專利名稱:靜電混合器/分離器的制作方法
本發(fā)明涉及在較無極性的流體中分散或混合較有極性的流體的方法和設(shè)備。更詳細(xì)地說，本發(fā)明涉及有效混合和分離上述流體用的經(jīng)調(diào)制的靜電場。
有許多生產(chǎn)過程要求剪切極性流體并把極性流體全面分散到與極性流體不能互溶的非極性流體中，接著，通過順次凝聚以分離極性和非極性流體。油田中的水是分散在非極性有機(jī)流體(石油)中的極性流體。要萃取分散在石油中固有的鹵水，必須加入含鹽量比固有鹵水少的水，并把加入的水分子剪切成可與固有鹵水的分子結(jié)合的大小。迄今為止，剪切的方法是在所加入的新鮮水、鹵水和石油組成的混合物中造成壓降，使之形成由鹵水和經(jīng)剪切的新鮮水混合和結(jié)合而成的水滴。
在現(xiàn)有工藝中，詳細(xì)介紹了許多用靜電場從石油中凝聚和分離鹵水的方法。該方法具有代表性的工藝是布列斯特里奇在美國專利3，772，180號和3，847，775號中公開的工藝。該工藝，簡單地說，是使含水石油通過靜電場使分散在石油中的水凝聚成更大的水滴。凝聚的水滴大到這樣的程度以致一經(jīng)從流過靜電場的石油中分離出來之后就借重力沉積下來。油通過靠近容器頂部的出口卸除，水凝聚成水滴后收集在容器底部卸除。
沃潤等人在美國專利4，161，439號和4，204，934號中公開了生成混合極性和非極性流體用的靜電場的一些初步研究成果。這種裝置采用改變電極間距的方法，或采用成套獨立電極，由獨立電源供電。這樣做是為了先后生成具有一定強(qiáng)度足以分散和混合流體用的靜電場和強(qiáng)度較小凝聚和分離用的靜電場。然而采用這種裝置，混合區(qū)中的持續(xù)高場強(qiáng)使電極間聚集和維持導(dǎo)電的極性相。這樣，聚集在高場強(qiáng)(混合)區(qū)的水不可避免地形成具有一定導(dǎo)電性的通路足以使電極間短路，從而限制了裝置的工作能力。因此有必要減少或制止這種短路現(xiàn)象并對該裝置采取改良措施，進(jìn)一步減少其中一個流體中的雜質(zhì)。
本發(fā)明提出了調(diào)制電源輸出的方法。該電源用以供電給至少一對電極，該對電極用以建立靜電場，該靜電場則用以在靜電場中先混合后分離不能互溶的流體。這種調(diào)制方法對解決上述短路問題極為有效，應(yīng)用它可以在預(yù)定持續(xù)時間內(nèi)削弱高強(qiáng)度的電場，因而減少不斷聚集在電極間某一定位置的極性流體并降低該極性流體不斷增加的濃度，從而解決上述沃潤等人的裝置產(chǎn)生的短路問題。調(diào)制還可以在很短的時間內(nèi)在極高場強(qiáng)的作用下在非極性流體中剪切和分散不能與非極性流體互溶的極性流體。這個過程之后，接著是有節(jié)制地降低靜電場的場強(qiáng)，使極性流體凝聚，借重力從非極性流體中分離出來。此先后進(jìn)行混合和分離的工序，其目的是把雜質(zhì)從一種流體轉(zhuǎn)移到另一種流體。該工序與流體的化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。
通過本書、權(quán)利要求
附件和附圖可以更清楚地了解本發(fā)明的其它目的、優(yōu)點和特點。
圖1A是本發(fā)明實施例的電路方框圖。
圖1B和1C是裝有電極的由圖1A電路饋電的容器的部分縱剖面圖。
圖2A是圖1A電路更詳細(xì)的方框圖。
圖2B是電路中某一特定位置上的電壓波形。
