用于从气流中去除二氧化碳和处理油田的盐水/废水的设备和工艺的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年11月28日提交的美国临时专利申请no.62/591,585的权益，通过引用将其并入本文，如同在此完整阐述一样。

本发明通常涉及二氧化碳的去除(例如：从大气或烟气流中)和从油田废水中回收有用的材料。

背景技术：

从油田中提取碳氢化合物，例如：石油和/或天然气，通常使用盐水，并产生副产物废水。这些废水中可能存在各种溶解盐，最常见的是氯化钠。可以使用电化学膜分离技术将这些溶解盐转化为增值化学品，例如：氢氧化钠，氯化氢，氢气或氯气。由于将废水从油田运输到用于进一步处理废水的位置通常不太经济，因此在碳氢化合物提取现场找到废水的用途将是有利的。

本“背景技术”部分仅提供背景信息。本“背景技术”中的陈述并不承认本“背景技术”中所公开的技术构成本申请的现有技术，本“背景技术”中的任何部分均不可用于认可本申请的任何部分包括本“背景技术”构成本申请的现有技术。

技术实现要素：

一方面，本发明涉及一种设备，包括分离器，用于分离混合物，该混合物包含：(1)含有氯化钠的水和(2)油和/或气体，形成包含水的第一流体，包含油(当混合物含油时)的第二流体和包含气体的第三流体(当混合物含气体时)；电化学膜分离池，用于分离第一流体中的钠离子和氯离子，形成包含第一氢氧化钠溶液和包含(1)盐酸和/或(2)氯气以及可选地氢气的第四流体；压缩机，用于压缩包含二氧化碳co2的气体；喷雾干燥器，用于混合氢氧化钠水溶液(直接或间接来自第一氢氧化钠溶液)和压缩气体以形成碳酸钠；和旋风分离器，用于从氢氧化钠水溶液中的任何过量成分中和/或压缩气体分离出碳酸钠。例如，混合物中的水可以包含盐水和/或废水，其可以来自油田或碳氢提取物。

在某些实施例中，混合物包括水、油和气体；分离器包括三相分离器，配置用于将水、油和气体分别分离到第一、第二和第三流体中。该分离器可包括，例如：水平或垂直分离器。在某些示例中，分离器包括聚结器。

在一些实施例中，第四流体进一步包含盐。在这样的实施例中，该设备还可以包含沉降池，该沉降池配置用于使沉淀在第四流体中或从第四流体中析出的盐沉淀形成沉淀盐，同时形成包含第二氢氧化钠溶液的第六流体。在其它或进一步实施例中，氢氧化钠水溶液是第二氢氧化钠溶液。在这样的实施例中，沉淀池或第六流体可形成第七流体，其中包含第三氢氧化钠溶液。

在某些实施例中，第五流体包括盐酸，该设备进一步包括反应器，该反应器配置用于使第五流体中的盐酸溶液和第八流体中的第三氢氧化钠溶液发生反应，形成包含第二氯化钠溶液的第九流体。

在某些实施例中，该设备还包括离子交换树脂再生器，配置用于直接或间接地从该反应器接收第二氯化钠溶液。在其它或进一步实施例中，电化学分离池包括阳极、阴极和离子渗透膜。离子渗透膜可以对阳离子渗透。

在某些实施例中，该设备进一步包括配置用于加热压缩气体的加热器。在其它或进一步实施例中，所述喷雾干燥器可包括配置用于喷出碳酸钠、氢氧化钠水溶液的过量组分和压缩气体的喷嘴。

在某些实施例中，气体包括空气或烟气。烟气可能来自燃烧过程、化学过程、油田或碳氢化合物处理作业。当烟气来自燃烧过程时，燃烧过程可能涉及壁炉、烘箱、炉膛、锅炉、蒸汽发生器或发电厂。

在另一个方面，本发明涉及到一种方法，包括使用分离器分离混合物(该混合物包含(1)含有氯化钠的水和(2)油和/或气体)形成含水的第一流体、含油的第二流体(当混合物中含油时)和含气的第三流体(当混合物中含气时)；使用电化学膜分离钠离子和氯离子形成第四流体(第四流体包括第一氢氧化钠溶液)，和第五流体(第五流体包含(1)盐酸和/或(2)氯气和可选的氢气)；压缩含有二氧化碳的气体(例如：使用压缩机)；混合氢氧化钠水溶液(直接或间接来自第一氢氧化钠溶液)和压缩气体(例如：使用喷雾干燥器)形成碳酸钠；并将碳酸钠从含氢氧化钠水溶液的任何多余组分和/或压缩气体中分离出来(例如：使用旋风分离器)。

