使用射頻電磁波加工烴的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施方式的方面為用于裂解重?zé)N的裝置。將線性高頻發(fā)熱電極設(shè)置在包含芳族分子的重油中。射頻電流源在第一連接點(diǎn)和第二連接點(diǎn)處被電連接至高頻發(fā)熱電極上以產(chǎn)生封閉電回路。設(shè)置射頻源以將信號(hào)應(yīng)用至高頻發(fā)熱電極以足以形成關(guān)于線性高頻發(fā)熱電極的軸的磁場(chǎng)和電場(chǎng)。所述裝置還包括設(shè)置在通常在第一連接點(diǎn)和第二連接點(diǎn)之間的高頻發(fā)熱電極周圍的室以將磁場(chǎng)集中在高頻發(fā)熱電極周圍并包含重?zé)N。
【專利說(shuō)明】使用射頻電磁波加工烴
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及使用電磁場(chǎng)，特別是射頻電磁場(chǎng)來(lái)裂解和改良重?zé)N。改良重?zé)N有利于在烴的提取和加工中變?yōu)橛袃r(jià)值的燃料。特別地，本發(fā)明涉及一種可以用于裂解重?zé)N的有利的射頻(RF)高頻發(fā)熱電極和方法。本發(fā)明使通常非反應(yīng)性的芳香分子的碳-碳(C-C)鍵斷裂，其可以用于改良浙青，降低汽油中的芳香烴的含量，或協(xié)助石化合成。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著世界上標(biāo)準(zhǔn)原油儲(chǔ)備的減少，以及對(duì)油的持續(xù)需求，導(dǎo)致油價(jià)上升，油制造商嘗試由浙青礦、油砂、浙青砂、油頁(yè)巖和重油田加工烴。這些材料通常存在于沙或粘土的天然存在的混合物中。由于浙青礦、油砂、油頁(yè)巖、浙青砂和重油(簡(jiǎn)稱重?zé)N)的極高粘度，在提取標(biāo)準(zhǔn)原油中使用的鉆井和精煉方法通常不適用。需要提高原油采收率(EOR)的方法。
[0003]目前的EOR技術(shù)通過(guò)使用蒸汽加熱烴地層或有時(shí)通過(guò)使用RF能量加熱或預(yù)加熱地層。蒸汽已經(jīng)用于提供原位加熱，例如通過(guò)蒸汽輔助重力泄油(SAGD)系統(tǒng)。由于表面融化，蒸汽提高采油率可能不適合于永久凍土區(qū)，在具有巖石層的分層和薄貯藏區(qū)，其中具有不足的蓋層。在井開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，例如，最初的蒸汽對(duì)流可能較慢且不可靠，因?yàn)樵跓N礦中進(jìn)行加熱緩慢。水資源可能不足以制造蒸汽。
[0004]RF加熱方法使用原位原生的水，例如，孔隙水，其通常存在于烴地層中。水通過(guò)電磁場(chǎng)容易地被加熱，因而地下天線可以加熱烴地層。
[0005]電磁場(chǎng)加熱的孔隙水將傳導(dǎo)地加熱烴。由于電磁場(chǎng)以近光速傳播，RF加熱通過(guò)傳導(dǎo)和對(duì)流提供了大大增加的速率和穿透性。RF能量還可以穿透不可滲透的巖石以加熱遠(yuǎn)處。原位裂解和改良油的射頻電磁裝置是有價(jià)值的，特別是伴隨有油井增產(chǎn)措施時(shí)。
[0006]重?zé)N，例如原油和浙青，通常包含芳香族分子，其使得油粘稠和沉重，因此難以提取。芳族分子為其中原子以環(huán)狀連接在一起的分子，例如苯。使芳香環(huán)斷裂，其還已知為裂解，產(chǎn)生成更輕而因此更易于提取的極性烴分子。該過(guò)程稱作將油“改良”。芳族分子異常穩(wěn)定，而因此非常難以裂解。因此，使用射頻磁場(chǎng)以裂解芳族分子是有利的。
[0007]RF電磁(EM)場(chǎng)可以與一些分子強(qiáng)烈地相互作用，而與其它分子較弱地作用。在分子混合物中，RF EM加熱可以增加一類分子的動(dòng)態(tài)能量，而不會(huì)增加其它分子類型的動(dòng)態(tài)能量，其導(dǎo)致選擇性加熱。因此，可以實(shí)現(xiàn)高局部化的溫度而不會(huì)過(guò)分加熱整體材料。溫度在確定化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的速率和程度方面起到非常重要的作用。因此，RF EM場(chǎng)可以有效引起涉及烴分子的反應(yīng)。
