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 有扱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号中公幵的工艺。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理极为有 效，应用它可以在預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2 A是图1 A电路更详细的方框图。

图2 B是电路中某一特定位置上的电压波形。

图3是图1 B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扱 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 原来存在干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该 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请除 出去.虽然过去己有人介绍过应用舲电场可以在不 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 而使其雄抟在安全工作范围内，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垓强用的许 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的一次側。由 干加到变压器一次側的电压，其调制特性传送到二 次侧或高压测，因此变压器9输出埔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1 B是电极的 最佳配罝方式，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—起装 在客器26中，喷液器15在电极下方，集液管22在电 极上方。图1 C更洋细地画出一对电极11和12、进 口哦液器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，极性液体24轻集液管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轻济 有效.成了多级流体混合器/分离器。极性滇体的 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榜/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/或电动脱水槽中脱氷，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la、2a、3a、4a、

5 a、6 a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2 a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3 a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4 a的输出4.再把此经调制的输出加到整流系 统10上。整泫系统有两个输出：直流髙电压的正极

5a被加到诸电极11的正极端，而直流高电压的负 极6 a则被加到诸电极的负极端12。

应该看到，图2 A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，使分散的扱性 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己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 液滴从较无扱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頻率的眹合效果。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，以锥持足够的髙压历时时间保证 充分的混合效果，同时锥持足够的低压历时时间保 证己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 分散极性渲体的大液滴.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 递降速度取决干装置流体的性质。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武验中.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%体枳的逆流稀释液（新鲜水）流连续进行乳 化，结果盐回收量达99.93%。这相当干使每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，流量则相当于每日毎 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 —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 相当于使毎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。

本发明可用干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一流交换装 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。第二回路的非极性栽体中含选择性离 子交换化合物，该非极性栽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 (无沦它右多贵重）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。