使用定向溶剂的水提取的制作方法

使用定向溶剂的水提取的制作方法
【专利摘要】纯化的水可以经由一种连续或半连续工艺通过将一种包括水的液体组合物(例如海水或采出压裂水)与一种定向溶剂混合以使水从该液体组合物选择性地溶解到该定向溶剂中来获得。将该液体组合物的浓缩的剩余物(例如盐水)去除，并且使该水从该定向溶剂析出并且以纯化的形式去除。该溶剂接着在该方法以一种连续或半连续操作形式重复时被再使用。
【专利说明】使用定向溶剂的水提取
[0001]背景
[0002]在本世纪，淡水短缺预计会超过能源短缺而成为人类的一个全球关注的问题，而这两个挑战被不可避免地联系在一起。淡水是人类和其他生物体最根本的需求之一。每个人每天需要消耗最低约两升水，除此之外在农业以及工业过程中有更大的淡水需求。同时，运输淡水或经由脱盐生产淡水的技术倾向于高度地要求日益稀缺的廉价的能量供应源。
[0003]供水不足造成的危害是极其紧迫的。淡水短缺可能导致饥荒、疾病、死亡、强制的大规模迁移、跨区域冲突/战争(从达尔富尔到美国西南部)、以及生态系统的崩溃。尽管有对淡水需求的紧急程度和短缺的深远影响，淡水供应仍受到格外限制。地球上97.5%的水是咸水，并且剩余部分中约70%以冰形式封锁(主要在冰盖和冰川中)，使得地球上所有的水中只剩下0.75%呈可供使用的淡水形式。
[0004]此外，那0.75%的可供使用的淡水并非均匀分布的。例如，人口众多的国家，如印度和中国，有很多受稀少供应源影响的地区。再进一步，淡水供应往往季节性地不一致。水典型地局限于区域性流域，较重，并且它的运输是昂贵且能量密集的。
[0005]同时，对淡水的需求在全球范围内逐渐紧张。水库干涸；蓄水层下降；河流干涸；并且冰川和冰盖回缩。不断增长的人口使需求增加，正如在农业中的转变和增长的工业化所造成的。气候变化在许多地区构成甚至更大的威胁。因此，面临水短缺的人数越来越多。
[0006]从海水(或盐度更小的半咸水)中生产淡水典型地需要大量的能量，尤其是偏远地区。反渗透(RO)是目前领先的脱盐技术。在大型RO工厂中，与理论最小值约lkWh/m3相t匕，在30%回收率下所要求的能量/体积可以低到4kWh/m3，不过规模更小的RO系统(例如，船载的)效率较低。另一种受欢迎的方法是多级闪蒸(MSF)蒸馏，也是一种能源和资本密集的工艺。
[0007]胜于提取纯水，电化学方法，如电渗析(ED)和电容式脱盐(CD)，提取了刚刚足够的盐来获得饮用水(〈10mM)。目前大规模的电化学脱盐系统在将海水脱盐方面比RO厂的效率更低(例如，7kWh/m3是ED中的现有技术水平)，但对于半咸水来说变得更有效(例如，⑶可以达到0.6kffh/m3)。总体而言，现有的从水中除盐的技术，其中一些已经存在了几个世纪，倾向于是昂贵的或复杂的或两者兼有。
[0008] 能源和水的交缠变得越来越多，尤其在油和气采出的情形下。典型地需要大量水来提取油和气，并且采出了数百万加仑的高盐度[即高总溶解固体(TDS)含量]水。这种采出水不适于工业或家庭使用并且排放到河流、土地或任何下水地点中是不安全的，它可能借此与公用供水混合。此外，大部分这种水也不适于在油和气提取中再循环。经常，提取地点远离淡水源安置，使得运输水的代价大并且再循环现场所采出的水势在必行。举例来说，通过水力压裂提取页岩气和油每口井需要5-7百万加仑的水。这一体积的20% -40%以高盐水的形式流回到地表。这种水在它可以被再循环或排放之前需要被处理。更高盐度的回流和采出水(高达与海水相比更咸8倍)使大多数现有脱盐工艺变得不能胜任。更高的TDS加速了膜积垢并且快速增加能量消耗。蒸发工艺存在结垢和低回收率的问题。根据这些发展，甚至更重要的是实施可以克服这些挑战的新脱盐工艺。[0009]发明概述
[0010]在此描述了使用定向溶剂进行水提取(包括脱盐和处理)的方法和器具。该方法可以连续进行，并且器具可以被设计用于连续操作。由其提取水的组合物可以是例如一种混合物、溶液或乳液。该器具和方法的不同实施例可能包括以下描述的部分或全部的元素、特征以及步骤。
