CN102112192B - 使用静态混合器/聚结器进行相转化的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于分散体的相转化的方法和系统，所述分散体包括第一流体和第二流体，所述第一流体形成分散相且所述第二流体形成连续相。分散体在流体供应器件中被供应到相转化装置。由此，所述第一流体被从分散相变换成连续相且所述第二流体被从连续相变换成分散相。该相转化装置包括提供流体接触表面的元件，以便沿流动方向的聚结。

Description

使用静态混合器/聚结器进行相转化的方法和系统
技术领域
本发明涉及特别用于分散体的相转化的方法和用于执行所述方法的系统。在分散体的情况下，预期不互溶流体的混合物，其包括第一流体和第二流体，所述第一流体形成分散相，所述第二流体形成连续相。在相转化的情况下，预期一种工艺步骤，其中将第一流体从分散相变换成连续相或连续相与分散相的组合并将第二流体从连续相变换成分散相或连续相与分散相的组合。此类相转化方法和系统的可能使用领域是油水分离。
背景技术
在WO 2005/005776中，公开了相转化被用于改善油水分离，并连同从地球表面或海底下面的岩层提取这种流体。在大多数情况下，油形成连续相，其包含水滴。这些水滴组成分散相。这种现有技术方法包括在供应管道或输送管道中将流体输送到分离器的步骤，所述分离器采取管状分离器主体或重力罐的形式。分离器上游的流体受到剪切力，使得供应流中的液滴被分裂而形成如此小的液滴以至于界面一般变成新的且未被表面活性剂“污染”。通过分裂液滴产生的新界面是非常不稳定的，并且该液滴开始强劲、剧烈的聚结过程，导致剪切力发生阀下游的管中的某个级处的相转化。水滴由于聚结过程而形成连续相，而油扮演分散相的角色，也通常称为水中油(oil in water)分散体。此类相转化是有利的，因为与油中水(water in oil)分散体相比，水中油溶液一般形成稳定性低得多的分散体，或者换言之油中水分散体是其中水形成分散相且油形成连续相的分散体。因此，一般已知的是如果油是分散相且水是连续相，则油水分离更为容易。特别是对于大粘度的油而言，极其难以将水滴从油相分离。
已经观察到由于使用阀来向分散体中引入大的局部剪切力，所以当使用根据现有技术的工艺时，液滴尺寸经历大的变化。这些大的局 部剪切力应有助于摧毁液滴的稳定表面，以便克服负责油相中的液滴的稳定性的表面张力。当通过阀时，分散体的液滴受到剪切力，因此其被分裂而形成小液滴，具有一般变成新的且未被表面活性剂污染的界面。通常将此类表面活性剂视为使液滴稳定的手段。此稳定化结果得到更稳定的分散体，使得其后续分离变得困难，如果不是不可能的话。根据现有技术，剪切力被施加于液滴。包括表面活性剂的界面经受这些剪切力。结果，表面活性剂被从界面切离。被从这些表面活性剂剥夺的液滴的界面应更快速地聚结，因此促进相转化。然而，不能精确地控制相转化的开始及其过程。这意味着，不能预测相转化在阀的下游发生的时间和地点。相转化的起始点以及水相与油相的体积比经历相当大的变化。相转化的起始点不能被确定并精确地局部化以便确定相转化工厂固定设备的尺寸。此外，在水相与油相的体积比中观察到的变化所具有的结果是，可能必须向分散体添加大量水，以便在阀的下游获得相转化。当使用阀时，根据目前使用现有技术中公开的设备所可获得的实验结果，此水分数(fraction)可以很好地位于40％与50％之间。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于相转化的方法和系统，以便分离形成分散相的第一流体和形成连续相的第二流体，特别地，所述第一流体是水且所述第二流体是油，由此，相转化的开始是更加可预测的。本发明的另一目的是允许相转化在形成分散相的第一流体的较低体积比时发生。
由用于分散体的相转化的方法来解决与现有技术有关的问题，所述分散体包括第一流体和第二流体，所述第一流体形成分散相且所述第二流体形成连续相，所述方法包括步骤：将流体供应器件(device)中的分散体供应到相转化装置，使得第一流体被从分散相变换成连续相且第二流体被从连续相变换成分散相，由此，第一流体的液滴(流体滴)在提供流体接触表面的元件处沿着流动方向聚结。流体接触表面具有至少为400m2/m3的比表面积。优选地，在静态混合器件中将第一流体和第二流体混合。
在用于不互溶流体的分散体的相转化的系统中执行这种方法，所 述分散体包括第一流体和第二流体，所述第一流体形成分散相且所述第二流体形成连续相，所述系统包括用于向相转化装置供应第一流体和第二流体的流体供应器件，使得第一流体可从分散相变换成连续相且第二流体可从连续相变换成分散相。该相转化装置包括提供流体接触表面的元件，以便沿流动方向的聚结。流体接触表面具有大于400m2/m3的比表面积。流体接触表面可以特别地具有大于750m2/m3、优选地大于1000m2/m3的比表面积。比表面积被定义为流体接触表面的表面面积除以流体接触表面被嵌入其中的流体通道的容积。该元件可以包括用于将第一流体与第二流体混合的静态混合器件。静态混合器件的表面面积是形成静态混合器件的流体接触表面的表面面积以及流体通道的流体接触表面面积的和。
该元件的流体接触表面优选地被配置为使得促进形成分散相的第一流体的聚结。由于其形状，所述元件仅引入小的剪切力，允许形成分散相的第一流体的液滴保持稳定。
通过将剪切力保持在此上限以下，可以避免更小的液滴的产生。令人惊讶地，这些小的剪切力不仅太小而不能将液滴划分成更小的液滴，而且其实际上促进聚结。因此，聚结被认为是相转化的主要驱动力。
静态混合器件的使用提供给分散体进行混合的大表面并提供用于促进液滴聚结的大量位置。从而实现了以下优点：
