CN108290084A - 用于海底应用的高流量静电分离器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种从油水流入物中分离水的设备和方法。所述设备包括分离容器(10)，所述分离容器具有入口(15)、在其上端(25)处的集油部分(20)和在其下端(35)处的集水部分(30)。多个高电压管(40)位于所述集油部分(20)内，每个高电压管包含电极(45)。这些高电压管(40)长度交错并且由穿孔板(100)保持在适当位置。所述油水流入物流过所述容器(10)的所述入口(15)进入所述高电压管(40)，其中所述油水流入物受到静电场的作用。所述静电场导致所述流入物中的水滴聚结并形成水流出物，所述水流出物向下流入所述容器(10)的所述集水部分(30)中。剩余的脱水油流向上流到上出口端(25)。所述分离容器(10)的所述集油部分(20)可以垂直或成角度地取向。

Description

用于海底应用的高流量静电分离器
技术领域
本发明涉及混合物的不混溶组分的静电聚结领域，并且特定地说，涉及水从水油混合物中的分离。
背景技术
世界上最有用的能源之一是来源于地下地层的原油。当原油到达地面时，其通常以水油混合物的形式存在。也就是说，原油总是具有相关联的水，在将油组分有效地提炼成有用的商业上可接受的产品之前，必须先分离出相关联的水。
提高油/水分离效率的常用技术是使用聚结法—这是一种将较小的水滴一起结合成更容易与混合物分离的较大水滴的技术。随着水滴尺寸的增加，重力分离的动力学得到改善。增加水滴聚结的一种方法是使混合物受到电场的作用。油是非极性流体，充当电介质，而水滴是有极性的，在受到电场作用时聚结。通常通过在电极之间建立电场并使水包油混合物通过电场来实行聚结。由于水是稍微有极性的，所以水滴会被电场极化。极化的液滴彼此吸引并移动并彼此聚结。较大的液滴往往在混合物内被向下吸引，而从其中移除部分水的油往往在混合物内被向上吸引。
然而，大多数传统的油水分离器被设计成处理低速进料流。因此，它们只能处理少量进料，并且它们将混合的油水流分离成水流出物和脱水油的总体能力是有限的。需要一种分离容器，其可以处理更大量的混合油水流并且将其有效地分离成水流出物流和脱水油流，同时使碎屑量最小化，减少携带到脱水油的固体的量，并处理来自进料流的水柱。
发明内容
本发明提出了一种从油水流入物中分离水的设备。所述设备包括分离容器，所述分离容器具有入口、在其上端的集油部分和在其下端的集水部分。多个高电压管位于集油部分内，每个高电压管包含电极。所述高电压管长度交错并且由穿孔板保持在适当位置。所述油水流入物流过容器的入口进入高电压管，在高电压管中所述油水流入物受到静电场的作用。所述静电场导致流入物中的水滴聚结，形成水流出物，所述水流出物向下流入容器的集水部分中。剩余的脱水油流向上流到上出口端。分离容器的集油部分可以相对于水平面垂直或成角度地取向，而集水部分可以相对于水平面水平或成角度地取向。
本发明还提出了一种从油水流入物中分离水的方法。所述方法包括以下步骤：使流入物通过分离容器中的入口通到容器的集油部分中的多个高电压管，使流入物受到静电场的作用，以及使流入物中的水滴聚结以将其分离成水流出物流和脱水油流。水流出物向下流入容器的集水部分中，最终通过下出口端离开容器。脱水油向上流动并通过上出口端离开容器。
本发明的目的是(1)改善油水分离容器的性能；(2)使碎屑量和不正常状况的发生最小化，包括但不限于可能影响分离容器性能的进料流中的水柱；(3)改善离开分离容器的水流出物和脱水油流的质量；(4)为设备提供简单的配置；和(5)使分离容器所需的空间量最小化。
从下面结合附图和所附权利要求书对优选实施方案的详细描述中可以更好地理解本发明。
附图说明
现在将更详细地描述本发明的优选实施方案。关于以下详细描述、所附权利要求书和附图(其不按比例绘制)，将更好地理解本发明的其它特征、方面和优点，其中：
图1是根据本发明的实施方案的静电分离容器的正视图。
图2是根据本发明的实施方案的静电分离容器的视图，其示出了容器的内部、高电压管的交错长度以及将高电压管固定在适当位置的穿孔板。
图3是示出根据本发明的实施方案的如何将高电压管中的电极分组在一起并连接到多个电力单元的横截面图。
图4是示出根据本发明的实施方案的高电压管中的电极如何被分组在一起并连接到单个电力单元的横截面图。
具体实施方式
应当理解，现在要描述的本发明的应用不限于附图中所示的部件的构造和布置的细节。本发明能够具有其他实施方案并且能够以各种方式实行或执行。本文使用的措辞和术语是为了描述而不是限制的目的。
