CN101970613A - 分离碳氢化合物乳剂的喷嘴组件和分离碳氢化合物的方法 - Google Patents
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Abstract
公开了用于分离流体中的碳氢化合物乳剂的喷嘴组件和相关方法。所述喷嘴组件包括冲击板，碳氢化合物乳剂喷射到所述冲击板，导致流体中的大型乳剂颗粒在撞击所述冲击板时被分解，由此允许更容易地分离乳剂的各种组成组分。在特定实施方式中，碳氢化合物乳剂撞击所述冲击板还暴露了乳剂流体的各种组分的干净表面，所述干净表面更容易与可以与所述流体混合的表面剂相互作用。
Description
技术领域
本发明一般涉及用于分解碳氢化合物流体中的乳剂的喷嘴组件，具体地说，涉及其中具有用于分解原油中的碳氢化合物乳剂的可调节冲击板的喷嘴组件。
背景技术
在提炼分离之前的原油处理中，存在难处理的碳氢化合物乳剂经常带来严重的操作问题，导致油料损耗、污染、腐蚀、结垢或者堵塞以及昂贵的环境处理/废物处置成本。在原油为API比重大约为20以下、特别是API比重从7到12的重质原油时，通常存在这种碳氢化合物乳剂。这种原油特别难于生产，并且在生产时导致提炼出现操作困难。
这种难处理的碳氢化合物乳剂通常包括作为组成组分的弥散在油中的水或弥散在水中的油、油浸湿和/或水浸湿的固体以及其他多种难于分离的组成组分。伴随油存在于地下地层中的一些蜡和沥青以及细微分离的无机固体诸如沙子或粘土作为乳剂稳定剂，在油-水界面上形成防护层，阻止水滴聚集。这种难处理的乳剂带来了严重的废物处置问题，并且代表大量的经济浪费。先前用于分解碳氢化合物乳剂的过程在美国专利4,938,876、5,738,762、5,882,506和5,948,242中公开，这些专利文件每一篇的全部内容都包含在本说明书中。
原油也会被重金属和不希望的有机化合物诸如氧、硫和氮所污染。这些材料通常与乳剂的有机界面间结构密切关联，因此加剧了乳剂的难处理程度，而且也导致提炼过程中发生腐蚀和不希望的污染。
因此，通常，难于处理的重质原油在世界的许多地方都被认为是不值得生产和提炼的。因此，需要适合用于重质原油生产油田附近的油料乳剂分解/分离技术，重质原油在油田中从生产油井中排出，结合有大量的水和固体。
本领域已知采用流体流喷嘴，诸如文氏(Venturi)喷嘴，通过喷嘴闪蒸(flashing)乳剂并降低乳剂的压力将碳氢化合物乳剂分解和分离成各种组成组分。
发明内容
本发明具有优势地提供一种用于分离包含在流体中的碳氢化合物乳剂的喷嘴组件和相关方法。宽泛地说，公开了具有一个或多个冲击板的流体喷嘴以及使用所述喷嘴的方法。文中公开的所述喷嘴组件和相关方法将生产的原油中的碳氢化合物乳剂分解成各种组成组分。在一种具体实施方式中，所述喷嘴组件还允许有选择地改变各种组成组分的回收量。此外，在另一种具体实施方式中，所述喷嘴组件提供更大量的可提炼油料供回收并进入提炼过程。
在一种特定实施方式中，喷嘴组件包括：壳体；壳体流体入口；壳体流体出口；用于促使流体从所述壳体流体入口流向所述壳体流体出口的流动腔；设置在所述壳体流体出口附近的喷嘴头部，所述喷嘴头部具有第一端和第二端，所述第一端设置在所述壳体流体出口附近，所述第一端和所述第二端在它们之间限定流体流动通道，用于促使流体从所述第一端流向所述第二端；和冲击板，所述冲击板与所述喷嘴头部的所述第二端成隔开关系设置，以便流体流在离开所述喷嘴头部的所述第二端的之后撞击所述冲击板，并且由此将流体中的碳氢化合物乳剂分离成各种组成组分。所述喷嘴组件的进一步特征在于，所述冲击板可以相对于所述喷嘴头部移动，以便所述冲击板和所述喷嘴头部的所述第二端之间的距离可以变化。
