CN107252631B - 用于从液体中去除颗粒物质的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种介电泳分离器，所述介电泳分离器具有分离器容器，所述分离器容器具有在第一侧处的流体入口和在第二侧处的流体出口、电极，所述电极连接到电源并且沿着所述中心轴放置在所述容器内、多个高介电常数介质杆，所述高介电常数介质杆放置于容器内平行于所述电极周围，其中，所述电极具有第一极性，并且所述容器具有第二极性，使得在所述电极和所述容器之间产生电磁场。执行分离循环的方法具有以下步骤：i)容器内的电极通电，使得所述电极和容器具有相反的极性，其中，多个高介电常数介电杆容纳在所述容器内，ii)所述流体通过所述高介电常数介质杆之间的通道，iii)所述流体内的所述固体颗粒通过电场被所述高介电常数介质杆吸附。

Description

用于从液体中去除颗粒物质的装置

技术领域

本发明涉及从流体中分离固体颗粒物质，尤其是对于具有高电阻率的流体中(例如油)的介电泳分离的领域。

背景技术

在工业界中，将液体中混合的固体形式的杂质分离出来，对于工业中的各种应用都是非常重要的。通常，在这些应用中，五种最常用的固液分离方法是重力沉淀、机械过滤分离、离心分离、静电分离和化学辅助分离。任何分离方法的有效性与正在分离的固体颗粒的尺寸和它们从其中分离的液固混合物的物理和化学性质是密切相关的。固液分离的有效性直接影响到制造和环境的成本，因此合适的分离方法的选择通常基于技术可行性、成本评价和效益评价以及环境影响的考虑。

原油在当今世界发挥着显著作用，其炼化的产品，如汽油、柴油对于当今的工业界和人们的生活至关重要。原油精炼产品的质量，如喷气燃料中的颗粒和钒化合物，对于喷气发动机的健康操作和寿命也是至关紧要的。

此外，燃烧带有污染物的燃料将引起严重的环境污染。在如美国和英国这样的发达国家，燃料油必需满足固体含量浓度120ppm的标准。因此，需要有效的低运行成本技术来满足这种应用需求。本发明的目标是提高炼油工业需要的固体颗粒去除效率。

最具挑战性的应用之一是从催化裂化(FCC)的重循环油和油浆副产品中去除催化剂颗粒。FCC是被广泛用于将石油原油的高沸点、高分子量烃馏分转化为包括更有价值的汽油、烯烃气体和其它产品的更小的分子链。FCC的原料通常是原油在常压下具有340℃或更高的初沸点和平均分子量范围约为200到600或更高的部分。FCC方法通过在高温和中等压力下使原料与流化的粉末状催化剂接触，将高沸点烃油的长链分子蒸发并断裂成更短的分子。

催化剂是通过流入到FCC的热蒸汽和油制成流体的固体砂状材料。通常，催化剂颗粒的尺寸范围为0.5到80微米，其中大部分在10微米以下。最常见的FCC催化剂是堆积密度为0.80到0.96g/cm3的固体砂状细粉末，其通过流入到FCC的热蒸气和油制成流体。鲜的FCC催化剂细粉通常具有范围为10到150μm的粒度分布和50到100μm的平均粒度。FCC单元的设计和操作在很大程度上取决于催化剂的化学性质和物理性质。通过接触流体状催化剂粉末，大部分长链FCC烃原料的长链分子被断裂成更短的分子，而小部分约2％-9％不可断裂的长链烃原料油，则沉留在FCC处理分馏器的底部，被称为FCC油浆或残油。这些FCC残油或油浆含有高浓度的FCC催化剂，从1000ppm到10,000ppm。

催化剂颗粒虽然可用于“裂化”和减少烃的长度，但在对于将油浆转换为更有添加价值的原料应用中却是有害的。传统上，将含有催化剂的油浆传送到油浆沉降器，其中，在沉降之后，底部油含有大部分催化剂颗粒并且被循环到原料中或者以澄清的形式用作重油燃料。未能去除催化剂颗粒经常导致油浆被用作货物船队的较低级别的重油燃料，其除了效率较低之外，还存在空气污染。

直径小于20微米的固体颗粒需要长时间沉降，通常需要几天的时间，这使得炼油厂在大规模生产环境中采用重力沉淀法是不现实的。机械过滤对于这种小尺寸粒子也是无效的，因为金属网和粉末烧结过滤器具有较差的孔径均匀性，过滤后油浆中的固含量浓度仍在几百ppm的范围内。静电分离方法在工业应用中显示出其高效的固含量去除率，但却有许多缺点，包含操作成本高、其方法对油浆原料的物理性质方面高度选择性和除固率不稳定的性能。而且，当油浆中的固含量超过6000ppm时，静电分离是无效的。

