林希哲,李东胜,李晓鸥(辽宁石油化工大学化学化工与环境学部,辽宁抚顺113001)
溶剂抽提法分离油砂技术的研究进展
林希哲,李东胜,李晓鸥
(辽宁石油化工大学化学化工与环境学部,辽宁抚顺113001)
摘要:介绍了溶剂抽提法在油砂分离中的应用和研究现状,阐述了抽提溶剂的选择原则,溶剂抽提法的实验原理与萃取机理,影响抽提效果的实验因素。并分别介绍了单一溶剂抽提、复合溶剂抽提、水辅助溶剂抽提以及离子液体在抽提实验中的应用,根据各类溶剂的抽提特点,分析了其在油砂分离中的应用前景并对溶剂抽提技术的发展提出了相关建议。
关键词:油砂;溶剂抽提;溶剂体系;沥青;回收率
石油是世界各国最重要的使用能源,但作为不可再生资源,石油量的日益减少和需求量的不断加大问题严重,因此迫切需要寻找新的资源作为补充和替代品。油砂作为一种重要的非常规能源储量巨大,开发其中富含的稠油沥青资源,具有广阔的市场前景和经济效益。随着油砂分离技术的日趋成熟,开采生产的利润增大,油砂有望成为未来重要的能源之一[1]。
油砂亦称为焦油砂,是由砂粒、黏土、沥青和水组成的复杂混合物[2]。不同地区的油砂矿性质和组成不同,通常情况下,油砂中沥青等重油所占的质量分数为3%~20%,无机矿物质占80%~85%,水占3%~6%[3]。根据固体表面的润湿性,油砂可分为油润型油砂、水润型油砂和中性油砂,不同类型的油砂适用于不同的提取方法[4]。水润型油砂通常用热碱水洗法进行分离,该方法由Clark博士于20世纪20年代发展起来,是利用含碱和表面活性剂的水加热搅拌分离油砂[5],使沥青组分从砂粒表面剥离,然后通过曝气方法浮选含沥青组分的泡沫,最后加入烷烃来降低萃取出的沥青泡沫的黏度方便去除其中夹带的细砂和黏土微粒。该方法已经成功的应用于加拿大油砂分离的商业化,也带来了巨大的经济效益,但是该技术却具有一系列的缺点:首先需要消耗大量的水和能源,在水资源紧张的地区很难实现大规模的工业化,并且所产生的流体尾砂矿呈乳化状态使其很难处理,工艺水循环利用率不高;其次,排放大量的温室气体和有毒性尾砂水会对环境产生长远的有害影响;第三,热碱水洗法并不适用于分离油润型和风化型油砂矿[6~7]。而油润型油砂由于其固体表面的疏水性,沥青直接黏附在砂粒表面,比如印尼油砂,其砂粒粒径小,含水率低含油率高,用热碱水法进行分离难度较大,采用溶剂抽提工艺比较合适[8]。有机溶剂抽提法普适性好,适用于抽提不同类型的油砂,具有节水节能、处理方便、无乳化现象、操作温度低、环境污染小等优点,而且抽提回收所得到的油砂沥青中灰分含量低,品质较好,后续加工利用较为容易[9]。
本文将从抽提溶剂的选择原则、抽提实验原理与萃取机理、影响抽提效果的实验因素和几种典型的抽提实验方面对溶剂抽提法分离油砂的技术进行介绍和论述。
从热力学的角度来看,溶剂从油砂中提取沥青的过程可以被视为溶剂和溶质相互混合的过程[10]。根据Hildebrand溶液理论:△H=Vmφ1φ2(δ1-δ2)2(其中为混合焓,为溶液的物质的量的体积,φ1和φ2分别为溶剂和溶质的体积分数,和分别为溶剂和溶质的溶解度参数)。要使溶剂与溶质相溶,则混合焓要小,溶剂和溶质的溶解度参数应该相等或相近,即“溶解度参数相近原则”。这一原则为溶剂的选择提供了理论指导[11]。除此之外,在选择溶剂时需要考虑以下因素,例如溶剂的选择性、溶解能力、来源、成本、挥发性和毒性以及溶剂的回收率和重复利用性能。油砂沥青的回收率和沥青产品的质量也同样重要。因此,溶剂抽提过程中理想的溶剂既要有很高的沥青溶解度又要有较低的沸点以便于溶剂的回收[12]。
油砂有机溶剂抽提主要是利用物质的相似相溶原理来实现油砂沥青与砂的分离[13]。首先将有机溶剂与油砂接触混合来萃取油砂中的有机组分,然后将固相(砂)与液相(溶剂和油砂沥青)进行分离,根据抽提溶剂和油砂沥青沸点的不同,最后将液相混合油(溶剂和油砂沥青)进行蒸馏,从而达到分离目的,得到的馏出物为溶剂(抽提溶剂可以循环使用),剩余物即为油砂沥青[14]。
