MX2014014145A - Metodos y sistemas para la recuperacion de agua. - Google Patents

Metodos y sistemas para la recuperacion de agua.

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Abstract

Se describen métodos que comprenden: (a) poner en contacto primero, al menos una porción de una corriente de aguas residuales que comprende uno o más solutos hidrofílicos y uno o más solutos hidrofóbicos asociados al petróleo crudo con un extractante que comprende un solvente bi-direccional a una primera temperatura (T1) dentro de 40 °C de la temperatura crítica del solvente-agua para formar una primera solución acuosa empobrecida de agua y una primera fase orgánica enriquecida de agua; (b) ajustar la temperatura de dicha primera fase orgánica y una segunda solución acuosa; en donde el valor absoluto de (T2- T1) es al menos 20; (c) separar al menos una porción de dicho uno o más solutos hidrofóbicos asociados al petróleo crudo de dicha segunda fase orgánica; y (d) reciclar el solvente bi- direccional de dicha segunda fase orgánica hacia dicho primer contacto. También se describen los sistemas.

Description

MÉTODOS Y SISTEMAS PARA LA RECUPERACIÓN DE AGUA SOLICITUDES RELACIONADAS La presente solicitud obtiene prioridad de las Solicitudes de Patente Provisionales de Estados Unidos: US 61/649,728 presentada el 21 de mayo de 2012 por Aharon Eyal y titulada "MÉTODOS Y SISTEMAS PARA LA RECUPERACIÓN DEL AGUA"; US 61/754,980 presentada el 22 de enero de 2013, por Aharon Eyal y titulada "MÉTODOS Y SISTEMAS PARA LA RECUPERACIÓN DEL AGUA"; y US 61/815,283, presentada el 24 de abril de 2013 por Aharon Eyal y titulada "MÉTODOS Y SISTEMAS PARA LA RECUPERACIÓN DEL AGUA"; cada una de las cuales se incorpora completamente en la presente mediante la referencia.
CAMPO Y ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La invención se encuentra en el campo del tratamiento de aguas.
El agua, al igual que muchos otros recursos naturales, se encuentra presente en la tierra en una cantidad finita. Más del 95% del agua en la Tierra se encuentra presente como agua salobre o agua de mar que contiene una concentración de sal que la hace inadecuada para muchos propósitos.
Se estima que más de dos tercios del agua no salada restante se encuentra presente como hielo, principalmente en las capas polares y glaciares.
Esto significa que menos de 1% del agua sobre la tierra se encuentra disponible como agua dulce.
Esta pequeña fracción del agua dulce debe sostener no sólo la vida, sino la industria. Aunque aumenta la demanda de agua potable con la población mundial, el consumo directo de agua por el hombre (i.e., agua potable) y el consumo indirecto por el hombre (e.g., bañarse, lavar ropa, en instalaciones sanitarias), constituyen un porcentaje relativamente pequeño del consumo total de agua en el mundo.
La mayor parte del consumo total de agua en el mundo se encuentra en los procesos industriales, incluyendo el uso como medio de enfriamiento.
Por ejemplo, el National Energy Board of Cañada (Consejo Nacional de Energía de Canadá) (2006) estimó que aproximadamente de 2 a 4.5 barriles de agua dulce se utilizan para producir un barril de petróleo crudo sintético. El consumo total de agua para la producción de crudo sintético se proyectó que alcanza 529 millones de metros cúbicos/por año. Las aguas residuales de la producción de petróleo crudo sintético es alcalina, y salobre.
El fracturamiento hidráulico inducido (fracturación AKD) para la producción de gas natural y otros petroquímicos del esquisto también consume cantidades significativas de agua. Se estima que se recupera de 20 hasta más del 70% del agua fracturación ya sea como agua de reflujo o como agua producida.
Solo en el estado de Pennsylvania la cantidad de aguas residuales altas en TDS (sólidos disueltos totales) producidos por fracturación y eliminación necesaria se espera que alcance hasta 7300 millones de galones por año en 2011 por la industria del gas natural. Los niveles de sal en el agua de fracturación pueden ser de más de seis veces mayores que en el agua de mar.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN Un amplio aspecto de la invención se refiere a la separación de agua utilizable a partir de una corriente de agua que contiene contaminantes hidrófilicos o solubles en agua. En algunas modalidades ejemplares de la invención, la corriente es un efluente de un proceso industrial y el agua utilizable se encuentra suficientemente purificada para re utilizarse en el mismo proceso industrial.
Un aspecto de algunas modalidades de la invención se refiere al contacto entre un solvente bidireccional y una corriente de aguas residuales para recuperar el agua utilizable.
Otro aspecto de algunas modalidades de la invención se refiere a la recuperación y re-uso de un solvente bi direccional después de dicho contacto entre dicho solvente bi-direccional y dicha corriente de aguas residuales y la reutilización del solvente recuperado en el tratamiento de la corriente de aguas residuales.
Otro aspecto de algunas modalidades de la invención se refiere a la integración de la separación por membrana en un proceso de purificación de agua y/o en un proceso de recielaje de solventes.
Como se utiliza en esta especificación y las reivindicaciones acompañantes el término "solvente bi-direccional" indica un solvente orgánico y/o amina que se disuelve en agua al menos 2% y menos de 50% (p/p) y en el cual el agua disuelve al menos 10% y menos del 50% (p/p) a una misma temperatura o una mezcla de dos o más de tales solventes.
Ejemplos de solventes bi-direccionales incluyen, pero no se limitan a alcoholes de 3 a 6 carbonos y/o cetonas de 3 a 6 carbonos y/o ésteres de 3 a 6 carbonos y/o ácidos orgánicos de 3 a 6 carbonos y aminas. En algunas modalidades, el solvente bidireccional incluye butanol. En algunas modalidades, el butanol es el componente activo principal en una mezcla de solventes bi-direccionales. En algunas modalidades, el butanol sirve como el único solvente bi-direccional activo. Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades uno o más solventes bi-direccionales se proporcionan como un extractante. Opcionalmente, el extractante incluye componentes que no son solventes bi- direccionales. De acuerdo con una modalidad, el extractante comprende agua.
En algunas modalidades ejemplares de la invención, el contacto se presenta a una primera temperatura (Ti) y después se ajusta a una segunda temperatura (T2). En algunas modalidades ejemplares de la invención, Ti>T2. En otras modalidades ejemplares de la invención, T2>Ti. En algunas modalidades ejemplares de la invención, Ti se encuentra dentro de 20, 25, 30, 35 o 40°C de una temperatura critica del solvente bi-direccional y agua.
Como se utiliza en esta especificación y las reivindicaciones acompañantes, los términos "temperatura de la solución critica de solvente-agua" o "temperatura critica del solvente-agua" o "temperatura de la solución critica" o "temperatura critica" cada uno indica el punto en el cual un solvente particular y el agua se vuelven completamente miscible entre si en la ausencia de un tercer componente. En algunas modalidades ejemplares de la invención, la temperatura de la solución critica de solvente-agua es una temperatura inferior de la solución critica. En otras modalidades ejemplares de la invención, la temperatura de la solución critica de solvente-agua es una temperatura superior de la solución critica.
Otro aspecto de algunas modalidades de la invención se refiere a la recuperación de agua utilizable de la corriente de aguas residuales contaminadas sin solidificación (e.g., precipitación y/o cristalización) de contaminantes.
De acuerdo con diversas modalidades ejemplares de la invención una corriente de agua a tratarse incluye uno o más solutos hidrofilicos y opcionalmente uno o más solutos hidrofóbicos asociados con petróleo crudo.
De acuerdo con diversas modalidades ejemplares de la invención, el término "soluto hidrofóbico" indica compuestos orgánicos con una proporción de átomos C:0 mayor que 3.
Un aspecto de algunas modalidades de la invención se refiere al tratamiento de una corriente de aguas residuales que contienen tanto solutos hidrofilicos como solutos hidrofóbicos. En algunas modalidades ejemplares de la invención, los solutos hidrofóbicos se asocian con petróleo crudo.
Como se utiliza en esta especificación y las reivindicaciones acompañantes los términos "corriente de aguas residuales" pueden indicar una corriente que incluye un flujo de salida de un proceso industrial. En algunas modalidades, una corriente de aguas residuales incluye el flujo de salida de un proceso industrial mezclado con una o más de otras corrientes (e.g., agua de reemplazo). En algunas modalidades, el agua de reemplazo incluye agua salobre o agua de mar.
Como se utiliza en esta especificación y las reivindicaciones acompañantes, el término "asociado con petróleo crudo" indica los materiales presentes en el petróleo crudo (e.g., petróleo sin refinar), los materiales producidos durante el refinado del petróleo crudo o de conversión química del petróleo crudo, los materiales presentes en el gas producido, los materiales producidos durante el refinado de gas producido o la conversión química del gas producido. De acuerdo con diversas modalidades ejemplares de la invención, el término petróleo crudo incluye petróleo fósil, productos de la pirólisis y/o aceite vegetal (e.g., Efluentes de Molino de Aceite de Palma -POME). En algunas modalidades, los solutos hidrofóbicos asociados al petróleo crudo se encuentran presentes en la corriente de aguas residuales a concentraciones de 10 PPM, 25 PPM, 50 PPM 100 PPM, 200 PPM, 300 PPM, 400 PPM o 500 PPM o concentraciones intermedias o mayores.
Como se utiliza en esta especificación y las reivindicaciones acompañantes, los términos "destilación" y "evaporación" se utilizan de manera intercambiable.
Como se utiliza en esta especificación y las reivindicaciones acompañantes, los términos "empobrecida de agua" y "enriquecida de agua", se refieren a que contienen menos agua y más agua, respectivamente, en comparación con el contenido antes de hacer contacto, en términos de cantidad o flujo (en lugar de en términos de concentración).
