454077在其中提到了一种用于将气体与液体混合在一起的装置。所述装置除了其他部件之外还包含容器、两端开口并具有锥形张开的上端的引流管(即“柱状空心导流元件”)、以及位于所述引流管内并与可旋转轴相连的轴向下降流第一叶轮。正如在唯一的图中所示，第一叶轮可以是螺旋形叶轮(6)。

因此，上述技术显示，包含其中配置有叶轮的引流管的装置可使用在将气体与液体进行混合的装置中，所述混合本身作为最终目标或作为从得到的含有比水重的溶剂的空气/污染混合物中脱除水的前奏。所述技术没有讲授或建议，也不会启发本技术领域的普通专业人员去尝试或了解如何构造包含其中配置有叶轮的引流管的聚结装置，或将其使用在将两种基本上不混溶的液体彼此分离开的聚结方法中。

化学和相关工业需要用于从包含分散液相和连续液相的乳液中移除分散液相的改进的聚结器装置和分离方法，其中所述分散和连续液相基本上彼此不混溶。优选情况下，所述改进的聚结器装置构造简单，在机械上易于操作，产生每单位体积聚结的不连续液相具有较小的不动产机体，并提供相对快速有效且不使用高压或高通气的分离方法。更优选情况下，这样的聚结器装置和方法可改造以适用于陆基或海上采油操作。

发明简述

在第一实施方案中，本发明是一种聚结器装置，其包含容器、引流管和产生竖直流体流的装置(竖直流产生装置)，所述引流管配置在所述容器内部；所述竖直流产生装置配置在所述引流管内部并可操作以产生通过其(即通过引流管)的竖直流体流，当乳液以与所述引流管和竖直流产生装置操作性接触的方式置于所述容器中时，所述聚结器装置可操作以从所述乳液聚结第一液体。

在第二实施方案中，本发明是一种从乳液分离第一液体的方法，所述方法包括激活配置在引流管内的产生竖直流体流的装置(竖直流产生装置)，所述引流管转而浸泡在容器中包含的乳液中；所述乳液包含分散相中的第一液体和连续相中的第二液体，所述第一和第二液体基本上彼此不混溶；所述乳液具有初始第二液体含量并需要被分离；所述引流管基本上竖直定向于所述乳液中，并且所述激活的竖直流产生装置引起所述乳液通过所述引流管的竖直导向的流动，从而将来自于所述乳液的至少一些所述第一液体聚结在一起，以便形成具有降低的第二液体含量的聚结的第一液体层，所述聚结的第一液体层的降低的第二液体含量低于所述乳液的初始第二液体含量。

在第三实施方案中，本发明是一种从液体分离固体粒子的方法，所述方法包括激活配置在引流管内的产生竖直流体流的装置(竖直流产生装置)，所述引流管转而浸泡在容器中包含的固体粒子在液体中的混合物中；所述混合物具有初始固体粒子含量和初始液体含量并需要被分离；所述引流管基本上竖直定向于所述混合物中，并且所述激活的竖直流产生装置引起所述混合物通过所述引流管的竖直导向的流动，从而将来自于所述混合物的至少一些所述固体粒子浓缩在一起，以便形成具有降低的液体含量的浓缩固体粒子层和具有降低的固体粒子含量的浓缩液体层，所述浓缩固体粒子层的降低的液体含量低于所述混合物中的初始液体含量，并且所述浓缩液体层的降低的固体粒子含量低于所述混合物中的初始固体粒子含量。

当在本文中使用时，术语“聚结”、“聚结的”及类似术语是指将不连续相(例如油)的第一液体的小球滴合并成统一整体，其中得到的合并物典型地包含来自于不连续相的第一液体层。当第一液体的密度低于第二液体的密度时，来自于不连续相的第一液体层形成在主要来自于连续相的第二液体的层的顶上。当第一液体的密度高于第二液体的密度时，来自于不连续相的第一液体层形成在来自于连续相的第二液体层的底下。在任一种情形中，有时在层之间可以存在混杂层(rag layer)。

术语“乳液”是指构成不连续相的第一液体的小球滴(例如液滴)在构成连续相的第二液体中的充分悬浮液。

术语“基本上竖直地”是指相对于水平面以75°至90°的角度取向。

术语“旋转”是指以有效促进第一液体从乳液的分散相聚结的旋转速率和方向围绕叶轮的轴运动。

术语“基本上不混溶的”是指溶解度值低于5wt.％。

术语“竖直导向的流动”或“竖直流”是指材料以基本向上的路线向更高位置或以基本向下的路线向更低位置的运动。当上述不连续相的材料具有比上述连续相材料的密度更低的密度时，流动方向向上，而当不连续相的材料具有比连续相材料的密度更高的密度时，流动方向向下。

术语“第二液体的含量”是指包含第二液体的非气态流体相对于第一和第二液体的总量的量，用百分数表示。

第二实施方案的从乳液分离第一液体的方法和第一实施方案的聚结器装置，可独立地用于从乳液中的分散相聚结第一液体。在最宽的实施方案中，本发明的从乳液分离第一液体的方法和聚结器装置缺少高压和通气，但仍能相对快速有效地从乳液聚结第一液体。在第二实施方案的从乳液分离第一液体的方法中使用的聚结器装置和第一实施方案的聚结器装置，分别都构造简单，在机械上易于操作，并可适用于陆基或海上采油操作。在某些实施方案中，本发明的特征在于本发明人的违反直觉的发现旋转叶轮以产生乳液的竖直流不会引起乳液的第一和第二液体的进一步混合，而是提高了从来自乳液的分散相聚结第一液体的速率。取决于第一和第二液体的相对密度，旋转采取产生向上定向或向下定向流动的方向。当第一液体的密度低于第二液体的密度时，旋转采取能够产生向上定向流动的方向。当第一液体的密度高于第二液体的密度时，旋转采取能够产生向下定向流动的方向。有效的低旋转速率显著低于将第一和第二液体混合在一起以获得其乳液所需的速率。在给定时间t时，与仅基于重力的聚结速率相比，得到的提高的聚结速率在40分钟后聚结了至少多20％的第一液体(并且在仅仅20分钟后聚结了至少多100％的第一液体)，其中每个速率使用相同乳液并通过测量产生相同高度的聚结第一液体层的相应时间来确定。

有利情况下，本发明的第三实施方案的方法加速了从液体分离固体粒子的速率。例如，单独通过重力诱导的沉降，含油砂细尾矿可能花费数年才与水分离。本发明的第三实施方案的方法加速了从水中分离含油砂细尾矿的速率，使得分离可以在数小时或数日内完成。

本发明在从乳液中的分散相聚结任何第一液体的应用中特别有用。本发明在用于从油-水乳液的水中除去油或从油中除去水的应用中特别有用。例如，本发明在用于从陆基油藏获得的污染有淡水的原油(例如从油砂回收沥青)和从海上油藏获得的污染有海水的原油中聚结油的应用中特别有用，两种应用都为运输和精炼原油做准备。

其他实施方案描述在附图和说明书的其余部分、包括权利要求书中。

附图简述

本发明的某些实施方案在本文中结合附图进行描述，所述附图至少有助于说明实施方案的各种特点。

图1显示了第一实施方案的聚结器装置的更优选实施方案的实例。

图2A和图2B显示了螺旋形叶轮的优选实施方案的一些实例。

图3显示了螺旋形元件的优选实施方案的实例。

图4显示了第一实施方案的聚结器装置的更优选的连续流动实施方案的理想化实例。

发明详述

本发明涉及如上概述的聚结器装置和利用所述聚结器装置的分离方法。在某些实施方案中，聚结器装置还包含至少一个其他容器、至少一个其他引流管、至少一个其他产生竖直流体流的装置和至少一个用于将液体在容器间顺序转移的装置，其中在每个容器内部配置有一个这样的引流管，一个这样的竖直流产生装置配置在每个引流管内部并可操作以产生通过引流管的竖直流体流。在某些实施方案中，竖直流产生装置包含叶轮和两个或以上竖直定向的折流板，所述叶轮和两个或以上竖直定向的折流板以这样的方式配置在引流管内并与引流管隔开，所述方式使得叶轮绕竖直轴的旋转产生由两个或以上竖直定向的折流板竖直导向通过所述引流管的流体流。包含这样的竖直流产生装置的聚结器装置的实例在后文描述。