[0008]汽油為用于汽車運(yùn)輸?shù)钠毡榈娜剂?。美?guó)在2005年使用了 1400億加侖的汽油。為了滿足這種需求，現(xiàn)代的汽油通常為4至12個(gè)碳原子(C4至C12)的烴分子的混合物。許多種類汽油分子，例如，芳族分子，被美國(guó)和其它地方規(guī)定為有害物質(zhì)。盡管芳族分子對(duì)高辛烷值(苯具有101的辛烷值)有利，但是他們從發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中排放出來(lái)，以及當(dāng)泵吸汽油時(shí)蒸發(fā)。
[0009]因此，汽油配方包括選擇烴分子的種類、排放物水平、和這些排放物的毒性水平的折衷。
[0010]在1990的US Clean Air Act，苯已經(jīng)確認(rèn)為有毒的空氣污染物和潛在的致癌物。在污染的城市大氣中測(cè)量量苯已知引起白血病、肺癌和皮膚癌。鑒于這種嚴(yán)重的健康影響，在2011年美國(guó)環(huán)境保護(hù)機(jī)構(gòu)制定了將汽油中的苯含量降低至0.62% ("ControIof Hazardous Air Pollutants From Mobile Sources", U.S.Environmental ProtectionAgency, 2006-03-29.p.15853
[0011](http: //www.epa.gov/EPA-AIR/2006/March/Day-29/a2315b.htm))的規(guī)定。從汽油中除去芳族分子降低有毒排放，進(jìn)而減少白血病和其它癌癥的發(fā)病率。需要降低苯水平的技術(shù)。
[0012]現(xiàn)代的汽油是多種精煉方法的產(chǎn)品。流化催化裂化裝置(FCCU)為使大的高沸點(diǎn)范圍的烴斷裂為汽油范圍的產(chǎn)品的方法的實(shí)例。FCCU輸出可包含30%的芳香烴。在典型的FC⑶中，芳香烴，例如，苯，可能很少裂解。催化石腦油重整裝置(CNRU)將飽和的低辛烷值的烴轉(zhuǎn)化為包含60%以上的芳香烴的高辛烷值的產(chǎn)品。因此，在CNRU中，實(shí)際上產(chǎn)生了有毒的芳香烴，如果在原料中包含C6，特別是如此。調(diào)節(jié)FCCU和CNRU的輸出的芳香烴水平的方法是有利的。
[0013]蒸汽裂解是其中重?zé)N與水混合的過(guò)程，以及被加熱至高溫，例如，900°C，以使重?zé)N斷裂為更小、更輕的烴。在蒸汽裂解中可以發(fā)生自由基加成以形成新的芳族分子，但是不形成芳族分子可能是希望的。不產(chǎn)生芳香烴的蒸汽裂解過(guò)程可能是有利的。
[0014]美國(guó)專利第6，303，021 號(hào)，Winter 等，以及名稱 “Apparatus and Process ForImproved Aromatic Extraction From Gasoline”描述了用于分離汽油芳香經(jīng)的基于二醇溶劑的方法，所述方法包括使原料與溶劑蒸氣接觸。沒(méi)有提供實(shí)際裂解芳族分子的裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明為用于裂解包含重?zé)N的烴的裝置。將線性高頻發(fā)熱電極設(shè)置在包含芳族分子的重?zé)N中。射頻電流源在第一連接點(diǎn)和隔開(kāi)的第二連接點(diǎn)處被電連接至高頻發(fā)熱電極上形成封閉電回路。設(shè)置射頻源以將信號(hào)應(yīng)用至高頻發(fā)熱電極以足以形成關(guān)于線性高頻發(fā)熱電極的軸的磁場(chǎng)和電場(chǎng)。所述裝置還可以包括位于通常在第一連接點(diǎn)和第二連接點(diǎn)之間的高頻發(fā)熱電極周圍的室以將磁場(chǎng)集中在高頻發(fā)熱電極周圍并容納重?zé)N。
[0016]本發(fā)明的另一實(shí)施方式提供了位于包含芳族分子的重?zé)N內(nèi)的環(huán)形高頻發(fā)熱電極。射頻電流源被電連接至環(huán)形高頻發(fā)熱電極。設(shè)置射頻源以將信號(hào)應(yīng)用至高頻發(fā)熱電極上以足以形成電磁場(chǎng)，所述射頻源通常存在于環(huán)形高頻發(fā)熱電極的內(nèi)部，而因此集中在包含重?zé)N的區(qū)域。
[0017]本發(fā)明的另一方面為用于預(yù)熱重?zé)N的方法。將高頻發(fā)熱電極放置在已經(jīng)提取重?zé)N，包括芳族分子中。將射頻電流施加至線性高頻發(fā)熱電極上以足以形成關(guān)于高頻發(fā)熱電極的的電磁場(chǎng)。芳族分子被裂解，導(dǎo)致更輕的極性分子。然后，從水和砂和其它材料中分離裂解的烴。然后將所述烴加工成燃料。
