使用定向溶劑的水提取的制作方法
【專利摘要】純化的水可以經(jīng)由一種連續(xù)或半連續(xù)工藝通過將一種包括水的液體組合物(例如海水或采出壓裂水)與一種定向溶劑混合以使水從該液體組合物選擇性地溶解到該定向溶劑中來獲得。將該液體組合物的濃縮的剩余物(例如鹽水)去除，并且使該水從該定向溶劑析出并且以純化的形式去除。該溶劑接著在該方法以一種連續(xù)或半連續(xù)操作形式重復(fù)時被再使用。
【專利說明】使用定向溶劑的水提取
[0001]背景
[0002]在本世紀，淡水短缺預(yù)計會超過能源短缺而成為人類的一個全球關(guān)注的問題，而這兩個挑戰(zhàn)被不可避免地聯(lián)系在一起。淡水是人類和其他生物體最根本的需求之一。每個人每天需要消耗最低約兩升水，除此之外在農(nóng)業(yè)以及工業(yè)過程中有更大的淡水需求。同時，運輸?shù)蚪?jīng)由脫鹽生產(chǎn)淡水的技術(shù)傾向于高度地要求日益稀缺的廉價的能量供應(yīng)源。
[0003]供水不足造成的危害是極其緊迫的。淡水短缺可能導(dǎo)致饑荒、疾病、死亡、強制的大規(guī)模遷移、跨區(qū)域沖突/戰(zhàn)爭(從達爾富爾到美國西南部)、以及生態(tài)系統(tǒng)的崩潰。盡管有對淡水需求的緊急程度和短缺的深遠影響，淡水供應(yīng)仍受到格外限制。地球上97.5%的水是咸水，并且剩余部分中約70%以冰形式封鎖(主要在冰蓋和冰川中)，使得地球上所有的水中只剩下0.75%呈可供使用的淡水形式。
[0004]此外，那0.75%的可供使用的淡水并非均勻分布的。例如，人口眾多的國家，如印度和中國，有很多受稀少供應(yīng)源影響的地區(qū)。再進一步，淡水供應(yīng)往往季節(jié)性地不一致。水典型地局限于區(qū)域性流域，較重，并且它的運輸是昂貴且能量密集的。
[0005]同時，對淡水的需求在全球范圍內(nèi)逐漸緊張。水庫干涸；蓄水層下降；河流干涸；并且冰川和冰蓋回縮。不斷增長的人口使需求增加，正如在農(nóng)業(yè)中的轉(zhuǎn)變和增長的工業(yè)化所造成的。氣候變化在許多地區(qū)構(gòu)成甚至更大的威脅。因此，面臨水短缺的人數(shù)越來越多。
[0006]從海水(或鹽度更小的半咸水)中生產(chǎn)淡水典型地需要大量的能量，尤其是偏遠地區(qū)。反滲透(RO)是目前領(lǐng)先的脫鹽技術(shù)。在大型RO工廠中，與理論最小值約lkWh/m3相t匕，在30%回收率下所要求的能量/體積可以低到4kWh/m3，不過規(guī)模更小的RO系統(tǒng)(例如，船載的)效率較低。另一種受歡迎的方法是多級閃蒸(MSF)蒸餾，也是一種能源和資本密集的工藝。
[0007]勝于提取純水，電化學(xué)方法，如電滲析(ED)和電容式脫鹽(CD)，提取了剛剛足夠的鹽來獲得飲用水(〈10mM)。目前大規(guī)模的電化學(xué)脫鹽系統(tǒng)在將海水脫鹽方面比RO廠的效率更低(例如，7kWh/m3是ED中的現(xiàn)有技術(shù)水平)，但對于半咸水來說變得更有效(例如，⑶可以達到0.6kffh/m3)?？傮w而言，現(xiàn)有的從水中除鹽的技術(shù)，其中一些已經(jīng)存在了幾個世紀，傾向于是昂貴的或復(fù)雜的或兩者兼有。
[0008] 能源和水的交纏變得越來越多，尤其在油和氣采出的情形下。典型地需要大量水來提取油和氣，并且采出了數(shù)百萬加侖的高鹽度[即高總?cè)芙夤腆w(TDS)含量]水。這種采出水不適于工業(yè)或家庭使用并且排放到河流、土地或任何下水地點中是不安全的，它可能借此與公用供水混合。此外，大部分這種水也不適于在油和氣提取中再循環(huán)。經(jīng)常，提取地點遠離淡水源安置，使得運輸水的代價大并且再循環(huán)現(xiàn)場所采出的水勢在必行。舉例來說，通過水力壓裂提取頁巖氣和油每口井需要5-7百萬加侖的水。這一體積的20% -40%以高鹽水的形式流回到地表。這種水在它可以被再循環(huán)或排放之前需要被處理。更高鹽度的回流和采出水(高達與海水相比更咸8倍)使大多數(shù)現(xiàn)有脫鹽工藝變得不能勝任。更高的TDS加速了膜積垢并且快速增加能量消耗。蒸發(fā)工藝存在結(jié)垢和低回收率的問題。根據(jù)這些發(fā)展，甚至更重要的是實施可以克服這些挑戰(zhàn)的新脫鹽工藝。[0009]發(fā)明概述
[0010]在此描述了使用定向溶劑進行水提取(包括脫鹽和處理)的方法和器具。該方法可以連續(xù)進行，并且器具可以被設(shè)計用于連續(xù)操作。由其提取水的組合物可以是例如一種混合物、溶液或乳液。該器具和方法的不同實施例可能包括以下描述的部分或全部的元素、特征以及步驟。
