CN100339146C - 静电聚结器装置及其用途 - Google Patents
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Abstract
一种配置在分离容器中的装置，具有流体混合物流过的一个入口和许多出口，它是为了促进乳化在第二种流体中的第一种导电性流体的静电聚结，该装置包括许多管状静电聚结器基元，后者在流动方向延伸，它们排列在一个基本上覆盖了该容器整个横截面的基体里，以及对流过该聚结器基元的流体施加电场的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种用电供能的装置，它是用于分离乳化在第二种流体中的第一种导电的流体。本发明主要应用在石油工业。它在离岸的应用中特别有利，在那里安排设备的目的是为促进和实现水从油中预分离，或使水的微滴增大，这预分离是在将提取的含有油和水的乳状液传送到后续的沉降罐作重力沉降之前进行的。
发明背景
产自地下岩层的流体通常是水、油和气的三相混合物，其中至少有一些水是乳化在油中的。这种流体的混合物常常要在井口的下游分相，以便可传送到为了进一步分配的输油管。为实现这种分离的一个可行的方法是用一种三步的工艺，其中两步是重力分离罐，接着是包含静电聚结器的最后的分离罐。重力分离器在入口处通常有一个流动矫正器。这个流动矫正器的目的是双重的；其一是调整经过罐截面的流动状态，其二是在重力分离之前影响水微滴的机械聚结，以增加分离过程的效率。
这个多步骤工艺的问题在于分离最有效是在第一步，在这步大部分的水被分掉了。在最后一步水的比例是相对低的，这就意味着静电聚结器必须引入在这个重力分离罐中。
然而，效率还是低的，这就是说流体不得不在分离罐中滞留很长的时间，以使其分相。这样，罐必须很大，例如大约直径4米，长20米。使用这样尺寸的罐在生产场所是很不方便的，特别是离岸的生产地，那里可利用的空间是有限的。
现有技术
在US 4,469,582中叙述了一种以电力增强的斜板分离器，它装在一个下游的小室里，这个小室与电力系统相连而产生电场，在分离器的通路中，将极性的流体(水)从非极性的流体(油)中聚结并分离。这种分离器一般是由一排平面状或波纹状的极板(电极)组成，被处理的混合液通过这些极板。每块极板是由两部分做成的。第一部分是用导电材料制的。在下游，第二部分是由绝缘材料制的。
在US 4,919,777中叙述了一种将盐水从油中用静电/机械分离的处理器，分离是在液体纵向流过在水平方向加长的罐时进行的，在罐中装有聚结器的基元以增强破乳化的作用。乳状液流过电场的方向，盐水的微滴带了电荷，然后又通过接地线的聚结器的基元，后者包含了许多以束状排列纵向延伸并向下倾斜的开口的管子。
公开于US 4,469,582和4,919,777中的分离器的缺点是两者都采用了裸露电极。有与流体接触的裸露电极的聚结器是经不住有大量水的情况的。盐水是导电的，它将使电极短路，致使电力系统不起作用。一般认为用裸露电极时，水的含量10％是极限。而且，这样的裸露电极易遭受乳状液的腐蚀。因此，这些仅能用于后面的一连串的沉降罐中，在那里水的含量已降至低于10％的极限了。
发明简述
本发明的一个目的是在一个分离容器中，例如在重力分离罐中，提供一种装置，它增强在流体混合物中各相的分离作用，同时保证在分离器中适当的活塞式的流动。
本发明的另一个目的是提供一种装置，它能有效地聚结在乳状液中的导电流体，例如在水-油乳状液中的水。
本发明的第三个目的是提供一种装置，它能为分离容器的总尺寸的减小做出贡献，和/或最终能够减少在多步工艺中容器的数目。
本发明还有的目的是提供一种装置，它可以容易地安装在现存的重力分离器中，也即通过人孔(检修孔)。
本发明涉及一种安置在分离容器中具有流体混合物流过的一个入口和许多出口的装置，用以促进在第二种流体中乳化的第一种导电性流体静电聚结，该装置的特征在于它包括许多管状的静电聚结器基元，这些基元与流体绝缘并在流动方向延伸，它们排列在一个基本上覆盖了该容器的整个横截面的基体里，以及用对流过该聚结器基元的流体施加电场的设备。
