專利名稱：多流體注射混合器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對流經(jīng)管道的流體進行注射、混合和調(diào)節(jié)。更確切地說，本發(fā)明涉及一種多流體注射混合器、一種混合器以及含有這種多流體注射混合器的組件，其適用于多種混合、注射和調(diào)節(jié)操作，特別是涉及用于生產(chǎn)精細(xì)化學(xué)制品的碳?xì)浠衔锾幚砗颓度胧?in-line)反應(yīng)器處理。
背景技術(shù)：
流體處理是一廣泛的技術(shù)領(lǐng)域，在大多數(shù)工業(yè)中已經(jīng)獲得應(yīng)用。對管道中流動的流體進行處理通常涉及根據(jù)后續(xù)用途的流體含量的相位分離和以指定的性質(zhì)傳送經(jīng)過分離的成分。例如，碳?xì)浠衔锞械囊毫鞅环蛛x成石油、氣和水，進行相處理并清除污染物直到滿足規(guī)定。所述處理通常包括對諸如化學(xué)制品、溶劑等的流體進行注射或萃取流體以提高分離和處理設(shè)備的效應(yīng)。
最常見的注射流體(混合物)的總結(jié)如下清除劑/不可逆溶劑(用于除去酸性成分如H2S，水銀，硫醇的液體)防腐劑，水合物抑制劑，水垢抑制劑，防蠟劑減阻劑，脫鹽劑，破乳劑，脫油劑，去沫劑，防污物質(zhì)絮凝劑(提高分散相的聚結(jié)速率)冷凝物/碳?xì)浠衔?萃取流體)氣體(浮選或塞流的緩和)水(遠(yuǎn)離其臨界值的多項流混合物的含水量的脫鹽或處理)各混合流體通常被分別引入到處理設(shè)備上游的管道流，如分離器的上游。流體可以是氣體和一種或多種液體的任何多相混合物，單獨一種氣體或氣體的組合，任何液體、可混合液體成分或不可混合成分的混合物，如碳?xì)浠衔镆后w和水。因此，所述流體例如可以是未加工的井內(nèi)液氣流、油田采出水、經(jīng)過處理的油水兩相流、經(jīng)過處理的氣流、被分散的和溶解的碳?xì)浠衔镂廴玖说挠吞锊沙鏊?、被碳?xì)浠衔镆后w污染了的經(jīng)過處理的水流，或者是除去氣體組分(如脫氧)的水流?？梢燥@著改變表面張力、粘度、壓力和溫度的范圍，此外，另外的流體或混合物類型也是相關(guān)的。
盡管上述和下面將要描述的內(nèi)容主要涉及碳?xì)浠衔锏奶幚恚窃谥T如生產(chǎn)食品(如生產(chǎn)乳狀液)、藥物、化學(xué)制品(含有活化劑或試劑的反應(yīng)流)、紙張(紙漿的精制/處理)、熔融物(合金)的加工工業(yè)或其它工藝的其余部分中，流體的混合也是一項基本的單元操作。這些工藝通常涉及采用大容器的批量生產(chǎn)，其中在所述大容器里，可利用攪拌器將不同的流體混合。由于投資、操作成本、生產(chǎn)的彈性化、安全性和產(chǎn)品質(zhì)量，有理由相信采用管流混合來替代容器中的攪拌是具有吸引力的。
通常，與體積流速例如多相流的體積流速相比，注射到管道中的混合物的流速相當(dāng)小。因此供給混合物的難題與下述內(nèi)容相關(guān)，所述內(nèi)容即獲得穩(wěn)定的非振動注射速率、安全的軸向混合以及同時實現(xiàn)混合物均勻分散并分布在相關(guān)多相流的管道橫截面上(徑向混合)。
因此，分散注射的混合物的液滴尺寸分布受到所涉及的混合器設(shè)計、流體特性和流速的影響。
注射筒管(quills)是最常見的混合物注入設(shè)備，但是注射筒管無法將化學(xué)制品有效地分布成多相流。在需要實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)注入速度的情況下，使混合物的流速降低也會受到限制。與筒管相比，噴嘴通常能夠更好地將注射流體分布成連續(xù)相。但是，其缺點在于限制了液滴的二次碎裂，混合物流速的可操作范圍很窄(降低)，并且機械強度受到限制。而且較大管道尺寸按比例增加也是不可靠的。
對于Sulzer混合器和類似的靜態(tài)混合器，混合物被注射到混合器的上游?；旌掀魇且源?lián)安裝的平板或擋板為基礎(chǔ)的，以便使多相流反復(fù)受到高剪切力從而最終獲得可接受的注射流體的混合物和連續(xù)液相。通常這需要相當(dāng)大的壓降(相當(dāng)于高能量消耗，限制了生產(chǎn)量或生產(chǎn)率)和較長的混合器安裝單元。當(dāng)僅有部分混合物受到處于擋板或者平板表面上的高剪切力時，對于靜態(tài)混合器的實際長度而言，這種混合器產(chǎn)生了相當(dāng)不均勻的注射混合物的液滴分布。
