CN101678245A - 用于分离油/水混合物的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明描述了一种将油/水混合物分离成富油相和富水相的方法，该方法使用包括进口、涡流生成室、中央分离室和出口的直列式分离装置，以及提供富油相排放管和富水相排放管。所述方法还包括：a)将附加的切向或轴向进口设置至涡流生成室或中央分离室，并且将附加量的油/水混合物沿切向和/或轴向引入涡流生成室或中央分离室中，或者b)调节涡流生成器以控制涡流的旋转，或者a)和b)的组合。本发明还涉及一种用于执行上述方法的装置和这种装置在油/水混合物分离中的应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于分离油/水混合物的方法和装置，尤其是涉及一种用于从油/水混合物大量分离(bulk separation)水的方法和装置。
背景技术
在从地下储层采油的过程中，通常将油、水、气和砂(固体)的混合物开采到地面上。必须将这些成分分离成它们的单一组分。根据比重方面的较大差异，气相与固相的分离相对容易。在各种混合物可包含稳定的分散相时，两种液相的分离由于比重差异通常较小而变得更为困难。在(原)油/水混合物的情况下，比重差异通常相当小。
传统上，油/水分离在通过重力进行分离的容器中完成。参见例如US 2003/0168391。这种分离容器庞大、笨重并且维护要求高。分离过程要求油/水混合物长时间停留在容器中。因此，这种容器的储料量(inventory)较大，这可能在这类装置启动、关闭和任何重新起动时产生问题。
需要在比传统的基于重力的设备更紧凑的装置中以更快速的方式实现油水分离。除了上述之外，还需要进行大量分离，其中，在紧凑装置中使油或水中的大部分从混合物分离，随后进行附加的步骤，在该附加的步骤中，进一步提高各单一组分的分离。
发明内容
现在，本发明克服了现有技术设备中的缺点。分离在直列式分离器中进行。这些分离器与现有技术设备相比更小、更轻。利用高离心力实现快速分离。最佳分离利用一个或多个用于待分离的油/水混合物的附加入口和/或通过使用可调的涡流生成设备得以实现。更特别地，附加的油/水混合物沿轴向或切向引入分离装置。同样的改进可通过调节涡流生成器获得。还可同时使用这两种措施。另外，上述措施会提高分离器的调节性能。
现在，本发明涉及一种利用直列式分离装置将油/水混合物分离成富油相和富水相的方法，所述方法包括：提供油/水供给管，提供依次包括进口、涡流生成室、中央分离室和出口的细长管状分离装置，以及提供富油相排放管和富水相排放管，所述分离装置的进口与油/水供给管和涡流生成室流体连通，所述中央分离室与所述分离装置的涡流生成室和出口流体连通，所述出口还与富油相排放管和富水相排放管流体连通，所述涡流生成室设置有涡流生成器，所述方法还包括经由油/水供给管提供油/水混合物、将油/水混合物从油/水供给管引入涡流生成室、产生随后流至中央分离室的旋转的油/水混合物、将分离室中的油和水分离成富油相和富水相以及将富油相经由富油相排放口排出而将富水相经由富水相排放口排出，所述方法还包括：
a)将附加的切向或轴向进口设置至涡流生成室或中央分离室，并且将附加量的油/水混合物沿切向和/或轴向引入涡流生成室或中央分离室中，或者
b)调节涡流生成器以控制涡流的旋转，
或者a)和b)的组合。所述方法适当地包括调节涡流生成器以控制涡流的旋转，其中条件是，在所述方法中，在分离装置周边、在分离装置出口的上游没有引入微小气泡。
在本发明的方法中，分离不是基于重力，而是基于离心力的。所述方法可用于差不多完全的分离，但是优选用于油从油/水相的大量分离，或者更优选地，用于几乎纯净的水相(例如，分离出的相中含有小于5wt％(重量百分比)的油相)从油/水混合物的分离。利用两步法可获得含油小于1wt％(重量百分比)的水相。因此，大量的一相与含有其它成分以及微少量的第一相的相分离。特别地，将水从油/水混合物中分出。如果需要的话，可在两个或更多个阶段中分出水。