并且，进一步的，所述装置中的每个聚结器基元包括绝缘的管状通道，所述对流体施加静电场的设备包括一对相互作用的第一和第二电极，它们排列在绝缘的管状通道的外面并与之相邻，所述有相反电极性的电极被间隙隔开，并在该通道的纵向平行地延伸。
优选地，所述电极被制成为细长的板形，这对于在基体的一排中所有聚结器基元是通用的，在相邻排间所述电极是共享的。
根据本发明的一个方面，在所述装置中每个聚结器基元包括绝缘的管状通道，所述对流体施加静电场的设备包括一对相互作用的第一和第二电极，它们排列在绝缘通道的外面并与之相邻，所述有相反电极性的电极被间隙隔开，并且螺旋式绕着所述通道平行地延伸。
在所述装置中，聚结器基元排列在至少一个聚结器组件中，一个完整的变压器模铸在该组件里，所述变压器有从外部容易进入的初级线圈终端和与流体绝缘的高压次级线圈。
所述装置还可以包括提供电压的中心组件，聚结器基元的基体排列在许多聚结器组件中，聚结器组件安装在中心组件的两边并与之相邻，由电感偶合从中心组件向聚结器组件的电极传输电能。
优选地，所述中心组件包括多个初级的变压器线圈和半芯，每个聚结器组件包括一个相应的次级变压器线圈和半芯，聚结器组件中的半芯和中心组件中的半芯电感应接成一个磁路，它可以使电能传输到电极。
更优选地，次级线圈和每个组件的聚结器基元模铸在绝缘材料中，而形成整体的组件。
根据本发明的一个方面，所述装置包括提供电压的中心组件，聚结器基元的基体排列在多个聚结器组件中，聚结器组件安装在中心组件的两边并与之相邻，由电容偶合从中心组件向聚结器组件的电极传输电能。
优选地，中心组件包括许多初级的电容器极板，每个聚结器组件包括相应的次级的电容器极板，聚结器组件和中心组件中极板互相相邻地安装并被绝缘层隔开，极板接成了一个电容偶合，它可以使电能传输到电极。
更优选地，次级电容器极板和每个组件的聚结器基元模铸在绝缘材料中，而形成整体的组件。
在本发明的装置中，管状通道的直径5-30mm，长度100-500mm。优选地，所述通道是朝流动方向向下倾斜的。更优选地，所述装置还包括多孔的金属板，它安装在聚结器基元的基体的上游，并基本上覆盖了容器的整个横截面。更优选地，多孔板接地于分离容器。
本发明还涉及上述至少两个装置在流动方向串连排体中的应用，其中在两个相邻排列的装置中，在相同的垂直位置的电极是电极性相反的。
本发明还涉及上述至少两个装置在流动方向串连排体中的应用，其中在两个相邻排列的装置中，在相同的垂直位置的电极是电极性相同的。
实质上，本发明是由流动矫正器和许多聚结器基元的结合而组成的。换一句话说，本发明包括许多聚结器基元，它们同时又用作流动矫正器。
附图简述
现在将以附图作参考对本发明加以详细叙述，其中：
图1给出了一个根据现有技术的三步分离工艺的总体示意图。
图2显示本发明的一个实施方案。
图3显示本发明的另一个可能的实施方案。
图4显示本发明的一个用电感应的能量传输到各个聚结器基元的实施方案。
图5显示本发明的另一个用电容的能量传输的实施方案。
图6是一个简图，它表明了一种传统的重力分离器的分离效率，是以分离相的水平对时间的函数来表示的。
图7显示一个在安装了依据本发明的装置后的相似的简图。
图8显示一个实施方案，其中本发明的装置包含了一个外加的多孔板，它被安装在聚结器基元基体的上游。
图9显示根据本发明的一些装置串连安装在一起的排列图。
发明详述
图1是一种分离器系统的示意图，这种系统通常是在井口的下游的。这样一种分离器系统的某些要求是要将从井里生产的油流的压力和温度(典型的分别是60巴和60℃)降低到出口时典型的1巴和15℃。另外，出口的油应当含有少于0.5％的水。为满足这些要求，可以用一种三步工艺，它包括了三个重力分离罐1，3，5。含有油、水和气的井流进入第一个分离器1。分离器1在入口处有一个流动矫正器2。流动矫正器的作用是保证在罐的主体中适当的活塞式的流动，也就是去分配和使流过罐的横截面的多相液流均匀化。这个流动矫正器通常是一块多孔板，它使一定程度的压力下降而均匀地分配流动体积。典型地，孔眼的部分是横截面面积的15-25％，孔的直径是10-30mm。常常使用两块这样的板，孔眼在径向稍稍移位。这些窄的孔在流动中引入了湍流。这起到聚结水的微粒的作用，从而加速了随后的流体分离作用。离开第一个分离器的流体中典型地含有大约2-30％乳化在油中的水。
