从液体汽提气体的脱气装置和方法与流程

本发明涉及用于从液体汽提气体（诸如氧气、二氧化碳、苯和硫化氢）的脱气装置。

背景技术：

气体汽提（gasstripping）是其中从液体去除特定气体的过程。具体地，气体汽提涉及气体从液相到气相的质量转移。所述转移通过如下方式来完成：使包含待被汽提的气体的液体与不同的汽提气体接触。已使用了各种系统和过程来从液体汽提溶解气体，诸如，氨气（nh3）、二氧化碳（co2）、氧气（o2）、硫化氢（h2s）、以及各种挥发性有机化合物（vocs）。例如，用于从液体汽提气体的常规系统包括填料床（packedbed）、塔（column）、以及真空脱气装置。然而，这些常规系统通常不适合于从油质或者脏液体（诸如，油气回收过程所产生的采出水）去除气体。

因此，一直以来需要并且将继续需要一种适合于从脏的或者包含油的废液流去除气体的高效脱气装置。

技术实现要素：

本发明包括用于从流动穿过具有多个腔室的容器的液体流去除溶解气体的系统和过程。汽提气体被注入到容器中并且相对于液体的流动沿逆流方向移动穿过容器以及其内的腔室。将汽提气体与液体混合，从而导致液体中的溶解气体被逐出。因此，随着液体从液体进口移动穿过容器并且朝着液体出口以从腔室到腔室的方式移动，液体中的溶解气体的浓度减小，而液体中的汽提气体的浓度增大。

在一个实施例中，液体和汽提气体被引导到容器的相对端中并且沿逆流方向移动穿过容器。汽提气体与液体混合，并且这导致液体中的不期望的气体（诸如二氧化碳）被逐出并且被一部分汽提气体取代。经逐出的气体和剩余汽提气体向上移动穿过相应腔室中的液体到达叠盖的蒸气空间，经逐出的气体和剩余汽提气体在蒸气空间中形成气体混合物。诱导该气体混合物相对于液体的流动向上游移动并且反复地与液体混合，从而导致另外的气体被从液体逐出。在容器的进口端附近提供有排放端口或者气体出口，经逐出的或者不期望的气体穿过排放端口或者气体出口被从容器排放。

附图说明

从研读如下描述和附图，将会明白并清楚本发明的其它目的和优点，附图仅仅是对本发明的图示说明。

图1是本发明的脱气装置的视图。

图1a是图1中示出的脱气装置的部段的放大视图。

图2是用于脱气装置的替代设计的视图。

图3是利用本发明的脱气装置的示例性采出水处理过程。

具体实施方式

进一步参照附图，附图中示出了本发明的脱气装置并且整体上由附图标记10来指示。如将从本公开的随后部分领会的，脱气装置10配置成接收液体并且从液体去除或者汽提不期望的气体，诸如二氧化碳、氧气、硫化氢和苯。液体进入脱气装置10并且如在图1中观察到的从左向右移动穿过脱气装置。汽提气体（有时也被称为次级气体）被注入到脱气装置10中并且相对于液体的流动大体上沿逆流方向而移动。因此，如在图1中观察到的，汽提气体大体上从右向左移动并且在该过程中与液体接触且与液体混合。汽提气体（诸如，例如，氮气或者燃料气体）与液体混合，从而导致液体中的不期望的气体被逐出并且由汽提气体来取代。汽提气体与液体进行混合发生在脱气装置10中的多个位置处。这导致随着液体流动穿过脱气装置10，该液体中的不期望的气体的浓度逐渐减小。

来对脱气装置10进行更详细的讨论，脱气装置包括接收液体汽提气体的容器12。容器12可以呈现出各种形状和尺寸。容器12是闭合或者加压的系统并且并未设计为开放到大气环境。通常，容器12被维持成接近大气压力，其处于3-6kpag的范围内。在一个实施例中，容器12包括长形箱。容器12包括液体进口14和液体出口16。如在附图中看到的，液体进口14和液体出口16定位在容器12的相对端上。一系列腔室形成在容器12中，脱气作用发生在该一系列腔室中。腔室的数量可以变化。在本文所图示的实施例中，容器12包括四个腔室18、20、22、以及24。这些腔室由在容器12中间隔开的一系列分隔物26形成。注意到，每个分隔物26都与容器12的底部间隔，并且除了邻近进口14的分隔物26之外，余下的分隔物向上延伸到容器12的顶部。注意到，开口33形成在容器12的底部与分隔物26的下终端边缘之间。于是，随着液体从进口14流动到出口16且穿过出口16，流动穿过容器的液体将在相应分隔物26下方流动并且流动穿过开口33。

