СПОСОБ ОДНОВРЕМЕННОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ И КРЕКИНГА/ОБОГАЩЕНИЯ НЕФТИ ИЗ ТВЕРДЫХ ВЕЩЕСТВ
PROCEDURE FOR OIL SIMULTANEOUS EXTRACTION AND CRACKING/REFINING FROM SOLID SUBSTANCES

Настоящее изобретение относится к способу извлечения нефти из битуминозного песка (также называемого нефтяным песком) и/или нефтяного сланца и обогащению нефти в том же способе.
Битуминозный песок найден в огромных количествах в ряде стран, наибольшие запасы найдены в Канаде и состоят из сырой нефти и песка природного происхождения, залегающих на разной глубине. Эти ресурсы были предметом интенсивных исследований в попытках разработать технологию извлечения нефти из данного песка. Таким образом, существует ряд различных технологий.
Наиболее важные ископаемые ресурсы Альберты - это нефть и газ, они составляют более 90% дохода Альберты от разработки полезных ископаемых. Альберта производит примерно две третьих Канадской нефти и более трех четвертых ее природного газа. Примерно половина нефти Альберты добывается из многочисленных нефтяных песков, которые являются залежами сырой неочищенной нефти, называемой битумом. Нефтяные пески Альберты являются самым большим из известных мировых месторождений битума. Нефтяные пески встречаются в трех основных районах провинции: в долине реки Атабаска на северо-востоке, в районе реки Пис-Рисер на севере и в области озера Колд-Лейк на востоке центральной части Альберты. Битум - более дорогостоящее ископаемое, чем сырая природная нефть, которая естественным образом вытекает или выкачивается из земли. Это обусловлено тем, что для получения неочищенной нефти, которую придется очистить, ее вязкие тяжелые фракции предварительно должны быть отделены от окружающего песка и воды.
В 1950-е - 1960-е гг. месторождения нефти разрабатывались в других районах, таких как долина реки Пис-Ривер и Лебяжьи холмы к югу от Малого Невольничьего озера. К концу 1960-х были найдены последние крупные месторождения нефти.
3
Битум, в отличие от обычной неочищенной нефти, которую находят в глубоких пластах, не содержит легких фракций, испарившихся за тысячи лет. Следовательно, битум состоит из тяжелых молекул с плотностью, превышающей 1000 кг/дм (менее чем 10 АНИ), и вязкостью в 1000 раз выше, чем легкая нефть. Кроме того, битуминозный песок содержит более 4% серы по массе и сотни промилле тяжелых металлов. Содержание органического вещества в битуминозном песке может варьировать от 5 до 20% по массе, следовательно, экстракция нефти из битуминозного песка включает в себя огромный массоперенос.
Состав битума обусловливает необходимость его обогащения до того, как он может быть переработан, подобно легкой нефти.
Экономический потенциал этих огромных ресурсов объясняет тот факт, что существует ряд различных способов извлечения нефти из битуминозных песков. Эти технологии включают в себя биологические, термальные методы, использование растворителей, а также процессы, в ходе которых нефть вымывается из песка перегретой водой.
Огромное количество песка (оставшейся породы), образующегося при экстракции нефти из битуминозного песка, приводит к тому, что разные способы встречают ряд экологических ограничений.
В отличие от битуминозного песка нефтяной сланец - это сланец, содержащий органическое вещество, известное как кероген, которое не может быть вымыто или растворено, подобно битуму в битуминозном песке. Чтобы извлечь нефть из нефтяного сланца, последний нужно нагреть до температуры в 500-600°С, в результате чего происходит крекинг органического вещества до жидких продуктов. Как и битуминозный песок, нефтяной сланец содержит ряд нежелательных компонентов, которые обусловливают экологические ограничения. И, как и в случае технологий извлечения нефти из битуминозного песка, существует ряд различных технологий извлечения нефти из нефтяного сланца.
