CN104955537B - 用于水处理系统的蒸发器阵列 - Google Patents

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Abstract

用于水处理系统的蒸发器阵列，蒸发器阵列包括：采出水进料器和从采出水进料器接收采出水的第一蒸发器、补给水进料器和从补给水进料器接收补给水的第二蒸发器、从第一蒸发器和第二蒸发器接收馏出物的输出进料器以及从第一蒸发器和第二蒸发器接收排料的排料进料器，其中第一蒸发器和第二蒸发器各自具有工作pH，第一蒸发器的工作pH高于第二蒸发器的工作pH。

Description

用于水处理系统的蒸发器阵列
技术领域
本发明涉及用于水处理系统的蒸发器阵列、处理水的方法、包括蒸发器阵列的油生产系统和包括蒸发器阵列的脱盐装备。
发明背景
在油生产中，提取油包含还存在于储液器中的大比例的水是常见的，此外，某些油生产技术包括将蒸汽注入到储油器中，以允许或提高油从储液器的回收。在油已经与水分离之后，剩下的水仍然是污染的。有利地，在注油方法中，污染水被处理，并且然后被再循环到蒸汽发生器，以用于随后的油提取。这当然减少了提取过程所需要的水的量。
即使这种水再循环可以是极其有效的，在该过程中需要某些另外的水以弥补损失。这被称为补给水。常规地，此补给水是具有相对低的盐度和硬度的新鲜水。
在某些情况下，使用微咸水来提供补给水的至少一部分可以是合意的或甚至法律上需要的。微咸水具有高的盐度和硬度。在已知的水再循环工厂中，水处理使用具有相对高的pH的蒸发器来进行，以维持溶液中的二氧化硅以减少结垢。将具有高的盐度和碱度的微咸水引入到高pH环境中引起在蒸发器内具有大量的沉积物的问题，引起结垢，需要周期性停工和清洁以维持蒸发器的效率。
通过使用预处理步骤以减少微咸补给水的硬度来处理此问题是已知的，所述预处理步骤包括冷石灰软化(CLS)阶段。然而，这是不令人满意的，因为硬度水平在预处理之后仍然是高的，需要另外的设备、化学品和能量来操作系统，并且产生需要安全处置的另外的污泥。
发明概述
根据本发明的第一实施方案，提供了用于水处理系统的蒸发器阵列，蒸发器阵列包括：采出水进料器(produced water feed)和从采出水进料器接收采出水的第一蒸发器、补给水进料器和从补给水进料器接收补给水的第二蒸发器、从第一蒸发器和第二蒸发器接收馏出物的输出进料器以及从第一蒸发器和第二蒸发器接收排料的排料进料器，其中第一蒸发器和第二蒸发器各自具有工作pH，第一蒸发器的工作pH高于第二蒸发器的工作pH。
蒸发器阵列可以包括多个第一蒸发器，第一蒸发器中的每个从采出水进料器接收采出水。
补给水进料器可以供应微咸补给水和新鲜补给水中的至少一种。
补给水进料器还可以供应来自蒸汽发生器的排料水。
蒸发器阵列还可以包括结晶器，所述结晶器从第一蒸发器和第二蒸发器接收排料，并且产生结晶器馏出物和结晶器排料以及结晶的盐。
结晶器馏出物的至少一部分可以被供应到第二蒸发器。
第二蒸发器的工作pH可以小于约5，并且优选地可以在范围pH 2到pH 4中。
第一蒸发器的工作pH可以大于约7.5，并且优选地可以在范围pH 11到pH 12中。
第一蒸发器可以可连接到补给水进料器，并且第二蒸发器可以可连接到采出水进料器以允许切换第一蒸发器和第二蒸发器的操作。
第二蒸发器可以具有第一效果器(first effect)和第二效果器、第一喷嘴阵列和第二喷嘴阵列，所述第一喷嘴阵列向第一效果器提供具有第一pH的酸处理液(acidtreatment)，所述第二喷嘴阵列向第二效果器提供具有第二较低pH的酸处理液。