圖3是圖1B容器的等角剖面透視圖。
圖4是加到電極上的電壓/時間關(guān)系曲線。
應(yīng)該理解，本發(fā)明主要是在一種或多種較無極性流體和一種或多種較有極性流體之間轉(zhuǎn)移其中存在的雜質(zhì)，而該極性流體和非極性流體是不能互溶的。這些雜質(zhì)至少包括固體氯化鈉(鹽)、金屬離子等。下面公開的本發(fā)明的裝置，其具體用途是把原來存在于非極性流體中的雜質(zhì)轉(zhuǎn)移到極性流體中。
本發(fā)明包括應(yīng)用靜電場混合和分離不能互溶的兩種流體的一種經(jīng)改進(jìn)的新方法和裝置。在圖1A-4的最佳實施例中，分散的極性流體與較無極性流體中的雜質(zhì)接觸、結(jié)合，然后該雜質(zhì)與極性流體結(jié)合形成的液滴凝聚，以便從較無極性的流體中清除出去。雖然過去已有人介紹過應(yīng)用靜電場可以在不能與極性流體互溶的非極性流體中混合和/或分離極性流體(4，204，934和4，308，127號專利)，但該應(yīng)用靜電場進(jìn)行混合的作法是在實驗室密切控制的試驗條件下進(jìn)行的，具有一定局限性。靜電混合工藝由于受該工藝順利進(jìn)行時工藝條件的限制，迄今未能商品化。限制這種裝置實現(xiàn)商品化的主要問題在于加到電極上的電壓足以使混合過程圓滿進(jìn)行時，極性流體就會聚集在混合區(qū)中，最后形成導(dǎo)電通路使電極之間產(chǎn)生電弧放電或短路。本發(fā)明解決這個問題的方法是調(diào)制靜電場的強(qiáng)度。通過場強(qiáng)調(diào)制以減少或制止飛弧的產(chǎn)生，使凝聚的極性液滴有充分時間借重力離開混合區(qū)，從而消除使電極之間產(chǎn)生飛弧的導(dǎo)電通路。
調(diào)制靜電場強(qiáng)度的一個方法是應(yīng)用圖1A所示的控制系統(tǒng)。在正常情況下，控制器7的作用是監(jiān)控裝置消耗的電能，調(diào)節(jié)加到變壓器9的電壓，從而使其維持在安全工作范圍內(nèi)?？刂破?的結(jié)構(gòu)與配置方式按照一九八三年八月二十三日A.A.蘇爾茨等人發(fā)表的4，400，253號專利公開的內(nèi)容。圖1A的控制系統(tǒng)僅僅是可用以調(diào)制電極場強(qiáng)用的許多裝置的一個典型例子?？刂破?的電源電壓被加到輸入端子1上。來自信號發(fā)生器8的預(yù)定控制信號2是最后產(chǎn)生規(guī)定的電極靜電場強(qiáng)度調(diào)制的信號。此信號被加到控制器7上，其作用是調(diào)制控制器的輸出3，此輸出3則被加到變壓器9的一次側(cè)。由于加到變壓器一次側(cè)的電壓，其調(diào)制特性傳送到二次側(cè)或高壓測，因此變壓器9輸出端4輸出的是希望的高電壓。然后變壓器的輸出被加到整流裝置10上，在引線5和6上產(chǎn)生整流過的電壓。此整流電壓被加到有關(guān)電極11和12上，如圖1B和圖3中所示，產(chǎn)生所要求的預(yù)定調(diào)制場強(qiáng)。圖1B是電極的最佳配置方式，其中11和12代表其中兩個電極。電極系統(tǒng)和進(jìn)口噴液器15、極性流體集液管22一起裝在容器26中，噴液器15在電極下方，集液管22在電極上方。圖1C更詳細(xì)地畫出一對電極11和12、進(jìn)口噴液器15的一部分和極性流體集液器22的配置情況。