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CN1234287A - 第一种液体从第二种液体中分离的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种使第一液体从第二液体中分离的方法,其中一种液体不溶于另一种液体,第一液体呈液滴形式包含在第二液体之中以及两种液体的比重不同,该方法包括下列三个步骤：1.为使液滴产生聚结,液体混合物在第一时期内呈湍流流过内部构件(110,113)－具体而言流过采用填料体的填料柱或一种静态混合器。2.为使聚结继续进行,液流在第二个时期内保持较低的速度以及3.最后液流在更低的速度下与重力同向或反向流动,其间下降的或上升的大液滴(122)汇集并分离出,而小液滴(123)则被第二液体继续夹带。

Description

第一种液体从第二种液体中分离的方法
本发明涉及一种使第一种液体从第二种液体中分离的方法，特别是从油中分离出水滴或相反从水中分离出油滴。
来自矿床中的油，即石油或所谓凝析油通常均含水，这是由于地质过程、海水侵入油田或气田或采油时为保持油田压力而注入高压水等原因造成。凝析油是一种由重烃组成的液体，它在采气过程中作为伴生物质出现，而又要与气体分离。后面的油和石油的概念也包括凝析油。
作为炼油原料的油中只容许少量水存在，这是由于输油船或输油管的腐蚀、由于无价值水的运输费用、由于大多数炼油厂的分馏过程只能在无水条件下进行。用油船运输的油所含的水一般不超过1％。
一种众所周知的设备(“Performax聚结器”)由卧式圆柱型容器组成，这种设备将混合物进行分相，该混合物由气、油和微滴水等三相组成。平均直径约为10-30μm的水滴是在高压阀(“节流阀”)压力下降时产生的，而且压力下降可达数百巴。水滴直径的数值围绕平均值有较大的波动。
气和油/水混合物从该设备的上部或其下部从进口区流到出口区，水和油籍助于比重差相互分离；在出口区形成其含水量只有0.5-1％的油层，而在其下为被油沾污的水层。这种水应进行后续处理(例如用离心沉降器)，使其质量达到环境容许的水平。
在三相分离设备的入口区内可设置填料，其目的如下：如果设备的应用场所为船或悬浮钻台(“海上装置”)，则应防止由于摆动而引起的三相返混；此外还应促进细水滴的聚结。第一个目的毫无疑问能够达到，而第二个目的却似乎有问题，因为大多数小液滴在流经填料时未与其表面发生接触，从而促进聚结的作用是弱的。
这种三相分离设备的体积非常大，这对于海上装置是一个缺点。油的停留时间约需3-10分钟，流动相在设备中的速度量级约为每秒数毫米。
水/油过滤器是众所周知的，其聚结基于过滤作用，而不是基于流动作用或重力作用。这种过滤器只适用于含水量小的情况，其范围为1％到10ppm，因为在含水量大的情况下，过滤器被水饱和，从而失效。
除了从油中分离水之外，还应可能从水中分离油，例如油船失事之后海水被污染的情况所要求的。
本发明之目的在于提供一种方法，该方法能在尽可能小的装置中和/或在装置中尽可能短的停留时间条件下进行两种液体的分离，其中一种液体以液滴形式包含在另一种液体之中。此目的可通过权利要求1所定义的方法以及独立权利要求7或8中之一的装置来达到。
本发明之方法的目的在于将第一种液体从第二种液体中分离出来，其中一种液体在另一种液体中是不溶的，第一种液体以小液滴形式包含在第二种液体之中，并且两种液体具有不同的比重。该方法包括下面三个步骤：
1．为使液滴聚结，液体混合物在第一时期内呈湍流通过内部构件，具体而言流过填料塔中所采用的填料体或一种静态混合器。
2．为使聚结继续进行，物流在第二个时期内保持较低的速度。
3．最后物流在更低的速度下与重力同向或反向流动，其间下降的或上升的大液滴汇集并分离出，而小液滴则被第二种液体继续带走。
