專利名稱：用微波輻射分離乳狀液的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及處理在有機(jī)液體中包含水滴的乳狀液以便分離水和有機(jī)液體的方法，其中使乳狀液接受微波輻射。本發(fā)明特別涉及分離包含水和油的乳狀液。在石油制造工業(yè)中，生產(chǎn)的大部分原油是與水混和的。所以，為其后進(jìn)行的將石油運(yùn)送到煉油廠和水的再循環(huán)，分離水和油是非常必要的。
從美國專利4,582,629中可以了解通過使上述乳狀液接受微波輻射而促進(jìn)從乳狀液中分離烴和水的方法。微波輻射這里定義為從1到300GHz。它陳述了優(yōu)選微波頻率為2和3GHz之間。文章中提及上述微波處理對(duì)乳狀液的作用可能是由于兩種機(jī)制的結(jié)合。第一種機(jī)制據(jù)說是類似于在常規(guī)體系中的加熱。第二種機(jī)制據(jù)說是與結(jié)合水分子的激活有關(guān)，這破壞了出現(xiàn)在每個(gè)水滴和油之間的界面膜上的表面活性劑分子。
然而，仍然需要更詳細(xì)評(píng)估微波對(duì)包含水和油的乳狀液的作用，以便找出該輻射的最適頻率范圍。有必要將功率消耗降到最低，從而使該方法對(duì)分離大量乳狀液經(jīng)濟(jì)可行。
本發(fā)明的目的是構(gòu)想一些途徑來設(shè)計(jì)一種完成更有效從乳狀液中分離水和油的方法。由此應(yīng)該可以更快分離水和油和/或使用比目前更低的功率消耗。
當(dāng)使乳狀液接受頻率范圍從300MHz到100GHz范圍的電磁輻射時(shí)可以達(dá)到這個(gè)目的，水滴被選擇性加熱，而且，在特定頻率范圍內(nèi)，選擇在水將電磁輻射轉(zhuǎn)化為熱的傾向升高的區(qū)間內(nèi)的頻率，分離所需要的總能量降低且其后的重力分離率增加。因此可以將此設(shè)備做得更小，重量更輕等，這對(duì)海上應(yīng)用特別重要。也可以減少用于去界面層穩(wěn)定性的破乳劑的用量，產(chǎn)生更低成本的和更有利于環(huán)境保護(hù)的方法。
這種創(chuàng)造性的想法是通過使乳狀液接受一定頻率的微波而加熱水滴，在此頻率下水將電磁能轉(zhuǎn)化為熱的能力增高。由于在上述范圍內(nèi)油將電磁能轉(zhuǎn)化為熱的能力比水低得多，基本上只有水滴被加熱。每個(gè)水滴和油之間的界面層將通過從被加熱水滴的熱傳導(dǎo)而被加熱。界面層的加熱將導(dǎo)致該層的穩(wěn)定成分在油中被破壞，因此水滴可以合并。所以，可以減小功率消耗而且此方法變得更經(jīng)濟(jì)可行。
特定物質(zhì)將電磁能轉(zhuǎn)化為熱的效率由其介電損耗因子決定。含水物質(zhì)的損耗因子在不同的頻率取決于不同的影響。已知水的介電損耗因子在約20GHz的頻率下由于自由水松弛作用而有一個(gè)峰值。在更低的頻率，如4GHz以下，DC電導(dǎo)率對(duì)損耗因子的影響變得更重要。這在含鹽的水中更重要。這樣，最適介電損耗因子在不同條件下可以處于不同的頻率。獲得所討論的乳狀液的上述最適能量轉(zhuǎn)化的最適頻率由例如鹽含量、溫度和水滴大小決定。使用的頻率優(yōu)選處于產(chǎn)生這種水峰值的區(qū)間。
本發(fā)明進(jìn)一步的目的是構(gòu)想一些途徑而設(shè)計(jì)達(dá)到更有效從乳狀液中分離鹽水和有機(jī)液體的方法，其中此乳狀液接受電磁輻射。
當(dāng)使乳狀液接受頻率范圍從300MHz到1.9GHz的電磁輻射時(shí)可以達(dá)到這個(gè)目的。在從約3GHz開始的較低頻率下鹽水有不斷增加的較好的將電磁能轉(zhuǎn)化為熱的能力。鹽水的這種能力在2GHz及以下的頻率增加尤其迅速。例如，當(dāng)鹽水接受頻率為1.5GHz的電磁波時(shí)，具有比接受2GHz的電磁波時(shí)明顯更高的將電磁能轉(zhuǎn)化為熱的能力。
以下參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作更詳細(xì)的描述。
在附圖中，

圖1是在接受微波輻射之前和之后連續(xù)油相中的兩個(gè)水滴的截面示意圖。圖2是溫度和頻率對(duì)純水和NaCl水溶液的介電性質(zhì)影響的線條圖。