下一个分离器3是与第一个分离器1有相似的构造，它将使水的含量降至接近1-10％。
要去除剩下的水现在变得更困难了，所以在最后的分离器5中的分离过程是慢的，流体滞留在罐中的时间大约是10分钟，而在前面的分离器中大约是3分钟。
本发明的主导思想是要把流动矫正器和在管线中的静电聚结器的特点结合起来。如图2和3所示，这个想法的实现是采用了许多单个的静电聚结器，每个聚结器包含一个乳状液流过的管状通道，在通道外装有外部的电极，以对乳状液施加电场，而取代了流动矫正器传统的多孔板。这样，分离作用增强了，而且保证了在分离器中活塞式的流动。这种新的流动矫正器/聚结器是安装在最初的重力分离器1，3中，最好是装在它们的入口处。在此，分离过程的效力是最大的，所发明的流动矫正器/聚结器提高了分离器1，3的功效。由于大幅度改进了分离器的功效，使离开第二个分离器的油含水量少于0.5％，也即满足了客户的要求。从而，最后的分离器5最终可以省去。
图2显示了发明的聚结器和流动矫正器相结合的第一个实施方案。这个装置包含了许多小尺寸的聚结器基元21，它们组装在一个分离器或容器横截面上的基体里。每个聚结器基元21包含一个最好是管状的用绝缘材料制成的通道24，第一个电极25和第二个电极26装在通道24的外表面上。通道24的壁隔开电极25和26使之不与流过通道的乳状液或流体直接接触。各个通道排成排，许多电极以片或板的形式排列，将相邻的排隔开。这样对每一排的所有的通道电极25和26是共通的，对于排的两面每个电极也是共通的。第一个电极25和第二个电极26电极性是相反的。
图3显示本发明装置的另一个实施方案，其中每个隔开的通道34被一对螺旋状缠绕的、有相反电极性的电极35，36所围住，如已公开在共同未决的挪威专利申请2000 2383中的那样。然而，尽管这个实施方案已被证明比第一个实施方案在分离流体时更有效，但是这个设计实施起来更复杂，因此第一个实施方案将是优选的实施方案。
本发明装置的另外的要求是它应当能经得住两种情况，一种是有大量水的情况，即部分或完全充满水的连续相，另一种是干的情况，也即部分或完全充满气。为满足这个要求，必须使用绝缘电极。图2和3所示的实施方案中，电极是在管子外面的，因此对于高含水量的乳状液是不会有问题的。正如较早已提到，本发明是打算安装在分离过程的上游，甚至在含水量高的第一个分离罐中。因此，为了对付含有超过10％水的乳状液，用绝缘的电极将是一个先决条件。
本发明的装置是打算用于在海上和海下，即在海底的离岸设备中。在这些苛刻的环境中，设备最好从低压电源供电。低压线，典型地是400伏交流电，通过容器的壁传送到带有一个或多个整体变压器的中心组件41或51，见图4和5。聚结器基元的基体最好是做成聚结器组件。本发明的装置在用于要求变化式样的市场情况下，每个组件的尺寸必须不能超过现存的分离罐的人孔的尺寸。
本发明中，为给聚结器组件的电极通电，电能的传输在中心组件41，51与相应的聚结器组件42，52之间没有电流的接触。在图4中显示的实施方案中，用电感偶合给聚结器的电极供电能的。中心组件包含了许多在半芯44上的初级变压器线圈45。相邻于中心组件41安装了许多聚结器组件42，每个组件包括了许多在半芯46上的相应的次级线圈47。每个半芯44，46安装在靠近各自的组件41，42的壁上，这些组件用绝缘层保护。在分离容器中聚结器组件42安装在中心组件41上，半芯44，46和线圈45，47一起形成了一个完整的变压器。变压器从电线43得到低压交流电，而供给聚结器组件42中的电极高压电。电感偶合使所有带电的构造部件可以完全嵌入在油/水兼容的绝缘材料里，从而保护它们去对付在分离器中的苛刻环境。例如组件能够模铸在环氧树脂中。这个申请中合适材料的选择已进一步在NO 20002383中叙述。
