KR102129505B1 - 원유 및 천연 가스 공정 시설에서 생산수처리 공정 - Google Patents

Abstract

본 발명의 구현 예들은 처리수 스트림의 제조방법을 제공한다. 상기 방법은 수상에 용해된 적어도 하나의 물질을 포함하는 피드 스트림을 수용하는 단계; 및 처리수 스트림 및 농축 스트림을 생산하기 위해, 가장 낮은 온도 및 압력으로부터 가장 높은 온도 및 압력으로 작동중에 배열된 다수의 스테이지에서 급수 스트림을 가공처리하는 단계를 포함한다. 각 스테이지는 용기, 열교환기, 증발기, 및 응축기를 포함한다. 각 증발기는 직접 가열 또는 간접 가열 중 하나를 사용하여 상당량의 물을 증발시키도록 배열된다. 각 응축기는 연속적인 스테이지에 의해 발생된 스팀의 적어도 일부를 응축시키도록 배열된다. 다양한 구현 예들에 따르면, 상기 다수의 스테이지는 직렬로 배열된다. 다른 구현 예들에 있어서, 상기 다수의 스테이지는 병렬로 배열된다.

Description

원유 및 천연 가스 공정 시설에서 생산수처리 공정 {Produced water treatment process at crude oil and natural gas processing facilities}

본 발명의 구현 예들은 일반적으로 물 담수화에 관한 것이다. 좀더 구체적으로는, 본 발명의 구현 예들은 원유 및 천연 가스 생산 시설에서 이용가능한 생산 염수 (produced brine)로부터, 감수 (sweet water) (이하 또한 "처리수"라 한다)의 생산을 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

감수는 원유로부터 염을 제거하기 위해 가스 오일 분리 설비 (이하 "GOSP"라 한다)에 사용된다. 전통적으로, 물은 외부 공급원, 예를 들어, 멀리 떨어진 대수층 (distant aquifer) 또는 해수 담수화 설비 (seawater desalination plant)로부터 제공되고, 비-제한 예로서, 다-단계 플래쉬 증류 (distillation) 시스템, 다중-효용 증류 시스템, 또는 증기 압축 시스템과 같은, 예를 들어, 열 담수화 시스템인, 담수화 시스템을 사용하여 처리된다.

현재, 다양한 상업적 공정은 오일 저장소 (oil reservoir)의 스팀 보조 중력식 배수 (steam assisted gravity drainage) (SAGD)의 단독 적용을 위한 스팀 발생에 사용된다. 이러한 적용은 1989에서 예로서 먼저 언급되었다. 상기 공정은 증기-압축 증발기를 사용하기 위해 2000년대 초기에 더욱 개발되었고, 계속적으로 개선되어 왔다.

도 1은 종래의 열 담수화 시스템: 다-단계 플래쉬 증류 시스템의 개략적인 다이어그램이다. 도 1에서 나타낸 바와 같이, 상기 다-단계 플래쉬 증류 시스템은 다중 증발 챔버들을 포함하고, 이중 가장 차가운 것이 피드 스트림 (feed stream)에서 해수 (sea water)를 수용한다. 상기 해수는 직렬의 열교환기 튜브를 통해 흐르고, 외부 열교환기, 예를 들어, 도 1에서 "가열 스팀"으로 표시된 - 염수 히터에 도달하기 전에 각 스테이지에서 가열된다. 상기 염수 히터는 급수 (feed water)가 제1 증발 챔버로 유입된 경우 상기 급수를 증발시키기 위해, 제1 스테이지에서의 온도 및 압력과 비교하면서, 상기 급수를 과열시킨다. 이러한 종래의 시스템에서 연속적인 증발 챔버들은 고온부의 제1 스테이지 (즉, 도 1의 좌측)로부터 저온부의 마지막 스테이지 (즉, 도 1의 우측)까지 압력의 수준을 연속적으로 감소시켜 작동된다. 각 스테이지에서 생산 스팀 (produced steam)은 개별의 증발 챔버의 상부에 배열된 열교환기에서 액체 담수로 응축된다. 상기 염수는 가장 차가운 스테이지에 도달할 때까지 추가 증발을 위한 다음 스테이지로 순환되고, 그 다음 나중에 상기 시스템을 떠난다. 각 스테이지에서 생산된 담수 (fresh water)는 "증류" 라인에서 합쳐지고, 상기 가장 차가운 스테이지를 통해 상기 시스템을 떠난다.

도 2는 또 다른 종래의 열 담수화 시스템: 다중-효용 증류 시스템의 개략적인 다이어그램이다. 도 2에서 나타낸 바와 같은, 다중-효용 증류 시스템은, 연속적인 셀들 (cells)이 제1 고온 챔버 (즉, 도 2의 좌측)로부터 마지막 저온 챔버 (즉, 도 2의 우측)로 감소하는 수준의 압력 및 온도에서 작동된다는 점에서, 도 1에서 나타낸 다수의-스테이지 플래쉬 증류 시스템과 유사한 모드에서 작동한다. 종래의 시스템에 따르면, 각 챔버는 해수로 분무되는 수평적 고온 튜브 번들을 함유한다. 열 스팀은 고온 튜브 번들의 튜브 내로 흐르고, 이에 의해 하나의 스테이지로부터 생산된 스팀은 액체 처리수로 응축되는 더 낮은 온도 및 압력에서 다음 스테이지로 전달된다. 해수 증발로부터의 주어진 스테이지에서 생산된 스팀은 다음 스테이지보다 더 높은 온도에 있고, 따라서, 후속 스테이지를 위한 가열 유체로 사용될 수 있다. 최종 응축기 (condenser) 단계의 배출구에서, 데워진 해수 흐름의 일부는 공정의 유입구로 재순환하기 위해 사용될 수 있는 반면, 다른 일부는 일반적으로 바다로 방출된다. 염수 및 증류수는 공정에서 마지막 스테이지에서 수집되고, 다중-효용 증류 시스템에서 펌프로 퍼낸다.

도 3은 또 다른 종래의 열 담수화 시스템: 증기 압축 시스템의 개략적인 다이어그램이다. 도 3에서 나타낸 바와 같이, 상기 증기 압축 시스템은, 열이 외부 공급원으로부터 이용가능할 수 없는 경우, 일반적으로 사용된다. 상기 증기 압축 시스템의 작동 원리는 도 2에 나타낸 다중-효용 증류 시스템과 매우 유사하다. 그러나, 증기 압축 시스템의 주된 장점은 스팀이 마지막 스테이지로부터 추출되고, 제1 (즉, 가장 고온) 챔버 압력 이상의 압력까지 압축되는 것이다. 이것은 상기 스팀을 상기 증기 압축 시스템의 제1 스테이지 챔버에 열 공급원으로 재-사용하게 한다.

이들 종래의 열 담수화 시스템의 각각은 외부 공급원으로부터 담수를 운반하기 위해 복합 기반시설을 요구하고, GOSP 시설에 사용하기 위한 처리수를 생산하기 위해 대량의 외부 에너지를 소비한다. 예를 들어, 종래의 담수화 설비는 사용 장소에 담수화된 물을 수송하는 에너지 비용이 반드시 부가되는, 담수화된 해수의 4 kWh/㎥의 에너지 소비를 특징으로 한다. 그러므로, (원격지로부터 GOSP 설비까지 담수를 공급하기 위해 시스템 및 파이프라인 기반시설의 제거에 기인한) 감소된 비용, 예를 들어, 건설, 작동, 및 유지 비용에서 작동하고, 처리수를 발생시키기 위해 더 적은 외부 에너지를 요구하는, 원유 및 천연 가스 생산 시설에 이용가능한 생산 염수로부터 처리수를 생산하기 위한 개선된 시스템 및 방법이 필요하다.

일반적으로, 본 발명의 구현 예들은 원유 및 천연 가스 생산 시설에서 이용가능한 생산 염수로부터, 처리수의 인-시튜 (in-situ) 생산을 위한 시스템 및 방법을 제공한다.

특히, 본 발명의 구현 예들은 저렴한 비용, 예를 들어, 건설, 작동, 및 유지 비용들, 및 종래의 열 담수화 시스템과 비교하여 낮은 에너지 소비 벌금으로 인-시튜 처리수를 생산하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 여기에 기재된 다양한 구현 예들에 따른 시스템 및 방법들을 혼입하는, GOSP 시설은, 처리수의 자급자족 생산회사이어서, 담수 우물을 천공할 필요, 대수층 매장량의 고갈, 또는 원격지로부터 담수를 이동시킬 필요를 효과적으로 제거하고, 및 환경상에 덜한 영향을 갖는다. 따라서, 상기 처리수의 생산과 연관된 에너지 비용은, 예를 들어, 1년 기준으로 4 kWh/㎥로부터 0.2 kWh/㎥로 상당히 감소된다.

