CN101678247B - 用于液体分离的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于分离流体混合物组分的设备和方法。该设备包括成形为倒转的截顶锥形的涡流发生区、固体收集区、分离区、一个或多个流体入口、一个或多个气体入口、一个或多个流体出口和一个或多个气体出口。将气体在涡流分离区中引入到流体中，来促进该流体混合物组分的分离。

Description

用于液体分离的系统和方法
相关申请
本申请依35U.S.C.§119(e)要求名称为“SEPARATIONOFHYDROCARBONFROMANAQUEOUSENVIRONMENT(从含水环境中分离烃)”，申请日为2007年4月3日的美国临时申请序列号60/909769的优先权，其以其全部以参考形式引入本文中。
发明背景
技术领域
本发明涉及用于分离流体混合物中的组分的系统和方法，特别是涉及用于分离具有不同密度的流体的系统和方法。
背景技术
在多个工业中，包括例如油气、食品加工、海洋运输和发电工业中存在着公知的净化或者修复在这些工业中利用的加工设备或者其它设备所产生的水的要求。生产用水是这些工业中常见的操作副产物，所述生产用水经常含有污染物，包括烃类例如油，以及其它污染物和悬浮的固体。具体的，油气井的生产和这些流体的精制产生了被烃污染的废水。
典型的，使用许多装置和系统来通过将废水中的油与水进行分离，来促进被污染的废水中水的回收。这样的装置包括水力旋流器，重力分离设备，空气/气体浮选系统，和油/气体撇油器系统。
发明内容
依照一种或多种实施方案，本发明通常涉及分离流体混合物中的组分，例如从水中分离油和固体污染物的系统和方法。根据本发明的一种实施方案，用于分离流体混合物的设备包含：容器，布置在该容器中的具有锥形壁的涡流发生区，和以一定的角度延伸到该涡流发生区中的流体入口，该角度具有在涡流发生区内壁紧邻于该流体入口的点上与该内壁相切的分量。该设备进一步包含延伸到该涡流发生区中的气体入口，和与该容器流体连接的流体出口。
根据本发明的一种实施方案，所述锥形壁包含一定的角度来提高流体混合物流过该涡流发生区的旋转速度，其中该锥形壁包含相对于垂直轴为0-大约14度的角度，其中不包括0度，并且该流体入口在第二角度延伸到该涡流发生区中，来引起流体混合物向上流动，其中该第二角度的范围是水平面以上0-大约10度，优选地该第二角度的范围是水平面以上0-大约5度，其中都不包括0度。
根据本发明的另外一种实施方案，用于分离流体混合物的设备包含：容器，布置在该容器中的具有锥形壁的涡流发生区，和与该涡流发生区流体连通的分离区，该分离区布置在该容器中，并且处于该涡流发生区之外。该设备还包含与该涡流发生区流体连通的气体入口，和与该分离区流体连通的流体出口。
本发明另一方面涉及分离流体混合物的方法。该方法包含提供包含第一组分和第二组分的流体混合物，该第一组分的密度不同于该第二组分的密度，和将该流体混合物引入到布置在容器中的包含锥形壁的涡流发生区中。该方法进一步包含引起该流体混合物在涡流发生区中向上流动，将限定的旋转动量施加到涡流发生区中的该第一组分和该第二组分，和将气体引入到涡流发生区中的流体混合物中。该方法还包含释放该流体混合物的限定的旋转动量，来形成第一区和第二区，该第一区包含富含第一组分的流体混合物，该第二区包含富含第二组分的流体混合物，和从容器的第一流体出口中排出至少一部分的富含第一组分的流体混合物。
从下面本发明的详细说明以及结合考虑附图，本发明其它的优势、新颖的特征、和目标将变得显而易见。
附图说明
该附图目的并非按照比例绘制。在所述附图中，在不同的图中所示的每个相同的或者近乎相同的部件是用相似的附图标记来表示的。为了清楚起见，在每个图中并非每个部件都被标注。本发明优选的非限定性实施方案将参考所述附图进行描述，在其中：
图1是根据本发明一种实施方案的设备的侧横截面图；
图2是根据本发明一种实施方案，在容器中流体旋转速度对壁锥度的图表；
图3是根据本发明另外一种实施方案的设备的侧横截面图；
图4是根据本发明进一步的实施方案的设备的侧横截面图；
图5是根据本发明一种实施方案的图4设备的沿着线5-5的俯视横截面图；
图6是根据本发明另一种实施方案的设备的部分横截面图；
图7是示意图，说明了在其上能实施本发明的一种或多种实施方案的计算机系统；
图8是根据本发明的一种或多种实施方案的存储系统的示意图，其可以与图7的计算机系统一起使用；
图9是根据本发明一种实施方案的设备的局部横截面图；
图10是根据本发明一种实施方案的百分比效率对泵流量(pumpflow)的曲面图(surfaceplot)；和
图11是根据本发明一种实施方案的百分比效率对泵流量的等高线图。
具体实施方式
本发明的应用不限于在下面的说明书中阐明的或者在附图中所示的部件的构造和排布的细节中。本发明可以是其它的实施方案和能够以不同的方式进行实践或者执行。同样，此处所用的措词和术语是出于说明的目的，而不应当被认为是限制。此处所用的“包括”、“包含”或者“具有”、“含有”、“涉及”及其变化意思是包括其后所列出的项目及其等价物以及另外的项目。
作为此处使用的，术语“流体混合物(fluidmixture)”包含但不限于流体的混合物、流体和固体的混合物、和流体和/或固体和/或浆体的混合物。
在包含不同密度的组分例如水和烃类例如油的流体混合物中，所述的组分可以通过将旋转流动引入到该流体混合物中来至少部分地进行分离。例如，如果将该流体混合物放入容器中，并且使该流体混合物围绕着容器内部进行旋转流动，则响应于该旋转流动所产生的向心力和/或离心力，较低密度的流体组分将朝着该旋转流动的中心轴移动。响应于该旋转流动所产生的向心力，较高密度的流体将朝着该旋转流动的周界移动。富含更低密度组分的流体会远离紧邻该旋转流体混合物的中心轴的区域。替换地或者另外地，富含更高密度组分的流体会远离紧邻大部分(themassof)该旋转流动的流体混合物周界的区域。
包含不同密度的组分的流体混合物还可以通过重力分离作用，随着时间的推移而分离。如果将含有更低密度组分例如油和更高密度组分例如水的流体混合物静置于非搅拌状态的容器中，随着时间的推移，更低密度组分会上升，而更高密度组分会下沉，产生了处于该流体混合物上层的富含低密度组分的流体和处于该流体混合物下部的富含更高密度组分的流体。这种分离方法可以如下来加速：通过例如将密度小于该更低密度组分的气泡与该更低密度组分在流体混合物中接触来加速。气泡可以通过多种方式与该更低密度组分接触，该方式包括例如：将含有溶解气体的流体引入到待分离的流体混合物中，或者将气泡形式的气体直接引入到该流体混合物中。该流体混合物和气体可以进一步混合来将该气体、溶解的气体或者由该溶解的气体所形成的气泡与更低密度组分接触。在某些情况中，一些气体能够扩散到更低密度组分中，由此提高了更低密度组分的浮性(buoyancy)。在某些情况中，气体浮选分离系统也可以通过将热引入到该流体混合物和/或该气体中来起到辅助作用。