与先前所知的方法相比，本发明方法大大缩短油在装置中的停留时间，其原因在于液滴增大是在三个步骤中进行的，而且每一个步骤选择了适宜的流动速度。在第一个步骤中借助内部构件和较高的流速形成湍流，正如实验证明的那样，这使所有的小液滴处于一种使小液滴与大液滴汇合的流动状态，由此促进聚结。在第二个步骤中两相流动恢复平静，而聚结继续进行，最后在第三个步骤中，借助比重差进行相的分离，此时大液滴沉降出来，而小液滴继续悬浮在第二液体之中。在最后一个步骤中进行的小水滴沉降可籍助于填料加以改进。根据本发明的方法，油的纯度较高(在所进行的试验中含水为0.05％而不是0.5-1％)。在先前已知的分离设备中，在液体混合物与气相共存的条件下是不能完成该分离的，因而该分离基本上与应用区的可能摆动无关。
根据本发明进行的另一些实验得到了特别好的结果：油中含水为0.1-0.2％，排出的水中含油为20ppm。(因为排放入海水中的水中油含量不容许超过40ppm，根据这个实验结果，水无需进行再净化)。
方法从属权利要求2-5和装置权利要求7-11与本发明优选实施方案有关。权利要求6的内容是本发明的一种应用。
众所周知，籍助于静态混合器将第一种液体分散在第二种液体之中，从而产生一种液体混合物，其中一种呈小液滴形式的液体悬浮在另一种液体之中(参见F.Streiff“静态混合器在联机分散中的应用”，MM Maschinenmarkt(机器市场)，1977,p289)。本发明的方法是与这种分散方法相反，但可部分采用类似的手段，即内部构件，其结构与静态混合器的结构相同。用静态混合器研究分散过程时发现，形成的小滴的直径不能达到任意小，而只能达到一个稳定状态，这种稳定状态在流经另一些静态混合器时保持不变。这种稳定状态与混合器结构和流速有关。可以设想，在稳定状态下新的小滴的产生与已有小滴的聚结处于平衡。
本发明的基本思路在于，适当改变操作条件，使这种平衡发生转移，以使聚结过程占优势。其结果可能使含小滴的液体混合物在适宜的操作条件下在静态混合器中产生一种与分散相反的作用，即使小滴的平均直径增大。实验证实了这种设想，从而表明本发明的第一个步骤真的是一种促进聚结的措施。
本发明的第一个步骤的湍流应该这样形成，它应使尽量少的大液滴分解和尽量多的小液滴汇结。湍流的作用应只在于，在内部构件空间的每一个位置上都具足够强的环流作用，以防止由于比重差引起的相分离。
亦可采用不显示静态混合的其它内部构件形成湍流，例如采用填料塔用的填料体。EP-B0418338(=p.6332)公布了一种所谓的湍流填料，该填料适用于实施本发明的第一步骤。
下面根据附图说明本发明。
图1表示实施本发明方法的三相分离设备，
图2表示实施静态混合的内部构件，
图3表示另一例内部构件的元件，
图4a-5表示本发明装置的横剖面图，
图6表示本发明装置的纵剖面，
图7表示图6装置的填入件，
图8表示本发明装置的另一实施例，
图9表示图1设备的一种变型，
图10表示一种从水中除去油的装置。
图1表示一种三相分离设备A，该设备包括本发明的装置1，其作用是分离两相液体混合物10，具体而言是从油中分离小水滴。通过阀门B将一种除两种液相之外还含有气相的三相混合物送入设备A，在该设备中将气从两相混合物10中分离出，并经管接头C从设备A导出。在两相混合物10中，第一液体呈小液滴状包含在第二液体之中，在所示例子中，第一液体(水)的比重大于第二液体(油)的比重。
混合物10在装置1中按本发明之方法尽可能分为两种液体：本方法的第一步骤在部件11中进行，该部件含内部构件110，例如图2所示的静态混合器。由于内部构件110中的湍流而产生聚结，在这个过程中大液滴通过捕集小液滴而增大。湍流的平均速度在100-1000mm/s之间。在位于部件11下面的空间12中聚结继续进行(第二步骤)。流速降低(50-100mm/s)可使大液滴112沉降。它们在设备1的集液槽形成基本上由第一液体组成的液相140，并具有界面14，该界面具有分界性质：界面14是由一种乳液状过渡区组成，其中液滴122逐渐汇合为连续相140。第一液相140可通过管接头141从设备A导出。比重较低的第二液体从空间12向上移动，其中夹带较重液体的小液滴123。在其上部空间13第二液体流动较慢(10-100mm/s；第三步骤)，这样可使更多的液滴122发生沉降。内部构件132可促进或加速第一液体的沉降，其中另一些由第二液体夹带的液滴附着于内部构件132的表面上并形成向下流淌的液膜，后者最终呈大液滴124脱离内部构件132。基本上不含第一液体的第二液体可经管接头131从设备A导出。