当混合物包括水、油和气体时，相分离器可包括三相分离器，分离混合物可包括使用三相分离器分离水、油和气体，形成第一流体、第二流体和第三流体。对于目前的设备，相分离器可以包括水平或垂直分离器，在某些情况下，相分离器可以包括聚结器。

在各种实施例中，混合物中的水包括盐水或废水，并且该方法还可以包括转运或回收来自油田或碳氢化合物提取物的混合物。

在一些实施例中，第四流体包含沉淀盐。在这些实施例中，该方法还可以包括使第四流体中的沉淀盐沉降，并将沉淀盐从第四流体中分离出来，形成第七流体，该第七流体包含第二氢氧化钠溶液，该第二氢氧化钠溶液包含氢氧化钠水溶液。

在某些实施例中，该方法还包括形成第八流体，第八流体包含第三氢氧化钠溶液，而第三氢氧化钠溶液是从第一氢氧化钠溶液、第七流体或氢氧化钠水溶液形成的。在其它或进一步实施例中，第五流体包括盐酸，并且该方法进一步包括使盐酸和第三氢氧化钠溶液反应形成第二氯化钠溶液。在此类其它或进一步实施例中，该方法还可以进一步包括直接或间接地用第二氯化钠溶液再生离子交换树脂。

在一些实施例中，该方法还包括加热压缩气体。例如，压缩气体可以加热到最高50℃的温度。就本发明而言，在某些实施例中，喷雾干燥器可包括配置用于喷射碳酸钠和压缩气体的喷嘴。

至于本设备，在某些实施例中，电化学膜可以包括离子渗透膜。离子渗透膜可以渗透阳离子。

在各种实施例中，所述气体包括空气或烟气。在后一种情况下，该方法可进一步包括从燃烧过程、化学过程、油田或碳氢化合物处理作业中回收烟气。当烟气从燃烧过程中回收时，燃烧过程可能包括在壁炉、烘箱、炉膛、锅炉、蒸汽发生器或发电厂中燃烧或消耗一种或多种材料。

本发明的优点将很容易地从下面各种实施例的详细描述中得出。

附图说明

图1列出了根据本发明的一个或多个实施例中包括三相分离器、电化学膜分离池、沉降池、反应器、压缩机、加热器、喷雾干燥器和旋风分离器的示例设备。

图2是一个流程图，展示了根据本发明的一个或多个实施例处理油田废水和从气体流中去除二氧化碳的示例性方法。

具体实施方式

现在将详细描述本发明的各个实施例：其示例在附图中进行了说明。虽然本发明将与下列实施例一起进行描述，但应理解，这些描述并不打算将本发明限制于这些实施例中。与此相反，本发明旨在覆盖包括在由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围内的替代、修改和等同物。此外，在下面的详细描述中，阐述了许多具体细节以便对本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员明显的是，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明。在其它情况下，没有详细描述公知的方法、过程、组件和电路，以免不必要地混淆本发明的主旨。

在以下实施例中，将结合附图对本发明实施例的技术方案进行全面、清楚地描述。值得理解的是，这些描述并不旨在将本发明限制于这些实施例。基于所描述的本发明的实施例：本领域的技术人员可以在没有做出创造性贡献的前提下获得其他实施例：这些实施例都属于本发明的法律保护范围。

此外，本文件中公开的所有特征、措施或过程，除了相互排斥的特征和/或过程之外，可以任何方式和可能的任何组合进行组合。除非另有说明，否则本说明书，权利要求书、摘要和附图中公开的任何特征都可以被其他等效特征或具有相似目的，目标和/或功能的特征所替代。

“流体”一般指物料流，但这里也指输送物料流的管道和任何必要的泵送装置或叶轮。

从气流中去除二氧化碳是期望的(例如：防止二氧化碳逸入大气并作为温室气体引起气候变化)。这种去除通常是通过二氧化碳与碱(如氢氧化钠)反应生成碳酸钠来完成的。由于电解卤水(如油田废水)可以产生氢氧化钠，用油田废水产生的氢氧化钠去除气体中的二氧化碳是有利的。因此，本发明涉及一种设备和方法，用于从油田废水(如盐水)中回收材料(如化学品)和使用至少部分回收材料从气流中去除二氧化碳。

油田废水处理和二氧化碳去除的示范设备

图1显示了示例设备100，包括三相分离器110、电化学膜分离池120、沉降池130、反应器140、压缩机150、加热器160、喷雾干燥器170和旋风分离器180。

