CN102170963B - 用于对容器内的流体进行混合的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于对容器(12)或储罐内的流体或液体(14)进行混合的方法和设备(10)。本发明包括具有入口装置(18)和混合器(28)的设备。本发明以惊人而意外的高效率将原油和/或其它烃材料混合至匀质状态。本发明包括使用所述设备来混合容器的内容物和/或两种分层材料的方法。本发明具有对密度和/或粘度不同的材料进行混合的能力。

Description

用于对容器内的流体进行混合的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于对容器或储罐内的流体或液体进行混合的方法和设备。
背景技术
最近的原油价格不断上涨的趋势以及可获得的供给迫使精炼厂必须具有处理各种不同类型原油的能力，同时要提供对处理单元的一致而安全的操作。精炼厂寻求从石油原料灵活性中获取经济利益的一种方式是：在原油蒸馏单元(distillation unit)或管式蒸馏器(pipe still)中对各种原料进行处理之前先混合这些原料，例如将较廉价的重质原油与轻质原油混合。一种典型的方式是在原油储罐中对原油材料进行混合。该原油储罐具有大的容积，例如大约125000m3。
用于对原油储罐进行混合的已知装置包括：具有船用式螺旋桨(propeller)的侧入式搅拌器。这些搅拌器并不能令人满意地将两种或更多种原油混合，随着未混合的原油被供给到精炼厂，出现了显著的操作和安全问题。最近的科学期刊文献公开了使用计算流体力学对利用搅拌器混合的原油储罐进行建模，和/或公开了将搅拌器与喷射混合器相组合。
Cheremisinoff在《Handbook of chemical process equipment》(化学工艺设备手册)中阐述了混合至达到实际匀质性，推荐了10倍的罐周转量并且混合至使得储罐中的顶部采样点与底部采样点之间具有近似1％的偏差，通常，3倍的罐周转量就足够了。类似地，Paul在《Handbookof industrial mixing：science and practice》(工业混合手册：科学与实践)中阐述了：对于粘度小于100厘泊的液体，需要3倍的罐周转量来在储罐中达到95％的匀质性；而对于粘度大于等于100厘泊但小于1000厘泊的液体，需要10倍的罐周转量来在储罐中达到95％的匀质性。
Atwood的美国专利2322087公开了一种喷射器储罐混合器，其中，从储罐内的流体的所有液体水平同时抽吸曳出流体。入口混合管的孔口以使得从各个液体水平抽吸的量沿入口混合管向上增加的方式而成比例地变化。
Kuerten等人的美国专利3847375公开了对于在体积和/或密度方面彼此差异极大的液体进行混合的方法。液体分散剂被投入脉冲式交换室中。
Colebrander的国际公开号为WO 01/03816的申请中公布了如下方法：即，通过将第一液体喷射到搅动容器中来将第一液体引入到含有第二液体的该搅动容器中，其中，喷射速度与叶轮的叶尖速度之比大于2。
虽然前述公开内容促进了现有技术的发展，但仍然需要、而且期望将容器的内容物快速混合和/或匀质化。另外，也需要并期望对在第二液体上分层的第一液体进行混合，以实现对处理单元的均一供给。另外，也需要并期望对具有密度差和/或粘度差的液体进行混合。
发明内容
通过用于对容器或储罐内流体或液体进行混合的方法和设备，至少部分满足了上面提出的需求和期望。本发明包括具有入口装置和混合器的设备。本发明以惊人而意外的高效率将原油储罐的内容物和/或其它烃材料混合至匀质状态。本发明包括使用所述设备来对容器的内容物和/或两种以上的分层材料进行混合的方法。本发明具有对密度和/或粘度不同的材料进行混合的能力。
根据第一实施例，本发明包括一种流体混合设备。该混合设备包括：容器，该容器用于容纳具有液体水平的液体；入口装置，该入口装置能随着所述液体水平移动；动力装置，该动力装置具有吸入部和排出部，其中该吸入部流体连接至所述入口装置；以及至少一个混合器，所述至少一个混合器流体连接至所述排出部。
根据第二实施例，本发明包括一种对容器内的液体进行混合的方法。该方法包括：使入口装置基于液体水平而移动；利用所述入口装置抽取一部分液体；以及利用至少一个混合器使该一部分液体返回至所述容器的一个不同的部分。
根据第三实施例，本发明包括一种对于在第二流体上分层的第一流体进行混合的方法，该方法包括：使入口装置基于第一流体的液体水平而移动；利用所述入口装置抽取第一流体的一部分；以及通过至少一个混合器使第一流体的所述一部分与第二流体的一部分相组合。
附图说明
并入本说明书并构成其一部分的附图示出了本发明的实施例，并与本文的描述一起用于说明本发明的特征、优点和原理。
图1示出了根据一个实施例的混合设备；
图2示出了根据一个实施例的逆向混合设备；
图3示出了根据一个实施例的、半满储罐中的混合设备；
图4示出了根据一个实施例的、具有混合设备的储罐的分层内容物；
图5A示出了根据一个实施例的、组合式混合装置和动力装置；
图5B示出了根据一个实施例的浮动窗；
图6A和6B示出了根据一个实施例的组合式混合装置；
图7A和7B示出了根据特定实施例的喷射器；
图7C示出了根据一个实施例的喷射器流型；
图8A至8H示出了根据特定实施例的喷嘴；
