CN116133730A

CN116133730A - 具有叶序衍生图案的聚结器板

Info

Publication number: CN116133730A
Application number: CN202180059353.7A
Authority: CN
Inventors: 奥兰雷瓦尤·马尔科姆·奥希诺沃; 法哈德·萨利赫·阿拉希德
Original assignee: Saudi Arabian Oil Co
Current assignee: Saudi Arabian Oil Co
Priority date: 2020-07-29
Filing date: 2021-07-27
Publication date: 2023-05-16
Also published as: EP4188572A1; US20230233958A1; US11691093B2; WO2022027038A1; US20220032211A1

Abstract

提供了聚结器板、聚结器板单元和聚结器。示例性实施例提供了一种用于将不混溶流体的混合物分离的聚结器板。聚结器板包括润湿区域和非润湿区域的图案，其中，该图案至少部分地基于叶序。

Description

具有叶序衍生图案的聚结器板

优先权声明

本申请要求2020年7月29日提交的美国专利申请号16/942,127的优先权，该专利申请的全部内容通过引用结合于此。

技术领域

本披露涉及聚结器板。

背景技术

平行板聚结介质在石油和天然气行业的油水分离器容器中使用，以处理和去除采出水中的污染油，或去除石油生产产生的湿原油中的分散水。采出水含有分散在水相中的油相污染，平行板聚结器使油滴聚结和聚集，油滴聚结和聚集增加了分散油从采出水流中的分离和回收。湿原油含有分散在油相中的水相污染，平行板聚结器使水滴聚结和聚集，水滴聚结和聚集增加了分散水从湿原油中的分离和回收。聚结和聚集的油滴或水滴集中在背离采出水或湿原油流的平行板壁处。这使得油上升或水沉降，由平行板引导到水面，在水面处油可以被浓缩并与聚集的油一起撇去并去除；或者引导到水油界面，在水油界面处水与聚结水或游离水一起抽出。

发明内容

本文所述的实施例提供了一种用于将不混溶流体的混合物分离的聚结器板。聚结器板包括润湿区域和非润湿区域的图案，其中，该图案至少部分地基于叶序。

本文所述的另一个实施例提供一种聚结器板组件。聚结器板组件包括多个聚结器板，其中，每个聚结器板包括至少部分地基于叶序的润湿区域和非润湿区域的图案。多个聚结器板组装成叠堆体，叠堆体在每个聚结器板之间具有均匀的距离。

本文所述的另一个实施例提供了一种包括聚结器板的聚结器，其中该聚结器板包括润湿区域和非润湿区域的图案，其中，该图案至少部分地基于叶序。

附图说明

图1是用于分离分散在水中的油滴的板的示意图

图2是圆柱形表面、比如树干上的叶序图案(h＝+1)的绘图

图3是投影在平面表面上的叶序图案的绘图。

图4A和图4B是示出了手性(handedness)对具有螺旋叶序方向的图案的影响的绘图。

图5是描绘第二叶序图案的节点的描绘图。

图6A、图6B和图6C是具有变化的节点面积密度且h＝-1的节点图案的绘图。

图7是形状为方形或矩形且h＝-1的节点的绘图。

图8A是具有凹陷轮廓的节点的聚结器板的截面。

图8B是具有凹入轮廓的节点的聚结器板的截面。

图9是基于图3中的节点图案的平面表面上密排布置的重叠突起的绘图。

图10A和图10B是非重叠突起的稀疏阵列的绘图。

图11是基于图5的图案、布置在平面表面上的凸块状突起的绘图。

图12是聚结器板上h＝-1的线的图案的绘图。

图13是聚结器板上h＝-1且具有减小的C值的线的图案的绘图。

图14A和图14B分别是突出线和凹入线的绘图。

图15A和图15B是具有不同C值的交替润湿/非润湿图案。

图16是具有波纹的聚结器板的绘图，波纹具有基于叶序图案的交替的润湿表面和非润湿表面。

图17是波纹板的堆叠布置的绘图。

图18A和图18B是波纹状聚结器板的轮廓的绘图。

图19是聚结器的截面视图，示出了用于将夹带油滴与水连续相分离的聚结器板的横流布置。

图20是聚结器的截面视图，示出了在每个方形截面模块中具有多个板的聚结器板模块。

图21是聚结器板模块的3×3布置的截面视图，其中油流动方向由箭头指示。

图22是安装在聚结器板模块前面的晶格板的前视图。

图23是具有用于聚结油滴的聚结器板模块的水油分离器或聚结器的示意图。

图24是用于测试测试板上的图案的测试单元的绘图。

图25A和图25B是倾斜、平坦的非润湿板上的油滴轨迹的绘图，示出了图案化板上与未图案化板上的液滴轨迹偏差。

图26A、图26B、图26C和图26D是来自实验的图像序列，示出了在具有被非润湿区域包围的润湿节点的叶序图案的图案化板上观察的液滴运动。

具体实施方式

本文描述的实施例涉及在平行板聚结器、聚结板组和聚结板组件的聚结介质中使用的聚结器板的设计。实施例包括聚结板，聚结板用于聚结和聚集分散在不混溶材料的连续相中的液滴，例如，在连续水相中输送的分散油滴，或者在连续油相中输送的水滴。