根据本发明的第二方面，提供了油生产设备，油生产设备包括蒸汽发生器、油分离单元以及根据本发明的第一方面的蒸发器阵列，其中油分离单元被连接到蒸发器阵列以将采出水提供到蒸发组件，并且蒸发器阵列被连接到蒸汽发生器以将馏出物供应到蒸汽发生器。
油生产设备还可以包括处理单元，所述处理单元处理采出水并且将经处理的采出水供应到蒸发器阵列。
根据本发明的另外的方面，提供了包括根据本发明的第一方面的蒸发器阵列的脱盐装备。
根据本发明的另外的方面，提供了通过蒸发处理水的方法，所述方法包括以下的步骤：将采出水供应到第一蒸发器，将补给水供应到第二蒸发器，控制第一蒸发器的第一工作pH和第二蒸发器的第二工作pH，使得第一pH高于第二pH，在第一蒸发器中纯化采出水并且将馏出物供应到输出馏出物流且将排料供应到排料流，以及在第二蒸发器中纯化补给水并且将馏出物供应到输出馏出物流且将排料供应到排料流。
方法可以包括将采出水供应到多个第一蒸发器。
方法可以包括供应补给水，所述补给水包括微咸补给水和新鲜补给水中的至少一种。
方法可以包括供应补给水，所述补给水包括来自蒸汽发生器的排料水。
方法还可以包括将排料从排料流供应到结晶器，并且产生结晶器馏出物和结晶器排料。
结晶器馏出物的至少一部分可以被供应到第二蒸发器。
第二蒸发器的工作pH可以小于约5，并且优选地可以在范围pH 2到pH 4中。
第一蒸发器的工作pH可以大于约7.5，并且优选地可以在范围pH 11到pH 12中。
方法可以包括将补给水供应到第一蒸发器并且将采出水供应到第二蒸发器，以切换第一蒸发器和第二蒸发器的操作。
附图简述
现在，将参考附图通过仅实施例的方式描述本发明的实施方案，其中：
图1是图示示例性油生产系统的高级示意方框图，
图2是图示另外的示例性油生产系统的高级示意方框图，
图3是图示体现本发明的蒸发器阵列的高级示意方框图，并且
图4是图示体现本发明的纯化水的方法的流程图。
详细描述
在陈述详细描述之前，陈述在下文中将被使用的某些术语的定义是有帮助的。
如本文使用的术语“采出水”在本申请中指的是与提取油或提取气体一起产生的水，并且还指的是作为蒸汽或热水注入到储油器中以提高其提取所产生的水。
如本文使用的术语“馏出物”在本申请中指的是蒸汽产品和注入水或馏出物水。馏出物水必须具有高品质，并且不被过度污染。这可以通过水蒸发和水冷凝来实现。
如本文使用的术语“油污染物”在本申请中指的是小数量的油，以及也是水污染物的小数量的聚合物和矿物。污染物源自储液器本身或源自用于提取过程中的各种添加剂。
现在具体参考详细附图，应强调，细节通过实施例的方式并且仅为了本发明的优选实施方案的例证性讨论的目的被示出，并且被呈现为了提供本发明的原理和概念方面的被认为是最有用和最易于理解的描述。在这点上，没有尝试比用于基本理解本发明所必需的更详细地示出本发明的结构细节，结合附图的描述使得在实践中可以如何体现本发明的若干形式对于本领域的技术人员是明显的。
在详细解释本发明的至少一个实施方案之前，将理解的是，本发明在其应用中不限于在以下的描述中陈述或在附图中图示的部件的构造和布置的细节。本发明可适用于其他实施方案或可适用于以多种方式实践或进行。此外，将理解的是，本文采用的措辞和术语是用于描述的目的并且不应被视为限制性的。
