去除和凝聚蒸汽的方法

专利名称：去除和凝聚蒸汽的方法
去除和凝聚蒸汽的方法相关串请本申请要求2009年12月16日提交的、名称为“去除和凝聚蒸汽的方法”的美国临时申请第61/286，900号的优先权，其通过引用被并入本文。
背景技术：
尽管价格上涨以及其他经济和地理政治关注，但对化石燃料的国内外需求仍继续上升。因为这种需求继续上升，所以对寻找另外的、经济上可行的化石燃料来源的研究和调查也相应地增加。在历史上，许多人已经认识到大量能源储存在油页岩、煤和浙青砂沉积物中。用于从这种材料中回收烃的一种方法和系统公开在2008年2月8日提交的美国申请第12/028，569号中并要求保护，该申请通过引用以其整体被并入本文。在该申请中， 公开了从含烃材料中回收烃的方法，包括形成构建的渗透性控制基础结构。该构建的基础结构限定基本上包封的容积。开采的含烃材料诸如油页岩可被引入到控制基础结构中，形成含烃材料的渗透体。渗透体可被充分加热，以从中重整并去除烃，留下贫乏的页岩或其它土材料。在加热期间，含烃材料可以基本上是固定的。可收集去除的烃用于进一步加工，作为补充燃料或添加物用于工艺中和/或直接使用而无需进一步处理。贫乏的页岩或其它材料可保留在基础结构中。控制基础结构可包括充分带衬的(lined)不透层或不透侧面层，其具有基本上不渗透的底板(floor)和盖。在处理这种含烃材料中遇到的一个问题是从封闭的或包封的容积内收集和回收汽化烃。在气化和去除烃所需的温度下，期望提供这样的收集系统，其能够从这种封闭容积中去除最佳量的烃。液体的烃和/或在封闭容积内部凝聚的烃可通过合适的导管、管道或其它收集装置从下部被排出。蒸汽也可以借助于经过封闭容积内部通过适当设置的导管、管道或孔被去除。然而，这种方法涉及从封闭容积内指定的位置循环和去除蒸汽。因为这些和其它原因，仍需要能提供从封闭容积内部回收和凝聚从适当的含烃材料中释放的烃蒸汽的改进的方法和系统。

发明内容
从加热的封闭容积内去除、凝聚(冷凝)和回收蒸汽可通过由土材料的绝缘颗粒层围绕的加热的封闭空间来完成，该土材料的绝缘颗粒层具有温度梯度，其从内部层表面到外部层表面温度逐渐降低。绝缘层对于蒸汽是可透性的。材料被放置在封闭空间中并被加热以产生蒸汽和任选地产生液体。从材料中萃取的液体从封闭空间下部排出，进行收集。由于加热材料以及蒸汽形成，在封闭空间内形成正压，并且，没有液化的蒸汽经过绝缘颗粒层的内部表面并朝向外部表面移动。而在绝缘颗粒层中，蒸汽接触颗粒土材料，而且还经受温度梯度中的温度降低。结果，蒸汽凝聚，并且，可以凝聚的液体向下经过绝缘颗粒层并被收集。任选的不透性外部覆盖物，诸如膨润土改进的土，可以包封或封闭绝缘颗粒层。通过以下详细描述，本发明的另外的特征和优势将变得显而易见，该详细描述通过举例阐明了本发明的特征。
附图
简沭图I是根据一个实施方式的基础结构的侧剖面图，显示封闭容积包含由不透层覆盖的绝缘颗粒土层并含有粉碎的含烃材料，并进一步显示液体在封闭容积的底部或底板处排出，并进一步显示液体在绝缘颗粒土层的底部处排出，以从层内部收集凝聚的蒸汽。图2是由虚线限定的图I基础结构的一部分的分解图，更详细地显示封闭空间内部的粉碎的含烃材料；绝缘颗粒土层，其显示颗粒土材料并具有内部表面和外部表面，该内部表面和外部表面显示跨过其的温度梯度；外部不透层，显示方向箭头，该箭头指示蒸汽从封闭容积进入层以及凝聚液体在绝缘层中向下流动的通道。在图中呈现维数、材料和构造仅为了方便描述本发明，而不代表精确的相对比例或被认为是本发明的部分的可选变化。为了便于清楚说明，一些方面可以被扩大或随着实践实施方式而变化。发明详沭 现将参考示例性实施方式，并将在本文中使用特定语言对其进行描述。然而，应该理解，并不因此意图限制本发明的范围。对本文描述的本发明特征的改造和进一步修饰以及本文所述的本发明原则的另外的应用——将会被相关领域中并拥有本公开内容的技术人员想到——将被认为属于本发明的范围。此外，在公开和描述本发明的具体实施方式