除了上述之外，根据本发明的方法仅使用管路部件。管状分离装置的内径与油/水供给管是同一数量级，例如，是供给管直径大小的0.5-2.0倍，特别地，基本上等于油/水供给管。这会显著减小装置的重量，同时储料量也少得多。因此，空间要求的严格程度就会大为降低，同时还可使用更轻的基础。也不是仅使用管路部件，装置的一些零件可由锥形零件制成。在这种情况下，特别是元件内部可以是锥形的。进一步地，与基于重力的大型沉降器相比，较小的装置需要较少的维护和检修。另外，用于沉降罐的维护和检修标准比基于管路的设备更为严格。进一步地，与基于重力的方法相比，使用高g-力(g-force)的本发明方法会导致快速分离。
本发明能够分离几乎所有油/水混合物。适当地，混合物含有10-99wt％的水(基于全部混合物)，优选含有40-98wt％的水，更优选含有60-97wt％的水。另外，可能存在一些砂，例如至多为1wt％或者乃至2wt％(基于全部总混合物)的砂，尽管优选的是，所有砂在分离之前被去除。任何砂颗粒通常终止于水相中。进一步地，油/水混合物还可包括一定量的气体，优选地，气体的量至多为总体积的10vol％(体积百分比)，更优选至多为5vol％，甚至更优选至多为2vol％。气体部分通常终止于富油相中。
适当地，油/水混合物是从地下储层中采出的混合物。特别地，本发明的方法在井位处或井位附近进行，更特别是在海床上进行，或者在海上平台进行。油/水混合物还可以是炼油流或反应产物，例如在费-托(Fischer-Tropsch)反应中产生的水/油混合物。
适当地，所获得的富水相流含有的油小于20wt％，优选小于10wt％，更优选小于1wt％。适当地，富油相含有的油为至少50wt％，优选至少80wt％，更优选至少90wt％。优选的是，水流尽可能纯净，从而不需要进一步的分离步骤。这种水流可在生物废水处理中进行进一步处理。如果需要的话，富油相还可进一步脱水。
在本发明的方法中，附加的油/水混合物可在多于一个位置处引入涡流生成室或中央分离室，所述位置在距管状分离装置的进口相同的距离处和/或在距管状分离装置进口不同的距离处。附加的油/水混合物优选被引入中央分离室。一个优选实施例包括穿过涡流生成器的轴向进口(也参见图2)。该进口不会干扰中央分离室中的分离过程。
在轴向进口的情况下，进口优选与细长管状分离装置同轴。这样对正在进行的分离造成的干扰最小。在切向进口的情况下，进口优选靠近涡流生成室。优选地，切向进口与分离装置中的平均流动方向垂直。可与轴向方向成至多为60°、优选30°的角度。该角度导致两股流同向流动。在附加流与正在进行的分离一致地引入的情况下，干扰较小。可看出，可使用附加进口的若干种组合。
在本发明的方法中，优选将通向涡流生成室以引入附加量的油/水混合物的附加切向或轴向进口与固定的涡流生成器结合使用。
引入的附加油/水混合物的量可随时间变化。这取决于一个或多个输入变量，例如油/水比、温度、压力、水相中的盐浓度、液滴大小、分离效率、流速、分离状况等。经由油水供给管引入的油/水量也可随时间变化。在两股(或更多股)流源自同一源头的情况下，分流比及总量可随时间变化。通常而言，存在一中央控制单元，所述中央控制单元根据输入变量和所获得的分离来控制流向分离单元的若干进口的油/水混合物的体积以及从分离单元流出的油/水和水/油的量。这样还将改进分离器的调节性能。
附加的油/水混合物的总量可在很宽的范围内变化，适当地为第一油/水混合物的10-1000wt％，优选20-500wt％，更优选30-300wt％。
希望的分离还可通过下述方法获得：其中涡流生成器是可调叶片，调节可能例如利用电或机械驱动装置从分离装置内部或者从分离装置外部进行。类似的调节结构在可调的静态混合器中是已知的。