叶轮可以具有适合于产生流体流的任何形状。在某些实施方案中，竖直流产生装置包含至少一个螺旋形叶轮。每个螺旋形叶轮被造型成使得螺旋形叶轮围绕竖直轴的旋转即使在不存在任何竖直定向的折流板时也产生通过引流管的竖直流体流。优选情况下，使用螺旋形叶轮时不使用竖直定向的折流板。优选情况下，竖直流产生装置包含螺旋形叶轮(可旋转)，其竖直配置在引流管中并与引流管隔开，可操作以产生通过引流管的竖直流体流。螺旋形叶轮可以具有连续构造(即单片的)或包含多个螺旋形叶轮元件，所述螺旋形叶轮元件各自具有前缘和后缘，其彼此顺序地操作性连接，使得一个螺旋形叶轮元件的前缘与相邻的一个螺旋形叶轮元件的后缘平行对齐并操作性连接。优选情况下，相邻螺旋形元件之间的操作性连接包括直接操作性连接(例如通过焊接)。螺旋形叶轮的总长度为引流管长度的0.5倍至1.0倍。更优选情况下，螺旋形叶轮可旋转并包含第一螺旋形元件，所述第一螺旋形元件的特征在于具有间隔开的前缘和后缘、纵轴、沿着其纵轴的长度(L_e)、绕着其纵轴的90度(°)至360°的扭转角(T_e)以及与其纵轴垂直的直径(D_e)，并且其尺寸被设定成能够建立可以以每个L_e和D_e之间的数学关系D_e≤L_e≤2D_e为特征的第一螺旋形元件的构造。包含这样的竖直流产生装置的聚结器装置的实例显示在图1中并在后文中描述。

在某些实施方案中，乳液是油-水乳液。在某些实施方案中，油-水乳液包含是油的第一液体和是水的第二液体。在其他实施方案中，油-水乳液包含是水的第一液体和是油的第二液体。本发明考虑到了使用任何油-水乳液，包括水与任何油的乳液。术语“油”是指在水中基本上不混溶的含液体烃类的物质。优选情况下，所述物质包含至少50wt.％、更优选至少70wt.％、更优选至少90wt.％的液体烃类。所考虑的油-水乳液的油组分的实例是原油及其馏分、沥青和植物油(例如玉米油、棕榈油和橄榄油)以及合成油类(例如基于硅氧烷的润滑油)。优选情况下，油具有比待分离的油-水乳液的水更低的密度。术语“水”是指具有至少90wt.％的分子式为H₂O的液体的液体物质。所设想的油-水乳液的水组分的实例是蒸馏水、去离子水和来自天然来源的水(例如淡水或海水)。在某些实施方案中，油-水乳液还包含一种或多种其他成分，例如一种或多种固体粒子(例如粘土或二氧化硅胶体粒子)、表面活性剂和油添加剂。

在某些实施方案中，乳液不是油-水乳液，而是包含基本上不混溶的第一和第二液体，所述第一和第二液体各自都不是油。油之外的第一和第二液体的实例是液体烃类之外的与水不混溶的有机液体(例如取代的液体烃类例如醛、酮、醇和酯)。在某些实施方案中，不是油-水乳液的乳液还包含一种或多种其他成分，例如一种或多种固体粒子(例如粘土或二氧化硅胶体粒子)和表面活性剂。

在某些实施方案中，乳液不是油-水乳液，而是包含基本上不混溶的气体和液体，其中本发明的第二实施方案的方法包括对乳液进行脱气以形成脱气的液体。

在本文中，在油-水乳液的情形中举例说明本发明的某些特点可能是方便的。本领域的普通技术人员将能够容易地改变这样的举例说明以适应于不是油-水乳液的乳液，并且本发明考虑到并打算通过举例说明来教授这样的改变。

出于美国专利实践和其他专利实践允许将主题内容引为参考的目的，除非另有指明，否则在本发明的发明概述或详述中引用的每个美国专利、美国专利申请、美国专利申请公开、PCT国际专利申请及其WO公布等同物的全部内容，在此引为参考。在本说明书中书写的内容与引为参考的专利、专利申请或专利申请公开或其一部分中书写的内容之间有冲突的情况下，以本说明书中书写的内容为准。

在本申请中，数值范围的任何下限或所述范围的任何优选下限可以与所述范围的任何上限或所述范围的任何优选上限组合，以定义所述范围的优选情况或实施方案。每个数值范围包括包含在该范围内的所有数值，包括有理数和无理数两者(例如从约1至约5的范围包括例如1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)。

在没有用括号叙述的单位值例如2英寸与用括号叙述的相应单位值例如(5厘米)之间有冲突的情况下，以没有用括号叙述的单位值为准。

单词“任选地”是指“具有或不具有”。例如，“任选地，第三螺旋形元件”是指具有或不具有第三螺旋形元件。

当在本文中使用时，“一个”、“所述”、“至少一个”和“一个或多个”可互换使用。在本文描述的本发明的任何情况或实施方案中，在指称数值的词组中的术语“约”可以从所述词组中删除，以给出本发明的另一种情况或实施方案。在使用术语“约”的前一种情况或实施方案中，“约”的意义可以从使用它的上下文来解释。优选情况下，“约”意味着从所述数值的90％至100％，从所述数值的100％至110％，或从所述数值的90％至110％。在本文描述的本发明的任何情况或实施方案中，开放式术语“包含”等(其与“包括”、“具有”和“特征在于”同义)可以用相应的部分封闭性词组“基本上由......构成”等或相应的封闭性词组“由......构成”等来代替，以给出本发明的另一种情况或实施方案。在本申请中，当指称前述要素(例如成分)的列举时，词组“其混合物”、“其组合”等意味着任两种或以上、包括所有列出的要素。当用在成员的列举中时，除非另有陈述，否则术语“或”单独地以及以任何组合指称所列成员，并支持叙述任一单独成员的其他实施方案(例如在叙述词组“10％或以上”的实施方案中，“或”支持叙述“10％”的另一个实施方案以及叙述“10％以上”的另一个实施方案)。术语“多个”是指两个或以上，其中除非另外有指明，否则每个多个独立地选择。术语“第一”、“第二”等用作在两个或多个要素或限度之间做出区分的方便手段(例如第一把椅子和第二把椅子)，并不暗示数量或次序，除非特别如此指明。符号“≤”和“≥”分别是指小于或等于和大于或等于。符号“＜”和“＞”分别是指小于和等于。

本说明书可能引用由某些组织颁布的一些公知的测试标准，所述组织在本文中用它们的首字母缩写词来指称。首字母缩写词“ASTM”表示总部设于美国宾夕法尼亚州West Conshohocken的组织ASTM International的名称，ASTM International以前被称为美国测试与材料学会(American Society for Testing and Materials)。