一次通過的混合器如扼流圈(choke)或文丘管使流入的多相流暴露于一個相當(dāng)短的混合器中獲得的高剪切區(qū)域。對于這些混合器，被注射流體預(yù)先注射到混合器設(shè)備的上游，所述注射流體以大部分為連續(xù)相的方式被帶走。因此注射流體通常不會暴露于混合器中高剪切力的部分；即混合器壁的附近區(qū)域。為了對此進行補償并確保注射流體的碎裂(與高剪切力區(qū)域中“流體元件”的拉伸相關(guān)；流體速度中的較大梯度)，需要對混合器施加高的壓降。
美國羅得島州布里斯托爾的Westfall Manufacturing Company提供了一種靜態(tài)混合器，其適于配置在包含流體流的管道中，該靜態(tài)混合器包括一環(huán)繞的凸緣，所述凸緣從管道內(nèi)表面沿徑向向內(nèi)延伸，并且還具有至少一對從其上延伸出來、且沿流體流方向傾斜的相對的薄片(flap)。專利公開號為US 5839828的文獻中描述了這種靜態(tài)混合器，這里將該文獻作為參考。靜態(tài)混合器的操作導(dǎo)致層流和湍流結(jié)合(第一欄，第36-39行)。更進一步，可在薄片下游側(cè)通過噴射端口添加化學(xué)制品(權(quán)利要求4，圖10和7，第3欄，第21-33行和59-62行)。在該設(shè)備中，化學(xué)制品從平板(亦即薄片)的后面成點狀注射，而不是被注射成使化學(xué)制品均勻地分布在連續(xù)相中。這里面沒有任何關(guān)于尖緣的描述。
通過被命名為C100的PorPure注射混合器的發(fā)明，如專利申請?zhí)枮镋P 01947618.3的文獻中所述，發(fā)展了用于混合和注射的技術(shù)。噴射混合器C100包括一成形為收縮管的接觸元件(其中流動著氣流)，以及一注射元件，所述注射元件包括一配置成在收縮管內(nèi)部圓周的周圍形成液體環(huán)的液體入口，一位于收縮管端部的尖緣以及該尖緣的管道部分下游。下游管道部分優(yōu)選為一擴散管，用以恢復(fù)收縮部分下降的壓力。在專利申請?zhí)枮镋P 01947618.3的文獻中描述了噴射混合器C100如何將液體分布到氣流中，從而通過使氣流接觸帶有用于選定氣體成分的溶劑或試劑的液體，從氣流中吸收選定的氣體成分、從天然氣中清除H2S、在天然氣中有選擇地，優(yōu)先于CO2來清除H2S、同時從天然氣流中清除酸性氣體成分，還原水、為天然氣脫水，以及如何與現(xiàn)有的萃取塔(column)相結(jié)合來改變已有的設(shè)備以適應(yīng)供給條件的變化。此外該文獻描述了注射混合器在無化學(xué)制品注射的情況下，如何被用作再混合流體流中的相的混合器。該文獻還描述了幾個注射混合器如何能串聯(lián)或者并聯(lián)組合，通過在每個混合器中注射一種化學(xué)制品來注射幾種液體(比較EP 01947618.3的權(quán)利要求15，16，圖10a和10b)。在EP 01947618.3中沒有考慮幾種混合流體在一個注射混合器中注射的情況，這可能是因為同時注射幾種混合流體被認(rèn)為效率較差。例如，氣體和粘性液體一起注射被認(rèn)為效率較差，這是由于密度、表面張力和粘性等流體特性的巨大差異，因此混合流體沒有被期望密切混合。這樣，結(jié)合所涉及的流速和由此產(chǎn)生的注射管道上的壓力梯度，可能導(dǎo)致用于至少一個注射混合流體的振動注射流速。由于沒有對不同實施例或用于改進技術(shù)效果的可能性的暗示，基于EP01947618.3的教導(dǎo)，本領(lǐng)域技術(shù)人員將只考慮把液體注射到氣流中，將只考慮一個注射元件和僅僅一個成形為收縮管的接觸元件。
盡管C100注射混合器具有一定優(yōu)點，但仍然存在使用一個注射混合器注射幾種化學(xué)制品或混合物來簡化工藝的需求，從而減少壓降和注射混合器的數(shù)量。還要求針對混合流體的混合，特別是針對多流體注射、混合物在管內(nèi)壁上的沉積以及注射混合器的可選結(jié)構(gòu)，來改善C100注射混合器的技術(shù)效果，這被證實對于特定的應(yīng)用具有優(yōu)勢，例如改進已有設(shè)備來提高技術(shù)效果。要求注射混合器在寬范圍的流動條件下、較窄的液滴/氣泡尺寸范圍內(nèi)，在低壓降和低混合物沉積率的情況下，具有穩(wěn)定的、非振動的、最小化的混合物注射速度(軸向混合)以及使化學(xué)制品均勻地分散和分布到流體相(徑向混合)中。還要求混合器實現(xiàn)管道內(nèi)流動流的均勻混合。此外進一步需要帶有附加設(shè)備的注射混合器的組件，特別適用于采出水的處理、石油處理、脫鹽和流動保障。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過提供一種多流體注射混合器來滿足上述要求，該多流體注射混合器用于向流過管道的氣體和/液體中注射用作混合流體的氣體和/或液體，并將混合流體和管道流體均勻地混合，所述注射混合器構(gòu)成了管道的一部分。
