分离流体混合物的方法和装置 【技术领域】
本发明涉及一种分离不可完全混合的流体混合物的方法和装置。例如，油气井天然资源的回收物中就存在这类混合物。这类回收物的产品包括气、油和水的混合物。这些混合物可以含有三种相。根据压力和其他物理环境的不同，所回收的混合物可以含有两种相，一相为含油及任选的可溶解气体的碳氢化合物相，以及水。也可能几乎没有任何气体存在，即一种两相混合物。
背景技术
要求在进一步转换成有价产品之前从碳氢化合物相中分离出水。已经发展了用于把这类混合物分离为相应的相并除去水相的装置。
俄罗斯专利申请NO.2077364公开了用于把流体混合物分离为三相，即气体、低密度液体和高密度液体的一种装置，该装置具有一个进料口，一个气体出口，和液体相出口。这种装置工作时，气体、低密度液体和高密度液体的一种混合物供应到装置的进料口。混合物向上通过一个上斜供应管流向一个下斜管的入口。在这个下斜管的上端，气体从液体中分离出来，而液体落向下斜管地下端。气体、较轻的液体和较重的液体分别经由各自的出口从装置中排出。
这种分离装置的缺点是在上斜供应管中产生紊流，而且经常在下斜管中发生逆流，对分离装置的分离效率产生不利影响。
欧州专利申请NO.1044711说明了把流体混合物分离为三种相，即气体、低密度液体(较轻的液体)和高密度液体(较重的液体)的一种分离装置，该装置具有一个进料口、一个气体出口、一个较轻液体出口和一个较重液体出口。这种装置含有：
一个在其上游端设有进料口的通常水平供应管；
一个在其上端设有入口、并在下部设有闭合下端的斜管，其入口与供应管的出口连接；
一个包含气体提升管的气体排放系统，这种提升管的入口位于填充气体的空间，提升管出口与装置的气体出口流体连通；
一个较轻液体的排放系统，其入口位于填充较轻液体的空间，其出口在流体中与装置的较轻液体的出口连通；
一个较重液体的排放系统，其入口安排在供应管底部液面以下，其出口与装置的较重液体出口流体连通；
其中供应管直径选择成使得在正常工作时液体的速度低于预定值，供应管长度与直径比值大于10，斜管斜率选择成使得在正常工作时斜管中保持层流。
与上述俄罗斯专利的装置相比，这个装置的优点之一是保持层流。然而，其排放系统，特别是较重液体的排放系统十分复杂。虽然其设计可以在很广的工作条件下工作，但不能提供任何有效的流量控制。
【发明内容】
本发明的目的就是克服这些缺点。
因此，本发明提供一种把不可完全混合的流体混合物至少分离为两种相的方法，其中一个相的密度高于另一种相，这个方法包括：
使混合物流过在其上游端设有入口而在其下游端设有出口的一个通常的水平供应管；
然后，使混合物流过一个斜管，在斜管上端有一个入口并与供应管的出口连接，在斜管中保持层流，因此，较低密度的流体相(较轻的相)在较高密度的流体相(较重的相)上面；
经由一个第一排放系统提取较低密度的流体，该系统有一个入口，并与较轻的相流体连通；
经由一个第二排放系统提取较高密度的流体，该系统位于斜管中，具有一个入口并与较重的相流体连通；
斜管中较轻的相和较重的相之间的界面由一个界面控制器装置监控，该界面的控制器装置改变较高密度流体的流量而保持规定液面之间的界面。
这种方法为确保从分离装置分别提取不同的相提供了一条方便的途径。混合物保持在一种层流状态是实现这种能力的一个主要因素。在一个实施例中，其供应管不同于上述的把混合物输送到分离装置的输送管道。当混合物不处于层流状态时，这是合适的，而供应管用于实现这类层流。在另一个实施例中，特别是当混合物已经处于层流状态时，供应管与上述的输送管道相同。申请人发现，如果选择的供应管直径使正常工作时的液体速度低于一个预定值，如果供应管的长度与直径比值大于5，特别是大于10，那么，供应管中可以保持层流。申请人还发现，可以选择斜管的斜率，使在正常工作时在斜管中保持层流状态。相对于水平面，斜管斜率在1-5°范围是合适的，优选地为1-3°。这种层流有可能使用一种液面监控器确定较重的相与较轻的相之间的界面位置，并通过第一或第二排放系统可以调节液面。当液面控制器装置处于第一和/或第二排放系统时，液面控制器最好结合阀门使用。
