使用射頻電磁波加工烴的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明的至少一個實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和第二連接點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)熱電極的軸的磁場和電場。所述裝置還包括設(shè)置在通常在第一連接點和第二連接點之間的高頻發(fā)熱電極周圍的室以將磁場集中在高頻發(fā)熱電極周圍并包含重?zé)N。
【專利說明】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，特別是射頻電磁場來裂解和改良重?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]隨著世界上標準原油儲備的減少，以及對油的持續(xù)需求，導(dǎo)致油價上升，油制造商嘗試由浙青礦、油砂、浙青砂、油頁巖和重油田加工烴。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、油頁巖、浙青砂和重油(簡稱重?zé)N)的極高粘度，在提取標準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)通過使用蒸汽加熱烴地層或有時通過使用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。在井開始運轉(zhuǎn)時，例如，最初的蒸汽對流可能較慢且不可靠，因為在烴礦中進行加熱緩慢。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。水通過電磁場容易地被加熱，因而地下天線可以加熱烴地層。
[0005]電磁場加熱的孔隙水將傳導(dǎo)地加熱烴。由于電磁場以近光速傳播，RF加熱通過傳導(dǎo)和對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處。原位裂解和改良油的射頻電磁裝置是有價值的，特別是伴隨有油井增產(chǎn)措施時。
[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，使用射頻磁場以裂解芳族分子是有利的。
[0007]RF電磁(EM)場可以與一些分子強烈地相互作用，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態(tài)能量，而不會增加其它分子類型的動態(tài)能量，其導(dǎo)致選擇性加熱。因此，可以實現(xiàn)高局部化的溫度而不會過分加熱整體材料。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場可以有效引起涉及烴分子的反應(yīng)。
[0008]汽油為用于汽車運輸?shù)钠毡榈娜剂稀Ｃ绹?005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，被美國和其它地方規(guī)定為有害物質(zhì)。盡管芳族分子對高辛烷值(苯具有101的辛烷值)有利，但是他們從發(fā)動機廢氣中排放出來，以及當泵吸汽油時蒸發(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量量苯已知引起白血病、肺癌和皮膚癌。鑒于這種嚴重的健康影響，在2011年美國環(huán)境保護機構(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)為使大的高沸點范圍的烴斷裂為汽油范圍的產(chǎn)品的方法的實例。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程可能是有利的。
[0014]美國專利第6，303，021 號，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。沒有提供實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和隔開的第二連接點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)熱電極的軸的磁場和電場。所述裝置還可以包括位于通常在第一連接點和第二連接點之間的高頻發(fā)熱電極周圍的室以將磁場集中在高頻發(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)置射頻源以將信號應(yīng)用至高頻發(fā)熱電極上以足以形成電磁場，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。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。運行所述高頻發(fā)熱電極同時烴被氫化。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)熱電極的磁場和電場，同時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)熱電極的磁場和電場。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】

【附圖說明】
[0020]從本公開中，本發(fā)明的其它方面將變得顯而易見。
[0021]圖1為線性高頻發(fā)熱電極的實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)的相對介電常數(shù)的曲線圖。
【具體實施方式】
[0029]現(xiàn)在將更加全面地描述本公開的主題，并示出本發(fā)明的一個以上的實施方式。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施方式。而是，這些實施方式為本發(fā)明的實例，其具有由權(quán)利要求的語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13處和與第一連接點13隔開的第二連接點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。在實踐中，射頻電磁場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，在場測試中，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行時被認為能量要求和成本最小。本發(fā)明有利地使用電磁近場在相對低的頻率運行，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的長度優(yōu)選比無線電波長更短；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為烴混合物的相對介電常數(shù)。例如，在6.78MHz時，自由空間波長為大約44米，阿薩巴斯卡油砂可以具有大約6的電容率，因此，對于這些條件，線性高頻發(fā)熱電極14的長度可以為約4米。多個線性高頻發(fā)熱電極14可以用于覆蓋更長的距離。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?shù)V被加熱時礦負載的動態(tài)阻抗的變化。變送器22還可以為機電裝置，例如，多極交流發(fā)電機，或具有開槽轉(zhuǎn)子的可變磁阻交流發(fā)電機，所述開槽轉(zhuǎn)子調(diào)節(jié)兩個電感器的耦合。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，存在許多選項以實現(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、具有初級環(huán)26和次級環(huán)28且通常標示為24的變壓器，和調(diào)諧電容器29。例如，所述初級環(huán)24和次級環(huán)26可以為銅管。所述變送器22通過同軸電纜23被電連接至初級環(huán)26上。例如，通過以相對于次級環(huán)28的角度轉(zhuǎn)動初級環(huán)26可以調(diào)節(jié)初級環(huán)26，其改變變送器22經(jīng)歷(See)的負載電阻。調(diào)諧電容器29被電連接至次級環(huán)26上，其允許精確調(diào)節(jié)至變壓器24共振。在場測試中，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13處和第二連接點15處使次級環(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可以在其表面進行電絕緣，例如，使用聚酰亞胺或特氟龍。在特定實施方式中，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。或者，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13和第二連接點15之間。室16通過包括入口 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。當使用導(dǎo)電室16時，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可以通過出口 126中排出。在室16中可以實現(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]當運行高頻發(fā)熱電極10時，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。環(huán)形磁感應(yīng)場H的通量線螺旋環(huán)繞高頻發(fā)熱電極14同時徑向向外擴展。其工作機制為安培環(huán)流定律:
[0039]/ B.dl
[0040]形成磁近場。所述高頻發(fā)熱電極14還可以產(chǎn)生電近場，其以高斯定律運行:
[0041]▽.D
[0042](其中左側(cè)的符號為倒三角形算子(倒三角形算子))。進一步推導(dǎo)，自由空間中線性高頻發(fā)熱電極14產(chǎn)生的電磁近場實際為:[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；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，其進一步包括: 在第一連接點和隔開的第二連接點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)生磁場和電場的信號；和 在所述第一連接點和第二連接點之間的高頻發(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，其具有初級環(huán)和次級環(huán)，其中，所述變送器被電連接至初級環(huán)上，以及在第一和第二連接位點次級環(huán)被電連接至高頻發(fā)熱電極上，以及初級環(huán)設(shè)置為以相對于次級環(huán)進行調(diào)節(jié)以改變通過變送器觀察到的負載電阻；和 調(diào)諧電容器，其電連接至次級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，施加信號的頻率在0.0OlMHz至IOOMHz之間，并在對應(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，并進一步包括施加對應(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，施加的頻率對應(yīng)于羥基轉(zhuǎn)變的18cm波長。
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，其進一步包括:向所述高頻發(fā)熱電極施加射頻電流時，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程中，所述重?zé)N原位地位于烴地層的礦區(qū)中。
【文檔編號】C10G1/00GK103459768SQ201280016116
【公開日】2013年12月18日 申請日期: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 申請人:哈里公司