多效濃度交換除垢系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明提供了一種提高多效蒸發或閃蒸脫鹽過程的可靠性的方法。更具體地，該方法定期交換以每種效果處理的鹽水的濃度以使得在運行期間實現除垢。
【背景技術】
[0002]處理廢鹽水以減小體積變得日益重要，尤其對于采礦、油氣和內陸脫鹽系統而言。礦山會產生通常被筑塘的尾礦水。油氣開采操作會在油氣儲層內或在處理期間產生鹽水。脫鹽越來越多地用于兩種行業中，因為規章要求處理受損的水。脫鹽還在沿海地區用來由海水產生淡水，其中更多的廢鹽水返回海洋。內陸淡鹽水可被脫鹽；然而，常常沒有方便的處理廢鹽水的方式。
[0003]常見的廢鹽水管理選擇包括向下水道或環境排出、筑塘、深井注入或在濃縮器和結晶器中處理以產生固體鹽。前面兩種方法的使用由于越來越嚴格的環境管制和相關的成本而變得更加具有挑戰性。這使得將重心轉移到所謂的零液體排出(ZLD)工藝。在這樣的工藝中，濃縮器和結晶器被用來蒸餾提取水和產生固體，該固體然后可被填埋或投入二次使用。由于對在超過反滲透系統的滲透壓力極限的高濃度下操作的需求，這樣的ZLD工藝包含蒸發-冷凝循環。在這樣的蒸發-冷凝循環中，含鹽的廢鹽水中的水被蒸發至接近純蒸氣并冷凝以回收接近純的液態水。盡管它們被普及，但ZLD工藝是昂貴的，成本為采用傳統深井的約5倍之多。ZLD工藝還由于固有的飽和點操作而經歷相當大的可靠性挑戰。
[0004]ZLD工藝的投資成本高，因為大量使用了在操作溫度和壓力下所需的合金鋼和鈦。能源成本高，因為使用了大型壓縮機，其每處理一立方米平均消耗20至60kWh的電-機械功率。
[0005]相當大一部分精力已集中在多效熱脫鹽過程上。這些過程包括蒸發-冷凝過程的串級(cascade)，該串級中的每個后續過程在比該串級的前一過程低的溫度下操作。該串級中的特定蒸發-冷凝過程從前一個較高溫度的蒸發-冷凝過程引起的冷凝熱獲得其所需的蒸發潛熱。
[0006]加濕除濕(HDH)是加拿大專利申請2，816，746中描述的多效熱脫鹽的一種形式，該申請的全部內容在此通過引用并入本文中。簡言之，通過溫鹽水對空氣流加濕，所述溫鹽水滴落通過加濕區域以促進從溫鹽水到空氣流的傳熱和傳質，其中所述空氣流具有比溫鹽水的溫度低的濕球溫度。然后通過比加濕空氣的濕球溫度冷的散熱器表面來冷卻加濕空氣流。隨著空氣冷卻，空氣保持蒸氣的能力下降且水分在冷卻器管上冷凝，同時將其冷凝熱傳遞到散熱器管內部的較冷鹽水，所述鹽水然后被引導到后述較低溫度效果的加濕器。
[0007]加拿大專利申請2，816，746中所述的系統的操作可處于或高于飽和點。然而，飽和操作增加了固體和垢體積累在內表面上的傾向，從而降低了傳熱效力并且堵塞流動路徑而導致性能下降和可靠性挑戰。事實上，任何加濕驅動的鹽水濃縮系統中所需的最常見的重復發生的維護是對系統構件的除垢。因此，還需要設計一種在多效脫鹽過程中高效并定期除垢的系統。
[0008]加拿大專利申請2，821，453——其全部內容在此通用引用并入本文中——描述了一種這樣的方法:基于預定操作標準通過一系列淡水或化學增強的洗滌循環定期清潔內表面。用于除垢脫鹽系統的另外的方法、系統和技術持續被研發。
【發明內容】