图1和图2各自示出用于油生产的蒸汽辅助重力泄油("SAGD")系统的实施例，在每个实施例中，注入井在10处示意性地示出，并且生产井在11处示意性地示出。可选择地，相同的井可以用于注入和生产。蒸汽在合适的发生器产生，例如如在图1中的12处示出的快装锅炉(package boiler)，或如在图2中的13处示出的直流型蒸汽发生器("OTSG")。蒸汽如通过箭头14示出地注入到井10中。来自井11或多个井11的返回的油和水15被收集并且被传送到油分离单元16。油分离单元16可以按需要操作(例如离心地或重力地)，并且产生如在17处示出的油或沥青以及如在18处示出的污染的采出水。水18被油或其他残留物污染，例如，这类残留物可以在大约500ppm到5000ppm的油或其他污染物的范围中。
在图1的系统中，然后处理采出水18，在此实施例中使用溶解空气浮选设备("DAF")或诱导气体浮选设备("IGF")(如在19处所示)和核桃壳过滤器("WMSF")20。过滤的采出水21被传送到蒸发器阵列30(其在下文中更详细地讨论)。蒸发器阵列接收补给水(如在31处所示)，并且将馏出物32供应到锅炉12，作为锅炉进料水("BFW")。如下文参考图3所讨论，BFW由来自多个蒸发器50的馏出物以及可能地还有来自结晶器60的馏出物组成，所述结晶器60从蒸发器50接收排料。输出排料进料器41从蒸发器阵列30接收浓缩的盐水用于处置。
在图2的系统中，采出水18被传送经过热石灰软化设备22和强酸阳离子("SAC")或弱酸阳离子("WAC")离子交换设备23。此处理减少水中二氧化硅的量和硬度。经处理的水24被传送到产生蒸汽14的OTSG 13。来自OTSG 13的排料水35被传送到蒸发器阵列30，如下文更详细地讨论的。来自蒸发器阵列30的馏出物还如在26处示出地返回到OTSG进料器。蒸发器阵列30还接收补给水31，并且具有输出排料进料器或流41以传送浓缩的盐水用于处置。
现在参照图3和图4，蒸发器阵列30被更详细地示出并且描述了操作方法70。蒸发器阵列包括通常在50处示出的多个蒸发器，包括第一蒸发器50a、50b、50c、50d和第二蒸发器50e。第一蒸发器50a到50d各自连接到采出水进料器24，以接收从油分离过程(如在步骤71所示)再循环的采出水(如在图1中示出的过滤的采出水21或如在图2中示出的锅炉排料水35)。类似地，第二蒸发器50e被连接到通常在31处指示的补给水进料器，如在步骤72所示。补给水进料器31被连接以从微咸补给水进料器33、新鲜水补给进料器34和在图2的系统中的锅炉排料回收进料器35中的一个或更多个接收水。采出水进料器24可以被预处理，如在步骤73处所示，例如在如图1和图2中所示处，或另外地在另外的处理单元(未示出)处。补给水进料器可以被传送经过通常在36处示出的预处理单元，以允许补给水按需要在步骤74被处理，例如通过添加酸，比如HCl以降低补给水的pH。
虽然上文提到预处理单元，但将明显的是，酸化学品或碱化学品可以按需要被直接引入到蒸发器中，例如通过使用常规设置的内部喷嘴或以其他方式。在步骤75和步骤76，采出水和补给水被分别供应到第一蒸发器50a到50d和第二蒸发器50e。因此，可以控制每个蒸发器内的pH。
在优选的实施方案中，多个蒸发器50是相同的，并且连接到采出水进料器24和补给水进料器31使得多个蒸发器50中的任何一个或更多个可以被连接以充当第二蒸发器50e，并且剩下的蒸发器被连接到采出水进料器24以充当第一蒸发器50a到50d。如下文所讨论，这在操作和维护蒸发器单元30上是有利的。
