高效液/液旋液分离器的制作方法

专利名称：高效液/液旋液分离器的制作方法
技术领域：
本发明涉及液/液混合物的分离，特别涉及但不限于从含油水中分离油或从油中分离水，这些液体都是在油井生产或加工厂中被加工处理的，其中油和水以一种混合物的形式被处理。
典型的油井生产过程中，随着油田的逐步开采，所产生的水量也增加了。通常，即使不是大多数的情况下，所产生的流体大部分是水。结果，在该情形下，就存在大量需要排出或以某种方式进行处理的水。着手处理所产生的水通常是一个很昂贵的过程。虽然并不存在直接的经济动机，但近来世界各地政府加强了对排放的废水中的油含量的管理，从而导致人们对改进和优化油水分离器产生了更大的兴趣。这个问题对海上钻井平台更为突出。分离器尺寸和重量的限制使得对设备可挑选余地减小。进而，对于浮动的海上平台来说，平台的移动也会影响某些传统型分离设备的操作。很重要的一点是从水中分离油应达到这样的程度，即水可以被排放到海水中或水已符合环境标准。
为了解决上述与环境相关的问题，现已采用旋液分离器来进行油水分离。但是，旋液分离器通常是用于分离如液/固和气/固混合物的，还没有涉及与液/液分离相关的问题。特别是油水分离进一步使该课题复杂化，在这种分离中涉及高剪切力场，从而对液/液分离带来了附加的疑难问题。油水混合物的液体分散相为一种复合分散相，因此将两种不混溶的液体用旋液分离器来分离曾经被认为是不可能的。对于本领域的技术人员来讲，在连续的液体相内的液体分散相将带来诸如液体相之间的低密度差和液体相对剪切力的敏感性等分离问题。通常，密度差(比重)在小于0.2的数量级，从而在连续相中分离分散相时就存在问题。目前使用的大多数旋液分离器是用于从连续相中分离除去密度较大的分散相，即在旋液分离器的壳体内产生一个涡流以使密度较大的分散相沿着径向向外向着壁移动，在旋液分离器的轴心附近留下已去除分散相的连续相。与此相反，几乎所有的油的密度均较之水要小，因而当油污染的水通过一个旋液分离器时，涡流的径向加速度将使油滴(分散相)向着涡流中心处的轴心移动，使不含油的水留在旋液分离器的壁附近。因而，这对旋液分离器的设计提出不同的要求。这样，当有密度较大的分散相时，连续相主体通过旋液分离器上端壁的涡流检测器以溢流的形式排出。其带少量来自壁边界层的连续相的分散相以底流的方式离开旋液器。当分散相密度较小时，底流成为总流通量(90～95%)的较大部分，而溢流(从旋液分离器轴心部分去除分散相)则被减少了。同样，到达旋液器壁的密度较大的分散相将以相对稳定的壁边界层滞留在该处，而沿分离器轴心形成一中心的密度较小的分散相则没有这样的限制，它完全取决于对其稳定性和从旋液分离器除去而无进一步扰动来说有利的内部流动结构。由于油分散于水中两者密度差相当小，旋液分离器的设计必须使其产生促进分离的非常快速的旋转区域，同时也应避免高剪切区域内的油滴破碎。由于这些限制，虽然从表面上看也许类似于密度较大的分散相的旋液分离器的设计，但实际上油水分离的高效旋液分离器的设计与其要求是不同的，并导致相对不同的几何形状。
液/液旋液分离器发展过程中的一些早期工作是由南安普顿大学的Martin Thew和Derek Coleman在70年代末和80年代初作出的。这一阶段的测试工作表明，旋液分离器的最小公称尺寸约为28mm。据认为，进一步减小旋液分离器的公称尺寸将产生内部高剪切应力，这将使敏感的油在水中的分散相进一步破碎，因而对所希望的相分离导致相反的结果。旋液分离器的公称尺寸被称为旋液器的参考直径，即在该点速度的切向分量是最大的。因此，鉴于石油工业中需要解决的这些早期研究工作和课题，液液旋液分离器被工业应用于分离两种不互溶液体，主要是在石油工业中从水中脱除百分比相对较小的油。考虑到Thew和Coleman的早期工作，处理油/水分散液的旋液分离器的公称直径目前有如下几种型号35mm、38mm、58mm和60mm。
公称尺寸的参考值对于给定的驱动压力来讲表示装置的能力。一般来说，从生产的观点出发，旋液分离器的公称直径越大，对一给定的系统容量所需的分离装置或管路越少。由不同设计人员选择的上述尺寸均基于前述的研究，目的在于获得最佳的分离效率和生产能力。如上所述，最小直径通常为28mm，由此还没有公称直径小于30mm的液/液旋液分离器的型号。与液/液旋液分离器操作相关的几个实际问题是，用公称直径范围为35mm～60mm的旋液分离器所达到的分离效率将不足以满足确定的工艺要求。一些工艺过程处理的待分离的液体分散相的液体量相当小，例如最典型的是在一油田运行中每天小于100桶。一个35mm的旋液分离器能进行适宜的分离的最小体积流量通常每天大于400桶。60mm公称直径的旋液分离器每天则至少需要1000桶。
