Обработка пеной (нефтяные пески Атабаски)
Процесс обработки битума

Обработка битумной пеной — это процесс, используемый в операциях по извлечению битума из битумных песков Атабаски (AOS) для удаления мелких неорганических веществ — воды и минеральных частиц — из битумной пены путем разбавления битума легким углеводородным растворителем — нафтеновым или парафиновым — для снижения вязкости пены и удаления загрязняющих веществ, которые не были удалены на предыдущих этапах гравитационного извлечения на водной основе. [1] Битум с высокой вязкостью или со слишком большим количеством загрязняющих веществ не подходит для транспортировки по трубопроводам или переработки. Первоначальная и обычная обработка нафтеновой пеной (NFT) использует растворитель нафты с добавлением химикатов. Обработка парафиновой растворительной пеной (PSFT), которая впервые была использована в коммерческих целях в Альбианских песках в начале 2000-х годов, приводит к получению более чистого битума с более низким уровнем загрязняющих веществ, таких как вода и минеральные твердые частицы. [2] После обработки пеной битум может быть дополнительно улучшен с использованием «тепла для производства синтетической сырой нефти с помощью коксовой установки». [2]

Фон

Нефтяной песок состоит из матрицы твердого минерального материала — кварцевого песка и глины, воды и углеводорода , битума , который является самой тяжелой формой нефти. [3] По данным Института ООН по обучению и исследованиям , нормальная вязкость битума составляет более 10 мПа·с, а его плотность — более 1000 кг/м3 . Нефтяные пески до обработки состоят из мелких частиц ила и глины , которые составляют 44 микрона или меньше, и крупных частиц песка и камня, которые больше 44 микрон. Каждая крупинка кварцевого песка, которая является чрезвычайно абразивной и имеет угловатую форму, «полностью окутана битумом». [4] Каждая песчинка окружена тонкой пленкой воды, а битум покрывает водный слой и угловатую песчинку. [4] Покрытые битумом и водой крупинки кварцевого песка слипаются друг с другом. Если не обрабатывать, высокоабразивные нефтяные пески могут повредить трубопроводы, грузовики и все оборудование, используемое в горнодобывающей промышленности и на производстве. Кроме того, вязкость битума меняется в зависимости от тепла и холода. Он похож на патоку в тепле и замерзает в холоде. [4] Битум как углеводород считается ценным энергетическим ресурсом. Чем больше битума в месторождении нефтяных песков, тем оно ценнее. Если месторождение содержит менее 6% битума, его не стоит разрабатывать. Месторождение нефтяных песков должно содержать не менее 18% битума, чтобы быть экономически жизнеспособным. [4]

Согласно статье 2004 года в Canadian Journal of Chemical Engineering (CJCE) , производство битума в 2004 году включало шесть взаимосвязанных и интегрированных процессов или единиц — горнодобывающая промышленность, коммунальные услуги, извлечение, обработка пены, управление водными ресурсами, хвостохранилища нефтеносных песков и модернизация. [5] Обработка пены является частью интегрированного процесса. [5]

Из-за своей высокой вязкости тяжелая нефть гораздо сложнее в добыче и транспортировке. [6] Вязкость — «внутреннее сопротивление потоку жидкости» — является физическим свойством сырой нефти и важным параметром при разработке и проектировании трубопроводов для окончательной добычи нефти и эффективного потока жидкости. [7] [8] Вязкость — одно из свойств давления-объема-температуры (PVT), которое оценивается на различных этапах разведки, добычи, извлечения и транспортировки нефти. [7] [6]

В битуме асфальтены , которые часто определяются как фракция, которая не растворяется в н-гептане , [9] оказывают негативное влияние на операции по добыче нефтяных песков — они «придают сырой нефти высокую вязкость» и могут вызвать «множество проблем с добычей». [10] Асфальтены — это молекулярные вещества, которые содержатся в сырой нефти вместе с насыщенными углеводородами, такими как алканы , ароматические углеводороды и смолы , известные как (SARA) . [11]

Первая стадия процесса извлечения, используемая операторами нефтяных песков в коммерческих операциях, представляет собой модифицированный процесс Кларка горячей воды (CHWE), который был разработан Карлом Адольфом Кларком (1888–1966) в 1920-х годах. [5] Согласно статье журнала Oil Sands Magazine за 2017 год , после отделения битумной пены 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] Сосуд гравитационного разделения — первичная разделительная ячейка (PSC), первичный разделительный сосуд (PSV) или SepCell — извлекает 90% битума. [13] Во время этого процесса образуется битумная пена. Пена сильно аэрирована — полна пузырьков воздуха — и требует деаэрации, прежде чем ее можно будет перекачать в резервуар для хранения пены. [13]

