由生產水制備高純度餾出物用于生成高壓蒸汽的方法
【專利說明】由生產水制備高純度餾出物用于生成高壓蒸汽的方法
[0001]本申請是申請日為2010年8月5日、申請號為201080001372.6、發明名稱為“由生產水制備高純度餾出物用于生成高壓蒸汽的方法”的發明專利申請的分案申請。
[0002]相關申請的交叉引用
[0003]本申請要求了于2009年8月7日提交并且在此引入作為參考的美國臨時專利申請號61/232，067的優先權。
技術領域
[0004]本發明的實施方案涉及用于由重油生產工業中生產的水生成高質量高壓蒸汽的方法和設備。
【背景技術】
[0005]重油采收工藝采用“蒸汽驅油”技術，其中將蒸汽注入帶有油的地層以改進重油的采收。一般而言，對于采收每個單位的油需要幾個單位的蒸汽。重油是粘稠液體，來自蒸汽的熱使油的粘度降低，使其流入生產井。在加熱油的過程中，蒸汽冷凝。該冷凝的蒸汽被稱為生產水。油和生產水的混合物通過生產井栗送到地面。油和生產水的混合物在油采收工作中典型的常規去油過程中分離成單獨的餾分。
[0006]由于重油采收通常需要的大量蒸汽，因此希望使生產水再循環用于重新使用。這需要處理生產水以使得其適合作為蒸汽發生器或鍋爐的進料水。一般而言，使用單個蒸發器和機械蒸氣壓縮機處理生產水，用于生產餾出物作為鍋爐進料水。
[0007]不幸的是，生產水純化和餾出物生產的現有方法具有缺陷和缺點，阻礙了以成本有效的方式實現所希望的餾出物純度。通過在重油設備中注入深井地層處置廢水的現有實踐也不是非常環境節儉的方法。因此，需要更成本有效的用于處理生產水的系統，該系統可以生產用于蒸汽發生系統的相對純的進料水流并且可以提供在重油設備中廢物處置的環境友好的方法。
[0008]蒸發技術已用于重油砂處理以生成適用于蒸汽生成的餾出物。例如，通過蒸汽注射工藝使蒸汽用于增強的油采收裝置，該工藝使重油液化并且將重油輸送到地面，在那里其可與水分離并且進一步精煉。從油中分離的生產水通過蒸發器加工。這將水加工成適用于蒸汽生成的餾出物。蒸汽發生器可以是一次通過蒸汽發生器(OTSG)或高壓鼓式鍋爐。
[0009]傳統機械蒸氣壓縮(MVC)蒸發技術使用垂直降膜蒸發器使生產水氣化。夾帶在該水蒸氣中的液滴將保持夾帶并且與冷凝的蒸氣混合，污染餾出物質量。一般而言，這些液滴用位于蒸發器集水槽的環形區域中的除霧器除去。該內部除霧器僅提供了一個液滴消除階段；因此，該工藝在可能實現的餾出物純度方面有限。該不良方面限制了該餾出物的使用。由于該缺陷，必須設計鼓式鍋爐并且在較低壓力下工作。OTSG還在它們可以實現的氣化速率方面受限。
[0010]由于蒸發器集水槽中的靜態體積，因此另外的問題隨著傳統純化技術發生。傳統蒸發器具有顯著大于熱交換器管束的直徑。因此當降膜落入集水槽中，其主要直接向下移動，伴隨著圓柱形集水槽的環形體積相對極少的攪動。該區域中缺少混合使得一些組分例如油和油脂積聚在該靜態體積中。該設計中有幾個固有的缺陷，包括:a)在正常工作期間油和油脂積聚在蒸發器系統中，b)需要致力于寬集水槽蒸發器中積聚的油的額外油除去步驟，c)蒸發器中較高的油和油脂濃度造成純化餾出物中較大的油和油脂濃度，這污染主產物。
