CN108795478A - 一种使用绝缘金属珠的电固液分离器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种使用绝缘金属珠的电固液分离器，带有一个分离器容器，分离器容器一侧设有一个液体入口，另一侧设有一个液体出口，容器内部沿中轴线设置一个电极，与电源进行电连接，不同多个高介电常数的珠子在容器内排列形成过滤床，并填充在电极四周。电极为第一个极性，容器为第二个极性。一个固液分离循环，包括以下步骤，实现分离出液体中所含固体颗粒：1)给容器内的电极通电，使电极和容器具有相反极性；2)液体流过珠子之间的通道，由于电场产生的电力，将液体中所含固体颗粒留在珠子上。本发明的有益效果是，通过使用具有较高介电常数的介质，及特殊排列形成的非均匀电场用以生成电场梯度，最终产生更强的介电泳力，实现固液分离。

Description

一种使用绝缘金属珠的电固液分离器
技术领域
本发明涉及一种运用于分离液体中固体颗粒的技术领域中的装置和方法，尤其是一种使用绝缘金属珠的电固液分离器。
背景技术
脱除重油流中的微米颗粒或亚微米颗粒一直以来是一项行业性的挑战。在诸多充满挑战的例子中，一个例子是从催化裂化(FCC)的油浆中脱除催化剂颗粉。油浆催化裂化(FCC)工艺广泛应用于炼油厂，用于将石油原油的高沸点、高分子量烃馏分转化为更有价值的汽油、烯烃气体及其它产品的更小的分子链。最常用的催化剂是由硅酸铝基本颗粒构成的固体沙状细粉。在催化裂化后，催化裂化装置底部仍有较小比例(2％-9％)的长链烃原料油未被破碎，被称作催化裂化油浆。这种催化裂化残油或油浆含有大约1000ppm～10,000ppm的高浓度催化剂颗粒。因此，脱除油浆中的催化剂颗粒能够提高重油的等级水平与经济价值。
人们曾考虑运用多种基于电气理论的装置或方法来脱除油浆中的催化剂。电过滤器或静电分离法由于脱除效率较高，曾广泛应用于炼油厂的生产工序中。这些类型静电分离器的例子在Fritsche等人的第3,928,158号和第5,308,586号美国专利中有所描述，被归类为静电玻璃珠过滤床分离器。实际应用中，静电玻璃珠过滤床分离器在空心圆柱体容器内设有一个中心电极和一个圆柱形电极，空心容器内装有大量玻璃珠，形成一个玻璃珠过滤床。一个高电位梯度通过整个玻璃珠过滤床在中心电极于圆柱形壳体之间提供。如第3,928,158号美国专利中所描述，要想有效脱除液体中的固体颗粒杂质，就必须使用电阻率高于待过滤液体电阻率的的玻璃珠。因此，可以使用玻璃珠，尤其是普通钠钙玻璃珠。相比于使用含有氧化钠的钠钙玻璃珠，Fritsche等人的第5,308,586号美国专利中则采用钾玻璃珠代替钠钙玻璃珠。钾玻璃珠也具有较高的电阻率，同钠钙玻璃珠作为过滤床相比较，使用钾玻璃珠作为过滤床的静电分离器提高了脱除固体颗粒杂质的效率。当油浆流过玻璃珠之间的间隙空间时，催化剂和其它固体颗粒杂质被吸附在玻璃珠表面，从而提高了油浆的纯度。作用于液体中电荷中性粒子的电分离力主要归功于介电泳和电泳理论。由于主要应用于带电粒子，且电泳力只有在某些特殊条件下发生，所以曾被忽略。一种似乎可信的解释电分离力的理论是介电泳或“DEP”。二十世纪五十年代，美国物理化学家Pohl(波尔)首次采用独特的机电分离法在施加电场梯度条件下脱除流体介质中的悬浮颗粒。在一个均匀电场中，作用于电荷中性粒子的电场力为零或无穷小。现实世界中，由于电场线之间不平行和/或间隔不均匀，电场通常为非均匀电场。电场线间隔范围可能从疏到密排列，反映出不同的电场强度(电场线间隔越密，则电场强度越高)，而不平行电场线则反映出这样一个事实，即电场没有位于两条无限长的平行板之间(所谓真正均匀电场的前提条件仅存在于理论中)。非均匀电场可以极化介电粒子。作用在极化的介电粒子上的净力被称为介电泳力(DEP力)。此外，电场在粒子与流体介质之间产生一个电压电位梯度。可以根据静电场中作用于极化的粒子的有效电磁偶极力导出一个公式并进行量化。以一个简单实施例为例，将半径为R，介电常数为εp的球形颗粒浸入介电常数为εp的无损介电液体，并施加一个非匀强电场E：(1)式中：K＝(εP-εm)/(εp+2εm)，Clasius-Mossotti因子的实数部分表示颗粒相对于流体介质的有效极化率。表示量化的电场强度和梯度。FDEP表示介电泳力。等式(1)显示介电泳力与颗粒体积或尺寸及作用电场E的强度和梯度成正比例。因此，介电泳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。
