用於提高油砂提取的循環氣體壓縮/膨脹的製作方法

2023-04-29 12:56:26 2

專利名稱：用於提高油砂提取的循環氣體壓縮/膨脹的製作方法
用於提高油砂提取的循環氣體壓縮/膨脹相關申請的交叉引用本專利申請要求於2007年11月2日提交的美國臨時專利申請第60/985，078號 和於2008年4月30日提交的美國臨時專利申請第61/049，056號的優先權，通過具體引用 將這些臨時申請全文併入本文。
背景技術：
美國和世界各地的人口中心都面臨著日益嚴峻的提供充足能量的挑戰，並將持續 需求用於製備供公共消耗的可用能源資源的新技術。因此，人們逐漸將注意力從傳統的油 礦床轉移到油砂礦床。然而，用於從傳統油礦床獲取浙青的技術並不適用於從油砂獲取浙青。加拿大北部的油砂礦床蘊含約1420億立方米(或8900億桶)的浙青，由此構成 世界最大的油砂礦床。在亞伯達省阿薩巴斯卡地區(Athabasca region ofAlberta)，油砂 礦床通常由約12重量％的浙青、82重量％ -85重量％的礦物質(固體)和3重量％ -6重 量％的水構成。在固體組分中，將粒徑小於45微米的固體(例如粉砂(silt)和粘土)稱 作細料(fines)。細料中的粘土組分會成為浙青提取和處理油砂尾料(例如，初步油砂加工 的殘滓)過程中的重要因素。現已通過多種基於油砂_水漿的提取方法和熱原位方法商業化地提取阿薩巴斯 卡礦床的浙青。能夠以每天一百萬桶以上的生產能力將提取的浙青升級為合成原油。在阿 薩巴斯卡地區的大多數浙青回收操作中，使用基於水漿的提取方法從表面可開採的油砂生 產浙青，其中，將油砂「礦石」(例如，從油砂礦床中挖出的油砂原料)與熱水混合以形成礦 石_水漿。特別是在礦石_水漿的PH略大於7的條件下，存在於浙青中的部分包含芳香族 氧官能團(例如酚類、羧基和磺酸類)的浙青酸變為水溶性，並且發揮表面活性劑降低表面 和界面張力的作用。礦石-水漿體系表面和界面張力的下降導致礦石結構瓦解，並從礦石 釋出浙青。因此，水釋出或水提取的浙青的浙青烯部分在從表面可開採的油砂回收浙青的 過程中具有重要作用。然而，不同地區的油砂在化學組成上各不相同，而成功用於一個地區油砂的提取 方法可能不足以用於不同的地區。對不同油砂礦床的回收和處理方法的選擇受到油砂和浙 青的性質和組成的影響。由於加拿大油砂的含水量高於猶他州的油砂，因此用於猶他州油 砂的最佳提取方法可能不同於加拿大的方法。因此，仍需開發可應用於各種不同油砂，或用 於特定油砂，例如猶他州油砂的不同油砂提取方法。

發明內容
在一個實施方式中，用於從砂提取烴的方法可以包括提供含烴砂；將含烴砂與 水混合；在與含烴砂混合之前、期間或之後加熱所述水；在氣體存在下或通過注入氣體來 增加包含加熱的烴和水混合物的密閉容器內的壓力；釋放容器中加熱的烴和水混合物的壓 力，從而由在水混合物中溶解的氣體產生微泡；和從水中收集烴。任選地，所述方法基本上
5不向烴和水的混合物中添加苛性劑(caustic agent) 0所述烴可以是任何烴，例如浙青、焦油以及能夠加工成燃料的分子。所述氣體選自 由空氣、N2 (氮)、02(氧)、C02(二氧化碳)、Ar (氬)、BF3(三氟化硼)、CH4(甲烷)、C2H2 (乙 炔)、C2H4(乙烯)、H2S(硫化氫)、C2H6(乙烷)、C3H6(丙烯)、C3H8(丙烷)、1_ 丁烯、1，3_ 丁 二烯、氯乙烯、1，1，1，2_四氟乙烷、異丁烷、正丁烷、異丁烯、或它們任意混合物組成的組。可將所述砂和水在間歇式滾筒(batch tumbler)或調理轉鼓 (conditioningdrum)中調理(condition)，或在運輸期間通過管線混合。所述方法可通過以下至少之一來進行將壓力增加至約10至約210psi的範圍，隨 後將壓力降低至少IOpsi ；將溫度保持在約20°C至約120°C之間；將壓力循環約2至約30 個壓力循環；使固體水體積比為0.1 1至2 1 ；以約5至約300秒達到最大壓力的壓縮 速率增加壓力；或以約0.01至約300秒放氣達到環境壓力或任何其它降低的壓力的減壓速 率降低壓力。所述方法可進一步包括將烴和水加入到初級分離器(primary separationvessel, PSV)中。此外，所述方法可進一步包括使所述混合物在PSV中沉降分 層頂部為不純的浙青浮渣；中部為浙青、砂、粘土和水的組合(中間物)；和沉澱到底部的 砂。所述方法可進一步包括將沉澱的砂與水一起泵入沉澱池，以形成尾料。所述方法可進 一步包括從尾料中分離烴。所述方法可進一步包括通過注氣和蒸汽脫氣來分離和清潔中間 物。所述方法可進一步包括從中間物中回收烴。所述方法可進一步包括從浮渣中回收烴。在一個實施方式中，用於從顆粒中提取烴的方法可包括提供含烴顆粒；將含烴 顆粒砂與水混合；在與含烴顆粒混合之前、期間或之後加熱所述水；增加密閉容器內加熱 的混合物的壓力；降低容器內壓力以在混合物中產生從所述顆粒中釋出烴的微泡；和從水 和顆粒中收集烴。可通過以下任意方式來增加壓力通過減少容器的體積；通過增加容器 中分子的數量；或通過增加容器內的溫度；通過向容器內注入氣體。所述氣體可選自由空 氣、N2、O2、CO2、Ar、BF3、CH4、C2H2、C2H4、H2S、C2H6、C3H6、C3H8、1_ 丁烯、1，3- 丁二烯、氯乙烯、1， 1，1，2_四氟乙烷、異丁烷、正丁烷、異丁烯、或它們任意混合物組成的組。所述方法可進一步 包括加入額外的熱水以分離浙青浮渣層和固體。在一個實施方式中，用於從油砂中提取烴的方法可包括將佔約20%至約40%容 器容量的水加入到低壓容器中；將水加熱至大於50°C但小於120°C;以約0. 1至約3體積的 固體/水體積比將油砂加入到容器中，以形成水/油砂混合物；封閉並利用氣體將容器加壓 至約25psi至約210psi的壓力；保持水/油砂混合物的溫度在約20°C至約120°C之間；減 壓所述容器中的壓力以產生從油砂中釋出烴的氣體微泡；和從水和砂中回收烴。此外，所述 方法可通過以下至少之一來進行將壓力增加至約10至約150psi的範圍，隨後將壓力降低 至少IOpsi ；將溫度保持在約50°C至約110°C之間；將壓力循環約2至約30個壓力循環；使 固體水體積比為0.1 1至2 1 ；以約5至約300秒達到最大壓力的壓縮速率增加壓力； 或以約0. 01至約300秒放氣達到環境壓力或任何其它降低的壓力的減壓速率降低壓力。在一個實施方式中，用於從砂中提取烴的方法可包括提供含烴砂；將含烴砂與 水混合；通過增加壓力和隨後降低壓力使容器中混合物的壓力循環變化，以改變水中氣體 的溶解度和在混合物中形成氣體微泡；和從水和砂中收集烴。所述方法可進一步包括向容 器中加入氣體，其中所述氣體選自由氨、臭氧、氯、空氣、氮氣、氧氣、一氧化碳、二氧化碳、氬氣、氦氣、水蒸汽、BF3、CH4、C2H2、C2H4、H2S、C2H6、C3H6、丙烷、1- 丁烯、1，3- 丁二烯、氯乙烯、1，
1，1，2-四氟乙烷、異丁烷、正丁烷、異丁烯及其組合組成的組。傳感器裝置(sensor device)的這些和其它實施方式和特徵將從以下說明書和權 利要求書變得更加清楚，或可通過下文所述傳感器裝置的實踐得知。前述概要僅用於說明，且不意於以任何方式進行限制。除了上述說明的方面、實施 方式和特徵之外，其它方面、實施方式和特徵將通過參考附圖和以下詳述而變得顯而易見。


為了進一步闡明傳感器裝置和組合物的以上和其它優點和特徵，將通過參考附圖 進行傳感器裝置的示意說明。應理解這些附圖僅描述了傳感器裝置的說明性實施方式，因 此不能認為是對其範圍的限制。圖1:提取系統的示意圖。圖2 顯示浙青回收效率(wt%)與循環數關係的，其中固體與水比為體積比，且通 過空氣將分離容器加壓至IOOpsi。圖3:顯示浙青回收效率(wt%)與循環數關係的圖，其中固體與水的體積比為 0.5 1，且通過空氣將分離容器加壓至150psi。圖4:顯示浙青回收效率(wt%)與循環數關係的圖，其中固體與水的體積比為 0.5 1，且通過空氣將分離容器加壓至lOOpsi。圖5:顯示浙青回收效率(wt%)與循環數關係的圖，其中固體與水的體積比為 0.5 1，且通過空氣將分離容器加壓至50psi。圖6 顯示與當C02*50psi時相比，當CO2為IOOpsi時，使用CO2加壓的熱水從油