导致相转化的第一流体的临界体积分数被转变成较低值。因此，与现有技术相比，可以以较低的体积分数获得相转化。特别是对于从原油分离水的应用而言，通常优选的是使用从井或海底获得的分散体。添加任何的水导致较大的工艺流，因此要求较大的泵、罐等，从而大大增加系统的成本。因此，本发明的系统潜在地节省能量和材料成本。
可以相信通过使用静态混合器件，剪切力被引入第一和第二流体中。由于在具有一定液压直径和一定混合器长度的静态混合器件中执行混合的这一事实，所以在整个混合器直径上以及整个混合器长度上施加剪切力，结果，在静态混合器件内发生相转化。令人惊讶地，现有技术提出的小液滴的产生是不需要的。可以通过使用静态混合器件来避免剪切力的局部峰值。当使用根据现有技术的阀时，观察到剪切 力的此类局部峰值。通过混合器长度，可以预期静态混合器件的长度，并且通过直径，可以预期管的直径。静态混合器件的特征在于具有液压直径Dh的通道。当处理非圆形管和通道中的流时，液压直径是一般使用的术语。Dh＝4A/U，其中，A是截面积且U是截面的润湿周边。液压直径优选地小于100mm，有利地小于50mm且最优选地小于15mm。
令人惊讶地，当使用其中与第一和第二流体接触的表面由金属制成的静态混合器件时，可以将用于相转化的起始点降低至从现有技术未预期且未知的程度。流体接触表面还可以包括不同润湿性质的材料。从而，可以在静态混合器件内局部地进一步调整聚结的程度。可以按照交替顺序来布置不同润湿性质的流体接触表面。如果流体接触表面例如是横杆(cross bar)或板，例如波纹板，则这些表面中的一些可以预期采取对于出现的相之一显示出良好润湿性的材料，而其它的可以预期采取显示出较低或较差润湿性的材料。对于油中水分散体而言，这意味着显示出良好润湿性质的一些表面由金属制成，而其它表面由具有较差润湿性的塑料材料制成。当从流动方向看时，可以平行地布置具有不同润湿性的表面。替代性地，第一组表面可以由具有良好润湿性的材料制成，而邻近于所述第一组表面布置在上游或下游的第二组表面可以由具有较差润湿性的材料制成。
可以预见多个静态混合器件或混合结构的静态混合器件。通过混合结构，可以预期不同几何结构的静态混合器件的组合或变体。多个静态混合器件的使用提供由其对于稳定分散体的用于增强聚结的附加点。此类布置对于包括重油的分散体可特别有用。
在有利变体中，静态混合器件具有轴线并且还包括与该轴线布置成一角的多个板，用于使流体流从与所述轴线平行的主流动方向偏斜至沿所述角的流动方向。所述角有利地在10°至80°范围内，优选地在20°至75°范围内，最优选地在30°至60°范围内。根据第二变体，所述板是波纹板。在另一变体中，所述静态混合器件可以包括布置在管中的第一和第二组横杆或连结板(web)，由此，横杆或连结板相对于主流动方向倾斜，并且第一组横杆或连结板被布置在第一平面中，且第二组横杆或连结板被布置在第二平面中，由此，第一平面和第二平面彼此相交，并且在第一与第二平面之间形成至少30°、 优选地至少50°、最优选地约为90°的角。
可以在相转化装置的上游的流体供应器件中布置预调节器件，所述相转化装置包括提供流体接触表面的元件以便沿流动方向的聚结，诸如静态混合器件。所述预调节器件有利地包括用于产生剪切力的元件。此类元件可以是在WO2005005776中公开的阀或去乳化器或静电沉淀器。已经观察到，使用阀或静态混合装置作为预调节器件导致多液滴的量的进一步减少。因此，离开预调节器件的分散体由比进入预调节器件的分散体更小的液滴组成。当预调节分散体进入静态混合器件时，相转化以更加受控的方式发生。可在分散体将经历相转化时使用此类预调节器件，所述相转化是从包含至少两个不互溶流体的器皿的界面层进行的。该界面层是将较重的那些流体与重量更轻的流体分离的层。此类分散体可以源自于油水分离器或沉降器皿。此界面层特别地以高稳定性为特征。为了分离此类稳定分散体，优选地，提供相转化装置，并连同将预调节器件布置在器皿的出口与相转化装置之间。
分散体的流速优选地至多为3.5m/s。特别地，分散体可以具有小于0.02Pas的动态粘度。对于具有0.02Pas至0.1Pas的动态粘度的分散体而言，流速优选地至多为2m/s。对于具有大于0.1Pas的动态粘度的分散体而言，流速优选地至多为1m/s。
通过保持小的流速，可以避免向分散体中引入高剪切力。因此，特别地，对于包括水作为第一流体和油作为第二流体的分散体而言，可以防止小液滴的产生。
与静态混合器件的使用相关联的另一优点是相转化的更佳控制。当如在现有技术中提出的那样在可能的预调节器件后面使用空管时，其中实际上发生相转化的体积分数经历大的波动。因此，这些波动在过渡区(ambivalent region)中发生，该过渡区的特征在于第一流体的大范围的体积分数。大范围的体积分数可以导致对于有效控制过程而言相当大的难度。
使用诸如静态混合器件的提供用于沿流动方向聚结的流体接触表面的元件的另一优点是添加化学添加剂的可能性，所述化学添加剂特别地对相转化有影响。很容易在静态混合器件中分布并混合这些化学添加剂以便获得均质混合物。
由于当采用诸如静态混合器件的提供用于沿流动方向的聚结的流体接触表面的元件时均质混合物的相转化更加可预测这一事实，所以能够改善过程控制。为了进一步减小第二流体的体积分数，补充流的添加和/或化学添加剂的添加可以帮助促进相转化。例如，此类补充流包括向油中水分散体添加水。向油中水混合物添加相比而言较小的水流可以促进静态混合器件中的相转化。化学添加剂的添加可能对稳定的油中水分散体特别有用。化学添加剂有助于液滴表面的去污染，并因此有助于液滴的聚结速率的增加。液滴的表面是形成分散相的第一流体与形成连续相的第二流体之间的界面。化学添加剂集中于此界面中，并且由于表面张力的减小，分散体中的液滴的稳定性降低。液滴在静态混合器件中被接触，在那里，其聚结并形成较大液滴，该较大液滴最后在静态混合器件的出口处形成连续相。因此，化学添加剂可以帮助促进液滴的聚结，导致静态混合器件的出口处的相转化。