聚结板是平板或波纹板，具有由交替的非润湿区域和润湿区域形成的节点或线图案。如本文所用，非润湿和润湿是相对于夹带液滴的相而定义的。例如，对于水连续相中夹带的油滴，润湿区域是亲油的而非润湿区域是疏油的。类似地，对于油连续相中夹带的水滴，润湿区域是亲水的而非润湿区域是疏水的。本文使用的图案由叶序描述，比如由斐波那契(Fibonacci)数列定义的螺旋图案叶序。可以使用基于叶序的其他图案，包括卢卡斯(Lucas)螺旋、反常(anomalous)螺旋、二对(bijugate)、多对(multijugate)、三个一群(tricussate)或轮生(whorled)图案。该图案增强了来自不相容相的液滴的聚结，从而改善了分离。在各种实施例中，带图案的聚结板组装在平行板聚结器中，平行板聚结器放置在分离器容器或聚结器内，用于从采出水或湿原油流中分离污染油或水。

叶序是对自然界中存在的植物茎上叶子或花朵的排列或图案的研究。对于叶子，图案的演变是为了确保每片叶子都能在叶芽基部获得最大量的直射阳光和降水，而不会受到其他叶子或分枝的明显直接阻碍或重叠。在本文所述的实施例中，用于聚结器板的图案基于叶序以提高液-液聚结器板的效率。该图案使得板上聚结的液滴或膜沿非线性方向移动，这与如果板没有纹理时会发生的情况不同。当板平行地排列在多个板的组件中且板之间均匀分离时，图案通过减少沉降或下降或沉积或上升或乳化的距离来增强分散液滴相的聚结。

该图案在沉降或上升过程中引导聚结液滴，通过增加对经过的液滴的捕获和收集来增强聚结。该图案还提供了引导聚结液体的手段，因为每个连续的节点等级在轴向和横向方向上偏移。如本文所用，节点是板上的位置或表面上两个相交的凹槽或波纹或条或线之间的接合处，具有不同程度的分散相润湿性。

在一些实施例中，该图案具有在相继节点等级之间没有重叠的自然排列。该特性被用于聚结器板的纹理设计或图案，以促进聚结器板上聚结相(比如油或水)的侧向输送或运动的偏差，从而与板是平坦的且没有纹理的情况相比，更快地引导聚结并促进油朝向聚结器板的顶部边缘或水朝向底部边缘聚集。

聚结板被组装成板组组件中的平行板，该组件放置在聚结器或多相分离器中，并浸没在液体流中，比如油-水或水-油流。本文所述的板也可以用于气-液过程，其中平行板的组件用于接触或凝结分散的液滴，以从整体气体流(比如雾、薄雾或其他气体流)中去除液体。例如，气体(比如雾或薄雾)中水的液滴沉积在板上。润湿表面和非润湿表面的图案有助于液滴的聚集，从而增强水的冷凝和收集。

本文所述的图案化聚结器板通过增加膜厚度来增强分散相聚结过程，从而减少液滴从整体流中分离的有效沉积距离。在一些实施例中，用包含基于无理数的自然偏差或分散的图案对表面进行纹理化提供了非线性和非阻塞图案，该图案减少了有效轴向/向前距离以在给定吞吐量下实现更多脱水或脱油。

图1是用于分离分散在水中的油滴的板100的示意图。板100是从下方观察的。板100可以通过例如基于叶序的润湿区域和非润湿区域的图案102进行纹理化。在从入口106到出口108跨过板100的流动104期间，图案102引起板上的油滴110运动而朝向板100的顶部112分散。相比之下，平滑板上的油滴114将更多地偏转到出口108。对于沉降在油中的水滴，分散作用的方向是相反的。

润湿和非润湿聚结器板表面

用于生产润湿表面或非润湿表面的技术使用表面处理、涂层或材料选择等。如本文所述，表面润湿性是指分散相，比如水中的油滴或油中的水滴。表面润湿性通过油、水和固体表面之间的接触角来描述。固体的润湿性分布从表面自由能来获知，并且可以通过接触角测量来测量。已知的是润湿性影响聚结器介质的性能。非润湿表面具有等于或大于90°的接触角。润湿表面具有小于90°的接触角。

聚结器板可以由合适的材料制成，比如金属(例如不锈钢、双相钢等)、或聚合物材料(比如聚丙烯等)。除了材料选择之外，还可以调整表面纹理或粗糙度以影响固体表面的润湿性。粗糙度标度是微观的。

