混合声学离心油水分离的制作方法

混合声学离心油水分离
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2020年7月17日提交的美国临时专利申请号为63/053,442的“hybrid acoustic,centripetal oil/water separation”的权益，该专利申请所教导和公开的全部内容在此具体通过引用并入本文。


背景技术：

3.尽管世界上几乎每个地方都生产石油和天然气，从每天100桶的私人油井到每天4000桶的大口径油井，从20米深的储层到3000米深的油井，以及在2000米以上水深的油井，但生产过程中的许多部分原理上是相似的。在石油储层中发现的天然碳氢化合物是在广泛的压力和温度范围内表现出多相行为的有机化合物的混合物，从各种井口生产的石油、天然气和水的混合物在分离设施中被分离成单独的组分。在分离油和水之前，气体可以在储存容器内减压从混合物中分离，而油和水的分离需要在不同压力和温度下的压力容器中进行多级热力学分离过程，然后将油和水重力分离成分离的油和水流。为了分离水和油，特别是在油包含重油的情况下，加热原始流体以改变油和水的密度，使得这些流体可以分离。
4.一种具有经济吸引力的气液分离替选方案是气液圆柱形旋流器(glcc)，它是一种简单、紧凑、低成本的分离器，具有竖直管段，向下倾斜的切向入口大致位于中间。glcc中的分离是通过离心和重力效应实现的。关于液-液旋流分离的许多研究都集中在锥形液体水力旋流器(llhc)上。


技术实现要素：

5.根据本发明的目的，如本文所体现和广泛描述的，用于在油滴和水的混合物中分离油滴和水的方法的一个实施方式包括：使所述混合物流过具有第一出口孔的第一段管；在所述第一段管内产生第一声驻波，所述第一声驻波有效地产生具有第一压力波节的声辐射力，使得所述油滴在所述第一压力波节处浓缩并聚结，并且其中，所述声驻波具有第一频率；使通过所述第一出口孔的具有浓缩并聚结的油滴的混合物流过具有第二出口孔的第二段管，所述第二段管形成为具有曲率半径和轴线的平面构造，使得聚结的油滴由于离心力而移动到距所述轴线更大的距离；以及使通过所述第二出口孔的聚结的油滴和水分离。
6.在本发明的另一方面，根据其目的，用于在油滴和水的混合物中分离油滴和水的方法的一个实施方式包括：使所述混合物流过具有第一出口孔的第一段管；在所述第一段管内产生第一声驻波，所述第一声驻波有效地产生具有第一压力波节的声辐射力，使得所述油滴在第一压力波节处浓缩并聚结，并且其中，所述声驻波具有第一频率；使具有浓缩并聚结的油滴的混合物流过具有第二出口孔的第二段管，所述第二段管形成为具有曲率半径和轴线的平面构造，使得聚结的油滴由于离心力而移动到距所述轴线更大的距离；以及使通过所述第二出口孔的具有浓缩并聚结的油滴的混合物流过第三段管，所述第三段管竖直设置且具有上出口孔和下出口孔，由此聚结的油滴由于所述聚结的油滴的浮力而与水分离并通过所述第三段管的上出口孔，而水通过所述第三段管的下出口孔。
7.在本发明的另一个方面，根据其目的，用于在油滴和水的混合物中分离油滴和水的装置的一个实施方式包括：使所述混合物流过的第一段管，所述第一段管具有外表面、内部体积和第一出口孔；至少一个第一声换能器，所述至少一个第一声换能器与所述第一段管的外表面声接触，用于在所述第一段管的内部体积中产生第一声驻波，所述第一声驻波有效地产生具有第一压力波节的声辐射力，使得所述油滴在所述第一压力波节处浓缩并聚结，并且其中，所述声驻波具有第一频率；第一波形发生器，所述第一波形发生器用于为所述至少一个第一声换能器供电；以及第二段管，所述第二段管用于接收流过所述第一段管的第一出口孔的浓缩并聚结的油滴并且具有第二出口孔，所述第二段管形成为具有曲率半径和轴线的平面构造，使得聚结的油滴由于离心力而移动到距所述轴线更大的距离。