介电泳固液分离法通过在非均匀电场中施加介电泳力以脱除固体颗粒。然而，应用介电泳原理来解决工业固液分离或过滤曾遭遇各种问题，特别是脱除催化裂化油浆中催化剂颗粒的问题。因为在工业装置设置中，作用于颗粒的介电泳力比作用于在颗粒的重力要小得多(取决于颗粒的重量)，介电泳主要用于诱捕或分离重量较轻的颗粒，如生物或生物医学应用领域中的血细胞和癌细胞。在这些应用领域，可通过在标准十伏直流电压或交流电压条件下应用微型机电结构电极形成约强于重力沉降力10倍的介电泳力。最近十年中，生物医学应用领域的众多技术文献和几百项专利运用了介电泳分离法。
为实现介电泳分离法的大规模工业行业应用，如脱除数千吨炼油厂石油(尤其是油浆)中所含数以吨计的催化剂，必须在颗粒上形成更强的介电泳力，以达到理想的实际效率和处理能力。一旦颗粒介电常数εp大大不同于流体介质的介电常数εm，就会产生介电泳力，导致颗粒与介质之间发生分离运动。在这些情况下，介电泳力的大小与施加电场和由此产生的电场梯度均成正比例。
因此，需要一种通过使用具有较高介电常数εm介质，及特殊排列形成的非均匀电场用以生成电场梯度，最终产生更强的介电泳力的装置，以促进石油应用领域中的固液分离-特别是油浆。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供的一种使用绝缘金属珠的电固液分离器，通过使用具有较高介电常数的介质，及特殊排列形成的非均匀电场用以生成电场梯度，最终产生更强的介电泳力，实现固液分离。
一种电固液分离器，包括：
一个分离器容器，用于接收流过的液体；
在分离器容器内远端点之间形成非均匀电场的方法，以在分离器容器内产生足够的介电泳力；
在分离器容器内，多个珠子排列以构成过滤床，每个珠子作为多个珠子的一个子集，包括金属芯，所述金属芯四周表面介质的介电常数高于四周无表面介质的珠子的介电常数。
进一步的：所述每个珠子是多个珠子中一个子集，包括金属芯，包括金属芯四周电绝缘表面。
进一步的：所述电绝缘表面为一个涂层，选取由从包含PTFE塑料、陶瓷及两者组合的材料组中的绝缘材料。
进一步的：所述多个珠子是由两种或两种以上不同直径的珠子组成；每种珠子的直径根据通过珠子中心的外表面两点之间的线段测定。
进一步的：还包括所述多个珠子的第二子集，其中来自所述第二子集的每个珠子包含珠芯，选自非金属材料、半导体材料、铁磁材料及所属材料的组合。
进一步的：还包括包含所述多个珠子组成的珠子过滤床，其中用于产生所述电场的装置包括在所述容器内的电极，所述电极穿过所述珠子过滤床，所述容器连接到地面，多个珠子被包裹在电极周围。
进一步的：产生非匀强电场的方法包括使用一个或以上电极作为第一个极性，与电源进行电连接，并使用一个或以上接地极作为第二个极性。
进一步的：所述分离器容器为圆柱形容器，在所述圆柱形容器相对两端设有液体入口和出口。
进一步的：在所述液体入口与所述过滤床之间还设有一个入口多孔盘，在所述过滤床与所述液体出口之间设有一个出口多孔盘。
进一步的：所述入口多孔盘和所述出口多孔盘采用从包含聚四氟乙烯PTFE、陶瓷及两者组合的材料分组中选取的材料制成。
进一步的：在所述液体入口处包含一台预过滤器，用于在液体进入所述容器前滤除颗粒。
一种固液分离方法，携带固体污染物的液体通过电场或电磁场，液体流过珠子过滤床；所述珠子过滤床由多个珠子组成，来自所述多个珠子的每个珠子都包含金属芯，所述多个珠子与液体一起形成介质，其介电常数高于无金属芯珠子的介电常数。
一种电分离器，包含：
a.第一个电极；
b.第二个电极；
c.一电场发生器，可以在第一个电极与第二个电极之间形成非均匀电场，从而产生足够的介电泳力；