由附图示出的元件由以下元件符号标注：
10 分离容器 15 入口
20 集油部分 25 上出口端
30 集水部分 35 下出口端
40 高电压管 45 电极
50 纵向轴线 55 入口凸缘配件
65 动量吸收板 70 出口凸缘配件
75 管道出口配件 80 水位
85 水位控制件 90 管入口
95 管出口 100 穿孔板
105 电力单元
本发明提供了从水油混合物中分离水的系统和方法。本发明对于从原油中分离水特别有用。今天在地球上消耗的大量能量来源于在地下矿床中发现并通过井带到地面的原油。当原油到达地面时，其总是以水油混合物的形式存在。也就是说，通常发现原油与水相关联。为了成功和经济地运输、提炼和利用原油，将原油带到地面之后的首个要求之一是分离并适当处理含水量。
参考图1，本发明的实施方案包括分离容器10，所述分离容器具有入口15、通向上出口端25的集油部分20和通向下出口端35的集水部分30。具有交错长度的多个高电压管40位于集油部分20中，每个高电压管40包含电极45。高电压管40由导电材料制成，使得在每个电极45和高电压管40的壁之间建立静电场。在图1中被标注为“进料”的油水流入物流过入口15并流向高电压管40。当油水流入物遇到静电场时，流入物中的水滴聚结并落入分离容器10的集水部分30中，而脱水油流到上出口端25。
分离容器10提供了用于使来自高电压管40的分离出的水流出物向下流动以及使脱水油向上流动的通道。分离容器10的集油部分20相对于直径是细长的，也就是说，集油部分具有从上出口端25到集水部分30的开始处测量的长度，所述长度是集油部分20的最大横截面尺寸的倍数。集油部分20的长度可以通过待处理的油的特性和所需的处理程度来确定。为了节省空间，分离容器10的集油部分20可以垂直或成角度地取向。成角度地取向集油部分还使得将油水流入物重力辅助地分离成水流出物和脱水油。集油部分20沿其纵向轴线50测量的角度可以相对于水平面在15°至90°的范围内。在图1所示的实施方案中，集油部分20呈管的形式并且以大约45°的角度倾斜。
分离容器10的集水部分30可以是任何形状，包括但不限于球形、圆柱形或截头圆锥形。如图1的实施方案所示，集水部分30可以是圆柱形的，具有与集油部分20相同的横截面积，并且以与集油部分20相同的角度取向。另选地，集水部分30可以平行于水平面取向或者以与集油部分20不同的角度取向。分离容器10的集水部分30的容量可以比集油部分20的容量大。如同集油部分20的长度，集水部分30的容量可以由待处理的油的特性和所需的处理程度来确定。例如，当油水流入物的含水量相对较高时，可能需要更大的容量。
油水流入物进入分离容器10所通过的入口15可以位于集水部分30上方并且位于集油部分20中的高电压管40下方。入口凸缘配件55固定到入口15的首先接收油水流入物的端部。入口凸缘配件55提供了用于将图1的系统连接到管道但不以其他方式涉及系统的性能的便利装置。
油水流入物的流可以通过位于高电压管40下方的一个或多个挡板(未示出)分配。优选地平行于分离容器10的纵向轴线50取向的挡板可以是垂直的、水平的或成角度的。垂直挡板减小了雷诺数，并且因此降低了系统湍流。水平挡板减小了雷诺数和沉降距离，但增加了上面可积聚有沙的表面的数量。成角度的挡板—即在0°和90°之间取向的挡板—可以结合垂直和水平挡板的优点，提供更短的沉降距离以及增大的沙的静止角度。
根据应用，动量吸收板65可以安装在分离容器10中与入口15相对，以便将油水流入物的流引向分离容器10的集油部分20内的高电压管40，以吸收油水流入物的一些动量，并且防止油水流入物与来自高电压管40的分离出的水流出物混合。对于高容量进料流，可以安装额外的流量分配板或穿孔挡板以帮助均匀地分配流量通过高电压管40。
分离容器10分成集水部分30和集油部分20。在图1的实施方案中，分离容器10的集水部分30位于集油部分20的下方。出口凸缘配件70固定到分离容器10的上出口端25的侧面(如图1所示)或顶部，而管道出口配件75固定到分离容器10的下出口端35。这些配件提供了用于将图1的系统连接到管道但不以其他方式涉及系统的性能的便利装置。