該多流體注射混合器的特征在于包括至少一個接觸元件，該接觸元件具有至少一個面向管道流體流并與之偏離的接觸表面，并且該接觸元件構(gòu)成了對管道內(nèi)橫截面的收縮部，從而管道流體流能夠加速，并且在所述表面附近流動的流體被偏轉(zhuǎn)以便沿著表面流動直到表面在尖緣處終止，其中所述尖緣位于產(chǎn)生最大收縮部和流速的點處，至少一個注射元件，其被設(shè)置成與接觸元件的所述表面流體相連，從而混合流體能夠被注射到所述表面上，并沿著所述表面被尖緣上的流動的管道流體帶走，不過對于成形為收縮管道部分的接觸元件來說，應(yīng)提供至少兩個注射元件。
接觸元件優(yōu)選被成形為與位于倒錐形的管道軸線共軸，這就形成了有益的技術(shù)效果，特別是相對于沉積在管道內(nèi)表面上的混合流體而言尤其如此。一倒錐形接觸元件在其錐形底部即錐形的最寬部分具有一尖緣。一錐形接觸元件在其錐形的狹窄底部即錐形的狹窄或表面部分(crusted part)具有尖緣。
接觸元件優(yōu)選包括設(shè)置在管道橫截面上的數(shù)個錐形部分，例如帶有7個錐形部分，這使得相對于管道的橫截面產(chǎn)生了增大的尖緣長度，借此特別是對于較大的管道尺寸，產(chǎn)生了有益效果。類似地，接觸元件可以有利地包括例如并排設(shè)置在管道橫截面上的數(shù)個倒錐形或倒錐形部分。
接觸元件優(yōu)選被成形為一個或多個倒錐形截面環(huán)。這表明至少具有一個環(huán)形接觸元件，其中沿著半徑方向的剖面部分被成形為帶有兩個偏斜表面的倒錐形。此外，接觸元件可以包括上述實施例的組合，例如一個與位于倒錐形的管道軸線共軸的元件和至少一個倒錐形截面環(huán)。
優(yōu)選沿著管內(nèi)壁設(shè)置了至少一個用于管道流體流的通道，其與接觸元件旁通，這使得沿著管內(nèi)壁的管道流體流減少了混合物在管內(nèi)壁的沉積。
接觸元件優(yōu)選由可拆卸的部件裝配，以允許針對主要的條件改變接觸元件的形狀，適宜的改變使得在任何相關(guān)的流動條件下，都可以在整個管道橫截面上實現(xiàn)均勻混合。此外，接觸元件優(yōu)選包括具有彈簧作用的懸架，從而增加的管道流速可以導(dǎo)致用于混合物的開口增加和混合物的流速增加，借此實現(xiàn)混合物注射率的自動調(diào)節(jié)。接觸元件和注射元件優(yōu)選構(gòu)成一整體部件。
注射元件優(yōu)選包括一通道或孔，其位于尖緣上游，用于使混合流體均勻注射到接觸元件的偏轉(zhuǎn)表面上，一注射元件優(yōu)選被設(shè)置成用于每個混合流體，并且用于氣體的注射元件優(yōu)選被設(shè)置在用于液體的注射元件上游。此外，優(yōu)選相對于用于任何類型的混合流體或混合流體的混合物的流速的孔和壓力，注射元件是可調(diào)的。
擴散管部分或元件優(yōu)選布置在接觸元件的下游，以便通過使流體的橫截面逐漸回到管道的橫截面來形成可控的湍流體積，并接近管道壓力和流速。不過，當(dāng)多流體注射混合器直接連接到管道下游或連接件時，其技術(shù)效果也是良好的。因此，擴散管或類似部件不是必須的，由專利申請EP01947618.3來看，如上所述是令人驚奇的。
本發(fā)明還提供了用于使流過管道的流體均勻混合的混合器，所述混合器構(gòu)成了管道的一部分，其特征在于該混合器包括至少一個接觸元件，該接觸元件具有至少一個面向某些管道流體流并與之偏離的表面，并且該接觸元件構(gòu)成了對管道內(nèi)橫截面的收縮，從而管道流體流能夠加速，并且在所述表面附近流動的流體被偏轉(zhuǎn)以沿著表面流動直到表面在尖緣處終止，其中所述尖緣位于產(chǎn)生最大收縮和流速的點上。該混合器優(yōu)選包括涉及接觸元件的至少一個上述特征。
本發(fā)明還提供了一種組件，其特征在于它包括根據(jù)本發(fā)明的多流體注射混合器，在第一端與注射混合器出口相連的管道部分，以及如US5971604所述的與管道第二端相連的復(fù)拌機。
對于構(gòu)成管道的一部分的注射混合器，是指注射混合器被插入到管道中成為其一部分，或者是插入在管道的開頭或尾端，以便使管道流體流過注射混合器。本文中的術(shù)語均勻混合指優(yōu)選在管道的整個橫截面上密切地混合，并且混合流體均勻地分布成尺寸非常小的液滴或氣泡，所測量到的尺寸通常為幾微米。本文中的術(shù)語尖緣指使注射流體從內(nèi)表面滑落，碎裂成細(xì)流的滑動邊緣。隨后細(xì)流被碎裂成小液滴或氣泡。尖緣通常成形為銳角。所述尖緣位于最大收縮和流速的點處，也就是說相對于沿著內(nèi)表面的流動方向，尖緣位于內(nèi)表面下游和最狹窄的端部，并且進一步地，直接位于尖緣下游的流體流動的橫截面稍微有些擴張。因此在尖緣的下風(fēng)處形成了停滯容積，該停滯容積對產(chǎn)生部分強烈的湍流來說是必須的，這對混合流體和管道流體的均勻混合是至關(guān)重要的。