含雜質(zhì)的較無極性的流體經(jīng)進(jìn)口噴液器15進(jìn)入裝置中，通過諸小孔16散布開來，往上流經(jīng)電極11和12之間經(jīng)調(diào)制的靜電場。含雜質(zhì)的較無極性的流體最好是垂直方向流動，但本發(fā)明并不局限于此配置方式，含雜質(zhì)的流體是可以從任何方向進(jìn)入靜電場的。同時，極性流體24經(jīng)集液管22引進(jìn)靜電場中。該靜電場經(jīng)調(diào)制后首先用以把極性流體的分子剪切成小液滴然后將液滴分散入較無極性的流體中，與較無極性流體中的雜質(zhì)混合。接著這些分散的液滴與較無極性流體中的雜質(zhì)接觸、結(jié)合，再凝聚成大得足以借重力下沉并通過電極間靜電場的液滴。流體通過靜電場時，上述過程重復(fù)多次進(jìn)行，極性流體就借重力往下降，產(chǎn)生多次逆流混合階段。采用這種逆流混合方式時，本發(fā)明的裝置變得十分經(jīng)濟(jì)有效，成了多級流體混合器/分離器。極性流體的流向最好是垂直方向，但這里應(yīng)再次指明，最后能到達(dá)該靜電場的任何流向都屬于本發(fā)明的范圍。
要充分領(lǐng)會本發(fā)明的靜電多級混合器/分離器的各項好處最好將其與現(xiàn)有技術(shù)的分離工藝進(jìn)行對比。原油脫鹽工藝是現(xiàn)有分離技術(shù)的一個良好實例。在該脫鹽工藝中要求對原油這種較無極性的流體在送入煉油廠之前必須充分除去其中的雜質(zhì)(氯化鈉)。
在一般原油脫鹽工藝中，往原油料流中要注入大量的稀釋水(新鮮水或含鹽量較少的水)，其量為原油中固有鹵水量的2倍至10倍。然后令整個料流通入大型減壓閥(壓降約為15至40磅/平方英寸)以產(chǎn)生大量的稀釋小水滴從而增加分散鹵水與稀釋水接觸、結(jié)合的可能性。接著將稀釋后的原油料流在機(jī)械和/或電動脫水槽中脫水，以便從原油中除去與鹵水結(jié)合的水滴。遺憾的是，可被除去的最大鹽量取決于稀釋水量，因而這決定了在一個脫鹽過程中可被除去的最大鹽量。因此通常起碼需要增設(shè)第二處理段，從而需要增加稀釋水、減壓和脫水裝置才能使原油達(dá)到所要求的含鹽標(biāo)準(zhǔn)。
通常，一般100，000桶/日的兩步法脫鹽裝置或“系列”需要設(shè)置兩個大(直徑約12英尺，長約80英尺)脫水槽，還有泵機(jī)、閥門并保證維持兩級壓降所需的功率。在流量相同的情況下，采用本發(fā)明的裝置只需要一個與上述現(xiàn)有技術(shù)所用同大小的槽，而且這一個槽可兼作為混合槽和脫水槽。此外，無需一般脫水工藝中所需的有關(guān)泵機(jī)、閥門或壓降功率等。誠然，本發(fā)明中的各電極需要電力供應(yīng)，但這些電能僅僅是消耗在僅占總流量一小部分的少量極性或水相流體上，所以用電量非常小。
圖2A是為實現(xiàn)本發(fā)明的目的而采用的控制系統(tǒng)的功能方框圖，圖中列出了各基本電氣元件。圖2B是控制系統(tǒng)中各元件間存在的典型波形及其在方框圖中的位置。其中1a、2a、3a、4a、5a、6a分別是440伏60赫、0-5伏直流、0-440伏60赫、0-50千伏60赫、正極的直流為0-50千伏及負(fù)極的直流為0-50千伏時的波形。