图1显示了第一实施方案的聚结器装置的更优选实施方案的实例，所述更优选实施方案是聚结器装置70，并利用螺旋形叶轮的优选实施方案，所述螺旋形叶轮的优选实施方案是螺旋形元件50。在图1中，聚结器装置70包含圆柱状轴22、容器30、引流管40和作为螺旋形叶轮的螺旋形元件50。圆柱状轴22可旋转。图1中的螺旋形元件50与图3中的螺旋形元件50一致。容器30具有底部部分32和壁部分34、围住的体积空间36、上部部分38和内径Dc。在某些实施方案中，容器30在底部部分32处定义限定了底部孔(未标出)并在上部部分38处定义限定了顶部孔(未标出)，以形成末端开口的圆柱体。在某些实施方案中，容器30在底部部分32密封并在上部部分38处定义限定了顶部孔(未标出)，以形成在底端封闭并在顶端开口的圆柱体。在某些实施方案中，容器30的上部部分38还限定了出口孔(未示出，例如上述的顶部孔)，并且容器30的下部部分32优选定义限定了第二液体出口孔(未示出，例如上述的底部孔眼)。此外，优选情况下容器30的中间部分(未标出)定义限定了乳液入口孔。引流管40具有纵轴底部孔42和壁部分44、向外突出的凸缘45、围住的体积空间46、顶部孔眼48、竖直长度L_t(未标出)和内径D_t(在后文描述)。引流管40的内径D_t优选约为容器30内径D_c的0.7倍。螺旋形元件50配置在引流管40的围住的体积空间46中，以便与引流管40的底部部分42隔开一定距离δ_b，并与引流管40的壁部分44隔开。螺旋形元件50的直径D_e(未示出；参见图3)约为引流管40内径D_t的一半(即D_e＝0.5D_t)。螺旋形元件50离引流管40的底部部分42的距离δ_b为引流管40的竖直长度L_t(未标出)的0至0.5倍(即0L_t≤δ_b≤0.5L_t)。螺旋形叶轮(例如包含一个或多个螺旋形元件50或是连续螺旋形叶轮)的尺寸被设定成使其优选跨越引流管40的0.5L_t至1.0L_t长度。术语“内径”和“内部直径”是同义词并在本文中可互换使用，术语“外径”和“外部直径”同义并在本文中可互换使用。

如下组装聚结器装置70：通过例如焊接将圆柱状轴22的底端(未标出)与螺旋形元件50的后缘(例如图3中的58)操作性连接；将引流管40配置在容器30的围住的体积空间36中，将螺旋形元件50配置在引流管40的围住的体积空间46中，并将圆柱状轴22的顶端(未标出)与用于旋转的装置(例如搅拌器马达，未示出，在后文中描述)操作性连接，所述用于旋转的装置与圆柱状轴22一起，也优选起到将螺旋形元件50保持在引流管40的围住的体积空间46内并与引流管40隔开的作用。

本发明的分离方法可以以分批方法模式或连续方法模式来执行。例如，利用聚结器装置70，使用第二实施方案的从乳液分离第一液体的分离方法，通过下述步骤执行分批方法模式：将乳液(未示出)加入到聚结器装置70的容器30的围住的体积空间36中，以完全浸没引流管40和螺旋形元件50。激活用于旋转的装置(例如搅拌器马达，未示出)以便在置于引流管40中的一部分乳液(未示出)内旋转螺旋形元件50，旋转采取适合的速度和适合的方向(即如图2A中箭头23所示的顺时针或如图2B中箭头24所示的逆时针)，由此建立起乳液(未示出)通过引流管40并基本上平行于螺旋形元件50和引流管40的纵轴(未示出，即竖轴)的向上导向或向下导向的流动(未示出)，从而从乳液(未示出)聚结至少大部分第一液体(从分散相)和第二液体(从连续相)以便得到聚结的第一液体、聚结的第二液体或两者(未示出)。取决于第一和第二液体的相对密度，可以在容器30的上部部分38处收集聚结的第一液体层并在底部部分32处收集聚结的第二液体层，或与之相反。按照本发明的从液体分离固体粒子的方法，从固体粒子在液体中的混合物分离固体粒子的分批方法模式可以以与上面描述相似的方式执行，只是将乳液用混合物代替。

利用两个串联的聚结器装置70，使用第二实施方案的从乳液分离第一液体的分离方法执行连续方法模式，如后文对图4所说明的。

在本发明方法(例如第二实施方案的从乳液分离第一液体的方法)中使用的聚结器装置、包括聚结器装置70，其尺寸可以被定制以适应于从实验室规模至用于例如在海上石油平台或油砂沉积位点的采油操作中的大型野外规模的任何规模的分离方法。可以将用于实验室规模的一组尺寸乘以任何比例系数(例如10倍、100倍或222倍)，以给出用于大型野外规模的一套尺寸。

对于螺旋形元件50、容器30和引流管40来说，适合的实验室规模是：

长度L_e(即高度，竖直定向的螺旋形元件50的纵轴)为3.81厘米(cm)、直径D_e为2.54cm的螺旋形元件50；

高度为254cm、内径为6.35cm、外部直径为6.99cm的容器30；以及

长度(即高度，竖直定向的引流管40的纵轴)为5.72cm、内径D_t为4.32cm、外部直径为4.72cm、向外突出的凸缘45的高度约为0.32cm至0.64cm、并且相对于壁部分44的展开角为45°的引流管40。实验室规模的螺旋形叶轮11、特别是具有单一螺旋形元件50的形式的适合的旋转速率约为30转每分钟(rpm)至约120rpm。

在某些实施方案中，螺旋形叶轮还包含一个或多个其他螺旋形元件(即根据其他螺旋形元件的数量，第二螺旋形元件和任选的第三、第四等螺旋形元件)，每个其他螺旋形元件独立地具有前面描述的特征，并与第一螺旋形元件一致地定向，以便例如在利用第一实施方案的包含螺旋形叶轮的聚结器装置的本发明的优选方法(例如第二实施方案的从乳液分离第一液体的方法)中，当螺旋形叶轮被旋转时产生相同的竖直的流动方向。

图2A和图2B显示了螺旋形叶轮的优选实施方案。在图2A和2B中，每个图中的螺旋形叶轮11彼此一样，并且图2A和2B被用于举例说明螺旋形叶轮11的不同方面。每个螺旋形叶轮包含前螺旋形元件50、后螺旋形元件50A、连接部件20(例如焊接部；仅在图2A中标出)和圆柱状轴22(部分剖面)。螺旋形元件50A与螺旋形元件50一样，在后文中描述并在图3中说明。在图2A和2B中，螺旋形叶轮11以优选竖直方向配置，使得后螺旋形元件(50A)被配置在前螺旋形元件(50)上方，以便形成连续的螺旋形叶轮。在图2B中，前螺旋形元件50的后缘(未标出)与后螺旋形元件50A的前缘56T操作性连接并基本上平齐，并且圆柱状轴22与后螺旋形元件50A的后缘58T操作性连接(例如通过焊接部)。图2A显示了具有由箭头23所指示的从上向下看顺时针旋转方向的螺旋形叶轮11，所述顺时针旋转将产生向上导向的竖直流。图2B显示了具有由箭头24所指示的逆时针旋转方向的螺旋形叶轮11，所述逆时针旋转将产生向下导向的竖直流。连接部件20被构造成将相邻螺旋形元件中一个的前缘与相邻螺旋形元件中另一个的后缘配置在分隔距离(S_a)内并成偏斜角(α_a)，以便独立地建立起相邻螺旋形元件之间分别以S_a与每个它们的L_e之间的数学关系0L_e≤S_a≤L_e和从0°至10°的α_a值为特征的相对间隔和取向。在螺旋形叶轮11的优选实施方案中S_a＝0L_e(即S_a＝0)。圆柱状轴22(部分剖面)是可驱动连接元件(下文中描述)的实例，并通过焊接部(未标出)与后螺旋形元件50A操作性连接。通过下列步骤组装螺旋形叶轮11：将前和后螺旋形元件50和50A焊接在一起，然后将圆柱状轴22焊接到后螺旋形元件50A，由此组装螺旋形叶轮11。

图3显示了螺旋形元件50(与螺旋形元件50A一样；参见图2A和2B)。如图2A、2B和3中所示，螺旋形元件50具有优选180°的扭转角(T_e＝180°)、直径D_e和长度L_e。螺旋形元件50具有直径D_e和长度L_e，其中D_e＜L_e。这样的螺旋形元件可以从商业来源获得或改造，例如由Chemineer Inc.，Dayton，Ohio，USA(Chemineer，Inc.是Robbins&Myers，Inc.的子公司)销售的KM系列静态混合器。

