CN103086533A - 溶液的处理方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种处理水盐溶液的处理方法和系统。该处理方法至少包括如下步骤：将有效剂量的混溶性有机溶剂混合到水盐溶液中以沉淀所述水盐溶液中的溶解盐并产生沉淀的固体盐和液体的混合物；将所述固体盐从所述液体中移除；冷却所述液体以产生包括所述混溶性有机溶剂的有机相和包括所述混溶性有机溶剂和所述溶解盐的水相；将所述有机相与所述水相分离；及使所述水相通过膜装置以将所述混溶性有机溶剂和所述溶解盐从所述水相中移除。

Description

溶液的处理方法和系统
技术领域
本发明涉及一种溶液的处理方法和系统，尤其涉及一种利用混溶性有机溶剂来处理水盐溶液的处理方法和系统。
背景技术
在工业生产中，大量的溶液比如水盐溶液被生产出来。通常，这样的水盐溶液不适合被直接用在生活或生产中。基于有限的可利用的水资源和环境保护的考量，一些处理方法，比如用来处理废水、海水或其他咸水的去离子化和脱盐方法被用来生产合格的产品水。
在目前的一些应用中，多种处理方法，比如蒸馏和气化等被用来处理溶液。然而，这些处理方法通常效率比较低，而且当直接处理含盐较高的溶液，比如处理开采非常规天然气时产生的裂隙水，常需要较高的能耗。这样也就阻碍了这些方法的广泛应用。
所以需要提供一种新的处理水盐溶液的方法和系统。
发明内容
本发明的一个方面在于提供一种处理方法。该处理方法至少包括如下步骤：将有效剂量的混溶性有机溶剂混合到水盐溶液中以沉淀所述水盐溶液中的溶解盐并产生沉淀的固体盐和液体的混合物；将所述固体盐从所述液体中移除；冷却所述液体以产生包括所述混溶性有机溶剂的有机相和包括所述混溶性有机溶剂和所述溶解盐的水相；将所述有机相与所述水相分离；及使所述水相通过膜装置以将所述混溶性有机溶剂和所述溶解盐从所述水相中移除。
本发明的另一个方面在于提供另一种处理方法。该处理方法至少包括如下步骤：将原溶液通入蒸汽发生器或蒸发器中以蒸发所述原溶液并排放水盐溶液；将有效剂量的混溶性有机溶剂混合到所述水盐溶液中以沉淀所述水盐溶液中的溶解盐并产生沉淀的固体盐和液体的混合物；将所述固体盐从所述液体中移除；冷却所述液体以产生包括所述混溶性有机溶剂的有机相和包括所述混溶性有机溶剂和所述溶解盐的水相；将所述有机相与所述水相分离；及将所述水相再引入所述蒸汽发生器或蒸发器中以蒸发所述水相。
本发明的再一个方面在于提供一种处理系统。该处理系统包括：沉淀单元，其用来将有效剂量的混溶性有机溶剂混合到所述水盐溶液中以沉淀所述水盐溶液中的溶解盐并产生沉淀的固体盐和液体的混合物；回收单元，其与所述沉淀单元相通用来分离所述液体成包括所述混溶性有机溶剂的有机相和包括所述混溶性有机溶剂和所述溶解盐的水相；冷却装置，其位于所述沉淀单元和所述回收单元之间且与所述沉淀单元和所述回收单元相通，用以冷却从所述沉淀单元流出的所述液体；及净化单元，其包括膜装置，该膜装置与所述回收单元相通，用来将所述混溶性有机溶剂和所述溶解盐从所述水相中移除。
本发明的处理方法和处理系统利用混溶性有机溶剂对水盐溶液中的溶解盐进行沉淀移除，效率高且能耗较低。
附图说明
结合详细说明并参照附图可以更好地理解本发明的特色，组成以及优点，附图中相同元件用相同标号表示，在附图中：
图1是本发明处理水盐溶液的处理系统的示意图；
图2是本发明处理水盐溶液的处理方法的流程图。
具体实施方式
图1是用来处理水盐溶液17的处理系统10的示意图。水盐溶液17可是任何盐溶液。在一些示例中，水盐溶液17是从蒸汽发生器或蒸发器25中排放出来。在另一些示例中，水盐溶液17是SAGD(Steam Assisted GravityDrainage，蒸汽辅助重力泄油)过程中的废水。
