用蒸汽冷裂解的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】用于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(zhì)；并且施加具有預(yù)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(nèi)或外的活化器來進行；施加壓力波可在油田內(nèi)進行；施加壓力波可通過利用轉(zhuǎn)子進行，所述轉(zhuǎn)子位于由膠體烴類介質(zhì)彌漫的殼體中。
【專利說明】用蒸汽冷裂解的系統(tǒng)和方法
[0001]相關(guān)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(quán)益和優(yōu)先權(quán)，其內(nèi)容也據(jù)此通過引用方式以其整體并入。
[0003]背景
發(fā)明領(lǐng)域
[0004]本發(fā)明的實施方式大體涉及用于利用在降低溫度下操作的壓力波發(fā)射機構(gòu)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(zhì)、礦物油或任何鐵磁流體的液體的系統(tǒng)和方法。
[0005]相關(guān)領(lǐng)域的描述
[0006]重質(zhì)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(zhì)”是因為其密度或比重高于輕質(zhì)原油的密度或比重。重質(zhì)原油已被定義為具有小于20°的美國石油學(xué)會(“API”)比重度數(shù)的任何液體石油。超重油被定義為具有低于10.0° API的API比重度數(shù)(即，具有大于1000kg/m3的密度或者，等同地，大于I的比重)。
[0007]相反，輕質(zhì)原油是具有低密度并且在室溫下自由流動的液體石油。由于高比例的輕質(zhì)烴餾分的存在，其具有低粘度、低比重和高API比重度數(shù)。其通常具有低的蠟含量。在商品市場上輕質(zhì)原油的價格比重質(zhì)原油高，因為當(dāng)它經(jīng)煉油廠被轉(zhuǎn)變成產(chǎn)品時產(chǎn)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于約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(zhì)量、低硫的原油常被用于處理成汽油并且是高需求的，特別是在工業(yè)化國家中?！拜p質(zhì)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于處理汽油(石腦油)、煤油和高質(zhì)量柴油的這些餾分。
[0009]在世界各地直接存在于原油中的輕質(zhì)粗產(chǎn)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(shù)已被開發(fā)并且對于使來自原油的輕質(zhì)產(chǎn)品產(chǎn)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復(fù)雜的有機分子(重質(zhì)烴)分解成較短的分子(輕質(zhì)烴)的工藝。
[0010]在煉油廠中使用的常規(guī)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(yōu)化以產(chǎn)生相對窄的鏈長范圍的短的烴類，這種短的烴類適合于產(chǎn)生液體燃料(例如，汽油、柴油、煤油，等)。
[0011]常規(guī)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(chǎn)率、和在商業(yè)上可行的速率下實現(xiàn)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(chǎn)相對較高的產(chǎn)率的具有短的鏈長的烴類和為了在商業(yè)上可行的速率下實現(xiàn)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(fā)明的實施方式大體涉及用于處理液體特別是膠體烴類介質(zhì)礦物油以增加輕質(zhì)的、低沸程餾分的含量的程序，其包括使被處理的液體經(jīng)受第一頻率的壓力波，并且將液體運輸?shù)接糜谶M一步的常規(guī)油處理的罐或壓力波發(fā)射機構(gòu)。
[0015]根據(jù)某些實施方式，已發(fā)現(xiàn)當(dāng)將原油和/或其它礦物油適當(dāng)?shù)乇┞队诰哂心承┯欣念l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(jié)果，在精制工藝過程中源自原油和礦物油的高質(zhì)量輕質(zhì)產(chǎn)品的產(chǎn)率增加。一般來說，由于具有適當(dāng)選擇的振蕩頻率的振蕩能量而存在的液體內(nèi)的共振激發(fā)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?qū)σ后w的壓力，以便增加化學(xué)過程的反應(yīng)速率。