砂中提取浙青的圖。圖7:顯示當固體/水體積比為1 1時，在過熱條件下，以不同pH條件回收浙青 的圖。圖8A-8B:顯示當固體與水的體積比為0.5 1時，從加拿大高等級油砂回收浙青 的效率(wt % )與循環數關係的圖。圖9:顯示當固體與水的體積比為0.5 1時，從加拿大低等級油砂回收浙青的效 率與循環數關係的圖。圖10 顯示使用不同氣體在不同的溫度下所提取的浙青中砂濃度(wt%)的圖，其 中固體與水的體積比為0.5 1，且提取壓力為lOOpsi。
具體實施例方式下文將參考附圖描述具體實施方式
，所述附圖構成本文的一部分。除非另有說明， 在附圖中，相似的附圖標記通常代表相似的元件。在具體實施方式
、附圖和權利要求中所述 的說明性實施方式不意在限制本發明。在不背離本文所述主題的精神或範圍的前提下，可 使用其它實施方式，且可進行其它改變。本發明涉及從固體樣品中去除烴的系統和方法。更具體地，本發明涉及使用循環 加壓_減壓氣體處理從土、砂、巖石和其它固體樣品中提取烴的工藝和方法。壓力循環方法能夠改進烴從樣品特別是流化砂樣品中的取出。壓力循環方法可包括將室中流體與樣品加壓，以及將流體和樣品減壓一個或多個壓力循環的步驟。可通過將 含烴砂(如焦油砂或油砂)與適合的流體(如水)混合來製備流化樣品。以循環的方式將 流化砂樣品和流體一起加壓並隨後減壓，使得流體引起在砂中烴的附近形成微泡。一方面， 流體與樣品向室中的注入可同時進行，並可導致加壓，當然連續的壓力循環也是合適的。在 加壓後，將樣品減壓使得流體在烴附近的樣品中形成微泡。微泡以足以增加從固體如砂和 細料中的烴分離效率的方式來破壞樣品內的任何固體。可將加壓和減壓循環重複至少一次或任何次數，以釋出所期望量或百分比的烴。 可通過增加室中的流體量，通過減少室體積，或通過增加室溫度獲得加壓。壓力循環可在基 本恆定的溫度或在一定溫度範圍內進行，或溫度可隨壓力變化。壓力循環方法可使用液體或氣體，以提高烴從油砂或焦油砂中的取出。壓力循 環可包括向砂中注入液體和/或氣體，並隨後使組合物進行加壓和減壓循環以產生微泡 的步驟。所述液體和/或氣體以及砂樣品可基本上不含從砂中提取烴常用的苛性化合物 (caustic compound)。例如，壓力循環方法可在基本沒有或不含苛性化合物的條件下進行， 所述苛性化合物選自氧化劑、相轉移劑和提取劑。在另一個實例中，在加壓後，可將樣品減 壓至比第一壓力低至少IOpsi的第二壓力。即便沒有苛性劑，壓力循環也可引起砂顆粒破 碎並暴露其內含的烴。所述注入、加壓和減壓步驟可隨後重複2至100次或更多次，這取決 於具體的系統。A.定義如本文所用，術語「漿(slurry) 」或「漿樣品(slurry sample) 」是指所含固體含量 大於雜帶的固體碎屑的液體樣品。雖然固體百分數可顯著變化，但漿樣品可具有2重量％ 至95重量％的固體。高固體(如20%至70% )和低固體(如2%至15% )漿特別適合於 本發明。砂漿也可包括基本不含固體的那些，如非漿樣品。如本文所用，術語「細料」是指砂顆粒中或從砂中釋出的粒徑小於45微米或小於 80目的小顆粒性粉末或粉砂。因此，細料，如砂細料或礦物細料，或其它細料是在微小氣流 下處理或暴露時易於在空氣中的小的、微細和輕量的顆粒。此類細料也易於附著到氣泡，如 微泡上。I.介紹含烴砂(如油砂、焦油砂或浙青砂)是粘土、砂、水和浙青的組合。從含烴砂提取的 浙青具有與常規原油類似的化學結構，但具有更高密度(如較低API度)和更高粘度。來自 含烴砂的浙青平均含83. 2%的碳、10. 4%的氫、0. 94%的氧、0. 36%的氮和4. 8%的硫。已 在全世界超過70個國家中發現油砂，且佔全世界浙青烴總儲量的約66%。約75%的含烴 砂儲量位於委內瑞拉(1.8萬億桶)和加拿大(1.7萬億桶)。在美國，含烴砂(如油砂和焦 油砂)主要集中在猶他州東部和周圍的盆地區域，估計此處含烴砂中的浙青含量為約120 至200億桶。目前，美國幾乎沒有從焦油砂中生產油的經驗。以前，已嘗試通過採礦和原位提取來提取含烴砂中的浙青，包括熱水提取工藝 (HWEP)、7令流、稠油出砂冷採技術(cold heavy oil production with sand，CHOPS)、循 環蒸汽激產法(cyclic steam stimulation，CSS)、蒸汽輔助重力驅油(steam assisted gravity drainage, SAGD)、蒸氣提取工藝(VAPEX)、從端部到跟部注空氣技術(toe-to-heel air injection，THAI)和封閉環路溶劑提取。目前，加拿大唯一商業操作的烴釋出和回收
8技術是用於露天開採礦的HWEP和CHOPS。因為全部原位提取方法必須克服兩個障礙1)降 低浙青的粘度，和2)回收浙青，因此大多數原位熱方法如CSS和SAGD是很耗能的。VAPEX 具有較好的能量效率，這是因為其類似於SAGD，但區別是用有機溶劑替代蒸汽來注入儲層。 THAI也是具有較高回收效率的原位燃燒方法，但是其需要有利的礦床條件且其會徹底破壞 砂層。最近改進的方法，如尾料油回收法(TOR)可從尾料中回收油，稀釋回收單元(DRU)可 從浮渣中回收烴，且斜板沉降器(IPS)和使用圓盤式離心機可回收砂中大於90%的浙青。熱水提取工藝(HWEP)已經在商業上應用，以從熱水中的表層開採的油砂中回收 浙青。此技術利用消融、混合、傳質和傳熱，以及化學反應的作用從砂和礦物質顆粒中分離 和回收浙青。熱水工藝包括兩個步驟1)從砂中釋出浙青；和2)回收釋出的浙青。HWEP的 分離效率大大地受加入苛性試劑和其它添加劑的影響。此外，油砂的細料含量也影響回收 效率。HWEP的一個問題是浙青釋出和回收的高成本。因此，降低漿溫度可節省成本。然而， 較低溫度導致較長調理時間且需要更多添加劑，且使此方法複雜化。在HWEP中，將含烴砂和熱水的組合物在間歇式滾筒或調理轉鼓中調理以釋出浙 青。此外，可通過將砂和水加入漿混合物中以在管線中運輸，從而在從採石場至提取廠的運 輸期間調理含烴砂。在氣浮選後，將混合的漿在初級分離器(PSV)中沉降為三層頂部為不 純的浙青浮渣；中部為浙青、砂、粘土和水的組合(中間物)；和沉澱到底部的砂。可將砂沉 澱物與水一起泵入沉澱池，這稱為尾料。分別通過注氣和蒸汽脫氣來進一步分離和清潔中 間物。對每桶油，HWEP需要兩至四桶水。平均而言，可通過HWEP從油砂中回收小於75%的 浙青。已顯示含烴砂中的ORS (例如，富含有機物固體-直接吸附在顆粒表面上的不溶於甲 苯的有機物)組分是浙青分離和回收的障礙。此外，粘土細料和極性有機物也會引起差的 浙青分離和回收。對不同油砂礦床的回收和處理方法的選擇受到油砂和浙青性質和組成的影響。因 為加拿大亞伯達省油砂的含水量高於猶他州油砂，所以猶他州油砂所用的最佳提取方法很 可能不同於亞伯達省。因為猶他州油砂不同於加拿大油砂，所以HWEP用於猶他州油砂時的 效率差。由於猶他州油砂中浙青的粘度更高，為增加猶他州油砂的釋出和回收效率，已嘗試 改進HWEP方法以提供更強的剪切力和苛性更強的潤溼劑，如氫氧化鈉。針對HWEP和猶他 州油砂性質的問題，可使用本發明的壓力循環方法以提高浙青從油砂，特別是猶他州油砂 中的回收。因此，本發明包括通過將壓力循環引入釋出和回收方法中而改進浙青的釋出和回 收。例如，可改進上述任意的釋出和回收方法(如HWEP)，使其包括壓力循環方法，所述壓力 循環方法增加流化油砂樣品的壓力，並隨後釋放壓力以獲得減壓壓降，由此形成微泡並將 剪切力引入浙青和砂界面。