处理系统10通过有效剂量的混溶性有机溶剂来沉淀水盐溶液17中的溶解盐以降低溶解盐的浓度。经过蒸发过程之后，水盐溶液17的温度相对较高，温度范围大约从80℃至200℃。混溶性有机溶剂在高温下可溶于水，在低温下与水分离。混溶性有机溶剂可根据不同的应用来选择。
在一些示例中，混溶性有机溶剂可是醇，比如环己醇、3-甲基-1-丁醇、3-戊醇、1-己醇、1-戊醇、2-辛醇、2-乙基己醇和环戊醇。醇在高温比如大约85℃下可溶于水，在低温比如大约20℃下与水分离。在另一些示例中，混溶性有机溶剂可是酮，比如甲乙酮和甲基异丁基酮。酮在高温比如大约70℃下可溶于水，在低温比如大约20℃下与水分离。在另一些示例中，混溶性有机溶剂还可是醇和酮的任意组合。
此外，水盐溶液17中的溶解盐可包括但不限于钠、钙、钡、锶和镭的卤化物；钠、钾、镁、钙、钡、锶和镭的重碳酸盐；钠、钾、镁和镭的硅酸盐；亚硒盐酸；硒酸盐；钠、钾、镁、钙、钡、锶和镭的硒化物；包括一硒、二硒、三硒和五硒化磷的硒化物盐；包括一卤化硒、四卤化硒的硒卤化物盐；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。
如图1所示，处理系统10包括沉淀单元11、回收单元13、冷却装置27和净化单元14。沉淀单元11用来将有效剂量的混溶性有机溶剂混合到水盐溶液17中以沉淀水盐溶液17中的溶解盐并产生沉淀的固体盐18和液体19的混合物。沉淀单元11包括有机溶剂源15、与有机溶剂源15相通的沉淀装置16及与沉淀装置16相通的固液分离单元12。有机溶剂源15用以向沉淀装置16内提供混溶性有机溶剂。沉淀装置16包括一个容器，并用以收容混溶性有机溶剂和水盐溶液17以沉淀固体盐18。水盐溶液17和混溶性有机溶剂在沉淀装置16内相互混合，水盐溶液17中的大部分溶解盐被沉淀从而产生固体盐18与液体19的混合物。
固液分离单元12与沉淀单元11和冷却装置27相通用以接收并分离固体盐18和液体19。固液分离单元12可包括水力旋流器、离心分流机、压滤机、过滤筒、真空过滤装置及微过滤装置中的一种或多种。固液分离单元12可为一个装置或多个装置。在一些应用中，固液分离单元12可包括一个或多个串联的水力旋流器。当来自沉淀单元11的固体盐18和液体19进入固液分离单元12后，固体盐18可与液体19分离。
如图1所示，冷却装置27位于沉淀单元11和回收单元13之间且与沉淀单元11和回收单元13相通，用以冷却从沉淀单元11流出的液体19。回收单元13接收被冷却装置27冷却的液体19。回收单元13与沉淀单元11相通，用以分离液体19，例如分离具有不同相的液体。回收单元13分离液体19成包括混溶性有机溶剂的有机相21和包括混溶性有机溶剂和溶解盐的水相20。在一些实施例中，回收单元13可包括一个容器，液体19的分离发生在该容器中。回收单元13与沉淀单元11连通用以将从回收单元13中回收的混溶性有机溶剂即有机相21再引入沉淀单元11中。回收的混溶性有机溶剂可被再使用。
在沉淀单元11中进行固液分离后，水盐溶液17中大部分的溶解盐被移除。一部分剩余的溶解盐还残留在液体19中。在回收单元13中进行分离后，大部分的混溶性有机溶剂从液体19中移除。一部分剩余的混溶性有机溶剂还残留在水相20中并且剩余的溶解盐残留在水相20中。因此，来自回收单元13的水相20输入到净化单元14中以从水相20中分离混溶性有机溶剂和溶解盐。
净化单元14包括一个移除装置。移除装置可包括任何适合从水相20中分离混溶性有机溶剂和溶解盐的装置。在一些示例中，移除装置包括膜装置，该膜装置与回收单元13相通，用来将混溶性有机溶剂和溶解盐从水相20中移除。膜装置包括反渗透膜或纳滤膜。