[0016]在另一個實施方式中，壓力波發(fā)射機構(gòu)以轉(zhuǎn)子的形式實施，該轉(zhuǎn)子位于由經(jīng)受處理的液體彌漫的殼體中。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的實施方式提供了一種用于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(zhì)；并且施加具有預(yù)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；并且施加壓力波的步驟可利用位于由膠體烴類介質(zhì)彌漫的殼體中的轉(zhuǎn)子進行。以下更加詳細地描述活化器的結(jié)構(gòu)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(chǎn)生活化的膠體烴類介質(zhì)；以及將活化的 膠體烴類介質(zhì)引入到第二多個烴鏈以便產(chǎn)生自由基鏈反應(yīng)。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的實施方式提供了一種增強油從油田中回收的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可包括:被配置為施加熱量到包括烴鏈的膠體烴類介質(zhì)的熱施加器；和被配置為施加具有預(yù)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(fā)生器。
[0021 ] 熱施加器可包括蒸汽噴射器。
[0022]壓力波發(fā)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(fā)生器可被配置為施加壓力波到第一多個烴鏈以便產(chǎn)生活化的膠體烴類介質(zhì)的情況下，系統(tǒng)還可包括:從壓力波發(fā)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(zhì)引入到第二多個烴鏈而產(chǎn)生自由基鏈反應(yīng)。
[0024]壓力波發(fā)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；并且可包括轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子位于由膠體烴類介質(zhì)彌漫的殼體中。
[0025]附圖簡述
[0026]因此，以上述的本發(fā)明的特征可被詳細地理解的方式，以上簡略概括的本發(fā)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(yīng)注意，附圖僅圖示了包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)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(fā)明可容許其它等效的實施方式，其中:
[0027]圖1描繪了根據(jù)本發(fā)明的實施方式的化學(xué)反應(yīng)能量；
[0028]圖2圖示了根據(jù)本發(fā)明的實施方式的粒子能量分布的兩個函數(shù)；
[0029]圖3圖示了根據(jù)本發(fā)明的實施方式的用于增強油從油田中回收的方法；[0030]圖4圖示了根據(jù)本發(fā)明的實施方式的用于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(jù)本發(fā)明的一個實施方式的液體活化器系統(tǒng)。
[0032]本文所用的標(biāo)題僅是為了組織目的并且不意圖被用于限制說明書或權(quán)利要求書的范圍。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)”表示包括但不限于。為了便于理解，在可能的情況下，同樣的參考數(shù)字被用于指示附圖所共有的同樣的要素。
[0033]本發(fā)明的實施方式大體涉及用于處理液體特別是膠體烴類介質(zhì)、礦物油或類似物以增加具有較低沸點的輕質(zhì)餾分的含量的程序。
[0034]根據(jù)本發(fā)明的實施方式提供了被設(shè)計為使液體例如膠體烴類介質(zhì)、礦物質(zhì)或相關(guān)物質(zhì)中的分子鍵不穩(wěn)定、被削弱、被剪切或甚至斷裂以便由此在后續(xù)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(tǒng)。削弱分子鍵或使其不穩(wěn)定可意味著例如分子鍵進入不穩(wěn)定的能態(tài)，即，比最低能量高的狀態(tài)。在這樣的較高的能態(tài)下，分子鍵易于在添加與不在較高能態(tài)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(dǎo)致化學(xué)連接的摧毀，并且導(dǎo)致長鏈的、高沸點分子的餾分的鏈斷裂。
[0035]根據(jù)某些實施方式，已發(fā)現(xiàn)，在預(yù)定的最低溫度和/或壓力條件下，當(dāng)將原油和/或其它礦物油適當(dāng)?shù)乇┞队诰哂心承┯欣念l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(jié)果，在常規(guī)的精制工藝過程中源自原油和礦物油的高質(zhì)量輕質(zhì)產(chǎn)品的產(chǎn)率增加。一般來說，由于具有適當(dāng)選擇的振蕩頻率的振蕩能量而存在的液體內(nèi)的共振激發(fā)是通過分子鏈的斷裂或裂解而轉(zhuǎn)變液體的原因。最低熱量和/或壓力條件允許液體的轉(zhuǎn)變起始，或者以較快的速率發(fā)生，或者轉(zhuǎn)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(huán)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(huán)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(jù)本發(fā)明的實施方式的化學(xué)和量子力學(xué)級別的過程的描述。
