超聲沉降法強化脫除印尼油砂油中機械雜質(zhì)

富 玉， 李曉鷗， 李鶴鳴， 李東勝， 李文深， 喬 波

(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)

超聲沉降法強化脫除印尼油砂油中機械雜質(zhì)

富 玉， 李曉鷗， 李鶴鳴， 李東勝， 李文深， 喬 波

(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)

以含機械雜質(zhì)較高的印尼油砂油為實驗對象，采用超聲沉降法進行了強化脫除油砂油中機械雜質(zhì)的實驗研究。通過單因素實驗考察超聲波分離時間、焦化柴油質(zhì)量分數(shù)、沉降時間、沉降溫度對油砂油機械雜質(zhì)脫除率的影響，通過正交實驗確定印尼油砂油破乳除雜的適宜條件。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)沉降法相比，采用超聲沉降法油砂油機械雜質(zhì)的脫除率提高10%以上。在實驗條件范圍內(nèi)，隨著焦化柴油質(zhì)量分數(shù)、超聲沉降時間、沉降溫度的增加，油砂油中機械雜質(zhì)質(zhì)量分數(shù)逐漸減小，機械雜質(zhì)的脫除率逐漸增大，其中焦化柴油質(zhì)量分數(shù)對精制油機械雜質(zhì)質(zhì)量分數(shù)影響最為顯著。采用超聲沉降法脫除印尼油砂油機械雜質(zhì)的適宜條件為：沉降溫度80 ℃，超聲沉降時間4.4 h，超聲波分離時間10.4 min，焦化柴油質(zhì)量分數(shù)為30.9%。在此條件下，油砂油中最小機械雜質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為0.26%。

印尼油砂油； 超聲波時間； 焦化柴油摻量； 沉降時間； 沉降溫度； 機械雜質(zhì)

隨著工業(yè)革命的推進，石油成為衡量一個國家經(jīng)濟發(fā)展水平的主要標準，其關(guān)系到國家的經(jīng)濟命脈和能源安全，在國民經(jīng)濟、國防和社會發(fā)展中具有極其重要的地位和作用[1-2]。石油資源需求增大，造成石油資源短缺。因此，人們逐漸關(guān)注非常規(guī)石油資源的開發(fā)。作為非常規(guī)能源的油砂瀝青儲量很大，統(tǒng)計表明，油砂油折合成重質(zhì)油的總質(zhì)量為(3～6)×1011t[3-4]，其中印度尼西亞布敦島的油砂資源超過了30億t，經(jīng)過分析測試，印尼油砂中油質(zhì)量分數(shù)在20%以上，油質(zhì)量分數(shù)相對較高，具有極高的經(jīng)濟開采前景[5]。但通過熱堿水洗法、有機溶劑萃取法、熱干餾法等[6-10]分離出來的油砂油含有10%～30%的機械雜質(zhì)，阻礙了油砂油的利用。國內(nèi)外研究表明，油砂油的凈化一般采用原油的凈化方法，如自然沉降、微波輻射法、電脫鹽法、離心分離法、超聲波分離法等。高品質(zhì)的油砂油不僅使油砂開發(fā)的經(jīng)濟利益大大提高，也使我國油砂資源得到了更好的利用，為我國石油資源的短缺填補了后備力量。其中超聲波技術(shù)工藝簡單，操作方便，成本低廉，環(huán)保性和安全性高，是很有發(fā)展前景的新型方法。

超聲波是一種在介質(zhì)中傳播的彈性機械波，具有機械振動、空化和熱作用。它與傳聲介質(zhì)的相互作用，可以改變甚至破壞介質(zhì)的狀態(tài)、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)等。隨著超聲波技術(shù)的不斷創(chuàng)新，已將超聲波輔助破乳應(yīng)用于原油、污油、老化油、油砂油等[11-14]。超聲沉降法強化油砂油除雜的關(guān)鍵是降低油/水界面膜的表面張力，經(jīng)過超聲波清洗后，在機械振動的作用下使水滴分子間相互碰撞并且聚合，大量的機械雜質(zhì)產(chǎn)生位移。通過向油砂油中加入焦化柴油，有利于降低油品的黏度，沉降機械雜質(zhì)。利用超聲波的機械振動和位移效應(yīng)，溶于水中的機械雜質(zhì)聚集變大實現(xiàn)破乳，根據(jù)油水密度的不同，在重力作用下沉降分離，達到破乳除雜的目的[15-19]。

