CN107857457A - 用于降低含水和固体的物质中的水含量的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用来降低物质水含量的方法，其包括：(a)将含水和固体的物质与液化气体溶剂混合，以获得混合物，并使得所述含水和固体的物质中的至少部分水被萃取到所述液化气体溶剂中；(b)将所述混合物分离成水含量减少的物质和水含量增加的溶剂，该水含量增加的溶剂包括所述液化气体溶剂和萃取自所述含水和固体的物质中的水；(c)通过改变所述水含量增加的溶剂的温度，将所述水含量增加的溶剂分离成富液化气体溶剂的相和富水相，并在所述改变温度的过程中保持温度低于所述液化气体溶剂在该过程的压力下的沸点；及(d)使至少部分所述富液化气体溶剂的相返回到步骤(a)中用作溶剂。本发明还涉及相应的系统。

Description

用于降低含水和固体的物质中的水含量的方法和系统

技术领域

本发明一般地涉及一种用来降低含水和固体的物质中的水含量的方法和系统。

背景技术

生产和生活过程中可能产生大量含有水和液态有机物的半固体残余物，比如，在水处理过程中可能产生占所处理水量0.5wt％(重量百分比)的污泥。污泥中不仅含有固体残余物，还含有可能高达99wt％的水，此外可能还含有一定量有机物，如动、植物油和矿物油等油类。为了减少最终需处置的残余物的量，一般需要尽量降低半固体残余物中的含水量。降低半固体残余物中含水量的常用方法包括浓缩脱水处理(添加凝聚剂并进行挤压过滤)和干燥处理。浓缩脱水处理只能有限地降低含水量，即使在进行了浓缩脱水处理之后，残余物中含水量可能还是高达80wt％，因此，通常还会对所述浓缩脱水处理之后的残余物进行热干燥除水，以进一步降低含水量。然而，由于需要将水通过蒸发进行去除，热干燥的方法能耗比较高，通常每除去1吨的水大约要消耗1000千瓦时的能量，而且热干燥的方法很难去除残余物中的油脂等有机物。

在中国专利CN102046540A中描述了一种用液态二甲醚(Dimethyl Ether,DME)来降低污泥中水含量的方法，其使用液态二甲醚来与污泥接触，使得污泥中的水分溶出至所述液态二甲醚中，经过固液分离获得液态二甲醚与所述从污泥中溶出的水分的混合物，将该混合物通入蒸馏塔中蒸发出二甲醚气体，再将该二甲醚气体压缩冷却使其液化，再循环利用该液化的二甲醚。由于二甲醚可以比较容易地从液体转变为气体，所述方法相较于传统热干燥的方式大大地降低了能耗，然而整体的能耗仍然不低，应还有降低的空间。

因此，希望提供一种更加节能的方式来降低污泥等含水物质中的水含量。

发明内容

一方面，一种用来降低含水和固体的物质中的水含量的方法包括：(a)将所述含水和固体的物质与液化气体溶剂混合，以获得混合物，并使得所述含水和固体的物质中的至少部分水被萃取到所述液化气体溶剂中；(b)将所述混合物分离成水含量减少的物质和水含量增加的溶剂，该水含量增加的溶剂包括所述液化气体溶剂和萃取自所述含水和固体的物质中的水；(c)通过改变所述水含量增加的溶剂的温度，来将所述水含量增加的溶剂分离成富液化气体溶剂的相和富水相，并在所述改变温度的过程中保持温度低于所述液化气体溶剂在该过程的压力下的沸点；及(d)使至少部分所述富液化气体溶剂的相返回到步骤(a)中用作溶剂。

另一方面，一种用来降低含水和固体的物质中的水含量的系统包括：萃取装置，用来将所述含水和固体的物质与液化气体溶剂混合，以获得混合物，并使得所述含水和固体的物质中的至少部分水被萃取到所述液化气体溶剂中；固液分离装置，用来将所述混合物分离成水含量减少的物质和水含量增加的溶剂，该水含量增加的溶剂包括所述液化气体溶剂和萃取自所述含水和固体的物质中的水；液液分离装置，用来通过改变所述水含量增加的溶剂的温度，来将所述水含量增加的溶剂分离成富液化气体溶剂的相和富水相，并在所述改变温度的过程中保持温度低于所述液化气体溶剂在该过程的压力下的沸点；及回收装置，用来使至少部分所述富液化气体溶剂的相返回到萃取装置中用作溶剂。