之前，应该理解，本发明并不限于本文所公开的具体方法和材料，因为这在一定程度上可以变化。同样应该理解，本文利用的术语仅用于描述具体实施方式
的目的，而并不意图是限制性的，因为本发明的范围将仅由所附权利要求书及其等同范围来限定。定义在描述并要求保护本发明时，将使用以下术语。单数形式“一(a)”、“一(an)”和“该(the) ”包括复数指代，除非上下文另有明确说明。因此，例如，对“一个出口”的指代包括对一个或多个这种结构的指代，“一种颗粒”包括对一种或多种这种材料的指代，并且，“一个通过步骤(passing st印)”指对一个或多个这种步骤的指代。如本文中所使用的，“导管”、“管道”、“孔”或类似术语指沿着指定距离的任何通道，其可用于运输材料和/或热从一个点到另一个点。尽管导管通常可能是圆形管道，但其它非圆形导管也可以是有用的，例如矩形通道等。导管可有利地被用于将流体引入封闭空间的材料中或者从中抽出流体、通过流体转移运输热，和/或用于运输射频装置、燃料电池机构、电阻加热器或其它装置。如本文中所使用的，“粉碎的”指将构造(formation)或较大的块破碎成片。粉碎的块可以被破碎化或以另外方式破碎成碎片。如本文中所使用的，“含烃材料(hydrocarbonaceous material) ”、“含有烃的材料(hydrocarbon containing material)”以及类似术语指可以从中提取或衍生烃产物的任何含烃材料。例如，烃可以作为液体被直接提取、通过溶剂萃取被除去、被直接汽化或以另外方式从材料中去除。然而，许多含烃材料含有油母质、浙青或各个等级的煤，其通过加热和热解被转换成更小分子量的烃液体或气体。含烃材料可包括、但不限于油页岩、浙青砂、煤、褐煤、浙青、泥炭以及其它有机材料。如本文中所使用的，“绝缘渗透颗粒土层”、“层(layer) ”或“多个层(layers) ”指构建的连续层，其具有绝缘性能，使得可以在层中保持温度梯度。绝缘层通常是垂直的，但可以以任何功能方式被定向。限定包封的容积的基础结构的顶板、底板和其它轮廓和部分也可以是本文所使用的“层”，除非另有说明。任何颗粒无机材料或土材料诸如砾石、压碎的岩石、沙或类似材料，通常具有直径小于约2英寸的粒度，可用于形成这样的层或多个层。如本文中所使用的，“外部不透层”、“膨润土改进的土”、“BAS”以及类似术语指部分或全部包围绝缘颗粒土层或多个层的密封控制层。不透层可以覆盖绝缘层以及绝缘基础结构的某些或所有的顶部和底板。当被使用时，BAS层通常包含按重量计约6-12%膨润土
粘土； 15-20%混合有土或凝聚体(aggregate)-通常具有小于I"的粒度并向下分布到
容易获得的最细微材料——的水，尽管可以从这些总方针进行变化——只要水合BAS能保持功能性密封。当与水结合时，膨润土成分膨胀至膨润土粘土干燥体积的若干倍，从而密封土，使得该材料有可塑性和韧性。其它不透性材料诸如水泥、薄浆、聚合物(例如，膜、薄膜等)、高温柏油、钢板、铝板以及类似物也可以被使用。 如本文中所使用的，当用于涉及材料的量或数量或其具体特性时，“基本上”指足以产生该材料或特性意图提供的作用的量。在一些情况中，允许的偏差的确切程度取决于特定背景。相似地，“基本上不含”或类似术语指在组合物中缺乏识别的元素或剂。