CN86105817B - 静电混合器/分离器 - Google Patents

Abstract

对平行安置的电极板通电以产生静电场，调节电压把电场强度调节到足可用以混合极性与非极性流体的程度，再令混合物流经该静电场中，此时该静电压的场强已调节到足以使已与非极性流体中的杂质结合的极性流体进行凝聚。

Description

静电混合器/分离器

本发明涉及在较无极性的流体中分散或混合较有极性的流体的方法和设备。更详细地说，本发明涉及有效混合和分离上述流体用的经调制的静电场。

有许多生产过程要求剪切极性流体并把极性流体全面分散到与极性流体不能互溶的非极性流体中，接着，通过顺次凝聚以分离极性和非极性流体。油田中的水是分散在非极性有机流体（石油）中的极性流体。要萃取分散在石油中固有的卤水，必须加入含盐量比固有卤水少的水，并把加入的水剪切成可与固有卤水结合的大小。迄今为止，剪切的方法是在所加入的新鲜水、卤水和石油组成的混合物中造成压降，使之形成由卤水和经剪切的新鲜水混合和结合而成的水滴。

在现有工艺中，详细介绍了许多用静电场从石油中凝聚和分离卤水的方法。该方法具有代表性的工艺是布列斯特里奇在美国专利3，772，180号和3，847，775号中公开的工艺。该工艺，简单地说，是使含水石油通过静电场使分散在石油中的水凝聚成更大的水滴。凝聚的水滴大到这样的程度以致一经从流过静电场的石油中分离出来之后就借重力沉积下来。油通过靠近容器顶部的出口卸除，水凝聚成水滴后收集在容器底部卸除。

沃润等人在美国专利4，161，439号和4，204，934号中公开了生成混合极性和非极性流体用的静电场的一些初步研究成果。这种装置采用改变电极间距的方法，或采用成套独立电极，由独立电源供电。这样做是为了先后生成具有一定强度足以分散和混合流体用的静电场和强度较小凝聚和分离用的静电场。然而采用这种装置，混合区中的持续高场强使电极间聚集和维持导电的极性相。这样，聚集在高场强（混合）区的水不可避免地形成具有一定导电性的通路足以使电极间短路，从而限制了装置的工作能力。因此有必要减少或制止这种短路现象并对该装置采取改良措施，进一步减少其中一个流体中的杂质。

本发明提出了调制电源输出的方法。该电源用以供电给至少一对电极，该对电极用以建立静电场，该静电场则用以在静电场中先混合后分离不能互溶的流体。这种调制方法对解决上述短路问题极为有效，应用它可以在预定持续时间内削弱高强度的电场，因而减少不断聚集在电极间某一定位置的极性流体并降低该极性流体不断增加的浓度，从而解决上述沃润等人的装置产生的短路问题。调制还可以在很短的时间内在极高场强的作用下在非极性流体中剪切和分散不能与非极性流体互溶的极性流体。这个过程之后，接着是有节制地降低静电场的场强，使极性流体凝聚，借重力从非极性流体中分离出来。此先后进行混合和分离的工序，其目的是把杂质从一种流体转移到另一种流体。该工序与流体的化学性质有关。

通过本发明说明书、权利要求书和附图可以更清楚地了解本发明的其它目的、优点和特点。

图1A是本发明实施例的电路方框图。

图1B和1C是装有电极的由图1A电路馈电的容器的部分纵剖面图。

图2A是图1A电路更详细的方框图。

图2B是电路中某一特定位置上的电压波形。

图3是图1B容器的等角剖面透视图。

图4是加到电极上的电压/时间关系曲线。

应该理解，本发明主要是在一种或多种较无极性流体和一种或多种较有极性流体之间转移其中存在的杂质，而该极性流体和非极性流体是不能互溶的。这些杂质至少包括固体氯化钠（盐）、金属离子等。下面公开的本发明的装置，其具体用途是把原来存在于非极性流体中的杂质转移到极性流体中。

