专利名称：减少在非常规油的采收中添加的补水的使用的rf加热的制作方法
减少在非常规油的采收中添加的补水的使用的RF加热
背景技术：
本公开涉及浙青和油母质的分离，浙青和油母质是来自油砂、焦油砂、油页岩和与基质结合的其它石油源的非常黏稠的种类的石油，有时被称为非常规石油或油。在北美存在这样的石油矿石的大量储藏，由于从这些矿床提取可用石油的经济成本和环境成本，导致这些储藏未被充分利用。目前的地表开采工艺采收矿石中的大约91%的浙青。期望改进浙青产量且降低生产成本。一种改进浙青采收率的方法是对工艺用水进行加热，从而降低浙青的黏度。通过将浙青从40°C加热到67°C，浙青的黏度降低到10%，通过将浙青从67°C进一步加热到 80°C，浙青的黏度进一步降低一半多。随着温度升高，用石脑油稀释的泡沫将经历类似的黏度降低。沉降槽、沉降装置、离心机和旋风分离器的吞吐速率与黏度成反比。将浙青温度从 40°C升高到80°C可使沉降速率提高为20倍，或者对于相同的处理速率，可使提取的最小颗粒的尺寸减小到4. 5分之一。尽管如此，将整个工艺加热到80°C在经济上并不可行，这是因为这种方法对于每桶提取的碳氢化合物需要太多的能量。浙青在工艺中的很多部分中是较少的成分，并且，大量工艺用水被使用。工艺用水中的很多要么作为液体要么作为蒸汽而离开系统，引入的热量中的很多被损失。目前的技术将整个工艺加热到某个程度，并且利用蒸汽注入来升高某些工艺点处的浆料的温度，在所述工艺点处，较高的温度可改进工艺效率。
发明内容
本发明的一个方面是用于从工艺料流中的油砂分离出浙青的设备。该设备包括制浆容器、分离容器、除气器、颗粒移除器和局部区域射频施加器。制浆容器形成油砂矿石在水中的浆料。制浆容器具有矿石入口、水入口和浆料出分离容器从浆料分离出浙青泡沫。分离容器具有浆料入口、浙青泡沫出口、砂出口和中矿出口。除气器从浙青泡沫移除空气，从而形成浙青浆料。除气器具有浙青泡沫入口和浙青浆料出口。颗粒移除器从浙青浆料移除异物颗粒。颗粒移除器具有浙青浆料入口、浙青浆料出口和油渣出口。局部区域射频施加器具有RF-AC功率入口和辐射表面，所述辐射表面被配置和定位为选择性地加热设备的局部区域中的工艺料流。局部区域可与以下位置相邻制浆容器的矿石入口 ；制浆容器的浆料出口 ；分离容器的浆料入口 ；分离容器的浙青泡沫出口 ；除气器的浙青泡沫入口 ；颗粒移除器的浙青浆料入口 ；颗粒移除器的油渣出口 ；或者这些位置中的任何两个或更多个。
本发明的另一方面是用于处理油砂的浙青泡沫分离设备。该设备包括分离容器和局部区域射频施加器。分离容器具有浆料入口、底部产物出口、底部产物出口上方的中矿出口和中矿出口上方的浙青泡沫出口。局部区域射频施加器位于分离容器的浙青泡沫出口处或者与该浙青泡沫出口相邻。施加器具有RF-AC功率入口和辐射表面。辐射表面被配置和定位为选择性地加热浙青泡沫，而不显著地加热中矿。当容器包含位于和邻近中矿出口的水平高度的中矿以及位于和邻近浙青泡沫出口的水平高度的、中矿上方的浙青泡沫时，可实现这个条件。本发明的另一方面是用于处理油砂-水浆料的设备，该设备包括制浆容器、浆料管和局部区域射频施加器。制浆容器被配置为将油砂矿石分散在水中，从而形成碱性油砂-水浆料。制浆容器具有油砂矿石入口、水入口和浆料出口。浆料管具有连接至制浆容器出口的上游部分38和位于制浆容器出口下游的下游部分。局部区域射频施加器位于浆料管的外部。施加器具有RF-AC功率入口和辐射表面，所述辐射表面被配置和定位为选择性地加热与制浆容器出口相邻的局部区域中的浆料管的内容物。施加器加热局部区域，而不显著地加热制浆容器的内容物或者浆料管的下游部分的内容物。本发明的又一方面是用于从工艺料流中的油砂分离出浙青的工艺，包括以下步骤形成油砂矿石在水中的浆料；从浆料分离出浙青泡沫；从浙青泡沫移除空气，从而形成浙青浆料；从浙青浆料移除异物颗粒；以及将射频电磁能量施加于工艺料流的局部区域。在具有矿石入口、水入口和浆料出口的制浆容器中形成油砂矿石在水中的浆料。在具有浆料入口、浙青泡沫出口、砂出口和中矿出口的分离容器中从浆料分离出浙青泡沫。在具有浙青泡沫入口和浙青浆料出口的除气器中从浙青泡沫移除空气。在颗粒移除器中从浙青浆料移除异物颗粒。颗粒移除器具有浙青浆料入口、浙青浆料出口和油渣出口。射频电磁能量被施加于工艺料流的局部区域，以选择性地加热局部区域中的工艺料流。所述局部区域可与以下位置相邻制浆容器的浆料出口、分离容器的浆料入口、分离容器的浙青泡沫出口、除气器的浙青泡沫入口、颗粒移除器的浙青浆料入口或者颗粒移除器的油渣出口。也可以以这种方式加热与这些位置中的任何两个或更多个相邻的局部区域。本发明的另一方面涉及[具有文章体的改写的第二个独立权利要求]。