d.多个珠子，位于第一个电极与第二个电极之间，每个珠子属于多个珠子的子集，具有金属芯，所述多个珠子呈现为一种介质，其介质的介电常数高于无金属芯珠子的介电常数。
一种使用电分离器连同分离循环的方法，包括以下步骤：
a.给电极通电，在容器内形成非均匀电磁场，电磁场内的电极和容器具有相反极性，容器内，电极周围填充的多个金属芯的珠子形成多个流道；
b.在容器入口端将携带固体颗粒的液体引入容器，促进液体流过多个流道；分离液体所含固体颗粒留在金属芯珠子上从而得到澄清液体；所述金属芯珠子来自多个珠子，并被电磁场极化；
c.通过出口端排出容器中的澄清液体。
进一步的：所述流道是蜘蛛网形流道。
进一步的：所述颗粒留在所述珠子之间的接触点。
进一步的：所述金属芯珠子为绝缘金属珠，所述金属芯四周镀有电绝缘外表面。
进一步的：所述绝缘金属珠采用阳极电镀珠子。
进一步的：所述电极通上交流电或直流电。
进一步的：所述绝缘金属珠涂敷有选自PTFE塑料、陶瓷及两者组合的材料的绝缘材料涂层。
进一步的：还包括以下清洗循环：
a.容器内电极断电，以停止产生电磁场；
b.将清洗液体引入容器；
c.清洗液体流过多个通道，将固体颗粒冲出通道；由于电磁场消失，固体颗粒不再保留在珠子上。
进一步的：还包括推压加压气体通过容器推出清洗液的步骤。
下面对本发明内容做进一步的说明：
电固液分离器，包括一个容器，最好为圆柱形容器，并且容器至少带有一个入口和一个出口。在某些实施方案中，容器壳体用作接地电极，一个位于容器中心的电极连接的高压电，且有绝缘块用于高压电极穿过用以与壳体绝缘。接地电极与高压电极可以布置在金属珠流化床任意一侧，但不论采用何种结构布置电极，应当产生的电磁场穿过整个的金属珠过滤床。相比于静电玻璃珠床分离器，本发明所采用的绝缘玻璃金属珠而非玻璃珠作为过滤床。本发明装置在分离器入口和出口处还包括一对绝缘盘，绝缘盘的孔隙均匀分布，允许液体均匀流过分离电场。容器、中心电极和绝缘金属珠的直径是根据数学模型和实际如分离器空间等考虑因素来选择的，以允许密集填充的金属珠之间的间隙空间最小化，并使这些空间内的电场梯度达到最大值。密集填充的金属珠之间的间隙空间形成供液体流过的狭窄路径。一旦中心电极接通直流或交流高压电电源，液体中的颗粒受到极大的介电泳力，引起与流动方向垂直的分离运动。而分离运动的颗粒就被留在并收集在金属珠之间的交叉点处及金属珠表面上。应用高介电常数介质(通常包含金属)，如实施例中所述的用密集填充的金属珠过滤床作为介质，是最大化介电泳力和最大化颗粒分离的主要措施。
一般而言，本发明公开了一种电分离器运用介电泳力作为其中一种主要分离力，由一个圆柱形金属壳体包围的包含有一个中央金属电极及周围密集填充介电常数较高的(金属)珠子构成。为达到颗粒分离效果，可以应用不同几何形状的金属珠。选用球形或圆形金属珠是考虑到金属珠表面绝缘层的工艺性和寿命性。以圆柱形外壳作为边界，可以选择几种直径尺寸的金属珠，以达到更致密地填充，使作用到均匀金属珠的介电泳力达到最大值，以取得最大分离效率。在一个实施例中，在圆柱形容器中填充不同直径的金属珠较为有利，为的是让金属珠之间的间隙空间最小化。在另一个实施例中，则采用直径统一的金属珠。
本发明装置可包括一个入口多孔盘，液体通过其被均匀分配到绝缘金属珠过滤床上。本发明装置还可包括一个出口多孔盘，液体通过其从装置底部流出。入口和出口多孔盘可采用诸如聚四氟乙烯(PTFE)的绝缘材料制成，可使绝缘金属珠与圆柱形容器的底盘绝缘。当中心电极通上高压电时，本发明装置开始利用介电泳力从液体中分离出固体颗粒，尤其是在金属珠的交叉点处。分离过程的操作时间可以根据合计固体颗粒的收集容量，即通过金属珠间隙的总空间、需要过滤液体中的固含量，分离效率和液体流速估算出。这个操作时间可主动通过调节入口与出口之间的指定压力阈值来控制。在清洁过程期间，DEP分离器断电，和/或中心高压电极断电。没有DEP力作用的固体颗粒，可轻易地被反冲洗清洗掉，即反向流动含水液体，向上流过绝缘金属珠过滤床，若金属珠过滤床是垂直方向布置的。相比于先前技术中所述描述的麻烦的机械过滤器，本发明装置具有明显的优势。