1 實驗部分

1.1 原料及儀器設(shè)備

甲苯(分析純，沈陽東興試劑廠)，體積分數(shù)95%乙醇(分析純，沈陽東興試劑廠)，焦化柴油(中國石油撫順石化公司)。

電子分析天平(FA2004B，上海精科天美科學(xué)儀器有限公司)；電熱鼓風(fēng)干燥箱(DHG-914OA，上海一恒科學(xué)儀器有限公司)；電熱恒溫鼓 (DHG-9070A，上海精宏實驗設(shè)備有限公司)；鼓風(fēng)干燥箱(上海精宏實驗設(shè)備有限公司)；旋片真空泵(ZXL-1，上海真空泵廠)；超聲波清洗機(深圳市德瑞超聲波設(shè)備有限公司)；超級恒溫水浴(LB801-2，遼陽市恒溫儀器廠)。

印度尼西亞油砂油呈黑色或黑褐色，屬于高黏度、高機械雜質(zhì)的重質(zhì)原油，在常溫下具有很差的流動性。油砂油性質(zhì)見表1。

表1 油砂油性質(zhì)

1.2 實驗方法

在印度尼西亞油砂油原料中，摻入不同質(zhì)量分數(shù)的焦化柴油，并加熱使油砂油軟化，加熱過程中充分攪拌，使二者均勻混合。取出一定質(zhì)量軟化好的油砂油放入試管中，密封好放入超聲波清洗機中，調(diào)整超聲時間和溫度，進行超聲實驗。取出超聲處理完畢的燒杯，立即放入恒溫水浴中沉降。沉降一定時間后，測量油樣中機械雜質(zhì)質(zhì)量分數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實驗

2.1.1 沉降時間對油砂油處理效果的影響 在超聲波固定頻率40 kHz、超聲波分離時間10 min、焦化柴油質(zhì)量分數(shù)30%、沉降溫度80 ℃的條件下，考察沉降時間對油砂油處理效果的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 沉降時間對機械雜質(zhì)脫除率的影響

由圖1可知，隨著沉降時間的增加，超聲沉降與自然沉降條件下的油砂油中機械雜質(zhì)脫除率都呈上升趨勢。在超聲波作用下，3.0 h內(nèi)能使油品中機械雜質(zhì)質(zhì)量分數(shù)大幅度降低。這是由于超聲沉降開始時，較大粒徑的機械雜質(zhì)顆粒在超聲波作用下破乳速率快，使機械雜質(zhì)能快速地從油砂油中沉降下來。沉降時間為3.0～4.0 h時，機械雜質(zhì)脫除率上升態(tài)勢隨著沉降時間的增加而放緩。其原因是油砂油的黏滯作用，沉降剩下小粒徑的機械雜質(zhì)需克服黏滯阻力，使破乳速率減小，沉降幅度減小，下降趨勢趨近平穩(wěn)。沉降4.0 h時，機械雜質(zhì)的脫除率達到97.3%，機械雜質(zhì)質(zhì)量分數(shù)達到0.26%，達到煉廠要求。因此選擇超聲沉降時間3.0～4.0 h為宜。

從圖1還可以看出，超聲沉降時間為3.0 h時，機械雜質(zhì)脫除率達到94.6%，機械雜質(zhì)質(zhì)量分數(shù)降至0.53%；對于相同的原料，自然沉降需4 d才能將機械雜質(zhì)的脫除率提高到91.3%，機械雜質(zhì)質(zhì)量分數(shù)降到0.85%。可見，超聲沉降與自然沉降相比，能在較短時間內(nèi)快速脫除油品中的機械雜質(zhì)。

2.1.2 超聲波分離時間對油砂油處理效果的影響

在超聲波固定頻率40 kHz、焦化柴油質(zhì)量分數(shù)30%、沉降溫度80 ℃、超聲沉降時間4.0 h條件下，考察超聲波分離時間對油砂油處理效果的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 超聲波分離時間對機械雜質(zhì)脫除率的影響