以剖视示于图2的部件11呈圆柱形，并包含一静态混合器110。该混合器是由平行排列的波纹层111构成，并具有交叉通道结构，即是说，它组成一种具有开放式相互交叉通道的有序结构或填料。该混合器由多个单元112组成，而且相邻的单元的波纹层相互交叉定向。对于第三工艺步骤的内部构件132亦可是交叉通道结构。部件11的内部构件110可采用多种结构。图3表示一种带环形截面的结构元件113，它可作部件11的构件。相应的内部构件结构由这种结构元件113的线性排列组合而成。
第一工艺步骤可包括至少两个分步骤，由于内部构件的水力学直径和/或几何的变化，液流的韦伯数(We)从一个步骤到下一个步骤将逐步减少。同时由于湍流的减小，聚结液滴的平均直径增加。(参见上面所引的Streiff的文献，关系式(5)、(8)和图4，从中可以看出：韦伯数We愈小，液滴愈大。We=ρw2dhσ-1=比重乘流动速度的平方乘内部构件水力学直径乘界面张力的倒数)。
在一试验装置中实施本发明之方法时，曾经分离了水(第一液体)和paracryo1(第二液体)的混合物。在一个分散器中生成小水滴，其平均直径在10-30μm之间。在第一步骤结束之后，在第二步骤中形成的小水滴的直径大于3mm。去除小水滴之后，paracryol中含水量约为0.05％。试验装置中paracryol的停留时间约为60秒，大约比已知分离装置中小3-10倍。该试验装置能处理2-3m3/h的液体。
图4a-4c和图5表示装置1的剖面，该装置拟用于处理大量的两相液体(1000-1200m3/h)。图4a中部件11组成一束多个静态混合器，各混合器的截面都是圆柱形的。隔板11′将这个构件包围在圆形空间13的中心，在其中进行本发明的第三步骤。部件11亦可排列成一个环形空间如图4b，或排列成多个环形空间如图4c。在图5的装置1中部件11排列在矩形截面的通道中。
如图6和7所示矩形截面通道，最好由延伸到整个截面的内部构件填满。
图6所示的装置1包含图7所示的填入件1′。后者以叠层的方式组成，静态混合器110(交叉通道结构)和空心的空间13交替排列，空间13的下端是开口的。空间13可包含填料132(参见图1)。按本发明方法处理之后的第二液体可从其上端经管131′导出，并经集液管131″导入出口管接头131。亦可采用上述的湍流填料代替交叉通道结构的内部构件。
在图6所示的设备1中，需进行处理的混合物经旁管接头9引入，不合小液滴的产品液体经上管接头131导出。将需进行处理的混合物从上面引入，产品液体从旁侧导出可能更为有利。如果在图7的填入件1′中，为第一工艺步骤所用的静态混合器结构110用供第三工艺步骤用的空心室13中的填料所交换也是可能的。
图8的设备1表明，实施第一工艺步骤的部件11是水平方向的。第三工艺步骤则在直立容器13中进行。作为部件11的延伸部分的管件125水平安置在容器13中，第二工艺步骤的聚结过程在其中发生。由管段125界定的部分空间，在其导向容器13的内空间的出口处有一朝下的扩大孔。亦可不采用管段125，因为第二工艺步骤也可在没有该管段的部分空间进行。容器13也可包含内部构件。
应用本发明之方法可以制备基本不含油的水。水的纯度与设备1的集液槽140有关(参见图1)，特别与下列参数有关：单位时间内在分界面14上沉降的液滴数量和水在集液槽140中的停留时间。在集液槽140中设置内部构件还可改善水的纯度。
分界面14基本上是层状区，其厚度随沉降液滴比率的增加而增大。沉降出来的水的纯度取决于这个区的厚度。要获得高的纯度必须使这个区的厚度尽量小。为达到这个目的可从装置的结构上采取措施，如图9所示。
图9所示的装置1是图1的变型，其中混合物10的第一部分经过静态混合器11中的一个进入第一室12、13，而其第二部分则经过另一混合器11′进入位于其下的第二室12′、13′。隔板15将两室分开。在这些室中实施第二和第三工艺步骤。由于这里的分界面14和14′的总面积是图1的两倍，可以期望，在处理量相同的前提下从管接头141和141′流出的水的纯度会更高。同时，从装置1的两个管接头131和131′流出的油亦会有较高的质量。当然，为了再增大分界面14和14′可相应地设置比两个室12、13和12′、13′更多的室。