实现在中心组件与相邻电极组件之间没有电流接触的电能传输的另一个方法是采用电容偶合，见图5。
在图5中显示的实施方案包含了一个被聚结器组件52包围的中心组件51。中心组件包括一个输入低压交流电的变压器。从变压器的次级线圈输出高压电到极板53，后者被设置在平行和紧靠组件的壁的位置。
在聚结器组件52中，相应的极板54被设置在与相邻于中心组件51的壁平行的位置。在中心组件51和聚结器组件52中配置的成对的极板53和54形成了电容器，它使电能可以从中心组件51输送到相邻的聚结器组件52中的电极上。然而，正如在电感偶合的情况，本领域技术人员知道许多方法在技术上来完成在中心组件和相邻的聚结器组件之间的电容的能量传递。图5所示只是一个例子，它揭示了一个概念，即用电容偶合可以使所需要的电能无接触的传递，使在聚结器组件中的电极通电。
对排列在一个或多个组件中的聚结器基元的电极提供高压电的其它方法是在每一个单独的聚结器组件中安装一个完整的变压器。在这个优选的实施方案中，组件的变压器有一个隔开的可以从外面容易进入的低电压线圈的终端，同时有与流体绝缘的高电压次级线圈。
在图2-5所示的实施方案中，每个单个的通道典型的尺寸能够是直径5-30mm，长度100-500mm。
图6显示了用含有10％水的非常稳定的水-油乳状液做的一些实验结果。乳状液在一个罐中以重力来沉降。图6中有方块点的线表示水或水的连续相与乳状液间的界面位置，而有三角形点的线则表示相应的在乳状液与油或油的连续相间的界面。如图所示，含有10％水的混合物在开始5小时没观察到分离作用。以后分离作用仍然是非常慢的，在油的连续相和水的连续相之间还没有观察到明显的界面。
图7表明在沉降罐中引入了本发明装置后的实验结果。在这例子中，在聚结器和流动矫正器相结合的装置中滞留时间大约是4秒钟。如图中能够看到那样，在油的连续相和水的连续相之间得到了明显的界面，它是由带圆点的线表示的，大约在1小时后分离过程就几乎完全了。读者应该知道这是一个实验室小规模的装置，这是为什么所观察的沉降时间与较早提到的在一个完全规模的生产设备中的时间不相符合的原因。
在沉降罐中传统的流动矫正器的优点在于它使流体获得有效的湍流，来加快微滴的碰撞速度从而聚结，并且提供足够的剪切力来破坏密集的乳状液层。这通常要通过在罐的整个横截面上均匀分配的压力下降来达到。这也促成了在沉降罐中所要求的活塞式的流动方式。
在本发明的装置中，湍流可以通过限制每个通道入口的流动面积来增加，或者用任何其他的方法，如众所周知的人工方法。
管状的通道也能够朝流动方向向下倾斜排列。这就促进了一种自净效应以避免由流体带来的微粒，例如沙子，在通道中沉积并可能将它们阻塞。
应用本发明的一种排列方式如图8所示。聚结器装置82安装在靠近重力分离罐的入口处。外加的金属多孔板81安装在聚结器装置82的上游。这板接地线(即罐的主体)，或更正确地接在用在聚结器电极的电位U+和U-的平均值。这个排列在电极的边缘和多孔板间的区域83里产生许多不均匀的电场，这明显地扩大了聚结器装置的作用范围。这板也将对分配和使流过罐的横截面的流动均匀化起作用。
图9显示包括在本发明中的另一种排列方式。在一个重力分离罐中，聚结装置92a，92b，92c在流动方向串连排列。在连续排列的装置92a，92b，92c中，在同一垂直位置的聚结器电极接以相反的电极性。其作用是在连续排列的装置间的区域内产生高度不均匀的电场，从而扩大了聚结器装置的作用范围。
因为本发明特别适用于包含油和水的乳状液，因此是参照这样一种应用来进行叙述的。然而，应当知道本发明适用于所有类型的应用，其中可保证在乳状液中流体适当的活塞式流动，同时用对乳状液施加电场的方法来聚结乳化在第二种非极性流体中的第一种极性流体。
Claims (17)