[0011]某些溶剂，如一些脂肪酸，具有不寻常的特征，即能够定向溶解水而不溶解其他水溶性盐如氯化钠或杂质，并且同时不溶或几乎不溶于水(即，水溶解到占主导地位的定向溶剂相中，但定向溶剂并不以显著量溶于占主导地位的水相中)。这种定向溶解度现象在此被用于一种可以在闭合环路中操作的温度受控的盐水溶液脱盐的连续或半连续的新方法。
[0012]在一种水处理或脱盐的连续方法中，定向溶剂(例如具有羧酸基的脂肪酸)流经环路(回路)；并且一种包括水和至少一种溶解的组分的液体组合物被引入环路中，在该环路中液体组合物与定向溶剂混合。来自液体组合物的水溶解到定向溶剂中，而溶解的组分实质上以浓缩的剩余物的形式从定向溶剂中排除。浓缩的剩余物与水-溶剂溶液分离并且被从环路去除。将水-溶剂溶液冷却以使水从定向溶剂析出；并且水以纯化的形式从定向溶剂中分离并且被从环路去除。定向溶剂接着在环路中再循环，并且以连续的方式重复该过程。
[0013]在一种用于水处理或脱盐的半连续方法中，将包括水的液体组合物引入容纳定向溶剂的缸中，在该缸中液体组合物穿过并且溶解到定向溶剂中。液体组合物的浓缩的剩余物收集于该缸中位于该缸中引入液体组合物处的相反端。将溶剂-水溶液冷却以使水从定向溶剂析出，并且将析出的水与定向溶剂分离并且去除。
[0014]在此描述的方法和器具可以实现定向溶剂提取技术的实际采用以用于半咸水或海水的脱盐或来自油和气提取的采出水和来自页岩气和页岩油井水力压裂的压裂“回流”水的处理。所述方法可以使我们前一专利(美国专利8，119，007B2)中描述的方法加速高达几个数量级。提取的水可以呈实质上纯的水的形式(例如适用于工业或农业使用或甚至符合饮用水纯度标准，如99.95%纯度)。
[0015]本披露的方法不需要使用膜，减少成本并且使其适用于高TDS水。本披露的方法还可以使用低质量的热量，该热量可以来自地热源、来自海洋、来自太阳、或者呈来自其他工艺的废热形式。这些脱盐方法还可以易于使用并且相较于先前脱盐方法可以提供显著的能源和经济节约。尽管描述了用于水处理/脱盐的实施例，但这些方法和器具可以类似地用于分离其他液体组合物。
[0016]附图简要说明
[0017]图1是用于连续定向溶剂提取的一种器具的一个技术图式。
[0018]图2是用于连续定向溶剂提取的一种器具的一个示意图。
[0019]图3是用于连续定向溶剂提取的一种器具的另一个实施例的一个示意图。
[0020]图4是用于半连续水处理/脱盐的一种定向溶剂缸的一个简图。
[0021]图5是用于使用一种定向溶剂进行半连续水处理/脱盐的一种两缸器具的一个简图。
[0022]图6是用于连续定向溶剂提取工艺的一种构建的实验室原型系统的一个示意图。
[0023]图7是正降入一个混合器安全容器的一个搅拌螺旋桨叶片的一个摄影图像。[0024]图8是一个盐水分离器设计的一个示意图，其中来自混合器装置的溶剂/盐水混合物通过混合物入口进入中心；溶剂上升到湍流最少化圆盘中的槽口并且从顶部溶液出口被提取；盐水在底部收集并且使用一个虹吸泵经由盐水出口排放。
[0025]图9是在一个以500rpm操作的混合器中形成的辛酸中的小水滴的放大微观照片。
[0026]图10是在一个以1，500rpm操作的混合器中形成的辛酸中的小水滴的放大微观照片。
[0027]图11是来自在通过连续工艺原型中的冷却器之后收集的样品的辛酸中的析出的纯小水滴的放大微观照片。
[0028]图12是在辛酸作为溶剂并且AT = 65°C情况下针对3.5%和10% TDS给水的作为第一阶段进料与溶剂比的函数的三阶段定向溶剂提取比的绘图。
[0029]图13是在辛酸作为溶剂并且驱动温差AT = 65°C情况下针对不同实验回收率的三阶段定向溶剂提取工艺的热能消耗的绘图。
[0030]在随附图式中，相同的参考符号在不同视图中指代相同或相似的零件；并且撇号用于区别共用相同参考数字的相同或相似项目的多个实例。这些图式不一定按比例制作，重点反而是在于 阐明如下讨论的详细原理。
[0031]详细说明
[0032]从这项或这些发明在更广泛的范围内的不同概念和具体实施例的以下更详细的描述中，这项或这些发明的不同方面的前述的和其他的特征和优点将是明显的。上文介绍的和下文更详细讨论的本主题的不同方面可以按多种方式中的任一种实施，因为本主题并不局限于任何特定的实施方式。提供特定实施和应用的实例主要是为了说明的目的。