图4显示了第一实施方案的聚结器装置的更优选的连续分离聚结器装置的实例。在图4中，连续分离聚结器装置100。在本文中出于方便起见，在上述乳液的分离中对连续分离聚结器装置100进行描述，其中上述乳液的第一液体的密度低于上述乳液的第二液体。优选情况下，第一液体是油，更优选为原油，第二液体是水(例如淡水或海水)。

在图4中，连续分离聚结器装置100包含固定搅拌罐110、混合器130(任选的；用于实验性操作中)、泵140(任选的；用于实验性操作中)、泵143、泵145、泵147、转子流速计150、转子流速计154、阀157、导管159、第二液体收集容器160、第一液体收集容器164、第一容器170、第二容器180以及第一、第二和第三搅拌马达(全部未示出)。

在图4中，固定搅拌罐110包含多个竖直定向的折流板112，出口排液阀114，搅拌轴116，三个45°倾斜的叶片涡轮(PBT)117、118和119，以及适合的孔(未标出)。PBT 117、118和119操作性连接到搅拌轴116并沿着其彼此顺序隔开，使得存在底部PBT 117、中间PBT 118和顶部PBT 119。底部PBT 117的尺寸被设定成长度小于中间PBT 118和顶部PBT 119的长度。

在图4中，混合器130具有混合罐132。

在图4中，第一和第二容器170和180两者具有各自的液体入口173和183，各自的第一液体出口175和185，以及各自的第二液体出口177和187。引流管172和182分别配置在每个第一和第二容器170和180内。螺旋形叶轮174和184分别配置在引流管172和182内，并分别各自与搅拌轴176和186操作性连接。

如图4中所示，通过使用图4中所示的导管159和阀157在固定搅拌罐110、混合器130、泵140、泵143、泵145、泵147、转子流速计150、转子流速计154、第二液体收集容器160、第一液体收集容器164、第一容器170、第二容器180之间建立操作性连接和流体连通，来组装连续分离聚结器装置100。使固定搅拌罐110的搅拌轴116与第一搅拌马达(未示出)操作性连接，搅拌轴176与第二搅拌马达(未示出)操作性连接，搅拌轴186与第三搅拌马达(未示出)操作性连接。第一和第二容器170和180的串联连接允许进行连续分离过程。

图4中所述的连续分离聚结器装置100的操作，可以方便地在从油-水乳液分离油的方法中进行举例说明。通过对本文中描述的第一液体密度低于第二液体的情形中的步骤进行改变，可以容易地使用连续分离聚结器装置100从不是油-水乳液的乳液中分离第一和第二液体。在采油操作中，以第二实施方案的从乳液分离第一液体的方法的优选实施方案操作连续分离聚结器装置100。将油-水乳液(例如原油-淡水乳液或原油-海水乳液)加入到固定搅拌罐110中。使用泵143，将一些油-水乳液从固定搅拌罐110经液体入口173转移到第一容器170中，使液位高于第一液体出口175。激活第二搅拌马达，以便以有效聚结油-水乳液的分散相的旋转速率(例如60rpm)旋转第一容器170中引流管172内的螺旋形叶轮174。允许油-水乳液在第一容器170中部分聚结一段时间(例如1小时)，然后使用泵143，开始将油-水乳液的进料流以适合的流速(例如70毫升每分钟(mL/min)从固定搅拌罐110经液体入口173导入到第一容器170中。迅速地使用泵145开始将顶部部分聚结的油层从第一容器170相继经第一液体出口175和液体入口183进料到第二容器180中。将泵145出口流功率设定到适合的流速(例如最高64mL/min)，以便在第一容器170中获得稳态条件。打开第一容器170底部的阀179以将水相从第一容器170的底部排入第二液体收集容器160中，并维持出口水相流速以保持第一容器170中的流体液位恒定(例如约49mL每分钟)。激活第三搅拌马达(未示出)，以便以有效聚结部分聚结的油层的剩余分散相的旋转速率(例如60rpm)旋转第二容器180中引流管182内的螺旋形叶轮184。当富油相的高度达到第二容器180的第一液体出口185时，使用泵147将顶部纯化的油经第一液体出口185转移至第一液体收集容器164，其流速适合于维持第二容器180中的稳态条件(例如最大产率流速为36mL/min)。在从第二容器180的第一液体出口185抽取纯化的油的同时，通过打开阀189从第二容器180的第二液体出口187抽出富水相，以给出维持第二容器180中的恒定液位的富水相流速(例如约0.2mL/min)。收集第二液体收集容器160中的富水相或将其送去排液(如箭头199所指示)。

在实验性操作中，在第二实施方案的从乳液分离第一液体的方法的优选实施方案中，操作图4中所示的连续分离聚结器装置100。通过将油、水和0、1种或以上添加剂加入到固定搅拌罐110中制备试验油-水乳液。将得到的成分经固定搅拌罐110的阀114排入混合器130的混合室132中。激活混合器130，然后使用泵140将得到的试验油-水乳液从混合器130的混合室132转移回到固定搅拌罐110中。激活第一搅拌马达(未示出)以旋转固定搅拌罐110中的轴116和PBT 117-119，以便维持试验油-水乳液。将成分混合一段时间(例如1.5小时)以给出试验油-水乳液。以与前述用于生产操作的从乳液分离第一液体的方法相似的方式，继续实验操作。

优选情况下，在本发明方法中使用的叶轮包含螺旋形叶轮(例如11)。正如前面提到的，螺旋形叶轮包含一个或多个螺旋形元件(例如50)，所述螺旋形元件配置在引流管(例如40)中。当螺旋形叶轮(例如11)包含两个或以上螺旋形元件(例如50和50A)时，螺旋形叶轮包含前螺旋形元件(例如50)、后螺旋形元件(例如50A)和数量为N的中间螺旋形元件(未示出)，其中N是0或以上的整数，以及数量为X的用于连接的部件(连接部件)，其中X等于1加N(X＝1+N)；螺旋形元件具有相同的扭转方向(即旋向性)；螺旋形叶轮被构造成使前、中和后螺旋形元件彼此轴向对齐并彼此顺序地操作性连接，相邻螺旋形元件之间的每个操作性连接独立地包含一个连接部件。更优选的是基本上单片形式的螺旋形叶轮。

在本发明方法和第一实施方案的聚结器装置的优选实施方案中使用的引流管(例如40)是末端开口的，并包含圆柱状壁(例如44)，所述壁具有隔开的顶端和底端部分(未标出)，每个顶端和底端部分分别独立地限定有间隔并相反的顶部和底部孔(例如42和48)，圆柱形壁限定了引流管内的封闭的体积空间(例如46)，所述引流管具有顶部和底部孔之间的纵轴；叶轮(例如11)的产生流体流的部分(例如螺旋形元件50和50A)被配置在引流管的围住的体积空间内。优选情况下，引流管的顶端部分是扩张的，也就是说引流管的顶端部分限定了向外突出的凸缘或边(例如45)。优选情况下，扩张部分相对于引流管的圆柱状壁成0°至90°，更优选从大于0°至小于90°(例如约45°)的角。在某些实施方案中，容器(例如30)在引流管(例如40)上方限定了向下的锥形(容器的顶部比刚好高于引流管的位点处更宽)。在某些实施方案中，在引流管中配置有两个或三个竖直定向的折流板。

优选情况下，聚结器装置(例如70)还包含被配置用于固定引流管(例如40)的引流管支架(未示出)。适合的引流管支架的实例(未示出)是从容器30的壁34伸出的指状突起(未示出)，以及可以从容器30靠近上部部分38的顶部部分(未标出)或从与聚结器装置(例如70)分开的支撑结构(未示出)悬挂出的金属丝吊架(未示出)。

在某些实施方案中，引流管(例如40)还包含电极(未示出)、用于加热引流管的装置(未示出)或两者。电极和用于加热引流管的装置与不含它们的引流管相比，各自独立地有效增加从乳液聚结上述第一液体的速率，所述乳液可用于第二实施方案的从乳液分离第一液体的方法中。

