Способ одновременного извлечения и крекинга/обогащения нефти из твердых веществ

(51) 10 1/00 (2009.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН(54) СПОСОБ ОДНОВРЕМЕННОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ И КРЕКИНГА/ОБОГАЩЕНИЯ НЕФТИ ИЗ ТВЕРДЫХ ВЕЩЕСТВ(57) Настоящее изобретение относится к способу одновременного извлечения и крекинга/обогащения нефти из твердых веществ, таких как битумный песок и нефтяной сланец. С помощью этого способа решен ряд проблем уже существующей технологии,способ улучшает нефть за счет образования более легких фракций, чем в случае существующей технологии, удаляет около 40 серы и около 90 тяжелых металлов.(74) Русакова Нина Васильевна Жукова Галина Алексеевна Ляджин Владимир Алексеевич 24160 Настоящее изобретение относится к способу извлечения нефти из битумного песка (также называемого нефтяным песком) и/или нефтяного сланца и обогащению нефти в том же способе. Битумный песок найден в огромных количествах в ряде стран, наибольшие запасы найдены в Канаде и состоят из сырой нефти и песка природного происхождения, залегающих на разной глубине. Эти ресурсы были предметом интенсивных исследований в попытках разработать технологию извлечения нефти из данного песка. Таким образом,существует ряд различных технологий. Наиболее важные ископаемые ресурсы Альберты - это нефть и газ, они составляют более 90 дохода Альберты от разработки полезных ископаемых. Альберта производит примерно две третьих Канадской нефти и более трех четвертых ее природного газа. Примерно половина нефти Альберты добывается из многочисленных нефтяных песков, которые являются залежами сырой неочищенной нефти,называемой битумом. Нефтяные пески Альберты являются самым большим из известных мировых месторождений битума. Нефтяные пески встречаются в трех основных районах провинции в долине реки Атабаска на северо-востоке, в районе реки Пис-Рисер на севере и в области озера Колд-Лейк на востоке центральной части Альберты. Битум - более дорогостоящее ископаемое, чем сырая природная нефть, которая естественным образом вытекает или выкачивается из земли. Это обусловлено тем, что для получения неочищенной нефти, которую придется очистить, ее вязкие тяжелые фракции предварительно должны быть отделены от окружающего песка и воды. В 1950-е - 1960-е гг. месторождения нефти разрабатывались в других районах, таких как долина реки Пис-Ривер и Лебяжьи холмы к югу от Малого Невольничьего озера. К концу 1960-х были найдены последние крупные месторождения нефти. Битум, в отличие от обычной неочищенной нефти, которую находят в глубоких пластах, не содержит легких фракций, испарившихся за тысячи лет. Следовательно, битум состоит из тяжелых молекул с плотностью, превышающей 1000 кг/дм 3(менее чем 10 АНИ), и вязкостью в 1000 раз выше,чем легкая нефть. Кроме того, битумный песок содержит более 4 серы по массе и сотни промилле тяжелых металлов. Содержание органического вещества в битумном песке может варьировать от 5 до 20 по массе, следовательно, экстракция нефти из битумного песка включает в себя огромный массоперенос. Состав битума обусловливает необходимость его обогащения до того, как он может быть переработан, подобно легкой нефти. Экономический потенциал этих огромных ресурсов объясняет тот факт, что существует ряд различных способов извлечения нефти из битумных песков. Эти технологии включают в себя биологические, термальные методы, использование растворителей, а также процессы, в ходе которых нефть вымывается из песка перегретой водой. 2(оставшейся породы), образующегося при экстракции нефти из битумного песка, приводит к тому, что разные способы встречают ряд экологических ограничений. В отличие от битумного песка, нефтяной сланец- это сланец, содержащий органическое вещество,известное как кероген, которое не может быть вымыто или растворено, подобно битуму в битумном песке. Чтобы извлечь нефть из нефтяного сланца, последний нужно нагреть до температуры в 500-600 оС, в результате чего происходит крекинг органического вещества до жидких продуктов. Как и битумный песок, нефтяной сланец содержит ряд нежелательных компонентов,которые обусловливают экологические ограничения. И, как и в случае технологий извлечения нефти из битумного песка, существует ряд различных технологий извлечения нефти из нефтяного сланца. Настоящее изобретение посвящено энергетически самоподдерживающемуся способу, в котором решен ряд проблем, известных для уже существующих технологий, и который, помимо извлечения нефти, лучше обогащает нефть легкими фракциями, чем любая другая из существующих технологий, удаляет около 40 серы и около 90 тяжелых металлов. Кроме того, в результате данного процесса оставшиеся породы выделяются с меньшими экологическими ограничениями,поскольку неорганическое вещество (песок) выделяется в сухом состоянии. Данный способ представляет собой скоростной сухой-влажный