[0033]除非在此另外定义、使用或表征，否则在此使用的术语(包括技术和科学术语)应被解释为具有与它们在相关领域背景下所接受的含义一致的含义，并且不应以理想化或过于正式的意义进行解释，除非在此明确如此定义。举例来说，如果提及一种特定组合物，那么该组合物可能是实质上纯，但不是完美地纯，因为实际且不完美的现实情况可能适用；例如，可能存在的至少痕量的杂质(例如，小于I %或2 %，其中在此表达的百分比或浓度可以或者按重量或者按体积计)可以被理解为在描述的范围内；同样地，如果提及一种特定形状,那么该形状旨在包括与理想形状不完美的偏差,例如归因于制造公差。
[0034]尽管术语第一、第二、第三等在此可能被用于描述不同元素，但这些元素并不受限于这些术语。这些术语只是用于将一个元素与另一个元素区分开来。因此，下面讨论的一个第一元素可以被称为一个第二元素，而没有脱离示例性实施例的传授内容。
[0035]空间相关的术语，如“上方”、“下方”、“左”、“右”、“前”、“后”等可能在此被使用以便于描述一个元素与另一个元素的关系，如图中所示出。应理解，除在此描述和在图中描绘的取向外，这些空间相关的术语以及所示出的配置旨在涵盖正在使用或操作的器具的不同取向。举例来说，如果翻转图中的器具，那么描述为位于其他元素或特征“下方”或“下”的元素将取向成位于其他元素或特征“上方”。因此，示例性术语“上方”可以涵盖上方和下方的取向两者。该器具可能另外取向(例如，旋转90度或其他取向)，并且此处使用的空间相关的叙述语被作相应地解释。
[0036]再进一步地，在本披露中，当一个元素被称为是“在之上”、“连接到”或“联接到”另一个元素上时，它可以直接在之上，连接到或联接到可能存在的其他元素或中介元素上，除非另作说明。
[0037]此处使用的术语用于描述具体实施例的目的，并且并不旨在限制示例性实施例。如在此所使用，单数形式，如“一个(a和an) ”也打算包括复数形式，除非上下文另有指示。另外，术语“包括”，“包括着”、“包含”以及“包含着”指定所述的元素或步骤的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他元素或步骤。
[0038]连续脱盐/处理器具和方法:
[0039]一种用于连续水脱盐或处理的器具的一个实施例展示于图1和2中。该器具和方法使用一种定向溶剂，一种液体(例如水)容易溶解到该定向溶剂中，但该定向溶剂不容易溶解到该液体中(例如溶解到定向溶剂中的水的浓度可以比溶解到水中的定向溶剂的浓度大至少10倍)。定向溶剂可以呈例如包括一种或多种脂肪酸的食用油(如大豆油、棕榈油、菜籽油、椰子油或亚麻籽油)形式。可替代地，可以使用一种分离的定向溶剂组合物(例如脂肪酸)。适合的脂肪酸可以包括具有例如6到14个碳原子的碳链，如辛酸，它具有八个碳原子的链长，或癸酸，它具有十个碳原子的链长。辛酸和癸酸被认为实质上不溶于水(例如以O到0.3体积％溶解到水中)并且对人类相对无害，因为它们可以见于天然食品如牛奶中。脂肪酸中的亲水性氢氧化物基团可以与来自液体组合物的水结合以使水溶解到定向溶剂中。
[0040]在这些在 此描述的方法的具体实施例中，来自盐溶液的水以定向溶剂的至少约I体积％的浓度溶解到定向溶剂中；并且水以定向溶剂体积的至少约0.5%的体积从定向溶剂析出。另外，所析出的水中的盐浓度实质上小于(例如小于一半或小于五分之一的)初始盐浓度。该定向可以在每一方法中保持液体形式。
[0041]图1和2中的器具包括了形成一个闭合环路的多个管道12，定向溶剂通过这些管道反复地并且连续地循环。在该器具左下方处的泵14使定向溶剂以逆时针方向路径通过环路循环。该定向溶剂接着由一个热交换器16 (它从环路中的返回路径提取热量)和一个额外的加热装置18 (例如从一个锅炉、一个电加热器或从太阳能、地热、废物处理热量或从如柴油、汽油或天然气的一种燃料提供热量)加热。