由圖2 可知，隨著超聲分離時間的增加，油砂油的機械雜質(zhì)質(zhì)量分數(shù)先下降后上升。超聲波分離時間小于10 min時，機械雜質(zhì)質(zhì)量分數(shù)隨著處理時間的增長逐漸降低，脫除率逐漸增大。原因是隨著分離時間的增加，超聲波分離強度的增大，對油砂油上雜質(zhì)的剝離強度在逐漸加大，油砂油雜質(zhì)脫除率在增加。當(dāng)超聲波分離時間大于10 min時，超聲波作用改變油砂油的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增加了細小雜質(zhì)對油砂油的吸附能力，使預(yù)處理效果有一定程度的下降，影響了機械雜質(zhì)和水分脫除。在超聲波分離10 min時，機械雜質(zhì)質(zhì)量分數(shù)降到最低，機械雜質(zhì)質(zhì)量分數(shù)0.26%，機械雜質(zhì)的脫除率達到97.3%。因此，超聲波分離時間在10 min左右為宜。

2.1.3 焦化柴油質(zhì)量分數(shù)對油砂油處理效果的影響 在超聲波固定頻率40 kHz、沉降溫度80 ℃、超聲沉降時間4.0 h、超聲波分離時間10 min條件下，考察焦化柴油質(zhì)量分數(shù)對油砂油處理效果的影響，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，隨著焦化柴油質(zhì)量分數(shù)的增加，在超聲沉降和自然沉降的操作條件下，油品中機械雜質(zhì)質(zhì)量分數(shù)先大幅度減小后基本不變，機械雜質(zhì)脫除率先明顯增大后基本不變。焦化柴油質(zhì)量分數(shù)小于30%時，隨著焦化柴油質(zhì)量分數(shù)的增加，油砂油中機械雜質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)大幅度下降，機械雜質(zhì)的脫除率明顯增大。由于油砂油與焦化柴油都屬于非極性物質(zhì)，摻入焦化柴油可以很好地降低油品的黏度和密度，使油品的流動性增大，從而加大機械雜質(zhì)的沉降速度，加快了與油品的分離。焦化柴油質(zhì)量分數(shù)為30%～45%時，隨著焦化柴油質(zhì)量分數(shù)的增加，機械雜質(zhì)脫除率趨向平穩(wěn)。因此，焦化柴油質(zhì)量分數(shù)在25%～30%為宜。

圖3 焦化柴油質(zhì)量分數(shù)對機械雜質(zhì)脫除率的影響

從圖3中還可以看出，超聲波的介入大幅度提高了油砂油機械雜質(zhì)的脫除率。這是由于超聲波的機械振動作用使焦化柴油均勻地分散在油砂油中，增加其與油砂油的溶解度，并減小油水界面膜強度，使摻在水中的機械雜質(zhì)與油砂油更容易分離。在焦化柴油質(zhì)量分數(shù)為15%～30%時，自然沉降的油砂油機械雜質(zhì)脫除率從63.8%升到79.0%，機械雜質(zhì)質(zhì)量分數(shù)從3.54%降到1.29%。當(dāng)加入超聲波作用，機械雜質(zhì)脫除率從75.5%升到97.3%，機械雜質(zhì)質(zhì)量分數(shù)由2.39%降到0.26%。這說明加入超聲波作用能使油砂油中機械雜質(zhì)的脫除率提高幅度超過10%，得到高品質(zhì)的油砂油。

2.1.4 沉降溫度對油砂油處理效果的影響 在超聲波固定頻率40 kHz、焦化柴油質(zhì)量分數(shù)30%、超聲沉降時間4.0 h、超聲波分離時間10 min條件下，考察沉降溫度對油砂油處理效果的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 沉降溫度對機械雜質(zhì)脫除率的影響

由圖4可知，在超聲波作用下，隨著沉降溫度的升高，機械雜質(zhì)脫除率先增大后降低。當(dāng)沉降溫度小于80 ℃時，隨著沉降溫度的升高，機械雜質(zhì)脫除率明顯增大。這是因為隨著沉降溫度的升高，油砂油的黏度逐漸變小，超聲波的穿透力增強，促使機械雜質(zhì)運動加劇，使機械雜質(zhì)更易從油品中分離出來。溫度在80～85 ℃時，隨著沉降溫度的升高，機械雜質(zhì)質(zhì)量分數(shù)下降緩慢。機械雜質(zhì)脫除率最高能達到97.5%，對應(yīng)的機械雜質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為0.24%。當(dāng)沉降溫度大于85 ℃時，隨著沉降溫度的升高，機械雜質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)有所上升。這是由于沉降溫度過高時，流體分子熱運動使粒子發(fā)生布朗運動，使機械雜質(zhì)脫除率降低，影響分離效果。因此，沉降溫度選擇在80～85 ℃。

