采收碳氢化合物的系统和方法与流程

本发明公开的实施方式涉及采收碳氢化合物的系统和方法，尤其是用超临界二氧化碳采收碳氢化合物的系统和方法。

背景技术：

超临界二氧化碳是指当二氧化碳的温度和压力均等于或高于其临界点时的一种流态。超临界二氧化碳日益成为工商业中用于采收石油的重要溶剂，这是因为超临界二氧化碳对于石油成分有很好的溶解度，并且它的毒性和对环境的影响都很低。二氧化碳的稳定性以及采收过程中相对较低的温度能够保证大多数被萃取的化合物只发生很小的破坏和变性。

在现有的使用超临界二氧化碳萃取油方法中，需要将含有液态二氧化碳和被萃取的油的混合物加热以气化其中的液态二氧化碳，从而将油分离出来。在油被分离之后，所述被气化的二氧化碳又将被液化成液态二氧化碳。这些反复的相变会带来很大的能量消耗。另外，液态二氧化碳会在超临界二氧化碳的制备过程中被加压，这个加压过程也需要消耗大量能源。所以，使用超临界二氧化碳萃取油过程中的高能耗问题已经成为现有技术中最亟待解决的问题之一。

因此，有必要提供一种新的采收碳氢化合物的系统和方法来解决上述问题。

技术实现要素：

本发明的一个方面在于提供一种用于从不溶性基质中采收碳氢化合物 的系统。所述系统包括：萃取器、第一分离器、膨胀机和能量传输装置。所述萃取器用于将超临界二氧化碳与含碳氢化合物的不溶性基质材料混合来形成萃取混合物。所述第一分离器用于将所述萃取混合物分离成萃取后的不溶性基质材料以及萃取物，所述萃取物含有超临界二氧化碳和一种或多种碳氢化合物。所述膨胀机用于将所述萃取物膨胀以产生富二氧化碳气相、富碳氢化合物液相和机械能。所述能量传输装置与所述膨胀机连接，用于将所述膨胀机中产生的至少一部分的所述机械能传输到超临界二氧化碳制备器中以制备超临界二氧化碳。

本发明的另一个方面在于提供一种用于从不溶性基质中采收碳氢化合物的方法。所述方法包括：将超临界二氧化碳与含碳氢化合物的不溶性基质材料混合形成萃取混合物；将所述萃取混合物分离成萃取后的不溶性基质材料和萃取物，其中，所述萃取物包括超临界二氧化碳和一种或多种碳氢化合物。将所述萃取物膨胀以产生富二氧化碳气相、富碳氢化合物液相和机械能。至少一部分的在所述膨胀步骤中产生的机械能被利用来制备超临界二氧化碳。

附图说明

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

图1为根据本发明一具体实施例的从不溶性基质中采收碳氢化合物的方法的流程图。

图2为根据本发明另一具体实施例的从不溶性基质中采收碳氢化合物的方法的流程图。

图3为根据本发明一具体实施例的用于从不溶性基质中采收碳氢化合物的系统的示意图。

图4为根据本发明另一具体实施例的用于从不溶性基质中采收碳氢化 合物的系统的示意图。

图5为根据本发明又一具体实施例的用于从不溶性基质中采收碳氢化合物的系统的示意图。

具体实施方式

以下将描述本发明的一个或者多个具体实施方式。首先要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，或者为了满足系统相关的或者商业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施方式到另一种实施方式之间发生改变。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本发明公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本公开揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本发明公开的内容不充分。

除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中使用的“第一”或者“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“或者”包括所列举的项目中的任意一者或者全部。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。

本发明的具体实施方式涉及使用超临界二氧化碳从不溶性基质中采收 碳氢化合物的系统，该系统可以被广泛地应用于石油精炼和石油化工行业。

图3展示的是一个用于从不溶性基质中采收碳氢化合物的示例性系统3。如图3所示，系统3包括萃取器301、第一分离器303、膨胀机305、超临界二氧化碳制备器313以及连接在膨胀机305和超临界二氧化碳制备器313之间的能量传输装置311。

萃取器301用来将超临界二氧化碳341与含碳氢化合物的不溶性基质材料342混合从而形成萃取混合物343。超临界二氧化碳341可能来自超临界二氧化碳制备器313，或者来自其它一个或者多个没有在图中展示出来的超临界二氧化碳源。含碳氢化合物不溶性基质材料342可能包括油砂、含碳氢化合物泥浆或其组合。在一些具体实例中，含碳氢化合物不溶性基质材料342可能包括油砂及油泥。含碳氢化合物不溶性基质材料342可能来自于一个或多个能够提供含碳氢化合物不溶性基质材料的供料装置。