壓力循環通過製備流化油砂樣品並隨後進行壓力循環方法而可 適用於各種方法。II.壓力循環浙青提取相比於油砂的常規加熱的水或熱水提取，壓力循環方法的改進在於通過增加和降 低樣品壓力的壓力循環(如10至IOOpsi循環)中來調節樣品的壓力。壓力循環導致氣體 在壓縮階段溶解在水中，而隨後通過在減壓階段形成微泡而脫氣。壓力循環方法改進了浙 青的常規熱水提取，從而更快、具有更高產率且更為經濟。此外，壓力循環允許在低於以前 所得溫度下進行浙青提取，並可使用許多不同氣體。壓力循環方法是用於注重能耗和水利用率的油砂(如猶他州油砂)開採的重要工具。油砂加工中產生或存在的氣體微泡和甚至納米泡可提高截留烴的釋出和回收。氣 體微泡的存在、產生或增大在某種程度上提高了烴從砂中的提取，這是因為a)微泡提供 了大量界面表面積以充當用於收集浙青的淨化膜，從而有效收集浙青；b)在含浙青空間中 形成的氣泡撬開浙青包被的砂粒，有助於浙青的釋放；和c)氣體微泡用於提升分離的浙 青，從而在單個步驟中進行分離和浮選收集。使用不同類型氣體可調節烴回收的速率、效率 禾口總量。改進的浙青釋出和回收方法使用了在可產生氣泡的流體存在下油砂的循環壓縮 和減壓。例如，可將砂在分離容器中製成液體漿，並將氣體注入分離容器以增加壓力，並隨 後可降低壓力。所述氣體可為空氣、二氧化碳或其它適合的氣體。壓力循環方法可加速浙青 從油砂中的驅替和脫離速率。壓力循環可向砂中的浙青提供類似於使用機械攪拌和/或苛 性試劑的作用，而無需使用機械攪拌或苛性試劑。通過在空氣壓縮步驟中以高於大氣壓下 沸點(如100°C，1個大氣壓)的水溫度實施壓力循環方法可提供更高的釋出和回收效率。 壓力循環方法可使用或不使用劇烈攪拌、苛性試劑和其它添加劑進行。壓力循環方法可在 短時間內提供大於約95%的浙青釋出和回收。壓力循環方法利用了在減壓期間的高熱傳熱和傳質速率、更快的化學反應速率如 石英的水合，混合、較低粘度和消融。通過減壓獲得的用於處理油砂的每單位體積的能量密 度可遠高於機械攪動的能量密度，這是因為潛熱在短時間內和可選地在過熱條件(如大於 IOO0C )下釋放。當用CO2代替空氣來注入水中時，即便在低很多的溫度下，浙青的回收效 率仍可以為約85%或大於約85%。此外，因為壓力循環方法將分離步驟和回收步驟合併在 一起，所以總工藝時間遠少於常規HWEP的工藝時間。由於固體從熱水中的快速分離，壓力循環方法中用的大部分熱水可快速地被循 環。因為壓力循環方法在間歇式反應器中進行，所以其更靈活和實用，特別是對於小礦床和 /或猶他州油砂礦床。此外，因為分離容器和回收容器合併在一起，所以設備要求，例如如圖 1中所示的那些，低於常規HWEP的要求。而且，相對低的壓力升高不需要特殊的昂貴設備。壓力循環方法可用於不同類型和等級的油砂，如加拿大和猶他州油砂。在某種程 度上，這是因為分離效率比其它熱水方法更可靠，且可允許油砂具有不同細料濃度和不同 粘度的釋出浙青。此方法可降低成本，且在排放的水和固體(如尾料)中具有更低的汙染 物濃度。因此，避免了與尾料有關的大多數環境問題。初步的研究已經顯示將分離步驟和浮選步驟合併在一起且不使用任何化學添加 劑進行的壓力循環方法可大大簡化從油砂中回收浙青的操作步驟。壓縮/減壓方法導致浙 青從砂中驅替和脫離而無需劇烈攪動，這對於猶他州油砂特別理想，且可用於任何油砂。此外，壓力循環方法在浙青的釋出和回收上更加環保。在某種程度上，這是因為壓 力循環方法可避免因苛性添加劑和水中存在難於分離的烴所引起的後續環境問題。壓力循 環方法甚至在沒有苛性試劑或其它化學添加劑加入時也有效。壓力循環方法不會乳化水相 中的浙青，且因此增加回收效率。此外，與常規HWEP相比，壓力循環方法具有高得多的分離速率，因為釋出步驟和 回收步驟被合併為單個步驟。例如，如果將如二氧化碳的氣體與漿化油砂一起注入分離容 器中，即便在低很多的溫度(如<55°C)下，壓力循環方法可仍回收大於約90%的浙青。可達到高回收效率的原因在於二氧化碳在相對低溫度下的水和烴中具有高溶解度，並且該 溶解度可隨壓力增加而增加。此外，壓力循環可破壞砂的物理結構且使更多浙青暴露釋出。 因為可回收如二氧化碳的常規氣體，所以壓力循環方法的能量成本可比常規熱水方法，如 WHEP低得多。通過使用壓力循環以獲得以下優點從而從含烴砂中獲得浙青浙青從砂粒中的良 好釋出；浙青與氣泡的良好附著；和曝氣浙青(如氣泡上的浙青)的浮選。除了本文所述的 壓力循環方法之外或與本文所述的壓力循環方法結合，還可通過增加以下方式增強浙青從 砂中釋出機械剪切；水加入比例；機械能量輸入水平；化學品加入水平；溫度；停留時間； 鹼(NaOH)加入量；影響浙青和砂粒界面性質的表面活性劑；和烴_砂漿的通氣。在浙青提取過程中，高含量的粘土細料不是有利的，這是因為浙青和氣泡的表面 會被細料覆蓋，且浙青-氣泡充分附著的可能性降低。二價離子的存在進一步加重了這種 情況，且降低烴的回收。在浙青從砂中釋出後，良好的浮選環境可增加浙青回收。良好的化 學添加劑可改進浙青回收，且同時發揮細料的良好絮凝劑的作用，如最佳濃度的水解聚丙 烯醯胺(HPAM)可改進浙青從油砂中回收和細料沉降。增加細料沉降和沉澱的其它方法也 可用於降低細料含量。當在大氣壓下將水的溫度加熱到大於其沸點(如大於100°C，1個大氣壓)時，此 操作條件被定義為過熱條件。雖然在較高壓力(如50-150psi)下水沒有沸騰，但是當壓力 釋放時，過熱的水將自發沸騰。認為在過熱水減壓時，由微泡和其它作用引起的膨脹和剪切 力可加速浙青從油砂表面的驅替。此外，微泡的凝集和上升可凝集並將浙青滴帶到表面，從 而產生浙青浮渣。浙青的回收可受到過熱溫度和減壓速率的影響。較高溫度可釋放更多的潛熱，但 需要更多能量來加熱容器。快速降壓可更快的分離浙青，但回收的浙青會含較多固體和水 分。在一個實施方式中，本發明可提供從流體樣品中，特別是油砂的漿樣品中去除烴 的方法。所述方法可包括對油砂漿和能夠在減壓時產生泡的流體施加循環的壓力。因此， 此方法可包括加壓樣品，將氣體注入樣品和減壓樣品的步驟。可通過直接將氣體注入樣品 來加壓樣品。因此，可將漿樣品壓縮並隨後減壓以從油砂中釋出和回收烴。因此，不必分別 加壓和注入，二者可以在一個單獨步驟中進行。例如，可在僅用空氣或其它氣體加壓前製備 含烴砂的流體樣品。在加壓後，可將樣品減壓使得氣體在樣品中形成微泡。微泡以足以增 加烴分離效率的方式將烴與樣品內固體分離。加壓和減壓步驟可重複至少一次。任選地， 當漿樣品中存在氣體時，可通過減少體積或增加溫度來增加壓力。每個加壓和降壓步驟的持續時間可隨多個因素變化，所述因素包括但不限於樣品 的性質和數量、樣品的含烴量、所用氣體的類型、在每個加壓或減壓步驟期間壓力的變化寸。根據砂、烴和氣體的具體系統，加壓和減壓步驟對於單個步驟可具有從幾秒到幾 分鐘不等的時間周期。壓縮速率可在約5秒至約300秒或更長之間，更優選在約10秒至約 200秒之間，且最優選在約15秒至約100秒之間。減壓速率可在約0. 01秒至約300秒之 間，更優選在約0. 1秒至約200秒之間，且最優選在約1秒至約100秒之間。最佳循環可包 括儘可能快地進行壓縮和減壓步驟。