令人驚訝的是現(xiàn)在可以利用一個或多個注射元件將一種以上的任何類型的混合流體注射到一單獨的注射混合器中，即使一種混合流體是非常粘滯的液體而另一種混合流體是氣體也可以。令人吃驚的是，與收縮管相比較，還可以采用其它形式的接觸元件實現(xiàn)技術(shù)效果，并且一些實施例還對該技術(shù)效果提供了顯著的改進，同時其它實施例公開了對于現(xiàn)有設(shè)備的改進，從而改善技術(shù)效果。
在最簡單的實施例中，本發(fā)明的多流體注射混合器包括一擋板或薄板，該擋板或薄板包括一將混合流體點注射到擋板或薄板內(nèi)表面上的注射元件，在多種情形下該實施例優(yōu)于現(xiàn)有的注射混合器。
最優(yōu)選地，接觸元件成形為一個或多個倒錐形或倒錐形截面環(huán)，這對在整個管道的橫截面上實現(xiàn)均勻混合是最可取的，并且在主要條件的最廣的范圍內(nèi)具有最低的混合流體流速和最低的沉積率。對于整個管道的圓周來講，銳利滑動邊緣下風(fēng)處的停滯區(qū)優(yōu)選沒有延伸到管內(nèi)壁處，最優(yōu)選的是完全沒有延伸到管內(nèi)壁處，這樣就降低了沉積率。為此，在最大的管道圓周的一部分上，接觸元件使管道流偏轉(zhuǎn)離開管道內(nèi)壁。
或者接觸元件可以被成形為帶有至少一個開口的板件、槽形環(huán)、或者是被成形為一個或多個擋板或薄板。被成形為擋板的接觸元件的實施例包括對結(jié)合的注射元件的現(xiàn)有混合器進行改進，例如，帶有至少一個注射元件(包括至少一個擋板)的Sulzer混合器、在其堵塞面內(nèi)具有一注射元件的堵塞件，或者是在至少一個薄板上具有注射元件的Westfall靜態(tài)混合器。
一個注射元件優(yōu)選被設(shè)置成用于每個接觸元件上的各混合流體，并且用于氣體的注射元件優(yōu)選被設(shè)置在用于液體的注射元件上游，這已經(jīng)被證明是非常有效的。易混合的混合流體能夠被注射穿過一個注射元件。形成較為穩(wěn)定的薄膜流的混合流體通常是更具粘性的混合物，與形成較不穩(wěn)定的細(xì)流或薄膜的混合流體相比，它們通常被注射到更靠近尖緣處。
本發(fā)明還提供了用于使流過管道的流體均勻混合的混合器，所述混合器構(gòu)成了管道的一部分，所述混合器除了這里被省略的注射元件外與注射混合器相同。
本發(fā)明還提供了一種組件，其突特征在于它包括根據(jù)本發(fā)明的注射混合器，在其第一端與注射混合器出口相連的管道部分，以及如US5971604所述的與管道第二端相連的復(fù)拌機。


通過附圖對本發(fā)明進行說明，其中圖1是沿著根據(jù)本發(fā)明的多流體注射混合器即倒錐形環(huán)形混合器的縱軸剖開的剖面圖，圖2是從圖1所示混合器的下面看到的視圖，圖3是根據(jù)本發(fā)明的多流體注射混合器，其具有7個錐形接觸元件，圖4是根據(jù)本發(fā)明的多流體注射混合器，其中接觸元件成形為倒錐形，圖5是根據(jù)本發(fā)明的倒錐形環(huán)形混合器，以及圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的組件。
具體實施例方式
首先參照圖1，示出了根據(jù)本發(fā)明的多流體注射混合器7的縱向剖面圖，其中該注射混合器包括被成形為倒錐形環(huán)的接觸元件2、2a、2b，即沿著環(huán)的半徑，接觸元件的剖面呈倒錐形。入口管1將待處理的流體引導(dǎo)至混合器中。被成形為倒錐形環(huán)的接觸元件2利用其內(nèi)接觸面2b和外接觸面2a使管道內(nèi)的流體連續(xù)加速到指定的最大速度和動壓。接觸面出口處的直徑由能夠有效碎裂尖緣4、4a、4b處的注射流體所需要的動壓/曳力確定。注射元件3a、3b用來注射混合流體，以在內(nèi)接觸面上形成液/氣泡膜。注射元件包括腔室或環(huán)形管道，經(jīng)注射的流體可從該腔室或環(huán)形管道經(jīng)由連續(xù)的通道被引導(dǎo)至接觸面。通道的直徑和長度(深度)優(yōu)選是可調(diào)的，根據(jù)液/氣流體特性和液/氣混合注射流速計算所述通道的直徑和長度，以便使圓形通道上的壓降通常超過水平安裝的混合器外圍上的重心高差。