Второй этап — это обработка пеной. [3] Качество битумной пены до обработки пеной — обработки гравитационным разделением на основе растворителя — «слишком низкое для обработки на заводе по переработке или очистке». [13] Гравитационное разделение на основе воды само по себе не может удалить оставшиеся загрязняющие вещества, которые представляют собой 10–15% твердых веществ и до 40% воды. [13]

При обработке пеной используется легкий углеводород для снижения вязкости битума, высвобождая мелкие частицы и воду, что приводит к получению более чистого разбавленного потока битума.

Микрометровые неорганические минеральные загрязнители в битумной пене после первой стадии обработки состоят из мелкого ила и глины, а также «капель эмульсии вода-в-масле». Эти капли, образующиеся в процессе извлечения битума на водной основе, являются наиболее сложными для удаления. [1] : 7199 

Эти эмульгированные капли воды дополнительно стабилизируются микрочастицами кварцевого песка. Эмульсии вода-в-масле «легко дестабилизируются» при удалении мелких минеральных частиц. [1] : 7199  Во время эффективного процесса удаления пенной обработки мелкие — микроразмерные — минеральные частицы образуют более крупные агрегаты, что облегчает дестабилизацию эмульгированных капель воды. [1] : 7199 

В процессе комплексной обработки пены в пену добавляется легкий углеводород — нафтеновый или парафиновый растворитель — для снижения вязкости битума и удаления мелких неорганических частиц с помощью более «эффективного гравитационного разделения» [12] .

В 2013 году Американское химическое общество (ACS) описало обработку битумной пены как «интегрированный этап процесса в операциях по извлечению битума из нефтеносных песков Атабаски. Его цель — отделить минеральные твердые частицы и воду от битумной пены. Битумная пена разбавляется нафтеновыми или парафиновыми растворителями для снижения ее вязкости и облегчения разделения. Обработка битумной пены — это «удаление неорганических веществ (минеральных частиц и капель воды) из раствора органического растворителя битума». [1] : 7199 

Соотношение растворителя и битума (S/B) изменяет динамику эмульсий битума, разбавленного водой, — дилбита . [14]

К 2006 году в провинции Альберта существовало два коммерциализированных процесса обработки пены. В то время они назывались «Процесс Syncrude», который включал «разбавление ароматическим растворителем с последующим центрифугированием», и «Процесс Albian», который включал «разбавление парафиновым растворителем с последующим гравитационным осаждением». [15] [16]

После процесса вспенивания битум может потребовать дополнительной модернизации, прежде чем его можно будет транспортировать по трубопроводам. Процессоры, использующие более новую технологию обработки парафиновой сольвентной пеной (PSFT), которая находится в коммерческом использовании с 2002 года, больше не требуют этой стадии модернизации, что представляет собой значительное снижение стоимости обработки. Первоначальная — и более традиционная — нафтеновая обработка пеной (NFT) требует неградиентной установки.

Для производства товарной синтетической сырой нефти из битума нефтеносных песков тяжелая нефть может быть переработана только на специальных нефтеперерабатывающих заводах, которые включают в себя сложную установку для переработки тяжелой нефти с установкой коксования . [17] В Канаде, Regina, Saskatchewan - Co-op Refinery Complex — ранее Consumers Co-operative Refinery Limited (CCRL) — имеет секцию по переработке тяжелой нефти на заводе с необходимой установкой коксования, способной перерабатывать продукт нефтеносных песков, такой как тяжелая нефть Lloydminster, которая является компонентом Western Canadian Select (WCS). [Примечания 1] [17] [2] [Примечания 2]

Обработка нафтеновой пеной (NFT)

Первоначальная и традиционная обработка пеной использует сольвентную нафту с добавлением химикатов для дестабилизации эмульсии. [2] В течение тридцати лет, с 1970-х до начала 2000-х годов, единственной технологией, доступной в отрасли добычи битума из нефтеносных песков, была нафтеновая обработка пеной (NFT). [12]