процесс в псевдоожиженном слое,в котором песок смешивается в реакторе для создания псевдоожиженного слоя с частью органического вещества битумного песка. Топочные газы высвобождают нефть из песка, вместе они действуют как пневматический носитель,транспортирующий песок и соответствующие газы в реактор циклона, где песок отделяется от потока газов,которые затем направляются в конденсирующую систему. Часть конденсированной нефти может быть направлена обратно в поток через распылительные форсунки для вторичного крекинга, посредством чего нефть извлекается и обогащается в ходе процесса в одну стадию без необходимости использования обогащающих блоков. Для предотвращения столкновений между частицами, поскольку необходимо получить максимальные деформационные силы между твердыми частицами в потоке песка, топочные газы и газообразные углеводороды ускоряются и замедляются в вертикальном трубопроводе переменного диаметра. Столкновения между частицами приводят к умеренной гидрогенизации нефти за счет сонолюминесценции микроскопических пузырьков пара, зажатых между сталкивающимися твердыми частицами. Когда пузырьки пара оказываются сжаты между вращающимися частицами неправильной формы,пар подвергается адиабатическому сжатию таким образом, что температура и давление в пузырьках возрастают в 24160 несколько тысяч раз по сравнению с температурой и давлением процесса в целом. Это сжатие приводит воду к сверхкритическому состоянию, в котором вода распадается на водород и гидроксил-радикал. Водород, абсорбирующийся на цепочках молекул сырой нефти, ослабляет связи таким образом, что сила столкновения с вращающимися песчинками может привести к крекингу молекулы и разрыву микроскопических пузырьков пара. Большинство атомов водорода затем освобождается и вновь реагирует с гидроксил-радикалами с образованием воды, но часть атомов водорода умеренно гидрогенизирует продукт. Крайне желательно достичь хорошего смешения песка/нефти так рано и так быстро, как только возможно. Описанный метод достижения смешения требует вышеупомянутого ускорения и замедления потока частиц. Традиционная среда,использующаяся для поддержания псевдоожиженности и движения твердых частиц в вертикальном трубопроводе - это пар. Однако пар разрушающе действует на очень горячие твердые вещества, которые можно обнаружить в процессе остаточного крекинга. При этих условиях пар вызывает гидротермальную деактивацию катализатора, например, катализатора крекинга в псевдоожиженном слое. Эта проблема преодолевается в настоящем изобретении за счет использования отработанных газов из насыщенного топливом основания регенератора реактора (СО/СО 2 и газообразные углеводороды) в качестве газа-носителя твердых частиц,которые будут действовать как катализаторы крекинга нефти. Для проверки способа в лаборатории(г.Тронхейм, Норвегия) был построен и размещен испытательный стенд размерами 2,52,53 м с максимальной мощностью 125 кВт. План испытательного стенда изображен на фиг.3. Фиг.4 изображает испытательный стенд во время тестирования. Затраты энергии, требуемые для переработки одного килограмма нефтяного песка, определяются как,гдемассовая доля песка (включая металлы и серу), например, 80,хмассовая доля нефти, например, 15,массовая доля воды, например, 5,удельная теплоемкость песка в кДж/кгК 1 кДж/кгК,удельная теплоемкость нефти при рабочей температуре в кДж/кгКпримерно 2,25 кДж/кгК, - теплота испарения в кДж/кгпримерно 225 кДж/кг,разница температур между рабочей температурой и температурой подачи песка в К,Нэнтальпия воды при рабочей температуре в кДж/ч 3500 кДж, Рабочая температура 360 С 633 К,Температура подачи 90 С 363 К,270 К,516 кДж/кг, что дает пропускную способность тестового испытательного стенда в 872 кг/ч песка,содержащего 130 кг нефти, откуда следует пропускная способность 20 баррелей нефти в день. Тесты проводили с битумным песком из залежей долины реки Атабаска. Ниже приведены его характеристики и полученные результаты Плотность извлеченной нефти в реакторе с псевдоожиженным слоем частиц 21 АНИ Плотность извлеченной нефти в вертикальном трубопроводе 29,3 АНИ Плотность осушенной нефти на выходе из конденсатора нефти 25,15 АНИ Кокс, оставшийся в отработанном песке 1,25 весовых Уменьшение содержания серы в нефти 45 Уменьшение содержания тяжелых металлов 87 Потребление энергии вот извлекаемой нефти 9,3 примерно 12,5 кг нефти/часпримерно 3,93 на баррель. (При цене нефти 50 за баррель). На фиг. 5 показаны битумный песок,извлеченная нефть и очищенный песок, оставшийся после тестового эксперимента. Схема технологического процесса показана далее на фиг.1. А) обозначает вертикальный реактор аппарата для создания псевдоожиженного слоя с помощью мешалки В), расположенной на некотором расстояния от дна аппарата. В пространстве между дном и мешалкой В) для создания псевдоожиженного слоя расположена камера С), в которую