本发明的用于分离流体混合物的设备和方法的各种实施方案可以包括：在流体混合物中引起一种或多种更低密度组分与一种或多种更高密度组分的分离的这些方法中的一种或多种。在下面的本发明不同实施方案的说明中，流体混合物中组分的分离将就将含有烃组分和水的流体混合物分离成为富含烃组分的流体和富含水的流体方面进行描述，但是应当理解本发明的不同实施方案并不限于将流体混合物分离成为富含烃的组分和富含水的组分。本发明不同的实施方案可以用于将任意的多种不同的流体混合物基于不同的密度分离成任意数目的不同组分。例如，本发明实施方案的系统和方法可以用来分离含有不同密度的烃的混合物、不同密度的生物流体的混合物、H2O(普通水)和D2O(重水)的混合物、水和重盐水的混合物、或者具有沥青和其它固体的沥青砂浆体。
在一些实施方案中，待分离流体的组分不必具有不同的密度。在这些实施方案中，组分的有效密度可以作为该分离方法的一部分而变化。在一些实施方案中，组分的特征可以通过例如化学反应而变化，来改变混合物中该组分相对于另一种组分的密度。例如，如果流体混合物的第一组分具有比第二组分更大的与气体的亲合性，则可以将气体加入到该混合物中来改变该第一组分相对于该第二组分的密度。
根据本发明实施方案的用于进行流体混合物分离的设备通常可以包含包围着内部结构的外部容器，在其内部，可以将旋转运动施加到引入其中的流体混合物上。该内部结构在此称作涡流发生区(vortexgenerationzone)。在一些实施方案中，可以提供一个或多个流体入口来将流体引入到该涡流发生区中。可以对该流体入口进行排布，来将待分离的流体以一定的角度引入到涡流发生区中，该角度具有与紧邻于该流体入口的涡流发生区内壁相切的分量，目的是引起流体围绕着涡流发生区内部的旋转流动。还可以排布该流体入口来将待分离的流体以向上的角度引入到涡流发生区中，目的是引起流体向上流动通过该涡流发生区。
可以提供一个或多个气体入口来将气泡或者溶解的气体形式的气体供给到涡流发生区中。该气体可以与流体混合物的一种或多种组分相接触，来促进该一种或多种组分相对于一种或多种其它组分的向上的移动，在某些情况中通过改变这些组分的有效密度来促进所述的向上移动。这能够促进该流体混合物的组分的分离。流体在涡流发生区中的旋转流动会通过向心力和/或离心力的作用，而引起不同有效密度的流体组分的分离。
在分离容器中的涡流发生区上方和周围可以是分离区。在流过该涡流发生区之后，部分分离的流体混合物可以进入该分离区。在该分离区中，更低密度流体组分向上漂浮，同时更高密度流体组分下沉。可以将另外的气体通过气体入口引入到该分离区中来进一步促进流体组分的分离。
紧邻分离区上端，富含更低密度组分的流体可以通过上部的流体出口而除去。紧邻分离区的下端，富含更高密度组分的流体可以通过下部的流体出口而除去。
图1所示的是根据本发明一方面的设备，其用于将流体混合物分离成多个构成组分。该设备包含容器100，该容器带有侧壁102、上壁104和下壁106。容器100可以是任何的适于具体目的尺寸和形状。在一些实施方案中，容器100可以是圆柱形、矩形、正方形或者圆形。容器100可以具有一定的高度，来提供用于分离期望量的组分的足够距离。在一些实施方案中，容器侧壁102是曲面的，由此形成圆柱形容器。上壁104和/或下壁106在一些实施方案中可以是如图1所示曲面化的，但是也可以是平面的、凹形曲线的或者是任何多重的不同构造。
容器100可以包含布置在该容器中的锥形壁112。术语“锥形壁”被理解为表示一种壁，该壁的至少一部分与垂直轴存在一定的夹角。锥形壁112与下壁106连接，并且界定出在一端具有出口的涡流发生区114。涡流发生区114在紧邻下壁106的底部的横截面面积大于涡流发生区114出口的横截面面积。锥形壁112可以足够高来提供流体混合物在涡流发生区114中所期望的驻留时间和/或引入到涡流发生区114中的流体混合物的组分期望的分离量。锥形壁112的锥度可以是不变的，如图1所示，或者可以具有一个或多个区域，在这里锥度增加或者降低。锥形壁112可以是曲面化的。在一些实施方案中，锥形壁112可以为倒转的截顶锥形的形式，其底部的横截面直径大于顶端的横截面区域。在锥形壁112周界周围的全部区域中，锥度不必是均匀的。
锥形壁112在容器100内部界定了这样的区域，其在此被称为涡流发生区114。当使用时，将流体混合物以一定的角度引入到涡流发生区114的下部，该角度具有在引入点与锥形壁112相切的分量。由于该引入角度，流体混合物获得了一定的旋转速度。由于旋转动量的保持，该旋转速度随着流体混合物上升通过涡流发生区而增加，这归因于涡流发生区的横截面面积或者直径变得更细。旋转流动引起该流体混合物的更低密度组分朝着涡流发生区中心移动，而更高密度组分朝着锥形壁112移动，这归因于向心力和/或离心力的作用。由于流体向上通过涡流发生区的旋转速度的升高，因此该流体的组分受到的向心力和离心力也同样升高，这会导致在涡流发生区上端的流体组分进一步的分离。
可以选择锥形壁112的锥度，来在涡流发生区中提供这样的旋转流体速度，该速度足以将流体组分分离到对于具体流体通量所期望的程度。还可以选择涡流发生区的锥形壁112的锥度，来在该涡流发生区中提供这样的流体混合物驻留时间，该时间足以使流体混合物与气泡进行充分混合和接触，除了该流体混合物之外，所述的气泡也可以被引入到该涡流发生区中。对于给定的容器高度，随着壁112的锥度变得更大，涡流发生区上部区域中的旋转速度也会变得更大，并且流体的驻留时间和气泡能够与流体组分在涡流发生区接触的可用时间会降低。
图2表示了根据本发明的一种实施方案，相对于锥形壁112的锥角，合速度Vr与涡流发生区的高度的关系，其中涡流发生区的底部直径是27英寸，所引入流体的初始合速度Vr是0.046英尺/秒。合速度被理解为表示流体的总速度，包含垂直和水平分量二者，这不同于仅仅包含水平分量的旋转速度。当流体以初始合速度Vr引入时，对于锥形壁112不同的角度而言，合速度Vr将增加。在图2中，流体的合速度随着它沿着锥形壁向上移动而增加。在给定高度的合速度的增加速率随着锥形壁112锥角的增加而增加。随着流体混合物旋转速度的增加，该流体混合物的上表面会开始变成盘式中凹形(dish)，并且形成类似于碗状的抛物面，这归因于向心力和离心力。例如，对于2.5英尺高度的涡流发生区来说，底部直径是27英寸，并且含油的水的入口流量是145加仑/分钟，如果涡流发生区的壁锥度处于相对于垂直方向为大于大约5度的角度，则该流体混合物会开始形成盘式中凹形表面。在一些实施方案中，这种盘式中凹形会干扰从上部流体出口120除去流体。
因此，当选择锥形壁112的锥角时，可能期望的是考虑流体在涡流发生区中的旋转速度和驻留时间二者。锥角可以基于下面的因素进行选择，该因素包括例如涡流发生区的尺寸和形状、流体通过容器的流通量、和从涡流发生区和/或分离区提取流体混合物的更低密度组分的方法。锥形壁112在一些实施方案中通常的锥度相对于垂直方向是0-大约14度的角度，来避免涡流发生区和/或分离区中的紊流。在一些实施方案中，大于大约14度的锥角会在涡流发生区和/或分离区中形成紊流，这会导致该流体混合物的更低密度组分滴的分散，而非聚结和这个组分与流体混合物更高密度组分的分离。在其它实施方案中，锥度可以是相对于垂直方向为大约5到大约10度。在一些实施方案，大于大约10度的锥度会导致容器中流体混合物的表面盘式中凹化，这会大到足够干扰流体混合物的更低密度组分从涡流发生区和/或分离区中的除去。在其它实施方案中，该锥度可以相对于垂直方向为大约9度。
