印尼油砂油凈化的研究

孫 旭，劉 丹，張愛(ài)民，李文深，李東勝*，李曉鷗，李權(quán)江

（1.遼寧石油化工大學(xué) 化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部，遼寧 撫順 113001;2.中國(guó)石油天然氣股份有限公司 華北石化分公司，河北 任丘 062550）

印尼油砂油凈化的研究

孫 旭1，劉 丹1，張愛(ài)民2，李文深1，李東勝1*，李曉鷗1，李權(quán)江1

（1.遼寧石油化工大學(xué) 化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部，遼寧 撫順 113001;2.中國(guó)石油天然氣股份有限公司 華北石化分公司，河北 任丘 062550）

水洗法分離印尼油砂制得的油砂油，其密度大、黏度高以及機(jī)械雜質(zhì)含量高等性質(zhì)嚴(yán)重影響加工和利用。通過(guò)改變油砂油的黏度和密度，可以降低機(jī)械雜質(zhì)的含量，有利于提高油砂油的質(zhì)量。試驗(yàn)采用自然沉降法對(duì)印尼油砂油進(jìn)行凈化，分別考察了沉降時(shí)間、輕油加入量和沉降溫度等因素對(duì)凈化效果的影響，探尋最佳的操作條件。結(jié)果表明：在沉降時(shí)間為72h，輕油加入量為40%，沉降溫度為90℃的條件下，可以有效降低油砂油中機(jī)械雜質(zhì)的含量，使機(jī)械雜質(zhì)含量小于0.1%。

油砂油；凈化；自然沉降；因素

前言

隨著常規(guī)石油資源的枯竭，油砂等非常規(guī)石油資源日益受到全球的關(guān)注[1]，其供應(yīng)和利用將對(duì)未來(lái)世界能源的安全提供有力的保障。為緩解常規(guī)原油的供應(yīng)緊張局面，油砂油等非常規(guī)能源被轉(zhuǎn)化成輕質(zhì)原油進(jìn)行利用越來(lái)越普遍[2]。油砂油[3]，亦稱油砂瀝青，外觀呈黑褐色，是一類高黏度、高含水、高機(jī)械雜質(zhì)且流動(dòng)性較差的重質(zhì)原油[4]。水洗法分離油砂油[5～8]主要是利用油砂和水劑反應(yīng)來(lái)達(dá)到驅(qū)油的目的。試驗(yàn)中產(chǎn)生的氣體相當(dāng)于空氣法中的空氣作用，能夠降低油砂之間的表面張力，試驗(yàn)中氣體的產(chǎn)生把油砂油攜帶到上層[9]。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，油砂中大部分的砂子反應(yīng)消失同時(shí)生成氣體，在二者共同作用下實(shí)現(xiàn)油砂的分離。水劑溶解了油砂中大部分的砂子，還有一定量的砂子混合在油砂油中形成機(jī)械雜質(zhì)。印尼油砂油性質(zhì)比遼河曙一區(qū)超稠原油[10]（密度0.9977g/cm3，黏度1223.9mm2/s，水分2.85%，機(jī)械雜質(zhì)0.27%）還差，其機(jī)械雜質(zhì)含量高達(dá)17.5%，對(duì)后續(xù)加工很不利，必須對(duì)粗油砂油進(jìn)行凈化處理。對(duì)于高機(jī)械雜質(zhì)的粗油砂油，一般常用的原油凈化技術(shù)（如電化學(xué)技術(shù)[11-12]、過(guò)濾技術(shù)等）很難對(duì)其進(jìn)行處理。根據(jù)原油凈化技術(shù)并結(jié)合油砂油自身黏度高、密度大的特性，本試驗(yàn)擬采用加熱自然沉降技術(shù)對(duì)油砂油進(jìn)行凈化。自然沉降廣泛應(yīng)用于原油預(yù)處理中，該技術(shù)具有設(shè)備簡(jiǎn)單、綠色環(huán)保、操作容易等優(yōu)點(diǎn)[13]。此外，沉降溫度升高一方面可以有效降低油品的黏度，另一方面可以有效地增加雜質(zhì)粒子之間相互碰撞的可能，進(jìn)而使沉降速度增大[14]。本試驗(yàn)中油砂油經(jīng)過(guò)處理，可以有效降低油砂油中機(jī)械雜質(zhì)的含量，使其含量低于0.1%，滿足原油中機(jī)械雜質(zhì)的要求[15]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