附图说明

当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面及优点将变得更好理解，在附图中，相同的元件标号在全部附图中用于表示相同的部件，其中：

图1显示了根据本发明的一个实施例的一种用来降低含水和固体的物质中的水含量的系统。

图2显示了根据本发明的一个实施例的一种用来降低含水和固体的物质中的水含量的方法的流程图。

图3显示了一个实例中分别用不含油的液态二甲醚和含油的液态二甲醚为溶剂对含水的污泥进行萃取处理后污泥中的水含量。

图4显示了一个实例中由水、原油和液态二甲醚组成的混合液体的水量在温度变化前后的变化。

具体实施方式

以下将对本发明的具体实施方式进行详细描述。除非另作定义，在本文中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“或”、“或者”并不意味着排他，而是指存在提及项目(例如成分)中的至少一个，并且包括提及项目的组合可以存在的情况。“包括”、“包含”、“具有”、或“含有”以及类似的词语是指除了列于其后的项目及其等同物外，其他的项目也可在范围内。

本文中所使用的近似性的语言可用于定量表述，表明在不改变基本功能的情况下可允许数量有一定的变动。因此，用“大约”、“约”、“左右”等语言所修正的数值不限于该准确数值本身。此外，在“大约第一数值到第二数值”的表述中，“大约”同时修正第一数值和第二数值两个数值。在某些情况下，近似性语言可能与测量仪器的精度有关。本文中所提及的数值包括从低到高一个单元一个单元增加的所有数值，此处假设任何较低值与较高值之间间隔至少两个单元。

本文中列举的所有的从最低值到最高值之间的数值，是指当最低值和最高值之间相差两个单位以上时，最低值与最高值之间以一个单位为增量得到的所有数值。比如，像温度、气压、时间等类似的组件的数量和过程的数值等，当我们说1到90时，指代的是例如15到85、22到68、43到51、30到32等类似的枚举数值。当数值小于1时，一个单位可以是0.0001、0.001、0.01或0.1。这里只是做为特殊举例来说明。在本文中列举出的数字是指用类似的方法得到的在最大值和最小值之间的所有可能的数值组合。

本发明的实施例涉及一种降低含水和固体的物质中的水含量的方法和系统。该含水和固体的物质中可能还含有油等有机物。在所述方法和系统中，采用液化气体溶剂来从所述含水和固体的物质中萃取水，或进一步地，同时萃取水和有机物，然后在所述液化气体溶剂保持为液态的情况下，改变该含有萃取的水(和有机物)的液化气体溶剂的温度来将其分离成富液化气体溶剂的相和富水相，其中所述富液化气体溶剂的相可回收再用来作为萃取的溶剂。在所述改变温度的过程中，温度始终低于所述液化气体溶剂在其操作压力下的沸点，因而是在所述液化气体溶剂保持为液态的情况下进行的液液分离，相比将液化气体溶剂蒸发进行分离，然后再将蒸发的溶剂液化后重复利用的方式，可明显地减少能量消耗。特别地，在一些实施例中，所述改变温度是指降低温度，该降低温度的过程中释放的热量还可用于系统中加热其他需要加热的物质，因而可以进一步地减少能耗。

所述“液化气体溶剂”是指常温常压下为气体的物质液化形成的液体溶剂。在一些实施例中，“常温常压”是指温度在20℃到25℃的范围，压力为1个大气压。所述液化气体溶剂至少可以溶解一定量的水。特别地，所述液化气体溶剂不仅可以溶解一定量的水，还可以溶解一定量的有机物，即，在一些实施例中，所述液化气体溶剂至少可以溶解一定量的水和一定量的有机物。