涡流发生区的整体形状和体积可以基于例如下面的因素进行选择：待分离的流体混合物的类型、所期望流通量和/或所期望的分离容器的占用空间(footprint)。在许多情况中，更高的流通量和更小的占用空间是期望的。作为一个例子，包括涡流发生区的容器，其被设计来用于进行5000桶/天流通量(大约145加仑/分钟)的油水分离，并且构造来安装到大约12英尺长×大约8英尺宽尺寸的垫枕(skid)上，该容器可以具有这样的涡流发生区来提供对该含油的水的充足分离，该涡流发生区在它的最宽点的直径是大约27英寸，在它的上端的直径是大约17.5英寸，并且具有大约30英寸的高度和相对于垂直方向为大约9度的壁锥度。在一些实施方案中，包括这些尺寸的涡流发生区的容器可以具有大约10英尺长×大约7英尺宽的占用空间来允许将另外的装置放在该垫枕上，或者使用更小的垫枕。对于更大的流通量来说，可以增加该涡流发生区的尺寸，或者降低壁锥度。在一些实施方案中，另外的装置例如诸如预处理或者后处理装置可以使用与本发明实施方案的容器相同的垫枕。
涡流发生区114之外是分离区116。分离区116位于涡流发生区114的上面和外面。可以选择分离区116的尺寸，包括该分离区的高度和该分离区的宽度，来提供流体在分离区116中所期望的驻留时间。分离区116是通过容器壁102，下壁106，锥形壁112和上内壁118来界定的。在图1中，上内壁118被表示为具有圆屋顶状的曲面形，但是在一些实施方案中，上内壁118可以具有不同的曲率，完全不弯曲的，或者可以仅仅沿着它的直径部分具有曲率。上内壁118包括上部流体出口120，该出口经定位以紧邻容器的中心轴，该位置紧邻该分离区116并且在涡流发生区114的中心区域上方。
上部流体出口120在一些实施方案中可以位于涡流发生区顶端的上面。在使用中，上部流体出口120是用于在引入到容器100中的流体混合物中，富含密度低于另外一种组分的组分的流体的出口。流体出口120的壁在图1中表示为垂直的，但是这不应当被视为限制。在一些实施方案中，流体出口120的壁可以是有锥度的，或者甚至不存在。图1，3和4中所示的上内壁118、流体出口120、上容器壁104和上部容器流体出口108的组合可以被称作“头中头(head-in-head)”流体出口设计。在一些实施方案中，可以使用替代的结构和方法来从涡流发生区114和/或分离区116中除去富含流体混合物的更低密度组分的流体。这些可选择的结构和方法可以包括例如撇油器，抽吸泵和相连的管道系统，锥形流体收集器，和虹吸管。
容器100还可以包括与涡流发生区114流体连接的一个或多个流体入口126。虽然图1中示出了一个流体入口126，但是一些实施方案可以包括多个流体入口126。在运行中，一个或多个流体入口126将待分离的流体混合物供给到容器100的涡流发生区114中。在一些方法中，在流体进入涡流发生区114之前，气体可以被引入到流过该一个或多个入口126的流体混合物中。
一个或多个流体入口126在一些实施方案中可以布置和按照相对于水平轴呈向上角度的方向来将流体引入到涡流发生区中。在一些实施方案中，一个或多个流体入口126可以以在水平轴以上0到大约10度的角度来将流体混合物引入到涡流发生区中。在一些实施方案中，在水平轴以上大于大约10度引入到涡流发生区中的流体角度会产生流体混合物在涡流发生区中足够的驻留时间，来实现该流体混合物组分的充足分离。在其它实施方案中，该流体入口角度可以是大约1-2度，来提供流体混合物在涡流发生区中更大的驻留时间。在其它实施方案中，该角度可以是大约1度。
在一些实施方案中，可以选择一个或多个流体入口126向上的角度，来赋予涡流发生区中的流体混合物的向上速度分量，来足以提供期望的流通量或者流体在涡流发生区中的驻留时间。如果存在多个流体入口126，则它们不必全部都处于相对于垂直轴同样的角度。对于这里期望大的驻留时间和/或大的气体能与流体混合物组分在该涡流发生区中的接触时间的实施方案而言，该一个或多个流体入口126可以例如处于1.2度的向上角度。
一个或多个流体入口126在一些实施方案中也可以布置和以一定的角度将流体引入到涡流发生区中，该角度具有在涡流发生区114的内壁紧邻该一个或多个流体入口126的点上与该内壁相切的矢量分量。这会降低流体流动迎头碰撞的可能性和/或帮助在涡流发生区中产生流体的旋转流动。在涡流发生区中流体流动的迎头碰撞在某些情况中会产生紊流以及来自在涡流发生区可能存在的更小的气泡聚结而产生的更大的气泡，出于下面将要更详细解释的原因，这会是不期望的。如果存在多个流体入口126，它们不需要全部在涡流发生区114内壁紧邻每个流体入口126的点处相对于该内壁具有相同的角度。
容器100可以具有多个流体出口，包括第一流体出口108和第二流体出口110。第一和第二流体出口108，110的位置可以处于该容器的上部或者下部的任何地方。在一种实施方案中，第一流体出口108位于容器100的上部。流体出口108可以是用于流体混合物的更低密度组分的出口。在另外一种实施方案中，第二流体出口110位于容器100的下部，并且与分离区116流体连接。流体出口110可以是用于流体混合物的更高密度组分的出口。在又一种实施方案中，第二流体出口110(当存在时)可以位于气体入口122以下，来避免或者最小化通过一个或多个气体入口122所引入的气体的除去。在又一种实施方案中，第二流体出口110可以位于气体入口122以下至少大约1英尺。该出口可以采取本领域已知的任何流体出口的形状和形式。
根据本发明实施方案的容器可以包括一个或多个气体入口来将气体引导到涡流发生区、分离区或者二者中。通过这些入口所引入的气体可以以游离气体、流体中的气泡、或者溶解在流体中的气体的形式引入。
参考图1，气体入口122是流体连接到分离区116的，气体入口124是流体连接到涡流发生区的。布置该气体入口122来将气体，或者在一些实施方案中将包含气泡或者溶解气体的流体，供给到容器100的分离区116中。在一些实施方案中，这些入口布置在下部流体出口110的上面。在一些实施方案中，这些入口布置在下部流体出口110以上至少大约1英尺。将气体入口122布置在下部流体出口110以上足够高的地方能够降低气体的量或者防止通过气体入口122所引入的气体与任何从下部流体出口110中流出容器的流体一起被排出。布置气体入口124来将气体，或者在一些实施方案中将含有气体的流体，供给到容器100的涡流发生区114中。虽然图1中示出了各两个气体入口122和124，但是在一些实施方案中可以提供一个或多个气体入口122来将气体引入到分离区中，和提供一个或多个气体入口124来将气体引入到涡流发生区中。