可以看出，叶片在核心附近产生具有高切向速度的兰金涡流(Rankine vortex)，同时，切向进口在外壁上产生高速度。通过改变流速，可产生任意流场。注意，对于油在水中分散相来说，兰金涡流可有利于分离(在核心部分附近具有高g-力)，而对于水在油中分散相来说，切向进口(在管壁附近具有高g-力)可为更有利的。以某种方式成形且可调节成产生在特定区域使c因子优化(或最大切向速度的径向位置)的兰金涡流的叶片可用于获得最佳分离。涡流生成室可包括中央主体，涡流生成器优选布置在中央主体和壁之间，中央主体优选具有流线形形状，例如子弹形形式。还可使用组合的叶片和叶片/中央主体。
在本发明中，分离装置或分离装置的部分可具有渐缩形状或锥形形状。优选的是，相关元件只有内部具有锥形形状，而外部具有管状形状。
分离过程可在范围很宽的条件下进行，并且，适当地，分离过程可在如下条件下进行：分离室中的温度为-10℃至150℃，优选地在0℃至120℃，更优选地在20℃至100℃，油/水供给管中的压力为1-500巴，优选5-350巴，更优选10-250巴。
在一个优选实施例中，油/水混合物在引入分离装置之前先被混合或均匀分散。混合过程优选地是一个低能混合过程，以避免形成悬乳液/分散相。
适当地，在分离中获得的富水相和富油相的量通过在富水相排放管和富油相排放管的压力之间形成压力差进行调节，优选通过如下方法进行调节：其中分流比与油/水比相同，更优选其中通过调节压差比(即进口和富油相排放口之间的压差与进口和富水相排放口之间的压差之比)来实现分流比。优选地，压差至多为10巴，优选5巴，更优选2巴。直列式分离器上的压降适当地为1-25巴，优选2-5巴。
在本发明的方法中，油水混合物在中央分离单元进口处的轴向速度适当地为0.1-10m/s，优选为0.5-5m/s，紧随涡流生成器之后的切向速度为0.2-20m/s，优选为1-10m/s。分离室进口处的表示为g-力的最大离心/向心加速度适当地为至少2g，优选至少20g，更优选100-500g。
管状分离器适当地是在进口处内径为油/水供给管内径大小的0.5-2.0倍，特别是0.75-1.25倍的管，优选地，是具有相同尺寸的管。通常，油/水供给管、细长管状分离装置和排放管同轴布置。在使用弯管(例如，图2中的油/水供给管)的情况下，在与另一装置连接处的轴线方向是同轴的。在切向进口的情况下，进口也与装置的其它元件同轴布置。油/水供给管、管状分离器和油/水排放管可利用本领域已知的所有技术彼此连接。例如，可使用焊接或法兰连接。还可使用螺纹连接和卡箍连接。
在另一实施例中，富油相和/或富水相(优选地，富水相)进行与上述方法类似的第二分离过程。进一步地，在本发明的方法中获得的富油相可进行分离精处理以去除任何残留的水相。
为了使本发明方法的分离作用最大化，化学制剂可添加到油/水混合物中以促进油滴的聚结。这些化学制剂在本领域中是已知的。可使用静态混合物，可选地与注水相结合。还可使用加热。
适当地，第一和附加的油/水混合物源自从同一源头，尽管也可使用不同的源头。
通常，本发明的方法包括上游和下游监控仪器以便控制所得产物的流量比。这样，可能使该方法的分离效率最大。
本发明还涉及一种执行上述方法的装置。因此，本发明涉及一种用于将油/水混合物分离成富油相和富水相的装置，所述装置包括：适于将油/水混合物引入分离装置的油/水供给管；细长管状分离装置，所述细长管状分离装置依次包括进口、涡流生成室、中央分离室和出口；以及富油相排放管和富水相排放管，所述分离装置的进口与油/水供给管和涡流生成室流体连通，所述中央分离室与分离装置的涡流生成室和出口流体连通，所述出口还与富油相排放管和富水相排放管流体连通，所述涡流生成室设置有涡流生成器，所述装置还包括通入涡流生成室或中央分离室中的一个或多个切向或轴向进口，优选切向进口，所述进口适合于引入附加的油/水混合物，和/或，包括设置有可调的涡流生成器的涡流生成室。所述装置适当地包括设置有可调的涡流生成器的涡流生成室，条件是所述装置不包括在分离装置周边、在分离装置出口的上游的微小气泡引入器件。