相分离器110可包括“水分离”的分离器，并配置用于分离混合物(该混合物包含来自井流101中盐水例如油田废水、石油和/或其他液相碳氢和天然气)，形成包含盐水(废水)的第一流体111，包含液相、水不溶性材料(如石油和/或液相碳氢化合物)的第二流体112和含有气相材料的第三流体113。该相分离器110还可包括其长轴平行于地面的水平圆柱形分离器，或其长轴垂直于地面的垂直圆柱形分离器。相分离器110可包括或连接到多个偏转板、聚结器、一个或多个减压阀、除雾器、气体出口、出水口、出油口、一个或多个涡断路器、水位控制器、油位控制器、水表、油表和/或气表。在可选实施例中，井流101可以仅包括卤水(废水)，或(i)盐水和(ii)石油或天然气。第二流体112可收储于储油罐中。第三流体113可以连接到气管上，以便对气体进行进一步处理。第一流体111、第二流体112和第三流体113可以利用一个或多个泵来推动其中的流体。

电化学膜分离池120配置用于将废水中的钠离子和氯离子通过电解分离成氢氧化钠(naoh)以及(i)氯化氢(hcl)或(ii)氯气(cl2)以及可选地氢气(h2)。电化学膜分离池也可包括阴极、阳极和离子渗透膜。当向阴极和阳极施加电流时，电化学膜分离池120可接收包含废水(包括nacl)的第一流体111，并形成包含第一氢氧化钠naoh溶液的第四流体122和包含氯化氢hcl溶液的第五流体124。第四流体122可进一步包含沉淀盐(例如非氢氧化钠、碳酸钠和非碳酸钠和/或磷酸盐等)。在一个实施例中，氯化氢hcl炉或燃烧器可配置用于在电化学膜分离池120中让氯气cl2和氢气h2反应以形成氯化氢hcl。在另一个实施例中，代替第五物流124或除了第五物流124之外，电化学膜分离池120可形成一股或多股氢气和/或氯气气流。如果氢气和氯气合并成一股气流，则两种气体可分离(例如，通过在冷凝器或温度在氯和氢的沸点之间的其它表面上选择性地冷凝氯气)。第四流体122和/或第五流体124可利用一个或多个泵来推动其中的流体。

阳极可以包括钛或另一种金属，以及在其上的涂层(例如，二氧化钌)。阴极可包括镍或另一种金属，以及在其上的任选涂层(例如，以减少能量消耗)。阳极室和阴极室通常被离子可渗透膜完全隔开。在一个实施方案中，该膜可渗透阳离子，但不能渗透阴离子，从而允许钠离子和质子通过，但不允许氯离子或氢氧根离子通过。钠离子以水合形式(naxh2o)⁺通过，因此转移了一些水。然而，该膜对于自由水分子可能是不可渗透的。

从分离池出来的第一氢氧化钠naoh溶液的浓度可以超过25％(例如：约30％)(以重量计)，并且可以在压力下通过使用蒸汽蒸发进一步浓缩，直到溶液浓度为以重量计的45％或更高(例如：48-50％)，这是便于运输和存储的理想浓度。该膜可以是四氟乙烯和/或具有阴离子(例如：羧酸根和/或磺酸根)基团的类似氟化单体的共聚物。

在另一实施例中，电化学膜分离池120可以使用氧去极化阴极(odc)来产生氯。当氢离子迁移到阴极时，释放出氢气。然而，如果将氧气泵入该分离池120中，则与氢反应形成水，并且电解所需的电压显著降低(例如：降低约三分之一)，从而降低了电力成本。这是一个显著的优势，因为电力占总回收成本的很大一部分。在另一实施例中，可以使用太阳能供电。这是另一个重要的优点，因为它使本发明有利于环境保护。odc的缺点是氢不再作为副产物(例如：与氯气结合形成hcl)。另外，氧气作为附加原料被消耗，但是氧气可以从空气中获得(而不是从罐中供应)。

沉降池130配置用于接收包括第一氢氧化钠naoh溶液(和可选的沉淀盐)在内的第四流体122，并使任何沉淀盐沉淀以形成氢氧化钠naoh溶液层和下面的沉淀盐层。沉降池130可包括刮板，其配置用于推动沉淀的盐层(例如：推到池130的一端)。沉降池130形成包含沉淀盐的第六流体132、包含第二氢氧化钠naoh溶液的第七流体134和包含第三氢氧化钠naoh溶液的第八流体136。