В статье, опубликованной в 2002 году в журнале Chemosphere , которая была процитирована более 100 раз, авторы заявили, что нафтеновые кислоты присутствуют в воде хвостохранилища (TPW) нефтеносных песков Атабаски (AOL ) в расчетной концентрации 81 мг/л, что является слишком низким уровнем для того, чтобы TPW считались жизнеспособным источником для коммерческой добычи. [18] Они изучили лабораторную процедуру на основе растворителя, разработанную для «эффективного извлечения нафтеновых кислот из больших объемов воды хвостохранилища (TPW) нефтеносных песков Атабаски». [18] Те же авторы опубликовали часто цитируемую статью 2001 года в журнале « Токсикологические науки » Общества токсикологии , в которой они заявили, что «нафтеновые кислоты являются наиболее значительными загрязнителями окружающей среды, образующимися в результате добычи нефти из месторождений нефтеносных песков». Они обнаружили, что «в условиях наихудшего воздействия острая токсичность маловероятна у диких млекопитающих, подвергшихся воздействию нафтеновых кислот» в воде хвостохранилища [нефтяных песков Атабаски] (AOS), «но повторное воздействие может иметь неблагоприятные последствия для здоровья». [19]

Обработка парафиновой пеной (PFT)

В 1990 году была разработана технология пенной обработки парафиновым растворителем (PSFT) с использованием исследований, проведенных CanmetENERGY. [2] Syncrude запатентовала этот процесс в 1994 году и «предоставила права на использование всем членам консорциума по пенной обработке нефтеносных песков, что позволило внедрить этот процесс на других предприятиях по добыче нефтеносных песков». [12]

PFT снижает «вязкость битума, что позволяет 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 содержанием водных и минеральных загрязняющих веществ. [2]

В 2011 году компания SNC Lavalin заключила контракт на сумму 650 миллионов канадских долларов на строительство завода PSFT в районе нефтеносных песков Атабаски в 2012 году, первого в канадской отрасли по добыче нефтеносных песков. [20]

Первая коммерциализация парафиновой пенной обработки (PFT) была осуществлена ​​в рамках проекта Athabasca Oil Sands Project (AOSP) в региональном муниципалитете Вуд-Буффало в начале 2000-х годов. [10] [12] AOSP, также известный как Albian Sands , — это совместное предприятие Canadian Natural Resources (CNRL) (70%), Chevron Canada (20%) и Shell Canada (10%) [21] AOSP состоит из шахт Muskeg River, Jack Pine и Scotford Upgrader. [21] CNRL приобрела акции Shell в 2017 году. [22] [23]

Технология PSFT также используется на открытых карьерах по добыче нефтяных песков Kearl Oil Sands компании Imperial Oil [24] и Fort Hills компании Teck Resources . [25] Teck планирует использовать ее на своем крупном открытом карьере по добыче нефтяных песков Frontier. [25] Технология PSFT, которая исключает использование обогатителя, имеет «более низкую интенсивность выбросов парниковых газов, чем примерно половина нефти, которая в настоящее время перерабатывается в США», по словам Teck. [25]

К 2011 году прогнозируемые затраты на «мега-шахту» Керл компании Imperial Oil возросли до «10,9 млрд канадских долларов по сравнению с первоначальными оценками в 8 млрд канадских долларов». [20] Компания Imperial сократила затраты, используя технологию вспенивания «вместо строительства установки для переработки сырого битума». [20]

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

Правила

Финансируемый промышленностью и уполномоченный провинциальным правительством, Alberta Energy Regulator (AER) регулирует добычу битума в провинции. Директива AER 082: Критерии эксплуатации — Требования к извлечению ресурсов для шахт и перерабатывающих заводов по добыче нефтяных песков устанавливает минимальные нормы извлечения для всех операций по добыче нефтяных песков в провинции. Месторождения нефтяных песков имеют различные сорта руды, некоторые из которых имеют более высокое содержание битума, чем другие. [13]

Примечания

  1. ^ Western Canadian Select (WCS) — один из нефтепродуктов из нефтеносных песков Западно-Канадского осадочного бассейна . WCS, представляющая собой тяжелую смешанную сырую нефть , в основном состоит из битума , смешанного с разбавителями конденсата , а также обычной и нетрадиционной нефти. WCS была запущена в 2004 году компаниями EnCana (теперь Cenovus ), Canadian Natural Resources Limited , Petro-Canada (теперь Suncor ) и Talisman Energy Inc. (теперь Repsol Oil & Gas Canada Inc.) и стала эталоном для очень тяжелой сырой нефти.
  2. ^ "Нефтеперерабатывающие заводы США импортируют большие объемы сырой нефти из Канады, Мексики, Колумбии и Венесуэлы, и в 1990-х годах они начали строить коксовые и серные мощности, чтобы приспособиться к росту этих средне- и тяжелосернистых сырых нефтей, одновременно выполняя требования по охране окружающей среды и потребительский спрос на транспортное топливо. "В то время как нефтеперерабатывающие заводы США вложили значительные средства в сложное оборудование для переработки, которое поддерживает переработку более тяжелой, высокосернистой сырой нефти в бензин и дистилляты, аналогичные инвестиции за пределами США проводились менее агрессивно. Средняя и тяжелая сырая нефть составляет 50% от входящих поставок сырой нефти в США, и США продолжают расширять свои мощности по переработке тяжелой сырой нефти". К 2011 году крупные интегрированные нефтяные компании, которые производят WCS в Канаде, также начали инвестировать в модернизацию нефтеперерабатывающих заводов с целью переработки WCS". Дополнительные ссылки см. в статье Western Canadian Select .