另一个问题则涉及最小驱动压力。公称直径为35mm的旋液分离器的最小驱动压力为约60psi，而对60mm的旋液分离器，该值为约100psi。有一些其它影响最小驱动压力的因素，如连续相的粘度。
这里进一步插入本发明的背景技术。在七十年代末由Thew和Coleman作出的研究工作以前，旋液分离器的标准设计均是针对液/固或气/固应用的，这些分离器包括一个短的园柱形入口段，随之是一个相当陡的园锥体。分离室的全长与直径的比通常约为10。60年代中期，Regehr和Bohnet作了一些有关液/固技术的工作，最后他们与Thew，Coleman，和Listewnik一起开始研究液/液这一课题。由于油/水分离的剪切敏感性，最初曾推断在更加温和的条件下施加离心力是必需的，唯一能进行适当的分离的方式是增加长度/直径比。这些早期的研究者们的起点是长度/直径比为10～25的园柱形旋液器。结果是用Regehr的简单的园柱形室加上一个在出口一边的小锥体。这些早期的工作发现在长度/直径比超过25时的操作是不能生产的(anti-productive)，在该过程中，在较长的腔室内的摩擦损失大得足以使运动的切向分量严重减小，因而使得流动中的损失达到这样的程度通过旋液分离器的流动将成为一种层流状态。因而，长度/直径比为10～25被认为是最佳的。以后在70年代末，Thew开始研究一种具有多个，并在其内减小直径的级的设计。其要点是，(1)最好增加分离单元的长度以增加停留时间并逐渐地增加或至少维持贯穿旋流分离器期间的速度。这是通过减少直径完成的。最初的工作是一个简单设计，它维持超过旋液器中摩擦损失的角动量。这些设计被逐渐地改进为长度/直径比为10～25，公称直径d2为0.5d1的旋液分离器，d1为入口部分的直径。然后设置从D1到d2部分的锥形体，其中锥体的半角(half-angle)约为10°，d2被看作是旋液分离器的公称直径，在该点切向速度接近最大值。逐渐地，整体的长度/直径比接近25，其中Thew的工作表明，在较长的时间内保持切向速度分量可达到较好的分离。Thew和Coleman i981的工作表明，分离效率将随着使用较小直径的旋液分离器而增加。然而，由于与油/水分散液中高剪切相关的问题，他们的工作注意到了早先提到的最小公称直径28mm的限制，较小的直径将增加油滴的破碎，直径小于28mm的旋液分离器对高效来讲是太小了。
由于人们对环境污染关注的增加，旋液分离器有了其工业应用的价值。在海上钻井时为使产生的水返回海洋，就必须使在水中的残留油含量减少至40ppm以下。许多的分离过程能够使用下述的一些旋液分离器以完成该目的。这种旋液分离器在Coleman和Thew的US专利4，237，006和4，231，368中作了描述。令人感兴趣的是这些和其它的一些专利表明旋液分离器的公称直径可为5～100mm，尽管这些发明人以后的研究数据表明低于28mm的旋液分离器是无效的。显然，这些早期有关公称直径可达到以5mm的提议仅仅为一种设想而无实际的基础，无非是想扩大公开范围以覆盖所有的可能性，这里没有任何已知的企图以建立并检验这种较小的模型，哪怕至少在一种工业基础上的模型。在任何情况下，由Thew和Coleman的研究工作所表明的直径小于28mm将是无效的这一点都足以使任何进一步减小尺寸至约30mm以下的尝试受挫。
长度被公开为公称直径的25倍以下。在这些专利中公开了同样的三部分几何形状和包括曲线壳体的其它等价的形状。这种几何形状占领了石油工业中工业用油/水分离器的市场。US专利4，544，486、4，464，264、4，719，014和随后的Noel Carroll的专利进一步描述了对基本或标准“除油”旋液分离器的改进装置。以后的专利如Carroll的4，721，565和Smyth与Thew的4，749，490均对这些几何形状作了一些变化以使这项技术能应用于油和水的分离，这里油有较大的百分比，甚至成为混合物的主要成分。这些有时被冠之以“脱水”旋液分离器。在这些混合物中，水就成为在油连续相中的分散相。
