CN103299024A - 用于流体处理的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于将气体混合在流体中的系统，该系统包括入口部分、喷嘴以及流动换向器，入口部分与流体源和气体源流体地连通。入口部分具有通孔，流体和气体在通孔中结合以形成经处理的流体。喷嘴从入口部分接收经处理的流体并使经处理的流体加速。流动换向器具有开口端和封闭端，该开口端与喷嘴流体地连通。喷嘴相对于流动换向器被定向成朝向流动换向器的封闭端引导经处理的流体。流动换向器从喷嘴接收经处理的流体并混合经处理的流体。

Description

用于流体处理的方法和设备
相关申请的交叉引用
本申请要求2010年10月8日提交的题为“Method and Apparatusfor Fluid Treatment（用于流体处理的方法和设备）”的美国临时专利申请No.61/391,379的权益，其全部内容通过引用并入本文。
背景技术
本发明大体上涉及一种用于处理被污染的流体的设备和方法。更具体地，本发明涉及一种通过臭氧气体处理被污染的流体的系统和方法。
细菌是在从油井或天然气井产生的水中的常见的污染物。该产生的水可以含有足够高数量的细菌从而导致微生物引起的腐蚀、堵塞设备或如果被返回到井则堵塞地质构造钻孔。在油田中通常的做法是将杀菌剂引入用于钻孔使用的流体。如果失去控制，则一些杀菌剂对于其它生命形态可能是有毒的和有害的。由于在油田工艺中涉及的流体的量，所以杀菌剂也是大的花费。
因此，需要如下的系统和方法，该系统和方法使用对其它生命形态无害且不另外负面地影响环境的物质能够经济地处理被细菌污染的流体。
发明内容
公开了用于通过气体处理或混合流体的系统和方法。在一些实施例中，系统包括与流体源和气体源流体地连通的入口部分、喷嘴以及流动换向器。入口部分具有通孔，流体和气体在该通孔中结合以形成经处理的流体。喷嘴从入口部分接收经处理的流体并使经处理的流体加速。流动换向器具有开口端和封闭端，该开口端与喷嘴流体地连通。喷嘴相对于流动换向器被定向成朝向流动换向器的封闭端引导经处理的流体。流动换向器从喷嘴接收经处理的流体并混合该经处理的流体。
一些实施例中，该系统进一步包括联接在流体源与入口部分之间的泵和作为气体源的臭氧发生器。
用于处理含有细菌的流体的一些方法包括将流体与臭氧气体结合，由此形成经处理的流体；使经处理的流体加速；以及将紊流引入经处理的流体。
由此，本文描述的实施例包括旨在解决与用于处理受污染的流体的常规系统和方法相关联的各种缺点的特征和特性的结合。对本领域的技术人员来说，在阅读下面优选实施例的详细描述并参考附图之后，上述的各个特性以及其它特征将更明显。
附图说明
现将参考附图详细描述公开的实施例，在附图中：
图1A是根据本文公开的原理的臭氧混合器的侧视图；
图1B是图1A的臭氧混合器的轴向横截面图；
图1C和图1D是图1A和图1B的臭氧混合器的径向横截面图；
图2是可以与图1B、图1C和图1D的臭氧混合器一起使用的流动换向器的立体图；并且
图3是用于根据本文公开的原理处理采出水的、包括图1A和图1B的臭氧混合器的处理系统的示意图。
具体实施方式
下面的描述涉及用于处理受污染的流体的设备和相关方法的示例性实施例。公开的实施例不应被理解成或另外被使用为限制包括权利要求的本发明的范围。本领域的技术人员应理解，以下描述具有广泛的应用，并且讨论仅意味着是所描述的实施例的示例，并不旨在表示包括权利要求的本发明的范围仅限于该实施例。
在以下的说明和权利要求中，指定术语用于表示特定构件或部件。如本领域的技术人员会理解的，不同人员可以通过不同名称表示相同的构件或部件。本文献不旨在区分名称不同但功能相同的部件或构件。此外，附图不必按比例。本文描述的某些构件和部件可以按比例放大地示出或以某种程度的示意性形式示出，且为了清楚和简明，常规元件的一些细节可能不显示。