[0011]某些溶劑，如一些脂肪酸，具有不尋常的特征，即能夠定向溶解水而不溶解其他水溶性鹽如氯化鈉或雜質(zhì)，并且同時不溶或幾乎不溶于水(即，水溶解到占主導(dǎo)地位的定向溶劑相中，但定向溶劑并不以顯著量溶于占主導(dǎo)地位的水相中)。這種定向溶解度現(xiàn)象在此被用于一種可以在閉合環(huán)路中操作的溫度受控的鹽水溶液脫鹽的連續(xù)或半連續(xù)的新方法。
[0012]在一種水處理或脫鹽的連續(xù)方法中，定向溶劑(例如具有羧酸基的脂肪酸)流經(jīng)環(huán)路(回路)；并且一種包括水和至少一種溶解的組分的液體組合物被引入環(huán)路中，在該環(huán)路中液體組合物與定向溶劑混合。來自液體組合物的水溶解到定向溶劑中，而溶解的組分實質(zhì)上以濃縮的剩余物的形式從定向溶劑中排除。濃縮的剩余物與水-溶劑溶液分離并且被從環(huán)路去除。將水-溶劑溶液冷卻以使水從定向溶劑析出；并且水以純化的形式從定向溶劑中分離并且被從環(huán)路去除。定向溶劑接著在環(huán)路中再循環(huán)，并且以連續(xù)的方式重復(fù)該過程。
[0013]在一種用于水處理或脫鹽的半連續(xù)方法中，將包括水的液體組合物引入容納定向溶劑的缸中，在該缸中液體組合物穿過并且溶解到定向溶劑中。液體組合物的濃縮的剩余物收集于該缸中位于該缸中引入液體組合物處的相反端。將溶劑-水溶液冷卻以使水從定向溶劑析出，并且將析出的水與定向溶劑分離并且去除。
[0014]在此描述的方法和器具可以實現(xiàn)定向溶劑提取技術(shù)的實際采用以用于半咸水或海水的脫鹽或來自油和氣提取的采出水和來自頁巖氣和頁巖油井水力壓裂的壓裂“回流”水的處理。所述方法可以使我們前一專利(美國專利8，119，007B2)中描述的方法加速高達幾個數(shù)量級。提取的水可以呈實質(zhì)上純的水的形式(例如適用于工業(yè)或農(nóng)業(yè)使用或甚至符合飲用水純度標準，如99.95%純度)。
[0015]本披露的方法不需要使用膜，減少成本并且使其適用于高TDS水。本披露的方法還可以使用低質(zhì)量的熱量，該熱量可以來自地?zé)嵩础碜院Ｑ?、來自太陽、或者呈來自其他工藝的廢熱形式。這些脫鹽方法還可以易于使用并且相較于先前脫鹽方法可以提供顯著的能源和經(jīng)濟節(jié)約。盡管描述了用于水處理/脫鹽的實施例，但這些方法和器具可以類似地用于分離其他液體組合物。
[0016]附圖簡要說明
[0017]圖1是用于連續(xù)定向溶劑提取的一種器具的一個技術(shù)圖式。
[0018]圖2是用于連續(xù)定向溶劑提取的一種器具的一個示意圖。
[0019]圖3是用于連續(xù)定向溶劑提取的一種器具的另一個實施例的一個示意圖。
[0020]圖4是用于半連續(xù)水處理/脫鹽的一種定向溶劑缸的一個簡圖。
[0021]圖5是用于使用一種定向溶劑進行半連續(xù)水處理/脫鹽的一種兩缸器具的一個簡圖。
[0022]圖6是用于連續(xù)定向溶劑提取工藝的一種構(gòu)建的實驗室原型系統(tǒng)的一個示意圖。
[0023]圖7是正降入一個混合器安全容器的一個攪拌螺旋槳葉片的一個攝影圖像。[0024]圖8是一個鹽水分離器設(shè)計的一個示意圖，其中來自混合器裝置的溶劑/鹽水混合物通過混合物入口進入中心；溶劑上升到湍流最少化圓盤中的槽口并且從頂部溶液出口被提??；鹽水在底部收集并且使用一個虹吸泵經(jīng)由鹽水出口排放。
[0025]圖9是在一個以500rpm操作的混合器中形成的辛酸中的小水滴的放大微觀照片。
[0026]圖10是在一個以1，500rpm操作的混合器中形成的辛酸中的小水滴的放大微觀照片。
[0027]圖11是來自在通過連續(xù)工藝原型中的冷卻器之后收集的樣品的辛酸中的析出的純小水滴的放大微觀照片。
[0028]圖12是在辛酸作為溶劑并且AT = 65°C情況下針對3.5%和10% TDS給水的作為第一階段進料與溶劑比的函數(shù)的三階段定向溶劑提取比的繪圖。
[0029]圖13是在辛酸作為溶劑并且驅(qū)動溫差A(yù)T = 65°C情況下針對不同實驗回收率的三階段定向溶劑提取工藝的熱能消耗的繪圖。
[0030]在隨附圖式中，相同的參考符號在不同視圖中指代相同或相似的零件；并且撇號用于區(qū)別共用相同參考數(shù)字的相同或相似項目的多個實例。這些圖式不一定按比例制作，重點反而是在于 闡明如下討論的詳細原理。
[0031]詳細說明
[0032]從這項或這些發(fā)明在更廣泛的范圍內(nèi)的不同概念和具體實施例的以下更詳細的描述中，這項或這些發(fā)明的不同方面的前述的和其他的特征和優(yōu)點將是明顯的。上文介紹的和下文更詳細討論的本主題的不同方面可以按多種方式中的任一種實施，因為本主題并不局限于任何特定的實施方式。提供特定實施和應(yīng)用的實例主要是為了說明的目的。