离心分离可产生较好的固含量去除率，且不依赖与油浆的物理性质，但油浆需要预热至超过200℃，也导致高操作成本、长处理周期和低处理能力。由于整个液体介质需要高的旋转能量来分离0.5％或5000ppm，所以能源效率低，并且仅对于使用如核反应堆燃料的高价值原料是实用的。对于一个具有100千吨/年油浆的典型炼油厂，由于高温操作的要求，离心分离则成本高昂是不实用的。

大多数机械滤器通过累加过滤芯以实现对于尺寸小于10μm的固体颗粒的过滤效果。结果，机械滤器在正常操作中很快地被堵塞，并且一旦压降达到极限，就需要定期清洁或反冲洗。而实际中，彻底清洗堵塞的微米级别的孔径是非常困难的。清洗后残留的固体颗粒将在开口中或周围累积，使通过过滤器的压降增加，从而限制过滤能力。一旦堵塞的过滤器不能再清洁，就必须更换。大多数具有高粘度油浆的精炼厂发现，由于需要定期更换金属过滤芯，机械过滤方法的成本也是高昂的。

从20世纪70年代开始，开一种称为“电过滤器”或“静电分离器”的新型过滤器应运而生，其特点是使用一种位于高达50kVDC的高压电产生的的强电场下的玻璃珠床或多孔过滤介质。在过去二十年中，发明和开发了几种类型的电滤器，用于去除重油中的金属化合物固体或催化剂细粉。电过滤器技术运用先进的流动的由球形平滑表面组成玻璃珠床，克服了机械过滤器在操作期间经历的清洁困难。当电场关闭时，其清洁方法是很有效的。即使有很少的科学参考文献或理论研究直接论证电过滤器的静电分离机制，电过滤器在炼油厂确实是有一定程度的成功。

过去，介电泳分离主要应用于生物物理学或生物医学领域中的细胞分离。介电泳“DEP”一词，最早是于1950年代由Pohl第一次使用，用于研究暴露于电场梯度下的，悬浮在流体介质中的固体颗粒的独特的电子机械特性。在均匀电场中，电荷中性电介质粒子上的场感应力为零或极小。一旦施加的电场不均匀或具有梯度，颗粒和流体介质之间的介电极化的差异导致一个被称为是“介电泳力”(DEP力)的力作用在极化颗粒上。DEP公式可以根据由施加的静电场引起的对极化颗粒的有效电磁偶极力来导出和量化。以一个半径为R，介电常数为εp的球形颗粒为例，当其浸入在一个介电常数为εm的无损介电流体中，并受到非均匀电场E作用使：

其中k是(εp-εm)/(εp+2εm)，克劳修斯-莫索蒂因子的实部，其表示颗粒相对于液体介质的有效极化率。量化电场强度和梯度。等式(1)表明DEP力与颗粒的体积或尺寸以及施加的电场E的强度和梯度成比例。因此，DEP过滤系统可以通过设计施加电场的有效梯度和强度来进行设计和改进。

然而，应用DEP原理以解决工业固液分离或过滤，尤其是去除FCC油浆中的催化剂，还存在一些问题。在高压和高温操作环境中，精炼方法通常采用圆柱形容器作为反应器。流体通过容器的中心和侧面之间的梯度电场。电场通常由中心绝缘的高压电极产生。在一个中心电极加有3000V高压的5cm圆柱形静电场下，一个密度为2g/cm3的5μm颗粒在油中将受到约2x10-13N的DEP力，该DEP力比由于颗粒的重量产生的5x10-12N的重力约弱25倍。而在工业应用中将大于50kVDC应用于5cm圆柱形容器是不实用的。至今，几乎没有工业上固液分离的DEP应用。到目前为止，DEP主要用于在生物或生物医学应用中捕获或分离如血细胞和癌细胞这样的颗粒，因为通过在微机电结构电极上施加正常10sVDC或VAC，可以产生比重力沉降力强10倍的DEP力。

在过去十年中，在微观DEP生物医学应用，如细胞分离和捕获的应用上产生了数千个技术出版物和数百个专利。为将DEP应用于工业应用中，从数千吨精炼工艺燃料油如油浆中去除数吨催化剂细粉，必须在颗粒上产生更强的DEP力以实现实际的除固效率和油浆处理能力。因此，需要一种以一致的方式可以产生更强的DEP力以便于油应用中的固液分离的装置和方法。

