雙頻復(fù)合超聲油砂分離技術(shù)

浮歷沛，張貴才，葛際江，張建國(guó)，裴海華，廖凱麗

中國(guó)石油大學(xué) (華東)石油工程學(xué)院，山東青島266580

油砂是一種由瀝青、砂、黏土及水組成的混合物，屬于非常規(guī)能源.從世界范圍看，油砂礦分布范圍廣、儲(chǔ)量豐富，占石油儲(chǔ)量的近1/3，其中，在加拿大和美國(guó)分布最廣，開(kāi)采規(guī)模也相對(duì)較大［1］.中國(guó)油砂資源也頗為豐富，國(guó)土資源部的調(diào)查結(jié)果稱，中國(guó)油砂地質(zhì)儲(chǔ)量為5.970×109t，其中可采量為2.258×109t.國(guó)內(nèi)油砂礦主要分布在新疆、青海、四川和內(nèi)蒙古等地［2-3］.

油砂與稠油有著極其相似的元素組成，只是黏度和比重更大.加拿大油砂主要采用露天開(kāi)采的方式，常用的分離技術(shù)有熱堿水洗法、溶劑萃取法及熱解干餾法［4］，這幾項(xiàng)技術(shù)也較為成熟，近年來(lái)也有關(guān)于超聲波在油砂分離方面的報(bào)道［5-6］，但都限于單一頻率聲波，關(guān)于雙頻率聲波甚至多頻率聲波共同作用的研究相對(duì)較少.而雙頻率聲波在常溫常壓下引起的空化效應(yīng)要明顯強(qiáng)于單一頻率聲波［7］，因此，本研究利用雙頻率復(fù)合超聲波對(duì)油砂進(jìn)行分離，初步探索其在油砂分離方面的適用性.

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)儀器及材料

試驗(yàn)儀器:HW-F1200-3B超聲波發(fā)生器2臺(tái)，華偉公司生產(chǎn)，頻率分別為28和68 kHz.

原料:取自新疆油田風(fēng)城作業(yè)區(qū)的水潤(rùn)濕型油砂，經(jīng)AOSTAR推薦的Dean-Stark法測(cè)定，各成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為:油9.8%，水5.1%，砂及黏土85.1%.洗油液為本試驗(yàn)室合成的XJYS-3洗油劑，按試驗(yàn)要求與蒸餾水配制不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的堿性水溶液.

1.2 試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)參數(shù)

試驗(yàn)所用洗油劑XJYS-3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，洗液油砂質(zhì)量比為1.7∶1.0.試驗(yàn)裝置示意圖見(jiàn)圖1.首先，將配置好的洗油液與油砂混合，在高速攪拌機(jī)的作用下使其混合均勻.然后，將混合液置于聲場(chǎng)中處理一定時(shí)間后，將劑砂液一同倒入浮選容器中，容器底部通入空氣并用攪拌器攪拌［8］，脫離砂體的瀝青微液滴遇氣泡后形成瀝青泡沫.由于密度差瀝青泡沫上浮到溶液表面，利用傾析法可回收瀝青液滴與瀝青泡沫，反復(fù)進(jìn)行此操作，直至浮選容器中無(wú)黑色物質(zhì)浮起到溶液表面為止.再次，將瀝青泡沫轉(zhuǎn)移到另一容器中，并向其中添加消泡劑，消泡后可將瀝青與水分離［9］.最后，將分離出來(lái)的瀝青與石油醚 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%)混合，置于2 000 r/min的離心機(jī)中進(jìn)行攪拌分離，將瀝青中混合的微細(xì)砂粒分離掉，得到較為純凈的瀝青［10］.為防止試驗(yàn)中洗油液與砂樣中的油發(fā)生乳化而影響試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)過(guò)程中加入了一定濃度的破乳劑.油砂產(chǎn)油率為單位質(zhì)量的油砂所出油量與單位質(zhì)量油砂含油量的比值［11］.

圖1 油砂分離裝置示意圖Fig.1 Schematic representation of oil sands separation

2 結(jié)果與討論

2.1 作用方式對(duì)比

試驗(yàn)所用超聲波頻率為28和68 kHz，設(shè)定的作用方式有

1)雙頻率復(fù)合.28和68 kHz雙頻率聲波同時(shí)作用15 min，記作Ⅰ;

2)雙頻率交替.28 kHz(或68 kHz)聲波先作用15 min，然后68 kHz(或28 kHz)再作用15 min，記作Ⅱ (或Ⅲ);

3)單頻對(duì)比試驗(yàn).頻率為28 kHz(或68 kHz)的超聲波單獨(dú)作用30 min，記作Ⅳ (或Ⅴ).