En algunas modalidades ejemplares de la invención se proporciona un método que incluye: (a) primero poner en contacto al menos una porción de una corriente de aguas residuales que incluye uno o más solutos hidrofilicos y uno o más solutos hidrofóbicos asociados al petróleo crudo con un extractante que incluye un solvente bi-direccional a una primera temperatura (Ti) dentro de 40°C de la temperatura critica del solvente-agua para formar una primera solución acuosa empobrecida de agua y una primera fase orgánica enriquecida de agua; (b) ajustar la temperatura de la primera fase orgánica a una segunda temperatura (T2), para formar una segunda fase orgánica y una segunda solución acuosa; en donde el valor absoluto de (T2-Ti) es al menos 20; (c) separar al menos una porción del uno o más solutos hidrofóbicos asociados al petróleo crudo de la segunda fase orgánica; y (d) recielar el solvente bi-direccional de la segunda fase orgánica hacia el primer contacto. En algunas modalidades, el método incluye separar el agua de la segunda solución acuosa para formar una solución acuosa concentrada y agua separada. Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades, la separación del agua incluye poner en contacto la segunda solución acuosa con una membrana para formar un permeado y un retenido y en donde el retenido incluye la solución acuosa concentrada. Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades, la membrana es una membrana de osmosis inversa. Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades el retenido se separa en una solución acuosa concentrada y una tercera fase orgánica. Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades el método incluye recielar al menos una porción de la tercera fase orgánica al primer contacto. Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades el pern eado incluye al menos 60% del agua en la corriente de aguas residuales. Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades, la corriente de aguas residuales incluye al menos un ion multivalente y al menos un ion monovalente en una proporción multivalente a monovalente Rl, la primera solución acuosa incluye al menos un ion multivalente y al menos un ion monovalente en una proporción multivalente a monovalente R2, y en donde R2>R1. Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades el método incluye poner en contacto al menos una fracción de al menos una de la primera fase orgánica y la segunda fase orgánica con un solvente hidrofóbico, en donde la proporción C:0 en el solvente hidrofóbico es de al menos 2 veces mayor que la proporción en el solvente bi-direccional. Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades el uno o más solutos hidrofóbicos asociados al petróleo crudo comprenden al menos un miembro del grupo que consiste de ácido nafténico, otros ácidos orgánicos que incluyen al menos 5 carbonos, 1,4- dioxano, acetona, bromoformo, dibenz(a,h)antraceno, piridina, fenoles y petróleo. Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades el método incluye separar el solvente bi-direccional de la segunda solución acuosa y recielar el solvente separado al primer contacto. Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades, la segunda fase orgánica incluye al menos 85% del uno o más solutos hidrofóbicos asociados al petróleo crudo en la corriente de aguas residuales. Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades, la primera solución acuosa empobrecida de agua incluye al menos 80% del uno o más solutos hidrofilicos en la corriente de aguas residuales. Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades el método incluye reciclar al menos el 50% del agua de la corriente de aguas residuales a un proceso industrial que produce la corriente de aguas residuales. Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades, la corriente de aguas residuales se produce mediante un proceso industrial seleccionado del grupo que consiste de fracturamiento hidráulico inducido (fracturación), la producción de petróleo crudo de las arenas petrolíferas, una torre de enfriamiento, el procesamiento de la industria petrolera, recuperación de petróleo mejorada (EOR), Drenaje Gravitacional Asistido con Vapor (SAGD), proceso de pirólisis y producción de aceite vegetal. Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades el método incluye producir la corriente de aguas residuales mediante un proceso industrial seleccionado del grupo que consiste en la recuperación de petróleo crudo y el procesamiento de petróleo crudo. Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades el método incluye producir la corriente de aguas residuales al poner en contacto el petróleo crudo con al menos una de la segunda solución acuosa y el agua separada. Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades el solvente bi-direccional incluye una o más moléculas orgánicas con de 3 a 6 átomos de carbono. Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades las moléculas orgánicas comprenden uno o más miembros del grupo que consiste de alcoholes, cetonas, ésteres y ácidos orgánicos. Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades el solvente bi-direccional es un butanol. Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades el solvente bi-direccional es un fenol. Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades el solvente bi-direccional tiene una temperatura critica del solvente-agua en un rango entre 0°C y 200°C. Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades el solvente bidireccional incluye una o más aminas. Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades, la una o más aminas comprenden uno o más miembros del grupo que consiste de dietilamina, trietilamina, 1-metil piperidina, di-isopropilamina de 4-metil piperidina, N,N-dietilmetilamina, dimetilisopropilamina, etilisopropilamina, metiletilisopropilamina, metiletil-n-propilamina, dimetil-butilamina secundaria, dimetil-butilamina terciaria, dimetilisobutilamina, dimetil-n-butilamina, metildietilamina, dimetilalilamina, dimetil-n-propilamina, diisopropilamina, di-n-propil amina, di-alilamina, n-metil-n-amilamina, n-etil-n-butilamina, n-etil-sec-butilamina, n-etil-butilamina terciaria, n-etil-n-pro pila ina, n-etil-isopropilamina, n-metil-n-butilamina, n- etil-sec-butilamina, n-metil-iso-butilamina, n-metil-butilamina terciaria, dimetilo, 1,1-dimetilpropilamina y dimetilo, 1-metil butilamina.. Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades, la proporción del uno o más solutos hidrofilicos con el uno o más solutos hidrofóbicos asociados al petróleo crudo es al menos diez veces mayor en la primera solución acuosa empobrecida de agua que en la corriente de aguas residuales. Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades la concentración de al menos uno del uno o más solutos hidrofóbicos asociados al petróleo crudo en el extractante es al menos tres veces mayor que la concentración del al menos uno del uno o más solutos hidrofóbicos asociados al petróleo crudo en la corriente de aguas residuales justo antes del primer contacto. Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades la separación de al menos una porción del uno o más solutos hidrofóbicos asociados al petróleo crudo desde la segunda fase orgánica incluye la evaporación.
Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades el método incluye conducir el primer contacto en un modo de contracorriente. Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades la proporción entre la cantidad del solvente bi-direccional y la cantidad de agua en la corriente de aguas residuales en el primer contacto se encuentra en el rango entre 2:1 y 20:1. Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades la proporción entre la cantidad del solvente bidireccional y la cantidad de agua en la corriente de aguas residuales en el primer contacto es £10:1. Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades el uno o más solutos hidrofóbicos asociados al petróleo crudo comprenden uno o más fenoles. Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades el uno o más solutos hidrofóbicos asociados al petróleo crudo comprenden uno o más aceites. Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades, la corriente de aguas residuales incluye corrientes de agua desde al menos dos fuentes. Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades el método incluye mezclar las corrientes de agua antes del primer contacto o de manera simultánea con el mismo. Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades, al menos una de las fuentes es agua de reemplazo. Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades el método comprende utilizar la primera solución acuosa empobrecida de agua para mejorar la recuperación de petróleo (e.g., en EOR).
En algunas modalidades ejemplares de la invención, se proporciona un sistema que incluye: (a) un primer módulo de extracción de agua adaptado para poner en contacto un extractante que incluye un solvente bi-direccional con al menos una porción de una corriente de aguas residuales que incluyen uno o más solutos hidrofilicos y uno o más solutos hidrofóbicos asociados al petróleo crudo a una primera temperatura (Ti) dentro de 40°C de la temperatura critica del solvente-agua, para formar una primera solución acuosa empobrecida de agua y una primera fase orgánica enriquecida de agua; (b) un módulo de ajuste de temperatura adaptado para ajustar la temperatura de la primera fase orgánica a una segunda temperatura (T2), para formar una segunda fase orgánica y una segunda solución acuosa; en donde el valor absoluto de (T2-Ti) es al menos 20; y (c) un primer módulo de separación adaptado para separar al menos una porción del uno o más solutos hidrofóbicos asociados al petróleo crudo de la segunda fase orgánica. En algunas modalidades, el sistema incluye un módulo de re-circulación adaptado para recielar al menos una porción de la segunda fase orgánica como solvente bi-direccional hacia el primer módulo de extracción de agua. Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades el sistema incluye un segundo módulo de separación adaptado para separar el agua de la segunda solución acuosa para formar una solución acuosa concentrada y agua separada. Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades, el segundo módulo de separación incluye una membrana que retiene un retenido en un compartimento de retenido y pasa a través del permeado a un compartimento de permeado. Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades, la membrana es una membrana de osmosis inversa. Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades, el compartimento de retenido incluye un mecanismo de separación adaptado para separar un tercer sedimentador mezclador de mención especial. Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades el sistema incluye un mecanismo de re-circulación adaptado para recielar al menos una porción de la tercera fase orgánica al primer módulo de extracción de agua. Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades, el sistema se configura como un sistema portátil.
Se apreciará que los diversos aspectos descritos en lo anterior se refieren a la solución de problemas téenicos asociados con la producción de agua utilizable y/o reciclado del agua en un proceso industrial.
Alternativa o adicionalmente, se apreciará que los diversos aspectos descritos en lo anterior se refieren a la solución de los problemas técnicos relacionados con la conservación de la energía en los procesos de purificación de agua y/o los procesos de reciclaje de solventes. Por ejemplo, aunque una corriente de aguas residuales, puede tratarse teóricamente mediante la evaporación del agua, el consumo de energía sería alto debido a la entrada requerida de calor latente.
Alternativa o adicionalmente, se apreciará que los diversos aspectos descritos en lo anterior se refieren a la integración de la separación por membrana en una estrategia de purificación de agua sin afectar la membrana del contacto con materiales que pueden acortar su vida útil a un grado significativo.
A menos que se defina de otro modo, todos los términos téenicos y científicos utilizados en la presente tienen el mismo significado que comúnmente se entiende por un experto ordinario en la técnica a la cual pertenece esta invención. Aunque se describen a continuación métodos y materiales adecuados, los métodos y materiales similares o equivalentes a los descritos en la presente pueden utilizarse en la práctica de la presente invención. En caso de conflicto, prevalecerá la especificación de la patente, incluyendo las definiciones. Todos los materiales, métodos y ejemplos son sólo ilustrativos y no pretenden ser limitantes.
Como se utiliza en la presente, los términos "comprende" y "que incluye" o variantes gramaticales de los mismos deben tomarse como la especificación de la inclusión de las características, números enteros, acciones o componentes establecidos sin excluir la adición de una o más características, enteros, acciones, componentes o grupos adicionales de los mismos. Este término es más amplio, e incluye los términos "que consiste de" y "que consiste esencialmente de" como se define en el Manual de Procedimiento de Examen de Patentes de la Oficina de Patentes y Marcas de Estados Unidos.
La frase "que consiste esencialmente de" o variantes gramaticales de la misma cuando se utiliza en la presente debe tomarse como la especificación de las características, números enteros, etapas o componentes establecidos, pero no se excluye la adición de una o más características, números enteros, etapas, componentes o grupos adicionales de los mismos sino sólo si las características, números enteros, etapas, componentes o grupos adicionales de los mismos no modifican materialmente las características básicas y novedosas de la composición, dispositivo o método reivindicados.
La frase "adaptado a" como se utiliza en esta especificación y las reivindicaciones acompañantes impone limitaciones estructurales adicionales sobre un componente previamente recitado.
El término "método" se refiere a las formas, medios, téenicas y procedimientos para llevar a cabo una tarea determinada, incluyendo pero sin limitarse a, aquellas formas, medios, téenicas y procedimientos ya sea conocidos, o fácilmente desarrollados a partir de formas, medios, técnicas y procedimientos conocidos por los profesionales de la arquitectura y/o ciencias de la computación.
Los porcentajes (%) de productos químicos y/o contaminantes son P/P (peso por peso) a menos que se indique de otro modo. Los porcentajes del soluto en el solvente (concentración de soluto) son P/P. En aquellos casos en donde una porción de un soluto se precipita o cristaliza, el peso del soluto sólido y del soluto disuelto ambos se consideran en el cálculo de la concentración de soluto.
Como se utiliza en la presente, "una proporción de", "una concentración de" o "una proporción entre" "soluto hidrofóbico", "uno o más solutos hidrofóbicos", "al menos uno de dicho uno o más solutos hidrofóbicos", "soluto hidrofílico", " uno o más solutos hidrofílicos", "al menos uno de dicho uno o más solutos hidrofílicos", "monovalente", "al menos un ion monovalente", "multivalente", "al menos un ion multivalente" y frases similares deben tomarse como la especificación de una proporción de, o una concentración de al menos un soluto/ion, o la proporción entre la concentración de un solo soluto/ion y la concentración de otro solo soluto/ion.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS A el fin de entender la invención y para entender cómo puede llevarse a cabo en la práctica, las modalidades se describirán ahora, a manera de ejemplo no limitante, con referencia a las figuras acompañantes. En las figuras, las estructuras idénticas y similares, los elementos o partes de las mismas que aparecen en más de una figura se etiquetan en general con las mismas o similares referencias en las figuras en las que aparecen. Las dimensiones de los componentes y características mostradas en las figuras se seleccionan principalmente por conveniencia y claridad de la presentación y no se encuentran necesariamente a escala. Las figuras acompañantes son: La Figura 1 es un plan de flujo esquemático de un proceso de recuperación de agua de acuerdo con una modalidad ejemplar de la invención que representa los procedimientos y corrientes; La Figura 2 es una representación esquemática de un sistema de recuperación de agua de acuerdo con algunas modalidades ejemplares de la invención.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS MODALIDADES Las modalidades de la invención se refieren a métodos y sistemas para la recuperación de agua, así como a diversas corrientes producidas por el proceso de recuperación. En algunas modalidades ejemplares de la invención, se produce una fase orgánica que contiene agua durante el tratamiento de una corriente de aguas residuales, el agua se separa de la fase orgánica, y se re-utiliza el solvente orgánico recuperado para tratar la corriente de aguas residuales.
