克拉瑪依油砂溶劑萃取分離實驗研究

唐曉東，李斌，李晶晶，卿大詠，張洋勇，鄧杰義

(1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川成都 610500;2.西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，四川成都 610500)

油砂是一種表面被瀝青等重油包著的砂石，外觀似黑色的糖蜜，主要成分有瀝青、水、粘土和砂粒。不同地區(qū)油砂礦的組成不同，一般情況下，在油砂中瀝青等重油所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3% ～20%，無機礦物質(zhì)占80% ～85%，水占3% ～6%。隨著石油的不斷開采和重質(zhì)化，油砂作為非常規(guī)石油資源的主要來源，在世界能源供給中起著舉足輕重的作用。因此，對于油砂資源的開發(fā)研究，有利于開辟新的石油供給線，緩解目前日趨緊張的油氣供需關(guān)系。

目前世界上油砂主要以露天開采的方式采出，其開發(fā)的關(guān)鍵是油砂分離，早在20世紀(jì)初，Clark等［1］就開始從事油砂分離的研究。油砂分離工業(yè)在加拿大已經(jīng)工業(yè)化，具有完整的上中下游產(chǎn)業(yè)鏈。油砂分離主要有熱堿水水洗技術(shù)、有機溶劑萃取技術(shù)和熱解干餾技術(shù);其次還有超聲波分離技術(shù)、離子液體輔助分離技術(shù)、微乳液洗油技術(shù)以及水劑法分離技術(shù)［1-3］?？偟膩碚f，油砂分離技術(shù)主要分為含水體系與非含水體系兩大類，各種分離技術(shù)都存在較大問題，含水體系存在水用量大、水資源浪費、廢水處理以及環(huán)境污染等問題;非水體系存在溶劑用量大、溶劑損失、環(huán)境污染等問題。針對以上問題，筆者對克拉瑪依油砂開發(fā)出一種無水參與、零排放、低能耗、高收率的油砂分離技術(shù)。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

石油醚(30～60℃)、環(huán)己烷、正戊烷、正庚烷、CS2均為分析純;EOSA，自制;克拉瑪依油砂，含7.46%瀝青，1.30% 水，91.24% 的泥沙，呈黑色塊狀，粘附性強，將油砂搗碎篩分出粒度＜40目的砂子用于后續(xù)實驗。

250 mL索氏抽提器;WA.91-HJ6型電熱套;DGB120-002型臺式干燥箱;TG328B型電子分析天平;SHJ型水浴磁力攪拌器。

1.2 油砂含油率及油砂瀝青收率的測定

油砂及尾砂含油率按照加拿大Alberta省油砂管理局(AOSTRA)推薦的標(biāo)準(zhǔn)方法Dean-Stark甲苯抽提法［4］進行測定。測定尾砂含油率時，先將尾砂加熱至溶劑沸點以上，吸附在尾砂表面的溶劑全部揮發(fā)后再測定其含油率。

油砂瀝青的收率按下式計算:

式中 η——油砂瀝青的收率，%;

ω1——尾砂的含油率，%;

ω2——油砂含油率，%。

1.3 實驗方法

稱取50 g油砂，裝入平底燒瓶，按溶劑與油砂的比2 mL/g加入溶劑，進行加熱和攪拌，保持溫度30℃、攪拌時間在60 min，對油砂中的油砂瀝青進行萃取。萃取結(jié)束后將固液進行分離，液體通過蒸餾回收溶劑后得到油砂瀝青，固體烘干后用Dean-Stark甲苯抽提法測定其含油率，并計算油砂瀝青的回收率。

2 結(jié)果與討論

2.1 萃取溶劑的選擇

?。?0目的油砂顆粒50 g，分別選用7種溶劑作為萃取溶劑，在40℃、劑砂比4 mL/g、攪拌速率80 r/min、萃取時間60 min的條件下對克拉瑪依油砂進行萃取實驗，結(jié)果見表1。

由表1可知，甲苯、CS2和EOSA為溶劑時油砂瀝青的收率＞94.0%，由于甲苯有一定的毒性，且存在生產(chǎn)成本高、沸點高、難回收等原因，不適用于油砂萃取;CS2具有較低的沸點(46.25℃)，在常溫條件下能有效的將油砂分離［5］，但 CS2密度大(1.26 g/mL)，且易于油砂發(fā)生結(jié)塊，造成固液分離困難、溶劑損失嚴(yán)重;而復(fù)合溶劑EOSA對油砂瀝青具有很好溶解性，且密度小、不結(jié)塊、回收溫度低、能耗小。所以本文選擇EOSA作萃取劑對克拉瑪依油砂進行萃取實驗研究。

表1 不同溶劑對油砂瀝青收率的影響Table 1 The effect of different solvents on the yield of oil sands bitumen

2.2 萃取溫度對油砂瀝青收率的影響

取粒度＜40目的油砂50 g、按劑砂比2 mL/g加入100 mL萃取劑EOSA，在攪拌速率80 r/min和萃取時間60 min條件下，考察萃取溫度對油砂瀝青收率的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 萃取溫度對油砂瀝青收率的影響Fig.1 The effect of extraction temperature on yield of oil sands bitumen