1.一种安置在容器中具有流体混合物流过的一个入口和至少一个出口的装置，用以促进在第二种流体中乳化的第一种导电性流体静电聚结，该装置的特征在于它包括许多管状的静电聚结器基元(21，31)，这些基元与流体绝缘并在流动方向延伸，它们排列在一个被设置于该容器的横截面之上的基体(22，32)里，以及用对流过该聚结器基元(21，31)的流体施加电场的设备，其中所述聚结器基元被构建以同时作为聚结器和流动矫正器来运行。
2.权利要求1的装置，其特征在于每个聚结器基元(21)包括一个绝缘的管状通道(24)，所述对流体施加静电场的设备包括一对相互作用的第一和第二电极(25，26)，它们排列在绝缘的管状通道(24)的外面并与之相邻，所述有相反电极性的电极(25，26)被间隙隔开，并在该通道的纵向平行地延伸。
3.权利要求2的装置，其特征在于电极(25，26)制成为细长的板形，这对于在基体的一排中所有聚结器基元是通用的，在相邻排间所述电极是共享的。
4.权利要求1的装置，其特征在于每个聚结器基元(31)包括一个绝缘的管状通道(34)，所述对流体施加静电场的设备包括一对相互作用的第一和第二电极(35，36)，它们排列在绝缘通道(34)的外面并与之相邻，所述有相反电极性的电极被间隙隔开，并且螺旋式绕着所述通道平行地延伸。
5.权利要求2-4之任一项中的装置，其特征在于聚结器基元(21，31)排列在至少一个聚结器组件中，一个完整的变压器模铸在该组件里，所述变压器有从外部容易进入的初级线圈终端和与流体绝缘的高压次级线圈。
6.权利要求2-4之任一项中的装置，其特征在于该装置包括提供电压的中心组件(41)，聚结器基元(21，31)的基体排列在许多聚结器组件(42)中，聚结器组件安装在中心组件(41)的两边并与之相邻，由电感偶合从中心组件(41)向聚结器组件(42)的电极(25，26；35，36)传输电能。
7.权利要求6的装置，其特征在于中心组件(41)包括多个初级的变压器线圈(45)和半芯(44)，每个聚结器组件(42)包括一个相应的次级变压器线圈(47)和半芯(46)，聚结器组件(42)中的半芯和中心组件(41)中的半芯电感应接成一个磁路，它可以使电能传输到电极(25，26；35，36)。
8.权利要求7的装置，其特征在于次级线圈和每个组件的聚结器基元模铸在绝缘材料中，而形成整体的组件。
9.权利要求2-4之任一项中的装置，其特征在于该装置包括提供电压的中心组件(51)，聚结器基元(21，31)的基体排列在多个聚结器组件(52)中，聚结器组件安装在中心组件(51)的两边并与之相邻，由电容偶合从中心组件(51)向聚结器组件(52)的电极(25，26；35，36)传输电能。
10.权利要求9的装置，其特征在于中心组件(51)包括许多初级的电容器极板(53)，每个聚结器组件(52)包括相应的次级的电容器极板(54)，聚结器组件(52)和中心组件(51)中极板(53，54)互相相邻地安装并被绝缘层隔开，极板(53，54)接成了一个电容偶合，它可以使电能传输到电极。
11.权利要求10的装置，其特征在于次级电容器极板和每个组件的聚结器基元模铸在绝缘材料中，而形成整体的组件。
12.权利要求2或4的装置，其特征在于管状通道的直径5-30mm，长度100-500mm。
13.权利要求12的装置，其特征在于所述通道是朝流动方向向下倾斜的。
14.权利要求1的装置，其特征在于该装置还包括一块多孔的金属板(81)，它安装在聚结器基元(21，31)的基体的上游，并基本上覆盖了容器的整个横截面。
15.权利要求14的装置，其特征在于多孔板(81)接地于分离容器。
16.权利要求1中的至少两个装置在流动方向串连排体中的应用，其中在两个相邻排列的装置中，在相同的垂直位置的电极是电极性相反的。
17.权利要求1中的至少两个装置在流动方向串连排体中的应用，其中在两个相邻排列的装置中，在相同的垂直位置的电极是电极性相同的。
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