油砂的溶剂萃取过程实质上是一个溶解过程,但该溶解传质过程又不同于常规的固液传质。在溶剂萃取过程中,可能存在两种传质过程[15],即轻组分物质(饱和分、芳香分等)向溶剂扩散;与此同时,溶剂又向沥青质等重组分中扩散,降低可溶性沥青组分的黏度,将沥青质等物质由缔合状拆开成疏松状,在浓度差、外界剪应力作用下进入溶液主体相,以此达到溶解的作用。大部分的可溶性沥青组分能够快速溶解,但是由于砂粒和黏土的存在,用现在分析测试技术很难观察出溶质之间的碰撞和尺寸的变化[16]。关于油砂沥青的溶剂萃取机理,还有待进一步的研究和论证。
影响实验抽提效果的因素很多,例如抽提温度、抽提时间、剂砂质量比和搅拌速度等。
(1)抽提温度:温度对油砂沥青的回收率的影响主要体现在传质速率和溶解平衡两个方面[6]。随着抽提温度的升高,油砂沥青黏度降低,流动性变好,能增加其在溶剂中的溶解度,强化传质过程,从而提高回收率;反之,温度降低会增大沥青的黏度,使传质速率减慢降低其回收率[11]。但是实验温度也不易过高,温度过高会增加能耗,也会使溶剂汽化降低其溶解能力,反而使油砂沥青的回收率降低。
(2)抽提时间:在抽提过程中,沥青的回收率与抽提时间紧紧相关,抽提时间的长短取决于油砂破粹后颗粒的大小、抽提温度、搅拌强度、传热均匀程度等因素[14]。实验过程中选取适宜的抽提时间是关键,即要保证萃取能接近平衡,又要考虑经济成本时间不易太长。
(3)剂砂质量比:实验中剂砂比的确定与所选溶剂的种类有关,研究发现,使用带环的有机溶剂如芳香烃类、吡啶等可以获得较高的萃取率,而烷烃类溶剂萃取效果较差。当溶剂加入量过少时,油砂无法被溶剂充分接触溶解,使得沥青回收率不高[17];随着溶剂量加大,能增加固相溶质与液相溶剂的浓度差,增强传质作用,提高回收率。在使用烷烃类溶剂时,当剂砂比过高时,分散介质的黏度会降低使得沥青质更容易聚集沉淀反而不利于分离[18],而溶剂用量过多还会造成浪费增加成本。
(4)搅拌速度:由于油砂颗粒的不均匀性和内聚力,搅拌速度对沥青的回收率有很大的影响。搅拌速度越快,剪切力的作用效果越明显,油砂沥青越容易从砂粒表面剥离,能短时间内能实现分离;但是速度越快越容易造成液体飞溅,反而不利于抽提的进行,工业生产中搅拌速度可以控制在100r/min左右[10]。
溶剂萃取油砂沥青主要包括油砂、溶剂混合萃取,固液两相分离,溶剂回收和残砂处理四个过程,在半个多世纪的发展历程中,国内外的专家学者已经对溶剂抽提法分离油砂技术开展了大量的研究。其实验成果能为非水润型油砂的分离提供技术支持,也为我国油砂资源得到更好的利用提供宝贵的经验。下面分别介绍几种典型的溶剂抽提工艺。
4.1 单一溶剂抽提
刘杨[16]等采用93号汽油作为抽提溶剂对新疆油砂进行了正交和单因素萃取分离实验,优化得到最佳的操作条件为:油砂粒径小于450μm(中位粒径268μm),萃取时间30min,萃取温度80℃,剂砂比为4∶1,在此条件下萃取率达到90%,尾砂残油率为1.7%。该方法能克服传统方法的缺点,具有无污染、萃取率高及成本低等优点。
John[19]采用CS2对油砂进行抽提实验,CS2对沥青有很好的溶解性,并且CS2具有较低的沸点(46.25℃)和黏度(20℃时为0.32mPa·s),来源也较广泛,可以用单质硫或是石油焦合成,在常温条件下即能很好的将油砂分离,分离过程无水参与,但是CS2的密度较大(1.26g/mL),容易与油砂发生结块,使得溶剂回收率不高。李庆寨[20]发明了一种从油砂中通过溶剂抽提沥青的方法,该发明所用抽提溶剂为溶解效果较好的氯代烃,抽提阶段的剂砂质量比为3∶1,抽提时间为30min,洗涤阶段剂砂质量比3∶1,两段合计剂砂比为4.8∶1(按40%含油率计算),离心分离因素为1800,溶剂抽提效率可以达到90%~95%。此工艺全部是物理过程,采用和借鉴成熟的设备,投资少、能耗较低,可以保留沥青的原有性质,是油砂用于道路建筑材料的最有效工艺。