[0011]傳統處理方法的另一個顯著缺陷是蒸發器系統在低于理想的熱效率下工作。這要求從系統中除去過多的能量。傳統方法通過從蒸發器系統中排出蒸汽實現能量平衡。由于該排出的蒸汽通常含有一定濃度的硫化氫和其它環境有害物質，因此排出的蒸汽是不適合于排入大氣的廢物流。相反，必須將其收集和處置在火炬、催化氧化器或其它處置系統中。該限制表現出顯著的缺陷，因為其增加了資金成本和處置系統的工作成本。
【發明內容】
[0012]本文提供的實施方案可以克服由傳統MVC蒸發系統生產的餾出物中溶解的固體造成的限制。制得高純度餾出物，其可以允許鼓式鍋爐較高的工作壓力或者OTSG較高的氣化速率。還減少或消除了井下(downbore)處置廢水的需要。
[0013]該新蒸發方法還連續在大于可用傳統技術實現的總效率下生產該餾出物。發明的方法的實施方案包括增加離開蒸發器系統進入鍋爐系統的餾出物的焓的控制方法。該較高的焓降低了鍋爐預熱負荷，增加了鍋爐效率，因為取決于鍋爐的工作壓力，將鍋爐進料水帶至沸騰溫度所需的燃氣量降低多達5 — 10%。這不需要將鍋爐排污與蒸發器進料水混合(這將增加可用于轉移至餾出物的能量)而實現。該較高的焓用自動的預熱器旁通管實現，該旁通管同時增加餾出物焓并且降低排出蒸發器工藝的毒性排出蒸汽的流動速率。
[0014]本發明的實施方案可以包括一些或全部這些設計特征:
[0015].在降膜蒸發容器外面進行的除霧；
[0016].用多級:兩級或更多級進行的除霧；
[0017].使用凝聚技術進行除霧；
[0018].用清洗溶液洗滌水蒸氣以除去不希望的揮發性化合物；
[0019].除霧器清洗以防止固體積聚；
[0020].直集水槽垂直降膜蒸發器；
[0021].蒸發器進料水與氫氧化鈉反應，使蒸發容器的硬上游沉淀；
[0022]?蒸發器在高pH下工作。一般而言在25°C下測量，pH為9.5 — 13.0，以減少腐蝕潛在可能性和允許使用較貧的冶金。
[0023].預熱器部分旁通管，通過使到達鍋爐系統的餾出物焓最大化增加總的設備效率;
[0024].預熱器部分旁通管，減少生成通常含有硫化氫和其它環境有害化合物的毒性排出蒸汽；
[0025]?雙分布塔板以使鹽水均勾分布在垂直管的管壁圓周的周圍；和
[0026].使用強制循環蒸發、干燥技術、旋轉分離和/或過濾實現的零液體排放。
【附圖說明】
[0027]圖1提供了表示生成高壓蒸汽同時實現零液體排放的蒸發系統的流程圖。
[0028]圖2是表示雙分布塔板和粗濾器的蒸發器頂蓋。
[0029]圖3是傳統的寬集水槽蒸發器與本發明實施方案中發現的直集水槽蒸發器的比較。
[0030]圖4是直集水槽垂直管降膜蒸發器和外部除霧器。
[0031]圖5是具有內部除霧器的傳統寬集水槽降膜蒸發器。
[0032]圖6是顯示生產高純度餾出物的高效率除霧和蒸氣清潔系統的圖。
[0033]圖7顯示強制循環蒸發器系統。
[0034]圖8顯示水平管降膜蒸發器。
[0035]圖9顯示流過蒸發器寬集水槽的流體的計算流體動力學研究的結果:顯示通過內核的高向下流速和外環中大的靜態體積。
【具體實施方式】