在接觸元件下游端的每個接觸面處都設(shè)有尖緣4a、4b，尖緣的角度優(yōu)選設(shè)計成小于90°，以便通過流體成分施加的拉力使液/氣泡膜加速，并且使液/氣泡膜在容量的下游處碎裂成液/氣泡沫細(xì)流(bubble filaments)而不是在管壁上“緩慢移動”至下游側(cè)。被成形為發(fā)散管的擴張元件5設(shè)置在接觸元件和尖緣的下游，用于降低通常管道內(nèi)的流體速度。對于發(fā)生湍流和注射混合器上的恒定壓降而言，擴張元件的角度和長度是尤其重要的。出口管6進一步引導(dǎo)經(jīng)過處理的流體混合物。從圖中所示出口管6內(nèi)的液滴/氣泡的尺寸和分布來看，液滴和氣泡被碎裂成非常小的尺寸，并且非常均勻地分布在管道的整個橫截面上。所述液滴/氣泡的尺寸能夠小至幾微米。
圖1所示成形為倒錐形環(huán)的實施例包括兩個接觸面，即倒錐形的每一側(cè)上分別具有一個接觸面，每個接觸面還帶有一個用來混合注射的注射元件。尖緣4a和4b分別成形為尖緣環(huán)形。圖2示出了從下面看到的，即從下游側(cè)看到的圖1所示多流體注射混合器。其中也示出了尖緣4a和4b。圖1和2所示的實施例非常有利于混合和沉積，這表明在較長的下游段，注射的混合流體非常均勻地混合，而不會沉積在內(nèi)管壁上。
可以具有多種可替代的幾何形狀，圖中示出一些優(yōu)選的幾何形狀。
圖3示出了稱作C700的多流體注射混合器，其帶有7個形成為接觸元件的錐形部分。所述注射混合器相對于管道的截面其尖緣即滑動的邊緣具有較大的接觸面積和長度。此外，沿著管內(nèi)壁還設(shè)置有三個管道流體旁路開口10，結(jié)果是沿著管內(nèi)壁形成了管道流體“幕簾”，減少了混合物在管內(nèi)壁上的沉積。因此技術(shù)效果是良好的。
圖4示出了倒錐形混合器的不同的實施例，其中所述倒錐形與管的軸線共軸。形成湍流的部分位于倒錐形的下游和下風(fēng)處，即遠(yuǎn)離管內(nèi)壁，因此注射的混合流體的沉積率較低。
圖5示出了本發(fā)明多流體注射混合器的實施例，其中的混合器為圖1和2所示倒錐形環(huán)形混合器實施例中的混合器，其能夠產(chǎn)生十分相似的技術(shù)效果。管道流體的流動偏差在尖緣附近增大，這是極其有利的。
可選地，接觸元件可以成形為帶有至少一個開口的凸緣，所述開口優(yōu)選與管流共軸，或者是被成形為圍繞在管道外圍的內(nèi)槽。利用被成形為錐形部分的接觸元件，注射流體或混合物與管道的流體同向流動。利用被成形為凸緣或類似部件的接觸元件，注射流體以橫向或與流動的通常方向交錯的方向通過管道。利用被成形為槽的接觸元件，注射流體以至少部分與管道主要流動方向逆流的方式流動。上述實施例中的接觸元件產(chǎn)生注射的混合流體的至少部分橫流或逆流，該接觸元件在最接近管壁的表面上具有較停滯區(qū)，在該較停滯區(qū)，注射液體/氣泡的較厚膜能夠積聚起來被導(dǎo)管帶走，或者該接觸元件具有增加的流速。而且，根據(jù)混合流體管道出口的壓力，管道相對于主流動方向的定位或朝向多相管流的表面區(qū)域?qū)⒂绊懢植窟吔鐥l件。因此當(dāng)多相流的流動動量增加時，由增加的動壓導(dǎo)致的抽吸將用于使混合流體的流速增加到一定的比例。因此，實現(xiàn)了一種自動調(diào)節(jié)，這對波動的管流情形是非常有利的。此外，收縮度也可以不同。
在不希望受理論限定的情形下，參照圖1作進一步說明，液滴的產(chǎn)生順序被分成四個階段，其中A表示最初注射流體的環(huán)形膜暴露于加速管道的流體流。在B階段，特定的尖緣形狀有利于注射流體變細(xì)成為連續(xù)流。在C階段，注射流體的細(xì)流碎裂成小液滴。由韋伯?dāng)?shù)(We數(shù))來確定破碎，如由管道內(nèi)流體相和注射流體之間的表面張力σ、特有的細(xì)流尺寸d、相對速度U和連續(xù)相的密度ρ計算得到(參考Krzeczkowski，1980)We＝ρ·U2·d/σ碎裂與We＞W(wǎng)ecr相對應(yīng)。對風(fēng)道實驗和到流場的液滴注射來說，Wecr確定為8-10。在D階段發(fā)生了徑向液滴混合，這是由細(xì)流液滴的最初碎裂和局部湍流確定的，如用管道流的局部雷諾數(shù)(Reynolds)表示的那樣。
重要的是控制注射壓力和注射率，以便將混合流體注射到內(nèi)部接觸面上而不是注射到管流中，并且使管道流體不流入到注射設(shè)備中。