陈德军[21]等利用半连续装置对加拿大Athabasca油砂进行了提取分离实验和超临界CO2溶剂回收实验。优选出最佳抽提溶剂为重整汽油,提取的最佳工艺条件为抽提时间60min,抽提温度80℃,溶剂流量60mL/min,油砂沥青回收率达到92.74%。超临界CO2对残留在尾砂中溶剂有较好溶解作用,而且易于分离,重整汽油的回收率最高能达到98.7l%。超临界CO2回收技术既具有高效环保的优点又克服了溶剂残留在尾砂中难以分离的缺点,但是该工艺要求的超临界条件较为苛刻,间接操作,商业化运行成本过高[22]。
目前为止,所研究的单一溶剂包括苯、甲苯、二甲苯、吡啶、CS2、煤焦油、石脑油、石油醚、环己烷、正庚烷、重整汽油和氯仿等。其中芳香类溶剂的极性强、溶解能力好、能最大程度的萃取油砂中的全部的有机组分(饱和分、芳香分、胶质、沥青质),但是毒性较大,沸点较高,价格昂贵,操作安全性不能得到保障,制约了其在工业化中的应用。而烷烃类溶剂虽然相对环保,也更容易回收,但是其极性较弱,油砂中大约还有20%的重质组分不能被萃取出来,使得沥青的回收率不高,尾砂既不能二次利用也不能直接回填排放,不利于大规模的连续生产。
4.2 复合溶剂抽提
Farcasiu[23]公开了一种方法,即利用轻石脑油/甲醇溶剂体系从焦油砂中提取沥青。理想的情况下,非极性成分的提取从石脑油相中回收;极性可溶性成分是从甲醇相中回收,沥青质以不溶状态存在于两种溶剂中的界面处得以回收。实验结果表明:轻石脑油/甲醇(70/30体积分数)溶剂体系的抽提率与苯抽提率相当,并且抽提沥青的品质更高。
Chakrabarty[24]提出了采用极性/非极性二元复合溶剂从油砂中提取沥青的概念,并通过调节极性溶剂和非极性溶剂的体积比来提高萃取效率。其中极性溶剂包括丙酮等羰基类化合物,非极性溶剂包括正戊烷、正庚烷、C2-C7烷烃等。采用丙酮/正庚烷(30/70体积分数)复合溶剂进行实验,其抽提率与甲苯相当,溶解速率却是甲苯2~3倍,在20℃时其黏度仅为0.26mPa·s远低于同温度时黏度为0.59mPa·s的甲苯,相比之下更能减少沥青的黏度,并且回收更容易;常压下该复合溶剂的沸点至少比甲苯低53.5℃,在回收溶剂时也能降低大量的能耗。
冯杰[25]也发现复合溶剂烃-酮类(正庚烷/丙酮)、烃-酯类(正庚烷/乙酸乙酯)比纯溶剂的萃取率高,并且毒性低,沥青溶液的表面张力小,利于回收,是良好的分离油砂溶剂体系,为溶剂萃取油砂过程的优化提供一些理论指导。Wang[6]等对复合溶剂分离新疆油砂进行了理论分析,研究发现溶解度参数接近于沥青质且参数分布接近于甲苯的溶剂是分离新疆油砂的理想溶剂,采用复合溶剂正己烷-乙酸乙酯、环己烷-甲基乙基酮进行了抽提实验,当极性成分乙酸乙酯、甲基乙基酮的比例分别为0.33 和0.2时萃取效果最好,分别达到79%和67.7%,且实验成本最低。
唐晓东[26]等自制了一种新型的复合溶剂EOSA并对克拉玛依油砂进行了抽提实验,该复合溶剂可以很好地将沥青溶解,并且密度小、不易结块,考查了温度、时间、溶剂用量对EOSA萃取分离油砂沥青收率的影响。实验结果表明:当油砂颗粒<40目、萃取温度为30℃、萃取时间为30min、剂砂比为2mL/g时,油砂沥青的收率可达95%以上。60~80℃的条件下回收溶剂,溶剂的回收率高达99.21%。该工艺整个操作过程都在较低温条件下完成,具有无水参与、低能耗、高收率、零排放等一系列优点。
复合溶剂具有黏度低、沸点低、毒性低、抽提过程中用量少、耗能少、沥青收率高的优点,利用复合溶剂或是在烷烃类溶剂中添加极性成分能较大程度的提高沥青萃取效率,又能达到环境友好的目的,安全可靠,回收也较为容易,其工业化前景广阔。
4.3 水辅助溶剂抽提