图1A、1B和IC作为组合体是用于从油砂矿石移除浙青的浙青分离工艺的示意图。图2是制浆容器的透视图。图3是管段和用于加热该管段的内容物的局部区域RF施加器的隔离图解透视图。图4是管段和用于加热该管段的内容物的局部区域RF施加器的另一个实施例的隔离图解透视图。图5是利兹线(Litz wire)环路天线(loop antenna)的示意图。图6是被部分分解以示出其构造的利兹线的透视图。图7是沿着图6的截面线7-7取的截面。图8是一次分离容器的图解截面。图9是具有流槽的一次分离容器的图解截面。图10是图9的容器的图解俯视图。图11是一次分离容器的流槽的截面图，其示出浸入在浙青泡沫中的环形-网格 (ring-and-grid) RF 施加器。图12是类似于图9的视图，其示出设置在一次分离容器内的浙青泡沫中的RF施加器。图13是图12的容器的图解俯视图。图14是修改的环路天线的示意图。图15是用于执行油砂矿石处理的所考虑的工艺的工艺示意图。图16是具有流槽的一次分离容器和直接照射RF加热的图解截面。图17是具有流槽的一次分离容器和直接照射RF加热的另一个实施例的图解截图18是图17的实施例的俯视图。图19是用于加热矿石的RF加热器的图解截面。
具体实施例方式现在，以下将参照附图对本发明进行更充分的描述，在附图中示出了本发明的一个或更多个实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式被实施，而不应该被解释为限于这里所阐述的实施例。相反，这些实施例是本发明的示例，本发明具有由权利要求的用语指示的全部范围。类似的标号始终指示类似的要素。本发明的一个方面是用于从工艺料流中的油砂分离出浙青的设备。为方便起见， 这里，“浙青”被宽泛地定义为包括油母质和与基质结合的其它形式的石油。图1A、1B和IC中示出了用于从油砂分离出浙青的设备20的一个示例。在设备20 的上游，矿22例如使用挖掘机从油砂矿被挖掘出来。矿石22可以例如通过自卸卡车被传送到设备20。设备20具有破碎机M，在破碎机M处，矿石20被粉碎为便于处理的尺寸。 破碎的矿石被放置在传送器26上，传送器沈(诸如循环进料器)将破碎的矿石传送到制浆容器28中。制浆容器28具有矿石入口 30、水入口 32和浆料出口 34。热水也被传送到制浆容器观，在制浆容器观处，破碎的矿石分散在水中，以形成油砂矿石浆料。用氢氧化钠处理油砂-水矿石浆料，以促进浙青的分离，并将油砂-水矿石浆料传送到浆料管36。浆料管36具有连接至制浆容器出口的上游部分38和位于制浆容器出口 34的下游的下游部分40。浆料管36的下游部分40为一次分离容器42进料。一次分离容器42具有浆料入口 44、底部产物出口 46、底部产物出口 46上方的中矿出口 48和中矿出口 48上方的浙青泡沫出口 50。分离容器42从浆料分离出浙青泡沫和砂以及其它固体尾矿。图1所示的一次分离容器42是泡沫浮选容器。在操作中，简要地参照图8，中矿52与中矿出口 48的水平高度相邻地被设置在分离容器中。中矿52基本上由碱性油砂-水浆料构成。浙青泡沫M与浙青泡沫出口 50的水平高度相邻地被设置在分离容器中、在中矿52上方。在一次分离容器42中浮选的浙青泡沫讨的液态组分典型地包含大约50-60%浙青、20-30%水和10-20%黏土以及其它固体。 液态组分具有大量混入空气。底部产物56(主要是砂)被设置在分离容器42中、在中矿48 下方，并且位于底部产物出口 46的水平高度，或者与底部产物出口 46的水平高度相邻。当对矿石进行处理时，对中矿52的搅拌引入空气，空气形成泡沫。从最初所结合的砂离开的浙青颗粒粘附到泡沫，并且上升到顶部，以形成浙青泡沫50，并且，砂下降到底部56，在底部56处，砂通过砂出口 46被移除。重复图IA的一次分离容器的图IB示出一次分离容器42的中矿52可经由中矿出口 48被移除并且被进一步处理。如将说明的那样，根据需要移除中矿52(典型地为连续地)，以使得能够从浆料管36进料，同时在一次分离容器42的顶部留下足够的空间，以用于在充足的滞留时间内保持浙青泡沫M，从而在泡沫M中提供浙青的期望比例。从中矿出口 48移除的中矿52被传递到一个或更多个一次浮选容器(在这里，为一排五个平行的一次浮选容器60、62、64、66和68)，这些一次浮选容器再次分离上方的浙青泡沫和油砂乳液中矿52下方的尾矿。经由导管70排出的一次浮选尾矿可与来自一次分离容器42的尾矿组合，以用于进一步处理。图IB更详细地示出从一次分离容器或单元42的砂出口 46和导管70移除的砂和尾矿可在筛网72处被筛选以移除较大的颗粒，并且被传递到二次浮选容器(诸如74、76和 78)，这些二次浮选容器提供附加的浙青泡沫的二次浮选，这些附加的浙青泡沫经由二次浙青泡沫线路80被回收到一次分离容器42的输44。由二次浮选尾矿线路82传送的来自二次浮选的尾矿可在一个或更多个旋风分离器或二次离心机84中被处理，所述旋风分离器或二次离心机84分离主要是水的溢流86和颗粒油渣底流88。水溢流可在增稠缸90中被清理，所述增稠缸90在将水引向暖水槽92之前进一步从水中分离尾矿。被增稠缸90分离的尾矿在尾矿池94中被处理，尾矿池94在将水引向示意性地示为96的回收水池之前进一步从水中分离尾矿。在图IB所示的工艺的部分中，来自一次分离容器42的浙青泡沫经由管道98被传递到除气器100。