介电流体的射频加热装置 技术领域 本发明涉及对介电流体或流体化颗粒或微粒进行加热， 并特别涉及对油水乳状液 或分散体进行加热， 以实现油水分离。
背景技术 在开采原油的过程中， 几乎总会产出油水乳状液， 当采用注水法， 以最大限度提高 油井的原油采收率时， 最可能出现这种情况。
在将原油输送到炼油厂之前， 最好将乳状液的含水量降低到 0.5％以下。 对于优质 原油， 含水量必须更低， 即低于 0.2％。常规做法是， 通过利用沉淀罐， 可能还要采用至少一 种表面活性剂和电沉降器， 使油水乳状液或分散体的各种成分分离开， 但是， 这种工艺很耗 费时间， 也无法实现最高采收率。
因此， 专利 GB 1,155,784 提出了我们所知的可使水珠凝聚的静电沉降法， 其中公 开了采用人工合成热塑性聚合物作为聚结剂， 对原油中悬浮水进行静电沉降的方法， 其中， 液体要流过电压为 1 至 60kV 的电场。
专利 GB 1,247,500 公开了一种对含气油水乳状液进行溶解的处理器， 其中包括， 对向上流动的乳状液进行电处理， 从而实现脱水。 可以采用多个垂直放置的屏蔽电极， 并在 相邻高压电极对之间放置接地电极。
专利 GB 1,327,991 公开了一种采用出口分离区的针对非混相流体的相分离器， 其中包括可产生电场、 进而增强残余水聚结的激励电极。 这些电极由变压器进行供电， 所以 很显然， 施加的是交流电场或脉冲电场。 这些电极彼此间距为 4-10 英寸 (10.2-25.4cm)， 承 受电压为 10kV 至 30kV。
专利 EP 0468954 公开了一种破坏水包油或油包水乳状液的方法， 即， 对乳状液施 加恒压电场， 使乳状液发生极化， 并在该恒压电场上叠加一个交变电场。
专利 US 4,257,895 公开了一种从乳状液中分离油和水的方法， 其中， 乳状液沿垂 直方向流过两块平板电极之间的电场。
专利 US 5,580,464 公开了 ( 例如 ) 一种对油包水乳状液进行分离的方法， 即， 注 入大量电绝缘气体的气泡， 同时利用多个绝缘电极对乳状液施加电场或静电场。可以参阅 以前公开的施加较高电压梯度、 交流电场、 脉冲交流电场、 直流电场和脉冲直流电场等多种 方法。该电场或静电场是采用可产生 10 至 20kV 电压、 1.5 至 50Hz 脉冲频率的一对或多对 电极而施加的。乳状液从电场中流过。采用绝缘电极可施加脉冲直流电场， 采用非绝缘电 极则可施加交流电场。
专利 US 5,865,992 公开了一种油、 水、 气分离器， 其中包括， 让油向下流过一个电 场， 使油中夹带的水滴发生聚结。
专利 US 2001/0017264 公开了一种从分散体中分离某种绝缘液体， 特别是油中分 散的水分的方法， 即， 根据监测的分散体的电导率， 施加电压为 5-30kV、 频率范围为 60Hz 至 1kHz 的脉动电场。可以在变频电场的上游施加电压为 0.5-5kV 的脉冲直流电场， 使水滴带
上电荷， 并在变频电场下游施加一个分离交流电场。
专利 US 2005/0230296 公开了一种油水分离器， 其中包括， 油水乳状液向下流过 一个电场， 使夹带的水滴发生聚结， 进而实现速度更快的重力分离。 向下的流动将聚结水滴 从电场中冲洗出去， 可防止含水量较高时导致电短路。
与含水量相对较高的乳状液相比， 含水量相对较低的乳状液， 如低于 25％， 需要更 长时间才能沉淀下来， 因为， 其中的水珠一般会更小， 而沉淀则是重力与表面张力之间的平 衡， 水珠越小， 其表面张力就越大。
