油砂溶剂抽提实验研究*

刘 杨 刘振宁 闫 东 王振波

(1. 中国石油大学(华东)化学工程学院；2. 中油辽河工程有限公司)

油砂溶剂抽提实验研究*

刘 杨**1刘振宁2闫 东2王振波1

(1. 中国石油大学(华东)化学工程学院；2. 中油辽河工程有限公司)

对新疆油砂使用溶剂萃取法进行处理，选用 93#汽油作为溶剂进行正交实验和单因素实验，通过对比萃取前后油砂显微结构对油砂萃取理论进行研究。实验表明油砂粒径、萃取时间、萃取温度、剂砂比对油砂萃取率的影响依次降低。当萃取时间30min、萃取温度80℃、油砂粒径小于450μm(中位粒径268μm)和剂砂比为4∶1时，萃取率可达到90%，尾砂含油率为1.7%。

油砂 溶剂萃取 操作条件

原油是石油化工行业的主要原料，也是驱动着世界经济的主导能源，但按照目前的消耗速度，原油只能使用50年，油砂作为替代能源具有特别的吸引力。

油砂又称沥青砂，是一种非常规石油资源，其中沥青占10%～20%，砂和粘土占70%～80%，其余为水和其他物质。油砂于1902年在加拿大阿尔伯特省首先被发现，20世纪20年代，Clark K A等开始了油砂分离的相关研究工作[1]，经过半个多世纪的发展，他们提出的热碱水洗法成为目前世界上最成熟的油砂分离方法[2]。相对于热碱水洗法，溶剂萃取法更适用于不同类型的油砂，且分离后含土少、品质高、后续加工处理较为容易、节约用水、能量消耗少、污染少，但是溶剂较昂贵且大部分为有毒、易燃、易爆的危险品。溶剂萃取法的主要障碍在于溶剂的损失与回收。需要通过选择合适的溶剂来减少因溶剂损失造成的资源浪费和环境污染。

笔者以93#汽油作为溶剂对新疆油砂进行萃取处理，并对其进行正交实验和单因素实验，以确定最佳操作条件。

1 萃取机理

如图1所示，萃取前(图1a)油砂周围包着厚厚的沥青，部分粘土颗粒粘附其上；萃取后(图1b)砂砾表面光滑，沥青层基本从砂砾表面剥离。最初油砂接触并浸没在溶剂中，溶剂和油砂、沥青之间进行物质转移，这是由于所用的溶剂粘度远低于砂粒表面的沥青[3]，使得溶剂分子向沥青层扩散，导致可溶性沥青组分的粘度下降。溶解在溶剂中的沥青分子扩散到溶剂层中，直到溶剂与沥青层之间没有浓度差。搅拌有利于溶解的组分向溶剂层中扩散，使得多孔的物质被破碎成细小的颗粒，在剪切力的作用下，沥青从沥青层脱落，悬浮在溶剂中。这些颗粒的形成增加了界面面积，从而促进了沥青和溶剂之间的传质。大多数的可溶性沥青将快速溶解，留下的主要是不溶于溶剂的沥青颗粒。由于砂粒和粘土的存在，使得用现在的工具很难表征出溶质之间的碰撞和尺寸的变化。因此油砂微观上的碰撞和萃取时颗粒尺寸的变化是未来值得研究的方向。

图1 萃取前、后油砂的结构

2 实验

2.1实验原料

实验使用新疆油砂，利用Dean-Stark甲苯抽提法[4]测定油砂的含油率和含水率，新疆油砂性质见表1。新疆油砂属于富油油砂，含油率较高，45μm以下的固体比例较低，油砂品质良好，开发价值大。依次选用环己烷、甲苯、柴油、93#汽油、97#汽油作为萃取剂，在温度80℃、剂砂比2∶1、萃取时间30min、搅拌速率80r/min的条件下对新疆油砂进行了萃取实验，不同萃取剂萃取率见表2。由于甲苯价格昂贵且有毒，柴油沸点太高，而93#汽油与97#汽油相差不大且更为经济，因此最终实验选用93#汽油作为萃取剂。

