从粒状固体中分离物质的装置及方法 【技术领域】
本发明涉及环境技术领域，以及自粒状固体(Particulatesolids)中分离物质的装置及方法。更具体的，本发明涉及例如对受碳氢化合物污染的土壤进行改造时，自粒状固体中分离目标物质的装置及方法。
背景技术
许多工业应用都制造工业废物，该废物是水和油的部分乳浊液且含有一种或多种污染物，例如悬浮的含碳物质或无机物质，该无机物质例如铁锈(rust scales)、催化剂、碎屑等。基于油和水的相对数量，通常会遇到两种类型的油水乳浊液：第一，一种油分散在水中的乳浊液，由分散在水中的带电油滴组成，油相与水相之间的摩擦在油与水的界面处产生静电荷，从而有助于稳定该乳浊液；以及第二，一种水分散在油中的乳浊液，是当油接触水和固体时形成的一种粘性、富集物质。
分离这种乳浊液废物的工艺比较困难，部分基于乳浊液的普通化学，部分由于这种乳浊液废物是经由不同且不相似工艺生成的不同类物质。现有技术是各种各样的，但在原理上都是试图中和组分液滴表面处的电荷，然后使被破乳的残留混合物沉淀。典型的，一种物理方法例如离心法(应用或者不应用热量、压力，或者热量和压力两者)同以下一项或多项相结合：
a) 加入表面活性剂例如脂肪酸盐、甲酚盐、硫化物、碳酸钠、
氢氧化钠、硅酸钠、或者带有电荷的电解液，它们移动至液
滴的界面膜处，从而增大该液滴的斥力；
b) 加入阳离子破乳剂(油与水的介电常数使得水中的油滴带负
电荷)；
c) 利用例如硫酸降低pH值，以溶解某些稳定固体，该固体可在
胶质至100微米地范围内变化，可包括脂肪酸盐、磺化油、
沥青基残蜡、硫化盐、以及硫醇；
d) 加入抗乳化剂，带有亲水基以及亲脂基的例如多价金属盐、
无机酸、吸附剂、聚胺和聚丙烯酸酯以及它们的衍生物、烷
基取代苯磺酸、烷基酚醛树脂以及它们的衍生物、取代的多
元醇等。
在已经实现电荷中和以及离心作用之后，可利用漂浮或活性碳吸附来重力分离、聚结、过滤、溶剂萃取、或洗提所得到的物相。这些工艺昂贵(在初始投资、日常维护、以及采用自然资源方面)且效率低；因此需要一种可彻底分解各种工业废乳浊液的经济、高效方法。 在本发明的以下说明书中，术语“碳氢化合物”应包括疏水有机物质例如油、沥青、焦油、油渣、以及石油产品；术语“土壤”应包括粘土、砂层、岩石、以及使用过的钻探泥浆，该使用过的钻探泥浆是包含水、石油、其它有机流体、无机及有机添加剂、悬浮固体、以及钻屑的混合物。
土壤被碳氢化合物污染可能是无意导致的，例如溢油或漏油的结果；或者可能是有意导致的，例如在自油井中抽取油的过程中，作为石油勘探业副产品的受污染砂层。在前一种情况中，油工业设备处或其附近的土壤可能会被碳氢化合物污染，该油工业设备例如油井、储油罐、输油管线、装油设备等；管理机构就要求这些地方的拥有者补救这些土壤。已知的补救方法例如将受污染物质转移至经许可的厂区外填地，或者采用物理或化学方法来移除、稳定或破坏该物质，该物理或化学方法是有效的，但在管理监查力度加大的情况下该方法也是昂贵的。
在后一种情况下，在钻井作业中，经由钻柱抽出钻井流体，该钻井流体含有称为“添加剂”的润滑剂和化学试剂，以润滑钻头并当钻屑冲刷到环绕钻管的环面上时有助于移除该钻屑。接着，采用下述方法来从钻屑分离该钻井液。然后，再利用该钻井液，同时聚集钻屑以将其运输至经许可的厂区外填地，以进行进一步的处理。
对受碳氢化合物污染的土壤进行处理的最简单方法是简单地在就地或在经许可的厂区外填地储存这种土壤。但是，出于监管和经济的原因，在许多管辖区域内这种储存方式已经不再可行：环境意识增强并由此加强了监管力度、适合储存的地点极少、日常成本的经济现实、以及责任风险(必须认真维护存储地点以防止污染物泄漏到环境中)共同限制了这种方法的可行性。
另一种对受碳氢化合物污染的土壤进行清洗的方法是利用焚烧来处理这种受污染土壤。作为一种对受碳氢化合物污染的土壤进行处理的方法，尽管这种方法简单、廉价且有效，但其监管成本昂贵且在许多管辖区域内都是不允许的。