或者， 如果对油水乳状液施加微波， 则水滴通过吸收辐射能而产生的热量就会通 过传导而传递给油， 从而降低油的粘度并有助于分离。
专利 US 4,889,639 公开了一种乳状液微波分离方法， 特别地， 其中采用来自分离 罐的再循环含油水或来自其他分离源的水， 加强油水乳状液的分离效果。其中提供了一种 配备有可供油水乳状液或分散体流过的入口和出口的加热器。 在微波源和波导之间装有微 波循环器， 其中布置了一些磁铁， 它们可将反射的微波能折射入循环器上的水载腔之中。
专利 US 5,914,014 公开了一种可破坏烃水乳状液的微波加热器。烃水乳状液液 流被泵入多模共振重入式微波谐振腔中。具有中央供电微波波导的两个对置乳状液流动 腔， 构成了一个双端谐振腔， 通过多重射频能量反射， 对流过的乳状液进行处理。利用安装 在长方形波导末端的若干倾斜反射板， 射频能量加热器可将能量反射入两个对置射频终端 谐振腔中。进料对抗重力而向上流动， 以防止夹带的固体被带入谐振腔中。两个对置射频 终端谐振腔形成了一个多模共振重入式微波谐振腔， 以吸收微波能。重入式谐振腔尺寸严 格符合针对流过两个对置谐振腔的油水混合物的预定介电性质而确定的微波驻波图。 在发 射器和微波加热器之间放置一个三端口循环器， 它可将任何反射射频能量折向一个水冷等 效负载。专利 US 6,077,400 和 US 6,086,830 公开了有关进料预热、 过滤和温度范围的详 细信息， 有关腔体材料的详细信息， 以及基本相同的装置的设计。
专利 US 6,184,427 提出了对废塑料进行回收再利用的方法， 即， 让废料通过由一 个平行板电容器或一个环形电极结构所产生的电场， 进而利用微波对废料进行处理。 发明内容
根据本发明的第一个方面， 提供了一种使用电磁能加热介电流体的装置， 其中包 括： 用于盛放介电流体的腔体设备 ； 沿腔体设备的一个方向间隔排列的至少三个电极设 备； 以及电连接到用于在相邻电极设备之间施加各自射频电场的电极设备的电导体设备， 以在沿腔体设备的所述方向上建立起至少两个射频电场区域。
实用上， 所述至少三个电极设备被设置为对至少三个电极设备的相邻两个电极设 备之间的介电流体施加每单位体积基本相等的电磁能。
有利地， 相邻两个电极设备的面积和间距， 是根据从二者之间流过的介电流体的 体积和流量而确定的， 以对至少三个电极设备的相邻两个电极设备之间的介电流体施加每 单位体积基本相等的电磁能。
实用上， 所述腔体设备采用基本上圆形横截面。
实用上， 所述至少三个电极设备基本上为平板且基本上相互平行， 或基本上为圆 柱形且基本上同轴。有利地， 该装置被设置为对所述至少三个电极设备的相邻两个电极设备之间施加 基本相等的电磁场。
实用上， 所述相邻两个电极设备具有不同的垂直长度和不同的水平长度， 并具有 基本相等的面积。
实用上， 所述腔体设备为圆柱形。
有利地， 所述介电腔体设备包括在介电流体流过该腔体设备时， 使介电流体受到 辐射的入口设备和出口设备。
实用上， 该装置被设置为使介电流体在至少三个电极设备的相邻两个电极设备之 间、 沿相同方向以基本平行流的方式流过。
实用上， 所述介电腔体设备为一个直立圆柱体。
有利地， 该装置包括用于施加射频能量的射频发生器设备， 设置于所述腔体设备 内。
有利地， 该装置被设置为对油水乳状液或油水分散体进行辐射。
根据本发明的第二个方面， 提供了一种使用电磁能加热介电流体的方法， 包括 ： 将 介电流体盛放于腔体设备中， 其中， 沿腔体设备的一个方向间隔排列有至少三个电极设备 ； 以及在相邻电极设备之间施加各自射频电场， 以在沿腔体设备的所述方向上建立起至少两 个射频电场区域。 实用上， 该方法包括 ： 对至少三个电极设备的相邻两个电极设备之间的介电流体 施加每单位体积基本相等的射频电磁能。