여기에 기재된 다양한 구현 예들에 따른 시스템 및 방법들은 상기 GOSP 시설 내에서 원하는 처리수를 발생시키는데 요구된 에너지를 최소화시키기 위해 다른 압력 및 온도에서 작동하는 증발 및 응축 스테이지들을 혼입한다. 이들 시스템 및 이들 방법들에 따라 발생된 열은 상기 GOSP 시설 내에서 에너지 소비를 더욱 최소화하기 위해 생산수로부터 스팀을 생산하고 물을 증발시키는데 사용되어, 상기 GOSP 시설 내에 원하는 처리수를 발생시키기 위한 외부 에너지 공급원에 대한 필요를 효과적으로 제거한다. 어떤 구현 예에 있어서, 증발/응축 스테이지들은 직렬로 조합되는 반면, 다른 면에서 상기 증발/응축 스테이지들은 병렬로 조합된다. 어떤 구현 예에 따르면, 각 스테이지는 다른 압력에서 작동하고, 이에 의해 상기 시스템은 외부 적용들을 위한 원하는 처리수를 가공처리하고 발생시키기 위한 다른 온도에서 발생된 폐열을 사용한다.

어떤 구현 예에 따르면, 상기 폐열은 상기 GOSP 시설 내에서 처리수를 발생시키기 위한 에너지의 주공급원으로 제공되며, 가스 압축기 방출 스팀, 원유 생산 스트림, 및/또는 생산수 스트림 (produced water stream)에서 이용가능하다. 상기 발생된 스팀은 원하는 처리수를 발생시키기 위해 공기 및/또는 물 및/또는 해수 응축기에 의해 내부적으로 및 전체적으로 부분 응축된다. 상기 처리수는 나중에 다양한 적용들, 예를 들어, 원유 탈염 및 염수-원유 분리 공정의 열적 향상 (thermal enhancement)에 사용될 수 있거나, 또는 상기 GOSP 시설 내에서 또는 외부 적용, 예를 들어, 농축된 소금물, 예를 들어, 염수, 또는 비상 저수기 (emergency water reservoir)용 물의 공급원으로서 증류수의 생산을 위한 부가적인 과제를 완성하거나, 또는 향상된 오일 회수를 위한 스팀을 생산하기 위해 다른 공급원으로부터의 담수와 혼합될 수 있다.

여기에 기재된 다양한 구현 예들에 따른 시스템 및 방법들은, 생산수가, 예를 들어, 1 부피%의 원유 및 용해된 가스의 양을 함유하는 경우에서도, 예를 들어, 정제, 처리 등으로 사전에 가공처리되지 않은 생산수를 처리하는데 효과적이다. 다양한 구현 예들은 상기 염수에 함유된 실질적인 양의 오일 (즉, 상기 염수에 함유된 오일의 35% 이상 회수)을 회수하는 시스템 및 방법을 제공한다.

따라서, 하나의 구현 예에 따르면, 처리수 스트림을 생산하는 방법은 제공된다. 상기 방법은 수상 (water phase)에서 혼합된 적어도 하나의 물질을 포함하는 피드 스트림을 수용하는 단계; 및 처리수 스트림 및 농축 스트림 (concentrated stream)을 생산하기 위해, 가장 낮은 온도 및 압력으로부터 가장 높은 온도 및 압력으로 작동중에 배열된 다수의 스테이지에서 급수 스트림 (feed water stream)을 가공처리하는 단계를 포함한다. 각 스테이지는 용기 (vessel), 열교환기, 증발기, 및 응축기를 포함한다. 각 증발기는 직접 가열 또는 간접 가열 중 하나를 사용하여 상당량의 물을 증발시키도록 배열된다. 각 응축기는 연속적인 스테이지에 의해 발생된 스팀의 적어도 일부를 응축시키도록 배열된다.

어떤 구현 예에 있어서, 상기 다수의 스테이지는 직렬로 배열되고, 여기서 상기 급수 스트림을 수용하는 제1 스테이지는 다른 스테이지들과 비교하여 가장 낮은 온도 및 압력에서 작동된다.

어떤 구현 예에 있어서, 상기 다수의 스테이지는 병렬로 배열되고, 각 스테이지는 동일한 공급원으로부터 상기 급수 스트림을 수용하도록 배열되며, 서로 열교환되도록 더욱 배열된다.

어떤 구현 예에 있어서, 상기 가공처리 단계는 상기 급수 스트림을 다른 스테이지들과 비교하여 가장 낮은 온도 및 압력에서 작동되는 제1 스테이지로 공급시키는 단계를 더욱 포함한다. 상기 제1 스테이지의 증발기는 제1 처리수 스트림을 생산하기 위해 제1 스테이지의 응축기에 의해 응축된 수증기 스트림을 생산하도록 배열된다. 상기 가공처리 단계는 제1 스테이지의 증발기로부터 농축된-염수를 추출하는 단계 및 상기 농축된-염수 피드 스트림을 제2 스테이지의 증발기로 공급시키는 단계를 더욱 포함한다. 상기 제2 스테이지는 다수의 스테이지에 대해서(for the plurality of stages) 연속적인 스테이지의 증발기로 공급되는 연속적인 농축된-염수 스트림 및 부가적인 처리수 스트림을 생산하기 위해 제1 스테이지보다 더 높은 온도 및 압력을 포함한다. 각 연속적인 스테이지는 선행 스테이지보다 더 높은 온도 및 압력을 포함한다. 각 연속적인 스테이지의 증발기는 다수의 스테이지에 대해서(for the plurality of stages) 연속적인 스테이지의 증발기로 공급되는 연속적인 농축된-염수 스트림 및 부가적인 처리수 스트림을 생산하도록 배열된다. 더욱이, 상기 가공처리 단계는 다른 스테이지들과 비교하여 가장 높은 온도 및 압력을 갖는 스테이지의 증발기로부터의 농축된-염수 스트림으로부터 염수를 추출하는 단계를 더욱 포함한다. 상기 추출된 염수는 다수의 스테이지의 각각의 증발기로 공급되는 농축된-염수 스트림을 가열하기 위한 에너지를 제공하기 위해 사용된다.

어떤 구현 예에 있어서, 상기 다른 스테이지들과 비교하여 가장 높은 온도 및 압력을 갖는 스테이지로부터 추출된 염수는 가장 높은 온도 및 압력으로부터 가장 낮은 온도 및 압력으로 다수의 스테이지들의 증발기로 에너지를 제공하는데 사용된다.

어떤 구현 예에 있어서, 각 증발기는 전기 가열, 열 캐리어 유체 (heat carrier fluid)로부터의 대류 가열, 연소, 및 산화 중 적어도 하나에 의해 제공된 직접 가열을 사용하도록 배열된 보상 가열 시스템 (compensating heating system)을 포함한다.

어떤 구현 예에 있어서, 상기 급수 스트림은 염류 대수층 (saline aquifer), 산업 공정으로부터의 담함수 (brackish water)의 스트림, 또는 유기 오염물을 포함하는 물의 혼합물 중 하나로부터 생산된 염수(brine water)의 스트림이다.

어떤 구현 예에 있어서, 상기 급수 스트림은 가스 생산 분야 또는 원유 생산 분야 중 하나로부터 생산된 염수의 스트림이다.

어떤 구현 예에 있어서, 상기 급수 스트림은 원유 및 천연 가스 공정 시설에서 이용가능한 생산수 스트림이고, 상기 급수 스트림은 액체 또는 용해된 탄화수소 또는 첨가 화학제 중 하나를 포함하며, 상기 생산수 스트림은 압력 호기 스트림 또는 혐기 스트림 (pressure aerobic or anaerobic stream) 중 하나이다.

어떤 구현 예에 있어서, 상기 급수 스트림은 수상 및 또 다른 비혼화성 또는 부분 혼화성 유체 상을 포함한다. 상기 비혼화성 또는 부분 혼화성 유체 상은, 1 ppmv (ppm based on volume) 내지 10 ppmv 범위의 비율로, 분산된 고체 입자, 비-용해된 가스상, 또는 오일 상 중 하나를 포함한다. 상기 처리수 스트림의 생산방법은 물 및 또 다른 비혼화성 또는 부분 혼화성 유체 상을 분리하는데 더욱 사용된다.

다양한 구현 예들에 따르면, 상기 다수의 증발기는 0.01 및 0.2 barA (절대 압력) (1 및 20 kPa) 사이에서 작동하도록 배열된 저-압 증발기, 0.1 및 0.5 barA (10 및 50 kPa) 사이에서 작동하도록 배열된 중-압 증발기, 및 0.4 barA (40 kPa) 이상에 작동하도록 배열된 고-압 증발기를 포함한다.