[0018]本發(fā)明的另一方面為用于改良重?zé)N的方法。從水和砂和任選其它材料中分離重?zé)N。將高頻發(fā)熱電極放置在重?zé)N中。運(yùn)行所述高頻發(fā)熱電極同時(shí)烴被氫化。將射頻電流施加到高頻發(fā)熱電極上以足以產(chǎn)生關(guān)于高頻發(fā)熱電極的磁場(chǎng)和電場(chǎng)，同時(shí)將氫和天然氣加入到烴中以制備合成的原油。然后將所述烴加工成燃料。
[0019]本發(fā)明的另一方面為用于提取重?zé)N的方法。將高頻發(fā)熱電極安裝在包含芳族分子的烴地層的礦區(qū)。將射頻電流施加至高頻發(fā)熱電極上以足以形成關(guān)于高頻發(fā)熱電極的磁場(chǎng)和電場(chǎng)。芳族分子被裂解成更輕的極性分子。然后，從地質(zhì)層中除去所述極性分子。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]從本公開(kāi)中，本發(fā)明的其它方面將變得顯而易見(jiàn)。
[0021]圖1為線性高頻發(fā)熱電極的實(shí)施方式的示意性的透視圖。
[0022]圖2為包括射頻電流源的特定部件的線性高頻發(fā)熱電極的實(shí)施方式的示意性的透視圖。
[0023]圖3為環(huán)形高頻發(fā)熱電極的實(shí)施方式的示意性的透視圖。
[0024]圖4為示出了用于預(yù)處理重?zé)N的方法的流程圖。
[0025]圖5為示出了用于改良重?zé)N的方法的流程圖。
[0026]圖6為示出了用于提取重?zé)N的方法的流程圖。
[0027]圖7為純水和石油的射頻響應(yīng)的曲線圖。
[0028]圖8為液態(tài)浙青(dilbit)的相對(duì)介電常數(shù)的曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]現(xiàn)在將更加全面地描述本公開(kāi)的主題，并示出本發(fā)明的一個(gè)以上的實(shí)施方式。然而，本發(fā)明可以許多不同的形式體現(xiàn)，而不能解釋為限于在本文中列舉的實(shí)施方式。而是，這些實(shí)施方式為本發(fā)明的實(shí)例，其具有由權(quán)利要求的語(yǔ)言所表示的全部范圍。
[0030]圖1顯示可以被用于將芳族分子裂解為極性分子的線性高頻發(fā)熱電極(又稱作發(fā)散天線(divergence antenna))的示意性的圖表。通常在10處標(biāo)示的裝置可以在烴地層中原位使用，但是還可以在質(zhì)量改良的精煉廠或其它地方用于裂解重油或降低汽油中的芳香烴。所述裝置10包括射頻電流源12、線性高頻發(fā)熱電極14和室16。
[0031]所述射頻電流源12在第一連接點(diǎn)13處和與第一連接點(diǎn)13隔開(kāi)的第二連接點(diǎn)15處被電連接至線性高頻發(fā)熱電極14上，從而形成封閉電回路。在實(shí)踐中，射頻電磁場(chǎng)的催化效果不限于一種特定的頻率，因此一系列的頻率可以用于使芳族分子裂解為極性分子。在大約0.001至IOOMHz之間的頻率可以有效地裂解芳族分子。更特別地，在大約6.7MHz至40.7MHz之間的頻率可以有效地裂解芳族分子。例如，在場(chǎng)測(cè)試中，應(yīng)用6.78MHz的頻率可以有效地裂解芳族分子。使用水的反共振頻率，其為大約30MHz，也可以是有效的，以及在近水反共振運(yùn)行時(shí)被認(rèn)為能量要求和成本最小。本發(fā)明有利地使用電磁近場(chǎng)在相對(duì)低的頻率運(yùn)行，從而提供用于穿透大的地下地層或工業(yè)的地上原料的足夠的深度。
[0032]線性高頻發(fā)熱電極14的長(zhǎng)度優(yōu)選比無(wú)線電波長(zhǎng)更短；也就是，L << c/(f V ε r)其中，L為在烴混合物中的線性高頻發(fā)熱電極14的長(zhǎng)度，c為光速，f為以赫茲為單位的射頻，以及εr為烴混合物的相對(duì)介電常數(shù)。例如，在6.78MHz時(shí)，自由空間波長(zhǎng)為大約44米，阿薩巴斯卡油砂可以具有大約6的電容率，因此，對(duì)于這些條件，線性高頻發(fā)熱電極14的長(zhǎng)度可以為約4米。多個(gè)線性高頻發(fā)熱電極14可以用于覆蓋更長(zhǎng)的距離。例如，線性高頻發(fā)熱電極14的陣列可以放置為頭尾相接或相反。線性高頻發(fā)熱電極14通常起到電和磁近場(chǎng)的轉(zhuǎn)換器(transducer)的作用。