Alternativa o adicionalmente, algunas modalidades de la invención pueden utilizarse para recuperar el agua utilizable proveniente de una corriente de aguas residuales (e.g., que resulta de un proceso industrial). Opcionalmente, el agua utilizable se re-utiliza en el proceso industrial que crea la corriente de aguas residuales.
Los principios y operación de los métodos y/o sistemas de acuerdo con las modalidades ejemplares de la invención pueden entenderse mejor con referencia a los dibujos y descripciones acompañantes.
Antes de explicar al menos una modalidad de la invención en detalle, debe entenderse que la invención no se limita en su aplicación a los detalles establecidos en la siguiente descripción o ejemplificados por los Ejemplos. La invención es capaz de otras modalidades o de practicarse o llevarse a cabo de varias formas. También, debe entenderse que la fraseología y terminología empleadas en la presente es para el propósito de descripción y no deben considerarse como limitantes.
Vista General Ejemplar del Proceso de Recuperación de Agua La Figura 1 es un plan de flujo esquemático de un proceso o método de acuerdo con una modalidad ejemplar de la invención, indicado en general como 100. El método 100 recupera agua limpia (e.g., permeado 136) a partir de una corriente 106 de aguas residuales y/o reciela el solvente bi-direccional (e.g., corriente 108), como se explica a continuación.
En las figuras, se representa un flujo de fases orgánicas por las flechas punteadas, y el flujo de fases acuosas se representa por las flechas continuas.
En la modalidad ejemplar representada, al menos una porción de una corriente 106 de aguas residuales que contiene uno o más solutos hidrofilicos y uno o más solutos hidrofóbicos 106 asociados al petróleo crudo es el primer contacto 110 con un extractante que incluye un solvente bi-direccional 108 a una primera temperatura (Ti) dentro de 40°C de la temperatura critica del solvente-agua para formar una primera solución acuosa 116 empobrecida de agua y una primera fase orgánica 118 enriquecida de agua. En algunas modalidades, la corriente 106 de aguas residuales resulta del proceso industrial 102. De acuerdo con las diversas modalidades ejemplares de la invención el proceso industrial 102 incluye uno o más del fracturamiento hidráulico inducido (fracturación), la producción de petróleo crudo de las arenas petrolíferas, una torre de enfriamiento, el procesamiento de la industria petrolera, recuperación de petróleo mejorada (EOR), Drenaje Gravitacional Asistido con Vapor (SAGD), proceso de pirólisis y producción de aceite vegetal. En la modalidad ejemplar representada, se ajusta en 120 la temperatura de la primera fase orgánica 118 a una segunda temperatura (T2), para formar una segunda fase orgánica 128 y una segunda solución acuosa 126. En algunas modalidades, el valor absoluto de (T2-Ti) es al menos 20.
En la modalidad ejemplar representada, el solvente bi-direccional 108 se reciela a partir de la segunda fase orgánica 128 al primer contacto 110.
En la modalidad ejemplar representada, la corriente 106 de aguas residuales comprende uno o más solutos hidrofóbicos asociados al petróleo crudo. De acuerdo con las diversas modalidades de la invención, al menos una porción del uno o más de los solutos hidrofóbicos asociados al petróleo crudo se separa de la segunda fase orgánica 128 (en la modalidad ejemplar representada, mediante la evaporación 150). De acuerdo con las diversas modalidades ejemplares de la invención, la separación de los solutos hidrofóbicos 152 se conduce antes del reciclado del solvente bi-direccional de la segunda fase orgánica 128 al primer contacto 110 o de manera simultánea con éste.
En la modalidad ejemplar representada, el agua se separa de la segunda solución acuosa 126 (e.g., mediante una membrana de Osmosis Inversa 130) para formar una solución acuosa concentrada 132 (retenido) y agua separada (representada como permeado 136).
En la modalidad ejemplar representada, la segunda solución acuosa 126 contiene pequeñas cantidades del solvente orgánico residual. De acuerdo con esta modalidad, cuando se filtra la solución 126 mediante la membrana 130 sólo el agua pasa a través como permeado. De este modo, se incrementa la concentración de sales en el retenido, mientras disminuye el volumen de agua. Cualquiera o ambos de estos cambios en la composición del retenido contribuyen a una tendencia de la tercera fase orgánica 138 para separarse de la solución 132.
De acuerdo con algunas modalidades de la invención, la solución acuosa concentrada 132 es más concentrada en solutos hidrofóbicos que en la segunda solución acuosa 126. De acuerdo con las diversas modalidades, la solución acuosa concentrada 132 se elimina como tal o después de un tratamiento adicional.
En algunas modalidades ejemplares de la invención, la presión parcial de vapor de agua a 50°C de la corriente 106 de aguas residuales y de la primera solución acuosa empobrecida de agua 116 son P1 y P2, respectivamente, y P1>P2.
De acuerdo con algunas modalidades de la invención, el ajuste 120 se conduce en al menos una fracción de la primera fase orgánica 118.
En algunas modalidades ejemplares de la invención, el ajuste en Ti se presenta después del primer contacto 110. En otras modalidades ejemplares de la invención, la corriente 106 y/o el extractante 108 se calientan o enfrian a fin de poner en contacto 106 y 108 a Ti. Ti se selecciona para estar relativamente cerca de la temperatura critica del solvente-agua de manera que el agua de la corriente 106 se disolverá en el extractante 108. De acuerdo con las diversas modalidades ejemplares de la invención, relativamente cercanas a una temperatura critica del sistema indica dentro de 40°C, 35°C, 30°C, 25°C, 20°C, 15°C, 12°C, 10°C u 8°C de la temperatura critica.
En la modalidad ejemplar representada, la primera fase orgánica 118 se ajusta a una segunda temperatura 120 (T2). De acuerdo con diversas modalidades ejemplares de la invención, el valor absoluto de (T2-Ti) es de al menos 10, al menos 20, menos 30, al menos 40, al menos 50 o al menos 60 o valores intermedios o mayores. La segunda temperatura (T2) en 120 es marcadamente diferente de la temperatura critica. De acuerdo con las diversas modalidades ejemplares de la invención (T2) es de al menos 35°C; al menos 40°C, al menos 45°C, al menos 50°C, al menos 55°C, o al menos 60°C de la temperatura critica del sistema 110. En algunas modalidades ejemplares de la invención, (T2)<(Ti). En otras modalidades ejemplares de la invención, (T2)>(Ti).
En la modalidad ejemplar representada, el ajuste a (T2) produce una segunda fase orgánica 128 y una segunda solución acuosa 126. Debido a que el solvente es un solvente bi-direccional, la segunda solución acuosa 126 contiene una pequeña cantidad del solvente y de la segunda fase orgánica 128 que contiene una pequeña cantidad de agua. Sin embargo las cantidades relativas de agua en solvente y de solvente en agua son más bajas en esta segunda separación, debido a que se conduce a (T2).
Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades, el método 100 incluye ajustar la temperatura de dicha primera fase orgánica 118 a una tercera temperatura (T3); en donde el valor absoluto de (T3-T1) es menor a 20. De acuerdo con estas modalidades, la temperatura de la primera fase orgánica 118 se cambia ligeramente en una dirección que conduce al rechazo de una pequeña cantidad de agua extraída, junto con una cantidad significativa de la sal co-extraída (solutos hidrofílicos). Después de la separación del agua rechazada y la sal, se ajusta la temperatura de la fase orgánica formada a T2. De acuerdo con algunas modalidades, el agua rechazada se reciela al primer contacto 110.
En la modalidad ejemplar representada, el sistema de dos fases resultante del contacto 110 se separa para producir una primera solución acuosa empobrecida de agua 116 y una primera fase orgánica enriquecida de agua 118. Debido a que el solvente es un solvente bi-direccional, la primera solución acuosa 116 empobrecida de agua contiene solvente y la primera fase orgánica 118 contiene agua. En algunas modalidades ejemplares de la invención, la primera solución acuosa 116 se encuentra sustancialmente libre de compuestos orgánicos diferentes al solvente bi-direccional. Estos compuestos orgánicos (solutos hidrofóbicos asociados ‘al petróleo crudo) tienden a emigrar hacia la primera fase orgánica 118. Como se describe a continuación, las separaciones adicionales mediante evaporación (150) conducen a la regeneración del solvente bi-direccional y (opcionalmente) a la recuperación de los compuestos orgánicos deseados (e.g., en 152).
La modalidad ejemplar 100 representada emplea la destilación 140 para recuperar el solvente bi-direccional 148 disuelto en la primera solución acqosa 116. En otras modalidades ejemplares de la invención se emplean otros métodos de separación, e.g., precipitación salina o el uso de un solvente auxiliar. La cantidad del solvente 148 a destilarse es relativamente pequeña debido a que la mayor parte del solvente bi-direccional del extractante 108 se encuentra presente en la primera fase orgánica 118. En algunas modalidades, el solvente 148 se destila como un azeótropo con agua.
En la modalidad ejemplar representada, la destilación 140 también produce una solución acuosa 146 enriquecida de impurezas. De acuerdo con las diversas modalidades, las solución 146 enriquecida de impurezas se elimina como tal o después de un tratamiento adicional. De acuerdo con las diversas modalidades, dicho tratamiento adicional comprende al menos uno de concentración adicional, precipitación de al menos un componente y la adición de un compuesto químico. De acuerdo con las diversas modalidades, la tasa de flujo de la corriente 106 de aguas residuales es Fl, la tasa de flujo de la solución 146 enriquecida de impurezas es F2 y F1/F2 es mayor que 2, 4, 6, 8, 10 o de una proporción intermedia o mayor.
En algunas modalidades ejemplares, la segunda fase orgánica 128 (que contiene algo de agua) se reciela a la corriente de extractante 108, sin una separación adicional de agua.
El agua separada (representada como pern eado 136) es un producto del método de 100. En algunas modalidades ejemplares de la invención, las cantidades de solvente bi-direccional y/o solutos hidrofílicos y/o solutos hidrofóbicos en el permeado 136 son suficientemente bajos en esta etapa que el permeado puede servir como agua de alimentación hacia un proceso industrial 102 (como se indica por las flechas) y/o el agua de riego agrícola y/o agua potable.
En algunas modalidades ejemplares de la invención, la corriente 106 de aguas residuales contiene uno o más solutos hidrofóbicos asociados al petróleo crudo. Estos solutos hidrofóbicos migran al solvente bi-direccional y tenderán a acumularse allí si no se eliminan. En la modalidad ejemplar representada, la evaporación 150 se representa como la separación de al menos una porción del uno o más solutos hidrofóbicos 152 de la segunda fase orgánica 128 antes del contacto con la corriente 106 de aguas residuales. En algunas modalidades, los solutos hidrofóbicos 152 incluyen ácidos orgánicos (e.g., ácido nafténico).
Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades, el método 100 incluye separar la segunda solución acuosa 126 en agua separada (representada como permeado 136) y solución acuosa concentrada 132.
De acuerdo con las diversas modalidades, la separación del agua de la segunda solución acuosa 126 incluye al menos uno de evaporaciones, Osmosis Inversa, electrodiálisis y ponerse en contacto con un solvente. En algunas modalidades ejemplares de la invención, la separación del agua de la segunda solución acuosa 126 incluye poner en contacto la segunda solución acuosa 126 con una membrana para formar un permeado 136 y un retenido que incluye la solución acuosa concentrada 132. En la modalidad ejemplar representada, la membrana es una membrana de osmosis inversa (RO). En otras modalidades ejemplares, la membrana es una membrana de nano-filtración.
