超臨界二氧化碳萃取在石油工業(yè)中的應(yīng)用探究

李 敏 潔

（新疆輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，　新疆 烏魯木齊 830021）

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超臨界二氧化碳萃取在石油工業(yè)中的應(yīng)用探究

李 敏 潔

（新疆輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830021）

隨著化工工程的發(fā)展，超臨界技術(shù)得以發(fā)展并被廣泛的應(yīng)用到了各個領(lǐng)域之中，尤其是石油化工行業(yè)。二氧化碳、乙醇、丙烯等氣體都可作為流體萃取的溶劑，而在石油工業(yè)中，二氧化碳萃取具有獨特的優(yōu)勢。對以二氧化碳為溶劑的超臨界流體萃取技術(shù)在石油工業(yè)中的應(yīng)用情況進(jìn)行分析與探究。

超臨界流體萃取技術(shù)；石油工業(yè)；二氧化碳

超 臨 界 流 體 萃 取 （ Supercritical Fluid Extraction）是一種環(huán)境友好型化工高新技術(shù)，有著高效率、能耗低、實用性強(qiáng)的優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、石油工業(yè)、環(huán)保等多種領(lǐng)域。超臨界流體是一種同時具有氣體和液體性質(zhì)的流體，黏度小、密度大、擴(kuò)散系數(shù)強(qiáng)，溶解特性和傳質(zhì)特性優(yōu)異，尤其是在臨界點附近，對壓力和溫度十分敏感。超臨界流體從上世紀(jì)70年代開始就受到了廣泛關(guān)注，尤其是在萃取技術(shù)方面的應(yīng)用已經(jīng)投入到工業(yè)化階段，明顯提高了萃取技術(shù)的工業(yè)水平。

1　超臨界萃取技術(shù)的原理分析

在某一臨界溫度下，物質(zhì)的氣相和液相之間的界限將變得模糊，此時的物質(zhì)既非液相也非氣相，僅有一臨界狀態(tài)，這是的溫度和壓力就稱為物質(zhì)的臨界溫度和臨界壓力。

如圖1，超臨界流體是一種溫度高于臨界溫度，壓力超過臨界壓力狀態(tài)的流體，圖中以 SF所在位置表示，該流體存在于溫度、壓力均超過臨界壓力的狀態(tài)下。在物相平衡圖中，S、L、V、SF分別為固相、液相、氣相和超臨界相，只有溫度壓力均超過臨界點，物質(zhì)才能夠呈現(xiàn)出超臨界相。

圖1　純物質(zhì)相平衡圖Fig.1 Pure substance phase equilibrium diagram

如表1，超臨界相流體表現(xiàn)出和其他相態(tài)迥異的性質(zhì)，例如有著和液體相近的密度和溶劑化能力。

表1　氣相、液相、超臨界相物理性質(zhì)比較Table 1 The gas phase， liquid phase and physical properties of supercritical phase

但是粘度、擴(kuò)散系數(shù)等性質(zhì)又和氣體相當(dāng)，而且在臨界點附近，溫度、壓力的變化會導(dǎo)致流體其他物理化學(xué)性質(zhì)如密度、價電常數(shù)發(fā)生很大變化，即便不改變流體的化學(xué)組成，調(diào)整其所處環(huán)境的溫度和壓力，就能夠大幅度改變流體的物化性質(zhì)［1］。

工業(yè)規(guī)模的超臨界萃取多以超臨界相二氧化碳為萃取劑，二氧化碳三相平衡點（T=-56.6 ℃，P=0.518 MPa），氣液兩相平衡點（T=31.4 ℃，P=7.38 MPa），氣液兩相平衡點位置，二氧化碳?xì)庖簝上嚯y辨，繼續(xù)升高壓力和溫度，二氧化碳將處于超臨界狀態(tài)，氣體為占優(yōu)勢相，但是仍然保留著液相的一些屬性。工業(yè)級超臨界二氧化碳萃取有恒溫降壓、恒壓升溫兩種方式，恒溫降壓萃取相減壓，恒壓萃取相升溫，通過環(huán)境變化使超臨界流體失去溶解能力，從而分離溶質(zhì)，回收溶劑，溶劑的可回收性能很強(qiáng)［2］。

2　二氧化碳作為超臨界流體萃取優(yōu)勢

能夠用于超臨界萃取的溶劑有二氧化碳、乙烯、乙烷、丙烷、丙烯、氨、乙醇、正庚烷、甲苯等，但是相比之下，二氧化碳在工業(yè)級應(yīng)用中有著更大的優(yōu)勢。超臨界狀態(tài)下，二氧化碳分子之間作用力小但是密度很大，為比較穩(wěn)定的氣液不可分狀態(tài)，不會形成相界，更不會出現(xiàn)相際效應(yīng)，提高了萃取效率，有效降低了能耗。