第二排放系统必须与斜管中的较重相流体连通。一个熟练技工可以使这个排放系统位于沿斜管的任何位置。最方便的是把这种第二排放系统安排在斜管的下游端。
本发明的再一个实施例是提供一种在这种方法中可以使用的分离装置。因此，本发明也提供一种分离装置，用于把一种流体混合物分离为至少两种相，其中一种相的密度高于另一种相，因此得到一种较低密度的流体相(较轻的相)和一种较高密度的流体相(较重的相)，所述的装置包含：
一种通常的水平供应管，在其上游端有一个进料口，在其下游端有一个出口；
一种斜管，在其上端设有一个入口并与供应管的出口连接；
一个第一排放系统，其入口位于与较轻的相流体连通；
一个位于斜管中的第二排放系统，其入口与较重的相流体连通。
斜管设有一个液面控制器装置，包括在第一和/或第二排放系统的一个液面监控器和一个阀门。
本专业技术人员可以实现使用多种类型的液面监控器。这类液面监控器的例子有浮子装置或分段式监控器。其它例子有：油尺，磁液面显示器，传导型或容量型装置，以及超声液面装置。Kirk-Othmer的《化学工艺大全》(Encyclopedia of Chemical Technology)第409-433页(New York的John Wiley出版公司出版1995年，第15卷，第4版)已对适用的(液面监控)装置进行了综述。这种液面监控器和阀门可以通过计算机控制系统进行工作。
【附图说明】
下面通过实例并参照附图更详细地说明本发明，附图中：
图1简略示出本发明的一个第一实施例，和
图2简略示出本发明的一个第二实施例。
【具体实施方式】
图1示出一个用于分离一种两相流体混合物的装置1，该装置含有一个水平供应管2。供应管的上游侧有一个入口，该入口与向装置输送混合物的管道3连接。值得注意的是，在这个实施例中，供应管2保证一种层流，而管道3中并不是层流。在其下游侧，供应管2与一个斜管4连接。在供应管2中，产生一种层流，而在斜管4中保持这种层流，因此，两种不同的相是分明的：一种具有较低密度的较轻流体相，和一种具有较高密度的较重流体相。装置1也包含一个第一排放系统5，其入口与较轻的相流体连通。这个排放系统的端部是一根排放管6，低密度流体通过管6排出。斜管4终止于第二排放系统7，该系统的端部为一个出口，高密度流体通过这个出口流入一个排放管8。两相间的界面由一个液面控制器9监控。如果液面控制器9指示界面超过预定液面，则将通过阀门10调节通过排放管8的高密度流体的流量，以便使界面返回到预定液面范围。阀门10定位在排放管8中，也可以把这个阀门安排在斜管出口或斜管下端。
在高密度流体流量明显高于低密度流体流量的一个实施例中，并宜于通过具有另一个出口11的另一个排放系统提取高密度流体，这个出口11与较重的相流体连通。出口11优选地安排在水平供应管的底部。因此高密度流体经由出口11通过排放管12排出。这种高密度流体流与从第二排放系统排放的高密度流体在排放管8中合并。优选地，在第二排放系统中定位这个阀门。可以适当地安排一个附加控制装置，以便监控第一排放系统中较轻的相的压力，并按照测量的压力调节低密度流体的流量。虽然也可以按照测量的压力调节较重的相的流量，但从实用观点出发，优选地调节低密度流体的流量。