所述溶剂可包括二甲醚、甲基乙基醚、甲醛、甲胺、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、甲烯、乙烯、丙烯、丁烯和一氯甲烷中的至少一种。在一些实施例中，所述溶剂包括二甲醚、甲基乙基醚和甲醛中的至少一种。在一些具体的实施例中，所述溶剂包括二甲醚。

图1显示了根据本发明一个实施例的一种可用来降低含水和固体的物质中的水含量的系统100。该系统100包括液化装置101，用来将常温常压下为气体的物质液化，形成液化气体溶剂103。该系统100还包括萃取装置107，可接收所述液化气体溶剂103和有待降低水含量的含水和固体的物质105，并使得二者混合形成混合物109，在此过程中，所述含水和固体的物质中的至少部分水和有机物(若有)被萃取到所述液化气体溶剂103中，从而降低了所述含水和固体的物质中的水含量。该系统100还包括固液分离装置111，用来将所述混合物109分离成水含量降低的的物质113和水含量增加的溶剂115，该水含量增加的溶剂中包含所述液化气体溶剂和萃取自所述含水和固体的物质中的水。该系统100还包括液液分离装置119，用来接收所述水含量增加的溶剂115，并在保持所述液化气体溶剂为液态的情况下通过改变所述水含量增加的溶剂115的温度以将水从其中分离出来，从而将该水含量增加的溶剂115分离成富水相121和富液化气体溶剂的相123。其中，所述富水相121中水的含量比所述水含量增加的溶剂115中的高，所述富液化气体溶剂的相123中液化气体溶剂的含量比所述水含量增加的溶剂115中的高。可用回收装置124将至少部分所述富液化气体溶剂的相123循环回所述萃取装置107中用作溶剂。

在一些实施例中，所述固液分离装置111通过过滤、沉降、旋风分离等物理分离方法将混合物109分离成所述物质113和溶剂115，其可包括过滤装置、沉降装置、旋风分离装置等固液分离装置中的至少一种。在一些实施例中，在所述液液分离装置119中的分离过程保持压力基本不变，而仅改变所述水含量增加的溶剂115的温度，并同时保持该水含量增加的溶剂115的温度低于当时压力下所述液化气体溶剂的沸点，以使所述液化气体溶剂保持为液态。

在一些实施例中，在所述液液分离装置119中，是通过降低所述水含量增加的溶剂115的温度来将水从其中分离出来的。在一些实施例中，可将所述水含量增加的溶剂115的温度降低约10-40℃以将水从其中分离出来。在一些实施例中，可将所述水含量增加的溶剂115的温度从，比如，约40-50℃，降低到约0-10℃的范围。

在一些实施例中，所述系统100还可进一步包括热交换装置117，用来使得所述要从液液分离装置119流回萃取装置107的富液化气体溶剂的相123与所述要从固液分离装置111流向液液分离装置119的水含量增加的溶剂115之间发生热交换，使得所述水含量增加的溶剂115的温度降低，而所述富液化气体溶剂的相123的温度升高。在一些实施例中，还可进一步设置其它热交换装置，以尽可能地利用系统100中的热量，提高能量效率，减少能耗。在一些实施例中，可进一步设置冷却装置131来进一步降低所述水含量增加的溶剂115的温度。在一些实施例中，可进一步设置加热装置132来进一步提高所述富液化气体溶剂的相123的温度。

若所述含水和固体的物质105中还含有油脂等有机物，在萃取的过程中，其中的至少部分有机物也被萃取到所述液化气体溶剂中，因此所述固液分离装置111中获得的水含量增加的溶剂115中也含有来自所述含水和固体的物质105中的有机物，在液液分离装置119中对所述水含量增加的溶剂115进行分离时，其中的有机物主要进入所述富液化气体溶剂的相123中，然而所述有机物的存在基本不影响所述富液化气体溶剂的相123对水的萃取能力，因此可不对其中的有机物进行分离而直接将所述富液化气体溶剂的相123循环回萃取装置中用作溶剂。在所述富液化气体溶剂的相123经过多次循环使用后，其中的有机物浓度不断升高，直至接近或达到饱和的程度，不能再很有效地萃取含水物质105中的有机物，此时，可对所述富液化气体溶剂的相进行蒸发处理，比如，通过加热、泄压等方法从其中蒸发出所述溶剂以获得气态的所述溶剂。液化所获得的气态溶剂，可将至少部分所述液化的气态溶剂循环回所述萃取装置107中使用。