[0042]使一种液体组合物(如海水、半咸水、工业废水、或来自油或气钻探的采出水、或来自页岩油/页岩气提取的水力压裂(“压裂”)回流水经由管道20进入处于该环路中右下方的一个分配器22中，它在该分配器中与经加热的定向溶剂混合以形成一种乳液。液体组合物与定向溶剂的混合可以在一个混合器区段24中通过喷雾，使用管道中的一个桨轮分散液流，使用电场分散液滴，通过改变通道几何形态引起湍流或者利用超声波混合而得到促进。一旦实现混合，即使来自液体组合物的水相在刚通过混合器的一个吸收区段中溶解到溶剂中。这一吸收产生一个包含被溶解的水的溶剂相和一个包含一些水和盐以及其他杂质的盐水相。
[0043]该溶剂相和该盐水相接着通过一个液体分离器26，例如呈一种电聚结器形式，其中一个电场被用于使盐水相与溶剂/水相分离。盐水被吸引到具有更强磁场(即，点而非板)的电聚结器26的侧面。在盐水比定向溶剂更浓时，有利的可以是将电聚结器的点放置在管道底部以将盐水吸引到底部。在其他实施例中，液体可以例如通过重力分离、磁力分离、介电泳、离心分离、或利用一个旋风分离器或一个薄片分离器分离。
[0044]盐水31在一个分离器28中分离并且经由管道30从环路排放，同时使溶剂/水溶液通过热交换器16中的一个冷却区段，其中热量被转移到通过热交换器16的另一侧的液体组合物中。除了在热交换器16中冷却以外或作为它的一个替代方案，回路可以包括热交换器16下游的一个冷却器或提供用于溶剂/水溶液的环境冷却或蒸发冷却。在冷却时，纯水从溶剂中析出以重新形成一种乳液。这种乳液接着通过一个第二液体分离器32，如上述那些中的一者(例如一种电聚结器)以使析出的水与溶剂分离。经处理(纯化)的水经由管道34回收，并且定向溶剂通过管道12再循环回该工艺环路中的其他管道12。
[0045]在每一液体分离器26和32的之后(下游)，一个水平物理隔离物36被放置于管道中位于两相(层)界面的高度处，使得顶层(例如在第一电聚结器26之后的溶剂/水相和在第二电聚结器32之后的溶剂)被引导在隔离物36上方并且底层(例如在第一电聚结器26之后的盐水和在第二电聚结器32之后的纯化水)被引导在隔板36下方。隔离物36的高度可以被动态地调整，例如经由受控的浮力(其中隔板36的浮力介于两相的浮力之间)或通过使用与一个处理器联接的一个光学传感器和与隔离物36联接的一个移位电动机按指令动态地升起和降下隔离物36。
[0046]在具体实施例中，在第一电聚结器26之后的隔离物36可以从这些相之间的界面偏移并且稍微放置到溶剂/水相中(可能牺牲一些溶剂/水相但减小盐水与下游溶剂/水相混合的可能性)。同时，在第二电聚结器32之后的隔离物36可以稍微放置到纯化的水相中(可能牺牲一些将在环路中再循环的纯化的水，但减小溶剂与纯化水一起被去除的可能性)。任何实施例中的隔离物36的精确位置可以被确定为均衡成本和质量目标的函数。类似地，通过该系统的流速可以基于是更重视低成本(更高流速)还是高质量纯化(更低流速)来确定。针对纯化的水的一些最终用途，该器具和工艺可以被工程化成不再强调所得水的纯化(例如允许更多盐保留在水中)；例如，具有更高含盐量的水可以用于使更有抵抗力/更耐盐的作物如棉花生长。
[0047]在图3中展示的一个替代性配置中，在热交换器16的相反侧上使用泵14以维持定向溶剂通过环路的循环；并且一个冷却装置38 (例如一个辐射器)被安装于热交换器16下游的管道，其中被加热的溶液通过辐射器38以从其释放热量，随后纯化的水与定向溶剂(在一个更低温度下)分离，随后定向溶剂在其通过热交换器16的相反侧17 (其中热量被加入)循环返回和通过一个燃气炉40 (其中额外的热量被提供给定向溶剂，例如通过燃烧天然气)时被再加热，从而促进液体进料组合物溶解于其中。
[0048]使用在此描述的方法和器具产生的实质上纯水35可以具有例如小于1.5%、小于0.14%或小于0.05%的重量比重量盐含量。任选地，在上述水分离方法之后可以对纯化的水输出进行额外的脱盐以达到更高水平的水纯度。举例来说，一个第二阶段的脱盐可以呈超滤、纳米过滤、反渗透或闪蒸形式。
[0049]半连续脱盐/处理器具和方法:
[0050]一种半连续脱盐/处理器具包括一个或多个装填有定向溶剂的大缸。定向溶剂在缸(该缸可以被涂成黑色以吸收热量)中经由太阳能；或通过捕获废热或地热；或通过电加热或燃烧燃料(如汽油、柴油或天然气)加热。在具体实施例中，缸可以被设计成浅并宽的(例如，直径与高度比大于I)以缩短沉降时间并使液体有利于太阳能加热。
