用于增强溶解气体浮选的方法和系统与流程

相关申请的交叉参考

本申请要求2017年8月15日提交的美国临时申请第62/545,713号的申请日的优先权和权益，其全部通过参考并入本文。

本发明总体上涉及用于从流体（诸如，产出水）移除不溶性物质的流体处理系统和过程。

背景技术：

被污染有少量油、悬浮固体和/或其它不溶性物质的水是许多工业操作的副产品，诸如，例如，原油和天然气的生产和提炼；化学品、油漆、纺织品、纸张和纸浆的制造；发电；以及金属、食品和饮料的处理。这些工业操作中面临的主要问题是油、悬浮固体和/或其它不溶性物质从水的经济分离，使得水可被再次使用或排放到环境中。

此分离问题在原油和天然气的离岸生产中尤其普遍，其中，油气井与油和气体结合产生水或盐水（“产出水”）。产出水通常充满有油和其它污染物。在产出水可被重新注入到井中或被设置返回到海中之前，必须将油和其它不溶性物质移除在可接受限制以下。因此，已设计了许多方法和系统，以减少来自从离岸油气井得出的产出水的不溶性物质的含量。

用于从产出水分离油和其它不溶性物质的一个方法是经由使用浮选系统，诸如，气体浮选单元。例如，气体浮选单元利用气体气泡（由液体介质携带），所述气体气泡经由低压（例如，经由喷射器）或在高压下（例如，在泵内）被引入到流体中。在理论上，气泡从递送流体释放到待处理流体中，附着到油滴和/或悬浮固体，使其浮选到其中也释放气体的流体的表面，并且油和其它不溶性物质随后被收集，并且从流体分离。一种具体类型的气体浮选单元是溶解气体浮选(dgf)单元。在美国专利第3,452,869号、第3,576,738号、第3,725,264号以及第4,022,695号中公开了示例性溶解气体浮选单元/系统。

虽然在多年内已开发了各种浮选系统，但此类系统的浮选罐通常要求显著体积和空间，以产生足够的分离结果。此外，利用上述溶解气体的浮选系统可要求若干泵，以便提供足够气体，以产生气泡，用于油/不溶性物质从相关联流体的有效分离。操作大型浮选罐和操作许多泵增加了占用面积以及设施、材料和操作成本。在给定设定体积的气体的情况下，本领域技术人员理解的是，大量小气泡比更少量大气泡提供更好的污染物移除。然而，根据斯托克斯（stokes）定律，更小气泡比更大气泡要求更长时间周期（驻留时间，例如，罐大小），以从水相分离。

技术实现要素：

根据一个方面，提供有用于浮选单元的改进操作的过程和系统（或利用溶解气体气泡的任何其它过程/系统）。在一个方面中，本文描述的过程和系统通过优化被递送到浮选单元的流体/气体混合物中的气泡大小而在浮选单元中优化不溶性物质从废物流的分离。例如，在某些方面中，本文描述的过程和系统基本上使溶解在流体/气体混合物中的气泡的平均气泡大小与平均油滴大小匹配。在另一实施例中，在确定待引入到浮选单元中的期望平均气泡大小时，还考虑废物流中的不溶性固体的平均液滴大小。在确定期望平均气泡大小时，诸如，通过修改泵的操作，如下文描述的，可调节本文描述的系统和过程，以形成具有期望平均气泡大小的流体/气体混合物。

根据另一方面，单独地或与优化被递送到浮选单元的流体/气体混合物中的气体气泡大小范围结合，本发明的方面还增加了被吸入到泵中的空气的量（相对于常规方法），用于产生流体/气体混合物，并且将流体/气体混合物递送到浮选单元。相对于常规方法，到泵的增加的空气流动总体上导致流体/气体混合物中的更大气体气泡密度。以此方式，到泵的增加的气体流动可减小对于相关联浮选系统所需要的泵的大小和数目，并且还可减小对于分离过程所要求的器皿的大小。