尤其地，被识别为“基本上不含”的元素或者完全不存在于组合物中或者仅以足够少的量被包含，以便对组合结果没有可测量的作用。如本文中所使用的，“约”指基于对于识别的特定性能典型的试验误差的偏离程度。将根据特定背景和具体性能为范围提供术语“约”，并且这容易被本领域的技术人员辨另IJ。术语“约”并不意图扩大或限制可以以另外方式被赋予具体值的等同物的程度。此外，除非另有说明，术语“约”将清楚地包括“确切地”，这与关于范围和数字数据的以下论述一致。浓度、维数、量和其它数字数据可以以范围的形式呈现在本文中。应该理解，这种范围形式仅为了方便和简明而被使用，并且应该被灵活地解释为不仅包括明确叙述的数值作为范围的限值，而且包括该范围内所包含的所有单个数值或亚范围，如同每个数值和亚范围被明确叙述一样。例如，约I到约200的范围应该被解释为不仅包括明确叙述的限值——I和约200，而且包括单个尺寸诸如2、3、4和亚范围诸如10到50、20到100等。如本文中所使用的，为了方便，多个项目、结构元素、组成元素和/或材料可以呈现在共同列表中。然而，这些列表应该被解释为如同表中的每一成员被分别识别为独立并唯一的成员。因此，该表的个体成员均不应该仅基于它们呈现在共同的组中而没有相反说明，而被解释为事实上等同于相同表中的任何其它成员。利用绝缘渗透层的凝聚系统公开了系统，其包括由绝缘渗透层围绕的封闭空间。当封闭空间内的材料被加热时，层可以具有温度梯度，该温度梯度在内部层表面处具有较高温度，而在外部层表面处具有较低温度。系统可以在其下部具有至少一个流体出口，以排出液体，即提取的或凝聚的烃，并且可以具有多个流体出口和入口，这取决于在去除烃或其它材料中如何利用该系统。然而，形成该结构的绝缘层对于通过加热封闭空间内的材料而形成的蒸汽也是可透性的。封闭空间内的蒸汽基本上处于材料被加热的现有高温下，尽管内部温度由于流体流动和对流而可以在封闭空间内局部变化。蒸汽的形成也在封闭空间内产生蒸汽的正分压。在该温度和分压下，蒸汽向外经过其中蒸汽与形成层的物质接触的绝缘渗透层。与物质的接触以及在绝缘层中从内部表面到外部表面的温度降低导致至少部分蒸汽凝聚。凝聚的液体向下经过绝缘层，用于收集。另外，蒸汽的凝聚导致局部容积减小以及随后通过产生的将另外的蒸汽从封闭空间内部引入到层中的作用而减小绝缘层内的压力。此外，注意到仅需要蒸汽的正分压以驱使扩散进入渗透层(例如，总压差可以为零并由于浓度梯度而仍具有蒸汽扩散)。封闭空间内部的正分压和绝缘渗透层内部压力的降低充当自动凝聚泵来不断地从封闭空间内部回收蒸汽到绝缘渗透颗粒层中，同时继续凝聚并收集蒸汽。如在上述共同未决的申请中所述的，用于从含烃材料回收烃的方法可以包括形成构建的渗透性控制基础结构。该构建的基础结构限定基本上封闭的或包封的容积。开采或收获的含烃材料——其是固体或者至少在引入条件下不自由流动——可被引入到封闭的基础结构中，形成含烃材料的渗透体。渗透体可被充分加热，以从中去除烃。在加热期间，含烃材料基本上固定，因为构建的基础结构是固定的结构。然而，随着烃被去除，残留的材料趋于下沉和沉降。在一些情况中，沉降的程度可能是显著的，尽管残留的材料并未被有效地混合。去除的烃(包括液体和气体)可以被收集用于进一步处理、用于工艺中和/或用于回收。适当的处理步骤充分公开在并入到本文的在前申请中，并容易适合用于本文所公开的、包含绝缘渗透颗粒土层的密封(containment)基础结构中。