在以下讨论和权利要求中，术语“包括”和“包含”是以可扩充的方式使用的，并且因而应被解释为意味着“包括但不限于…”。同样，术语“联接”或“连接”旨在意味着间接或直接的连接。因而，如果第一装置联接到第二装置，则第一装置与第二装置之间的连接可以通过直接的连接或通过经由其它中间装置和连接件的间距的连接。此外，术语“轴向的”和“轴向地”一般意味着沿给定轴线或平行于给定轴线。术语“径向的”和“径向地”一般意味着垂直于给定轴线，而术语“周向的”和“周向地”一般意味着绕周边布置，且同样地，垂直于中心轴线或纵向轴线和与中心纵向轴线正交的径向轴线。如本文使用的，该术语与其相对于柱坐标系统通常理解的意思一致。
臭氧是用于水和空气的有效消毒剂。不像化学杀菌剂，在用臭氧处理含有细菌的受污染的流体之后，臭氧分解成无毒的氧气（O2），氧气不危害除了细菌之外的其它生命形态。然而，在通过常规装置使用臭氧来处理水基流体中，臭氧在大气压和大气温度下的低的溶解度和短的半衰期产生了问题。即使如此，因为臭氧能够一旦接触则几乎立即杀死细菌，所以臭氧仍然具有作为有效杀菌剂的可能性。为了有效地使用臭氧，臭氧气体需要快速地且完全地与受污染的流体混合。
图1A至图1D中示出根据本文公开的原理的臭氧混合器100。臭氧混合器100包括入口部分120、喷嘴部分121、混合部分122以及出口部分123。在该实施例中，每个部分120、121、122、123由管状流体输送件制成，该流体输送件在每端处均被焊接到凸缘110以提供允许通入和替换下面描述的内部部件的模块化系统。在该实施例中，相邻的部分120、121、122、123的凸缘110使用螺纹紧固件140被彼此联接。在至少某些实施例中，部分120、121、122和123由不锈钢或其它耐蚀材料制成。
入口部分120接收受污染的流体和臭氧气体以处理受污染的流体。入口部分120具有流体入口124、臭氧入口130、通孔125、出口126以及臭氧入口凸缘131。臭氧入口凸缘131使臭氧发生器（未示出）能够联接至臭氧入口130。在操作期间，臭氧混合器100通过流体入口124接收受污染的流体并通过臭氧入口130接收臭氧气体进入入口部分120的通孔125。在通孔125内，受污染的流体和臭氧气体结合以形成经处理的流体。包含受污染的流体和臭氧气体的经处理的流体从通孔125流过出口126进入喷嘴部分121。
在喷嘴部分121内，经处理的流体被加速。喷嘴部分121包括通孔128，喷嘴102被布置在该通孔128中。为了耐腐蚀，在该实施例中，至少喷嘴102由不锈钢制成。环状部133形成在喷嘴102和喷嘴部分121之间。喷嘴102具有入口端106、出口端111以及延伸在入口端106与出口端111之间的通孔112。在入口端106和出口端111处，喷嘴102进一步分别包括入口114和出口116。通孔112由喷嘴102的内表面界定，喷嘴102的内表面被从入口端106到出口端111减小的直径限定。由此，入口114的直径超过出口116的直径。喷嘴102的入口端106被联接至喷嘴固定件101并被喷嘴固定件101支撑，该喷嘴固定件101又被布置在入口部分凸缘110b与喷嘴部分凸缘110c之间。通过焊接或本领域中已知的其它方法喷嘴102可以被联接至喷嘴固定件101。喷嘴102至喷嘴固定件101的联接在一个端部处使环状部133闭合，而环状部133的相反端部开放。
在操作期间，入口部分120排放的经处理的流体被喷嘴102通过入口114接收。因为通孔112的横截面积从喷嘴102的入口端106到出口端111减小，所以随着经处理的流体穿过喷嘴102，经处理的流体被加速并在出口116处具有比在入口114处高的速度。经处理的流体通过出口116离开喷嘴102进入混合部分122。