图9A示出了根据一个实施例的圆形歧管；
图9B示出了根据一个实施例的、图9A的侧向截面图；
图9C示出了根据一个实施例的直线形歧管；
图9D示出了根据一个实施例的、图9C的侧向截面图；
图10示出了根据一个实施例的浮动吸入部；
图11A至11C示出了在混合期间的不同时间间隔点的、具有分层内容物的储罐；并且
图12A至12F示出了根据一个实施例的、在混合期间的不同时间间隔点的、储罐的分层内容物。
具体实施方式
本发明涉及用于实现容器内容物的最佳混合时间(减少的混合时间)和均匀性的设备和方法，例如用于如下这种情形：这些内容物由于大于约2kg/m3的密度差和/或大于约10厘泊的粘度差而发生分层。快速制成或形成均匀混合物具有若干个工业上的优点。第一个优点可以包括：对精炼厂的均匀原油供给，以防止由于原油供给特性的突然变化而造成加工干扰(process upsets)，由此允许以峰值处理量和经济有效值进行操作。第二个优点可以包括：在精炼厂中的均匀中间储存，以防止由于中间供给特性的突然变化而造成加工干扰，由此允许以峰值处理量和经济有效值进行操作。第三个优点可以包括：均匀混合的最终产物，以减少在期望产生高于规格的生成混合物从而全部(非良好混合的)样品满足规格要求时的“价值消减(value giveaway)”。
通过根据一个实施例的设备，至少能够部分实现本发明的这些及其它优点，该设备可以包括：浮动吸入部，该浮动吸入部基本上在液体表面处抽取液体(独立于储罐的液体水平)；泵，该泵用于将该液体循环回到储罐中；分散的喷射混合器(简单的喷嘴、喷射器等)组，该混合器组设置成基本上从储罐的底部引导流体。
期望的是，本发明将浮动吸入部与分散式喷射混合器协同地组合，从而产生了令人惊讶的结果。在本发明中，低密度流体能够从储罐的大约顶部5％的流体中被连续抽吸，并与来自储罐的大约底部5％的高密度流体在喷射器或者喷射混合器中密切混合，以产生中间密度混合物，该中间密度混合物移动和/或流向储罐中的中心层并且继续被混合器出流(outflow)平缓地搅拌。例如，通过惯性驱动力和/或浮力驱动力，能够便于和/或推进大体积混合。能够以大约0.6倍的罐周转量使储罐均匀地混合(顶部和底部之间的浓度差小于1％)。
如图1所示并且根据一个实施例，流体混合设备10可以包括容器12，该容器12例如是用于容纳具有液体水平16的液体14的敞顶储罐。流体混合设备10可以包括入口装置18，该入口装置18流体连接至动力装置20，该动力装置20例如是离心泵22。入口装置18可以连接至吸入部24，动力装置20可以包括排出部26。排出部26可以流体连接到至少一个混合器28，该混合器28位于容器12的底部30上或该底部30附近。期望的是，底部30具有相对于入口装置18的不同位置46。
液体14能够被抽吸到位于液体水平16的顶部附近的入口装置18，并且能够在从容器12的底部30附近的至少一个混合器28流出之前流到动力装置20。
如图2所示并且根据一个实施例，具有容器12的流体混合设备10可以包括相对逆向的构造，例如，与图1中的构造总体上相反的构造。相同的这些部件能够重新构造或重新布置成允许液体14从具有入口装置18的底部30流过具有吸入部22和排出部26的动力装置20，然后流出到位于液体水平16处或液体水平16附近的至少一个混合器28和相对于所述入口的不同位置46。
如图3所示并且根据一个实施例，具有固定盖式储罐的流体混合设备10可以包括热交换器58，例如用于循环期间的冷却和/或加热。热交换器58可以置于任何适当的位置，例如可置于泵22的排出部26之后，插入到容器12内，和/或置于与液体14热接触的任何其它位置。
入口装置18可以包括柔性弯头或其它适当的弯曲构造，例如，用于高度比直径或长度大的半满储罐。
如图4所示并且根据一个实施例，流体混合设备10可以安装有浮动盖44。液体14可以包括位于第二流体52上的第一流体50，从而形成分层系统54并在混合之前具有多个层56。
如图5A所示并且根据一个实施例，流体混合设备10可以安装在容器12内部，该容器12例如具有隔离件64，该隔离件64具有随着液体14的液体水平16而移动的移动窗66。液流能够穿过移动窗66并沿隔离件64向下，例如被动力装置20抽吸，这也与至少一个混合器28相同。该组合式装置可以包括搅拌器60，例如该搅拌器60具有叶轮62和驱动器68。驱动器68可以包括位于容器12外部的马达或涡轮。图5B示出了可在两个导向件和/或导轨之间滑动的移动窗66，例如该移动窗66随着液体水平16而移动。在不偏离本发明的范围的前提下，可以使用其它构造的移动窗66。
根据一个实施例并且如图6A及图6B所示，流体混合设备10可以包括：混合器28A，该混合器28A例如是用于组合式混合装置的水平喷嘴；以及混合器28B，该混合器28B例如是用于组合式混合装置的搅拌器。当流体连接至入口装置18和/或动力装置20时，组合一种以上类型的混合装置可具有协同作用(synergistic effect)。期望的是，液体14能够由泵22通过浮动吸入部42抽吸、喷射到叶轮式混合器(impeller mixer)28B或该叶轮式混合器28B附近，例如使主流体进入该搅拌器的高剪力区。在替代方案中，该组合式混合装置可以将喷嘴式混合器28A的流引导为与叶轮式混合器28的排出流会合，例如朝向容器12的中央部。该组合式混合装置构造在具有浮动盖的储罐中运行是有利的。在不偏离本发明的范围的前提下，可以采用其它构造的浮动吸入部42及组合式混合装置28A、28B。