绝缘渗透层可以由这样的材料制成，该材料对于来自封闭空间的蒸汽是绝缘的并且可透的。适当的绝缘和渗透性材料的非限制性实例可以包括颗粒土材料、开孔泡沫、纤维垫以及类似物。在一个方面中，绝缘渗透层可以是直径小于约2"的颗粒材料。尽管其它材料可能是合适的，但绝缘颗粒层可以典型地由砾石、沙、压碎的贫油页岩或不限制或以另外方式抑制流体流动经过绝缘颗粒层的其它绝缘颗粒微粒(fine)制成。通过选择合适的颗粒材料，层厚度可以充当主要的绝缘源。邻近于封闭空间内部被加热材料的绝缘层的内部表面处于加热处理的温度下。绝缘层的外部表面可以处于周围温度或低于内部表面的其它温度。外部表面通常低于水的沸点，并且更常常远低于蒸汽的沸点。与各自感兴趣蒸汽的沸点相比，梯度的大小可以显著变化，这取决于封闭空间的内部温度。注意到一些蒸汽可能不会凝聚，尤其在引入的蒸汽具有多种成分的情况下。无论怎样，存在温度梯度，其足以凝聚期望的蒸汽部分。根据多种变量如、但不限于内部和外部表面温度、层中的粒度、材料类型、层厚度、空隙空间等等，可以特制(tailor)温度梯度。因此，在绝缘层宽度上实质存在从内部表面朝向其外部表面的热梯度。在加热工艺过程中产生于封闭空间内部的蒸汽穿透该渗透绝缘层。因为这些蒸汽在绝缘层(低于相应蒸汽的凝聚点)中充分冷却，所以将形成液体。当封闭空间中的材料是含烃材料时，这些液体主要是烃。通常，液体基本上不润湿绝缘层材料并向下滴流经过该层到达封闭空间基础结构的绝缘层的底部是有利的，在该底部，它们被收集并去除。有利地，随着液体向下经过绝缘层，存在于液体中的任何微粒可以被过滤并去除。例如，颗粒土材料趋于吸引凝聚液体中的微粒。当跨过颗粒流动的液体被保持以便在土材料的实质部分上维持薄膜时，该效果可能是特别有效的。该薄膜允许微粒迁移跨过膜厚度朝向颗粒材料表面，在该颗粒材料表面可以保留微粒(例如，通过吸附)。关于该微粒分离方面的另外的细节可以在2009年12月3日提交的美国临时申请第61/266，423号中找到，其通过引用被并入本文。封闭的基础结构尤其适于从各种来源诸如油页岩、浙青砂、煤、浙青、褐煤、泥炭及其组合中处理和去除烃。然而，凝聚机制对于从中提取可凝聚蒸汽的任何其它材料也可以使合适的。另外的材料的非限制性实例可以包括生物质、污水、废污泥以及类似物。根据具体应用和被加热的材料，绝缘层的宽度可以从约IOcm到7m进行变化，尽管针对具体应用可以考虑其它厚度。同样，封闭空间内的温度可以从约150°C到约500°C进行变化，尽管根据涉及的材料和蒸汽，该范围以外的温度也可以是合适的。因此，封闭空间内的压力通常将在约0. I到15psig之间进行变化。封闭容积的范围可以相对宽，从几立方米到几十万立方米。对于基础结构的尺寸、封闭空间的容积、层宽度、温度、压力等的唯一限制是其是有功能的。在阅读本公开内容之后，这种参数可以由本领域的技术人员确定。外部不透层可任选地包含绝缘渗透层。该层对于烃和含水液体或蒸汽均是不透性的。典型地，该层可以包含膨润土改进的土层或类似材料。该层被水合，以便膨润土改进的土层的塑性密封基础结构，防止除了通过指定的导管在绝缘层或其它合适的装置中凝聚以 外烃渗漏在基础结构外面或经过基础结构。膨润土改进的土层也用以防止烃蒸汽、烃液体和带衬的基础结构外面的外部水蒸汽经过。此外，膨润土改进的土层有足以被压缩的塑性，从而有助于保持封闭空间处于封闭状态。因为膨润土改进的土层被水合，所以绝缘层的外部表面的温度可以低于水的沸点，并且更常常更低，以保持层的塑性。其它材料也可以用于不透层，包括、但不限于聚合物膜/薄膜、混凝土、薄浆、柏油、金属板、铝板以及类似物。可以在封闭空间中从固体材料中原位产生蒸汽，或者可以从引入到封闭空间的流体产生蒸汽。例如，从第一操作产生的液体可以被引入到封闭空间中，并被加热到足以产生蒸汽。任选地，部分封闭空间可以是不透性的，以便允许将液体保留在封闭空间中(例如，充当贮留池的下部)。