由圖1可知，隨著溫度的升高，油砂瀝青的收率逐漸提高，這是因為溫度升高，油砂瀝青粘度降低，流動性增強，與砂的結(jié)合力降低;同時，溫度升高能增強傳質(zhì)效果，促進油砂瀝青與泥沙的分離。當(dāng)溫度升高到30℃時收率達到95.36%，溫度繼續(xù)升高，收率變化不大，但溫度＞45℃后，收率開始下降。這是因為溫度過高，溶劑揮發(fā)，影響萃取效果。因此，選擇30℃為最佳萃取溫度。

2.3 劑砂比對油砂瀝青收率的影響

以EOSA為溶劑，取粒度＜40目的油砂50 g，在30℃和80 r/min條件下攪拌萃取60 min，考察劑砂比對油砂瀝青收率的影響，結(jié)果見圖2。

由圖2可知，油砂瀝青收率隨著劑砂比的增大而提高，這是因為溶劑用量增加使得油砂瀝青與溶劑接觸更充分，同時增加液相與固相中溶質(zhì)的濃度差，提高傳質(zhì)效果。當(dāng)劑砂比達到2 mL/g時油砂瀝青收率達到95.36%，繼續(xù)增加溶劑用量，瀝青收率提高幅度很小，過多的溶劑用量會增加生產(chǎn)成本，因此選擇2 mL/g作為EOSA萃取油砂瀝青的最佳劑砂比。

圖2 劑砂比對油砂瀝青收率的影響Fig.2 The effect of solvent to oil sands ratio on yield of oil sands bitumen

2.4 萃取時間的影響

取粒度＜40目的油砂50 g，按劑砂比2 mL/g加入100 mL萃取劑EOSA，在30℃、80 r/min的條件下，考察萃取時間對油砂瀝青收率的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 萃取時間對油砂瀝青收率的影響Fig.3 The effect of extraction time on yield of oil sands bitumen

由圖3可知，隨著萃取時間的延長，油砂瀝青的收率得到提高，這是由于隨著萃取時間延長，溶劑不斷的浸入到油砂顆粒內(nèi)部，盡可能地與油砂瀝青接觸、溶解。萃取30 min時，收率達到95.36%;超過30 min后，溶質(zhì)在溶劑中已達飽和，再延長時間對收率的影響不夠明顯?？紤]到生產(chǎn)過程中的成本問題，選擇30 min作為EOSA的最佳萃取時間。

2.5 溶劑回收

萃取結(jié)束后進行固液分離，得到溶液和尾砂，分別通過蒸餾裝置回收液體和尾砂中的溶劑，并得到油砂瀝青和干尾砂，結(jié)果見表2。

由表2可知，將萃取得到的液體和固體分別在60～80℃下蒸餾40～50 min回收萃取劑，萃取劑收率達到99.21%。由于實驗室條件有限，在樣品轉(zhuǎn)移過程中難免會存在少量的損失，如果整個過程在密閉條件下操作，可保證溶劑全部回收。該工藝整個過程都在低于90℃條件下操作，能克服傳統(tǒng)方法的缺點，具有無水參與、零排放、低能耗、高收率等一系列優(yōu)點。

表2 溶劑回收Table 2 Solvent recovery

3 結(jié)論

(1)采用石油醚、環(huán)己烷、正戊烷、正庚烷、甲苯、CS2和EOSA對克拉瑪依油砂進行萃取分離實驗，其中甲苯、CS2和EOSA對油砂瀝青具有很好的溶解能力。由于甲苯有一定的毒性，且由于生產(chǎn)成本高、沸點高、難回收等原因不適用于油砂萃取;CS2密度大(1.26 g/mL)，且易與油砂發(fā)生結(jié)塊，造成固液分離困難;而自制的復(fù)合溶劑EOSA對油砂瀝青具有很好溶解性，且密度小、不結(jié)塊、回收溫度低、能耗小。所以本文選擇EOSA作為克拉瑪依油砂萃取分離的最佳溶劑。

(2)以EOSA為溶劑，當(dāng)油砂顆粒＜40目、萃取溫度為 30℃、劑砂比為 2 mL/g、萃取時間為30 min，克拉瑪依油砂瀝青收率達到95%以上。

(3)萃取結(jié)束后，控制溫度在60～80℃，加熱40～50 min，99%以上溶劑能回收，如果整個過程在密閉條件下操作，可以保證溶劑全部回收。該工藝整個過程都在低于90℃條件下操作，能克服傳統(tǒng)方法的缺點，具有無水參與、零排放、低能耗、高收率等一系列優(yōu)點。

［1］張舸，曹祖賓，楊帆，等.世界油砂分離技術(shù)進展［J］.天然氣工業(yè)，2008，28(12):110-113.

［2］張士元，李文深，劉潔.我國油砂資源利用的技術(shù)進展［J］.化學(xué)與粘合，2012，35(4):60-63.

［3］許修強，鄭德溫，徐金明，等.我國油砂分離技術(shù)研究進展［J］.現(xiàn)代化工，2010，30(8):12-15.

［4］Hepler L G，Chu Hsi.AOSTRA 油砂、瀝青、重質(zhì)油技術(shù)手冊［M］.梁文杰，澤.東營:石油大學(xué)出版社，1992:9-26.

［5］John E Stauffer.Extraction of bitumen from oil sands:US，20120074045A1［P］.2012-03-29.