实用上， 所述施加射频电磁能包括 ： 对至少三个电极设备的相邻两个电极设备之 间施加基本相等的射频电场。
实用上， 所述至少三个电极设备具有不同的垂直长度和不同的水平长度， 并具有 基本相等的面积。
有利地， 该方法进一步包括 ： 让介电流体流过所述腔体设备的入口设备和出口设 备， 使介电流体在所述腔体设备中受到辐射。
实用上， 该方法包括 ： 使介电流体在至少三个电极设备的相邻两个电极设备之间、 沿相同方向以基本平行流的方式流过。
有利地， 该方法包括 ： 对油水乳状液或油水分散体进行辐射。
下面结合附图并通过实例对本发明进行描述， 其中 ：
附图说明
图 1 为本发明所述的一种射频加热器的透视示意图 ； 图 2 为图 1 所示的加热器的侧视图 ； 图 3 为图 1 所示的加热器的一种实施例的俯视图， 其中， 各个电容器极板相互并 图 4A 为图 3 所示的加热器的端视图 ； 图 4B 为图 3 所示的加热器的电容器的等效电路图 ； 图 5 为图 1 所示的加热器的一种实施例的俯视图， 其中， 各个电容器极板相互串联；
联；图 5A 为图 5 所示的加热器的端视图 ； 图 5B 为图 5 所示的加热器的电容器的等效电路图 ； 图 6A 为一种加热器的另一种实施例的透视图， 其中， 电极为圆柱形 ； 图 6B 为沿图 6A 中 B-B 线的垂直横截面， 其中， 各个电极相互串联 ； 图 6C 为沿图 6B 中 C-C 线的垂直纵截面 ； 图 7A 为沿图 6A 中 B-B 线的垂直横截面， 其中， 各个电极相互并联 ； 以及 图 7B 为沿图 7A 中 B-B 线的垂直纵截面。 在这些附图中， 相同的附图标记表示相同的部件。具体实施方式
如图 1 所示， 本发明所述的一种射频加热器 10， 包括一个直立圆柱形处理腔 20( 例 如， 可为管道的一部分中 )， 需要处理的乳状液按如图所示沿水平方向流过该处理腔， 或沿 与水平方向成一定角度的倾斜方向或基本垂直的方向流过该处理腔。 该处理腔内部装有多 个基本上从圆柱壁上端延伸至圆柱壁下端的平行的垂直电极板或电容器极板 401-411。因 此， 与进一步远离腔体中心的平板相比， 更靠近腔体中心的平板具有更大的垂直长度。 为了 确保对流经任何两块平板之间的乳状液施加相同的电场， 最好在每对相邻平板之间设置基 本上相等的电容。由于电容与平板面积成正比， 而与平板间距成反比， 因此， 可通过调整平 板面积或间距， 或同时调整平板的面积和间距， 来实现这一相等的电容。在图 1 至图 5 所示 的实施例中， 各板之间距离基本相等， 而由于平板的高度各不相同 ( 只有这样才能装在圆 柱形腔体中 )， 各个平板的长度也设置为不同， 以确保所有平板都具有基本相等的面积。 所以， 按照图 3 和图 5 中不同实施例的平面图所示， 沿着与圆柱形腔体纵轴平行的 方向上， 各个平板的长度是越来越大的， 从中央平板 406、 506 一直延伸至最外侧平板 401、 410、 501、 511。
可以将射频频带范围设置为 30kHz 至 300GHz， 但是对于本发明而言， 优选频带范 围是 1MHz 至 100MHz。低于 1MHz 时， 油水乳状液所需的电压可能会过高。高于 100MHz 时， 杂散电容和电感等所导致的寄生损失可能会过大。