[0009]根據第一方面，提供了一種多級脫鹽系統。該系統包括:較高級脫鹽子系統，其包括用于使第一鹽水在第一溫度下蒸發的第一蒸發級和用于使來自在第一蒸發級中從鹽水蒸發的蒸氣的產物水冷凝的、與第一蒸發級流體聯接的第一冷凝級；較低級脫鹽子系統，其包括用于使第二鹽水在第二溫度下蒸發的第二蒸發級和用于使來自在第二蒸發級中從鹽水蒸發的蒸氣的產物水冷凝的、與第二蒸發級流體聯接的第二冷凝級，其中第二溫度比第一溫度低；第一栗和第二栗，其分別與較高級脫鹽子系統和較低級脫鹽子系統流體聯接，用于栗送鹽水通過所述脫鹽子系統；至少一個傳送管道，其將較高級脫鹽系統和較低級脫鹽系統流體聯接；和閥，其至少與至少一個傳送管道流體聯接。該閥可配置成使多級脫鹽系統在通常模式與交換模式下操作，在所述通常模式下，第一和第二鹽水分別在較高級脫鹽子系統和較低級脫鹽子系統中蒸發和冷凝，在所述交換模式下，第一和第二鹽水被交換并隨后分別在較低級脫鹽子系統和較高級脫鹽子系統中蒸發和冷凝。
[0010]該系統還可包括熱交換器，該熱交換器將第一冷凝級與第二蒸發級熱聯接以從第一冷凝級向第二蒸發級傳熱。
[0011]較高級脫鹽系統和較低級脫鹽系統中的每一者都可包括多效蒸餾系統或多級閃蒸系統。
[0012]第一蒸發級可包括第一加濕器，第一冷凝級可包括第一除濕器，第二蒸發級可包括第二加濕器，且第二冷凝級可包括第二除濕器。用于輸送在第一加濕器中蒸發的蒸氣的第一載氣可流經包括第一加濕器和第一除濕器的第一閉環載氣回路，且用于輸送在第二加濕器中蒸發的蒸氣的第二載氣可流經包括第二加濕器和第二除濕器的第二閉環載氣回路。
[0013]所述至少一個傳送管道可包括容許流體從較高級脫鹽子系統傳送到較低級脫鹽子系統的向下傳送管道，并且在通常模式下的操作可包括將在第一蒸發級中未蒸發的、來自較高級脫鹽子系統的第一鹽水栗送到第二蒸發級以進一步蒸發。
[0014]所述至少一個傳送管道可包括容許流體從較低級脫鹽子系統傳送到較高級脫鹽子系統的向上傳送管道，并且從通常模式到交換模式的轉換可包括將第二鹽水經由向上傳送管道栗送到較高級脫鹽子系統以及將第一鹽水經由向下傳送管道栗送到較低級脫鹽子系統。
[0015]向下傳送管道可穿過第一除濕器并與第二加濕器流體聯接，并且產物水可冷凝在向下傳送管道的在第一除濕器內的部分上。
[0016]向上傳送管道可將第一加濕器流體聯接到向下傳送管道上的在第一除濕器與第二加濕器之間的位置。
[0017]當處于通常模式時，第一鹽水可流經包括第一加濕器的第一閉環鹽水回路，且第二鹽水可流經包括向下傳送管道和第二加濕器的、與第一閉環鹽水回路不重疊的第二閉環鹽水回路。
[0018]該系統還可包括:用于提取固態鹽或水溶液的鹽提取系統；鹽水傳送管道，其將鹽提取系統與第一和第二閉環鹽水回路流體聯接；和沿鹽水傳送管道定位的鹽水排出閥，其可操作成選擇性地將來自第一閉環鹽水回路的第一鹽水或來自第二閉環鹽水回路的第二鹽水送至鹽提取系統。
[0019]該系統還可包括:沿第一和第二閉環鹽水回路定位的鹽度傳感器；以及與鹽度傳感器和鹽水排出閥通信聯接的控制器。該控制器可配置成執行一方法，該方法包括:(i)利用鹽度傳感器確定第一和第二鹽水的鹽濃度；以及(ii)當第一或第二鹽水的鹽濃度等于或超過交換閾值時:(I)將第二鹽水傳送到鹽提取系統；(2)將鹽提取系統輸出的廢鹽水傳送到第二閉環鹽水回路；和(3)在再次將第二鹽水傳送到鹽提取系統并且將廢鹽水傳送到第二閉環鹽水回路之前等待至少一個交換時間段。
[0020]交換閾值可以是第一或第二鹽水在處于飽和時的鹽濃度。