当聚结器板组件将碰撞聚结与润湿表面和非润湿表面的组合相结合时，聚结得到改善，因此油或水的去除效率提高。通过使用波纹或突起或障碍改变流场来改变分散相的轨迹，碰撞聚结得以调整。聚结器板上润湿区域和非润湿区的组合提高了聚结性能。

图案定义

图2是圆柱形表面202、比如树干上的叶序图案200(h＝+1)的绘图。在螺旋叶序中，两个连续节点204(比如叶芽)之间的角度是发散角。如本文所述，连续节点根据螺旋定义，但在树干上不相邻。因此相邻的节点由斐波那契数隔开，比如3、5、8和13。可以注意到，为了简化图，并不是所有的节点204都被标记。由树的圆柱形表面202上的节点204形成的可见螺旋是斜列线，并且与黄金比例

有关。对于枣椰树，斜列线是斐波那契数列中的连续数字3、5、8和13。叶芽或节点204的位置可以从图2中的圆柱形域(比如树干)转换为平面域，如图3所示。

图3是投影在平面表面300上的叶序图案200的绘图。相似的编号项如参考图2所描述的。图3中节点204的编号表示螺旋叶序中节点的顺序。节点204的分布(即图案200)不是规则的方形或矩形阵列，相反，晶格图案在结构上是四边形的。如本文所用，菱形结构具有等距边，因此，图3中显示的图案是菱形结构。然而，如果改变z方向因子C，则方程可以将晶格结构改变为非菱形，如本文所述。

连续节点的角度为θ_i+1＝θ_i+h·τ，其中h为+1或-1，控制图案方向或手性，τ以弧度为单位。半径为r的圆柱形表面上的x和y位置为：

x_i＝r·cosθ_i；以及

y_i＝r·sinθ_i。

平面表面上连续节点之间的角度为

其中

弧度或著名的“黄金角”137.5077641°。

通过将主干半径r因式分解，将水平节点位置从弧度转换为长度单位：

其中-r<x’<r。竖直节点位置z_i为：

其中C是可调系数，相当于增长率因子。调整参数C控制z方向的间距，以相对于横向方向

或x’_i扩展或压缩图案。

手性的影响

图4A和图4B是示出了手性对具有螺旋叶序方向的图案的影响的绘图。相似的编号项如参考图2所描述的。节点204按顺序编号，并标记了3、5、8和13斜列线。图4A示出了右手螺旋(right handed spiral)，其中h＝1。图4B示出了左手螺旋，其中h＝-1。斜列线被视为沿每个螺旋的节点数的差异或反映。

图案2定义

图5是节点204的描绘图500，描绘了第二叶序图案502。相似的编号项如参考图2所描述的。查看螺旋图案(比如棕榈树)的另一种方法是从顶部(比如树的顶点)查看它。如果图案从顶部变平并根据与中心的距离缩放图案，图案将如图5所示。该图案由以下方程定义：

其中i＝1,2,…并且g＝2π/τ²。

交替的非润湿表面或润湿表面

在本文描述的一些实施例中，叶序用于在聚结器板的表面上限定图案，比如下文描述的结构。该图案用于限定聚结器板的非润湿和润湿的交替区域或区。如本文所述，润湿和非润湿是相对于夹带液滴的相来表示的。例如，对于水中的油滴，润湿表面对分散的夹带油相是亲油的，而对于油中的水滴，润湿表面是疏水的。

润湿促进分散相的液滴附着在板上，液滴聚结形成更大的液滴、以及形成膜。非润湿减少了连续相和聚结器板之间的接触面积，并且通过降低表观液滴粘性来降低分散相液滴沿聚结器表面移动的阻力。润湿区域和非润湿区域的图案也引起膜的冲刷作用，从而促进聚结器板上聚结的分散相的清除，并使得在容器定期维护期间更容易从聚结器板上清除任何积聚的碳氢化合物物质。

润湿节点

在一些实施例中，图5的图案限定节点的或在突起、凹槽、波纹或条之间的交叉的位置或定位。通过调整参数C，可以扩展或压缩z方向的间距。扩展或压缩节点间距以降低或增加纹理密度。通过调整参数主干半径r控制板的每单位面积的节点数。纹理密度取决于板的每单位面积的节点数、以及节点相对于板面积的投影面积。节点的投影面积相对于板的面积(本文称为节点面积分数)在约0.05和0.7之间。