다른 구현 예들에 따르면, 상기 다수의 증발기의 압력 수준의 변화는 현존하는 에너지의 양 및 상기 현존하는 에너지가 원유 및 천연 가스 생산 시설에서 이용가능한 온도에 의존한다.

본 발명의 이들 및 다른 특색, 관점 및 장점들은 다음의 상세한 기술, 첨부된 청구항, 및 첨부된 도면을 참조하여 더욱 이해된다. 그러나, 도면들은 오직 본 발명의 다양한 구현 예를 예시하는 것이고, 따라서 다른 효과적인 구현 예들을 또한 포함할 수 있는 바에 따라 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 고려되지 않는 것에 주목될 것이다.
도 1은 종래의 열 담수화 시스템의 개략적인 다이어그램이다.
도 2는 또 다른 종래의 열 담수화 시스템의 개략적인 다이어그램이다.
도 3은 제3의 종래의 열 담수화 시스템의 개략적인 다이어그램이다.
도 4는, 본 발명의 구현 예에 따른, 다수의 스테이지, 직렬 수처리 시스템의 개략적인 다이어그램이다.
도 5는, 본 발명의 구현 예에 따른, 도 4에서 나타낸 바와 같은, 다수의 스테이지, 직렬 수처리 시스템을 혼입하는, 통합 수처리 시스템의 개략적인 다이어그램이다.
도 6은 본 발명의 구현 예에 따른, 다수의 스테이지, 병렬 수처리 시스템의 개략적인 다이어그램이다.
도 7은 본 발명의 구현 예에 따른, 혼성 수처리 시스템의 개략적인 다이어그램이다.
도 8a 및 8b는, 본 발명의 구현 예에 따른, 탄화수소 함량이 없는, 도 4에서 나타낸 바와 같은, 다수의 스테이지, 직렬의 수처리 시스템의 개략적인 공정 다이어그램이다.
도 9a 및 9b는, 본 발명의 구현 예에 따른, 탄화수소 함량을 갖는, 도 4에서 나타낸 바와 같은, 다수의 스테이지, 직렬의 수처리 시스템의 개략적인 공정 다이어그램이다.

이하 본 발명은, 본 발명의 구현 예를 예시하는, 수반된 도면을 참조하여 좀더 완벽하게 기재될 것이다. 그러나, 이러한 본 발명은 많은 다른 형태로 구체화될 수 있고, 여기에서 서술되는 예시된 구현 예에 제한되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 오히려, 이들 구현 예들은 본 개시된 내용을 철저하고 완전하게 하고, 기술분야의 당업자에게 본 발명의 범주를 완벽하게 전달하기 위해 제공된다. 동일한 숫자는 동일한 요소를 의미한다. 만약 사용된다면, 주요 기호는 선택적인 구현 예들에서 유사한 요소를 가리킨다.

수반하는 도면은 본 발명의 구현 예들의 다양한 구성분을 예시하지만, 다양한 구현 예에 따른, 처리수 생산 시스템의 모든 구성분들 (예를 들어, 밸브, 펌프, 벤트, 커넥터, 등)이 예시되는 것은 아니다. 기술분야의 당업자에게는 부가적인 구성분이 다양한 구현 예에 대해 하기에 논의된 구성분과 연결되고 및/또는 여기에서 논의된 공정 또는 시스템을 최적화하기 위해 요구될 수 있는 것으로 이해될 것이다.

일반적으로 전술된 바와 같이, 본 발명의 구현 예들은 원유 및 천연 가스 생산 시설에서 이용가능한 생산 염수로부터 처리수의 인-시튜 생산을 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 다양한 구현 예들은 다른 온도에서 GOSP 설비에 이용가능한 열을 사용하여 다수의 스테이지 가열을 수행하는 시스템 및 방법을 제공하여, 종래의 열 담수화 시스템 및 공정과 연관된 문제를 다룬다. 다른 온도에서 상기 GOSP에 이용가능한 열을 사용하여, 에너지 손실은 최소화되고, 담수화된 물을 인-시튜 생산하기 위한 공정을 위해 요구된 외부 에너지의 양은 현존하는 오일 및 가스 생산 시설에서 상당히 감소될 수 있다. 어떤 구현 예에 따르면, 상응하는 온도 수준에서 상기 에너지 용량은 GOSP 설비에 다른 최적화된 작동 스켐 (scheme)을 유도한다.

일반적으로 전술된 바와 같이, 종래의 담수화 시스템에서, 소금물 또는 해수는 (즉, 다수의 스테이지 플래쉬 증류 시스템의 경우와 같이) 가장 높은 온도 용기 또는 (다중-효용 증류 시스템의 경우와 같이) 다른 용기와 평행하게 주입되는 동안, 상기 염수는 가장 낮은 온도/압력 용기 또는 챔버로부터 추출된다. 적어도 하나의 구현 예에 따르면, 다수의 스테이지, 직렬 배열은 제공되고, 여기서 상기 소금물은 가장 낮은 온도/압력 용기로 주입되며, 상기 염수는 가장 높은 온도/압력 용기로부터 추출되어, 이를 종래의 담수화 스켐과 상당히 구별시킨다.

하나의 구현 예에 따르면, 다수의 스테이지, 직렬의 배열은 세 수준의 압력, 대기압 아래의 둘 및 대기압에서의 하나를 포함한다. 몇몇 구현 예에 따르면, 대기압 아래의 세 수준의 압력이 있는 반면, 다른 구현 예에 있어서, 대기압 이상의 세 수준의 압력이 있다. 다양한 구현 예들 사이의 압력 수준에서 변화는 상기 GOSP 설비에 이용가능한 에너지의 양 및 상기 에너지가 이용가능한 온도에 기초된다. 바람직한 구현 예에 있어서, 다수의 스테이지, 직렬의 배열은 가장 높은 이용가능한 온도 및 가장 낮은 이용가능한 온도 사이의 차이가 작은 경우, 세 개 대신에, 두 수준의 압력을 포함한다. 다양한 구현 예들에 따르면, 압력의 수준은 매번 삼십 (30) Kelvin 온도 차이를 제공한다. 적어도 하나의 구현 예에 있어서, 가장 낮은 수준의 압력은 0.01 및 0.2 barA (1 및 20 kPa) 사이이고, 중간 수준의 압력은 0.1 및 0.5 barA (10 및 50 kPa) 사이이며, 가장 높은 수준의 압력은 약 0.4 barA (40 kPa) 이상이다. 그러나, 다른 구현 예에 있어서, 부가적인 에너지의 존재 (즉, 내부 및 외부 모두) 및 더 높은 GOSP 작동 압력은 전술된 압력 창 (pressure windows)을 변경시킬 수 있다.

어떤 구현 예들에 따르면, 생산수 열교환기 및 생산수의 사용은 또한 상기 GOSP 설비에서 에너지 이용가능성에 기초한다. 에너지의 공급원으로서 생산수의 사용은 외부 에너지 공급원에 대한 요구를 감소시킨다.

몇몇 구현 예에 있어서, 의미 있는 열 용량 (즉, 열의 양)은 30 Kelvin보다 더 작은 온도 차이에서 특별한 온도에서 (즉, 상 변화 동안) 이용가능하다. 이들 구현 예들에 따르면, 상기 시스템의 배열은 에너지 손실을 최소화하도록 각 온도 수준에 대한 하나의 공정 단계를 포함한다.

적어도 하나의 다른 구현 예에 있어서, 다수의 스테이지, 병렬 배열로 제공되고, 여기서 생산수는, 상기 GOSP 설비에서 에너지 회수를 최대화하기 위하여, 내부 열교환기를 통해 생산수를 미리-조건화된 후에 병렬적으로 용기 또는 챔버에 주입된다. 더군다나, 상기 염수는 또한 고-압 용기 또는 격실 (compartment)로부터 추출된다.

어떤 구현 예에 따르면, 상기 방법 및 시스템들은, 중수도 용수 (gray water) 또는 염수로부터 폐열 또는 열을 사용하여 처리수 생산이 관심인 어떤 장소 또는 산업 설비와 연관하여 활용된다. 여기에 기재된 방법 및 시스템들은 또한 해양 구조물 (off-shore platform)에서 처리된 감수의 인-시튜 생산과 같은, 몇몇 적용에서 해수 담수화를 위해 사용될 수 있다. 다른 구현 예들에 따르면, 여기에 논의된 방법 및 시스템은 어떤 현존하는 폐수 스트림이 상기 혼합물에서 다른 휘발성 유기 성분과 비교하여 물이 대량으로 증발되도록 필수적으로 허용하는 산업에서 사용된다. 적용 및 급수 조성에 의존하여, 발생된 처리수의 품질은 용해된 가스 또는 저 비등점 구성분이 상기 피드 혼합물에 존재하는 경우 필수적으로, 영향을 받는다.