随着这种产品逐渐被工业生产采用，因此需要创造更加有效地进行相分离的该种设备。在脱油过程中，必须注意减小被分离的含油水中的油的百分比以使水可排放入海洋中。同样，与这些上面提到的系统并不相符的分离操作现在需要考虑是否能生产更实用而有效的旋液分离器。
因此，为了满足治理环境日益增长的要求，以及目前的工业产品还未解决的分离问题，研究更有效地分离以满足所规定的标准的分离技术变得越来越重要。所述的标准在现石油工业中已趋于降低油在水中的含量的一般标准为40ppm以下，这样的海上钻井工程中的含油水可返回到海洋中。结果，最近已建立了一种测试手段以决定至今被认为是极限尺寸的障碍是否将对油/水分离中增加旋液分离器的有效性的整个问题提供一个解决办法。最近的工作导致了旋液分离器设计的新的进展，它明显地打破了以前的工业设计中某种严格的限制要求。这种进展之一是一种实现非常快的加速度设计的旋液分离器，它是采用了最小长度的入口室并通过迅速过渡到旋液分离器的公称直径来逐步减小尺寸。这种概念是基于如下理论如果通过使在入口直径di处的入口速度不超过液滴的剪切应力这一最佳条件得以维持而使非常小的室内的入口流动稳定，就能使进入旋液器的流动在该点没有剪切作用而得到一个好的过渡加速度。一旦达到了这种最佳稳定的条件，就可以非常迅速地降低分离室的直径，依次增加加速度范围。这个工作趋于表明，使公称直径d2变窄的越迅速，该装置的效率将越高。按照该理论，可以使直径d1迅速过渡到直径d2，然后使用一个从d2至出口直径倾斜度非常小的锥体。另一方面，由如此迅速的过渡在旋液器中产生特别高的压力损失，因为较高的加速度场使压力损失的增加导致通过旋液器的流量较低，而从流量的角度看这是至关重要的。为了满足流动的需要，就必须增加体系中旋液器的数量。
在液/液旋液分离器的设计中，使沿旋液器长度提供非常平滑的过渡流动也是很重要的，这样可以对给定长度的旋液器保持一定的离心力而使摩擦损失和流动干扰降至最小。为了改进分离效果，可以考虑用简单延长分离室长度进行实验来提供附加的停留时间，以使较小的较少漂浮的液滴可具有足够多的时间到达欲被去除的中心。早期的尝试通常是围绕以下方法，即从入口液流平稳过渡到最大加速度，维持该加速度一段确定的长度，然后按需要增加停留时间。这里的折衷办法是附加的停留时间产生显著的附加压降，由于所得到的效率的勉强的增长过去认为该压力降是没有根据的。在旋液器中加速度间迅速过渡的另一个方面是通过迅速增加流体速度或角动量，在流体流动中产生剪切应力，从而使分散相的液滴难以被去除。需要注意，在入口设计时，通常进入旋液器的速度只能增加至剪切应力过量而使液滴破碎严重的程度。液滴的严重破碎意味着液滴被剪切到不能有效地从旋液器中除去的程度。因而，为了解决该问题就存在两类基本的课题。其一是确定由于作为主要作用的加速度对液滴剪切的影响，其二要做的工作是有关在旋液器中增加压力损失的影响。压力损失对运行旋液器的有效压力是有害的，因此须增加该压力从而使能量输入也增加了。
设计油/水旋液分离器的人员还要碰到的另一个问题是“再拖入”(reintrainment)。当油移动进入中心部位时，它可能被再拖入存在于中心部分附近的边界层的水中。如是涡旋速度较低时这时相当真实的。然而，由于增加速度也将面对剪切作用增加的危险。因此，当较小的直径和较陡的锥体可能增加涡旋速度时，也会增加较大的液滴被剪切的可能。
另一种伴随陡的锥体所出现的现象就是回流问题。在短距离内由较大体积变为较小体积时，趋向于在入口段集聚涡流。这种集聚向着入口产生一个流动向量，从而促进了轴向的涡流。Thew和其它的研究人员发现了这种现象，并由此指导设计较平缓的锥体。这种内旋式(involute)的回流在靠近外壁的入口末端段产生固体的积累，在这儿它与入口末端接合，继而引起分离室的腐蚀。
