分離碳氫化合物乳劑的噴嘴組件和分離碳氫化合物的方法

專利名稱：分離碳氫化合物乳劑的噴嘴組件和分離碳氫化合物的方法
技術領域：
本發明一般涉及用于分解碳氫化合物流體中的乳劑的噴嘴組件，具體地說，涉及 其中具有用于分解原油中的碳氫化合物乳劑的可調節沖擊板的噴嘴組件。
背景技術：
在提煉分離之前的原油處理中，存在難處理的碳氫化合物乳劑經常帶來嚴重的操 作問題，導致油料損耗、污染、腐蝕、結垢或者堵塞以及昂貴的環境處理/廢物處置成本。在 原油為API比重大約為20以下、特別是API比重從7到12的重質原油時，通常存在這種碳 氫化合物乳劑。這種原油特別難于生產，并且在生產時導致提煉出現操作困難。這種難處理的碳氫化合物乳劑通常包括作為組成組分的彌散在油中的水或彌散 在水中的油、油浸濕和/或水浸濕的固體以及其他多種難于分離的組成組分。伴隨油存 在于地下地層中的一些蠟和浙青以及細微分離的無機固體諸如沙子或粘土作為乳劑穩定 劑，在油-水界面上形成防護層，阻止水滴聚集。這種難處理的乳劑帶來了嚴重的廢物 處置問題，并且代表大量的經濟浪費。先前用于分解碳氫化合物乳劑的過程在美國專利 4，938，876,5, 738，762,5, 882，506和5，948，242中公開，這些專利文件每一篇的全部內容 都包含在本說明書中。原油也會被重金屬和不希望的有機化合物諸如氧、硫和氮所污染。這些材料通常 與乳劑的有機界面間結構密切關聯，因此加劇了乳劑的難處理程度，而且也導致提煉過程 中發生腐蝕和不希望的污染。因此，通常，難于處理的重質原油在世界的許多地方都被認為是不值得生產和提 煉的。因此，需要適合用于重質原油生產油田附近的油料乳劑分解/分離技術，重質原油在 油田中從生產油井中排出，結合有大量的水和固體。本領域已知采用流體流噴嘴，諸如文氏(Venturi)噴嘴，通過噴嘴閃蒸 (flashing)乳劑并降低乳劑的壓力將碳氫化合物乳劑分解和分離成各種組成組分。

發明內容
本發明具有優勢地提供一種用于分離包含在流體中的碳氫化合物乳劑的噴嘴組 件和相關方法。寬泛地說，公開了具有一個或多個沖擊板的流體噴嘴以及使用所述噴嘴的 方法。文中公開的所述噴嘴組件和相關方法將生產的原油中的碳氫化合物乳劑分解成各種 組成組分。在一種具體實施方式
中，所述噴嘴組件還允許有選擇地改變各種組成組分的回 收量。此外，在另一種具體實施方式
中，所述噴嘴組件提供更大量的可提煉油料供回收并進 入提煉過程。在一種特定實施方式中，噴嘴組件包括殼體；殼體流體入口 ；殼體流體出口 ；用 于促使流體從所述殼體流體入口流向所述殼體流體出口的流動腔；設置在所述殼體流體出 口附近的噴嘴頭部，所述噴嘴頭部具有第一端和第二端，所述第一端設置在所述殼體流體 出口附近，所述第一端和所述第二端在它們之間限定流體流動通道，用于促使流體從所述第一端流向所述第二端；和沖擊板，所述沖擊板與所述噴嘴頭部的所述第二端成隔開關系 設置，以便流體流在離開所述噴嘴頭部的所述第二端的之后撞擊所述沖擊板，并且由此將 流體中的碳氫化合物乳劑分離成各種組成組分。所述噴嘴組件的進一步特征在于，所述沖 擊板可以相對于所述噴嘴頭部移動，以便所述沖擊板和所述噴嘴頭部的所述第二端之間的
距離可以變化。 在來自所述噴嘴頭部的所述第二端的流體流被導向所述沖擊板并撞擊沖擊板時， 流體中的大型乳劑顆粒被具有優勢地分解。在乳劑顆粒被分解時，乳劑流體的各種組成組 分的干凈表面暴露出來。然后，這些暴露的表面更容易與可以與所述流體混合的任何反乳 化劑相互作用。在另一方面，包含在流體中的碳氫化合物乳劑可以通過下述步驟分解讓流體經 過流體流噴嘴的第一區段而在流體中產生壓力降；讓流體經過流體流噴嘴的第二膨脹區 段，匯聚流體的定向流；和在流體流噴嘴的第三區段內，將流體偏離沖擊板，以便流體中的 碳氫化合物乳劑分離成各種組成組分。在一種特定實施方式中，所述方法進一步包括步驟 在將流體偏離所述沖擊板的步驟之前，調節所述沖擊板的位置。