原油包含不同結(jié)構(gòu)的烴即烷烴、異鏈烷烴、環(huán)烷、芳香族化合物和芳香族聚合物的混合物。也有少量包含雜原子的烴分子。雜原子為硫、氮和氧。這些含有涉及數(shù)量和類型的雜原子的分子的存在對(duì)油水相分離具有很大的重要性。這些具有比純烴更高極性的化合物被分為三類樹脂、瀝青和石油脂。原油中水滴的穩(wěn)定機(jī)制被稱作位阻穩(wěn)定和粒子穩(wěn)定。簡要地說，如果雜原子不再溶解于油相而是在油水界面形成氫鍵時(shí)就形成了穩(wěn)定的乳狀液。
圖1表示在連續(xù)油相2中的兩個(gè)水滴1。每個(gè)水滴1由包含上面提到的樹脂、瀝青和石油脂的界面層3包被。瀝青顆粒用數(shù)字4表示。由于水滴或更具體地說是界面層有一個(gè)部分極性的堅(jiān)固的大分子層，水滴的合并將被阻止。這樣，為完成水滴合并需要破壞界面層或溶解其在油中的成分。圖1也表示了兩個(gè)從界面層釋放的水滴如何碰撞。當(dāng)水滴碰撞時(shí)會(huì)合并，獲得更大的水滴，最終促使相分離。
圖2是以1983年出版的A.C.Metaxas和R.J.Meredith所著“Industrial Microwave Heating”一書中的第60頁中的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的。該圖將純水和鹽水的有效損耗因子εeff″表示為頻率的函數(shù)。介電損耗因子是對(duì)水將電磁能轉(zhuǎn)化為熱的效率的一種測量。注意到了水在250℃約20GHz時(shí)有一個(gè)有效損耗因子的峰值。這是由于自由水松弛形成的。有效損耗因子峰值在20GHz時(shí)達(dá)到大約35。油的介電損耗因子在20GHz明顯較低，并且在1GHz以下有一個(gè)峰值。這提示可以通過使乳狀液接受高頻率，如20GHz而選擇性加熱水。這樣，在如此高頻下油將基本不受輻射的影響。界面層將通過水滴的熱傳導(dǎo)而被加熱。另外，界面層與油相比有更高的極性，這樣也將直接受輻射的影響。
根據(jù)例如水的結(jié)構(gòu)和水與油的體積比，它最有效吸收能量的特有最適頻率不同。當(dāng)然，也可以通過加入添加劑改變水的性質(zhì)從而改變特有頻率。
根據(jù)本發(fā)明，特別是對(duì)于一般沒有鹽或有相當(dāng)?shù)望}含量的水滴，乳狀液接受頻率范圍為3.1到100GHz，適合頻率為至少3.5GHz，尤其是至少4.0GHz，優(yōu)選至少6.0GHz，特別是至少10.0GHz的微波輻射。用至少14GHz，特別是至少18GHz，尤其是20GHz左右的頻率更優(yōu)。使此乳狀液接受頻率低于30GHz特別是低于25GHz的微波輻射更優(yōu)。
根據(jù)一種優(yōu)選實(shí)施方案，在一定的頻率范圍內(nèi)，將選擇處于一定區(qū)間的頻率，其中水將電磁能轉(zhuǎn)化為熱的傾向升高，優(yōu)選使用的頻率是近似于水的轉(zhuǎn)化傾向達(dá)到一個(gè)峰值或至少到達(dá)該峰值的75％的頻率。通過使用此頻率，實(shí)現(xiàn)分離的功率消耗將降到最低。然而名詞升高應(yīng)該在更廣泛的意義中理解。升高是指在每個(gè)特定的范圍中比最低介電損耗因子高25％的值，優(yōu)選高于上述最低值的50％，甚至更優(yōu)選為高于上述值的100％。對(duì)于3.1GHz到100GHz的范圍，應(yīng)選擇產(chǎn)生大于25，優(yōu)選大于30，最優(yōu)為大于40的損耗因子的頻率。
此外并不一定需要使用上述最適頻率，而可以通過使用低于最適頻率并仍然在要求范圍的頻率達(dá)到良好的分離效果，這是因?yàn)閷⒔殡姄p耗因子描繪為頻率的函數(shù)的曲線從上述范圍的起點(diǎn)向上傾斜到達(dá)介電損耗因子的峰值。
已知微波在水中的穿透深度隨頻率增高而減小，在約20GHz時(shí)最小。頻率為20GHz時(shí)穿透深度為大約3mm。相反，頻率為5GHz時(shí)穿透深度為大約40mm。需要高分離的乳狀液中的水滴大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于穿透深度，一般低于20lam。然而，有相對(duì)高水含量的乳狀液優(yōu)選較低的頻率以便獲得需要的分離。
上面的討論當(dāng)然同時(shí)適用于水和鹽水。