[0033]除非在此另外定義、使用或表征，否則在此使用的術(shù)語(包括技術(shù)和科學(xué)術(shù)語)應(yīng)被解釋為具有與它們在相關(guān)領(lǐng)域背景下所接受的含義一致的含義，并且不應(yīng)以理想化或過于正式的意義進行解釋，除非在此明確如此定義。舉例來說，如果提及一種特定組合物，那么該組合物可能是實質(zhì)上純，但不是完美地純，因為實際且不完美的現(xiàn)實情況可能適用；例如，可能存在的至少痕量的雜質(zhì)(例如，小于I %或2 %，其中在此表達的百分比或濃度可以或者按重量或者按體積計)可以被理解為在描述的范圍內(nèi)；同樣地，如果提及一種特定形狀,那么該形狀旨在包括與理想形狀不完美的偏差,例如歸因于制造公差。
[0034]盡管術(shù)語第一、第二、第三等在此可能被用于描述不同元素，但這些元素并不受限于這些術(shù)語。這些術(shù)語只是用于將一個元素與另一個元素區(qū)分開來。因此，下面討論的一個第一元素可以被稱為一個第二元素，而沒有脫離示例性實施例的傳授內(nèi)容。
[0035]空間相關(guān)的術(shù)語，如“上方”、“下方”、“左”、“右”、“前”、“后”等可能在此被使用以便于描述一個元素與另一個元素的關(guān)系，如圖中所示出。應(yīng)理解，除在此描述和在圖中描繪的取向外，這些空間相關(guān)的術(shù)語以及所示出的配置旨在涵蓋正在使用或操作的器具的不同取向。舉例來說，如果翻轉(zhuǎn)圖中的器具，那么描述為位于其他元素或特征“下方”或“下”的元素將取向成位于其他元素或特征“上方”。因此，示例性術(shù)語“上方”可以涵蓋上方和下方的取向兩者。該器具可能另外取向(例如，旋轉(zhuǎn)90度或其他取向)，并且此處使用的空間相關(guān)的敘述語被作相應(yīng)地解釋。
[0036]再進一步地，在本披露中，當一個元素被稱為是“在之上”、“連接到”或“聯(lián)接到”另一個元素上時，它可以直接在之上，連接到或聯(lián)接到可能存在的其他元素或中介元素上，除非另作說明。
[0037]此處使用的術(shù)語用于描述具體實施例的目的，并且并不旨在限制示例性實施例。如在此所使用，單數(shù)形式，如“一個(a和an) ”也打算包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文另有指示。另外，術(shù)語“包括”，“包括著”、“包含”以及“包含著”指定所述的元素或步驟的存在，但不排除存在或添加一個或多個其他元素或步驟。
[0038]連續(xù)脫鹽/處理器具和方法:
[0039]一種用于連續(xù)水脫鹽或處理的器具的一個實施例展示于圖1和2中。該器具和方法使用一種定向溶劑，一種液體(例如水)容易溶解到該定向溶劑中，但該定向溶劑不容易溶解到該液體中(例如溶解到定向溶劑中的水的濃度可以比溶解到水中的定向溶劑的濃度大至少10倍)。定向溶劑可以呈例如包括一種或多種脂肪酸的食用油(如大豆油、棕櫚油、菜籽油、椰子油或亞麻籽油)形式?？商娲?，可以使用一種分離的定向溶劑組合物(例如脂肪酸)。適合的脂肪酸可以包括具有例如6到14個碳原子的碳鏈，如辛酸，它具有八個碳原子的鏈長，或癸酸，它具有十個碳原子的鏈長。辛酸和癸酸被認為實質(zhì)上不溶于水(例如以O(shè)到0.3體積％溶解到水中)并且對人類相對無害，因為它們可以見于天然食品如牛奶中。脂肪酸中的親水性氫氧化物基團可以與來自液體組合物的水結(jié)合以使水溶解到定向溶劑中。
[0040]在這些在 此描述的方法的具體實施例中，來自鹽溶液的水以定向溶劑的至少約I體積％的濃度溶解到定向溶劑中；并且水以定向溶劑體積的至少約0.5%的體積從定向溶劑析出。另外，所析出的水中的鹽濃度實質(zhì)上小于(例如小于一半或小于五分之一的)初始鹽濃度。該定向可以在每一方法中保持液體形式。
[0041]圖1和2中的器具包括了形成一個閉合環(huán)路的多個管道12，定向溶劑通過這些管道反復(fù)地并且連續(xù)地循環(huán)。在該器具左下方處的泵14使定向溶劑以逆時針方向路徑通過環(huán)路循環(huán)。該定向溶劑接著由一個熱交換器16 (它從環(huán)路中的返回路徑提取熱量)和一個額外的加熱裝置18 (例如從一個鍋爐、一個電加熱器或從太陽能、地?zé)?、廢物處理熱量或從如柴油、汽油或天然氣的一種燃料提供熱量)加熱。
[0042]使一種液體組合物(如海水、半咸水、工業(yè)廢水、或來自油或氣鉆探的采出水、或來自頁巖油/頁巖氣提取的水力壓裂(“壓裂”)回流水經(jīng)由管道20進入處于該環(huán)路中右下方的一個分配器22中，它在該分配器中與經(jīng)加熱的定向溶劑混合以形成一種乳液。液體組合物與定向溶劑的混合可以在一個混合器區(qū)段24中通過噴霧，使用管道中的一個槳輪分散液流，使用電場分散液滴，通過改變通道幾何形態(tài)引起湍流或者利用超聲波混合而得到促進。一旦實現(xiàn)混合，即使來自液體組合物的水相在剛通過混合器的一個吸收區(qū)段中溶解到溶劑中。這一吸收產(chǎn)生一個包含被溶解的水的溶劑相和一個包含一些水和鹽以及其他雜質(zhì)的鹽水相。