다양한 구현 예들은 이동부 (moving parts)이 없이, 모든 물 담수화 공정에서 일반적 장비인 펌프를 갖는 고정 장비를 포함하는 시스템 및 사용하는 방법을 제공하며, 따라서, 증기 압축 담수화 시스템의 상기 이동부를 유지하는데 필요한 높은 유지 비용을 제거한다.

대부분의 경우에 있어서, 종래의 열 담수화 시스템은 가장 높은 작동 온도에서 단일 에너지 공급원을 사용한다. 반면에, 다양한 구현 예에 따르면, 다른 온도에서 다른 에너지 공급원은 사용되어, 상기 시스템에서 총 에너지 소비를 감소시키고, 따라서, 종래의 열 담수화 시스템에 걸쳐 유리한 성능 및 신뢰도를 제공한다.

종래의 열 담수화 기술은, 이들 기술이 해수를 담수화시키는데 본질적으로 초점을 맞춤에 따라, 상기 급수에 함유된 용해된 탄화수소를 취급하는 문제점을 고려하지 못했다. 이러한 점은, 상기 급수가 어느 정도의 부피 퍼센트까지 탄화수소를 함유하기 때문에, 탄화수소 생산 시설에서 생산수 처리의 경우에서 문제가 될 수 있다. 유사하게, 종래의 열 담수화 시스템은 급수에 함유된 CO₂ 및 H₂S를 취급하는 문제점을 고려하지 않았다. 이러한 점은, 상기 급수가 용해된 CO₂, H₂S 및 다른 산 가스로 오염될 수 있기 때문에, 탄화수소 설비에서 생산수 처리의 경우에서 문제가 될 수 있다.

종래의 열 담수화 공정에서 이러한 급수의 가열 및 감압 (depressurization)은 잠재적 유해한 결과 및 상기 공정 또는 시스템에 해로운 영향을 갖는 담수화 설비의 몇몇 영역에 축적되는 자유 탄화수소 가스를 발생시킨다. 종래의 열 담수화 시스템 및 공정은 또한 GOSP 설비에서 환경 및 작업자에게 독성 및 부식성이 있는 자유 CO₂, H₂S, 및 다른 산 가스를 발산시키는 단계를 포함할 수 있다.

다양한 구현 예는 자유 탄화수소 가스를 취급할 수 있는 방법 및 통합 시스템을 제공한다. 자유 가스의 축척은 연속적인 유체 순환의 수단에 의해 회피된다. 부가적으로, 가장 낮은 온도 스테이지로부터 가장 높은 온도 스테이지로 다수의-스테이지 증발은, 비록 초기 피드에서 가스성 탄화수소의 초기 탄화수소 부피 함량이 4 부피%까지라도, 각 용기에 가스성 탄화수소의 대량 발생을 제한하여, 상기 공정의 매 스테이지에서 인화성 (flammability)의 1.1 부피%의 농도 아래, 다시 말해서 그들의 더 낮은 임계값 아래에서 가스성 탄화수소를 유지한다. 더군다나, 어떤 구현 예에 따르면, 상기 방법 및 시스템은, 상기 시스템에서 떠나는 처리수 스트림과 혼합되고 응축될 발생된 가스성 탄화수소를 고려하여, 유해한 가스 농도의 축적의 위험을 제거한다.

다양한 구현 예는 또한 급수에 용해된 독성 및 부식성 가스를 취급할 수 있는 방법 및 통합 시스템을 제공한다. 탄화수소 가스와 유사하게, 자유 가스 (free gas)의 축척은 연속적 유체 순환의 수단에 의해 상기 시스템에서 회피된다. 상기 공정의 산업적 적용에 의존하여, 이들 가스들은 알려진 분리 기술, 예를 들어, 막 분리의 수단에 의해 시스템으로부터 제거될 수 있다.

다양한 구현 예는 또한, 일반적으로 종래의 열 담수화 시스템에서 요구되는, 상기 급수를 가열하기 위한 가열로 및 버너에 대한 필요를 제거한다. 따라서, 이들 구현 예는 분류된 탄화수소 생산 공장의 폭발성 및 인화성 환경에 대한 탄화수소 생산 산업의 안전 요구조건을 고려한 무화염 (flameless) 열 담수화 시스템을 제공한다.

어떤 구현 예에 따르면, 도 4에서 나타낸 바와 같이, 원유 및 천연 가스 생산 시설에서 이용가능한 생산 염수로부터 처리수를 생산하기 위한 시스템은 제공된다. 상기 시스템은 직렬로 조합된 다중 증발/응축 스테이지들 (이하 "다수의 스테이지-직렬 배열"이라 한다)을 포함한다.

다수의 스테이지, 직렬 배열은, 도 4에서 나타낸 바와 같이, (담수화 공정에 대해 요구된 담수 또는 처리수보다 훨씬 더 높은 속도로 생산된) 생산수 주스트림 (100)을 포함하고, 이것은 가열 목적을 위해 사용되는, 가열 스트림 (101), 및 처리수의 발생을 위해 사용되는, 생산수 스트림 (103)으로 분리된다.

*상기 생산수 스트림 (103)은 이의 초기 압력 P₀에서 시스템의 낮은 작동 압력 P₁으로, 압력 팽창기 (pressure expander) (150)를 사용하여 팽창된다. 다양한 구현 예에 따르면, 시스템 및 연관된 방법은 논의하는데 사용된 다른 압력 수준은, 상기 GOSP로부터 고온 수준 에너지의 사용을 최대화하기 위해, 상기 시스템에서 이용가능한 에너지 온도에 기초하여 결정된다. 대표적인 작동 파라미터는 특별한 GOSP 배열에 대해 이하 논의될 것이지만; 기술분야의 당업자는 이들 값이 오직 하나의 작동 스켐을 나타내는 것이고, 상기 값이 다른 GOSP에 적용된 경우에는 다른 것으로 이해할 것이다.

탈염을 위한, 생산수 스트림 (103)은, 예를 들어, 상기 가열 스트림 (101)과 교환하기 위해 생산수 열교환기 (160)에 유입하기 전에 약 0.1 barA (10 kPa)로 팽창된다. 압력 팽창기 (150)를 빠져나오는, 저-압 스트림 (104)은, 예를 들어, 50℃ 주변의 포화 온도를 가지며, 따라서, 스팀 생산을 시작하기 위해, 생산수 주스트림 (100)의 초기 온도인, 예를 들어, 54℃에서 열교환기 (160)로 유입하는 가열 스트림 (101)에 의해 가열될 수 있다.

도 4에서 더욱 나타낸 바와 같이, 상기 가열 스트림 (101)은 열교환기 (160)에서 냉각되고, 생산수 스트림 (102)에서 공정의 밖으로 전달된다. 상기 열교환기 (160)의 저온부를 빠져나오면서, 가열된 스트림 (105)은 수증기 (water vapor) 발생 및 액체/증기 분리를 위해 저-압 용기 (170)로 유입된다. 다양한 구현 예를 위해 여기에 논의된 바와 같이, 상기 저-압 용기 (170)는 개별적 용기 또는 더 큰 용기의 격실 또는 챔버일 수 있다. 기술분야에서 당업자는 상기 저-압 용기 (170)가 아래에 논의된 기능을 수행할 수 있는 종래 타입의 어떤 용기일 수 있는 것으로 이해할 것이다.

저-압 용기 (170)에서 생산수는 저-압 용기 (170)를 떠나고 응축기 (163)에 의해 냉각되는, 수증기 스트림 (121)을 생산하기 위해 내부 열원 및 GOSP 열원을 사용하는 다른 수단에 의해 가열된다. 상기 응축기 (163)는 스트림 (122)에서의 생산수를 응축시키고, 이것은 그 다음 펌프 (182)에 의해 이를 압축한 후, 처리수 수집 라인 (126)의 스트림 (123)으로 전달된다. 상기 응축기 (163)는 저-압 용기 (170) 밖 또는 그 내부에 물리적으로 배열될 수 있다. 상기 응축기 (163)는 공기, 물, 해수 또는 어떤 이용가능한 저온 히트 씽크 (heat sink)를 포함할 수 있다.

도 4에 나타낸 열교환기는 열교환기들 (143, 144, 145, 및 146)을 포함한다. 다양한 구현 예에 따르면, 열교환기 (143)는, 물을 증발시키고 스팀을 발생시키기 위해, 예를 들어, 75℃ 및 53℃ 사이에서 GOSP 저온 에너지를 교환하는데 사용되는 외부 열교환기이다. 상기 GOSP로부터 이용가능한 열은 열교환기 (143)의 열부하 (heat duty)를 나타내고, 따라서 이러한 수준에서 스팀의 생산에 영향을 미친다. 실제로, 상기 공정의 저-압 스테이지의 포화 온도 및 압력은, 하기에 좀더 상세하게 논의되는 바와 같이, 온도의 수준에서 GOSP로부터 이용가능한 에너지의 양을 계산하여 요구된 양의 스팀을 발생시키기 위해 결정될 것이다. 열교환기들 (144, 145, 및 146)은 하기에 좀더 상세하게 논의되는 바와 같이, 상기 저-압 용기 (170)에서 수증기를 발생하기 위하여 생산수를 가열한다.

