Пенная обработка (нефтеносные пески Атабаски) - Froth treatment (Athabasca oil sands)

Обработка битумной пеной это процесс, используемый в Нефтяные пески Атабаски (AOS) битум операции по восстановлению для удаления мелких неорганических веществ - воды и минеральных частиц - из битум пена путем разбавления битума легким углеводородным растворителем - нафтеновым или парафиновым - для снижения вязкости пены и удаления загрязняющих веществ, которые не были удалены на предыдущих этапах восстановления под действием силы тяжести на водной основе.[1] Битум с высокой вязкостью или со слишком большим количеством загрязняющих веществ не подходит для транспортировки по трубопроводам или очистки. При первоначальной и традиционной обработке нафтеновой пеной (NFT) используется растворитель нафты с добавлением химикатов. Обработка пены парафиновым растворителем (PSFT), которая впервые была коммерчески использована в Альбские пески В начале 2000-х годов это привело к получению более чистого битума с более низким уровнем загрязнений, таких как вода и твердые минеральные вещества.[2] После обработки пеной битум может быть дополнительно улучшен с использованием «тепла для производства синтетической сырой нефти с помощью установки для коксования».[2]

Задний план

Нефтяной песок состоит из матрицы твердого минерального материала -кварцевый песок и глины, вода и углеводород, битум, который является самой тяжелой формой нефти.[3] Согласно Учебный и научно-исследовательский институт Организации Объединенных Наций, битум нормальный вязкость превышает 10 мПа с, а его плотность превышает 1000 кг / м3. Нефтяные пески до обработки содержат мелкие частицы ил и глина, то есть 44 микроны или меньше, а также крупные частицы песка и камня размером более 44 микрон. Каждая крупинка кварцевого песка, который чрезвычайно абразивен и имеет угловатую форму, «полностью окутана битумом».[4] Каждая песчинка окружена тонкой пленкой воды, а битум покрывает водный слой и угловатую песчинку.[4] Зернышки кварцевого песка, покрытые битумом и водой, прилипают друг к другу. Без обработки высокоабразивные нефтеносные пески могут повредить трубопроводы, грузовики и все оборудование, используемое в горнодобывающей промышленности и на производстве. Кроме того, вязкость битума меняется в зависимости от температуры и холода. В тепле он похож на патоку, а в холоде он замерзает.[4] Битум, как углеводород, считается ценным энергетическим ресурсом. Чем больше битума в залежи нефтеносных песков, тем он ценнее. Если залежь содержит менее 6% битума, добыча не стоит. Месторождение нефтеносных песков должно содержать не менее 18% битума, чтобы быть экономически жизнеспособным.[4]

Производство битума в 2004 году включало шесть взаимосвязанных и интегрированных процессов или единиц - добыча полезных ископаемых, коммунальные услуги, добыча, обработка пены, управление водными ресурсами, хвостохранилища нефтеносных песков, и модернизация, согласно статье 2004 года в Канадский журнал химической инженерии (CJCE).[5] Пенообразование является частью интегрированного процесса.[5]

Из-за высокой вязкости тяжелую нефть сложнее добывать и транспортировать.[6] Вязкость - «внутреннее сопротивление потоку текучей среды» является физическим свойством сырой нефти - и важным параметром при разработке и проектировании трубопроводов для максимальной добычи нефти и эффективных трубопроводов для потока текучей среды.[7][8] Вязкость - одна из давление – объем – температура (PVT) свойства, которые оцениваются на разных этапах разведки, добычи, добычи и транспортировки нефти.[7][6]

В битуме, асфальтены, которые часто определяют как фракцию, которая не может быть растворена в н-гептан,[9] негативно влияют на операции с нефтеносными песками - они «придают сырой нефти высокую вязкость» и могут вызвать «множество производственных проблем».[10] Асфальтены - это молекулярные вещества, обнаруженные в сырой нефти наряду с насыщенными углеводородами, такими как алканы, ароматические углеводороды, и смолы, известный как (САРА).[11]