发明内容

如等式1所示，一旦颗粒的介电常数εp与介质εm的介电常数显著不同，引发的介电泳力就会在颗粒和介质之间产生分离运动。根据颗粒相对于悬浮介质的介电性质，介电泳力可以是正的或负的，使感应颗粒移动到更强或更弱的电场区域。介电泳力的大小与施加的电场和由此产生的电场梯度是成比例的。通过对导致不均匀电场的电极的某些布置，可产生更大的DEP力区域，以最大化分离运动和收集。

通常，在第一方面，本发明的特点在于一种固液分离装置，其包含通常为圆柱形的容器，并且具有至少一个入口和一个出口，而容器壳体用作接地电极，位于圆柱体的中心的电极连接高压电，且有绝缘块用于高压电极穿过用以与壳体绝缘。该装置还包含具有均匀分配的多孔的一对绝缘盘，其允许来自入口的液体均匀地流经分离电场。容器、中心电极和金属杆直径的选择，用以保证金属杆的密集排列使杆与杆之间的空隙最小化而其中形成的相对梯度最大化。密集排列的金属杆和壳体或容器的壁之间形成了为流体的流经的小的或微型的通道。一旦中心电极加以高压DC或AC电，则液体中的固体颗粒就会感受显著的DEP力，产生垂直于流动方向的分离运动。受分离运动的固体颗粒将被吸附在金属杆之间或和容器壁之间的接点处。

本发明提供一种可对流动液体中的固体颗粒产生DEP分离力的DEP分离器，其包含由层层绝缘金属杆的紧密围绕的中心电极和环绕绝缘金属杆并提供接地参考和屏蔽的圆柱形壳体。中心电极和绝缘金属杆需要用密集排列方法组装，在一个实施例中是六边形填充。根据电极尺寸与绝缘金属杆尺寸的比率，排列方向可以变化为五边形，七边形，八边形或其他。绝缘金属杆的密集排列在其间产生允许液体介质流经的小通道。通过层层围绕中心电极的绝缘金属杆阵，导电金属杆将施加的电场改变为许多垂直于中心电极或流体流动方向的局部梯度电场。

由于金属杆的介电常数无限大并且能在圆柱形电场中高度极化，所以密集排列的金属杆在截面图中的接触点处或在体积视图中的线中产生最大电场和最小电场。由于最大电场点和最小电场点因密集排列而彼此紧密地定位，所以最大电场梯度将在每个局部区域中的接触点或线之间产生。由于定向圆柱电场的特征，感应电场梯度垂直于杆或流动通道。绝缘金属杆之间的最大梯度电场对通过通道的液体中的固体颗粒产生最大的DEP力。当来自入口的流体流经由密集排列的金属杆产生的通道时，流体中的固体颗粒经历垂直于通道的或正或负DEP力。继而，流体中的固体颗粒将经历垂直于流动方向的分离运动，将固体颗粒从流体中分离。在本发明中应用高介电常数的或金属的介质杆加上杆与杆的密集排列是使DEP力最大化的关键措施。

通常，本发明的特点在于DEP分离器是由圆柱形金属壳体环绕的中心金属电极及周围的密集排列的高介电常数(金属)杆组成。所有几何形状的杆都可以应用于本发明以实现固体颗粒分离效果。考虑到金属杆表面上的绝缘层的可制造性和寿命，圆柱形或圆形形状杆是优选和选择的。以圆柱形壳体作为边界，可以选择若干直径尺寸的圆柱形杆以实现更密集的排列以使DEP力和分离效率最大化。对于中心层的六边形密集排列均匀直径的杆，而在六边形中心层和圆柱形容器的内壁之间的最后一层之间排列不同半径的杆，对杆表面区域最大化是有利的。

在一些实施例中，根据固体颗粒的尺寸和液体的粘度和介电常数等特性，需要选择较小的绝缘金属杆以使分离效率和容量最大化。数学上具有良好限定的圆柱形壳体，绝缘金属杆之间优化的几何排列和间距可以在分离效率和流动容量上的产生优化的DEP分离性能。在本实施例中，6.35mm和3.18mm金属杆都用于DEP分离器中。

该装置可以包含入口多孔盘，流体可以通过该入口多孔盘被分配到绝缘金属杆杆和DEP分离通道。该装置还包含出口多孔盘，流体可以通过该出口多孔盘从装置的底部流出。入口多孔盘和出口多孔盘是由诸如PTFE的绝缘材料制成，可使绝缘金属杆与圆柱形容器的底盘绝缘。入口多孔盘和出口多孔盘的开口位置根据绝缘金属杆通道的开口位置设计。需要盘和通道之间的开口的对准，以有效地用清洗流体清洁通道中被吸附的固体颗粒。清洁充满固体颗粒通道所需的时间间隔可以通过总通道的固体颗粒收集体积、需要过滤液体中的固含量、分离效率和液体流速来估算。在操作期间，清洁时间间隔还可以主动地由入口和出口之间的指定压降阈值来控制。清洁也可以用高压空气完成。在清洁过程中，特别是空气清洁过程，DEP分离器断电，或中央高压电极断电。没有DEP力作用的固体颗粒，可以轻易地被清洁，这与麻烦的机械滤器清洁相比具有显著的优点。

