CN102452700B - 水性含油溶液的处理方法及处理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种水性含油溶液的处理方法及处理系统。其中该处理方法包括将所述水性含油溶液与水溶性有机溶剂混合生成固体沉淀和液相的混合物；将所述固体沉淀与液相分离；将所述液相加热或者冷却到预定温度使其至少分离为有机相与水相；以及将有机相内的至少一部分油类物质去除。
Description
技术领域
本发明涉及水处理技术，尤其是指水性含油溶液(aqueous oily solution)的处理方法及处理系统。
背景技术
随着经济的发展，工业生产中产生大量的废水。工业废水通常含有有害或者有毒物质，例如油(oil)、油脂(grease)、重金属以及高含量的盐。基于环境保护以及可利用水资源的有限性，工业废水通常要求进行处理以符合排放标准或者回收利用水。目前，在不同工业领域具有多用废水的处理方法。
蒸汽辅助重力泄油(steam assisted gravity drainage，SAGD)是一种用于油砂开采和重油回收的技术。SAGD过程中产生大量的废水(简称为“SAGD废水”)含有大量的盐以及例如油、油脂的油类物质。在一种SAGD废水的处理方法中，采用热蒸发器，例如设有机械蒸气压缩机的降膜蒸发器，来回收废水中的大部分水，同时生成浓缩的盐水溶液流。
尽管从该热蒸发器输出的盐水溶液流的体积远小于输入的SAGD废水，在一些情况下，仅是输入的SAGD废水的5％，这样导致盐水溶液流中油类物质如油、油脂的浓度较高。油、油脂通常具有较高的沸点(通常大于100摄氏度)。热结晶器通常用来处理从热蒸发器流出的盐水溶液流。当热蒸发器的处理的SAGD废水含有油、油脂时，热结晶器就不能有效地对该盐水溶液流进行进一步结晶处理，原因是这些油、油脂会附在固体盐的表面，无法形成易于运输和填埋(landfill)的干燥的固体盐。有鉴于此，需要提供新的或者改进的可以处理SAGD废水或者其他类型水性含油溶液的处理方法和处理系统。
发明内容
本发明的一个实施例提供了一种水性含油溶液的处理方法。该处理方法包括将所述水性含油溶液与水溶性有机溶剂混合生成固体沉淀和液相的混合物；将所述固体沉淀与液相分离；将所述液相加热或者冷却到预定温度使其至少分离为有机相与水相；以及去除至少一部分有机相内的油类物质。
本发明的实施例还提供了一种水性含油溶液的处理系统。该处理系统包括包括沉淀装置、液液分离装置以及去油装置，其中该沉淀装置将所述水性含油溶液与水溶性有机溶剂混合且生成固体沉淀和液相的混合物，该液液分离装置与沉淀装置流体相通且将所述液相至少分离为有机相和水相，该去油装置与所述液液分离装置流体相通且去除至少一部分有机相内的油类物质。
附图说明
通过结合附图对于本发明的实施例进行描述，以期更好地理解本发明，在附图中：
图1是本发明水性含油溶液的处理系统的一个实施例的结构示意图。
图2是本发明水性含油溶液的处理方法的一个实施例的流程图。
具体实施方式
图1示意了本发明的一个实施例即水性含油溶液12的处理系统10。该水性含油溶液12是指含有油、油脂或者其他类型油类物质的盐水溶液。水性含油溶液12包括一定量的多种盐。