本发明包括应用静电场混合和分离不能互溶的两种流体的一种经改进的新方法和装置。在图1A-4的最佳实施例中，分散的极性流体与较无极性流体中的杂质接触、结合，然后该杂质与极性流体结合形成的液滴凝聚，以便从较无极性的流体中清除出去。虽然过去已有人介绍过应用静电场可以在不能与极性流体互溶的非极性流体中混合和/或分离极性流体（4，204，934和4，308，127号专利），但该应用静电场进行混合的作法是在实验室密切控制的试验条件下进行的，具有一定局限性。静电混合工艺由于受该工艺顺利进行时工艺条件的限制，迄今未能商品化。限制这种装置实现商品化的主要问题在于：加到电极上的电压足以使混合过程圆满进行时，极性流体就会聚集在混合区中，最后形成导电通路使电极之间产生电弧放电或短路。本发明解决这个问题的方法是调制静电场的强度。通过场强调制以减少或制止飞弧的产生，使凝聚的极性液滴有充分时间借重力离开混合区，从而消除使电极之间产生飞弧的导电通路。

调制静电场强度的一个方法是应用图1A所示的控制系统。在正常情况下，控制器7的作用是监控装置消耗的电能，调节加到变压器9的电压，从而使其维持在安全工作范围内。控制器7的结构与配置方式按照一九八三年八月二十三日A.A.苏尔茨等人发表的4，400，253号专利公开的内容。图1A的控制系统仅仅是可用以调制电极场强用的许多装置的一个典型例子。控制器7的电源电压被加到输入端子1上。来自信号发生器8的预定控制信号2是最后产生规定的电极静电场强度调制的信号。此信号被加到控制器7上，其作用是调制控制器的输出3，此输出3则被加到变压器9的一次侧。由于加到变压器一次侧的电压，其调制特性传送到二次侧或高压测，因此变压器9输出端4输出的是希望的高电压。然后变压器的输出被加到整流装置10上，在引线5和6上产生整流过的电压。此整流电压被加到有关电极11和12上，如图1B和图3中所示，产生所要求的预定调制场强。图1B是电极的最佳配置方式，其中11和12代表其中两个电极。电极系统和进口喷液器15、极性流体集液管22一起装在容器26中，喷液器15在电极下方，集液管22在电极上方。图1C更详细地画出一对电极11和12、进口喷液器15的一部分和极性流体集液器22的配置情况。含杂质的较无极性的流体经进口喷液器15进入装置中，通过诸小孔16散布开来，往上流经电极11和12之间经调制的静电场。含杂质的较无极性的流体最好是垂直方向流动，但本发明并不局限于此配置方式，含杂质的流体是可以从任何方向进入静电场的。同时，极性流体24经集液管22引进静电场中。该静电场经调制后首先用以把极性流体的分子剪切成小液滴然后将液滴分散入较无极性的流体中，与较无极性流体中的杂质混合。接着这些分散的液滴与较无极性流体中的杂质接触、结合，再凝聚成大得足以借重力下沉并通过电极间静电场的液滴。流体通过静电场时，上述过程重复多次进行，极性流体就借重力往下降，产生多次逆流混合阶段。采用这种逆流混合方式时，本发明的装置变得十分经济有效，成了多级流体混合器/分离器。极性流体的流向最好是垂直方向，但这里应再次指明，最后能到达该静电场的任何流向都属于本发明的范围。

要充分领会本发明的静电多级混合器/分离器的各项好处最好将其与现有技术的分离工艺进行对比。原油脱盐工艺是现有分离技术的一个良好实例。在该脱盐工艺中要求对原油这种较无极性的流体在送入炼油厂之前必须充分除去其中的杂质（氯化钠）。

在一般原油脱盐工艺中，往原油料流中要注入大量的稀释水（新鲜水或含盐量较少的水），其量为原油中固有卤水量的2倍至10倍。然后令整个料流通入大型减压阀（压降约为15至40磅/平方英寸）以产生大量的稀释小水滴从而增加分散卤水与稀释水接触、结合的可能性。接着将稀释后的原油料流在机械和/或电动脱水槽中脱水，以便从原油中除去与卤水结合的水滴，遗憾的是，可被除去的最大盐量取决于稀释水量，因而这决定了在一个脱盐过程中可被除去的最大盐量。因此通常起码需要增设第二处理段，从而需要增加稀释水、减压和脱水装置才能使原油达到所要求的含盐标准。

通常，一般100，000桶/日的两步法脱盐装置或“系列”需要设置两个大（直径约12英尺，长约80英尺）脱水槽，还有泵机、阀门并保证维持两级压降所需的功率。在流量相同的情况下，采用本发明的装置只需要一个与上述现有技术所用同大小的槽，而且这一个槽可兼作为混合槽和脱水槽。此外，无需一般脱水工艺中所需的有关泵机、阀门或压降功率等。诚然，本发明中的各电极需要电力供应，但这些电能仅仅是消耗在仅占总流量一小部分的少量极性或水相流体上，所以用电量非常小。