Ссылки

  1. ^ abcde Рао, Фэн; Лю, Ци (19 декабря 2013 г.). «Обработка пеной в процессе извлечения битума из нефтяных песков Атабаски: обзор». Энергия и топливо . 27 (12): 7199– 7207. doi :10.1021/ef4016697. ISSN  0887-0624.
  2. ^ abcdef "Froth Treatment". CanmetENERGY через NRCan . Девон, Альберта. 19 января 2016 г. Получено 29 января 2020 г.
  3. ^ ab Lin, Feng; Pang, Chongjun John (1 января 2020 г.). «Влияние процесса гибридной экстракции битума на дестабилизацию образующейся битумной пенной эмульсии, разбавленной гептаном». Minerals Engineering . 145 : 106069. doi : 10.1016/j.mineng.2019.106069. ISSN  0892-6875.
  4. ^ abcd "Состав нефтяных песков". Энергетическое наследие Альберты . Нефтяные пески . Получено 30 января 2020 г.
  5. ^ abc Маслия, Джейкоб; 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 . doi :10.1002/cjce.5450820403. ISSN  1939-019Х.
  6. ^ ab Hossain, MS; Sarica, C.; Zhang, H.-Q.; Rhyne, L.; Greenhill, KL (1 января 2005 г.). Оценка и разработка корреляций вязкости тяжелой нефти. Международный симпозиум SPE по термическим операциям и тяжелой нефти. Общество инженеров-нефтяников. doi : 10.2118/97907-MS. ISBN 978-1-61399-005-6. Получено 1 февраля 2020 г. .
  7. ^ ab Oloso, Munirudeen A.; Hassan, Mohamed G.; Bader-El-Den, Mohamed B.; Buick, James M. (1 июня 2017 г.). «Ансамбль SVM для характеристики вязкости сырой нефти». Журнал по технологии разведки и добычи нефти . 8 (2): 531– 546. doi : 10.1007/s13202-017-0355-x .
  8. ^ Hossain MS, Sarica C, Zhang HQ, et al (2005) Оценка и разработка корреляций вязкости тяжелой нефти. В: Международный симпозиум SPE по термическим операциям и тяжелой нефти, SPE, Калгари, Альберта, Канада, 1–3 ноября 2005 г.
  9. ^ Redelius, P. (2009), Асфальтены в битуме, что они есть и что они не есть, т. 10, стр.  25–43 , получено 1 февраля 2020 г. doi :10.1080/14680629.2009.9690234
  10. ^ ab Werniuk, Jane (1 октября 2003 г.). «По следам динозавров». Canadian Mining Journal . Получено 1 февраля 2020 г.
  11. ^ Ашури, Сиаваш; Шарифи, Мехди; Масуми, Мохаммад; Мохаммад Салехи, Мехди (1 марта 2017 г.). «Взаимосвязь между фракциями SARA и стабильностью сырой нефти». Egyptian Journal of Petroleum . 26 (1): 209–213 . doi : 10.1016/j.ejpe.2016.04.002 . ISSN  1110-0621.
  12. ^ abcde "Очистка парафиновой пеной". Журнал Oil Sands . 2017. Получено 30 января 2020 г.
  13. ^ abcde "Объяснение добычи битума". Журнал Oil Sands . Получено 1 февраля 2020 г.
  14. ^ ab Sachin Goel, Niyati Joshi, Muhammad Siraj Uddin, Samson Ng, Edgar Acosta, Arun Ramachandran. Межфазное натяжение на границе раздела битумов, разбавленных водой, при высоких концентрациях битума, измеренное с использованием микрофлюидной техники. Langmuir 2019, 35 (48), 15710-15722. doi :10.1021/acs.langmuir.9b02253
  15. ^ Романова, У. Г.; Валина, М.; Стасюк, Э. Н.; Яррантон, Х. В.; Шрамм, Л. Л.; Шельфантук, У. Э. (сентябрь 2006 г.). «Влияние условий извлечения битума из нефтяных песков на эффективность обработки пеной» (PDF) . Журнал канадских нефтяных технологий . 45 (9): 36– 45. doi :10.2118/06-09-03 . Получено 1 февраля 2020 г. .
  16. ^ "Исследовательские проекты". Исследование асфальтенов и эмульсий (AER) . Получено 1 февраля 2020 г.