如上所述，控制器7的主要作用是防止裝置電力過載。當(dāng)電源電壓加到控制器的輸入端子1時，控制器就往變壓器9的一次側(cè)上加電壓。必要時，控制器可以通過對電流和電壓反饋諸信號的監(jiān)控重新調(diào)節(jié)加到變壓器一次側(cè)的電壓，從而維持裝置在安全工作范圍內(nèi)運行。此外，控制信號2a也可以在控制器7的2點處被加到控制電路中以調(diào)制其輸出3，控制電路產(chǎn)生的波形3a則被加到變壓器9上。變壓器9使變化著的電壓信號升壓，產(chǎn)生波形為4a的輸出4，再把此經(jīng)調(diào)制的輸出加到整流系統(tǒng)10上。整流系統(tǒng)有兩個輸出直流高電壓的正極5a被加到諸電極11的正極端，而直流高電壓的負(fù)極6a則被加到諸電極的負(fù)極端12。
應(yīng)該看到，圖2A的控制系統(tǒng)僅僅是能產(chǎn)生加到產(chǎn)生靜電場的電極之間同類電壓的許多電路的一個典型，最終目的是控制各電極之間靜電場的強(qiáng)度。圖2A是實現(xiàn)此目的的一個方法。我們在此闡明，本發(fā)明的一個方面是產(chǎn)生靜電場，先是用以在較無極性的流體中混合和分散極性流體，使分散的極性流體與非極性流體中的雜質(zhì)接觸和結(jié)合。然后再逐步減弱靜電場的場強(qiáng)，使極性流體與雜質(zhì)的結(jié)合體凝聚，接著令靜電場維持最小場強(qiáng)歷時一定時間，使當(dāng)時含雜質(zhì)的極性流體借重力沉積，從非極性流體中分離出來。
圖4是一個試驗操作中得出的典型波形。如圖4所示，A段是所加電壓開始上升的階段，在此階段中，電壓以防止飛弧的速度迅速上升到進(jìn)行混合所需要的值，因此A段叫做分散段。B段是混合段，它表示達(dá)到理想混合情況需要施加最大電壓的一定時間。C段是凝聚段，它是所加電壓逐步下降的階段。電壓的下降促使當(dāng)時已含雜質(zhì)的較有極性的流體液滴凝聚，液滴的大小隨電壓的下降而增大。D段是沉積段，它是施加最低電壓的階段，使凝聚的液滴從較無極性的流體中沉積出來。這種循環(huán)就以分散/混合/凝聚/沉積的連續(xù)工作程序周而復(fù)始地重復(fù)著。
靜電場的調(diào)制包括改變各不同階段的歷時時間，從而改變各階段重復(fù)的頻率的聯(lián)合效果。最大電壓歷時和最小電壓歷時(分別為2段和4段)在整個周期中所占的百分比非常重要，因為兩者之間必須保持一定的平衡，以維持足夠的高壓歷時時間保證充分的混合效果，同時維持足夠的低壓歷時時間保證已凝聚的較有極性的相從較無極性的流體中分離出來。循環(huán)周期得合理可以使給定時間內(nèi)的混合量和分離量達(dá)到最高值從而影響一個裝置的大小。在施加最大電壓之前(以減少飛弧)，需要粉碎和分散極性流體的大液滴，因此施加電壓的速度(A段)也很重要。但更重要的是混合階段后(C段)電壓遞降的速度，因為產(chǎn)生任何凝聚所需要的電壓遞降速度取決于裝置流體的性質(zhì)。因此，要產(chǎn)生最大的液滴，凝聚電壓不應(yīng)遞降得比液滴增長的速度快。要件液滴快速沉積到非極性流體中，必須增大液滴的體積。圖4是工作電壓恰當(dāng)時的具體波形，這些電壓值是按一定的乳濁液和工作條件藉試驗測定的，當(dāng)采用其它流體流量或流體性質(zhì)時，要獲得裝置的最佳特性則需要采用不同的循環(huán)周期時間。
在連續(xù)工作式的裝置上進(jìn)行的中間試驗表明，如按圖4方式調(diào)節(jié)電壓，效果很好。在應(yīng)用本發(fā)明的裝置對原油進(jìn)行脫鹽的評價試驗中，我們令含有0.5%體積的鹵水(百萬分之二十萬鹽)的原油與1.0%體積的逆流稀釋液(新鮮水)流連續(xù)進(jìn)行乳化，結(jié)果鹽回收量達(dá)99.93%。這相當(dāng)于使每100桶油中的含鹽量從400磅降低到0.3磅。油相在試驗溫度下的粘度為53通用賽氏秒，流量則相當(dāng)于每日每平方英尺300桶。加到電極上的最高電壓為45，000伏。試驗時，電極間距為3英寸。
