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    • 专利摘要:
    一種螺旋捲繞模組適於與亦為鹼性極強或具有高pH值之高溫水(例如，SAGD所生產之水)一起使用。該模組使用具有聚碸或聚醚碸背板材料之以聚醯胺為基礎之膜。對於其他組件，該模組主要使用如下各者中之一或多者：EPDM；聚醯胺；聚苯醚；聚苯硫醚；聚碸；聚醚碸；聚磺醯胺；聚偏二氟乙烯；聚酯膜(mylar)；玻璃纖維；及環氧樹脂。不使用聚酯。聚丙烯不用於饋給隔片。舉例而言，模組可使用PVDF饋給隔片、耐綸滲透物隔片及聚碸中心管。該中心管可具備4列0.063”直徑之孔，且在高張力下捲起。
    公开号:TW201302467A
    申请号:TW101108191
    申请日:2012-03-09
    公开日:2013-01-16
    发明作者:Phillip Goebel；David Olson；David M Polizzotti；Abdul Rafi Khwaja
    申请人:Gen Electric；
    IPC主号:B01D63-00
    专利说明:
    螺旋捲繞之膜元件及蒸汽輔助重力排放所生產之水或其他高溫鹼性流體之處理
    本說明書係關於螺旋捲繞之膜元件或模組、係關於用於處理高溫鹼性流體之方法及裝置，且係關於用於處理在蒸汽輔助重力排放(SAGD)程序中所生產之水以供在蒸汽鍋爐或產生器中再使用之方法及裝置。
    以下論述並不承認下文所論述者可作為先前技術或共同常識而引用。
    在各種形式之油及氣體生產中，產生必須經處理以供處置或再使用之生產出的或其他的水流。舉例而言，在被稱為蒸汽輔助重力排放(SAGD)之瀝青開採程序中，在鍋爐或產生器中產生蒸汽，且將蒸汽注入至瀝青承載土中。蒸汽減小瀝青之黏度，從而允許水與瀝青之混合物流至生產井。在萃取此混合物之後，在初始主要油水分離步驟中移除大多數油。
    剩餘水(被稱為所生產之水)為熱的且鹼性的，其具有高pH值。經由各種單元操作來處理所生產之水，以使其適於在產生蒸汽時再使用。舉例而言，所生產之水含有殘餘油、懸浮及溶解固體(有機的及無機的)，及矽石。溶解固體之濃度可高達約6,000 mg/L總溶解固體(TDS)，且矽石可能處於或接近溶解度之極限。可藉由第二油水分離步驟(諸如，氣體浮選法或陶瓷或胡桃殼過濾器)而自所生產之水移除油。熱或溫石灰軟化可用以移除矽石及硬度。粒子過濾(例如，經由無煙煤床)可用以減少總懸浮固體。強或弱酸陽離子交換軟化器可用以進一步減小硬度。
    在處理之後，可再使用所生產之水以產生蒸汽。用於SAGD操作中之蒸汽產生器通常包括產生約80%蒸汽(水蒸氣)及約20%液體小滴之貫流式蒸汽產生器(Once Through Steam Generator)。在排污流中之蒸汽注入至瀝青沈積物中之前自該蒸汽移除液體餾分。舉例而言，在尾水池中或藉由深井注入而進一步處理或(在准許時)處置OTSG排污水。一個處理選項為(例如)在鹽水濃縮機繼之以結晶器中使來自排污之大體純水蒸發或汽化，以產生乾燥固體供處置。
    以下序言意欲向讀者介紹以下詳細描述，且不限制或界定任何所主張之本發明。
    上文所描述之生產水處理步驟之主要目的為將合適品質之水提供至蒸汽產生器。特定言之，原始所生產之水中之矽石及硬度將使蒸汽產生器快速地結垢。然而，甚至在石灰軟化繼之以陽離子交換軟化之二階段程序之後，在現有SAGD操作中到達OTSG之水仍可具有接近1 mg/L之硬度。當現有SAGD操作中之經處理之所生產之水到達OTSG時，其亦可含有100 mg/L至2,000 mg/L溶解有機物。