De acuerdo con algunas modalidades, la segunda solución acuosa 126 incluye el solvente bi-direccional. En algunas modalidades, la concentración de solutos hidrofilicos (e.g., sales) contribuye a una concentración del solvente bi-direccional en la segunda solución acuosa 126. De acuerdo con las diversas modalidades, el solvente bi-direccional se separa de la segunda solución acuosa 126 mediante evaporación y/o separación por membrana (e.g., Osmosis Inversa) y/o electrodiálisis, y se reciela al primer contacto 110. De acuerdo con algunas modalidades, el solvente bi-direccional se elimina al menos parcialmente de la segunda solución acuosa 126 antes del contacto con la membrana (representada como la Osmosis Inversa 130), e.g., mediante destilación. Alternativa o adicionalmente, de acuerdo con algunas modalidades, el solvente bi-direccional se separa mediante el contacto con una membrana (e.g., la membrana de Osmosis Inversa 130). De acuerdo con una modalidad, el solvente bi-direccional se rechaza por la membrana y se retiene en el retenido junto con la solución acuosa concentrada 132. En algunas modalidades, la solución acuosa concentrada 132 es de volumen reducido y una mayor concentración de sales en comparación con la segunda solución acuosa 126. Como resultado, la cantidad del solvente bi-direccional disuelto en este es pequeña en comparación con la cantidad disuelta en la segunda solución acuosa 126 y la gran mayoría del solvente bi-direccional se rechaza a una tercera fase orgánica 138, que se separa del retenido en 130. En algunas modalidades ejemplares de la invención, la tercera fase orgánica 138 se separa fácilmente de la solución 132.
En algunas modalidades, al menos una porción de la tercera fase orgánica 138 se reciela como solvente bi-direccional al primer contacto 110. De acuerdo con algunas modalidades, la tercera fase orgánica 138 se combina con la segunda fase orgánica 128 o se introduce por separado al primer contacto 110, e.g., en un punto más cercano a la salida de la primera solución acuosa 116. De este modo, de acuerdo con algunas modalidades, el primer contacto 110 opera en un modo de contracorriente utilizando una batería de mezcladores-sedimentadores, y la corriente 106 de aguas residuales se introduce en un mezclador-sedimentador en un extremo y sale a través de un sedimentador mezclador en el otro extremo (Salida). De acuerdo con una modalidad, la tercera fase orgánica 138 se introduce a la salida del mezclador-sedimentador, mientras que la segunda fase orgánica 128 se introduce en uno de los mezcladores-sedimentadores precedentes.
De acuerdo con otras modalidades, el primer contacto 110 se opera en un modo de contracorriente utilizando una columna de extracción, y la corriente 106 de aguas residuales se introduce en la parte superior de la columna . De acuerdo con esta modalidad, la tercera fase orgánica 138 se introduce en la parte inferior de la columna y la segunda fase orgánica 128 se introduce en un punto superior en la columna.
En algunas modalidades, el permeado 136 comprende al menos 60%, 70%, 80%, 85%, 90% o al menos 95% del agua en la corriente 106 de aguas residuales.
De acuerdo con las diversas modalidades, la tercera fase orgánica 138 incluye el solvente bi-direccional y agua. De acuerdo con una modalidad, la tercera fase orgánica puede recielarse como tal al primer contacto 110.
De acuerdo con las diversas modalidades, la extracción de agua (primer contacto 110) es selectiva para el agua sobre los iones. La selectividad es particularmente alta en comparación con la extracción de iones divalentes, incluyendo los que contribuyen a la dureza y la incrustación. De acuerdo con las diversas modalidades, una fracción de los iones en las aguas residuales 106 se co-extraen con agua en dicho primer contacto 110 y se contienen en la corriente 118.
De acuerdo con algunas modalidades, la corriente 106 de aguas residuales incluye al menos un ion multivalente y al menos un ion monovalente en una proporción multivalente a monovalente Rl, la primera solución acuosa 116 incluye al menos un ion multivalente y al menos un ion monovalente en una proporción multivalente a monovalente R2 y R2>R1. De acuerdo con algunas modalidades, R2/R1 es mayor que 2, 4, 6, 8 o mayor que 10. De acuerdo con una modalidad, dicho ion monovalente se selecciona de un grupo que consiste de sodio, potasio y cloruro. De acuerdo con una modalidad, dicho ion multivalente se selecciona de un grupo que consiste de calcio, magnesio y sulfato.
Metodo ejemplar de recuperación de agua Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades, el método 100 incluye poner en contacto (no representada) al menos una fracción de al menos una de la primera fase orgánica 118 y la segunda fase orgánica 128 con un solvente hidrofóbico, caracterizado en que la proporción C:0 en el solvente hidrofóbico es al menos 2 veces mayor que la proporción en el solvente bi-direccional. De acuerdo con estas modalidades, el contacto induce el rechazo de agua de la primera fase orgánica 118 y/o la segunda fase orgánica 128. De acuerdo con las diversas modalidades, después de separar el agua rechazada, se separa el solvente hidrofóbico (e.g., mediante destilación de uno de los dos) a partir del solvente bi-direccional en la primera fase orgánica 118 y/o la segunda fase orgánica 128 antes de que se reutilice el solvente bi-direccional en el primer contacto 110.
De acuerdo con las diversas modalidades ejemplares de la invención los solutos hidrofóbicos 152 asociados al petróleo crudo incluyen ácido nafténico y/u otros ácidos orgánicos que comprenden al menos 5 carbonos, y/o 1,4-dioxano, y/o acetona, y/o bromoformo, y/o dibenz(a, h)antraceno, y/o piridina, y/o fenoles y/o aceite (e.g., petróleo fósil, aceite vegetal). De acuerdo con algunas modalidades, además de la materia hidrofóbica asociada al petróleo crudo, puede suspenderse la materia hidrofóbica asociada al petróleo crudo. Por lo tanto, la cantidad de la materia hidrofóbica asociada al petróleo crudo en 106 puede ser mayor que la concentración de saturación. En algunas modalidades, el uno o más solutos hidrofóbicos asociados al petróleo crudo comprende uno o más fenoles. Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades, el uno o más solutos hidrofóbicos asociados al petróleo crudo comprenden uno o más aceites.
De acuerdo con algunas modalidades, uno o más de los solutos hidrofóbicos asociados al petróleo crudo es menos volátil que el agua, y es difícil de separar de la corriente 106 de aguas residuales mediante métodos conocidos, tales como evaporación. De acuerdo con algunas modalidades de la invención, tales solutos se eliminan eficientemente a bajo costo, opcionalmente sin su evaporación.
En algunas modalidades, la segunda fase orgánica 128 incluye al menos 85%, al menos 90%, al menos 95%, al menos 97.5% o al menos 99% de al menos uno del uno o más solutos hidrofóbicos asociados al petróleo crudo que estaban presentes en las aguas residuales 106. Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades la primera solución acuosa 116 empobrecida de agua incluye al menos 80%, al menos 85%, al menos 90%, al menos 95%, al menos 97.5% o al menos 99% del al menos uno del uno o más solutos hidrofilicos (i.e., en el caso de múltiples solutos, esto puede ser cierto para uno de los solutos en algunas modalidades y más de uno de ellos en otras modalidades) en la corriente 106 de aguas residuales.
En algunas modalidades ejemplares de la invención, el método incluye recielar al menos 50%, al menos 55%, al menos 65%, al menos 70%, al menos 75%, al menos 80%, al menos 85%, al menos 90% o al menos 95% del agua de la corriente 106 de aguas residuales hacia un proceso industrial que produce la corriente de aguas residuales. De acuerdo con algunas modalidades, el agua reciclada se deriva de la segunda solución acuosa 126. Alternativa o adicionalmente, de acuerdo con algunas modalidades, el agua reciclada incluye el agua separada (representada como pern eado 136 del tratamiento de Osmosis Inversa). De acuerdo con algunas modalidades, el proceso industrial genera una diferente corriente de "agua del proceso del producto" (i.e., corriente de aguas residuales) y/o consume soluciones de agua/acuosas en múltiples etapas. De acuerdo con algunas modalidades, el agua reciclada resulta de cualquier corriente y se utiliza en cualquier etapa. De acuerdo con algunas modalidades, el agua recielada es de un bajo contenido en impurezas, e.g., contenido de impurezas que es 5 veces, 10 veces, 20 veces, 50 veces o 100 veces menor que en la corriente de aguas residuales. De acuerdo con algunas modalidades ejemplares, el agua reciclada se encuentra a una calidad como se requiere para la producción de vapor (incluyendo el vapor requerido para separar el solvente de las corrientes de salida). Alternativa o adicionalmente, de acuerdo con algunas modalidades, el agua derivada de la segunda solución acuosa 126 y/o del permeado 136 tiene salidas alternativas (e.g., el riego, emisión a los ríos y drenajes).
De acuerdo con las diversas modalidades ejemplares de la invención la corriente 106 de aguas residuales se produce mediante un proceso industrial seleccionado del grupo que consiste de fracturamiento hidráulico inducido (fracturación), la producción de petróleo crudo de las arenas petrolíferas, una torre de enfriamiento, el procesamiento de la industria petrolera, recuperación de petróleo mejorada (EOR), Drenaje Gravitacional Asistido con Vapor (SAGD), proceso de pirólisis y la producción de aceite vegetal. En algunas modalidades ejemplares de la invención, la corriente 106 de aguas residuales se produce mediante un proceso industrial seleccionado del grupo que consiste de la recuperación de petróleo crudo, recuperación de gas, y procesamiento de petróleo crudo.
En algunas modalidades, el método 100 incluye producir la corriente 106 de aguas residuales mediante un proceso industrial seleccionado del grupo que consiste de la recuperación de petróleo crudo y el procesamiento de petróleo crudo.
En algunas modalidades ejemplares de la invención, el método 100 incluye poner en contacto (representado como 102) el petróleo crudo con al menos una de la segunda solución acuosa 126 y del agua separada derivada de la segunda solución acuosa 126 (representada como permeado 136) para producir la corriente 106 de aguas residuales como se indica por las flechas en la Figura 1.
De acuerdo con algunas modalidades, el agua de una o más fuentes se introduce al proceso industrial 102 que produce la corriente residual 106. De acuerdo con algunas modalidades del método 100 se produce agua utilizable/agua recielada (representado como 126 y/o 136) de la corriente 106. En algunas modalidades, el agua utilizable/agua reciclada (126 y/o 136) regresa al proceso industrial 102.
De acuerdo con las diversas modalidades ejemplares de la invención, el solvente bi-direccional en el extractante 108 incluye una o más moléculas orgánicas con de 3 a 6 átomos de carbono. En algunas modalidades, las moléculas orgánicas incluyen alcoholes y/o cetonas y/o ésteres y/o ácidos orgánicos. En algunas modalidades, el solvente bi-direccional en el extractante 108 es un butanol (e.g., n-butanol o isobutanol).
Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades, el solvente bi-direccional en el extractante 108 es un fenol.
Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades, el solvente bi-direccional en el extractante 108 tiene una temperatura critica del solvente-agua en un rango entre 0 y 200°C, entre 10 y 190°C, entre 20 y 180°C, entre 30 y 170°C, entre 40 y 160°C o entre 50 y 150°C.
Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades, el solvente bi-direccional en el extractante 108 comprende una o más aminas. De acuerdo con algunas modalidades, la una o más aminas incluye uno o más miembros del grupo que consiste de dietilamina, trietilamina, 1-metil piperidina, di-isopropilamina de 4-metil piperidina, N,N-dietilmetilamina, dimetilisopropilamina, etilisopropilamina, metiletilisopropilamina, metiletil-n-propilamina, dimetil-butilamina secundaria, dimetil-butilamina terciaria, dimetilisobutilamina, dimetil-n-butilamina, metildietilamina, dimetilalilamina, dimetil-n-propilamina, diisopropilamina, di-n-propil amina, di-alilamina, n-metil-n-amilamina, n-etil-n-butilamina, n-etil-sec-butilamina, n-etil-butilamina terciaria, n-etil-n-propilamina, n-etil-isopropilamina, n- metil-n-butilamina, n-metil-sec-butilamina n-metil-iso-butilamina, n-metil-butilamina terciaria, dimetilo, 1,1-dimetilpropilamina y dimetilo, 1-metil butilamina.
En algunas modalidades ejemplares de la invención, se emplea una sola amina. En otras modalidades ejemplares de la invención, se emplea una combinación de dos o más aminas. Alternativa o adicionalmente, las aminas se utilizan en combinación con moléculas no-amina en algunas modalidades de la invención.
En algunas modalidades ejemplares de la invención, la proporción de al menos uno de los solutos hidrofilicos a al menos uno de los solutos hidrofóbicos asociados al petróleo crudo es al menos diez veces mayor (esta proporción no se aplica necesariamente a la proporción entre los solutos hidrofilicos totales y los solutos hidrofóbicos totales) en la primera solución acuosa 116 empobrecida de agua que en la corriente 106 de aguas residuales.
Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades de la invención, la concentración de al menos uno del uno o más solutos hidrofóbicos asociados al petróleo crudo en el extractante 108 es al menos tres veces mayor que la concentración del al menos uno del uno o más solutos hidrofóbicos asociados al petróleo crudo en la corriente 106 de aguas residuales justo antes del primer contacto 110 (esta proporción no se aplica necesariamente a los solutos hidrofóbicos totales).
En la modalidad ejemplar representada, la separación de al menos una porción del uno o más solutos hidrofóbicos 152 asociados al petróleo crudo de la segunda fase orgánica 128 incluye la evaporación 150. En algunas modalidades ejemplares de la invención, la evaporación 150 incluye la destilación del solvente a partir de los solutos 152. De acuerdo con algunas modalidades, el soluto hidrofóbico es más volátil que el solvente bi-direccional. En ese caso, el soluto se evapora. En otros casos, el solvente bi-direccional es más volátil que dicho soluto hidrofóbico y el solvente bi-direccional se evapora. Aún puede haber tanto solutos que sean más volátiles que el solvente bi-direccional como los que son menos volátiles. En tales casos, los más volátiles se evaporan primero y después se evapora el solvente bi-direccional. De acuerdo con una modalidad, sólo se trata una pequeña fracción de la segunda fase orgánica 128 para la separación de los solutos hidrofóbicos 152, e.g., menos de 20% de la misma, menos del 15%, menos del 10%, o menos del 5%.
En algunas modalidades, el uno o más solutos hidrofóbicos asociados al petróleo crudo incluyen uno o más fenoles. Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades, el uno o más solutos hidrofóbicos asociados al petróleo crudo incluyen uno o más aceites (e.g., petróleo, aceite vegetal).
En algunas modalidades, el método incluye conducir el primer contacto 110 en un modo de contracorriente. De acuerdo con algunas modalidades, el primer contacto 110 se conduce en las etapas 2-20, las etapas 3-15, las etapas 4-12 o las etapas 5-10.
Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades el método incluye lavar la primera fase orgánica 118 con agua (no representada). En algunas modalidades, este lavado se conduce a Ti. Opcionalmente, el lavado elimina las sales adicionales antes de hacer el ajuste a T2. En algunas modalidades, el lavado se conduce con una pequeña corriente de agua o una solución diluida (e.g., de un volumen de entre 1-10% de la primera fase orgánica 118). De acuerdo con algunas modalidades, el lavado forma una solución de lavado acuosa y se lava la primera fase orgánica. La temperatura de la primera fase orgánica lavada se ajusta entonces a T2. De acuerdo con una modalidad, la solución de lavado acuosa se reciela al primer contacto 110.
Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades del método 100 la proporción peso/peso entre la cantidad del solvente bi-direccional en la corriente 108 y la cantidad de agua en la corriente 106 en el primer contacto 110 se encuentra en un rango entre 2:1 y 20:1, entre 3:1 a 17:1, entre 6:1 a 15:1 o en un rango entre 8:1 a 12:1.
Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades la proporción peso/peso entre la cantidad del solvente bi-direccional en la corriente 108 y la cantidad de agua en la corriente 106 en el primer contacto 110 es: £10:1, £8:1, £6:1, £ :1 o £2:1. De acuerdo con algunas modalidades, el primer contacto 110 se conduce en un modo continuo y esta proporción se encuentra entre los flujos de peso de las corrientes en lugar de las cantidades.
En algunas modalidades, la corriente 106 contiene sólidos en suspensión. Estos sólidos pueden incluir, pero no se limitan a las partículas de arena o tierra. De acuerdo con las diversas modalidades, estos sólidos se eliminan antes del primer contacto 110. De acuerdo con las diversas modalidades ejemplares de la invención el módulo de remoción de sólidos incluye un tanque de sedimentación y/o equipo de filtración y/o equipo de centrifugación (e.g., una centrifuga de flujo pasante y/o un separador cielónico). En algunas modalidades, la eliminación de sólidos contribuye a la eficiencia mecánica de los procesos corriente abajo.
Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades la corriente 106 contiene uno o más surfactantes disueltos (e.g., jabones y/o detergentes). De acuerdo con las diversas modalidades, al menos uno de uno o más surfactantes se retira y/o se inactiva en al menos una porción de la corriente 106 antes del primer contacto 110.
En algunas modalidades, un módulo de neutralización de surfactante se coloca corriente arriba del primer contacto 110 para reducir la actividad de los surfactantes presentes en la corriente 106. De acuerdo con las diversas modalidades ejemplares de la invención, el módulo de neutralización de surfactante emplea material activo de superficie (e.g., carbón activado) y/o la acidificación y/o adición de altas concentraciones de cationes (e.g., cationes divalentes tales como magnesio o calcio).
En aquellas modalidades que emplean material activo de superficie, al menos una porción del surfactante se elimina físicamente de la corriente 106 (e.g., siendo adsorbido en el material). Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades al menos una porción del surfactante permanece en la corriente 106 en una forma inactiva.
En algunas modalidades, el agua con una alta concentración de sales inorgánicas se suministra al módulo de neutralización de surfactante para neutralizar al menos una parte de los surfactantes en la corriente 106.
En algunas modalidades ejemplares de la invención, el módulo de neutralización de surfactante contribuye a la eficiencia de la separación de la primera solución acuosa 116 de la primera fase orgánica 118 y/o a la eficiencia de separación de la segunda solución acuosa 126 de la segunda fase orgánica 128.
Composiciones Ejemplares de agua En algunas modalidades ejemplares de la invención, la corriente 106 de aguas residuales contiene al menos 10,000 PPM; al menos 20,000 PPM; al menos 30,000 PPM; al menos 40.000 PPM o al menos 50,000 PPM de sólidos disueltos totales (TDS). En otras modalidades ejemplares de la invención, la corriente 106 contiene menos de 100,000 PPM, menos de 90,000 PPM, menos de 80,000 PPM, menos de 70,000 PPM o menos de 50.000 PPM de sólidos disueltos totales (TDS).
En las diversas modalidades ejemplares de la invención, los sólidos disueltos totales (TDS) en dicha corriente 106 de aguas residuales son de menos de 10,000 ppm; menos de 8,000 ppm; menos de 6,000 ppm; menos de 4,000 ppm o menos de 2,000 ppm. La corriente de aguas residuales con estos niveles relativamente bajos de TDS se produce, por ejemplo, en torres de enfriamiento y/o en la industria petrolera.
Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades, los TDS incluyen bario y/o estroncio y/o hierro y/u otros metales pesados y/o isótopos radiactivos y/o cianuros y/o tiocianatos y/o sales de amoniaco y/o sulfuros y/o sulfatos y/o sales de calcio y/o sílice.
Condiciones ejemplares de extracción Diversas modalidades ejemplares de la invención descritas en la presente se refieren a la extracción (110) de agua hacia un extractante que comprende solvente bi-direccional. De acuerdo con las diversas modalidades, tal extracción se conduce al poner en contacto una operación a contracorriente de múltiples etapas. De acuerdo con las diversas modalidades, dicho contacto se conduce en contactores utilizados industrialmente, por ejemplo, mezcladores-sedimentadores, columnas de extracción, contactores centrífugos y contactor de lluvia-recipiente. De acuerdo con una modalidad, las aguas residuales 106 comprenden sólidos en suspensión y/o los sólidos se forman durante dicho primer contacto y el contactor utilizado se diseña para manejar tales sólidos.
Corrientes ejemplares de agua residual En algunas modalidades, la corriente 106 de aguas residuales 106 resulta de un proceso industrial 102.
En algunas modalidades ejemplares de la invención, la corriente 106 de aguas residuales comprende las corrientes de agua provenientes de al menos dos fuentes. De acuerdo con algunas modalidades, estas corrientes se mezclan antes del primer contacto 110 o simultáneamente con éste. De acuerdo con otra modalidad, estas corrientes se ponen en contacto con el extractante 108 en diferentes etapas de la extracción en 110. De acuerdo con algunas modalidades, al menos una de las fuentes es agua de reemplazo.
Tratamiento ejemplar opcional de la primera fase orgánica En algunas modalidades ejemplares de la invención, la primera fase orgánica 118 se trata antes de ajustar 120, e.g., al agregar un solvente orgánico o en contacto con una solución acuosa. De acuerdo con otra modalidad, la primera fase orgánica 118 comprende sólidos en suspensión y dicho tratamiento antes de dicho ajuste 120 comprende separar dichos sólidos en suspensión, e.g., a través de asentamiento prolongado o la adición de un coagulante.
Consideraciones ejemplares del solvente De acuerdo con las diversas modalidades ejemplares de la invención el solvente bi-direccional empleado en la corriente 108 del extractante se selecciona en base al contenido total de sólidos disueltos (TDS) de la corriente 106 y/o el contenido de los compuestos orgánicos (e.g., solutos hidrofóbicos) de la corriente 106 y/o el costo de la energía disponible.
Sistema ejemplar La Figura 2 es una representación esquemática de un sistema indicado en general como 200. El sistema 200 puede describirse como un sistema de recuperación de agua y/o de recielaje de solventes. En la figura, se representa un flujo de fases orgánicas mediante las flechas punteadas, y se representa un flujo de soluciones acuosas mediante las flechas continuas. Los números que aparecen en la Figura 1 y se utilizan en la Figura 2 indican flujos similares a los anteriormente descritos.
El sistema 200 ejemplar representado incluye un primer módulo 210 de extracción de agua adaptado para ponerse en contacto con un extractante que comprende un solvente bi-direccional 108 con al menos una porción de una corriente 106 de aguas residuales que incluye uno o más solutos hidrofilicos y uno o más solutos hidrofóbicos asociados al petróleo crudo a una primera temperatura (Ti) dentro de 40°C de la temperatura critica del solvente-agua, para formar una primera solución acuosa 116 empobrecida de agua y una primera fase orgánica 118 enriquecida de agua.
