用蒸汽冷裂解的系統和方法

2023-05-29 16:53:31

用蒸汽冷裂解的系統和方法
【專利摘要】用於增強油從油田中回收的方法，該方法包括：施加熱量到包括烴鏈的膠體烴類介質；並且施加具有預定頻率和強度的壓力波到烴鏈以便使烴鏈裂解成相對較短的烴鏈。任選地：施加熱量可包括施加蒸汽；壓力波可被直接或間接施加到待裂解的烴鏈；施加壓力波可在油田中通過利用在油田內或外的活化器來進行；施加壓力波可在油田內進行；施加壓力波可通過利用轉子進行，所述轉子位於由膠體烴類介質瀰漫的殼體中。
【專利說明】用蒸汽冷裂解的系統和方法
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求2011年8月29日提交的美國專利申請序列號13/220，280的權益和優先權，其內容也據此通過引用方式以其整體併入。
[0003]背景
發明領域
[0004]本發明的實施方式大體涉及用於利用在降低溫度下操作的壓力波發射機構來處理在其組成中具有氫、氧鍵的液體，特別是包括膠體烴類介質、礦物油或任何鐵磁流體的液體的系統和方法。
[0005]相關領域的描述
[0006]重質原油或超重原油是不容易流動的任何類型的原油。其被稱為「重質」是因為其密度或比重高於輕質原油的密度或比重。重質原油已被定義為具有小於20°的美國石油學會(「API」)比重度數的任何液體石油。超重油被定義為具有低於10.0° API的API比重度數(即，具有大於1000kg/m3的密度或者，等同地，大於I的比重)。
[0007]相反，輕質原油是具有低密度並且在室溫下自由流動的液體石油。由於高比例的輕質烴餾分的存在，其具有低粘度、低比重和高API比重度數。其通常具有低的蠟含量。在商品市場上輕質原油的價格比重質原油高，因為當它經煉油廠被轉變成產品時產生較高百分比的汽油和柴油燃料。
[0008]低硫原油是與含硫原油中的較高水平的硫相比含有小於約0.5%硫的類型的石油。低硫原油含有少量的硫化氫和二氧化碳。高質量、低硫的原油常被用於處理成汽油並且是高需求的，特別是在工業化國家中。「輕質低硫原油」是最受歡迎的原油類型，因為其含有不成比例地大量的被用於處理汽油(石腦油)、煤油和高質量柴油的這些餾分。
[0009]在世界各地直接存在於原油中的輕質粗產品的量或體積不足以覆蓋各種燃料的全世界消耗。因此，被稱為「裂解」的技術已被開發並且對於使來自原油的輕質產品產率最大化是必需的。裂解是其中利用前體主要通過碳碳鍵的斷裂使複雜的有機分子(重質烴)分解成較短的分子(輕質烴)的工藝。
[0010]在煉油廠中使用的常規的裂解工藝可被分成兩組裂解機理:熱裂解和催化裂解。多年以來這兩種工藝被優化以產生相對窄的鏈長範圍的短的烴類，這種短的烴類適合於產生液體燃料(例如，汽油、柴油、煤油，等)。
[0011]常規的裂解工藝的不足包括具有短的鏈長的烴類的相對低的產率、和在商業上可行的速率下實現該工藝所需的相對高的溫度和壓力的組合。
[0012]因此，存在對能夠生產相對較高的產率的具有短的鏈長的烴類和為了在商業上可行的速率下實現該工藝的相對較低的溫度和壓力的組合的裂解工藝的需求。
[0013]概述
[0014]本發明的實施方式大體涉及用於處理液體特別是膠體烴類介質礦物油以增加輕質的、低沸程餾分的含量的程序，其包括使被處理的液體經受第一頻率的壓力波，並且將液體運輸到用於進一步的常規油處理的罐或壓力波發射機構。