상기 저온, 저-압, 액체-생산수는 염수 스트림 (106)에 의해 저-압 용기 (170)의 버텀으로부터 추출되고, 스트림 (107)에 유입되고, 최종적으로 중-압 용기 (171)에 유입되기 위해 스트림 (108) 내의 열교환기 (161)을 빠져나가기 전에 중-압 수준으로 염수 수집기 라인 펌프 (180)에 의해 압축된다.

도 4에서 더욱 나타낸 바와 같이, 상기 열교환기 (161)는 상기 스트림 (108)을 통해 상기 중-압 용기 (171)로 도입 전에 생산수를 가열하기 위해 염수 (하기에 좀더 상세하게 논의되는 바와 같은, 염수 스트림 (112) 내의 고-압 용기 (172)를 빠져나가는 생산수)에서 이용가능한 열을 사용하는 내부 열교환기이다.

다양한 구현 예에 따르면, 상기 중간-압력은 0.35 barA 주변이고, 상기 포화 온도는, 예를 들어, 75℃ 주변이다. 상기 중-압 용기 (171)에서 생산수는 상기 스트림 (118) 내의 중-압 용기 (171)를 떠나는 수증기를 발생시키기 위해, 하나 이상의 열교환기, 예를 들어, 열교환기 (141 및 142)에 의해 가열된다.

상기 열교환기 (141)는 GOSP의 중간 온도 에너지, 예를 들어, 105℃ 및 75℃사이로부터 이의 에너지를 인출 및 스팀을 발생하기 위해 상기 중-압 용기 (171) 내의 생산수에 에너지를 제공하는 외부 열교환기이다. 다양한 구현 예에 따르면, 상기 중간 스테이지 포화 온도 및 압력은 이러한 수준의 온도에서 상기 GOSP에서 이용가능한 에너지에 기초하여 계산된다.

다양한 구현 예에 따르면, 농축된 생산수는 열교환기 (162)에 도입되기 전 고-압력으로 압축될 스트림 (109)에 의해 중-압 용기 (171)를 떠나고, 상기 고-압 용기 (172)로 나중에 유입되는 스트림 (111)에서 열교환기 (162)를 빠져나온다. 상기 고-압 포화 온도 및 압력은, 예를 들어, 각각 102℃ 및 1 barA이다. 기술분야의 당업자는, 저-압 용기 (170), 중-압 용기 (171), 및 고-압 용기 (172)의 다양한 구현 예를 각각 묘사하는데 사용된 바와 같은, "저", "중", 및 "고"의 개념, 및 이들의 작동 파라미터가, 상대적 용어이지 절대적인 것은 아닌 것으로 이해할 것이다.

상기 열교환기 (140)는 농축된 생산수를 가열하고, 발생된 스팀 스트림 (116)에서 상기 고-압 용기를 떠나는 더 많은 스팀을 발생하기 위한 필요한 에너지를 제공하는데 사용된다. 상기 열교환기 (140)는, 예를 들어, 105℃ 이상의 온도에서 상기 GOSP에서 이용가능한 에너지 또는 폐열에 의해 작동된다. 적어도 하나의 구현 예에 따르면, 상기 열교환기 (140)는 상기 고-압 용기 (172)에서 증기 발생을 유도하는 유일한 열교환기이다.

다양한 구현 예에 따르면, 스팀이 고-압 용기 (172)에 발생하는 한, 상기 농축된 생산수는 좀더 농축되고, 염수가 되는 것으로 고려된다. 상기 염수 용액은 높은 온도 및 압력에서 염수 스트림 (112)에서 상기 고-압 용기 (172)를 떠나고, 상기 시스템에 내부적으로-발생된 에너지를 제공할 수 있으며, 따라서, 에너지를 절약하고, 외부 에너지 공급원에 대한 필요를 제거한다.

상기 염수 스트림 (112)은 상기 중-압 스테이지에서 상기 고-압 스테이지로 전달되는 농축된 생산수를 가열하기 위해 열교환기 (162)의 고온부에 유입된다. 염수 스트림 (113)은 열교환기 (161)의 고온부에 유입되기 위해 열교환기 (162)를 떠나고, 상기 저-압 스테이지에서 상기 중-압 스테이지로 전달되는 농축된 생산수를 가열시킨다. 염수 스트림 (114)은 상기 저-압 용기 (170)에 열교환기 (146)에 유입되기 위해 열교환기 (161)를 떠나고, 스트림 (115)에서 시스템의 밖으로 전달되기 전에 생산수를 가열하고, 약간의 스팀을 발생시키기 위해 열을 교환한다.

도 4에서 더욱 나타낸 바와 같이, 상기 중간-압력에서 작동하는 중-압 용기 (171)에 발생된 스팀은 저-압 용기 (170)에서 열교환기 (144)로 스트림 (118)을 통해 전달된다. 상기 저-압 용기 (170)가 더 낮은 압력 및 온도에서 작동하기 때문에, 상기 스트림 (118)은 열교환기 (144)에서 전적으로 응축되어, 저-압 용기 (170)에 더 많은 스팀을 발생시키고, 스트림 (119)에서 처리수로서 빠져나간다. 상기 스트림 (119)은 그 다음 원하는 압력으로 펌프 (183)에 의해 압축되고, 그 다음 처리수 수집 라인 (126)의 스트림 (124)으로 스트림 (120)을 통해 향한다.

상기 발생된 스팀 스트림 (116)은 상기 중-압 용기 (171) 내의 열교환기 (142)에 유입되기 위해 상기 고-압 용기 (172)를 떠난다. 상기 중-압 용기 (171)의 작동 온도 및 압력은 열교환기 (142)에서 응축되는 발생된 스팀 스트림 (116)에서 스팀을 만들어, 상기 중-압 용기 (171)에 좀더 스팀 발생을 허용한다. 상기 응축된 처리수는 스트림 (117)에서 열교환기 (142)를 떠나고, 적어도 하나의 구현 예에 따르면, 스트림 (117a)을 통해 처리수 수집 라인을 향해 간다.

그러나, 상기 열교환기 (142)에 응축된 처리수가 상기 저-압 용기 (170) 온도보다 더 높은 온도에 있기 때문에, 상기 스트림 (117)은 스트림 (117b)에 의해 저-압 용기 (170) 내의 열교환기 (145)로 전달될 수 있고, 그 다음 처리수 수집 라인 (126)의 스트림 (125)으로 스트림 (117c)을 통해 향한다.

어떤 구현 예에 따르면, 이들 경로의 사용 (비-사용) 및 열교환기 (145)는 경제성에 따른다. 적어도 하나의 구현 예에 따르면, 상기 열교환기 (145)는 이의 열부하가 작기 때문에, 배제된다. 따라서, 이러한 구현 예에 있어서, 상기 이용가능한 열이 탈염기 용기 (도시되지 않음)에서 원유로 나중에 이동되고, 따라서 낭비되지 않음에 따라, 이를 설치하고 유지하기 위한 경제적인 가치는 없다.

도 4에서 더욱 나타낸 바와 같이, 펌프 (184)는 처리수 수집 라인 (126)으로부터 처리수를 수집하고, 이를 압축하며, 및/또는 원하는 압력 및 적용, 예를 들어, 오일 탈염으로 처리수 스트림 (127)을 통해 이를 전달한다. 상기 펌프 (184)는 처리수 수집 라인 (126)에서 압력이 처리수의 사용을 위해 요구된 운반 압력보다 더 낮을 경우 요구된다.

다양한 구현 예에 따르면, 펌프 (182 및 183)가 시스템에서 요구되는지의 여부의 결정은 압력 수준 및 펌프 (184)의 존재 또는 부재에 기초한다. 예시적인 목적을 위하여, 도 4에서 나타낸 바와 같은, 여기서 논의된 구현 예들은, 장비의 부피를 감소시키고, 물 압축을 최소화하기 위해 고-압 스테이지에서 대기압에 있는 것에 주목해야 한다. 상기 시스템을 위한 바람직한 배열은 응축된 처리수를 회수하고, 요구된 압력으로 이를 압축하기 위해, 하나의 펌프, 예를 들어, 펌프 (184)를 포함하며, 따라서, 요구된 펌프의 수를 최소화한다.