Первая стадия процесса экстракции, используемая операторами нефтяных песков в коммерческих операциях, представляет собой модифицированный процесс экстракции горячей водой Кларка (CHWE), который был разработан Карл Адольф Кларк (1888–1966) в 1920-е гг.[5] По данным 2017 г. Журнал Oil Sands После отделения пены битума с использованием первой стадии процесса извлечения битума - гравитационного разделения на водной основе - раствор содержит в среднем «60% битума, 30% воды и 10% мелких твердых частиц».[12] Емкость для гравитационного разделения - ячейка первичного разделения (PSC), емкость первичного разделения (PSV) или SepCell - восстанавливает 90% битума.[13] Во время этого процесса образуется битумная пена. Пена сильно аэрирована - наполнена пузырьками воздуха - и требует деаэрации перед перекачкой в ​​резервуар для хранения пены.[13]

Второй этап - обработка пеной.[3] Качество битумной пены перед обработкой вспениванием - обработкой на основе растворителя с гравитационным разделением - «слишком низкое для обработки на установке по обогащению или очистке».[13] Одно только гравитационное разделение на водной основе не может удалить оставшиеся загрязнители, которые составляют от 10 до 15% твердых частиц и до 40% воды.[13]

Пенная обработка использует легкий углеводород для снижения вязкости битума, высвобождая мелкие частицы и воду, что приводит к более чистому потоку разбавленного битума.

Неорганические минеральные загрязнители микрометрового размера в битумной пене после первой стадии обработки состоят из мелкого ила и глины и «капель эмульсии воды в масле». Эти капли, образующиеся в процессе экстракции битума на водной основе, удалить сложнее всего.[1]:7199

Эти эмульгированные капли воды дополнительно стабилизируются микрочастицами кварцевого песка. Эмульсии типа «вода в масле» «легко дестабилизируются» при удалении мелких минеральных частиц.[1]:7199 Во время эффективного процесса удаления пены мелкие минеральные частицы микронного размера образуют более крупные агрегаты, что способствует дестабилизации эмульгированных капель воды.[1]:7199

Во время комплексной обработки пены светится углеводород - либо нафтеновый или парафиновый растворитель - добавляется в пену для уменьшения вязкость и для удаления мелких неорганических частиц с помощью более «эффективного гравитационного разделения».[12]

2013 г., Американское химическое общество (ACS) описала обработку битумной пены как «интегрированный технологический этап операций по извлечению битума из нефтеносных песков Атабаски. Ее цель состоит в том, чтобы отделить минеральные твердые частицы и воду от битумной пены. Битумную пену разбавляют нафтеновыми или парафиновыми растворителями для снижения ее вязкости. Обработка битумной пены - это «удаление неорганических веществ (минеральных частиц и капель воды) из раствора битумного органического растворителя».[1]:7199

Отношение растворителя к битуму (S / B) изменяет динамику разбавленного водой битума -дилбит —Эмульсии.[14]

К 2006 году в провинции Альберта было два промышленных процесса обработки пены. В то время они назывались «процесс синкрудирования», который включал «разбавление ароматическим растворителем с последующим центрифугированием» и «процесс Альбиана», который включал «разбавление парафиновым растворителем с последующим отстаиванием под действием силы тяжести».[15][16]

После процесса вспенивания битум может потребовать дополнительной обработки, прежде чем его можно будет транспортировать по трубопроводам. Процессоры, использующие новейшую технологию обработки парафиновой пеной с использованием растворителя (PSFT), которая используется в коммерческих целях с 2002 года, больше не требуют этой стадии модернизации, что означает значительное снижение стоимости обработки. Первоначальная - и более традиционная - обработка нафтеновой пеной (NFT) требует дефектоскопии.