[0015]根據某些實施方式，已發現當將原油和/或其它礦物油適當地暴露於具有某些有利的頻率的壓力波時，液體顯示出改善的蒸餾分布，這表明短鏈的、低沸程的餾分的增加的增量。結果，在精製工藝過程中源自原油和礦物油的高質量輕質產品的產率增加。一般來說，由於具有適當選擇的振蕩頻率的振蕩能量而存在的液體內的共振激發是上述鏈斷裂或裂解的原因。該工藝還包括將蒸汽注入到液體中，以便增加液體的溫度和/或對液體的壓力，以便增加化學過程的反應速率。
[0016]在另一個實施方式中，壓力波發射機構以轉子的形式實施，該轉子位於由經受處理的液體瀰漫的殼體中。
[0017]根據本發明的實施方式提供了一種用於增強油從油田中回收的方法，該方法包括:施加熱量到包括烴鏈的膠體烴類介質；並且施加具有預定頻率和強度的壓力波到烴鏈以便使烴鏈裂解成相對較短的烴鏈。
[0018]施加熱的步驟可包括施加蒸汽；壓力波可被直接施加到待裂解的烴鏈；壓力波可被間接施加到待裂解的烴鏈；施加壓力波的步驟可利用油田中的活化器在油田中進行；施加壓力波的步驟可在油田中利用油田之外的活化器進行；施加壓力波的步驟可在油田中進行；並且施加壓力波的步驟可利用位於由膠體烴類介質瀰漫的殼體中的轉子進行。以下更加詳細地描述活化器的結構和操作。
[0019]施加壓力波的步驟可包括:施加壓力波至第一多個烴鏈，以便產生活化的膠體烴類介質；以及將活化的 膠體烴類介質引入到第二多個烴鏈以便產生自由基鏈反應。
[0020]根據本發明的實施方式提供了一種增強油從油田中回收的系統，該系統可包括:被配置為施加熱量到包括烴鏈的膠體烴類介質的熱施加器；和被配置為施加具有預定頻率和強度的壓力波到烴鏈以便使烴鏈裂解成相對較短的烴鏈的壓力波發生器。
[0021 ] 熱施加器可包括蒸汽噴射器。
[0022]壓力波發生器可以:被配置為直接施加壓力波到待裂解的烴鏈；或被配置為間接施加壓力波到待裂解的烴鏈。
[0023]在其中壓力波發生器可被配置為施加壓力波到第一多個烴鏈以便產生活化的膠體烴類介質的情況下，系統還可包括:從壓力波發生器到第二多個烴鏈的接口，其目的是通過將活化的膠體烴類介質引入到第二多個烴鏈而產生自由基鏈反應。
[0024]壓力波發生器:可包括在油田中的活化器，該活化器被配置為在油田中施加壓力波；可包括在油田之外的活化器，該活化器被配置為在油田之外施加壓力波；並且可包括轉子，該轉子位於由膠體烴類介質瀰漫的殼體中。
[0025]附圖簡述
[0026]因此，以上述的本發明的特徵可被詳細地理解的方式，以上簡略概括的本發明的實施方式的更加具體的描述可以參照在附圖中圖示的實施方式獲得。然而，應注意，附圖僅圖示了包括在本發明的範圍內的實施方式的典型的實施方式，且因此，不被認為是限制性的，因為本發明可容許其它等效的實施方式，其中:
[0027]圖1描繪了根據本發明的實施方式的化學反應能量；
[0028]圖2圖示了根據本發明的實施方式的粒子能量分布的兩個函數；
[0029]圖3圖示了根據本發明的實施方式的用於增強油從油田中回收的方法；[0030]圖4圖示了根據本發明的實施方式的用於增強油從油田中回收的另一種方法；以及
[0031]圖5描繪了根據本發明的一個實施方式的液體活化器系統。