除气器100从浙青泡沫移除空气或其它气体中的一些。除气器100具有浙青泡沫口 110和浙青泡沫出口 112。然后，浆料在颗粒移除器中被处理(通常是大量地)，以移除在浮选设备中没有沉降掉的(典型地是)黏土和其它更小的颗粒。颗粒移除器典型地具有浙青浆料入口、浙青浆料出口和油渣出口。许多不同的颗粒移除器是合适的，并且，可使用图示的颗粒分离器中的一个或若干个。参照图1B，所示的第一颗粒移除器是泡沫筛网114。泡沫筛网主要从浙青泡沫移除相对较大的颗粒。筛网114具有浙青泡沫入口 116和浙青泡沫出口 118。筛网114的油渣“出口”是清理筛网114的另外的装置(未示出)。还可通过替换废筛网来移除油渣。现在参照图IB和1C，离开泡沫筛网114的浙青浆料前进到图IB所示的泡沫进给槽120，然后，浙青泡沫被来自如图IC所示的稀释剂流122的附加流体稀释，并且进入斜板沉降器1 的浙青泡沫进给口 124，所述斜板沉降器1 也具有浙青泡沫出口 1 和油渣出口 130。斜板沉降器1 还具有絮凝腔室、薄板组(lamella plate packs)、溢流流槽、油渣料斗、耙和絮凝搅动器。经处理的浙青泡沫经由浙青泡沫出口 1 离开斜板沉降器126，并且经由浙青泡沫线路132和134被传送到圆盘式离心机136，以用于附加的颗粒移除。用于移除小颗粒的二次离心机在2500g 5000g的范围中操作，其中，g是其表面处的地球重力。圆盘式离心机136具有浙青泡沫入口 138、浙青出口 140、稀释剂出口 142和补水入口 144。在圆盘式离心机136中，石脑油中的浙青是较轻的馏分。它从离心机136中上升到浙青出口 140，并且作为精炼浙青而离开设备。矿物颗粒和水下降到圆盘式离心机136的底部，并且在出口 142处在喷嘴水中离开。在144处提供补水，以替换喷嘴水。从稀释剂出口 142所取的离开的喷嘴水被传送到石脑油(稀释剂)采收单元148 的入口 146，石脑油(稀释剂)采收单元148将来自尾矿的稀释剂移除到稀释剂出口 150。 然后，尾矿通过尾矿出口 152离开，以用于丢弃。经由油渣出口 130离开的来自斜板沉降器126的底流或油渣与稀释剂流160混合，并被传递通过图IC所示的且在以下描述的附加的颗粒移除设备，以从油渣隔离出另外的浙青，所述稀释剂流160可以是非水熔剂，诸如石脑油。经稀释的油渣被传递到螺旋式离心机162，螺旋式离心机162具有浙青浆料入口 164、浙青浆料出口 166和尾矿出口 168，所述经稀释的油渣是浙青含量较低的浆料。在螺旋式离心机162中分离的附加的浙青浆料经由出口 166被传递通过过滤器 170，所述过滤器170具有浙青浆料入口、浙青或滤液出口以及油渣出口 176。过滤器的油渣出口 176可以是可置换或可清洁的过滤元件，其被移除和/或清洁以去掉油渣。离开过滤器的浙青出口 174的浙青浆料或滤液被传递到圆盘式离心机180的浙青浆料入口 178，所述圆盘式离心机180具有用于通过轻相的浙青浆料出口 182和用于通过重相的油渣出口 184，所述轻相可以是例如石脑油中的浙青，所述重相可以是水中的尾矿。通过其出口 182的浙青浆料与离开斜板沉降器126的浙青浆料组合，并且被递送到圆盘式离心机136的浙青浆料入口 138，以用于进行如前所述的进一步处理。螺旋式离心机162 (可任选地，过滤器170)和圆盘式离心机180的尾矿被组合，并且被传递到如前所述的石脑油采收单元148。正在被处理的泡沫或浆料中的浙青非常黏稠，其高黏度使得处理的生产能力低于最佳。如果以相对较冷的温度处理浙青，则黏稠的浙青不易于沉降或者排放砂，并且浙青采收率低。发明人发现了 可通过在某些工艺点处对浆料进行加热以降低浙青的黏度来解决这个问题。发明人考虑，在某些工艺点处注入蒸汽进行加热因而降低浙青的黏度的常规方案具有不希望的副作用。蒸汽注入，特别是当被用于加热泡沫时，趋于引起下游工艺问题。首先，经由蒸汽注入来升高浙青浆料温度将额外的水添加到浆料进一步稀释了浙青，这要求设备中处理更多的水，并且最终增加需要从浙青移除的水。由于移除大体积的工艺用水已经是个问题，所以增加要被移除的水量使得工艺效率更低。第二，与蒸汽注入相关联的蒸汽流体积和压力相对较高。蒸汽注入因而趋于导致混合料中的高剪切，这继而促进工艺浆料或泡沫中形成更稳定的(即，难以分离的)油-水乳液。第三，由蒸汽注入贡献的高剪切趋于粉碎浆料中的砂、黏土等的颗粒。移除这些更小的颗粒更困难且更耗时。随着颗粒尺寸减小(对于小颗粒)，沉降槽、沉降装置、离心机和旋风分离器的吞吐速率降低。如果加热工艺创建更多小颗粒或者降低平均颗粒尺寸(如在蒸汽注入的高剪切的情况下可能发生的那样)，则由于更难以移除颗粒，所以通过降低浙青黏度而实现的益处被削弱或丧失。第四，由于泡沫被填充有小的空气单元因而传热差，所以难以以均勻地加热大多数泡沫的方式注入蒸汽。最后，矿石在被开采时包含水，对于给定的能量输入，所包含的水降低了加热的矿石浆料的温度。对于具有高的黏土和水含量的矿石，甚至通过仅将100°C、latm的水添加到工艺而可实现的浆料混合温度也趋于有限。由于浙青浆料包含磨料矿物和碱，所以对工艺设备的腐蚀性强，因此不添加水的其它加热方案(诸如从热水或蒸汽导管交换热量)也不被发明人认为是有用的。高效率地交换热量的材料(例如，铜管)不适合曝露于这种极端环境。发明人设想，不是在某些工艺点注入蒸汽以进行局部加热，而是可通过被馈送有射频(RF)能量的施加器来对工艺点或局部区域中的一个或更多个进行加热。这里，“射频” 被最宽泛地定义为包括具有比可见光长的波长的电磁频谱(包括从3Hz到300GHz的范围) 的任何部分，并且包括以下子频率范围