通常在分离器件中进一步处理经转化的分散体。在这方面，还可以将相转化视为用于通过改变分离器件的进入条件来促进第一流体与第二流体的分离的装置。由于油滴的移动性在水中油分散体中比在油中水分散体中更大，所以减少了输入到用于执行分散体分离的分离装置中的能量。在可能的分离装置之中，提出重力分离器或离心机作为示例。此外，由于分散体的移动性的增加而促进分散体在管线中的输送，并因此实现所需要的能量输入的减少。如果将静态混合器件沿着管线中的流体流放置在一定距离处，则增加了转化的稳定性(避免反转化)。
使用静态混合器件的另一优点是对于多分散体的形成的更佳控制。在术语多分散体的情况下，可以预期第一流体的大液滴，分散相，包含连续相的较小液滴，亦即第二流体。这些较小液滴大多数具有大液滴的尺寸的约1/2至1/100。此类多分散体明显更加难以分离，并且已观察到，通过使用具有小比表面的器件，例如用空管，存在出现此类多分散体的更高趋势。在术语空管的情况下，可以预期没有影响流体流动的任何内置元件的管，诸如阀、搅拌器、静态或动态混合器件、折流装置等。
结果，必须增加第一流体的体积分数以获得相转化，必然导致先前所述的缺点。由于静态混合器件使得大量的表面可用于分散体，所 以可以更好地控制并限制多分散体的形成，如果不是完全避免的话。已经观察到为了获得此类多分散体的相转化，向分散体添加明显更多的形成分散相的流体，然后开始相转化。因此，与穿过空管以便引发相转化的分散体相比，由静态混合器件混合的分散体令人惊讶地要求较少地添加分散流体。
所述系统的另一优点是其针对杂质是稳健的，特别是存在于第一和第二流体中的至少一个中的固体颗粒。
静态混合器件的使用还防止堵塞，这在将要处理包含固体的流体时特别重要。
附图说明
通过结合附图进行的以下详细说明，本发明的这些及其它目的和优点将变得更加明显，在附图中：
图1示出结合了根据现有技术的阀的相转化系统的示意性流程图；
图2a示出本发明的第一实施例的流程图；
图2b示出根据第一变体的通过流体排出器件的流的示意图；
图2c示出根据第二变体的通过流体排出器件的流的示意图；
图3a示出根据本发明的相转化系统的第二实施例；
图3b示出根据第二实施例的第一变体的通过流体排出器件的流的示意图；
图3c示出根据第二实施例的第二变体的通过流体排出器件的流的示意图；
图3d示出根据第二实施例的第三变体的通过流体排出器件的流的示意图；
图3e示出根据第二实施例的第四变体的通过流体排出器件的流的示意图；
图4a示出根据第一变体的静态混合器件；
图4b是根据图4a的静态混合器件的截面；
图4c示出根据第二变体的静态混合器件；
图4d示出根据第三变体的静态混合器件；
图4e示出具有从第二变体和第三变体组合的混合结构的静态混 合器件；
图5a示出根据第四变体的根据本发明的系统上的视图；
图5b示出图5a的静态混合器件的截面A-A；
图5c示出图5a的静态混合器件的截面B-B；
图6示出根据第五变体的根据本发明的系统上的视图；
图7示出根据第六变体的根据本发明的系统上的视图；
图8示出涉及根据现有技术和本发明的不同混合器件的测试的结果；
图9至图11示出从包括第一变体的静态混合器件的系统得到的分散体的图片；
图10示出从包括第一变体的静态混合器件的系统得到的分散体的图片；
图11示出从包括第一变体的静态混合器件的系统得到的分散体的图片；
图12示出从包括第二变体的静态混合器件的系统得到的分散体的图片；
图13示出从包括第二变体的静态混合器件的系统得到的分散体的图片；
图14示出从包括第二变体的静态混合器件的系统得到的分散体的图片；
图15示出从包括根据图12至图14的变体的静态混合器件的系统得到的分散体的另一图片；
图16示出从包括根据图12至图14的变体的静态混合器件的系统得到的分散体的另一图片；
图17示出针对第一流速比较不同静态混合器件的结果的图示；
图18示出针对第二流速比较不同静态混合器件的结果的图示；
图19示出针对第三流速比较不同静态混合器件的结果的图示。
具体实施方式
图1示出根据现有技术的相转化系统的示意性流程图，其结合了根据WO2005/005776的方法的阀。用于油和水的二相分散体的相转化的系统101包括第一流体102和第二流体103，第一流体102是水， 形成分散相，第二流体103是油，所述油形成连续相。可以预见用于向阀105供应水102和油103的流体供应器件104。阀105向油和水相中引入大的剪切力，结果是产生较小的液滴。所述剪切力作用于液滴的表面。由此得到的结果之一是存在于液滴表面上的表面活性剂被从液滴表面带走。表面活性剂被视为对液滴具有稳定化作用，意指只要表面活性剂存在于液滴表面上，液滴本身就保持稳定。由此接着，分散体也保持稳定。由于剪切力的引入，产生小的液滴，因此表面面积增大。在水滴与油连续相之间形成界面的新产生的表面面积在很大程度上未被表面活性剂污染。因此，新界面是非常不稳定的，液滴开始强劲、剧烈的聚结过程，使得水102可从分散相变换成连续相，并且油103可从连续相变换成分散相，由此导致相转化。在WO2005/005776中还已发现当原始液滴被减小至约为小于原始液滴直径的10％的尺寸时，获得了稳定的相转化过程。然而，仍存在问题。不能准确地确定相转化的位置。在阀下游的某个级处，相转化可以在空管中发生，可能还取决于油中的水含量，然而，相转化的精确时间和位置是不可预测的。