[0036]生產水是從油井生產液中提取的水。在本發明的實施方案中，該流體以去油狀態送入蒸發器系統，所述蒸發器系統通過生成適用于再循環作為鍋爐進料水的高純度餾出物來處理生產水。將生產水送入具有或不具有補充水(新鮮或微咸)、鍋爐排污和其它廢水流的蒸發器系統。方塊流程圖(圖1)顯示進入蒸發器系統并且通過垂直降膜蒸發器系統和/或強制循環蒸發器系統加工實現零液體排放(ZLD)的這些物流。消泡劑、防垢劑、分散劑和強堿可以加入系統。系統使大于98%的進料水作為高純度餾出物再循環。通過環境保護協會(EPA)油漆過濾器測試(“評價固體廢物的測試方法，物理/化學方法”:美國政府公開SW846:方法9095B)的干燥固體與排出的蒸汽一起從系統排出。
[0037]進料流在反應釜中合并，在那里加入氫氧化鈉(強堿)與進料水中的硬度反應以使進料水軟化。在25°C下，反應室pH保持接近10.5。增加的進料水的高pH軟化的優點在于鹽水在蒸發器系統中在升高的pH(通常高于10.5的pH)下濃縮。在材料科學團體中公認的是在高PH下存在的脫氣的高氯化物環境消除了腐蝕潛在可能性并且允許使用較貧的冶金用于構造蒸發器系統。這些較貧的冶金將通常包括等級316L SS、2304DupleX和2205Duplexo (316SS是一種常用的工業奧氏體不銹鋼等級。Duplex不銹鋼是用奧氏體和鐵素體相的組合制成的鋼。該組合相造成Duplex鋼與簡單的奧氏體等級相比具有優良的強度和耐腐蝕性。)這排除了使用高級冶金的需要，減少了系統的資金成本。
[0038]將進料水在熱交換器(板框型、殼管型、螺旋型等)中預熱并且脫氣以除去氧和揮發性化合物例如輕質有機烴。從蒸發器的殼側排出的蒸汽在脫氣器中用作汽提蒸汽。將蒸汽從脫氣器中排出、與其它蒸汽排出源一起收集在集管并且在催化氧化器、火炬煙囪或其它處置系統中加工，以防止有害化合物例如硫化氫和硫醇逃逸到環境中。
[0039]自動控制的預熱器旁通管可以連續使流入鍋爐系統的餾出物的焓最大化。該系統還可以使排出蒸汽速率最小化。該控制作用使排出處理系統的資金和工作成本最小化。
[0040]將脫氣并且預熱的進料流送入蒸發器系統，在那里垂直管降膜蒸發器使生產水預濃縮并且使送入強制循環蒸發器的廢水體積最小化。VTFF蒸發器通過使鹽水在高流動速率下循環到蒸發器頂蓋而工作，在蒸發器頂蓋中鹽水均勻分布在垂直管的內圓周上。當鹽水沿管內向下流時，蒸汽冷凝在管外面并且將熱傳給下降的鹽水膜。該鹽水在管內氣化并且作為水蒸氣流到蒸發器外。
[0041]可以使用雙分布塔板技術(圖2)實現鹽水在蒸發器的頂蓋中的分布。鹽水通過兩個水平塔板均勻級聯。流動直接到達上管板上，在那里其均勻流入管壁的內圓周。該設計排除使用傳統地插入管造成堵塞問題的螺旋管分布器。這些分布塔板使用相對寬的孔，允許任何懸浮固體通過而不會堵塞。另外，粗濾器可以在分布塔板上游使用以捕集較大的固體；這提供了對堵塞的另外保護。
[0042]用于本發明實施方案的垂直管蒸發器具有直集水槽設計(圖3和4)，這是指較低的集水槽具有與垂直管束段相同的直徑。這是顯著的，因為從管中下落的高體積再循環鹽水在集水槽中保持湍流和向下的移動流動模式，防止油和有機物積聚在集水槽中。這與寬集水槽蒸發器(圖5)相比是優越的概念，因為寬集水