後高频1'111: 30 >00 C.Hz 1 IOmm 参照图1，可被RF加热的局部区域的几个示例包括与以下工艺点中的一个或更多个相邻的区域(对于本说明书来说的与一个点“相邻”包括位于该点处的位置以及从该点移开短距离的位置。)
-与制浆容器观的浆料出口34相邻的区域，诸如190 (关于浆料容器的放大图，还参见图2，关于所提出的用于加热浆料容器的浆料管36的RF施加器，还参见图3 7)；-与一次分离容器42的浙青泡沫出口50相邻的区域，诸如192(关于示例性加热点和工艺施加器，参见图8 14和16)；-与一次分离容器42的二次浆料入口80的下游端相邻的区域，诸如194(关于示例性加热点，参见图1B，关于用于加热该管道加热点和其它管道加热点的适合的RF施加器，参见图3 7)；-与除气器的浙青泡沫入口110相邻的区域，诸如196(关于示例性加热点，参见图 1B)；-与一个或更多个颗粒移除器的浙青浆料或泡沫入口相邻的区域，诸如198、200、 202或204(参加图1C)；或者-与这些位置中的任何两个或更多个相邻的区域。图3示出用于加热管道段(诸如图2和3的浆料管36)的内容物的适合的管道施加器210的示例。在图2中，局部区域与制浆容器观的浆料出口 34相邻。局部区域射频管道施加器210位于浆料管36的外部。施加器210具有RF-AC功率入口 212和辐射表面，所述辐射表面被配置和定位为选择性地加热与制浆容器出口相邻的局部区域中的浆料管36的内容物。施加器210加热局部区域，而不显著地加热制浆容器 28的内容物或者浆料管36的下游部分40的内容物。图3的局部区域射频施加器是圆柱形缝隙天线210，并且可根据授予哈里公司的美国专利No. 7,079,081中的公开来构造和操作，该美国专利以引用方式被包含在此。天线210可包括辐射构件214。辐射构件214可由导电材料制成，所述导电材料例如为铜、黄铜、铝、钢、导电镀层和/或任何其它合适的材料。在本例子中，为了高功率处理能力，考虑薄片或铸造金属辐射构件214。此外，辐射构件214可以基本上是管状的，以便提供至少部分被导电材料围住的腔体216。如这里所定义的，术语管状描述具有任何截面轮廓的中空结构的形状。在本示例中，辐射构件214具有圆形截面轮廓，然而，本发明不限于此。 重要的是，辐射构件214可具有在其中限定腔体216的任何形状。另外，辐射构件214可以是消逝型的(evanescent)或者谐振型的。辐射构件214可包括非导电调谐缝隙218。缝隙218可从辐射构件214的第一部分延伸到辐射构件214的第二内部部分。辐射构件214和/或缝隙218可被设为用于辐射 RF信号的尺寸。可通过使腔体216的在与辐射构件214的轴垂直的维度中的截面面积最大化来增大辐射构件214传播的信号的强度。此外，可通过增大缝隙218的长度来增大由缝隙218传播的信号的强度。因此，可选择腔体截面的面积和缝隙的长度，以实现期望的辐射 (radiation pattern)。天线210还可包括阻抗匹配器件220，所述阻抗匹配器件220被设置为使辐射构件 214的阻抗与负载的阻抗匹配。根据本发明的一方面，阻抗匹配器件220可以是横向电磁 (TEM)馈电耦合器。有利的是，TEM馈电耦合器可补偿由工作频率变化而引起的电阻变化， 并且无论工作频率如何都可提供恒定的驱动点阻抗。电容器或者其它合适的阻抗匹配器件可被用于使辐射构件214的并联阻抗与源和/或负载匹配。如果阻抗匹配器件220是TEM馈电耦合器，则通过TEM耦合器与辐射构件214之间的电(E)场和磁(H)场耦合来确定TEM耦合器的阻抗匹配性能。E和H场耦合又是TEM 耦合器和辐射构件214的各自的尺寸以及这两个结构之间的相对间隔的函数。阻抗匹配器件220可经由第一导体222可操作地连接到源。例如，第一导体222 可以是合适的电缆的导体，例如同轴电缆的中心导体。第二导体2M可与辐射构件214和阻抗匹配器件220之间的间隙2 接近地电连接到辐射构件214。可选择第二导体2 和第一导体222与天线的相应部分的电连接的位置，以实现期望的天线的负载/源阻抗。在第一导体222与第二导体2 之间流动的电流可产生用于将阻抗匹配器件220 和辐射构件214耦合的H场。此外，阻抗匹配器件220与辐射构件214之间的电势差可产生E场耦合。E场和H场耦合的量随着阻抗匹配器件220与辐射构件214之间的间隔增大而减小。