[0051]可以用于“离网”位置(无需连接到一个外部电网)的一种单缸器具的一个简图描绘于图4中。液体组合物(例如盐水或不纯水)经由管道20在缸42的顶部或者从适于适当混合水与溶剂的另一个方向进入。一种机构(例如一种喷雾器)提供在缸42的顶部，该机构将使正在进入的液体组合物以小液滴形式进入，其中多个小液滴被同时引入，如同小水滴通过溶剂主体的“降雨”。随着这些小液滴因重力而向缸42底部下落，它们溶解于溶剂中并且大小变得更小。
[0052]最终，咸水(盐水)最后到达缸42的底部，并且溶剂-水混合物因密度差异而被留在缸42的顶部。一个第一密度传感器44(它检测它所接触的液体的密度)可以用于测定盐水何时已上升过高(即，当它达到第一密度传感器的高度)。当这发生时，使海水停止流入缸42中。在指定时间段之后，在缸42底部收集所有盐水，留下在顶部的油-水混合物。时间延迟是为了给予下降的小液滴被吸收并且在底部沉降的时机。
[0053]在盐水已沉降在缸42底部之后，阀46 (在从缸42到管道48的流动路径中)打开，并且盐水通过管道48从缸42底部流出。当盐水含量变得足够低时，阀46关闭。为了确定这个关闭点，一个第二密度传感器50在第一密度传感器下的一个指定高度操作并且被配置成用于检测盐水何时下降到那个高度下方。在盐水去除之后，管道34可以去除纯化的水，如下文所述。所去除的盐水可以泵送到缸42的顶部并且重复整个工艺以提取更多纯水。在一些点处，从盐水中获得更多水将变得在经济上和能源上不可行；并且该工艺可以使用新鲜海水重新开始。
[0054]在这一点(有利地，在从当天中午到黄昏的温度最高时的时间范围内)，盐水被泵出，并且在缸4 2中的盐水与溶剂-水混合物之间建立一个隔离物52，例如呈折叠层隔离物52的形式。在一个简单实施例中，隔离物52可以通过拉动一个与隔板52的边缘联接的绳子来打开以隔离缸42的区段。隔离物52防止留在缸42底部的盐水变得与上方纯水混合。隔离物52也被倾斜以与闭合管34连接以进行在缸42侧面的水去除。在缸42的两个区段已利用隔离物52隔开之后，将一个电压施加到电极54’和54"以利用电聚结或介电泳(DEP)来分离隔板52上方的水和溶剂。
[0055]在使用介电泳时，一个电源56经由导电线联接到分别放置在容器42底部和顶部的电极对54’和54’’。电源56在电极上产生一个电位差,其中电极形状的不均匀性(例如在一端的一个平板54’和在另一端的一个针54’’)产生一个不均匀电场，该不均匀电场对小水滴起作用以将它们与溶剂分离。产生更强场的针电极54’’可以被放置在底部。因此，实质上纯水(它与溶剂相比具有更大密度)可以在上方区段的底部收集；并且溶剂可以在上方区段的顶部收集。一个阀58 (刚好放置在隔板52上方)接着打开并且纯化的水通过管道34从缸42侧面排出。在具体实施例中，阀58可以打开以在温度更冷时的晚上排出纯化水。在提取纯化水之后，重复整个工艺。
[0056]一种两缸器具展示在图5中。为了有效加热并冷却溶剂和溶剂-水混合物，加热和冷却管区段12’和12’’结合于两个缸42’和42’’之间，其中一个吸收缸42’容纳温热油并且一个分离缸42’’容纳冷却油。溶剂可以使用太阳能；通过捕获废热或地热；或通过电加热或燃烧燃料(如汽油、柴油或天然气)来加热，随后进入吸收缸42’。进行混合，如以上所阐明。
[0057]在水溶解于溶剂中之后，溶剂-水溶液通过一个冷却管12’ ’转移到分离缸42’ ’。溶液可以通过与加热管12’经由一个热交换器交换热量、在空气中冷却、在海水中冷却或通过将冷却管12’’埋在地下来冷却。溶剂-水溶液在冷却下来达到所希望的温度(例如介于0°C与50°C之间)之后进入分离缸42’’。在这个分离缸42’’中，可以经由如上所述的电极对54’和54’’使用介电泳(电聚结)以使溶剂与析出的水分离。此后，水和油可以被分别排出。溶剂接着可以在一个向着吸收缸42’引导返回的管12中被再加热(例如达到250C -1lO0C )。
[0058]连续定向溶剂提取工艺的例证:
[0059]该工艺的这个例证是使用一种匹配以上论述的图3的示意图的器具进行的。这个连续脱盐工艺以给定次序实现以下任务，其中溶剂在一个闭合环路中流动并且水在一个开放环路中流动。