根据一个实施例并且如图7A及图7B所示，本发明可以包括用于所述至少一个混合器的喷射器32。主流体和副流体可以具有任意适当的构造(configuration)，例如，如图7A所示的大致共轴的构造和/或如图7B所示的大致垂直的构造。图7C示出了一种可能的流型，其中在容器12中设有喷射器32。除了图7A至图7C所示的构造之外的、其它构造的喷射器32也在本发明的范围内。
根据一个实施例并且如图8A至8H所示，本发明可以包括用于所述至少一个混合器的喷嘴34。典型但并非必须地，该喷嘴可以包括减小的截面面积以提高流体速度，例如包括一个以上的孔洞(hole)、缝隙、钻孔、孔口等。除了图8A至8H所示的构造之外的、其它构造的喷嘴34也在本发明的范围内。
如图9A至9D所示并且根据一个实施例，分散式混合装置40可以包括大致圆形的歧管，参见图9A和图9B(可以设有另外的喷射器)。在替代实施例中，分散式混合装置40可以包括大致直线形的歧管，参见图9C和图9D。分散式混合装置40可以包括任何适合的角度，例如向上角度36和/或水平角度38。
如图10所示并且根据一个实施例，本发明可以包括浮动吸入部42，该浮动吸入部42例如具有浮球、旋转接头(swivel)或枢轴、系链等。
根据一个实施例，本发明可以包括流体混合设备。所述设备可以包括：容器，该容器用于容纳具有液体水平的液体；入口装置，该入口装置能随着所述液体水平移动；动力装置，该动力装置具有吸入部和排出部，该吸入部流体连接到所述入口装置；以及至少一个混合器，该至少一个混合器流体连接到所述排出部。
从广义上来说，容器是指适当的液体容纳和/或保持装置，例如储罐、筒、管道、池、槽、半圆球壳、腔、球等。容器可以具有任何适当的尺寸、高度、长度、直径和/或形状。根据一个实施例，容器能够包括敞顶储罐、固定盖式储罐、浮动盖式储罐、内部浮动盖式储罐、地下储存设施等。容器的高度与直径之比可以是任何适当的数，例如约1∶10，约10∶1，并且/或期望至少为约1∶3。根据一个实施例，容器包括原油储罐、中间炼油厂馏分储罐、成品精炼厂产品储罐等。
液体一般是指具有不固定形状、但具有至少大致确定的体积的流体，例如不可压缩材料和/或可轻微压缩的材料。液体可以含有悬浮液和/或颗粒物质，例如浆液。液体可以含有溶解固体、悬浮固体和/或气体。液体可以包括纯的材料、以及混合物、乳状液和/或溶液。混合物、乳状液和/或溶液可以包括单相或单层，和/或多相或多层。在替代方案中，液体包括具有除了固态和/或气态以外的基本物质状态的材料。根据一个实施例，液体可以包括原油、沥青、焦油砂材料、残余材料(例如，原油塔底和/或真空塔底)、沥青流、其它炼油厂馏分(refinerystreams)、中间馏分、成品和/或任何其它适当的材料。液体可以包括由于密度和/或粘度等而分层的多个层。
液体水平(liquid level)总体上是指液柱的顶表面和/或高度，例如，如敞顶储罐中的气液界面，和/或一般是指浮动盖相对于液体而驻留的位置。彼此叠置地分层的各层液体可分别包括各自的液体水平。该液体水平可以具有容器内的任何适量的工作体积，例如至少约20％、至少约50％、至少约70％、至少约90％、约100％和/或任何其它适当的量。根据一个实施例，容器中的液体高度包括：小于所述容器的一半高度。
从广义上来说，入口装置是指任何适当的流体收集装置，例如喷嘴、管道入口、沟槽、通道等。该入口装置可以包括任何适当的构造和/或取向，例如大致向上、大致向下和/或以任何其它角度指向。该入口装置随液体水平移动、追踪、调节和/或移动的能力可以包括：在液体水平处和/或液体水平上移动、在液体水平下方或偏离液体水平地移动、以及在液体水平上方移动，例如在分层储罐中的第一液体水平上方移动。该偏移可以包括任何适当的量，例如在液体水平上方或下方约1米、约2米、或者约5米。根据一个实施例，该入口装置在液体水平下方约1米处移动并具有向上取向，以便从表面附近抽吸材料。
该入口装置可以包括任何适当的机械部件，例如浮球、浮力装置、管道、旋转接头、铰链、滑动管系统、挠性接头、波纹管膨胀节、相对刚性的软管等。根据一个实施例，该入口装置包括浮动吸入部，例如其位于液体水平顶部或在该顶部附近。期望但并非必须地，该入口装置能够随着容器内的浮动盖移动，例如在轨道装置上移动。对于直径大于高度的容器，入口装置可以包括浮球、管道和旋转接头构造。对于高度大于直径的容器，入口装置还可以包括一个以上的铰接接头，以便允许管道弯曲和/或自身折叠。在不偏离本发明的范围的前提下，可以使用其它构造的入口装置。
期望的是，入口装置随着液体水平而调节和/或移动。入口装置能够为容器的至少大部分的工作容积提供足够的流量，如上文关于液体水平所讨论的范围。入口装置可以包括任何适当的构造。根据一个实施例，入口装置包括单个开口和/或缝隙，例如不包括多个孔口。期望但非必须地，入口装置仅在一个相对分散的液体水平和/或位置处获取或抽吸流体，例如在液体水平附近，而不是在容器内的多个液体水平和/或位置处同时获取或抽吸流体。