这些盐包括但不限于钠(Sodium)、钙(Calcium)、钡(Barium)、锶(Strontium)和镭(Radium)的卤化物；钠、钾(Potassium)、镁(Magnesium)、钙、钡、锶和镭的重碳酸盐(Bicarbonates)；钠、钾、镁和镭的硅酸盐(Silicates)；亚硒酸盐(Selenites)；硒酸盐(Selenates)；钠、钾、镁、钙、钡、锶和镭的硒化物(Selenides)；包括一硒(Monoselenide)、二硒(Sub-selenide)、三硒(Tri-selenide)和五硒(Penta-selenide)化磷的硒化物盐(Selenide Salts)；包括一卤化硒、四卤化硒的硒卤化物盐(SeleniumHalide Salts)；一溴化硒；四溴化硒；钠、钾、镁、钙、钡、锶和镭的磷酸盐和硼化物盐；钠、钾和镭的硫酸盐；钠、钾和镁的碳酸盐及以上的组合。
在一个实施例中，水性含油溶液12是从热蒸发器13流出的。在另一实施例中，该水性含油溶液12是SAGD过程产生的废水流(即SAGD废水)，其包括2％～3％重量百分比(2wt％～3wt％)的油类物质、25wt％的溶解总固体(total dissolve solids，TDS)以及3wt％的二氧化硅(silica)。在一种应用中，该SAGD废水经过一个如13的热蒸发器后，包含其内的油类物质、TDS以及二氧化硅的浓度升高。
参阅图1所示，该处理系统10采用一种或者多种水溶性有机溶剂对该水性含油溶液12进行处理，例如沉淀水性含油溶液12进行的盐，以减少其盐浓度。本文中使用的术语“水溶性有机溶剂”是指在一种或者多种条件下可与水互溶，且在一种或者多种条件下或者通过一个或者多个步骤可至少一部分与水分离的任何有机溶剂。
该水溶性有机溶剂可根据不同应用进行选择。在一个实施例中，该水溶性有机溶剂是如二异丙胺(diisopropylamine)和三乙胺(triethylamine)的有机胺类。有机胺类在低温如0摄氏度下可与水互溶，在高温如约74摄氏度时可与水分离。
在另一实施例中，该水溶性有机溶剂是醇类，例如异戊醇(3-methyl-1-butanol)、环己醇(cyclohexanol)、3-戊醇(3-pentanol)、1-已醇(1-Hexanol)、1-戊醇(1-pentanol)、2-辛醇(2-octanol)以及2-乙基己醇(2-ethyl hexanol)。醇类在高温如85摄氏度下可与水互溶，在较低温度如20摄氏度下可与水分离。在另一实施例中，该水溶性有机溶剂是酮类，例如甲基乙基酮(methyl ethyl ketone，MEK)，甲基异丁基酮(methyl isobutyl ketone，MIBK)以及环戊酮(cyclopentanone)。酮类在高温如70摄氏度时可与水混溶，在低温如约20摄氏度时可与水分离。酮类在水溶性方面与醇类的具有类似特性。在一些实施例中，这些水溶性有机溶剂是具有4～8个碳原子的有机胺类、醇类或者酮类。
参阅图1所示，处理系统10包括沉淀装置14、固液分离装置16、液液分离装置18以及净化装置。处理系统10在一个实施例中进一步包括提供水溶性有机溶剂24的有机溶剂源22。在沉淀装置内14，该水溶性有机溶剂24可溶解至少一部分水性含油溶液12内的油类物质。
沉淀装置14接收水性含油溶液12以及水溶性有机溶剂24。在一个实施例中，该沉淀装置14是一个结晶器。需要注意的是，沉淀装置14的条件如温度是可变的，是可以根据选择的水溶性有机溶剂24的特性进行确定的。在一个实施例中，该水溶性有机溶剂24是二异丙胺，沉淀装置14的温度相应地设置为约0摄氏度。在另一实施例中，该水溶性有机溶剂24是环己醇，沉淀装置14的温度相应地设置为约85摄氏度。
在一个应用中，在沉淀装置14内，水性含油溶液12与水溶性有机溶剂24混合，水性含油溶液12中的氯化钠、二氧化硅等物质在水溶性有机溶剂24的作用下沉淀析出或者结晶析出，生成固体沉淀26和液相28的混合物。固体沉淀26在一个实施例中大部分是固体盐。可以理解的是，在一些应用中，液相28也称为母液。