поступают топочные газы из камеры сгорания ), которая может быть заправлена газом и/или извлекаемой нефтью. Топочные газы нагреют и образуют псевдоожиженный слой твердых частиц(песка) Е), поступившего в реактор А). Давление,полученное от топочного газа, в реакторе вырастет,что вызовет пневматический транспорт твердых частиц и увлеченного газа, который состоит из топочного газа, пара и газообразных углеводородов,через вертикальный трубопровод ) в реактор циклона ). Последний спроектирован таким образом, что, в отличие от обычного циклона,твердые частицы вращаются в цилиндрическом корпусе циклона несколько сотен раз, прежде чем упадут в коническое днище Н) и обратно в реактор для создания псевдоожиженного слоя. В коническое днище циклона с помощью трубки ) подается перегретый пар, чтобы отделить углеводороды от падающих в циклоне твердых частиц, которые попадают в реактор А) через колено. Нефтяной песок загружают в реактор А) с помощью подающих систем Сс) и ). Такое же количество песка, которое подается в реактор А),должно быть и отведено из реактора. Это делается через трубопровод ), по которому песок транспортируется в камеру сгорания ), где оставшийся кокс сжигается в псевдоожиженном слое воздухом, подаваемым через М). Отработанные 3 24160 газы из ) проходят через газоочиститель и систему регенерации тепла ) прежде, чем будут отведены в воздух. Очищенные твердые частицы из ) попадают в твердо/жидкостной теплообменник О) и нагревают остывшую воду из теплообменника),поступившую из подающей воду помпы Р). Горячая вода затем транспортируется в бойлер ),расположенный в камере сгорания ). Бойлер производит пар, часть которого попадает в сверхнагреватель ), расположенный в камере С) реактора А). Сверхнагретый пар поступает во впрыскивающие форсунки ) для парового распыления нефти, в колено ) реактора циклона Н) и в колено Т) сепараторного циклона ). Остывший чистый песок может быть удален из теплообменника О) и использован для засыпки в землю, поскольку он сухой и не содержит какихлибо легко испаряющихся углеводородов. Избыток несверхнагретого пара сбрасывают через трубку ) и используют для предварительного нагрева топлива, технологических нужд или для производства электричества с помощью системы паровых турбин. Из реактора циклона ) и сепараторного циклона) поток газа подают в конденсатор ),установленный примерно на 95 С, таким образом,основная часть газообразной нефти конденсируется в жидкую нефть. Газ конденсируется потоком уже извлеченной нефти, поскольку нефть собирается на дне конденсатора и с помощью помпы ) подается в теплообменник ), где охлаждается водой,поступающей из помпы Р). Из теплообменника ) охлажденную нефть подают на верх конденсатора и конденсируют входящую газообразную нефть. Когда уровень нефти в конденсаторе увеличивается,продукт отводят через трубку ВВ). Несконденсировавшиеся газ и пар поступают во второй конденсатор СС), который охлаждают водой,подаваемой от помпы Р). Сконденсированную воду отводят из конденсатора через трубку ) и собирают в гравитационный сепаратор ЕЕ). В гравитационном сепараторе ЕЕ) легкие фракции нефти, поступающие из конденсатора нефти СС),будут декантированы через трубку ) в производственную линию через конденсатор нефти) и попадут в приемник через трубку АА). Воду отводят через трубку ) в сток. Газ, несконденсировавшийся в конденсаторе СС),в зависимости от местных ограничений по загрязнению, либо через трубку НН) выбрасывают в атмосферу, либо он поступает в систему очистки газа. Часть продукции возвращают в вертикальный трубопровод ) через трубку ) за счет повышенного давления от помпы ) через распыляющую форсунку ), присоединенную к трубопроводу ). Распыляющая форсунка ) получает пар для распыления нефти из сверхнагревателя ). Избыток образовавшегося в реакторе топочного газа, который не требуется для транспорта песка в вертикальный трубопровод ), может быть удален 4 из реактора через трубку ОО) в газоочиститель и систему регенерации тепла (не изображены). При нагревании реактора до рабочей температуры камерой сгорания ) количество газа или нефти, применяемых для сгорания, постепенно можно уменьшать таким образом, что подаваемый в реактор А) воздух будет вызывать внутреннее сгорание образующихся углеводородов,и,следовательно,процесс будет самоподдерживающимся за счет энергии,получаемой из самого битумного песка. В качестве альтернативного варианта камеру сгорания можно заполнить частью извлеченной нефти, доставленной помпой ). Чтобы получить вышеупомянутое ускорение и замедление потока в вертикальном трубопроводе,последнему следует придать переменный диаметр. Один из предпочтительных вариантов сформировать часть трубопровода в виде форсунки Лаваля, где распыляющая(ие) форсунка(и) ) расположена(ы) или в самой узкой части эжектора,или там, где эжектор начинает расширяться. В целом, способ является высокоинтенсивным процессом с большой плотностью энергии по причине высокой скорости потока газа и песка. Высокие скорости процесса, обусловливающие интенсивный обмен энергией между частицами песка и нефти, а также низкое парциальное давление газообразных углеводородов, образовавшееся за счет топочных газов и пара, являются причиной того, что процесс может протекать в температурном интервале 300-500 С. Помимо уменьшения температурной нагрузки и потребления энергии,столь низкая температура уменьшает полимеризацию продукта крекинга. На фиг. 2 представлен завод производительностью 10000 баррелей в день. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ одновременного извлечения и крекинга/обогащения нефти из твердых веществ,таких как битумный песок и нефтяной сланец,отличающийся тем, что твердые вещества,содержащие нефть, подаются в реактор с псевдоожиженным слоем, где углеводороды выпаривают, а теплота, расходуемая на испарение,образуется за счет внутреннего сгорания части углеводородов в твердом веществе, либо за счет внешнего нагревателя и тем, что топочные газы вместе с выпаренными углеводородами действуют как пневматический носитель твердых частиц и уменьшают парциальное давление газообразных углеводородов, а также в котором поток возвращают в реактор циклона и далее в сепаратор для извлечения твердых частиц и далее в конденсирующую систему для газов, способных к конденсации. 2. Способ одновременного извлечения и крекинга/обогащения нефти из твердых веществ,таких как битумный песок и нефтяной сланец по п.1, отличающийся тем, что часть продукта из конденсирующей системы возвращают обратно в 24160 поток по вертикальному трубопроводу через распыляющую форсунку, таким образом, поток твердых частиц выступает в качестве среды для крекинга,обусловленного действием деформационных сил,теплообмена и сонолюминесценции. 3. Способ одновременного извлечения и крекинга/обогащения нефти из твердых веществ,таких как битумный песок и нефтяной сланец по п.п.1 и 2, отличающийся тем, что для ускорения,замедления и оптимизации и столкновений частиц твердых частиц в потоке используют вертикальный трубопровод переменного диаметра. 4. Способ одновременного извлечения и крекинга/обогащения нефти из твердых веществ,таких как битумный песок и нефтяной сланец по п. 1, отличающийся тем, что температуру в устройстве регенерации контролируют подаваемым в регенератор влажным битумным песком. 5. Способ одновременного извлечения и крекинга/обогащения нефти из твердых веществ,таких как битумный песок и нефтяной сланец по п. 1, отличающийся тем, что песок из которого извлекали нефть, возвращается в сжигатель с образованием псевдоожиженного слоя,где оставшийся кокс сжигают подаваемым в сжигатель воздухом, и что образовавшаяся при этом теплота идет на образование пара, и что отработанный газ из сжигателя в качестве одного из вариантов возвращают в камеру выделительного реактора и,наряду с нагреванием и созданием псевдоожиженного слоя,является газом,участвующим в извлечении нефти из твердого вещества. 6. Способ одновременного извлечения и крекинга/обогащения нефти из твердых веществ,таких как битумный песок и нефтяной сланец по п. 1, отличающийся тем, что часть очищенного песка смешивают с битумным песком для уменьшения потерь тепла и гомогенизации песка,которая улучшает сырье для реактора. 7. Способ одновременного извлечения и крекинга/обогащения нефти из твердых веществ,таких как битумный песок и нефтяной сланец по п. 1, отличающийся тем, что ложе реактора, в котором создан псевдоожиженный слой частиц,имеет два диаметра, где нижняя часть регенератора обладает меньшим диаметром, чем верхняя часть, что позволяет уменьшить скорость частиц газа в верхней части регенератора. 8. Способ одновременного извлечения и крекинга/обогащения нефти из твердых веществ,таких как битумный песок и нефтяной сланец по п. 1, отличающийся тем, что очищенный песок в регенераторе постоянно выделяют из регенератора через трубку, которая вне регенератора имеет водяной затвор, который может иметь образную форму, и который через трубку,расположенную напротив водяного затвора,подают пар или газ, что позволяет пневматически транспортировать песок, попадающий в затвор. 9. Способ одновременного извлечения и крекинга/обогащения нефти из твердых веществ,таких как битумный песок и нефтяной сланец по п. 1, отличающийся тем, что группа регенератов располагается вокруг совместного зарядного устройства, совместного коллектора, получающего песок, и теплообменника , используемого для образования псевдоожиженного слоя, и в котором на выходе из регенератора попадают в совместную систему сепарации песка и совместное конденсирующее устройство, и в котором охлажденная сконденсированная нефть вступает в качестве конденсирующей среды в конденсаторе нефти за счет прямого взаимодействия горячей газообразной нефти и остуженной конденсированной нефти.