旋转装置(未示出)至少可操作用于旋转叶轮(例如11)。优选情况下，旋转装置包含可驱动连接元件(例如轴22)和可用于旋转可驱动连接元件的马达(未示出)，叶轮与可驱动连接元件和马达顺次地操作性连接。在某些实施方案中，可驱动连接元件(例如轴22)与靠后的螺旋形元件(例如图2B中的50A)的后缘(例如图2B中的58T)操作性连接。优选情况下，可驱动连接元件包含轴(例如22)并能够与马达(例如未示出)操作性连接，在本发明的方法中旋转装置能够使叶轮(例如11)围绕其纵轴(未标出)旋转。优选情况下，马达是搅拌器马达(例如电力供能或压缩空气驱动的搅拌器马达)。

本发明考虑到了利用容器(例如30)来容纳可用于第二实施方案的方法中的乳液或第三实施方案的方法中的混合物。可以使用适合于此目的的任何容器(例如容器)，尽管特别是在叶轮(例如11)的纵轴(未标出)相对于容器的纵轴(未标出)基本上不移动的本发明方法中，容器(例如30)的壁(例如34)优选是圆柱形的并且沿着其纵轴(未标出)具有基本上恒定的内径。优选的容器实例是油管、储油罐、运油罐(例如被改造成适合于用卡车、火车或轮船携带)、分离容器和反应器容器。在某些实施方案中，聚结器装置(例如70)还包含被配置用于固定容器(例如30)的容器支架(未示出)。

在某些实施方案中，容器(例如30)的围住的体积空间(例如36)通过由容器(例如30)的顶端部分(例如38)所限定的孔、由容器(例如30)的底部部分(例如32)所限定的孔或两者，与容器(例如30)的外部(未标出)流体连通。优选情况下，容器(例如30)的底部部分(例如32)除了0、1个或以上相对狭窄(与容器的直径相比)的液体出口之外都被密封。在某些实施方案(特别是利用上述叶轮的水平取向或倒置竖直取向的实施方案)中，聚结器装置(例如70)还包含密封部件(未示出)，密封部件与容器(30)接近其孔的部分(未标出)密封操作性接触，并且与叶轮(例如11)的可驱动连接元件(例如轴22)低摩擦(即允许旋转)密封接触，以便密封容器以防其中包含的乳液的泄漏。密封部件的实例是搅拌器轴承、孔盖及其组合。

本发明的聚结器装置(例如70)的叶轮(例如11)和其他部件(例如引流管(例如40)和容器(例如30))，可以从已知用于本技术领域的一种或多种材料构造。材料的实例包括金属(例如钛)、金属合金(例如钢、不锈钢和(Haynes International，Inc.)合金)、玻璃(例如硼硅酸盐玻璃)、陶瓷、塑料(例如聚丙烯和聚四氟乙烯)、强化塑料(例如纤维玻璃强化塑料)及其组合。用于叶轮(例如11)的优选构造材料是金属和金属合金，例如316号不锈钢和有机聚合物例如聚丙烯酸或聚四氟乙烯。用于引流管(例如40)和容器(例如30)的优选构造材料独立地是玻璃(例如硅酸盐玻璃，优选为硼硅酸盐玻璃)、金属和金属合金例如316号不锈钢和有机聚合物例如聚丙烯酸或聚四氟乙烯。

优选情况下，本发明的聚结器装置能够从乳液分离第一液体，所述乳液包含分散相中的第一液体和连续相中的第二液体，所述第一和第二液体基本上彼此不混溶，所述分离的特征在于第一液体分离效率η_eff ¹为75％或以上。优选情况下，第一液体分离效率η_eff ¹为80％或以上、更优选为85％或以上、更优选为95％或以上、更优选为98％或以上，其中所述第一液体分离效率η_eff ¹以与后面所述油分离效率η_eff的测定相似的方式来测定(也就是说，用于第一液体的参数将代替用于油的参数，用于第二液体的参数将代替用于水的参数)。

优选情况下，第一液体是油，并且第一液体分离效率η_eff ¹是油分离效率η_eff。利用第一实施方案的聚结器装置的优选油-水聚结器装置实施方案的从乳液分离第一液体的本发明方法的油分离效率η_eff为75％或以上、优选为80％或以上、更优选为85％或以上、更优选为95％或以上、更优选为98％或以上，其中油分离效率η_eff如后文所述来测定。

有利情况下，对于乳液单位表面积与乳液单位体积的给定比率来说，本发明的聚结器装置和从乳液分离第一液体的分离方法所提供的分离效率(例如油分离效率η_eff)比由简单的重力辅助分离塔所提供的分离效率高至少25％。当在本文中使用时，术语“乳液表面积”是指装有乳液的容器的横截面积。术语“乳液单位体积”是指本发明的分离方法开始时乳液的总体积。

本发明的聚结器装置可用于本发明的第三实施方案的分离方法中。在第三实施方案中，液体优选包含乳液，所述乳液包含分散相中的第一液体和连续相中的第二液体，所述第一和第二液体基本上彼此不混溶；所述乳液具有初始第二液体含量并需要被分离；引流管在乳液中基本上竖直定向。在某些实施方案中，第三实施方案的方法还包括激活竖直流产生装置以产生通过引流管的竖直导向的乳液流，并由此将来自乳液的至少一些第一液体聚结在一起，以形成具有降低的第二液体含量的聚结的第一液体层，所述聚结的第一液体层的降低的第二液体含量低于乳液的初始第二液体含量，其中第一液体层与浓缩的固体粒子层相同。在某些实施方案中，第三实施方案的方法还包括激活竖直流产生装置以产生通过引流管的竖直导向的乳液流，并由此将来自乳液的至少一些第一液体聚结在一起，以形成具有降低的第二液体含量的聚结的第一液体层，所述聚结的第一液体层的降低的第二液体含量低于乳液的初始第二液体含量，其中第一液体层与浓缩液体层相同。在某些实施方案中，固体粒子包含油砂细料(例如砂、粘土等)。在某些实施方案中，本发明的聚结器装置可用于本发明的第三实施方案的方法中，以便从油砂分离沥青。在这样的分离后，含油砂细尾矿可以保留在分散相或连续相中，或作为沉积物分离。

可以在本发明的第三实施方案的方法中通过本发明的聚结器装置分离的固体粒子的尺寸，典型为1微米至1000微米。粒径可以如后文所述测量。

在第三实施方案的方法中被分离的混合物中的固体粒子和液体，可以各自独立地用其比重来描述特征。固体粒子从混合物的分离速率随着固体粒子的比重与液体的比重之间的差值而变，其中所述差值越大，分离速率越高。

在第二实施方案的方法中被分离的乳液与在第三实施方案的方法中被分离的混合物可以相同或不同。

在第二实施方案的方法中被分离的乳液和在第三实施方案的方法中被分离的混合物，可以独立地进一步包含化学添加剂，在本发明方法的某些实施方案中，向乳液或混合物添加所述化学添加剂以增强分离。可用于本发明方法的化学添加剂的实例是表面活性剂、分散剂和絮凝剂。有用的表面活性剂的实例是2A1和K-4M，二者来自于The Dow Chemical Company，Midland，Michigan，USA。有用的分散剂的实例是聚乙二醇(CARBOWAX^TM，Dow Chemical Company，Midland，MI，USA)。有用的絮凝剂的实例是和二者来自于The DowChemical Company，Midland，Michigan，USA。通过帮助保持油相与水相分开，表面活性剂对于改进本发明的分离方法特别有用。当存在两种以上的相，并且分散剂可用于分离原本不能容易地分离的任何两相时，分散剂对于改进本发明特别有用。在从液体或液体乳液分离固体粒子中，絮凝剂对于改进本发明的第三实施方案的分离方法特别有用。

第二实施方案的方法和第三实施方案的方法包括进行化学反应的反应混合物，其中所述化学反应产生相变(例如分别为液体的油析出或固体粒子的沉淀)，从而分别形成在第二或第三实施方案中待分离的乳液或混合物。