由實(shí)驗(yàn)室低溫水洗分離出的印尼油砂油，性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 油砂油性質(zhì)Table 1 The properties of the sands oil

1.2 油砂油機(jī)械雜質(zhì)含量的測(cè)定[16]

油砂油機(jī)械雜質(zhì)含量是根據(jù)GB/T 511—2010測(cè)定，具體步驟：將油砂油溶于甲苯中，靜置2h后，然后將兩者混合溶液進(jìn)行減壓過(guò)濾，將帶有機(jī)械雜質(zhì)的濾紙放入已恒重的稱量瓶中并置于烘箱中干燥2h，取出稱量瓶放置于干燥器中冷卻30min，稱量。油品的機(jī)械雜質(zhì)含量（%，m/m）按下式進(jìn)行計(jì)算：

X=（M3—M2）/M1×100%

M3：帶有機(jī)械雜質(zhì)的濾紙和稱量瓶的質(zhì)量，g

M2：濾紙和稱量瓶的質(zhì)量，g

M1：油砂油的質(zhì)量，g

測(cè)定值均以質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示。

1.3 試驗(yàn)原理

由于低溫水洗法提取得到的油砂油的凝點(diǎn)高，黏度大（流動(dòng)性差），導(dǎo)致了在里面包裹的細(xì)小砂礫及雜質(zhì)的很難去除。試驗(yàn)主要采用恒溫加輕油稀釋瀝青油的方法，這樣不僅保證了油品良好的流動(dòng)性，增加了油與機(jī)械雜質(zhì)之間的密度差，還在某些程度上進(jìn)一步改善了油品的性質(zhì)，使處理完的油砂油的利用空間更大。

根據(jù)斯托克斯沉降公式[17]

μt—球形顆粒的自由沉降速度，[m/s];

dp—顆粒直徑，[m]；

ρs—顆粒密度，[kg/m3]；

ρ—流體密度，[kg/m3]；

g—重力加速度[m/s2]；

μ—流體的動(dòng)力黏度[p·s]

從公式可以看出顆粒的沉降速率和本身的顆粒密度，直徑及流體的黏度和密度有很大關(guān)系。試驗(yàn)中所測(cè)顆粒的密度及直徑都是不變的，可以得出顆粒的沉降速率與流體的黏度及密度有關(guān)。依據(jù)沉降公式中的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以得到，油品的黏度和密度越小，相應(yīng)的顆粒沉降的速度也就越大。通過(guò)摻入輕油可以有效降低油品的黏度和密度，增大油品的流動(dòng)性，進(jìn)而顆粒沉降速度增大，粒徑小的顆粒能夠沉降下來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)油品的凈化。

1.4 試驗(yàn)方法

根據(jù)斯托克斯沉降公式，顆粒的沉降速率和介質(zhì)的黏度、密度有關(guān)，如果有效地降低油品的黏度，減小油品的密度會(huì)使雜質(zhì)有效地得到沉降。本試驗(yàn)采用恒溫加溶劑法進(jìn)行自然沉降，具體操作為：向250mL的量筒內(nèi)加入輕油稀釋的油樣，在一個(gè)因素（沉降時(shí)間、輕油量和沉降溫度等）固定的操作條件下放在烘箱中進(jìn)行自然沉降。經(jīng)過(guò)設(shè)定的時(shí)間（24h、48h或72h）后，用實(shí)驗(yàn)室自制的大口吸管對(duì)試樣由上至下每隔2cm進(jìn)行取樣，并通過(guò)樣品的機(jī)械雜質(zhì)含量來(lái)確定油品的沉降效果好壞。再根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制沉降高度比（其中樣品高度為260mm，高度比為取樣高度與樣品總高度的比值）和機(jī)械雜質(zhì)之間的規(guī)律曲線做出曲線，依據(jù)曲線來(lái)進(jìn)一步觀察和分析沉降時(shí)間、輕油的加入量和沉降溫度對(duì)沉降效果的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 沉降時(shí)間對(duì)沉降改質(zhì)效果的影響

圖1 沉降時(shí)間對(duì)油砂油改質(zhì)的影響Fig.1 The effect of setting time on the modification for sands oil