图2A是为实现本发明的目的而采用的控制系统的功能方框图，图中列出了各基本电气元件。图2B是控制系统中各元件间存在的典型波形及其在方框图中的位置。其中1a、2a、3a、4a、5a、6a分别是440伏60赫、0-5伏直流、0-440伏60赫、0-50千伏60赫、正极的直流为0-50千伏及负极的直流为0-50千伏时的波形。

如上所述，控制器7的主要作用是防止装置电力过载。当电源电压加到控制器的输入端子1时，控制器就往变压器9的一次侧上加电压。必要时，控制器可以通过对电流和电压反馈诸信号的监控重新调节加到变压器一次侧的电压，从而维持装置在安全工作范围内运行。此外，控制信号2a也可以在控制器7的2点处被加到控制电路中以调制其输出3，控制电路产生的波形3a则被加到变压器9上。变压器9使变化着的电压信号升压，产生波形为4a的输出4，再把此经调制的输出加到整流系统10上。整流系统有两个输出：直流高电压的正极5a被加到诸电极11的正极端，而直流高电压的负极6a则被加到诸电极的负极端12。

应该看到，图2A的控制系统仅仅是能产生加到产生静电场的电极之间同类电压的许多电路的一个典型，最终目的是控制各电极之间静电场的强度。图2A是实现此目的的一个方法。我们在此阐明，本发明的一个方面是产生静电场，先是用以在较无极性的流体中混合和分散极性流体，使分散的极性流体与非极性流体中的杂质接触和结合。然后再逐步减弱静电场的场强，使极性流体与杂质的结合体凝聚，接着令静电场维持最小场强历时一定时间，使当时含杂质的极性流体借重力沉积，从非极性流体中分离出来。

图4是一个试验操作中得出的典型波形。如图4所示，A段是所加电压开始上升的阶段，在此阶段中，电压以防止飞弧的速度迅速上升到进行混合所需要的值，因此A段叫做分散段。B段是混合段，它表示达到理想混合情况需要施加最大电压的一定时间。C段是凝聚段，它是所加电压逐步下降的阶段。电压的下降促使当时已含杂质的较有极性的流体液滴凝聚，液滴的大小随电压的下降而增大。D段是沉积段，它是施加最低电压的阶段，使凝聚的液滴从较无极性的流体中沉积出来。这种循环就以分散/混合/凝聚/沉积的连续工作程序周而复始地重复着。

静电场的调制包括改变各不同阶段的历时时间，从而改变各阶段重复的频率的联合效果。最大电压历时和最小电压历时（分别为2段和4段）在整个周期中所占的百分比非常重要，因为两者之间必须保持一定的平衡，以维持足够的高压历时时间保证充分的混合效果，同时维持足够的低压历时时间保证已凝聚的较有极性的相从较无极性的流体中分离出来。适当地调节循环周期可以使给定时间内的混合量和分离量达到最高值从而影响一个装置的大小。在施加最大电压之前（以减少飞弧），需要粉碎和分散极性流体的大液滴，因此施加电压的速度（A段）也很重要。但更重要的是混合阶段后（C段）电压递降的速度，因为产生任何凝聚所需要的电压递降速度取决于装置流体的性质。因此，要产生最大的液滴，凝聚电压不应递降得比液滴增长的速度快。要使液滴快速沉积到非极性流体中，必须增大液滴的体积。图4是工作电压恰当时的具体波形，这些电压值是按一定的乳浊液和工作条件藉试验测定的，当采用其它流体流量或流体性质时，要获得装置的最佳特性则需要采用不同的循环周期时间。

在连续工作式的装置上进行的中间试验表明，如按图4方式调节电压，效果很好。在应用本发明的装置对原油进行脱盐的评价试验中，我们令含有0.5%体积的卤水（百万分之二十万盐）的原油与1.0%体积的逆流稀释液（新鲜水）流连续进行乳化，结果盐回收量达99.93%。这相当于使每100桶油中的含盐量从400磅降低到0.3磅。油相在试验温度下的粘度为53通用赛氏秒，流量则相当于每日每平方英尺300桶。加到电极上的最高电压为45，000伏。试验时，电极间距为3英寸。