在某些实施方案中，本发明的方法还包括将气体(例如空气、氮气或二氧化碳气体)喷射通过待分离的混合物乳液，从而提高其分离速率。

在本发明的第二实施方案的分离方法中待分离的乳液中的不连续液相可以通过不连续液相的液滴尺寸来表征。在某些实施方案中，液滴尺寸为1微米至1000微米。液滴尺寸可以如后文中所述来测量。

可以在适合于从乳液分离第一液体的任何温度下使用本发明的聚结器装置并执行本发明的分离方法。优选情况下，温度为从高于乳液中任一液体的最高凝固点的温度到低于乳液中任一液体的最低沸点的温度。例如，对于油/水分离来说，温度为约0℃(即大约水在标准大气压(101千帕(kPa))下的凝固点，或取决于由乳液中的其他成分造成的凝固点降低的程度，略低于所述凝固点)至约100℃(即大约水在大气压下的沸点，或取决于由乳液中的其他成分造成的沸点升高的程度，略高于所述沸点)，优选为高于0℃至低于约100℃、更优选低于60℃、更优选低于40℃、更优选为30℃以下。

可以在适合于从乳液分离第一液体的任何压力下使用本发明的聚结器装置并执行本发明的分离方法。优选情况下，压力为5磅每平方英寸(psi，即1kPa)到300psi(即2070kPa)。

材料和通用方法

材料：

本发明的方法和装置可以用实验室规模的实验和油-水乳液来说明。本发明考虑到了其他规模的设备和油-水乳液之外的乳液，它们预期按照下面的实施例中所述来执行。对于实验来说，适用于形成油-水乳液并通过聚结从其中分离的油包括SUNPAR环烷油(环烷油；商标拥有者为Sun Oil Company，Philadelphia，Pennsylvania，USA；供应商为R.E.Carroll，Trenton，New Jersey，USA)、CORSOL^TM500石蜡油(石蜡油；商标拥有者为PRP Industries，Inc.，Muskegon，Michigan，USA；供应商为R.E.Carroll)和MOBILGEAR油(Mobil Oil Corp.，Fairfax，Virginia，USA)。适合在实验中用作附加成分的油添加剂包括2A1和K-4M，二者来自于The Dow Chemical Company，Midland，Michigan，USA。2A1是46wt.％的苯氧基双丙烯磺酸钠(ChemicalAbstracts Service(CAS)登记号(RegNo.)119345-04-9)、1wt.％的硫酸二钠盐(CAS登记号7757-82-6)和水(52wt.％)的混合物。K-4M作为1wt.％羟丙甲纤维素2280(CAS登记号9004-65-3)在水(99wt.％)中的溶液使用。羟丙甲纤维素是羟丙基甲基纤维素(HPMC)的简写。适合在实验中用作附加成分的表面活性剂包括TERGITOL^TM15-S(Union Carbide Corp.，Midland，Michigan，USA)系列表面活性剂、ECOSURF^TM EH系列表面活性剂和TERGITOL^TM NP-9表面活性剂，以及来自于The Dow ChemicalCompany的其他表面活性剂和稳定剂。优选的TERGITOL^TM15-S是TERGITOL^TM 15-S-9。TERGITOL^TM 15-S-9是超过97wt.％的仲醇乙氧基化物(CAS登记号84133-50-6)、少于3wt.％的聚乙二醇(CAS登记号25322-68-3)和低于2wt.％的(C₁₂-C₁₄)仲醇(CAS登记号126950-60-5)的混合物。优选的ECOSURF^TM EH是ECOSURF^TMEH-9。ECOSURF^TM EH-9是超过99wt.％的2-乙基-己醇EO-PO非离子表面活性剂(CAS登记号64366-70-7)。TERGITOL^TM NP-9是超过97wt.％支链α-(4-壬基苯基)-ω-羟基-聚(氧-1，2-乙烷二基)(CAS登记号127087-87-0)、少于3wt.％的聚乙二醇(CAS登记号25322-68-2)和少于2wt.％的二壬基苯基聚甲醛(CAS登记号9014-93-1)的混合物。适合于形成实验用油-水乳液的水包括新鲜自来水、海水和去离子水。

Polyox^TM WSR-303和UCARFLOC 309TM的组成是超过95％聚乙烯氧化物(CAS登记号25322-68-3)、少于3％的煅制二氧化硅(CAS登记号112945-52-5)和少于或等于1％的钙。

提供4个相同的容器，每个容器高度为254cm、内径为6.35cm、外部直径为6.99cm。

分流比：

对于运行的聚结器装置来说，具有乳液流体进入装置的第一速率和处理过的流体经顶部液体出口离开装置的第二速率，所述第一速率被称为“入口流速”，所述第二速率被称为“溢流速率”。则术语“分流比”(F)是指方程(1)中给出的溢流速率与入口流速的比率：

$F=\frac{{\stackrel{\·}{Q}}_{\mathrm{overflow}}}{{\stackrel{\·}{Q}}_{\mathrm{inlet}}}.100\%---\left(1\right)$

其中F是分流比；Q_overflow是溢流速率，Q_inlet是入口流速。

油分离效率：

对于运行的油-水聚结器装置来说，具有油-水乳液流体的油部分进入装置的第三速率和处理过的流体的油部分经顶部液体出口离开装置的第四速率，所述第三速率被称为“油入口流速”，所述第四速率被称为“油溢流速率”，术语“油分离效率”(η_eff)是指方程(2)中给出的油溢流速率与油入口流动速率的比率：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{eff}}=\frac{{\stackrel{\·}{Q}}_{\mathrm{oil}-\mathrm{overflow}}}{{\stackrel{\·}{Q}}_{\mathrm{oil}-\mathrm{inlet}}}.100\%---\left(2\right)$

其中η_eff是油分离效率，Q_oil-overflow是油溢流速率，Q_oil-inlet是油入口流速。

进入油-水聚结器装置的油-水乳液流体的油的第一浓度，所述第一浓度被称为“油入口浓度”，经底部液体出口离开油-水聚结器装置的处理过的流体的油的第二浓度，所述第二浓度被称为“油下溢浓度”，以及处理过的流体的另一部分油经底部液体出口离开油-水聚结器装置的第五速率，所述第五速率被称为“油下溢速率”，可以使用这些参数，利用方程(3)或(4)中所示的油流动的连续性关系来修改方程(2)：

${\stackrel{\·}{Q}}_{\mathrm{oil}-\mathrm{inlet}}={\stackrel{\·}{Q}}_{\mathrm{oil}-\mathrm{overflow}}+{\stackrel{\·}{Q}}_{\mathrm{oil}-\mathrm{underflow}}---\left(3\right)$

或

${\stackrel{\·}{Q}}_{\mathrm{inlet}}x{C}_{\mathrm{oil}-\mathrm{inlet}}={\stackrel{\·}{Q}}_{\mathrm{overflow}}x{C}_{\mathrm{oil}-\mathrm{overflow}}+{\stackrel{\·}{Q}}_{\mathrm{underflow}}x{C}_{\mathrm{oil}-\mathrm{underflow}}---\left(4\right)$

其中C_oil-inlet是油入口浓度，C_{oil-underflow}是油下溢浓度，Q_{oil-underflow}是油下溢速率，Q_oil-overfow和Q_oil-inlet如对方程(2)所定义。利用油流动的连续性关系，将方程(2)的油分离效率η_eff变成方程(5)中所示：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{eff}}=\frac{{\stackrel{\·}{Q}}_{\mathrm{oil}-\mathrm{inlet}}-{\stackrel{\·}{Q}}_{\mathrm{oil}-\mathrm{underflow}}}{{\stackrel{\·}{Q}}_{\mathrm{oil}-\mathrm{inlet}}}.100\%$

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{eff}}=[1-\frac{{\stackrel{\·}{Q}}_{\mathrm{oil}-\mathrm{underflow}}}{{\stackrel{\·}{Q}}_{\mathrm{oil}-\mathrm{inlet}}}].100\%$