杨红强[27]等开发了一种水辅助溶剂抽提法从油砂中提取沥青的技术。该方法通过在油砂固相与有机溶剂间介入水层提取油砂中的沥青,使得萃取体系较好的分为三相,水层位于中间相,其中水层的介入有效的降低了沥青中固体微粒组分的含量,使之更容易与固相砂粒分离。以内蒙古扎赉特旗油砂矿为研究对象,考察了温度,复合溶剂、砂、水的质量比,提取时间及溶剂的种类与性质对沥青回收率高低的影响,结果表明:使用复合溶剂甲苯/石脑油(50/50体积分数)时,最佳操作条件为提取温度50℃,油砂、水及复合溶剂质量比1∶1∶1,提取时间25min。沥青回收率可以达到90%,实验相关研究结果对溶剂法提取油砂中沥青技术及溶剂种类的选择具有指导作用。
Yang[28]等也采用该技术对风化型油砂矿进行了抽提实验,其中水层相要加入表面活性剂以防止固体微粒聚集悬浮在油与水界面处,影响后续分离。考虑到抽提成本和环境问题,采用石脑油作为抽提溶剂,抽提温度50~60℃,油砂:石脑油:水=1∶1∶0.5,抽提30min,沥青的回收率达到74%,石脑油的回收率也能达到92%以上。
该工艺和单独用溶剂抽提相比,能更好的使沥青组分和固体砂分离,同时能减少沥青溶液中细砂和黏土颗粒含量,也能降低尾砂中溶剂的残余量。但是由于引进了水层,传质过程会受到影响,沥青的回收率有所降低,而且会有极少量水滴(大约0.3%)乳化在沥青中,会影响沥青品质。在工业生产中又会消耗大量的水资源,且工艺流程复杂,操作成本高,用于工业化生产还不成熟。
4.4 离子液体辅助溶剂抽提
应用绿色溶剂离子液体辅助有机溶剂对油砂的萃取分离是近几年新兴的方法,相比有机溶剂,离子液体的优点是:(1)具有极低的蒸汽压,有良好化学和热稳定性,对环境污染小[29];(2)熔点低,溶解性好,可以通过改变离子种类和调整阴阳离子结构设计成不同的离子液体[30]。离子液体辅助溶剂抽提的原理在于利用离子液体高离子浓度而产生的独特的界面行为,介入沥青组分和固体颗粒表面之间的静电作用力,降低它们的黏附作用,从而促使沥青组分从砂粒表面脱离[31]。
张坚强[32]等采用相对绿色的乙酸甲酯/正庚烷复合溶剂应用于加拿大油砂沥青萃取实验,研究了离子液体[Emim]BF4对油砂沥青萃取率和分离洁净程度的影响,采用红外光谱仪和扫描电镜对萃取后残沙和沥青的洁净程度进行了定性分析。实验结果表明:复合溶剂体积比为2∶3时,加入离子液体[Emim]BF4后,沥青的的最高回收率从86.28%增加到94.20%,萃取得到的沥青中未检测到含有细小黏土颗粒,有利于后续加工,残沙也未检测出残留有离子液体或沥青中的有机物质,避免了对环境造成的二次污染。
Paul[33]等在常温或者稍高温度(55℃)下分别用三种离子液体[bmim][CF3SO3]、[bmmim][BF4]和[bmmim][CF3SO3]与甲苯混合对加拿大油砂进行了抽提实验,形成了一个三相萃取体系。研究发现[bmmim][CF3SO3]的辅助效果最好,当油砂、甲苯和离子液体的质量比为1∶2∶3,搅拌速率为400 r/min时,沥青的提取率可以超过90%。回收沥青和尾砂中都未检测出离子液体或是溶剂残留,分离效果较好。
隋红[31]等发明了一种耗能低、耗水低、对环境影响小并且高萃取率的油砂分离方法即利用离子液体1-乙基- 3-甲基咪唑四氟硼酸盐[Emim][BF4]辅助有机溶剂萃取油砂,实验优选出的抽提溶剂为丙酮-正庚烷(2∶6)复合溶剂,考察了离子液体用量、有机溶剂用量、抽提温度、抽提时间对沥青回收率的影响。研究表明:在离子液体的用量为油砂质量的1~3倍,有机溶剂体积与油砂质量比为6~10(ml/g),抽提温度范围为20~35℃的条件下,萃取30~60min,该方法能有效的将油砂中的沥青组分分离,沥青回收率高达95%。有机溶剂可以在70~200℃进行蒸馏回收,油砂分离后的残砂和离子液体在常温条件下经少量水洗,残砂产品即能达到洁净出料。离子液体和水蒸馏分离,可循环使用,为溶剂抽提法分离油砂提供了新思路。
虽然离子液体对油砂分离的辅助作用十分明显,但其成本高、用量大、回收困难等因素是制约其广泛应用的最大问题。