在一些实施方案中，气体入口124可以布置和以一定的角度将气体或者含有气泡或者溶解气体的流体引入到涡流发生区中，该角度足以给涡流发生区中的流体混合物带来向上的速度分量，来充分的提供期望的流通量或者流体混合物在涡流发生区中的驻留时间。在一些实施方案中，该角度可以是水平轴以上0-大约45度。对于其中期望大的驻留时间的实施方案来说，可以布置一种或多种气体入口124来将气体或者含有气体的流体水平的或者甚至以水平轴以下的角度引入到涡流发生区中。
一个或多个气体入口124在一些实施方案中也可以布置和以一定的角度将气体引入到涡流发生区中，该角度具有在涡流发生区114的内壁紧邻于所述一个或多个气体入口124的点上与该内壁相切的矢量分量。这会降低不同的流体流迎头碰撞的可能性和/或帮助在涡流发生区中产生流体的旋转流动。如果存在多个气体入口124，它们不必全部在涡流发生区114内壁紧邻每个气体入口124的点处相对于该内壁具有相同的角度。
在一些实施方案中，一个或多个气体入口122可以布置和以一定的角度将气体或者含有气泡或者溶解气体的流体引入到分离区116中，该角度足以赋予流体在分离区中所期望的驻留时间。一个或多个气体入口122可以以一定的角度布置来提供在分离区中所期望的流体流动，其可以取决于多种因素，包括例如涡流发生区的构造、待分离的流体混合物的类型、所期望的流体在容器中的驻留时间、和气体或者包含气体的流体通过一个或多个气体入口122所期望的流动。一个或多个气体入口122也可以经布置来提供气体在分离区中所期望的分散。较低的进入角度能够使得通过一个或多个气体入口122所引入的气体更均匀的分散在整个分离区中，并且在气体上升时，提供了比更高的进入角度更多的气体与该流体混合物组分接触的机会。在一些实施方案中，该角度可以是水平轴以上0-大约45度。该进入角度在一些实施方案中可以低于水平轴，来进一步增加流体在分离区116中的驻留时间。如果存在多个气体入口122，则它们不必全部处于水平轴以上相同的角度。
一个或多个气体入口122在一些实施方案中也可以布置和以一定的角度将气体引入到分离区116中，该角度具有在容器壁102紧邻于所述一个或多个气体入口122的点上与分离区116的内壁相切的矢量分量。这会降低不同的流体流动迎头碰撞的可能性和/或帮助在分离区中产生或者保持流体的旋转流动。如果存在多个气体入口122，它们不需要全部在容器壁紧邻每个气体入口122的点处相对于容器壁102具有相同的角度。
可以对流体混合物和气体引入到涡流发生区中角度进行选择，来减少待分离的流体流动和含有气体的流体流动的迎头碰撞的发生率。这些流体流动的迎头碰撞会导致紊流和/或溶解气体聚结成为更大的气泡，这在某些情况中是不期望的。例如，溶解气体聚结成为更大的气泡会降低气体的总表面积和/或气体的分散性，由此降低了与流体混合物的接触，这会降低分离效率。同样，较大的气泡会比较小的气泡更快地向上移动通过涡流发生区，这提供了可能用于该气泡与该流体混合物组分在涡流发生区中接触的更少的时间。
在一些实施方案中，一个或多个流体入口126可以包含另外的分离器，例如内部初级螺旋分离器。该初级螺旋分离器可以产生初始的局部分离来将流体混合物分离成它的构成组分和/或提高更低密度组分滴例如诸如存在于流体混合物中的烃的尺寸。在一些实施方案中，该初级螺旋分离器可以位于一个或多个流体入口126的上游，并且与一个或多个入口126和与流体混合物源来流体连通。可以使用的初级螺旋分离器的一个例子描述在US专利No.5277803中，其在此以其全部引入用于全部目的参考。具体的，US专利No.5277803的SPIRALSEP，元件34是螺旋分离器的一个实施方案，其能够用于本发明的某些实施方案中。
容器100也可以在分离区116中包括聚结材料128。聚结材料128可以包含离散的材料部分，或者在一些实施方案中可以是连续的材料，其可以基本上或者完全包围着锥形壁112，并且可以从锥形壁112延伸到容器侧壁102。该聚结材料可以布置在一个或多个气体入口122以上。在一些实施方案中，该聚结材料可以用载体结构(未示出)来支撑，该载体结构在容器中的高度能够是可调整的。
可以适用于一些实施方案中的是这样的任意的聚结材料(coalescencematerial)，该材料具有高的表面积-体积比和对具体系统中待分离的流体组分的降解的抗性。合适的聚结材料可以包括例如，聚结介质例如(可获自NationalTankCo.，得克萨斯州，休斯敦)或者薄片介质例如聚结介质(可获自NationalTankCo.，得克萨斯州，休斯敦)的填充垫。其它可以使用的薄片类型的聚结介质描述在US专利No.5300222和5407584中，其在此以其全部引入用于全部目的参考。这种聚结填充料可以包含模块式的(modular)薄片类型的介质，其具有十字凹槽结构，这产生了众多互连的通道。
在运行中，聚结材料128会降低分离区以逆流旋转向下流动的流体的速度和/或紊流。该降低的速度和/或紊流可以允许气泡或者溶解的气体存在于分离区中或者允许气泡或者溶解的气体(其可以通过一个或多个气体入口122引入来与更低密度流体组分例如诸如烃接触)存在于该分离区中，由此促进向上通过分离区116的这种组分的浮选。聚结材料128也可以使通过分离区向下流动的流体中所存在的更低密度组分得以保留，同时使更高密度组分通过，并且在一些实施方案中，使该更高密度组分通过下部流体出口110被除去。
参考图3，容器100还可以包括由中间的壁145所界定的固体收集区130。中间的壁145可以与容器100的锥形壁114和固体出口132密封连接。这个固体收集区可以位于涡流发生区114以下，并且与涡流发生区114流体连通。在运行中，当引入到该容器中的流体混合物流过涡流发生区114时，在该流体混合物中所存在的固体可以在重力作用下从该混合物中分离，并且沉积在固体收集区130中。所累积的固体可以从固体收集区130中连续地或者间歇地通过固体出口132被除去。
图3还表示了在头中头(head-in-head)出口中的上壁118的可替代的构造。在图3中，壁118沿着它的整个直径不具有恒定的曲率，而是在紧邻上部流体出口108之处具有向上曲面化的部分。这可以提供中间的收集区域来降低涡流运动和/或进一步将气体引入到区域150的更低密度组分中。
图4表示了容器100的一个可替代的构造。如图4所示，容器100包含沿着一个共同的水平面布置和排布的一个或多个气体入口124和一个或多个流体入口126。在其它实施方案中，一个或多个气体入口124可以布置在由一个或多个流体入口126所界定的水平面上方或者下方。例如，在一些实施方案中，一个或多个气体入口124可以布置在流体入口126所界定的水平面下方或者以上大约6英寸之处。将一个或多个气体入口124和一个或多个流体入口126放置在涡流发生区的不同高度能够降低来自另一个入口的流体流动的迎头碰撞的情况。在一些实施方案中，一个或多个气体入口124和一个或多个流体入口126可以布置在紧邻锥形壁112与这样的平面的交叉点，该平面水平的通过涡流发生区的具有最大的横截面面积134的部分，或者换句话说，在涡流发生区最宽的点处紧邻锥形壁112，如图4所示。可以对气体入口122，气体入口124和流体入口126的直径和形状进行选择，来适应具体应用的具体要求。例如，在设计来每天加工大量流体的容器中，与设计来每天加工较少量流体的容器中的相比，可以使用更大直径的入口来容纳更大的流体流动。