Настоящее изобретение посвящено энергетически самоподдерживающемуся способу, в котором решен ряд проблем, известных для уже существующих технологий, и который, помимо извлечения нефти, лучше обогащает нефть легкими фракциями, чем любая другая из существующих технологий, удаляет около 40% серы и около 90% тяжелых металлов. Кроме того, в результате данного процесса оставшиеся породы выделяются с меньшими экологическими ограничениями, поскольку неорганическое вещество (песок) выделяется в сухом состоянии.
Данный способ представляет собой скоростной "сухой-влажный" процесс в псевдоожиженном слое, в котором песок смешивается в реакторе для создания псевдоожиженного слоя с частью органического вещества битуминозного песка. Топочные газы высвобождают нефть из песка, вместе они действуют как пневматический носитель, транспортирующий песок и соответствующие газы в реактор циклона, где песок отделяется от потока газов, которые затем направляются в конденсирующую систему. Часть конденсированной нефти может быть направлена обратно в поток через распылительные форсунки для вторичного крекинга, посредством чего нефть извлекается и обогащается в ходе процесса в одну стадию без необходимости использования обогащающих блоков.
Для предотвращения столкновений между частицами, поскольку необходимо получить максимальные деформационные силы между твердыми частицами в потоке песка, топочные газы и газообразные углеводороды ускоряются и замедляются в вертикальном трубопроводе переменного диаметра.
Столкновения между частицами приводят к умеренной гидрогенизации нефти за счет сонолюминесценции микроскопических пузырьков пара, зажатых между сталкивающимися твердыми частицами. Когда пузырьки пара оказываются сжаты между вращающимися частицами неправильной формы, пар подвергается адиабатическому сжатию таким образом, что температура и давление в пузырьках возрастают в несколько тысяч раз по сравнению с температурой и давлением процесса в целом. Это сжатие приводит воду к сверхкритическому состоянию, в котором вода распадается на водород и гидроксил-радикал. Водород, абсорбирующийся на цепочках молекул сырой нефти, ослабляет связи таким образом, что сила столкновения с вращающимися песчинками может привести к крекингу молекулы и "разрыву" микроскопических пузырьков пара. Большинство атомов водорода затем освобождается и вновь реагирует с гидроксил-радикалами с образованием воды, но часть атомов водорода умеренно гидрогенизирует продукт.
Крайне желательно достичь хорошего смешения песка/нефти так рано и так быстро, как только возможно. Описанный метод достижения смешения требует вышеупомянутого ускорения и замедления потока частиц. Традиционная среда, использующаяся для поддержания псевдоожиженности и движения твердых частиц в вертикальном трубопроводе, - это пар. Однако пар разрушающе действует на очень горячие твердые вещества, которые можно обнаружить в процессе остаточного крекинга. При этих условиях пар вызывает гидротермальную деактивацию катализатора, например катализатора крекинга в псевдоожиженном слое.
2
Эта проблема преодолевается в настоящем изобретении за счет использования отработанных газов из насыщенного топливом основания регенератора реактора (CO/CO и газообразные углеводороды) в качестве газа-носителя твердых частиц, которые будут действовать как катализаторы крекинга нефти.
Для проверки способа в лаборатории SINTEF ENERGY RESEARCH AS (г.Тронхейм, Норвегия) был построен и размещен испытательный стенд размерами 2,5×2,5×3 м с максимальной мощностью 125 кВт.
План испытательного стенда изображен на фиг.3.