表1 新疆油砂基本性质

表2 各萃取剂萃取率对比

2.2实验方法

油砂与溶剂进行混合萃取，萃取流程如图2所示。混合液静止离心分为3层：上清液、悬浮液和尾砂。上清液和悬浮液中的沥青均为萃取出的沥青，由于悬浮液中的沥青不易分离。因此，计算萃取率时有两种方法：第一种是以上清液中沥青的总含量作为回收量，称为萃取率；第二种是以上清液与悬浮液中沥青含量之和作为总沥青回收量，称为总萃取率。但由于萃取出的沥青有损失，因此使用第一种评价方法更为合理。

图2 油砂萃取流程

3 实验结果及分析

3.1正交实验及结果分析

正交实验的影响因素有萃取温度、砂粒粒径、萃取时间和剂砂比。每个因素3个水平，搅拌速度为200r/min。正交实验结果如图3所示。

图3 各因素对萃取率的影响

由正交实验结果可知，砂粒粒径的变化对沥青萃取率的影响最大，其次是萃取时间和萃取温度，剂砂比的改变对萃取率的影响最小。通过正交试验得出较优条件是砂粒粒径小于450μm、萃取时间30min、萃取温度80℃和剂砂比为2∶1。

3.2单因素试验

3.2.1萃取时间的影响

在剂砂比2∶1、萃取温度80℃、砂粒粒径小于450μm的条件下，以93#汽油为溶剂，考察萃取时间对油砂萃取率的影响，实验结果如图4a所示。在搅拌和加热的共同作用下，随着萃取时间的增加，沥青逐渐溶解进汽油中，使油砂的萃取率增加。萃取时间30min后，萃取率达到82%不再增加。由图4b可知，增加时间对悬浮液中沥青比例没有影响。考虑生产的经济性，选择萃取时间30min为最优条件。

图4 萃取时间对萃取率和沥青分布的影响

3.2.2萃取温度的影响

在剂砂比2∶1、萃取时间30min、砂粒粒径小于450μm条件下，以93#汽油为溶剂，考察温度对萃取率的影响，实验结果如图5a所示。随着萃取温度的增加时萃取率不断增加。油砂的结构使得萃取温度增加时油砂中沥青粘度降低、流动性增强，且沥青与油砂的结合力降低，沥青容易脱落，从而提高萃取率；反之，温度低会造成沥青粘度增大，溶剂不易进入沥青中，使得传质速率降低从而影响萃取率[5]。同时油砂中胶质、沥青等重质组分较多，轻质组分较少，低温难以将其完全溶解，因此温度越高，越有利于减少悬浮液中的沥青含量，但温度过高会导致溶剂气化和生产能耗增加，因此80℃是合适的萃取温度。从图5b看出，温度升高，悬浮液中沥青比例降低，与图4b进行比较发现，温度提高20℃比时间增加10min的效果明显，可使萃取率提高2%左右，尾砂中沥青比例下降5%左右。

图5 萃取温度对萃取率和沥青分布的影响

3.2.3砂粒粒径的影响

在剂砂比2∶1、萃取时间30min、萃取温度80℃的条件下，以93#汽油为溶剂，考察砂粒粒径对萃取率的影响，实验结果如图6a所示。砂粒粒径在450μm以上时，萃取率随粒径的减小而增加；砂粒粒径小于200μm时，萃取率降低。这是因为粒径减小，油砂表面积增大，溶剂与油砂的接触面积增大，沥青更容易被萃取出来，萃取率提高。但是粒径过小、堆积密度过小、表面积过大、溶剂不能完全浸湿油砂，则不能将沥青萃取出来[6]。观察发现，200μm以下的油砂堆积密度很小，同样质量时其体积约为其他粒径油砂体积的2倍，所以萃取率下降。由图6b看出，粒径小于450μm时悬浮液中沥青含量最高，这部分沥青无法回收利用，只会加重环境污染，因此，以后的工作重点应为对悬浮液中沥青的深处理。综合考虑，应将砂粒粒径控制在小于450μm(中位粒径268μm)为宜。