这种装置和方法适于在碳氢化合物的生产中应用，在这种生产中也回收水。因此，在本方法的较轻的相中包括适当的油，而在较重的相中包括适当的水。在许多情况下，生产碳氢化合物的井产生液体碳氢化合物油，水和气体。在这类情况，从液态和气态碳氢化合物分离出水是方便的。因此，本发明也适合于提供一种方法，把三相混合物分离为一种低密度流体相(较轻的相)、一种中等密度的流体相(中等重量的相)、和一种高密度的流体相(较重的相)。较轻的相包括气体，中等重量相包括油，较重的相包括水。虽然原则上可以通过第二排放系统一起排出中等重量的相和较重的相，但优选地通过第一排放系统的入口排出较轻的相和中等重量相。参考图2，装置20包含一个水平供应管21和一个斜管22。一种气体、油和水的混合物通过一根导管23输入到装置20。一个竖管24与较轻的相及中等重量相，即气和油，流体连通。较轻的和中等重量的相从水平管排出，排出的相适当地流入竖管24，使较轻的相与中等重量的相分开。这两种混合的相可采用任何已知的方式从竖管24排出。一种方法是使这种混合相直接通入排气导管(未示出)。也可以从竖管的上部排出较轻的相，而从其下部(未示出)排出中等重量的相。优选地是提供一种包含两个容器的竖管，使混合的较轻的相和中等重量的相从一个第一容器24流入一个第二容器25。容器25具有如图所示的容器形状，但很显然也可是其他形状，如可以使用一种短(水平)管道部分。在第二容器25中，两种相明显分离。较轻的相从第二容器25顶部通过一个导管27排出，中等重量的相从第二容器25底部通过一个导管26排出。较轻的相和中等重量的相之间的界面由一个第二液面控制器装置28监控，该装置调节中等密度流体的流量，使用安排在排放管26中的一个阀门，保持规定液面间的界面。把管道26和27的两种相混合起来进一步输送，虽然没有必要，但有时也是很经济的。
在这种方法中，第二液面控制器安排在第二容器25中，以监控较轻的相和中等重量相的界面。液面控制器28与安排在中等密度流体管道26中的阀门29连通，以便控制中等密度流体的流量。本专业技术人员可以在排放管道27中安排一个类似的阀门以控制低密度流体的流量，并由液面控制器28调节这个阀门。另一个实施例使一个或几个类似的液面控制器与两个排放管中的阀门连通，以便控制两个相的流量。在排放管27安排一个压力监控器29，并使之与第一排放系统中的一个或几个流量控制阀门30连通，以便控制低密度流体的流量，则更为有利。另外，压力控制器29可与排放管26中的一个阀门连通，以控制中等密度流体的流量。还有一个实施例，使这种压力控制器与管道26和27中的阀门连通以控制两个相的流量。在图2中，仅示出低密度流体排放管道27中的一个阀门30。这样，监控了竖管(24，25)中的压力，并按照所测量的压力，调节低密度流体的流量，或者中等密度流体的流量，或者两个相的流量。高密度流体(例如水)从斜管22经由一个排放管31排出。中等重量相和较重的相之间的液面由与安排在排放管31中的阀门33连通的一个液面控制器32监控。液面控制器32和阀门33系统的工作与图1所述的相同系统类似。
下面是这种分离装置的一个例子，其中可参考图2中的实施例。
气、油和水的一种混合物通过一根内径为10英寸(254mm)的管输送到分离装置20。水平供应管21和斜管22内径为48英寸(1.2m)因此，装置中表面液体速度降低到约1/24。水平供应管及斜管的长度分别在12-100m(米)和15-120m的范围。应该强调，只要在供应管中产生一种层流，供应管的长度是没有关系的。如果混合物以一种层流状态通过管道输入，这种供应管可以长达数十公里。混合物的温度在60-80℃之间变化，压力为25-85bar。液面控制器在斜管中部，可以在竖管下游约10m处。在上述条件下，每天可以流入这种分离装置的混合物约为10000-20000m3。