[0060]第一，定向溶剂经由一个热输入41在加热器40中加热到该工艺中的最高温度。这种加热可以通过使溶剂流过任何热源40来实现，该热源在现场油田操作的情况下可以是一个无储罐天然气炉。现场气体在油和气井点处是容易地可供使用的并且当前用于加热其他工艺。此外，难以在第一系统展示阶段回收来自井点操作的废热。
[0061]第二，给水21被加入并且与溶剂在混合器22中混合。给水与溶剂在高温下的混合促进水溶解。这种混合可以通过混合腔室中的一个桨轮或一个搅拌器、通过将进来的给水喷射到溶剂中、或者仅仅通过使用一种促进小水滴在溶剂中形成的特定流动模式来实现。在其他实施例中，混合器22可以是一种静态混合器、一种动态混合器、一种搅拌器或一种旋风混合器。
[0062]第三，水溶解到定向溶剂中。该系统允许一个短的流动时间，在该过程中水在维持高工艺温度的同时溶解到溶剂中。60秒的溶解时间是足够的并且更详细的分析呈现在下文。
[0063]第四，未溶解的盐水与溶液在分离器26中分离。在水溶解之后，未溶解的盐水27与溶剂-水溶液在第一阶段分离工艺中分离。这种分离可以重力地(如下文所述)或通过使用如上所述的一种电聚结器实现。
[0064]第五，将溶剂冷却，并且回收热量。在去除盐水之后，将溶剂流冷却以促进纯水析出。有利地，可以回收来自这个液流的能量。因此，溶剂流通过例如在一个液体-液体平板式热交换器16中与返回溶剂流交换热量来冷却。在热交换器16之后，溶剂使用一个辐射器38进一步冷却。
[0065]第六，析出的水35与溶剂在分离器32中分离。这一析出步骤是纯水35在第二阶段分离工艺中回收之处。这一分离可以通过使用一种电聚结器或一种线上离心机实现，不过后者可能涉及高电能消耗。
[0066]第七，溶剂流被预热以用于再循环用途。在水35被分离并回收之后，溶剂流经由热交换器16的相反侧返回燃气炉，其中溶剂被预热，如以上第五步骤中所提及，并且便利地进行再循环。
[0067] 在如图3中所示的连续定向溶剂提取系统中，针对给水的单元处理Im3/天，能量消耗在泵14中是IKWhe,在熔炉40中是200KWhth，并且在聚结器32中是0.5kWhe。充当定向溶剂的21m3辛酸通过环路反时针方向循环，同时Im3在80°C下的给水通过管道20注射；
0.3m3在89°C下的盐水从管道30提取；并且0.7m3在25°C下的纯化水从管道34回收。环路中液体组合物的温度是25°C从辐射器38进入热交换器16 ( ε =80%)，其中液体组合物被加热到77°C。在泵14与熔炉40之间，液体组合物是70°C ;并且液体组合物在离开熔炉之后直到进入热交换器16是在90°C下。
[0068]基于实验，展示70%的回收率、3.3%的产物水产率以及200kWh的热能消耗。这些计算假设80%的热交换器效率，这对于平衡的液体-液体热交换器16是合理的。
[0069]这一连续工艺可以消除涉及分批工艺的手动处理，通过从冷却流回收一些能量来减少能量消耗，以及通过加快分离工艺而显著缩短循环时间，这些分离工艺当前是该系统中的限速步骤。预期连续工艺可以使循环时间缩短到不到10分钟，由此允许每24小时天约150个循环。
[0070]图6是实验室原型的一个示意图。实验室原型是所设计的连续工艺的一个简化版本，使得它使用一个电加热器充当加热器40代替所建议的天然气炉并且使用线上离心机代替电聚结器作为分离器32。在实验室环境中操作电加热器是便利并实际的，并且与小规模聚结器相比更容易获得小规模线上离心机。单独的原型组件设计论述如下。
[0071]将辛酸用作溶剂以测试该连续工艺。将两个五加仑高温塑料桶分别用作溶剂和给水的贮存器60和62。
[0072]将来自欧米爺工程公司(Omega Engineering, Inc.;美国康涅狄格州斯坦福德)的一个Omega PHP-800系列160W化学计量泵用作使溶剂从槽60循环的泵14’ ；并且将来自杰出流体控制公司(ProMinent Fluid Controls, Inc.;美国宾夕法尼亚州匹兹堡)的一个SolenoicMW计 量泵用作从储罐62泵送给水21的泵14’ ’。计量泵是高度可控的并且允许在实验运行内的流动偏差。