我国的油砂资源丰富,已对多处油砂矿藏资源进行了勘测和评估,具有广阔的开发潜力。在油砂的几种分离方法中溶剂抽提法具有提取率高、污染小,成本低等系列优点,因而越来越受到人们的重视。但在现阶段,采用溶剂抽提技术进行油砂分离仍处于实验室研究阶段,尚未实现工业化应用,其主要限制在于溶剂的回收和尾砂残留,在溶剂的选择及来源,过程安全控制等问题上还需进一步研究。
溶剂体系对萃取分离油砂过程以及能否进一步的实现工业化起到重要作用。目前关于如何选择溶剂体系仍没有统一的标准规范:但基本遵循几个原则,溶剂具有较高的沥青收率、取材广泛、价格低廉、回收率高、重复利用性能好、对环境影响小等,而溶剂回收体系也要本着能耗低和设备投资少的原则并且避免乳化现象的产生。鉴于目前的工艺研究现状、经费状况和成本控制要求,以及综合各类溶剂的特点,发展复合溶剂抽提法也许是一个有效的解决途径,以期实现油砂分离的商业可行性和环境兼容性的目标。
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技术交流 Technical Exchange
聚二甲基硅烷的合成研究
Research Progress on Solvent Extraction Separation Techniques of Oil Sands
LIN Xi-zhe,LI Dong-sheng and Li Xiao-ou
(College of Chemistry,Chemical Engineering and Environmental Engineering,Liaoning Shihua University,Fushun 113001,China)
Abstract:The application and research status of solvent extraction in oil sand separation were introduced. The principle of the selection of extraction solvent,the experimental principle of solvent extraction method,the extraction mechanism,and the factors that affecting the extraction effect were discussed. Subsequently,the single solvent extraction,the compound solvent extraction,water-assisted solvent extraction and the application of ionic liquids in the extraction experiments were introduced. According to the characteristics of various solvents,the prospect of its application in oil sand separation was analyzed,and related suggestions were put forward for the development of solvent extraction technology in the end.
Key words:Oil sands;solvent extraction;solvent system;bitumen;recovery rate
中图分类号:TQ028.32
文献标识码:A
文章编号:1001- 0017(2016)01- 0070- 05
收稿日期:2015- 10- 26
作者简介:林希哲(1990-),男,辽宁本溪人,在读硕士研究生,研究方向为非常规石油资源的利用。E- mail:1124192821@qq.com