在另一方面，本发明的特点在于用于从液体中过滤细小颗粒的过滤系统，其包括上述方面的DEP分离装置和贮油罐，其中，所述贮油罐分别用于为DEP分离器提供和收集液体。该系统还可以包含预过滤器，用于在液体被输送到该分离装置之前，预先过滤来自贮油罐的液体。预过滤器可以大致上防止液体中的某些固体颗粒进入设备。这些固体颗粒可能大于固体颗粒阈值的尺寸，而固体颗粒阈值尺寸可以等于或大于由相邻绝缘金属杆形成的通道的宽度的最大尺寸。

通常，在另一方面，本发明的特点在于它是一种用于过滤流体的系统，其包含供油贮油罐、密集排列在中央电极和容器壳体电极之间的绝缘金属或高介电常数杆的阵列、收集贮油罐和高达10kV的高压直流电源。在系统的操作期间，供油贮油罐将流体输送到由密集排列的相邻绝缘金属或高介电常数杆形成的通道，高压电源在中央电极上施加所需的电压电势以产生梯度电场，收集贮油罐收集从通道中流出的流体。

在一个实施例中，介电泳分离器具有分离器容器，其具有在第一侧处的流体入口和在第二侧处的流体出口，沿着中心轴放置在容器内的电极与电源连接、多个高介电常数介质杆，平行放置于容器内所述电极周围，其中，电极具有第一极性，并且容器具有第二极性，使得在电极和容器之间生成电磁场。

介电泳分离器可具有在入口和出口相对端处具有的圆柱形容器。绝缘金属或高介电常数介质杆也可连接到电源。

在一个实施例中，介电泳分离器的绝缘金属杆是阳极电镀铝杆，或者可涂覆有选自PTFE塑料和陶瓷之类的绝缘材料。

高介电常数介电杆放置于中央电极周围，并且可在电极周围形成同心图案，其排列用于最小化杆与杆之间的中空空间，尤其是六边形形状图案。

介电泳分离器可具有在流体入口和杆之间的入口多孔盘，以及在杆和流体出口之间的出口多孔盘，并且入口多孔盘和出口多孔盘是选自于PTFE塑料和陶瓷之类的材料制成。

介电泳分离器也可在流体入口上加有预过滤器，以在流体进入容器之前过滤大颗的固体颗粒。

多个高介电常数介质杆也可是电极并且产生电磁场。

执行分离操作具有以下步骤：i)将容器内的中央电极通电，使得电极和容器具有相反的极性，其中，多个高介电常数介电杆放置在容器内，ii)流体通过杆与杆之间的通道，iii)流体内的固体颗粒通过电场被吸附在高介电常数介电杆上。

固体颗粒被吸附在杆与杆之间的接触点中。

绝缘金属或高介电常数介质杆可与电源连接并且生成电磁场。

绝缘金属杆可是阳极电镀铝杆，或者可涂覆选自PTFE塑料和陶瓷之类的绝缘材料。

该方法可有附加步骤：i)使容器内的中央电极断电以停止生成电磁场，ii)清洁流体进入容器，以及iii)清洁流体通过通道并将通道中的固体颗粒推出通道，其中，固体颗粒不再吸附在绝缘金属或高介电常数介质杆上。

在一个实施例中，清洁流体从出口端进入容器并从入口端退出。该方法可需附加的步骤，用加压气体通过容器以推出清洁流体。

从以下对本发明的优选实施例、附图和权利要求的更具体的描述，本发明的前述以及其它特点和优点将是显而易见的。

附图说明

为更完全地理解本发明及其目的和优点，现在结合下面简要描述的附图来参考随后的描述。

图1为根据本发明的实施例的介电泳(“DEP”)过滤系统的简图；

图2A为根据本发明的实施例的介电泳分离器的示意图；

图2B为根据本发明的实施例的分离器的等距剖视图；

图2C为根据本发明的实施例的分离器的立面剖视图；以及

图3为根据本发明的实施例的硬阳极电镀金属杆的立面剖视图。

具体实施方式

本发明的优选实施例及其优点可通过参考图1到图3来理解，其中，类似的附图数字指代类似的元件。

参考图1，根据本发明的典型介电泳(“DEP”)过滤系统100包含DEP分离器110容器、供油贮油罐120和140、收集贮油罐130和150、加压气体或空气容器160、预过滤器170和一个或多个泵(例如主泵125和清洁泵135)、高压电源168、输油管道112和122以及阀门。供油贮油罐120通过输油管122连接到预滤器。预过滤器170通过入口输油管112连接到分离器110，收集贮油罐130通过出口输油管132收集从分离器流出的澄清液体。