2.1工作條件要求相對較低

二氧化碳?xì)庖合嗥胶恻c（T=31.4 ℃，P=7.38 MPa），臨界溫度只比室溫稍高，壓力條件也比較容易達(dá)到，因此營造二氧化碳?xì)庖撼R界相氛圍的操作條件比較簡單，工藝可達(dá)性較好，并且二氧化碳是一種惰性氣體，不會導(dǎo)致一些熱敏物質(zhì)和耐熱性物質(zhì)的降解變質(zhì)，且自身的安全性很高，而乙烯、丙烯等烴類物質(zhì)高溫下有爆炸的危險［3］。

2.2非極性溶劑

二氧化碳是非極性溶劑，因此能夠?qū)Ψ菢O性化合物表現(xiàn)出更好的親和力，高效率的從天然物質(zhì)中選擇性分離萃取有效成分或者脫除無效成分。

2.3物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定

二氧化碳化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，無毒、無色、無味，不會造成環(huán)境和提取劑的污染，并且室溫下二氧化碳為氣態(tài)，所以萃取產(chǎn)物中不會出現(xiàn)二氧化碳?xì)埩?。并且二氧化碳?xì)怏w的制備工藝要比其他萃取劑簡單，原料成本低，不會燃燒，還能夠防止氧化，抑制細(xì)菌是一種工藝簡單，效率高并且能耗低的優(yōu)質(zhì)萃取劑［4］。

3　超臨界二氧化碳流體在石油工業(yè)中的應(yīng)用

超臨界二氧化碳流體在石油工業(yè)中的應(yīng)用十分廣泛，從油氣藏勘查、開采再到石油化工行業(yè)都有應(yīng)用，尤其是在油氣開采中，使用超臨界二氧化碳流體作為壓裂液，能夠提高油田開采效率和對枯竭油田的開采能力，而在石油化工工業(yè)中的應(yīng)用相對較少，因為超臨界丙烯等有機(jī)萃取劑在石油煉制和有機(jī)物溶解萃取方面表現(xiàn)更好。

3.1油氣勘探

地表石油天然氣的化學(xué)勘探方法一般都是以地表土壤、巖石作為工作介質(zhì)，采用微量或者超微量測試方法，檢測油氣、伴生物的分布情況和遷移過程中能夠出現(xiàn)的衍生物，以此作為評判指標(biāo)，判斷深部是否存在油氣藏。使用超臨界二氧化碳流體進(jìn)行油氣勘探，應(yīng)用了二氧化碳在超臨界狀態(tài)下對樣品介質(zhì)特殊的穿透性能，能夠快速萃取樣本中的烴類物質(zhì)。我國的勝利油田在勘探工作中就應(yīng)用了超臨界二氧化碳流體化學(xué)勘探方法，取得了理想的成果，為油氣藏的勘查提供了重要線索。

3.2油氣開采

3.2.1超臨界二氧化碳鉆井液

關(guān)于超臨界二氧化碳在石油鉆井中的應(yīng)用嘗試，最早出現(xiàn)在2000年，J.J.Koue等在巖泥、大理巖、花崗巖地層中進(jìn)行了超臨界二氧化碳射流破巖實驗，實驗中發(fā)現(xiàn)超臨界二氧化碳射流爆破有著遠(yuǎn)低于水的破巖門限壓力，得益于超臨界二氧化碳更強(qiáng)的滲透性能。2005年，路易斯安那州立大學(xué)的超臨界二氧化碳鉆井液現(xiàn)場試驗證明應(yīng)用超臨界二氧化碳作為深度欠平衡鉆井液是可行的，鉆具內(nèi)的二氧化碳處于超臨界狀態(tài)，其形狀更加接近液體，為動力鉆具提供足夠的動力，而二氧化碳進(jìn)入環(huán)空，壓力下降，二氧化碳將從超臨界狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，維持井底的欠平衡，完成井底欠平衡→平衡→過平衡的鉆井狀態(tài)轉(zhuǎn)化，提高了對枯竭油藏的開采能力。

3.2.2超臨界二氧化碳驅(qū)油

二氧化碳的超臨界溫度和油藏溫度接近，向油藏中注入高壓二氧化碳，二氧化碳部分溶解在石油中，會導(dǎo)致石油體積膨脹從而有效降低石油粘度，而且石油中易揮發(fā)組分蒸發(fā)產(chǎn)生的富集氣體在前進(jìn)過程中通過和未注入高壓超臨界二氧化碳的油藏相互接觸作用，可能會形成互溶狀態(tài)，氣相和殘存液態(tài)油藏之間界面張力很小，氣體滲入油藏孔隙，能夠?qū)埓媸陀行е脫Q出來，從而明顯提高油藏的采收率。

3.2.3超臨界二氧化碳壓裂技術(shù)