다양한 구현 예에 따르면, 상기 시스템 구조 및 배열 및 연속적인 스테이지의 수는 에너지의 양 및 이러한 에너지가 상기 GOSP에서 이용가능한 온도에 기초한다. 몇몇 구현 예를 따르면, 가스 압축기 방출로부터 이용가능한 에너지는 원하는 수준의 온도에서 원하는 열로 열교환기 (140, 141, 및 143)에 공급하기에 충분하여, 상기 시스템이 특정 적용을 위한 원하는 양의 처리수를 생산하기 위해 요구된 양의 스팀을 발생시키는 것을 가능하게 한다. 요구된 외부 열 에너지 입력은, 몇몇 구현 예의 경우에 있어서, 0이고, 요구된 단일 외부 에너지 입력은 상기 시스템에서 펌프를 구동하기 위한 전기 에너지이다. 따라서, 총 전력 소비는, 예를 들어, 생산된 처리수의 0.2 kWh/㎥ 미만일 수 있다.

선택적인 구현 예에 있어서, 다른 에너지 공급원, 예를 들어, 열, 스팀, 압력 또는 유압이 장소 상에 이용가능한 경우거나 또는 전기가 제공되지 않은 경우, 열 압축 및/또는 이젝터 (ejector)로 기계적 압축 (예를 들어, 모터 또는 터빈 구동 펌프)으로 대체하는 것이 가능하다. 그렇게 하는 것은 전기 에너지의 외부 공급원에 대한 요구 없는 시스템을 설계하는 것을 허용하고, 따라서 생산된 처리수의 0.2 kWh/㎥의 전력 소비를 절약하지만, 이는 시스템의 설계가 복잡할 것이다.

상기 GOSP에서 이용가능한 에너지가 열교환기 (140)을 통해 고-압 스테이지에서 원하는 양의 스팀을 생산하기에 충분한 구현 예에 있어서, 오직 하나의 스테이지는 그 다음 필요할 것이고, 상기 공정을 작동하는 것은 어떤 상업적으로 이용가능한 담수화 기술보다 적은 비용이 들 것이다.

몇몇 구현 예에 따르면, 상기 열교환기 (160)는 상기 GOSP에서 에너지의 활용성에 의존하여, 공정에 혼입될 수 있거나 또는 혼입되지 않을 수 있다. 예를 들어, 만약 상기 가스 압축기 방출로부터 이용가능한 에너지가 원하는 처리수를 생산하기에 충분하다면, 상기 열교환기 (160)는 필요하지 않다. 그러나, 만약 에너지가 원하는 처리수를 생산하는데 불충분하다면, 상기 열교환기 (160)의 사용은 이익일 수 있다. 적어도 하나의 구현 예에 따르면, 증기-압축 사이클은 원하는 처리수를 생산하기 위해 요구된 에너지를 보충하기 위한 공정에 혼입된다.

원유로부터 염수의 분리를 위해 도움이 되는, 가능한 한 높은 온도를 유지하기 위하여, 원유 열 에너지의 사용을 피하는 것이 바람직하다. 다양한 구현 예에 따르면, 상기 시스템 및 공정의 이점 중 하나는, 상기 GOSP에 때때로 형성된 물-원유 유화액 (emulsion)의 안정성을 감소시키는데 이점이 있고, 따라서 상기 유화액 분리를 용이하게 하고, 상기 GOSP 설비의 분리 및 탈염 성능을 증가시키는, 상대적 고온에서, 또는 적어도 원유 온도와 동일한 온도에서, 처리수를 제공할 수 있다는 것이다.

그러나, 어떤 경우에서도, 만약 상기 GOSP로부터 회수가능한 에너지가 불충분하다면, 열에너지의 보충은 플레어 (flare), 대부분 GOSP에서 쉽게 이용가능한 구성분, 및/또는 연소, 및/또는 재생가능한 에너지, 및/또는 직접 가열을 위한 전기 에너지, 및/또는 히트 펌프, 및/또는 하나 또는 몇 가지 용기에 통합된 압축된 증기 담수화 루프에 의해 쉽게 제공될 수 있다.

몇몇 구현 예에 따르면, 상기 시스템에 주입된 생산수는 GOSP에서 다른 위치, 수 오일 분리기 (WOSEP)의 업스트림 또는 WOSEP의 다운스트림으로부터 제공될 수 있다. 공장에서 더 높은 온도에서 염수를 취하는 것은 담수화를 위해 요구된 에너지 양을 더 낮출 수 있다. 그러나, 상기 GOSP의 초기 스테이지에서 부분적인 오일/물 분리에 기인하여, 이것은 일반적으로 급수에서 더 높은 오일 함량을 의미할 것이다.

다양한 구현 예에 따르면, 상기 시스템은, 어떤 종래의 염수처리 없이, 예를 들어, 대략 4 부피%까지, 용해된 가스 및 저 퍼센트의 오일을 갖는 염수를 가공처리한다. 이하 좀더 논의되는 바와 같이, 상기 시스템의 다른 스테이지에서 증기화된 오일은 그 다음 응축되고, 상기 시스템을 벗어나며, 처리수 스트림과 혼합된다. 이러한 시스템에 대한 처리 공정에서 오일 회수율은 35% 주변이고, 초기 오일 함량 및 시스템 작동 온도에 기초한다. 이것은, 회수된 오일이 주요 오일 생산 스트림으로 다시 돌아가기 때문에, 상기 처리수가 원유 탈염의 목적을 위해 탈수기 (dehydrator) 또한 탈염기 용기에서 재-사용되는 어떤 구현 예에 따르면, 상기 시스템 또는 공정의 몇몇 적용에서 장점이 있을 수 있다. 얻어진 장점은 본 발명의 다양한 구현 예에 따른 공정의 에너지 균형에 순 양의 기여 (net positive contribution)의 관점에서 또는 첨가된 탄화수소 생산의 관점에 정량화될 수 있다.

그러나, 상기 처리수가 탈염 목적을 위해 의도되지 않고, 낮은 또는 제로 오일 함량이 요구되는 적용에 있어서, 몇몇 구현 예에 따르면, 고전적인 물/오일 분리 기술, 또는 전술된 바와 같은 오일 증기 및 스팀을 분리하기 위한 멤브레인으로, 상기 시스템을 보완하는 것이 필요하거나 또는, 이것은 시스템에 주입하기 위해 WOSEP로부터의 생산수를 사용하는 것이 최선일 것이다.

다양한 구현 예에 따르면, 상기 시스템의 상세한 기하학적 배열은, 탄화수소 가스가 축적할 수 있는 고 점 (high points)을 피하기 위한 방식으로 설계될 수 있다. 상기 시스템의 안정하고 쉬운 작동을 위하여, 상기 시스템에서 벤트 또는 탈가스 장치는 시동 상 (startup phases) 동안, 또는 공기가 시스템으로 침투되는 경우에 사용될 것이다.

상업적으로 이용가능한 벤트 또는 탈가스 장치는 응축가능하지 않게 (또는 원하지 않는 가스)를 제거하기 위해 시스템에서의 각각 용기에서 사용될 수 있고, 일정한 물 품질 출력으로 공정의 안정한 작동을 제공한다. 대기압 아래에서 작동하는 경우, 탈가스 스켐은 시스템의 밖으로 이들을 퍼지하기 위해 벤트된 가스를 압축시키는 것을 고려하여야 한다. 대체 기술은 또한 시스템이 밖으로 응축가능하지 않은 가스를 퍼지하는데 사용될 수 있거나 또는 흡착 및/또는 흡착 기술들 또는 어떤 적절한 기술 (즉, 유기 휘발물질용 분자체를 사용하는 흡착과 같은, 가스성 스트림의 밖으로 응축할 수 없는 가스를 제거할 수 있는 어떤 상업적 기술을 포함하는 적절한 기술)은 사용될 수 있다.

도 5는 본 발명의 구현 예에 따라, 도 4에서 예시된 다수의 스테이지-직렬 배열을 위해 통합 스켐의 개략적인 다이어그램을 나타낸다. 도 5에서 나타낸 바와 같이, 도 4에서 나타낸 시스템은 격실로 나뉜 용기에서 통합될 수 있고, 물 담수화를 위한 다수의 스테이지 플래쉬 또는 다중-효용 증류 공정을 위한 시장에서 이용가능한 장비의 사용을 만들 수 있다.

도 6은 본 발명의 구현 예에 따른, 평행 수처리 시스템에서, 다수의 스테이지의 개략적인 다이어그램을 나타낸다. 도 6에서 나타낸 바와 같이, 생산수 주스트림 (100)은 4 스트림: 가열 스트림 (101), 생산수 스트림 (103), 제1 평행 생산수 스트림 (103a), 및 제2 평행 생산수 스트림 (103b)으로 분리된다. 상기 가열 스트림 (101), 저-압 스트림 (104), 및 생산수 열교환기 (160) 및 이의 작동 스켐의 배열은 변화되지 않으며, 따라서, 도 4에 대해 논의된 이들 요소의 설명은 이들 구현 예에 대해 동일하다.