圖1是用于分離碳氫化合物乳劑的噴嘴組件的具體實施方式
的部分截面視圖；圖2是用于圖1所示噴嘴組件的支撐板的頂視圖；圖3是沿著線3-3截取的圖1所示噴嘴組件的截面圖；圖4是圖1所示噴嘴組件的沖擊板的頂視圖；圖5是用于圖1所示噴嘴組件的噴嘴頭部的具體實施方式
的平面圖；圖6是用于圖1所示噴嘴組件的噴嘴頭部的具體實施方式
的透視圖；圖7是用于圖1所示噴嘴組件的噴嘴頭部的具體實施方式
的分解透視圖；圖8是用于圖1所示噴嘴組件的噴嘴頭部的具體實施方式
的分解截面透視圖。
具體實施例方式雖然將根據優選實施方式描述本發明，但是應該理解，用意并非將本發明限制于 這些實施方式。相反，用意在于覆蓋可以包括在由附帶的權利要求書所限定的本發明的精 神和范圍內的全部替代方案、改型方案和等同方案。現在參照圖1至4，提供了噴嘴組件20。噴嘴組件20優選包括低摩擦等熵噴嘴， 該噴嘴包括殼體22和與殼體流體入口 26和殼體流體出口 28流體連通的殼體流動腔24。 帶有按壓塞頭31的調節構件30設置在殼體流動腔24內，以便可以控制或調解經由殼體流 動腔24流過的流體。殼體流體出口 28與噴嘴頭部40流體連通。如圖5至6所示，噴嘴頭部40包括截頭錐形部分42，該部分42在第一端42較窄 而在第二端46較寬。換句話說，截頭錐形部分42的外徑和內徑可變并且擴張，就是說從第 一端44向著第二端46逐漸變大。截頭錐形部分42優選具有光滑的拋光內表面，以便于流 體加速和以最小的摩擦損耗進行閃蒸。回頭參照圖1至4，噴嘴頭部40借助支撐板50固緊到殼體22。支撐板50可以利 用本領域已知的設備或方法連接到殼體22，例如利用焊接或利用緊固件諸如螺栓100。支撐板50還包括用于將支撐板50固緊例如到閃蒸鼓、也稱為閃蒸分餾器或閃蒸器(文中未示出，但是在美國專利4，938，876,5, 738，762,5, 882，506和5，948，242中有更為詳細的描 述)的設備，諸如螺栓120。支撐板50包括用于插入并固緊噴嘴頭部40的開口 52。在圖1至4所示具體實施方式
中，乳劑流體在第一端44進入噴嘴頭部40的截頭 錐形部分42，并經由開口 77在第二端46離開噴嘴頭部40的截頭錐形部分42。在另一種 實施方式(未示出)中，第二端46可以包括噴嘴40的額外柱狀部分，該額外柱狀部分的外 側并非截頭錐形，而是具有恒定外徑。流體流被加速，并且流體在噴嘴頭部40的截頭錐形部分42內側出現壓力降。來 源于該壓力降的能量優選通過流體的加速而轉化為動能。隨著噴嘴頭部40內的壓力降低， 流體發生膨脹，并且沸點最低的流體組成組分在噴嘴頭部40的截頭錐形部分發生閃蒸，結 果是流體向著噴嘴40的開口 77和/或通過開口 77進一步加速。在離開開口 77之后，加速的乳劑流線被導向沖擊板70的前面部75并撞擊前面部 75。在來自噴嘴頭部40的流體流撞擊沖擊板70時，流體中的較大乳劑顆粒具有優勢地被 分解。在乳劑顆粒被分解時，暴露出乳劑流體各組成組分的干凈表面。然后所述暴露表面 更容易和可以與所述流體混合的表面劑相互作用。利用動能結合突然膨脹的熱力學效應實現了被加速乳劑流線的分離效果。穿過噴 嘴頭部40第一端44的壓力降將流體流線加速，而熱力學膨脹產生流體流線的持續加速度。一個或多個連接構件60沿著噴嘴頭部40的外壁表面設置，從而將沖擊板70可釋 放地固緊到噴嘴頭部40。如圖1至4中的具體實施方式