[0043]該溶劑相和該鹽水相接著通過一個液體分離器26，例如呈一種電聚結(jié)器形式，其中一個電場被用于使鹽水相與溶劑/水相分離。鹽水被吸引到具有更強磁場(即，點而非板)的電聚結(jié)器26的側(cè)面。在鹽水比定向溶劑更濃時，有利的可以是將電聚結(jié)器的點放置在管道底部以將鹽水吸引到底部。在其他實施例中，液體可以例如通過重力分離、磁力分離、介電泳、離心分離、或利用一個旋風(fēng)分離器或一個薄片分離器分離。
[0044]鹽水31在一個分離器28中分離并且經(jīng)由管道30從環(huán)路排放，同時使溶劑/水溶液通過熱交換器16中的一個冷卻區(qū)段，其中熱量被轉(zhuǎn)移到通過熱交換器16的另一側(cè)的液體組合物中。除了在熱交換器16中冷卻以外或作為它的一個替代方案，回路可以包括熱交換器16下游的一個冷卻器或提供用于溶劑/水溶液的環(huán)境冷卻或蒸發(fā)冷卻。在冷卻時，純水從溶劑中析出以重新形成一種乳液。這種乳液接著通過一個第二液體分離器32，如上述那些中的一者(例如一種電聚結(jié)器)以使析出的水與溶劑分離。經(jīng)處理(純化)的水經(jīng)由管道34回收，并且定向溶劑通過管道12再循環(huán)回該工藝環(huán)路中的其他管道12。
[0045]在每一液體分離器26和32的之后(下游)，一個水平物理隔離物36被放置于管道中位于兩相(層)界面的高度處，使得頂層(例如在第一電聚結(jié)器26之后的溶劑/水相和在第二電聚結(jié)器32之后的溶劑)被引導(dǎo)在隔離物36上方并且底層(例如在第一電聚結(jié)器26之后的鹽水和在第二電聚結(jié)器32之后的純化水)被引導(dǎo)在隔板36下方。隔離物36的高度可以被動態(tài)地調(diào)整，例如經(jīng)由受控的浮力(其中隔板36的浮力介于兩相的浮力之間)或通過使用與一個處理器聯(lián)接的一個光學(xué)傳感器和與隔離物36聯(lián)接的一個移位電動機按指令動態(tài)地升起和降下隔離物36。
[0046]在具體實施例中，在第一電聚結(jié)器26之后的隔離物36可以從這些相之間的界面偏移并且稍微放置到溶劑/水相中(可能犧牲一些溶劑/水相但減小鹽水與下游溶劑/水相混合的可能性)。同時，在第二電聚結(jié)器32之后的隔離物36可以稍微放置到純化的水相中(可能犧牲一些將在環(huán)路中再循環(huán)的純化的水，但減小溶劑與純化水一起被去除的可能性)。任何實施例中的隔離物36的精確位置可以被確定為均衡成本和質(zhì)量目標的函數(shù)。類似地，通過該系統(tǒng)的流速可以基于是更重視低成本(更高流速)還是高質(zhì)量純化(更低流速)來確定。針對純化的水的一些最終用途，該器具和工藝可以被工程化成不再強調(diào)所得水的純化(例如允許更多鹽保留在水中)；例如，具有更高含鹽量的水可以用于使更有抵抗力/更耐鹽的作物如棉花生長。
[0047]在圖3中展示的一個替代性配置中，在熱交換器16的相反側(cè)上使用泵14以維持定向溶劑通過環(huán)路的循環(huán)；并且一個冷卻裝置38 (例如一個輻射器)被安裝于熱交換器16下游的管道，其中被加熱的溶液通過輻射器38以從其釋放熱量，隨后純化的水與定向溶劑(在一個更低溫度下)分離，隨后定向溶劑在其通過熱交換器16的相反側(cè)17 (其中熱量被加入)循環(huán)返回和通過一個燃氣爐40 (其中額外的熱量被提供給定向溶劑，例如通過燃燒天然氣)時被再加熱，從而促進液體進料組合物溶解于其中。
[0048]使用在此描述的方法和器具產(chǎn)生的實質(zhì)上純水35可以具有例如小于1.5%、小于0.14%或小于0.05%的重量比重量鹽含量。任選地，在上述水分離方法之后可以對純化的水輸出進行額外的脫鹽以達到更高水平的水純度。舉例來說，一個第二階段的脫鹽可以呈超濾、納米過濾、反滲透或閃蒸形式。
[0049]半連續(xù)脫鹽/處理器具和方法:
[0050]一種半連續(xù)脫鹽/處理器具包括一個或多個裝填有定向溶劑的大缸。定向溶劑在缸(該缸可以被涂成黑色以吸收熱量)中經(jīng)由太陽能；或通過捕獲廢熱或地?zé)?；或通過電加熱或燃燒燃料(如汽油、柴油或天然氣)加熱。在具體實施例中，缸可以被設(shè)計成淺并寬的(例如，直徑與高度比大于I)以縮短沉降時間并使液體有利于太陽能加熱。