도 4에 대해 상기에서 유사하게 논의된 바와 같이, 상기 생산수 스트림 (103)은 압력 팽창기 (150)을 사용하여, 팽창된다. 상기 저-압 스트림 (104)은 열교환기 (160)에서 가열되고, 상기 가열된 스트림 (105)에서 빠져나오고, 나중에, 상기 저-압 용기 (170)로 유입된다. 상기 열교환기 (160)의 고온부에서, 상기 가열 스트림 (101)은 냉각되고, 생산수 스트림 (102)에서 시스템을 빠져나온다.

몇몇 구현 예에 따르면, 에너지는 열교환기 (143, 144, 146)를 통해, 및 몇몇 구현 예에 있어서, 보조 열교환기 (145)를 통해 상기 저-압 용기 (170)로 유체로 이동된다. 상기 열교환기 (143)는 이의 고온부 상에 GOSP 저온 에너지에 대해 작동하는 외부 열교환기이다.

상기 저-압 용기 (170)에 제공된 열은 공기, 물 또는 해수에 의해 작동된 응축기 (163)에 전달될 수증기 스트림 (121)에서 저-압 용기 (170)을 빠져나가는 수증기 스트림의 증발을 허용한다. 다양한 구현 예에 따르면, 상기 응축기 (163)는 저-압 용기 (170) 안쪽 또는 바깥쪽에 배치된다.

처리수로 명명된, 상기 응축기 (163)를 빠져나가는 응축된 스트림은, 펌프 (182)에 의해 응축되고, 그 다음 처리수 수집 라인 (126)의 스트림 (123)으로 전달된다.

도 6에서 나타낸 바와 같이, 생산수의 농축된 용액은 염수 수집기 라인 펌프 (180)을 사용하여 염수 스트림 (106)에서 저-압 용기 (170)로부터 추출된다.

제1 평행 생산수 스트림 (130a)은 팽창 장치 (151)에서 중-압 값에 팽창되고, 열교환기 (161)로 스트림 (107)에서 전달되고, 여기서 이것은 상기 스트림 (108)을 통해 상기 중-압 용기 (171)로 유입되기 전에 가열된다.

상기 중-압 용기 (171)는 열교환기 (141 및 142)에 의해 가열된다. 상기 열교환기 (141)는 상기 GOSP 에너지로부터 이의 부하 (duty)를 얻는 외부 열교환기이다. 상기 중-압 용기 (171)에서 생산수를 가열하는 것은 스트림 (118)을 통해 상기 중-압 용기 (171)를 떠나는 수증기를 발생시킨다.

상기 스트림 (118)은 저-압 용기 (170) 내부의 열교환기 (144)로 전달되고, 여기서 온도 및 압력 조건은 이를 응축시키고, 저-압 용기 (170)에 스팀 발생을 위한 에너지를 제공한다. 상기 스트림 (118)은 스트림 (119)를 통해 열교환기 (144)에서 빠져나오고, 원하는 압력으로 펌프 (183)에 의해 압축되며, 그 다음 처리수 수집 라인 (126)의 스트림 (124)으로 스트림 (120)을 통해 향한다.

상기 제2 평행 생산수 스트림 (103b)은 고-압 값으로 팽창 장치 (152)에서 팽창되고, 열교환기 (162)로 스트림 (110)을 통해 전달되며, 여기서 이것은 상기 스트림 (111)을 통해 고-압 용기 (172)로 유입되기 전에 가열된다.

상기 고-압 용기 (172)는 상기 GOSP로부터 고온 열부하에 의해 작동된 열교환기 (140)에 의해 가열된다. 상기 고-압 용기 (172)에서 발생된 스팀은 중-압 용기 (171) 내의 열교환기 (142)에 주입시키기 위해 상기 발생된 스팀 스트림 (116)에 의해 고-압 용기 (172)의 밖으로 전달되고, 여기서 이것은 응축되고 상기 중-압 용기 (171)에서 더 많은 스팀을 증발시키기 위해 에너지를 제공한다.

상기 발생된 스팀 스트림 (116)은 스트림 (117a)을 통해 처리수 수집 라인으로 전달되거나 또는 더 많은 냉각을 위해 스트림 (117b)를 통해 저-압 용기 (170) 내의 열교환기 (145) 및 그 다음 상기 스트림을 통해 처리수 수집 라인으로 전달될 수 있는 스트림 (117)을 통해 열교환기 (142)를 빠져나온다.

상기 고-압 및 온도 염수는 상기 열교환기 (162)의 고온부에 주입하기 위해 염수 스트림 (112)을 통해 고-압 용기 (172)를 빠져나오고, 여기서 이것은 냉각되고, 펌프 (181)에 의해 압축되고 스트림 (109)을 통해 중-압 용기 (171)를 빠져나오는 중-압 염수 스트림을 합치기 위해 염수 스트림 (113)을 통해 빠져나온다.

상기 염수 스트림 (113) 및 펌프 (181)에서 빠져나오는 스트림 (128)의 합류는 상기 열교환기 (161) 고온부에 유입되는 염수 스트림 (114)를 생산하고, 그 다음 더 많은 냉각을 위해 저-압 용기 (170) 내의 열교환기 (146)로 전달되며, 상기 저-압 용기 (170)에서 스팀을 발생시키는 더 많은 열을 제공한다. 스트림 (129)를 통해 용기를 빠져나오는 염수는, 조합된 염수 스트림 (130)이 스트림 (131)을 통해 시스템을 빠져나오고, 염수 수집기 라인 펌프 (180)에서 원하는 염수 수집기 압력으로 압축되기 전에, 상기 저-압 용기 (170)를 빠져나오는 염수 스트림 (106)과 합친다.

선택적 구현 예에 따르면, 다수의 스테이지, 직렬 및 다수의 스테이지, 평행 배열에서, 상기 열교환기 (160)는 연결 및 장비를 절약하기 위해 열교환기 (146)과 융합될 수 있어 "혼성" 배열을 결과한다. 도 7은 본 발명의 구현 예에 따른, 혼성 수처리 시스템의 개략적인 다이어그램을 나타낸다. 비록 상기 열교환기 (160)가 항상 필요하지 않을지라고, "혼성" 배열은 열교환기 (160) 부하가 공정에서 요구되는 경우 몇몇 적용에서 작동상의 장점을 가질 수 있다. 상기 "혼성" 배열 선택은 이와 연관된 모든 연결 및 유지로 열교환기를 절약한다.

도 7은 상기 저-압 스트림 (104)이 가열된 스트림 (105)에 연결되고, 상기 저-압 용기 (170)에 직접 유입되는 것을 더욱 보여준다. 다른 한편으로, 가열 스트림 (101)에서 더 높은 압력 생산수는 스트림 (115)에 시스템을 빠져나가기 위해, 생산수 스트림 (102)을 통해 열교환기 (146)에 유입시키기 위해 염수 스트림 (114)로부터의 유체 흐름과 융합된다.

다양한 구현 예에 따르면, 예를 들어, 가열 스트림 (101)에서, 생산수 주입구 스트림, 및 예를 들어, 염수 스트림 (114)에서, 유체 흐름 사이의 압력 차에 기초하여, 압력 조절기, 예를 들어, 팽창 또는 압축 조절기, 또는 주입기는 상기 생산수 스트림 (102)를 통해 열교환기 (146)에 유입되기 전에 두 스트림들을 혼합시키는데 사용된다.

다른 "혼성" 배열은 GODP 시설 내에 원하는 처리수를 발생시키기 위해 요구된 외부 에너지를 최소화하기 위해 다른 압력 및 온도에서 작동하는 증발 및 응축 단계들을 혼입하는 본 발명의 다양한 구현 예에 따라 고려된다.

도 8a, 8b, 9a, 및 9b는 본 발명의 다양한 구현 예에 따른, 도 4에서 나타낸 바와 같은, 다수의 스테이지, 직렬 수처리 시스템의 변형을 나타낸다. 특히, 도 8a 및 8b는 본 발명의 구현 예에 따른, 탄화수소 함량 없는, 도 4에서 나타낸 바와 같은, 다수의 스테이지, 직렬 수처리 시스템의 개략적인 공정 다이어그램이고, 반면, 도 9a 및 9b는, 본 발명의 구현 예에 따른, 탄화수소 함량을 갖는, 도 4에서 나타낸 바와 같은, 다수의 스테이지, 직렬 수처리 시스템의 개략적인 공정 다이어그램이다.