主泵125通过输油管112和122以及预过滤器170将高固含量的液体从贮油罐120输送到DEP分离器110。清洁泵135通过输油管162和阀门180将清洁液体从贮油罐140各自驱动到分离器110中。阀门180在固体颗粒分离模式时选择将高固含量液体输送到分离器110中或在清洁模式下为清洁系统提供流体。清洗贮油罐150在清洁过程时连接到分离器110用以收集用过的高浓度固体颗粒清洁液体。高压电源168通过高压电缆166连接到分离器110，为分离器110内的高压电极供电。DEP过滤系统100还可包含加压气体/空气容器160，其供应加压气体或空气以辅助分离器110清洗。阀门180切换或切断来自贮油罐的清洁液体或空气。

在工业应用中(例如原油精炼厂)，操作过滤系统有两个主要的方法循环：固体颗粒的分离和清洁。在固体颗粒分离期间，泵125通过输油管122和预过滤器170将液体，如高固含量的油浆从供油贮油罐120输送到分离器110，在液体进入DEP系统100和输油管112之前先过滤液体中大颗粒固体颗粒。一旦流体进入分离器110中，为从流体中分离固体颗粒，高压电源168向DEP分离器110内的中心电极施加高压。DEP分离器110通过介电泳原理从流体中吸附固体颗粒，并且将固体颗粒保留在DEP系统100内。过滤后的流体通过输油管132流出分离器110存在贮存澄清的液体的贮油罐130中。下面进一步详细描述电极和分离器结构。施加的电压在中央电极和圆柱形壳体之间生成梯度电场。此外，中央电极和壳体之间的绝缘金属杆在杆与杆之间的电场中产生许多局部强梯度通道，以有效地增强作用在固体颗粒上的DEP力。根据固体颗粒和流体的介电性质，梯度电场将固体颗粒吸附在通道中。虽然图1示出，供油贮油罐120放置于高于DEP分离器110和收集贮油罐130，使液体向下流动，在优选的工业实施例中，供油贮油罐120中的液体大部分从DEP分离器110的低部或底部泵送，使得流体克服重力向上输送。这可以减少固体颗粒在系统中的沉降，并且增加DEP分离器110的处理能力。

在系统清洁操作期间，先前施加到分离器110的高压电被断开，并且各自连接到贮油罐120和130的输油管112和132也被断开。在没有高压电的情况下，梯度电场消失，固体颗粒不再受DEP力抵靠在电极和高介电常数介质杆上。通过阀门180将具有高压液体从供油贮油罐140泵送道分离器110中，将其内部吸附的固体颗粒冲洗到收集贮油罐150里。一旦清洁操作完成，关闭阀门180，并且断开输油管152。此外，或者为节省清洁流体，DEP分离器110可以用来自气体容器160的高压气体冲洗。加压冲洗液体将固体颗粒冲洗到收集贮油罐中。一旦清洁或冲洗循环完成，DEP系统就准备好在固体颗粒分离操作循环中更多的过滤流体。

确定分离和清洁循环的适当间隔持续时间是有价值且必要的用以最大化的使用DEP分离器。通常，有两种方法来找出分离和清洁循环的适当周期：操作分离循环和清洁循环的静态或固定的持续时间；以及分离及清洁循环的动态反馈控制。一旦液体中的固含量稳定或在预定范围内变化，在恒定周期内重复操作的分离循环可采用静态方法。在一个实施例中，分离周期间隔Ts可以简单地由分离器110的通道容量W、流速f和液体固含量λ估算：

Ts＝W÷(f×λ)

通常，由于断开高压电和通道表面平滑度，清洁周期Tc较短并且是预定义的。操作周期为Ts和Tc二者之和。另一种方法是动态方法，其中，反馈回路由所需的压力或输油量来确定，其中，任一方面的显着减少会导致自动进入清洁循环。动态方法更倾向于系统的工业自动化应用。在工业环境中，自动化操作可通过编程使分离和清洁操作交替进行。