因此，尽管这些明显相反的现象是由于上面提到的降低旋液分离器的直径引起的，但申请人仍然企图克服这些明显的问题以发展更高效的旋液分离器。这个决定部分地是受下述的意识所驱使过去的工作均是有关大液滴尺寸的。现在申请人再次来观察，液滴分布情况，更加仔细地注意到这种分布几乎总是包含一段较小的液滴尺寸，而这一段最终必须被处理。这里已经了解到，较小的旋液分离器将带来更大的加速度和更高的速度梯度，因而趋向于增加与颗粒完整性相关的扰动水平，对旋液分离器分离室的动力学的更为仔细的研究表明，较小的液滴，例如5～10μm，将更加坚固而不受剪切作用的影响。另外，在固体颗粒旋液分离器中可以设置较小直径的分离室而没有由于剪切作用带来的损害，可以使颗粒具有较高的加速度，并且剪切作用有助于通过排出颗粒而进行的分离。本发明人发现，事实上，如果能设法使小液滴为这种方式而不使液滴进一步被剪切，在液液装置中可以开一个小窗口分出小液滴，至少在旋液分离器所处理的范围以外。因而决定沿着这个方向努力以希望能开发一种较小直径的液液分离器，特别是一种涉及分散相内具有小液滴尺寸的分散液的油/水分离器。
因而本发明的一个目的是提供一种新型改进的旋液分离器，它可用于从一种混合物中分离液体成分，特别是液体混合物的油和水相，其中，旋液分离器的公称直径或如下定义的喉部直径在8～28mm范围内。改进的旋液分离器可以在低的驱动压力下运行并保持满意的分离效率，尽管直径较小，但单一旋液器单元最小的体积容量每天可低至约50桶。这种改进的分离器将有效地加工处理小液滴尺寸，并且在类似的工艺条件下较大公称直径的旋液分离器具有更高的效率。在该种旋液分离器中分离室的加长部分采用的面积与体积比将应在能促进非同寻常的高效率的范围内。
从本发明的这些和其它目的出发，本发明设置了一种用于从一种混合物中分离液体相的旋液分离器，其中组份之一为在液体连续相内的液滴的分散相，如水包油或油包水分散液。该旋液分离器包含一个分离室，在分离室的一端具有一个或多个用于使液体混合物进入入口部分的入口。可在入口部分的端壁处轴向设置一个溢流出口，该出口用于使混合物的密度较低的相排出。相对入口端在分离室的另一端设置用于排出密度较高的相的底流出口。分离室的进一步特征为第一段相对较陡的用于迅速在加速室内加速流体的园锥状或曲线部分，但不会将分散相液滴进一步剪切到旋液分离器能处理的范围之外。相对陡的园锥形第一部分之后为不太陡的第二段园锥状或曲线部分，该部分为分离室的延长部分。第一和第二园锥部分间的过渡由直径DT＜28mm的喉管部分提供，该直径也被称为旋液分离器的公称直径。如果能满足本发明的需要，分离室甚至可以是园筒形的或部分园筒形的。扩展通过DT的分离室的延长部分包括任何园锥状的、曲线的、园筒形的、或基本上为园筒形的部分，该部分组成总长为Le的延长室直达底流出口。分离室的延长部分Le在面积与体积比(A/V)Le落入一定的参数范围内时将显示可非常有效地用于该液/液混合物。将DT设置在距入口一定的有限距离内，可使旋液分离器的这种效率和整个操作性能进一步加强。由旋液分离器排出的液滴平均尺寸与效率的增加成比例减小。


图1(A和B)为旋液分离器的分离室的两种可供选择的几何形状的示意图。
图2为各种公称直径的旋液分离器的入口和出口间流动速度对压力差的图解表示。
图3为一种标准和小公称直径的旋液分离器入口压力对效率的图解表示。
图4为各种公称直径的旋液分离器入口/出口压差对效率增长的图解表示。
图5为旋液分离器的公称直径对面积与体积比对效率增长的图解表示。
图6为表示一种油-水混合物分散相的液滴尺寸分布的标准曲线。
首先参看附图1(A和B)，显示了两种形状略有不同的旋液分离器12，该分离器首先具有一个始于较大端14的细长分离室，它在由一个旋转空间形成的壳体内延伸至相对的形成一底流出口16的较小端。一个溢流出口18位于放大端14的壁上。在大端14或其附近的入口20提供了一个入口装置，该装置用于将流体混合物加入分离室。入口直径Di代表流体通过一个或多个入口进入旋液分离器的位置上的平均直径，因而它是入口中心线的切向分量与旋液器轴线最小距离的两倍。入口平面是指在入口的中间轴心位置与旋液器的轴垂直的平面，这样流体进入旋液器的角动量的喷射将在该平面均匀地分布。
需要注意，形成分离器的旋转空间的外形可以进行各种形式的变化，图1(A和B)只是列举了其中的两种形状。图1A包括几个不连续部分，由园筒形室表示的入口部分22，随后从左至右是第一段陡的园锥形部分24，再后是第二段不太陡的园锥形部分26。两个园锥形部分间的过渡由喉管部分28表示，为参考起见它被命名为DT。该D喉部也被称为旋液分离器的理论公称直径，它表示了用于讲述以下提供高效特性的概念的重要参数。需要记住，DT仅仅是一个理论参数，其意义在于它是切向速度大约最大或发生涡旋的地方，但实际上准确确定该点是困难的。因而，以下使用这个概念的目的在于表达该具体化的描述并为本发明的权利要求提供足够的确定性。但它也不能被看作是绝对的。图1的上面图形的分离器最后一部分显示为一种园筒形或基本上园筒形的平行段30。