此外，任选的液体收集盘可被引入到封闭空间中，以选择性地收集和从基础结构回收液体。在一个方面中，一个或多个收集盘可被定向，以收集从顶部盖排出的液体(S卩，为了减小落回到封闭空间的这种液体的体积)。包含由绝缘渗透层围绕的封闭空间的基础结构——所述绝缘渗透层在其中具有温度梯度——可以利用任何合适的方法形成。然而，在一种当前期望的方法中，该结构由上底板(floor up)形成。颗粒土层的形成和通过粉碎的土含烃材料在封闭空间中的设置可在其中材料以预定的式样被沉积的垂直沉积工艺中同时完成。例如，多槽或其它颗粒输送机构可以沿着沉积材料上的相应位置被定向。通过选择性控制输送颗粒的体积以及沿系统——其中每一单独的颗粒材料均被输送——的俯视图的位置，形成该结构的绝缘层可从底板到顶部被同时形成。基础结构的侧壁部分可作为在底板外周围处的连续向上延伸被而形成。如果存在不透性外层诸如改进的膨润土改进的土(BAS)，该层与颗粒土层一起被构建，作为底板的连续延伸。在这种侧壁的建立期间，粉碎的含烃材料可同时被放置在底板上和侧壁周边内，以便将成为封闭空间的部分同时由上升的构建的侧壁填充。以这种方式，可以避免保留壁或其它侧向约束考虑。该方法也可以在垂直建立期间被监控，以验证在层的界面处的混合在可接受的预定容忍度(tolerance)内(例如，维持各个层的功能性)。例如，BAS层与颗粒土层的过多混合会损害BAS的密封功能。这可通过在其建立时小心沉积每一个邻近层和/或增加沉积的层厚度来避免。随着建立工艺接近上部分，可利用相同的颗粒输送机制并仅调整适当的颗粒材料的位置和速度来形成顶部。例如，当达到期望的侧壁高度时，可加入足够量的粉碎含烃材料，在该粉碎含烃材料上可沉积基础结构的上表面。在该方法中，顶部部分可由含烃材料支撑而且不具有独立的支撑物。根据具体的装置，加热管道、收集管道、收集盘和/或其它结构可任选地被嵌入沉积的颗粒材料中。因此形成包含封闭空间的基础结构，该封闭空间含有粉碎含烃材料。鉴于以上描述，图I描述一个实施方式的侧视图，显示密封基础结构100，其尤其适于从粉碎的含烃材料110中提取烃。基础结构100包括由绝缘渗透层130限定的封闭空间120。绝缘层130由不透层140覆盖，该不透层140—为了说明一是膨润土改进的土。加热装置(未显示)加热含烃材料110至足以从中提取烃的温度。典型地，该温度在约150°C到约500°C之间。随着烃由于加热或焙烧过程被释放，将形成液体和/或蒸汽。液体将通过底板排水管150从基础结构排出。在封闭空间内形成的蒸汽将产生约0. I到约15psig之间的正压。如果期望，导管(未显示)可被放置在封闭空间120中，以回收蒸汽，诸如在2008年2月8日提交的共同未决的美国申请第12/028，569号中所指示的，其通过引用其整体被并入本文。然而，即使存在导管或其它蒸汽收集装置，也不是所有的蒸汽在封闭空间外被收集。不考虑蒸汽收集装置的存在与否，仍存在收集和回收在加热或焙烧过程中产生的最大量蒸汽的需要。 在加热过程中存在于封闭空间中的正压结合绝缘层130的渗透性有助于蒸汽在加热过程的温度下通过进入到层130中，在层130中，它们至少部分地凝聚，以便液体向下排出经过其中它们通过第二排水管160被收集的层的内部容积。更具体而言，如图2所示，蒸汽210通过内部表面220进入层。一旦在颗粒层内部，蒸汽即与颗粒材料130接触。在绝缘层130的内部表面和层的外部表面240之间存在降低的温度梯度230 (即，从T1到T2,其中T1XT2)。外部表面240处的温度显著低于内部表面220处的温度。蒸汽210接触并经过颗粒土材料凝聚体(condense)的温度梯度230,这是由于温度降低和由方向箭头250所指示的向下通过，用于进行收集。