与机械滤器相比，DEP分离器具有过滤10μm以下的细小固体颗粒的优点。为最大化使用DEP分离器110，实施预过滤器170以过滤不期望的大颗固体颗粒进入DEP分离器110，以防止它们将不成比例地阻塞通道并且影响对较小颗粒的去除效率。在一些实施例中，预过滤器170是通过小于某一确定的阈值尺寸，如75μm的金属过滤器或复式过滤器。阈值尺寸可以是目标固体颗粒的最大预期尺寸，并且预过滤器170还可将在流体中进入DEP分离器110之前自然地去除较大的非目标粒子。在一些实施例中，预过滤器170的阈值尺寸可以根据分离器110的物理通道特征来定，例如可容易地堵塞分离器110的最大固体颗粒的尺寸。这样可以防止DEP分离器110被堵塞。在一些工业实施例中，如果液体中存在显著的固体颗粒成分，则对预过滤器反冲洗循环是必要的，以防止预过滤器被堵塞。

参考图2A、图2B和图2C，DEP分离器110包括外部容器和内部高压电极，其中，电极210和金属容器240具有两个相反的极性，以在其间产生电场。在一个实施例中，该容器240是圆柱形。此外，多个绝缘金属杆250围绕中心电极，逐层密集排列，以装填满中心电极和圆柱形壳体之间的圆柱形空间。采用ASME标准的标准机械法兰241和242与圆柱形壳体形成压力容器，以允许DEP分离器110应用于石油化工厂或炼油厂中常见的处理环境的高压和高温环境。法兰242上的高压馈通230穿过接地电势的容器240和法兰242连接到高压中心电极210。接地线245将容器240和法兰241连接以保证有良好的接地参考，即与出口或建筑地面的接地。入口管215被焊接在法兰241的表面上，而出口管225则被安装在另一个法兰242上。一旦流体通过入口管215，流体就会被入口多孔盘270调节和分配，以均匀地贯穿DEP通道。在另一端，出口多孔盘用以收集过滤的流体并且还为绝缘金属杆与金属法兰242提供所需的电绝缘。

本发明的关键应用之一是对原油精炼厂中重油的过滤，因此入口多孔盘270和出口多孔盘260可由如陶瓷或PTFE(Teflon)的高温绝缘材料制成。根据绝缘金属杆250和圆柱形壳体240的直径以及填充形式，DEP分离通道具有独特的图案，并且开口端上的入口多孔盘和出口多孔盘图案是一样的。DEP分离通道和入口多孔盘270或出口多孔盘260之间的图案校准对于用清洁流体清洁DEP分离器的有效性和效率是有益的，尤其是在额外使用加压气体或空气清洁DEP通道中的固体颗粒的情况下。在一个实施例中，入口多孔盘和出口多孔盘为具有均匀穿孔的板，以便将粒子密集的油分配在通道上。

在分离循环操作中，从供油贮油罐120泵送的流体通过与法兰241匹配地啮合的入口管215进入圆柱形容器。流体流经并由入口多孔盘270分配。流体沿着绝缘金属杆平行地流经通道。电源168提供高压以使中心电极210通电。在中心电极210和圆柱形壳体240之间，产生垂直于中心电极的梯度电场。通过用绝缘金属杆密集排列填满圆柱形壳体内的空间，在绝缘金属杆之间的多个小通道内产生局部的和更强的电场梯度，当流体沿着绝缘金属杆流经DEP分离通道时，流体中的固体颗粒经历较强的DEP分离力并被吸附到杆与杆之间的接触点上。固体颗粒可达到的漂移速度取决于其尺寸和流体粘度，以及移动到绝缘金属杆之间的接触点上的局部产生的最大或最小电场。

在一些实施例中，从供油贮油罐120泵送的流体通过底部法兰242上的管道225并通过多孔盘端口260进入圆柱形容器。来自底部管道225的流体对DEP分离效率来说需要克服的重力影响较小。

在清洁循环期间，中心电极210上的高压被断开，从而消除作用在固体颗粒和杆250交叉点之间的作用力。贮油罐140中的清洁流体通过入口管215泵送到分离器圆柱形壳体240中。入口多孔盘270将进入的加压流体均匀地分配到由绝缘金属杆250形成的每个分离通道。DEP分离器通道中被吸附的固体颗粒很容易地被洗掉，因为由于中心电极的断电，捕获力、DEP力和极化颗粒的吸引力被消除。在清洁循环开始时，清洁流体和高浓度的固体颗粒，在一些实施例中浓度高达20％，流出出口多孔盘。在短时间间隔之后，清洁流体再次变得澄清，因为固体颗粒已被洗掉，并且已完成DEP分离器110的清洁循环。可以通过在洗涤循环期间测量固含量来确定清洁循环的间隔。