本发明的方法可用于纯化由油船失事污染的海水，在这种情况下油滴(第一液体)包含在水(第二液体)之中。因此，分离两种液体的装置应与上面描述的装置相反。图10表示出这种类型的装置1：污染水(混合物10)的进口管接头9位于下部，分离出来的油的导出管接头141位于上部，净化后的水的导出管接头131位于旁侧。混合物的处理仍在静态混合器11(带混合器结构110)和另外内部构件中进行，后者呈带交叉通道的填料是有利的。在以点划线表示的界面14的上面设有另外一些内部构件，其作用是从上浮的油中分离夹带的水滴，这里的界面14仍具有分界性质(在水中悬浮的油滴，以及在油中悬浮的水滴)。
理想情况下，水可纯化到含油40ppm。在严重事故下，快速处理大量的水处于优先地位，从而相应损失其纯度。

Claims (11)

1. 一种分离由第一液体和第二液体组成的液体混合物(10)的方法，其中一种液体不溶于另一种液体，第一液体呈液滴形式包含在第二液体之中，以及两种液体的比重不同，该方法包括下列三个步骤：
   1．为使液滴产生聚结，液体混合物在第一时期内呈湍流流过内部构件(110,113)-具体而言流过采用填料体的填料柱或一种静态混合器。
   2．为使聚结继续进行，液流在第二个时期内保持较低的速度以及
   3．最后液流在更低的速度下与重力同向或反向流动，其间下降的或上升的大液滴(122)汇集并分离出，而小液滴(123)则被第二液体继续夹带。
2．权利要求1的方法，其特征在于，流动速度的平均值对第一步骤为0.1-1m/s，对第二步骤为0.05-0.5m/s，对第三步骤为0.01-0.1m/s。
3．权利要求1或2的方法，其特征在于，在第三步骤中，借助有附加聚结的作用的内部构件(132)对液滴的沉降是有利的。
4．权利要求3的方法，其特征在于，第一步骤和/或第三步骤的内部构件(110；132)采用有序结构填料。
5．权利要求1-4中之一的方法，其特征在于，第一步骤至少包括两个分步骤，由于内部构件的水力学直径和/或几何的变化，液流的韦伯数从一个分步骤到下一分步骤逐步下降，这样由于湍流减小，聚结液滴的平均直径增大。
6．权利要求1-5中之一的方法，其特征在于，一种液体为水，另一种液体为油，特别是从油田或含油气田开采的油。
7．实施权利要求1-4中之一的方法的装置(1)，其特征在于，它包括一个立式容器，该容器包含：一个收集液体混合物(10)、特别是收集含水油，以及将该液体混合物分配到下一区域的室，在这个区域中
a)一根垂直管(11)或多根并联的垂直管(11)，这些管的每一个都包含一种填料体，特别是一种静态混合器(110)，其作用是实施第一步骤以及
b)一个位于容器壁和一根管或多根管之间的第二液体的收集空间，其作用是实施第三步骤，
此外，在容器中还有一个实施第二步骤的区域(12)，一根管或多根管都通向这个区域，该区域的截面大于管截面之和，以使达到从第一步骤过渡到第二步骤时所预定的流速降低。
8．权利要求7的装置，其中的管(11)被矩形截面通道所代替，而收集空间则由平行排列矩形室(13)组成。
9．权利要求8的装置，其特征在于，通道(11)和平行排列的室(13)含有有序结构的填料(110)，特别是被这种填料填满。
10．权利要求7-10中之一的装置，其特征在于，第一步骤至少采用两个串联的区段，并且由于内部构件(110)特别是静态混合器或湍流填料的水力学直径和/或几何的变化，流动液体的韦伯数从一个区段转到下一个区段时逐步减小，这样由于流动方向上湍流的减小，聚结液滴的平均直径增大。
11．权利要求7-10中之一的装置，其特征在于，拟采用由隔板(15)隔开的两个室(12,13；12′,13′)实施第二和第三工艺步骤，而且其中一个室排列在另一个室之上。
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