8.在本发明的另一个方面，根据其目的，用于在油滴和水的混合物中分离油滴和水的装置的一个实施方式包括：使所述混合物流过的第一段管，所述第一段管具有外表面、内部体积和第一出口孔；至少一个第一声换能器，所述至少一个第一声换能器与所述第一段管的外表面声接触，用于在所述第一段管的内部体积中产生第一声驻波，所述第一声驻波有效地产生具有第一压力波节的声辐射力，使得所述油滴在所述第一压力波节处浓缩并聚结，并且其中，所述声驻波具有第一频率；第一波形发生器，所述第一波形发生器用于为所述至少一个第一声换能器供电；第二段管，所述第二段管用于接收流过所述第一段管的第一出口孔的浓缩并聚结的油滴并且具有第二出口孔，所述第二段管形成为具有曲率半径和轴线的平面构造，使得聚结的油滴由于离心力而移动到距所述轴线更大的距离；以及第三段管，所述第三段管用于接收流过所述第二出口孔的浓缩并聚结的油滴，并且所述第三段管竖直设置且具有上出口孔和下出口孔，由此浓缩并聚结的油滴由于所述聚结的油滴的浮力而与水分离并通过所述第三段管的上出口孔，而水通过所述第三段管的下出口孔。
9.本发明的益处和优点包括但不限于：提供用于在油和水的乳浊液中分离油和水的装置和方法，而不需要当前使用的大型加热分离罐，从而减少维护并提高能源效率。
附图说明
10.并入说明书并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施方式，并与描述一起用于解释本发明的原理。在附图中：
11.图1a是用于油与水的批量分离的装置的一个实施方式的侧面透视图的示意图，其示出了通过设置在竖直圆柱体底部的声换能器在该竖直圆柱体中产生的水平驻波波节面，使得油/水乳浊液中的油滴在这些平面上浓缩并聚结，而图1b示出了由于聚结的油滴的浮力增加而在水面上最终形成的油层。
12.图2a-图2c示出了图1a和图1b的装置中的油滴上的力的方向，图2a示出了水平取向的平行圆形表面的驻波波节面，且声辐射力(arf)从两侧指向这些波节面，所示的与重力有关的浮力仅在竖直向上方向上工作，而图2b和图2c示出了随着油滴由于团聚而尺寸增大，在后期浮力增大的分离过程的进展。
13.图3是连续流分离系统的侧视图的示意图，该系统的操作方式与图1a和图1b中的批量分离系统相似，但可以很容易地扩展到大尺寸。
14.图4是分离室的横截面的示意图，该分离室具有用作共振腔的圆形横截面，其中，油滴汇集在同心圆平面上，图4b是共振腔的横截面的示意图，其中通过使管几何形状略为
椭圆形而使得波节面塌陷成平行于共振腔表面的线来破坏共振腔的对称性，图4c是图4b中所示的椭圆形管的侧透视图的示意图。
15.图5是本发明混合声学/离心分离系统实施方式的俯视透视图的示意图。
16.图6是图5所示的管的横截面的示意图，示出了作用在圆形管区段内的水中的油滴上的主要力，以及由此产生的一般油汇集区域，而图6b示出了油和水的完全分离。
17.图7是作为形成螺旋形或螺旋状构造的连续管工作的多个堆叠的分离单元的侧透视图的示意图，其以紧凑的构造提供额外的油和水的分离。
具体实施方式
18.油井中发现的水很常见，给操作者带来负担。目前的水/油分离过程缓慢，不环保，并且消耗大量的能量用于加热。在海上和浮式钻井平台上，空间有限，分离设备尺寸和重量小，能耗低是期望的。加热压力容器中的油和水混合物，并利用重力分离组分，以及需要连续的分离系统(压力容器和分离罐)以实现所需的分离质量，这需要很大的空间。对于海上平台，重量也是一个重要问题。
19.一种简单、廉价的、占地面积小、能够进行海底和海上浮式平台操作、并且能够在不使用大型沉淀罐的情况下实时分离油和水的装置，除了节省空间和消除许多环境问题外，还可以为行业节省大量的运营和维护成本。
20.简言之，本发明的实施方式包括一种用于在产生的油/水混合物中分离油和水的装置和方法，而不需要在其中加热流体的大型储罐，也不需要依靠重力来分离组分。而是，本发明的实施方式使用简单的能量有效的分离过程，该分离过程使用表现为声引力的声辐射力，但该声辐射力与声引力具有若干差异。使混合物流过一段管，在该管中产生用于有效地产生声辐射力的声驻波，该声辐射力具有油滴浓缩并聚结的压力波节，之后，使混合物流过具有轴线的平面圆形构造的一段管，使得聚结的油滴由于离心力而移动到距管轴线更大的距离，其中聚结的油滴可以更容易地与水分离。