由萃取器301形成的萃取混合物343流入第一分离器303，第一分离器303用于将萃取混合物343分离成萃取后的不溶性基质材料344和萃取物345。萃取后的不溶性基质材料344大体上是固态形式的，而萃取物345大体上是液态形式的。因而，第一分离器303可能包括用于将萃取后的不溶性基质材料344从萃取物345中分离出来的固液分离器(图中未示出)。萃取物345包括超临界二氧化碳和一种或者多种碳氢化合物。

从第一分离器303流出的萃取物345接着被传输到膨胀机305中，膨胀机305用于使萃取物345膨胀从而产生富二氧化碳气相351，富碳氢化合物液相352以及机械能353。萃取物345中的超临界二氧化碳在膨胀机305中被气化成富二氧化碳气相，而萃取物345中的一种或多种碳氢化合物仍然为液态。系统3可能进一步包括第二分离器307，用于将富碳氢化合物液相352与富二氧化碳气相351分离。从第二分离器307中流出的富碳氢化合物液相352可能被进一步处理从而获得一种或多种碳氢化合物。

这里提到的“富二氧化碳气相”是指相对于该气相总量的二氧化碳的 摩尔百分比大于95％的气体。“富二氧化碳液相”是指相对于该液相总量的二氧化碳的重量百分比大于95％的液体。“富碳氢化合物液相”是指相对于该液相总量的碳氢化合物的重量百分比大于95％的液体。

再次参照图3，连接在膨胀机305和超临界二氧化碳制备器313之间的能量传输装置311用于将至少一部分的机械能353传输到超临界二氧化碳制备器313中。超临界二氧化碳制备器313采用由膨胀机305产生的至少一部分机械能353来制备超临界二氧化碳，从而减少了外部能量消耗。这样，系统3的能量消耗总量与现有系统相比大大减少了，因为在现有的系统中，由膨胀机产生的机械能没有被利用，而是被浪费掉了。

超临界二氧化碳制备器313用于将富二氧化碳液相制备成超临界二氧化碳。富二氧化碳液相可能来自系统3内部的产生富二氧化碳液相的设备、也可能来自于系统3外部的富二氧化碳液相源，或者可以是上述两种情况的结合。如图3所示，标号为354的富二氧化碳液相来自于用于产生富二氧化碳液相的第二热交换器309，标号为355的富二氧化碳液相来自于系统3外部的富二氧化碳液相源(图中未示出)。

超临界二氧化碳制备器313至少包括第一压力泵317和第一热交换器315中的一个。第一压力泵317用于对富二氧化碳液相加压，第一热交换器315用于加热富二氧化碳液相。图3所示的实例中，超临界二氧化碳制备器313包括第一压力泵317和第一热交换器315。在一些实例中，富二氧化碳液相首先被第一压力泵317加压到大约7MPa至大约50MPa之间，然后被第一热交换器315加热到大约32℃至大约100℃之间以得到超临界二氧化碳。

在一些实例中，如图3所示，能量传输装置311被连接在第一压力泵317与膨胀机305之间从而将机械能353直接传输给第一压力泵317。能量传输装置311可能包括轴、齿轮箱或者两者的结合。

在一些实例中，富二氧化碳气相351从第二分离器307中流出后可以被回收到超临界二氧化碳制备器313中以制备超临界二氧化碳。因此，系统 3可能进一步包括第二热交换器309和第二压力泵(图中没有展示)的至少其中之一。第二热交换器309和第二压力泵的至少其中之一用于将至少一部分富二氧化碳气相351液化成为富二氧化碳液相354，然后富二氧化碳液相354被传输到超临界二氧化碳制备器313中作为制备超临界二氧化碳的原料。因此系统3可能进一步包括第一传输设备(图中未示出)用于将富二氧化碳液相354传输到超临界二氧化碳制备器313中来制备超临界二氧化碳。在一些实例中，第一传输设备可能包括连接在第二热交换器309和第一压力泵317之间的第一管道(图中没有展示)，用来将富二氧化碳液相354传输到第一压力泵317中。

图4展示了另一个用于从不溶性基质中采收碳氢化合物的示例性系统4。与图3所示的系统3相似，系统4包括萃取器401，第一分离器403，第一热交换器415，第二分离器407和第二热交换器409，这些元器件与系统3中的对应元器件具有类似的功能，此处不再赘述。其中，最主要的区别是，系统3中的膨胀机305，第一压力泵317和能量传输装置311，在系统4中被整合为一个压力单元421，从而可以减少传输过程中机械能353的损耗，系统的体积也能得到减小。压力单元421能够对其内部的材料增压或减压。当萃取物445需要被膨胀时，压力单元421被作为膨胀机来使用以释放萃取物445的压力来产生机械能；当富二氧化碳液相需要被加压时，压力单元421被作为压力泵来使用以对富二氧化碳液相进行处理。