參照圖6，圖中示出了根據(jù)本發(fā)明的組件。更確切地說，該組件包括與管道部分8和復(fù)拌機9設(shè)置在一起的本發(fā)明的多流體注射混合器7。該復(fù)拌機是美國專利公開號為US5971604的文獻中描述的。更具體地說，該復(fù)拌機包括可插入到管道中、用于使流體流過的殼體，在殼體中具有至少一個，優(yōu)選為2個或多個調(diào)節(jié)元件，這些調(diào)節(jié)元件彼此鄰接，可單獨替換，并且被密封設(shè)置，它們具有可與流動通道配合的壁部。能夠調(diào)節(jié)所述調(diào)節(jié)元件用于使流動通道集中在中心腔室的一個點處，或者是相對于入口通道和出口通道與中心腔室偏離，借此控制流動和混合操作。更進一步的細(xì)節(jié)請參照US5971604。該組件特別用于處理油田采出水以減少石油的污染。
實施例1-油田采出水的處理圖6所示的組件用于減少油田采出水中的含油量。注射混合器具有成形為錐形部分的注射元件。復(fù)拌機是根據(jù)US5971604中的權(quán)利要求2所述的復(fù)拌機。注射兩種混合流體，即液態(tài)絮凝劑上游的氮氣?？梢圆捎锰烊粴獠糠只蛉看娴獨?。管道長度為0.1-30m。實際體積流速通常如下表示油田采出水Qw氮氣Qw·10-2絮凝劑Qw·10-5在根據(jù)相應(yīng)的流速下，相對于在50％壓降采用兩個C100注射混合器連續(xù)布置，或者相對于在用于氣體注射的C100注射混合器的上游的絮凝劑的注射布置，絮凝劑在套管或噴嘴中注射，能夠針對下游分離出的油田采出水中的含油量，實現(xiàn)同等或更好的性能。取決于管道流動條件，壓降在0.02-2bar的范圍內(nèi)。所注射的氣體具有浮選作用。復(fù)拌機能夠保持氣泡的浮選作用，以及絮凝劑和氣泡在管道的整個橫截面上的均勻分布。
用于從水中分離出油的復(fù)拌機設(shè)備的下游例如可以安裝水力旋流器，所述水力旋流器證明從水流中分離出油是有效的，其中這里所述水流含有氣泡和聚結(jié)的油滴。可針對混合來調(diào)節(jié)復(fù)拌機，還能夠操作復(fù)拌機使下游的分離設(shè)備的運行更加有效，即使稍微改變管道流速也是如此，直到這種改變能夠通過調(diào)節(jié)復(fù)拌機的混合來補償。該復(fù)拌機能夠由本發(fā)明所述的混合器、本發(fā)明所述的注射混合器或C100注射混合器替代，其中注射混合器不用來進一步注射化學(xué)制品，僅僅作為混合器來操作，或者可選地進一步注射混合物。不過，本發(fā)明的組件帶有經(jīng)由管道部分連接在一起的注射混合器和復(fù)拌機，該組件提供了目前還未知的處理石油采出水的技術(shù)效果?？梢栽O(shè)想到，在不希望受到理論限制的情況下，注射混合器布置成在絮凝劑管道之前還設(shè)有氣體管道，用以改變暴露于注射的絮凝劑的速度分布和壁部剪切應(yīng)力。氣體被立即分散成小氣泡，并且在混合器注射部分的壁部附近，使多相流的流動速度局部增加。這有助于增加速度梯度，由此對所注射的絮凝劑而言，也增加了剪切應(yīng)力。因此產(chǎn)生了絮凝劑有效的均勻分散。如果在分離之前絮凝劑的滯留時間受到限制，那么如上所述是尤其重要的。
實施例2-石油的處理該實施例涉及將本發(fā)明的組件用于處理石油的方法中。通常在較大的水平容器里進行傳統(tǒng)的油—水處理，以便考慮到水滴的重力沉降。在重油系統(tǒng)的處理中，通常需要施加相當(dāng)數(shù)量的破乳化化學(xué)制品來有效地使水從油中脫離出來以滿足低于0.5％BS&W(底部沉積物和水的體積分?jǐn)?shù))的所需產(chǎn)品規(guī)格。破乳化劑是一種表面活性化合物，它可與石油中的天然表面活性劑相對抗，用于將它們從油-水分界面處置換出來。因此圍繞著液滴的界面膜能夠碎裂以利于液滴-液滴的聚結(jié)。
在采用現(xiàn)有設(shè)備如注射噴嘴和注射套管的情況下，很難確信破乳化劑能夠到達(dá)分散在連續(xù)石油液流中的液滴表面上。因此化學(xué)制品的超劑量就成為一個問題—取代了使乳化液不穩(wěn)定，形成了一種新的乳化液，導(dǎo)致油-水分離器產(chǎn)生故障。
已知采出水的再循環(huán)能夠提高分離器的性能，這是由于增加了臨界含水量以及有可能相反轉(zhuǎn)成水連續(xù)系統(tǒng)。采用注射混合器的雙注射功能，就能夠?qū)⒃傺h(huán)的采出水和破乳化劑注射到生產(chǎn)分離器的上游。一旦帶有破乳化劑的水被均勻地注射并混合到連續(xù)相中，US5971604中公開的復(fù)拌機用于產(chǎn)生用于液滴-液滴聚結(jié)的新表面區(qū)域。通過把注射的化學(xué)制品、再循環(huán)水和待處理多相流仔細(xì)地再混合起來，破乳化化學(xué)制品就能夠到達(dá)新的液滴表面區(qū)域，立即并有效地產(chǎn)生水滴聚結(jié)。事實上，與傳統(tǒng)的系統(tǒng)相比，這種破乳化劑的有效混合和隨后的水滴的聚結(jié)能夠?qū)⑹椭械暮繙p少至少35％?；蛘?，向該過程少添加20％的破乳化化學(xué)制品，仍然能夠生產(chǎn)出0.5％BS&W的規(guī)格。