因此，可调整间隙226，以实现适当水平的E场和H场耦合。可凭经验或者使用包含对电磁参数的有限元分析的计算机程序来确定间隙226的尺寸。图3的局部区域射频施加器是环绕工艺导管36的圆柱形缝隙天线210。该工艺导管36可以是非金属管道段。它可由例如陶瓷材料制成，陶瓷材料不明显地衰减通过它传输到矿石砂浆料的RF能量，并且耐磨。在图示的实施例中，圆柱形缝隙天线210可被形成在管道段36上。图4 7示出适合于加热管道段36内的工艺料流232的局部区域射频施加器230 的另一个实施例。这里的施加器是环绕工艺导管36的环路天线230。可任选地设置两个或更多个轴向或径向隔开的回路天线。在图示的实施例中，局部区域射频施加器230是利兹环路天线。可在例如授予哈里公司的美国专利No. 7，205，947中找到利兹环路天线的合适构造，以引用方式将该美国专利包含在此。图4和5的天线可由例如如图6和7所示的利兹线或多股缆234( —般地称为利兹线234)形成。术语利兹线源于德语词Litzendraht (或Litzendraught)，其含义是编织的或“交织的”线。一般定义，它是由按一致的模式捆成束并且扭曲或编织在一起的各个薄膜绝缘线构成。利兹线构造被设计为最小化或减小由于趋肤效应而在固体导体中表现出的功率损失，所述趋肤效应是射频电流要集中在导体表面的趋势。通过被构造为(至少理想上)每一股占据电缆中的所有可能位置(从中心到外边缘)，利兹构造抵消这种效应，这趋向于使磁链(flux linkage)相等。这使得电流能够在电缆的整个截面上流动。一般来说， 由许多股细线组成的构造对于频率较高的应用是最佳的，1 2趋肤深度的绞股直径是特别有效率的。当选择利兹线234用于给定的应用时，要考虑将影响线的性能的一些重要规格。 这些规格包括合并到利兹线234中的线股数量、线的频率范围、股的尺寸(通常用AWG-美国线规(American Wire Gauge)来表达)、线的电阻、它的重量和它的形状(通常为圆形、矩形或辫状)。各种利兹线构造是有用的。例如，束可被编织，电缆可被扭曲。在其它实例中，可处处使用编织或扭曲。利兹线234可以是有包层的(served)或者无包层的(unserved)。“有包层的”简单地意味着整个利兹构造用尼龙织物、聚氨酯或纱线包裹，以用于增加强度和保护。无包层的线不具有包裹材料或绝缘材料。在任一情况下，附加的胶带或绝缘材料可被用于帮助保护利兹线234和防御电干扰。由于聚氨酯的低电损和可焊性，聚氨酯是最常用于使各股绝缘的膜。也可使用其它绝缘材料。如图4和5所示，天线230包括利兹线环234。利兹线环234包括拼接部236，所述拼接部236作为用于迫使/调谐利兹线环谐振的电容性元件或者调谐特征。另外，可通过断开和/或连接利兹线环234中的各股来调谐天线230的频率。磁耦合馈电环238被设置在导电的利兹线环234内，并且形成用于为磁耦合馈电环馈电的馈电结构M0。馈电结构 240的引向馈电环238的部分优选为同轴馈电线。可通过断开和连接利兹线中的多个线的被选择的线而对环234进行调谐。例如， 首先通过测量耦合馈电环238处的最低谐振频率来确定给定的利兹线环构造的工作频率。 然后，可通过随机地断开整个利兹线环234中的股来精细地向上调整利兹线环234的工作频率。在耦合馈电环238处监视利兹线环234的工作频率，以确定何时达到期望的工作频率。可通过重新连接断开的股来向下调整工作频率。利兹线环234可以以许多方式被形成。在一种手工技术中，如制作连续绳吊索的技术中常用的那样，多个长拼接部由各个线束制成。从电缆解开一束，然后将另一束放置到由前一束留下的空隙中。多个线束的末端位置围绕利兹线环234的圆周交错。芯(诸如图 4的管)可被用作用于利兹线环234的形式。在操作中，通过穿过环路平面的径向近场磁(magnetic near fields)的互感，磁耦合馈电环238对利兹线环234起到变压器初级的作用，利兹线环234起到谐振次级的作用。这种耦合的性质是宽带的。在如图4和5所示的管道施加器安装中，馈电环238和利兹环234可具有相同的半径，并且可沿着管段而轴向移置。参照图4和5，局部区域射频施加器具有RF-AC功率入口 240和辐射表面M2，所述辐射表面242被配置和定位为选择性地加热设备20的局部区域中的工艺料流232。如图4所示的附加施加器可沿着管段36或者设备20中的其它管段而被放置，以在选定的地方提供附加的加热。参照图8 14，其它所考虑的实施例涉及在用于处理油砂的浙青泡沫分离设备中的浙青泡沫的局部加热。该设备包括分离容器42和局部区域射频施加器(诸如M4J46、 248,250 或 252)。局部区域射频施加器M4、M8、250和252各位于或者邻近一次分离容器42的浙青泡沫出口 50。