在图4中，将含碳氢化合物的不溶性基质442与超临界二氧化碳441在萃取器401中混合来形成萃取混合物443。萃取混合物443被第一萃取器403分离成萃取后的不溶性基质材料444和萃取物445。萃取物445被压力单元421所膨胀来产生富二氧化碳气相451、富碳氢化合物液相452和机械能。至少一部分的富二氧化碳气相451被第二热交换器409液化来产生富二氧化碳液相454。富二氧化碳液相454先被压力单元421加压，然后被第一热交换器415加热来产生超临界二氧化碳。

在一些具体实例中，如图4所示，系统4进一步包括连接在第一分离器403和压力单元421之间的第四热交换器419，用于在萃取物445被压力单元421膨胀之前调节萃取物445的温度。

在一些具体实施例中，系统4进一步包括安装在第二热交换器409和压力单元421之间的存储罐423，用于存储第二热交换器409产生的富二氧化碳液相454。存储罐423还可用于存储来自系统4外部的富二氧化碳液相源的富二氧化碳液相455。

图5展示了另一个用于从不溶性基质中采收碳氢化合物的示例性系统5。与图3所示的系统3相似，系统5包括萃取器501、第一分离器503、膨胀机505、超临界二氧化碳制备器513、能量传输装置511、第二分离器507和第二热交换器509，其中超临界二氧化碳制备器513包括第一热交换器515和第一压力泵517。这些元器件与系统3中的对应元器件具有类似的功能，此处不再赘述。其中，最主要的区别是，系统5进一步包括三相制备器525，其用于处理萃取物545来获得三相混合物546，其中，三相混合物546中包括富二氧化碳液相547。三相混合物546中的至少一部分富二氧化碳液相547被直接回收到超临界二氧化碳准备器513中用来制备超临界二氧化碳。这样，这一部分富二氧化碳液相547就不需要在膨胀机505中被气化然后再被第二热交换器509液化，这样可以减少相变时的能量消耗。具体来说，富二氧化碳液相547被传输到超临界二氧化碳制备器513中，作为产生超临界二氧化碳的原料。因此，系统5可能进一步包括第二传输装置(图中未示出)用于将富二氧化碳液相547传输到超临界二氧化碳制备器513中。在一些具体实例中，该第二传输装置包括一个第二管道(图中没有展示)用于将富二氧化碳液相547传输到超临界二氧化碳制备器513的第一压力泵517中。

参见图5，三相制备器525至少包括压力调节器527和第三热交换器529中的其中一个。压力调节器527用于调节萃取物545的压强，例如将压强调节到大约4.5MPa至大约7.5MPa的范围内，第三热交换器529用于调节 萃取物545的温度，例如将温度调节到大约20℃至大约32℃的范围内。在图5所示的具体实例中，三相制备器525包括压力调节器527和第三热交换器529，用于处理萃取物545从而获得三相混合物546。

再次参见图5，含碳氢化合物的不溶性基质542与超临界二氧化碳541在萃取器501中被混合以形成萃取混合物543。萃取混合物543被第一萃取器503分成萃取后的不溶性基质材料544和萃取物545。萃取物545被三相制备器525处理来产生包括富二氧化碳液相547的三相混合物546。三相混合物546中的至少一部分富二氧化碳液相547被传输到第一压力泵517进行加压。三相混合物546的剩余部分的被膨胀机505膨胀来产生富二氧化碳气相551、富碳氢化合物液相552和机械能553。至少一部分的机械能553被能量传输装置511传输到第一压力泵517。至少一部分的富二氧化碳气相551被第二热交换器509液化产生富二氧化碳液相554。富二氧化碳液相554先被第一压力泵517加压然后被第一热交换器515加热来产生超临界二氧化碳。

在一些具体实例中，系统5进一步包括一个液液分离器(图中没有展示)用于将至少一部分富二氧化碳液相547从三相混合物546中分离出来。

在一些具体实例中，系统5进一步包括连接在第二热交换器509和超临界二氧化碳制备器513之间的存储罐523，用于存储由第二热交换器509产生的富二氧化碳液相554。存储罐523还可用于存储来自于系统5外的富二氧化碳液相源的富二氧化碳液相555。

本发明的具体实例中还涉及一种将碳氢化合物从含有超临界二氧化碳的不溶性基质中采收的方法。该方法的动作以功能模块的形式图示，图1和图2所示的模块的先后顺序和模块中动作的划分并非限于图示的实施例。例如，模块可以按照不同的顺序进行；一个模块中的动作可以与另一个或多个模块中的动作组合，或拆分为多个模块。

图1为根据本发明一具体实施例的用于从不溶性基质中采收碳氢化合物的方法1的流程图。参见图1，方法1包括步骤11-15，在下文中会做具体 描述。

在步骤11中，含有碳氢化合物的不溶性基质材料与超临界二氧化碳被混合来形成萃取混合物。超临界二氧化碳被作为溶剂，用于溶解含有碳氢化合物的基质材料中的一种或多种碳氢化合物。在一些具体实例中，含碳氢化合物基质材料可能包括油砂、含碳氢化合物泥浆或其组合。在一些具体实例中，含碳氢化合物基质材料可能包括油砂和油浆。