还有一种方法是利用水机械地从土壤中来清洗受碳氢化合物污染的土。按照各种不同的清洗方式，可将化学添加剂加入清洗水中。但是，在这种水清洗处理方式及其变形方式中，碳氢化合物污染物及化学添加剂将转移到水中，在再利用该水或将该水返回至地表或地下水之前，必须对该水自身进行处理。
最后，并没有穷举所有现有方法，还可利用热水处理和漂浮来清洗受碳氢化合物污染的土壤。这种方法的限制包括以下一项或多项：高能量消耗、低漂浮反应、弱选择性，或难以处理的泡沫的产生。
因此，需要研究出这样一种除去或改造土壤中碳氢化合物污染物的方法，该方法节省成本、对环境有益、且符合规章。
【发明内容】
因此，本发明的一个目的是提供一种清洗并分离粒状物质中污染物的方法，该方法节省成本、对环境有益、且便于管理。
本发明的再一个目的是提供一种清洗并分离受污染土壤中碳氢化合物污染物的方法，该方法节省成本、对环境有益、且便于管理，该方法将使得这种土壤变得无害。
本发明的再一个目的是提供一种清洗并分离乳浊液组分的方法，该方法节省成本、对环境有益、且便于管理。
本发明的再一个目的是提供一种自流体悬浮液中分离出固体或半固体颗粒的方法，该方法节省成本、对环境有益、且便于管理。
这些及其它目的由这里详细描述的方法来实现。本发明提供了一种自粒状物质中分离出物质的方法，包括步骤：a)形成所述粒状物质与流体的流体混合物；b)向所述流体混合物施加剪切力；c)向所述流体混合物施加振动；以及d)自所述粒状物质中分离出所述物质。依照一个方面，所述物质是碳氢化合物，所述粒状物质是土壤。依照另一个方面，所述流体包括水，以及该方法还包括步骤：使所述流体混合物内的所述土壤和所述碳氢化合物液化，以形成一种含水浆液(slurry)。
依照本发明的另一方面，本发明包括：
a)搅拌该混合物(可以是乳浊液、悬浮液、固体与流体的混合物、
或固体与固体的混合物)、流体、表面活性剂(如果使用)以
及溶解固体(如果使用)，以机械地剪切所述混合物组分，并
促使所述混合物的所述组分脱离或分离；
b)振动所述混合物，以机械地剪切所述混合物组分，并促使所述
混合物的所述组分脱离或分离；
c)单独且按顺序地、或集体地向所述混合物内加入表面活性剂、
溶解固体、气体，或油类中的任一种或全部；
d)与此同时、选择性地、间歇地、连续地或组合地通过继续搅拌、
振动、或者搅拌与振动两者来使所述混合物的所述组分分离并
分层；
e)利用振动，合并所述混合物内的固体。
本发明还提供了一种用于实施该方法的装置，其一方面提供了接收器；将加入所述接收器内的粒状物质施加剪切力的一种装置；将所述接收器施加振动的装置；以及将分离出的所述物质移出所述接收器的装置。施加剪切力的装置是一螺旋运输器和一可逆电动机。施加振动的装置包括与所述接收器连接的一振动器。
【附图说明】
在说明本发明一种优选实施例的附图中：
图1是沿图3中线C-C的本发明装置的端剖视图，其中为便于说明，取下了螺杆传动装置；
图2是本发明装置的侧视图；
图3是沿图1中线D-D的本发明装置的纵向剖视图。
【具体实施方式】
本发明涉及一种采用剪切力和振动的装置及方法，采用剪切力和振动的目的是为了：自粒状物质中分离出牢牢吸附在所述粒状物质上的物质，与此同时或者随后固结(consolidating)所述粒状物质；自悬浮液中分离出固体或半固体颗粒，与此同时或者随后固结所述半固体或固体物质；以及分离乳浊液中的悬浮颗粒和乳浊液组分，与此同时或者随后固结所述悬浮颗粒以及所述乳浊液组分。一种特定的应用涉及对受碳氢化合物污染的土壤进行净化和补救。该方法还用于自沥青砂中分离出沥青。这里使用的术语“土壤”应理解为包括粒状物质例如土壤、砂层或其它需要从污染物质分离的粒状物质。
尽管本发明可按照多种不同的方式进行实施，但附图中表示了本发明的一种特定实施例，同时在这里将详细地描述该特定实施例，应认识到的是，本公开内容应被认为是本发明原理的一种示例，并不意味着将本发明限定为该特定实施例，或者说该特定实施例仅是出于说明目的。在不脱离本发明精神或实质特征的范围内，为了其它目的或用途，也可按照其它特定方式来实施本发明。相应的，本说明书和附图应被视为示意性的，而非限制性的。