[0032]本文所用的標題僅是為了組織目的並且不意圖被用於限制說明書或權利要求書的範圍。如貫穿本申請所使用的，單詞「可以」以容許的意義(即，表示具有可能性)而使用，而不是強制的意義(即，表示必須)。類似地，詞「包括(include)，，、「包括(including)」和「包括(includes)」表示包括但不限於。為了便於理解，在可能的情況下，同樣的參考數字被用於指示附圖所共有的同樣的要素。
[0033]本發明的實施方式大體涉及用於處理液體特別是膠體烴類介質、礦物油或類似物以增加具有較低沸點的輕質餾分的含量的程序。
[0034]根據本發明的實施方式提供了被設計為使液體例如膠體烴類介質、礦物質或相關物質中的分子鍵不穩定、被削弱、被剪切或甚至斷裂以便由此在後續的精煉工藝中取得增加部分的短鏈且低沸點餾分的方法和系統。削弱分子鍵或使其不穩定可意味著例如分子鍵進入不穩定的能態，即，比最低能量高的狀態。在這樣的較高的能態下，分子鍵易於在添加與不在較高能態下的分子鍵相比較少量的能量時斷裂。為了這個目的，能量從兩個源被供給到液體。第一，以壓力波的形式的機械振蕩能量被引入到液體中。第二，以流的形式的熱能被供給到液體中。來自這兩個源的能量一起導致化學連接的摧毀，並且導致長鏈的、高沸點分子的餾分的鏈斷裂。
[0035]根據某些實施方式，已發現，在預定的最低溫度和/或壓力條件下，當將原油和/或其它礦物油適當地暴露於具有某些有利的頻率的壓力波時，液體顯示出改善的蒸餾分布，這表明短鏈的、低沸程的餾分的增加的增量。結果，在常規的精製工藝過程中源自原油和礦物油的高質量輕質產品的產率增加。一般來說，由於具有適當選擇的振蕩頻率的振蕩能量而存在的液體內的共振激發是通過分子鏈的斷裂或裂解而轉變液體的原因。最低熱量和/或壓力條件允許液體的轉變起始，或者以較快的速率發生，或者轉變較大部分的液體。
[0036]最低溫度和/或壓力條件可通過自然環境提供，例如，通過深油井中自然存在的力提供。然而，如果自然環境沒有提供充足的溫度和/或壓力條件，熱和/或壓力可通過外源提供，例如，通過將蒸汽注入到油井中提供。
[0037]以下提供了根據本發明的實施方式的化學和量子力學級別的過程的描述。
[0038]在量子力學分析中，預定體積的烴類原料(例如，原油、燃油，等)可作為量子力學系統被分析，該量子力學系統相當於具有被強的共價鍵拉緊的分子鍵的單個分子。在這種分析中，量子力學系統不是利用精確的化學式可描述的，也不是通過常數如熔點和沸點、介電常數、偶極矩、損耗角、導電率、熱含量(焓)Λ H。、Λ S等等可描述的。
[0039]如果這種量子力學系統通過賦予基本上任何形式的強烈的能量而被激發，則量子力學系統變成不穩定的，並且將發生各種過程，如分子鍵的摧毀、斷裂以及再形成/再分布，量子力學系統分成低分子量化合物和高分子量化合物。將所得到的化合物表徵為直鏈的、環狀的或芳族的等是沒有意義的，因為在量子分析的情況下，在環境力場的情況下的量子力學系統的狀態才是有意義的，而不是量子力學系統中的各種化合物的組成。[0040]原油或燃油不是物理混合物，並且其處理不是再形成、再混合及類似的物理過程。更確切地說，原油或燃油的處理是化學反應，該化學反應可由方程式(I)表示:[0041]原始的烴類液體=輕質餾分+重質殘餘物+ Λ H (I)
[0042]其中ΛΗ是系統中熱含量的變化(即，焓或反應能量)。熱含量的正的變化可以是作為熱能和/或其它能量形式(例如，光子)釋放。熱含量的負的變化說明外源能量的輸入。
[0043]與燃燒相反(其中化學反應在熱量釋放的方向上流動)，在油處理或精製過程中，化學反應在能量消耗的方向上流動。