將超臨界二氧化碳應(yīng)用在石油鉆井中，作為工作液顯然是有著很多優(yōu)勢的，但是在實際應(yīng)用中卻面臨著粘度不足的問題，導(dǎo)致超臨界二氧化碳壓裂液體系的攜巖能力不強(qiáng)，造縫能力不足，現(xiàn)場施工比較困難［5］。

為了改變這種情況，可在超臨界二氧化碳流體中加入發(fā)泡劑，制造超臨界二氧化碳泡沫改善二氧化碳超臨界流體黏度不足的情況，發(fā)泡劑產(chǎn)生惰性氮氣泡沫，提高了壓裂體系黏度的同時不會對其破壞性造成影響。超臨界二氧化碳流體氮氣泡沫壓裂液體系黏度更高，造縫性能更強(qiáng)，并且該壓裂液體系不再需要添加其他攜砂液、增粘劑等添加劑，能夠消除毛細(xì)管力導(dǎo)致的流體滯留和黏土膨脹，減少了對油層地層結(jié)構(gòu)的破壞，而和常規(guī)壓裂體系相比，超臨界二氧化碳氮氣泡沫體系的返排時間更短，需要的設(shè)備費用也更低，壓裂施工結(jié)束之后，二氧化碳將逐漸氣化快速回到地表，不會在油層中留下壓裂液殘渣。

3.3石油煉制

在石油化工中，二氧化碳超臨界流體萃取多用于重油改質(zhì)，如Kerr-Mcgee公司與UOP公司聯(lián)合開發(fā)的ROSE渣油脫瀝青工藝已經(jīng)工業(yè)化運轉(zhuǎn)多年。Shi等進(jìn)一步提高了超臨界二氧化碳的工作壓力，成功萃取分離了減壓渣油系統(tǒng)中碳原子數(shù)在15～17范圍內(nèi)的窄餾分。在石油化工中應(yīng)用超臨界二氧化碳的研究較少，因為相比之下，超臨界丙烷等輕烴類溶劑對有機(jī)物溶解萃取效果優(yōu)于二氧化碳，但是近期也有報道德國和俄羅斯已經(jīng)率先在油料脫瀝青中應(yīng)用了超臨界二氧化碳流體萃取技術(shù)。

4　結(jié)束語

超臨界二氧化碳流體萃取是一種環(huán)境友好的萃取技術(shù)，在石油化工中的有著廣泛的應(yīng)用，無論是石油勘查、開采還是石油化工工業(yè)中，超臨界二氧化碳萃取技術(shù)都能夠發(fā)揮出重要的作用，有著原材料成本低、工作條件易達(dá)、性能穩(wěn)定、萃取效果好、無殘留、安全無毒、無燃爆風(fēng)險、無殘渣的優(yōu)勢，在石油工業(yè)中有著廣闊的應(yīng)用前景。

［1］ 王在明.超臨界二氧化碳鉆井液特性研究［D］.北京：中國石油大學(xué)，2014.

［2］ 邱正松，謝彬強(qiáng)，王在明，沈忠厚.超臨界二氧化碳鉆井流體關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.石油鉆探技術(shù)，2012（02）：12-20.

［3］ 曾莉莉，陳良飛，劉德磊，趙品文.超臨界二氧化碳萃取在石油工業(yè)中的應(yīng)用［J］.廣東化工，2013（05）：32-35.

［4］ 杜玉昆，王瑞和，倪紅堅，霍洪俊，黃志遠(yuǎn)，岳偉民，趙煥省，趙博.超臨界二氧化碳射流破巖試驗［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012（04）：8-12.

［5］ 袁平.高含硫化氫二氧化碳?xì)馓镢@井的超臨界態(tài)相變與井控安全［D］.成都：西南石油大學(xué)，2013.

Application of Supercritical Carbon Dioxide Extraction in the Oil Industry

LI Min-jie
(Xinjiang Light Industry Professional Technology Institute, Xinjiang Urumqi 830021， China）

With the development of chemical engineering, supercritical fluid technology obtains rapid development and has been widely applied in various fields, especially petroleum and chemical industry. Carbon dioxide, ethanol, propylene gas can be used as fluid extraction solvents, and in the oil industry, carbon dioxide extraction has unique advantages. In this paper, application of carbon dioxide supercritical fluid extraction technology in petroleum industry were analyzed and explored.

supercritical fluid extraction technology; oil industry; carbon dioxide

李敏潔（1976-），女，新疆烏魯木齊市人，講師，工程碩士，1999年畢業(yè)于天津工業(yè)大學(xué)高分子材料與工程專業(yè)，研究方向：化學(xué)工程，現(xiàn)任教于新疆輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院。E-mail：592377935@qq.com。

TQ 028

A

1671-0460（2016）05-0954-03

2015-12-20