纹理密度是基于平均分散液滴尺寸、分散相液滴尺寸分布和分散相浓度等因素来选择的。例如，在具有低分散相浓度的一些实施例中，比如0.01％至1％的水包油(oil-in-water)浓度，节点面积分数较高。在具有高分散相浓度(比如10％至50％的油包水浓度)的一些实施例中，节点面积分数较低。在这些实施例中，对于圆形节点，节点直径在约0.1mm和100mm之间，或约0.1mm、约1mm、约10mm或约100mm。对于1mm节点，节点直径可以是聚结液滴尺寸的100倍。通过将节点直径与节点相对于板面积的面积相结合来控制节点内间距。节点被间隔得足够远，以延迟粘附在相邻节点上的液滴的聚结，从而使液滴高度最大化。节点的面积可以相对于节点之间的面积增加，如图6A至图6C和图7所展示。在这些图中，节点是润湿的，背景板表面是非润湿的，节点直径可以是0.1mm、1mm、5mm或10mm。

图6A至图6C是具有变化的节点面积密度且h＝-1的节点图案602的绘图。相似的编号项如参考图2所描述的。如这些图中所示，可以增加节点204的尺寸以改变分离参数。节点可以分开或接触或重叠。进一步地，节点形状可以是圆形、方形、矩形、菱形、平行四边形、三角形或任意形状。图7是形状为方形或矩形且h＝-1的节点204的绘图。

如图8A和图8B所示，聚结器板表面上的润湿节点区可以突出或凹陷/凹入。相似的编号项如参考图2所描述的。图8A是具有凸起或突出轮廓的节点204的聚结器板的截面。图8B是具有凹陷/凹入轮廓的节点204的聚结器板的截面。对于这些布置，突出或凹陷/凹入的节点可以相对于板的其他区域润湿。

如本文所述，由节点表示的区域相对于分散相是润湿的。节点周围的开放区是非润湿的。节点的润湿表面捕获并聚结液滴。与整个表面润湿相比，液滴的尺寸增大，从而进一步延伸到流场中。通过进一步延伸到流场中，更多的液滴被将板润湿的聚结液体捕获。板的非润湿区域允许液滴滚动和碰撞，直到被润湿节点捕获。

节点的位置由要分离的液滴和连续相的类型确定。具体地，节点需要位于板的聚结表面上。对于水中的油滴，节点位于上板的底表面上，而对于油中的水滴，节点位于下板的顶表面上。

突起

图9是基于图3中的节点图案在平面表面上成密排布置的重叠突起的绘图900。相似的编号项如参考图2所描述的。在一些实施例中，突起以叶序图案布置。在绘图900中，突起是用作节点204的截头圆柱体。截头圆柱体形状用于在平面表面上重复类似于棕榈树叶芽的结构。节点204之间的紧密间距相对于截头圆柱体的尺度产生如图9所示的突起的重叠阵列。由突起的前部的弯曲表面902表示的区是非润湿的或润湿的。在图9中，突起周围的平面表面904是润湿的或非润湿的。当突起重叠时，如图9中，弯曲表面902是非润湿的或者润湿的，而平面表面904是润湿的或者非润湿的。通过调整参数C，可以扩展或压缩z方向的间距，以降低或增加纹理密度。

图10A和图10B是非重叠突起的稀疏阵列的绘图。相似的编号项如参考图2所描述的。在这些实施例中，节点204的间距被扩展以降低板的每单位面积的纹理密度节点面积。如本文所述，纹理密度取决于板的每单位面积的节点数、以及节点的面积相对于板的面积。节点的面积相对于板的面积在0.05和0.7之间的范围内。基于平均分散液滴尺寸、分散相尺寸分布和分散相浓度来选择纹理密度。

就图9的方面而言，在图10A和图10B中，突起具有润湿表面1002，润湿表面之间的区1004是非润湿的。然而，突起代表的区可以是非润湿的或润湿的。就图9的方面而言，图10A和图10B，突起或节点204周围的区1004可以是润湿的或非润湿的，而节点204可以是非润湿的或润湿的。当突起重叠时，如图9所示，弯曲表面902是非润湿的或者润湿的，而平面表面904是润湿的或者非润湿的。分散的液滴在润湿区域润湿并生长。当突起定向成与主要整体流动方向成一定角度时，例如，图10A中底部到顶部(如箭头1006所指示)或图10B中左下到右上(如箭头1008所指示)，突起使突起之间的流体加速并产生低压区域，其中流体在突起的下游再循环。这增加了液滴与润湿表面碰撞的可能性，从而增加了相对于平面表面的捕获。除了图9、图10A和图10B的截头圆柱体之外，聚结器板的突起可以使用任何数量的形状。

图11是基于图5的图案、布置在平面表面上的凸块状突起的绘图。相似的编号项如参考图2所描述的。凸块突起充当节点204并且基于图5中的节点图案布置在平面表面上。该图案没有直线手性，是在液滴在表面上移动时捕捉液滴的替代方式。聚结器板的突起可以使用任何数量的形状。

线图案-凹槽和条

聚结器板上的图案不限于凸块状突起或离散的节点204，而是可以使用其他形状，比如线图案。图12是聚结器板上的线1202的图案的绘图，其中h＝-1。图13是聚结器板上的线1202的图案的绘图，其中h＝-1，并且C值减小。