所示，連接構件60是設置在噴嘴頭 部40的外壁表面中的凹槽62，導軌64(固緊到沖擊板70)可以放置于該凹槽中，形成滑動 接合。每條導軌64包括一個或多個狹槽66，用于插入可釋放的緊固件諸如螺栓68。擰緊 螺栓68將限制沖擊板70沿著噴嘴頭部40軸向長度的移動，而放松螺栓68將允許沖擊板 70沿著噴嘴頭部40的軸向長度移動。因此，噴嘴頭部40的開口 74與沖擊板70之間的距 離D可以調節，以優化從噴嘴頭部40噴出之后撞擊沖擊板70的面部75的乳劑組分的分離 效果。優選，沖擊板70的面部75大致垂直于離開開口 77的流體流線方向定位，以使乳 劑分離效果最大化。但是，根據需要，沖擊板70的面部75可以傾斜、側傾或者以其他形式 定位，以便離開開口 77的流線可以以除大約90度角之外的各種角度撞擊面部75。因此，將 沖擊板70移動地更靠近或更遠離噴嘴頭部40的開口 77和/或相對于噴嘴頭部40將沖擊 板70側傾或傾斜到各個方向，可以影響碳氫化合物乳劑的分離程度。在具體實施方式
中， 沖擊板70可以具有多個傾斜表面，用于控制分離和/或向著一個或多個期望方向導流。在操作中，按壓塞頭31的末端優選向下定位在殼體流動腔24起始平直區段的中 途，并用于控制穿過噴嘴組件20頂部區段的壓力降。根據噴嘴組件20的頂部加載設計，按 壓塞頭31容易在操作中更換。可以采用不同尺寸、形狀和直徑的按壓塞頭31以允許在噴 嘴組件20的不同區段實施更為精確的控制，以產生較大范圍的流速。例如，按壓塞頭31可 以具有錐形形狀(未示出)，這種形狀會導致平直孔區段44內等熵閃蒸增大并持續到噴嘴 組件20的部分42中。作為替代，按壓塞頭31可以具有如圖1所示的柱狀，這種形狀會導 致噴嘴頭部44的截頭錐形部分42內等熵閃蒸增大。在如圖7至8所示的具體實施方式
中，插入構件80設置在噴嘴頭部40的第一端44內或其附近。插入構件80可以用碳化物、陶瓷或類似耐磨材料形成。插入構件80可以 滑動插入噴嘴頭部40的第一端44內，或者可以借助螺紋或者其他連接形式可拆卸地連接 到噴嘴頭部40。插入構件80保護噴嘴頭部40不會被流體流磨損。噴嘴組件20可以用于分離碳氫化合物乳劑的任何過程。具體來說，噴嘴組件20 可以用作美國專利4，938，876,5, 738，762,5, 882，506和5，948，242中公開的系統和方法中 的噴嘴，這些專利的全部內容通過引用方式包含在本說明書中。寬泛地說，在一種具體實施 方式中，流體中的碳氫化合物乳劑可以借助流體流過噴嘴組件20而進行分離或分解。流體 可以首先經過噴嘴組件20的第一區段，例如腔24。閃蒸首先發生在按壓件31下游、噴嘴頭 部40的第一端44處或其 附近，由此在流體中產生壓力降。這種閃蒸步驟導致水_油乳劑 至少部分地分裂成它們的分離組分，正如美國專利4，938，876所述，該專利通過引用而包 含在本說明書中，用于各種目的。熱的原油及其添加劑的加壓流線閃蒸到該乳劑的水的1 到15%、優選1到8%蒸發，并且被最終去除，例如通過導向單獨的閃蒸器或蒸汽液體分離 器而去除。此外，原油流線被蒸發的輕質部分可以從上方經過，到達單獨的冷凝器和餾出容 器。冷凝的蒸汽將產生水層和位于其上的碳氫化合物層。這兩層都可以回收或去除。在經過腔24之后，閃蒸的蒸汽和伴隨的未閃蒸流體經過噴嘴組件20的第二區段， 例如噴嘴頭部40，由此將流體的定向流輸送到沖擊板70。在具體實施方式