在图示的实施例中，浙青泡沫出口包括分离容器的堰260或沈2(这里，堰被宽泛地定义为位于容器顶部或者容器顶部下方的任何边缘，当泡沫上升到堰的水平高度上方时，泡沫在堰的上方溢出，堰诸如是直边缘、管的唇口等)、流槽(诸如264或沈6)和流槽(诸如沈6)中的排泄部(诸如沈8)中的一个或更多个，所述流槽被配置为用于收集从堰溢出的浙青泡沫，所述排泄部用于将浙青泡沫排泄到下游设备，以用于进一步处理。例如，图9 11的实施例在流槽266中提供局部区域加热，所述流槽266从堰262 收集浙青泡沫溢出物270。如图所示的施加器248或250被浸在浙青泡沫中，但是也考虑在泡沫附近、但是在泡沫外部的配置。图12和13的实施例的施加器252与堰262相邻地在分离容器自身的泡沫中提供局部区域加热。泡沫M中的大部分或全部在到达堰262之前不久通过施加器252的附近 (径向地在施加器252的内部或外部)，从而垂直地和水平地减小了泡沫M的被加热体积272，并且缩短了用于给定体积的泡沫的加热时间，因而将来自泡沫M的热损失保持为最作为另一个示例，管道加热器(诸如图3至5所示的任何实施例)可被应用于从一次浮选容器60 68和二次浮选容器74 78到进入一次分离容器42的主浆料线路36 的泡沫回程80的下游部分。在44处输入的整个油砂浆料可被加热，但是由于已经通过将 32处的热水引入到循环进料器中对从循环进料器30到一次分离容器42的流进行了加热， 所以这可以是不必要的。从浮选容器60 68和/或64 68起的泡沫回程可以是距最近施加热量处的相当远的下游。图9和10的安装有流槽的天线248可以是如图10或12所示的管状或实心环形施加器，或者如图5所示的利兹环路天线，或者如图11所示的环形-网格天线。如图11所示的环形-网格天线或施加器250包括导电管、环形或环形段274、网格 276、非导电支承件278以及非导电外部防护和支撑装置观0，所述环形或环形段274例如可以为利兹线，所述网格276在这里被示出为围绕环形274的管形网格，所述非导电支承件 278将环形段保持在适当的位置，并且使它与其它装置隔离，所述非导电外部防护和支撑装置280使环形274和支承件278与浙青泡沫和其它工艺条件隔离，并且保护环形274和支承件278不受浙青泡沫和其它工艺条件的影响。取决于要被加热的泡沫的性质、要使用的频率以及流槽266和网格276的几何形状，图11的环形或中心导体274可替换地可被配置为TEM腔体或环路天线。TEM工作的截止频率由介质介电常数和磁导率决定。关于使环形274与非圆形槽(trough)或网格截面匹配，环形274的截面形状可以是非圆形，诸如椭圆形、矩形或任意形状。网格276是机械排除网格(mechanical exclusion grid)，并且具有诸如282的开口，这些开口相对于所施加的RF能量的波长是小的以容纳RF场，但是大得足以使得浙青泡沫能够容易地进入和离开流槽以及由网格包围的空间。作为替换方案，扁平网格(正如顶部284那样)可被设置在环形的上方，但是优选地横跨流槽沈6的整个宽度，以防止RF泄漏。网格276可以接地到洗涤槽(launder trough)，或者与洗涤槽共通。如通过电源引线286和观8以及RF-AC源以向图11的施加器250提供电力，RF能量可被引入到中心导体或环形274以及浙青泡沫。合适的RF环形天线的示例是图14所示的修改的环形天线，该环形天线在授予 Harris公司的美国专利No. 6，992，630中被进一步描述。以引用方式将该专利包含在此。参照图14，天线292包括基片(未示出)上的导电圆环四4，并且可被认为是具有固有谐振的大约一半波长的周长的回路天线。导电圆环294包括用于迫使/调谐导电圆环294谐振的电容性元件296或调谐特征，所述电容性元件296或调谐特征作为导电圆环四4的环形结构的一部分并且优选位于与天线被馈电的地方沿直径相对处。这样的电容性元件296可以是分立器件(诸如微调电容器)或者导电圆环四4中的具有电容性耦合的间隙。这样的间隙会是小的，以给予期望的电容并且建立期望的谐振。导电圆环294还包括驱动或馈电点四8，所述驱动或馈电点四8也由导电圆环四4中的间隙限定。天线292包括设置在导电环四4内的磁耦合馈电环300。磁耦合馈电环300中具有用于为其限定馈电点四8的间隙，并且该间隙与电容性元件四6或者导电圆环四4中的间隙沿直径相对。在此实施例中，内部磁耦合馈电环300起到宽带耦合器的作用，并且是非谐振的。外部导电环四4’是谐振的并且进行辐射。此外，外部屏蔽环302可围绕导电环四4并且与导电环四4分隔开。屏蔽环302 中具有第三间隙304。外部屏蔽环302和导电环294两者都进行辐射，并且彼此起到差动式负载电容器的作用。外部屏蔽环302与导电环294之间的分布电容通过屏蔽来自相邻的电介质、人、结构等的电磁场而使调谐稳定。此外，可添加附加的屏蔽环302以增大频带和带宽。馈电导体306和308被设置用于将RF功率馈送给施加器。图14的实施例的方法方面包括通过形成导电圆环294来制作天线四2，包括将导电圆环的外径形成为小于工作波长的1/10，因此天线相对于波长是电小的 (electrically small)；将导电圆环的内径形成为在外径的π/6 π/2倍的范围内。