在图 3 和图 4A 所示的第一种实施例中， 各平板相互并联， 如图 4B 中等效电路图所 示。如图 4A 所示， 在第一种实施例中， 交替间隔平板 401、 403、 405、 407 和 409 通过第一电 气弓形总线 41 实现电连接， 而剩余的平板 402、 404、 406、 408 和 410 则通过与第一电气弓形 总线 41 相对的第二电气弓形总线 42 实现电连接。
第一总线 41 还电连接至通过绝缘子 415 而穿过腔体 20 壁的连接器 416。同样， 第 二总线 42 电连接至通过绝缘子 425 而穿过腔体 20 壁的连接器 426。可将一组平板进行接 地， 也可采用差压对交替间隔平板进行供电。 当对一组平板进行接地时， 这些平板可电连接 到腔体的接地壁上， 而不连接到总线上。
应当理解， 端子 416 和 426 之一可以接受对其施加的射频， 而另一个端子则可以接 地。 从实际角度说， 为防止电弧放电， 最好能在被激励平板与相邻腔体壁之间插入一个绝缘 层。这样， 除图 4B 所示的电容之外， 还会产生额外的对地电容。另一种做法是， 通过反相射 频对这两个端子同时进行激励。在这种情况下， 总线 41 和 42 均可通过绝缘材料与腔体分 隔开。
在图 5 和 5A 所示的第二种实施例中， 各平板相互串联， 如图 5B 中等效电路图所 示。如图 5A 所示， 在这第二种实施例中， 中央平板 506 连接至穿过圆柱形腔体 20 壁中的绝 缘子 515 的连接器 516， 末端或最外侧平板 501 和 511 通过接地器 526 进行接地， 而剩余的 居间平板 502-505 和 507-510 则为电浮动 (electrically floating)。 或者， 也可采用差压 对中央平板 506 和末端平板 501 和 511 进行供电。可以看出， 与上述各平板之间并联的第 一种实施例相比， 在各平板之间相互串联的第二种实施例中需要提供更高的电压， 才能保 证在这两种实施例中， 在相邻平板之间产生相同的电场。然而， 在这两种情况下， 施加功率 范围均可为 100W 至 100kW。
根据图 5A， 只对端子 516 施加激励电压， 其他端子则通过绝缘套管 515 而连接到末 端平板 501 和 511。如果端子 516 被激励， 则这些其他端子可以进行接地。或者， 端子 516 可以进行接地， 而其他端子则可以进行反相激励。反相激励可通过具有接地中间抽头的变 压器输出绕组来产生。
虽然图中显示的是长方形平板， 但也可采用符合流体动力学的流线型平板， 从而 最大限度减小流过腔体的流体所承受的减速阻力。 或者， 作为附加做法， 也可在平板表面上 喷涂一层低阻力涂层。 应当理解， 虽然我们将电极 401-409 和 501-511 称为电容器极板， 但是， 也可采用 电极栅， 而非固体平板。
此外， 还应当理解， 虽然电极板最好设置成接近垂直的位置， 以确保在重力作用下 落到腔体底部的水滴不会聚集在平板上， 但是腔体不一定必须是水平的， 腔体纵轴可以与 水平面倾斜， 可以沿垂直方向， 也可以接近垂直。当电极板接近水平方向时， 则最好采用电 极栅， 以确保水不会聚集到平板上， 而是通过电极栅流出去。
也可采用锥形腔体， 而非直立圆柱形腔体。
在应用中， 对端子 416、 426、 516、 526 施加射频电场， 从而在每对相邻平板之间产 生基本相等的射频电场。所谓射频， 指的是范围在 30kHz 至 300GHz 之间的频率。根据图 1、 2、 3 和 5， 让需要分离的乳状液沿箭头线 31、 32 所示方向流过处理腔， 从平行平板 401-409 和 501-511 之间穿过。电场通过差压方式， 对乳状液中的水滴进行加热， 水滴再通过传导对 原油进行加热， 从而降低原油粘度。这可加快乳状液分离速度， 水一般会沉淀到原油下方。 还可让乳状液流过一个分离罐， 从而对乳状液进行进一步分离。