[0044]油(例如燃油)中的化學元素的原子具有正核電荷和負電子殼層電荷(electronenvelope charge)。當反應原子彼此接近或碰撞時,產生如圖1所示的能魚。能魚(也被稱為活化能(「E*」))是為了發生化學反應必須克服的能量。只有比活化能更有能量的粒子才可以反應，而比E*的能量低的粒子將分散而不發生反應。
[0045]圖1圖示了在化學反應階段中的化學反應。Y-軸表示能態，而X-軸表示化學態。E1表示處於第一化學態(「狀態I」)的粒子的能態。E2表示處於第二化學態(「狀態2」)的粒子的能態。如先前所描述的，E*是活化能。對於從狀態I進行到狀態2的化學過程(即，沿著圖1從左到右)，(E^E1)的量的初始能量必須被供給以便產生狀態2。(E2-E1)的能量的淨額被消耗。對於從狀態2進行到狀態I的化學過程(即，沿著圖1從右到左)，(E^-E2)的量的初始能量必須被供給以便產生狀態I。產生(E2-E1)的能量的淨額。
[0046]在油(例如，燃油)的化學反應的上下文中，圖1中的能量(E2-E1)是化學反應從狀態I到狀態2以便獲得輕質餾分所需的淨輸入能量。能量(E^E1)必須被供給以活化從狀態I到狀態2的反應，並且當反應完成後能量(E*-E2)被重新獲得。 [0047]圖2圖示了粒子能量分布函數。X軸表示單個粒子的能量，而Y軸表示粒子的能量分布函數。如從圖2可以看出的，單個粒子的粒子能量可以極其不同。例如，如果房間中的環境溫度是25°C，則能量分布函數具有25°C的平均值(「Eav」)，但是還存在具有對應於-100°C或-200°C (較小的百分比)以及+100°C、+200°C...+KKKTC (曲線的遞降的右偵D的能量的粒子。
[0048]在圖1中在y = E*處被顯示為水平線的活化能E*的量級在圖2中在x = E*處被顯示被垂直線。只有具有E*或更高的能量含量的粒子可以反應，對應於圖2的曲線中的E*右邊的陰影區域。在試劑的整個體積中，如果試劑不具有E*以上的平均能量，則反應不應被認為是完全不可能的。相反，對於對應於曲線「尾部」的陰影區域中的粒子的極其有能量的分子，反應可以進行，但是以非常慢的速率進行。當屬於陰影區域的粒子開始反應時，新的粒子將由於能量再分布而代替它們的位置，但是這個過程需要時間。這種再分布的速率控制反應速率。
[0049]重要的是應記住，反應是可恢復的，即，如果存在具有能量E*(或更高)的、可克服從左至右的能壘的粒子，則反應產物也將含有足以達到從右至左的能壘的最高點的粒子(特別是因為在這個方向上需要相對較低的能量並且能壘更加容易被克服)。然而，在開始時，這樣的粒子的數目是少的，但是隨著反應產物的積累，可產生動態平衡(balance)(平衡(equilibrium))，即，輕質餾分的初期粒子的數目可等於回到初始狀態的那些粒子的數目(簡而言之，輕質餾分再次消失(dissolve)或重新結合)，產物產率將不再增加。