測(cè)試結(jié)果如圖1所示。試驗(yàn)條件為：輕油量40%，沉降溫度90℃，分別沉降48h、72h和96h。從圖1可知，在高度比小于0.4時(shí)，同一高度下，增加沉降時(shí)間，可提高油砂油的脫雜質(zhì)量。這說(shuō)明改質(zhì)的好壞與沉降時(shí)間具有重要關(guān)系。在一定的時(shí)間范圍內(nèi)，沉降時(shí)間越長(zhǎng)越有利于雜質(zhì)含量的降低。但沉降72h和96h時(shí)，油砂油中雜質(zhì)含量變化趨勢(shì)不太明顯，這是由于隨著沉降時(shí)間的增加，未沉降雜質(zhì)的顆粒粒徑越來(lái)越小，進(jìn)而使沉降速率變小，雜質(zhì)的沉降和分離變得很困難，改質(zhì)效果不明顯。因此，沉降時(shí)間選擇72h為宜。

2.2 輕油加入量對(duì)沉降改質(zhì)效果的影響

在沉降時(shí)間為72h，沉降溫度為90℃的條件下，分別考察了不同輕油加入量的改質(zhì)效果，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，增大輕油的加入量時(shí)，可提高油砂油改質(zhì)的效果。這主要是根據(jù)相似相容原理，摻入輕油可以有效降低油品的黏度和密度，增大油品的流動(dòng)性。由斯托克斯公式可知，密度和黏度的降低可以增大雜質(zhì)顆粒的沉降速度，使沉降效果更加明顯。在高度比小于0.3的范圍內(nèi)，輕油加入量為40%和50%時(shí)，機(jī)械雜質(zhì)含量皆能達(dá)到小于0.1%的要求，改質(zhì)效果非常顯著。出現(xiàn)相似效果的原因是輕油到達(dá)一定量時(shí)，油砂油的密度和黏度基本不變，根據(jù)斯托克斯公式，沉降速度也近似不變，因此改質(zhì)能力達(dá)到極限。如果繼續(xù)增加，消耗的輕油的成本迅速增加，也給油砂油的后續(xù)利用增加了很大的附加成本。因此，推薦輕油加入量為40%。

圖2 輕油加入量對(duì)油砂油改質(zhì)的影響Fig．2 The effect of amount of light oil on the modification for sands oil

2.3 溫度對(duì)沉降改質(zhì)效果的影響

經(jīng)過(guò)前期反復(fù)研究表明，油砂油在自然沉降時(shí)的沉降溫度應(yīng)選取80～95℃左右。這是因?yàn)楫?dāng)沉降溫度小于80℃時(shí)，油砂油的流動(dòng)性較差，不利于雜質(zhì)的沉降。因此，選擇在沉降時(shí)間為72h，稀油量為40%的條件下，分別在80℃，85℃，90℃，95℃的溫度下進(jìn)行沉降試驗(yàn)。結(jié)果如圖3所示。

圖3 沉降溫度對(duì)油砂油改質(zhì)的影響Fig．3 The effect of setting temperature on the modification for sands oil

由圖3可知，在高度比小于0.3時(shí)，隨著溫度的升高，改質(zhì)的效果逐漸變好。根據(jù)斯托克斯公式，沉降速度與黏度成反比。當(dāng)溫度升高時(shí)，油砂油的黏度變小，沉降速度變大，改質(zhì)效果較好。而沉降溫度為90℃和95℃時(shí)，油砂油的黏度變化不大，因此，沉降效果相差不大?？紤]到溫度上升帶來(lái)的能耗和設(shè)備的成本問(wèn)題，建議采用90℃進(jìn)行沉降。

3 結(jié)論

（1）系統(tǒng)考察了沉降時(shí)間、輕油加入量和沉降溫度等條件對(duì)印尼油砂油凈化效果的影響。通過(guò)對(duì)上述各影響因素的考察，得出了印尼油砂油凈化的最佳操作條件：沉降時(shí)間為72h，輕油加入量為40%，沉降溫度為90℃。

（2）在上述最佳操作條件下，油砂油中機(jī)械雜質(zhì)含量降至0.04%，取得了很好的凈化效果。

［1］ NIU J Y，HU J Y．Formation and distribution of heavy oil and tar sands in China［J］．Mar Pet Gcol，1999，16（1）：85～95．