进口区域28形成为邻近进口14且在第一分隔物26之前。因此，要领会的是，进入进口14的液体在到达第一腔室18之前将越过进口区域28。汽提气体进口30在进口区域28下游且在最后的腔室24之后，汽提气体在汽提气体进口30处被注入到容器12中。在该实施例中，排出腔室32在汽提气体进口30下方。于是，被脱气的液体在被从出口16排出之前穿过排出腔室32。

为了通常有助于引导液体流动穿过容器，提供了一系列隔挡件34，一系列隔挡件34按策略放置在容器12的底部部分中。如在附图中看到的，这些隔挡件34在分隔物26之间间隔并且从容器12的底部向上延伸。在本文所图示的实施例中，隔挡件14包括带角度上终端边缘，带角度上终端边缘延伸成稍微在分隔物26的下终端边缘上方。因此，在液体流动穿过容器12时，液体被约束成在分隔物26的下终端边缘下方且越过隔挡件34而移动。隔挡件34倾向于将液体的流动转向并将液体的流动向上引导到腔室18、20、22、以及24的下部分中。隔挡件34通常有助于流动路径分布并且通常防止或者减少腔室中的流动的短路（shortcircuiting），并且这通常导致对全部驻留时间（residencytime）的利用。隔挡件34还防止或者减少气体窜漏到邻近腔室中。通过将隔挡件34放置在足够高度处，防止了气体被转移到下游的腔室，这可能会污染下游单元（cell）中的液体。还应指出的是，形成在分隔物26下方且在相应隔挡件34之间的开口33被设计成允许液体——并且不允许气体——流动穿过开口并且从一个腔室流动到另一腔室。

气体出口36定位在容器12的液体进口部分中。如在附图中看到的，气体出口36在容器12的顶部中被设置成邻近进口区域28和第一或者初始腔室18。经由气体出口36排离的气体是经逐出的气体（有时也称为废气），并且由于该过程可能不是100%生效的，所以排离的气体可能会包括一些汽提气体。因此，在典型过程中，被引导到气体出口36外的气体将包括经逐出的气体与汽提气体的气体混合物，汽提气体通常组成从容器12排离的气体混合物的相对小的部分。

通常，该过程需引导液体进入进口14并且从左向右移动,如在图1和图2中观察到的那样。同时，汽提气体进入汽提气体进口30并且大体上相对于液体的流动方向沿逆流方向从右向左流动。在该过程中，汽提气体与液体接触并且彻底地与液体混合。不期望的气体（诸如二氧化碳、氧气、硫化氢以及苯）被从经处理的液体逐出并且由汽提气体取代。经逐出的气体和剩余汽提气体向上移动穿过液体进入到形成在液体液位与容器12的顶部之间的蒸气空间40中。为了提供蒸气空间40，容器12中的液体液位可以由常规方式来控制。也就是说，可以提供控制程序来感测贯穿容器12的液体的液位并且控制该液位以使得在液体脱气作用过程期间提供充足的蒸气空间40。可以使用各种控制系统和程序来控制容器12中的液体液位。例如，可以采用包括发送器和液位控制阀的液位仪器（levelinstrument），或者可以使用具有泵的液位仪器。在这些示例中，程序有效地读取液位信号并且基于该液位信号来致动液位控制阀或者泵以发起对液体液位的改变。

在本发明的脱气过程中，汽提气体被诱导到具有待被汽提或者去除的气体的液体中。这是通过如下方式来实现的：控制分压参数，其允许汽提气体逐出液体中的不期望的气体。应注意的是，这不是通过化学反应来实现的。亨利分压定律（herry’slawofpartialpressure）支持如下命题：处于恒温时，溶解在给定类型和体积的液体中的给定气体的量与同该液体相平衡的气体的分压成正比。在本过程的情况下，亨利分压定律要求液体内的气体在汽提气体被引入时被逐出。