通过连接空间节点位置，如图12所展示，在板表面上产生了具有叶序图案阵列的线1202的图案。通过调整参数C，可以扩展或压缩z方向上的线1202的间距，如图13所示。调整间距以降低或增加纹理密度。纹理密度取决于板的每单位面积的线的数量和宽度、以及线的面积相对于板的面积。线的面积相对于板的面积在0.05和0.7之间、或在约0.1和0.5之间、或在约0.2和0.4之间的范围内。如关于节点所述，基于平均分散液滴尺寸、分散相液滴尺寸分布和分散相浓度来选择纹理密度。在一些实施例中，基于平均分散液滴尺寸、分散相液滴尺寸分布和分散相浓度来选择纹理密度。

线1202具有物理宽度并且可以是平面的条，或者如关于图8A和图8B所描述的正轮廓(凸起)或负轮廓(凹入)。图14A和图14B分别是突出线和凹入线的绘图。相似的编号项正如参考图12所描述的。对于线图案，调整参数C可以用于修改z方向的间距，从而改变纹理密度。

图15A和图15B是具有不同C值的交替润湿/非润湿图案。在图15A和图15B中，由条1502表示的区是非润湿的或润湿的，而由线交叉而界定的开放区1504是润湿的或非润湿的。

对于图12中所展示的平面构型，相继的线交叉示出了主要方向，该主要方向不平行于流动方向，但随着z值的增加在负x'方向上漂移。当液滴接触板上的非润湿区时，液滴不会像在平坦的无纹理板中那样沿着板笔直行进，而是沿着板行进并根据图案的手性h由图案向左或向右引导。进一步地，线图案用于板的聚结表面上。例如，对于水中的油滴，线图案位于上板的底表面上，而对于油中的水滴，线图案位于下板的顶表面上。

图16和图17示出了基于图13和图15中的线图案的波纹图案1602，其具有凸起线1604或肋。图16是具有波纹的聚结器板1606的绘图，波纹具有基于叶序图案的交替的润湿表面和非润湿表面。在此实施例中，凸起肋是润湿的或非润湿的，平坦区是非润湿的或润湿的。在聚结器板的相反表面上，凹入线是非润湿的或润湿的，平坦区是润湿的或非润湿的。

图17是聚结器板1606的堆叠布置1700的绘图。在图17中，针对三个板示出了多个平行板的板取向和布置，但是聚结器组件通常将具有更多板，比如20个、50个或200个或更多个。堆叠布置1700适用于水中的分散油的分离，在聚结器板的顶部具有肋并且在下侧具有凹部。在一些实施例中，当油滴上升到聚结器板表面时，润湿平坦区聚结油滴，这些油滴在非润湿凹部中被引导离开板。替代地，当油滴从非润湿平坦区转移时，凹部可以润湿以聚结上升到板上的油滴。对于悬浮在油中的水滴，板取向是相反的，肋状表面位于上板的下侧，凹部位于下板的顶侧。

波纹

图18A和图18B是波纹状聚结器板的轮廓的绘图。在这些绘图中的每个中，示出了两个堆叠的板。在一些实施例中，波纹是如图18A所示的正弦曲线。在其他实施例中，波纹是离散的正弦曲线，如图18B所示。

在本文所述的实施例中，使用图6至图15中所示的节点或线图案，波纹状带纹理的叶序图案化板被组装并沿相对于彼此的交替方向堆叠。方向或取向是基于图3和图12中描述的叶序图案。板间距s在约10mm至约60mm之间。在一些实施例中，板间距为约10mm、或约20mm、或约40mm、或约60mm。板间距由要执行的分离确定，例如，水滴与油连续相的分离可以使用较宽的板间距，而油滴与水连续相的分离可以使用较窄的板间距。

至少部分地基于流速、连续相和分散相的密度、连续相粘度、和分散相的液滴尺寸分布来选择板分离。较小的间距提供较短的沉降或上升距离，使得在大量液体在聚结器的入口和出口之间花费的时间内捕获较小的液滴。进一步地，较宽的间距降低了聚结器板组件的入口和出口之间的压降。相应地，调整板间距以平衡捕获所夹带液滴的效率和聚结器上的压降。

在一些实施例中，聚结器板上的分散的夹带相捕获产生了比不使用所述图案的应用更厚的膜。因此，板间距可以是比标准平行板聚结器稍大的间距，比如宽5％、宽10％或宽20％，这可以降低压降。类似地，使用本文所述的图案，具有相同间距的聚结器板将实现分散相改进的聚结和分离。

聚结器板组件

如本文所述，聚结器板促进油滴或水滴的液滴-液滴相互作用和聚结。由于依赖于尺寸的浮力的变化，聚结产生上升或沉降更快的大液滴，例如，从水连续相中分离、聚结并上升得更快的油滴，或者从油连续相中分离、聚结并沉降得更快的水滴。对于在分离器容器中给定的停留时间，这使得分离更快，从而允许随着分离效率的增加而增加流速。