从广义上来说，动力装置包括用于将流体从一个位置运送到另一个位置并且/或例如利用动力输入来增加该流体的压力和/或速率的、任何适当的机构。动力装置可以非限制性地包括：泵、正排量泵、离心泵、水下泵、喷射器、叶轮、搅拌器等。动力装置能够以任何适当的构造设置和/或连接到该系统的其它部分，例如在入口装置和混合器之间。在替代方案中，动力装置和混合器可以是同一装置，例如经由入口抽吸材料并在排出部进行混合的搅拌器。动力装置可以位于容器外部和/或容器内部。
吸入部一般是指：入口和/或大体上低压力的区域或位置。排出部一般是指：出口和/或大体上高压力的区域或位置。根据一个实施例，动力装置的吸入部和排出部可以流体连接，例如通过回接(kick back)和/或最小流线来流体连接。
从广义上来说，流体连接和/或流体连通是指：液体能够从一个位置流动和/或运送到另一个位置。流体连接可以通过任何适当的方式进行，例如通过管道、配管(tubing)、通道、导管、隔离件、导流体(baffle)、排水孔、将物品放置得极为贴近等。
从广义上来说，混合器是指：例如利用动力输入和/或搅拌来提高流体系统的匀质性和/或减小梯度的、任何适当的装置。例如，在匀质系统中使用的混合器可以有利地施加湍流。所述混合器可以包括任何适当的设备，例如喷嘴、喷射器、排出器、搅拌器、叶轮、螺旋桨、混合三通件、静态混合器、混合阀等。根据一个实施例，该混合器包括管道的端部。
混合器可以具有任何适当的位置，例如安装或设置在容器底部或在该底部附近。根据一个实施例，混合器安装在容器的底板或底部上方约1米处。
期望的是，混合器包括剪切混合和/或紧密混合，例如，来自入口装置的流体与紧密围绕混合器的流体之间的混合。剪切混合一般沿分子扩散面发生。
还期望的是，混合器包括大体积混合，例如，来自入口装置的流体与紧密围绕混合器的流体之间的混合。大体积混合一般通过动量驱动力、惯性驱动力和/或浮力驱动力而发生。
从广义上来说，喷嘴是指发射部，例如用于传送流体或液体。喷嘴能够通过允许和/或使第二流体流入第一流体中来混合流体。期望但非必须地，喷嘴可以具有一定的锥度和/或廓线，以便提高流体和/或液体的速度。提高的速度可以提高湍流和/或进一步促进混合，例如通过动量驱动力。
从广义上来说，喷射器和/或排出器是指：使副流体与主流体或者驱动流体加速的装置，如蒸汽喷射器在凝汽式涡轮机的面冷凝器上抽真空。大体上但并非必须地，喷射器包括喉部、喉管设计部和/或扩散段，以便加快主流体的速度及抽吸和/或夹带一定体积的副流体。主流体与副流体的体积之比可以包括任何适当的量，如大约1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5、1∶6等。期望的是，喷射器紧密地混合一部分主流体和副流体，例如以高的剪切力。主流体可以包括来自容器的另一部分或另一分段中的一部分液体，例如顶部上或顶部附近的液体。
喷射器和某些情况下的喷嘴可以称为喷射混合器。期望的是，喷射混合器除了流过它们的流体之外不包括移动部件。根据一个实施例，本发明使用经过喷射器和/或喷嘴的、与副流体不同的主流体和/或动力流体，以包围流体和/或由于密度、成分、粘度、温度等而夹带的流体。
从广义上来说，搅拌器是指用于搅拌和/或摇动的装置或设备。搅拌器可以具有超声波能力，例如以大约20kHz和/或高于该频率和/或任何其它适当的频率振动。搅拌器可以包括将动力输入至流体内的装置，并且可以包括具有至少一些推进和/或流体移动的装置。搅拌器能够包括设置在容器内部或容器外部的马达或驱动器，如通过轴而设置。搅拌器可以在任何适当的速度下运行，例如直接或间接联接到驱动器。根据一个实施例，搅拌器产生或造成空穴或造成过多空穴。在替代方案中，搅拌器不产生或不造成空穴，但仍保持大体上的湍流流态。可选地，搅拌器能够以大致层流的流态运行，例如当加工或处理非常高粘度的材料时。
从广义上来说，螺旋桨是指可以包括大致中心毂盘的装置，所述中心毂盘具有所设置和扭转的辐射状叶片，以便形成大体上螺旋面的一部分。期望的是，该螺旋面对流体施加动作，如混合和/或其它运动。该螺旋桨可以安装在轴和/或其它适当的动力传递装置上。
从广义上来说，叶轮是指安装在轴上的混合装置的其它构造，如具有大致放射状构造和/或非螺旋面的构造。期望的是，叶轮对流体施加动作，如混合和/或其它运动。叶轮可以安装在轴和/或其它适当的动力传递装置上。
混合三通件、混合阀、静态混合器等可以大体上使第一流体与第二流体组合，如通过紧密接触。根据一个实施例，入口装置从液体水平的顶部抽吸流体，而第二入口装置从底部抽吸流体。这些流体能够在返回到容器中的适当位置、如通过返回装置返回到中间位置之前，在混合三通件、混合阀和/或静态混合器中组合。该返回装置可以基于与第一入口装置和/或第二入口装置的关系而移动。
混合器可以包括任何适当的构造，如基本上向上成角度倾斜、基本上向下成角度倾斜、基本上水平等。根据一个实施例，多个混合器能够布置在储罐底部上或相对于储罐底部布置，并且使某些混合器指向上，而另外的混合器水平地指向，以形成和/或允许在截面中包括两个大致圆形型态的大致螺旋形流型。例如，所述螺旋形流型可以包括如下流体：该流体沿底部朝向中央移动，转而向上朝顶部移动，然后在沿储罐壁向下流动之前大致呈放射状分散。