图2a示意性地示出根据本发明的第一实施例的创造性解决方案。用于不互溶流体的二相分散体的相转化的系统1包括第一流体2和第二流体3，所述第一流体形成分散相且所述第二流体形成连续相。可以预见流体供应器件4，其向静态混合器件5供应第一流体2和第二流体3，在静态混合器件中将第一流体2与第二流体3混合，使得第一流体2可从分散相变换成连续相，并且第二流体3可从连续相变换成分散相。换言之，相转化在静态混合器件5中发生，其还将称为等分数(isofractional)相转化。由此，等分数相转化被定义为这样的相转化，即在不添加第三流体或通过添加第一流体和第二流体中的任何一个来改变两者的原始体积分数的情况下只有第一流体2和第二流体3参与其中。在布置在静态混合器件5的下游并与之附接的流体排出器件6中，第一流体和第二流体被递送到分离装置。可能有两种情况，如图2b中表示的第一情况和图2c所示的第二情况。图2b是在最简单的情况下采取管的形式的流体排出器件6的示意图。第一流体2现在形成连续相且第二流体3形成分散相。除此之外，第一流体2的一部分可以作为分散相存在于第二流体3的液滴内。图2c示出相对于 后续分离步骤而言更优选的变体，其中，第二流体3基本上没有第一流体2的液滴。根据图2c的变体可以有利地仅要求一个分离步骤来通过分离装置将第一和第二流体相互分离，其在流程图中未示出。特别地，第一流体是水或高水含量的浆料或水溶液且第二流体是油。
图3a示出根据本发明的相转化系统1的第二实施例。再次地，可以预见用于向静态混合器件5供应形成分散相的第一流体2和形成连续相的第二流体3的流体供应器件4。除此之外，向流体供应器件4添加补充流34。补充流34可以具有与第一流体2相同的组成。由于添加补充流34以触发静态混合器件中的相转化，所以本实施例将称为强迫相转化。当在静态混合器件中连同补充流34一起将第一流体2与第二流体3混合时，第一流体2可从分散相变换成连续相且第二流体3可从连续相变换成分散相。此相转化(如在图2a中公开的本发明的第一实施例中那样)在静态混合器件4内发生。在布置在静态混合器件5的下游的流体排出器件6中，可以有第一、第二和补充流体的组合的许多情况，其中的一些情况在图3b、图3c、图3d、图3e中示出，全部情况所共同具有的是，第一流体2的至少一部分和/或补充流体34现在存在于连续相中且第二流体3形成分散相。
在图3b中表示的情况显示补充流体34仍是连续相且第二流体3在其中形成液滴。在液滴的内部，第一流体2仍作为分散相出现。在此情况下，第一流体2的液滴不相互作用，因此，不发生聚结。
图3c表示包含补充流体34作为连续相并另外包含一些第一流体作为连续相的流体排出器件6。根据此示意性表示，连续相中的补充流体34和第一流体2未被混合。然而，非常常见的是使用相同的流体作为第一流体2和补充流体34。在油水分散体的特定情况下，第一流体和补充流体两者都是水或水溶液或浆料。因此，形成连续相的第一流体2和组成流体34是可互溶的。一些第一流体2仍然作为第二流体3的液滴内的分散相。这种现象还将被称为“多重液滴”。在这种情况下，发生液滴的部分聚结。补充流体34和第一流体2的聚结液滴因此形成连续相。
图3d表示变体，其中，第一流体2存在于连续相中。因此，补充流体34和第一流体2形成连续相，而第二流体3形成分散相。再次地，补充流体34和第一流体2优选地形成单一相。显然，此变体 最容易在后续分离步骤中分离，因为在第二流体3的液滴的内部不再存在第一流体2的液滴。因此，第一流体的液滴已在静态混合器件中完全聚结。在这种情况下，不再留有多重液滴。
图3e表示变体，根据该变体，第二流体3形成分散相。补充流体34和第一流体2的一部分存在于第二流体3的液滴的内部。该液滴经历部分聚结。第一流体2的聚结液滴和补充流体34的一部分形成连续相。这意味着在通过静态混合器件5期间形成补充流体34的液滴。这些液滴保持在形成分散相的第二流体3的液滴的内部。
图4a和图4b示出供根据图2a至2c的第一实施例或根据图3a至图3e的第二实施例使用的根据第一变体的静态混合器件5。静态混合器件具有与流体供应器件4的轴线重合的轴线7。静态混合器件包括布置在多个管35中的螺旋结构的多个静态混合元件36，所述多个管35被布置在静态混合器件的外壳37中。
在图4c中未示出根据第二变体的静态混合器件5的管状外壳，以便允许更好地观看构成静态混合器件5的混合元件的板8的结构。板8被布置成多个行40、41、42、43。优选地，同一行的板8在相互平行的平面内延伸。板8一方面充当用于分散体流动的引导，另一方面，其通常在流中产生边界效应。非常接近于此类壁处的流速在板8的表面上减小至零。从而，在沿着通道44中的主流动方向的法线方向布置的平面中产生层流的大致为抛物线的流面线(flow profile)，通道44在两个相邻板之间延伸。落在此类抛物线的对称轴线上的点上的流速是最高的，而抛物线的两个侧支中的流速朝着抛物线的每个分支的末端连续地减小，所述分支对应于每个板8的壁表面。由于在开放通道44中形成的这些流面线，发生第一和第二流体2、3和可选补充流体34的混合。该混合触发第一流体2的液滴的聚结，这被假设为由于壁效应而引起。已经观察到板表面的材料性质对液滴聚结的促成作用达到令人惊讶的程度，这导致相转化。因此，认为液滴的逐渐聚结沿着板的壁发生，因为在相转化之前粘附于壁的液滴被部分地暴露于壁表面并部分地暴露于由第二流体3形成的连续相。在湍流条件下，流面线将不是抛物线的，然而，还可以应用上述聚结机制。
图4d示出根据第一实施例的第三变体的静态混合器件。有利地，但不是必须地，板8中的至少一些被布置为与垂直于轴线7的平面成 角19。倾角19有利地在0°与90°之间，优选地在0°与80°之间，最优选地在30°与60°之间。可以预期较大的倾角19导致流体的较高偏转。因此，对于液滴而言，当倾角增大时，其变得更可能在其通过静态混合器件期间与壁接触。已经观察到液滴在其通过混合器件5的行进路径上聚结。有利地，倾角在30°与60°之间，因为在此范围内，流体偏离与静态混合器件的轴线7平行的其主流动方向。同时，压降和剪切力不是那么高，以至于由于剪切力而产生大量小尺寸的液滴，这将具有稳定作用并防止如图1所示的在现有技术中观察到的相转化的发生。