本發(fā)明也涉及處理在有機(jī)液體中包含鹽水滴的乳狀液以便分離水和有機(jī)液體的方法，其中乳狀液接受了頻率低于1.9GHz的電磁輻射。圖2表示0.3M和0.1M的虛線提示在低于約3GHz的頻率下鹽水將電磁能轉(zhuǎn)化為熱的傾向升高。然而上述傾向在小于2GHz的頻率極佳。例如，對(duì)于0.3M的溶液，有效損耗因子在900MHz達(dá)到100。
油在低頻具有將電磁輻射轉(zhuǎn)化為熱的最大傾向。庚烷的最適介電損耗因子為，例如小于1GHz。這提示頻率越低油被加熱的程度越高。如上面所討論的，這種創(chuàng)造性的想法是通過應(yīng)用影響水但基本不影響油的微波選擇性地加熱水。由于在低于2MHz的頻率下急劇增加的鹽水介電損耗因子，應(yīng)該在2GHz以下有一個(gè)最適頻率，在此頻率下水被加熱的程度依然顯著大于油。對(duì)于低于最適頻率的頻率，油被加熱的程度很大，而加熱油需要很長時(shí)間是不利的，這要求更高的功率并因此要求相對(duì)廣泛的設(shè)備。
根據(jù)最后提到的方法，使乳狀液接受頻率在3MHz到1.9GHz范圍的電磁輻射，適合頻率低于1.8GHz特別是低于1.5GHz，尤其是低于1.1GHz。另外，該頻率優(yōu)選至少為30MHz，特別是至少0.3GHz，尤其是至少0.6GHz，而且在一種優(yōu)選實(shí)施例中，至少為0.8GHz。
在一定低頻區(qū)間內(nèi)較大的微波穿透深度是有利的，因?yàn)檫@樣有更大水含量的乳狀液可以被輻射而且每單位時(shí)間可以處理的乳狀液量更大。
乳狀液優(yōu)選在被加熱的水滴碰撞的方式下被作用。這可以通過如攪拌乳狀液或通過電場或聲場的方法選擇性影響水滴。根據(jù)一種優(yōu)選實(shí)施方案，在進(jìn)行上述輻射時(shí)，將乳狀液與湍流一起流動(dòng)。
因此，乳狀液在管道系統(tǒng)而不是靜止洗浴系統(tǒng)中流動(dòng)。在這樣的管道系統(tǒng)中，每特定量的乳狀液接受處理的停留時(shí)間小于5秒，優(yōu)選小于3秒，更優(yōu)為甚至小于1秒。選擇使整體乳狀液溫度上升小于10℃的處理時(shí)間和電磁輻射功率。包括其水部分的乳狀液保持液態(tài)。
管道系統(tǒng)優(yōu)選從油罐到重力沉降分離罐的管道系統(tǒng)，被處理的乳狀液在其中受重力影響被分為水和油。微波處理系統(tǒng)可以安置在這種分離罐的單個(gè)分離罐之間。由于本發(fā)明，在分離罐系統(tǒng)中分離所需要的時(shí)間可以減少。
因此，本發(fā)明包括為了對(duì)流經(jīng)這種管道系統(tǒng)的乳狀液進(jìn)行此創(chuàng)造性處理方法而設(shè)置的微波處理器(applicator)等的用途。
在一些情況下，在此管道系統(tǒng)中運(yùn)輸所產(chǎn)生的湍流將是足夠的。
作為使上述乳狀液接受上述輻射的補(bǔ)充，根據(jù)其它方法，乳狀液也可通過如傳統(tǒng)加熱器提供的熱能而被加熱。
在一些應(yīng)用中，特別是作為不同的或不斷進(jìn)行改變的參數(shù)如乳狀液溫度、油/水含量和水中鹽含量的函數(shù)時(shí)，微波輻射的頻率在選定的頻率范圍內(nèi)周期性改變。這樣，盡管此過程中參數(shù)改變，仍然可以使用水表現(xiàn)出將微波能量轉(zhuǎn)化為熱的傾向升高的頻率。
依照以上論述，可能應(yīng)優(yōu)選重復(fù)或連續(xù)測量一種性質(zhì)，如水滴大小、介電性質(zhì)、水含量、乳狀液的傳導(dǎo)性或溫度，并使頻率選擇以上述測量為依據(jù)。
應(yīng)該注意上面的描述僅僅應(yīng)該看作是建立本發(fā)明的創(chuàng)造性想法的舉例。所以，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員非常明顯的是，可以不離開本發(fā)明的范圍而進(jìn)行細(xì)節(jié)修飾。
盡管以上描述集中于通過使乳狀液接受微波輻射而加熱水滴并隨后通過熱傳導(dǎo)加熱界面層使其破壞，去穩(wěn)定界面層也被認(rèn)為是多元機(jī)制的結(jié)合，如破壞表面活性劑分子和水分子之間的氫鍵。
權(quán)利要求