在各种实施例中，聚结器板通过堆叠并在聚结器板之间保持均匀间距而组装在一起，从而形成聚结器板组。聚结器板组组件插入相分离器中，比如水-油分离器或油-水分离器。聚结器板组布置在分离器中，使得连续相流过板，从而允许不混溶液体的液滴接触板并聚结。

平行板聚结器用于原油生产中的多相油水或水油分离器。在原油生产行业的采出水处理中，各种技术具有浓度和液滴截止尺寸，比如基于重力的水油分离器(WOSEP)。典型的API/CPI(API规范421，CPI-波纹板拦截器)水油分离器对于高达10,000ppm(1％体积)的入口进料水包油浓度实现50ppm至100ppm的出口水包油浓度，并使用聚结板来增加分散的油滴尺寸，以促进更快的上升速度以及与大量水的分离。在从湿原油流中分离水时，聚结器板组件用作分离器容器中的内部部件，以促进从湿原油进料流中增加水分离。在本文所述的各种实施例中，聚结器板是平面的或波纹状的，并且具有基于如关于先前图所描述的叶序的图案。

在横流构型中，板与流动方向平行地对齐，并在横向方向上倾斜20°至60°，或约45°。该角度是通过使得板之间的竖直距离最小化(较小的角度)和使得排放最大化(较大的角度)来确定的。对于低浓度的分散相，通常使用较小的角度，除非是分散相比连续相更粘稠，比如水包油。当分散相更粘稠时，则增加板角度以降低结垢的风险。板间间距为10mm至60mm，这取决于原油API比重和粘度。板间距随着API比重和温度的降低而增加。板是平坦的或波纹状的。在一些实施例中，波纹板具有在相继板之间对齐的波纹。在其他实施例中，波纹板根据前面描述的图案使波纹的取向交替。板图案相对于流入的流体流动方向的取向是针对手性从板的入口下角到出口上角对齐八斜列线，如关于图4所描述的。容器一半上的板与容器另一半上的板具有相反的手性。

图19是聚结器1900的截面视图，示出了用于将夹带油滴与水连续相分离的聚结器板1904的横流布置1902。在此实施例中，聚结器板1904被定向成与竖直方向成θ＝45°。在一些实施例中，聚结器板1904是从容器中部延伸到容器壁1906并保持在框架(未示出)中的完整板。

油的聚结和去除效率是保持聚结器板1904之间的层流流动、板间间距、板表面积、板角、波纹曲率、以及润湿表面和非润湿表面的纹理图案的函数。仪表用于测量聚结器1900的入口和出口处或聚结器板1904的上游和下游处水中的油或油中的水，以验证分离性能。在一些实施例中，分离性能用作控制上游分离单元和下游分离单元的反馈，例如，控制通过聚结器1900的流速。

图20是聚结器2000的截面视图，示出了在每个方形截面模块中具有多个板的聚结器板模块2002。模块被堆叠和布置为在容器的每一半上的板方向对齐成从容器壁向上朝向容器中心倾斜。在每个聚结器板模块2002中，多个45°板布置成在聚结器板模块2002之间具有竖直通道2004，用于含油水上升到聚结器2000中的液面2006。在聚结器2000的每一半上的聚结器板模块2002定向在相反的方向上。

聚结器板模块2002和容器壁2008之间的区由安装到容器壁2008的支撑阶梯台阶框架封闭，以防止流动在聚结器板模块2002周围绕过。用于聚结器板模块2002的典型单元箱的尺寸为约250mm×250mm，以穿过分离器容器上的人孔道。

图21是聚结器板模块2002的3×3布置的截面视图2100，其中聚结的油滴流动方向由箭头指示。相似的编号项如参考图20所描述的。截面视图2100还展示了用于上升油滴的竖直通道2004。连续相的流动将直接进入截面视图2100。

图22是安装在聚结器板模块2002前面的晶格板2202的前视图。如图21所展示，晶格板2202阻止连续相流干扰在聚结器板模块2002之间上升的油滴。如本文所述，当油滴上升时，油滴可以携带水流，因此分离出含油水，例如具有少量水的油。类似地，当夹带在油相中的水被分离时，少量的油可以与水一起去除。晶格板2202还引导水进入聚结器板模块2002，并防止水进入聚结器板模块之间的竖直通道。

图23是具有用于聚结油滴的聚结器板模块2002的水-油分离器或聚结器2300的示意图。相似的编号项如参考图20所描述的。聚结器板模块2002或组件插入到聚结器2300中并浸没在轴向容器流中，以促进分散相与连续相的分离。引入进水口2302的进料流是被油污染的水，例如，采出水(作为从湿原油流中去除水的上游原油脱水处理单元的副产品)。