[0033]所述射頻電流源12可以包括變送器22和阻抗匹配連接器24。所述連接器24可以選自多種裝置，例如，變壓器、調(diào)諧電容器、電感器和其它已知的組件以結(jié)合、匹配并管理當(dāng)?shù)V被加熱時(shí)礦負(fù)載的動(dòng)態(tài)阻抗的變化。變送器22還可以為機(jī)電裝置，例如，多極交流發(fā)電機(jī)，或具有開(kāi)槽轉(zhuǎn)子的可變磁阻交流發(fā)電機(jī)，所述開(kāi)槽轉(zhuǎn)子調(diào)節(jié)兩個(gè)電感器的耦合。所述RF源12還可以為真空管裝置，例如，Eimac8974/X-2159束射四極管(power tetrode)或固態(tài)電子器件的陣列(solid state device)。因此，存在許多選項(xiàng)以實(shí)現(xiàn)RF源12。
[0034]在圖2中示出的結(jié)構(gòu)中，所述射頻電流源包括變送器22、具有初級(jí)環(huán)26和次級(jí)環(huán)28且通常標(biāo)示為24的變壓器，和調(diào)諧電容器29。例如，所述初級(jí)環(huán)24和次級(jí)環(huán)26可以為銅管。所述變送器22通過(guò)同軸電纜23被電連接至初級(jí)環(huán)26上。例如，通過(guò)以相對(duì)于次級(jí)環(huán)28的角度轉(zhuǎn)動(dòng)初級(jí)環(huán)26可以調(diào)節(jié)初級(jí)環(huán)26，其改變變送器22經(jīng)歷(See)的負(fù)載電阻。調(diào)諧電容器29被電連接至次級(jí)環(huán)26上，其允許精確調(diào)節(jié)至變壓器24共振。在場(chǎng)測(cè)試中，將10至1000皮法的可變電容器調(diào)節(jié)至大約90皮法以調(diào)節(jié)變壓器共振至6.78MHz。在第一連接點(diǎn)13處和第二連接點(diǎn)15處使次級(jí)環(huán)26連接至線性高頻發(fā)熱電極14上。
[0035]所述線性高頻發(fā)熱電極14可以為任何線性導(dǎo)體，例如，金屬棒或絞合電纜。任選地，所述線性高頻發(fā)熱電極14可以在其表面進(jìn)行電絕緣，例如，使用聚酰亞胺或特氟龍。在特定實(shí)施方式中，所述線性高頻發(fā)熱電極14可以為位于烴地層的礦區(qū)中的導(dǎo)電井管。所述導(dǎo)電井管可以為典型的鋼井管或可以用銅或其它導(dǎo)電金屬覆蓋。所述線性高頻發(fā)熱電極14可以位于包含芳族分子的礦中。例如，所述線性高頻發(fā)熱電極14可以被原位設(shè)置在烴地層的礦區(qū)中?；蛘?，所述線性高頻發(fā)熱電極14可以位于精煉廠中或其它位置，并用于裂解已經(jīng)被提取的重?zé)N。所述線性高頻發(fā)熱電極14還可以放置在汽油箱(gas tank)以降低汽油中的芳香烴含量。
[0036]室16圍繞線性高頻發(fā)熱電極14，所述高頻發(fā)熱電極14通常位于第一連接點(diǎn)13和第二連接點(diǎn)15之間。室16通過(guò)包括入口 122和出口 126而可以起到油砂分離室或旋風(fēng)分離器的作用。所述室16可以由任意導(dǎo)電性的或非導(dǎo)電性的材料構(gòu)成，包括，例如，鋼、塑料、玻璃纖維、聚酰亞胺或浙青膏。當(dāng)使用導(dǎo)電室16時(shí)，納入穿通絕緣體(未示出)以允許RF電流沿高頻發(fā)熱電極流至室內(nèi)。在室16內(nèi)為包括芳族分子18的烴17?？梢源嬖诨蛱峁┧肿?20?？梢蕴峁┛列詨A(例如氫氧化鈉)作為表面活性劑。
[0037]可以將壓縮空氣124提供給室16以從原生砂中壓力驅(qū)出溫?zé)岬恼闱?。裂解和改良的烴128可以通過(guò)出口 126中排出。在室16中可以實(shí)現(xiàn)間歇式或連續(xù)的方法。額外的室16端口(未示出)可以提供工藝用水、苛性堿、鹽或其它物質(zhì)。
[0038]當(dāng)運(yùn)行高頻發(fā)熱電極10時(shí)，電流I流經(jīng)線性高頻發(fā)熱電極14，其在烴17中產(chǎn)生電和磁近場(chǎng)。環(huán)形磁感應(yīng)場(chǎng)H的通量線螺旋環(huán)繞高頻發(fā)熱電極14同時(shí)徑向向外擴(kuò)展。其工作機(jī)制為安培環(huán)流定律:
[0039]/ B.dl
[0040]形成磁近場(chǎng)。所述高頻發(fā)熱電極14還可以產(chǎn)生電近場(chǎng)，其以高斯定律運(yùn)行:
[0041]▽.D
[0042](其中左側(cè)的符號(hào)為倒三角形算子(倒三角形算子))。進(jìn)一步推導(dǎo)，自由空間中線性高頻發(fā)熱電極14產(chǎn)生的電磁近場(chǎng)實(shí)際為:[0043]Er=-j n (10Le_Jkr/2 π kr3) cos θ
[0044]E θ =-j n (10Le_Jkr/4 π kr3) sin θ
[0045]
[0046]
【權(quán)利要求】
1.一種用于改良重油的方法，其包括如下步驟: 將高頻發(fā)熱電極放置到包括芳族分子的重?zé)N中；向所述高頻發(fā)熱電極施加射頻電流以足以產(chǎn)生將至少部分的芳族分子裂解為極性分子的關(guān)于高頻發(fā)熱電極的磁場(chǎng)；和 將所述極性分子加工為燃料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其進(jìn)一步包括: 在第一連接點(diǎn)和隔開(kāi)的第二連接點(diǎn)將射頻電流源連接至高頻發(fā)熱電極上，所述電流源被設(shè)置為向高頻發(fā)熱電極施加足以在線性高頻發(fā)熱電極周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)和電場(chǎng)的信號(hào)；和 在所述第一連接點(diǎn)和第二連接點(diǎn)之間的高頻發(fā)熱電極周圍設(shè)置室以容納重?zé)N。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述射頻電流源包括: 變送器，其被設(shè)置為發(fā)射射頻電流； 變壓器，其具有初級(jí)環(huán)和次級(jí)環(huán)，其中，所述變送器被電連接至初級(jí)環(huán)上，以及在第一和第二連接位點(diǎn)次級(jí)環(huán)被電連接至高頻發(fā)熱電極上，以及初級(jí)環(huán)設(shè)置為以相對(duì)于次級(jí)環(huán)進(jìn)行調(diào)節(jié)以改變通過(guò)變送器觀察到的負(fù)載電阻；和 調(diào)諧電容器，其電連接至次級(jí)線圈上以將所述變壓器共振調(diào)節(jié)至所需的頻率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，施加信號(hào)的頻率在0.0OlMHz至IOOMHz之間，并在對(duì)應(yīng)于芳族分子的共振的頻率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述重?zé)N包含水分子，并進(jìn)一步包括施加對(duì)應(yīng)于水分子的介電反共振的頻率。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，施加的頻率對(duì)應(yīng)于羥基轉(zhuǎn)變的18cm波長(zhǎng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述高頻發(fā)熱電極為環(huán)形高頻發(fā)熱電極。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其進(jìn)一步包括在施加射頻電流和加工步驟之間，將烴與存在于烴中的任何水和砂分離。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其進(jìn)一步包括:向所述高頻發(fā)熱電極施加射頻電流時(shí)，使氫氣或天然氣與烴接觸以制備合成原油。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在施加射頻電流步驟的過(guò)程中，所述重?zé)N原位地位于烴地層的礦區(qū)中。
【文檔編號(hào)】C10G1/00GK103459768SQ201280016116
【公開(kāi)日】2013年12月18日 申請(qǐng)日期:2012年4月2日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月4日
【發(fā)明者】E·F·帕徹 申請(qǐng)人:哈里公司