图1B中，所显示的分离器并没有显示不连续部分，但尽管如此，图1B中至少在功能上概括了这些部分。例如，入口20进入分离器，其功能上相应于图1A的入口部分22等。其它通过整个分离器长度所示的相应部分以连续的曲线通至底流出口16。喉管直径DT也被定义为公称直径，它以如下所述的几种不同方式定义，但从功能上说，喉部的大概位置是在流体通过分离器基本达到其最大加速度和切向速度之处。如前所述，这并不是绝对的。在由液/液旋液分离器技术中发展的标准几何学中，d2通常是对该公称直径的特指参数，如下特指DT。d2有时被定义作壳体直径为0.5d处的直径。在单一的渐开线入口情况Di通常大于D1，但在直线转角切向入口时，Di可以小于D1。在本申请中，Di代表混合物进入旋液分离器的功能位置，因而它描述在动力学上将会发生什么情况。因此，在本说明书中，DT是参照Di描述的，通常DT＞0.5Di或等于0.6Di。
正如本发明的背景技术所讨论的那样，正是理性认识的变化导致了较小的喉管直径的实现，而这一点是本发明的一个重要方面。最近已经作了许多的实验工作以识别包括公称直径等参数，该公称直径可增加分离效率。业已发现，随着直径的降低效率通常会增加。在生产能力恒定的前提下，随着直径的降低，也伴随着整个设备的压力降增加，或者假如入口压力恒定，生产能力将下降。图2图示地表明，当使用具有类似图1A的几何形状的三个不同直径的旋液分离器时，流量随着压力的变化情况。如指定入口和出口间任一固定的压力差，如50psi，可以看出，公称直径为19mm的旋液器的流量约为每分钟10加仑，对同一压差，35mm的旋液顺的流量则约为29gpm。当然，这表示了用较小直径的装置小流量的缺点，如果需要处理大的流量，就要采用多个单独的分离室。另一方面，由图3可以看出，对一给定的入口压力，12mm的旋液分离器在效率上大大超过一个35mm的装置。用于收集这些数据的测试是这样进行的，来自同一油井生产的流体通过两条平行的流动管道分别同时通入两种不同直径的分离室，如35mm和12mm。这提供了相同的条件，包括液滴大小分布，密度，温度等所有的液体性质。
很明显，对于一给定的流量，旋液分离器采用较小的直径将增加压力。可以预计，压力的增加也将引起旋加于组成分散相的液滴上的剪切应力增长的可能。考虑旋液分离器的设计参数时，过去通常很关注斯托克斯定律(stokes law)，该定律的部分认为分离是液滴大小的函数，小的液滴较之大的液滴将更加难以分离。因此，旋液分离器将不能有效地除去在一定范围内的较小液滴。过去还认为较小直径的旋液器和分离室较陡的园锥角度都将对旋液器内的液滴产生剪切作用，因而产生更小的液滴，也就更难以去除。因此设计人员没能利用如下的事实，较小直径的旋液器能有效地除去较小的液滴。这是因为当处理的较小液滴已经被剪切后，旋液器中剪切作用的影响就更小了。因此，由设计参数引起的在旋液器中的剪切作用将主要影响较大的液滴，即旋液器中只有较大的液滴受到剪切作用。然而，只要不剪切到低于比如6μm，就无需顾及如下问题较小的喉部直径和更迅速的向较小的D喉部的过渡都将可能引起较大液滴的剪切，因为现在这些剪切液滴将能被更有效地除去;所说的6μm适于采用较小直径的装置。这也将缓和相应的再拖入和回流剪切问题的论述。考虑到上述内容，人们目前已认识到，旋液分离器可成形为能快速加速混合物以排出较大的液滴，进而快速加速剩余的没有进一步剪切作用的混合物，或者对低于比如6～8μm的剩余混合物没有剪切作用。由于具有较小的直径，旋液分离器的体积也较小，剩余的液滴将有更多的机会互相接触，然后再凝聚，因此更有可能借助旋液分离器的离心分离方法使其分离。由于具有较小的直径，因而也可以减小液滴必须移动到达中心的距离，同时也减少了它到达中心的时间。这些特征导致从混合物中排出的液滴范围的增大，因而增加了分离的效率。如果维持这种动态而增加更长的停留时间，就会进一步增加凝聚和分离的机会。