在步骤77，第一蒸发器50a到50d被操作以通过蒸发纯化采出水。第一蒸发器50a到50d中的每个具有相应的输出进料器52a、52b、52c、52d，所述相应的输出进料器52a、52b、52c、52d从各自的第一蒸发器50a到50d接收馏出物并且将其供应到输出馏出物进料器或流40，如在步骤80所示。第一蒸发器50a到50d中的每个还具有排料进料器53a、53b、53c、53d，以从各自的第一蒸发器接收排料并且将其供应到合并的排料进料器54。类似地，在步骤78，第二蒸发器50e被操作以通过蒸发纯化补给水。第二蒸发器50e具有如在步骤80示出的连接到输出馏出物进料器40的馏出物输出52e和连接到合并的排料进料器或流54的排料进料器53e。输出馏出物进料器40被连接，以将馏出物供应到蒸汽发生器12、13，如分别在图1和图2中的32和26处所示。
在示出的实施方案中，蒸发器阵列30还包括至少一个结晶器60(在本实施例中是单个结晶器)，以接收合并的排料进料器54，如在步骤79所示。结晶器是可操作的以从合并的排料进料器54移除另外的馏出物，以潜在地产生用于使用或安全处置的结晶的盐或矿物和/或产生用于处置的更浓缩的排料输出55，如在步骤81所示。如在61a和61b处所示，结晶器馏出物输出可以选择性地指向补给水进料器31和输出馏出物进料器40中的一个或两个。将明显的是，结晶器可以完全被省略，在该情况下，合并的排料输出54将被连接到排料输出进料器41。可选择地，结晶器60可以从合并的排料进料器54提取全部的水，在该情况下，排料输出55和排料输出进料器41可以完全被省略。
多个蒸发器50可以包括以竖直或水平构造的任何类型的蒸发器，比如机械蒸气压缩(VC)、多效蒸馏蒸发器(MED)或强制循环蒸发器(FCE)或板框式蒸发器。
按需要来选择蒸发器50的数目，以使经过蒸发器的流速相对于工厂所需要的体积的水的供应与需求保持平衡，并且尽可能最小化蒸发器中的结垢和沉积。在本实施例中，蒸发器数目被选择使得水循环的大约80％包含高水平的溶解的二氧化硅，并且20％具有低水平的溶解的二氧化硅但具有来自微咸补给水的相对高的硬度、碱度和盐度。因此，选择四个第一蒸发器和一个第二蒸发器，然而可以使用任何其他合适数目的第一蒸发器和第二蒸发器，在本实施例中，四个第一蒸发器50a到50d被维持在相对高的pH，例如至少pH 7.5并且优选地在范围pH 11-12中。第二蒸发器50e在低pH水平下操作，例如在大约pH 5下，通过将酸引入到蒸发器中，这通过从碳酸钙沉积物分离CO2来另外地清洁蒸发器中的结垢沉积物)。蒸发器50的内部操作温度是大约95℃-110℃。
在本发明的特别有利的方面中，将明显的是，不需要蒸发器所需要的通常的清洁过程。常规地，蒸发器必须周期性地停工并且用非常强的酸(通常在大约0.5pH并且通常小于1的pH下)处理以移除结垢。代替地，通过定期地(例如每隔几周)选择多个蒸发器50中的不同的蒸发器以充当第二蒸发器50e，多个蒸发器50中的每个轮流地在低pH环境下工作并且经历在线清洁模式。第一蒸发器50a到50d中的选择的那个被连接到补给水进料器，并且第二蒸发器50e被连接到采出水进料器以允许切换第一蒸发器和第二蒸发器的操作。这清楚地减少了用于清洁的工作时间的损失，因为系统不需要被停工。高pH蒸发器中的结垢累积在任何情况下被减少，因为硬水不被引入到相对高的pH的第一蒸发器50a到50d中而是仅首先被引入到低pH的第二蒸发器50e中并且在低pH的第二蒸发器50e中被处理。本发明的一个方面的另一优点是化学品使用和废物处置的减少。