确定分离/清洗循环的适当间隔时间是必要的，以使使用DEP分离器的效益最大化。若分离循环时间过长不清洗，则分离器可能堵塞，但清洗过于频繁则无必要，这会降低分离效率，因为频繁清洗会消耗大量时间和反冲洗材料。通常，可根据两种方法来取得分离和清洗循环的适当周期或频率：方法i)分离循环和清洗循环采用静态或固定时间长度；方法ii)分离循环和清洗循环采用动态反馈控制。一旦液体中的固含量达到稳定或在预定范围内变化，则可运用通过在恒定周期内重复运行分离循环的静态法。在一个实施例中，根据以下公式中分离器的通道容量W、流速f和离子固含量λ，即可估算出分离周期间隔Ts：
Ts＝W÷(f×λ)
通常，因为高压电切断和通道表面光滑度，清洗周期间隔Tc较短并是预定的。操作循环周期是分离周期间隔Ts与清洗周期间隔Tc之和。第二种方法是动态法，其根据反馈回路要求的压力或输油量确定，若要求的压力数量或输油量大大减少会导致启动自动清洗循环。动态法更加针对于系统的工业自动化应用，面向液体中不同等级的固含量。在工业环境中，自动化操作可通过编程，使分离和清洗操作两种状态交替进行。
另一方面，本发明的一个特点就是包含前述特点的从液体中滤除细小颗粒的DEP装置的过滤系统和贮油罐，贮油罐是为DEP分离器和收集液体分别配制的。该系统可包括一台预过滤器，用于在液体被输送到分离装置前，预先过滤来自贮油罐的液体。预过滤器大体上可预防液体中的所含的某些固体颗粒通过流进装置，如超过阈值的固体颗粒(例如，固体颗粒的阈值的最大尺寸可能等于或大于相邻金属珠之间所形成间隙空间的宽度)。
通常，另一方面，本发明的一个特点在于它是一种用于液体过滤的系统，包含一个供油贮油罐，填充在中心电极与容器壳体电极之间的绝缘金属珠或高介电常数金属珠过滤床，一个收集贮油罐，及一个最大10千伏的高压直流电源。系统工作期间，供油贮油罐将液体送到由金属珠过滤床形成的间隙空间，收集贮油罐收集从金属珠过滤床流出的液体，高压电源在中心电极上施加所需的电压电位，以形成梯度电场。
电分离器可包含一个带有入口和出口的容器。在一个实施例中，使用了圆柱形容器，入口和出口设在相对的两端。
作为优选，电分离器中所用绝缘金属珠可涂敷绝缘材料，绝缘材料从含聚四氟乙烯PTFE塑料和陶瓷的材料中选取。由于介电泳力的作用，固体颗粒可以在金属珠之间的交叉点或接触点或近处被留住。
电分离器的液体入口和金属珠过滤床之间可布置一个入口多孔盘，液体出口和金属珠过滤床之间可布置一个出口多孔盘，以使液体流动均匀分配。入口多孔盘和出口多孔盘可采用从含有含聚四氟乙烯塑料和陶瓷中选取的材料制成。
电分离器还可在液体入口处设置一台预过滤器，用于在液体进入容器前滤除大尺寸固体颗粒。
一种执行分离循环的方法，包括如下步骤：i)给容器内的一个电极通电，使电极和容器壳体具有相反极性，在容器内的绝缘金属珠或高介电常数金属珠过滤床形成梯度电场；ii)液体通过金属珠过滤床；iii)通过电场作用将液体内的固体颗粒留在金属珠的交叉点处。
该方法可有附加步骤：i)使容器内的电极断电，停止产生电磁场；ii)加清洗液体入容器内；iii)清洗液体通过金属珠过滤床，将固体颗粒从金属珠过滤床上冲走，固体颗粒不再因电磁场作用吸附在金属珠上。
作为优选，清洗液体从出口端进入容器并从入口端流出。该方法可需附加步骤，即用加压气体从进口端或出口端通过容器，以排出清洗液体。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过使用具有较高介电常数的介质，及特殊排列形成的非均匀电场用以生成电场梯度，最终产生更强的介电泳力，实现固液分离。
附图说明
图1为根据本发明实施例使用介电泳(DEP)的电固液过滤系统原理图；
图2为根据本发明实施例使用的电分离器示意图；
图3为根据本发明实施例使用的分离器轴测剖视图；
图4为根据本发明实施例使用的分离器立面剖视图；
图5为根据本发明实施例使用的绝缘金属珠立面剖视图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在工业应用(如原油炼油厂)中，采用两种主要工艺循环运行过滤系统：固体颗粒的分离和清洗。如图1，根据本发明的一个实施例的电过滤系统100，包含一个装有绝缘金属珠过滤床250的电分离器110(详见图2，图3和图4，包括电绝缘金属珠)，供油贮油罐120和140，收集贮油罐130和150，高压电源160，预过滤器170。供油贮油罐120，收集贮油罐130，高压电源160和预过滤器170在固体颗粒分离过程期间工作；清洗过程则使用供油贮油罐140和收集贮油罐150。