21.声辐射力是作用在声场中的物体上的时间平均力，其中波路径中的物体吸收或反射声能。尽管固体(颗粒)与流体的声学分离和液-液分离是众所周知的，并用于小规模分离过程，微流体是一个重要的应用领域，但该技术尚未用于大规模分离，例如在能源工业中。这是因为单独的声学力不能很容易地扩展到更大的尺寸，以使用低能耗快速分离流体混合物。由于激励大型超声换能器所需的功率，声学分离过程在大尺寸时变得低效。此外，在高声功率下，声流成为主导，这减少了分离。
22.此外，离心力、科里奥利力和重力/浮力本身对完全分离双组分流体并不有效，尤其是当流体密度相似时，如重油和水。然而，通过组合初级和次级声学力，并利用流体流动，产生了协同效应，其中分离的大部分能量来自流动流体本身的动能，而流体的流体动力学、成核和介质非线性相结合，显著提高了分离过程的能量效率。因此，可以使用管的区段代替大型分离容器来执行分离过程。声辐射力启动混合物分离过程，并有助于油滴聚结，从而进一步增强分离启动。于是，来自具有弯曲几何形状的管中的流动液体的离心力完成了流体混合物(流体乳浊液(油-水-气)和悬浮液(颗粒流体))的分离过程，而不需要大的声能输入。预期本发明的实施方式对于海底作业将是有效的，海底作业中期望在将油从海底泵送到海面之前将水与油分离。另一个重要的使用领域是浮式石油平台。
23.a.声辐射力：
24.所有形式的波运动，包括电磁波、弹性弦上的横波、液体上的表面波和纵向声波，都会对其路径中的吸收和反射障碍物施加单向辐射力。类似地，声辐射力是声波与设置在其路径中的障碍物相互作用产生的物理现象，可以解释为作用在声场中的物体上的时间平均力。力的大小取决于物体的尺寸、密度和压缩性，以及宿主介质的性质，如压缩性、密度和声速。宿主介质粘度的影响通常很小。以下等式示出了力对各种参数的依赖性。
[0025][0026][0027]
其中，vo＝油滴(颗粒)的体积，β＝压缩性，ρ＝密度，λ＝声音的波长，
[0028]
p0＝峰值声压，z＝距压力波节的距离，m＝主体(下标)，p＝油滴(下标)。
[0029]
等式2定义了声学对比度因子。这个因子的符号决定了如果物体被放置在空腔内的共振声场中，则物体将被推向哪个方向。这意味着，如果调整声波的频率，使得由于来自声源对侧的反射而在空腔中建立驻波，则小物体将在压力波节处快速汇集。汇集时间取决于停留时间、声学频率和功率。此外，当流体油滴或颗粒彼此靠近时，bjerknes吸引力变强，这导致图案变得更紧凑，且油滴聚结。
[0030]
现在将详细参考其示例在附图中示出的本发明的当前实施方式。在附图中，相似结构将使用相同的附图标记进行标识。可以理解，这些附图是为了描述本发明的特定实施方式而呈现的，并不意图限制本发明。现在转到图1a和图1b，示出了用于批量分离油和水的装置10的实施方式的侧透视图的示意图。由波形发生器14通过功率放大器15激励的换能器12设置在竖直圆柱体16的底部，该圆柱体16含有水中油的乳浊液18。激励频率的范围可以从大约200khz到大约3mhz。功率水平取决于流体的深度和几何形状，但对于实验室应用，通常在5w和100w之间。圆柱体16可以具有底表面20，换能器12声学联接到该底表面，或者圆柱体16具有由换能器12形成的底表面。圆柱体可以在顶端22处打开，或者具有未示出的顶表面。当换能器12以选定的频率激活时，由于来自换能器12的声波从乳浊液18的顶表面24反射，由于乳浊液与液体上方的材料(例如空气)或固体之间的大的声阻抗失配，产生竖直声场。乳浊液18中的小油滴在水平驻波波节面26处浓缩并聚结，尺寸增大，并上升到下一个上波节，这一过程变成雪崩，因为较大的油滴表现出较大的浮力，这增强了它们的重力分离。作用在油滴上的力的方向在图2a-图2c中示出，其中图2a示出了驻波波节面26，驻波波节面26是平行的圆形表面并且在取向上是水平的。声辐射力(arf)32a、32b从两侧(示出为顶部和底部)指向这些波节面，并将油滴34推到波节平面。相反，重力浮力36仅在竖直向上方向上起作用。图2b和图2c示出了随着油滴34由于聚结而尺寸增大，在后期浮力增大的分离过程的进展。