在必要时，多个蒸发器50可能需要某些修改。特别地，在结垢碎片不被溶解的情况下可能需要捕获结垢碎片的过滤器，并且将需要较强的真空系统以调节在第二蒸发器50e中的过量水平的CO2。根据本发明的一个非限制性实施例，在来自第一蒸发器50a到50d的排料输出53a到53d中的盐水浓度将是约4％到5％，然而在来自第二蒸发器50e的排料输出53e中的盐水浓度将大体上更高，例如约20％。较强的压缩机对于调节由较浓缩的盐水产生的较高的蒸气压力将是必要的并且因此需要额外的能量以压缩蒸气。此外，在每个蒸发器以常规方式具有两个效果器的情况下，当蒸发器充当第二蒸发器50e时分开处理每个效果器可能是合意的。在操作中，第一蒸发器比第二蒸发器更热，并且因此第一蒸发器中的结垢累积的速率比第二蒸发器中的结垢累积的速率更慢。为了确保在相同的时间有效地处理两个效果器，将具有较高pH(例如，约pH 4)的酸引入到第一效果器中并且将具有较低pH(例如，约pH 2)的酸引入到第二效果器中可能是合意的。理想地，这可以在蒸发器的每个效果器中使用现有的喷嘴阵列来进行，或可以设置另外的或专用的喷嘴阵列。
处理速率的实施例是：在全生产地点处，其每天产生30,000桶油，每天应处理15,000m3的水。在图3的实施方案的实施例中，采出水进料器是约13,000m3每天。补给水供应由来自微咸补给水进料器33的约2,000m3每天、来自新鲜水补给进料器34的约400m3每天以及来自蒸汽发生器排料进料器35的约300m3每天组成。结晶器返回约500m3每天。蒸发器阵列30的输出是约15,550m3的水每天，并且在结晶器排料流处是约150m3。
如描述的实施方案的另外的优点是，系统将需要比已知的CLS或离子交换器预处理系统更少的化学品，并且与由CLS预处理系统产生的额外的污泥相比，不需要额外的废物处置。当然，没有对与CLS预处理系统(包括熟石灰进料系统)相关的额外的设备的需求。
虽然如本文描述的蒸发器设备已经通过实施例的方式被示出为在油生产系统的水处理装备中使用，但将明显的是，蒸发器设备可以在其中具有不同特性的供水进料器必须被处理的任何其他情况下使用。例如，蒸发器阵列可以包括脱盐装备的一部分。其他的处理步骤或处理单元可以按需要被提供。
在上文的描述中，实施方案是本发明的实施例或实施方式。“一个实施方案”、“实施方案”或“某些实施方案”的不同的表现未必全部指的是相同的实施方案。
虽然可以在单个实施方案的情形下描述本发明的多个特征，但还可以分开地或以任何合适的组合提供该特征。相反地，虽然为了清楚可以在本文中在单独的实施方案的情形下描述本发明，但本发明还可以在单个实施方案中实施。
此外，应当理解，本发明可以以多种方式进行或实践并且本发明可以在除了在上文描述中概括的实施方案之外的实施方案中实施。
本发明不限于那些图表或相应的描述。例如，流动不需要移动经过每个示出的箱子或状态，或不需要以与示出和描述的完全相同的顺序移动。
除非另有定义，否则本文使用的技术术语和科学术语的含义将如由本发明所属领域的普通技术人员通常地理解。

Claims (18)

1.一种用于水处理系统的蒸发器阵列，所述蒸发器阵列包括：
采出水进料器和从所述采出水进料器接收采出水的第一蒸发器，
补给水进料器和从所述补给水进料器接收补给水的第二蒸发器，
从所述第一蒸发器和所述第二蒸发器接收馏出物的输出馏出物进料器，以及从所述第一蒸发器和所述第二蒸发器接收排料的排料进料器，
其中所述第一蒸发器和所述第二蒸发器各自具有工作pH，所述第一蒸发器的工作pH高于所述第二蒸发器的工作pH，所述第一蒸发器的工作pH在范围pH 11到pH 12中，并且所述第二蒸发器的工作pH在范围pH 2到pH 5中，并且
其中所述第一蒸发器可连接到所述补给水进料器，并且所述第二蒸发器可连接到所述采出水进料器，以允许切换所述第一蒸发器和所述第二蒸发器的操作。