反应器140配置用于使第五流体124中的hcl溶液与第七流体134中的第二naoh溶液反应，以形成包含第二nacl溶液的第九流体142。反应器140可以是间歇反应器、连续反应器、管式反应器、固定床反应器、流化床反应器或连续搅拌反应器。反应器140可以包括热交换器，该热交换器供应热量以加速反应或从反应中除去热量(可以将其存储为用于驱动另一过程例如发电的能量)。第九流体142中的第二nacl溶液可以用于各种用途(例如：再生离子交换树脂，制备固体nacl等)。或者，第二氯化钠溶液可用于各种制程中，包括食品、塑料、纸张、肥皂、铝等的制造。

压缩机150配置用于接收气体(例如：来自气体源的空气或含co2的气体)，并在气体导管中压缩该气体以形成压缩气体152。该气体可以是或包括空气(例如：来自大气)或烟气流(例如：来自化学反应器、燃烧过程等)。压缩机150可以是旋转式压缩机(例如：叶片、螺杆、液环、涡旋或叶片压缩机)、往复式压缩机(例如：隔膜、单作用或双作用压缩机)、轴向压缩机、离心式压缩机、轴离心压缩机或混流压缩机。压缩机150可以由电力(其可以至少部分地由从反应器140存储的热能产生的电力)供电，并且可以包括具有冷却剂的冷却系统，该冷却剂在压缩机周围循环以去除热量。

加热器160配置用于接收并进一步加热压缩气体152以形成加热气体162。加热器160可以是电加热元件或加热压缩气体152的循环暖流。在一些实施例中，加热器160可以将压缩气体152加热到高达50℃的温度(例如：从室温开始)。

喷雾干燥器170配置用于将第八流体136中的第三naoh溶液与加热的气体162混合以形成碳酸钠流176。喷雾干燥器170从喷嘴172处以雾174(例如：具有20至180μm的粒径的细雾)的形式喷射出第三naoh溶液。加热的气体162中的co2与naoh进行反向吸收反应并在雾174中形成碳酸钠(na2co3)。喷嘴172可以是转盘喷嘴、单流体高压旋流喷嘴或雾化轮喷嘴。替代地，喷嘴可以是两流体或超声波喷嘴。可以使用泵来增加来自喷嘴的第八流体136的压力。喷雾干燥器170可以包括干燥室，以干燥碳酸钠流176。碳酸钠流176(可以被部分或完全干燥)然后被传送到旋风分离器180以进一步干燥。在一些实施例中，90％或更多，95％或更多或99％或更多的二氧化碳可以从加热气体162中去除。

在另一实施例中，喷雾干燥器170可以是能够从气体源中去除二氧化碳的任何气/液接触器，例如喷雾塔、塔盘塔或填充床塔。在另一实施例中，碳酸钠流176可被送入与第一喷雾干燥器170串联的第二喷雾干燥器170(或任何气/液接触器)中，以使任何剩余的naoh与加热气体162中的co2反应。喷雾干燥器170可以设计成用于加热气体162的垂直或水平流动以及与相对于第八流体136的流动的加热气体162的逆流，并流或错流。在另一实施例中，喷雾干燥器170可连上容器来储存第三naoh溶液。为了使第三naoh溶液的ph保持相对碱性(例如，等于或大于8.5的ph)，这个容器可以构造成允许第三naoh溶液中的水蒸发。

在一个实施例中，容纳第三naoh溶液的容器还可放置催化剂以催化加热气体162中二氧化碳的吸收。或者，可以将催化剂直接添加到第八流体136中。二氧化碳被吸收在液相中相对较低的反应速率可能比二氧化碳通过气/液界面的扩散速率更能限制二氧化碳的吸收率。因此，可以通过使用催化剂来提高液相内的反应速度。特别地，据信该催化剂提高了碳酸和碳酸氢钠与naoh的反应速率。所述催化剂还可包括增加跨气/液界面的二氧化碳吸收速率的催化剂。例如，该催化剂可以包含左旋糖、右旋糖、蔗糖、乳糖、乙二醇、甘油、甲醇、乙醇、甲醛或它们的混合物。第三naoh溶液中必需的催化剂的量或浓度是提高从加热气体162中去除二氧化碳的速率的任何量或浓度。在一些实施例中，第三naoh溶液中催化剂的浓度为约0.01％至约1.0重量百分比或按摩尔计的naoh。在各种实施方案中，加热或冷却(根据需要或必要)第八流体136，以增加co2的吸收速率。