在此实施例中，聚结器2300使用具有一个进水口2302、两个出水口2304和两个出油口2306的分流。聚结器2300具有容器2308，容器具有切线至切线长度(L)以及在约10.9-13.5之间的长度与直径(L/D)比。如本文所用，切线至切线长度不包括半椭圆形或半球形或其他形状的头部。分离室的长度2310与容器的长度之比(S/L)在约0.68和约0.77之间。比如采出水等行为(deed)流的保留时间在约15分钟和约35分钟之间。

进料流(比如来自上游原油脱水工艺单元的含油采出水)通过进水口2302进入油水分离器并分配到分离室中。水流过聚结器板模块2002并且油被聚结成更大的液滴。

油浮到表面并被撇油器2312撇去。油或含油水流通过出油口2306被回收到油生产流中。挡油板2314防止油被带入处理过的水中。水堰2316和挡水板2318减慢水流以允许任何残余油从水中分离，然后处理过的水通过出水口2304离开分离器以进行额外处理、注入或处置。保护气体可以通过进气口2320引入聚结器2300。

示例

利用本文所述的润湿节点图案，实验已经证明液滴被润湿节点捕获并且随后的液滴可以合并或聚结，或者可以从粘附到润湿节点的聚结液滴弹开。对于有角度的板，从初始液滴弹开的液滴将继续沿着随后的润湿节点周围的板的非润湿区移动，直到被润湿节点捕获。测试的图案是单节点图案(如关于图6所述)以及单线图案(如关于图12所述)。线图案使用凹入线，如关于图14B所述。

图案化聚结器板的测试

对浸入水中的板上的原油液滴运动进行研究。目的是确定叶序衍生图案对液滴运动的影响。

图24是用于测试测试板2402上的图案的测试单元2400的绘图。测试单元2400由具有6¹/₄”内径和6”高的透明聚丙烯酸酯圆柱体2404制成。聚丙烯酸酯圆柱体2404密封到可以由尼龙制成的底座2406，从而形成用于模拟连续相的浴。

测试板2402是长4”、宽3”的304不锈钢板。测试板2402使用可调支架2408、以可在10°和60°之间调节的角度悬挂在测试单元2400中。研究不同的板表面光洁度。在一些测试中，测试板2402用220号砂砾打磨而制备。对一些板，例如，在平滑区域进行了用研磨机的附加抛光。表面经过化学处理以赋予疏油或亲油特性。测试单元2400填充有去离子反渗透水。使用的原油是阿拉伯轻质稳定原油。实验在室温下进行，例如，约75°F。

注射器2410被用于通过插管2414(其在测试板2402下方具有开口)注射液滴2412。当液滴2412漂浮到测试板2402并聚结成更大的液滴2418时，使用相机2416来监测液滴。

图25A和图25B是倾斜的、平坦的非润湿板上的油滴轨迹图，示出了图案化板2502与未图案化板2504上的液滴轨迹偏差。在这个测试中，图案化板2502具有排列成1mm宽和0.1mm深的叶序图案的线2506。

图25A是液滴在未润湿的倾斜的、未图案化板2504上的轨迹2508的示意图。在未图案化板2504上，液滴2508在板上直接向上滚动。

图25B是图案化板2502上的液滴的轨迹2510、2512和2514的示意图，图案化板在板上具有线2506的叶序图案。在此示例中，整个板是非润湿的，例如，没有经过化学处理。在图案化板2502上，液滴的轨迹2510、2512和2514基于叶序图案偏向右侧。

图26A、图26B、图26C和图26D是来自实验的图像序列，示出了在具有被非润湿区域包围的润湿节点2604的叶序图案的图案化板2602上观察的液滴运动。为了简化图，未标记出所有润湿节点2604。在非润湿区接触板的液滴允许液滴滚动直到将节点区润湿。随后的液滴沿着非润湿板滚动或与润湿节点区上的液滴聚结。在此测试中，节点的直径为5mm。节点从板表面凸起或突出0.1mm。

在图26A中，第一液滴2606上升到图案化板2602，并且将最靠近该第一液滴碰撞图案化板2602处的润湿节点2604润湿。在图26B中，第二液滴2608接触图案化板2602并滚过第一液滴2606并离开图案化板2602的顶部，从而避开可润湿节点区。在图26C中，第三液滴与第一液滴聚结，从而形成更大的聚结液滴2610。在图26D中，第四液滴2612接触图案化板2602并滚过聚结液滴2610并进一步沿着图案化板2602将润湿节点2604润湿。

一方面，该图案是至少部分地基于斐波那契序列的螺旋。一方面，图案根据黄金比例布置成螺旋。一方面，图案中连续节点之间的角度为约137.5°。一方面，图案包括圆形、方形、矩形、菱形或三角形或其任何组合的节点。一方面，图案是卢卡斯螺旋、反常螺旋、二对、多对、三个一群或轮生图案。