    由於再使用之所生產水中之剩餘污染物，污垢層仍積累於OTSG壁上。該污垢層減小自OTSG之火側至OTSG之水側之熱傳遞效率，從而阻礙蒸汽產生。為了維持蒸汽產生速率，需要更多能量來克服污垢層之絕緣效應以產生恆定蒸汽量。必須週期性地清潔OTSG以移除該積累。若未足夠經常地清潔OTSG，則OTSG可變得過熱且出故障。熱交換器類似地經受結垢，且必須週期性地予以清潔。另外，有機及其他污染物濃縮於排污水中，在一些狀況下此可阻礙使用結晶器處理排污。
    藉由代替陽離子交換軟化器或結合陽離子交換軟化器而在OTSG上游使用螺旋捲繞之膜元件或模組，可減小在OTSG上游所生產之水之矽石濃度、硬度及TDS。螺旋捲繞之膜元件可具有在超過濾(UF)、奈過濾(NF)或逆滲透(RO)範圍內之膜，且具有在此等範圍中之兩者或兩者以上之膜之元件可串聯地置放。為了移除硬度，一或多個螺旋捲繞之膜元件之集合較佳以具有NF或RO膜之元件結束。污染物在NF或RO滲透物方面之極低濃度(特別硬度)將減少OTSG結垢。特別使用RO膜亦將允許使用具有較低排污比率之習知高壓蒸汽鍋爐來代替OTSG。螺旋捲繞膜模組亦可用以濃縮蒸汽排污水，以減小待處置之水之體積、替換鹽水濃縮機，或以其他方式預先調節排污水以供在結晶器中處理。
    然而，所生產之水具有極高溫度，且如上文所提及，具有顯著矽石濃度。因為所生產之水意欲再使用以產生蒸汽，所以在所生產之水未冷卻以促進任何處理程序時，程序為更有能量效率的。因此，所生產之水可貫穿所有程序步驟在攝氏90度或大於攝氏90度之溫度下移動。除了高溫以外，該等膜亦需要在高pH值(例如，9.5或大於9.5、10.5或大於10.5，或11.5或大於11.5)下穩定。需要在高pH值下之穩定性以促進清潔(例如，使用苛性鹼)，其較佳地在攝氏90度或大於攝氏90度之操作溫度下進行。亦需要在高pH值下之穩定性以減輕矽石結垢，從而以類似於如藉由GE水及處理技術(GE Water & Process Technologies)所實踐以供在高矽石水中操作之HEROTM程序之方式增加膜饋給水之pH值。
    已將螺旋捲繞膜技術開發至接近環境溫度而操作之大範圍應用，諸如，海水淡化。服務限制可考慮溫度與pH值之組合，且可為時間受限制的。舉例而言，為了允許清潔，針對至熱(例如，處於約攝氏50度之清潔溶液)之短暫曝露或至苛性鹼清潔溶液(例如，處於為約12之pH值)之短暫曝露來評定膜元件。本發明之發明人並不知曉經評定以供在處理SAGD所生產之水將所需的如下條件之組合下使用之任何商用螺旋捲繞膜：攝氏90度(華氏190度)或大於攝氏90度之溫度，及9.5或大於9.5、10.5或大於10.5或11.5或大於11.5之pH值。
    本文中描述一種螺旋捲繞模組，該螺旋捲繞模組適於與亦為鹼性極強的或具有高pH值達長時間段之高溫水一起使用。該模組意欲(例如)用於處理SAGD所生產之水。該模組針對其經調適以在此等條件下操作之各種組件使用材料之組合。除了溫度及pH值要求以外，對於對SAGD所生產之水之使用，該模組亦必須能夠耐受至所生產之水中之污染物之曝露，該等污染物可包括傾向於使各種聚合物劣化之一些溶解有機物。該模組亦經調適以用熱苛性鹼溶液清潔。
    模組可使用以聚醯胺為基礎之膜，例如，選自由GE Osmonics公司製造之Desal-3、Desal-5或Desal-11膜家族之膜。對於其他主要內部組件，模組主要使用以下材料或以下材料之摻合物中之一或多者：聚醯胺(PA、耐綸)；聚苯醚(PPO、NORYLTM)；聚苯硫醚(PPS)；聚碸(PSO)；聚醚碸(PES)；及聚偏二氟乙烯(PVDF)。外部覆蓋物(亦被稱為外部包覆物)可由於環氧樹脂中之玻璃纖維製成。相比於聚胺基甲酸酯亦偏好環氧樹脂作為模組內部之黏接劑。各種較小內部組件可由上文所列出之塑膠、耐久橡膠(諸如，乙烯丙烯二烯單體(M類)橡膠(EPDM))或其他耐久材料(諸如，聚酯膜)中之一或多者製成。