如此包含混溶性有机溶剂和溶解盐的流体22从水相20中分离出来并且产品液体生产出来。在一些应用中，净化单元14与沉淀单元11连通用以将从净化单元14中回收的混溶性有机溶剂再引入沉淀单元11中。混溶性有机溶剂可再使用。
在一些实施例中，原溶液23输入蒸汽发生器或蒸发器25中进行蒸发并且水盐溶液17从中被排放出来。在回收单元13中进行分离后，水相20可再输入蒸汽发生器或蒸发器25中进行蒸发。
图1所示的实施例为示意性的。在图1所示的实施例中，沉淀装置16和固液分离单元12分别独立设置。在一些应用中，沉淀装置16和固液分离单元12可集成设置以作为一个可进行沉淀和分离的元件进行使用。
图2为处理方法30的流程示意图。如图1和图2所示，在处理时，在步骤31中，水盐溶液17被输入沉淀单元11中。来自有机溶剂源15的有效剂量的混溶性有机溶剂被输入沉淀装置16以与水盐溶液17混合。如果混溶性有机溶剂的量低于有效剂量，溶解盐不能被沉淀。对于溶解盐的浓度越低的水盐溶液17，混溶性有机溶剂的有效剂量越高。有效剂量根据溶解盐的浓度、溶解盐的种类和混溶性有机溶剂的种类的不同而不同。水盐溶液17与有效剂量的混溶性有机溶剂接触，由于溶解盐在混溶性有机溶剂中的低溶解度，溶解盐被沉淀并产生沉淀的固体盐18与液体19的混合物。当溶解盐的浓度高于4wt％时，溶解盐可在低成本下被混溶性有机溶剂沉淀。并且混溶性有机溶剂的浓度低于93.75wt％，在溶解盐沉淀的情况下可保证水盐溶液17中不存在过多的混溶性有机溶剂。混溶性有机溶剂的浓度是混溶性有机溶剂的重量相对于混溶性有机溶剂和水的总重量的百分率。
在步骤32中，沉淀的固体盐18与液体19被输入固液分离单元12中进行分离。在步骤33中，在固体盐18与液体19分离后，来自固液分离单元12的液体19流过冷却装置27以被冷却至低温。在步骤34中，液体19输入回收单元13并且在低温下在回收单元13中形成有机相21和水相20的分层，混溶性有机溶剂即有机相21从液体19中分离出来。
在步骤35中，水相20输入净化单元14以从水相20中分离混溶性有机溶剂和溶解盐。在一些应用中，从步骤34和步骤35中回收的混溶性有机溶剂可输入沉淀装置16中再使用。
在一些应用中，在步骤31之前，原溶液23输入蒸汽发生器或蒸发器25中进行蒸发并且高温的水盐溶液17从中被排放出来。在步骤34后，水相20再输入蒸汽发生器或蒸发器25中进行蒸发以产生产品水。
如此，在本发明实施例中，由于水盐溶液中混溶性有机溶剂的存在，水盐溶液中的溶解盐可以较低成本和较高的效率进行移除。高温的水盐溶液无需冷却可直接与混溶性有机溶剂混合以沉淀溶解盐，因此处理过程简化。另外，在一实施例中，水相和有机相分离后，水相输入蒸汽发生器或蒸发器中通过蒸发而产生产品水，从而处理过程和系统简化。
实验1
环己醇在90℃下分别混合于包含6wt％、8wt％和10wt％氯化钠的氯化钠溶液中。环己醇的浓度是95wt％，其中环己醇的浓度是环己醇的重量相对于环己醇和水的总重量的百分率。固体氯化钠从氯化钠溶液中沉淀，并从中分离且干燥两小时。当固液分离后的液体冷却至室温时，液体被分离成有机相和水相。氯化钠的浓度、氯化钠溶液的重量、环己醇的重量、固体氯化钠的重量及氯化钠移除百分率列于下表1。
表1
  氯化钠的浓度   氯化钠溶液的   环己醇的重量   固体氯化钠的   氯化钠移除百
  重量(g)   (g)   重量(g)   分率
  6wt％   10.688   192.427   0.521   81.23％
  8wt％   10.897   191.346   0.755   86.55％
  10wt％   11.127   191.144   0.994   89.29％
从表1中可看出即使在低盐浓度下大部分的盐也可被移除且盐浓度越高盐的移除百分率越大。盐浓度大于6％的盐溶液中多于81％的盐被95wt％的环己醇沉淀。