在许多情况下，被注入到汽提气体进口30中的汽提气体是纯净的。然而，在初始地与液体混合之后，向上游且以从腔室到腔室的方式传送的汽提气体可形成气体混合物的一部分，气体混合物由汽提气体和经逐出的气体两者组成。然而，即使与液体混合的气体可能形成包括经逐出的气体的气体混合物的一部分，但所述与液体混合的气体仍被称为汽提气体。因此，如本文所使用的，术语“气体混合物”指的是包括汽提气体和至少一些经逐出的气体的气体混合物。

脱气装置10被提供有一系列混合器，一系列混合器用于将汽提气体与容器12中的液体混合。可以采用各种类型的混合器。例如，可以采用喷射器、旋转式混合器、诸如喷嘴和喷洒器等静态式混合器。混合器设置在腔室18、20、22以及24中，以使得汽提气体与液体的混合在液体的表面下方发生。如下文所描述的，与相应腔室相关联的混合器可操作成将汽提气体或者包含汽提气体的气体混合物诱导到腔室中的液体中并且使汽提气体与液体彻底地混合。

图1和图1a示出了在操作上与腔室18、20、22以及24中的每个相关联的一系列喷射器。每个喷射器整体上由附图标记50来指示。每个喷射器50包括动力液体进口52和气体进口54。另外地，喷射器50包括向下伸出到液体中的主导管58。气体管道56从气体进口54延伸到主导管58。混合头如在图1中描绘的那样绕喷射器的底部周围设置，混合头包括水平板60以及一个或多个喷嘴，一个或多个喷嘴设置在主导管58的下端上并且对准该板。动力液体（motiveliquid）在压力下被泵送到动力液体进口52中并且沿着主导管58向下朝着板60来引导。这在气体管道56与主导管58连结所处的区域中形成文丘里效应。这在气体管道56中引起低压，而这又引起汽提气体或者气体混合物被诱导到气体进口54中并且穿过气体管道56且进入到主导管58中，汽提气体或者气体混合物在主导管58中与动力液体混合。向下朝着主导管58的出口端引导动力液体和汽提气体的混合物。在压力下从喷射器50排出动力液体和汽提气体的该混合物。板60使动力液体-汽提气体混合物偏转并且有效地携带来自相应腔室的液体并且使腔室中的液体与汽提气体彻底地混合。如上文所讨论的，腔室中的液体与汽提气体的混合导致液体中的不期望的气体被逐出并且由至少一部分汽提气体取代。

经逐出的气体连同剩余汽提气体向上移动穿过液体进入到喷射器50定位在其中的腔室的蒸气空间40中。“剩余汽提气体”意指容器中的未溶解在液体中的汽提气体的余下部分。如上文所指出的，可将纯净的汽提气体引导到定位在排出腔室32中的气体进口30中。根据实际情况，如果不是所有的话，那么大部分汽提气体被包含在排出腔室32中的蒸气空间40中。因此，根据图1中所图示的实施例，将基本上纯净的汽提气体引导到最后的腔室24中并且与腔室24内的液体混合。然而，最终结束于最后的腔室24的蒸气空间40中的气体通常是经逐出的气体与剩余汽提气体的混合物。被诱导到与邻近的上游的腔室22相关联的喷射器50中的正是该气体混合物。因此，在这种情况下，动力液体操作成使腔室22中的液体与经逐出的气体和汽提气体的混合物混合。该基本过程继续从一个腔室向上游进行到邻近的下游的腔室，直到经逐出的气体和剩余汽提气体的混合物到达气体出口36，在气体出口36处，其被从容器12排离。如上文所讨论的，于是，随着液体向下游移动，液体中的不期望的气体的浓度继续减小。而且，随着诱导汽提气体从一个腔室向上游移动到另一腔室，剩余汽提气体的浓度继续减小。

可以使用各种动力液体源来向喷射器50提供动力。在图1中图示的实施例中，将来自容器12的出口16的经处理流出物使用为动力液体。泵17操作性地连接到容器12的出口16以用于将来自容器的经处理流出物泵送到喷射器50中。因此，经处理流出物的一部分通过喷射器再循环回到容器12中。因此，经处理流出物的一部分用作动力液体并且同时再循环的经处理流出物的部分经受附加的脱气作用。

在图1和图1a的实施例中，要注意的是，气体管道56在容器12外延伸。然而，应注意的是，在其它实施例中，气体管道56可以被包含在容器12的边界内。例如，气体管道56可延伸穿过分隔物26和蒸气空间40。