总体来说，以下将要详细描述的搅拌与振动的最佳协同作用可以消除吸引力，该吸引力使得碳水化合物吸收或吸附在受碳水化合物污染的土壤颗粒上，从而使碳氢化合物从该受污染土壤颗粒中分离。
图1(其是沿图3中线C-C的本发明剖视图)所示特定实施例包括一槽19形式的接收器(一空心容器，在其内对物质进行处理)，一电动螺旋钻或螺旋运输器13(图3)穿过该槽19，多个振动器7安装在该槽19的下方。细长的支撑架16通常在该槽19的下方延伸，且包括以下：一对横向间隔且纵向延伸的部件30；多个弹簧安装柱18，自该纵向延伸部件30起通常垂直向上突起，以支撑该槽19或操作性地使该槽19与支撑架16连接；多个横向延伸的横梁32；以及多个垂直延伸的支撑件34。多个弹簧5自支撑架16起延伸过弹簧安装柱18，以使该支撑架16与振动器7产生的振动相隔离。
图3表示安装在运输器框架15上的电动螺旋运输器13，该运输器框架15具有一推入端(在图2和3中标识为“A”)、一排出端(在图2和3中标识为“B”)以及一对下垂的支撑件31。可采用现有技术中已知的多种装置中任何一种来转动该螺旋运输器13的中心轴14。在此优选实施例中，利用传动链10来转动该中心轴14，该传动链10自马达9起伸入槽19内且绕过中心轴14。
利用多个与槽19连接的轭状物6将多个振动器7悬挂在该槽19的下方。本发明的整个装置都安装在一滑板17上，该滑板17支承着细长支撑架16和运输器框架15，同时该滑板17包括一对横向间隔且纵向延伸的底座件以及一对横向延伸的横梁。
可采用现有技术已知的各种用于储存、运输以及供给粒状材料的传统系统将受污染的土壤输送给本发明装置。在此优选实施例中，堆状地储存受污染土壤，利用一种前端装载机运输该受污染土壤，并将其送入进料斗8内。接着，利用高架起重机等移动该进料斗8，以沿着槽19的长度分配受污染土壤。
图3表示了槽19是一种细长、狭窄、U形的接收器，利用进料斗8将受污染土壤引入该槽19内，同时经由其排出端(在图2和3中标识为“B”)处的蝶形阀12将经净化土壤移出该槽19。在此优选实施例中，所引入的受污染土壤的体积应使得该受污染土壤填充槽19的整个长度，至至少图1中标识的界限A的水平。
将受污染土壤引入槽19内之前，启动螺旋运输器13，或者一旦将受污染土壤引入槽19内，立即启动螺旋运输器13。与此同时或者紧随其后，利用现有技术中已知的多种装置中任何一种将流体引入槽19内，但在本实施例中，利用对着该槽19推入端(在图2和3中标识为“A”)的流体入口2将流体引入该槽19内。在此优选实施例中，所引入的流体体积应使得混合物填充该槽19的整个长度，至至少到达图1中标识的界限B的水平。通常，流体温度可为室温或室温以下，但优选的，流体温度至少为受污染土壤的温度，更优选的，流体温度至少为摄氏60度。
在此优选实施例中，该流体为淡水，且含有或不含有以下添加剂中的一种或全部：表面活性剂，有助于分离受污染土壤内吸附或携带的碳氢化合物；油类；溶解固体，优选为无机盐例如氯化钠，用以增大流体的密度，从而有助于使碳氢化合物漂浮；或者一种溶解在流体中的气体，用以增强漂浮效果。
作为这里所述方法的一种变型例子，已知某些受污染土壤含有比淡水(或其它引入该槽19内的流体)重的碳氢化合物，这种碳氢化合物可能会与固相的受污染土壤一起沉积。因此，可将一种轻油例如焦化柴油(coker gas oil)加入混合物中，以溶解较重的碳氢化合物并生成比水轻的合成物，从而使它们漂浮，便于对受污染土壤进行彻底脱油。在一种可供选择的变形方式中，可将一种盐例如氯化钠溶解在混合物中，以增大欲分离液相的密度。绝大多数碳氢化合物会浮在正常条件下密度为1.2g/l的盐水溶液的上方。盐水可被再利用以将盐消耗降至最少。