  17. ^ ab Welsch, Edward; Harvey, Christine (11 февраля 2013 г.), Consumers Co-op Shuts Coker at Saskatchewan Plant After Fire, Bloomberg
  18. ^ ab Vincent V. Rogers; Karsten Liber & Michael D. MacKinnon (август 2002 г.). "Выделение и характеристика нафтеновых кислот из хвостохранилища нефтеносных песков Атабаски". Chemosphere . 48 (5): 519– 527. Bibcode :2002Chmsp..48..519R. doi :10.1016/S0045-6535(02)00133-9. PMID  12146630.
  19. ^ Роджерс, Винсент В.; Викстром, Марк Л.; Либер, Карстен; Маккиннон, Майкл Д. (2001). «Острая и субхроническая токсичность нафтеновых кислот из хвостов нефтеносных песков для млекопитающих». Токсикологические науки . 66 (2): 347–355 . doi :10.1093/toxsci/66.2.347. PMID  11896302.
  20. ^ abc Льюис, Джефф (8 ноября 2011 г.). "SNC-Lavalin построит установку по обработке пены стоимостью 650 миллионов долларов: заказчик не разглашается, но сообщается, что это CNRL". Alberta Oil . Архивировано из оригинала 27 марта 2015 г. Получено 29 января 2020 г.
  21. ^ ab "О нас". Проект по разработке нефтяных песков Атабаски. 2008. Архивировано из оригинала 7 февраля 2008 г. Получено 7 февраля 2008 г.
  22. ^ «Canadian Natural Resources Limited объявляет о приобретении доли участия в проекте разработки нефтяных песков Атабаски и других активах по разработке нефтяных 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». American City Business Journals .
  24. ^ "Imperial Oil - Kearl overview". www.imperialoil.ca . Получено 19 мая 2016 г. .
  25. ^ abc Беннетт, Дебора; Яремко, Джим; Бентейн, Нельсон (6 ноября 2018 г.). «На передовой: Teck продвигает новую важную шахту по добыче нефтяных песков в новую эру развития энергетики». JWN Energy . Нефтяные пески и тяжелая нефть . Получено 30 января 2020 г.
  26. ^ Амир Гайур, Эдгар Акоста. Характеристика поведения полярных масел, подобного нефти и поверхностно-активным веществам. Langmuir 2019, 35 (47), 15038-15050. doi :10.1021/acs.langmuir.9b02732
  27. ^ YA Casas, JA Duran, FF Schoeggl, HW Yarranton. Осаждение агрегатов асфальтена в битуме, разбавленном н-алканом. Energy & Fuels 2019, 33 (11), 10687-10703. doi :10.1021/acs.energyfuels.9b02571
  28. ^ Цян Чэнь, Ци Лю. Битумное покрытие на нефтяных песках глинистых минералах: обзор. Энергия и топливо 2019, 33 (7), 5933-5943. doi :10.1021/acs.energyfuels.9b00852
  29. ^ Колин Сарака, Рунжи Сюй, Марсио Б. Мачадо, Суджит Бхаттачарья, Сэмсон Нг, Сюзанна Креста. Обезвоживание битумной пены низкого качества: время индукции и эффекты смешивания. Энергия и топливо 2018, 32 (9), 10032-10041. doi :10.1021/acs.energyfuels.8b01613
  30. ^ Доминик Косиор, Эдвина Нго, Юймин Сюй. Агрегаты в обработке парафиновой пены: свойства осаждения и структура. Энергия и топливо 2018, 32 (8), 8268-8276. doi :10.1021/acs.energyfuels.8b01656
  31. ^ Фэн Линь, Станислав Р. Стоянов и Юймин Сюй. Последние достижения в неводной экстракции битума из пригодных для добычи нефтяных песков: обзор. Organic Process Research & Development 2017, 21 (4), 492-510. doi :10.1021/acs.oprd.6b00357
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Пенная_обработка_(Athabasca_oil_sands)&oldid=1170742672"