[0051]可以用于“離網(wǎng)”位置(無需連接到一個外部電網(wǎng))的一種單缸器具的一個簡圖描繪于圖4中。液體組合物(例如鹽水或不純水)經(jīng)由管道20在缸42的頂部或者從適于適當混合水與溶劑的另一個方向進入。一種機構(gòu)(例如一種噴霧器)提供在缸42的頂部，該機構(gòu)將使正在進入的液體組合物以小液滴形式進入，其中多個小液滴被同時引入，如同小水滴通過溶劑主體的“降雨”。隨著這些小液滴因重力而向缸42底部下落，它們?nèi)芙庥谌軇┲胁⑶掖笮∽兊酶　?br> [0052]最終，咸水(鹽水)最后到達缸42的底部，并且溶劑-水混合物因密度差異而被留在缸42的頂部。一個第一密度傳感器44(它檢測它所接觸的液體的密度)可以用于測定鹽水何時已上升過高(即，當它達到第一密度傳感器的高度)。當這發(fā)生時，使海水停止流入缸42中。在指定時間段之后，在缸42底部收集所有鹽水，留下在頂部的油-水混合物。時間延遲是為了給予下降的小液滴被吸收并且在底部沉降的時機。
[0053]在鹽水已沉降在缸42底部之后，閥46 (在從缸42到管道48的流動路徑中)打開，并且鹽水通過管道48從缸42底部流出。當鹽水含量變得足夠低時，閥46關(guān)閉。為了確定這個關(guān)閉點，一個第二密度傳感器50在第一密度傳感器下的一個指定高度操作并且被配置成用于檢測鹽水何時下降到那個高度下方。在鹽水去除之后，管道34可以去除純化的水，如下文所述。所去除的鹽水可以泵送到缸42的頂部并且重復(fù)整個工藝以提取更多純水。在一些點處，從鹽水中獲得更多水將變得在經(jīng)濟上和能源上不可行；并且該工藝可以使用新鮮海水重新開始。
[0054]在這一點(有利地，在從當天中午到黃昏的溫度最高時的時間范圍內(nèi))，鹽水被泵出，并且在缸4 2中的鹽水與溶劑-水混合物之間建立一個隔離物52，例如呈折疊層隔離物52的形式。在一個簡單實施例中，隔離物52可以通過拉動一個與隔板52的邊緣聯(lián)接的繩子來打開以隔離缸42的區(qū)段。隔離物52防止留在缸42底部的鹽水變得與上方純水混合。隔離物52也被傾斜以與閉合管34連接以進行在缸42側(cè)面的水去除。在缸42的兩個區(qū)段已利用隔離物52隔開之后，將一個電壓施加到電極54’和54"以利用電聚結(jié)或介電泳(DEP)來分離隔板52上方的水和溶劑。
[0055]在使用介電泳時，一個電源56經(jīng)由導(dǎo)電線聯(lián)接到分別放置在容器42底部和頂部的電極對54’和54’’。電源56在電極上產(chǎn)生一個電位差,其中電極形狀的不均勻性(例如在一端的一個平板54’和在另一端的一個針54’’)產(chǎn)生一個不均勻電場，該不均勻電場對小水滴起作用以將它們與溶劑分離。產(chǎn)生更強場的針電極54’’可以被放置在底部。因此，實質(zhì)上純水(它與溶劑相比具有更大密度)可以在上方區(qū)段的底部收集；并且溶劑可以在上方區(qū)段的頂部收集。一個閥58 (剛好放置在隔板52上方)接著打開并且純化的水通過管道34從缸42側(cè)面排出。在具體實施例中，閥58可以打開以在溫度更冷時的晚上排出純化水。在提取純化水之后，重復(fù)整個工藝。
[0056]一種兩缸器具展示在圖5中。為了有效加熱并冷卻溶劑和溶劑-水混合物，加熱和冷卻管區(qū)段12’和12’’結(jié)合于兩個缸42’和42’’之間，其中一個吸收缸42’容納溫?zé)嵊筒⑶乙粋€分離缸42’’容納冷卻油。溶劑可以使用太陽能；通過捕獲廢熱或地?zé)?；或通過電加熱或燃燒燃料(如汽油、柴油或天然氣)來加熱，隨后進入吸收缸42’。進行混合，如以上所闡明。
[0057]在水溶解于溶劑中之后，溶劑-水溶液通過一個冷卻管12’ ’轉(zhuǎn)移到分離缸42’ ’。溶液可以通過與加熱管12’經(jīng)由一個熱交換器交換熱量、在空氣中冷卻、在海水中冷卻或通過將冷卻管12’’埋在地下來冷卻。溶劑-水溶液在冷卻下來達到所希望的溫度(例如介于0°C與50°C之間)之后進入分離缸42’’。在這個分離缸42’’中，可以經(jīng)由如上所述的電極對54’和54’’使用介電泳(電聚結(jié))以使溶劑與析出的水分離。此后，水和油可以被分別排出。溶劑接著可以在一個向著吸收缸42’引導(dǎo)返回的管12中被再加熱(例如達到250C -1lO0C )。
[0058]連續(xù)定向溶劑提取工藝的例證:
[0059]該工藝的這個例證是使用一種匹配以上論述的圖3的示意圖的器具進行的。這個連續(xù)脫鹽工藝以給定次序?qū)崿F(xiàn)以下任務(wù)，其中溶劑在一個閉合環(huán)路中流動并且水在一個開放環(huán)路中流動。
[0060]第一，定向溶劑經(jīng)由一個熱輸入41在加熱器40中加熱到該工藝中的最高溫度。這種加熱可以通過使溶劑流過任何熱源40來實現(xiàn)，該熱源在現(xiàn)場油田操作的情況下可以是一個無儲罐天然氣爐。現(xiàn)場氣體在油和氣井點處是容易地可供使用的并且當前用于加熱其他工藝。此外，難以在第一系統(tǒng)展示階段回收來自井點操作的廢熱。