Для производства товарной синтетической сырой нефти из битума нефтеносных песков тяжелая нефть может быть переработана только на специальных нефтеперерабатывающих заводах, которые включают сложную тяжелую нефть. апгрейдер с коксователь Блок.[17] В Канаде Регина, Саскачеван -Кооперативный НПЗ - бывшая компания Consumers Co-operative Refinery Limited (CCRL) - имеет тяжелую нефть. апгрейдер участок завода с необходимыми Установка коксования способный перерабатывать продукт нефтеносных песков, такой как тяжелая нефть Ллойдминстера, которая является компонентом в Западно-канадский выбор (WCS).[Примечания 1][17][2][Примечания 2]

Нафтеновая пена (NFT)

В оригинальной и традиционной пенной обработке используется нафта-растворитель с добавлением химикатов для дестабилизации эмульсии.[2] В течение тридцати лет, с 1970-х до начала 2000-х, единственной технологией, доступной в индустрии нефтеносных песков для извлечения битума, была обработка нафтеновой пеной (NFT).[12]

В статье, опубликованной в 2002 году в журнале, Атмосфера, который цитировался более 100 раз, авторы заявили, что нафтеновые кислоты присутствуют в Нефтяные пески Атабаски (AOL) хвостохранилище вода (TPW) с расчетной концентрацией 81 мг / л, что является слишком низким уровнем для того, чтобы TPW можно было рассматривать как жизнеспособный источник для промышленного извлечения.[18] Они изучили лабораторный стенд на основе растворителя, разработанный для «эффективного извлечения нафтеновых кислот из больших объемов воды хвостохранилища нефтеносных песков Атабаски».[18] Те же авторы опубликовали часто цитируемую статью 2001 г. Общество токсикологии с Токсикологические науки, в котором они заявили, что «нафтеновые кислоты являются наиболее значительными загрязнителями окружающей среды в результате добычи нефти из месторождений нефтеносных песков». Они обнаружили, что «в условиях наихудшего воздействия острая токсичность маловероятна для диких млекопитающих, подвергшихся воздействию нафтеновых кислот» в воде хвостохранилища [нефтеносные пески Атабаски] (AOS), «но повторное воздействие может иметь неблагоприятные последствия для здоровья».[19]

Обработка парафиновой пеной (PFT)

В 1990 году на основе исследований, проведенных CanmetENERGY, была разработана парафиновая пена с растворителем (PSFT).[2] Syncrude запатентовала процесс в 1994 году и «сделала права на использование доступными для всех членов консорциума по обработке нефтеносных песков, что позволило реализовать этот процесс на других предприятиях по разработке нефтяных песков».[12]

PFT снижает «вязкость битума, позволяя удалять воду и твердые частицы путем гравитационного разделения». Он также осаждает асфальтены, которые связываются с водой и твердыми частицами », что приводит к получению более чистого битума, который« практически не содержит примесей ». Это создает более чистый битум с более низким уровнем водных и минеральных примесей.[2]

В 2011 СНС Лавалин заключила контракт на сумму 650 млн канадских долларов на строительство завода PSFT в Нефтеносные пески Атабаски регион в 2012 году стал первым в канадской индустрии нефтеносных песков.[20]

Первая коммерциализация парафиновой пенообработки (PFT) была предпринята в рамках проекта разработки нефтеносных песков Атабаски (AOSP) в г. Региональный муниципалитет Вуд Баффало в начале 2000-х гг.[10][12] AOSP, также известный как Альбские пески - совместное предприятие Канадские природные ресурсы (CNRL) (70%), Chevron Canada (20%), и Shell Canada (10%)[21] AOSP состоит из рудников Muskeg River Mine, Jack Pine Mine и Scotford Upgrader.[21] CNRL приобрела акции Shell в 2017 году.[22][23]

Технология PSFT также используется в Империал Ойл Керловые нефтеносные пески,[24] и Ресурсы Тек Открытая разработка нефтеносных песков Fort Hills.[25] Teck планирует использовать его при планируемой крупномасштабной разработке нефтяных песков открытым способом Frontier.[25] По словам Тека, технология PSFT, исключающая использование модификатора, имеет «более низкую интенсивность выбросов парниковых газов, чем примерно половина нефти, которая в настоящее время перерабатывается в США».[25]