加壓、注入和減壓步驟(如壓力循環)的重複次數也可在1-30個循環，1-100個循 環或更多循環之間變化。在一個實施方式中，加壓和減壓步驟的重複次數可至少為3個循 環，如3-15個循環。原則上，可很容易地根據監測和/或測試確定每個樣品去汙循環的最 佳持續時間和次數。壓力循環方法可在從室溫至過熱的水溫的多種溫度下進行。此外，壓力循環方法 還可在低於HWEP的溫度下進行。工藝溫度可在約20°C至約120°C之間，更優選在約30°C 至約105°C之間，最優選在約55°C至約80°C之間。具有高水溶解性的氣體如二氧化碳可在 較低溫度下起作用，所述溫度如20°C至約50°C，更優選從約30°C至約40°C，且最優選從約 35°C至約80°C。氣體如空氣、氧氣或氮氣，以及氣體如二氧化碳和其它高可溶性氣體可在較 高溫度下起作用，所述溫度如50°C至約120°C，更優選從約75°C至約115°C，且最優選從約 95°C至約110°C。可通過確定其它條件如壓縮/減壓壓力、攪拌強度、氣體組成和油砂的質 量來確定最佳提取溫度。當使用更多壓力循環時，也可降低溫度。較高壓力和溫度可使用 很少的壓力循環，特別是對於使用加熱至高於其在環境壓力下沸點的水的情況。由於浙青 的粘度較低而在減壓步驟期間所產生微泡的密度較高，加壓的循環可極大地加速浙青從砂 中的分離。在壓力循環方法中的減壓步驟可導致足以產生微泡的任何壓力下降。通常，壓力 循環範圍可是從約IOpsi至約IOOOpsi，更優選從約IOpsi至約500psi，最優選在IOpsi和 200psi之間的壓力變化，不過此範圍外的壓力降低也是適合的。在另一個實施方式中，在減 壓步驟期間壓力下降將樣品置於在環境壓力下。在一個實施方式中，壓力的範圍在約IOpsi至約210psi之間，更優選在25psi至 約175psi之間，最優選在約40psi至約150psi之間。提取介質中固體濃度的固體/水體積比可為約0. 01至約3，更優選約0. 1至約 2，且最優選0. 1至約1。例如，固體水體積比可從0. 1 1至2 1，特別是從0. 2 1至 1 I0可控制提取pH為從約2至約12，更優選從約3至約11，且最優選從約5至約10。 可通過向水油砂混合物中添加酸，如HCl (鹽酸)和乙酸，或苛性試劑，如NaOH(氫氧化鈉) 和Na2CO3 (碳酸鈉)來控制pH，或允許pH改變而不控制。此外，如在壓縮-減壓循環期間 將CO2壓入水和油砂混合物中時，水的pH可受到氣體組成的影響。在一個實施方式中，用於從含烴樣品中去除烴的方法可進一步由在加壓或減壓步 驟中的至少一個步驟期間一些形式的攪動來輔助。攪動方式的實例包括但不限於攪拌、振 蕩、超聲波等。注意在烴提取的任何給定步驟期間，可組合多種攪拌方法。僅通過在減壓步 驟期間脫氣和微泡運動也足以實現攪動，並顯著節能。水和油砂混合物的攪拌強度是可調控的另一個重要參數。最佳攪拌強度由提取容 器大小、攪動器結構、固體負載、浙青粘度、提取溫度和其它參數來決定。油砂和水好的混合 可增加提取速率和提高浙青質量。在此實施方式中，攪拌速率或通過氣泡形成進行的等價 攪動可在約Orpm和約IOOOrpm之間，更優選在約IOrpm和約600rpm之間，最優選在約30rpm 和約120rpm之間。壓縮和減壓循環帶來的液體運動所提供的攪動也是可行的，該壓縮和減 壓循環帶有或不帶有其他方式。壓力循環方法可通過各種氣體進行，所述氣體通過壓縮與油砂和熱水浴一起加壓。氣體的常規實例包括空氣、02、N2、CO2、甲烷、臭氧、惰性氣體、其組合等。氣體可以以不 同的次數引入流體樣品中，但在每次引入過程中，氣體必須在進行減壓之前接觸流體樣品 並優選至少部分溶解在流體樣品中。在一些情況下，重要的是使氣體和流體樣品在減壓前 相接觸並達到一定的溶解度。在本發明的一個實施方式中，可在加壓步驟前將氣體加入到流體樣品中。在另一 個實施方式中，可在加壓步驟期間或之後向流體樣品注入氣體。在另一個實施方式中，可重 復加壓步驟和減壓步驟，而不重複注入其它氣體。此外，當重複時，與初次或第一次加壓步 驟相比，加壓步驟可導致不同的壓力增加。類似地，當重複時，與初次減壓步驟相比，減壓步 驟可導致不同的壓力降低。因此，壓力循環可具有不同的高壓力和低壓力，或可具有基本相 同的高壓力和低壓力。在本發明的一個方面，可將具有烴的流體樣品充分加熱，使得樣品可 被氣體過飽和。在顆粒物質的能量有利(如非溼潤)表面發生的微泡的成核和生長可加速烴的提 取。在減壓期間，微泡出現在液相中的顆粒表面。微泡的各種大小可連續變化，從它們最初 形成時的亞納米(< Inm)範圍到它們最終聚集成大泡(如< 1cm)的可見範圍(如< 1mm)， 所述大泡快速上升到水表面。泡的濃度以及它們出現的持續時間取決於氣體飽和度，而這 進一步取決於所用壓力、液體的體積和可用的頂部空間。在高壓下大量的溶解氣體可支持 減壓期間更廣泛的泡形成，且泡的生長速率以及泡的持續時間受減壓速率的控制。此外，在 加壓期間所用速率、持續時間和壓力將決定飽和的水平。因此，可精調壓力、加壓速率和減 壓速率以支持微泡的濃度和持續時間，由此獲得用於最佳烴提取的大量反應界面區。多種氣體可用在本發明的方法中。適合氣體的非限制性實例可包括臭氧、氯氣、空 氣、氮氣、氧氣、一氧化碳、二氧化碳、氬氣、氦氣、水蒸汽等。氣體的混合物也可用在本發明 中。在加壓步驟期間所施用的較高壓力能夠使溶解的氣體有效地滲入漿砂樣品中顆粒物質 的孔中，或能引起液化。顆粒和碎屑的團聚常遮蔽焦油砂中的烴。當氣體已經滲入顆粒並 在減壓步驟期間膨脹時，它們可引起固體顆粒爆裂，部分瓦解，或至少引起顆粒物質的孔膨 脹，因此提高烴的暴露。在一個實施方式中，用在壓縮/減壓循環中的氣體包括二氧化碳(CO2)。使用CO2 輔助的壓力循環提取方法可降低與在分離方法中與使用熱水相關的能量成本。CO2輔助的 壓力循環提取方法可在較大的溫度範圍內使用。此外，當接近水沸點時，CO2溶解度顯著降 低，為了進行所需的提取，可使用較高的壓力和/或更多的循環。如果水溫度高於其在常 壓下的沸點，CO2輔助的壓力循環提取方法的功能可類似於使用空氣的過熱的熱水提取方 法。已發現二氧化碳對用於從焦油砂中分離浙青(如烴)極其有效。此外，使用二氧化碳 允許較低的溫度和壓力並具有增加的效率。例如，與二氧化碳配合使用的溫度可低到55°C 和50psi的低壓。從焦油砂中分離和提取烴是非常好的。代替使用85°C或更高的溫度，現 在可在非常低的溫度下進行分離；且代替使用150psi或IOOpsi的壓力，可使用低到50psi 的壓力分離烴，且在一些情況下可使用低到40psi的壓力，而在另一些情況下可使用低到 3Opsi的壓力。此外，使用二氧化碳作為氣體，溫度可降低至小於50°C至約40°C，更優選至約 30°C，且最優選至約35°C或室溫。溫度的降低改變浙青的粘度。從非常熱的溫度下的流體 狀的浙青在冷、低溫下變得更堅固。低溫通常改變浙青和烴的粘度。認為當用在多個循環
13中時，低溫加工是有效的。在一個實施方式中，氣體可為基本純的二氧化碳。此外，氣體可為二氧化碳和另一 種氣體的混合物，所述另一種氣體例如是空氣、氮氣、氧氣、惰性氣體、臭氧、一氧化碳等。二 氧化碳的百分含量可為約10%至約100% (體積百分數)，約20%至約90%，約30%至約 80%，約40%至約70%和約50%至約60%。氣體也可為具有CO2和另一種氣體的組合氣體。因為過熱條件可在減壓期間通過 水本身蒸發來產生更多氣泡，所以通過CO2回收浙青的速率更快。此外，將更易溶於水的氣 體如CO2壓縮到熱水和油砂混合物中可獲得更高的分離和回收速率。理論上，可使用比空 氣更易溶於水的大部分氣體，如NH3、C12和C02。然而，應限制氣體的溶解度，使其不能過高。 否則，在提取後必須將氣體從水中回收，且該方法可能需要其它操作步驟。此外，氣體應為 惰性的，以避免與浙青或水劇烈反應。因為一些氣體如CO2可與水和碳具有一些反應性，所 以氣體與水和與烴的反應性應儘可能低，且優選無反應性。在實際應用中，CO2可能是最經 濟的選擇。在商業性油砂提取中，通過燃燒天然氣或其它燃料來加熱水，且在燃料燃燒期間 產生的CO2可以是CO2的潛在來源。可使用外部的CO2，這是因為回收釋放出的CO2並不復 雜，且CO2的消耗率可忽略。基於空氣和CO2，在水相中具有與空氣或CO2類似溶解度的其它氣體，或具有比空 氣或CO2更高溶解度的其它氣體，或在浙青相中具有比空氣和CO2更高溶解度的其它氣體 均有希望用於浙青從油砂中的加壓熱提取。此類其它氣體的實例為Ar (0°C下每IOOg水 5. 2ml，50°C下每 IOOg水 2. 