根据另一方面，提供有分离过程，包括：

在泵内使一定量的气体溶解在流体中，以形成包括具有100微米或更小的平均气泡大小的多个溶解气泡的流体/气体混合物；

将流体/气体混合物递送到在其中包括废物流的浮选单元，废物流包括具有平均油滴大小的油滴；

使溶解气泡从流体/气体混合物释放；以及

经由释放气泡到油滴的附着以及油滴在浮选单元中朝向流体表面的上升，使油滴在浮选单元中从废物流分离。

根据本发明的另一方面，提供有分离过程，包括：

在泵内使一定量的气体溶解在流体中，以形成包括多个溶解气泡的流体/气体混合物；

在溶解期间，增加泵的电频率，以增加泵的马达速度，并且增加被吸入到泵中的一定量的气体，其中，增加的电频率是有效的，以在流体中提供至少约9％体积的空气气泡密度；

将流体/气体混合物从泵递送到包括废物流的浮选单元，所述废物流在其中包括一定量的油滴；

使溶解气泡从流体/气体混合物释放；以及

经由释放气泡到油滴的附着以及油滴在浮选单元中朝向流体表面的上升，使油滴在浮选单元中从废物流分离。

根据本发明的另一方面，提供有分离系统，包括：

泵，与气体源和流体源流体连通，泵被配置成将气体引入到流体中，以形成流体/气体混合物，流体/气体混合物包括具有100微米或更小的平均气泡大小的多个溶解气泡；以及

浮选单元，包括具有平均油滴大小的油滴的一定量的废物流，浮选单元包括与泵流体连通的入口，用于在其中接收一定量的流体/气体混合物。

附图说明

图1示出了根据本发明的方面的用于从流体分离油滴的系统。

图2示出了根据本发明的方面的用于在系统中使用的泵。

图3示出了根据本发明的方面的泵的两个入口之间的气体进入对于气泡大小的作用。

具体实施方式

现在参考附图，图1示出了根据本发明的方面的包括浮选单元12的系统10。浮选单元12包括具有腔16的器皿14，所述腔16具有足够的体积，以在其中保持一定量的待处理流体（为了参考的简单性，在下文为“废物流18”）和任何其它流体。在某些实施例中，废物流18从合适的废物源被递送，所述废物源将一定量的废物流18递送到器皿14的一个或多个入口。废物流18可包括在其中具有一种或多种不溶性污染物（诸如，油、固体以及其它不溶性和/或悬浮物质）的任何水性流体。在实施例中，废物流18包括来自油回收过程的产出水。

为了将一定量的流体/气体混合物20递送到器皿14，以帮助油/固体污染物在器皿14中从废物流18分离，提供有与器皿14流体连通的泵22。泵22包括：一个或多个入口，以实现水性流体24到其的递送；以及一个或多个入口，以实现气体26到其的流动。如下文将详细解释的，泵22是有效的，以使气体26与流体24混合，以便提供包括溶解在其中的多个气体气泡的流体/气体混合物20。流体/气体混合物20从泵22被递送到器皿14。在器皿14内或在流体/气体混合物20由泵22递送到器皿14之前，流体/气体混合物20经受压力中的减小，这允许溶解气体气泡从流体/气体混合物20释放。当流体/气体混合物20在器皿14中与废物流18组合时，所理解的是，器皿14中的流体的总量可共同地被称为“流体30”。释放气体气泡（被显示为28）连同油以及可选来自废物流18的任何其它不溶性物质在器皿14中朝向流体30的顶部表面上升。在某些实施例中，而后可在器皿14中从流体30的顶部部分29移除不溶性物质，如图1中显示的。

在实施例中，被引入到泵22以提供流体/气体混合物20的流体24包括在至少一些油从废物流18移除之后保留在器皿14中的已处理流的一部分。此已处理流被显示为流32，并且在本文还可被称为“回收流32”。为了实现此，系统10可包括流体再循环管线31，以提供通路，用于回收流32从器皿14返回到泵22的递送。因此，在实施例中，流体24（空气气泡溶解在其内）包括回收流32。通常，从器皿14的底部部分34或相邻于器皿14的底部部分34取出已处理（回收）流32，以便尽可能向泵22提供无污染物的流体。另外，由于释放气体气泡，因此气体36可收集在器皿14的上部部分38处或相邻于器皿14的上部部分38。在某些实施例中，气体26可包括被收集在器皿14的上部部分38处或相邻于器皿14的上部部分38的气体36。为了将此气体26（例如，气体36）递送到泵22，系统10可包括气体再循环管线40，以提供通路，用于气体36从器皿14返回到泵22的递送，以供应在泵22中待溶解在流体24中的气体26的至少一部分。在另外其它实施例中，可提供辅助水性流体源和/或气体源，以为泵22提供足够的流体24和气体26，以产生期望量的流体/气体混合物20。在另外其它实施例中，气体源可包括围绕泵22的环境空气源，其中，泵22被配置成吸入待溶解在流体24中的所有气体26的至少一部分。