[0031]
除了这些力之外，也可能存在声流，其中，在液体中来自激励源的声波将悬浮液引导到流中，这通常在声音的强度超过取决于流体性质的特定阈值时发生。arf、重力和声流
力以协同方式组合，导致油的快速分离，结果油滴汇集在水30表面上的油层28中，如图1b所示。油分离过程可在约1秒内进行，通过改变施加到设置在底部的换能器的频率，该频率从较高频率(》1mhz)开始，并随着油滴的形成和由于聚结导致的尺寸增大，将其降低至几百khz，可缩短该时间。这种高度动态的过程需要调整变化的频率以适应过程动态(例如，时间尺度)和施加的频率。只要声换能器是电驱动的，驻波和波节面就作为一个不可见的支架留在流体中。
[0032]
图1a和图1b中所示的装置也可适用于大型分离罐，其中可在罐的底侧附近附接多个声换能器，其数量取决于罐的尺寸。换能器不需要设置在底部，但可以设置成在典型的圆形水平分离罐的外表面上覆盖大角度。也就是说，换能器可以放置在从液体高度的一半到罐底部的任何地方，这样做的目的是与简单的重力分离相比显著加快分离过程。因此，分离罐的尺寸可以减小——这是具有有限可用空间的石油平台的主要目标。总之，这种方法使用声学在油水混合物中产生油滴，帮助它们聚结，之后重力和声流力可以完成油与水的最终分离。
[0033]
尽管图1a和图1b示出了静态装置，但可以设计具有流动乳浊液的装置，其中油水混合物从靠近装置底部的一侧进入，分离的油和水流从靠近顶部的一侧离开装置。这种装置对于油滴、气泡和固体颗粒来说是类似的。
[0034]
图3是连续流动分离系统50的侧视图的示意图，该系统50以与图1a和图1b的批量分离系统类似的方式工作，但可以容易地扩展到大尺寸。分离室52具有由波形发生器62驱动的第一声压电换能器60和由波形发生器66驱动的第二声压电换能器64，通过泵送系统58使原油-水混合物54从源56流过分离室52，该第一声压电换能器60和第二声压电换能器64与分离室52的外表面声接触。两个波形发生器都可以产生任何标准波形(正弦、方形、三角形、脉冲、线性调频脉冲或通过任何期望的等式产生的任意形状，例如正弦调制高斯波)。反射器68设置在分离室52的与第一压电换能器60和第二压电换能器64相对的一侧。如果分离室52包括金属，则不需要反射器68，因为壁69将是有效的反射器。
[0035]
第一换能器60的激励频率范围在约500khz至约3mhz之间，其对油水混合物执行所谓的预处理步骤，其中非常小的油滴(》10μm)由于arf而从混合物分离，并开始聚结而形成更大的油滴。第二换能器64以较低的频率工作，通常以第一换能器频率除以整数的频率工作。然后，两个换能器都可以在流体混合物中产生驻波，从而分离不同尺寸的油滴。也就是说，随着油滴的尺寸变大，较低的频率更有效地继续聚结过程，并且随着重力变得主导，油滴变得更有浮力。这两个传感器示出为彼此相邻，但它们可以在不影响分离过程的情况下彼此稍微横向移位。对于大型储罐，施加到换能器的声功率在大约50w和大约500w之间的范围内，但是可以使用液体冷却换能器来扩展到更高的输出功率。也就是说，也可以向分离容器施加更高的功率，但可能需要换能器具有有效的散热能力和液体冷却，以防止换能器晶体过热。如果需要简化设计，换能器64的频率也可以在大约500hz和大约10khz之间的频率范围内进行幅度和频率调制，该频率范围取决于分离室的尺寸和形状，如图所示，分离室可以是圆形而不是矩形。
[0036]