在来自所述喷嘴头部的所述第二端的流体流被导向所述冲击板并撞击冲击板时，流体中的大型乳剂颗粒被具有优势地分解。在乳剂颗粒被分解时，乳剂流体的各种组成组分的干净表面暴露出来。然后，这些暴露的表面更容易与可以与所述流体混合的任何反乳化剂相互作用。
在另一方面，包含在流体中的碳氢化合物乳剂可以通过下述步骤分解：让流体经过流体流喷嘴的第一区段而在流体中产生压力降；让流体经过流体流喷嘴的第二膨胀区段，汇聚流体的定向流；和在流体流喷嘴的第三区段内，将流体偏离冲击板，以便流体中的碳氢化合物乳剂分离成各种组成组分。在一种特定实施方式中，所述方法进一步包括步骤：在将流体偏离所述冲击板的步骤之前，调节所述冲击板的位置。
附图说明
图1是用于分离碳氢化合物乳剂的喷嘴组件的具体实施方式的部分截面视图；
图2是用于图1所示喷嘴组件的支撑板的顶视图；
图3是沿着线3-3截取的图1所示喷嘴组件的截面图；
图4是图1所示喷嘴组件的冲击板的顶视图；
图5是用于图1所示喷嘴组件的喷嘴头部的具体实施方式的平面图；
图6是用于图1所示喷嘴组件的喷嘴头部的具体实施方式的透视图；
图7是用于图1所示喷嘴组件的喷嘴头部的具体实施方式的分解透视图；
图8是用于图1所示喷嘴组件的喷嘴头部的具体实施方式的分解截面透视图。
具体实施方式
虽然将根据优选实施方式描述本发明，但是应该理解，用意并非将本发明限制于这些实施方式。相反，用意在于覆盖可以包括在由附带的权利要求书所限定的本发明的精神和范围内的全部替代方案、改型方案和等同方案。
现在参照图1至4，提供了喷嘴组件20。喷嘴组件20优选包括低摩擦等熵喷嘴，该喷嘴包括壳体22和与壳体流体入口26和壳体流体出口28流体连通的壳体流动腔24。带有按压塞头31的调节构件30设置在壳体流动腔24内，以便可以控制或调解经由壳体流动腔24流过的流体。壳体流体出口28与喷嘴头部40流体连通。
如图5至6所示，喷嘴头部40包括截头锥形部分42，该部分42在第一端42较窄而在第二端46较宽。换句话说，截头锥形部分42的外径和内径可变并且扩张，就是说从第一端44向着第二端46逐渐变大。截头锥形部分42优选具有光滑的抛光内表面，以便于流体加速和以最小的摩擦损耗进行闪蒸。
回头参照图1至4，喷嘴头部40借助支撑板50固紧到壳体22。支撑板50可以利用本领域已知的设备或方法连接到壳体22，例如利用焊接或利用紧固件诸如螺栓100。支撑板50还包括用于将支撑板50固紧例如到闪蒸鼓、也称为闪蒸分馏器或闪蒸器(文中未示出，但是在美国专利4,938,876、5,738,762、5,882,506和5,948,242中有更为详细的描述)的设备，诸如螺栓120。支撑板50包括用于插入并固紧喷嘴头部40的开口52。
在图1至4所示具体实施方式中，乳剂流体在第一端44进入喷嘴头部40的截头锥形部分42，并经由开口77在第二端46离开喷嘴头部40的截头锥形部分42。在另一种实施方式(未示出)中，第二端46可以包括喷嘴40的额外柱状部分，该额外柱状部分的外侧并非截头锥形，而是具有恒定外径。
流体流被加速，并且流体在喷嘴头部40的截头锥形部分42内侧出现压力降。来源于该压力降的能量优选通过流体的加速而转化为动能。随着喷嘴头部40内的压力降低，流体发生膨胀，并且沸点最低的流体组成组分在喷嘴头部40的截头锥形部分发生闪蒸，结果是流体向着喷嘴40的开口77和/或通过开口77进一步加速。