如果图8 14的施加器适于浸入在工艺料流的浙青泡沫或其它部分中，则可例如将这些施加器装入电介质的、耐腐蚀且耐磨损的材料(诸如陶瓷)的管状环中，和/或将这些施加器装备以抵抗涂层(诸如碳化物或化学气相沉积的金刚石)。在每种情况下，施加器具有RF-AC功率入口和辐射表面。所述辐射表面被配置和定位为选择性地加热浙青泡沫，而不显著地加热中矿。当容器包含与中矿出口的水平高度相邻的中矿和与浙青泡沫出口的水平高度相邻的、中矿上方的浙青泡沫时，可实现这个条件。参照图8 13，施加器可以至少大体上与容器同中心。局部区域射频施加器可以是被定位为浸在工艺料流中的圆环形天线。参照图8 11和16，施加器可以至少部分地在一次分离容器42的外部。参照图12 13，施加器可以至少部分地在一次分离容器42的内部。图16示出用于浙青泡沫M的局部RF加热的装置的另一个实施例-非接触式照射加热。在此实施例中，通过悬挂在一次分离容器42上方的RF施加器340和342，RF照射指向浙青泡沫M的顶部表面338。RF施加器340和342可以旨在总体上加热顶部表面338， 或者加热顶部表面338的规定部分，诸如顶部表面338的边缘附近，以用于正好在浙青泡沫的收集之前进行加热。RF施加器340和342还可以或者可替换地指向浙青泡沫溢出物270 或者流槽沈6中的浙青泡沫54，以正好在浙青泡沫M正在离开一次分离容器42时加热浙青泡沫Μ。可选择RF施加器340和342的频率和其它特性，以加热浙青泡沫M中的水， 浙青泡沫讨可包含20 30%的水。浙青泡沫M的空气和浙青碳氢化合物对于大部分RF 辐射是相对透明的，但是水是良好的感受体(susceptor)，特别是在水包含提高其传导率的溶解固体(诸如氢氧化钠)的情况下。泡沫中的水可被加热，并且，该热量可容易地被传导到与浙青泡沫M中的水紧密接触的浙青。例如在图15中所公开的又一个方面是用于从工艺料流中的油砂分离出浙青的工艺，其包括以下步骤形成油砂矿石在水中的浆料(示为320)；从浆料分离出浙青泡沫(示为32 ；从浙青泡沫移除空气(示为324)；形成浙青浆料(示为326)；从浙青泡沫和/或浆料移除异物颗粒(示为328)；将射频电磁能量施加于工艺料流的局部区域(示为330)； 对如此局部加热的浙青浆料或泡沫工艺料流进行处理(示为332)。射频电磁能量被施加于工艺料流的局部区域，以选择性地加热局部区域中的工艺料流。所述局部区域可以是例如前面所示出的那些区域中的任何区域。也可以以这种方式加热与这些位置中的任何两个或更多个位置相邻的局部区域。RF加热的这种使用提供不增加任何水的、工艺兼容的、易于控制的加热方法，并且其消除或缓解与蒸汽输送和注入相关联的问题中的至少一些。现在参照图17和18，示出了非接触式直接照射RF照射设备的第二实施例，该RF 照射设备被安装以用于在其它方面与图16的实施例类似地与一次分离容器42 —起使用。 图17和18所示的这种直接照射实施例再次提供不需要与泡沫接触的泡沫加热，这可减少或者完全消除与RF天线粘上泡沫相关联的问题。在此实施例中，施加器350包括大体上环形的天线352，所述天线352位于浙青泡沫表面338上方但是与浙青泡沫表面338相邻，所述浙青泡沫表面338与一次分离容器42 的边缘相邻。天线352被容纳在包括RF透明照射窗3M和法拉第屏蔽件356的封装件中。 为了安全，该封装件保护天线352并且包含RF场。在浙青泡沫M的顶部表面338处加热对泡沫进行加热，以使一次分离容器42下游的颗粒分离容易一些，而且还使得泡沫更自由地流到收集槽。取决于系统所应用于的系统详细情况，天线350可以是多种类型天线(包括离散偶极)的阵列、辐射元件的平面阵列、谐振腔阵列、哈里斯缝隙天线(Harris slot antenna) 或者具有形成为如所示出的环形的线状抛物线反射器的线状抛物线反射天线。天线设计、 工作频率的选择以及电介质介电常数的实数部分和虚数部分与频率之间的对应的知识可被用于改装天线350，以提供受控的加热深度，并且导致主要加热泡沫54，或者主要加热泡沫M的上部分，诸如泡沫M内的深度358上方的区域358。为了开发用于这种用途的合适的天线350和RF源362，作为负载的泡沫M的特性可被预先表征以提供选择合适的工作频率、设计用于适当照射的天线和执行操作工作系统所需的自动阻抗桥接功能所需的数据。这种类型的天线350还可应用于加热流槽沈6中的浙青泡沫的顶部表面，或者可以以线状方式应用于任何形式的输送槽。图19示出直接矿石RF加热设备368，其可被用于当破碎的矿石370从传送器沈传递到图IA的循环进料器30的途中加热所述破碎的矿石370。在此实施例中，在制浆之前已经存在于破碎的矿石370中的水可被用作接收RF能量的感受体，直接加热破碎的矿石 370中的水，从而间接加热破碎的矿石370中的浙青。该设备368可包括从诸如沈的传送器接收材料的进料斜槽372、RF透明管段或套管374、天线376、RF发射器378和输出斜槽380，所述输出斜槽380用于将加热的矿石370 发送到另外的工艺设备(诸如循环进料器30)。