我们还采用同一个中间试验装置测定现有技术一步脱盐工艺在相同试验条件下的脱盐效率。在这个试验装置中，我们在混合阀上游顺流加稀释水，混合阀的压降为15磅/平方英寸。为将该混合物脱水使其达到用上述静电混合器/分离器所能达到的水相出口余量（0.1%），电极上加了恒定静电压，流量、温度、流体浓度等其它变量则保持不变。试验结果表明，一般装置仅能达到80%左右的除盐量。这相当于使每1000桶油中的含盐量从400磅降低到80磅，而新发明的装置则可降低到0.3磅。这证实了本发明比现有技术优越，而且表明现有技术要达到本发明所能达到的脱盐水平起码要用两级装置才能完成。

本发明可用于需要把不能互溶的极性溶液和非极性溶液进行有效混合和分离的任何液-液交换装置中。这些装置包括，但并不限于，用弱酸从矿石中回收矿业产品的装置，例如，回收铀和铜用的那些装置。

可应用本发明的具有代表性的装置是一九七八年十月十七日布列斯特里奇在4，120，769号美国专利中介绍的湿法冶金采矿装置。该装置采用三个射流回路把铜从矿石中传送到电解沉积工艺的最终回路进行回收。第一回路的萃取环路中有弱酸（极性溶液）用以从矿石中溶解铜。于是萃取环路中的弱酸就充满铜。第二回路的非极性载体中含选择性离子交换化合物，该非极性载体的作用是从充满铜的弱酸中除去铜。其次，令含铜的离子交换化合物与强酸混合。该强酸的酸度足以使氢离子从富含铜的离子交换化合物取代铜，并用氢离子对该化合物进行再生。然后用电解沉积法除去强酸中的铜。

此外，该专利公开的装置是把金属有用产品（无论它有多贵重）作为杂质进行处理的一个例子。又，在本发明中，杂质既可以令其沉积在极性流体回路中，也可以令其沉积在非极性流体回路中。剩下的问题是，当任何两个回路混在一起和分开时如何妥善设计液压回路进行传送所需的化学性能。

综上所述，可知本发明不仅可以达到本发明说明书前述的各项目的，而且使本发明方法和装置具有明显和固有的优点。

可以理解，本发明的某些特点和再组合是极为有用的，它们可加以应用而与本发明的其它特点和再组合无关。这些都属于本发明的范围。

在不脱离本发明范围的前提下，还可以列举许多本发明的实施例，因此，本发明说明书以上所阐述或附图所示的内容应视为示范性质的，完全没有限制本发明内容的意图。

Claims (17)

1、在较无极性流体中分散不能与该较无极性流体互溶的较有极性流体以从该两流体中的一个流体萃取杂质的一种方法，其特征在于，该方法包括：

先令该较无极性的流体流经至少一对电极之间，再令不能在非极性流体中互溶的较有极性的流体流经该对电极之间;

往各电极上加电压以产生静电场，其场强足以剪切该较有极性的流体并将剪切后的该较有极性流体分散到非极性流体中;

使该静电场维持一定的场强以将极性流体与非极性流体进行混合，使杂质从一个流体转移到另一个流体中;

降低加到电极上去的电压使分散开的较有极性的流体进行凝聚;

在预定的时间内使电极上维持一定的低电压以便凝聚的极性流体液滴沉积并从非极流体中分离出来。

2、权利要求1提出的方法，其特征在于，较无极性的流体往上流经静电场，较有极性的流体逆流与较无极性的流体相向接触。

3、权利要求1提出的方法，其特征在于，杂质是在较无极性的流体中。

4、权利要求2提出的方法，其特征在于，杂质是在较有极性的流体中。

5、权利要求1提出的方法，其特征在于，杂质系非极性流体中的卤水，极性流体是水，用脱水法除去极性流体与卤水的结合物。

6、从较无极性流体中除去杂质用的一种设备，该设备包括：

至少一对产生静电场用的电极;

流经该静电场的含杂质的较无极性流体源;

不能与流经该静电场的含杂质流体互溶的极性流体源;

其特征在于，该设备具有：

加到电极上的可调电压源和相应的调压装置，该调压装置用以将电压按预定的升压速度调到预定的最大电压值并在预定的持续时间内维持该最大电压值，同时该装置还用以将电压按预定的降压速度调到预定的最小电压值并在预定的持续时间内维持该最小电压值;

利用该调压装置可将该静电场强按一定的速度增强以避免飞弧发生，并将该静电场维持在最大场强以剪切、分散和结合连同其杂质的该较有极性流体，然后将该静电场场强削弱使含杂质的较有极性流体凝聚成大液滴借重力从非极性流体中分离出来。

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