可依据多种因素来改变该流体与受污染土壤的比率，该因素包括但并不限于：碳氢化合物的粘度、受污染土壤的矿物成分、受污染土壤中矿物质的颗粒尺寸、流体温度、环境温度等。因此，混合物中流体与固体的体积百分比可在40∶60至90∶10的范围，更优选在50∶50至70∶30之间，最优选为60∶40。
本发明方法通过混合受污染土壤和流体，在槽19内生成含水混合物。接着，可利用现有技术中已知的多种装置中任何一种，将前面所述添加剂(如果使用)单独且按顺序地、或者集体地加入混合物中。在此优选实施例中，经由添加剂注射管线3将流体添加剂加入槽19内。
在此优选实施例中，利用螺旋运输器13来实现混合，该混合使受污染土壤、流体以及添加剂(如果使用)固结为含水混合物；但是，这种混合也可采用现有技术中已知的其它工艺来实现，包括叶轮、搅拌棒(rakes)、螺旋装置、搅拌器等。该螺旋运输器13自槽19的推入端(在图2和3中标识为“A”)到排出端(在图2和3中标识为“B”)来回输送混合物。在此优选实施例中，利用安装在一台架11上的可逆电动机9实现这种输送，该台架11位于运输器框架的推入端(在图2和3中标识为“A”)处及其附近。该可逆电动机9朝一个方向-顺时针或逆时针-驱动螺旋运输器13一段规定时间，然后再朝相反方向驱动该螺旋运输器13一段规定时间，该规定时间可以等于或不等于初始时间(initial period of time)。该规定时间可在10至300秒的范围内，更优选在100至200秒之间，最优选为150秒。
在该规定时间内，利用悬挂在槽19下方的多个振动器7间歇地振动混合物，且该振动持续预定时间；但是，这种振动也可采用现有技术中已知的其它装置来实现，包括振动棒、声混合器(sonic mixer)、摇动器等。振动器7的数量取决于多种因素，包括但并不限于：受污染土壤的质量、受污染土壤内矿物质的颗粒尺寸、槽19的容积、槽19的长度、每个单独振动器的输出等。因此，该振动器的数量是可以改变的。通常，每四个线性米的槽19，可使用1至6个振动器，更优选2至6个振动器，最好为3个振动器。
启动振动器7之前螺旋运输器13被接合的时间段可在10至60秒的范围内，更优选在20至45秒之间，最好为30秒。该振动器7被接合的时间段可在10至60秒的范围内，更优选在20至45秒之间，最好为30秒。在此优选实施例中，重复该步骤至少三次。
接着，使螺旋运输器13不活动而振动器7仍然保持接合，随后利用现有技术中已知的多种装置中任何一种洗提该经分离且漂浮着的碳氢化合物，由此可连续地或者间歇地分离出该较轻且漂浮着的碳氢化合物。自图3中可见，在此优选实施例中，可经由流体入口2向槽19内加入额外的流体，使该槽19内的液面上升至界限B以上，从而导致该较轻且漂浮着的碳氢化合物溢入位于所述槽19长度方向两侧的任一个或两个排出盘4中。
接着，通过流体出口1移出残留在槽19内的流体；通过接合螺旋运输器13，并将残留在所述槽19内的固体输送至以及输送通过蝶形阀12，来移出残留在所述槽19内的固体，其中，该蝶形阀12位于槽19的排出端(在图2和3中标识为“B”)。
在另一种实施例中，向槽19内加入悬浮液或乳浊液，这样该悬浮液或乳浊液就填充该槽19的整个长度，直至至少到达界限A，然后进行以上所述过程。
尽管已经特别参照将本发明应用于石油勘探以及石油产品制造业对本发明进行了描述，但本发明并不限于这种应用，其可广泛地应用于其它工业，该其它工业涉及分离、合并、或者既分离又合并：吸附在粒状物质上的污染物；悬浮液中的悬浮颗粒；乳浊液(两种不相溶流体的均匀混合物)中的悬浮颗粒和乳浊液组分。例如，这里所述的装置及方法可应用于处理工业废乳浊液以及处理污水。在后一个例子中，可自污水悬浮液中分离出固体或半固体粪便颗粒，然后固结该颗粒以进行进一步的处理。
无论从哪一点来看，所述实施例应理解为示意性的，而非限制性的：应认识到，所采用的技术是为了描述文字特征，而不是限定。在这里所述内容的启示下，可对本发明做出许多改进和改变；因此，本发明范围由所附权利要求书指出，而不是前述说明书。落在该权利要求书涵意和范围内的全部改变都包含在本发明范围内。