在一些实施例中，如图1所示，所述系统100进一步包括蒸发装置125，用来在所述富液化气体溶剂的相123富集了来自所述含水和固体的物质105中的至少一种有机物，且所述至少一种有机物的浓度达到一定值时，从所述富液化气体溶剂的相123中蒸发出所述溶剂，以获得气态的所述溶剂127，而使其中的有机物保持为液态，从而将所述溶剂127与所述有机物129分离。该气态溶剂127可在所述液化装置101中被液化后再进入所述萃取装置107使用。

具体地，在一些实施例中，可预先根据含水和固体的物质105中的有机物浓度等信息估算所述富液化气体溶剂的相123在大约经过多长时间的连续循环或多少个所述循环周期后，其中的有机物浓度会达到一个预定值，比如，达到饱和值或达到一个接近饱和的值。这样，在一定条件下操作系统100来降低含水和固体的物质105中的水含量时，可在每达到所述循环时间或循环周期时，便将该富液化气体溶剂的相123输入蒸发装置125进行蒸发。在一些实施例中，也可实时检测所述富液化气体溶剂相中的有机物浓度，并将该浓度与预定的参考值(比如，所述有机物在所述液化气体溶剂中的溶解度)进行比较，以此判断何时将所述富液化气体溶剂的相123输入蒸发装置125进行蒸发处理，比如，可在检测浓度大于等于参考值时将所述富液化气体溶剂的相123输入蒸发装置125进行蒸发。因此，系统100可进一步包括检测系统或装置(未图示)来实施所述实时检测。

所述水含量增加的溶剂115中的一部分可能会直接进入所述蒸发装置125进行蒸发。比如，可使所述水含量增加的溶剂115中的约1-50％(或进一步地，约1-30％)直接进入所述蒸发装置125进行蒸发，而剩余的部分仍进入所述液液分离装置119中进行所述液液分离。在一些实施例中，所述液化装置101接收一定量的补充气体溶剂(新鲜气体溶剂，不来自系统100的内部循环)，将其液化后输入所述萃取装置107中作为补充的液化气体溶剂，并使得后端的所述水含量增加的溶剂115中的一部分直接进入所述蒸发装置125进行蒸发，以维持系统的平衡。

本发明实施例还涉及相应的用来降低含水和固体的物质中的水含量的方法，该方法包括：(a)将含水和固体的物质与液化气体溶剂混合，以获得混合物，并使得所述含水和固体的物质中的至少部分水被萃取到所述液化气体溶剂中；(b)将所述混合物分离成水含量减少的物质和水含量增加的溶剂，该水含量增加的溶剂包括所述液化气体溶剂和萃取自所述含水和固体的物质中的水；(c)通过改变所述水含量增加的溶剂的温度，将所述水含量增加的溶剂分离成富液化气体溶剂的相和富水相，并在所述改变温度的过程中保持温度低于所述液化气体溶剂在该过程的压力下的沸点；及(d)使至少部分所述富液化气体溶剂的相回到步骤(a)中用作溶剂。

若所述含水和固体的物质还包含有机物，至少部分所述有机物也会和水一起被萃取到所述液化气体溶剂中，因此所述水含量增加的溶剂包含所述至少部分有机物，在这样的情况下，所述方法还可进一步包括：(e)重复所述步骤(a)至(d)直至所述富液化气体溶剂的相中的有机物浓度达到预定值；(f)从所述步骤(e)之后的富液化气体溶剂的相中蒸发出所述溶剂，以获得气态的所述溶剂；(g)液化所述步骤(f)中获得的气态溶剂，并使至少部分所述液化的气态溶剂返回到步骤(a)中用作溶剂。