浮选单元12可包括在不溶性污染物从流体的分离中利用气体气泡的本领域中已知的任何合适的设备。在实施例中，浮选单元12包括器皿14或其它壳体，用于保持一定量的液体，用于不溶性物质从其的分离。另外，器皿14包括：一个或多个入口，用于流体/气体混合物20的输入；一个或多个输入，用于包括不溶性污染物的废物流20的输入；一个或多个出口，用于已处理流32的离开；一个或多个出口，用于顶部部分29的移除；和/或一个或多个出口，用于气体36从浮选单元12的离开。在实施例中，浮选单元12包括选自包括溶解气体浮选单元、溶解空气浮选单元和溶解氮气浮选单元的群组的构件，如本领域中已知的。此外，器皿14还可具有任何合适的大小、形状和体积，用于其旨在应用。

泵22提供结构，用于将气体气泡引入到流体24中，以在系统10中使气体26呈气泡的形式溶解在流体24中。所导致的流体/气体混合物20而后被引入到浮选单元12，以帮助不溶性污染物（例如，油和/或不溶性固体）在浮选单元12中从废物流18分离。泵22可为能够使一定量的气体溶解在被引入到泵中的流体内的任何合适类型的泵。在实施例中，泵22包括离心泵，如本领域中熟知的。在美国专利第6,337,023号和第5,591,001号中阐述了示例性离心泵，其全部通过参考并入。

在特定实施例中，并且如图2中显示的，泵22包括离心泵48，所述离心泵48包括前部壳体部段50和后部壳体部段52。前部壳体部段50包括第一泵室54。具有前部部段58和后部部段60的可旋转叶轮56定位在第一泵室54内，并且在旋转时产生所泵送液体的移动。液体通过进入口进入第一泵室54，并且加压液体而后通过出口/排放口离开第一泵室54。

密封室62被限定在泵22内在叶轮56的后部部段60和泵22的内壁66之间。通常，气体26经由合适的气体管线（诸如，气体再循环管线（气体管线）40（图1））而被引入到密封室62中。在实施例中，气体管线40的第一端部连接到密封室62，并且气体管线40的相对端部连接到器皿14（浮选单元12）的上部部分38。以此方式，气体26可从器皿14被递送到泵22的密封室62中，以在压力下与被引入到密封室62中的流体24组合。在其它实施例中，可从分立气体源供给所有或辅助量的气体。在任何情况下，泵22是有效的，以使具有期望平均气泡大小的一定量的气体气泡溶解在流体24中，并且产生流体/气体混合物20。当气泡从流体/气体混合物20释放时，器皿14中的流体30中的“自由”气体气泡帮助优化不溶性物质从废物流18的分离。

由泵22溶解在流体/气体混合物20内的气泡可由本领域中的任何合适的结构或过程从其释放，使得气泡变为“可用于的”，以帮助废物流18中的不溶性污染物的移除。在某些实施例中，系统10可包括阀42（图1）、孔板或定位在泵22的出口和到器皿14的入口处或之间的任何其它合适的结构，其减小流体/气体混合物20上的压力，由此减小气体气泡的溶解度，并且允许其在器皿中的流体30内释放。在某些实施例中，器皿14中的更低压力可为足够的，以实现气体气泡的至少一部分在器皿14中从流体/气体混合物20的释放。

根据本发明的方面，通过操作泵22，以产生具有100微米或更小的平均大小的气体气泡30，可改进浮选系统的效率。以此方式，产生了基本上匹配废物流18中的油滴33的平均大小的气体气泡。而且，以此方式，可控制用于系统10的气泡大小，以优化浮选单元12内的分离效率。具体地，平均气泡大小基本上匹配器皿14中的废物流18中或流体30（如果不同）中的平均油滴大小。在某些实施例中，“基本上匹配”意味着的是，气体气泡30的平均大小被控制，从而在器皿14中的废物流18中或流体30中的平均油滴和/或不溶性固体大小的30%内以及在另一实施例中在20%内。在另外其它实施例中，如果不同于平均油滴大小，则还可考虑平均不溶性固体大小。例如，在实施例中，可选择和提供基本上匹配如上文描述的油滴33的平均大小的期望平均气泡大小，并且可选择和提供基本上匹配废物流18中的不溶性固体的平均大小的平均气泡大小（在提供用于油滴移除的气体气泡之前、同时或之后）。