在分离容器10的集水部分30内，水通过水位控制件85保持在选定水位80。示意性地示出水位控制件85，因为这些装置经常并且通常用于油水分离并且是本领域技术人员公知的。例如，水位控制件85可以操作连接到管道出口配件75的阀(未示出)以排出来自分离容器10的积聚的水，使得水位80保持在集水部分30内的预先选定的高度。对于含沙量高的进料，可以使用MozleyTM流化剂(Cameron、Houston、Texas)、HydroTransTM固体输送装置(Cameron、Houston、Texas)或等效系统来移除收集在分离容器10的底部的沙。
两个或更多个高电压管40位于分离容器10的集油部分20内。更具体地说，高电压管40位于入口15和上出口端25之间以及水位80上方。高电压管40的数量以及它们的直径、长度和布置可以通过待处理的油的类型和期望的出口规格来确定。图1示出了高电压管40，其中管入口90朝向分离容器10的下出口端35取向并且管出口95朝向分离容器10的上出口端25取向。然而，取决于应用，管入口90和管出口95可以颠倒或组合。
每个高电压管40是圆柱形的并且其直径小于分离容器10的直径。因为由分离容器10提供结构支撑，所以高电压管40可以具有相对较薄的壁，这提供了在分离容器10内部的分隔管40的灵活性。高电压管40的长度是交错的。例如，如图2所示，最短的高电压管40可以位于分离容器10的一侧，并且管40的长度可以逐渐增加，使得最长的高电压管40位于分离容器10的相对侧。每个高电压管40由穿孔板100保持在适当位置。固定管40的位置确保在所有管40上压降一致，不管其长度如何，这有助于保持流入每个管40中的油水流入物的流量相对恒定。所述管还将油水流入物与水流出物分开，从而在每个管中提供一致的电压梯度并防止电极短路。此外，如同分离容器10，管40可以成角度以增强油水分离。管40的角度和分离容器10的角度可以但不必相等。
电极45位于分离容器10中的每个高电压管40内，这使流过管40的油水流入物受到静电场的作用。例如，电极45可以是线圈导体的形式，其接收通过分离容器10的壁中的绝缘体施加的电压。电极45可以是绝缘的，或者在适当的应用中可以是裸露的，即，与流过容器10的混合液体电接触。每个电极45可以由可以是AC电压、DC电压、整流AC电压或具有选定频率和波形的AC电压的电压电势供电。与本发明的静电分离器系统一起使用的有效电压格式是双频电压，如在标题为“Dual Frequency Electrostatic Coalescence”的美国专利号6,860,979中所详细描述。该专利于2005年5月1日公布，并且通过引用方式并入本文。
根据原油百分比基础沉淀物和水(“％BSW”)和美国石油学会(“API”)原油重力的入口和出口规格和电力需求，单个电极45可以被分组在一起并连接到多个电力单元105，如图3所示，或连接到单个电力单元105，如图4所示。电力单元105的设计可以基于分离容器10的物理位置和乳液的类型。电力单元105的潜在替代方案可以包括但不限于具有100％电抗变压器或单相或三相高频AC变压器的单相50-60Hz AC。另外，这些选项中的任何一个都可以与电压调制系统、DC整流器系统或AC/DC整流器系统组合。
与目前使用的大多数油/水分离设备相比，用于从油包水混合物中分离水的这种系统极其简单，并且还被布置成提供改善的性能。具体地说，分离系统的独特方面是油水流入物受到静电场的作用，并且随后立即与在一个方向上流动的水组分和在相反方向上流动的油组分分离。此外，分离容器的倾斜布置允许重力帮助将水流出物和脱水油分离。与其他已知系统相比，这个设备以最简单的可能的流动布置提供最直接和最有效的油和水的分离。
当油水流入物或“进料”通过入口15进入分离容器10时，分离过程开始。一旦进入容器10内部，油水流入物中的一些较大的水滴可以立即聚结，与流入物的其余部分分离，并且在分离容器10内向下流入集水部分30。
剩余的油水流入物被向上携带入分离容器10的集油部分20中的高电压管40中。当油水流入物移动通过高电压管40并暴露于电极45与水位80之间的由电极45产生的静电场时，流入物中的水滴聚结成较大的液滴。然后，聚结的液滴与油水流入物分离，落到高电压管40的内部，并且向下移动通过管入口90到达分离容器10的集水部分30。如图2中针对倾斜分离容器10所示，来自较短高电压管40的分离出的水流出物横跨较长的管排出，而不接触流入下方的管40中的油水流入物。这在每个管40内部提供了一致的电压梯度并且防止了电极45与地面或水界面的短路。最终，聚结的水滴通过管道出口配件75离开分离容器10。相反，脱水油继续向上移动并通过管出口95离开高电压管40。脱水油然后通过出口凸缘配件70流过分离容器10的上出口端25，例如以输送到输油管，其中可以将脱水油移至提炼厂或输送到设施以供存储或进一步处理。