图2示出了用于脱气装置10的替代设计。图1和图2的脱气装置之间的基本差异在于在腔室18、20、22以及24中所采用的混合器。图2的脱气装置10包括旋转式混合器而不是图1的脱气装置中所采用的喷射器50。旋转式混合器的功能是相同的，也就是说，旋转式混合器将汽提气体诱导到液体中并且使汽提气体与液体混合，从而导致包含在液体中的不期望的气体被逐出并且最终从容器12去除。

观察图2中示出的脱气装置10，看到的是，每个腔室都提供有整体上由附图标记70指示的旋转式混合器。本文没有涉及旋转式混合器的细节，因为本领域的技术人员了解并理解此类装置，并且此类装置不是本发明的本质内容。然而，对旋转式混合器70的基本结构及其操作方式进行简要讨论是合适的。就此而言，旋转式混合器70包括整体上由附图标记72指示的转子，转子浸没在一个腔室的液体中并且包括一系列叶片。转子72由整体上由附图标记74指示的马达和驱动组件驱动。如在图2中看到的，马达和驱动组件74的一部分安装在容器12的顶部上。驱动组件的一些部分向下延伸穿过相应腔室并且操作性地连接到转子72。

与图1的实施例一样，这里提供有用于将汽提气体或者气体混合物从相应蒸气空间40引导到包含在腔室18、20、22以及24中的每个中的液体中的管道系统。该管道系统包括气体进口76。导管78从每个气体进口76延伸，导管78操作成将汽提气体从气体进口76输送到转子72。更加具体地，如在图2中看到的，导管78从气体进口76延伸穿过分隔物26中的开口。导管78还水平地延伸穿过蒸气空间40并且然后转向且向下延伸到转子72。导管78的下端被提供有气体出口78a。

转子72的动作在气体出口78a周围生成低压区域，并且该低压存在于穿过导管78到气体进口76。因此，在转子72被旋转地驱动时，该低压将来自相应蒸气空间的汽提气体诱导到导管78中。移动穿过导管78的诱导气体在转子72附近被排离或者被散布到出口78a外。转子72及其叶片的动作对于使具有旋转式混合器72的腔室中的液体与汽提气体混合而言是无效的。如上文所讨论的，这引起在通过旋转式混合器70的动作而液体中的不期望的气体被汽提气体逐出时液体被脱气。

在图2的实施例中，液体的一般流动和汽提气体的一般流动本质上与上文关于图1所讨论的相同。也就是说，汽提气体大体上相对于穿过容器的液体的流动沿逆流方向移动。本质上，将汽提气体从一个蒸气空间40诱导到上游的腔室中的液体中，汽提气体在该上游的腔室中与液体混合。这进而产生更多经逐出的气体和剩余汽提气体，经逐出的气体和剩余汽提气体上升穿过液体进入到上蒸气空间中，其后，将剩余汽提气体和经逐出的气体诱导到下一上游的腔室中的液体中。如上文所描述的，这一直继续直到经逐出的气体和任何剩余汽提气体到达容器的进口端，其在该进口端处从气体出口36排放。

在任一实施例中，脱气装置10可以被提供有可选的撇沫（skim）盒或者浮动撇沫器80，在图2的实施例中，该可选的撇沫盒或者浮动撇沫器80被示出为在相应分隔物26的上游。在混合器将气体诱导到液体中时，气体-液体混合效应的一个结果是，在容器12中的液体和蒸气边界处，会积聚有油和轻质固体。由于该积聚效应以及穿过液体的气体的起泡，所以会在液体表面上形成泡沫或者浮沫（froth）层，并且这可能通过形成边界层来阻止液体的气体汽提，该边界层会防止将气体从液体释放到上蒸气空间中。为了缓解该情况，提供了撇沫盒80，并且撇沫盒80包括溢流堰（overflowweir），或者可以利用浮动撇沫器来从液体去除泡沫或者浮沫层，这通过使一部分液体溢流到撇沫盒或者浮动撇沫器中来实现。然后可以由泵或者由重力流动来从撇沫盒或者浮动撇沫器80去除该泡沫和液体，以使得其不干扰气体汽提过程。撇沫盒或者浮动撇沫器80用于附加目的。对于油质处理水域，有可能的是在一个单元操作内同时使水脱气和脱油。由于通常积聚泡沫层，所以通过将气体诱导到液体中使油和轻质固体浮动。通过去除该泡沫，由于从液体汽提出了气体（脱气），所以这改进了流出物的总体质量。