图6 砂粒粒径对萃取率和沥青分布的影响

3.2.4剂砂比的影响

在萃取时间30min、萃取温度80℃、砂粒粒径小于450μm的操作条件下，以93#汽油为溶剂，考察剂砂比对萃取率的影响，实验结果如图7a所示，随着剂砂比的增加，萃取率逐渐上升，当比值达到4∶1的时候，增加速度开始放缓。这是因为沥青主要由饱和烃、芳烃、树脂和沥青质(SARA)4种组分组成，其中前3种组分极性较低，可以溶于脂肪烃类溶剂，而沥青质极性高，萃取难度大。因此当剂砂比达到4∶1之后，基本可以将沥青中的可溶组分溶解，此时再增加溶剂对萃取率的提高贡献不大。从图7b可以看出，悬浮液中沥青比例保持不变，即剂砂比对悬浮液中沥青比例影响较小。在此操作条件下沥青的萃取率可以达到90%，尾砂含油率为1.7%。因此剂砂比宜为4∶1。

图7 剂砂比对萃取率和沥青分布的影响

4 结束语

使用93#重整汽油对新疆油砂进行萃取时，克服了传统分离方法的缺点，具有无污染、萃取率高及成本低等优点。在进行正交实验和单因素实验后确定最佳操作条件为萃取温度80℃、萃取时间30min、油砂粒径小于450μm(中位粒径268μm)、剂砂比4∶1，在该条件下油砂的萃取率可以达到90%，尾砂含油率为1.7%。

[1] 李若平.非常规石油资源及开发前景[J].当代化工，2006，35(3)：145～148.

[2] Dai Q，Chung K H.Hot Water Extraction Process Mechanism Using Model Oil Sand[J].Fuel，1996，75 (2)：220～226.

[3] 周建伟.油砂沥青水溶液与溶剂抽提及分离[J].化学工程师，2008，22(3)：14～16.

[4] 陈德军，赵锁奇，许志明，等.加拿大油砂溶剂抽提分离工艺的研究[J].石油炼制与化工，2009，40(12)： 22～26.

[5] Zhang D Q，Fan Y H，Shi H J.The Production and Application of Petroleum Asphalt[M].Beijing：Publishing House of Sinopec，2001：272～285.

[6] Yu K，Wang Z B，Jin Y H，et al.Single-and Multi-stage Counter-current Solvent Extractions of Bitumen from Xinjiang Oil Sand[J].Energy Fuels，2013，27(11)：6491～6500．

ExperimentalStudyonOilSandExtraction

LIU Yang1, LIU Zhen-yu2, YAN Dong2, WANG Zhen-bo1

(1.CollegeofChemicalEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China; 2.ChinaLiaohePetroleumEngineeringCo.,Ltd.,Panjin124010,China)

Having Xinjiang oil sands treated through the solvent extraction method, and 93#gasoline selected as the solvent for orthogonal experiment and single factor test as well as the oil sands’ microscopic structure before and after the extraction compared to show that, the influence of sand particle sizes,extraction time, extraction temperature,extraction agent-sand ratio on the rate of oil sands extraction decreases in turn;when the extraction time stays at 30min,and the extraction temperature is 80℃ and sand particle size becomes less than 450μm as well as the ratio of 4∶1 for 268μm medium particles and agent sand exists, the extraction rate can reach 90% along with 1.7% oil content in tailings.

oil sands, solvent extraction, operating conditions

*中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(13CX06044A)，中国石油天然气集团公司辽河油田原油千万吨持续稳产关键技术研究。

**刘 杨，男，1992年10月生，硕士研究生。山东省青岛市，266580。

TQ051.8

A

0254-6094(2015)02-0199-05

2014-06-10，

2015-03-10)

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