图4e示出来自第二变体和第三变体的具有由混合元件9、10组成的混合结构的静态混合器件。静态混合器件4由根据图4c的混合元件和根据图4d的混合元件组成。两个混合元件共享共同的外壳11。串联的混合元件的布置完全是示例性的，并且不应将其理解为局限于所具体公开的实施例。
根据图5a的系统本质上与图2a至图3e所示的系统相同。静态混合器件5可以由静态混合元件9、10组成，由此，在图5a中示出两个此类元件。静态混合元件9包括串联地成行布置的多个板8。当安装在水平位置上时，板相对于水平面倾斜，以便使流体流从平行于所述轴线的其主流动方向偏斜。如图5b所示，板8被布置成彼此相距一定的距离，从而允许流体在板之间通过，图5b为沿着与轴线7垂直的平面A-A的混合元件9的截面。静态混合元件9包括优选地被布置成彼此相距一定距离的多个此类行。因此，分散体部分地在行之间通过并部分地被板转向。该板帮助液滴粘附并因此帮助促进液滴的聚结。
图5c所描绘的静态混合元件10具有稍微不同的结构。有利地，板被配置为如图5c所示的波纹板18，图5c为图5a的混合元件10的截面B-B。波纹板18包括多个交替的峰和谷。波纹板的峰和谷形成开放的流体通道。波纹板可以被相互钉住，从而填充包含混合元件的外壳11。换言之，每个混合元件由多个波纹板组成，由此，相邻的波纹板被设置为相对于彼此成一定的角度。换言之，波纹板被以互相交叉的形式有利地相互钉住。相邻波纹板18的通道交叉并允许在通道中流动的流体改变方向，并且从而可获得这些流体的改善的混合。
如图5所示的形成静态混合器件5的静态混合元件的组合仅仅被作为示例示出。可以串联地布置相同类型的多个混合元件或布置不同类型的混合元件以形成如图5a所描绘的混合结构。属于本发明的范围内的另一变体是相对于相同类型的第二混合元件布置例如图5b所示的类型的第一混合元件，使得第一混合元件的行被设置为相对于第二混合元件的行成一定的角度。
第一流体2和第二流体3退出到流体排出器件6中，流体排出器件6可以是通向图5a未示出的诸如分离装置的另一工艺设备的导管或管道。现在形成连续相的第一流体和现在形成分散相的第二流体进入分离装置以被相互分离。
根据图6的静态混合器件5包括由布置在管中的第一和第二组横杆12、13形成的静态混合元件9，由此，组12、13中的每一个的横杆相对于主流动方向倾斜，并且第一组横杆12被布置在第一平面14中，且第二组横杆13被布置在第二平面15中，由此，第一平面和第二平面以角16相互交叉，角16至少为30°、优选地至少为50°、最优选地约为90°，在第一和第二平面之间形成。在CH 642564中已公开了用于静态混合元件的此类结构，此文献的内容通过引用结合到本文中。可以串联地布置多个静态混合器件，或者可以预见混合结构的静态混合器件。在混合结构的情况下，意图在于混合器件由布置在管中的在图2至图7中公开的任何类型的单独混合元件中的任何一个的系列或组合组成。在混合结构中，所述单独混合元件中的至少一个具有与其它混合元件不同的结构。有利地，静态混合器件的横杆12、13或板8、18由金属、特别是钢制成。可以将金属用作涂层，但是最优选地，整个静态混合器件由金属制成，以便增加稳健性和稳定性。将由静态混合器件来处理的分散体可能包括固体，因此导致磨损。为此，优选的是具有足够硬度的金属。另外，在图6中示出用于添加补充流体34的管道20，所述补充流体34在第一和第二流体进入静态混合器件5之前进入流体供应器件4。可以提供此类补充流体流以在分散体通过静态混合器件期间促进相转化。如果必须获得稳定乳状液的相转化，则此类补充流体流可能是特别有利的。补充流体被与静态混合器件5内的分散体混合。由于图6的横杆或在图4a至图4e、图5a至图5c中公开的任何其它混合元件，补充流体被与第一流体2和第 二流体3的分散体混合。
图7示出静态混合器件5，其还包括混合元件39，混合元件39包括布置在管40中的第一组和第二组连结板42、43，由此，第一组连结板的连结板42相对于主流动方向倾斜，并且第一组连结板42被布置在第一平面44中，并且由此，第二组连结板的连结板43相对于主流动方向倾斜，第二组连结板43被布置在第二平面45中，由此，第一平面44和第二平面45以角46相互交叉，角46至少为30°、优选地为至少50°、最优选地约为90°。第一组连结板42后面是第三组连结板47，其被优选地布置在第三平面49中，由此，第三平面在其下游位置平行于第一平面44。第二组连结板43后面是第四组连结板48，其优选地被布置在第四平面50中，由此，第四平面在其下游位置平行于第二平面45。可以提供其它类似连结板。有利地，第一平面44和第三平面49之间的距离与第二平面45和第四平面50之间的距离相同。第一组连结板的连结板42不仅与第二组连结板的连结板43交叉，而且与第三组连结板的连结板47交叉。本实施例的特别优点是，由于多于两组的交叉连结板的多个互连点，静态混合器件总体上在机械方面更加稳定。除静态混合元件39的有利结构之外，还示出了流体排出器件6和流体供应器件4的管40的直径基本上与管40的直径相同。由此，避免了通常会降低混合质量的静区(dead zone)。