在离开开口77之后，加速的乳剂流线被导向冲击板70的前面部75并撞击前面部75。在来自喷嘴头部40的流体流撞击冲击板70时，流体中的较大乳剂颗粒具有优势地被分解。在乳剂颗粒被分解时，暴露出乳剂流体各组成组分的干净表面。然后所述暴露表面更容易和可以与所述流体混合的表面剂相互作用。
利用动能结合突然膨胀的热力学效应实现了被加速乳剂流线的分离效果。穿过喷嘴头部40第一端44的压力降将流体流线加速，而热力学膨胀产生流体流线的持续加速度。
一个或多个连接构件60沿着喷嘴头部40的外壁表面设置，从而将冲击板70可释放地固紧到喷嘴头部40。如图1至4中的具体实施方式所示，连接构件60是设置在喷嘴头部40的外壁表面中的凹槽62，导轨64(固紧到冲击板70)可以放置于该凹槽中，形成滑动接合。每条导轨64包括一个或多个狭槽66，用于插入可释放的紧固件诸如螺栓68。拧紧螺栓68将限制冲击板70沿着喷嘴头部40轴向长度的移动，而放松螺栓68将允许冲击板70沿着喷嘴头部40的轴向长度移动。因此，喷嘴头部40的开口74与冲击板70之间的距离D可以调节，以优化从喷嘴头部40喷出之后撞击冲击板70的面部75的乳剂组分的分离效果。
优选，冲击板70的面部75大致垂直于离开开口77的流体流线方向定位，以使乳剂分离效果最大化。但是，根据需要，冲击板70的面部75可以倾斜、侧倾或者以其他形式定位，以便离开开口77的流线可以以除大约90度角之外的各种角度撞击面部75。因此，将冲击板70移动地更靠近或更远离喷嘴头部40的开口77和/或相对于喷嘴头部40将冲击板70侧倾或倾斜到各个方向，可以影响碳氢化合物乳剂的分离程度。在具体实施方式中，冲击板70可以具有多个倾斜表面，用于控制分离和/或向着一个或多个期望方向导流。
在操作中，按压塞头31的末端优选向下定位在壳体流动腔24起始平直区段的中途，并用于控制穿过喷嘴组件20顶部区段的压力降。根据喷嘴组件20的顶部加载设计，按压塞头31容易在操作中更换。可以采用不同尺寸、形状和直径的按压塞头31以允许在喷嘴组件20的不同区段实施更为精确的控制，以产生较大范围的流速。例如，按压塞头31可以具有锥形形状(未示出)，这种形状会导致平直孔区段44内等熵闪蒸增大并持续到喷嘴组件20的部分42中。作为替代，按压塞头31可以具有如图1所示的柱状，这种形状会导致喷嘴头部44的截头锥形部分42内等熵闪蒸增大。
在如图7至8所示的具体实施方式中，插入构件80设置在喷嘴头部40的第一端44内或其附近。插入构件80可以用碳化物、陶瓷或类似耐磨材料形成。插入构件80可以滑动插入喷嘴头部40的第一端44内，或者可以借助螺纹或者其他连接形式可拆卸地连接到喷嘴头部40。插入构件80保护喷嘴头部40不会被流体流磨损。
喷嘴组件20可以用于分离碳氢化合物乳剂的任何过程。具体来说，喷嘴组件20可以用作美国专利4,938,876、5,738,762、5,882,506和5,948,242中公开的系统和方法中的喷嘴，这些专利的全部内容通过引用方式包含在本说明书中。宽泛地说，在一种具体实施方式中，流体中的碳氢化合物乳剂可以借助流体流过喷嘴组件20而进行分离或分解。流体可以首先经过喷嘴组件20的第一区段，例如腔24。闪蒸首先发生在按压件31下游、喷嘴头部40的第一端44处或其附近，由此在流体中产生压力降。这种闪蒸步骤导致水-油乳剂至少部分地分裂成它们的分离组分，正如美国专利4,938,876所述，该专利通过引用而包含在本说明书中，用于各种目的。热的原油及其添加剂的加压流线闪蒸到该乳剂的水的1到15％、优选1到8％蒸发，并且被最终去除，例如通过导向单独的闪蒸器或蒸汽液体分离器而去除。此外，原油流线被蒸发的轻质部分可以从上方经过，到达单独的冷凝器和馏出容器。冷凝的蒸汽将产生水层和位于其上的碳氢化合物层。这两层都可以回收或去除。