图4还表示了在头中头(head-in-head)出口中上壁118的一个可替代的构造。在图4中，壁118并非沿着它的整个直径曲面化的，而是在接近它的周界处具有平坦的部分。这可以用于立即除去流体混合物的更低密度组分。在另外一种实施方案中，上壁118紧邻出口108的平坦部分可以处于不同于壁118在容器100相对一侧的平坦部分的高度，目的是便于通过出口108来除去流体。
同样如图4所示，涡流发生区的锥形壁112可以包括上壁区域112a，其具有不同于锥形壁112其余部分的锥度。在一些实施方案中，该上壁区域112a可以用来在流体即将离开涡流发生区之前，提高该流体的旋转速度，目的是进一步分离该流体组分。提供仅仅在接近涡流发生区顶端的区域中具有高锥度的涡流发生区可以允许提高在该涡流发生区中的流体的旋转速度，因此有助于迫使流体混合物的更低密度组分聚结，同时保持足够大的驻留时间来提供流体混合物的组分与气体在涡流发生区中的充分接触。
图5是图4的流体入口126和气体入口124的排布的变化的视图。图5是通过图4的线5-5的俯视横截面图。图5表示了一种容器，其包含各两个(tWoeachof)气体入口124和流体入口126，布置该每一个入口来将流体和/或气体以一定的角度引入到涡流发生区中，该角度在涡流发生区114的内壁紧邻该入口之处的点上与该内壁基本上相切。在一些实施方案中，气体入口124和流体入口126可以布置和以一定的角度来将流体和/或气体引入到涡流发生区中，并且该角度具有比图5所示更小的切向分量。但是，气体入口124和流体入口126可以不必以相同的或类似的角度来将流体和/或气体引入到涡流发生区中。气体入口124可以彼此均匀地间隔在涡流发生区的周围，并且在一些实施方案中，也可以相对于流体入口126来均匀间隔。气体入口124和流体入口126可以交替布置，并且基本上均匀地间隔在涡流发生区周围。气体入口122也可以均匀地或者大致均匀地间隔在涡流发生区114的周界周围。在一些实施方案中，气体入口124和/或流体入口126可以不延伸到涡流发生区中，如图5所示，而是可以终止于锥形壁112。来自气体入口124和/或流体入口126的气体和/或流体在这些实施方案中可以通过锥形壁112中的孔流入涡流发生区114中。这些孔在一些实施方案中可以采取具有下面尺寸的椭圆的形式：例如，沿着锥形壁112水平延伸的主轴是3英寸，沿着锥形壁112垂直延伸的辅轴是1英寸，或者主轴是2英寸，辅轴是0.6英寸。在替代的实施方案中，这些孔可以是圆形、三角形、矩形，或者是以其它方式成形的，该方式能够允许将流体混合物引入到涡流发生区114中，并赋予该流体混合物一定的旋转速度。
在运行中，将流体混合物以向上的角度和以一定的角度通过一个或多个流体入口126引入到涡流发生区114中，该一定的角度具有在紧邻流体引入位置处与涡流发生区内壁相切的分量，上述的引入方式会引起涡流发生区114中的流体螺旋向上流动。该流体可以以螺旋向上的路径流过涡流发生区114，然后进入涡流发生区114上面和之外的分离区116。
在涡流发生区中，从一个或多个流体入口126所引入的流体混合物和通过气体入口124所引入的气体或者含有气泡和/或溶解气体的流体可以以大致相同的角度引入，来产生来自气体入口124和流体入口126的流体的旋转并流流动。例如，通过流体入口126和气体入口124所引入的流体都可以以一定的角度引入，该角度具有在紧邻引入位置之处与涡流发生区壁相切的矢量分量，以使得流体和气体以顺时针方向流动。流体和气体在涡流发生区中的并流流动在某些情况中是有益的，目的是减少涡流发生区中的紊流和/或防止流体流动的迎头碰撞，该碰撞会导致较小气泡聚结成较大的气泡，这会导致与该流体混合物的组分不太有效的接触。
在容器100的上游或者下游可以存在着另外的流体分离装置或者系统。这样的另外的系统可以预处理流体混合物，来将部分分离的溶液传递到容器100，或者可以对容器100输出的流体进行后处理，来进一步将该输出流体分离成至少第一和第二流出物。这样的另外的系统可以类似于容器100，或者可以是其它系统或者装置，例如诸如水力旋流器基分离系统。
一种利用上述设备实施方案来分离流体混合物的方法可以包括将待分离的流体混合物引入到容器100中的动作。流体混合物可以从流体混合物源通过一个或多个流体入口126来引入。在一些实施方案中，气体可以在将它引入到容器之前，引入到流体混合物中。在一些实施方案中，螺旋初级分离器，例如US专利No.5277803所述的SPIRALSEPTM分离器可以存在于一个或多个流体入口126中，或者存在于流体混合物源和一个或多个流体入口126之间。流体通过初级分离器可以至少部分地分离成存在于流体混合物中的不同的组分。例如，在将流体混合物引入容器之前，流体混合物中可能存在的烃可以至少部分地聚集。
引入到涡流发生区114中的流体混合物向上旋转流动通过涡流发生区。在一些实施方案中，这种向上流动的速率可以是大约0.1-0.5英尺/秒。这样的速率可以提供流体混合物在涡流发生区中充足的驻留时间，来与同样引入到涡流发生区中的气体进行充分混合。这种向上流动可以通过将流体混合物以向上的角度引入涡流发生区中来促进。这可以通过在一个或多个流体入口126上包括向上角度的端部来实现。流体还可以以旋转的方式流入涡流发生区中。这种旋转流动可以通过将流体混合物以一定的角度引入来促进，该角度具有在紧邻流体混合物引入之处与涡流发生区内壁相切的分量。流体混合物流动的旋转分量可以随着该流体混合物向上流动通过涡流发生区而增加，这归因于涡流发生区的锥形。当该流体混合物在涡流发生区中旋转流动时，流体混合物中的密度比其它组分更低的组分会朝着涡流发生区的中心垂直轴移动，而更高密度的组分朝着锥形壁112移动，这归因于向心力和/或离心力的作用。
气体也可以引入到涡流发生区中。气体可以通过一个或多个气体入口124引入。气体可以具有改变流体混合物组分特性的潜力，来赋予该组分相对于其它流体组分的有效密度和/或粘度的改变。在一些实施方案中，气体可以是例如空气，甲烷，乙炔，天然气及其组合。气体可以以气态直接引入，或者作为溶解在流体中的气体，或者作为流体携带气泡而引入。在一些实施方案中，气泡发生器可以将气泡供给到气体入口122和/或124。溶气气浮泵(dissolvedgasflotationpump)，例如诸如在此以其全部引入作为参考的US专利No.6337023中所述的溶气气浮泵可以用来将包含溶解气体的流体提供到气体入口122和/或124。在许多情况中，令人期望的是引入较小的而非较大的气泡，来提高气泡可利用的表面积。这还允许产生基于每个给定体积的引入气体更多的气泡，其可以节约化学成本，并且其可以提供气泡与流体混合物的具体组分相接触的更大的潜力。例如，在一些实施方案中，溶气气浮泵可以用来将直径为大约5-100微米尺寸的气泡引入到流体分离容器的涡流发生区中。在一些实施方案中，溶气气浮泵可以将平均气泡直径为大约50-70微米的气体引入流体分离容器的涡流发生区和/或分离区中。