图8示出了说明用于引起或促进水油系统相转化的不同装置的性能的图示。这些装置包括空管22、由塑料制成的静态混合器件23和由金属制成的静态混合器件24。图中的条块26、27、28的高度表示水油系统中的相转化所需的水的百分比。图8示出，大部分的水，这意味着为了触发空管22中的相转化，必须添加最高量的水。通过由塑料制成的静态混合器件获得改进。然而，明显可见的是由金属制成的相同类型的静态混合器件进一步降低用于相转化的起始点。单独地根据这些结果，已经可以推断出相转化一方面与所选装置的类型有关，另一方面取决于用于该装置的材料。令人惊讶地，当使用其中至少与第一和第二流体接触的表面由金属制成的静态混合装置时，可以将用于相转化的起始点降低至从现有技术未预期且未知的程度。测试已显示在小于40％、优选地小于35％、特别地小于30％的水含量下可以获得相转化。该图还示出线31、32、33。这些线中的每一个属于各 自条块并指示针对任何混合器件观察到的相转化起始点的统计离散。从而，对应于空管的线31显然指示最大的统计离散。如针对由塑料材料制成的静态混合器件23的线32所指示的起始点的统计离散仍是相当大的，而由金属制成的静态混合器件24的起始点的统计离散是非常小的。由此接着，通过采用静态混合器件，能够相当准确地预测相转化的起始点，很明显对于通常为了此目的而采用的空管而言情况不是这样。特别地通过使用由金属制成的静态混合器件获得的此意外优点有助于保持过程控制系统的低成本。由于对于每个分散体而言能够预测将在静态混合器件中发生的用于相转化的起始点，所以与最佳点的任何偏离立即被控制系统感测，这样的结果是，控制系统显示出高度的响应性。因此，稳定的过程控制是可容易获得的。
根据表1所指示的参数，图9至图11示出系统的相转化的结果。测试设施包括具有DisPP分散器的用于相转化的PhIPP混合器。第一流体2是水，第二流体3是油。油中水分散体将被针对分散相具有不足润湿性质的空管或静态混合器件转化。油中水分散体被用作将被流体供应器件提供给相转化器件的流体。
表1
进入分散体的水分数xD、沙得直径d32、和流速vinv已被保持不变。沙得直径d32是液滴的代表性直径且被定义为与感兴趣的液滴具有相同体积/表面面积比的球体的直径。通过将待分析的系统的所有液滴的体积之和除以同一系统的所有液滴的表面面积之和来计算沙得直径。向分散体中添加水。这导致静态混合器件中的增加的总水量xinv。在图9所示的第一情况下，未发生相转化。在图10中，已发生部分相转化。分散体的一部分仍作为油中水分散体而存在，而分散体的另一 部分被变换成水中油分散体。然而，此部分的油相包含小液滴形式的水分数，因此，在这种情况下，由于仍有多重液滴，存在水中油中水(water in oilin water)分散体。
图11示出水中油中水分散体。因此，在这种情况下已获得相转化。值得注意的是在高的xinv值下已发生相转化。通过将xinv增大至57％，在静态混合器件中发生相转化。在57％水的值下，相转化产生水中油中水分散体，其只能部分地被容易地分离。因此，只能将连续的水分数2与油滴3分离。包含在油滴内的水2仍存在与在将分散体供应到空管中之前存在于流体供应器件中的分散体相同的针对分离的问题。因此，已被转化的分散体的仅一部分可以更容易地被分离，而对于其余部分、亦即多重液滴而言，仍存在与稳定的油中水分散体相关联的分离问题。然而，此结果与现有技术使用空管来改变油中水分散体的性质相比仍是进步。如果由静态混合器件获得用于分散体的一部分的相转化，则至少此部分可以被更容易地分离。由此接着，已经通过使用具有不足润湿性的静态混合器件，实现了在流体排出器件的下游的分离成本的降低。
图12、图13和图14示出通过使用根据第二变体的针对分散相具有良好润湿性的静态混合器件获得的相转化的示例。该混合器由金属制成并具有高的比表面。测试设施包括具有DisPP分散器的PhIS2混合器。
表2
图 xinv 系统 xD d32 vinv
号 [-] [-] [-] μm m/s
12 0.19 w/o 0.1 130 1
13 0.2 o/w 0.1 130 1
14 0.3 o/w 0.1 130 1
表2示出用于获得根据图12、图13和图14的结果的参数。图12示出油中水分散体的比较性示例。因此，形成图12中的分散相的第一流体2是水，形成连续相的第二流体3是油。在水分数为0.19时， 在通过具有带金属表面的连结板的图7所示类型的静态混合器件之后，未观察到相转化。
转到图13，示出了水中油分散体，因此，在与用于图12的相同实验设备中已发生相转化。液滴中的分散相是第二流体3，在这种情况下是油，而连续相是水。特别值得注意的是，在相对于图12发生0.01的非常小的水分数变化时，发生相转化。此外，已发生相转化时的0.2的水分数与通过根据图9至图11的实验实现的远远超过0.5的水分数相比相当低。这甚至更令人惊讶，因为静态混合器件的几何结构和长度与在现有技术中相同。因此，通过使用具有良好润湿性的静态混合所获得的相当大的改善可能是未预料到的，并且令人惊讶地使相转化点移位至0.2的水分数。
图14示出当通过添加额外的水作为补充流体或通过处理具有0.3的水含量的油中水分散体来增加水分数时，也发生相转化。
通过图12至图14的每个结果，将观察到另外的令人感兴趣和惊讶的效果。当使用如上所述类型的静态混合器件时，可以避免多重液滴的发生。因此，在分散相中，也即在图12中的水及图13和图14中的油中，几乎不包括连续相的迹象作为小液滴，在图10和图11中情况尤其如此。因此，如果在进入静态混合器件之前添加额外的水，则图12至图14的结果对应于图2c或图3d所描绘的情况。在一些情况下，可能发生根据图3c的情形，然而，图12至图14未清楚地示出这种油滴内的小水滴的现象。
当参考图15时，通过使用与图12至图14相同的布置来示出另外的结果。在图15中，水分数是0.18，因此尚未发生相转化。因此，第一流体2(即水)以分散相存在，并且第二流体3(即油)以连续相存在。图16示出对于0.2的水分数的结果。如图12至图14的结果所预期的，观察到相转化，并且再次地，对于大多数液滴发现与在图2c或图3d中描绘的情形类似的情形。这意味着对于大多数液滴，不存在以值得注意的程度出现的多重液滴。仅对于少的液滴而言，发生如图2b或图4c所示的情形。这样的结果是，水中油分散体的分离与现有技术的分散体相比更为容易，甚至相比图9至图11的分散体也更为容易。