混合器可以用任何适当的构造来布置，如多个大体上越过容器底部的、基本上分散的混合装置。期望的是，混合器能够以同心圆的方式布置，例如该混合器从大致圆形的歧管或喷头供给。在替代方案中，混合器可以从大致直线形的歧管或喷头、以大致交错的构造布置。任何适当数目的混合器都在本发明的范围内，如大约1个、至少约2个、至少约4个、至少约12个、至少约24个、至少约36个、至少约72个、至少约144个、至少约288个混合器等。
导流板、排水孔、坝形件(dam)、坡道(ramp)、其它的变流器(flowmodifier)等可以包括在本发明中，以便促进混合。在替代方案中，本发明可以在容器中不使用导流板、排水孔、坝形件、坡道、其它的变流器等。根据一个实施例，本发明可以不包括在容器中沿着竖直的容器壁大致沿周向的流动。
如这里所使用的，术语“具有”、“包括”和“包括”是开放式、包括性的表述。替代地，术语“组成”是封闭式、排他性的表述。如果在权利要求书或说明书中的任何术语的解释方面存在任何模糊，撰写者意图指开放式、包括性的表述。
关于方法或处理中的序号、数字、顺序和/或步骤重复的限制，除非明确指出，撰写者并非意图所暗示的序号、数字、顺序和/或步骤重复的限制是本发明的范围。
根据一个实施例，本发明包括对容器内的液体进行混合的方法。该方法可以包括：使入口装置基于液体水平而移动；利用该入口装置抽取一部分液体；以及，利用至少一个混合器使所述一部分液体返回至容器的一个不同的部分。
从广义上来说，移动是指：升高、降低、随动、转位(index)、定位和/或任何其它适当的动作，如与液体水平改变有关的动作。期望的是，移动可以包括大体上固定的偏移，如上所述，如从液体水平顶部的偏移。
从广义上来说，抽取是指：拉动、吸引、虹吸、移动、抽吸、流动和/或任何其它适当的动作，如引起流体从第一位置移至第二位置的动作。抽取可以包括将材料取出至容器外部，如在管道中。在替代方案中，抽取可以包括在不使材料离开容器的情况下、将材料取出至容器的一个不同的部分或容器的另一部分，如通过导流体和/或隔离件。
从广义上来说，返回是指：推动、流动、泵送、移动、推出(expelling)和/或任何其它适当的动作，如引起流体从第一位置移至第二位置的动作。返回可以包括从容器外部将流体置于容器中或置于容器内，如通过管道。在替代方案中，该返回可以在容器内的内容物中进行，以便返回到与流体来时的位置不同的位置。
该不同位置可以包括任何适当的位置，例如与入口装置大体上相反。根据一个实施例，抽取相对于流体或液体水平的顶部而发生，而返回相对于容器的底部而发生。抽取可以发生在液体水平顶部和容器底部，而返回可以发生在容器的大致中间部分或中间段。在不偏离本发明的范围的前提下，可以使用其它构造的容器和流动。
返回步骤还可以包括向所述一部分液体施加动力，例如利用泵。期望的是，动力装置包括与入口装置流体连接的吸入部以及与混合器流体连接的排出部。混合器可以包括任何适当的装置，如喷射器或喷嘴。
本发明的设备和方法彻底地混合容器的内容物。根据一个实施例，液体具有液体体积，并且，容器的内容物在通过至少一个混合器返回如下周转量的液体之后变得大体上匀质：通过所述至少一个混合器返回低于所述液体体积的约1.0倍周转量的液体、通过所述至少一个混合器返回低于所述液体体积的约0.8倍周转量的液体、通过所述至少一个混合器返回低于所述液体体积的约0.6倍周转量的液体、通过所述至少一个混合器返回低于所述液体体积的约0.4倍周转量的液体、通过所述至少一个混合器返回低于所述液体体积的约0.2倍周转量的液体等。
从广义上来说，“匀质”是指：无成分梯度，或者热梯度不大于绝热封闭系统的初始梯度的1％。绝热封闭系统可以包括无热传递的设备和/或对环境没有热损的装置，如绝热良好的储罐。在替代方案中，具有用于将容器的内容物加热和/或冷却的热传递或热力设备的系统受益于本发明的快速混合能力和/或性能，以便在没有热梯度或者减小热梯度的情况下对储罐加热。
当混合器包括喷嘴和/或喷射器时，通过混合器达到匀质性的总额液体体积是主流体或者动力流体，并不包括副流体或曳出流体。基本上，容器的内容物在短的时间段内或者以容器的较少周转体积而达到均匀。以1.0倍或更小的周转量使储罐匀质化的能力是惊人而意外的结果，因为公知的工业实践明确要求整个待混合液体体积的至少3倍的周转量。
通常，低粘度液体更易于混合，而高粘度流体难以或更难以混合。例如，水在大气环境下具有约1.0厘斯的粘度。从广义上来说，粘度是指：在应力下变形的流体对变形的抵抗力。这里，粘度通常是指运动粘度或者指粘性力与惯性力之比，并且典型地能够表述为例如以厘斯等为单位的、基于密度的绝对粘度。在替代方案中，粘度能够测量为赛氏粘度和能够以例如赛氏通用秒(SUS)为单位表述。
本发明使用的流体可以具有任何适当的粘度，例如从汽油到重油或沥青。根据一个实施例，本发明使用的液体可以具有：至少约500厘斯的粘度、至少约700厘斯的粘度、至少约850厘斯的粘度、和/或任何其它适当的粘度值。所列出的粘度值能够在适当的温度下测量，例如在运行或处理状态、在大气状态以上、约大气状态、和/或15℃。
通常，具有小密度差的分层流体更易于混合，而具有高密度差的分层流体难以或更难以混合。例如，水在大气状态下具有约1000kg/m3的密度。从广义上来说，密度是指每单位体积的物质质量，且能够以kg/m3等为单位进行表述。
本发明使用的液体可以具有任何适当的密度或重力，例如从汽油到重油或沥青。根据一个实施例，本发明使用的液体可以具有的密度为至少约500kg/m3、至少约700kg/m3、至少约800kg/m3、至少约900kg/m3、至少约1000kg/m3、至少约1100kg/m3、和/或任何其它适当的值。