[0050]通過動態平衡原理(Le Chateli6r原理)考慮不同因素對工藝流程的影響:如果存在對處於平衡的系統的衝擊，則某些過程將在該系統中發生以抵消這種衝擊。因此，如果密閉容器中的水和蒸汽(平衡的)被壓縮，則蒸汽的一部分將濃縮成水並且進一步壓縮將是不可能的；如果其被加熱，則水的一部分將蒸發，消耗潛熱，並且將不會發生溫度增加。對於處於平衡的系統，Le Chateli6r原理使反應方向受到影響。例如,如果由方程式(I)描述的反應需要能量輸入(例如，熱吸收)，則加熱試劑將對增加產物產率是有效的。如果由方程式(I)描述的反應產生氣體產物，則真空的應用將使反應移動到圖1的右邊，因為真空將促進平衡而不會降低能壘的高度一其將不會促進鍵的重組或轉變和斷裂。同樣，對於由方程式(I)描述的反應，特別是產生輕質餾分的反應，輕質餾分從反應區中除去將通過使反應沿圖1的曲線移動到右邊來增加產物產率。
[0051]因此，避免動態平衡，不「擠出」超過某些最佳條件的最大可能產率，在經濟上和技術上均是可取的；正如在工業中，除去輕質產品和繼續處理殘餘物是更佳的。
[0052]反應速率可由Arrhenius方程式表達，如方程式(2)中所示的。
【權利要求】
1.一種增強油從油田中回收的方法，包括: 施加熱量到包括烴鏈的膠體烴類介質；和 施加具有預定頻率和強度的壓力波到烴鏈以便使烴鏈裂解成相對較短的烴鏈。
2.如權利要求1所述的方法，其中施加熱量包括施加蒸汽。
3.如權利要求1所述的方法，其中所述壓力波被直接施加到待裂解的烴鏈。
4.如權利要求1所述的方法，其中所述壓力波被間接施加到待裂解的烴鏈。
5.如權利要求1所述的方法，其中施加壓力波包括: 施加壓力波到第一多個烴鏈以產生活化的膠體烴類介質；和 將所述活化的膠體烴類介質引入到第二多個烴鏈以產生自由基鏈反應。
6.如權利要求1所述的方法，其中施加壓力波通過利用所述油田中的活化器在所述油田中進行。
7.如權利要求1所述的方法，其中施加壓力波通過利用所述油田外部的活化器在所述油田的外部進行。
8.如權利要求1所述的方法，其中施加壓力波通過利用轉子進行，所述轉子位於由所述膠體烴類介質瀰漫的殼體中。
9.一種增強油從油田中回收的系統，包括: 熱量施加器，其被配置為施加熱量到包括烴鏈的膠體烴類介質；和 壓力波發生器，其被配置為施加具有預定頻率和強度的壓力波到烴鏈以便使烴鏈裂解成相對較短的烴鏈。
10.如權利要求9所述的系統，其中所述熱量施加器包括蒸汽噴射器。
11.如權利要求9所述的系統，其中所述壓力波發生器被配置為直接施加壓力波到待裂解的烴鏈。
12.如權利要求9所述的系統，其中所述壓力波發生器被配置為間接施加壓力波到待裂解的烴鏈。
13.如權利要求9所述的系統，其中所述壓力波發生器被配置為施加壓力波到第一多個烴鏈以便產生活化的膠體烴類介質，所述系統還包括: 從所述壓力波發生器到第二多個烴鏈的接口，其目的是通過將所述活化的膠體烴類介質引入到所述第二多個烴鏈而產生自由基鏈反應。
14.如權利要求9所述的系統，其中所述壓力波發生器包括在所述油田中的活化器，所述活化器被配置為在所述油田中施加壓力波。
15.如權利要求9所述的系統，其中所述壓力波發生器包括在所述油田的外部的活化器，所述活化器被配置為在所述油田的外部施加壓力波。
16.如權利要求9所述的系統，其中所述壓力波發生器包括轉子，所述轉子位於由所述膠體烴類介質瀰漫的殼體中。
【文檔編號】C10G99/00GK103930526SQ201280053646
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2012年8月15日 優先權日:2011年8月29日
【發明者】呂迪格·烏維·諾爾克, 約瑟夫·蘿拉 申請人:創新原油技術公司，以Ict公司名義營業