固液分离装置16与沉淀装置14流体相通，用于接收固体沉淀26和液相28的混合物且将两者分离。固液分离装置14不限于任何可将固体沉淀26和液相28分离的装置。固液分离装置14的实施例包括一个或者多个水利旋流器、一个或者多个离心分离器、一个或者多个压滤机、一个或者多个过滤筒、一个或者多个真空过滤装置或者是上述装置的任一结合。在另一实施例中，两个或者更多个水利旋流器串联连接来分离固体沉淀26和液相28。
在沉淀装置14中，水性含油溶液12中的至少一部分油类物质被该水溶性有机溶剂24溶解，成为液相28的一部分。这样固体沉淀26可通过固液分离装置与这部分油类物质分离，生成便于运输的干燥的固体沉淀。在一些应用中，仍然有一部分有机溶剂混在这些干燥的固体沉淀中，这种情况下，可通过加热或者其他可以合适的方法将这部分有机溶剂去除，从而使这些干燥的固体沉淀符合填埋的标准。固体沉淀26与液相28分离后，液相内的盐浓度降低，便于在后续步骤中回收水。
需要注意的是，图1所示的结构是示例性的。在图1所示的实施例中，沉淀装置14和固液分离装置16是单独的。在可替换的另一实施例中，沉淀装置14和固液分离装置16可集成在一个可实现沉淀和分离两功能的单一元件内。
液液分离装置18与固液分离装置16和／或沉淀装置14流体相通，以从固液分离装置16和／或沉淀装置的上部(未标示)接收液相28。液液分离装置18用于促进液相28分离，例如分离成不同种类的液相。在一些实施例中，也可以不设置固液分离装置16，当各种固体盐沉到沉淀装置14底部时，位于沉淀装置14上部的液相28可直接输送到液液分离装置18内。
在一些实施例中，液液分离装置18是一个容器，在该容器内，液相28被分离成水相30和有机相32。液相分离过程随着选择的水溶性有机溶剂24的特性变化而变化。在一个实施例中，水溶性有机溶剂24是二异丙胺，这样该液相分离是通过将液相28加热到预定温度如74摄氏度实现的。在一个实施例中，该水溶性有机溶剂24是环己醇，那么该液相分离是通过将液相28冷却到预定温度如20摄氏度实现的。在另一实施例中，该液液分离装置18包括一个或者多个用于分离的膜蒸馏(membrane distillation)装置，这样有机相32与水相30分离开，从而得以回收利用。
在一个实施例中，有机相32再次输入到沉淀装置14内。由于有机相32包括可溶于有机物的油类物质，为了避免这些油类物质在系统10内的积累，该处理系统10还设有去油装置34。去油装置34可以应用任何可去除这些油类物质的方法。由于油类物质和水溶性有机溶剂的沸点存在差距，在一个实施例中，通过煮沸有机相32将油类物质36去除，以回收利用水溶性有机溶剂。
在一些应用中，液相在液液分离装置18分离后，有一部分有机溶剂残留在水相30中。因此为了回收残留的水溶性有机溶剂以及使水相30得以回收或者符合排放标准，在一个实施例中，将从液液分离装置18输出的水相30输入到净化装置内，以将残留的水溶性有机溶剂38从水性30分离出。
该净化装置可包括任何适用于分离水溶性有机溶剂38和水相30的装置。基于有机溶剂沸点低的特点，净化装置的一个实施例19采用气提法回收残留的水溶性有机溶剂38。从净化装置出来的液体39可能含有少量的TDS、油类物质以及其他类型的水溶性物质。在一个实施例中，液体39回流到热蒸发器13回收大部分的水。剩余的TDS以及油类物质与水性含油溶液12一起再次进入处理系统12进行进一步处理。