根据一个实施例，本发明可以包括对于在第二流体上分层的第一流体进行混合的方法。该方法可以包括：使入口装置基于第一流体的液体水平而移动；利用该入口装置抽取第一流体的一部分；以及，通过至少一个混合器使第一流体的一部分与第二流体的一部分相组合。
从广义上来说，分层是指：一种流体的至少一部分至少部分地与第二流体的至少一部分分离，例如设于容纳水的水槽(sink)底部的稠密液体排出清理器。分离可以包括形成离散的层、气孔(pocket)、薄层(strata)等。可以由于密度差和/或粘度差而促进分层。分层可以发生在完全溶合的流体之间，例如两种不同的原油。在替代方案中，分层可以发生在不可溶合的液体之间，例如原油和水。除了相对分散的层之外，分层还可以包括梯度和/或特性变化，例如大致不具有可确定的分界面。适当的梯度特性可以包括密度、粘度、温度、成分、颜色、任何可测量的特征等。
通常，较小密度和/或较低粘度的材料可以聚集和/或累集在液体水平的顶部附近。通常，较为稠密和/或更有粘性的材料可以聚集和/或累集在容器的底部附近。期望的是，入口装置抽吸最轻的和/或粘度最低的材料，例如通过管道和/或混合器，需要最小的动力输入并具有最小的摩擦损失。还期望的是，混合器将最轻的和/或粘度最低的材料返回到最重的和/或粘度最大的材料中。在替代方案中，入口装置可以从容器的底部抽取材料，并且混合器可以将所述材料返回到液体水平的顶部和/或液体水平附近。
第一液体和第二液体可以具有任何适当的粘度差，例如至少约50厘斯、至少约100厘斯、至少约150厘斯、至少约200厘斯、至少约300厘斯、至少约400厘斯等。类似地，通过混合器的主流体可以具有一定粘度，而副流体或周围流体的粘度可以与第一流体的粘度相差约±50厘斯、与第一流体的粘度相差约±100厘斯、与第一流体的粘度相差约±150厘斯、与第一流体的粘度相差约±200厘斯、与第一流体的粘度相差约±300厘斯、与第一流体的粘度相差约±400厘斯等。
第一液体和第二液体可以具有任何适当的密度差，例如至少约10kg/m3、至少约20kg/m3、至少约50kg/m3、至少约70kg/m3、至少约100kg/m3等。类似地，经过混合器的主流体可以具有一定密度，而副流体或周围流体的密度可以与第一流体的密度相差约±10kg/m3、与第一流体的密度相差约±20kg/m3、与第一流体的密度相差约±50kg/m3、与第一流体的密度相差约±70kg/m3、与第一流体的密度相差约±100kg/m3等。
总容器体积大体上包括用于流体的工作体积，例如储罐中的可用空间。本发明的方法和设备可以混合任何适当大小的容器体积，例如入口装置随着液体水平移动。该设计允许和/或便于混合可能未完全满的储罐，例如占全满的约20％、占全满的约40％、占全满的约50％、占全满的约70％、占全满的约90％、占全满的约100％等。
类似地，本发明的方法和设备可以混合任何适当的量和/或任何适当比率的第一液体和第二液体，例如，10％的第一液体和90％的第二液体、30％的第一液体和70％的第二液体、50％的第一液体和50％的第二液体、70％的第一液体和30％的第二液体、90％的第一液体和10％的第二液体等。
具有待匀质化的两种以上流体和/或层的系统和方法也在本发明的范围内。期望的是，本发明能够与层的数量、梯度等无关地使容器匀质化。本发明还能够与所供应和/或流入到容器的材料的顺序(例如先供应重材料后供应轻材料、或者先供应轻材料后供应重材料)无关地使容器的内容物匀质化。
根据一个实施例，第一流体和第二流体一起构成总液体体积，并且，该总液体体积在通过至少一个混合器返回如下周转量的液体之后变得大体上匀质：通过所述至少一个混合器返回低于所述总液体体积的约0.8倍周转量的液体、通过所述至少一个混合器返回低于所述总液体体积的约0.6倍周转量的液体、通过所述至少一个混合器返回低于所述总液体体积的约0.4倍周转量的液体等。
通常，通过作为对所需混合量的直接校准的本发明，能够使具有两种流体的容器内容物完全匀质化，从而，将百分比(十进制形式)最小的流体的百分比加上一点点(大约0.1)就能获得充分匀质化所需的周转量。例如，具有70％流体A和30％流体B(动力流体)的储罐能够通过约0.4倍的周转量(0.3+0.1)而匀质化。类似地，具有50％流体A和50％流体B(动力流体)的储罐能够通过约0.6倍的周转量(0.5+0.1)而匀质化。
根据一个实施例，可以利用本发明的混合器来实现流体向储罐中的填充、流动或流入，以便减少混合时间。
实例
比较例1
使用计算流体力学仿真，具有950kg/m3的密度和800厘斯的粘度的第一流体被层叠在容器底部上。具有850kg/m3的密度和900厘斯的粘度的第二流体被层叠在第一流体的顶上。两个层中的每一层的体积相等且各占该容器的50％。该容器具有46000m3的容积。
该容器构造有泵，其在底部附近(底部上方1米处，具有固定喷嘴)抽吸且移动4000m3/h的总流量。该容器还包括布置在容器底部上方1米处的72个喷射混合器，所述喷射混合器以70°角度向上指向。每个喷射混合器具有56m3/h的主流体流量和98m3/h的总流体(包括副流体)的流量。