因此，由换能器60和反射器68产生声驻波70，油滴可以在声驻波70中浓缩。波形发生器66调制换能器64，使得浓缩在驻波70的波节和波腹中的油滴进一步团聚72，形成更大的油滴73，从而增加其浮力，使得富油馏分74在流动系统中与富水馏分76分离，然后可将其
收集在单独的容器中。
[0037]
b.油浓度线：
[0038]
图4a是分离室80的横截面示意图，分离室80具有圆形横截面(例如，管区段)，用作共振腔，且由换能器82驱动，换能器82与分离室80的外表面84声接触且由波形发生器86激励，以用于分离和浓缩汇集在同心圆形平面88中的油滴。换能器82可以是声压电换能器，并且在一些情况下可以使用放大器来增加波形发生器86的输出。图4b是共振腔80的横截面的示意图，其中，通过使管几何形状略为椭圆形，打破了腔的对称性。当由波形发生器86供电时，由换能器82产生的曾经的圆形波节面88(图4a)塌陷成平行于共振室的表面84的线90。图4c是图4b所示椭圆形管的侧透视图的示意图。
[0039]
如图4a-图4c所示，除了通过附接到管80的外表面84的外部声换能器(例如，压电换能器)82激励外，还有多种激励管的方式。例如kaduchak等人在美国专利no.8783109中以“ultrasonic analyte concentration and application in flow cytometry”介绍了线驱动的管的概念，其中一块与毛细管外表面线接触的矩形压电晶体可以以如下方式激励管，即颗粒可以浓缩在毛细管的轴线上，颗粒悬浮液通过毛细管的该轴线流动。尽管本发明的发明人已经发现，这对于直径小于几毫米的毛细管很有效，但是对于直径》2cm的管，也可以通过将弯曲的压电换能器附接在管的外表面上来激发用于产生多个同心环所需的高频振动模式。毛细管激励被设计为在管的偶极振动模式下工作，对于大直径管(例如，6英寸)，该模式将在可听范围内。因此，管应以高于可听范围的频率驱动，本发明的发明人发现这是可以做到的。根据浓缩所需的声场强度，可以使用对管外表面的部分覆盖到整个表面覆盖。由于弯曲换能器(即使是使用具有弯曲前部的平面换能器的弯曲换能器)更昂贵，因此优选使用能够容易地附接到表面的多个长(约为管外径的0.2倍至约1倍)的压电材料片，每个换能器具有小的弯曲部分。由于并非所有频率都能产生驻波，汇集线90的数量取决于所施加的声音频率，因为声音的波长必须与谐振器宽度的尺寸(在管的情况下，为管直径)匹配。
[0040]
对于圆形几何体，所示的环结构从数学贝塞尔函数得到。对于椭圆形构造，频率不会发生明显变化。例如，参见sinha等人的标题为“cylindrical acoustic levitator/concentrator having non-circular cross-section”的美国专利no.6644118。产生的驻波取决于管的机械结构和材料的弹性性质。所涉及的频率范围为几十khz，并且管本身振动并沿其长度产生驻波。在先前的构造中，声驻波限于换能器的尺寸以及换能器与反射器之间的流体区域。在较低频率下，结构振动消除了这种限制；也就是说，作为波节面的同心圆柱体可以在大长度的管上建立。例如，本发明的发明人已经发现，如果在任意位置激励管，其效应持续到几乎是管直径的20倍的长度，这使得它成为在整个长管中分离油和水的有效方式，因为如果沿着管表面周期性地设置换能器，则不必激励整个管。在使用椭圆形管不可行的情况下，圆形横截面的管将有效，尽管长度稍长。如上所述，发现在给定位置由管表面上的换能器(图4a-图4c)进行的外部激励对于产生延伸超过20个管直径的浓度效应是有效的。例如，参见gregory kaduchak等人的标题为“ultrasonic analyte concentration and application in flow cytometry”的美国专利no.7340957。因此，只需要少量的压电源，并且管不必在其整个长度上被驱动。其他细节可参见shulim kogan、gregory kaduchak和dipen n.sinha的“acoustic concentration of particles in piezoelectric tubes:theoretical modeling of cavity shape and symmetry breaking”，j.acous.soc.am.，
