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        頁巖油預(yù)處理制取加氫原料的研究

        2015-03-13 07:37:46王曉棟
        化學(xué)工程師 2015年9期
        關(guān)鍵詞:原料油水相乳劑

        陳 松,周 揚(yáng),王曉棟

        (黑龍江省能源環(huán)境研究院,黑龍江哈爾濱150090)

        頁巖油是油頁巖中的有機(jī)質(zhì)受熱分解生成的產(chǎn)物,其碳?xì)浔阮愃铺烊皇停卜Q“人造石油”。頁巖油可直接作為燃料使用,也可經(jīng)精制成為化石燃料的替代物。發(fā)展頁巖油改質(zhì)轉(zhuǎn)化制取運(yùn)輸燃料,可有效利用國內(nèi)豐富的非常規(guī)石油資源,促進(jìn)環(huán)保和節(jié)能減排。

        頁巖油是一個分散體系,其分散相的微粒包括:水分、各種鹽溶液、焦粉碎屑等大的分散固體微粒,甲苯不溶物的縮聚物及頁巖油中各種聚合物的微粒。由于頁巖油中含有水分和固體雜質(zhì),將對后續(xù)加氫催化劑和加氫產(chǎn)物質(zhì)量造成危害,并對加氫操作產(chǎn)生影響,因此,在頁巖油加氫提質(zhì)轉(zhuǎn)化之前,應(yīng)首先對頁巖油進(jìn)行凈化預(yù)處理。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 原料油的制備

        本實(shí)驗(yàn)采用黑龍江省達(dá)連河礦區(qū)油頁巖經(jīng)低溫?zé)峤馍傻捻搸r油作為預(yù)處理原料。將原料頁巖油通過抽濾機(jī)進(jìn)行抽濾,除去油中的固體雜質(zhì),以滿足原料預(yù)處理的要求。

        1.2 原料油組分分析

        將濾后的原料油利用抽提法對其酸性分、堿性分及中性分進(jìn)行分離[1],其技術(shù)路線見圖1。

        圖1 頁巖油組分分析技術(shù)路線圖Fig.1 The technology roadmap of shale oil component analysis

        采用抽提法的具體分離步驟如下:

        (1)采用NaOH 抽提,頁巖油與NaOH 體積比為1∶5,混合液調(diào)至pH 值為11,分離得到水相和油相。

        (2)取步驟一的水相,用酸化的CH2Cl2中和調(diào)至pH 值為1,水相與CH2Cl2體積比為1∶5,得到水相(棄)和酸性份;油相用HCl 抽提并調(diào)至pH 值為1,得到中性油和水相。

        (3)將步驟二得到水相用堿化的CH2Cl2抽提,并用NaOH 調(diào)至pH 值為11,得到水相(棄)和堿性份。

        1.3 原料油破乳分離

        1.3.1 破乳劑的評選 取抽提后的頁巖油,采用瓶試法針對不同乳化液進(jìn)行破乳劑的評選。將不同類型的待測破乳劑配制成溶液加到頁巖油中并混合,在不同溫度水浴條件下進(jìn)行熱化學(xué)沉降脫水試驗(yàn),考察破乳劑加入量、混合方式、熱沉降溫度、沉降時間及脫水量、界面及脫水含油狀況。

        1.3.2 脫水率試驗(yàn) 將頁巖油置于溫度65℃水浴箱內(nèi)靜止4h,利用密度差進(jìn)行初步脫水。分水后的試樣在溫度65℃、破乳劑加入量1~5μg·g-1、攪拌速度1000r·min-1的條件下,攪拌3min 后恒溫沉降15min,將脫水后的頁巖油置于水分測定器中測定含水量,并計(jì)算脫水率。測定結(jié)果按下式計(jì)算:

        Wf=m1/m2×100%

        式中 Wf:分析試樣的水分,%;m1:分析試樣干燥后失去的質(zhì)量,g;m2:分析試樣的質(zhì)量,g。

        1.4 原料油的液-固分離

        將脫水后的頁巖油試樣在溫度50℃水浴箱內(nèi)靜止10min,并放置TDL-4013 低速臺式離心機(jī)中,在速度3000~4000r·min-1的條件下進(jìn)行液-固分離。在離心力場作用下,頁巖油中含有的固相顆粒迅速沉降形成沉渣。分離后的油渣由原來的流體狀變?yōu)榘敕蹱睢?/p>

        1.5 原料油的萃取

        1.5.1 萃取試驗(yàn)所用的化學(xué)試劑和實(shí)驗(yàn)儀器

        NaOH,Na2CO3,喹啉均為分析純,購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;加氫柴油(大慶石化公司煉油廠)。

        D2004W 型電動攪拌器(上海上海梅疑浦儀表制造有限公司);OSB-2000 型油浴鍋(上海愛朗儀器有限公司);標(biāo)準(zhǔn)型BT 系列電子天平(賽多利斯科學(xué)儀器有限公司);CS101-2ABNR 型紅外線電熱鼓風(fēng)干燥箱(重慶市永生實(shí)驗(yàn)儀器廠);98-1-B 型電熱套(天津市泰斯特儀器有限公司);蒸餾設(shè)備(天津市泰斯特儀器有限公司)。