人们已经认识到较小的直径和/或较陡的园锥的旋液分离器将非常可能产生对较大液滴的附加剪切作用，这个缺点明显胜过如下事实较小直径的旋液分离器也将分离出较小尺寸的液滴，因而排出的平均液滴尺寸随旋液分离器的公称直径而降低。因而，去除液滴的体积在较小的公称直径时是增加的，因而效率也增大了。数据表明，公称直径为8～28的旋液分离器将有效地去除在4～10μm范围内的液滴。因此，当液滴的剪切作用发生是由于液滴更小而园锥更陡所导致时，这种影响被能去除的混合物的增加部分抵消了。对一给定的条件而言，底流将有以液滴形式存在的分散相组分;这些液滴在分离室内没有被分离出去。对较小公称直径的装置，在底流出口的这些剩余液滴的大小分布其平均尺寸小于4～8μm的范围，而对同样条件的大于28mm的旋液分离器，其出口分布是较高的。由这种平均液滴大小方面的差异所表示的混合物部分将确定分离效率的改进。这种关系由图6所示，其中混合物通常的入口液滴分布是由图形中曲线下部的区域表示的。为了图示混合物具有1000ppm的油在水连续相中的分散相，1000ppm的分散相由曲线下的面积表示。在该图例中，分散相的平均液滴尺寸D50为20μ。而在给定的条件下(温度，PH值等)由一个35mm公称直径的旋液分离器去除这些液滴，上述的平均尺寸为8μ，分散相8μ以上的部分表示80%的分布D80，旋液分离器的效率为80%，在底流出口的液滴浓度将是0.8×1000ppm或200ppm。然而对于一个20mm公称直径的旋液分离器，在上述同样条件下可以去除液滴至约4μ，也可以说降至平均尺寸为6μ，这表示90%的分布D90。因而后一种旋液分离器的操作效率将是90%，并且1000ppm×0.9＝100ppm，因而效率增加了10%。早期的数据表明，在正常范围的操作条件下，上述表示的实例证明了较小公称直径装置的改进。当然，这预示着混合物包含较小液滴为主要部分，这个优点将被利用。
图4对各种直径的分离室的装置进行了比较，给出了在改变入口/出口压力差时比35mm的装置增加的效率百分数。这个数据取自较早的描述中，其中小直径的装置与一个35mm的装置在一个并流回路中运行。该混合物包含的分散相液滴平均尺寸在12～14μm，混合物温度为112°F。从图4中易于看出，在装置直径与效率间存在直接的关系。有趣的是从图4中可以注意到标记为15mmASAD的顶线之一的装置类似于标记为15mm较低的线的装置，只是由上顶代表来的该装置有段延伸的平行段加于装置中，因而给分离室的流体提供更多的停留时间;结果具有了更高的效率。
通过分析这些测试中所包含的大量的数据，试图从上述各种现象中找到其主题或原理。尽管绝对的解释也许不可能，但可以提出一个大概的解释，即相关于更长的停留时间，液滴运动更短的距离，小液滴在高剪切条件下的行为等。然而进一步的分析可以看出，下面未知的关系是存在的，它与现有的问题有极大的联系。所说的未知的关系是指在装置的形状的某处达到最大加速度的地方分离室的面积与体积的比值。据认为这个位置大约是在图1所给出的标准型图形的DT处，也就是从较陡的斜度变化至较小或较平缓的斜度发生改变的位置，不论它是一种园锥形还是相当于一种曲线形。这方面，下式将表示如何对一给定的构形计算A/V比值。
(A)/(V) (比值)＝ (所有部分的内表面积之和)/(所有部分的内部体积之和)对具有圆形截面的部分
(1)或类似的，
(2)其中x为沿着部件中心线的距离rc(x)部件c作为轴向距离函数的半径c为部件数1，2，3，……ni为入口o为出口函数rc(x)完全是一个总体概括，可以采取如下形式，但不限于此(1)对园筒形部分rc(x)＝kk为一个常数半径(2)对于一个锥形部分rc(x)＝ri-γ(x)γ(x)＝xsinθ因此rc(x)＝ri-xsinθ其中θ为锥体的半角(3)对二次曲线部件rc(x)＝ri+βx+αx2其中，α、β为描述部件曲率的常数。