旋风分离器180配置用于使用涡旋分离(例如：水力旋流器)接收碳酸钠流172并将其分离成固体碳酸钠182和再生水流184。旋转作用和重力使碳酸钠流172中的固体和流体(气体)的混合物分离，并且不需要过滤器。旋风分离器180的圆柱形或圆锥形容器中形成了高速旋转流。气体(例如：na2co3流和/或泵送的空气中的气体)从旋风分离器的顶部(宽端)开始到分离器的底部(狭窄)结束以螺旋形式流动，然后以直流通过旋风分离器的中心并从顶部离开旋风分离器。旋风流中的较大(更密)的颗粒具有很大的惯性，无法跟随风流的紧密曲线运动就会撞上外壁，然后掉到旋风分离器的底部，在此可将其除去。在圆锥形系统中，随着旋转流向旋风分离器的狭窄端移动，流的旋转半径减小，从而分离出越来越小的颗粒。旋风分离器180的几何形状以及流速一起限定了旋风分离器180的分割粒径，该分割粒径正好是从风流中去除50％的颗粒的尺寸大小。大于分割粒径的颗粒去除率高一些，而小于分割粒径的颗粒去除率低一些。

旋风分离器180的替代设计使用旋风分离器内的二次流动以防止收集的颗粒撞击内壁，从而保护分离器内壁免于磨损。包含颗粒的第一气流从旋风分离器的底部进入，并被固定的旋转叶片强迫旋转进入螺旋旋转。第二气流从旋风分离器的顶部进入，并向下移向底部，从而拦截第一次气流中的颗粒。由于第二气流要将颗粒推向收集区域，并且不仅仅依靠重力来执行此功能，因此第二气流允许将收集器有选择性地水平安装。

处理油田水和从气源中去除二氧化碳的示范方法

在210处，可以使用相分离器将盐水和/或含有nacl、油和气的废水的混合物分离成单独的流体。如果分离器是三相分离器，则盐水和/或废水、油和气可以分离成单独的流体。如果分离器是两相分离器，则盐水和/或废水可以分离成一个流体，而油或气可以分离成另一流体。盐水和/或废水可从油田以外的来源(例如：食品加工、海水、盐沼等)中回收。

在220处，可以使用电化学分离膜来分离盐水和/或废水中的na和cl离子，以形成第一naoh流体和hcl流体。或者，可以形成一股或多股氯气和任选的氢气流体代替hcl流体。hcl烘箱或燃烧器可配置将电化学膜分离池中放出的任何cl2和h2气体通过化学反应以形成hcl。如果氢气和氯气混合成了一股气流，也可以将两者分离出来(例如：通过在冷凝器或温度在氯气和氢气的沸点之间的其它表面上选择性地冷凝氯气)。

任选地，在230处，可以分离(例如：在沉降池中)从第一naoh流体沉淀出的任何盐以提供一个或多个纯化的naoh流体。在使沉淀盐沉降(例如：通过重力沉降在沉降池的底部)之后，该方法可以进一步包括将沉淀盐层刮和/或推到池的一端以收集沉淀盐。沉淀盐可以如上所述处理，并且该方法可以进一步包括纯化一种或多种沉淀盐和/或分开彼此不同的沉淀盐。

任选地，在240处，可使纯化的naoh流体之一与hcl流体反应以形成nacl(例如：在反应器中)。在没有反应器的情况下，该方法可以从220中的电化学离子分离中回收副产物(例如：cl2气体，或cl2和h2气体)。在进一步的实施方案中，该方法可以进一步包括存储naoh与hcl反应所产生的热量，并利用储存的热量发电。

在250处，压缩包含co2的气体(例如：空气、燃烧气体、来自化学反应的烟气等)(例如：使用气体压缩机)。气体压缩机可以将气体压缩到1巴至300巴的压力。任选地，可以在压缩之前或之后加热空气(例如：使用加热器将其加热至约50℃)。

在260处，将纯化的naoh流体之一与(加热的)压缩气体合并以使纯化流中的naoh与气体中的co2反应并形成碳酸钠。在各种实施方案中，使用喷雾干燥器将纯化的naoh流体与压缩气体合并以形成na2co3流体。或者，可以使用槽、池或床(纯化的naoh流体之一在其中搅动或流动)，使naoh与压缩气体在里面混合形成na2co3。

在270处，将碳酸钠分离成固体碳酸钠和再生水蒸气和其他气体混合的气流(可能存在)。在各种实施例中，旋风分离器可以用于执行分离作业(参见图1中的旋风分离器180的以上讨论)。

结论/总结

本发明的具体实施例的上述描述是为了说明和描述的目的而提出的。它们并不旨在穷举或将本发明限制为所公开的精确形式，显然，根据上述启示可以得到许多修改和变化。选择并描述这些实施例的目的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最好地利用本发明以及具有各种修改的各种实施例：以适合于预期的特定用途。本发明的保护范围由本发明所附的权利要求书及其等同物确定。