Фиг.4 изображает испытательный стенд во время тестирования. Затраты энергии, требуемые для переработки одного килограмма нефтяного песка, определяются как:
s
s
o
s
o
w
Q=x*c*dt+x(c*dt+r)+x*H,
где
s
x= массовая доля песка (включая металлы и серу), например, 80%,
o
x= массовая доля нефти, например, 15%,
w
x= массовая доля воды, например, 5%,
s
c= удельная теплоемкость песка в кДж/кг·К=1 кДж/кг·К,
o
c = удельная теплоемкость нефти при рабочей температуре в кДж/кг·К = примерно 2,25 кДж/кг·К,
o
r = теплота испарения в кДж/кг = примерно 225 кДж/кг,
dt = разница температур между рабочей температурой и температурой подачи песка в К,
Н = энтальпия воды при рабочей температуре в кДж/ч = 3500 кДж,
Рабочая температура 360°С=633 К,
Температура подачи 90°С=363 К,
dt=270 К,
Q=516 кДж/кг, что дает пропускную способность тестового испытательного стенда в 872 кг/ч песка, содержащего 130 кг нефти, откуда следует пропускная способность 20 баррелей нефти в день.
Тесты проводили с битуминозным песком из залежей долины реки Атабаска. Ниже приведены его характеристики и полученные результаты:
Плотность извлеченной нефти в реакторе с псевдоожиженным слоем частиц: 21 АНИ;
Плотность извлеченной нефти в вертикальном трубопроводе: 29,3 АНИ;
Плотность осушенной нефти на выходе из конденсатора нефти: 25,15 АНИ;
Кокс, оставшийся в отработанном песке: 1,25% весовых;
Уменьшение содержания серы в нефти: 45%;
Уменьшение содержания тяжелых металлов: 87%;
Потребление энергии в % от извлекаемой нефти: 9,3 = примерно 12,5 кг нефти/час = примерно 3,93 $ на баррель. (При цене нефти 50 $ за баррель.)
На фиг.5 показаны битуминозный песок, извлеченная нефть и очищенный песок, оставшийся после тестового эксперимента.
Схема технологического процесса показана далее на фиг.1.
А) обозначает вертикальный реактор аппарата для создания псевдоожиженного слоя с помощью мешалки В), расположенной на некотором расстоянии от дна аппарата. В пространстве между дном и мешалкой В) для создания псевдоожиженного слоя расположена камера С), в которую поступают топочные газы из камеры сгорания D), которая может быть заправлена газом и/или извлекаемой нефтью. Топочные газы нагревают и образуют псевдоожиженный слой твердых частиц (песка) Е), поступивших в реактор А). Давление, полученное от топочного газа, в реакторе вырастет, что вызовет пневматический транспорт твердых частиц и увлеченного газа, который состоит из топочного газа, пара и газообразных углеводородов, через вертикальный трубопровод JJ) в реактор циклона G). Последний спроектирован таким образом, что, в отличие от обычного циклона, твердые частицы вращаются в цилиндрическом корпусе циклона несколько сотен раз, прежде чем упадут в коническое днище Н) и обратно в реактор для создания псевдоожиженного слоя. В коническое днище циклона с помощью трубки I) подается перегретый пар, чтобы отделить углеводороды от падающих в циклоне твердых частиц, которые попадают в реактор А) через колено.
Нефтяной песок загружают в реактор А) с помощью подающих систем Сс) и Dd). Такое же количество песка, которое подается в реактор А), должно быть и отведено из реактора. Это делается через трубопровод К), по которому песок транспортируется в камеру сгорания L), где оставшийся кокс сжигается в псевдоожиженном слое воздухом, подаваемым через М). Отработанные газы из L) проходят через газоочиститель и систему регенерации тепла N) прежде, чем будут отведены в воздух.
"Очищенные" твердые частицы из L) попадают в твердо/жидкостной теплообменник О) и нагревают остывшую воду из теплообменника Z), поступившую из подающей воду помпы Р). Горячая вода затем транспортируется в бойлер Q), расположенный в камере сгорания L). Бойлер производит пар, часть которого попадает в сверхнагреватель R), расположенный в камере С) реактора А). Сверхнагретый пар поступает во впрыскивающие форсунки S) для парового распыления нефти, в колено J) реактора циклона Н) и в колено Т) сепараторного циклона U). Остывший "чистый" песок может быть удален из теплообменника О) и использован для засыпки в землю, поскольку он сухой и не содержит каких-либо легко испаряющихся углеводородов.