En la modalidad ejemplar representada, el sistema 200 incluye un módulo de ajuste de temperatura 220 (e.g., termopermutador y/o el módulo intermitente) adaptado para ajustar la temperatura de la primera fase orgánica 118 a una segunda temperatura (T2), para formar la segunda fase orgánica 128 y una segunda solución acuosa 126. En algunas modalidades, el valor absoluto de (T2-Ti) es al menos 20.
De acuerdo con algunas modalidades, el sistema 200 incluye un primer módulo de separación (representado como módulo de Evaporación 250) adaptado para separar al menos una porción del uno o más solutos hidrofóbicos 152 asociados al petróleo crudo de la segunda fase orgánica 128.
Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades el sistema 200 ejemplar incluye un segundo módulo de separación (representado como membrana de Osmosis Inversa 230) adaptado para separar un retenido (representado como solución acuosa concentrada 132) del agua separada (representada como el permeado 136) de la segunda solución acuosa 126. De acuerdo con algunas modalidades de la invención, la solución acuosa concentrada 132 es más concentrada en solutos hidrofóbicos que la segunda solución acuosa 126.
Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades el sistema 200 incluye un segundo módulo de separación (230) adaptado para separar el agua de la segunda solución acuosa 126 para formar una solución acuosa concentrada 132 y agua separada (permeado 136). De acuerdo con las diversas modalidades ejemplares de la invención el módulo de separación 230 emplea destilación y/o separación por membrana. En la modalidad ejemplar representada, el segundo módulo de separación 230 comprende una membrana que retiene un retenido (132 y/o 138) en un compartimiento de retenido y el permeado 136 pasa a través hacia un compartimento de permeado. En algunas modalidades, el retenido incluye solución acuosa concentrada 132 y la tercera fase orgánica 138. En algunas modalidades ejemplares de la invención, el compartimento de retenido comprende un mecanismo de separación adaptado para separar la tercera fase orgánica 138 de la solución acuosa concentrada 132. En algunas modalidades, la adaptación incluye la instalación de un mezclador/sedimentador.
En algunas modalidades ejemplares de la invención, la solución 132 tiene una alta concentración de sal. Opcionalmente, esta alta concentración de sal contribuye a la separación de la fase orgánica 138 de la solución 132. Alternativa o adicionalmente, en algunas modalidades una cantidad de agua en solución 132 es mucho menor que en la solución 126 debido a la permeación del permeado 136 a través de la membrana 230. Opcionalmente, esta reducción en la cantidad de agua contribuye a la tendencia de la fase orgánica 138 a separarse de la solución 132.
De acuerdo con las diversas modalidades, la solución acuosa concentrada 132 se elimina como tal o después de un tratamiento adicional.
En algunas modalidades ejemplares de la invención, el ajuste a Tc ocurre después del primer contacto en el módulo 210. En otras modalidades ejemplares de la invención, la corriente 106 y/o el extractante 108 se calientan o enfrian a fin de ponerse en contacto en el módulo 210 que lleva 106 y 108 a Ti. Ti se selecciona para estar relativamente cerca a una temperatura critica del solvente-agua a fin de que el agua de la corriente 106 se disuelva en el extractante 108. De acuerdo con las diversas modalidades ejemplares de la invención, una temperatura critica relativamente cercana del sistema, indica estar dentro de 40°C, 35°C, 30°C, 25°C, 20°C, 15°C, 12°C, 10°C y 8°C de la temperatura critica.
En la modalidad ejemplar representada, la primera fase orgánica 118 se ajusta a la segunda temperatura (T2) a la temperatura de módulo de ajuste 220. De acuerdo con las diversas modalidades ejemplares de la invención, el valor absoluto de (T2-Ti) es al menos 10, al menos 20, menos 30, al menos 40, por lo menos 50 o al menos 60 o valores intermedios o mayores. La segunda temperatura (T2) en 220 es más del punto critico del sistema en 210 (Ti). De acuerdo con las diversas modalidades ejemplares de la invención (T2) es de al menos 35°C; al menos 40°C, al menos 45°C, al menos 50°C, al menos 55°C, o al menos 60°C de la temperatura critica del sistema en 210. En algunas modalidades ejemplares de la invención, (T2)<(Ti). En otras modalidades ejemplares de la invención, (T2)>(Tc).
En la modalidad ejemplar representada, el ajuste a (T2) en 220 produce una segunda fase orgánica 128 y una segunda solución acuosa 126. Debido a que el solvente es un solvente bi-direccional, la segunda solución acuosa 126 contiene una pequeña cantidad de solvente y la segunda fase orgánica 128 contiene una pequeña cantidad de agua. Sin embargo las cantidades relativas del agua en el solvente y del solvente en el agua son inferiores en esta segunda separación, debido a que se conduce a (T2).
En algunas modalidades, el sistema 200 incluye un módulo de re-circulación 252 adaptado para recielar al menos una porción de la segunda fase orgánica 128 como solvente bi-direccional 108 en el primer módulo de extracción de agua 210. De acuerdo con las diversas modalidades ejemplares de la invención el mecanismo de re-circulación 252 incluye una bomba y/o conectores y/o conductos (e.g., tuberías) que permiten su integración en el sistema 200.
En algunas modalidades, el sistema 200 incluye un mecanismo de re-circulación 262 adaptado para reciclar al menos una porción de la tercera fase orgánica 138 al primer módulo de extracción de agua 210 (e.g., como parte de la corriente 108). De acuerdo con las diversas modalidades ejemplares de la invención el mecanismo de re-circulación 262 incluye una bomba y/o conectores y/o conductos (e.g., tuberías) que permiten su integración en el sistema 200.
En algunas modalidades, el sistema 200 se diseña y configura como sistema portátil. Como se utiliza en esta especificación y las reivindicaciones acompañantes el término "portátil" significa transportable en uno o más camiones. En algunas modalidades ejemplares de la invención, los módulos de hardware del sistema (e.g., 210, 220, 230 y/o 250 y/o 252 y/o 262 se proporcionan en un solo camión y se proporciona una cantidad de extractante (e.g., 108 ) adecuada para la operación de uno o más camiones adicionales (e.g., camiones cisterna). En algunas modalidades, se proporcionan los componentes de hardware del sistema en un contenedor para embarque de metal corrugado estándar de manera que puedan transferirse fácilmente entre embarcaciones y/o vagones de ferrocarril y/o camiones. Opcionalmente, tal configuración permite el transporte de un lugar a otro (e.g., de una extensión productiva de petróleo de esquisto bituminoso o extensión productiva de fracturación a otra). En otras modalidades ejemplares de la invención, el sistema 200 (o una porción del mismo) se monta sobre patín.
Ventajas ejemplares Una ventaja ejemplar de algunas modalidades de la invención es que el agua se separa mediante la extracción con un solvente bi-direccional y se recupera de la fase orgánica formada sin la entrada de calor latente.
Alternativa o adicionalmente, otra ventaja ejemplar de algunas modalidades de la invención es que la membrana (representada como Osmosis Inversa 130 en la Figura 1 y/o como 230 en la Figura 2) no hace contacto directamente con la corriente de agua residual 106. En algunas modalidades, la eliminación del contacto entre la membrana 130/230 y la corriente 106 contribuye a un aumento de la vida de la membrana.
Alternativa o adicionalmente, aquellas porciones del proceso que opcionalmente emplean calor latente (e.g., destilación 140 y/o 250) se aplican a porciones más pequeñas de la masa total en el sistema, dando como resultado ahorros de energía significativos.
Alternativa o adicionalmente, el método ejemplar 100 logra la separación eficiente del agua utilizable (representada como permeado 136) de las aguas residuales (106) formando un volumen reducido, corriente concentrada de impurezas (solución acuosa 146 enriquecida de impurezas), reduciendo así el volumen de aguas residuales a eliminarse.
Alternativa o adicionalmente, el método ejemplar 100 logra una buena separación de la materia orgánica (solutos hidrofóbicos 152), que pueden utilizarse para la energía o una aplicación más específica.
Alternativa o adicionalmente, el método ejemplar 100 da como resultado una alta calidad del agua separada, la cual puede utilizarse por ejemplo para el vapor, a un costo relativamente bajo en comparación con los tratamientos alternativos.
Alternativa o adicionalmente, los métodos ejemplares descritos en la presente son más adecuados para utilizarse en el manejo de agua dura o con incrustaciones (en 106) que alternativas previamente disponibles.
Alternativa o adicionalmente, los métodos ejemplares descritos en la presente contribuyen a una reducción en el uso de reactivos químicos.
Alternativa o adicionalmente, los métodos ejemplares descritos en la presente son susceptibles de la integración con otros métodos, e.g., dispositivos de separación por gravedad tales como el separador de aceite-agua de API (American Petroleum Institute).
Escenario de uso Ejemplar I:_ fracturamiento_ hidráulico inducido (fracturación) En algunas modalidades ejemplares de la invención, el proceso industrial 102 es la fracturación. Un pozo de fracturación típico requiere entre 4,000 m3 y más de 22,000 m3 de agua.
El agua residual producida por fracturación contiene solutos hidrofílicos que incluyen pero no se limitan ?, sales de sodio, magnesio y calcio, bario, estroncio, hierro, otros metales pesados, isótopos radiactivos. Los sólidos disueltos totales (TDS) se encuentran típicamente en el rango de 5,000 PPM hasta 100,000 PPM o más. El tratamiento convencional de esta agua residual reduce los TDS a 5000 ppm o menos. Esta agua tratada es "fresca" y puede utilizarse para cualquier propósito. En algunas modalidades ejemplares de la invención, el tratamiento de agua de fracturación reduce los TDS a un grado inferior (e.g., a ?,000; 7,000 u 8,000 PPM) y el agua tratada se utiliza para una ronda de fracturación posterior.
El agua residual producida por fracturación también contiene materiales hidrofóbicos tales como petróleo.
Haciendo referencia de nuevo a las Figuras 1 y 2: en algunas modalidades ejemplares de la invención, la fracturación sirve como proceso industrial 102 y el contraflujo y/o agua producida sirven como corriente 106 de aguas residuales.
Durante el proceso de recuperación de agua 100, la mayor parte de los solutos hidrofilicos se separará en la primera solución acuosa 116 y de acuerdo con algunas modalidades, se eliminan del sistema en 146 como se describió en detalle anteriormente.
Los solutos hidrofóbicos se extraen selectiva y eficientemente en la primera fase orgánica 118 en el primer contacto 110. Los solutos hidrofóbicos permanecen prácticamente completos en el extractante en el ajuste 120, i.e., en la segunda fase orgánica 128. En la modalidad ejemplar representada de la Figura 1, una fracción de los solutos hidrofóbicos llega a la evaporación 150 y se retira al menos parcialmente del sistema en 152. El agua separada (representada como pern eado 136) vuelve a regresar al proceso industrial 102 como se indica, y puede utilizarse como parte del agua de entrada para una ronda subsecuente de fracturación.
En algunos casos, el agua residual producida mediante fracturación contiene jabón. Opcionalmente, el jabón se retira antes de la introducción en el método 100. En algunas modalidades ejemplares de la invención, la eliminación del jabón contribuye a un reparto más eficaz entre las fases orgánicas y las soluciones acuosas a través de todo el proceso.
Escenario de uso Ejemplar II: Petróleo crudo sintético de arenas petrolíferas En algunas modalidades ejemplares de la invención, el proceso industrial 102 es la producción de petróleo crudo sintético a partir de arena.
La producción de un barril de petróleo crudo sintético a partir de arenas petrolíferas requiere aproximadamente de 2 a 4.5 barriles de agua dulce como una entrada. En el proceso subterráneo convencional, esta agua se aplica como vapor a la arena petrolífera en un pozo. En el proceso canadiense, la arena petrolífera se retira del pozo y luego se aplica el agua. El agua residual producida durante la producción de petróleo crudo sintético contiene sales inorgánicas (solutos hidrofílicos), y ácidos orgánicos (solutos hidrofóbicos).