К 2011 году прогнозируемые затраты на мега-рудник Kearl, принадлежащий Imperial Oil, увеличились до «10,9 млрд канадских долларов с первоначальной оценки в 8 млрд канадских долларов».[20] Imperial сократила расходы, используя технику вспенивания, «вместо того, чтобы строить апгрейд для обработки сырого битума».[20]

Существует ряд исследовательских проектов по улучшению и оценке инноваций в обработке пены.[14][26][27][28][29][30][31]

Нормативные документы

Финансируемое отраслью и провинциальное правительство поручило, Регулятор энергии Альберты (AER) регулирует добычу битума в провинции. AER Директива 082: Эксплуатационные критерии - Требования к извлечению ресурсов для предприятий по добыче и переработке нефтеносных песков устанавливает минимальные коэффициенты извлечения для всех операций с нефтеносными песками в провинции. Месторождения нефтесодержащих песков имеют различные сорта руды, некоторые из которых содержат более высокое содержание битума, чем другие.[13]

Заметки

  1. ^ Западно-канадский выбор (WCS), является одним из нефтяные продукты от Западно-канадский осадочный бассейн нефтеносные пески. WCS, который представляет собой тяжелую смесь сырая нефть, состоит в основном из битум это смешано с конденсат разбавители, и обычные, и нетрадиционные масла. WCS был запущен в 2004 году компанией EnCana (сейчас Cenovus ), Canadian Natural Resources Limited, Петро-Канада (сейчас Suncor ) и Talisman Energy Inc. (сейчас же Repsol Oil & Gas Canada Inc.) стала ориентир для очень тяжелой сырой нефти.
  2. ^ «Нефтеперерабатывающие заводы США импортируют большие количества сырой нефти из Канады, Мексики, Колумбии и Венесуэлы, и в 1990-х годах они начали строительство установок для коксования и увеличения мощности по добыче серы, чтобы удовлетворить рост этих средне- и высокосернистой сырой нефти, удовлетворяя экологические требования и потребительский спрос. для транспортного топлива ». В то время как американские нефтеперерабатывающие заводы вложили значительные средства в комплексное оборудование для нефтепереработки, которое поддерживает переработку более тяжелой и более кислой нефти в бензин и дистилляты, аналогичные инвестиции за пределами США осуществлялись менее агрессивно. Средняя и тяжелая сырая нефть составляет 50% сырой нефти в США, и США продолжают расширять свои мощности по переработке тяжелой нефти ». К 2011 году крупные интегрированные нефтяные компании, производящие WCS в Канаде, также начали инвестировать в модернизацию нефтеперерабатывающих заводов, чтобы обработать WCS ". См. Статью Западно-канадский выбор для дополнительных ссылок.