为了计算图1A中整个装置图形的A/V比值，可以简单地对装置的每一段的面积和体积分别进行积分。从本发明的目的出发，分离室从LT开始而延伸至底流出口这部分Le的面积与体积比是最感兴趣的。因此，对图1(A和B)所显示的图形，首先计算从DT至断续线34这一部分的体积和面积。然后再计算从断续线34至出口16这一部分的面积和体积，这一段图示为一段园筒形部分。当然，后一部分的半径是一定的，因而无需积分，其面积以2πrx来作简单计算，这里x为所包含的这一部分的轴向长度。园筒形部分的体积为πr2x。继续进行该过程直至所有感兴趣部分的体积和面积均被计算出来。需要注意，Le部分是分离室的一个功能部分，而由于存在许多的可以设计的分离器的形状，因此对它的功能用语方面的这种教学必须了解。Le部分的起始处是在大约出现最大的速度和加速度之处。从实际的观点出发，这虽不是一个绝对的位置，至少可以确定其准确的位置。如果分离室从始到终为一个直锥形，如一种截园锥，那么它具有单一的锥形角，DT将被描述出现在分离室入口处，Le将在靠近端壁14的Di处开始。至于底流出口或Le的末端则出现在分离过程的终端，即在出口处。如果试图对分离室的末端添加某一长度的扩散段，就可使分离室中径向加速度或涡流减低，因而由离心力引起的分离将结束。从功能上看这将是分离室的终端和距离Le的结束点。这里DT被限制在某一确定点存在，这是从限定的目的出发，例如在本发明的权利要求中。固定DT的一种更功能性的方式是使其落入某一范围内。另一种描述DT的方法是它在分离室壁的斜度达到一确定值的地方。
现在参看图5的附图，该图显示了对各种形状的旋液分离器来说面积与体积比值与喉部直径的关系图。在右边的座标上显示的是比35mm的旋液分离器增加的百分比的大约值。百分比的增加将是液滴分布、温度、密度、PH值、界面张力等的函数。较低的曲线是如图1A显示的在DT起始具有Le部分而无平行延伸段的分离器。平行延伸段是指是园筒形或基本是园筒形的分离室部分，即从断续线34至底流出口16一段。因此，图5的最下面的曲线表示了如图1(A和B)所示的具有Le部分并终止于34的装置。图5的中间一条曲线(实线)代表类似的图1A的标准几何形的旋液分离器，锥形部分26的锥角α，图中示意为36为0.75度。该装置包含20DT的平行延伸段30。图5上面的曲线代表锥角3°，平行延伸段100DT的旋液分离器。从图5表示的数据可以看出，喉管直径为8～28mm的旋液分离器的面积与体积比通常是在0.19～0.9的范围内。然而，还存在一些目前没有仔细考虑的石油的应用或在其它工业中的应用，而在这些领域较小的装置将是实用的。因而，这里所述的数据的较低限不应限制包括在本论述中的任何特定最小尺寸。
因而，这里显示和描述了本发明的具体实施例，很显然，在这个宽广的领域内的变化和改进均不超出本发明。权利要求的目的在于覆盖所有这种变化和改进，只要它落入本发明的实质和范围内。
权利要求
1.一种用于从流体混合物中分离不同密度的液体组分的高效旋液分离设备，其中液体组分之一为在液体连续相内液体液滴的分散相，该高效旋液分离器包括一个在其一端具有入口部分的分离室；在分离室一端用于引入流体混合物进入所说的分离室的入口部分以产生流体混合物的涡旋运动的入口装置；一个在所说的分离室的一端轴向设置的用于排出流体混合物中密度较小的组分的溢流出口；一个在分离室与所说的入口装置相对的另一端的底流出口；所说的分离室进一步包括第一段相对较陡的锥形或曲线部分和第二段细长的不太陡的锥形、曲线或基本上园筒形的部分，所述的第一段锥形或曲线形部分连接入口部分与第二段锥形、曲线形或基本上园筒形的部分以构成用于加速流体混合物的涡旋运动的一段截面，第一和第二部分间的过渡由位于或靠近第一和第二部分间的过渡段的喉管部分表示，其直径为DT，该喉管直径应足够小以使加速的涡旋流体混合物进入部分地由所说的第二部分表示的分离室的足够狭窄的停留部分；所说的入口部分有直径Di，该直径是在所说的入口装置开口进入入口部分的平面处的直径，其中始于喉管直径DT并由此延伸的细长室部分包括任何锥形、曲线形或基本上园筒形部分，它们组成了从喉管DT直至底流出口的分离室的细长室部分，这里所述的细长室部分有效长度为Le，它构成了旋液分离器有效的狭窄停留部分；其中，始于喉管DT并延伸了距离Le的细长室部分的面积与体积比(A/V)Le被定义为所说的分离室的组成Le段的所有部分的内表面积A之和除以上述Le段所有部分的内部体积V之和；其中，DT位于分离室内直径为直径Di的0.5的地方；其中，(A/V)Le大于0.21mm-1，从而加速的涡旋流体混合物在停留部分的停留时间在尽可能小的体积内在足够狭窄的截面积上被延长，从而加强了从液体连续相中分离分散相液滴的效率。
2.按权利要求1的旋液分离设备，其中Le大于27.2DT。
3.按权利要求1的旋液分离设备，其中DT为8～28mm。