在经过腔24之后，闪蒸的蒸汽和伴随的未闪蒸流体经过喷嘴组件20的第二区段，例如喷嘴头部40，由此将流体的定向流输送到冲击板70。在具体实施方式中，冲击板70具有位于其面部75上的凸起区域，该凸起区域匹配流体从其流出的喷嘴组件20的开口77处的倾斜出口。最后，在离开喷嘴头部40之后，流体可以在喷嘴组件20的第三区段被偏离冲击板70，以便流体中的碳氢化合物乳剂进一步分解成各种组成组分。
根据需要，冲击板70的倾斜位置和/或冲击板70与喷嘴组件20第二区段之间的距离D可以紧接在将流体偏离冲击板70的步骤之前进行调节。通过调节冲击板70和喷嘴组件20第二区段之间的距离D，质量最大的乳剂颗粒可以被导向冲击板70，同时可以获得用于实现流体流线乳剂分离的优化流速。
如果方向发生突变，动能最大的较大颗粒不会携带在流线中。存在来自液体/蒸汽流线的粘性影响，这种粘性影响将最小的颗粒携带在流线中。较大颗粒具有足够大的动量，以便它们不会被流线带走。这样导致了较大的颗粒撞击冲击板70。距离D越大，则较大颗粒改变方向可利用的时间就越多。因此，调节距离D将影响撞击冲击板70的颗粒大小以及被带走的能量。
如果没有冲击板70，则大型颗粒将因为与闪蒸器中的蒸汽/气体发生摩擦而损失动能。目标是尽可能多地闪蒸流体流线，并让组分柔和地沉淀。如果允许被闪蒸的流体撞击液体层，则由于可能形成新的乳剂，而容易将所述组分重新混合。调节冲击板70和喷嘴40的开口77之间的距离D，具有优势地允许将组分转变为凝聚图，而不会发生积极混合，并且在较高流速与保证乳剂颗粒基本上全部分解之间实现优化平衡。
在经过喷嘴组件20之前、之中或之后，适当的乳剂分解化学物可以根据需要添加到碳氢化合物乳剂中，添加量处于以体积计的100到2000ppm范围内，取决于乳剂的性质。所述化学物可以是表面剂、反乳化剂、螯合剂、或中和剂，正如也在美国专利4,938,876中所述。在具体实施方式中，乳剂分解化学物在流体撞击冲击板70之前添加，有利于混合。适当的化学物是熟知的化学物，并且容易从Petrolite、BetzDearborn、Nalco或其他供应商处获得。它们是任选添加剂，取决于给定原油的处理要求，并且添加操作在本领域是熟知的，而且根据需要仅少量使用。这些添加剂可以包括阴离子添加剂、阳离子添加剂、非离子添加剂和聚合添加剂。聚合添加剂使用剂量相对较小，以促使极其微小的固体污染物凝聚。
如果遇到的乳剂是油弥散于水的类型，则希望添加有利于水弥散于油类型的乳剂的表面剂。相反，如果预期的乳剂是水弥散于油类型的乳剂，则应该使用有利于油弥散于水类型的乳剂的表面剂。这些相反的乳化剂应该少量使用，因为过量可能导致相反效果。
应该理解，本发明并不限于图中所示和文中所述构造、操作、严格材料或实施方式的精确细节，因为本领域技术人员能理解改型方案和等同方案。例如，原油的各种样本的属性和成分可以通过简单的实验来确定，并且根据这种分析，可以确定并设计相关处理设备所用的具体参数。因此，本发明仅由附带的权利要求书的范围来限定。
Claims (22)
1.一种用于分离流体中的碳氢化合物乳剂的喷嘴组件，包括：
壳体；
壳体流体入口；
壳体流体出口；
用于促使流体从所述壳体流体入口流向所述壳体流体出口的流动腔；
具有第一端和第二端的喷嘴头部，所述第一端设置在所述壳体流体出口附近，所述第一端和所述第二端在它们之间限定流体流动通道，用于促使流体从所述第一端流向所述第二端；和