116(41)，1967-1974(2004)；以及美国专利no.6644118：gregory kaduchak和dipen n.sinha的“cylindrical acoustic levitator/concentrator having non-circular cross-section”。
[0041]
c.离心力混合系统：
[0042]
离心分离器可有效地从乳浊液中去除直径大于100μm的油滴，并且通常用作在初次分离后将残留在水中的少量油提取到最低水平的最后一步，以便可以将水合法排放到海洋中。在离心或旋风分离器中，当油滴进入圆柱形分离器时，离心力作用在油滴上，其力是重力的几倍。在离心分离器中分离不混溶液体，例如油和水，可以以类似于分离固体和液体的方式实现；然而，这更加困难。不同液体的密度差异通常较小，剪切作用的存在会导致分散相油滴的破裂，而不是聚结。
[0043]
当生产石油时，也会产生水、沙子、钻井液和钻屑，这是石油生产的无意副产品，称为生产废物。产生的水是这些废物中最重要的，因为它是大量产生的。例如，在一个储层的生命周期内，平均每桶石油产生四桶水。产生的水还含有可能危害环境的物质；因此，即使分离出的产生的水可用于注水，但将这些水带到海面后排放到海洋中要受到更严格的监管。
[0044]
由于各种原因，在将水和石油送至海面之前，需要通过将水和石油分离来进行海底分离。海上石油平台也存在类似的情况。例如，将油水混合物带到海面，然后将油与水分离是有成本的，因为在去除污染物之后需要处理水。因此，由于其经济和环境优势，海底分离器构成了任何海底安装的重要部件。目前，海底和海上平台作业的重力或离心分离通常需要使用抑制乳浊液形成的反乳化剂进行化学处理，以防止起泡，这使油水分离变得更加困难。为了降低成本并使分离过程更有效，重要的是找到在不采用这种化学处理的情况下分离油和水的方法。
[0045]
旋风分离器依靠单一机制，即取决于密度差、油滴体积和速度的离心力。对于许多类型的石油(如重油)，石油和水之间的密度差很小。因此，除非油滴体积足够大并且速度高，否则分离力不高。相比之下，arf取决于密度差、压缩性差、油滴体积和声学频率，因此，即使密度差很小且油滴尺寸很小，也有足够的力将油与水分离。因此，arf可以有效地作为一种播种过程，在该过程中，油最初在微观层面上与水分离，并开始聚结，从而形成较大的油滴，其中离心力可以成为主要的分离机制。这种混合分离系统可以比单独的离心分离系统更紧凑且更有效。
[0046]
转到图5，示出了本发明的混合声学/离心分离系统100的实施方式的俯视透视图的示意图。一段中空管102形成为圆形形状104，沿水平方向设置，并具有换能器106，换能器106以选定的规则间隔附接到中空管102表面108。可以是声压电换能器的换能器106使用波形发生器110通过放大器112被激励，换能器106被示出为间隔开并附接到弯曲管102的内表面，但也可以设置在外侧。油水混合物或乳浊液54使用泵114流过管道102，并通过出口116流出，出口116通过水平入口120与竖直管118流体连通。在一些海底应用中，泵114将是不必要的，因为油/水混合物将处于相当大的压力下。管118具有选定长度(未按比例示出)，在其相对端具有上富油流体出口122和下富水出口124。选定长度将取决于管102的直径，出口122和124的位置不需要靠近分离器。声学力和离心力将油微滴从混合流体中分离，并且竖直级118物理上优先地将分离的流体引导到两个分离的出口中；由于油的密度小于水，因此