在一些实施方案中，通过溶气气浮泵而引入到流体中的至少一部分的气体可以是从容器100通过气体出口例如图4所示的气体出口136进行再循环的气体。气体出口136可以位于区域150的壁中来捕集进入区域150的气体以及流体混合物的更低密度组分。在一些实施方案中可以存在着本领域已知的常规的气体回收子系统，来促进来自气体出口136的气体的回收和/或回收来自容器所排出的流体中溶解的气体。气体也可以从单独的气体源引入到容器中，该气体源是与气泡发生器或者溶气气浮泵的气体入口流体连通的。
当流体混合物流过涡流分离区时，该流体混合物所引入的气体或者通过一个或多个气体入口124所引入的气体可以与更低密度组分例如诸如该流体混合物中所存在的烃进行接触。在一些实施方案中，可以将表面活性剂加入到涡流发生区中的流体混合物中，来促进气体与至少一个流体组分的选择性接触。
当流体混合物从涡流发生区114中排出时，它可以进入分离区116。在该分离区中，流体混合物的旋转速度由于下面的原因会降低：由于摩擦力，由于与涡流发生区相对的分离区的横截面面积的增加，和/或由于聚结材料128对于该旋转流动的干涉。该流体混合物的更低密度组分例如诸如烃会向上漂浮通过该分离区。与该更低密度组分(一种或多种)接触的气体能够促进向上的浮选过程。更高密度组分(一种或多种)和/或富含更高密度组分(一种或多种)的流体混合物将向下移动通过锥形壁112和容器壁102之间的分离区来除去。
在某些情况中，当富含更高密度组分的流体向下流动通过分离区时，一些更低密度组分会保留在该流体中。在其中分离区包括一个或多个气体入口122的实施方案中，气体或者含有气泡和/或溶解气体的流体可以向上流动通过分离区，这归因于分离区中的流体与所引入的包含气体的流体之间的密度差，和/或归因于包含气体的流体的向上的引入角度。这种富含流体混合物的更高密度组分的流体和气体在分离区中的反向流动促进了气体与流体的更低密度组分之间的接触，该更低密度组分本来会(mayhave)保留在该富含更高密度组分(一种或多种)的流体中。当气体与这些保留组分中的一些接触时，它们的有效浮力会增加，并且它们向上漂浮通过分离区来在该分离区的顶部被除去。在一些实施方案中，这里对于能够引入到分离区中的气体量没有上限的限制。在其它实施方案中，能够引入到分离区中的气体量的上限可以通过计算分离区中气体/流体混合物的密度变得比流体混合物的更低密度组分更低时所处的点来确定。
在一些实施方案中，当富含更高密度组分的流体向下移动通过分离区时，更低密度组分例如诸如烃(其本来会(mayhave)作为小滴或者作为溶解的组分而保留在富含更高密度组分的流体混合物中)可以聚结在聚结材料128上。在该聚结材料上，一种或多种更低密度组分可以从溶液中出来，并且可以形成作为另外的分子的小滴或者另外的聚结小滴。来自一个或多个气体入口122的气体可以喷射该聚结材料，除去来自该聚结材料的累积的组分(一种或多种)和/或将存在于聚结填充料128之上或者之中和/或存在于分离区116中一些或者全部的组分(一种或多种)进行接触。
在一些实施方案中，在分离区中，富含流体混合物的更高密度组分的流体具有这样的旋转速度，由于向心力和/或离心力的作用，在流体更高密度组分朝着容器侧壁102移动和更低密度组分朝着锥形壁112移动时，该旋转速度引起了更低密度组分与更高密度组分另外的分离。
当流体混合物的一种或多种更低密度组分向上漂浮通过分离区时，它们可以到达上内壁118，并朝着流体出口120移动。富含更低密度组分的流体会通过出口120从分离区排出，并进入由容器侧壁102、容器上壁104和上内壁118所界定的区域150中。然后可以连续或者间歇地通过流体出口108来除去这个流体。替代的实施方案可以使用流体出口和/或流体组分分离系统，其不同于图1、3和4所示的头中头(head-in-head)出口设计。例如，含有聚结的烃的流体可以使用任意的多种手段来从涡流发生区中除去，包括例如撇油器，抽吸泵，虹吸排水(siphoneddrain)或者堰。
在本发明的一些方法中，流体分离系统例如图1，3和4中任何一个所示的系统可以以低于涡流发生区的锥形壁112上部水平的流体水平来运行。在这样的构造中，流体在涡流发生区中的旋转能够形成盘式中凹的上抛物面，这归因于向心力和离心力。可能期望的是保持涡流发生区中流体表面的旋转速度，以避免形成明显的盘式中凹的流体表面或者深的“涡流碗”，目的是促进流体从涡流发生区内部的除去。深的“涡流碗”的形成在某些情况中可以通过减少壁锥角和/或流入涡流发生区中的流体混合物来避免。例如，对于高度是2.5英尺，底部直径是27英寸，含油的水的入口流量是145加仑/分钟的涡流发生区来说，如果涡流发生区壁锥度处于相对于垂直轴为大于大约5度的角度，则会开始形成“涡流碗”。
在其中流体水平不高过涡流发生区上部水平的运行方法中，富含更低密度组分的流体可以从紧邻涡流发生区中心轴的区域除去，而富含更更高密度组分的流体可以从紧邻涡流发生区壁的区域除去。众多的装置和方法可以用来将流体从涡流发生区除去，包括例如与插入到涡流发生区期望区域的管道相连的泵、插入到涡流发生区期望区域的虹吸管、或者一个或多个构造到涡流发生区壁本身中的流体出口。
图6表示了本发明设备的一种实施方案，其中流体直接从涡流发生区中除去。在图6中，连接到涡流发生区的锥形壁112上边缘的是截顶锥形的流体出口138，其延伸到涡流发生区的顶部。在使用中，更低密度组分会汇合到流体出口138的内部空间中，并且可以通过出口管道140来除去。更高密度的组分可以从涡流发生区通过流体出口142来除去。出口138下端宽度D在一些实施方案中可以是小的，例如1-2英寸直径，目的是仅仅允许紧邻涡流发生区中心轴的流体进入。这促进了更低和更高密度组分的分离，因为存在于紧邻涡流发生区中心轴之处的更低密度组分将优先进入出口138中。出口138的深度H也可以是相对低的，在一些实施方案中是大约6-7英寸。这允许涡流发生区(在其中流体混合物可以分离成构成组分)中具有足够的高度，同时还允许出口138具有可接受的深度，由此出口管道140可以将流体抽取输出。锥形流体出口138在一些实施方案中也可以用于例如图1，2或者4所示的容器中来从分离区116的上部除去流体。
不同的控制系统可以用来控制容器100的运行。可以进行控制的参数包括流体流动进入容器中、流体通过容器任何流体出口的流动、和气体进出容器的流动。例如，控制系统可以包括反馈机制来监控容器中流体的水平和调整流体的输入和输出流动来将流体水平保持在预定的最小和最大水平之间。浓度监控器可以提供关于从容器中输出的流体的组分浓度的反馈，并且可以按照要求调整流体的流速和/或流体在容器中的驻留时间，来获得在具体的流体输出中具体组分的期望浓度。溶解气体传感器可以用来监控容器中流体中所存在的溶解气体的含量，并且可以根据需要提供反馈来调整流体从溶气气浮泵向容器中的流动。
本发明一种或多种实施方案的系统和控制器提供了具有多重运行模式的通用装置，其能够响应多重输入来提高系统的效率。