實施例3-脫鹽本實施例涉及將本發(fā)明的組件用于原油脫鹽的方法中。原油通常含有水、無機鹽、懸浮固體和水溶痕量金屬。作為精制過程中的第一步，為了減少設(shè)備的腐蝕、堵塞和雍塞，以及防止處理單元中催化劑污染，必須通過脫鹽將這些污染物除去，所述脫鹽處理包括含有水的混合物注射、多相流的混合以及下游的分離。
基于化學(xué)分離和靜電分離，兩種最常見的原油脫鹽法都是采用熱水作為萃取劑。在化學(xué)脫鹽的方法中，向原油中添加水和化學(xué)表面活性劑(破乳化劑)，對其進行加熱使鹽和其它雜質(zhì)溶解到水中或附著于水中，然后傳送到進行沉淀的槽中。電脫鹽是利用高壓靜電荷將懸浮水滴集中到沉降槽底部。脫鹽的實際過程的執(zhí)行可能還包括這些方法的組合。
現(xiàn)有用于注射/注射水的混合/破乳化劑的設(shè)備能夠與注射套管和位于下游的Sulzer混合器或阻流閥結(jié)合使用。
使用本發(fā)明的組件將確保溫水和破乳化劑有效均勻地分布，從而對從石油中提取的注射到注射水里的鹽來說獲得最佳的表面區(qū)域。能夠預(yù)計到，根據(jù)用于實現(xiàn)規(guī)定品質(zhì)所需的破乳化劑的數(shù)量、處理所要求的壓降和脫鹽過程的容積處理量，能夠提高處理效率。
實施例4-流動保障本實施例涉及將本發(fā)明的組件用于流動保障的方法中。流動保障包括所有對維持從容器到接收設(shè)備的油&氣流重要的問題。潛在的管道堵塞問題將涉及水化物、蠟、瀝青質(zhì)、污垢或砂。
水化物的形成是主要的操作問題和安全問題，它不可預(yù)見地發(fā)生在海底管道和井口設(shè)備中。氣體水合物能夠潛在地形成在海底的出油管道中，除非水的含量被除去至所遇到的最低露點之下。通常的預(yù)防措施是管道絕緣，加熱和/或施加抑制劑。抑制水化物的傳統(tǒng)方法是在管道中注射甲醇或乙二醇。這樣，水化物形成的出現(xiàn)界線就向用于所涉及壓力等級的低溫偏移。
在采用本發(fā)明組件的情況下，將甲醇連同不可逆反應(yīng)的三嗪化學(xué)制品注射到管道中，從而同時除去高腐蝕性的H2S，并防止形成水化物。形成更為穩(wěn)定的膜或細(xì)流的三嗪基化學(xué)制品穿過多重注射混合器的注射元件被注射到最靠近尖緣的地方，而甲醇或乙二醇則穿過注射元件被注射到最遠(yuǎn)離尖緣的地方。通過這種方式也影響到管流的速度分布，從而使朝著尖緣的表面區(qū)域的剪切應(yīng)力增加。因此，同在注射三嗪的上游沒有立即注射甲醇相比，產(chǎn)生更有效的細(xì)流變形，并且產(chǎn)生了三嗪液滴的次級碎裂。
實施例5-與C100對比令人驚訝的是，本發(fā)明的多流體注射混合器的優(yōu)選實施方案利用銳利的滑動邊緣所產(chǎn)生的湍流來分布和維持氣相中的液滴，其對任何管道流體相大概是類似的，其與C100相比花費了更多的時間。通過改變限定接觸元件和滑動邊緣的幾何形狀，意外的是湍流有助于保持氣相中的液滴。新的幾何形狀允許氣體流過銳利的滑動邊緣，并且在壁部和銳利的滑動邊緣之間產(chǎn)生氣體幕簾。相比于C100，這有助于減少液滴的沉積率。
下表顯示出一些典型的參數(shù)，其中本發(fā)明的三個實施例與C100混合器進行比較。
表1示出了在注射點之后的40cm位置處，與氣相(管道流體)一起流動的總液態(tài)流量(混合流體)的百分比。其余的液體作為管壁上的液體膜流動。如從表中能夠看到的那樣，根據(jù)下游位置帶走的部分，本發(fā)明已經(jīng)實現(xiàn)明顯的改進。
表1
表2示出了空氣為1bara且表面速度為22m/s的情況下對混合器進行實驗時所記錄的壓降。該表還示出了在空氣動力學(xué)的觀點下表示幾何參數(shù)特征的G-系數(shù)。有利之處在于G值盡可能的低，因為這代表混合器單元上的恒定壓降較低的可能性。
表2附圖所示經(jīng)過實驗的實施例如下所述圖3示出了注射混合器C700，其帶有7個錐形件(接觸元件)和3個沿著管壁的流體通路(管道流體旁路開口10)，圖4示出了倒錐形混合器，以及圖5(還有圖1和圖2)示出了倒錐形環(huán)形混合器，該混合器有時候也被稱作環(huán)形混合器。
原則上，根據(jù)本發(fā)明的多流體注射混合器、混合器和組件能夠用于在含有流動的流體的管道中進行混合、注射和流體調(diào)節(jié)的任何產(chǎn)業(yè)。
權(quán)利要求