分离出的油流到上部出口位置。例如，一旦分离，油流和水流可被引导至油的储罐和水的水处理单元。如上所述，使用波形发生器128通过放大器130激励的高频换能器126在油水乳浊液54进入管102时对其进行预处理，从而形成与流动方向平行的空间隔离的波节，如图3所示。离心力然后在与流动正交的方向上移动团聚的油滴，以实现分离过程。
[0047]
尽管预期管102的圆形横截面将有效地分离油和水，但为了最大效率，管102的横截面需要为扁圆形(例如，椭圆形)。如图4b和图4c所示，换能器82可以设置成与椭圆形管的外表面84声接触，并且根据需要沿着管间隔开。椭圆形的长轴应大致垂直于图5所示的圆形环的半径。为了进一步说明这种几何结构，如果在极端情况下，扁平管形成为环形，则其宽度垂直于径向平面。在这个方向上弯曲成稍微椭圆形的管更容易。图7中所示的螺旋线的几何结构的微小变化不存在重要的变化。通常，不需要高度椭圆形的管。例如，椭圆形的短轴与长轴之比可以在约0.8至约0.99之间的范围内，并且颗粒(油滴)的局部浓缩仍然存在。例如，参见上述美国专利no.6644118的图9a。应当指出，尽管该“118”专利讨论了用于流动流体的椭圆形压电圆柱体，但本发明的发明人已经发现，具有与椭圆形管的外表面声接触的换能器的椭圆形管将产生相同的声学力图案。还应指出，管102不必在其曲率上完全是圆形的，而是简单地弯曲以产生所需的离心力。
[0048]
图6a和图6b是管102的横截面的示意图，示出了作用在圆形管区段内的水中的油滴上的主要力。作用的力包括：(1)离心力132，其取决于密度差、油滴体积和流速；(2)重力134，其取决于密度差；以及(3)声学力。声学力促使小油滴汇聚在一起并聚结。粘性阻力阻碍油滴的任何运动，但在图6a中未示出，因为主要力在后期占主导。重力134产生浮力，当油滴136聚结并且尺寸增大时，浮力变得突出。离心力的大小取决于油滴尺寸以及流体流速和管道曲率。如图6a和图6b所示，这些力作用以使油138沿着管的所选长度移动到管的一侧。图6a中示出了一般的油汇集区域138，而图6b示出了油140和水142的完全分离。在实践中，不需要完全分离两相(油和水)，通常，大的水滴和油滴被推到一侧。该分离足以在竖直分离器级118中最终分离油和水，这允许分离器更紧凑。
[0049]
在较高温度下，密度差变大，因此油滴上的力增加。此外，较高的温度产生较低的粘度，这有助于分离的油滴移动到管的一侧。
[0050]
图7是图5所示的多个堆叠的分离单元102的侧透视图的示意图，其作为连续管144工作并形成具有增加的长度的螺旋形或螺旋状构造。该构造以紧凑的构造提供了油与水的额外分离。显然，可以设想其他构造。
[0051]
直径为do、密度为ρo的单个油滴在曲率半径为r的管中的水宿主介质中切向移动，将经历离心力fc：
[0052][0053]
涡流、成核中心和小气泡的存在进一步增强了分离。在海底作业中，压力可能很高，因此，油水混合物呈具有非常小的油滴尺寸的乳浊液形式。声学分离和油滴聚结以产生更大的油滴，这显著有助于离心分离，因为较大的油滴经历更强的分离力，如从等式(3)中可以看到的。
[0054]
从等式(2)和(3)中可以观察到声学分离优于离心分离的优点。如果油和水的密度
相同，则仍有强大的力作用在油滴上，因为压缩率通常非常不同。除了油滴尺寸和其他因素外，声学力还取决于密度和压缩性两者，而对于离心力，如果油和水的密度相同，离心力就会消失，尽管会有一些二阶效应起作用。因此，从声学上开始分离过程，从而形成更大的油滴，然后是离心力，这比仅使用离心力(如在水力旋流器中)更有意义。
[0055]
上述对本发明的描述是为了说明和描述的目的而提出的，并不意图详尽无遗，也不意图将本发明限制在所公开的精确形式，显然，根据上述教导，可以有许多修改和变化。选择和描述这些实施方式是为了最好地解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够在各种实施方式中最佳地利用本发明，并进行适合预期特定用途的各种修改。本发明的范围由所附权利要求限定。