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{eff}}=(1-\frac{{\stackrel{\·}{Q}}_{\mathrm{underflow}}.C_{\mathrm{oil}-\mathrm{underflow}}}{{\stackrel{\·}{Q}}_{\mathrm{inlet}}.C_{\mathrm{oil}-\mathrm{inlet}}}).100\%---\left(5\right).$

注意当C_{oil-underflow}接近零时，油分离效率接近最大油分离效率。

粒径测量方法：ASTM E2651-08(用于粉末粒子尺寸分析的标准指南)。

液滴尺寸测量方法：ASTM E799-03(用于液滴尺寸分析的确定数据判据和处理的标准惯例)。

制备

制备1a和1b：均匀的油-水乳液1

如下所述制备两批相等的均匀油-水乳液1a和1b。对于每个批次来说，使用OMNI Mixer ES以6000rpm旋转5分钟，在1升(L)烧杯中将去离子水(566克(g))和0.15g 48wt.％的活性DOWFAX^TM2A1添加剂混合在一起。向得到的混合物加入250g Sunpar环烷油并继续混合10分钟，形成均匀的油-水乳液1。所述油-水乳液的平均油滴尺寸当用Coulter粒径分析仪测量时约为150微米(μm)。按照下文比较例1和实施例1中所述立即使用。

制备2a和2b：均匀的油-水乳液2

如下所述制备两批相等的均匀油-水乳液2a和2b。对于每个批次来说，使用OMNI Mixer ES以6000rpm旋转5分钟，在1L烧杯中将500g去离子水与70g 1wt.％METHOCEL K-4M的水溶液混合在一起。向得到的混合物加入250g Mobilgear油并继续混合10分钟，形成均匀的油-水乳液2。所述油-水乳液的平均油滴尺寸当用Coulter粒径分析仪测量时约为150微米(μm)。按照下文比较例2和实施例2中所述立即使用。

制备3

至少提供图4的连续分离聚结器装置100的实验室规模形式的齿轮泵、混合器、搅拌马达和固定搅拌罐部分。在制备3中，齿轮泵是MICROPUMP^TM(Micropump Corp.，Concord，California，USA)齿轮泵(部件号81373；未示出)。在制备3中，混合器是SILVERSON^TM(Silverson Machines Ltd.，Waterside，Chesham Bucks，England)L4RT混合器，其装备有乳化剂筛网和具有适合孔的混合室(未标出)。在制备3中，搅拌马达是最大可以1760rpm运行的功率为四分之三马力的LEESON^TM(Leeson Electric Corp.，Grafton，Wisconsin，USA)马达。在制备3中，固定搅拌罐具有12英寸(30厘米(cm))的直径和23英寸(58cm)的高度，并具有圆柱形状，由玻璃制成。固定搅拌罐装备有4个竖直取向的折流板、出口排液阀、搅拌轴和与其操作性连接的3个45°倾斜的叶片涡轮(PBT)以及适合的孔(未标出)。PBT沿着搅拌轴彼此竖直顺序间隔6英寸，使得存在底部、中间和顶部叶轮。底部PBT的旋转定义了直径为4英寸(10cm)的圆，中间和顶部PBT的旋转各自定义了直径为5.5英寸(14cm)的圆。搅拌轴和PBT由Leeson马达驱动。

如下所述制备包含36.1磅(16.4千克(kg))水、15.48磅(7.02kg)1wt.％METHOCEL K-4M水溶液和5.02磅(2.78kg)MOBILGEAR^TM 629油组分的油-水乳液。向固定搅拌罐加入水、1wt.％METHOCEL K-4M水溶液和MOBILGEAR^TM 629油。将得到的组分通过固定搅拌罐的出口排液阀转移到SILVERSON^TM L4RT混合器的混合室，并将混合器转速设定到6000rpm工作1.5小时，以给出油-水乳液。将得到的油-水乳液经MICROPUMP^TM齿轮泵通往固定搅拌罐。激活LEESON^TM搅拌马达以旋转固定搅拌罐的搅拌轴和PBT(例如60rpm)并维持油-水乳液，直至其准备好用于分离实验。

比较例

比较例在本文中被提供作为本发明某些实施方案的对比，并不意味着被解释为现有技术或非本发明实施例的代表。

比较例1：油从均匀油-水乳液1的仅基于重力的分离

在四个相同容器的一个中，不添加聚结器装置设备。在制备后，立即向容器加入两批均匀油-水乳液1中的一批。在时间t时定期测量形成的聚结油层的高度，并计算所使用的油的体积/体积百分回收率(v/v％)。在时间t时测量从容器中液体的顶部至聚结油层的底部的聚结油层的高度。通过用聚结油层的体积除以在均匀油-水乳液1中使用的SUNPAR^TM 150环烷油的体积，计算时间t时的v/v％。结果列表在后面的表1中。

比较例2：油从均匀油-水乳液2的仅基于重力的分离

在四个相同容器的另一个中，不添加聚结器装置设备。在制备后，立即向容器加入两批均匀油-水乳液2中的一批。定性观测与比较例1类似的结果。

下面描述本发明的非限制性实施例。在某些实施方案中，本发明被描述在任一实施例中。本发明的优选实施方案整合了实施例的一个限制，更优选任两个限制，所述限制因此用作修改权利要求的基础。

本发明的实施例

实施例1：本发明的油从均匀油-水乳液1的分离

在4个容器的另一个中，将图1的螺旋形元件50配置在图1的引流管40内。引流管40的长度(即高度，竖直定向的引流管40的纵轴)为5.72cm，内径D_t为4.32cm，外部直径为4.72cm，向外突出的凸缘45的凸缘高度约为0.32cm至0.64cm，相对于壁部分44的展开角为45°。螺旋形元件50的长度L_e(即高度，竖直定向的螺旋形元件50的纵轴)为3.81厘米(cm)，直径D_e为2.54cm，并且如图1中所示与轴22操作性连接。将轴22与Servodyne混合器相连。在制备后立即向容器加入两批均匀的油-水乳液1中的一批。激活Servodyne混合器以便以60rpm的转速旋转螺旋形元件50和轴22。在时间t时定期测量形成的聚结油层的高度，并计算所使用的油的体积/体积百分回收率(v/v％)。在时间t时测量从容器中液体的顶部至聚结油层的底部的聚结油层的高度。通过用聚结油层的体积除以在均匀油-水乳液1中使用的SUNPAR^TM 150环烷油的体积，计算时间t时的v/v％。结果列表在下面的表1中。

表1：均匀的油-水乳液1的油分离速率

与在比较例1中在相同时间t时使用相应的仅基于重力的聚结速率的情况下在相同时间回收的油量相比，在实施例1中得到的提高的聚结速率在t＝5分钟时回收多289％的油，在t＝10分钟时回收多247％的油，在t＝15分钟时回收多179％的油，在t＝20分钟时回收多128％的油，在t＝25分钟时回收多79％的油，在t＝30分钟时回收多46％的油，在t＝35分钟时回收多29％的油，在t＝40分钟时回收多21％的油，其中每个速率使用相同的油-水乳液，并通过测量产生相同高度的聚结油层的相应时间来确定。

实施例2：本发明的油从均匀油-水乳液2的分离

在4个容器的另一个中，将图1的螺旋形元件50配置在图1的引流管40内。引流管40的长度(即高度，竖直定向的引流管40的纵轴)为5.72cm，内径D_t为4.32cm，外部直径为4.72cm，向外突出的凸缘45的凸缘高度约为0.32cm至0.64cm，相对于壁部分44的展开角为45°。螺旋形元件50的长度L_e(即高度，竖直定向的螺旋形元件50的纵轴)为3.81厘米(cm)，直径D_e为2.54cm，并且如图1中所示与轴22操作性连接。将轴22与Servodyne混合器相连。在制备后立即向容器加入两批均匀的油-水乳液2中的一批。激活Servodyne混合器以便以60rpm的转速旋转螺旋形元件50和轴22。定性观测与实施例1类似的结果。