中，沖擊板70具 有位于其面部75上的凸起區域，該凸起區域匹配流體從其流出的噴嘴組件20的開口 77處 的傾斜出口。最后，在離開噴嘴頭部40之后，流體可以在噴嘴組件20的第三區段被偏離沖 擊板70，以便流體中的碳氫化合物乳劑進一步分解成各種組成組分。根據需要，沖擊板70的傾斜位置和/或沖擊板70與噴嘴組件20第二區段之間的 距離D可以緊接在將流體偏離沖擊板70的步驟之前進行調節。通過調節沖擊板70和噴嘴 組件20第二區段之間的距離D，質量最大的乳劑顆粒可以被導向沖擊板70，同時可以獲得 用于實現流體流線乳劑分離的優化流速。如果方向發生突變，動能最大的較大顆粒不會攜帶在流線中。存在來自液體/蒸 汽流線的粘性影響，這種粘性影響將最小的顆粒攜帶在流線中。較大顆粒具有足夠大的動 量，以便它們不會被流線帶走。這樣導致了較大的顆粒撞擊沖擊板70。距離D越大，則較大 顆粒改變方向可利用的時間就越多。因此，調節距離D將影響撞擊沖擊板70的顆粒大小以 及被帶走的能量。如果沒有沖擊板70，則大型顆粒將因為與閃蒸器中的蒸汽/氣體發生摩擦而損失 動能。目標是盡可能多地閃蒸流體流線，并讓組分柔和地沉淀。如果允許被閃蒸的流體撞 擊液體層，則由于可能形成新的乳劑，而容易將所述組分重新混合。調節沖擊板70和噴嘴 40的開口 77之間的距離D，具有優勢地允許將組分轉變為凝聚圖，而不會發生積極混合，并 且在較高流速與保證乳劑顆粒基本上全部分解之間實現優化平衡。在經過噴嘴組件20之前、之中或之后，適當的乳劑分解化學物可以根據需要添加 到碳氫化合物乳劑中，添加量處于以體積計的100到2000ppm范圍內，取決于乳劑的性質。 所述化學物可以是表面劑、反乳化劑、螯合劑、或中和劑，正如也在美國專利4，938，876中 所述。在具體實施方式
中，乳劑分解化學物在流體撞擊沖擊板70之前添加，有利于混合。 適當的化學物是熟知的化學物，并且容易從Petrolite、BetzDearborn, Nalco或其他供應 商處獲得。它們是任選添加劑，取決于給定原油的處理要求，并且添加操作在本領域是熟知的，而且根據需要僅少量使用。這些添加劑可以包括陰離子添加劑、陽離子添加劑、非離子 添加劑和聚合添加劑。聚合添加劑使用劑量相對較小，以促使極其微小的固體污染物凝聚。如果遇到的乳劑是油彌散于水的類型，則希望添加有利于水彌散于油類型的乳劑 的表面劑。相反，如果預期的乳劑是水彌散于油類型的乳劑，則應該使用有利于油彌散于水 類型的乳劑的表面劑。這些相反的乳化劑應該少量使用，因為過量可能導致相反效果。 應該理解，本發明并不限于圖中所示和文中所述構造、操作、嚴格材料或實施方式 的精確細節，因為本領域技術人員能理解改型方案和等同方案。例如，原油的各種樣本的屬 性和成分可以通過簡單的實驗來確定，并且根據這種分析，可以確定并設計相關處理設備 所用的具體參數。因此，本發明僅由附帶的權利要求書的范圍來限定。
權利要求
一種用于分離流體中的碳氫化合物乳劑的噴嘴組件，包括殼體；殼體流體入口；殼體流體出口；用于促使流體從所述殼體流體入口流向所述殼體流體出口的流動腔；具有第一端和第二端的噴嘴頭部，所述第一端設置在所述殼體流體出口附近，所述第一端和所述第二端在它們之間限定流體流動通道，用于促使流體從所述第一端流向所述第二端；和沖擊板，所述沖擊板與所述噴嘴頭部的所述第二端成隔開關系設置，以便離開所述噴嘴頭部的所述第二端的流體流撞擊所述沖擊板，并且由此將流體中的碳氫化合物乳劑分離。
2.如權利要求1所述的噴嘴組件，其特征在于，所述沖擊板能相對于所述噴嘴頭部移 動，以便所述沖擊板和所述噴嘴頭部的所述第二端之間的距離可以變化。
3.如權利要求1所述的噴嘴組件，其特征在于，一個或多個連接構件沿著所述噴嘴頭 部的外壁表面設置，從而將所述沖擊板可釋放地固緊到所述噴嘴頭部。