图17和图18是示出静态混合器件在根据图2a的等分数相转化 中的性能的图示。已经使用三种类型的静态混合器件，诸如在US3785620中公开的显示出不足润湿性质的具有Sulzer SMVTM混合元件的PhIPP混合器。此外，已使用显示出最佳润湿性质的PhIS2类型的静态混合器件。PhIS2混合器由钢制成，具有高比表面。PhIS1也由钢制成，然而，其性能看起来更差一点，但是仍允许进行相转化。与此相比，由塑料材料制成的PhIPP混合器在小于53％的水分数下不将油中水分散体转化成水中油分散体。特别地，已经使用Sulzer SMVTM静态混合器件来获得图17或图18的结果，或者换言之，对于每次测试，使用相同几何结构的静态混合器件。然而，根据图17或图18中每一个的静态混合器件由不同材料制成，即聚丙烯和两种不同类型的不锈钢，一种是1.4306类型。
在图的水平轴上，指示韦伯数，用于表征流体流的无量纲数，其中，在两种不同流体之间存在界面，尤其是对于强弯曲的界面表面的多相流而言，诸如分散体。可以将其视为流体的惯性与其表面张力相比的相对重要性的度量。该量在分析液滴和气泡的形成时有用。
在垂直轴上，指示xcrit_i-xcrit_d之间的差。xcrit_i是对于油中水分散体将在静态混合器件中被转化成水中油分散体而言的临界水分数。xcrit_d是分散体在不使用静态混合器件的情况下自行转化时的水分数。示出由于实验程序而引起的xcrit_i-xcrit_d的差。值＜0显示静态混合器件已促进了油中水分散体到水中油分散体的相转化。
所有静态混合器件已经历不同的流速值。已用0.75m/s的流速获得了图17所示的第一组曲线51、52、53、54、55。在相转化混合器的上游使用DisS分散器或DisPP分散器。使用分散器来产生用于实验装置的分散体。两个分散器彼此不同，使得其在DisS的情况下由钢制成而在DisPP的情况下由聚丙烯制成。由分散器获得的液滴尺寸不同，使得通过使用DisS分散器，得到小尺寸的液滴，而通过使用DisPP分散器，获得较大的液滴。
在图17中参考以下附图标记，其中，等分数相转化系统在0.75m/s下操作。
51、54 混合器PhIPP的曲线
52 混合器PhIS1的曲线
53、55 混合器PhIS2的曲线
术语“PP”代表由塑料、在此特定情况下由聚丙烯制成的静态混合器元件。
术语“S”代表由不锈钢制成的静态混合器元件。特别地，已将1.4306类型的不锈钢用于静态混合器元件布置，通过该布置已获得最佳结果。
如图18中所示，在流速为1m/s的情况下，已获得第二组曲线56、57、58、59、60。
56、59 混合器PhIPP的曲线
57 混合器PhIS1的曲线
58、60 混合器PhIS2的曲线
图17至图18显示通过使流速移至更高的值，相转化的起始点受到相当大的影响。当流速较低时，相转化在分散相的较低体积分数时发生，从而比较由一种类型的静态混合器件、特别是由两种不同类型的钢制成的静态混合器件获得的结果。
根据图17或图18的分散器是用于预调节器件的示例，并且可以是位于在静态混合器件的上游的流体供应器件中的阀或静态混合器件。可以将此类预调节器件添加到前述任何实施例。如已结合现有技术概述的，可以将其用来产生小液滴。然而，结合所述的任何实施例，其被用于完全不同的目的。已经观察到通过利用诸如阀或静态混合器件的预调节器件，可以进一步减少多重液滴的量。相比进入预调节器件的分散体，离开预调节器件的分散体由更小的液滴组成。当由预调节器件获得的分散体进入静态混合器件时，相转化以更加受控的方式发生。可选地，可以在预调节器件之前或在预调节器件与静态混合器件之间向流体供应器件添加补充流体。
具有小于0.02Pas的动态粘度的分散体的流速优选地至多为3.5m/s，具有0.02Pas至0.1Pas的动态粘度的分散体的流速优选地至多为2m/s，具有大于0.1Pas的动态粘度的分散体的流速优选地至多为1m/s。
参考圆形截面的空管来计算流速。该流速被定义体积流量[m3/s]除以圆形截面的空管的截面积[m2]。
对于动态粘度和流速的范围中的每一个，已使用以下静态混合器件。材料规格对应于前述静态混合器件，因此，PhIPP是具有由聚丙 烯制成的流体接触表面的SMVTM类型的静态混合器件，PhIS1是具有由通用钢制成的流体接触表面的SMVTM类型的静态混合器件，PhIS2是具有由1.4306类型的不锈钢制成的流体接触表面的SMVTM类型的静态混合器件。
特别地，已使用具有如表3所示的几何特性的静态混合器件。
表3
混合器标识 比表面积
[m2/m3]
PhIPP 608
PhIS1 583
PhIS2 1524
表3显示用于针对第一流体(在这种情况下为水)具有良好润湿性的任何材料的临界水分数xcrit_i的显著改善的降低令人惊讶地与静态混合器件的比表面积有关。因此，特别是对于由金属制成的静态混合器件而言，根据图8的相转化分数小于30％。
通过布置在流体流中的越来越多的板，增加了比表面积。例如，对于静态混合器件PhIS2而言，获得1524m2/m3的比表面积。板被布置成基本平行于主流动方向，该主流动方向平行于静态混合器件的轴线，例如根据图5a的静态混合器件的轴线7。板优选地是波纹板。波纹优选地向主流动方向倾斜。波纹相对于轴线角的倾角是10°至80°，优选地20°至75°，更优选地30°至60°。可以将相邻板的波纹布置成交叉关系，从而可获得交叉波纹结构。因此，板被并排堆叠，使得波纹的方向在相邻的板中是相反的。因此，板限定多个交叉通道，第一和第二流体可以流过这些交叉通道。
本发明不限于油水系统。其等同地适用于不互溶流体的任何系统。
本发明不限于使用两种不互溶的流体。其等同地适用于包括多于两个组分的混合物并适用于包含固相和/或气相的混合物。

Claims (30)