［2］ 劉立平，申志兵，曹祖賓，等．內(nèi)蒙油砂瀝青減粘裂化生產(chǎn)原料油工藝研究［J］．鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，28（3）：100～106．

［3］ 李術(shù)元，王劍秋，錢(qián)家麟．世界油砂資源的研究及開(kāi)發(fā)利用［J］．中外能源，2011，16（5）：10～23．

［4］ 趙金花，趙德智，王童，等．內(nèi)蒙古油砂油的綜合評(píng)價(jià)［J］．石油煉制與化工，2007，38（2）：15～17．

［5］ 李建柱，李曉鷗，封瑞江，等．水劑法分離油砂技術(shù)的研究［J］．石化技術(shù)與應(yīng)用，2010，28（4）：312～315．

［6］ 嚴(yán)格．內(nèi)蒙古油砂熱堿水洗分離試驗(yàn)研究［J］．油田化學(xué)，2005，22（4）：375～377．

［7］ 張一舸，曹祖賓，楊帆，等．世界油砂分離技術(shù)進(jìn)展［J］．天然氣工業(yè)，2008，28（12）：110～113．

［8］ 許修強(qiáng)，鄭德溫，徐金明，等．我國(guó)油砂分離技術(shù)研究進(jìn)展［J］．現(xiàn)代化工，2010,30（8）：12～17．

［9］ 劉殿君，吉豪杰，楊燕,等．水劑空氣化分離油砂的研究［J］．廣州化工，2006，34（1）：41～42．

［10］ 孫大權(quán)，廖克儉，閆峰，等．遼河超稠原油加工方案的初步研究［J］．石油煉制與化工，2000，31（11）：21～24．

［11］ 姜佳麗，茍社全，達(dá)建文，等．原油破乳研究進(jìn)展［J］．化工進(jìn)展，2009,28（2）：214～221．

［12］ 寇拴虎，陳梅，陳俊發(fā)，等．高含鹽原油的深度脫鹽［J］．石油煉制與化工，2001,32（2）27～29．

［13］ 周淼．原油脫鹽脫水方法進(jìn)展概述［J］．內(nèi)蒙古石油化工，2013，11：101～103．

［14］ 鄭宗孝．勝利混合原油的電脫鹽技術(shù)總結(jié)［J］．勝煉科技，2003，25（2）:14～17．

［15］ 劉文軍．汽輪機(jī)油機(jī)械雜質(zhì)指標(biāo)的確定及其控制［J］．設(shè)備管理與維修，2004（7）．33～33．

［16］ 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)．GB/T 511－2010，石油和石油產(chǎn)品及添加劑機(jī)械雜質(zhì)測(cè)定法［S］．北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2010．

［17］ 夏青，陳長(zhǎng)貴．化工原理（上冊(cè)）［M］．天津：天津大學(xué)出版社, 2007:136～200．

Research on Purification of Indonesian Sands Oil

SUN Xu1,LIU Dan1,ZHANG Ai-min2,LI Wen-shen1,LI Dong-sheng1,Li Xiao-ou1and LI Quan-jiang1
（1.College of Chemistry,Chemical Engineering and Environmental Engineering,Liaoning Shihua University,Fushun 113001,China;2.North China Petrochemical Company,PetroChina,Renqiu 062550,China）

The sands oil can be obtained from Indonesian sands by water separation.However it is hard to process and use sands oil for its high content of mechanical impurities,high density and viscosity.The content of mechanical impurities can be reduced by changing density and viscosity of the sands oil,which will help to improve the quality of sands oil.The free setting method is adopted to purify Indonesian sands oil;three factors are investigated to explore its optimum process conditions,such as the time,the amount of light oil and the temperature.The results show that the mechanical impurities can be reduced efficiently and its content was less than 0.1%by a 72h free setting at 90℃with adding 40%light oil.

Sands oil;purified;free setting;factor

TE 624.1

A

1001-0017（2015）02-0129-03

2014-11-27

孫旭（1989-），男，山東菏澤人，在讀碩士生，研究方向?yàn)榉浅Ｒ?guī)石油資源的利用。E-mail:sunxulnpu@126.com

*通訊聯(lián)系人