固体颗粒分离期间，泵125通过供给管122从供油贮油罐120向使用金属珠过滤床的分离器110输送液体(例如，高固含量的油浆)；预过滤器170在液体进入分离器110和供给管122之前，先滤除液体中的大尺寸固体颗粒。当液体进入分离器110中，为了分离出液体中的固体颗粒，高压电源160通过高压电缆166给分离器110内的电极施加高压电，从而产生一个电磁场。在某些实施例中，电极设置在分离器110中央处。电极也可位于容器中央处以外，只要电极和接地的壳体靠近或位于金属珠过滤床250的任一侧足以产生一个穿过整个金属珠过滤床电场即可。在其它实施例中，分离器内的电极可采用各种不同的形状。这些形状包括蛇形电极，椭圆形电极和有多个分布段形状的电极。分离器110通过介电泳(“DEP”)作用俘获并收集液体中的固体颗粒，并使固体颗粒保留在分离器110中金属珠之间的交叉点及金属珠表面上。过滤的液体通过管子132流出分离器110，收集在净化的收集贮油罐130中。尽管图1中显示供油贮油罐120所处位置高于介电泳分离器110和收集贮油罐130，并且液体向下流动(垂直方向排列)，在优选工业实施例中，供油贮油罐120中的液体可以从较低位置或从金属珠过滤床分离器110的底部泵入，以克服重力向上泵送液体。这样，可在某些实施例中减少系统中在颗粒沉降量，同时提高金属珠过滤床分离器110的处理容量。
系统清洗操作期间，先前施加给分离器110的高压电被断开，关断各自连通供油贮油罐120和收集贮油罐130的输油管112和132，并关闭阀门。切断高压电后，梯度电场消失，固体颗粒不再受介电泳力抵靠在电极和绝缘金属珠上。可以用泵135将高压液体从供油贮油罐140泵入分离器110，将其内部的固体颗粒冲洗出进入收集贮油罐150。一旦清洗操作完成，关停泵135，关闭一只或以上阀门以关闭收集贮油罐150和输油管152。一旦清洗或冲洗循环完成，电过滤系统准备好接受更多过滤过的液体，以进行清洗。
参见图2、图3和图4，金属珠过滤床250分离器110包含容器240和高压电极210，其中，电极210和金属容器240充当两个相反极性，在容器240内并穿过整个金属珠过滤床250形成一个电场。电极还可设置在容器外面，只要能够在电极和接地之间形成的电场可以穿过整个金属珠过滤床。大量的绝缘金属珠在中央电极四周共同形成金属珠过滤床250；绝缘金属珠紧密地填充在中央电极与外壳之间的空间。顶部的机械法兰241和底部机械法兰242(可用根据ASME标准的标准法兰，或采用先前技术的已知其它系统的法兰)，与外壳形成压力容器，以允许金属珠过滤床250分离器110在石油化工厂或炼油厂常见加工环境中的高压高温应用中使用。底部法兰242上的高压馈通230穿过接地电位的容器240和底部法兰242连接高压中心电极210。接地线245连接容器240和底部法兰242以保证有良好的接地参考，即地电势与出口或建筑物地面连接。在一个备选实施例中，容器壳体可接电压，电极可接地。进口管215连接在顶部法兰241表面上，而出口管225则连接另一个底部法兰242上。一旦液体通过入口215，流体流量就会由入口多孔盘270调节和分配，使流体均匀流过金属珠过滤床。在另一端，设置出口多孔盘260以收集过滤的液体，并为绝缘金属珠与底部法兰242之间提供必要的电绝缘。本发明的关键应用之一是过滤原油炼油厂的重油。为进行该应用，入口多孔盘270和出口多孔盘260可由如陶瓷或聚四氟乙烯等高温绝缘材料制成。