    根本不使用其他材料，或至少在某些組件中不使用其他材料。舉例而言，不使用聚酯(特別針對滲透物隔片不使用聚酯)。聚丙烯(PP)可用於一些次要組件(諸如，膠帶)中，但不用於饋給隔片。亦可避免有時用於製造螺旋捲繞模組之一些其他材料，諸如，氯化聚氯乙烯(CPVC)、聚氯乙烯(PVC)及丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)。視情況，亦可能避免聚苯醚，此係因為其稍有脆性且可能在存在有機污染物時易於降解，因此將其自上文最初所提供之潛在組份之清單移除。
    一個模組使用一PVDF饋給隔片。此模組亦使用耐綸6-6及環氧樹脂滲透物隔片及聚碸中心管。該中心管具備4列0.063"直徑之孔。孔之增加之數目及減小之直徑減小對該等孔附近之組件之損壞。使該模組在高張力下捲起以進一步增加其機械強度。當模組組件在處於攝氏90度或大於攝氏90度及9.5或大於9.5、10.5或大於10.5或11.5或大於11.5之pH值之流體饋給流中經受操作負載時，模組組件保留全部或大多數其所需物理屬性。元件提供雜質與饋給流之實質分離，該等雜質包括懸浮固體、矽石及硬度中之一或多者。特定言之，元件經調適以處理蒸汽鍋爐或產生器上游或蒸汽排污流中之SAGD所生產之水。
    圖1展示螺旋捲繞膜模組10。一個主要組件為形成為扁平薄片之分離膜12。其他主要內部組件為饋給通道隔片14、滲透物隔片(或滲透物收集材料)16、滲透物收集管或中心管18，及在模組10之每一末端處之末端表面固持器或防伸縮器件20。膜12經配置以在滲透物隔片16周圍形成包層。密封該包層之邊緣，惟滲透物隔片16之內部邊緣處對中心管18之穿孔22為打開的除外。將饋給通道隔片14置放於該包層上。將包層及饋給通道隔片14捲繞於中心管18周圍。饋給水可藉由流至饋給通道隔片14之邊緣中且橫越饋給通道隔片14而進入膜12之表面。滲透物傳遞通過膜12，接著流動通過滲透物隔片16及中心管18而離開模組10。濃縮物自饋給通道隔片14之下游邊緣流動而離開該模組。將防伸縮器件20膠黏或用膠帶黏貼至中心管18，且亦藉由外部包覆物24而將其固持於適當位置。防伸縮器件20防止包層沿著中心管18之長度由饋給水推動。外部包覆物24環繞包層以保持其免於在使用時展開。
    各種其他組件中之一或多者亦可存在於模組10中。舉例而言，膜12通常包含膜支撐件或背板層。可用黏接劑密封包層。在多級模組中，兩個或兩個以上中心管18可藉由元件互連器而串聯連接。該模組通常具有O形環、鹽水密封件或其他末端密封墊及其他密封件。包層中之摺疊可用膠帶或薄膜來加強。薄膜或膠帶亦可用以提供內部包覆物。膠帶亦可用以幫助將防伸縮器件20固持於適當位置。
    雖然模組10之一些組件相比於其他組件更關鍵且更被高度加壓，但一般而言對於待用於特定應用之模組10，每一組件必須能夠耐受操作達至少一合理最小服務壽命(例如，6個月、9個月或一年)。儘管膜可能為最關鍵組件，但其他組件中任一者之故障可造成模組出故障。以下之論述首先考慮膜，且接著描述其他模組組件。
    膜12可為具有(例如)聚碸或聚醚碸之背板材料之以聚醯胺為基礎的膜。舉例而言，在由GE Osmonics公司製造之Desal-3、Desal-5或Desal-11膜家族內之一或多個膜可適於經受在預期條件下之測試。此等膜為商用RO或NF膜，且包括(例如)通常用於(例如)微咸水淡化之SG、DK、DL、AD、AG及AK膜。如在下文之實例部分中進一步描述，至少AG膜能夠經受在攝氏90度下及為9.5或10.5之pH值下至水之長時曝露。在美國專利第7,658,872號中進一步更詳細描述Desal膜，該專利以引用的方式併入本文中。
    藉由在多孔支撐背板材料上塗佈單體聚胺之水溶液來製造Desal-3、Desal-5及Desal-11膜。此後，經塗佈之支撐材料之表面視情況無過剩胺溶液，且與聚醯基鹵化物之有機溶劑溶液接觸以提供初始或起始逆滲透或奈過濾膜。可另外由於乾燥劑而使此起始膜乾燥，且接著處理此起始膜以改良其滲透性。
    多孔支撐背板材料通常包含含孔大小之聚合材料，孔大小為足夠大小以准許滲透物傳遞通過其中，但不足夠大而致干擾所得超薄逆滲透或奈過濾膜之橋接。可用以製備本發明之所要膜組合物之多孔支撐背板材料之實例包括諸如聚碸及聚醚碸之聚合物。
    在其他組件中，膜模組10利用以下材料或以下材料之摻合物中之一或多者：聚醯胺(PA、耐綸)；聚苯醚(PPO、NORYLTM)；聚苯硫醚(PPS)；聚碸(PSO)；聚醚碸(PES)；聚磺醯胺；及聚偏二氟乙烯(PVDF)；EPDM、玻璃纖維、環氧樹脂及聚酯膜。聚丙烯可用於諸如膠帶之背板之次要組件中。
    避免一些其他常用材料。舉例而言，儘管聚酯可為用於滲透物隔片之最常用材料，但吾人不預期其耐受高pH環境(特別關於高溫)。ABS及CPVC已用於意欲用於高pH環境中之RO模組中之一些組件，但其可能不能夠耐受至在攝氏90度下之饋給水之長時曝露(特別關於複合溶解有機物)。CPVC特別不可能耐受至高溫之長時曝露。聚苯醚亦已用於意欲用於高pH環境中之RO模組中，且被評定耐受攝氏140度之溫度。此等品質使PPO基本上適於用於高溫度及高pH環境中，但其可為脆性的且在存在有機污染物時易於降解。將需要確認其耐受至特定饋給流中之複合有機污染物之曝露之能力。
    聚丙烯通常用作螺旋捲繞模組中之饋給隔片。已公開之資料提示，PP應能夠耐受大於攝氏90度之溫度及大於11.5之pH值。然而，在實驗測試中，當具有聚丙烯饋給隔片之螺旋捲繞膜在攝氏70度下操作5個小時之後會出故障。該模組出故障主要係因為饋給隔片軟化且元件變形。
    在意欲供用於處理SAGD所生產之水之螺旋捲繞模組10之實例中，膜12為由GE Osmonics公司製造之SG或AG膜。饋給通道隔片14係自PVDF壓出。滲透物隔片16係由耐綸6-6及環氧樹脂之編織紗製成。環氧樹脂係用於模組10之其他部件中之黏接劑。中心管18係自聚碸壓出。元件互連器亦係自聚碸壓出。防伸縮器件20係自聚碸而射出成形。外部包覆物24係由纖維加強型塑膠(特別是嵌入於環氧樹脂中之玻璃纖維)製成。內部包覆物係由聚丙烯背襯之壓敏性黏接劑(PSA)膠帶製成。相同膠帶用於需要膠帶之模組10之其他部件上。褶形聚酯膜用於摺疊加強。濃縮物密封件及O形環係由模製EPDM橡膠製成。
    亦對模組10之典型機械組態作出一些修改。中心管可具備3列或3列以上的具有0.1"或小於0.1"之直徑之孔，或具有相等面積之其他形狀之穿孔(例如，4列0.063"直徑之孔)。相比於使用兩列0.125"直徑之孔之更典型設計，通過每一孔之流動速率得以減小，且橫跨每一孔之饋給通道及膜材料之長度得以減小。此情形減小損壞隔片及膜之內部層之機會，此係重要的，此係因為大多數材料在高溫下在某種程度上軟化。模組亦可在高於平常張力20 psig或大於20 psig或在約25 psig之張力下捲起。中心管18安裝於首先用以捲起模組之所有葉片或元件之從動夾盤總成中。接著圍繞該元件包覆內部包覆膠帶。膠帶內部包覆物之張力係藉由該膠帶被允許自滾筒(該膠帶安裝於該滾筒上)展開之張力而控制。該張力輔助加熱材料抵抗機械應力。
    在使用該模組以處理SAGD所生產之水時，可能需要減小在RO模組上游在SAGD所生產之水中之有機污染物之濃度。2010年12月17日申請之美國專利申請案第12/971,556號描述處理單元使用化學氧化(CO)或電磁處理(ET)以使有機污染物降解或破壞有機污染物，從而使得所生產之水較不可能使膜表面結垢之程序。美國專利申請案第12/971,556號之全文併入本文中。
    雖然如上文所描述之模組適於在使用中與具有高溫及高pH值之水一起使用，但其亦可與在其他條件下之水一起使用。當清潔模組時，亦可使用模組之耐受極端條件之能力。特定言之，可用熱苛性鹼溶液(例如，高度濃縮且加熱之NaOH溶液)來清潔模組。可(例如)根據已知清潔適當程序而使用溶液。然而，歸因於相對於典型清潔溶液之增加之反應速率，清潔所需之時間、能量、水或其他消耗品中之一或多者可得以減小。 實例-關於膜試片之高溫穩定性測試
    對兩種市售膜材料之試片進行高溫膜穩定性測試，以判定其是否可耐受高溫(90℃)及高pH值條件達長時間段。
    該兩個市售膜在以下論述中被稱作膜A及膜B。膜A為由GE Osmonics製造之Desal 11膜家族之部分的AG微咸水膜。AG膜基本上係由以聚碸為基礎之支撐層上之以聚醯胺為基礎之分離層組成。膜B為由GE Osmonics製造之Duracid KH膜。
    設計研究以模擬可在如自蒸汽輔助重力排放(SAGD)油生產處所生產之水之處理之應用中存在的高溫條件。將膜A及膜B中每一者之若干膜試片浸泡於在攝氏90度下維持達若干週的在六個燒杯中之具有三個pH值條件(pH值為7、9.5及10.5)之溶液中。有時將來自此等燒杯之試片拉出且測試鹽透過率。將藉由追蹤隨著時間推移之鹽透過率，且識別何時觀測到鹽透過率之顯著增加來判定膜之故障。鹽透過率之增加指示膜材料已產生孔，或已以某種其他方式出故障且不能按照其原始設計來排斥鹽。
    在以下條件下在交叉流動膜單元(SEPA單元)上測試自每一燒杯拉出之膜試片：壓力(TMP)：225 psig溫度：25℃±2℃饋給：2000 ppm NaCl饋給pH值：7.0±0.5濃縮物流動速率：1 GPM
    每一次測試持續22小時至24小時。針對在該次測試內之各種間隔計算傳遞通過膜的饋給鹽之百分比，且接著將其用以計算針對測試達測試週期之相關週的膜之平均鹽透過率。
    圖2展示膜A試片之百分比鹽透過率資料。如圖2中所指示，膜A在為9.5之pH值下穩定達至少65週，且在為10.5之pH值下穩定達41週與64週之間的某時間。圖3展示膜B試片之百分比鹽透過率資料。如圖3中所展示，膜B在為9.5或10.5之pH值下穩定不超過5週。
    10‧‧‧螺旋捲繞膜模組
    12‧‧‧分離膜
    14‧‧‧饋給通道隔片
    16‧‧‧滲透物隔片
    18‧‧‧滲透物收集管或中心管
    20‧‧‧末端表面固持器或防伸縮器件
    24‧‧‧外部包覆物
    圖1展示螺旋捲繞模組之部分剖視等角視圖。
    圖2展示針對一個膜類型之隨著時間推移之百分比鹽透過率資料。
    圖3展示針對另一膜類型之隨著時間推移之百分比鹽透過率資料。
    10‧‧‧螺旋捲繞膜模組
    12‧‧‧分離膜
    14‧‧‧饋給通道隔片
    16‧‧‧滲透物隔片
    18‧‧‧滲透物收集管或中心管
    20‧‧‧末端表面固持器或防伸縮器件
    24‧‧‧外部包覆物
    权利要求:
    Claims (23)
    [1] 一種螺旋捲繞膜模組，其包含，膜包層，其包含膜材料及滲透物隔片；饋給隔片，其鄰近於該膜包層；中心管，其中該膜包層及該饋給隔片包覆於該中心管周圍；及防伸縮器件，除了該膜包層及該饋給隔片之外，其亦附接至該中心管，其中該饋給隔片、該滲透物隔片、該中心管及該防伸縮器件各自主要係由選自如下集合之材料或材料之摻合物製成：聚苯醚；聚醯胺；聚苯硫醚；聚碸；聚醚碸；聚磺醯胺；及聚偏二氟乙烯。
    [2] 如請求項1之螺旋捲繞膜模組，其中該饋給隔片、該滲透物隔片、該中心管及該防伸縮器件各自主要係由選自如下集合之材料或材料之摻合物製成：聚醯胺；聚碸；及PVDF。
    [3] 如請求項1之螺旋捲繞膜模組，其中該饋給隔片主要係由PVDF製成。
    [4] 如請求項1之螺旋捲繞膜模組，其中該滲透物隔片主要係由耐綸6-6製成，且該中心管主要係由聚碸製成。
    [5] 如請求項4之螺旋捲繞膜模組，其中該防伸縮器件主要係由聚碸製成。
    [6] 如請求項1之螺旋捲繞膜模組，其中該膜材料基本上係由以聚醯胺為基礎之分離層及以聚碸為基礎之支撐層組成。
    [7] 如請求項1之螺旋捲繞膜模組，其中該滲透物隔片基本上在無聚酯的情況下製成。
    [8] 如請求項7之螺旋捲繞膜模組，其基本上係在無聚酯的情況下製成。
    [9] 如請求項1之螺旋捲繞膜模組，其中該饋給隔片基本上係在無聚丙烯的情況下製成。
    [10] 如請求項1之螺旋捲繞膜模組，其進一步包含經建構具有嵌入於環氧樹脂中之玻璃纖維之外部覆蓋物。
    [11] 如請求項1之螺旋捲繞膜模組，其中該中心管藉由環氧樹脂黏接劑而接合至該防伸縮器件。
    [12] 如請求項1之螺旋捲繞膜模組，其中所包住之該膜係由膜材料之摺疊薄片製成，其進一步包含在該膜材料中之該折層上之聚酯膜之摺形薄片。
    [13] 如請求項1之螺旋捲繞膜模組，其基本上係在無氯化聚氯乙烯(CPVC)的情況下製成。
    [14] 如請求項1之螺旋捲繞膜模組，其基本上係在無聚苯醚的情況下製成。
    [15] 如請求項1之螺旋捲繞膜模組，其基本上係在無ABS的情況下製成。
    [16] 如請求項1之螺旋捲繞膜模組，其中該中心管經穿孔而具有具0.1"或小於0.1"之直徑之孔或相等面積之其他穿孔。
    [17] 如請求項16之螺旋捲繞膜模組，其具有3列或3列以上之該等孔。
    [18] 一種方法，其包含使自蒸汽輔助重力排放操作所生產之水流動通過如請求項1之螺旋捲繞膜模組。
    [19] 如請求項18之方法，其中使該所生產之水維持處於攝氏90度或大於攝氏90度之溫度，且該方法進一步包含在使該所生產之水流動通過該螺旋捲繞膜水之前使該所生產之水之pH值增加至9.5或大於9.5之步驟。
    [20] 如請求項18之方法，其進一步包含用具有為9.5或大於9.5之pH值及為攝氏90度或大於攝氏90度之溫度之清潔溶液清潔該螺旋捲繞膜模組之步驟。
    [21] 如請求項18之方法，其進一步包含在使該所生產之水流動通過該螺旋捲繞膜水之前使用化學氧化或電磁處理以使該所生產之水中之有機污染物降解或破壞該等有機污染物之步驟。
    [22] 如請求項19之方法，其中該所生產之水為蒸汽產生排污流。
    [23] 如請求項18之方法，其進一步包含使滲透物自該膜模組流至蒸汽鍋爐或產生器。
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    法律状态:
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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