在一些实施例中，如图2所示，所述方法可包括：在步骤201中，将含水和固体的物质与液化气体溶剂混合，以获得混合物，并使得所述含水和固体的物质中的至少部分水被萃取到所述液化气体溶剂中；在步骤202中，将所述混合物分离成水含量减少的物质和水含量增加的溶剂，该水含量增加的溶剂包括所述液化气体溶剂和萃取自所述含水和固体的物质中的水；在步骤203中，通过改变所述水含量增加的溶剂的温度，将所述水含量增加的溶剂分离成富液化气体溶剂的相和富水相，并在所述改变温度的过程中保持温度低于所述液化气体溶剂在该过程的压力下的沸点；在步骤204中，当所述富液化气体溶剂的相中的有机物浓度还未达到预定值时，使至少部分所述富液化气体溶剂的相回到步骤201中用作溶剂；以及在步骤205中，当所述富液化气体溶剂的相中的有机物浓度达到所述预定值时，从所述富液化气体溶剂的相中蒸发出所述溶剂，以获得气态的所述溶剂。此外，还可在步骤206中液化所述步骤205中获得的气态溶剂，在步骤207中使至少部分所述步骤206中液化的气态溶剂回到步骤201中用作溶剂。

所述方法中的具体步骤和操作可与前文结合所述系统100描述的流程中的相同或相似，在此不再赘述。

前述实施例中的系统或方法通过使用大量的液化气体溶剂并多次循环使用这些液化气体溶剂，不仅可以减少所处理的物质中的水，还可以减少该物质中的油脂等有机物，并可能获得可再利用的水和油。比如，所述系统或方法用于处理油田中产生的含油污泥时，所获得的油还可以循环回原油处理系统中再利用。此外，前述实施例中的系统或方法降低了蒸发液化气体溶剂和再液化该气体溶剂所需的能耗，且前述萃取装置107中所进行的混合和萃取、固液分离装置111和液液分离装置119中所进行的分离、以及回收装置124中所进行的溶剂循环利用等都可在低能耗的温度和压力下进行，比如，可在约0℃到50℃的温度范围以及在可使所述液化气体溶剂保持液相的压力下进行，因而可以进一步降低能耗。其中，所述使液化气体溶剂保持液相的压力是指高于所述液化气体溶剂在其所在温度下的饱和蒸汽压的压力。因此，所述系统和方法的整体能耗很低，相比直接蒸发再液化的方法回收利用液化气体溶剂的系统和方法具有成本优势。

实例1

在本实例中，分别用不含油的液态二甲醚和添加了20wt％油的液态二甲醚为溶剂，对含37.4wt％水的污泥进行萃取处理以降低污泥中的水含量，并比较二者降低水含量的能力。在温度为8℃，压力为0.4Mpa的操作条件下，以二甲醚：污泥＝10：1的重量比将液态二甲醚与待处理污泥进行混合，最后分别获得含2.4wt％水的污泥和含2.5wt％水的污泥。如图3所示，以不含油的液态二甲醚为溶剂处理后的污泥中的水含量降为2.4wt％，以添加了20wt％油的液态二甲醚为溶剂处理后的污泥中的水含量降为2.5wt％，这表明，用含有油的二甲醚进行萃取除水的效果与用不含油的二甲醚基本一样好。

实例2

在本实例中，将盛于容器中的由2.5g水、2.5g原油和33g液态二甲醚组成的混合液体从20℃降低到2℃，结果如图4所示，温度降低后，容器底部的水量明显增多，表明通过降低温度可让水从含油的液态二甲醚中分离出来。这表明，即使在有油存在的情况下，也可以通过降低温度来将水从二甲醚中分离出来。

本说明书用具体实施例来描述发明，包括最佳模式，并且可以帮助任何熟悉本发明工艺的人进行实验操作。这些操作包括使用任何装置和系统并且使用任何具体化的方法。本发明的专利范围由权利要求书来定义，并可能包括其它发生在本技术领域的例子。如果所述其它例子在结构上与权利要求书的书面语言没有不同，或者它们有着与权利要求书描述的相当的结构，都被认为是在本发明的权利要求的范围中。

Claims (15)