在一些应用中，处理系统10可进一步包括另一去油装置47以去除混在水相30中的水溶性油类物质43。在一个实施例中，液体39从净化装置19出来之后，进入去油装置47进行处理。在一个实施例中，该去油装置47使用破乳剂(demulsifier)来去除至少部分油类物质43。使用的破乳剂并不限定是一种还是多种。可以理解的是，该去油装置47并不限定采用任何特定方式去油。
图1也示意了净化装置的另一可替换实施例20。该净化装置20包括一个或者多个膜装置。该膜装置采用一个或者多个膜去除残留的水溶性有机溶剂38，在一些应用中，残余的油类物质也可以被去除。在一个实施例中，所述的一个或者多个膜是如陶瓷膜的耐油膜。这些膜装置包括但不限于一个或者多个反渗透膜(Reverse Osmosis，RO)装置、一个或者多个纳滤膜(Nanofiltration)装置、一个或者多个膜蒸馏(Membrane Distillation，MD)装置或者是上述几种装置的任一结合。
在一个实施例中，该净化装置20生成可应用于多种工业场合的产品水40以及一股浓缩流。该浓缩流包含可以回收至沉淀装置14的水溶性有机溶剂38。
在一个实施例中，该净化装置20包括一个或者多个离子去除装置。该处理系统10还进一步包括位于离子去除装置上游位置处且与该离子去除装置流体相通的离子化源42。所述的离子去除装置包括但不限于一个或者多个离子交换树脂(Ion Exchange Resin)、反渗透膜装置、一个或者多个反向电渗析(Electrodialysis Reversal)装置、一个或者多个膜蒸馏装置、一个或者多个超级电容脱盐(Supercapacitor Desalination)装置或者是上述几种装置的任一组合。该离子去除装置可使用耐油膜。
该离子化源42提供一种或者多个离子化物质，以离子化水相30内的残留的水溶性有机溶剂。然后，离子去除装置将离子化的有机溶剂从水相30中去除。该子化物质包括但不限于一种或者多种pH调整物质。在一些实施例中，水相30的pH值被降低。合适的pH调整物质包括但不限于盐酸(hydrochloric acid)以及硫酸(sulphuric acid)。
该处理系统10采用水溶性有机溶剂24来处理水性含油溶液12。水与水溶性有机溶剂24彼此互溶，由于盐在有机溶剂内的溶解度低，因此大部分盐和／或二氧化硅在沉淀装置14内沉淀析出或者结晶析出形成固体沉淀26。由于至少一部分油类物质溶解在有机溶剂内成为液相28的一部分，因此固体沉淀26与液相28分离后，也相应地与这些油类物质分离。这样就可以获得干燥的、便于输送的固体沉淀26。在去油装置34内，油类物质36与水溶性有机溶剂分离，不仅避免了油类物质在系统中的累积，也可以将这些水溶性有机溶剂输送到沉淀装置14得以回收利用。
在一些应用中，处理系统10进一步包括一个或者多个位于沉淀装置14、固液分离装置16与液液分离装置18之间和／或液液分离装置18与净化装置19、20之间的温度控制装置44来进行热交换。在一些应用中，液液分离装置18与对应的温度控制装置集成在一起。该温度控制装置44可以是但不限于是一个加热器。
在一些实施例中，处理系统10进一步包括与沉淀装置14流体相通的另一去油装置46。该去油装置46用于在水性含油溶液12与水溶性有机溶剂结合之前将水性含油溶液12中的至少一部分油类物质去除。
如下表1显示了从处理系统10一个实施例内获得的水性含油溶液12、固体沉淀26以及水相30样本的实验数据。在本实施例中，使用的水溶性有机溶剂二异丙胺，沉淀装置14的温度设置为0摄氏度。此外，在液液分离装置18内，通过将液相28加热到约74摄氏度将其分离为有机相32和水相30。在表1的第一列中，“TDS(180℃)”是指TDS的值是在180摄氏度的温度下测量获得的。“残余固体(550℃)”是指残留在水相30内的溶解固体是在550摄氏度测量获得的。