在步骤12中，萃取混合物被分离成萃取后的不溶性基质材料和萃取物，其中，萃取物包括超临界二氧化碳和一种或多种碳氢化合物。步骤12中可能包括固液分离的步骤，用于将萃取后的不溶性基质材料与萃取物分离。因为萃取后的不溶性基质材料大体上为固态形式，而萃取物大体上为液态形式。

在步骤13中，从步骤12中获得的萃取物被膨胀从而产生富二氧化碳液相、富碳氢化合物液相和机械能。由于压力的释放，萃取物中的超临界二氧化碳被气化成富二氧化碳气相，在这一过程中超临界二氧化碳的内能转化成了机械能。在膨胀过程中，萃取物中的一种或多种碳氢化合物仍然保持液态。因此，该方法可能进一步包括气液分离的步骤，将富二氧化碳气相从富碳氢化合物液相中分离出来。随后，对富碳氢化合物液态进行处理以获得一种或多种碳氢化合物。在一些具体实例中，在步骤13的膨胀步骤前对萃取物的温度进行调节。

在步骤14中，至少一部分的在步骤13中产生的机械能被用来制备超临界二氧化碳。在一些具体实例中，至少一部分的机械能被回收用来压缩超临界二氧化碳，以此来减少超临界二氧化碳被压缩过程中外部能量的消耗。

所述超临界二氧化碳通过加热富二氧化碳液相和加压所述富二氧化碳液相这两个步骤中的至少一个步骤获得。在一些具体实例中，富二氧化碳液相先被加压到大约7MPa至大约50MPa的压强范围内，然后被加热到大约32℃至大约100℃的温度范围内来产生超临界二氧化碳。步骤13中产生的机械能可以用来对富二氧化碳液相进行加压。步骤13中产生的机械能也可以用来 对富二氧化碳液相进行加热。

在步骤15中，至少一部分的在步骤13中获得的富二氧化碳气相被液化成富二氧化碳液态，然后所述富二氧化碳液相被回收至如图3中所示的超临界二氧化碳制备器用以超临界二氧化碳。进一步地，对富二氧化碳液相进行处理以制备超临界二氧化碳。具体来说，富二氧化碳液相会被加压到大约7MPa至大约50MPa的压强范围，然后被加热到32℃至100℃的温度范围。

在一些具体实例中，在步骤13之前，对萃取物进行处理来获得包括富二氧化碳液相的三相混合物。三相混合物中的至少一部分富二氧化碳液相被直接回收到如图3所示的超临界二氧化碳制备器中用以制备超临界二氧化碳。与上述的生产超临界二氧化碳的步骤相似，所述富二氧化碳液相可能会在超临界二氧化碳的制备过程中被加压，然后加热。

图2为根据上述具体实施例的用于从不溶性基质中采收碳氢化合物的方法2的流程图，方法2包括对萃取物进行处理来获得三相混合物以及从三相混合物中回收至少一部分富二氧化碳液相的步骤。与方法1相似，方法2包括将超临界二氧化碳与含碳氢化合物的不溶性基质材料混合来形成萃取混合物的步骤，以及将萃取混合物分离成萃取后的不溶性基质材料和萃取物的步骤，分别如步骤21和步骤22所示。

在步骤23中，对萃取物进行处理以获得包括富二氧化碳液相的三相混合物。在一些具体实例中，所述三相混合物的获得是通过将萃取物的压强调节到大约4.5MPa至大约7.5MPa的范围以及将萃取物的温度调节到大约20℃至大约32℃的范围。

在步骤24中，至少一部分富二氧化碳液相从三相混合物中被分离出来。因此，步骤24中可能包括液液分离的步骤，用于将所述至少一部分富二氧化碳液相从三相混合物中分离出来。如步骤25所示，对所述至少一部分富二氧化碳液相进行处理以制备超临界二氧化碳。具体来说，对所述富二氧化碳液相加压或加热来制备超临界二氧化碳。在另一个实施例中，可对所述富二氧 化碳液相加压、随后加热来制备超临界二氧化碳。

在步骤26中，对三相混合物的剩余部分546进行膨胀来生产富二氧化碳气相、富碳氢化合物液相和机械能。随后，如步骤27所示，至少一部分的机械能被用来制备超临界二氧化碳。具体来说，所述机械能被用来压缩超临界二氧化碳。在步骤27之后，从步骤21开始重复整个流程，这里制备产生的超临界二氧化碳可用来在步骤21中与含碳氢化合物的不溶性基质材料相混合。

虽然结合特定的具体实施方式对本发明进行了详细说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。