可在腔体和射频发生器之间加装一个匹配电路， 使发生器与负载之间实现匹配， 从而对流体施加最大功率。 可在腔体上游对需要处理的流体的介电常数和其他参数进行监 测， 以确保所施加电场与需要辐射的负载之间的匹配。
如上所述， 本发明实施例中， 在腔体内可以安装两个以上的电容器电极。然而， 应 当理解， 该加热器可采用一个被激励平板进行工作， 而相邻的腔体表面则构成另外两个电 极。
需要通过一定水平的功率， 为介电流体 ( 特别是为油水乳状液 ) 提供能量， 电极板 间距则决定了能施加多少功率。 除最少两块平板之外， 如果安装更多平板， 则可增大施加的 功率， 并可根据需要调整电场分布， 以及控制流体中的功率密度。 因此， 一般情况下， 在腔体 中会安装两个以上的平板。
应当理解， 腔体不一定必须采用圆形横截面， 平板也不一定必须垂直放置。实际
上， 在相邻两块平板之间不一定必须产生相等的射频电场， 因为， 例如， 需要辐射的流体的 流量在腔体附近可能会较低， 与远离腔体的地方相比， 只需强度较低的电场， 就能对每单位 体积介电流体施加相同的能量。 然而， 虽然可以采用各种不同的可能形式的电极， 但如图所 示侧边采用较长平板的形式， 仍然是目前的优选设置。 如果流过腔体的流量是相等的， 则各 个平板的面积最好也要相等。
此外， 电极板不一定必须是平行的平面板。如图 6 和 7 所示， 电极板为同轴空心圆 筒。因此， 中央平板 406 被空心圆筒 606 所取代， 平板 405、 407 被直径渐次增大的空心圆筒 607、 608 所取代， 依此类推。这些同轴圆筒可按照串联电容器结构进行排列， 如图 6B 和 6C 所示 ； 也可按照并联电容器结构进行排列， 如图 7A 和 7B 所示， 即类似于图 4 和 5 的形式。 在并联情况下， 交替间隔圆筒可通过第一有线连接电路 71 进行相连， 散置圆筒则可通过第 二有线连接电路 72 进行相连。在串联情况下， 只对中央圆筒 606 进行激励。与图 4 和 5 的 实施例一样， 空心圆筒电极也可采用反相激励或差压激励等各种形式。
应当理解， 如果需要同心电极板具有相等的面积， 以确保在电极板之间施加相等 的电场， 则电极板的轴向长度可以从最内侧圆筒电极板到最外侧圆筒电极板渐次减小。或 者， 作为附加做法， 可通过使各电极板的径向间距逐次减小的方式， 同时考虑到不同圆筒电 极板之间需要辐射的流体的不同体积， 以及流体的可能不同的流量， 在电极板之间施加相 等的能量。
电极板可以喷涂一层绝缘涂层， 以防止电极板之间聚集水分时可能产生的电弧放 电。
可以使用两个以上并联的处理腔， 这样， 就能将一个处理腔停产进行维护， 而不会 中断通过其他处理腔的流动。通过检测处理腔的阻抗变化， 可以及时发现电极板上的任何 结垢现象。
虽然根据上述介绍， 该装置可以提高油水乳状液的沉淀速度， 但应当理解， 该装置 也可用于对任何流动性介电材料进行加热。
可以看出， 流过腔体的乳状液的压力， 也许远远高于大气压力， 例如， 油井引出管 6 道中压力一般可达 6x10 帕 (60 巴 (bar))。
如上所述， 本发明的基础在于， 通过电介质加热实现乳状液的分离。 乳状液其实就 是在两个电容器电极之间的一种有损耗介质， 介质损耗主要在水中发生， 在原油中损耗很 小。由于微小的水珠受到电介质加热， 包裹每个水珠的原油也被加热， 因此， 包裹原油的粘 度就会下降， 从而使微小水珠能以更快速度沉淀出来。