Haciendo referencia de nuevo a las Figuras 1 y 2: en algunas modalidades ejemplares de la invención, la producción de petróleo crudo sintético sirve como el proceso industrial 102 y las aguas residuales producidas durante la producción de petróleo crudo sintético sirven como la corriente 106 de aguas residuales.
Durante el proceso de recuperación de agua 100, la mayor parte de las sales inorgánicas hidrofilicas se separará en la primera solución acuosa 116 y de acuerdo con algunas modalidades, se eliminará del sistema en 146 como se describió en detalle anteriormente.
Los solutos hidrofóbicos (ácidos orgánicos) se extraen selectiva y eficientemente en la primera fase orgánica 118 en el primer contacto 110. Los solutos hidrofóbicos permanecen prácticamente completos en el extractante en el ajuste 120, i.e., en la segunda fase orgánica 128. En la modalidad ejemplar representada de la Figura 1, una fracción de los solutos hidrofóbicos llega a la evaporación 150 y se retira al menos parcialmente del sistema en 152. El agua separada (representada como perneado 136) regresa al proceso industrial 102 como se indica y puede utilizarse como parte del agua de entrada para una ronda subsecuente de la producción de petróleo crudo sintético. Escenario de uso Ejemplar III: Agua de Enfriamiento En algunas modalidades ejemplares de la invención, el proceso industrial 102 incluye torres de enfriamiento.
En Israel se estiman condensadores enfriados por agua para consumir alrededor de 130 millones de m3 de agua cada año y descargan 35 millones de M3 de salmueras cada año.
Las salmueras contienen aproximadamente de 5.6 toneladas de cloruros/M3 y aproximadamente toneladas de 2.6 toneladas de sodio/M3.
Ya que los condensadores enfriados por agua se utilizan ampliamente en grandes instituciones públicas a través de todo el país, se estima que aproximadamente 50 millones de m3 de agua se consumen cada año solo para el aire acondicionado.
Incluso grandes cantidades de agua de enfriamiento se utilizan en un contexto industrial. Como un ejemplo, una sola refinería puede requerir aproximadamente 350 m3/hora de agua de enfriamiento. De esta cantidad, aproximadamente 60 a 80% se pierde por evaporación en torres de enfriamiento y el restante 20 a 40% se recupera como agua enfriada que se encuentra, al menos teóricamente, disponible para su recielaje. Debido a que no se evaporan los minerales, las sales se concentran en la torre de enfriamiento mediante un factor de aproximadamente 2.5 a 5.
Esto significa que el reciclaje de agua enfriada sin tratamiento para eliminar minerales disueltos provocará con el tiempo un aumento en la concentración de minerales en el agua que circula en el sistema de enfriamiento.
Haciendo referencia de nuevo a las Figuras 1 y 2: en algunas modalidades ejemplares de la invención, el enfriamiento en una torre de enfriamiento sirve como el proceso industrial 102 y el agua enfriada sirve como la corriente 106 de aguas residuales.
Durante el proceso de recuperación de agua 100, la mayor parte de las sales inorgánicas hidrofilicas se separará en la primera solución acuosa 116 y de acuerdo con algunas modalidades, se eliminará del sistema en 146 como se describió en detalle anteriormente. El agua separada (representada como pern eado 136) vuelve a regresar al proceso industrial 102 como se indica, y puede utilizarse como parte del agua de entrada para una ronda subsecuente de enfriamiento.
El proceso de recuperación de agua 100 es adecuado para tratar la corriente 106 de aguas residuales de la industria petrolera (e.g., refinerías) y torres de enfriamiento de diversas industrias. En algunos casos, una refinería de petróleo incluye una o más torres de enfriamiento de tal modo que existen múltiples fuentes de aguas residuales. De acuerdo con las diversas modalidades ejemplares de la invención, estas múltiples fuentes de aguas residuales se tratan de acuerdo con el método 100 ya sea por separado o en combinación entre sí.
Escenario de uso Ejemplar IV: Efluentes del procesamiento de la Industria Petrolera En algunas modalidades, el proceso industrial 102 es una refinería de petróleo.
En una refinería de petróleo, el procesamiento incluye varios tratamientos (e.g., pirólisis catalítica, que es el proceso en el que los hidrocarburos pesados se descomponen en hidrocarburos más ligeros). Estos tratamientos de procesamiento producen corrientes de aguas residuales que incluyen solutos hidrofílicos. Estos solutos hidrofílicos pueden incluir, pero no se limitan a sales de cianuro, sales de tiocianato, sales de amoniaco y sulfuros (e.g., H2S). Además los residuos pueden incluir solutos hidrofóbicos tales como aceites y/o fenoles. Los fenoles pueden incluir los monohídricos (que tienen un grupo hidroxilo), tales como fenol; o-, m- y p-cresoles, los diversos xilenoles, y los diversos etilfenoles. Los fenoles también pueden incluir polihídricos (que tienen dos o más grupos hidroxilo), tales como catecol y resorcinol los cuales son isómeros C6H4(OH)2. Alternativa o adicionalmente, los fenoles pueden incluir tiofenoles tales como bencenotiol (o fenil mercaptano) que es C6H5SH y toluenotioles (o tolil mercaptanos) que son isómeros CH3C6H4SH.
Por ejemplo, la corriente de aguas residuales del procesamiento de la industria petrolera puede incluir £50 mg de cianuros o tiocianatos y/o ³500 mg/1 de amoníaco o sales de amonio y/o ³500 mg/1 de sulfuros como solutos hidrofílicos. La misma corriente también puede incluir de 50 a 500 mg/1 de fenoles y/o de 50 a 500 mg/1 de aceites como solutos hidrofóbicos.
Haciendo referencia de nuevo a las Figuras 1 y 2: en algunas modalidades ejemplares de la invención, el procesamiento de la industria petrolera sirve como el proceso industrial 102 y las aguas residuales producidas durante el procesamiento sirve como la corriente 106 de aguas residuales.
Durante el proceso de recuperación de agua 100, la mayor parte de las sales inorgánicas hidrofilicas se separará en la primera solución acuosa 116 y de acuerdo con algunas modalidades, se eliminará del sistema en 146 como se describió en detalle anteriormente.
Los solutos hidrofóbicos (fenoles y/o aceites) se extraen selectiva y eficientemente en la primera fase orgánica 118 en el primer contacto 110. Los solutos hidrofóbicos permanecen prácticamente completos en el extractante en el ajuste 120, i.e., en la segunda fase orgánica 128. En la modalidad ejemplar representada de la Figura 1, una fracción de los solutos hidrofóbicos llega a la evaporación 150 y se retira al menos parcialmente de los retornos al proceso industrial 102 y pueden utilizarse como parte del agua de entrada para una ronda subsecuente de cualquiera de los tratamientos de procesamiento.
Escenario ejemplar de uso V: la recuperación mejorada de petróleo (EOR) En algunas modalidades, el proceso industrial 102 es EOR.
El proceso EOR es la producción similar de petróleo de arena petrolífera (escenario II anterior) en que se involucra el bombeo del agua hacia abajo en un pozo. En EOR el agua liquida penetra aceite en el fondo del pozo y se acumula por debajo el aceite. A medida que se acumula el agua eleva el aceite hasta que el aceite alcanza un nivel en el cual se puede bombear desde el pozo. El aceite bombeado desde el pozo que utiliza EOR contiene aproximadamente de 20 a 30% de agua que lleva una alta concentración de sales que pueden contener metales y/o radioisótopos. A fin de reutilizar esta agua debe separarse del petróleo y debe reducirse la concentración de sal.
Haciendo referencia de nuevo a las Figuras 1 y 2: en algunas modalidades ejemplares de la invención, EOR sirve como el proceso industrial 102 y el agua separada del petróleo crudo recuperado sirve como la corriente 106 de aguas residuales.
Durante el proceso de recuperación de agua 100, la mayor parte de las sales inorgánicas hidrofílicas, los metales y radioisótopos se separarán en la primera solución acuosa 116 y de acuerdo con algunas modalidades, se eliminan del sistema en 146 como se describió en detalle anteriormente.
Los solutos hidrofóbicos (gotitas de aceite suspendidas) se extrajeron selectiva y eficientemente en la primera fase orgánica 118 en el primer contacto 110. Los solutos hidrofóbicos permanecen prácticamente completos en el extractante en el ajuste 120, i.e., en la segunda fase orgánica 128. En la modalidad ejemplar representada de la Figura 1, una fracción de los solutos hidrofóbicos llega a la evaporación 150 y se retira al menos parcialmente del sistema en 152. El agua separada (representada como permeado 136) regresa al proceso industrial 102 y puede reutilizarse como parte del agua de entrada para una ronda subsecuente de EOR.
Los objetos, ventajas y características novedosas adicionales de algunas modalidades de la invención se volverán aparentes para un experto ordinario en la téenica tras el examen del siguiente ejemplo, que no es limitante. Además, las diversas modalidades y aspectos de la presente invención como se delinearon anteriormente y como se reivindican en la sección de reivindicaciones a continuación encuentran soporte experimental en el siguiente ejemplo.
EJEMPLO Ahora se hace referencia al siguiente ejemplo, que junto con las descripciones anteriores, ilustra la invención de una manera no limitante.
Ejemplo Experimental Se obtuvo una corriente de aguas residuales a temperatura ambiente y se calentó a 130°C. La corriente de aguas residuales contuvo 2.3% por peso de sales monovalentes, 2.2% por peso de sales divalentes y 50 ppm de materia orgánica. La corriente de aguas residuales se extrajo a contracorriente con un extractante n-butanol recielado, que se pre-calentó a 130°C. El extractante reciclado contuvo 17.2% por peso de agua. La extracción se condujo en un sistema de presión, el cual proporcionó 5 etapas reales a una proporción de flujo volumen/volumen de butanol a aguas residuales de 5.7. La fase orgánica existente fue el extracto. La concentración de agua en el extracto se incrementó hasta que alcanzó un estado estable a 26.7% por peso. Este aumento en la concentración de agua de la fase orgánica de 17.2% por peso a 26.7% por peso representa la extracción del 79% de agua en la corriente de aguas residuales. El análisis de la fase acuosa saliente, después de la eliminación de n-butanol disuelto, mostró la extracción de >95% de la materia orgánica.
Una fracción del extracto de estado estable se enfrió a temperatura ambiente. Se observaron dos fases. La fase más pesada fue una solución acuosa diluida. La fase más ligera fue butanol conteniendo 17.2% por peso de agua.
En resumen, en la proporción O/A seleccionada y a 130°C, se extrajo el 79% del agua en la solución de aguas residuales en un extractante de butanol reciclado. El enfriamiento del extracto formado a temperatura ambiente separó el agua extraída y regeneró el extractante.
Se espera que durante la vida de esta patente se desarrollarán muchos procesos industriales adicionales y/o téenicas de desalinización y el alcance de la invención pretende incluir todas tales nuevas tecnologías a priori.
Como se utiliza en la presente el término "aproximadamente" se refiere a .
Aunque la invención se ha descrito junto con las modalidades especificas de la misma, es evidente que serán aparentes muchas alternativas, modificaciones y variaciones para los expertos en la técnica. Por consiguiente, se pretende abarcar todas las alternativas, modificaciones y variaciones que caen dentro del espíritu y amplio alcance de las reivindicaciones adjuntas.