[0061]第二，給水21被加入并且與溶劑在混合器22中混合。給水與溶劑在高溫下的混合促進水溶解。這種混合可以通過混合腔室中的一個槳輪或一個攪拌器、通過將進來的給水噴射到溶劑中、或者僅僅通過使用一種促進小水滴在溶劑中形成的特定流動模式來實現(xiàn)。在其他實施例中，混合器22可以是一種靜態(tài)混合器、一種動態(tài)混合器、一種攪拌器或一種旋風(fēng)混合器。
[0062]第三，水溶解到定向溶劑中。該系統(tǒng)允許一個短的流動時間，在該過程中水在維持高工藝溫度的同時溶解到溶劑中。60秒的溶解時間是足夠的并且更詳細的分析呈現(xiàn)在下文。
[0063]第四，未溶解的鹽水與溶液在分離器26中分離。在水溶解之后，未溶解的鹽水27與溶劑-水溶液在第一階段分離工藝中分離。這種分離可以重力地(如下文所述)或通過使用如上所述的一種電聚結(jié)器實現(xiàn)。
[0064]第五，將溶劑冷卻，并且回收熱量。在去除鹽水之后，將溶劑流冷卻以促進純水析出。有利地，可以回收來自這個液流的能量。因此，溶劑流通過例如在一個液體-液體平板式熱交換器16中與返回溶劑流交換熱量來冷卻。在熱交換器16之后，溶劑使用一個輻射器38進一步冷卻。
[0065]第六，析出的水35與溶劑在分離器32中分離。這一析出步驟是純水35在第二階段分離工藝中回收之處。這一分離可以通過使用一種電聚結(jié)器或一種線上離心機實現(xiàn)，不過后者可能涉及高電能消耗。
[0066]第七，溶劑流被預(yù)熱以用于再循環(huán)用途。在水35被分離并回收之后，溶劑流經(jīng)由熱交換器16的相反側(cè)返回燃氣爐，其中溶劑被預(yù)熱，如以上第五步驟中所提及，并且便利地進行再循環(huán)。
[0067] 在如圖3中所示的連續(xù)定向溶劑提取系統(tǒng)中，針對給水的單元處理Im3/天，能量消耗在泵14中是IKWhe,在熔爐40中是200KWhth，并且在聚結(jié)器32中是0.5kWhe。充當定向溶劑的21m3辛酸通過環(huán)路反時針方向循環(huán)，同時Im3在80°C下的給水通過管道20注射；
0.3m3在89°C下的鹽水從管道30提取；并且0.7m3在25°C下的純化水從管道34回收。環(huán)路中液體組合物的溫度是25°C從輻射器38進入熱交換器16 ( ε =80%)，其中液體組合物被加熱到77°C。在泵14與熔爐40之間，液體組合物是70°C ;并且液體組合物在離開熔爐之后直到進入熱交換器16是在90°C下。
[0068]基于實驗，展示70%的回收率、3.3%的產(chǎn)物水產(chǎn)率以及200kWh的熱能消耗。這些計算假設(shè)80%的熱交換器效率，這對于平衡的液體-液體熱交換器16是合理的。
[0069]這一連續(xù)工藝可以消除涉及分批工藝的手動處理，通過從冷卻流回收一些能量來減少能量消耗，以及通過加快分離工藝而顯著縮短循環(huán)時間，這些分離工藝當前是該系統(tǒng)中的限速步驟。預(yù)期連續(xù)工藝可以使循環(huán)時間縮短到不到10分鐘，由此允許每24小時天約150個循環(huán)。
[0070]圖6是實驗室原型的一個示意圖。實驗室原型是所設(shè)計的連續(xù)工藝的一個簡化版本，使得它使用一個電加熱器充當加熱器40代替所建議的天然氣爐并且使用線上離心機代替電聚結(jié)器作為分離器32。在實驗室環(huán)境中操作電加熱器是便利并實際的，并且與小規(guī)模聚結(jié)器相比更容易獲得小規(guī)模線上離心機。單獨的原型組件設(shè)計論述如下。
[0071]將辛酸用作溶劑以測試該連續(xù)工藝。將兩個五加侖高溫塑料桶分別用作溶劑和給水的貯存器60和62。
[0072]將來自歐米爺工程公司(Omega Engineering, Inc.;美國康涅狄格州斯坦福德)的一個Omega PHP-800系列160W化學(xué)計量泵用作使溶劑從槽60循環(huán)的泵14’ ；并且將來自杰出流體控制公司(ProMinent Fluid Controls, Inc.;美國賓夕法尼亞州匹茲堡)的一個SolenoicMW計 量泵用作從儲罐62泵送給水21的泵14’ ’。計量泵是高度可控的并且允許在實驗運行內(nèi)的流動偏差。
[0073]電加熱器40用于使進入工藝環(huán)路溶劑和給水的溫度上升。分別具有5kW和1.5kff的電阻加熱元件的來自歐米茄工程公司的兩個溢流道加熱器分別用于加熱溶劑和水。加熱器40的電流輸入可以使用附接的控制單元調(diào)節(jié)。
[0074]在通過加熱器40之后，溶劑和給水流進入混合器22，該混合器是在實驗室內(nèi)特別設(shè)計并構(gòu)建的環(huán)路的第一組件?；旌掀?2包括以下三個主要組件:一個圓柱形安全容器、一個攪拌器以及一個限制架臺。