1.一种用于分散体的相转化的方法，所述分散体包括第一流体和第二流体，所述第一流体形成分散相且所述第二流体形成连续相，所述方法包括步骤：将流体供应器件中的所述分散体供应到相转化装置，使得所述第一流体从分散相变换成连续相且所述第二流体从连续相变换成分散相，由此，所述第一流体的液滴沿流动方向在提供流体接触表面的元件处聚结，其中，所述第一流体(2)和所述第二流体(3)在所述流体接触表面上经过时混合，由此，所述流体接触表面具有至少为400m2/m3的比表面积，其中，所述比表面积被定义为流体接触表面的表面面积除以流体接触表面被嵌入其中的流体通道的容积。
2.一种用于不互溶流体的分散体的相转化的系统(1)，所述分散体包括形成分散相的第一流体(2)和形成连续相的第二流体(3)，所述系统(1)包括用于向相转化装置供应所述第一流体(2)和所述第二流体(3)的流体供应器件(4)，以便将所述第一流体(2)的一部分从分散相变换成连续相并将所述第二流体(3)从连续相变换成分散相，其特征在于，所述相转化装置包括提供流体接触表面的元件，以便沿流动方向的聚结，由此，所述流体接触表面具有至少为400m2/m3的比表面积，其中，所述比表面积被定义为流体接触表面的表面面积除以流体接触表面被嵌入其中的流体通道的容积。
3.如权利要求2所述的系统，其中，所述元件的所述流体接触表面被配置为使得形成分散相的所述第一流体经受剪切力，允许形成分散相的所述第一流体的任何液滴保持稳定。
4.如权利要求2或3中任一项所述的系统，由此，所述流体接触表面具有大于750m2/m3。
5.如权利要求2或3中任一项所述的系统，由此，所述流体接触表面具有大于1000m2/m3的比表面积。
6.如权利要求2所述的系统，其中，所述元件包括用于将所述第一流体(2)与所述第二流体(3)混合的静态混合器件(5、23、24)。
7.如权利要求6所述的系统，其中，所述静态混合器件(5、23、24)具有小于100mm的液压直径(30)。
8.如权利要求6所述的系统，其中，所述静态混合器件(5、23、24)具有小于50mm的液压直径(30)。
9.如权利要求6所述的系统，其中，所述静态混合器件(5、23、24)具有小于15mm的液压直径(30)。
10.如权利要求2所述的系统，其中，所述元件包括由金属制成的流体接触表面。
11.如权利要求2所述的系统，由此，所述流体接触表面对于所述第一流体(2)而言比对于所述第二流体(3)而言具有更好的润湿性。
12.如权利要求2所述的系统，其中，所述流体接触表面包括不同润湿性质的材料。
13.如权利要求12所述的系统，其中，所述不同润湿性质的流体接触表面以交替顺序布置。
14.如权利要求2所述的系统，其中，包括多个静态混合器件(5、23、24)或混合结构的静态混合器件。
15.如权利要求14所述的系统，其中，所述静态混合器件(5、23、24)具有轴线(7)，所述静态混合器件还包括多个板(8)，所述多个板(8)被布置为与所述轴线(19)成一角，以便使流体流从平行于所述轴线的其主流动方向偏斜至沿所述角的流动方向。
16.如权利要求15所述的系统，其中，所述角是10°至80°。
17.如权利要求15所述的系统，其中，所述角是20°至75°。
18.如权利要求15所述的系统，其中，所述角是30°至60°。
19.如权利要求15至18中任一项所述的系统，其中，所述板是波纹板。
20.如权利要求14所述的系统，其中，所述静态混合器件包括布置在管(40)中的第一和第二组横杆(12、13)或连结板(42、43)，由此，所述横杆(12、13)或连结板(42、43)相对于主流动方向倾斜，并且所述第一组横杆(12)或连结板(42)被布置在第一平面(14、44)中，并且所述第二组横杆(13)或连结板(43)被布置在第二平面(15、45)中，由此，所述第一平面(14、44)和所述第二平面(15、45)相互交叉，并且在所述第一平面(14、44)和所述第二平面(15、45)之间形成至少30°的角(16、46)。
21.如权利要求14所述的系统，其中，所述静态混合器件包括布置在管(40)中的第一和第二组横杆(12、13)或连结板(42、43)，由此，所述横杆(12、13)或连结板(42、43)相对于主流动方向倾斜，并且所述第一组横杆(12)或连结板(42)被布置在第一平面(14、44)中，并且所述第二组横杆(13)或连结板(43)被布置在第二平面(15、45)中，由此，所述第一平面(14、44)和所述第二平面(15、45)相互交叉，并且在所述第一平面(14、44)和所述第二平面(15、45)之间形成至少50°的角(16、46)。
22.如权利要求14所述的系统，其中，所述静态混合器件包括布置在管(40)中的第一和第二组横杆(12、13)或连结板(42、43)，由此，所述横杆(12、13)或连结板(42、43)相对于主流动方向倾斜，并且所述第一组横杆(12)或连结板(42)被布置在第一平面(14、44)中，并且所述第二组横杆(13)或连结板(43)被布置在第二平面(15、45)中，由此，所述第一平面(14、44)和所述第二平面(15、45)相互交叉，并且在所述第一平面(14、44)和所述第二平面(15、45)之间形成90°的角(16、46)。
23.如权利要求2所述的系统，其中，预调节器件被布置在所述相转化装置的上游的所述流体供应器件中。
24.如权利要求23所述的系统，其中，所述预调节器件包括用于产生剪切力的元件。
25.如权利要求2所述的系统，其中，所述分散体的流速为至多3.5m/s。
26.如权利要求25所述的系统，其中，所述分散体具有小于0.02Pas的动态粘度。
27.如权利要求2所述的系统，其中，分散体的流速为至多2m/s。
28.如权利要求27所述的系统，其中，所述分散体具有0.02Pas至0.1Pas的动态粘度。
29.如权利要求2所述的系统，其中，所述分散体的流速为至多1m/s。
30.如权利要求29所述的系统，其中，所述分散体具有大于0.1Pas的动态粘度。
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