2.2 正交實驗

2.2.1 正交實驗極差分析 單因素實驗表明，超聲沉降法可以顯著提高印尼油砂油機械雜質(zhì)的脫除率，參考單因素考察結(jié)果，針對印尼油砂油超聲沉降處理，設(shè)計四因素三水平的正交實驗。正交實驗設(shè)計見表2，實驗結(jié)果見表3。

表2 正交實驗設(shè)計

表3 正交實驗結(jié)果

由表3中極差數(shù)據(jù)可以看出，四個因素對油砂油的機械雜質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的影響依次是焦化柴油質(zhì)量分數(shù)>超聲波分離時間>超聲沉降時間>沉降溫度。

2.2.2 數(shù)據(jù)擬合與優(yōu)化 在正交實驗的基礎(chǔ)上，對油砂油的沉降溫度、沉降時間、超聲波處理時間、焦化柴油質(zhì)量分數(shù)利用多元非線性回歸參數(shù)進行求解?；貧w方程為：

Y=114.84-2.19K+1.4×10-2K2+0.86T-0.14T2-0.69U+3.3×10-2U2-1.58O+2.5×10-2O2

(1)

式中，K為沉降溫度，℃；T為超聲沉降時間，h；U為超聲波分離時間，min；O為焦化柴油質(zhì)量分數(shù)，%；Y為機械雜質(zhì)質(zhì)量分數(shù)，%。

結(jié)合上述擬合曲線方程，以油砂油最小機械雜質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為目標函數(shù)進行優(yōu)化求解。其最優(yōu)解為：沉降溫度為80 ℃，超聲沉降時間為4.4 h，超聲波分離時間為10.4 min，焦化柴油質(zhì)量分數(shù)為30.9%，機械雜質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為0.26%。為了驗證數(shù)據(jù)擬合求得最優(yōu)解的可靠性、準確性，在最優(yōu)操作條件下進行3次驗證實驗，優(yōu)化結(jié)果及實驗驗證結(jié)果對比見表4。

表4 最優(yōu)條件平行實驗效果

由表4可知，理論計算值和實際測量值相近，在實驗條件范圍內(nèi)，關(guān)聯(lián)式可以用于指導(dǎo)實際操作。

3 結(jié) 論

(1)隨著超聲波分離時間的增加，機械雜質(zhì)質(zhì)量分數(shù)先降低后增大。隨著焦化柴油質(zhì)量分數(shù)、沉降時間、沉降溫度的增加，機械雜質(zhì)質(zhì)量分數(shù)逐漸降低。與自然沉降法相比，在相同條件下，超聲沉降法的脫除率提高10%以上。

(2)超聲沉降法強化脫除印尼油砂油中機械雜質(zhì)優(yōu)化條件為：沉降溫度80 ℃，沉降時間4.4 h，超聲波分離時間10.4 min，焦化柴油質(zhì)量分數(shù)30.9%。此時，油砂油中機械雜質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為0.26%，機械雜質(zhì)脫除率能達到97.3%。

[1] 王燕.提高我國石油工業(yè)國際競爭力的研究[D]. 北京:中國石油大學(xué)(北京), 2007.

[2] 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.

[3] 許修強, 王紅巖, 鄭德溫, 等.新疆油砂水洗分離提油工藝研究[J]. 化工科技, 2008, 16(6):1-4.

[4] Liu Y, Ma Y, Li S Y. Thepyrolysis of buton oil sands and its kinetics[J]. Energy Sources Part A:Recovery, Utilization and Environmental Effects, 2012, 34(17):1599-1608.

[5] 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):12-17.

[6] 趙瑞玉, 張超, 鮑嚴旭, 等. 新疆油砂溶劑萃取研究[J]. 油田化學(xué), 2015, 32(2):282-286.

[7] 劉閣, 陳彬, 張賢明, 等. 物理破乳技術(shù)在廢油處理中的應(yīng)用[J]. 應(yīng)用化工, 2011, 40(2):329-334.