脱气装置10可以被采用在范围广泛的系统和过程中以用于处理水流。例如，脱气装置10可以与撇沫箱、诱导气体浮选单元、果壳过滤器（nutshellfilter）、游离水分离单元（freewaterknockoutunit）、接触浮选单元以及其它废水处理系统一起使用以去除二氧化碳、硫化氢、氧气、苯以及其它不期望的气体。脱气装置10的使用的一个示例涉及预处理废水流以去除碱性。这里，将酸与废水流混合，这将碱性转化为二氧化碳，并且其后，可以采用脱气装置10来去除二氧化碳。

脱气装置10在处理从油气回收过程所产生的采出水上是特别有用的。图3是包括脱气装置10的采出水处理过程的示意图。从含油层回收得到油-水混合物。在常规过程中，从油-水混合物分离出油以形成采出水。将采出水引导到撇沫箱100，在撇沫箱100处从采出水的表面撇除油。将采出水从撇沫箱100引导到诱导气体浮选（igf）单元102。在诱导气体浮选单元102中，去除悬浮固体和游离油。其后，将采出水引导到果壳过滤器104并且穿过果壳过滤器104以用于去除另外的油。一些采出水流包括相对高浓度的硬性物，该硬性物倾向于擦刮和淤塞下游设备（尤其是用于去除溶解的固体的薄膜）。将采出水从果壳过滤器104引导到软化单元以用于去除硬性物（诸如碳酸钙）。将采出水从软化单元106引导到上文所描述的且在图1和图2中示出的脱气装置10。在许多情况下，采出水将包括显著高的浓度的二氧化碳，并且脱气装置10有效地从采出水去除二氧化碳并且在一些情况下去除其它气体。将来自脱气装置10的流出物引导到热石灰（warmlime）软化单元108。在典型的过程中，凝结剂和凝聚剂连同石灰和腐蚀剂与采出水混合。这将使得能够从采出水沉淀另外的硬性物。而且，许多采出水流包括硅石，硅石具有擦刮下游设备（尤其是薄膜）的可能。为了使硅石沉淀，可以添加氧化镁并且使其与热石灰软化单元108中的采出水混合。在热石灰软化单元108下游，可以采用各种过滤器来去除另外的悬浮固体。在图3的实施例的情况下，示出了后过滤器单元110。在后过滤器单元110中过滤采出水之后，将采出水引导到阳离子交换器112。例如，当阳离子交换器在钠模式中操作时，有效地去除剩余硬性物。在阳离子交换器112中经受处理之后，采出水被引导到反渗透单元114，反渗透单元114去除范围广泛的溶解固体，包括硅石和有机物以及众多其它溶解固体。在图3中示出的示例中，将来自反渗透单元114的流出物引导到螯合树脂单元116中以用于进一步处理。

应指出的是，图3中图示的过程是包括上文所描述的脱气装置10的用于处理采出水的示例性过程。采出水处理过程的细节可以大幅地变化，并且因此图3中示出的过程是示例性的。为了更加完整且统一地理解采出水过程，请参照美国专利7,815,804中的公开内容，其公开内容明确地以引用的方式并入本文。

如上文所讨论的，液体和汽提气体沿逆流方向流动穿过容器12。用以从液体汽提溶解气体的该方法存在益处。例如，在第一腔室18中，由于在容器12中发生的压降，所以相对大量的气体被从液体去除。因此，在第一腔室18中需要相对少的汽提气体，并且这也是为什么第一腔室18中存在的汽提气体即使在其纯度已经减小的情况下仍是有效的。随着液体从第一腔室18流动到其它下游的腔室时，需要更多汽提气体来将溶解气体驱使出向下游流动的液体。一旦液体到达排出腔室32，在高纯度汽提气体存在的情况下进行最终精制（polishing）。该方法确保有效地使用汽提气体并且还导致离开容器12的液体流出物中的溶解气体大幅减少。

当然，在不偏离本发明的本质特征的情况下，本发明也可按照除了本文具体地陈述的那些方式之外的其它方式来实施。本实施例应在所有方面上都被视为是说明性的且不是限制性，并且落在所附权利要求的意义和等效范围内的所有改变均意图被涵盖在其内。