[0075]安全容器是一個加帽圓筒，直徑為四英寸并且長度為45cm?？扇コ亩嗣碧峁┑竭_容器內(nèi)部的通路，這允許適當?shù)臐崈艉途S持。頂帽具有用于溶劑和污染水的兩個接口和一個處于中央的用于攪拌器棒的孔洞；底帽具有一個用于將混合物引向鹽水分離器的接口。因此，液體通過附接于這些帽的有刺管配件進入并離開安全容器。安全容器的第一型式由聚氯乙烯(PVC)塑料制成。用氯化聚氯乙烯(CPVC)替換PVC以能經(jīng)受住比65°C更高的溫度。
[0076]攪拌器是一個來自卡弗瑞默有限公司(Caframo Limited ;加拿大安大略省懷爾頓)的BDC數(shù)字攪拌器，它具有一根軸桿66，該軸桿的末端連接到促進實際混合的三英寸直徑螺旋槳葉片68，如圖7中所示。攪拌器速度是可控的介于40與2000rpm之間。攪拌器的軸桿66足夠長使得螺旋槳68下降到超過安全容器70的一半以確保適當?shù)幕旌?。圖7展示正降入混合器安全容器70的螺旋槳葉片68。在構(gòu)建之后，安全容器70用絕熱層覆蓋以使在原型操作過程中熱量損失最小化。加熱器安裝在混合器架臺上以使原型占據(jù)面積最小化。溶劑和給水通過安全容器70的頂帽中的配件(未示出)進入；攪拌器使用于混合溶劑和進料的螺旋槳葉片68運行；并且混合物通過安全容器70底帽中的一個配件離開。
[0077]有利地，水和溶劑混合物在混合器22的安全容器70中的滯留時間大于水溶解到溶劑中所需的時間。來自小液滴的水溶解到溶劑中的速率由以下方程式給出:
[0078]
【權(quán)利要求】
1.一種用于連續(xù)水提取的方法，包括: (a)使一種定向溶劑流經(jīng)一個環(huán)路； (b)將一種包括水和至少一種溶解的組分的液體組合物引入該環(huán)路中，在該環(huán)路中該液體組合物與該定向溶劑混合； (C)在該液體組合物的該引入之前或之后加熱該定向溶劑； (d)使水從該液體組合物溶解到該定向溶劑中，同時實質(zhì)上從該定向溶劑排除一種包括該溶解于該液體組合物中的組分的濃縮的剩余物； (e)將該濃縮的剩余物與該水-溶劑溶液分離并且將該濃縮的剩余物從該環(huán)路去除； (f)將該水-溶劑溶液冷卻以使該水從該定向溶劑析出； (g)將該水以一種純化的形式從該定向溶劑分離并且將該純化的水從該環(huán)路去除；并且 (h)將該定向溶劑在該環(huán)路中再循環(huán)并且重復(fù)步驟(b)-(g)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中加熱該定向溶劑包括利用一種選自以下各項的加熱器加熱:熔爐、鍋爐、電加熱器、氣體加熱器、太陽能加熱器以及地?zé)峒訜崞鳌?br> 3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中冷卻該水-溶劑溶液包括利用一種冷卻器或一種熱交換器或者通過環(huán)境冷卻或蒸發(fā)冷卻進行冷卻。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中來自該水-溶劑溶液的熱量經(jīng)由一種熱交換器被轉(zhuǎn)移到該定向溶劑。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該濃縮的剩余物通過重力分離、磁力分離、電聚結(jié)、介電泳、離心分離或者利用一種旋風(fēng)分離器或一種薄片分離器而與該水-溶劑溶液分離。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該水通過重力分離、磁力分離、電聚結(jié)、介電泳、離心分離或者利用一種旋風(fēng)分離器或一種薄片分離器而與該定向溶劑分離。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該定向溶劑是一種脂肪酸。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中該脂肪酸具有6-14個碳原子的鏈長。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該濃縮的剩余物與該水-溶劑溶液在一種分離裝置中分離，該分離裝置包括一種容器，該容器容納了一種用于將該濃縮的剩余物與該定向溶劑和溶解的水隔開的隔板，其中該隔板界定多個用于減少流經(jīng)該隔板的液體中的湍流的孔口，其中該液體組合物和該定向溶劑被注射到該隔板下方的該容器中，其中該定向溶劑和溶解的水穿過該隔板中的這些孔口，并且其中該濃縮的剩余物被從該隔板下方的該容器去除。