分离循环期间，从供油贮油罐120泵入的液体通过连接法兰241的输油管215进入圆柱形容器。液体流过入口多孔盘270，并进行分配。液体散布于绝缘金属珠过滤床250之中，并流过间隙344(图5所示)。电源160向电极210提供高压。在电极210与容器壳体240之间，形成一个垂直于电极210的梯度电场。通过圆柱形壳体240内填充绝缘金属珠的空间，在绝缘金属珠过滤床250内金属珠之间形成的间隙空间产生局部的和更强的梯度电场。当液体流过绝缘金属珠过滤床250内的间隙空间时，液体中的固体颗粒受到较强的介电泳分离力，被吸附在金属珠之间的接触点上(图5所示)。固体颗粒的漂移速度取决于颗粒的尺寸和流体粘度；固体颗粒移动到金属珠之间因局部产生的最大或最小电场的接触点上。
在有些实施例中，从供油贮油罐120泵送的液体通过底部法兰242上的管道225和多孔盘端口260进入容器240。从底部管道225流入的液体对介电泳分离效率来说须克服的重力较小。
清洗循环期间，切断电极210的电源，从而电磁场消失。贮油罐140中的清洗液体通过入口管215泵入分离器容器240。入口多孔盘270将流入的加压液体均匀分配到金属珠过滤床250。金属珠过滤床250中吸附的固体颗粒很容易清洗掉，因为中心电极断电后，俘获力、介电泳力和极化颗粒的吸引力消失。清洗循环开始时，清洗液体带着含有高浓度的俘获的固体颗粒(在某些实施例中，浓度高达20％)的流出出口多孔盘。在短时间间隔后，因为大量的固体颗粒已经被洗掉，清洗液体再次变得澄清。发生该情况后，金属珠过滤床分离器110的清洗循环即告结束，继续进行清洗循环不再有效。通过测量清洗循环期间的固含量，即可确定清洗循环的时间间隔，或根据以往清洗事件即可确定清洗循环的时间间隔。
在工业应用中，较为经济的做法是在清洗循环期间使用尽量少的液体，以实现有效清洗。一种优化策略可能是尽量延长分离循环，而不使分离效率降低至预定门限值以下，即分离效率不低于95％。分离循环时长因不同的应用而异，须考虑分离效率要求，金属珠尺寸，金属珠之间的间隙空间体积，温度，和其它因素。
参见图5，在本实施例中，绝缘金属珠340涂敷了外层350使金属珠340绝缘。对于工业应用，如原油炼油厂的重油中催化剂过滤，要求绝缘层厚度可保证长期操作或具有较长寿命期。为能经受带有高浓度催化剂高温重油的耐磨性，在工业应用的优选实施例中，高温绝缘材料如或陶瓷等可镀在金属珠表面上。通常，陶瓷涂层在耐磨性和更高比操作温度上比类型的高温塑料性能更好，但陶瓷涂层的成本更高。在实现实际的工业实施例中，需要权衡某些利弊。
本发明的另一个实施例包含具有均匀直径的圆形横截面电绝缘的金属珠340，以形成金属珠流化过滤床250。其它横截面形状可以用于通过改变尺寸，从而使金属珠之间的间隙空间体积最小化，特别是混合使用或小和或大直径的金属珠340优化组合，可以提供更小的间隙344和更大数量的接触点342。此外，在某些应用中，泪珠状或不规则横截面的金属珠可能被使用。
过滤系统100的过滤能力取决于金属珠流化过滤床分离器110的处理容积和液体流过分离器110的处理时间。处理时间可通过流过分离器110的液体的流速控制。过滤系统100可根据工业容量进行调节，可以根据需要改变过滤能力。以下详细论述了影响分离器110这些特性的参数。尽管过滤系统100的预过滤器170在图中显示为独立装置，在其它实施例中，预过滤器可以作为一个组件包含于分离器110。或者，可通过过滤系统100以外的单独系统进行预过滤，或根本不用预过滤系统。过滤器类型实施例包括硅和陶瓷过滤器，过滤孔隙尺寸设计为排除不期望的固体颗粒。硅和陶瓷过滤器可能较为有利，因为可利用流过过滤器表面的交叉流除去不期望的固体颗粒，孔隙尺寸可均匀的和/或较高的孔隙密度(提供了较高流速的可能性)。
在一个优选实施例中容器240采用了圆柱形。但在其它实施例中容器240可使用其它形状，可能为长方形，六边形横截面，或根据空间限制采用定制形状。
在一个实施例中，入口多孔盘270和出口多孔盘260的尺寸和形状相同。通常，入口多孔盘和/或出口多孔盘的尺寸和形状可以为了油的分配，为配合容器而变化。此外，可设计流道和/或入口和/或出口多孔盘组合，以达到想要的通过装置的流量。在本实施例中，举个实施例，入口盘上面钻有很多的小孔，以允许油流入由大量绝缘金属珠组成的金属珠过滤床。出口盘采用同样的聚四氟乙烯圆盘。在一个实施例中，在出口盘上钻有每个孔径小于3毫米的小孔，以允许油流过金属珠过滤床时，不会导致金属珠排出。