использованная литература

  1. ^ а б c d е Рао, Фэн; Лю Ци (19 декабря 2013 г.). «Обработка пены в процессе извлечения битума из нефтеносных песков Атабаски: обзор». Энергия и топливо. 27 (12): 7199–7207. Дои:10.1021 / ef4016697. ISSN  0887-0624.
  2. ^ а б c d е ж «Обработка пены». CanmetENERGY через NRCan. Девон, Альберта. 19 января 2016 г.. Получено 29 января, 2020.
  3. ^ а б Линь, Фэн; Пан, Чонджун Джон (1 января 2020 г.). «Влияние процесса экстракции гибридного битума на дестабилизацию образующейся битумной пенной эмульсии, разбавленной гептаном». Минерал Инжиниринг. 145: 106069. Дои:10.1016 / j.mineng.2019.106069. ISSN  0892-6875.
  4. ^ а б c d «Состав нефтеносных песков». Энергетическое наследие Альберты. Нефтеносные пески. Получено 30 января, 2020.
  5. ^ а б c Маслия, Иаков; Чжоу, Чжан Джо; Сюй, Чжэнхэ; Чарнецкий, Ян; Хамза, Хасан (2004). «Понимание экстракции битума на водной основе из нефтеносных песков Атабаски». Канадский журнал химической инженерии. 82 (4): 628–654. Дои:10.1002 / cjce.5450820403. ISSN  1939-019X.
  6. ^ а б Hossain, M. S .; Sarica, C .; Zhang, H.-Q .; Rhyne, L .; Гринхилл, К. Л. (1 января 2005 г.). Оценка и разработка корреляций вязкости тяжелой нефти. Международный симпозиум SPE по тепловым операциям и тяжелой нефти. Общество инженеров-нефтяников. Дои:10.2118 / 97907-MS. ISBN  978-1-61399-005-6. Получено 1 февраля, 2020.
  7. ^ а б Oloso, Munirudeen A .; Hassan, Mohamed G .; Бадер-эль-Ден, Мохамед Б .; Бьюик, Джеймс М. (1 июня 2017 г.). «Ансамбль SVM для характеристики вязкости сырой нефти». Журнал технологий разведки и добычи нефти. 8 (2): 531–546. Дои:10.1007 / s13202-017-0355-х.
  8. ^ Hossain MS, Sarica C, Zhang H-Q, et al (2005) Оценка и разработка корреляций вязкости тяжелой нефти. В: Международный симпозиум SPE по тепловым операциям и тяжелой нефти, SPE, Калгари, Альберта, Канада, 1–3 ноября 2005 г.
  9. ^ Ределиус, П. (2009), Асфальтены в битумах, что они собой представляют и чем не являются, 10, стр. 25–43, получено 1 февраля, 2020 Дои:10.1080/14680629.2009.9690234
  10. ^ а б Вернюк, Джейн (1 октября 2003 г.). «По следам динозавров». Канадский горный журнал. Получено 1 февраля, 2020.
  11. ^ Ашури, Сиаваш; Шарифи, Мехди; Масуми, Мохаммад; Мохаммад Салехи, Мехди (1 марта 2017 г.). «Взаимосвязь между фракциями SARA и стабильностью сырой нефти». Египетский нефтяной журнал. 26 (1): 209–213. Дои:10.1016 / j.ejpe.2016.04.002. ISSN  1110-0621. Получено 1 февраля, 2020.
  12. ^ а б c d е «Парафиновая пена». Журнал Oil Sands. 2017. Получено 30 января, 2020.
  13. ^ а б c d е «Объяснение добычи битума». Журнал Oil Sands. Получено 1 февраля, 2020.
  14. ^ а б Сачин Гоэль, Нияти Джоши, Мухаммад Сирадж Уддин, Самсон Нг, Эдгар Акоста, Арун Рамачандран. Межфазное натяжение границы раздела водоразбавленных битумов при высоких концентрациях битума, измеренных с помощью микрожидкостного метода. Ленгмюр 2019, 35 (48), 15710-15722. Дои:10.1021 / acs.langmuir.9b02253
  15. ^ Романова, У.Г .; Валина, М .; Стасюк, Э.Н .; Yarranton, H.W .; Schramm, L.L .; Shelfantook, W.E. (Сентябрь 2006 г.). «Влияние условий добычи битума из нефтеносных песков на эффективность обработки пены» (PDF). Журнал канадских нефтяных технологий. 45 (9): 36–45. Дои:10.2118/06-09-03. Получено 1 февраля, 2020.