表1的实验数据显示使用二异丙胺，可将水性含油溶液中的大部分盐、二氧化硅以及碱通过沉淀去除。另外，从表1的第四列可以看出水相中残留有少量的TDS、钠、氯化物、二氧化硅、碱以及油脂。为了减少这些残留物质，在一些实施例中，该处理系统10采用净化装置19、20来去除至少一部分所述的残留物质。
表1
图2示意了本发明的一个实施例即水性含油溶液的处理方法50的流程图。该处理方法50用于去除水性含油溶液中至少一部分TDS、油类物质、二氧化硅或者其他有毒或者有害物质，以使其可以满足排放标准或者可以回收利用所包含的水。在一个实施例中，该水性含油溶液是SAGD废水，其含有2wt％～3wt％的油、油脂等油类物质。
在步骤52中，将水性含油溶液与一种或者多种水溶性有机溶剂在一个沉淀装置内混合。该水溶性有机溶剂可以溶解部分油类物质，例如重油。在一个实施例中，该水性含油溶液从热蒸发器流出，且具有较高的温度，因此该处理方法还进一步包括在步骤52之前将该水性含油溶液冷却至一预定温度，例如0摄氏度。沉淀装置的温度、沉淀时间等条件根据选择的水性含油溶剂的特性进行设定。在一个实施例中，步骤52在高温如85摄氏度的条件下实现。在另一实施例中，步骤52在低温如0摄氏度的条件下实现。
步骤52过程中生成固体沉淀和液相。该固体沉淀包括大量的固体盐和／或其他类型的固体。应当注意的是，沉淀装置内的处理步骤不限于是沉淀法或者是结晶法。
在步骤54中，将固体沉淀与液相分离。该水溶性有机溶剂可以溶解至少一部分油类物质，溶解后的油类物质成为液相的一部分。这样固体沉淀也可以随着固体沉淀与液相的分离而分离开，从而形成干燥的固体沉淀。干燥的固体沉淀易于运输和排放。另外，与固体沉淀分离后，液相内的盐浓度有效降低。在一些应用中，该处理方法50进一步包括通过加热或者真空抽取的方式将残留在固体沉淀上的水溶性有机溶剂去除。
在一个实施例中，固体沉淀与液相分离是通过直接抽取位于沉淀装置顶部的液体实现的。在另一实施例中，固体沉淀与液相分离通过一种装置实现。该装置的实施例包括但不限于水利旋流器、离心分离器、压滤机、过滤筒或者上述这些装置的任一组合。
在步骤56中，在一个液液分离装置中将液相分离为有机相和水相。在一个实施例中，该水溶性有机溶剂包括二异丙胺，液相分离是通过将液相加热到预定温度如74摄氏度来实现的。在另一实施例中，该水溶性有机溶剂包括环己醇，液相分离是通过将液相冷却到预定温度如20摄氏度来实现的。
在步骤58中，去除溶解在水溶性有机溶剂中的至少一部分油类物质以在步骤52中收回利用这些有机溶剂，这样不仅避免了油类物质在整个处理过程中的积累，也可提高有机溶剂的使用率。在一个实施例中，基于油类物质与有机溶剂沸点不同，采用热蒸发的方法将油类物质和有机溶剂分离。
在步骤60中，去除、回收残留在水相中的水溶性有机溶剂。在一个实施例中，采用蒸气气提法去除这些水溶性有机溶剂。在另一实施例中，使用一个或者多个膜装置去除这些水溶性有机溶剂，在一些应用，膜装置也可以去除部分残留的油类物质。在一个实施例中，该膜装置使用如陶瓷膜的耐油膜。
在其他的实施例中，在步骤60之前，采用一定量的pH调整物质来调整水相的pH值。在步骤60的一个实施例中，采用一个或多个离子去除装置去除离子化的有机溶剂。离子去除装置包括但不限于离子交换树脂、反渗透膜装置、反向电渗析(Electrodialysis Reversal)装置、膜蒸馏装置、超级电容脱盐装置或者这几种装置的任一组合。