在工业应用中，使用尽可能少的流体以在清洁循环期间实现有效清洁是经济的。一种优化策略是尽可能长地延长分离循环，而不使分离效率降低至阈值，即95％。分离循环的持续时间可根据分离效率的要求、金属杆尺寸和通道长度等特定的应用来确定。另一种优化策略是采取加压空气或气体来辅助通道清洁，特别是对于较小通道。对于空气或气体辅助清洁，通过增加分离通道内的空气速率,在真空泵的出口端维持真空来增加清洁。

在一个实施例中，在清洁过程期间，高压空气或气体从容器的排出端施加，并且可被加压以超音速气流通过杆之间的孔。由于在反冲洗循环时没有对电极供电，因此不存在吸附催化剂的DEP力。残油粘附到杆上是唯一必须克服的力。在另一个实施例中，高压空气或气体施加在容器的入口端，与通常发生的分离的方向相同。

参考图3，在本实施例中，硬阳极电镀铝杆250用作绝缘金属杆。硬阳极电镀铝杆层350使金属杆351绝缘。通常，硬阳极电镀铝表面具有由氧化铝(Al2O3)形成的约50μm厚的绝缘层。对于工业应用中，如原油精炼厂中的重油催化剂过滤，需要长期操作或寿命的绝缘层，铝杆上的50μm硬阳极电镀层就会太薄，不能长时间耐受具有高级催化剂浓度的磨料高温重油。在用于工业应用的优选实施例中，高温绝缘材料，如Telfon或陶瓷，可用于涂覆在金属杆表面。通常，陶瓷涂层在耐磨性和更高的操作温度上比Telfon类型的高温塑料更好，但是陶瓷涂层的成本更高。在实现实际的工业实施例中需要一些权衡。

本发明的另一实施例包含具有均匀直径的圆形横截面的电绝缘金属杆替代阳极电镀杆250。其它横截面形状可用于变化表面面积和场强度以及特征，例如三角形、正方形、五边形和六边形。

在本发明的另一个实施例中，具有圆形横截面的电绝缘金属杆直径可以有变化，并且间隙地放置，以最小化杆与杆的间隙。容器240尽可能多地装填有杆束，以便使接触点的高电场最大化。杆的粗细度可根据经验确定：当杆太细时，它们变得柔性，并且当杆太粗时，通道太大而不能提供有效的分离。

过滤系统100的过滤能力取决于DEP分离器110的处理体积和流经分离器110的流体液体的处理时间。处理时间可以通过流经分离器110的流体的流速来控制。在本实施例中，DEP分离器110具有约1320毫升的体积，并且系统100可以过滤约900毫升的流体。流速可以控制在10ml/min到500ml/min的范围内。然后处理时间在1.8分钟至90分钟之间。然而，在其他实施例中，系统100可以适于基于工业能力过滤工业体积，此外，过滤能力可以根据需要变化。下面详细讨论支配分离器110的这些特征的参数。虽然系统100中的预过滤器170被示出为单独的单元，但是在其他实施例中，预过滤器可以被包含在分离器110内作为部件。或者，预过滤可以在与系统100分离的系统中执行，或者根本不执行。预过滤器的示例包含具有硅和陶瓷过滤器设计孔径为排除不期望的固体颗粒。硅和陶瓷滤器可是有利的，因为穿过过滤器表面的交叉流可以用于去除不期望的固体颗粒，孔径可以是均匀的和/或可以实现高孔密度用以提供高流速的可能性。

入口多孔盘270和出口多孔盘260具有相同的尺寸和形状。通常，入口和/或出口多孔盘的尺寸和形状可根据需要变化以装配在容器中用于金属杆的校准和油分配。此外，流体通道和/或入口和/或出口多孔盘的组合可以经设计用于提供通过器件的期望的流体流动。在本实施例中，为给出尺寸示例，入口板具有52.1mm的直径，并且由厚度为6.35mm的铝板构成。基于便于油流入六边形杆阵列的金属杆的排列通道，其由阳极电镀铝杆成束构成，在入口多孔盘上钻出多个3mm孔以防止杆穿过孔。阳极电镀铝管的内径可为52.3mm。出口多孔盘是具有6.35mm厚度的直径为52.1mm的PTFE盘。在一个实施例中，基于杆的六边形阵列的图案在板上钻出3mm孔，以允许油通过杆排出。PTFE板具有薄壁以保持杆在适当位置。入口多孔盘和出口多孔盘与杆对齐，因此油可以通过流体通道，并且杆的表面吸附上的固体颗粒。

在本发明的另一个实施例中，参考图2C，多个电绝缘杆以同心六边形的形式组装在高压电极周围，以减少绝缘杆之间的间隔，并增加杆的圆周周围的电场Emax点。在一个优选实施例中，为减少杆之间的空间，高压电极被由具有与电极相似的直径的6个阳极电镀铝杆形成的六边形形状围绕。形成最内六边形的这6个杆再由12个电极形成的六边形形状围绕，而且这12个电极由第三个由18个电极围成的同心六边形环绕在中间。