2ml)、BF3(0°C下每 IOOg水 106ml)、CH4(0°C下每 IOOg水 5. 56ml, 80°C 下每 IOOg 水 1. 772ml)、C2H2(0°C 下每 IOOg 水 173ml)、C2H4(0°C下每 IOOg 水 22ml)、 C2H6(0°C下每 IOOg 水 173ml, 100°C下每 IOOg 水 1. 72ml)、H2S(0°C下每 IOOg 水 467ml，100°C 下每 IOOg 水 81ml)、02(0°C下每 IOOg 水 4. 89ml, 100°C下每 IOOg 水 1. 72ml)、N2(0°C下每 IOOg 水 2. 35ml, 100°C下每 IOOg 水 0. 95ml)、C3H6 (丙烯，0°C下每 IOOg 水 43. 4ml，20°C下每 IOOg 水 23ml)、C3H8(丙烷，0°C下每 IOOg 水 3. 9ml)、l_ 丁烯(20°C下每 IOOg 水 8. 5ml) U, 3_ 丁二烯(21°C下每 IOOg 水 45ml)、氯乙烯(20°C下每 IOOg 水 131. 5ml)、1，1，1，2-四氟乙 烷(25°C下每 IOOg 水 21ml)、異丁烷(20°C下每 IOOg 水 3. 25ml)、正丁烷(20°C下每 IOOg 水 3. 25ml)和異丁烯(20°C下每IOOg水16. 59ml)。包括空氣和二氧化碳在內的上述兩種氣體 或大於兩種氣體的混合物也可用於加壓熱水方法提取。此外，也可將內燃機廢氣、渦輪發動 機廢氣和來自爐子或鍋爐的廢氣引入用於壓力循環浙青提取的分離容器中。對於氣體混合物如空氣/CO2混合物和N2/空氣/CO2混合物，CO2濃度可為1 %至 99% (以體積計)，特別是15%至50% (以體積計)。其它氣體如Ar、BF3> CH4, C2H2, C2H4, H2S, C2H6, C3H6, C3H8U- 丁烯、1，3- 丁二烯、氯乙烯、1，1，1,2-四氟乙烷、異丁烷、正丁烷和異 丁烯或以上氣體的任意混合物也可用作提取氣體。可通過本發明的方法處理的砂樣品通常具有2重量％至95重量％的固體含量。在 一個實施方式中，漿樣品具有35重量％至50重量％的相對高固體含量。高固體含量漿可 在從易流動漿到稠漿的範圍。在每種情況下，處理和加工可以不同，但是本發明的應用可有 效地從這些樣品中去除烴。在另一實施方式中，漿樣品具有2重量％至15重量％的相對低 固體含量。漿樣品的固體組分可來自任何環境來源，如砂或汙泥(dirt)，只要所述固體組分 可為漿的形式或可懸浮在流體中。
在一個實施方式中，壓力循環方法可從樣品中提取至少50%的烴，更優選約50% 至約100%，最優選約75%至約99%，且最優選約85%至約95%的烴。在另一個實施方式 中，本文公開的方法從樣品中提取至少90%的烴。在另一個實施方式中，本文公開的方法從 樣品中提取至少95%的烴。在另一個實施方式中，本文公開的方法從樣品中提取至少99% 的烴。在另一個實施方式中，本文公開的方法從樣品中提取至少99. 9%的烴。本發明的壓力循環浙青提取裝置的例示顯示在圖1中，其中顯示用於從油砂中提 取烴的分離容器20、30。使用兩個容器20、30允許並行地同時釋出和提取兩種油砂樣品。 這可包括對一個容器20進行壓縮，同時對另一個容器30進行減壓，且將氣體從一個容器轉 移到另一個容器。此外，兩個容器均可使用新氣體和新回收的氣體。當然，多個容器可在相 同的壓縮和減壓模式下運行。儘管顯示了兩個容器，也可使用僅具有一個容器20的提取裝 置。或者，還可使用具有三個或更多個容器的提取裝置。用於構建容器20、30的材料是不 鏽鋼，這是因為不鏽鋼能夠耐受壓力。然而，其它適合的材料對本領域普通技術人員也是顯 而易見的，且可根據本發明一個實施方式中方法的應用來改變，例如，但不限於各種金屬和 合金、熱塑性聚合物、巖石、地球物理形成物、陶瓷、複合材料、其組合等。多種實施方式包括使用具有或不具有迴路的一個容器，和/或其它多個容器，和/ 或迴路來增加可能的循環數。同樣地，進一步的實施方式包括從至少一個樣品中進行相同 或不同烴提取的並聯或串聯的分開的容器。在此實施方式中，可使用兩個或多個容器在壓 縮/減壓循環後通過一種或多種溶劑(如水)從樣品中提取烴。回到圖1的例示性的實施方式，容器20連接至少一個閥40 ；而在此實施方式中， 容器20和容器30分別連接兩個閥40、45、50和55。閥40、45、50和/或55可為本領域中常見的任何閥門，如球閥、壓電閥和/或液壓 閥等。在多種實施方式中，閥40、45、50和55可用於氣體和/或流化砂樣品的進口。多種 實施方式將氣體供給60與提取裝置相連。其它實施方式包括使用多種氣體和/或各種氣 體的多種來源。其它實施方式包括調節閥5、15，其充當排氣閥，以降低容器20、30壓力。任選地， 將網孔材料25、35或如鋁網的篩置於容器20、30的底部以支持樣品中的固體。其它實施方 式中使用可用於支持樣品的架子、網或其它支持性材料。將壓力計1、11安裝在各容器20、30的上部附近以測量各容器20、30內部的壓力。 壓力的範圍可以變化，且可根據其適合的具體方法進行選擇，這要考慮此類參數，例如構建 反應器裝置的材料、將進行的循環數、所用溶劑、所用流體和/或樣品的成分等。在一個實施方式中，所述方法能夠在具有兩(2)個不鏽鋼件(stainless steelpieces)的分離容器中完成，所述不鏽鋼件連接形成反應器。在各種反應器中，可根據 應用的需要，將排氣口(vent)、進口、出口等布置在反應器附近。此外，各種反應器對於漿可 起間歇式反應器或流動反應器的作用，且對於氣體混合物可起流動反應器的作用。在工業應用中，油砂可與循環加熱的水或熱水混合，並隨後泵入提取容器中。此 外，可將額外的油砂加入到容器中。在泵不能將高固體濃度(如>1 1體積比)的混合 物轉移至分離容器中的情況下，額外的油砂是有利的。或者，可將額外的水和氣體加入到分 離容器中。提取裝置可包括在分離容器頂部的設備，以用於在浙青和油砂分離後收集浙青。因此，用於去除浙青的工業方法可包括在石油工業中已知的自動化裝置和設備，以獲得取 決於浙青含量而分離的上部餾分。雖然蒸汽可用於加熱混合物，但是其它方法如加熱套或加熱線圈也可用於增加或 保持分離容器中的溫度。加熱組合物的方法是公知的，且大致任何的此類教導方法均可用 於本發明。在以前的方法中，組合物被加熱至高水平。現在，通過使用二氧化碳和類似氣體， 可使用遠大大低於其沸點的加熱的水進行油砂的提取。此外，相比於加拿大溼油砂，從油砂中分離的猶他州浙青含較少的硫，因此，此方 法可用於提取具有較少硫的烴以及具有較多硫的那些砂。本發明的壓力循環方法的優點是多種原因的結果。例如，微泡的形成可在氣 體-烴_固體附近提供大量界面區，這為提取烴提供了有利的分隔區。另一個優點是重複對樣品進行加壓和減壓引起砂粒破碎並暴露浙青。這些步驟的 重複增強了固體顆粒的降解，從而因烴暴露增加而提高烴提取效率。加壓步驟引起的壓力 升高能夠使氣體有效地滲入通常遮蔽砂中烴的顆粒物質的孔中。與常規HWEP相比，壓力循 環方法提供較高的產物產率。壓力的增加也引起水中溶解氣體的過飽和，使得當釋放氣體時，其導致水的脫氣 和微泡的形成。漿樣品中氣體的過飽和和隨後的脫氣能夠提高從砂中去除烴的能力。此 外，加壓/減壓方法產生大量氣體微泡，這些微泡與砂內的烴具有增強的相互作用，且提供 將從砂中釋出的烴。因此，所述方法中循環氣體溶解度的變化有助於從砂中提取烴。此外，與常規HWEP相比，壓力循環提供更容易的產物分離。減壓導致無數的氣體 微泡，其在氣體-液體界面提供吸引和聚集疏水性浙青的高表面積，有效地分離並提升浙 青滴至水表面以進行收集(即浮選效果)。與常規HWEP相比，壓力循環方法可節省能量。由於微泡提高了浙青釋出，可使用 較低的水溫度獲得較高的產率，由此節省的能量多於用於補償用氣體壓縮中所消耗的少量 能量°與HWEP相比，壓力循環方法能夠在較短工藝時間內獲得優異的浙青提取。