图11A示出了零时刻的初始分层容器的截面。图11B示出了经过2小时混合后的容器的截面，其中形成了小的中间层。图11C示出了经过12小时混合后的容器的截面，其中所述小的中间层相对于图11B的混合仅稍微增加。在第一个2小时后，仅发生了非常少的混合，因为重流体在底部附近被抽出且与容器底部处的相同的重流体混合。混合物的密度和粘度防止其穿出而到达容器顶部的轻流体层。该容器仍不明确地未发生混合。
比较例2
通过计算流体力学仿真来对比较例1的流体和容器进行建模。此处，容器具有通过位置固定式喷嘴、从容器高度的中间部分抽吸的吸入部。
更大比例的容器内容物发生混合，但即使在48小时(1.6倍的周转量)后，内容物仍保留10％的初始分层。由于低的总流体速度且吸入部并未从流体的顶面抽吸流体，所以在储罐的上半部发生了糟糕的混合。另外，可以使用要求该储罐在循环之前至少半满的构造，这限制了本系统的功能性。
实例1
通过计算流体力学仿真来对比较例1中的流体和容器进行建模。此处，根据本发明，该容器构造有在19.5米的液体水平顶部附近的浮动吸入部。泵从该浮动吸入部以4000m3/h的总流量从所述吸入部抽吸。该容器还包括布置在容器底部上方1米高处的72个喷射混合器，所述喷射混合器以70°的角度向上指向。每个喷射混合器具有56m3/h的主流体流量和98m3/h的总流体(包括副流体)的流量。
图12A示出了零时刻的初始分层容器的截面。图12B示出了经过1小时混合后的容器的截面，其中底层显著减小并形成中间层。图12C示出了经过2小时混合后的容器的截面，其中该容器的超过60％已经基本上混合。图12D示出了经过3小时混合后的容器的截面，其中仅在该容器的最顶部和最底部残留有小范围的梯度。图12E示出了经过4小时混合后的容器的截面，其中仅残留有小范围的非均匀材料。图12F示出了经过6小时混合后的、具有完全匀质的内容物的容器的截面。
经过6小时混合后，发生了完全混合，这是因为从浮动吸入部抽吸的轻流体与储罐底部的重流体混合。浮力驱动力确保了混合物连续向上移动，直到容器的内容物完全混合。
实例1中的设备成功地对容器进行混合，而比较例1中的设备由于密度差和/或粘度差而未能成功进行混合。令人惊讶和意外的是，实例1在仅6小时的短时间内成功地对该容器进行混合，这仅通过混合器返回所述液体体积的0.52倍周转量的液体。与比较例2中的设备相比，实例1中的设备更完全、更快速地对该容器进行混合。
实例2
通过计算流体力学仿真来对比较例1中的流体进行建模。容器具有118000m3的容积。此处，根据本发明，该容器构造有在19.5米的液体水平顶部附近且具有在1米深度处的向下定向的浮动吸入部。泵具有4500m3/h的循环速率。喷射器布置有采用圆形定向的48个外喷口和24个内喷口，其中每个喷口具有63m3/h的动力喷射流量和总计125m3/h的流量。所有喷射器均以70°的角度向上指向并位于离容器底部1米的高度上。
仿真结果表明，喷射器下方的循环非常少，在18小时或0.61倍的周转量之后，容器底部仍有大约1米未混合(约占10％)。类似地，在18小时或0.61倍的周转量之后，朝向下的浮动吸入部并不便于顶部的约1米的流体(约占10％)混合。与从底部喷嘴或从浮动吸入部的抽吸无关，容器的排放量有一定程度的变化。
实例3
通过计算流体力学仿真来对实例2中的流体和容器进行建模。此处，根据本发明，该容器构造有在液体水平顶部附近且具有在1米深度处的向上定向的浮动吸入部。所述喷射器布置如下：60个喷射器以70°的角度向上，12个喷射器以45°的水平角度向内定向。所有喷射器都位于离容器底部1米的高度上。
利用上述构造，改善了混合，使得在18小时(0.61倍的周转量)内实现了包括顶部1米和底部1米的范围在内的、超过99％的匀质性。
实例4
通过计算流体力学仿真来对实例2中的容器进行建模，其中第一流体和第二流体具有相同的粘度(850厘斯)和相同的密度(900kg/m3)。顶层为400摄氏度，底层为300摄氏度。该模型假定在流体的100摄氏度的温差范围内密度不随温度变化。在建模过程中不考虑分子热扩散。泵送条件与实例2中的相同。浮动吸入部具有向上的定向，喷射器包括以70°的角度向上的60个喷射器和以45°的水平角度向内定向的12个喷射器，所述喷射器离容器底部有1米高度。
顶部流体的量与底部流体的量相等。当所述流体之间不存在密度差和/或粘度差时，储罐在1.2小时(0.05倍的罐周转量)之后变成大于99％的混合程度。无论位置如何，储罐的排出量都是恒定的。
对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不偏离本发明的范围或精神的情况下，能够对所公开的结构和方法进行各种修改和改动。特别地，对任何一个实施例的说明均能够与其它实施例的说明自由地结合，以产生两种以上的元件或限定的组合和/或变化。对于本领域技术人员来说，通过考虑此处公开的说明书和本发明的实践，本发明的其它实施例将是显而易见的。应当认为，本说明书和实例仅是示例性的，本发明的真实范围和精神由所附权利要求确定。

Claims (19)

1.一种用于对液体进行混合、直至所述液体变得大体上匀质的设备，所述液体选自由如下项组成的组：原油、炼油厂馏分及其组合，所述设备包括：
容器，所述容器用于容纳处于一液体水平的液体；