混合部分122引起经处理流体的微空穴。混合部分122具有通孔129，流动换向器104被布置在该通孔129中。环状部132形成在流动换向器104与混合部分122之间。流动换向器104具有本体117和内孔118，该本体117具有开口端108、封闭端或帽端107，该内孔118在开口端108和帽端107之间延伸，且在该实施例中，流动换向器104由不锈钢制成以耐腐蚀。在一些实施例中，本体117的形状是圆锥形的，本体117在开口端108处的外径比在帽端107处的外径大。流动换向器104进一步包括在开口端108处的开口119。喷嘴102的出口端111被布置成靠近流动换向器104的开口119，而在一些实施例中，喷嘴102的出口端111延伸穿过流动换向器104的开口119进入内孔118中。开口119的直径超过喷嘴102在出口端111处的外径。由此，环状部127形成在流动换向器104的内表面与喷嘴102在开口119处的外表面之间。环状部127使流动换向器104的内孔118与喷嘴的环状部133、132和混合部分121、122之间分别能够流体地连通。
简要地参考图2，流动换向器104进一步包括多个周向间隔开的鳍状物109。每个鳍状物109在一端处被靠近开口端108地联接至流动换向器104的外表面并从该外表面径向向外地延伸。回到图1B，每个鳍状物109的相反端部被联接至流动换向器固定件103，该流动换向器固定件103又被布置在喷嘴部分凸缘110d和流动换向器部分凸缘110e之间。流动换向器104通过焊接或本领域已知的其它方法可以被联接至流动换向器固定件103。鳍状物109能够将流动换向器104支承并对中在混合部分122内。此外，因为各鳍状物109被间隔开，使得喷嘴部分121的环状部133与混合部分的环状部132之间能够流体地连通。
流动换向器104的帽端107被流动换向器支撑板105支承，该流动换向器支撑板105又被布置在流动换向器部分凸缘110f与出口部分凸缘110g之间。如图1D中最佳地示出，流动换向器支撑板105具有两个径向延伸的支撑板115。支撑板115在周向上间隔开并接收在其之间的流动换向器104的帽端107。与鳍状物109一样，支撑板115能够将流动换向器104支承并对中在混合部分122内。此外，因为各支撑板115被间隔开，所以使混合部分122的环状部132与出口部分123之间能够流体地连通。
在操作期间，离开喷嘴102的出口116的高速的经处理的流体被接收在流动换向器104的内孔118内。由于出口116相对于内孔118的定位，所以经处理的流体被朝向帽端107引入流动换向器104的中央，如箭头134所示。箭头134表示流动换向器104内的流体流动的方向。在帽端107处，经处理的流体冲击流动换向器104并使流动方向反向。然后，经处理的流体沿流动换向器104的内壁135流至环状部127。
喷嘴出口116和流动换向器104的开口119的相对大小引起结合的流体的微空穴。微空穴使臭氧气体分成较小的气泡以帮助臭氧气体扩散到受污染的流体中。喷嘴出口116和开口119的相对大小也引起流动换向器104的内孔内的紊流，因为离开喷嘴出口116的结合的流体在径向上朝向流动换向器104的内壁135扩展。经处理的流体与流动换向器104的帽端107和内壁135的冲击以及经处理的流体由于与帽端107的冲击而导致的流动方向上的反向增加了经处理流体中的紊流。紊流又促进使臭氧气体的小气泡由于微空穴而完全混合和溶解到受污染的流体中。此外，随着臭氧气体的小气泡冲击流动换向器104的帽端107和∕或内壁135，臭氧气体的小气泡可能破裂。这进一步促使臭氧气体溶解入受污染的流体中。
一旦达到喷嘴出口端111与流动换向器104之间的环状部27，已结合的流体的臭氧气体被溶解在受污染的流体内。然后，经处理的流体穿过环状部27进入喷嘴部分121的环状部133中。因为环状部133在靠近喷嘴入口端106的一端处闭合，经处理的流体再次反向并从喷嘴部分121的环状部133流过混合部分122的环状部132，在流动换向器支撑板105的支撑板115之间，并流入出口部分123中。在穿过出口部分123之后，经处理的流体离开臭氧混合器100。