快速壓 力循環縮短了焦油砂和加熱的水或熱水之間的接觸時間。數據已表明，可在5分鐘內獲得 大於90%的浙青產率。當使用來自氣體罐的CO2時，每個循環可耗費數秒。同樣，通過若干 循環提取浙青可僅耗費數分鐘。對於大的容器，浙青浮選過程可較長，這是因為其浮選路徑 比小容器中更長。因此，氣體壓縮機容量、容器大小和固體負負載量可確定總操作時間。例 如，CO2壓力循環方法可在5分鐘的10個循環內產生90%的浙青。與沒有壓力循環的提取 相比，相同的產率需要在溫和攪動(或強烈攪動)下與熱水接觸3小時。與HWEP相比，壓力循環方法可用於更多不同種類的含烴砂。已證明HWEP不足以 用於猶他州油砂。然而，壓力循環方法可用於提取油溼的猶他州油砂；與加拿大水潤溼的 油砂不同，油溼性質阻礙了通過常規熱水提取方法的有效回收。因此，這是開發猶他州獨特 的、富油砂資源的新工具。然而，此方法也可用於從任何原料中釋出任何油。在高固體濃度(例如高達1.5/1的固體/水比例)下用壓力循環方法進行浙青的 完全提取是切實可行的。這降低了工藝用水的體積，水可利用性是發現油砂的乾旱猶他州 的關鍵問題。工藝用水體積的降低是指需要在廢棄或再使用前進行處理的工藝用水的減 少。
此外，對壓力循環方法不需要尾料池。因為沒有加入添加劑，所以這可以減少由廢 棄的固體和工藝用水所引起的環境問題。從空氣加壓的熱水提取方法中回收的水的COD是 95士5mg/L，而從CO2加壓的熱水提取方法中回收的水的COD僅是47士3mg/L( 1)，可將額外的熱水加入到反應器中以進一步分離浙青浮渣層和固體。圖2的實驗結果表明更多的循環可提取更多的浙青，但出於能量考慮和加工能力 優化，如果在每個循環過度加熱水，則4-6個循環是最佳數值。分離效率還受到固體負載 量、壓力和攪拌強度的影響。固體-水體積比影響浙青回收效率。為了最大化能量效率，固體負載應儘可能高。 當固體-水比例小於0.5 1時，體積比對提取效率的影響不明顯。此結果表明油砂和水 混合物中浙青的分離和浮選需要液體空間。如果空間不足以用於分離和浙青浮選，在壓縮/減壓循環後，浙青仍會與砂粒混合。在圖2中，油砂在高溫(102°C至105°C )下提取，且提 取效率隨著固體負載量升高而降低。為了在實驗中保持恆定的體積比，將水加入到提取容 器中以補償在壓縮/減壓循環期間蒸發的水。3.每個循環的加工時間取決於氣體壓縮機能力和設備的加熱能力。通常，在通過氣 體壓縮機將氣體壓縮到分離容器中時，4至6個循環花費約4至約8分鐘。當將氮氣或CO2 從氣瓶注入提取容器中時，當提取溫度低於水的常壓沸點時，每個壓縮/減壓循環花費小 於40秒。在每個循環中，水可被過度加熱，這是因為每次減壓過程都使水溫降低。同樣，可 花費稍長的時間將水油砂混合物加熱至高於水的常壓沸點，以進行下一個壓縮循環。4.通過Soxhlet提取方法測量取自浙青山脈(Asphalt Ridge)的猶他州油砂中的浙 青含量。簡而言之，將油砂用己烷和甲苯提取48小時(2X24小時)。質量平衡計算顯示浙 青山脈油砂含約12士 1. 7%浙青。已有報導猶他州油砂的細料(如7-8重量％ )少於加拿 大油砂(> 15重量％)，且回收的浙青具有超高的粘度。與50°C下加拿大阿薩巴斯卡油砂 浙青的5Pa. s相比，50°C下浙青山脈油砂浙青的粘度為約80Pa. s。粘度差異表明HWEP不 足以用於猶他州油砂。發現浙青山脈浙青平均包含約48. 47% C、11. 0% HU. 06% N、0. 44S 和3. 03% 0。猶他州油砂中的無機固體是石英、斜長石、微斜長石、綠泥石、方解石、白雲石 和雲母。5.研究使用過熱水從油砂中回收浙青。當在較高壓力(如> IOOpsi下)將水過度 加熱時，此溫度具有較高提取效率(圖3、4和5)。此外，更強烈攪拌也可分離出稍多浙青。 圖3、4和5還顯示出當水溫度低於常壓沸點時，加壓的熱水提取也起作用；然而，分離和回 收速率較低。通過過熱水分離方法回收的浙青含有水分和5士2重量％的固體(乾重)。可 通過過濾甲苯稀釋的浙青來分離浙青中的固體。6.在水的常壓沸點下(如100°C )測試使用空氣作為氣體的壓力循環方法。在此方 法中，全部的步驟和條件與上述過熱水方法中的那些相同。唯一區別是在對容器加壓後，沒 有將混合物加熱到高於水的常壓沸點。圖3、4和5顯示浙青的回收效率對溫度敏感，且存 在效率下降的轉折點。當溫度低於80°C時，浙青從油砂中的分離速率較慢。圖3、4和5中 水溫度為平均溫度。圖3和圖4中提取效率曲線顯示當溫度低於75°C時，浙青提取效率很低。這可能 由75°C以下浙青的高粘度引起。圖3、4和5中全部< 100°C的曲線顯示出在初始5個循環 後，浙青分離量與壓縮/減壓循環數成正比。這表明浙青在油砂中可具有兩種不同的分散 狀況鬆散附著和緊密附著。緊密附著浙青的分離量可能與溶解在水中的空氣量成正比。 當壓力大於IOOpsi且溫度大於75°C時，在20至25個循環後可提取大於80%的浙青。如果溫度低於水的常壓沸點，回收效率極大地受到壓力影響。這可能是由於在高 溫時空氣在水中的低溶解度造成的。此外，因為水在1個大氣壓下在小於約100°C時是液 體，所以此方法中的工作介質是溶解在含水相中的空氣而不是由過熱水產生的蒸汽。每個 減壓步驟的分離能力可由水中溶解的空氣的量確定。較高壓力使較多空氣溶解在含水相中。此外，圖3、4和5顯示在最初一組循環(如3-4個循環)後，浙青回收與循環數幾乎成 線性關係。這可表明在將一些鬆散附著的浙青分離後，剩餘浙青幾乎都通過微泡從油砂表 面釋出。不同於HWEP，在過熱條件下使用壓力循環的浙青回收效率未顯著受到壓力影響。 因此，因潛熱的釋放，使用過熱水的壓力循環方法可具有增加的攪動效果。如所示，小於5 個循環能夠回收90%的浙青。在升高的壓力下加壓油砂提起容器時，可將水和油砂混合物加熱到大於10(TC。所 述高於沸點的溫度是102°c至105°C。將油砂與水的體積比控制在0.5 1。油砂的體積密 度是約2. lg/cm3。使用最少量的水是期望的。然而，當體積比小於0.5 1，高油砂負載量 可導致較低的浙青回收效率，這是因為混合物不具有用於浙青浮選的足夠空間。7.研究CO2在壓力循環方法中的應用。CO2輔助的從油砂中提取浙青的操作條件與 上述方法相同。唯一區別是向熱水中注入CO2而非空氣或其它氣體。圖6顯示CO2輔助的 浙青加壓提取的工作溫度遠低於空氣加壓熱水提取方法的最低溫度。CO2在較低溫度下進 行提取的能力可能是由於與空氣相比，CO2在浙青中的溶解度相對較高。在將CO2注入油砂 漿中後，減壓可在含水相中產生氣泡，且也可在浙青中產生氣泡。這可加速浙青的分離和浮 選。已顯示出在85°C下從油砂中回收的浙青含約12士3重量％的砂，但在55°C下從油砂中 回收的浙青含約30士3重量％的砂。此差異顯示出儘管減壓可釋放並浮選出浙青，但在低 溫度如55°C下浙青的較高粘度可引起浙青和砂粒的分離不太完全。因為浙青從油砂中的分離速率和浮選速率由空氣中溶解的氣體量決定，將溶解度 較高的氣體加壓到提取混合物可具有較高的提取速率。當用二氧化碳(CO2)代替空氣加壓 到分離容器中時，觀察到較高的提取速率。結果顯示與通過空氣提取相比，CO2提取更有效 且更快。在較高溫度(85°c)下，在20個循環後可提取大於90重量％的浙青。甚至在通 過空氣提取沒有效的低溫度下，也提取出大於80%的浙青。這可能是由於CO2與浙青相容 性增加(或浙青中CO2的溶解度較高)。在減壓期間，浙青中CO2泡的膨脹使得浙青的分離 (從砂中得到浙青)和浮選更快。8.進行常規熱水分離方法以評價壓縮/減壓的效果。在充滿沸水的燒杯中，將油砂 加入含水相併在加熱下攪拌。在攪拌下收集被帶到表面的浙青。發現花費至少3個小時來 從油砂中回收浙青。這表明壓力循環方法的壓縮/減壓循環比沒有壓力循環更有效，且在 沒有壓力循環的情況下從油砂中分離浙青花費更長時間。9.還評價了 pH對分離效率的影響。當浙青提取期間不控制pH時，在加工後尾料水 的PH可為約8。為了研究pH對回收效率的影響，將苛性試劑溶液(4M NaOH)加入到提取系 統中。測試了三個PH水平(pH = 9-10、10-11和11-15)的分離效率。對於1 1的固體 負載(體積比)和在過熱條件下的5個循環，比較不同pH條件下的浙青分離量。圖7顯示加入NaOH對壓力循環方法沒有益處。當pH大於11時，浙青乳化在含水 相中。雖然空氣浮選可增加浙青的回收，但乳化在水中的浙青仍大於20重量％。因此，將需 要較多化學品和其它步驟來回收浙青。因此，本發明的壓力循環方法並不需要苛性劑。已 觀察到當本方法中不使用苛性試劑時，固體和細料可在數分鐘內沉澱，且從熱水和浙青浮