在一些实施例中，该处理方法50进一步包括在排放或者回收水相之前将包含在水相内的水溶性油类物质去除。水溶性油类物质的去除方式的一个实施例是采用一种或者多种破乳剂(demulsifier)去除。
在一个实施例中，该处理方法50进一步包括步骤62，即将水相循环至热蒸发器中回收大部分的水。步骤62在去除残留的有机溶剂步骤之后进行。
在另一实施例中，该处理方法50还进一步包括步骤51。在步骤51中，通过化学方法，例如使用一种或者多种破乳剂，将水性含油溶液中的至少一部分油类物质去除，以易于水性含油溶液的后续处理。
在一些应用中，在步骤52、56、58、60之前可能还有一个或者多个热交换步骤、一个或者多个加热步骤、或者一个或者多个冷却步骤。
虽然结合特定的实施例对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以对本发明作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书意图覆盖在本发明真正构思范围内的所有这些修改和变型。
Claims (14)
1.一种水性含油溶液的处理方法，包括：
将所述水性含油溶液与水溶性有机溶剂混合生成固体沉淀和液相的混合物；
将所述固体沉淀与液相分离；
将所述液相加热或者冷却到预定温度使其至少分离为有机相与水相；以及
将所述有机相内的至少一部分油类物质去除。
2.如权利要求1所述的水性含油溶液的处理方法，进一步包括采用气提法去除残留在水相中的至少一部分水溶性有机溶剂。
3.如权利要求1或者2所述的水性含油溶液的处理方法，进一步包括使用破乳剂来去除水相中的至少一部分油类物质。
4.如权利要求1所述的水性含油溶液的处理方法，进一步包括将水相输入到热蒸发器中。
5.如权利要求1所述的水性含油溶液的处理方法，进一步包括在将所述有机相内的至少一部分油类物质去除的步骤之后，将所述有机相与水性含油溶液混合。
6.如权利要求1所述的水性含油溶液的处理方法，其中将所述有机相内的至少一部分油类物质去除的步骤包括热蒸发所述有机相。
7.如权利要求1所述的水性含油溶液的处理方法，进一步包括在所述水性含油溶液与水溶性有机溶剂混合之前将水性含油溶液中的至少一部分油类物质去除。
8.一种水性含油溶液的处理系统，包括：
沉淀装置，其将所述水性含油溶液与水溶性有机溶剂混合且生成固体沉淀和液相的混合物；
液液分离装置，其与沉淀装置流体相通且将所述液相至少分离为有机相和水相；以及
去油装置，其与所述液液分离装置流体相通且将有机相内的至少一部分油类物质去除。
9.如权利要求8所述的水性含油溶液的处理系统，进一步包括净化装置，所述净化装置与液液分离装置流体相通且将残留水相中的至少一部分水溶性有机溶剂和／或至少一部分油类物质去除。
10.如权利要求9所述的水性含油溶液的处理系统，其中所述净化装置包括膜装置，其中所述膜装置设有耐油膜。
11.如权利要求8所述的水性含油溶液的处理系统，进一步包括固液分离装置，所述固液分离装置与所述沉淀装置流体相通且将固体沉淀与液相分离。
12.如权利要求8所述的水性含油溶液的处理系统，其中所述去油装置采用煮沸方式将所述至少一部分油类物质与所述有机相分离。
13.如权利要求8所述的水性含油溶液的处理系统，其中所述水性含油溶液是热蒸发器处理蒸汽辅助重力泄油废水输出的盐水流。
14.如权利要求8所述的水性含油溶液的处理系统，进一步包括另一去油装置，所述另一去油装置与沉淀单元流体相通且将水性含油溶液中的至少一部分油类物质去除。
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