用于本发明系统的控制器可以使用图7中示例性表示的一个或多个计算机系统600来执行。计算机系统600可以是例如通用计算机(general-purposecomputer)，例如基于下面的处理器的这些计算机：英特尔类型的处理器，摩托罗拉处理器，Hewlett-Packard处理器，Sun处理器，或者任何其它类型的处理器或其组合。可选择地，该计算机系统可以包括特定程序化的、专用硬件，例如用于水处理系统的特定用途集成电路(ASIC)或者控制器。
计算机系统600可以包括一个或多个处理器602，该处理器典型的是连接到一个或多个存储器(memory)装置604上，其可以包含例如任何一个或多个磁盘驱动存储器，闪存装置，RAM存储装置，或者其它数据存储装置。计算机系统600可以包含神经网络(neuralnetwork)。存储器604典型地用于在计算机系统600运行过程中存储程序和数据。例如，存储器604可以用于存储与一段时间内的参数相关的历史数据，以及运行数据。软件，包括执行本发明实施方案的程序代码，可以存储在计算机可读和/或可写的非易失性记录介质上(进一步参考图8进行讨论)，然后典型的是复制到存储器604中，在其中，它然后通过处理器602来执行。这样的程序代码可以用任何的多个编程语言来编写，例如Java，VisualBasic，C，C#，或者C++，Fortran，Pascal，Eiffel，Basic，COBAL，或者其任何的多种组合。
计算机系统600的部件可以通过一个或多个互联机构606而结合在一起，其可以包括一个或多个总线(例如在整合到同一个装置中的部件之间)和/或网络(例如分布在分开的离散装置中的部件之间)。互联机构典型的使得信息(例如数据，指令)能够在系统600的部件之间进行交换。
计算机系统600还可以包括一个或多个输入装置608，例如键盘、鼠标、轨迹球、麦克风、触摸屏和其它人机界面装置以及一个或多个输出装置610，例如打印装置、显示屏或者扬声器。另外，计算机系统600可以包含一个或多个界面(未示出)，其可以将计算机系统600连接到通讯网络(除了该网络之外或者替代该网络，可以通过系统600的一个或多个部件来形成网络)。
根据本发明的一个或多个实施方案，一个或多个输入装置608可以包括用于测量其系统和/或部件参数的传感器。可选择的，传感器、计量阀和/或泵，或者全部这些部件可以连接到通讯网络(未示出)上，该网络运行连接到计算机系统600上。上面的任何一个或多个可以连接到另一个计算机系统或者部件上，来在一个或多个通讯网络中用计算机系统600进行通讯。这样的构造允许将任何传感器或者信号发生装置距离该计算机系统明显大的距离进行布置和/或允许将任何传感器距离任何子系统和/或控制器明显大的距离进行布置，同时仍然在其之间提供数据。这样的通讯装置可以通过利用任何合适的技术来实现，包括但不限于无线协议中所用的这些技术。
如图8中的示例性表示，系统控制器可以包括一个或多个计算机存储介质例如可读和/或可写非易失性记录介质702，在其中信号可以存储，其界定了将由一个或多个处理器602所执行的程序。介质702可以例如是磁盘存储器或者闪存。在典型的运行中，处理器602可以将数据，例如执行本发明一种或多种实施方案的代码，从存储介质(storagemedium)702读入到存储器(memory)704中，该存储器允许比介质702更快的通过一个或多个处理器来存取信息。存储器704典型的是易失性、随机存取存储器例如动态随机存取存储器(DRAM)或者静态存储器(SRAM)或者其它有利于处理器602的信息转入和转出的合适的装置。
虽然通过举例，将计算机系统600表示为一种类型的计算机系统，在其上可以实践本发明的不同方面，但是应当理解本发明不限于在软件中执行，或者在所示的示例性计算机系统上执行。实际上，不是在例如通用计算机系统，控制器或者其部件或者分部分上的执行，可以可选择的作为专用系统或者作为专用的可编程逻辑控制器(PLC)或者在分布式控制系统来执行。此外，应当理解本发明的一个或多个特征或者方面可以在软件、硬件或者固件(firmware)或者其任何的组合中执行。例如，一个或多个控制器可执行的运算法则片段可以在分开的计算机中来执行，其进而可以通过一个或多个网络来进行通讯。
实施例：
进行了根据本发明一方面的包含涡流发生区的容器的除去效率的测试。参考图9，涡流发生区相对于垂直轴的壁角θ是9°，底部直径D1是27英寸，上部开口直径D2是17.5英寸，高度H1是30英寸。该容器具有两个彼此间隔大约180°的流体入口(其通过循环泵供料)和两个彼此间隔大约180°的气体入口(其通过溶气气浮泵(DGF泵)来供给溶解在水中的空气)。每个流体入口与每个气体入口交替间隔大约90°。该气体入口和流体入口全部紧邻通过容器最宽的横截面面积的平面来布置的。流体入口的夹角是水平轴以上1.2°，而气体入口是大致水平来布置的。全部入口被构造来将含油的水和/或含有溶解空气的水引入容器中，该引入是以基本上在它们进入点处与内壁相切的方式来进行的。
所用容器的涡流发生区体积是51加仑，并且固体收集区的体积是14加仑。
涡流发生区居于其中的外部容器包括两个间隔大约180°的气体入口，该入口垂直于容器壁来延伸到分离区，并且与水平轴的夹角是向上的45°。
将待分离的含油的水和带有溶解空气的水以不同的流速引入到该容器中。该含油的水是通过将110ppm的37API重力程度原油加入到引入涡流发生区的新鲜水中来生产的。来自循环泵的含油的水的流速是在大约50-150加仑/分钟内变化的，并且带有溶解空气的水的流速是从大约60到95加仑/分钟内变化的。测量含油水的除油效率。使用油注射泵来产生含油的水的水所引入的油的量在大约60-大约115ml/min范围内变化，通过位于外容器附近的系统入口引入到涡流发生区中的油的量随着循环泵流速的增加而增加。根据中心合成设计试验标准(centralcompositedesignexperimentcriteria)来取14个数据点。这些结果表示在下表1中，并且图示在图10和图11中。
表1
图10表示了一种对来自中心合成设计(CCD)试验的数据进行拟合的响应面方法(RSM)。图10中的表面拟合等式是：
Y＝-76.92+2.14*X1+1.14*X2-0.019*X1*X2
在这个等式中，Y是除去效率百分数，X1是DGF泵流速(加仑/分钟)，X2是循环泵流速(加仑/分钟)。因此，图10是对应于循环泵(其引入含油的水)和DGF泵(其引入溶解在水中的空气)二者流量的除油效率的三维曲面图。从该响应面方法(RSM)图(图10)中可见，除油效率通常随着DGF泵入口速率的增加而增加，并且随着循环泵入口速率的降低而增加。
不受限于具体的理论，据信这些结果反映了除油效率随着用DGF泵引入到含油水中的空气气泡的量的增加而增加。该增加量的空气气泡使得更多的空气气泡与更多的油进行接触，并更有效的将所述油带到容器顶部来除去。
图11是对应于循环泵(其引入含油的水)和DGF泵(其引入溶解在水中的空气)二者流量的除油效率的等高线图。这个图是沿着与“效率或者Y轴”平行的线从上面观察的图10的曲面图的二维图。同样，从该图可以看出，除油效率通常随着DGF泵入口速率的增加而增加，并且随着循环泵入口速率的降低而增加。但是，在更高的循环泵流速，即高于125加仑/分钟的流速时，除油效率随着DGF流速的增加而降低。