入口装置，所述入口装置包括位于所述液体水平的顶部或在所述液体水平的顶部附近的浮动吸入部，其中，所述入口装置能随着所述液体水平移动，并且适于从所述容器的一部分抽取一部分液体；
动力装置，所述动力装置具有吸入部和排出部，所述吸入部用于通过所述入口装置抽取液体，所述吸入部流体连接至所述入口装置，所述排出部利用动力将所述液体排出到所述容器的一个不同的部分；
至少一个混合器，所述至少一个混合器包括喷射器、喷嘴、或叶轮，并且流体连接至所述排出部，用于将所排出的液体分散在整个所述容器内，直至所述液体变得大体上匀质。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述至少一个混合器安装在所述容器的底部或在所述底部附近。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的设备，其中，所述至少一个混合器至少基本上向上成角度倾斜。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的设备，其中，所述至少一个混合器包括多个分散的混合装置。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的设备，其中，所述容器是从由如下项组成的组中选择的容器：敞顶储罐、固定盖式储罐，浮动盖式储罐、内部浮动盖式储罐、地下储存设施、及其组合。
6.根据权利要求1或权利要求2所述的设备，其中，所述动力装置是从由如下项组成的组中选择的动力装置：离心泵、正排量泵、搅拌器、叶轮、喷射器、及其组合。
7.根据权利要求1或权利要求2所述的设备，其中，所述入口装置随着浮动盖移动。
8.一种在容器内对液体进行混合、直至所述液体变得大体上匀质的方法，所述液体具有至少500厘斯的粘度，并且所述液体选自由如下项组成的组：原油、炼油厂馏分及其组合，所述方法包括：
使入口装置基于所述液体的液体水平而移动；
利用所述入口装置从位于所述容器内的处于所述液体的顶面或在所述液体的顶面附近的区域抽取一部分液体，其中，所述入口装置包括浮动吸入部；以及
利用至少一个混合器使所述一部分液体返回至所述容器的一个不同的部分，并使所返回的所述液体大致分散在整个所述容器内，所述至少一个混合器包括喷射器、喷嘴、或叶轮，其中，在通过所述至少一个混合器返回低于液体体积的1.0倍周转量的液体之后，所述液体变得大体上匀质；
其中，位于所述容器内的处于所述液体的顶面或在所述液体的顶面附近的区域中的所述液体以及在所述容器的所述不同部分中的所述液体之间的密度差是至少20kg/m3；并且与使用不包括浮动吸入部的入口装置相比，所述方法减少了混合时间。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述容器的所述不同的部分包括所述容器的底部。
10.根据权利要求8或权利要求9所述的方法，其中，所述返回步骤包括向所述一部分液体施加动力。
11.根据权利要求8或权利要求9所述的方法，其中，所述液体具有液体体积，并且，在通过所述至少一个混合器返回低于所述液体体积的0.8倍周转量的液体之后，所述容器的内容物变得大体上匀质。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述液体具有液体体积，并且，在通过所述至少一个混合器返回低于所述液体体积的0.6倍周转量的液体之后，所述容器的内容物变得大体上匀质。
13.根据权利要求8或权利要求9所述的方法，其中，所述匀质包括：无成分梯度，或者热梯度不大于绝热封闭系统的初始梯度的1%。
14.根据权利要求8或权利要求9所述的方法，其中，所述液体具有至少850厘斯的粘度。
15.根据权利要求8或权利要求9所述的方法，其中，所述容器中的液体的高度包括：低于所述容器的高度的一半。
16.一种对于容器内的在第二液体上分层的第一液体进行混合的方法，其中每种液体均选自由如下项组成的组：原油、炼油厂馏分或其组合，所述方法包括：
使入口装置基于所述第一液体的液体水平而移动；
利用所述入口装置从位于所述容器内的处于所述第一液体的顶面或在所述第一液体的顶面附近的区域抽取所述第一液体的一部分，其中所述入口装置包括浮动吸入部；以及
通过至少一个混合器使所述第一液体的所述一部分与所述第二液体的一部分混和，其中所述至少一个混合器包括喷射器、喷嘴、或叶轮，其中所述第一液体与所述第二液体之间的粘度差包括至少200厘斯，并且其中，所述第一液体和第二液体一起构成总液体体积，并且，在通过所述至少一个混合器周转了低于所述总液体体积的0.8倍周转量的液体之后，所述总液体体积变得大体上匀质；
其中，与使用不包括浮动吸入部的入口装置相比，所述方法减少了混合时间。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，第一流体与第二流体之间的粘度差包括：至少400厘斯。
18.根据权利要求16或权利要求17所述的方法，其中，第一流体与第二流体之间的密度差包括：至少50kg/m3。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，第一流体与第二流体之间的密度差包括：至少100kg/m3。
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