显著地，温度梯度可以是线性平衡，尽管在由外部表面和/或内部表面温度变化导致的瞬态非平衡条件期间可能产生变化的曲线。蒸汽凝聚也导致层130中的压力减小，这产生渗透内部层表面200的另外的蒸汽210。在这种功能性中，系统用作自动凝聚泵来促使蒸汽从封闭空间内部进入到绝缘颗粒土层中，以进行凝聚和回收。应该理解，以上提及的排列对于本发明原则的应用是说明性的。因此，虽然已经结合发明的示例性实施方式在上面描述了本发明，但可以进行许多修饰和可选排列而不背离权利要求书中示出的本发明的原则和概念，这对于本领域的普通技术人员来说是显而易见的。
权利要求
1.从封闭空间内去除和凝聚蒸汽的方法，包括 加热封闭空间内的材料，形成从中提取的蒸汽，所述封闭空间被其中具有温度梯度的绝缘渗透层围绕，其中限定所述封闭空间的内部层表面处于第一较高温度并在横跨所述绝缘层的宽度至其外部表面具有逐渐降低的较低温度，其中所述蒸汽处于所述第一较高温度，并且还处于所述封闭空间内的第一正压下； 使所述蒸汽经过所述绝缘层的所述内部表面，其中该蒸汽接触形成所述绝缘层的物质并朝向所述绝缘层的所述外部表面向外通过，其中所述蒸汽与所述物质以及横跨所述绝缘层的逐渐降低的温度梯度的接触使得所述蒸汽凝聚并导致所述绝缘层内压力降低，从而使得另外的蒸汽从所述封闭空间引入到所述绝缘层进行凝聚，并且，其中所述凝聚液体向下经过所述绝缘层的所述物质，进行收集。
2.权利要求I所述的方法，其中所述绝缘层由颗粒形成。
3.权利要求2所述的方法，其中所述颗粒是颗粒土材料，其包括砾石、压碎的岩石、沙、压碎的油页岩、土及其组合中的至少一种。
4.权利要求2所述的方法，其中所述形成所述土层的所述颗粒具有直径小于2英寸的平均尺寸。
5.权利要求I所述的方法，其中所述绝缘层由开孔泡沫或纤维垫形成。
6.权利要求I所述的方法，其中所述封闭空间内的材料是含烃材料。
7.权利要求6所述的方法，其中所述含烃材料选自油页岩、浙青砂、煤、浙青、褐煤、泥炭及其组合。
8.权利要求I所述的方法，其中所述绝缘层的宽度从约IOcm到约7m。
9.权利要求I所述的方法，其中所述第一较高温度从约150°C到约500°C。
10.权利要求I所述的方法，其中所述封闭空间内的所述蒸汽的所述第一正压从约O.Ipsig 至Ij 15psig0
11.权利要求I所述的方法，其中所述外部表面的温度从约0°C到约80°C。
12.权利要求I所述的方法，进一步包括收集所述凝聚液体。
13.权利要求I所述的方法，进一步包括形成包围所述绝缘渗透层的外部不透层。
全文摘要
公开了从封闭空间(120)内部去除和凝聚蒸汽的方法。含有材料(110)的封闭空间(120)被绝缘渗透层(130)围绕，该绝缘渗透层(130)在内部表面(220)和外部表面(240)之间具有降低的温度梯度(230)。绝缘层(130)也可以被不透层(140)覆盖。加热封闭空间(120)中的材料(110)导致在封闭空间(120)内部在正压下形成蒸汽。蒸汽经过绝缘渗透层(130)的内部表面(220)并接触渗透性材料，并且通过降低绝缘层(130)内部的温度被凝聚。凝聚液体向下经过绝缘层(130)，进行收集。加热的封闭空间(120)内的正压和绝缘层(130)中的凝聚以及压力和温度的降低用于将另外的蒸汽从封闭空间(120)内部引入到绝缘层(130)中，进行凝聚和收集。
文档编号B01D53/26GK102781548SQ201080056811
公开日2012年11月14日 申请日期2010年12月16日 优先权日2009年12月16日
发明者J·W·帕藤 申请人:红叶资源公司