套管374可由耐用的并且RF透明的合适材料(例如陶瓷)制成。可以以各种合适的形式提供天线376，包括哈里斯利兹天线、缝隙阵列天线、圆形谐振腔阵列或其它配置。发射器378包括输出功率级382，以及天线耦合单元 384、天线接口 386和发射线路388。在某些情形下，发射线路388的功能可由波导来提供， 但是设想在平常情况下，将使用发射线路388。如此，已在某些实施例中对可提供以下可任选的优点中的一个或更多个优点的系统、装置和工艺进行了描述。可在设备的所选区域中升高工艺温度，从而提供更好的浙青采收，而不添加附加的水。这节省了否则会被用于移除附加的水的能量，并且减小了通过加热附加的工艺用水所花费的能量的量。还可升高工艺温度，而不会如使用蒸汽注入时发生的那样引入高剪切流或者产生不期望的稳定乳液。可任选地，可在加热装置与工艺浆料或泡沫之间接触或不接触的情况下加热工艺管道。在考虑均勻加热的情形下，机械打开的TEM腔可被用作施加器，从而使得能够对整个材料块体基本上均勻地加热。作为可替换方案，RF加热使得能够选择性地将热量施加于在一次分离容器的顶部处漂浮的泡沫的表面层，而无需加热整个容器及其中矿和砂的内容物。提供了利兹线天线以用于管中的浙青和浙青泡沫的涡流加热。提供了缝隙天线以用于管中的浙青浆料的感应加热和介电损耗加热。
权利要求
1.一种用于从工艺料流中的油砂分离出浙青的设备，包括制浆容器，用于形成油砂矿石在水中的浆料，所述制浆容器具有矿石入口、水入口和浆料出口 ；分离容器，用于从所述浆料分离出浙青泡沫，所述分离容器具有浆料入口、浙青泡沫出口、砂出口和中矿出口 ；除气器，用于从所述浙青泡沫移除空气，从而形成浙青浆料，所述除气器具有浙青泡沫入口和浙青浆料出口 ；和颗粒移除器，用于从所述浙青浆料移除异物颗粒，所述颗粒移除器具有浙青浆料入口、 浙青浆料出口和油渣出口， 改进点包括局部区域射频施加器，具有RF-AC功率入口和辐射表面，所述辐射表面被配置和定位为选择性地加热与选自以下位置的位置相邻的局部区域中的处理工艺料流 制浆容器的矿石入口； 制浆容器的浆料出口 ； 分离容器的浆料入口； 分离容器的浙青泡沫出口； 除气器的浙青泡沫入口； 颗粒移除器的浙青浆料入口 ；或者这些位置中的任何两个或更多个。
2.一种从工艺料流中的油砂分离出浙青的工艺，包括在制浆容器中形成油砂矿石在水中的浆料，所述制浆容器具有矿石入口、水入口和浆料出口 ；在分离容器中从所述浆料分离出浙青泡沫，所述分离容器具有浆料入口、浙青泡沫出口、砂出口和中矿出口 ；在除气器中从所述浙青泡沫移除空气，从而形成浙青浆料，所述除气器具有浙青泡沫入口和浙青浆料出口；在颗粒移除器中从所述浙青浆料移除异物颗粒，所述颗粒移除器具有浙青浆料入口、 浙青浆料出口和油渣出口 ；和将射频电磁能量施加于所述工艺料流的局部区域，以选择性地加热与选自以下位置的位置相邻的局部区域中的工艺料流 制浆容器的浆料出口 ； 分离容器的浆料入口； 分离容器的浙青泡沫出口； 除气器的浙青泡沫入口； 颗粒移除器的浙青浆料入口 ；或者这些位置中的任何两个或更多个。
3.根据前面任何一个权利要求的发明，其中，所述分离容器为泡沫浮选容器。
4.根据前面任何一个权利要求的发明，其中，所述颗粒移除器是沉降器、离心机或过滤ο
5.根据前面任何一个权利要求的发明，其中，所述局部区域射频施加器是环绕工艺导管的环路天线、利兹环路天线、环形天线、圆柱形缝隙天线或者被定位为照射浙青泡沫的非接触式照射RF加热器。
6.根据前面任何一个权利要求的发明，其中，工艺导管限定制浆容器与分离容器之间的路径的至少一部分。
7.根据权利要求6的发明，其中，所述工艺导管是非金属管道段。
8.根据权利要求7的设备，其中，所述圆柱形缝隙天线被形成在所述非金属管道段上。
9.根据前面任何一个权利要求的发明，其中，所述浙青泡沫出口包括以下中的至少一个分离容器的堰、被配置用于收集从所述堰溢出的浙青泡沫的流槽、所述流槽中的用于将浙青泡沫排出到用于进一步处理的下游设备的排泄部。
10.根据前面任何一个权利要求的发明，其中，所述施加器是以下中的至少一个大体上与所述容器同心、至少部分在所述容器内，或者至少部分在所述容器外部。
全文摘要
公开了用于从工艺料流中的油砂分离出沥青的设备和工艺。所述设备包括几个处理容器和一个或多个局部区域射频施加器，所述局部区域射频施加器用于选择性地加热所述设备的局部区域中的工艺料流。所述局部区域可与所述设备的部件的输入或输出相邻。此外，公开了用于处理油砂-水浆料的设备，其包括制浆容器、浆料管和局部区域射频施加器。所述局部区域射频施加器位于浆料管的外部，加热局部区域，而不显著地加热制浆容器或者浆料管的下游部分的内容物。
文档编号C10G1/04GK102341482SQ201080010131
公开日2012年2月1日 申请日期2010年3月1日 优先权日2009年3月2日
发明者D·T·埃雷斯曼, F·E·帕斯科, J·怀特, M·E·布卢, V·埃尔南德斯 申请人:哈里公司