4.按权利要求1的旋液分离设备，其中DT等于或小于20mm。
5.按权利要求1的旋液分离设备，其中(A/V)Le为0.21～0.9mm-1。
6.按权利要求1的旋液分离设备，其中DT等于或小于28mm，Le大于37.5DT，LT(从Di到DT的距离)小于6.7Di。
7.按权利要求1的旋液分离设备，其中DT等于或小于30mm，Le大于49DT，LT(从Di到DT的距离)小于2.4Di。
8.一种用于从流体混合物中分离不同密度的液体组分的高效旋液分离设备，其中液体组分之一为在液体连续相内液体液滴的分散相，该高效旋液分离器包括一个在其一端具有一个入口部分的分离室和贯穿分离室的外壁部分;在入口部分用于将流体混合物引入所说的分离室的入口部分以产生流体混合物的涡旋运动的入口装置;用于排出混合物的分离相，具有至少一个出口用于密度较大组分的出口装置，至少一个出口位于与入口装置相对的分离装置的另一端;所说的分离室进一步包括第一段用于迅速加速在分离室的流体的锥形或曲线形部分，随后是第二段不如第一段锥形部分斜削或弯曲的锥形、曲线形或通常为园筒形部分，第一和第二部分间的过渡是由位于或靠近过渡段的喉管部分表示的，喉管部分直径为DT，它应足够的小以使流体混合物的加速涡旋运动进入一个足够狭窄的分离室停留部分，该部分始于DT，DT位于一距离LT处，LT为从Di到DT的距离;所说的始于DT并由此延伸的第二部分包括任何组成所说的分离室的细长部分的附加的锥形、曲线形或基本上园筒形部分，该部分由此延伸至位于所说的分离室的另一端的至少一个出口;所说的始于喉管DT的细长部分其有效长度为Le，其中应使喉管直径DT足够地小以使加速的流体迅速进入一个分离室的狭窄停留部分，该部分用细长部分Le表示，该狭窄的停留部分使分散相的小液滴更有效地凝聚，该狭窄的D-位于第一和第二部分间的过渡段处或其附近，分离室的纵轴与分离室的外壁间的锥形角α等于或小于2°，tanα＝ (△r)/(L)其中△r是在分离室一段轴向长度L间，分离室的半径差;其中DT等于或小于28mm，Le大于37.25DT，从而确保分散相的小液滴在狭窄停留部分，有足够的时间以加强小液滴的凝聚。
9.按权利要求8的旋液分离设备，其中距离LT等于或小于2.4Di。
10.按权利要求8的旋液分离设备，其中Le大于39DT。
11.按权利要求8的旋液分离设备，其中Le大于49DT。
12.按权利要求8的旋液分离设备，其中DT小于或等于0.6Di，LT小于3.9Di。
13.按权利要求8的旋液分离设备，其中Le为37.5～120DT。
14.按权利要求8的旋液分离设备，其中LT小于2.18Di。
15.按权利要求8的旋液分离设备，其中DT小于或等于0.5Di，LT小于2.41Di。
16.按权利要求8的旋液分离设备，其中Le为49～120DT。
17.按权利要求8的旋液分离设备，其中始于DT并延伸距离为Le的细长部长的面积/体积比值(A/V)被定义为所说的分离室组成Le段的所有部分的内表面积A的总和除以各部分内部体积V的总和，其中(A/V)Le大于0.21mm-1从而使加速流体的停留时间在足够狭窄的截面面积和尽可能小的体积的停留部分被延长以加强分离装置的效率。
18.按权利要求17的旋液分离设备，其中(A/V)Le比值为0.21～0.9mm-1。
19.按权利要求17的旋液分离设备，其中Le等于或大于37.5DT。
20.按权利要求17的旋液分离设备，其中(A/V)Le等于或大于0.26mm-1。
21.按权利要求19的旋液分离设备，其中DT等于或小于20mm。
22.按权利要求8的旋液分离设备，其中所说的至少一个出口为一用于密度较大的组分的底流出口;所说的出口装置进一步包括轴向设置在入口部分的一端壁上的溢流出口，而且其中DT小于或等于0.6Di，LT小于6.7Di。
23.按权利要求22的旋液分离设备，其中LT小于2.18Di。
24.按权利要求23的旋液分离设备，其中Le大于49DT。
全文摘要
一种用于分离混合物的液/液组分的高效小直径旋液分离器。旋液分离器分离室的有效分离部分Le始于小直径喉部D
文档编号B01D17/038GK1060233SQ9110928
公开日1992年4月15日 申请日期1991年8月29日 优先权日1990年8月30日
发明者查尔斯·M·卡尔宁斯 申请人:康诺科专业用品公司