实验2
实验2类似于实验1，但改变了环己醇的浓度。环己醇的浓度是环己醇的重量相对于环己醇和水的总重量的百分率，不包括氯化钠的重量。氯化钠的浓度、氯化钠溶液的重量、环己醇的重量、环己醇的浓度及氯化钠移除百分率列于下表2。
表2
Figure BDA0000104031540000061
Figure BDA0000104031540000071
从表2中可以看出氯化钠的浓度和环己醇的浓度影响盐移除的效果。当氯化钠的浓度低于6wt％时，环己醇的浓度高于93.4wt％。当环己醇的浓度高于94.5wt％时，多于60wt％的盐从含6wt％氯化钠的氯化钠溶液中被沉淀。当环己醇的浓度高于93.2wt％时，多于60wt％的盐从含8wt％和10wt％氯化钠的氯化钠溶液中被沉淀。对于氯化钠浓度越低的氯化钠溶液，移除相同百分率的氯化钠所需要的环己醇浓度越高。
实验3
膜装置中使用反渗透膜或纳滤膜。将30g的氯化钠和15g的环己醇在室温下溶解在29L的去离子水中来得到模拟的水相。模拟的水相在2L/min的流速下通过反渗透膜或纳滤膜产生反渗溶液或纳滤溶液。反渗透膜的输入侧至渗透侧的压力降是200psi，纳滤膜的输入侧至渗透侧的压力降是70psi。模拟的水相、反渗溶液和纳滤溶液的电导率和COD(Chemical Oxygen Demand，化学需氧量)列于表3。
表3
  电导率(μS/cm)   COD(ppm)
  模拟的水相   2150   1465
  反渗溶液   23   8
  纳滤溶液   1076   804
电导率和COD分别表明氯化钠和环己醇的浓度。从表3中可以看出反渗溶液和纳滤溶液的导电率和COD均比模拟的水相的导电率和COD低很多，因此说明模拟的水相中的大部分氯化钠和环己醇被移除。反渗溶液的导电率是模拟的水相的导电率的1.1％，因此反渗透膜移除了98.9％的氯化钠，并且反渗溶液的COD是模拟的水相的COD的0.5％，因此反渗透膜移除了99.5％的环己醇。同样地，纳滤膜移除了模拟的水相中的50％的氯化钠和54％的环己醇。
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理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (21)

1.一种处理方法，其特征在于：其包括：
将有效剂量的混溶性有机溶剂混合到水盐溶液中以沉淀所述水盐溶液中的溶解盐并产生沉淀的固体盐和液体的混合物；
将所述固体盐从所述液体中移除；
冷却所述液体以产生包括所述混溶性有机溶剂的有机相和包括所述混溶性有机溶剂和所述溶解盐的水相；
将所述有机相与所述水相分离；及
使所述水相通过膜装置以将所述混溶性有机溶剂和所述溶解盐从所述水相中移除。
2.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于：所述混溶性有机溶剂包括醇或酮。
3.如权利要求2所述的处理方法，其特征在于：所述混溶性有机溶剂包括环己醇、3-甲基-1-丁醇、3-戊醇、1-己醇、1-戊醇、2-辛醇、2-乙基己醇、环戊醇、甲乙酮、甲基异丁基酮或以上的任意组合。
4.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于：所述混溶性有机溶剂是环己醇。
5.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于：所述溶解盐是氯化钠，所述混溶性有机溶剂是环己醇，当所述氯化钠在所述水盐溶液中的浓度低于6wt％时，所述环己醇在所述水盐溶液中的浓度高于93.4wt％。