本发明的其它目标、方面、特点和优点将从详述的优选实施例中结合附图和所附专利要求书中的描述显示。
为详细阐明本发明，以下的试验可做参考。这些试验的目的是比较分别使用玻璃珠(见Fritsche等人的第3,928,158号和第5,308,586号美国专利描述)和绝缘金属珠做为过滤床的分离器的脱除油样中所含催化剂微粒的效率。
试验一
在一个试验中，一台实验装置，用以测试使用绝缘金属珠的做过滤床的分离器装置的脱除效率，并将其与使用玻璃珠做过滤床的分离器装置的脱除效率进行对比。分离器装置结构同为分离器110，一个以金属棒作为中心电极的金属圆柱形容器。在中心电极与容器之间填充两种不同类型的测试珠子。试验用的第一种珠子为规则的球形玻璃珠。第二种珠子则为介电常数较高的非导电珠子，如绝缘金属珠。电场通过伏特计和安培计测量。试验装置在圆柱形容器上方也设有一个贮油罐。
本试验进行了一系列测试，以比较使用上述两种不同类型珠子的固体颗粒分离效率。本试验所用油样为适当混合的试验油和催化裂化(FCC)催化剂粉末。在相同工作条件下，使用绝缘金属珠做过滤床比使用玻璃珠做过滤床的分离效率更高。在某些试验中，使用绝缘金属珠做过滤床能实现99％催化剂颗粒脱除效率，相比之下，使用玻璃珠做过滤床的催化剂微粒脱除效率仅为95％。
试验二
以下试验使用油浆重复试验一。试验装置与上述试验一相同。试验二所用油浆样品为炼油厂催化裂化系统装置产生的油浆。本试验仍然比较了分别使用玻璃珠和绝缘金属珠作为过滤床的电分离器脱除效率。试验二采用了与试验一同样的两种类型的珠子及试验步骤。试验期间，在不同额定电压时，分别从绝缘金属珠流化床试验装置及玻璃珠流化床试验装置中采集了一系列样品。
对原催始化裂化油浆样品及所有采集的样品进行测试，通过真空过滤法测定其准确的固含量。该方法与试验一所用测定方法相同。对于催化裂化油浆样品而言，在相同输入电压的条件下，使用绝缘金属珠作为过滤床时，比使用玻璃珠作为过滤床的固体颗粒去除效率更高。为了达到与绝缘金属珠过滤床装置同样的固体颗粒去除效率，需增加穿过玻璃珠过滤床上的电极电压。通过对比，使用绝缘金属珠的试验装置需要的电压远低于使用玻璃珠的试验装置。即使在相同输入电压的条件下，绝缘金属珠也显示出优于玻璃珠的固体颗粒去除效率。
结合试验一的结果，可以得出这样的结论：使用绝缘金属珠在电固液分离器中做过滤床时，其催化剂颗粒的去除效率优于使用玻璃珠做过滤床的分离器。通过使用了绝缘金属珠，可以将严重污染的油浆进行过滤，使之成为固体含量较低的澄清油。高于90％的固体颗粒去除效率可以在极低的直流输入电压条件下达到。
根据上述试验，可应用于本发明其它实施例。
在一个备选实施例中，可采用半导体材料构成的珠子代替绝缘金属珠，或使用以绝缘膜包裹半导体核心的珠子。半导体材料可相应掺杂以产生期望的电场特性适合于过滤操作。
在另一个备选实施例中，可采用带有铁磁芯的绝缘珠子代替部分绝缘金属珠，从而进一步改变电场的不均匀性。
在另一个备选实施例中，以交流电、直流电或交流和直流电的组合在选定的时间间隔内对电极进行通电。
在前述实施例中，描述了在使用上述预想油介质及其它介质时的适用性。例如，水，血液或任何其它液体介质可以替代油介质，在应用非均匀电场时，使用介电泳力来脱除电介电颗粒。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (22)

1.一种电固液分离器，其特征在于，包括：
一个分离器容器，用于接收流过的液体；
在分离器容器内远端点之间形成非均匀电场的方法，以在分离器容器内产生足够的介电泳力；
在分离器容器内，多个珠子排列以构成过滤床，每个珠子作为多个珠子的一个子集，包括金属芯，所述金属芯四周表面介质的介电常数高于四周无表面介质的珠子的介电常数。
2.根据权利要求1所述的电固液分离器，其特征在于：所述每个珠子是多个珠子中一个子集，包括金属芯，包括金属芯四周电绝缘表面。
3.根据权利要求2所述的电固液分离器，其特征在于：所述电绝缘表面为一个涂层，选取由从包含PTFE塑料、陶瓷及两者组合的材料组中的绝缘材料。
4.根据权利要求2所述的电固液分离器，其特征在于：所述多个珠子是由两种或两种以上不同直径的珠子组成；每种珠子的直径根据通过珠子中心的外表面两点之间的线段测定。