由于空穴、混乱的流体流动、可能存在于受污染的流体中的研磨剂以及臭氧氧化的可能性的作用，理想的是流动换向器104和∕或喷嘴102能够替换。在图1B所示的实施例中，可以通过松开将凸缘110e、110f分别固定到喷嘴121和出口部分123的紧固件140，并从臭氧混合器100的其余部分移除混合部分122来替换流动换向器104。一旦混合部分122被从臭氧混合器100移除，则可以替换流动反向器104。然后，混合部分122可以被重新连接至臭氧混合器100。以类似的方式通过从臭氧混合器100移除并随后替换喷嘴部分121可以替换喷嘴102。
图3示出包括图1A、图1B和图2的臭氧混合器100的示例性处理系统305，该臭氧混合器100用于处理被细菌污染并含有碳氢化合物的采出水以能够在钻井过程中重新使用经处理的水。处理系统305包括泵301，该泵301能够操作以从流体源300抽取被细菌污染并含有碳氢化合物的采出水，并将该采出水传送到臭氧混合器100的入口部分120中。在一些实施例中，泵301是离心泵。
处理系统305进一步包括臭氧发生器310和联接在臭氧发生器310与前述的臭氧入口凸缘131之间的文丘里管311。以取决于由泵310提供至臭氧混合器100的入口部分120的采出水的流率的流率，臭氧发生器310将臭氧气体穿过文丘里管311传送至臭氧混合器100的臭氧入口130。在至少一个实施例中，臭氧发生器310传送近似1/4克至近似3/4克的臭氧气体每加仑的由泵301传送的采出水。
如前所述，臭氧气体和采出水被在臭氧混合器100的入口部分120中结合，并形成经处理的流体。然后，经处理的流体被输送到喷嘴部分121中。在喷嘴部分121内，经处理的流体被喷嘴102加速并被传送到混合部分122的流动换向器104中。在流动换向器104的内部，经处理的流体经历微空穴、紊流以及至少部分地与流动换向器104的帽端107和内壁135进行冲击，产生了臭氧气体在采出水内溶解和完全混合。
处理系统305进一步包括流体收集单元320以及在一些实施例中，在流体收集单元320下游的一个或多个沉淀物罐330。流体收集单元320接收离开臭氧混合器100的出口部分123的经处理流体。然后，如果存在一个或多个沉淀物罐330，则经处理的流体从流体收集单元320被输送穿过一个或多个沉淀物罐330。沉淀物罐330使碳氢化合物能够从经处理的流体分离。经处理的流体中过量的溶解的臭氧气体和分解的氧气（O2）有助于碳氢化合物从其余的流体分离。碳氢化合物粘附到臭氧气体和氧气。在沉淀物罐330内，在臭氧气体和氧气升至经处理的采出水的表面之后，碳氢化合物可以被撇去或另外被从流体表面去除。
尽管已示出和描述了各个实施例，但在不脱离本文的精神和教导的情况下，本领域的技术人员可对其进行变形。本文的实施例仅是示例性的而不是限制性的。本文公开的设备和方法的许多变化和变型是可能的，并且该变化和变型在本发明的范围内。因此，保护的范围并不限于以上阐明的描述，而是仅被以上权利要求限制，该权利要求的范围包括权利要求的主题的所有同等物。

Claims (22)

1.一种用于将气体混合在流体中的系统，所述系统包括：
入口部分，所述入口部分与流体源和气体源流体连通，所述入口部分具有通孔，所述流体和所述气体在所述通孔中结合以形成经处理的流体；
喷嘴，所述喷嘴使从所述入口部分接收的所述经处理的流体加速；以及
流动换向器，所述流动换向器将从所述喷嘴接收的所述经处理的流体混合，其中，所述流动换向器具有开口端和封闭端，所述开口端与所述喷嘴流体地连通；
其中，所述喷嘴相对于所述流动换向器被定向成朝向所述流动换向器的所述封闭端引导所述经处理的流体。
2.如权利要求1所述的系统，进一步包括第一管状件，所述流动换向器被布置在所述第一管状件中，由此在所述管状件与流动换向器之间形成第一环状部，所述第一环状部与所述流动换向器的所述开口端流体连通。
3.如权利要求2所述的系统，其中，所述流动换向器进一步包括在所述流动换向器与所述第一管状件之间延伸的多个间隔开的鳍状物，所述鳍状物使所述流动换向器在所述第一管状件内对中。
4.如权利要求2所述的系统，进一步包括第二管状件，所述喷嘴被布置在所述第二管状件中，由此在所述第二管状件与所述喷嘴之间形成环状部，并且其中，所述第二环状部与所述第一环状部流体连通。