[0073]电加热器40用于使进入工艺环路溶剂和给水的温度上升。分别具有5kW和1.5kff的电阻加热元件的来自欧米茄工程公司的两个溢流道加热器分别用于加热溶剂和水。加热器40的电流输入可以使用附接的控制单元调节。
[0074]在通过加热器40之后，溶剂和给水流进入混合器22，该混合器是在实验室内特别设计并构建的环路的第一组件。混合器22包括以下三个主要组件:一个圆柱形安全容器、一个搅拌器以及一个限制架台。
[0075]安全容器是一个加帽圆筒，直径为四英寸并且长度为45cm。可去除的端帽提供到达容器内部的通路，这允许适当的洁净和维持。顶帽具有用于溶剂和污染水的两个接口和一个处于中央的用于搅拌器棒的孔洞；底帽具有一个用于将混合物引向盐水分离器的接口。因此，液体通过附接于这些帽的有刺管配件进入并离开安全容器。安全容器的第一型式由聚氯乙烯(PVC)塑料制成。用氯化聚氯乙烯(CPVC)替换PVC以能经受住比65°C更高的温度。
[0076]搅拌器是一个来自卡弗瑞默有限公司(Caframo Limited ;加拿大安大略省怀尔顿)的BDC数字搅拌器，它具有一根轴杆66，该轴杆的末端连接到促进实际混合的三英寸直径螺旋桨叶片68，如图7中所示。搅拌器速度是可控的介于40与2000rpm之间。搅拌器的轴杆66足够长使得螺旋桨68下降到超过安全容器70的一半以确保适当的混合。图7展示正降入混合器安全容器70的螺旋桨叶片68。在构建之后，安全容器70用绝热层覆盖以使在原型操作过程中热量损失最小化。加热器安装在混合器架台上以使原型占据面积最小化。溶剂和给水通过安全容器70的顶帽中的配件(未示出)进入；搅拌器使用于混合溶剂和进料的螺旋桨叶片68运行；并且混合物通过安全容器70底帽中的一个配件离开。
[0077]有利地，水和溶剂混合物在混合器22的安全容器70中的滞留时间大于水溶解到溶剂中所需的时间。来自小液滴的水溶解到溶剂中的速率由以下方程式给出:
[0078]
【权利要求】
1.一种用于连续水提取的方法，包括: (a)使一种定向溶剂流经一个环路； (b)将一种包括水和至少一种溶解的组分的液体组合物引入该环路中，在该环路中该液体组合物与该定向溶剂混合； (C)在该液体组合物的该引入之前或之后加热该定向溶剂； (d)使水从该液体组合物溶解到该定向溶剂中，同时实质上从该定向溶剂排除一种包括该溶解于该液体组合物中的组分的浓缩的剩余物； (e)将该浓缩的剩余物与该水-溶剂溶液分离并且将该浓缩的剩余物从该环路去除； (f)将该水-溶剂溶液冷却以使该水从该定向溶剂析出； (g)将该水以一种纯化的形式从该定向溶剂分离并且将该纯化的水从该环路去除；并且 (h)将该定向溶剂在该环路中再循环并且重复步骤(b)-(g)。
2.如权利要求1所述的方法，其中加热该定向溶剂包括利用一种选自以下各项的加热器加热:熔炉、锅炉、电加热器、气体加热器、太阳能加热器以及地热加热器。
3.如权利要求1所述的方法，其中冷却该水-溶剂溶液包括利用一种冷却器或一种热交换器或者通过环境冷却或蒸发冷却进行冷却。
4.如权利要求1所述的方法，其中来自该水-溶剂溶液的热量经由一种热交换器被转移到该定向溶剂。
5.如权利要求1所述的方法，其中该浓缩的剩余物通过重力分离、磁力分离、电聚结、介电泳、离心分离或者利用一种旋风分离器或一种薄片分离器而与该水-溶剂溶液分离。
6.如权利要求1所述的方法，其中该水通过重力分离、磁力分离、电聚结、介电泳、离心分离或者利用一种旋风分离器或一种薄片分离器而与该定向溶剂分离。
7.如权利要求1所述的方法，其中该定向溶剂是一种脂肪酸。
8.如权利要求7所述的方法，其中该脂肪酸具有6-14个碳原子的链长。
9.如权利要求1所述的方法，其中该浓缩的剩余物与该水-溶剂溶液在一种分离装置中分离，该分离装置包括一种容器，该容器容纳了一种用于将该浓缩的剩余物与该定向溶剂和溶解的水隔开的隔板，其中该隔板界定多个用于减少流经该隔板的液体中的湍流的孔口，其中该液体组合物和该定向溶剂被注射到该隔板下方的该容器中，其中该定向溶剂和溶解的水穿过该隔板中的这些孔口，并且其中该浓缩的剩余物被从该隔板下方的该容器去除。