1.一种用来降低含水和固体的物质中的水含量的方法，该方法包括：

(a)将所述含水和固体的物质与液化气体溶剂混合，以获得混合物，并使得所述含水和固体的物质中的至少部分水被萃取到所述液化气体溶剂中；

(b)将所述混合物分离成水含量减少的物质和水含量增加的溶剂，该水含量增加的溶剂包括所述液化气体溶剂和萃取自所述含水和固体的物质中的水；

(c)通过改变所述水含量增加的溶剂的温度，来将所述水含量增加的溶剂分离成富液化气体溶剂的相和富水相，并在所述改变温度的过程中保持温度低于所述液化气体溶剂在该过程的压力下的沸点；及

(d)使至少部分所述富液化气体溶剂的相返回到步骤(a)中用作溶剂。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述含水和固体的物质还含有至少一种有机物，将所述含水和固体的物质与液化气体溶剂混合的步骤包括使得至少部分所述有机物被萃取到所述液化气体溶剂中，所述水含量增加的溶剂包含所述至少部分有机物。

3.如权利要求2所述的方法，其进一步包括：(e)重复所述步骤(a)至(d)直至所述富液化气体溶剂的相中的有机物浓度达到预定值。

4.如权利要求3所述的方法，其进一步包括：(f)从所述步骤(e)之后的富液化气体溶剂的相中蒸发出所述溶剂，以获得气态的所述溶剂。

5.如权利要求4所述的方法，其进一步包括：(g)液化所述步骤(f)中获得的气态溶剂，并使至少部分所述液化的气态溶剂返回到步骤(a)中用作溶剂。

6.如权利要求2所述的方法，其中，所述至少一种有机物包括至少一种油。

7.如权利要求1所述的方法，其中，所述液化气体溶剂包括二甲醚、甲基乙基醚、甲醛、甲胺、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、甲烯、乙烯、丙烯、丁烯、一氯甲烷、或它们的任意组合。

8.如权利要求1所述的方法，其中，所述液化气体溶剂包括二甲醚、甲基乙基醚、甲醛、或它们的任意组合。

9.如权利要求1所述的方法，其中，改变所述水含量增加的溶剂的温度包括降低所述水含量增加的溶剂的温度。

10.如权利要求9所述的方法，其包括将所述水含量增加的溶剂的温度降低到0-10℃的范围。

11.如权利要求9所述的方法，其中，降低所述水含量增加的溶剂的温度包括使所述水含量增加的溶剂与所述步骤(c)中获得的富液化气体溶剂的相之间发生热交换。

12.一种用来降低含水和固体的物质中的水含量的系统，该系统包括：

萃取装置，用来将所述含水和固体的物质与液化气体溶剂混合，以获得混合物，并使得所述含水和固体的物质中的至少部分水被萃取到所述液化气体溶剂中；

固液分离装置，用来将所述混合物分离成水含量减少的物质和水含量增加的溶剂，该水含量增加的溶剂包括所述液化气体溶剂和萃取自所述含水和固体的物质中的水；

液液分离装置，用来通过改变所述水含量增加的溶剂的温度，来将所述水含量增加的溶剂分离成富液化气体溶剂的相和富水相，并在所述改变温度的过程中保持温度低于所述液化气体溶剂在该过程的压力下的沸点；及

回收装置，用来使至少部分所述富液化气体溶剂的相返回到萃取装置中用作溶剂。

13.如权利要求12所述的系统，其进一步包括蒸发装置，用来在所述富液化气体溶剂的相富集了来自所述含水和固体的物质中的至少一种有机物，且该至少一种有机物的浓度达到预定值时，从所述富液化气体溶剂的相中蒸发出所述溶剂，以获得气态溶剂。

14.如权利要求13所述的系统，其进一步包括液化装置，用来液化所述蒸发装置中获得的的气态溶剂，以获得可用于所述萃取装置中的液化气态溶剂。

15.如权利要求12所述的系统，其进一步包括热交换装置，用来使得所述要从固液分离装置流向液液分离装置的水含量增加的溶剂与所述要从液液分离装置返回萃取装置的富液化气体溶剂的相之间发生热交换。