首先將油砂放入到配置好的洗液中攪拌均勻后，再置于恒溫聲場(chǎng)中處理.不同作用方式下油砂產(chǎn)油率結(jié)果見(jiàn)圖2.

圖2 不同作用方式下的產(chǎn)油率Fig.2 Oil production rate under different treating methods

從圖2可見(jiàn):①雙頻率復(fù)合超聲波的產(chǎn)油率明顯優(yōu)于雙頻交替，可達(dá)到95%以上.這是因?yàn)樵陔p頻復(fù)合超聲處理過(guò)程中，油砂同時(shí)處于兩個(gè)聲場(chǎng)中，雙頻超聲空化效應(yīng)發(fā)生協(xié)同作用，所產(chǎn)生的空化效應(yīng)較之雙頻交替要強(qiáng)得多.各自聲場(chǎng)所產(chǎn)生的空化泡，不僅可以被自身聲場(chǎng)所用，也可為另一聲場(chǎng)所用，因此空化崩潰次數(shù)也較多，更有利于油砂分離［12］;② 雙頻交替效果優(yōu)于超聲波單獨(dú)作用，這是因?yàn)殡p頻交替聲波所產(chǎn)生的交叉作用聲場(chǎng)對(duì)油砂有更強(qiáng)的剝離作用，油砂易于分離;③ 超聲波單獨(dú)作用時(shí)，低頻超聲的產(chǎn)油率高于高頻聲波，這是因?yàn)殡S著聲波頻率的提高，空化效應(yīng)減弱，降低了油砂分離的能力［13］.

2.2 雙頻復(fù)合超聲波分離油砂的效果

油砂分離生產(chǎn)實(shí)際中，衡量油砂分離效果的重要指標(biāo)主要包括:分離速度，要求分離時(shí)間要盡量短;投入成本，要求用藥量要少;外部條件，要求外部溫度要盡量接近常溫.因此，以上條件也將作為雙頻復(fù)合超聲油砂分離技術(shù)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo).

2.2.1 分離時(shí)間縮短

分別取若干份等量的油砂與洗油劑混合并攪拌均勻 (其中，洗油劑XJYS-3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，洗液和油砂質(zhì)量比為1.7∶1.0)，在室溫下分別經(jīng)方式Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ以及作為對(duì)照試驗(yàn)的無(wú)聲場(chǎng)處理，結(jié)果見(jiàn)圖3.

圖3 不同作用方式下的最佳作用時(shí)間對(duì)比Fig.3 Comparison of optimum treating time under different treating methods

由圖3可見(jiàn):①經(jīng)聲場(chǎng)處理的3條曲線隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，產(chǎn)油率先增加后降低，存在一個(gè)最佳作用時(shí)間，而無(wú)聲場(chǎng)處理的產(chǎn)油率在達(dá)到最大值后，產(chǎn)油保持不變;②4條曲線峰值點(diǎn)依次右移，說(shuō)明達(dá)到最佳產(chǎn)油率所需的時(shí)間在延長(zhǎng).與單純洗液處理相比，雙頻復(fù)合超聲輔助油砂分離達(dá)到最大產(chǎn)油率所需時(shí)間縮短了近70%.其原因是，隨著超聲波處理時(shí)間的延長(zhǎng)，引起空化效應(yīng)累積，高強(qiáng)度的空化效應(yīng)使油砂分離量增加，因此產(chǎn)油率逐漸上升.雙頻率復(fù)合超聲波所引起的長(zhǎng)時(shí)間的機(jī)械振動(dòng)作用，可以使油砂中的黏土變成更為細(xì)碎的粉末狀顆粒，黏土表面積增加，固相顆粒與瀝青分子再次接觸的可能性大大提高，可能導(dǎo)致油砂的二次結(jié)合.因此，長(zhǎng)時(shí)間的雙頻率復(fù)合超聲作用反而會(huì)引起產(chǎn)油率的下降.而僅用洗液處理，則不易出現(xiàn)二次結(jié)合，因此，產(chǎn)油率曲線最終趨于穩(wěn)定.

2.2.2 洗油劑用量減少

根據(jù)試驗(yàn)要求配制不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的洗液，取等量洗液與油砂混合并分別置于4種處理方式下進(jìn)行油砂分離，結(jié)果見(jiàn)圖4(a).取相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的洗液與油砂，按照不同的洗液與油砂質(zhì)量比進(jìn)行混合處理，結(jié)果見(jiàn)圖4(b).