图1和图2示出了本发明的一个实施方案，其由具有上集油部分20和下集水部分30的单个倾斜分离容器10组成。然而，取决于应用，集油部分和集水部分可以颠倒或者集水部分可以具有与集油部分不同的尺寸、形状和取向。另外，多个分离容器可以串行或并行布置。串行或并行布置可以增加从油水流入物中移除的水的总体百分比，并允许系统针对正在处理的不同数量的原油进行调整。
虽然已经以一定程度的特殊性描述了本发明，但是显而易见的是，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以在部件的构造和布置的细节方面作出许多改变。应当理解，本发明不限于本文为了举例说明的目的而提出的实施方案，而是仅受所附权利要求书的范围限制，包括其每个元件被赋予的全等值范围。

Claims (15)

1.一种从油水混合物中分离水的设备，包括：
分离容器(10)，其具有入口(15)、在其上端(25)处的集油部分(20)和在其下端(35)处的集水部分(30)；
所述分离容器(10)的所述集油部分(20)具有多个高电压管(40)，每个高电压管(40)包含电极(45)；
其中油水流入物流过所述入口(15)进入所述高电压管(40)，其中所述油水流入物受到静电场的作用。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述分离容器(10)的所述集油部分(20)相对于水平面垂直或成角度地取向。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述分离容器(10)的所述集油部分(20)具有从上出口端(25)到所述集水部分(30)的开始处测量的长度，所述长度是所述集油部分的最大的横截面尺寸的倍数。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述分离容器(10)的所述集水部分(30)相对于水平面水平或成角度地取向。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述分离容器(10)的所述集水部分(30)的容量大于所述分离容器(10)的所述集油部分(20)的容量。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述分离容器(10)具有在所述分离容器(10)的所述集水部分(30)中彼此平行布置的多个挡板。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述分离容器(10)具有位于所述入口(15)和所述高电压管(40)之间的动量吸收板(65)。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述集水部分(30)中的水由水位控制件(85)保持在选定水位。
9.根据权利要求1所述的设备，其中所述高电压管(40)具有交错的长度。
10.根据权利要求1所述的设备，其中所述高电压管(40)通过穿孔板(100)固定在固定位置。
11.一种从水油混合物中分离水的方法，所述方法包括以下步骤：
使油水流入物流入具有集油部分(20)和集水部分(30)的分离容器的入口(15)中，
使所述油水流入物通到所述分离容器(10)的所述集油部分(20)中的多个高电压管(40)，其中所述油水流入物受到静电场的作用；以及
聚结所述油水流入物中的水滴以将所述流入物分离成水流出物和脱水油流。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述分离容器(10)的所述集油部分(20)相对于水平面垂直或成角度地取向。
13.根据权利要求11所述的方法，还包括使所述水流出物从所述高电压管(40)流到所述分离容器(10)的所述集水部分(30)的步骤。
14.根据权利要求11所述的方法，还包括使所述脱水油流从所述高电压管(40)流到所述分离容器(10)的上出口端的步骤。
15.根据权利要求11所述的方法，还包括以下步骤：使用动量吸收板(65)将所述油水流入物的流引向所述分离容器(10)的所述集油部分(20)内的所述高电压管(40)以吸收所述油水流入物的动量，并且防止所述油水流入物与来自所述高电压管(40)的分离出的水流出物混合。
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