“如本文使用的平均大小或类似术语”被理解成意味着所关注（多种）物质的所测量最长尺寸的平均。在实施例中，基于器皿14内的废物流18的平均油滴大小，选择平均气体气泡大小。在其它实施例中，平均油滴大小基于废物流18在递送到器皿14之前的特征（在该情况下，可被更少地稀释）。

可由被配置成感测/检测（多种）相关材料的颗粒大小的任何合适的仪器或装置确定油滴33和/或悬浮固体的平均颗粒大小。在实施例中，仪器利用激光衍射，以确定废物流18中或流体30中的平均油滴和/或不溶性固体大小。用于颗粒大小确定的（多个）仪器可被提供在系统10中的任何合适的位置或多个位置处。例如，用于确定油滴大小的示例性仪器（例如，传感器44）被显示为定位在器皿14中，如图1中显示的。

在某些实施例中，电子控制器（控制器单元或控制件）46被提供在系统10中，所述电子控制器46与系统10中的选定部件（例如，传感器、阀、泵、浮选单元）有线或无线通信。在实施例中，控制器46被配置成直接或间接从一个或多个传感器44接收数据，处理数据，以便确定待溶解到进入泵22的流体24中的期望平均气泡大小，并且产生一个或多个信号到系统的选定部件（例如，泵22、阀、气体源、流体源和类似物），以便产生（多个）期望大小的气体气泡30。控制器46与必要部件电气（有线或无线）通信，以便有助于本文描述的任何材料流动的量、浓度、次序、位置和程度。此外，控制器46包括编程有软件/硬件的通用或专用计算机，以执行其（多个）旨在功能，如本文描述的。

在特定实施例中，一个或多个传感器44被设置在浮选单元12或废物流18的通路内，并且被配置成检测浮选单元12中的流体24或通路中的废物流18的参数。另外，控制器46与一个或多个传感器44和泵22电气通信，其中，控制器46被配置成发起到泵22的信号，以基于一个或多个传感器22的输出（所检测参数中的一个或多个）而改变被递送到泵22的一定量的气体。在实施例中，所检测参数选自包括油滴大小、温度和盐度的群组。例如，当参数包括油滴大小时，可调节泵22的操作（例如，增加或减少气体流动），以提供更明确地匹配油滴31的平均大小的气体气泡31（例如，在其内其中平均气泡大小在平均油滴大小的30％内的气泡大小）。在其它实施例中，经由一个或多个传感器44而测量流体24或废物流18的温度或盐度。控制器46而后可被编程，以从所测量温度和/或盐度确定气体26在流体24中的溶解度。被引入到泵22中的气体的量而后可被控制，从而在气体26在流体24中的溶解度限制以下，使得气泡的体积被最大化，并且其大小在期望范围中。

如本文使用的，术语“计算机”可包括处理器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(plc)、分立逻辑电路、专用集成电路或任何合适的可编程电路或控制装置。存储器可包括计算机可读介质或存储装置，例如，软盘、压缩光盘只读存储器(cd-rom)或类似物。在实施例中，控制器46执行计算机可读指令，用于执行方法的任何方面，或用于控制本文描述的系统或过程步骤的任何方面。如此，控制器46可被配置成执行计算机可读指令，以监测和/或调节参数，诸如，流动到泵22和/或器皿14中或流动出泵22和/或器皿14的任何气体或液体的流动速率。

一旦已确定期望气泡大小范围，则可经由任何合适的过程而在其中溶解期望平均气泡大小的情况下完成流体/气体混合物20的形成。在某些实施例中，可通过修改泵或被递送到其的材料的一个或多个参数而产生期望流体/气体混合物20。例如，在实施例中，可通过修改进入到泵22中的液体（流体24）或气体（例如，气体26）的量和位置而实现期望平均气泡大小。

在特定实施例中，泵22可包括至少两个气体入口，并且被引入到每个入口中的气体的体积可影响溶解到对应流体中的气泡大小分布。再次参考图2，泵22可包括具有前部部段58和后部部段60的叶轮56。在实施例中，第一量的气体26可被引入到第一气体入口68中，并且被递送到叶轮56的前部部段58中的位置，而第二量的气体26被递送到第二气体入口70中，并且到叶轮56的后部部段60，如上文描述的。根据本发明的方面，发明人已发现的是，在叶轮56前方递送预确定量的气体并且在叶轮56后方中递送预确定量的气体可对于所产生并且溶解到流体/气体混合物20中的气体气泡的大小具有直接作用。

