基于CO2耦合溶剂的非水提取工艺对油砂分离的应用基础研究

The oil sands is the kind of unconventional petroleum resources. China has a huge oil sands deposit, oil sands and its processing technology has attracted much attention in the case of energy shortage. The bitumen was extracted by carbon dioxide and solvent co-extraction from oil sands. For the water-based methods of recovering bitumen from oil sands, there still exist some problems, such as low recovery efficiency, high energy consumption and the related environmental problems. carbon dioxide and solvent co-extraction of oil sands f is one method that could resolve some of the problems comparing with the water-based recovery processes. The viscosity of the bitumen and the interaction forces between bitumen and sand were reduced in this process. In order to provide a theoretical basis to application process, the properties of oil sands and solvent were studied. The phase behavior and phase equilibrium of CO2-solvents-bitumen ternary systems were measured in a precision high pressure PVT apparatus to determine the operating conditions of extraction. A model was developed to predict accurately the phase equilibrium data of CO2-solvents-bitumen ternary systems. he operation conditions with hgh recovery rate of bitumen and solvent were determined by co-solvent method of CO2 and solvent was used to process oil sands.The kinetics model was founded to simulate the mass transfer process of carbon dioxide and solvent co-extraction of oil sands.The model research of this technology gives the theory for industry application.

油砂是重要的非常规能源之一，我国油砂资源潜力巨大，在能源紧缺的情况下开展油砂分离技术的研究具有重要意义。本课题采用CO2耦合溶剂的非水提取工艺对油砂进行分离，提取油砂沥青。此方法利用CO2耦合溶剂来降低油砂中油砂沥青的粘度以及其与砂粒之间的结合力，从而提取油砂沥青并同时回收溶剂，提高油砂沥青采收率，解决传统水洗工艺提取率低，能耗高、环境污染严重等缺点。为了对工艺的应用提供理论依据，课题重点考察油砂沥青的性质组成与烃类溶剂性质间的关系，对CO2-溶剂-油砂沥青三元体系的相行为以及相平衡进行了系统研究，建立可准确描述此拟三元体系相平衡的模型，揭示了不同条件下体系中各组分之间的相互影响和变化规律。通过CO2耦合溶剂提取油砂沥青的实验研究，确定具有高油砂沥青提取率以及溶剂回收率的工艺操作条件。同时建立能描述该工艺的动力学模型，为工艺的实际应用提供实验数据。

随着石油的不断开采和重质化，非常规石油资源—油砂沥青的地位显得越发重要。传统的油砂沥青提取方法存在采收率低、能耗大以及分离困难等缺点，尤其是产生的大量废水带来了一系列的环境问题。为了解决油砂提取的这些问题，提出采用超临界CO2共溶剂法提取油砂沥青的工艺路线，针对这一工艺路线，课题对溶剂的选择、CO2-溶剂-油砂沥青的高压相平衡以及工艺条件的选择等基础理论方面进行了研究和探讨。. 首先利用溶解度参数理论，对克拉玛依油砂沥青中沥青质以及备选溶剂的溶解度参数进行了计算，同时采用间歇式装置进行了溶剂提取油砂沥青实验，结果证明溶剂法提取油砂沥青的过程符合“溶解度参数相近”的原则，选择溶剂价格低、可以大规模应用的重整汽油作为萃取溶剂，甲苯作为参比溶剂进行实验对比。对油砂进行了间歇式萃取实验，油砂沥青回收率随温度、剂砂比以及萃取时间的增加而增加，在萃取温度50℃，萃取时间60min，剂砂比1：1的条件下，甲苯作为溶剂的油砂沥青回收率为93.89%，重整汽油作为溶剂的油砂沥青回收率为91.58%。. 为了确定CO2共溶剂法提取油砂沥青的操作条件范围，采用长窗可变体积高压相平衡装置在30-60℃，压力4-15MPa的条件下对CO2-甲苯-油砂沥青和CO2-重整汽油-油砂沥青体系的相行为和相平衡进行了研究。结果发现，随着条件的变化，体系中组分的互溶均相状态与组分分离的分相状态可以相互转变。体系中分相压力以及三相消失点压力随CO2摩尔分率的增大以及温度的升高而升高，剂油比对于体系的相行为变化影响不大。体系轻重相中各组分相对含量以及轻重相取样中油砂沥青的性质随操作条件的变化规律与体系相行为的变化规律相符合。. 在体系相行为及相平衡研究所确定的操作范围内，采用超临界CO2协同溶剂对油砂进行了萃取实验，结果表明油砂沥青以及溶剂的回收率随温度、压力的升高而升高，随CO2流量增大先升高后趋于平缓，溶剂添加量对回收率的影响不大。以重整汽油作为溶剂，在温度60℃，压力16 MPa，CO2流量为5.2L/h，时间为1.5h，剂砂比为1/4的条件下油砂沥青回收率为84.3%，溶剂回收率为91.2%，与参比溶剂甲苯的实验结果相差不大。利用共溶剂法得到的油砂沥青性质与水洗的油砂沥青性质基本相同，符合后续加工要求。