  16. ^ "Исследовательские проекты". Исследования асфальтенов и эмульсий (AER). Получено 1 февраля, 2020.
  17. ^ а б Уэлш, Эдвард; Харви, Кристин (11 февраля 2013 г.), Кооператив потребителей закрывает коксовую установку на заводе в Саскачеване после пожара, Bloomberg
  18. ^ а б Винсент В. Роджерс; Карстен Либер и Майкл Д. Маккиннон (август 2002 г.). «Выделение и характеристика нафтеновых кислот из воды хвостохранилища нефтеносных песков Атабаски». Атмосфера. 48 (5): 519–527. Bibcode:2002Чмсп..48..519р. Дои:10.1016 / S0045-6535 (02) 00133-9. PMID  12146630.
  19. ^ Роджерс, Винсент В .; Wickstrom, Mark L .; Либер, Карстен; Маккиннон, Майкл Д. (2001). «Острая и субхроническая токсичность нафтеновых кислот из хвостов нефтеносных песков для млекопитающих». Токсикологические науки. 66 (2): 347–355. Дои:10.1093 / toxsci / 66.2.347. PMID  11896302. Получено 30 января, 2020.
  20. ^ а б c Льюис, Джефф (8 ноября 2011 г.). «СНС-Лавалин построит установку по очистке пены за 650 миллионов долларов: заказчик не разглашается, но сообщается, что это CNRL». Альберта Ойл. Архивировано из оригинал 27 марта 2015 г.. Получено 29 января, 2020.
  21. ^ а б "О нас". Проект нефтеносных песков Атабаски. 2008 г. В архиве из оригинала 7 февраля 2008 г.. Получено 7 февраля, 2008.
  22. ^ «Canadian Natural Resources Limited объявляет о приобретении рабочей доли в проекте разработки нефтеносных песков Атабаски и других активах нефтеносных песков» (Пресс-релиз). Marketwired. 9 марта 2017 г.
  23. ^ Пульсинелли, Оливия (8 мая 2018 г.). «Shell продает всю долю Canadian Natural Resources за 3,3 млрд долларов». Деловые журналы американского города.
  24. ^ «Imperial Oil - Kearl обзор». www.imperialoil.ca. Получено 19 мая, 2016.
  25. ^ а б c Беннетт, Дебора; Яремко, Джим; Бентейн, Нельсон (6 ноября 2018 г.). «На границе: Teck продвигает новые месторождения нефтесодержащих месторождений в новую эру развития энергетики». JWN Energy. Нефтяные пески и тяжелая нефть. Получено 30 января, 2020.
  26. ^ Амир Гаюр, Эдгар Акоста. Характеристика маслоподобного и поверхностно-активного поведения полярных масел. Langmuir 2019, 35 (47), 15038-15050. Дои:10.1021 / acs.langmuir.9b02732
  27. ^ Ю. А. Касас, Дж. А. Дюран, Ф. Ф. Шеггл, Х. В. Яррантон. Осаждение агрегатов асфальтенов в битуме, разбавленном н-алканами. Энергия и топливо 2019, 33 (11), 10687-10703. Дои:10.1021 / acs.energyfuels.9b02571
  28. ^ Цян Чен, Ци Лю. Битумное покрытие на глинистых минералах нефтеносных песков: обзор. Энергия и топливо 2019, 33 (7), 5933-5943. Дои:10.1021 / acs.energyfuels.9b00852
  29. ^ Колин Сарака, Рунжи Сюй, Марсио Б. Мачадо, Суджит Бхаттачарья, Самсон Нг, Сюзанна Креста. Обезвоживание некачественной битумной пены: время индукции и эффекты перемешивания. Энергия и топливо 2018, 32 (9), 10032-10041. Дои:10.1021 / acs.energyfuels.8b01613
  30. ^ Доминик Косиор, Эдвина Нго, Юмин Сюй. Агрегаты в обработке парафиновой пеной: оседающие свойства и структура. Энергия и топливо 2018, 32 (8), 8268-8276. Дои:10.1021 / acs.energyfuels.8b01656
  31. ^ Фэн Линь, Станислав Р. Стоянов и Юмин Сюй. Последние достижения в безводной экстракции битума из нефтеносных песков: обзор. Исследования и разработки органических процессов 2017, 21 (4), 492-510. Дои:10.1021 / acs.oprd.6b00357