19渣中分離固體非常簡便。這允許熱水的快速循環，這可顯著降低水量並節省更多能量。浙青提取效率受pH影響極大。在將NaOH溶液加入到熱水的實驗中，提取效率在 PH大於9. 5時降低(圖7)。在pH為11. 5時，在提取容器中可收集小於40%的浙青。理論 上，加入苛性試劑如NaOH和Na2CO3可提高浙青從砂粒中的分離，但水中浙青的乳化可降低 提取效率(未顯示)。此外，在較高PH下砂粒和細料的沉澱速率很慢(未顯示)。因為壓縮 /減壓方法利用氣泡分離作用從油砂粒中分離浙青，且分離效率相對高，所以苛性試劑不是 提取所必須的。當提取溫度低於80°C時，可使用苛性試劑來增加浙青提取效率並提高浙青 質量。然而，加入苛性試劑會產生涉及水和砂的質量問題，且需要處理。當不使用苛性試劑時，因為提取後熱水中砂和細料的沉澱很快，所以可直接循環 熱水用於下一批提取。此外，因為此方法中未加入化學添加劑(如表面活性劑和苛性劑)， 所以水中有機物濃度非常低。10.通過壓力循環輔助的熱水提取方法來加工含12. 4士3. 3重量％浙青的加拿大高 等級油砂和含6. 4士 1. 2重量％浙青的加拿大低等級油砂。當將CO2注入加拿大高等級油砂 和熱水混合物中時，甚至在低溫度下，也提取大於80重量％的浙青(圖8A)。然而，在相對 較低的溫度(65°C和55°C)下提取的浙青含較多砂粒。這意味著與分離速率相比，浮選速 率太快，且含浙青的砂粒在浙青從油砂粒中充分分離之前浮出。使用空氣或空氣/CO2混合 物提取浙青具有相對低提取速率(圖8B)，但提取的浙青含砂較少。將空氣/CO2混合物加 壓到提取容器中能夠調節分離速率和浮選速率。因此，因為廢氣可含約20% CO2，所以可將 燃料燃燒廢氣注入提取容器中。當在高於水的常壓沸騰溫度下提取加拿大高等級油砂時， 未觀察到使用空氣和CO2作為壓縮氣體之間的大的差異，這是因為產生的泡是水蒸汽(沸 水)，且可提取大於90 %的浙青。如圖9所示，對於20個循環，加拿大低等級油砂的提取效率通常大於80%，而CO2 提取速率高於使用空氣的提取速率。與浙青分散在加拿大高等級油砂中的方式不同，加拿 大低等級油砂中的浙青傾向於在富含浙青的油砂中累積。因此，需要調整接觸條件，以避免 浮選出富含浙青的油砂粒而未從油砂中充分分離浙青。11.浙青質量是另一重要考慮因素。當提取溫度下降時，被提取的浙青中的砂濃度增 加(圖10)。壓縮/減壓循環已將浙青分離和浙青提取步驟合併為一步。分離和浮選是決 定浙青質量的兩個競爭性步驟。結果顯示，如果將純的CO2用作提取氣體，被提取的浙青中 的砂含量較高。在被提取的浙青中的砂濃度還受到浙青在油砂中分散方式的影響。對於加 拿大高等級浙青，CO2提取可獲得具有>70%砂的浙青。這表示浙青和砂混合物可很好地 混合在一起，並可在分離前浮選。如果用空氣和CO2混合物(2 1)代替單獨使用空氣或 CO2加壓到提取容器中，提取的浙青可含< 30%的砂，且提取速率仍然很高。結果顯示提取 速率和浙青質量還受攪拌強度的影響。較高的攪動強度顯示出相對較高的提取速率和較高 的浙青質量。因此，對於不同油砂，可將提取參數，包括溫度、壓力、壓力循環數、氣體組成、 固體/水比和攪拌強度優化以最大程度地降低成本和增加產率。在不背離本發明的精神或必要特徵的前提下，本發明可以以其它具體形式實施。 在所有方面上均應認為所述實施方式僅是說明性，而非對本發明的限制。因此，本發明的範圍由所附權利要求而非前述說明書表明。在權利要求書等同含義和範圍內的全部變化包含 在所述權利要求的範圍內。本文所引用的全部文獻通過具體引用全文併入本文。本發明的公開內容不限於本申請中所述的具體實施方式
，這些具體實施方式
意在 用於例示本發明的各個方面。在不背離本發明的精神和範圍的前提下可進行多種修改和變 化，這對本領域技術人員而言是顯而易見的。從以上的說明書描述，除本文列舉的那些方法 和裝置之外，在本發明公開範圍內的其他功能等同方法和裝置對本領域技術人員而言也是 顯而易見的。這類修改和變化同樣落在權利要求書的範圍內。本發明僅由權利要求書，以 及此權利要求書給出的所有等價物範圍所限定。應理解，本發明的公開內容不限於具體方 法、試劑、化合物、組合物或生物系統，這些當然可以改變。也應理解，本文所用術語僅是用 於描述具體實施方式
，且不意在限制本發明。對於本文使用的幾乎所有的複數和/或單數形式，本領域技術人員能夠根據所適 用的內容和/或應用將複數轉變為單數和/或將單數轉變為複數。為了清楚起見，本文清 楚地列出了各種單數/複數變化。本領域技術人員應理解，本文和特別是權利要求(如權利要求的主體部分)中所 用術語通常是「開放式，，術語(如，術語「包含」應理解為「包含但不限於」，術語「具有」應 理解為「至少具有」，術語「包含」應理解為「包含但不限於」等。)。本領域技術人員應進一 步理解，如果需要在權利要求的所述中引入具體數字，此目的將在權利要求書中明確表明， 且如果在不存在此類敘述，則表明不存在此目的。例如，為了有助於理解，權利要求書可包 括使用引導短語「至少一個」和「一個或多個」來引入權利要求的所述內容(recitation)。 然而，不應將使用此類短語解釋為通過不定冠詞「一」引入權利要求所述內容將包含此類引 入的權利要求所述內容的任何具體權利要求限制為僅含此一個所述內容的實施方式，即使 是當相同權利要求包括引導短語「一個或多個」或「至少一個」和不定冠詞如「一」時(「一」 應被理解為是指「至少一個」或「一個或多個」)的情況也是如此；使用定冠詞引入權利要 求所述內容的情況也是如此。此外，即使引入權利要求所述內容的具體數字是明確引述，本 領域技術人員將明白此類引述應被解釋為至少為所述的數字(如沒有其它修飾詞的單純 引述「兩個對象」是指至少兩個所述對象或兩個或多個所述對象)。此外，在使用「A、B和C 中的至少一個等」的類似習語的那些情況下，本領域技術人員通常按常規理解此類習語(如 「具有A、B和C中的至少一個的系統」包括但不限於只具有A、只具有B、只具有C、具有A和 B、具有A和C、具有B和C，和/或具有A、B和C的系統等)。在使用「A、B或C中的至少一 個等」的類似習語的那些情況下，本領域技術人員通常按常規理解此類習語(如「具有A、B 或C中的至少一個的系統」包括但不限於只具有A、只具有B、只具有C、具有A和B、具有A 和C、具有B和C，和/或具有A、B和C的系統等)。本領域技術人員將進一步理解，代表兩 種或多種可選詞語的幾乎任何轉折詞和/或短語，無論在說明書、權利要求書或附圖中，都 應被理解為涵蓋所述對象之一、對象中任意一個，或兩種對象的可能性。例如，術語「A或B」 將被理解為包括「A」或「B」或「A和B」的可能性。此外，當根據馬庫什組的方式描述本公開的特徵或方面時，本領域技術人員將認 識到本公開是通過根據馬庫什組的任何單個成員或亞組進行描述的。本領域技術人員應理解，出於任何和所有目的，例如對於所提供的書面說明書，本 文中公開的所有範圍還涵蓋其中任何和所有可能的子範圍或子範圍的組合。任何列出的範圍均可簡單地理解為充分描述相同的範圍，並使相同的範圍能夠分成至少相等的兩份、三 份、四份、五份、十份等。作為非限定性的實例，本文所述的每個範圍均可被簡單地分成下段 1/3，中段1/3和上段1/3等。本領域技術人員還可理解，例如「高達」、「至少」、「大於」、「小 於」等的所有語言包括所述數字，並且是指能夠隨後分成如上所述子範圍的範圍。最後，本 領域技術人員應理解，範圍包括每個單獨的成員。因此，例如具有1-3個單元的組是指具有 1個、2個或3個單元的組。與此類似，具有1-5個單元的組是指1個、2個、3個、4個或5個 單元的組，並以此類推。 儘管本文已經描述了本發明的各個方面和實施方式，但本發明的其他方面和實施 方式對於本領域技術人員而言將是顯而易見的。本文公開的各個方面和實施方式是出於說 明的目的，而不是為了限制本發明，本發明的真實範圍和精神體現於權利要求書中。