Específicamente, se ha utilizado una variedad de indicadores numéricos. Debe entenderse que estos indicadores numéricos pueden variar incluso en base además de una variedad de principios de ingeniería, materiales, uso propuesto y diseños incorporados en las diversas modalidades de la invención. Además, los componentes y/o acciones atribuidas a modalidades ejemplares de la invención y representados como una sola unidad se pueden dividir en subunidades. Por el contrario, los componentes y/o acciones atribuidas a las modalidades ejemplares de la invención y representados como sub-unidades/acciones individuales pueden combinarse en una sola unidad/acción con la función descrita/ representada.
Alternativa, o adicionalmente, las características utilizadas para describir un método pueden utilizarse para caracterizar un aparato, y las características utilizadas para describir un aparato pueden utilizarse para caracterizar un método.
Debe entenderse además, que las características individuales anteriormente descritas pueden combinarse en todas las combinaciones y sub-combinaciones posibles para producir modalidades adicionales de la invención. Los ejemplos antes dados son ejemplares de la naturaleza y no se pretende limitar el alcance de la invención que se define únicamente por las siguientes reivindicaciones.
Cada cita de una modalidad de la invención que incluye una característica, parte, componente, módulo o proceso específico es una declaración explícita de que las modalidades adicionales no incluyen la característica, parte, componente, módulo o proceso existente.
Específicamente, la invención se ha descrito en el contexto de procesos industriales y desalinización pero también puede utilizarse para reducir los niveles de radioisótopos en el agua.
Todas las publicaciones, referencias, patentes y solicitudes de patentes mencionadas en esta especificación se incorporan en la presente en su totalidad mediante la referencia en la especificación, hasta el mismo grado como si cada publicación individual, patente o solicitud de patente se indicara especifica e individualmente para incorporarse en la presente mediante la referencia. Además, la cita o identificación de cualquier referencia en esta solicitud no debe interpretarse como una admisión de que tal referencia se encuentra disponible como téenica anterior a la presente invención.
Los términos "incluye", y "tiene" y sus conjugados como se utilizan en la presente significa "que incluye pero no se limita necesariamente a".

Claims (44)

REIVINDICACIONES
1. Un método que comprende: (a) poner en contacto primero al menos una porción de una corriente de aguas residuales que comprende uno o más solutos hidrofilicos y uno o más solutos hidrofóbicos asociados al petróleo crudo con un extractante que comprende un solvente bi-direccional a una primera temperatura (Ti) dentro de 40°C de la temperatura critica del solvente-agua para formar una primera solución acuosa empobrecida de agua y una primera fase orgánica enriquecida de agua; (b) ajustar la temperatura de dicha primera fase orgánica a una segunda temperatura (T2), para formar una segunda fase orgánica y una segunda solución acuosa; en donde el valor absoluto de (T2-Tc) es al menos 20; (c) separar al menos una porción de dicho uno o más solutos hidrofóbicos asociados al petróleo crudo de dicha segunda fase orgánica; y (d) recielar el solvente bi-direccional de dicha segunda fase orgánica hacia dicho primer contacto.
2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende separar el agua de dicha segunda solución acuosa para formar una solución acuosa concentrada y agua separada.
3. Un método de acuerdo con la reivindicación 2, en donde dicha agua de separación comprende poner en contacto dicha segunda solución acuosa con una membrana para formar un perneado y un retenido y en donde dicho retenido comprende dicha solución acuosa concentrada.
4. Un método de acuerdo con la reivindicación 3, en donde dicha membrana es una membrana de osmosis inversa.
5. Un método de acuerdo con la reivindicación 3 o la reivindicación 4, en donde dicho retenido se separa en una solución acuosa concentrada y una tercera fase orgánica.
6. Un método de acuerdo con la reivindicación 5, que comprende recielar al menos una porción de dicha tercera fase orgánica a dicho primer contacto.
7. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 3 a 6, en donde dicho permeado comprende al menos 60% del agua en dicha corriente de aguas residuales.
8. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicha corriente de aguas residuales comprende al menos un ion multivalente y al menos un ion monovalente en una proporción multivalente a monovalente Rl, dicha primera solución acuosa comprende al menos un ion multivalente y al menos un ion monovalente en una proporción multivalente a monovalente R2, y en donde R2>R1.
9. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende poner en contacto al menos una fracción de al menos una de dicha primera fase orgánica y dicha segunda fase orgánica con un solvente hidrofóbico, en donde una proporción C:0 en dicho solvente hidrofóbico es al menos 2 veces mayor que la proporción en dicho solvente bi-direccional.
10. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicho uno o más solutos hidrofóbicos asociados al petróleo crudo comprende al menos un miembro del grupo que consiste de ácido nafténico, otros ácidos orgánicos que comprenden al menos 5 carbonos, 1,4-dioxano, acetona, bromoformo, dibenz (a,h)antraceno, piridina, fenoles y petróleo.
11. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende separar el solvente bi-direccional de dicha segunda solución acuosa y recielar dicho solvente separado a dicho primer contacto.
12. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicha segunda fase orgánica comprende al menos 85% de dicho uno o más solutos hidrofóbicos asociados al petróleo crudo en dicha corriente de aguas residuales.
13. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicha primera solución acuosa empobrecida de agua comprende al menos 80% de dicho uno o más solutos hidrofilicos en dicha corriente de aguas residuales .
14. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende recielar al menos 50% de agua de dicha corriente de aguas residuales a un proceso industrial que produce dicha corriente de aguas residuales.
15. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicha corriente de aguas residuales se produce mediante un proceso industrial seleccionado del grupo que consiste de fracturamiento hidráulico inducido (fracturación), producción de petróleo crudo de arenas petrolíferas petrolíferas, una torre de enfriamiento, procesamiento de la industria petrolera, recuperación de petróleo mejorada (EOR), Drenaje Gravitacional Asistido con Vapor (SAGD), proceso de pirólisis y producción de aceite vegetal.
16. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende producir dicha corriente de aguas residuales mediante un proceso industrial seleccionado del grupo que consiste de recuperación de petróleo crudo y procesamiento del petróleo crudo.
17. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende producir dicha corriente de aguas residuales al poner en contacto el petróleo crudo con al menos una de dicha segunda solución acuosa y dicha agua separada.
18. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicho solvente bi-direccional comprende una o más moléculas orgánicas con de 3 a 6 átomos de carbono.
19. Un método de acuerdo con la reivindicación 18, en donde dichas moléculas orgánicas comprenden uno o más miembros del grupo que consiste de alcoholes, cetonas, ésteres y ácidos orgánicos.
20. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicho solvente bi-direccional es un butanol.
21. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19, en donde dicho solvente bi-direccional es un fenol.
22. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicho solvente bi-direccional tiene una temperatura critica del solvente-agua en un rango entre 0°C y 200°C.
23. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18, en donde dicho solvente bi-direccional comprende una o más aminas.
24. Un método de acuerdo con la reivindicación 23, en donde dicha una o más aminas comprende uno o más miembros del grupo que consiste de dietilamina, trietilamina, 1-metil piperidina, di-isopropilamina de 4-metil piperidina, N,N- dietilmetilamina, dimetilisopropilamina, etilisopropilamina, metiletilisopropilamina, metiletil-n-propilamina, dimetil-butilamina secundario, dimetil-butilamina terciario, dimetilisobutilamina, dimetil-n-butilamina, metildietilamina, dimetilalilamina, dimetil-n-propilamina, diisopropilamina, di-n-propil amina, di-alilamina, n-metil-n-amilamina, n-etil-n-butilamina, n-etil-sec-butilamina, n-etil-butilamina terciaria, n-etil-n-propilamina, n-etil-isopropilamina, n-metil-n-butilamina, n-metil-sec-butilamina, n-metil-iso-butilamina, n-metil-butilamina terciaria, dimetilo, 1,1-dimetilpropilamina y dimetilo, 1-metil butilamina.
25. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde la proporción de dicho uno o más solutos hidrofilicos a dicho uno o más solutos hidrofóbicos asociados al petróleo crudo es al menos diez veces mayor en dicha primera solución acuosa empobrecida de agua que en dicha corriente de aguas residuales.
26. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde la concentración de al menos uno de dicho uno o más solutos hidrofóbicos asociados al petróleo crudo en dicho extractante es al menos tres veces mayor que la concentración de dicho al menos uno de dicho uno o más solutos hidrofóbicos asociados al petróleo crudo en dicha corriente de aguas residuales justo antes de dicho primer contacto.
27. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicha separación de al menos una porción de dicho uno o más solutos hidrofóbicos asociados al petróleo crudo de dicha segunda fase orgánica comprende la evaporación.
28. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende conducir dicho primer contacto en un modo de contracorriente.
29. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde la proporción entre la cantidad de dicho solvente bi-direccional y la cantidad de agua en dicha corriente de aguas residuales en dicho primer contacto se encuentra en un rango entre 2:1 y 20:1.
30. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde la proporción entre la cantidad de dicho solvente bi-direccional y la cantidad de agua en dicha corriente de aguas residuales en dicho primer contacto es £10:1.
31. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicho uno o más solutos hidrofóbicos asociados al petróleo crudo comprende uno o más fenoles.
32. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicho uno o más solutos hidrofóbicos asociados al petróleo crudo comprende uno o más aceites.
33. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde dicha corriente de aguas residuales comprende corrientes de agua de al menos dos fuentes.
34. Un método de acuerdo con la reivindicación 33, que comprende mezclar dichas corrientes de agua antes de dicho primer contacto o de manera simultánea con el mismo.
35. Un método de acuerdo con la reivindicación 33 o la reivindicación 34, en donde al menos una de dichas fuentes es agua de reemplazo.
36. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende utilizar la primera solución acuosa empobrecida de agua para la recuperación de petróleo mejorada.
37. Un sistema que comprende: a) un primer módulo de extracción de agua adaptado para poner en contacto un extractante que comprende un solvente bi-direccional con al menos una porción de de una corriente de agua que comprende uno o más solutos hidrofilicos y uno o más solutos hidrofóbicos asociados al petróleo crudo a una primera temperatura (Ti) dentro de 40°C de la temperatura critica del solvente-agua, para formar una primera solución acuosa empobrecida de agua y una primera fase orgánica enriquecida de agua; b) un módulo de ajuste de temperatura adaptado para ajustar la temperatura de dicha primera fase orgánica a una segunda temperatura (T2), para formar una segunda fase orgánica y una segunda solución acuosa; en donde el valor absoluto de (T2-Ti) es al menos 20; y c) un primer módulo de separación adaptado para separar al menos una porción de dicho uno o más solutos hidrofóbicos asociados al petróleo crudo de dicha segunda fase orgánica.
38. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 37, que comprende un módulo de re-circulación adaptado para recielar al menos una porción de dicha segunda fase orgánica como un solvente bi-direccional a dicho primer módulo de extracción de agua.
39. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 37 o la reivindicación 38, que comprende un segundo módulo de separación adaptado para separar el agua de dicha segunda solución acuosa para formar una solución acuosa concentrada y agua separada.
40. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 39, en donde dicho segundo módulo de separación comprende una membrana que retiene un retenido en un compartimiento de retenido y pasa a través del permeado a un compartimiento de permeado.
41. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 39 o la reivindicación 40, en donde dicha membrana es una membrana de osmosis inversa.
42. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 40 o la reivindicación 41, en donde dicho compartimiento de retenido comprende un mecanismo de separación adaptado para separar un tercer mezclador sedimentador de mención especifica.
43. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 42, que comprende un mecanismo de recirculación adaptado para recielar al menos una porción de dicha tercera fase orgánica a dicho primer módulo de extracción de agua.
44. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 37 a 43, configurado como un sistema portátil.
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