我們還采用同一個中間試驗裝置測定現(xiàn)有技術(shù)一步脫鹽工藝在相同試驗條件下的脫鹽效率。在這個試驗裝置中，我們在混合閥上游順流加稀釋水，混合閥的壓降為15磅/平方英寸。為將該混合物脫水使其達(dá)到用上述靜電混合器/分離器所能達(dá)到的水相出口余量(0.1%)，電極上加了恒定靜電壓，流量、溫度、流體濃度等其它變量則保持不變。試驗結(jié)果表明，一般裝置僅能達(dá)到80%左右的除鹽量。這相當(dāng)于使每1000桶油中的含鹽量從400磅降低到80磅，而新發(fā)明的裝置則可降低到0.3磅。這證實了本發(fā)明比現(xiàn)有技術(shù)優(yōu)越，而且表明現(xiàn)有技術(shù)要達(dá)到本發(fā)明所能達(dá)到的脫鹽水平起碼要用兩級裝置才能完成。
本發(fā)明可用于需要把不能互溶的極性溶液和非極性溶液進(jìn)行有效混合和分離的任何液-液交換裝置中。這些裝置包括，但并不限于，用弱酸從礦石中回收礦業(yè)產(chǎn)品的裝置，例如，回收鈾和銅用的那些裝置。
可應(yīng)用本發(fā)明的具有代表性的裝置是一九七八年十月十七日布列斯特里奇在4，120，769號美國專利中介紹的濕法冶金采礦裝置。該裝置采用三個射流回路把銅從礦石中傳送到電解沉積工藝的最終回路進(jìn)行回收。第一回路的萃取環(huán)路中有弱酸(極性溶液)用以從礦石中溶解銅。于是萃取環(huán)路中的弱酸就充滿銅。第二回路的非極性載體中含選擇性離子交換化合物，該非極性載體的作用是從充滿銅的弱酸中除去銅。其次，令含銅的離子交換化合物與強(qiáng)酸混合。該強(qiáng)酸的酸度足以使氫離子從富含銅的離子交換化合物取代銅，并用氫離子對該化合物進(jìn)行再生。然后用電解沉積法除去強(qiáng)酸中的銅。
此外，該專利公開的裝置是把金屬有用產(chǎn)品(無論它有多貴重)作為雜質(zhì)進(jìn)行處理的一個例子。又，在本發(fā)明中，雜質(zhì)既可以令其沉積在極性流體回路中，也可以令其沉積在非極性流體回路中。剩下的問題是，當(dāng)任何兩個回路混在一起和分開時如何妥善設(shè)計液壓回路進(jìn)行傳送所需的化學(xué)性能。
綜上所述，可知本發(fā)明不僅可以達(dá)到本書前述的各項目的，而且使本發(fā)明方法和裝置具有明顯和固有的優(yōu)點。
可以理解，本發(fā)明的某些特點和亞組合方式是極為有用的，它們可加以應(yīng)用而與本發(fā)明的其它特點和亞組合方式無關(guān)。這些都屬于本發(fā)明的范圍。
在不脫離本發(fā)明范圍的前提下，還可以列舉許多本發(fā)明的實施例，因此，本專利說書所闡述的內(nèi)容或所列的附圖應(yīng)視為示范性質(zhì)的，完全沒有限制本
發(fā)明內(nèi)容
的意圖。
權(quán)利要求