[0038]在量子力學(xué)分析中，預(yù)定體積的烴類原料(例如，原油、燃油，等)可作為量子力學(xué)系統(tǒng)被分析，該量子力學(xué)系統(tǒng)相當(dāng)于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(xué)系統(tǒng)不是利用精確的化學(xué)式可描述的，也不是通過常數(shù)如熔點和沸點、介電常數(shù)、偶極矩、損耗角、導(dǎo)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(xué)系統(tǒng)通過賦予基本上任何形式的強烈的能量而被激發(fā)，則量子力學(xué)系統(tǒng)變成不穩(wěn)定的，并且將發(fā)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(xué)系統(tǒng)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征為直鏈的、環(huán)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(huán)境力場的情況下的量子力學(xué)系統(tǒng)的狀態(tài)才是有意義的，而不是量子力學(xué)系統(tǒng)中的各種化合物的組成。[0040]原油或燃油不是物理混合物，并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(xué)反應(yīng)，該化學(xué)反應(yīng)可由方程式(I)表示:[0041]原始的烴類液體=輕質(zhì)餾分+重質(zhì)殘余物+ Λ H (I)
[0042]其中ΛΗ是系統(tǒng)中熱含量的變化(即，焓或反應(yīng)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(xué)反應(yīng)在熱量釋放的方向上流動)，在油處理或精制過程中，化學(xué)反應(yīng)在能量消耗的方向上流動。
[0044]油(例如燃油)中的化學(xué)元素的原子具有正核電荷和負電子殼層電荷(electronenvelope charge)。當(dāng)反應(yīng)原子彼此接近或碰撞時,產(chǎn)生如圖1所示的能魚。能魚(也被稱為活化能(“E*”))是為了發(fā)生化學(xué)反應(yīng)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(yīng)，而比E*的能量低的粒子將分散而不發(fā)生反應(yīng)。
[0045]圖1圖示了在化學(xué)反應(yīng)階段中的化學(xué)反應(yīng)。Y-軸表示能態(tài)，而X-軸表示化學(xué)態(tài)。E1表示處于第一化學(xué)態(tài)(“狀態(tài)I”)的粒子的能態(tài)。E2表示處于第二化學(xué)態(tài)(“狀態(tài)2”)的粒子的能態(tài)。如先前所描述的，E*是活化能。對于從狀態(tài)I進行到狀態(tài)2的化學(xué)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(chǎn)生狀態(tài)2。(E2-E1)的能量的凈額被消耗。對于從狀態(tài)2進行到狀態(tài)I的化學(xué)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(chǎn)生狀態(tài)I。產(chǎn)生(E2-E1)的能量的凈額。
[0046]在油(例如，燃油)的化學(xué)反應(yīng)的上下文中，圖1中的能量(E2-E1)是化學(xué)反應(yīng)從狀態(tài)I到狀態(tài)2以便獲得輕質(zhì)餾分所需的凈輸入能量。能量(E^E1)必須被供給以活化從狀態(tài)I到狀態(tài)2的反應(yīng)，并且當(dāng)反應(yīng)完成后能量(E*-E2)被重新獲得。 [0047]圖2圖示了粒子能量分布函數(shù)。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(shù)。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(huán)境溫度是25°C，則能量分布函數(shù)具有25°C的平均值(“Eav”)，但是還存在具有對應(yīng)于-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(yīng)，對應(yīng)于圖2的曲線中的E*右邊的陰影區(qū)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(yīng)不應(yīng)被認為是完全不可能的。相反，對于對應(yīng)于曲線“尾部”的陰影區(qū)域中的粒子的極其有能量的分子，反應(yīng)可以進行，但是以非常慢的速率進行。當(dāng)屬于陰影區(qū)域的粒子開始反應(yīng)時，新的粒子將由于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(yīng)速率。
[0049]重要的是應(yīng)記住，反應(yīng)是可恢復(fù)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(yīng)產(chǎn)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并且能壘更加容易被克服)。然而，在開始時，這樣的粒子的數(shù)目是少的，但是隨著反應(yīng)產(chǎn)物的積累，可產(chǎn)生動態(tài)平衡(balance)(平衡(equilibrium))，即，輕質(zhì)餾分的初期粒子的數(shù)目可等于回到初始狀態(tài)的那些粒子的數(shù)目(簡而言之，輕質(zhì)餾分再次消失(dissolve)或重新結(jié)合)，產(chǎn)物產(chǎn)率將不再增加。