도 8a, 8b, 9a, 및 9b는, 다양한 구현 예에 따른, 공정의 단순화된 스켐을 위한 Aspen plus™ 환경에서 모의 작업대 (simulation workbench)를 사용하여 예시되고, 여기서 열교환기들은 작동 하의 시스템에서 발생하는 것을 가시화하고, 수들을 더욱 이해하기 위해 명시된다 (분해 조립도 (exploded view)). 도 8a, 8b, 9a, 및 9b는 모든 구성분이 Aspen plus™ 공정 모의 소프트웨어 패키지를 사용하여 열동력학적으로 모의실험될 수 있고, 각 열교환기에서 최종 열부하가 각 스테이지에 대한 모든 요구된 열부하의 계산을 허용하며, 나중에, 요구된 에너지가 GOSP에서 활용가능하거나 또는 그러하지 않는지를 점검하는 것을 나타낸다. 예를 들어, 적어도 하나의 구현 예에 따르면, 상기 GOSP에서 가스 압축기는 모든 열교환기 부하에 대해 대응하는데 충분하고, GOSP 설비에 존재하는 탈염 용기를 위한 특별한 적용을 위해 목표량의 처리수, 예를 들어, 4.8 kg/s을 생산하는데 충분하다.

본 발명은 개시된 요소를 적절하게 포함하거나, 이루어지거나 또는 필수적으로 이루어질 수 있고, 개시되지 않은 요소의 부재하에서 실행될 수 있다. 예를 들어, 어떤 스테이지들이 단일 스테이지로 조합될 수 있는 것으로 기술분야의 당업자에 의해 인지될 수 있다.

별도의 언급이 없는 한, 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.

단수 형태는, 특별한 언급이 없는 한, 복수의 지시 대상을 포함한다.

첨부된 청구항 및 여기에 사용된 바와 같이, 용어 "포함하다", "갖는다" 및 "포함하는" 및 이의 모든 문법적 변형은 부가적인 요소 또는 단계들을 배제하지 않는 개방의, 비-제한적 의미를 갖는 것으로 각각 의도된다.

"선택적으로"는 나중에 기재된 사건 또는 상황이 발생하거나 또는 발생하지 않을 수 있는 것을 의미한다. 상기 묘사는 사건 또는 상황이 발생하는 경우 및 발생하지 않는 경우를 포함한다.

범위는 약 하나의 특정 값으로부터, 및/또는 약 다른 특정 값으로 여기서 표현될 수 있다. 이러한 범위로 표현된 경우, 또 다른 구현 예는, 상기 범위 내에 모든 조합에 함께, 하나의 특정한 값으로부터 및/또는 다른 특정한 값까지인 것으로 이해될 것이다.

비록 본 발명이 상세하게 기재되었을지라도, 다양한 변화, 치환, 및 변경은 본 발명의 원리 및 범주를 벗어나지 않고 지금 이후에 만들어질 수 있다는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범주는 하기 청구항 및 이들의 적절한 법적 균등물에 의해 결정되어야 한다.

Claims (10)

1. 수상에서 혼합된 적어도 하나의 물질을 포함하는 피드 스트림을 수용하는 단계; 및
   처리수 스트림 및 농축 스트림을 생산하기 위해, 가장 낮은 온도 및 압력으로부터 가장 높은 온도 및 압력으로 작동하도록 배열된 다수의 스테이지(a plurality of stages)에서 급수 스트림을 가공처리하는 단계를 포함하고,
   여기서 각 스테이지는 용기, 열교환기, 증발기, 응축기, 및 외부 열교환기를 포함하며,
   여기서 각 스테이지에서 외부 열교환기의 작동은 생산된 처리수에서 이용가능한 에너지 또는 폐열과 결합되고, 여기서 외부 열교환기는 생산된 처리수에서 이용가능한 에너지 또는 폐열을 수용하도록 배열되어, 용기 내의 급수 (feed water) 스트림을 가열하고, 각각의 단계에서의 급수 스트림으로부터, 생산된 처리수에서 이용가능한 에너지 또는 폐열에 의해 제공된 열과 독립하여, 다른 스테이지들에서의 외부 열교환기로, 물을 증발시키며,
   상기 가공처리 단계는:
   상기 급수 스트림을 다른 스테이지들과 비교하여 가장 낮은 온도 및 압력에서 작동되는 제1스테이지로 공급시키는 단계, 여기서 상기 제1스테이지의 증발기는 제1 처리수 스트림을 생산하기 위해 제1스테이지의 응축기에 의해 응축된 수증기 스트림을 생산하도록 배열되며,
   제1스테이지의 증발기로부터 농축된-염수를 추출하는 단계 및 상기 농축된-염수를 제2스테이지의 증발기로 공급시키는 단계, 여기서 상기 제2스테이지는, 다수의 스테이지에 대해서(for the plurality of stages), 연속적인 스테이지의 증발기로 공급되는 연속적인 농축된-염수 스트림 및 부가적인 처리수 스트림을 생산하기 위해, 제1스테이지보다 더 높은 온도 및 압력을 포함하고, 각 연속적인 스테이지는 선행 단계보다 더 높은 온도 및 압력을 포함하며, 각 연속적인 스테이지의 증발기는 다수의 스테이지에 대해서 연속적인 스테이지의 증발기로 공급되는 연속적인 농축된-염수 스트림 및 부가적인 처리수 스트림을 생산하도록 배열되고, 및
   다른 스테이지들과 비교하여 가장 높은 온도 및 압력을 갖는 스테이지의 증발기로부터의 농축된-염수 스트림으로부터 염수를 추출하는 단계를 더욱 포함하고, 상기 추출된 염수는 다수의 스테이지의 각각의 증발기로 공급되는 농축된-염수 스트림을 가열하기 위한 에너지를 제공하기 위해 사용되며,
   여기서 상기 급수 스트림은 수상 및 비혼화성 또는 부분 혼화성 유체 상을 포함하며,
   여기서, 상기 급수 스트림을 공급시키는 단계는 상기 급수 스트림을 가열 스트림 및 생산수 스트림으로 분리하는 단계, 상기 생산수 스트림을 팽창시켜 내부 열교환기로 공급되는 저-압 스트림을 얻는 단계, 상기 가열 스트림으로부터의 열을 저-압 스트림으로 전달하여 상기 가장 낮은 온도 및 압력에서 작동되는 제1스테이지의 용기로 유입되는 가열된 스트림을 생산하는 단계를 더욱 포함하는 처리수 스트림의 제조방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 다수의 스테이지는 직렬로 배열되고, 여기서 상기 급수 스트림을 수용하는 제1스테이지는 다른 스테이지들과 비교하여 가장 낮은 온도 및 압력에서 작동되는 처리수 스트림의 제조방법.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 다수의 스테이지는 병렬로 배열되고, 각 스테이지는 동일한 공급원으로부터 상기 급수 스트림을 수용하도록 배열되며, 서로 열교환되도록 더욱 배열된 처리수 스트림의 제조방법.
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 다른 스테이지들과 비교하여 가장 높은 온도 및 압력을 갖는 스테이지로부터 추출된 염수는 가장 높은 온도 및 압력으로부터 가장 낮은 온도 및 압력으로 다수의 스테이지들의 증발기로 에너지를 제공하는데 사용되는 처리수 스트림의 제조방법.
6. 청구항 1에 있어서,
   각 증발기는 전기 가열, 열 캐리어 유체로부터의 대류 가열, 연소, 및 산화 중 적어도 하나에 의해 제공된 직접 가열을 사용하도록 배열된 보상 가열 시스템을 포함하는 처리수 스트림의 제조방법.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 급수 스트림은 염류 대수층, 산업 공정으로부터의 소금기 있는 물(brackish water)의 스트림, 또는 유기 오염물을 포함하는 물의 혼합물 중 하나로부터 생산된 염수의 스트림인 처리수 스트림의 제조방법.
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 급수 스트림은 가스 생산 분야 또는 원유 생산 분야 중 하나로부터 생산된 염수의 스트림인 처리수 스트림의 제조방법.
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 급수 스트림은 원유 및 천연 가스 공정 시설에서 이용가능한 생산수 스트림이고, 상기 급수 스트림은 액체 또는 용해된 탄화수소 또는 첨가 화학제 중 하나를 포함하며, 상기 생산수 스트림은 압력 호기 스트림 또는 혐기 스트림 중 하나인 처리수 스트림의 제조방법.
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 급수 스트림은 수상 및 또 다른 비혼화성 또는 부분 혼화성 유체 상을 포함하고, 상기 비혼화성 또는 부분 혼화성 유체 상은 1 ppmv (ppm based on volume) 내지 10 ppmv 범위의 비율로 분산된 고체 입자, 비-용해된 가스상, 또는 오일 상 중 하나를 포함하며, 상기 처리수 스트림의 생산방법은 물 및 또 다른 비혼화성 또는 부분 혼화성 유체 상을 분리하는데 사용되는 처리수 스트림의 제조방법.

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