5.根据权利要求4所述的电固液分离器，其特征在于：还包括所述多个珠子的第二子集，其中来自所述第二子集的每个珠子包含珠芯，选自非金属材料、半导体材料、铁磁材料及所属材料的组合。
6.根据权利要求1所述的电固液分离器，其特征在于：还包括包含所述多个珠子组成的珠子过滤床，其中用于产生所述电场的装置包括在所述容器内的电极，所述电极穿过所述珠子过滤床，所述容器连接到地面，多个珠子被包裹在电极周围。
7.根据权利要求1所述的电固液分离器，其特征在于：产生非匀强电场的方法包括使用一个或以上电极作为第一个极性，与电源进行电连接，并使用一个或以上接地极作为第二个极性。
8.根据权利要求1所述的电固液分离器，其特征在于：所述分离器容器为圆柱形容器，在所述圆柱形容器相对两端设有液体入口和出口。
9.根据权利要求8所述的电固液分离器，其特征在于：在所述液体入口与所述过滤床之间还设有一个入口多孔盘，在所述过滤床与所述液体出口之间设有一个出口多孔盘。
10.根据权利要求9所述的电固液分离器，其特征在于：所述入口多孔盘和所述出口多孔盘采用从包含聚四氟乙烯PTFE、陶瓷及两者组合的材料分组中选取的材料制成。
11.根据权利要求8所述的电固液分离器，其特征在于：在所述液体入口处包含一台预过滤器，用于在液体进入所述容器前滤除颗粒。
12.一种固液分离方法，其特征在于：携带固体污染物的液体通过电场或电磁场，液体流过珠子过滤床；所述珠子过滤床由多个珠子组成，来自所述多个珠子的每个珠子都包含金属芯，所述多个珠子与液体一起形成介质，其介电常数高于无金属芯珠子的介电常数。
13.一种电分离器，其特征在于，包含：
a.第一个电极；
b.第二个电极；
c.一电场发生器，可以在第一个电极与第二个电极之间形成非均匀电场，从而产生足够的介电泳力；
d.多个珠子，位于第一个电极与第二个电极之间，每个珠子属于多个珠子的子集，具有金属芯，所述多个珠子呈现为一种介质，其介质的介电常数高于无金属芯珠子的介电常数。
14.一种使用电分离器连同分离循环的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.给电极通电，在容器内形成非均匀电磁场，电磁场内的电极和容器具有相反极性，容器内，电极周围填充的多个金属芯的珠子形成多个流道；
b.在容器入口端将携带固体颗粒的液体引入容器，促进液体流过多个流道；分离液体所含固体颗粒留在金属芯珠子上从而得到澄清液体；所述金属芯珠子来自多个珠子，并被电磁场极化；
c.通过出口端排出容器中的澄清液体。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于：所述流道是蜘蛛网形流道。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于：所述颗粒留在所述珠子之间的接触点。
17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于：所述金属芯珠子为绝缘金属珠，所述金属芯四周镀有电绝缘外表面。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于：所述绝缘金属珠采用阳极电镀珠子。
19.根据权利要求14所述的方法，其特征在于：所述电极通上交流电或直流电。
20.根据权利要求17所述的方法，其特征在于：所述绝缘金属珠涂敷有选自PTFE塑料、陶瓷及两者组合的材料的绝缘材料涂层。
21.根据权利要求14所述的方法，其特征在于：还包括以下清洗循环：
a.容器内电极断电，以停止产生电磁场；
b.将清洗液体引入容器；
c.清洗液体流过多个通道，将固体颗粒冲出通道；由于电磁场消失，固体颗粒不再保留在珠子上。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于：还包括推压加压气体通过容器推出清洗液的步骤。
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