4.如權利要求3所述的噴嘴組件，其特征在于，所述連接構件是設置在所述噴嘴頭部 的外壁表面上的凹槽。
5.如權利要求4所述的噴嘴組件，其特征在于，一條或多條導軌固緊到所述沖擊板，并 且與所述噴嘴頭部中的所述凹槽滑動接合。
6.如權利要求5所述的噴嘴組件，其特征在于，所述導軌包括一個或多個狹槽，用于插 入可釋放的緊固件，以限制所述沖擊板沿著所述噴嘴頭部的軸向長度移動。
7.如權利要求1所述的噴嘴組件，其特征在于，所述沖擊板具有垂直于從所述噴嘴頭 部的所述第二端排出的流體流線方向的面部，以便所述流體流線可以以90度角撞擊所述 面部。
8.如權利要求1所述的噴嘴組件，其特征在于，所述沖擊板具有能傾斜的面部，以便從 所述噴嘴頭部的所述第二端排出的流體流線能以除90度之外的其他角度撞擊所述面部。
9.如權利要求1所述的噴嘴組件，其特征在于，所述沖擊板具有帶有多個傾斜表面的 面部，所述多個傾斜表面用于引導以一個或多個方向撞擊所述面部的所述流體流線的流動。
10.如權利要求1所述的噴嘴組件，其特征在于，所述組件包括帶有按壓塞頭的調節構 件，該調節構件設置在所述流動腔內。
11.如權利要求10所述的噴嘴組件，其特征在于，所述按壓塞頭為錐形。
12.如權利要求10所述的噴嘴組件，其特征在于，所述按壓塞頭為柱狀。
13.如權利要求10所述的噴嘴組件，其特征在于，插入構件設置在所述噴嘴頭部的所 述第一端附近，以保護所述噴嘴頭部不被流體流所磨損。
14.如權利要求13所述的噴嘴組件，其特征在于，所述插入構件以耐磨材料形成。
15.如權利要求14所述的噴嘴組件，其特征在于，所述耐磨材料是碳化鎢。
16.如權利要求14所述的噴嘴組件，其特征在于，所述耐磨材料是陶瓷。
17.如權利要求13所述的噴嘴組件，其特征在于，所述插入構件滑動插入所述噴嘴頭部的所述第一端。
18.如權利要求13所述的噴嘴組件，其特征在于，所述插入構件可拆卸地連接到所述 噴嘴頭部。
19.一種分離流體中的碳氫化合物乳劑的方法，包括步驟讓流體經過流體流噴嘴的第一區段而在流體中產生壓力降；讓流體經過流體流噴嘴的第二區段，從而向沖擊板匯聚流體的定向流；和在流體流噴嘴的第三區段內，將流體偏離所述沖擊板的前面部，以便流體中的碳氫化 合物乳劑在偏離所述前面部之后分離成各種組成組分。
20.如權利要求19所述的方法，進一步包括步驟將所述沖擊板移動地更靠近所述流 體流噴嘴的所述開口，以影響所述碳氫化合物乳劑分離成各種組成組分。
21.如權利要求19所述的方法，進一步包括步驟將所述沖擊板移動地更遠離所述流 體流噴嘴的所述開口，以影響所述碳氫化合物乳劑分離成各種組成組分。
22.如權利要求19所述的方法，其特征在于，所述沖擊板的所述前面部垂直于離開所 述流體流噴嘴的流體流線方向，并進一步包括步驟傾斜所述沖擊板，以使所述沖擊板的所 述前面部不再垂直于離開所述流體流噴嘴的流體流線方向，從而影響所述碳氫化合物乳劑 分離成各種組成組分。
全文摘要
公開了用于分離流體中的碳氫化合物乳劑的噴嘴組件和相關方法。所述噴嘴組件包括沖擊板，碳氫化合物乳劑噴射到所述沖擊板，導致流體中的大型乳劑顆粒在撞擊所述沖擊板時被分解，由此允許更容易地分離乳劑的各種組成組分。在特定實施方式中，碳氫化合物乳劑撞擊所述沖擊板還暴露了乳劑流體的各種組分的干凈表面，所述干凈表面更容易與可以與所述流體混合的表面劑相互作用。
文檔編號B05B1/26GK101970613SQ200980108786
公開日2011年2月9日 申請日期2009年3月13日 優先權日2008年3月13日
發明者克雷格·R·格林, 肯尼斯·E·德伯里 申請人:尤尼普瑞能源公司