權利要求
一種從砂中提取烴的方法，所述方法包括提供含烴砂；將含烴砂與水混合；在與含烴砂混合之前、期間或之後加熱所述水；在氣體存在下或通過注入氣體來增加包含所述加熱的烴和水混合物的密閉容器內的壓力；釋放所述容器中所述加熱的烴和水混合物的壓力，以致所述水混合物中溶解的氣體產生微泡；和從所述水中收集所述烴。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述烴是浙青。
3.如權利要求1所述的方法，其中所述烴是焦油。
4.如權利要求1所述的方法，其中所述烴包括能夠被加工為燃料的分子。
5.如權利要求1所述的方法，其中所述氣體選自由空氣、隊、02、0)2、41~、8&、014、(2!12、 (2!14、!125、(2!16、(3!16、(共、1-丁烯、1，3-丁二烯、氯乙烯、1，1，1，2-四氟乙烷、異丁烷、正丁烷、 異丁烯、或它們任意混合物組成的組。
6.如權利要求1所述的方法，其中所述氣體包括二氧化碳。
7.如權利要求1所述的方法，其中所述砂和水在間歇式滾筒或調理轉鼓中調理，或在 運輸期間通過管線混合。
8.如權利要求1所述的方法，其中該方法通過以下至少之一來進行將壓力增加至約IOpsi至約210psi的範圍，隨後將壓力降低至少IOpsi ； 保持溫度在約20°C至約120°C之間； 將所述壓力循環約2至約30個壓力循環； 固體水體積比為0.1 1至2 1;以約5至約300秒達到最大壓力的壓縮速率增加所述壓力；或以約0. 01至約300秒放氣達到環境壓力或任何其它降低的壓力的減壓速率降低壓力。
9.如權利要求1所述的方法，進一步包括將所述烴和水加入到初級分離器(PSV)中。
10.如權利要求9所述的方法，進一步包括使所述混合物在所述PSV中沉澱分層頂部 為不純的浙青浮渣；中間為浙青、砂、粘土和水的組合(中間物)；底部為沉澱的砂。
11.如權利要求10所述的方法，進一步包括將所述沉澱的砂與水一起泵入沉澱池，以 形成尾料。
12.如權利要求11所述的方法，進一步包括從所述尾料中分離烴。
13.
14.如權利要求13所述的方法，進一步包括從所述中間物中回收烴。
15.如權利要求10所述的方法，進一步包括從所述浮渣中回收烴。
16.如權利要求1所述的方法，其中該方法基本上不向所述烴和水混合物中添加苛性劑。
17.一種從顆粒中提取烴的方法，所述方法包括 提供含烴顆粒；將含烴顆粒砂與水混合； 在與含烴顆粒混合之前、期間或之後加熱所述水； 增加密閉容器內所加熱的混合物的壓力；釋放所述容器內壓力以致混合物產生從所述顆粒中釋出烴的微泡；和 從所述水和顆粒中收集所述烴。
18.如權利要求17所述的方法，其中通過降低所述容器的體積來增加所述壓力。
19.如權利要求17所述的方法，其中通過增加所述容器中的分子數來增加所述壓力。
20.如權利要求17所述的方法，其中通過增加所述容器中的溫度來增加所述壓力。
21.如權利要求17所述的方法，其中通過向所述容器中注入氣體來增加所述壓力。
22.如權利要求21所述的方法，其中所述氣體選自由空氣、N2、02、C02、Ar、BF3、CH4、C2H2、 (2!14、!125、(2!16、(3!16、(共、1-丁烯、1，3-丁二烯、氯乙烯、1，1，1，2-四氟乙烷、異丁烷、正丁烷、 異丁烯、或它們任意混合物組成的組。
23.如權利要求21所述的方法，其中所述氣體包括C02。
24.如權利要求17所述的方法，其中該方法通過以下至少之一來進行 將壓力增加至約IOpsi至約210psi的範圍，隨後將壓力降低至少IOpsi ； 保持溫度在約20°C至約120°C之間；將壓力循環約2至約30個壓力循環；固體/水體積比為0. 1 1至2 1 ；以約5至約300秒達到最大壓力的壓縮速率增加壓力；或以約0.01至約300秒放氣達到環境壓力或任何其它降低的壓力的減壓速率降低壓力。
25.如權利要求10所述的方法，進一步包括加入額外的熱水以分離浙青浮渣層和固體。
26.一種從油砂中提取烴的方法，所述方法包括 將約20%至約40%容器容量的水加入到低壓容器中； 將水加熱至大於50°C但小於120°C ；以約0. 1至約3體積的固體/水體積比將油砂加入到所述容器中，以形成水/油砂混 合物；封閉所述容器並通過氣體將所述容器加壓至約25psi至約210psi的壓力； 保持所述水/油砂混合物的溫度在約20°C至約120°C之間； 使所述容器中的壓力降低以產生從所述油砂中釋放烴的氣體微泡；和 從所述水和砂中回收所述烴。
27.如權利要求26所述的方法，其中該方法通過以下至少之一進行將壓力增加至約IOpsi至約150psi的範圍，隨後將壓力降低至少IOpsi ；保持溫度在約50°C至約110°C之間；將壓力循環約2至約30個壓力循環；固體/水體積比為0. 1 1至2 1 ；以約5至約300秒達到最大壓力的壓縮速率增加壓力；或以約0.01至約300秒放氣達到環境壓力或任何其它降低的壓力的減壓速率降低壓力。
28.如權利要求27所述的方法，其中通過注入蒸汽或加熱套來獲得所述溫度。
29.如權利要求28所述的方法，其中將加熱的水和油砂在流動通道中混合併泵入所述容器中。
30.一種從砂中提取烴的方法，所述方法包括 提供含烴砂；將所述含烴砂與水混合；通過增加壓力和隨後降低壓力來循環容器中所述混合物的壓力，以改變水中的氣體溶 解度和在混合物中形成氣體微泡；和 從所述水和砂中收集烴。
31.如權利要求30所述的方法，進一步包括向所述容器中加入氣體，其中所述氣體選 自由氨、臭氧、氯、空氣、氮氣、氧氣、一氧化碳、二氧化碳、氬氣、氦氣、水蒸汽、BF3> CH4, C2H2, C2H4、H2S、C2H6、C3H6、丙烷、1-丁烯、1，3-丁二烯、氯乙烯、1，1，1，2_四氟乙烷、異丁烷、正丁烷 和異丁烯和其組合組成的組。
32.如權利要求30所述的方法，其中所述方法通過以下至少之一進行 將壓力增加至約IOpsi至約150psi的範圍，隨後將壓力降低至少IOpsi ； 保持溫度在約50°C至約110°C之間；將壓力循環約2至約30個壓力循環； 固體/水體積比為0. 1 1至2 1 ； 以約5至約300秒達到最大壓力的壓縮速率增加壓力；或以約0.01至約300秒放氣達到環境壓力或任何其它降低的壓力的減壓速率降低壓力。
全文摘要
本發明涉及一種從砂中提取烴的方法，所述方法可包括提供含烴砂；將所述含烴砂與水混合；在與所述含烴砂混合之前、期間或之後加熱所述水；在氣體存在下或通過注入氣體來增加含加熱的烴和水混合物的密閉容器內的壓力；釋放所述容器中所述加熱的烴和水混合物的壓力，以由所述水混合物中溶解的氣體產生微泡；和從所述水中收集所述烴。任選地，所述方法基本上不向所述烴和水混合物中添加苛性劑。
文檔編號C10B53/06GK101910363SQ200880122682
公開日2010年12月8日 申請日期2008年10月31日 優先權日2007年11月2日
發明者安迪·宏, 查智雄 申請人:猶他大學研究基金會