从图11中可见，如果循环泵和DGF泵的合并流速变得太高(图11的上部右区)，则除油效率降低。不受限于具体的理论，据信这种除油效率的下降表明通过容器的过高的液体流速会将该流体在涡流发生区中的驻留时间降低到和/或将空气气泡-油滴的接触时间减少到这样的点，在该点时的驻留时间或者接触时间不足以用于含油的水与空气气泡之间充分的接触。
同样如图11所示的是对应于50％除油效率的点。这个点是通过对应于50％除油效率的平面与图10的曲面图的交叉来确定的。如图11所示，这个点对应于大约101GPM的循环泵流速和大约76GPM的DGF泵流速，产生了大约1.33的循环泵流速：DGF泵流速。图11上具有循环泵流速：DGF泵流速的更低比例的点(即图11指定点的下面和/或右边的点)产生了更高的除油效率。因此，如果将平均50％的除油效率被定义为在给定的驻留时间或者接触时间的最小可接受的运行效率，则装置例如图10和图11中的数据获自其的装置能够以1.33或者更低的循环泵流速：DGF泵流速的比例来运行。
本发明实施方案的其它设备的令人期望的循环泵流速：DGF泵流速的比例可以以类似于上面的方式来确定或者其是基于动力相似的任何尺寸的原型和目前的模型来确定的。
因此已经描述了本发明至少一种实施方案的几个方面，应当理解对本领域技术人员来说，容易想到进行不同的改变、变化和改进。
例如，在一些实施方案中，分离容器可以没有外壁102，聚结材料128或者分离区116而运行。涡流发生区的壁112可以充当该容器的外壁。
在可选的实施方案中，容器可以包括外壁102和分离区116，但是在运行中，可以将流体水平保持在涡流发生区的上端以下，并且流体将直接从该涡流发生区中排出。
这样的改变、变化和改进目的是作为本发明的一部分，并且目的是落入本发明的主旨和范围内。因此，前述的说明书和附图仅仅是出于举例的目的。

Claims (30)

1.一种用于分离流体混合物的设备，其包含：
容器；
布置在该容器中的由锥形壁界定的涡流发生区(114)；
以一定的角度延伸到该涡流发生区中的流体入口，该角度具有在该涡流发生区内壁紧邻该流体入口的点上与该内壁相切的分量；
延伸到该涡流发生区中的气体入口；和
头中头流体出口，其被下列所界定：
容器的上内壁(118)，该上内壁包括在以紧邻容器的侧壁布置的其周界的部分，该部分比以紧邻容器的中心垂直轴定位的和在涡流发生区(114)的中心区域上方的、在上内壁(118)中的上部流体出口(120)低，和
在上内壁(118)上方的、在容器的侧壁(102)中界定的上部容器流体出口(108)。
2.权利要求1的设备，其中该锥形壁包含一定的角度来提高流体混合物流过该涡流发生区的旋转速度，该角度相对于垂直轴为5-10度。
3.权利要求1的设备，其中构造和排布该涡流发生区，来引导气体向上。
4.权利要求3的设备，其中该流体入口在第二角度延伸到该涡流发生区中，来引起流体混合物向上流动，其中该第二角度的范围是水平面以上0-5度，其中不包括0度。
5.权利要求1的设备，其进一步包含布置在流体混合物源和流体入口之间的初级分离器。
6.权利要求1的设备，其中该涡流发生区是通过成形为倒转的截顶锥形的壁来界定的。
7.权利要求1的设备，其中该流体出口布置在该涡流发生区的中心区域上方。
8.权利要求7的设备，其中该流体出口进一步包含头中头出口。
9.权利要求1的设备，其进一步包含布置在该涡流发生区下方并且与该涡流发生区流体连通的固体收集区。
10.权利要求1的设备，其中所述流体入口经布置以紧邻该涡流发生区的具有最大横截面面积的区域。
11.权利要求1的设备，其进一步包含与该涡流发生区流体连通的多个流体入口。
12.权利要求11的设备，其中所述多个流体入口围绕涡流发生区的周界大致均匀地间隔开。
13.权利要求12的设备，其中所述多个流体入口经布置以紧邻该涡流发生区的具有最大横截面面积的区域。
14.权利要求11的设备，其进一步包含与该涡流发生区流体连通的多个气体入口，其中所述多个气体入口和多个流体入口围绕该涡流发生单元的周界交替地和大致均匀地间隔开。
15.权利要求1的设备，其进一步包含与涡流发生区流体连通的一个或多个气体入口。
16.权利要求15的设备，其中所述一个或多个气体入口围绕该涡流发生单元的周界大致均匀地间隔开。
17.权利要求15的设备，其中所述一个或多个气体入口经布置以紧邻该涡流发生区的具有最大横截面面积的区域。
18.权利要求15的设备，其中所述一个或多个气体入口布置在这样的水平面下方，该水平面是由延伸到该涡流发生区中的所述流体入口所界定的。
19.权利要求15的设备，其中所述一个或多个气体入口布置在这样的水平面上方，该水平面是由延伸到该涡流发生区中的所述流体入口所界定的。
20.权利要求15的设备，其进一步包含与所述多个气体入口中的至少一个流体连通的气泡发生器。
21.权利要求20的设备，其中该气泡发生器包括溶气气浮泵。
22.一种分离流体混合物的方法，其包含：
提供流体混合物，其包含第一组分和第二组分，该第一组分的密度不同于第二组分的密度；
将该流体混合物引入到由锥形壁界定的涡流发生区，该涡流发生区布置在容器内；
引起该流体混合物在该涡流发生区中向上流动；
将限定的旋转动量施加到该涡流发生区中的第一组分和第二组分上；
将气体引入到在该涡流发生区中的流体混合物中；
释放该流体混合物的限定的旋转动量，来形成第一区和第二区，该第一区包含富含该第一组分的流体混合物，该第二区包含富含该第二组分的流体混合物；和
通过头中头流体出口排放出至少一部分的富含该第一组分的流体混合物，该头中头流体出口被下列所界定：
圆屋顶状的容器的上内壁(118)，
以紧邻容器的中心垂直轴定位的和在涡流发生区(114)的中心区域上方的、在上内壁(118)中的上部流体出口(120)，和
在上内壁(118)上方的、在容器的侧壁(102)中界定的上部容器流体出口(108)。
23.权利要求22的方法，其中该第一组分的密度大于该第二组分。
24.权利要求23的方法，其中该第一组分包含水，该第二组分包含烃。
25.权利要求22的方法，其中将气体引入到该流体混合物中包括将含有溶解气体的流体引入到该流体混合物中。
26.权利要求25的方法，其中将含有溶解气体的流体引入到该流体混合物中包括在多个点将含有溶解气体的流体引入该涡流发生区中。
27.权利要求26的方法，其中将该流体混合物引入到涡流发生区中包括将该流体混合物通过至少一个流体入口以这样的方向引入，该方向与涡流发生区紧邻该流体入口之处的内壁相切。
28.权利要求27的方法，其中将该流体混合物引入到该涡流发生区中包括将该流体混合物通过至少一个流体入口以呈向上角度的方向引入。
29.权利要求22的方法，其进一步包含用气体喷射聚结材料，该聚结材料布置在该涡流发生区外面的分离区中。
30.权利要求22的方法，其进一步包含减少该涡流发生区外面的分离区中的紊流。
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