通过示例的方式，如图3中显示的，在100％体积的气体26被递送/吸入到叶轮后方的情况下，所有(100%)的所产生气泡<100微米，并且约70%小于50微米。相反地，如果仅15%的被引入到泵22的总体积被递送到叶轮后方，并且剩余85%体积被递送到叶轮前方，则约57%的气泡>100微米（与在所有气体被递送到叶轮后方的情况下的0%相反），并且约43%>50微米。

因此，在一个方面中，通过以各种比率在叶轮56前方和后面分布气体，可形成不同（例如，更大）平均大小的气泡。进一步理解的是，本文描述的控制器46可与对应控制阀电气通信，所述控制阀与泵22的第一和第二入口68、70相关联，以便控制通过第一和第二入口68、70到泵22的一定量的气体流动以及被递送到第一和第二入口68、70的流动的比率。如此，上文描述的过程可经由调节泵22的操作而产生具有期望平均气泡大小的流体/气体混合物20。在一些实施例中，泵被调节，从而产生基本上匹配废物流18中和/或浮选单元12（例如，器皿14）内的油滴33（和/或可选悬浮固体）的平均大小的平均大小的气泡。

根据本发明的另一方面，发明人已发现的是，增加泵22的频率(hz)可允许被递送到泵22的气体体积中的增加，而没有与常规泵相关联的气蚀或气锁问题。为了在气体浮选系统中提供足够的空气/溶解气泡，以帮助移除不溶性物质，通常提供多个泵或大体积浮选单元12/器皿14。对于多个泵的一个原因是，常规实践已阻止到任何单独泵的气体递送增加超过某个水平，因为气蚀或气锁倾向被发现是发生（在泵操作期间）在某个水平以上。例如，已发现的是，当气体进入体积≥约9％体积的流体（流体24）进入体积时，气蚀或气锁的可能性显著增加。然而，本发明人已惊讶地发现的是，将泵22的频率增加到至少70hz导致更多气体被吸入到泵22中，而没有与常规方法相关联的负面气蚀/气锁作用。

在实施例中，泵22以更高频率（70hz或更高）的操作导致马达的增加速度（马达中的rpm增加），这由此增加被吸入到泵中的气体26的量。在某些实施例中，相对于常规方法或泵（以60hz或更低操作的常规泵），气体26被吸入到以更高(≥70hz)频率的泵22的至少两个气体输入（例如，输入68、70）中，以产生更大空气气泡体积/密度。有利地，流体/气体混合物中由于以更高hz操作导致的增加气体（空气气泡）体积减少了如在常规浮选/分离过程中对于多个泵或大器皿的需要。在某些实施例中，以更高(≥70hz)频率操作是有效的，以在流体24中提供至少约9％体积的空气气泡密度。此外，在某些实施例中，泵22可包括可变频率泵，如本领域中已知的。可变频率泵的使用允许将频率调节到多个设定点。更高频率将导致更高叶轮速度，并且因此更多空气被吸入到泵22中。被提供在叶轮前方/后方的此量的气体26可被控制，以将期望平均气泡大小递送到流体24。

本文描述的系统和方法在其应用中不限于在描述中阐述或在附图中示出的构造的细节和部件的布置。本发明能够具有其它实施例，并且能够以各种方式实践或执行。而且，本文使用的措词和术语是为了描述的目的，并且不应被视为限制性的。本文的“包括”、“涉及”、“具有”、“包含”、“特征在于”、“其特征在于”和其变型的使用意味着涵盖其后列举的项目、其等同物以及仅包括其后列举的项目的可选实施例。在权利要求中使用序数术语（诸如，“第一”、“第二”、“第三”和类似术语）以修改权利要求元件本身不暗示任何优先性。单数和复数术语的使用不旨在为限制性的。例如，当以单数描述物品或材料时，应理解的是，“一个”意味着此类物品或材料中的“一个或多个”。类似地，当以复数描述物品或材料时，应理解的是，此类描述包括相同物品或材料中的单个一个。

虽然已公开了本公开的示例性实施例，但可在其中作出许多修改、添加和删除，而不从本公开和其等同物的精神和范围脱离，如在以下权利要求中阐述的。本领域技术人员将容易理解的是，本文描述的各种参数和配置意味着是示例性的，并且实际参数和配置将取决于具体应用，对于所述具体应用，使用了指向朝向使用本公开的复合介质的分离处理过程的系统和方法。仅使用常规实验，本领域技术人员将认识或能够确定对于本文描述的具体实施例的许多等同物。