[8] Xia L Y. Stability and demulsification of emulsions stabilized by asphaltenes or resins [J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2004, 27(1):504-506.

[9] 張一舸, 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):110-195.

[10] Masliyah J, Zhou Z J, Xu Z, et al. Understanding water-based bitumen extraction from Athabasca oil sands[J]. The Canadian Journal of Chemical Enginering, 2004, 82(4):628-654.

[11] 戴明, 王春霞, 彭偉, 等. U-40稠油破乳劑的研究與應(yīng)用[J]. 油田化學(xué), 2010, 27(4):436-438.

[12] Kumar K,Nikolon A D, Wasan D T．Mechanism of stabilization of water-in-crud e-oil emulsion[J]. Ind. Eng. Chem. Res., 2001, 40:3009-3014.

[13] 丁德磬, 孫在春,楊國華, 等. 原油乳狀液的穩(wěn)定與破乳[J]. 油田化學(xué)，1998, 15(1):82-86.

[14] 孫保江, 顏大椿. 乳化原油的超聲波脫水研究[J]. 聲學(xué)學(xué)報, 1999, 24(3):327-331.

[15] 寇杰, 劉松林. 超聲波稠油脫水研究[J]. 油氣田地面工程, 2009, 28(8):1-3.

[16] 虞建業(yè), 袁萍, 顧春光. 超聲輻照法原油破乳脫水的室內(nèi)研究[J]. 油田化學(xué), 2002, 19(2):141-143.

[17] 宗松, 葉國祥, 韓萍芳, 等. 超聲波強化重質(zhì)原油脫水脫鈣[J]. 石油學(xué)報, 2007, 23(6):75-78.

[18] 張玉璽, 劉慧敏. 高含鈣原油微乳體系的破壞及鈣的脫除[J]. 石油與天然氣化工, 2004, 33(3):193-196.

[19] Yui S, Chtmg K H. Processing oil sands bitumen is Syn-crude’S R&D focus[J]. Oil & Gas Journal，2001, 99(17):46-52.

Enhanced Removal of the Mechanical Impurities in Oil-Sands-Oil from Indonesia by Ultrasound-Sedimentation Method

Fu Yu， Li Xiaoou， Li Heming， Li Dongsheng， Li Wenshen， Qiao Bo

(DepartmentofChemistry,ChemicalEngineeringandEnvironment，LiaoningShihuaUniversity，F(xiàn)ushunLiaoning113001,China)

The subject of experiment is oil-sands-oil with high mechanical impurity. The study on the enhanced removal of mechanical impurities in oil-sands-oil was carried out by ultrasonic-sedimentation method. The effect factors including ultrasonic separation time, proportion of coking diesel oil, sedimentation time and sedimentation temperature were studied, respectively. The suitable conditions of demulsification and deimpurity in Indonesia's oil-sands-oil were investigated by orthogonal experiment. The experimental results show that compared with the traditional sedimentation method, the removal rate of mechanical impurities in oil-sands-oil is increased by more than 10% by ultrasonic-sedimentation method. With the increase of the proportion of coking diesel oil, sedimentation time and sedimentation temperature, the proportion of mechanical impurities in oil sands decreased and the removal rate of mechanical impurities gradually increased. The proportion of coking diesel oil was the most important factor on the mechanical impurity proportion of refined oil. The optimum conditions for the removal of mechanical impurities by ultrasonic-sedimentation method are as follows: the sedimentation temperature of 80 ℃, sedimentation time of 4.4 h, ultrasonic cleaning time 10.4 min and the mass proportion of coker diesel oil of 30.9%. Under the optimal conditions, the minimum mechanical impurity in the oil-sands-oil was 0.26%.

Indonesian oil-sands oil； Ultrasonic duration； Coker diesel； Sedimentation time； Sedimentation temperature； Mechanical impurity

1672-6952(2017)05-0017-05

投稿網(wǎng)址：http://journal.lnpu.edu.cn

2016-10-11

2016-11-10

富玉(1991-)，女，碩士研究生，從事非常規(guī)石油能源利用的研究；E-mail：694105786@qq.com。

李曉鷗(1964-)，女，碩士，教授，從事化工新工藝方面的研究；E-mail：lxo8823562@163.com。

TE624； TB559

A

10.3969/j.issn.1672-6952.2017.05.004

(編輯 宋官龍)