        1.5.2 萃取過程

        采用大慶石化公司煉油廠加氫柴油作為萃取劑,萃取分為兩個階段進(jìn)行[2]。

        (1)第一階段萃取 將液-固分離后的頁巖油試樣與加氫柴油按體積比1∶(2~5)混合均勻,用10%NaOH 和Na2CO3溶液將頁巖油與加氫尾油的混合液調(diào)節(jié)pH 值至7~8。并在攪拌狀態(tài)下進(jìn)行溶劑萃取,萃取溫度40~60℃,攪拌時間1~1.5h,靜置溫度40~60℃,靜置時間1h。

        (2)第二階段萃取 將第一階段的加氫柴油不溶物與喹啉溶液按體積比1∶(1~4)混合均勻,并在攪拌狀態(tài)下進(jìn)行溶劑萃取,萃取溫度40~60℃,攪拌時間1h,靜置溫度25~40℃,靜置時間1h。

        1.6 原料油的蒸餾脫水

        將萃取后的頁巖油采用環(huán)己烷作為帶水劑進(jìn)行蒸餾脫水。將萃取后的頁巖油與環(huán)己烷按體積比1∶(1~4)混合均勻,在77℃恒溫條件下進(jìn)行蒸餾,經(jīng)冷凝分出水相。

        2 結(jié)果與討論

        (1)原料油組分分析 組分分析試驗(yàn)結(jié)果:全餾分頁巖油中酸性分占5.32%,中性分占64.53%,堿性分占6.55%。試驗(yàn)結(jié)果表明,頁巖油的3 種組分中的中性分所占比例最高,其中主要為烴類。

        (2)原料油破乳分離 原料油采用不同破乳劑沉降脫水試驗(yàn)結(jié)果見表1。

        表1 破乳劑熱化學(xué)沉降試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Data of the thermal chemistry precipitation

        對5 種破乳劑進(jìn)行脫水率試驗(yàn)的結(jié)果見表2。

        表2 脫水率試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Data of the dehydration rate

        經(jīng)進(jìn)一步優(yōu)化操作條件后,確定使用水溶性聚氧乙烯聚氧丙烯聚醚破乳劑,脫水率試驗(yàn)結(jié)果顯示,原料含水量由1.95%降至0.27%。試驗(yàn)結(jié)果表明,通過加入破乳劑,降低了乳化液界面膜的表面張力,破壞界面膜的穩(wěn)定,發(fā)生絮凝、聚結(jié)而破乳,從而實(shí)現(xiàn)油水分離。

        (3)原料油的液-固分離 原料油經(jīng)液-固分離稱重計(jì)算,頁巖油中的固體含量降至0.01%,焦渣脫出率83.3%。試驗(yàn)結(jié)果表明,經(jīng)液-固分離可將原料油中的焦粉、碎屑等大的分散固體微粒脫除,并降低殘?jiān)械捻搸r油含量。

        (4)原料油的萃取 采用加氫柴油作為萃取劑,第一階段萃取分離結(jié)果:頁巖油可溶物收率68%~75%,頁巖油不溶物為15%~22%。第二階段萃取分離結(jié)果:喹啉可溶物收率96%~98%,喹啉不溶物為2%~4%。試驗(yàn)結(jié)果表明,由于加氫柴油與頁巖油的中質(zhì)餾分相似,對頁巖油中的輕組分具有較好的萃取能力。喹啉可較好地萃取頁巖油中的重組分膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等,通過兩步萃取可保留頁巖油中的大部分輕、重組分。

        (5)原料油的蒸餾脫水 采用環(huán)己烷作為帶水劑進(jìn)行蒸餾脫水[3],試驗(yàn)結(jié)果表明,通過帶水劑蒸餾脫水,可將頁巖油的殘余水分帶出,使頁巖油含水量由破乳脫水階段的0.27%降至0.17%。

        (6)預(yù)處理前后原料油的性質(zhì) 頁巖油經(jīng)破乳分離、液固分離、萃取和蒸餾等預(yù)處理過程后,利用抽提法對頁巖油的酸性分、堿性分及中性分進(jìn)行分離,試驗(yàn)結(jié)果:輕質(zhì)頁巖油的酸性分4.65%,中性分78.20%,堿性分1.31%。預(yù)處理后的原料油即為加氫原料油,其性質(zhì)見表3。

        表3 預(yù)處理前后原料油性質(zhì)Tab.3 Properties round about pretreatment of shale oil

        3 結(jié)論

        (1)根據(jù)頁巖油分散體系的特點(diǎn),采取“破乳-萃取-蒸餾”的方法進(jìn)行預(yù)處理,使原料的含水量降至0.17%,固體含量降至0.01%,該方法可明顯改善頁巖油的質(zhì)量;預(yù)處理后的頁巖油可滿足催化加氫進(jìn)料要求。

        (2)采用加氫柴油作為預(yù)處理的萃取劑,可有效萃取頁巖油的中質(zhì)餾分,提高原料的利用率。

        (3)加氫柴油對原料起到稀釋油的作用,可降低原料的黏度和密度,由于其在后續(xù)的加氫過程不需分離,可同時解決高氮進(jìn)料對催化劑和操作的影響。

        [1]錢家麟,尹亮,等.油頁巖-石油的補(bǔ)充能源[M].中國石化出版社,2008,7(226).

        [2]馬寶岐,任沛建,等,煤焦油制燃料油品[M].化學(xué)工業(yè)出版社,2010,11(87).

        [3]姚蒙正,等.精細(xì)化工產(chǎn)品合成原理[M].中國石化出版社,2000,3(583).

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