冲击板，所述冲击板与所述喷嘴头部的所述第二端成隔开关系设置，以便离开所述喷嘴头部的所述第二端的流体流撞击所述冲击板，并且由此将流体中的碳氢化合物乳剂分离。
2.如权利要求1所述的喷嘴组件，其特征在于，所述冲击板能相对于所述喷嘴头部移动，以便所述冲击板和所述喷嘴头部的所述第二端之间的距离可以变化。
3.如权利要求1所述的喷嘴组件，其特征在于，一个或多个连接构件沿着所述喷嘴头部的外壁表面设置，从而将所述冲击板可释放地固紧到所述喷嘴头部。
4.如权利要求3所述的喷嘴组件，其特征在于，所述连接构件是设置在所述喷嘴头部的外壁表面上的凹槽。
5.如权利要求4所述的喷嘴组件，其特征在于，一条或多条导轨固紧到所述冲击板，并且与所述喷嘴头部中的所述凹槽滑动接合。
6.如权利要求5所述的喷嘴组件，其特征在于，所述导轨包括一个或多个狭槽，用于插入可释放的紧固件，以限制所述冲击板沿着所述喷嘴头部的轴向长度移动。
7.如权利要求1所述的喷嘴组件，其特征在于，所述冲击板具有垂直于从所述喷嘴头部的所述第二端排出的流体流线方向的面部，以便所述流体流线可以以90度角撞击所述面部。
8.如权利要求1所述的喷嘴组件，其特征在于，所述冲击板具有能倾斜的面部，以便从所述喷嘴头部的所述第二端排出的流体流线能以除90度之外的其他角度撞击所述面部。
9.如权利要求1所述的喷嘴组件，其特征在于，所述冲击板具有带有多个倾斜表面的面部，所述多个倾斜表面用于引导以一个或多个方向撞击所述面部的所述流体流线的流动。
10.如权利要求1所述的喷嘴组件，其特征在于，所述组件包括带有按压塞头的调节构件，该调节构件设置在所述流动腔内。
11.如权利要求10所述的喷嘴组件，其特征在于，所述按压塞头为锥形。
12.如权利要求10所述的喷嘴组件，其特征在于，所述按压塞头为柱状。
13.如权利要求10所述的喷嘴组件，其特征在于，插入构件设置在所述喷嘴头部的所述第一端附近，以保护所述喷嘴头部不被流体流所磨损。
14.如权利要求13所述的喷嘴组件，其特征在于，所述插入构件以耐磨材料形成。
15.如权利要求14所述的喷嘴组件，其特征在于，所述耐磨材料是碳化钨。
16.如权利要求14所述的喷嘴组件，其特征在于，所述耐磨材料是陶瓷。
17.如权利要求13所述的喷嘴组件，其特征在于，所述插入构件滑动插入所述喷嘴头部的所述第一端。
18.如权利要求13所述的喷嘴组件，其特征在于，所述插入构件可拆卸地连接到所述喷嘴头部。
19.一种分离流体中的碳氢化合物乳剂的方法，包括步骤：
让流体经过流体流喷嘴的第一区段而在流体中产生压力降；
让流体经过流体流喷嘴的第二区段，从而向冲击板汇聚流体的定向流；和
在流体流喷嘴的第三区段内，将流体偏离所述冲击板的前面部，以便流体中的碳氢化合物乳剂在偏离所述前面部之后分离成各种组成组分。
20.如权利要求19所述的方法，进一步包括步骤：将所述冲击板移动地更靠近所述流体流喷嘴的所述开口，以影响所述碳氢化合物乳剂分离成各种组成组分。
21.如权利要求19所述的方法，进一步包括步骤：将所述冲击板移动地更远离所述流体流喷嘴的所述开口，以影响所述碳氢化合物乳剂分离成各种组成组分。
22.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述冲击板的所述前面部垂直于离开所述流体流喷嘴的流体流线方向，并进一步包括步骤：倾斜所述冲击板，以使所述冲击板的所述前面部不再垂直于离开所述流体流喷嘴的流体流线方向，从而影响所述碳氢化合物乳剂分离成各种组成组分。
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