10.如权利要求1所述的方法，其中该浓缩的剩余物包括水，该方法进一步包括: (i)使该定向溶剂流经一个第二环路； U)将在步骤(e)中从该第一环路去除的该浓缩的剩余物引入该第二环路，在该第二环路中该浓缩的剩余物与该定向溶剂混合； (k)在该液体组合物的该引入之前或之后加热该定向溶剂； (I)使水从该浓缩的剩余物溶解到该定向溶剂中，同时实质上从该定向溶剂排除该浓缩的剩余物的该溶解的组分； (m)将该溶解的组分与该水-溶剂溶液分离并且将该溶解的组分从该环路去除； (η)将该水-溶剂溶液冷却以使该水从该定向溶剂析出；(O)将该水以一种纯化的形式从该定向溶剂分离并且将该纯化的水从该第二环路去除；并且 (P)将该定向溶剂在该第二环路中再循环并且重复步骤(j)-(o)。
11.如权利要求1所述的方法，其中该液体组合物是一种油或气提取的产品。
12.一种用于连续水提取的器具，包括: 一个管道回路，一种定向溶剂可以通过该管道回路循环； 至少一个该回路中的泵，用于使该定向溶剂在该回路中循环； 一个输入管道，用于将一种液体组合物注射到该回路中以与该定向溶剂混合； 一个输出管道，用于从该回路提取盐水； 一个该回路中的第一液体分离器，在用于该液体组合物的该输入管道之后并且在用于该盐水的该输出管道之前； 一个热交换器，该回路在该第一液体分离器的相反侧上穿过该热交换器； 一个加热器，被放置在该热交换器之后并且在该第一液体分离器之前以加热该回路中的该定向溶剂； 一个该回路中的第二液体分离器，位于该热交换器的与该第一液体分离器相反的一侧上；以及 一个输出管道，用于从该回路提取纯化水，其中该输出管道被放置成穿过该第二液体分离器并且位于该热交换器的与该第二液体分离器相同的一侧上。
13.如权利要求12所述的器具，进一步包括一个冷却装置，该冷却装置被放置在该热交换器之后并且在该第二液体分离器之前以冷却该回路中的该溶解的溶剂。
14.如权利要求12所述的器具，其中该第一液体分离器包括: 一个容器；和 一个隔板，该隔板界定多个用于减少流经该隔板的液体中的湍流的孔口 ； 一个管道，被配置以将该液体组合物和该定向溶剂注射到该隔板下方的该容器中；以及 一个管道，被配置以从该隔板下方的该容器去除该浓缩的剩余物。
15.一种用于半连续水提取的方法，包括: 将一种包括水的液体组合物引入一个容纳一种定向溶剂的缸中； 使该液体组合物在该缸中穿过该定向溶剂，其中该液体组合物中的水溶解于该定向溶剂中，并且该液体组合物的一种浓缩的剩余物收集于该缸中位于该缸中引入该液体组合物处的相反端； 将该液体组合物的该浓缩的剩余物从该缸去除； 将该溶剂-水溶液冷却以使该水从该定向溶剂析出； 将该析出的水与该定向溶剂分离；并且 去除该分离的水。
16.如权利要求15所述的方法，其中该析出的水通过重力分离、磁力分离、离心分离、电聚结、介电泳或者利用一种旋风分离器或一种薄片分离器而与该定向溶剂分离。
17.如权利要求15所述的方法，进一步包括延长横越该缸的一个隔离物以使该溶剂-水溶液与该液体组合物的该浓缩的剩余物隔开，随后去除该液体组合物的该浓缩的剩余物。
18.如权利要求17所述的方法，其中该隔离物在一个第一传感器检测到该液体组合物的该收集的浓缩的剩余物已上升到一个指定的上限高度之后延长。
19.如权利要求18所述的方法，其中该收集的液体组合物的该移除在一个第二传感器检测到该液体组合物的该浓缩的剩余物已下降到一个指定的下限高度时停止。
20.如权利要求15所述的方法，其中该水在同一缸中溶解到该定向溶剂中并且从该定向溶剂析出。
21.如权利要求15所述的方法，其中该溶剂-水溶液从形成它的该缸传递到一个第二缸，并且其中该水在该第二缸中从该定向溶剂析出。
22.如权利要求15所述的方法，其中该定向溶剂是一种脂肪酸。
23.如权利要求22所述的方法，其中该脂肪酸具有6-14个碳原子的链长。
【文档编号】C02F1/26GK103958417SQ201280058441
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2012年10月4日 优先权日:2011年10月4日
【发明者】安纽拉·巴杰佩伊, 史蒂芬·克雷斯, 凯文·克莱恩古特尔, 刚·陈, 迈克尔·福勒 申请人:麻省理工学院