2.根据权利要求1所述的蒸发器阵列，所述蒸发器阵列包括多个第一蒸发器，所述第一蒸发器中的每个从所述采出水进料器接收采出水。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的蒸发器阵列，其中所述补给水进料器供应微咸补给水和新鲜补给水中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的蒸发器阵列，其中所述补给水进料器还供应来自蒸汽发生器的排料水。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的蒸发器阵列，所述蒸发器阵列还包括结晶器，所述结晶器从所述第一蒸发器和所述第二蒸发器中的至少一个接收排料。
6.根据权利要求5所述的蒸发器阵列，其中所述结晶器产生结晶器馏出物和结晶器排料。
7.根据权利要求6所述的蒸发器阵列，其中所述结晶器馏出物的至少一部分被供应到所述输出馏出物进料器和所述第二蒸发器中的至少一个。
8.根据权利要求1或权利要求2所述的蒸发器阵列，其中所述第二蒸发器具有第一效果器和第二效果器、第一喷嘴阵列和第二喷嘴阵列，所述第一喷嘴阵列向所述第一效果器提供具有第一pH的酸处理液，所述第二喷嘴阵列向所述第二效果器提供具有第二较低pH的酸处理液。
9.一种油生产设备，所述油生产设备包括蒸汽发生器、油分离单元以及根据前述权利要求中任一项所述的蒸发器阵列，其中所述油分离单元被连接到所述蒸发器阵列，以将采出水提供到所述蒸发器阵列，并且所述蒸发器阵列被连接到所述蒸汽发生器，以将馏出物供应到所述蒸汽发生器。
10.根据权利要求9所述的油生产设备，所述油生产设备包括处理单元，所述处理单元处理所述采出水并且将经处理的采出水供应到所述蒸发器阵列。
11.一种脱盐装备，所述脱盐装备包括根据权利要求1至8中任一项所述的蒸发器阵列。
12.一种通过蒸发处理水的方法，所述方法包括以下的步骤：
将采出水供应到第一蒸发器，
将补给水供应到第二蒸发器，
控制所述第一蒸发器的第一工作pH在范围pH 11到pH 12中和控制所述第二蒸发器的第二工作pH在范围pH 2到pH 4中，使得所述第一工作pH高于所述第二工作pH，
在所述第一蒸发器中纯化所述采出水，并且将馏出物供应到输出馏出物流且将排料供应到排料流，以及
在所述第二蒸发器中纯化所述补给水，并且将馏出物供应到所述输出馏出物流且将排料供应到所述排料流，
所述方法还包括：
将补给水供应到所述第一蒸发器并且将采出水供应到所述第二蒸发器，以切换所述第一蒸发器和所述第二蒸发器的操作。
13.根据权利要求12所述的方法，所述方法包括将采出水供应到多个第一蒸发器。
14.根据权利要求12或权利要求13所述的方法，所述方法包括供应补给水，所述补给水包括微咸补给水和新鲜补给水中的至少一种。
15.根据权利要求13所述的方法，所述方法还包括供应补给水，所述补给水包括来自蒸汽发生器的排料水。
16.根据权利要求12或权利要求13所述的方法，所述方法还包括将排料从所述排料流供应到结晶器，并且产生结晶器馏出物和结晶器排料。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述结晶器馏出物的至少一部分被供应到所述输出馏出物流或所述第二蒸发器中的至少一个。
18.根据权利要求12或13所述的方法，其中所述第二蒸发器的所述第二工作pH被配置为通过在线清洁进行除垢。
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