Избыток несверхнагретого пара сбрасывают через трубку V) и используют для предварительного нагрева топлива, технологических нужд или для производства электричества с помощью системы паровых турбин.
Из реактора циклона G) и сепараторного циклона U) поток газа подают в конденсатор W), установленный примерно на 95°С, таким образом, основная часть газообразной нефти конденсируется в жидкую нефть. Газ конденсируется потоком уже извлеченной нефти, поскольку нефть собирается на дне конденсатора и с помощью помпы X) подается в теплообменник Z), где охлаждается водой, поступающей из помпы Р). Из теплообменника Z) охлажденную нефть подают на верх конденсатора и конденсируют входящую газообразную нефть. Когда уровень нефти в конденсаторе увеличивается, продукт отводят через трубку ВВ). Несконденсировавшиеся газ и пар поступают во второй конденсатор СС), который охлаждают водой, подаваемой от помпы Р). Сконденсированную воду отводят из конденсатора через трубку DD) и собирают в гравитационный сепаратор ЕЕ). В гравитационном сепараторе ЕЕ) легкие фракции нефти, поступающие из конденсатора нефти СС), будут декантированы через трубку FF) в производственную линию от конденсатора нефти W) и попадут в приемник через трубку АА). Воду отводят через трубку GG) в сток.
Газ, несконденсировавшийся в конденсаторе СС), в зависимости от местных ограничений по загрязнению, либо через трубку НН) выбрасывают в атмосферу, либо он поступает в систему очистки газа.
Часть продукции возвращают в вертикальный трубопровод JJ) через трубку NN) за счет повышенного давления от помпы LL) через распыляющую форсунку S), присоединенную к трубопроводу JJ).
Распыляющая форсунка S) получает пар для распыления нефти из сверхнагревателя R).
Избыток образовавшегося в реакторе топочного газа, который не требуется для транспорта песка в вертикальный трубопровод JJ), может быть удален из реактора через трубку OO) в газоочиститель и систему регенерации тепла (не изображены).
При нагревании реактора до рабочей температуры камерой сгорания D) количество газа или нефти, применяемых для сгорания, постепенно можно уменьшать таким образом, что подаваемый в реактор А) воздух будет вызывать внутреннее сгорание образующихся углеводородов, и, следовательно, процесс будет самоподдерживающимся за счет энергии, получаемой из самого битуминозного песка. В качестве альтернативного варианта камеру сгорания можно заполнить частью извлеченной нефти, доставленной помпой LL).
Чтобы получить вышеупомянутое ускорение и замедление потока в вертикальном трубопроводе, последнему следует придать переменный диаметр. Один из предпочтительных вариантов - сформировать часть трубопровода в виде форсунки Лаваля, где распыляющая(ие) форсунка(и) S) расположена(ы) или в самой узкой части эжектора, или там, где эжектор начинает расширяться.
Когда газы, связанные с твердыми веществами, вводят в сепаратор U, результатом является вращение газов и твердых веществ, в то время как твердые вещества прижимаются к внутренней части вертикальной части сепаратора благодаря центробежной силе, и затем они осаждаются в конической части сепаратора и далее поступают в трубку Т. Газы, свободные от твердых веществ, покидают сепаратор в верхней его части и их возвращают в конденсатор W
В целом, способ является высокоинтенсивным процессом с большой плотностью энергии по причине высокой скорости потока газа и песка. Высокие скорости процесса, обусловливающие интенсивный обмен энергией между частицами песка и нефти, а также низкое парциальное давление газообразных углеводородов, образовавшееся за счет топочных газов и пара, являются причиной того, что процесс может протекать в температурном интервале 300-500°С. Помимо уменьшения температурной нагрузки и потребления энергии, столь низкая температура уменьшает полимеризацию продукта крекинга.
На фиг.2 представлен завод производительностью 10000 баррелей в день.