[0021]該系統還可包括:沿第一和第二閉環鹽水回路定位的鹽度傳感器；以及與鹽度傳感器和閥通信聯接的控制器。該控制器可配置成執行一方法，該方法包括:利用第一和第二鹽度傳感器確定第一和第二鹽水的鹽濃度；當第一或第二鹽水的鹽濃度滿足或超過交換閾值時，在通常模式與交換模式之間轉換；以及在再次在通常模式與交換模式之間轉換之前等待至少一個交換時間段。
[0022]交換閾值可以是第一或第二鹽水在處于飽和時的鹽濃度。
[0023]第一加濕器可包括第一排泄盆部且第二加濕器可包括第二排泄盆部，并且該方法還可包括:在介于通常模式與交換模式之間轉換之前，通過使栗減速來將第一和第二鹽水中的至少一部分分別排泄到第一排泄盆部和第二排泄盆部中。
[0024]鹽水排出閥還可操作成使鹽提取系統輸出的廢鹽水返回到第一或第二閉環鹽水回路，并且該方法還可包括:在介于通常模式與交換模式之間轉換之后，將第一閉環鹽水回路中的鹽水傳送到鹽提取系統；以及將鹽提取系統輸出的廢鹽水傳送到第一閉環鹽水回路。
[0025]該系統還可包括:沿第一或第二閉環鹽水回路定位的壓力或流量傳感器；以及與壓力或流量傳感器和閥通信聯接的控制器。該控制器可配置成執行一方法，該方法包括:利用壓力或流量傳感器確定第一或第二閉環鹽水回路內的壓力或流量；當壓力或流量等于或超過交換閾值時，在通常模式與交換模式之間轉換；以及在再次在通常模式與交換模式之間轉換之前等待至少一個交換時間段。
[0026]控制器可與閥通信聯接并且配置成響應于經過的脫鹽時間而在通常模式與交換模式之間轉換。
[0027]控制器可等待不同的時間以從通常模式轉換到交換模式和從交換模式轉換到通常模式。
[0028]當處于通常模式時，第一鹽水可流經包括第一加濕器和第一鹽水儲器的第一閉環鹽水回路，且第二鹽水可流經包括第二加濕器和第二鹽水儲器的、與第一閉環鹽水回路不重疊的第二閉環鹽水回路，并且從通常模式到交換模式的交換可包括將閥配置成使得第一加濕器與第二鹽水儲器流體聯接并且使得第二加濕器與第一鹽水儲器流體聯接。
[0029]所述至少一個傳送管道可包括容許流體從較高級脫鹽子系統傳送到較低級脫鹽子系統的向下傳送管道，并且在通常模式下的操作可包括將在第一蒸發級中未蒸發的、來自較高級脫鹽子系統的第一鹽水栗送到第二蒸發級以進一步蒸發。
[0030]向下傳送管道可穿過第一除濕器并與第二加濕器流體聯接，并且產物水可冷凝在向下傳送管道的在第一除濕器內的部分上。
[0031]該系統還可包括用于提取固態鹽或水溶液的第一和第二鹽提取系統，并且第一和第二鹽提取系統可分別包括第一和第二鹽水儲器。
[0032]該系統還可包括:沿第一和第二閉環鹽水回路定位的鹽度傳感器；以及與鹽度傳感器和閥通信聯接的控制器。該控制器可配置成執行一方法，該方法包括:利用鹽度傳感器確定第一和第二鹽水的鹽濃度；當第一或第二鹽水的鹽濃度等于或超過交換閾值時，在通常模式與交換模式之間轉換；以及在再次在通常模式與交換模式之間轉換之前等待至少一個交換時間段。
[0033]交換閾值可以是第二鹽水在處于飽和時的鹽濃度。
[0034]該系統還可包括:沿第一或第二閉環鹽水回路定位的壓力或流量傳感器；以及與壓力或流量傳感器和閥通信聯接的控制器。該控制器可配置成執行一方法，該方法包括:利用壓力或流量傳感器確定第一或第二閉環鹽水回路內的壓力或流量；當壓力或流量等于或超過交換閾值時，在通常模式與交換模式之間轉換；以及在再次在通常模式與交換模式之間轉換之前等待至少一個交換時間段。
[0035]該系統還可包