圖4 不同作用方式下及洗油劑用量對(duì)比Fig.4 Comparison of chemicals dosage under different treating methods

由圖4可見(jiàn):①雙頻率復(fù)合超聲不但能降低洗油劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù) (僅需質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的SJYS-3洗油劑，產(chǎn)油率即可達(dá)到90%)，同時(shí)洗液油砂質(zhì)量比也由純洗液處理時(shí)的1.7降至1.5，這意味著相同量的洗液能夠分離更多的油砂;② 隨著洗油劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，油砂產(chǎn)油率先增加后減少，期間存在一個(gè)峰值.對(duì)比峰值前后曲線變化率，峰值后產(chǎn)油率變化率降低.究其原因，當(dāng)洗油劑質(zhì)量比較低時(shí)，未能充分與油砂接觸，反應(yīng)不完全，難以達(dá)到分離的效果［14］;當(dāng)洗油劑質(zhì)量比過(guò)高時(shí)，油砂雖能及時(shí)分離，但此時(shí)仍易與油砂中的黏土成分發(fā)生乳化，從而降低了產(chǎn)油率［15］.

2.2.3 處理溫度降低

降低油砂分離過(guò)程中所需的溫度，不但能提高生產(chǎn)過(guò)程中的安全系數(shù)，同時(shí)也能降低生產(chǎn)成本.本組試驗(yàn)中，4種作用方式均在各自的最佳處理?xiàng)l件下進(jìn)行.不同溫度下4種作用方式的油砂產(chǎn)油率結(jié)果見(jiàn)圖5.

圖5 不同處理方式最佳溫度對(duì)比Fig.5 Comparison of optimum temperature under different treating methods

從圖5見(jiàn):①有聲場(chǎng)處理的3條產(chǎn)油曲線走勢(shì)均為先升高后降低，在某一溫度達(dá)到最大產(chǎn)油率;無(wú)聲場(chǎng)處理時(shí)，產(chǎn)油率隨著溫度的升高而增大，后趨于平穩(wěn);②4條曲線的峰值點(diǎn)依次右移，即最佳溫度依次升高;③達(dá)到峰值前的曲線變化率大于達(dá)到峰值后的變化率.

在聲波的作用下，液體產(chǎn)生的微氣泡核能夠發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)，當(dāng)能量足夠高時(shí)，氣泡會(huì)在瞬間發(fā)生膨脹與閉合，并不斷的集聚聲場(chǎng)能量，達(dá)到一定值時(shí)，會(huì)發(fā)生急劇的崩潰過(guò)程，因此聲波作用于油砂后，能夠增大油砂顆粒與瀝青分子間的分離作用力.所以，有聲場(chǎng)的3組試驗(yàn)產(chǎn)油率較高.

當(dāng)溫度開(kāi)始升高時(shí)，油砂中瀝青質(zhì)黏度開(kāi)始降低，流動(dòng)能力得以改善而易于被剝離砂體，因此產(chǎn)油率均表現(xiàn)為增大.另外，雙頻復(fù)合超聲波所產(chǎn)生的強(qiáng)烈空化效應(yīng)，使包圍在砂粒表面的具有一定強(qiáng)度的水膜結(jié)構(gòu)在高溫下發(fā)生變異，或出現(xiàn)一定程度的破壞，致使砂樣中固體顆粒與瀝青質(zhì)的結(jié)合能力降低，油砂分離率增大［16］.

達(dá)到最佳溫度后，產(chǎn)油率降低是因?yàn)闇囟壬?，液體的蒸汽壓升高，增強(qiáng)了超聲空化泡閉合時(shí)的緩沖作用，不利于油砂分離.另外，在分離過(guò)程中會(huì)有已經(jīng)分離出來(lái)的部分瀝青油溶于洗油液中，致使液體變稠，此時(shí)聲波的沿程傳播損失也將增大，不利于空化泡的產(chǎn)生，阻礙了空化效應(yīng)的發(fā)生，致使產(chǎn)油率降低.

結(jié) 語(yǔ)

本研究認(rèn)為，① 比較單純洗油液、單頻超聲波及雙頻交替聲波處理結(jié)果，雙頻超聲波所產(chǎn)生的空化效應(yīng)具有協(xié)同效應(yīng)，故可獲得較高的產(chǎn)油率;②雙頻復(fù)合超聲輔助油砂分離技術(shù)，強(qiáng)化了油砂分離效果，縮短了油砂分離時(shí)間，減少了洗油劑用量，降低了處理溫度.

本研究?jī)H對(duì)雙頻率復(fù)合超聲波在油砂分離作了初步探索，后續(xù)我們將對(duì)其進(jìn)行大量系統(tǒng)的試驗(yàn)研究及機(jī)理分析，以完善雙頻率復(fù)合超聲波在油砂分離領(lǐng)域的理論研究與應(yīng)用.

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