在使用中，油在杆250的间隙内穿过容器240。高压电极210接高压电和接地容器壁240之间提供电场。电场内的每个金属杆由电场来充电，并根据其粗细提供偶极子。因为通常含有0.5-1.0％催化剂的油浆通过充电的杆，所以催化剂被吸附到杆上并保留在那里。杆与杆之间保留的催化剂积聚并阻塞油流，然后通过清洁循环去除。

本发明的其他目的、方面、特点和优点将从下面的描述中显现，其中已经结合附图和所附权利要求详细阐述了优选实施例。

本文使用具体实施例仅为了说明的目的来描述本发明。对于本领域的普通技术而言，这将是显而易见的，本发明的原理可以以其他方式包含。因此，本发明不应被认为限于本文公开的具体实施方式的范围，而应被认为在与所附权利要求完全相称的范围上。

Claims (19)

1.一种介电泳分离器，其特征在于，其包括：

a.分离器容器，所述分离器容器具有在第一侧处的流体入口和在第二侧处的流体出口；

b.电极，所述电极沿着所述容器中心轴线放置在所述容器内并且与电源连接；

c.多个高介电常数介质杆，所述高介电常数介质杆放置于容器内平行于所述电极周围，其中，所述电极具有第一极性，并且所述容器具有第二极性，使得在所述电极和所述容器之间生成电磁场。

2.根据权利要求1所述的介电泳分离器，其特征在于，所述容器在相对端处有圆柱形的入口和出口。

3.根据权利要求1所述的介电泳分离器，其特征在于，至少一根所述高介电常数介质杆与所述电源连接。

4.根据权利要求1所述的介电泳分离器，其特征在于，所述高介电常数介质杆为阳极电镀铝杆。

5.根据权利要求1所述的介电泳分离器，其特征在于，所述高介电常数介质杆涂覆有绝缘PTFE塑料或绝缘陶瓷材料。

6.根据权利要求1所述的介电泳分离器，其特征在于，所述高介电常数介质杆平行放置在所述电极周围。

7.根据权利要求5所述的介电泳分离器，其特征在于，所述高介电常数介质杆放置在所述电极周围形成同心图案用于最小化杆与杆之间的中空空间。

8.根据权利要求7所述的介电泳分离器，其特征在于，所述同心图案为六边形形状。

9.根据权利要求1所述的介电泳分离器，其特征在于，所述介电泳分离器还包括在所述流体入口和所述杆之间的入口多孔盘，以及在所述杆和所述流体出口之间的出口多孔盘。

10.根据权利要求9所述的介电泳分离器，其特征在于，所述入口多孔盘和出口多孔盘由绝缘PTFE塑料或绝缘陶瓷材料制成。

11.根据权利要求1所述的介电泳分离器，其特征在于，所述介电泳分离器还包括预滤器，所述预滤器在所述流体入口上，以在流体进入容器之前过滤颗粒。

12.根据权利要求3所述的介电泳分离器，其特征在于，所述多个高介电常数介质杆为电极，并且产生电磁场。

13.一种使用流体分离器的方法，其特征在于，所述分离循环包括以下步骤：

a.至少一根高介电常数介质杆与电源连接形成电极，所述电极和容器具有相反的极性，通过所述电源给容器内的电极通电产生电磁场，其中，多根高介电常数介质杆容纳在所述容器内，并且放置在所述电极周围，形成多个通道；

b.所述流体含有固体颗粒，所述流体沿着分离方向在入口端处进入所述容器并穿过所述通道；

c.所述流体内的所述固体颗粒通过所述通电电场被吸附在所述高介电常数介质杆上；以及

d.澄清的所述流体在出口端流出所述容器。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，固体颗粒被吸附在所述高介电常数介质杆之间。

15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述高介电常数介质杆为阳极电镀铝杆。

16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述高介电常数介质杆涂覆有绝缘PTFE塑料或绝缘陶瓷材料。

17.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法还包括清洁循环，所述清洁循环包括以下步骤：

a.使所述容器内的所述电极断电以停止生成所述电磁场；

b.清洁流体进入所述容器；以及

c.所述清洁流体通过所述通道，并且将所述吸附的固体颗粒推出所述通道，其中，所述固体颗粒不再吸附在所述高介电常数介质杆上。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述清洁流体从所述出口端进入所述容器并从所述入口端流出。

19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将加压气体推入所述容器以推出所述清洁流体。

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