一方面，图案包括突起。一方面，突起包括基本上垂直于流体流的表面。一方面，突起是重叠的。

一方面，图案包括凹部。一方面，凹部包括基本上垂直于流体流的表面。

一方面，图案形成在聚结器板的底表面中以将油滴与水连续相分离。一方面，图案形成在聚结器板的顶表面中以将水滴与油连续相分离。一方面，图案形成在聚结器板的顶表面中以将水滴与气体连续相分离。

一方面，图案包括线。一方面，线是凸起的。一方面，线是凹入的。一方面，线包括凸起肋。一方面，聚结器板是波纹状的。

一方面，聚结器板平行于流动方向对齐。一方面，聚结器板横向于流动方向倾斜20°至60°。一方面，两个聚结器板之间的间距在约10毫米(mm)和约60mm之间。

一方面，多个聚结器板布置成多个单元模块，每个单元模块之间具有竖直通道以允许含油水上升至液面。一方面，多个聚结器布置成多个单元模块，每个单元模块之间具有竖直通道以允许水沉到聚结器的底部。

一方面，聚结器包括多个聚结器板，其中，多个聚结器板中的每个聚结器板包括润湿区域和非润湿区域的图案，其中，该图案至少部分地基于叶序。一方面，聚结器一半上的聚结器板与容器另一半上的聚结器板以相反的方向定向。其他实现方式也在以下权利要求的范围内。

Claims

1.一种用于将不混溶流体的混合物分离的聚结器板，该聚结器板包括润湿区域和非润湿区域的图案，其中，该图案至少部分地基于叶序。

2.如权利要求1所述的聚结器板，其中，该图案是至少部分地基于斐波那契序列的螺旋。

3.如权利要求1所述的聚结器板，其中，该图案根据黄金比例布置成螺旋。

4.如权利要求1所述的聚结器板，其中，该图案中连续节点之间的角度为约137.5°。

5.如权利要求1所述的聚结器板，其中，该图案包括圆形、方形、矩形、菱形、平行四边形或三角形或其任意组合的节点。

6.如权利要求1所述的聚结器板，其中，该图案是卢卡斯螺旋、反常螺旋、二对、多对、三个一群或轮生图案。

7.如权利要求1所述的聚结器板，其中，该图案包括突起。

8.如权利要求7所述的聚结器板，其中，这些突起包括基本上垂直于流体流的表面。

9.如权利要求7所述的聚结器板，其中，这些突起是重叠的。

10.如权利要求1所述的聚结器板，其中，该图案包括凹部。

11.如权利要求10所述的聚结器板，其中，这些凹部包括基本上垂直于流体流的表面。

12.如权利要求1所述的聚结器板，其中，该图案形成在该聚结器板的底表面中，以将油滴与水连续相分离。

13.如权利要求1所述的聚结器板，其中，该图案形成在该聚结器板的顶表面中，以将水滴与油连续相分离。

14.如权利要求1所述的聚结器板，其中，该图案形成在该聚结器板的顶表面中，以将水滴与气体连续相分离。

15.如权利要求1所述的聚结器板，其中，该图案包括线。

16.如权利要求15所述的聚结器板，其中，这些线是凸起的。

17.如权利要求15所述的聚结器板，其中，这些线是凹入的。

18.如权利要求15所述的聚结器板，其中，这些线包括凸起肋。

19.如权利要求1所述的聚结器板，其中，该聚结器板是波纹状的。

20.一种聚结器板组件，包括多个聚结器板，其中，每个聚结器板包括润湿区域和非润湿区域的图案，其中，该图案至少部分地基于叶序，并且其中，该多个聚结器板组装成叠堆体，该叠堆体在这些聚结器板中的每个之间具有均匀的距离。

21.如权利要求20所述的聚结器板组件，其中，这些聚结器板平行于流动方向对齐。

22.如权利要求20所述的聚结器板组件，其中，这些聚结器板横向于流动方向倾斜20°至60°。

23.如权利要求20所述的聚结器板组件，其中，两个聚结器板之间的间距在约10毫米(mm)和约60mm之间。

24.如权利要求20所述的聚结器板组件，其中，该多个聚结器板布置成多个单元模块，每个单元模块之间具有竖直通道以允许含油水上升至液面。

25.如权利要求20所述的聚结器板组件，其中，该多个聚结器布置成多个单元模块，每个单元模块之间具有竖直通道以允许水沉到聚结器的底部。

26.一种包括聚结器板的聚结器，其中该聚结器板包括润湿区域和非润湿区域的图案，其中，该图案至少部分地基于叶序。

27.如权利要求26所述的聚结器，包括多个聚结器板，其中，该多个聚结器板中的每个聚结器板包括润湿区域和非润湿区域的图案，其中，该图案至少部分地基于叶序。

28.如权利要求27所述的聚结器，其中，该聚结器一半上的聚结器板与容器另一半上的聚结器板以相反的方向定向。