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該濃縮的剩余物包括水，該方法進一步包括: (i)使該定向溶劑流經(jīng)一個第二環(huán)路； U)將在步驟(e)中從該第一環(huán)路去除的該濃縮的剩余物引入該第二環(huán)路，在該第二環(huán)路中該濃縮的剩余物與該定向溶劑混合； (k)在該液體組合物的該引入之前或之后加熱該定向溶劑； (I)使水從該濃縮的剩余物溶解到該定向溶劑中，同時實質(zhì)上從該定向溶劑排除該濃縮的剩余物的該溶解的組分； (m)將該溶解的組分與該水-溶劑溶液分離并且將該溶解的組分從該環(huán)路去除； (η)將該水-溶劑溶液冷卻以使該水從該定向溶劑析出；(O)將該水以一種純化的形式從該定向溶劑分離并且將該純化的水從該第二環(huán)路去除；并且 (P)將該定向溶劑在該第二環(huán)路中再循環(huán)并且重復(fù)步驟(j)-(o)。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該液體組合物是一種油或氣提取的產(chǎn)品。
12.一種用于連續(xù)水提取的器具，包括: 一個管道回路，一種定向溶劑可以通過該管道回路循環(huán)； 至少一個該回路中的泵，用于使該定向溶劑在該回路中循環(huán)； 一個輸入管道，用于將一種液體組合物注射到該回路中以與該定向溶劑混合； 一個輸出管道，用于從該回路提取鹽水； 一個該回路中的第一液體分離器，在用于該液體組合物的該輸入管道之后并且在用于該鹽水的該輸出管道之前； 一個熱交換器，該回路在該第一液體分離器的相反側(cè)上穿過該熱交換器； 一個加熱器，被放置在該熱交換器之后并且在該第一液體分離器之前以加熱該回路中的該定向溶劑； 一個該回路中的第二液體分離器，位于該熱交換器的與該第一液體分離器相反的一側(cè)上；以及 一個輸出管道，用于從該回路提取純化水，其中該輸出管道被放置成穿過該第二液體分離器并且位于該熱交換器的與該第二液體分離器相同的一側(cè)上。
13.如權(quán)利要求12所述的器具，進一步包括一個冷卻裝置，該冷卻裝置被放置在該熱交換器之后并且在該第二液體分離器之前以冷卻該回路中的該溶解的溶劑。
14.如權(quán)利要求12所述的器具，其中該第一液體分離器包括: 一個容器；和 一個隔板，該隔板界定多個用于減少流經(jīng)該隔板的液體中的湍流的孔口 ； 一個管道，被配置以將該液體組合物和該定向溶劑注射到該隔板下方的該容器中；以及 一個管道，被配置以從該隔板下方的該容器去除該濃縮的剩余物。
15.一種用于半連續(xù)水提取的方法，包括: 將一種包括水的液體組合物引入一個容納一種定向溶劑的缸中； 使該液體組合物在該缸中穿過該定向溶劑，其中該液體組合物中的水溶解于該定向溶劑中，并且該液體組合物的一種濃縮的剩余物收集于該缸中位于該缸中引入該液體組合物處的相反端； 將該液體組合物的該濃縮的剩余物從該缸去除； 將該溶劑-水溶液冷卻以使該水從該定向溶劑析出； 將該析出的水與該定向溶劑分離；并且 去除該分離的水。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中該析出的水通過重力分離、磁力分離、離心分離、電聚結(jié)、介電泳或者利用一種旋風(fēng)分離器或一種薄片分離器而與該定向溶劑分離。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，進一步包括延長橫越該缸的一個隔離物以使該溶劑-水溶液與該液體組合物的該濃縮的剩余物隔開，隨后去除該液體組合物的該濃縮的剩余物。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中該隔離物在一個第一傳感器檢測到該液體組合物的該收集的濃縮的剩余物已上升到一個指定的上限高度之后延長。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中該收集的液體組合物的該移除在一個第二傳感器檢測到該液體組合物的該濃縮的剩余物已下降到一個指定的下限高度時停止。
20.如權(quán)利要求15所述的方法，其中該水在同一缸中溶解到該定向溶劑中并且從該定向溶劑析出。
21.如權(quán)利要求15所述的方法，其中該溶劑-水溶液從形成它的該缸傳遞到一個第二缸，并且其中該水在該第二缸中從該定向溶劑析出。
22.如權(quán)利要求15所述的方法，其中該定向溶劑是一種脂肪酸。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中該脂肪酸具有6-14個碳原子的鏈長。
【文檔編號】C02F1/26GK103958417SQ201280058441
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2012年10月4日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月4日
【發(fā)明者】安紐拉·巴杰佩伊, 史蒂芬·克雷斯, 凱文·克萊恩古特爾, 剛·陳, 邁克爾·福勒 申請人:麻省理工學(xué)院