6.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于：所述溶解盐的浓度高于4wt％并且所述混溶性有机溶剂的浓度低于93.75wt％。
7.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于：进一步包括在混合步骤之前将原溶液通入蒸汽发生器或蒸发器中以蒸发所述原溶液并排放所述水盐溶液。
8.如权利要求1所述的处理方法，其中所述膜装置包括反渗透膜或纳滤膜。
9.一种处理方法，其特征在于：其包括：
将原溶液通入蒸汽发生器或蒸发器中以蒸发所述原溶液并排放水盐溶液；
将有效剂量的混溶性有机溶剂混合到所述水盐溶液中以沉淀所述水盐溶液中的溶解盐并产生沉淀的固体盐和液体的混合物；
将所述固体盐从所述液体中移除；
冷却所述液体以产生包括所述混溶性有机溶剂的有机相和包括所述混溶性有机溶剂和所述溶解盐的水相；
将所述有机相与所述水相分离；及
将所述水相再引入所述蒸汽发生器或蒸发器中以蒸发所述水相。
10.如权利要求9所述的处理方法，其特征在于：所述混溶性有机溶剂包括醇或酮。
11.如权利要求10所述的处理方法，其特征在于：所述混溶性有机溶剂包括环己醇、3-甲基-1-丁醇、3-戊醇、1-己醇、1-戊醇、2-辛醇、2-乙基己醇、环戊醇、甲乙酮、甲基异丁基酮或以上的任意组合。
12.如权利要求9所述的处理方法，其特征在于：对于所述溶解盐的浓度越低的所述水盐溶液，所述混溶性有机溶剂的有效剂量越高。
13.如权利要求9所述的处理方法，其特征在于：所述溶解的盐是氯化钠，所述混溶性有机溶剂是环己醇，当所述氯化钠在所述水盐溶液中的浓度低于6wt％时，所述环己醇在所述水盐溶液中的浓度高于93.4wt％。
14.如权利要求9所述的处理方法，其特征在于：所述溶解盐的浓度高于4wt％并且所述混溶性有机溶剂的浓度低于93.75wt％。
15.一种处理系统，其特征在于：其包括：
沉淀单元，其用来将有效剂量的混溶性有机溶剂混合到所述水盐溶液中以沉淀所述水盐溶液中的溶解盐并产生沉淀的固体盐和液体的混合物；
回收单元，其与所述沉淀单元相通用来分离所述液体成包括所述混溶性有机溶剂的有机相和包括所述混溶性有机溶剂和所述溶解盐的水相；
冷却装置，其位于所述沉淀单元和所述回收单元之间且与所述沉淀单元和所述回收单元相通，用以冷却从所述沉淀单元流出的所述液体；及
净化单元，其包括膜装置，该膜装置与所述回收单元相通，用来将所述混溶性有机溶剂和所述溶解盐从所述水相中移除。
16.如权利要求15所述的处理系统，其特征在于：所述沉淀单元包括有机溶剂源、与所述有机溶剂源相通的沉淀装置及与所述沉淀装置相通的固液分离单元，所述有机溶剂源用以向所述沉淀装置内提供所述混溶性有机溶剂，所述沉淀装置用以收容所述混溶性有机溶剂和所述水盐溶液以沉淀所述固体盐，所述固液分离单元用以分离所述固体盐和所述液体。
17.如权利要求15所述的处理系统，其中所述混溶性有机溶剂包括醇或酮。
18.如权利要求17所述的处理系统，其中所述混溶性有机溶剂包括环己醇、3-甲基-1-丁醇、3-戊醇、1-己醇、1-戊醇、2-辛醇、2-乙基己醇、环戊醇、甲乙酮、甲基异丁基酮或以上的任意组合。
19.如权利要求15所述的处理系统，其特征在于：进一步包括位于所述沉淀单元上游且与所述沉淀单元相通的蒸汽发生器或蒸发器，所述蒸汽发生器或蒸发器用以蒸发原溶液并排放所述水盐溶液。
20.如权利要求15所述的处理系统，其特征在于：所述膜装置包括反渗透膜或纳滤膜。
21.如权利要求15所述的处理系统，其特征在于：所述回收单元与所述净化单元分别与所述沉淀单元连通用以将从所述回收单元和所述净化单元中回收的所述混溶性有机溶剂再引入所述沉淀单元中。
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