1.一種多流體注射混合器，其用于向流過管道的氣體和/或液體中注射作為混合流體的氣體和/或液體，并將混合流體和管道流體均勻地混合，所述注射混合器構(gòu)成了管道的一部分，其特征在于該注射混合器包括至少一個接觸元件，該接觸元件具有至少一個面向一些管道流體流并與之偏離的接觸表面，并且該接觸元件形成相對于管道內(nèi)橫截面的收縮部，使得管道流體流加速，并且在所述表面附近流動的流體被偏轉(zhuǎn)，以便沿著所述表面流動直到所述表面在最大收縮部和流速的點的尖緣處終止，至少一個注射元件，其被設(shè)置為與所述接觸元件的所述表面流體相連，使得混合流體能夠被注射到所述表面上，并沿著所述表面被尖緣上流動的管道流體帶走，但是對于形成為收縮管道部分的接觸元件來說，應(yīng)提供至少兩個注射元件。
2.如權(quán)利要求1所述的多流體注射混合器，其特征在于接觸元件形成為與位于倒錐形處的管道軸線共軸。
3.如權(quán)利要求1所述的多流體注射混合器，其特征在于接觸元件包括設(shè)置在管道橫截面上的數(shù)個錐形部分。
4.如權(quán)利要求1所述的多流體注射混合器，其特征在于接觸元件包括設(shè)置在管道橫截面上的數(shù)個倒錐形。
5.如權(quán)利要求1所述的多流體注射混合器，其特征在于接觸元件形成為一個或多個倒錐形環(huán)。
6.如權(quán)利要求1所述的多流體注射混合器，其特征在于接觸元件包括一個與位于倒錐形的管道軸線共軸的元件和至少一個倒錐形環(huán)。
7.如權(quán)利要求1所述的多流體注射混合器，其特征在于沿著管內(nèi)壁設(shè)置至少一個用于管道流體流的通道，其與接觸元件旁通。
8.如權(quán)利要求1所述的多流體注射混合器，其特征在于注射元件包括通道或孔，其位于尖緣上游，用于將混合流體均勻地注射到接觸元件的接觸表面上。
9.如權(quán)利要求1所述的多流體注射混合器，其特征在于設(shè)置一個注射元件用于各混合流體。
10.如權(quán)利要求1所述的多流體注射混合器，其特征在于將用于氣體的注射元件設(shè)置在用于液體的注射元件的上游。
11.如權(quán)利要求1所述的多流體注射混合器，其特征在于注射元件可相對于用于任何類型的混合流體或混合流體的混合物的流速的孔和壓力進行調(diào)節(jié)。
12.如權(quán)利要求1所述的多流體注射混合器，其特征在于接觸元件由可拆卸的部件組裝，以允許相對于通常的條件改變接觸元件的形狀。
13.如權(quán)利要求1所述的多流體注射混合器，其特征在于接觸元件包括具有彈簧作用的懸架，從而增加的管道流速產(chǎn)生用于混合物的增大的開口和混合物的增大的流速。
14.如權(quán)利要求1所述的多流體注射混合器，其特征在于接觸元件和注射元件構(gòu)成一整體部件。
15.用于使流過管道的流體均勻混合的混合器，所述混合器構(gòu)成管道的一部分，其特征在于該混合器包括至少一個接觸元件，該接觸元件具有至少一個面向一些管道流體流并與之偏離的表面，并且該接觸元件形成相對于管道內(nèi)橫截面的收縮部，使得管道流體流加速，并且在所述表面附近流動的流體被偏轉(zhuǎn)，以便沿著所述表面流動直到所述表面在最大收縮部和流速的點的尖緣處終止。
16.如權(quán)利要求16所述的混合器，其特征在于該混合器包括權(quán)利要求2-7和12所述的至少一個特征。
18.一種組件，其特征在于其包括如權(quán)利要求1所述的多流體注射混合器，管道部分和根據(jù)US5971604中的復(fù)拌機，所述復(fù)拌機與管道的第二端相連。
全文摘要
一種多流體注射混合器，其用于向流過管道的氣體和/或液體中注射用作混合流體的氣體和/或液體，并將混合流體和管道流體均勻地混合，所述注射混合器構(gòu)成了管道的一部分，其特征在于包括至少一個接觸元件，該接觸元件具有至少一個面向某些管道流體流并與之偏離的接觸表面，并且該接觸元件構(gòu)成了相對于管道橫截面的收縮部，從而管道流體流被加速，并且在所述表面附近流動的流體被偏轉(zhuǎn)，從而沿著表面流動直到表面在尖緣處終止，其中所述尖緣位于產(chǎn)生最大收縮部和流速的點處；至少一個注射元件，其被設(shè)置成與接觸元件的所述表面構(gòu)成流體相連，從而混合流體能夠被注射到所述表面上，并沿著所述表面被尖緣上流動的管道流體帶走，不過對于成形為收縮管道部分的接觸元件來說，應(yīng)提供至少兩個注射元件。
文檔編號B01F5/06GK101031353SQ200580033402
公開日2007年9月5日 申請日期2005年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月1日
發(fā)明者H·林戈, F·P·尼爾森, R·阿比旺, B·H·卡爾格拉夫 申請人:普羅普里公司