1.一種處理有機(jī)液體(2)中包含水滴(1)的乳狀液的方法，目的是為了分離水和有機(jī)液體，其中乳狀液接受微波輻射，其特征在于乳狀液接受頻率在300MHz到100GHz范圍的電磁輻射，水滴被選擇性加熱，而且在特定頻率范圍內(nèi)，將頻率選擇在水將電磁輻射轉(zhuǎn)化為熱的傾向升高的區(qū)間內(nèi)。
2.權(quán)利要求1的方法，其特征在于選擇輻射效果和乳狀液接受輻射的時(shí)間周期，以便使與有機(jī)液體接觸的水滴界面層通過輻射作用被選擇性加熱。
3.權(quán)利要求2的方法，其特征在于選擇效果和時(shí)間周期，使至少大部分乳狀液中的水滴的界面層被加熱。
4.權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)的方法，其特征在于以導(dǎo)致乳狀液中被加熱的水滴合并的強(qiáng)度加熱水滴。
5.權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)的方法，其特征在于乳狀液接受頻率至少為3.1GHz，適合至少3.5GHz，特別是4.1GHz，優(yōu)選至少6.1GHz，尤其是至少10.0GHz的微波輻射。
6.權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)的方法，其特征在于乳狀液接受頻率低于60GHz，適合低于30GHz，優(yōu)選低于25GHz的微波輻射。
7.權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)的方法，其特征在于乳狀液接受頻率近似于20GHz的微波輻射。
8.一種處理有機(jī)液體(2)中包含鹽水滴(1)的乳狀液的方法，目的是為了分離水和有機(jī)液體，其中乳狀液接受微波輻射，其特征在于乳狀液接受頻率在300MHz到1.9GHz范圍的電磁輻射。
9.權(quán)利要求8的方法，其特征在于選擇頻率低于1.8GHz，適合低于1.5GHz，優(yōu)選低于1.1GHz的電磁輻射。
10.權(quán)利要求8或9的方法，其特征在于選擇頻率至少為0.6GHz，優(yōu)選0.8GHz的電磁輻射。
11.前面權(quán)利要求的方法，其特征在于以被加熱水滴碰撞的方式影響乳狀液。
12.前面權(quán)利要求的方法，其特征在于為使被加熱水滴碰撞，使乳狀液與湍流一起流動(dòng)。
13.前面權(quán)利要求的方法，其特征在于通過提供熱能而加熱乳狀液。
14.權(quán)利要求1-7的方法，其特征在于頻率近似于水的轉(zhuǎn)化傾向到達(dá)一個(gè)峰值的頻率。
15.前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，其特征在于頻率在上述頻率范圍內(nèi)周期性改變。
16.權(quán)利要求1-15任一項(xiàng)的方法，其特征在于重復(fù)或連續(xù)測量乳狀液的性質(zhì)，頻率的選擇是以上述測量為依據(jù)的。
17.權(quán)利要求1-16任一項(xiàng)的方法，其特征在于當(dāng)接受處理時(shí)乳狀液是在管道系統(tǒng)中流動(dòng)，每個(gè)特定量的乳狀液接受處理的停留時(shí)間小于5秒，優(yōu)選小于3秒，更優(yōu)選小于1秒。
18.權(quán)利要求1-17任一項(xiàng)的方法，其特征在于選擇處理時(shí)間和電磁輻射的功率，使得整體乳狀液的溫度升高小于10℃。
19.為對(duì)流經(jīng)管道系統(tǒng)的油包水乳狀液執(zhí)行依據(jù)權(quán)利要求1-18任意一項(xiàng)的方法的微波處理器的用途。
全文摘要
一種處理有機(jī)液體(2)中包含水滴(1)的乳狀液以分離水和有機(jī)液體的方法,其中乳狀液接受微波輻射,乳狀液接受頻率在300MHz到100GHz范圍的電磁輻射,水滴被選擇性加熱,而且在特定頻率范圍內(nèi),將頻率選擇在水將電磁輻射轉(zhuǎn)化為熱的傾向升高的區(qū)間內(nèi)。
文檔編號(hào)B01D17/04GK1370089SQ00811596
公開日2002年9月18日 申請(qǐng)日期2000年8月17日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月17日
發(fā)明者帕爾J·尼爾森, A·科恩菲爾德特, T·尼格倫, R·B·弗德希拉 申請(qǐng)人:Abb研究有限公司, 帕爾J·尼爾森