在一个优选实施例中，本发明涉及一种装置，其中，涡流生成室包括沿混合物流动方向的可调叶片，调节可能例如利用电或机械驱动装置从分离装置内部或者从分离装置外部进行。更特别地，涡流生成室包括中央主体，涡流生成器优选布置在中央主体和壁之间，中央主体优选地为流线型的。优选地，分离装置具有渐缩或锥形形状。
所述装置适当地是管状分离器，所述管状分离器具有的内径为油/水供给管内径大小的0.5-2.0倍，特别是0.75-1.25倍，优选地，具有相同尺寸。
为了优化分离过程，分离装置适当地包括位于富油相排放管和富水相排放管上的减压阀，以调节来自这些出口的流体量。
特别地，中央分离室可包括涡流探测器，优选地，所述涡流探测器是富油相排放管。
如上所述的装置适当地包括排水管，所述排水管流体连接到中央分离室的端部和/或中央分离室的侧部。
分离装置可位于海床上或海上采油平台上。
在一个特定实施例中，所述装置安装在滑架上，所述滑架设置有用于提升滑架和运送滑架的装置。
本发明的装置适当地包括与用于采油的一或多个井流体连通的油/水供给管，所述装置优选地还包括位于所述井和油/水分离器之间的砂分离器。
优选地，所述装置还包括用于对油/水混合物进行预处理的混合器或匀化器。
另外，所述装置可包括基于重力的分离装置，用于对油相进行精处理以将任何残余水去除从而达到所要求的规范。
如上所述的装置特别用于分离油/水混合物。
优选地，根据本发明的方法或装置不包括气泡引入器件，所述气泡引入器件用于在分离器出口的上游和分离器周边处将微小气泡引入流过分离器的流体混合物，从而提高具有不同比重的不混溶流体成分的分离。在WO2007/074379中特别描述了这种气泡引入器件或任何等效装置，上述文献在此引入作为参考。
附图说明
下文将参照附图通过举例说明来更详细地描述本发明，附图中：
图1-4示意性地显示了用于分离油水混合物的装置的侧视图。图5显示了涡流生成室。图6显示了包括控制单元的直列式分离装置。
具体实施方式
参照图1-4，显示了分离装置1，每个装置包括油/水供给管2、细长管状分离装置3和出口段4。在所有附图中，细长管状分离装置3包括与油/水供给管2流体连通的进口5、涡流生成室6、中央分离室7和与出口段流体连通的出口8。出口段4包括富水相出口9和富油相出口10。在图1中，涡流生成室6包括可调的涡流生成器。在图2中还显示了轴向进口11，其将附加的油/水流经由涡流生成室6引入中央分离室。油相排放管包括狭缝，富水相通过所述狭缝流入排水管。在图3中显示了轴向进口11，所述轴向进口将附加的油/水流引入中央分离室7。在图4a中还显示了切向进口11，所述切向进口将附加的油/水流引入中央分离室7。在图4b中，显示了图4a所示装置在轴向进口11的引入点处的径向视图。在图4b中显示了切向进口和轴向之间的一种可能角度。油相排放管包括狭缝，富油相通过所述狭缝进入排放管。图5显示了设置有中央主体12的涡流生成室6。图6显示了直列式分离单元1、油/水供给管线15、将油水供给分成三股流的分离单元16、中央控制单元20和控制装置21-25(质量流控制装置或用于控制压差的装置)。装置19至少测量进入流的温度、压力、液滴尺寸和油/水比。
Claims (12)
1.一种利用直列式分离装置将油/水混合物分离成富油相和富水相的方法，所述方法包括：提供油/水供给管；提供依次包括进口、涡流生成室、中央分离室和出口的细长管状分离装置；以及提供富油相排放管和富水相排放管，所述分离装置的进口与油/水供给管和涡流生成室流体连通，所述中央分离室与所述分离装置的涡流生成室和出口流体连通，所述出口还与富油相排放管和富水相排放管流体连通，所述涡流生成室设置有涡流生成器；所述方法还包括：经由油/水供给管提供油/水混合物；将油/水混合物从油/水供给管引入涡流生成室；产生随后流至中央分离室的旋转的油/水混合物；将分离室中的油和水分离成富油相和富水相；以及将富油相经由富油相排放口排出而将富水相经由富水相排放口排出，所述方法还包括：