实施例3：从油-水乳液分离油

使用部分如制备3中所述的图4的连续分离聚结器装置100的上述实验室规模的形式。在实施例3中，容器1(例如第一容器170)和容器2(例如第二容器180)两者的长度(即高度)为32英寸(81cm)，内部直径为4英寸(10cm)，壁厚度为四分之一英寸(0.64cm)。容器1在距容器1顶部19.5英寸(49.5cm)处置有液体入口端口。容器2在距容器2顶部20.5英寸(52.1cm)处置有液体入口端口。容器1和2两者也具有两个液体出口：第一液体出口位于距容器1和2顶部5英寸(13cm)处，第二液体出口位于容器1和2底部。

在实施例3中，将引流管配置在每个容器1和2中。将具有三个螺旋形元件(例如50、50A和另一个50A)、直径为1.5英寸(3.8cm)、长度为6.75英寸(17.1cm)的螺旋形叶轮配置在每个引流管中，并与搅拌轴(例如22)操作性连接。每个引流管的长度(即高度)为8英寸(20cm)、内径D_t为2英寸(5cm)、外部直径为2.25英寸(5.72cm)，向外突出的凸缘(未示出)为45°并且高度为0.25英寸(0.64cm)。每个搅拌轴与不同的Servodyne混合器(50000-30型，控制器为50003-00型；未示出)相连。

在如制备3中所述制备油-水乳液后，立即在容器1中加入油-水乳液以将容器1填充至高于其第一液体出口并低于容器1的顶部的水平。激活用于容器1的Servodyne混合器(未示出)，以便以60rpm的旋转速率旋转容器1中的螺旋形叶轮。允许油-水乳液分离1小时，然后使用MASTERFLEX^TM(Cole-Parmer Instrument Company，Vernon Hills，Illinois，USA)7550-20型L/S Drive和7090-42型隔膜泵头(未示出)，开始将油-水进料以70mL/min的流速经容器1的液体入口端口导入容器1中。此外，通过启动具有二分之一英寸(1.3cm)陶瓷活塞(未示出)的第一QVG50型FMI泵，开始将形成的顶部油层从容器1经容器2的液体入口端口进料到容器2中。将第一FMI泵的泵头放置成设定为10的角度，允许从容器1的第一液体出口的流速高达每分钟64mL。将第一FMI^TM(Fluid Metering Inc.，Syosset，New York，USA)泵的出口流设定到999功率输出的335处。打开容器1底部的针型阀，并维持约每分钟49mL的通过第一转子流速计的水相溢流速率，以便保持容器1中的液位恒定。将水相排出到塑料的水收集容器中。

激活用于容器2的Servodyne混合器(未示出)，以便以60rpm的旋转速率旋转容器2中的螺旋形叶轮。当富油相的高度达到容器2的第一液体出口时，打开通往第二FMI^TM泵(QVG50型)(未示出)的球阀(未示出)。该第二FMI^TM QVG50泵装备有安装在不锈钢体(未示出)中的八分之三英寸(0.95cm)的不锈钢活塞。第二FMI^TM泵的泵头的位置被放置在设定10处，允许最大产率流速为每分钟36mL。将第二FMI^TM泵的功率设定在999的205处，并将纯化的油收集在玻璃第一液体收集容器中。在从容器2的第一液体出口抽取纯化的油的同时，通过打开容器2底部的针型阀从容器2的第二液体出口抽取富水相，提供约每分钟0.2mL的富水相通过第二转子流速计的流速，以便维持容器2中的液位恒定。将富水相收集在塑料第二液体收集容器中或将富水相送去排液(例如箭头199所指示)。该实验的油分离效率η_eff为98.4％。

正如实施例所示，第二实施方案的方法和第一实施方案的聚结器装置可以独立地用于从油-水乳液分离油，其中水和油源于油-水乳液。本发明的方法和聚结器装置缺乏高压和通气，并能相对快速有效地从油-水乳液聚结油。在第二实施方案的方法中使用的聚结器装置和第一实施方案的优选聚结器装置，各自构造简单，机械上易于操作，并且可以被改变以适应于陆基和海上油藏操作。在某些实施方案中，本发明的特征在于本发明人的违反直觉的发现，即旋转叶轮以产生油-水乳液的向上流(与向下流相反)不会引起油-水乳液的进一步混合，而是有效提高了从油-水乳液聚结油的速率。旋转采取产生向上流的方向。旋转也以有效的低旋转速率进行，所述转速显著低于将油和水混合在一起以得到其乳液所需的旋转速率。在时间t时，与仅基于重力的聚结速率相比，得到的提高的聚结速率在40分钟后聚结了至少多20％的第一液体(并且在仅仅20分钟后聚结了至少多100％的第一液体)，其中每个速率使用相同油-水乳液并通过测量产生相同高度的聚结油层的相应时间来确定。

尽管上面已经根据优选实施方案对本发明进行了描述，但是它可以在本公开的精神和范围内进行修改。因此，本申请打算覆盖使用本文公开的通用原理对本发明进行的任何变化、应用或改变。此外，本申请打算覆盖这些在本发明所属技术领域的已知或惯例范围内、并且在下面的权利要求书的限制之内的与本公开内容的偏离。

Claims (8)

1.聚结器装置在用于从乳液分离第一液体的方法中以提高从来自乳液的分散相聚结第一液体的速率的用途，其中所述乳液包含分散相中的第一液体和连续相中的第二液体，所述第一和第二液体基本上彼此不混溶； 

其中所述聚结器装置包括： 

容器， 

配置在所述容器内部的引流管，和 

配置在所述引流管内部并可操作以产生通过引流管的竖直流体流的螺旋形叶轮； 

其中所述方法包括: 

(a)将所述乳液加入到所述容器中， 

(b)使所述叶轮在所述引流管中旋转，所述引流管浸泡在所述容器中包含的乳液中并且基本上竖直定向于所述乳液中以引起所述乳液通过所述引流管的竖直导向的流动， 

其中如果第一液体的密度低于第二液体的密度，则旋转采取产生向上定向流动的方向，或者如果第一液体的密度高于第二液体的密度，则旋转采取产生向下定向流动的方向，以及 

其中有效的旋转速率显著低于将第一和第二液体混合在一起以获得其乳液所需的速率， 

(c)由此将来自于所述乳液的至少一些所述第一液体聚结在一起，以便形成含有降低的第二液体含量的聚结的第一液体层，所述聚结的第一液体层的降低的第二液体含量低于所述乳液的初始第二液体含量。 

2.权利要求1的用途，其中所述乳液是油-水乳液，并且还包括一种或多种固体粒子。 

3.权利要求1的用途，其中所述第一液体是油或水。 

4.权利要求1的用途，其中所述第一和第二液体都不是油。 

5.权利要求1的用途，其中所述聚结器装置还包括至少一个其他容器、至少一个其他引流管、至少一个其他产生竖直流体流的装置和至少一个用于将液体在容器间顺序转移的装置，其中在每个容器内部配置有一个这样的引流管，并且一个这样的竖直流产生装置配置在每个引流管内部并可操作以产生通过引流管的竖直流体流。 

6.权利要求1的用途，其中所述聚结器还包括两个或更多个竖直定向的折流板，所述叶轮和两个或更多个竖直定向的折流板以这样的方式配置在所述引流管内并与引流管隔开，所述方式使得叶轮绕竖直轴的旋转产生由两个或更多个竖直定向的折流板竖直导向通过所述引流管的流体流。 

7.权利要求1的用途，其中所述螺旋形叶轮包括第一螺旋形元件，所述第一螺旋形元件具有间隔开的前缘和后缘、纵轴、沿着其纵轴的长度L_e、绕着其纵轴的90°至360°的扭转角T_e；与其纵轴垂直的直径D_e；并且其尺寸被设定成能够建立特征为每个L_e和D_e之间的数学关系为D_e≤L_e≤2D_e的所述第一螺旋形元件的构造。 

8.权利要求1的用途，其中所述叶轮以60rpm的速率旋转。