5.如权利要求1所述的系统，其中，所述流动换向器是圆锥形的，且所述开口端的直径比所述封闭端的直径大。
6.如权利要求1所述的系统，其中，所述喷嘴具有入口端和出口端，所述入口端具有从所述入口部分接收所述经处理的流体的入口，所述出口端具有所述经处理的流体通过其排放的出口，所述出口的直径比所述入口的直径小。
7.一种用于处理含有细菌的流体的系统，所述系统包括：
泵，所述泵被连接到流体源；
臭氧发生器；以及
臭氧混合器，所述臭氧混合器包括：
入口部分，所述入口部分与所述泵和所述臭氧发生器流体连通，所述入口部分具有通孔，流体和气体在所述通孔中结合以形成经处理的流体；
喷嘴，所述喷嘴使从所述入口部分接收的经处理的流体加速；以及
流动换向器，所述流动换向器将从所述喷嘴接收的经处理的流体混合，其中，所述流动换向器具有开口端和封闭端，所述开口端与所述喷嘴流体连通；
其中，所述喷嘴相对于所述流动换向器被定向成朝向所述流动换向器的所述封闭端引导所述经处理的流体。
8.如权利要求7所述的系统，进一步包括：
出口部分，所述出口部分从所述流动换向器接收所述经处理的流体；以及
至少一个沉淀物罐，所述沉淀物罐与所述出口部分流体连通。
9.如权利要求7所述的系统，进一步包括第一管状件，所述流动换向器被布置在所述第一管状件中，由此在所述管状件与所述流动换向器之间形成第一环状部，所述第一环状部与所述流动换向器的所述开口端流体连通。
10.如权利要求9所述的系统，其中，所述流动换向器进一步包括在所述流动换向器与所述第一管状件之间延伸的多个间隔开的鳍状物，所述鳍状物使所述流动换向器在所述第一管状件内对中。
11.如权利要求9所述的系统，进一步包括第二管状件，所述喷嘴被布置在所述第二管状件中，由此在所述第二管状件与所述喷嘴之间形成环状部，且其中，所述第二环状部与所述第一环状部流体连通。
12.如权利要求7所述的系统，其中，所述流动换向器是圆锥形的，所述开口端的直径比所述封闭端的直径大。
13.如权利要求7所述的系统，进一步包括：
文丘里管，所述文丘里管被布置在所述臭氧发生器与所述臭氧混合器的所述入口部分之间。
14.如权利要求7所述的系统，其中，所述喷嘴具有入口端和出口端，所述入口端具有从所述入口部分接收所述经处理的流体的入口，所述出口端具有所述经处理的流体通过其排放的出口，所述出口的直径比所述入口的直径小。
15.一种用于处理含有细菌的流体的方法，所述方法包括：
将所述流体与臭氧气体结合，由此形成经处理的流体；
使所述经处理的流体加速；以及
将紊流引入所述经处理的流体。
16.如权利要求15所述的方法，其中，所述加速包括将所述经处理的流体输出通过喷嘴。
17.如权利要求15所述的方法，其中，所述引入紊流包括：
将所述经处理的流体从具有出口的喷嘴输送到具有入口的管状件中，所述管状件的所述入口的直径比所述喷嘴的所述出口的直径大；以及
将微空穴引入所述经处理的流体。
18.如权利要求15所述的方法，其中，所述引入紊流包括：
将所述经处理的流体喷射到具有封闭端的管状件中；以及
使所述经处理的流体与所述管状件的封闭端进行冲击，由此使所述经处理的流体的流动方向反向。
19.如权利要求18所述的方法，其中，所述引入紊流进一步包括：
沿第一方向将所述经处理的流体排放通过所述管状件的开口端；以及
将被所述管状件排放的所述经处理的流体重新定向，由此所述经处理的流体沿与所述第一方向相反的第二方向流动。
20.如权利要求15所述的方法，进一步包括：
在沉淀物罐中将碳氢化合物从所述经处理的流体分离。
21.如权利要求15所述的方法，其中，将紊流引入所述经处理的流体中包括：沿第一方向输送所述经处理的流体，然后使所述经处理的流体的方向反向，以使所述经处理的流体沿大致上与所述第一方向相反的第二方向流动。
22.如权利要求22所述的方法，其中，引入紊流进一步包括输送所述经处理的流体以冲击输送件的封闭端。
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