a)将附加的切向或轴向进口设置至涡流生成室或中央分离室，并且将附加量的油/水混合物沿切向和/或轴向引入涡流生成室或中央分离室中，或者
b)调节涡流生成器以控制涡流的旋转，
或者a)和b)的组合，
其中，油/水混合物优选包含10-99wt％的水，更优选包含40-98wt％的水。
2.如权利要求1所述的方法，所述方法包括调节涡流生成器以控制涡流的旋转，其中条件是，在所述方法中在分离装置周边、在分离装置出口的上游没有引入微小气泡。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，油/水混合物还包括一定量的气体，所述气体的量优选地至多为总体积的10vol％，更优选至多为5vol％，甚至更优选至多为2vol％。
4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，附加的油/水混合物在多于一个位置处被引入涡流生成室或中央分离室，所述位置处于距管状分离装置进口相同的距离处和/或距管状分离装置进口不同的距离处。
5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，附加的油/水混合物量为第一油/水混合物的10-1000wt％，优选20-500wt％，更优选30-300wt％。
6.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其中，涡流生成器是可调叶片，适当地，调节可利用电或机械驱动装置从分离装置内部或者从分离装置外部进行。
7.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其中，位于中央分离单元的进口处的油水混合物的轴向速度为0.1-10m/s，优选为0.5-5m/s，紧随涡流生成器之后的切向速度为0.2-20m/s，优选为1-10m/s。
8.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其中，管状分离器是管，所述管在进口处的内径为油/水供给管的内径大小的0.5-2.0倍，优选具有相同尺寸。
9.一种用于将油/水混合物分离成富油相和富水相的装置，所述装置包括：适于将油/水混合物引入分离装置的油/水供给管；依次包括进口、涡流生成室、中央分离室和出口的细长管状分离装置；以及富油相排放管和富水相排放管，所述分离装置的进口与油/水供给管和涡流生成室流体连通，所述中央分离室与分离装置的涡流生成室和出口流体连通，所述出口还与富油相排放管和富水相排放管流体连通，所述涡流生成室设置有涡流生成器，所述装置还包括通入涡流生成室或中央分离室中的一个或多个切向或轴向进口，优选切向进口，所述进口适于引入附加的油/水混合物，和/或，包括设置有可调的涡流生成器的涡流生成室。
10.如权利要求9所述的装置，所述装置包括设置有可调的涡流生成器的涡流生成室，其中条件是，所述装置不包括在分离装置周边、在分离装置出口的上游的微小气泡引入器件。
11.如权利要求9或10所述的装置，其中，管状分离器是管，所述管的内径为油/水供给管的内径大小的0.5-2.0倍，优选具有相同尺寸。
12.如权利要求9-11中任一项所述的装置，其中，所述装置包括位于富油相排放管和富水相排放管上的减压阀，以调节来自这些出口的流体量。
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