[0050]通過動態(tài)平衡原理(Le Chateli6r原理)考慮不同因素對工藝流程的影響:如果存在對處于平衡的系統(tǒng)的沖擊，則某些過程將在該系統(tǒng)中發(fā)生以抵消這種沖擊。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并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(fā)，消耗潛熱，并且將不會發(fā)生溫度增加。對于處于平衡的系統(tǒng)，Le Chateli6r原理使反應(yīng)方向受到影響。例如,如果由方程式(I)描述的反應(yīng)需要能量輸入(例如，熱吸收)，則加熱試劑將對增加產(chǎn)物產(chǎn)率是有效的。如果由方程式(I)描述的反應(yīng)產(chǎn)生氣體產(chǎn)物，則真空的應(yīng)用將使反應(yīng)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(zhuǎn)變和斷裂。同樣，對于由方程式(I)描述的反應(yīng)，特別是產(chǎn)生輕質(zhì)餾分的反應(yīng)，輕質(zhì)餾分從反應(yīng)區(qū)中除去將通過使反應(yīng)沿圖1的曲線移動到右邊來增加產(chǎn)物產(chǎn)率。
[0051]因此，避免動態(tài)平衡，不“擠出”超過某些最佳條件的最大可能產(chǎn)率，在經(jīng)濟上和技術(shù)上均是可取的；正如在工業(yè)中，除去輕質(zhì)產(chǎn)品和繼續(xù)處理殘余物是更佳的。
[0052]反應(yīng)速率可由Arrhenius方程式表達，如方程式(2)中所示的。
【權(quán)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(zhì)；和 施加具有預(yù)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(quán)利要求1所述的方法，其中施加熱量包括施加蒸汽。
3.如權(quán)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(quán)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(quán)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(chǎn)生活化的膠體烴類介質(zhì)；和 將所述活化的膠體烴類介質(zhì)引入到第二多個烴鏈以產(chǎn)生自由基鏈反應(yīng)。
6.如權(quán)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(quán)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(quán)利要求1所述的方法，其中施加壓力波通過利用轉(zhuǎn)子進行，所述轉(zhuǎn)子位于由所述膠體烴類介質(zhì)彌漫的殼體中。
9.一種增強油從油田中回收的系統(tǒng)，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(zhì)；和 壓力波發(fā)生器，其被配置為施加具有預(yù)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(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述熱量施加器包括蒸汽噴射器。
11.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述壓力波發(fā)生器被配置為直接施加壓力波到待裂解的烴鏈。
12.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述壓力波發(fā)生器被配置為間接施加壓力波到待裂解的烴鏈。
13.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述壓力波發(fā)生器被配置為施加壓力波到第一多個烴鏈以便產(chǎn)生活化的膠體烴類介質(zhì)，所述系統(tǒng)還包括: 從所述壓力波發(fā)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(zhì)引入到所述第二多個烴鏈而產(chǎn)生自由基鏈反應(yīng)。
14.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述壓力波發(fā)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(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述壓力波發(fā)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(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述壓力波發(fā)生器包括轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子位于由所述膠體烴類介質(zhì)彌漫的殼體中。
【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(yōu)先權(quán)日:2011年8月29日
【發(fā)明者】呂迪格·烏維·諾爾克, 約瑟夫·勞拉 申請人:創(chuàng)新原油技術(shù)公司，以Ict公司名義營業(yè)