1.在較無極性流體中分散不能與該較無極性流體互溶的較有極性流體以從該兩流體中的一個流體萃取雜質(zhì)的一種方法，其特征在于，該方法包括先令該較無極性的流體流經(jīng)至少一對電極之間，再令不能在非極性流體中互溶的較有極性的流體流經(jīng)該對電極之間；往各電極上加電壓以產(chǎn)生靜電場，其場強(qiáng)足以剪切該較有極性的流體分子并將剪切后的該較有極性流體的分子分散到非極性流體中；使該靜電場維持一定的場強(qiáng)以將極性流體與非極性流體進(jìn)行混合，使雜質(zhì)從一個流體轉(zhuǎn)移到另一個流體中；降低加到電極上去的電壓使分散開的較有極性的流體進(jìn)行凝聚；在預(yù)定的時間內(nèi)使電極上維持一定的低電壓以便凝聚的極性流體液滴沉積并從非極流體中分離出來。
2.權(quán)利要求
1提出的方法，其特征在于，較無極性的流體往上流經(jīng)靜電場，較有極性的流體逆流與較無極性的流體相向接觸。
3.權(quán)利要求
1提出的方法，其特征在于，雜質(zhì)是在較無極性的流體中。
4.權(quán)利要求
2提出的方法，其特征在于，雜質(zhì)是在較有極性的流體中。
5.權(quán)利要求
1提出的方法，其特征在于，雜質(zhì)系非極性流體中的鹵水，極性流體是水，用脫水法除去極性流體與鹵水的結(jié)合物。
6.從較無極性流體中除去雜質(zhì)用的一種設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備包括至少一對產(chǎn)生靜電場用的電極;流經(jīng)該靜電場的含雜質(zhì)的較無極性流體源;不能與流經(jīng)該靜電場的含雜質(zhì)流體互溶的極性流體源;加到電極上的可調(diào)電壓源和相應(yīng)的調(diào)壓裝置，該調(diào)壓裝置用以將電壓按預(yù)定的升壓速度調(diào)到預(yù)定的最大電壓值并在預(yù)定的持續(xù)時間內(nèi)維持該最大電壓值，同時該裝置還用以將電壓按預(yù)定的降壓速度調(diào)到預(yù)定的最小電壓值并在預(yù)定的持續(xù)時間內(nèi)維持該最小電壓值;利用該調(diào)壓裝置可將該靜電場強(qiáng)按一定的速度增強(qiáng)以避免飛弧發(fā)生，并將該靜電場維持在最大場強(qiáng)以剪切、分散和結(jié)合連同其雜質(zhì)的該較有極性流體，然后將該靜電場場強(qiáng)削弱使含雜質(zhì)的較有極性流體凝聚成大液滴借重力從非極性流體中分離出來。
7.權(quán)利要求
6提出的設(shè)備，其特征在于，含雜質(zhì)的流體是有機(jī)流體，極性流體是水溶液。
8.權(quán)利要求
6提出的設(shè)備，其特征在于，該雜質(zhì)為鹵水，極性流體為水。
9.權(quán)利要求
7提出的設(shè)備，其特征在于，該含雜質(zhì)的有機(jī)流體往上流經(jīng)電極間的靜電場，水則逆流與有機(jī)流體相向接觸。
專利摘要
對平行安置的電極板通電以產(chǎn)生靜電場，調(diào)節(jié)電壓把電場強(qiáng)度調(diào)節(jié)到足可用以混合極性與非極性流體的程度，再令混合物流經(jīng)該靜電場中，此時該靜電壓的場強(qiáng)已調(diào)節(jié)到足以使已與非極性流體中的雜質(zhì)結(jié)合的極性流體進(jìn)行凝聚。
文檔編號C10G31/08GK86105817SQ86105817
公開日1987年1月21日 申請日期1986年7月14日
發(fā)明者弗洛伊德·利昂·普雷斯特里奇, 布魯斯·卡萊爾·約翰遜 申請人:國家容器公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan