油砂沥青提取方法研究-化学专业-学位论文.doc

黄山学院化学系优秀本科毕业论文油砂沥青提取方法研究摘要 采用水洗分离法对四川油砂进行分离，实验综合考察水洗剂质量分数、加热温度、加热时间、剂砂比、回收试剂重复使用效果对油砂处理的影响。实验结果表明，在适宜水洗分离剂质量分数（5%）、适宜的加热温度（95）、适当的加热时间（25min）和剂砂质量比（2：1）的条件下，四川油砂能够实现较好的分离，油砂出油率可达94%以上。该实验成果为进一步研究我国油砂开采、分离具有重要的指导意义。关键词 油砂，水洗，分离，出油率Extraction of oil sands bitumenAbstract Uses the laundering parting method to carry on the separation to Sichuan oil sands, the experiment comprehensive survey water lotion quality score, the heating temperature, the heating-up time, the medicinal preparation granulated substance compared to, the recycling reagent redundant use effect the influence which processes to the oil sand. The experimental result indicated that in suitable laundering separating agent quality score (5%), suitable heating temperature (95), suitable heating-up time (25min) composition sandy quantity compared to (2:1) the condition, four Sichuan oil sands can realize the good separation, the oil sand oil extraction rate may reach above 94%. This experiment achievement will certainly to further study our country oil sand mining, the separation to have the important guiding sense.Keywords oil sands，washed separation，separation，oil extraction rate1文献综述1.1 油砂的定义油砂亦称稠油砂,是一种含有天然沥青的砂岩或其它岩石,通常是由砂、沥青、矿物质粘土和水组成的混合物。不同地区油砂矿的组成不同,一般沥青含量为3 %20 % ,砂和粘土占80 %85 %,水占3 %6 %。每单位的沥青含量为10%12，沙和黏土等矿物占80%85，余下为3%5的水。其中沥青即为油砂内所含的原油，它比常规原油黏稠，属于超重油。油砂沥青具有高密度、高黏度、高碳氢比和高金属含量等特点，密度为0.971.015 g/cm3,室温下黏度一般为10104100104Pas；其平均组分中的碳含量为83.2，氢为10.4，氧为0.94，氮为0.36，硫为4.8，还存在有微量的重金属钒、镍、铁等。据统计，世界油砂资源折合成重油大约为30001086000108t，远远大于世界天然石油的探明储量1-2。1.2 世界油砂资源的分布目前世界探明的油砂资源量约为317万亿桶,主要分布在加拿大、委内瑞拉和美国。大部分油砂资源集中在加拿大阿尔伯塔省北部的Athabasca流域、和平湖和阿尔伯塔省与萨斯喀彻温省交界处的冷湖地区3。Athabasca流域的油砂是世界上最大的已知油砂资源,其储量达2130亿立方米,加上冷湖与和平湖等地区的油砂和重油资源,加拿大已探明的油砂和重油资源达4000亿立方米(合215万亿桶) ,相当于整个中东地区的石油蕴藏量。据委内瑞拉国家石油公司估计,委内瑞拉奥利诺科河的油砂储量高达112万亿桶。据美国能源部估计,目前美国油砂资源约有800亿桶。据加拿大阿尔伯塔省能源局统计,2001年加拿大油砂产量为6415万桶/日,2004年总生产规模达到83万桶/日,占加拿大石油产量的43%；其中世界最大的油砂合成原油公司产量达到20万桶/日,预计2010年油砂产量可以提高到170200万桶/日,到2015年将达到260万桶/日。目前,委内瑞拉的油砂产量为55万桶/日4。1.3 我国油砂资源的分布我国油砂资源丰富,分布非常广阔,在准葛尔、柴达木、鄂尔多斯、松辽、四川、二连、塔里木和吐哈等盆地都发现了油砂的分布。我国油砂点多面广,且含油率高,有的地区油砂含油率高达12%以上,根据国家新一轮油气资源评价对全国24个含油砂盆地106个矿带的评价结果,全国油砂油地质资源量为5.97Gt,可采资源量为2.258Gt ,位居世界第五位5。据“2005中国石油论坛”,我国油砂远景资源量为100108t ,预计到2050年,我国油砂矿将达到年产1800104t油的产能。据初步估算,我国油砂远景资源量为100108t。我国油砂发展规划分两个阶段实施:20202030年,以地表油砂开采为主；20302050年,地面油砂开采和地下开采并举。预计到2030年,我国油砂矿将达到年产500104t油的产能；到2040年,将达到年产1000104t的产能；到2050年,将达到年产1800104t的产能6。1.4 油砂开采现状随着原油价格的不断上调以及全球需求的不断增长,从油砂中提取原油也越来越受到人们的关注。油砂必须用萃取工艺分离出沥青,再从中提炼出重油。目前,有两种比较成熟的开采油砂方法,一是对距离地面较近的储藏采用露天开采法；二是对深埋地下的储藏(一般在地下75400m之间)采用现场分离的方法。1.4.1露天开采露天矿采主要适用于埋深小于75 m、厚度大于3m 的油砂矿,通过建造巨大的露天矿场以及萃取设施,运用采矿的方式进行油砂开采。它具有资源回收率高、劳动效率高、可用大型自动化机械设备、生产安全的特点。露天开采所需的设备及费用、油砂油采收率较其他方法好,技术上较为成熟,在加拿大及委内瑞拉等都已形成大规模工业开采7。大规模露天开采经历了从使用轮式巨型挖掘机和传送带到现在使用巨型电动铲车和巨型运送卡车的转变过程。1.4.2原地开采对于埋藏较深(75m)的油砂,需要原地开采。它是通过分离油砂中的沥青,从地表以下直接获取沥青。首先在井下将沥青加热至可以流动的状态,然后再将其液化形态抽到地面上来。目前广泛采用的方法主要有循环蒸汽刺激法、蒸汽辅助重力排泄法两种8。目前的生产技术可以采收井下沥青储藏的25%75% ,这远远大于常规轻质石油的采收率。现场分离方法除了可以直接开发出地表以下一定深度内油砂分布的沥青外,尚有降低开发成本的巨大潜力。而且,该项技术在保护空气和水土资源方面起到了非常实际的意义。1.5 油砂分离技术现状油砂的研究主要是利用油砂制油，油砂的结构分为水润型、油润型和中间润湿型9。目前，油砂的分离方法根据其结构不同分（1）为热水洗法；（2）溶剂抽提法；（3）热解干馏法。一般水润型油砂适合水洗分离，油润型油砂适合热解干馏法或溶剂抽提法10。1.5.1 水洗分离法目前国外商业上使用的油砂沥青分离方法是水洗分离。水洗分离方法适合国内大部分油砂，但分离条件有差别。油砂水洗分离的受各种因素的影响，地面油砂的分离主要以热碱水洗为主,对于亲水性的油砂,油砂颗粒表面有水膜,可以采用水洗分离的方法1.5.2 有机溶剂萃取法油砂有机溶剂抽提分离主要是利用物质的相似相溶原理来实现油砂沥青的回收。利用有机溶剂萃取砂中的胶质、沥青质,然后进行蒸馏以达到分离的目的。这种方法是用有机溶剂与油砂相接触,将溶解的沥青油与石英砂分离,抽提试剂可以循环使用11。该方法对油砂的质量要求不高,可以是含油量高的湿油砂,也可以是含油量小或者是干油砂。该方法适用性较广,而且洗油的效率也相对较高，但其产生的残砂对环境有较大的危害。1.5.3 热解干馏法有关油砂热解分离技术，主要思路是实现油砂中重质组分的轻质化，原理是采用250以上的高温进行裂解，经过高温处理后，沥青的质量得到很大改进，分子量变小，胶质减少，高温处理过程中发生的最重要的变化就是轻质油的产生。1.6 本课题研究意义由于干馏分离法能耗较大造成分离成本较高，而有机溶剂抽提法的残砂的后处理困难对环境危害较大，相对来说水洗分离法成本较低并且水洗试剂可以循环利用，分离后残砂经简单处理可直接回填处理或做建筑材料，对环境无污染12。因此，本实验必将为进一步研究我国油砂的开采和利用具有一定的指导意义。2.实验部分2.1 水洗基本原理通过热化学剂的作用，改变砂子表面的润湿性，使砂子表面更加亲水，实现砂与吸附在上面的沥青分离，分离后的原油上浮进入碱液中，而油砂沉降在下部，以达到分离的目的。油砂水洗分离主要涉及以下基本原理：（1）降低界面张力；（2）乳化作用及流动；(3)润湿性的改变；（4）增溶油水界面处形成刚性薄膜。油砂分离示意图如图2-1所示 。图 2-1 油砂分离示意图2.2实验原料：四川油砂，含油率6%，品位较低，水洗分离实验试剂采用多种化学试剂复配。2.3 实验方法及流程按照一定的剂砂比在烧杯中加入油砂和实验室自主开发的油砂分离剂，将烧杯置于恒温水浴搅拌仪中，当水溶液达到预定的温度后，恒温下对油砂浆进行一段时间的分离，然后静止15min，将液面油砂沥青刮去，倾倒出溶液，将分离后的砂置于烘箱中干燥，利用重量法计算出出油率（对于单位质量的油砂，在分离剂的作用下分离出的油砂沥青的质量与该单位质量油砂含油量的比值为出油率，下同），根据出油率的高低来评价分离效果。其实验流程如图2-1所示。加热搅拌沉降油砂分离油砂油干净残砂油砂试剂图2-2 油砂分离实验流程3.结果与讨论 3.1 水洗温度对油砂分离的影响在剂砂质量比21、抽提时间25min，分离剂质量分数5%的条件下,考察温度对油砂抽提处理效果的影响,实验结果如图3-1所示。图3-1 加热温度对油砂分离的影响由上图可知，随着加热温度的增加，油砂出油率相应增加。在7095,温度对油砂油的提取率影响较大,这主要是由于温度较低时砂-水-油界面不清，分层效果差出油率不高；温度升高，油砂浆液体的平均动能增加，使油砂沥青的粘度下降，并且温度升高后油水密度差增大，分离出的油以小油珠的形式不断上浮，从而易于与砂粒分离，油水界面清，分层效果好，故考虑到能耗及提取效率等因素的影响,工业生产选择在稍高的温度即95下进行较为理想。3.2 分离剂质量分数对油砂分离的影响在剂砂质量比21、抽提时间25min，水洗温度95的条件下,考察分离剂质量分数对油砂提取处理效果的影响,实验结果如图3-2所示。图3-2 分离剂质量分数对油砂分离的影响由上图知，随着分离剂质量分数的增加，油砂出油率相应增加。在分离剂质量分数为25%时，分离剂质量分数对油砂的出油率影响较大，当分离试剂的质量分数达到5%左右时，油砂的出油率基本不再增加，因此选择5%的分离试剂作为分离剂最为理想。3.3 加热时间对油砂分离的影响实验发现,抽提时间对油砂处理也有较大的影响,采用5%的分离剂在95 的实验温度、剂砂质量比21的条件下,通过改变抽提时间进行实验，结果如图3-3所示。图3-3 加热时间对油砂分离的影响由上图可知,随着抽提时间的延长,油砂油的提取率也是逐渐升高的,这是因为油砂沥青在分离剂的作用下分离需要一定的时间,短时间内油砂沥青不能充分分离,在加热搅拌等操作条件下,油砂沥青逐渐分离,实验证实,抽提25min ,油砂油提取率可达95%以上,再延长抽提时间提取率几乎不再增加,故工业生产时选择分离25min左右为宜。3.4 剂砂质量比对油砂分离的影响为考察剂砂质量比对油砂油提取率的影响,采用质量分数5%的分离剂，在抽提温度95、抽提时间25min下,改变剂砂质量比进行实验,结果如图3-4所示。 图3-4 剂砂质量比对油砂分离的影响由上图可知,增大剂砂质量比可提高油砂油的出油率。剂砂质量比较小时由于油砂不能充分分离,油提取率较低,随着剂砂质量比的增加,油砂颗粒可以和分离剂充分接触，从而油砂油提取率升高；当溶剂油与油砂的质量比大于21后,油砂油的提取率基本不再增加,达到最大提取率。故确定实验的剂砂质量比为21 。3.5 重复使用效果的考察由于水洗分离处理油砂所需试剂的用量较大,因此将分离后的废液回收，为了保持分离浓度不变，添加少量新鲜试剂后循环利用,这样可避免分离试剂的浪费,同时也可降低油砂处理成本。循环实用效果的考察在最佳分离操作条件：温度95、剂砂质量比21 、抽提时间25min 的条件下进行，考察实验结果如图3-5所示。图3-5 分离剂重复利用的效果由上图可知,采用回收后的分离剂处理油砂,油出油率略有降低,但重复利用5次,油提取率仍保持在90%以上。由此可见,回收的分离剂可以重复循环使用并且循环利用效果理想,这对降低油砂处理成本也具有重要意义。4.结论(1) 以水洗分离法处理四川油砂,通过考察水洗温度、剂砂质量比、分离时间等因素对分离处理的影响,得出最佳分离操作条件,即抽提温度为95、剂砂质量比为21 、抽提时间为25min ,在此最佳条件下油砂油提取率可达95%以上。分离效果较好,为工业设计采用水洗分离油砂提供了可行性研究依据。(2) 分离剂可回收循环利用,降低了试剂用量及处理成本。参考文献