使用射频电磁波加工烃的制作方法

使用射频电磁波加工烃的制作方法
【专利摘要】本发明的至少一个实施方式的方面为用于裂解重烃的装置。将线性高频发热电极设置在包含芳族分子的重油中。射频电流源在第一连接点和第二连接点处被电连接至高频发热电极上以产生封闭电回路。设置射频源以将信号应用至高频发热电极以足以形成关于线性高频发热电极的轴的磁场和电场。所述装置还包括设置在通常在第一连接点和第二连接点之间的高频发热电极周围的室以将磁场集中在高频发热电极周围并包含重烃。
【专利说明】使用射频电磁波加工烃
【技术领域】
[0001]本发明涉及使用电磁场，特别是射频电磁场来裂解和改良重烃。改良重烃有利于在烃的提取和加工中变为有价值的燃料。特别地，本发明涉及一种可以用于裂解重烃的有利的射频(RF)高频发热电极和方法。本发明使通常非反应性的芳香分子的碳-碳(C-C)键断裂，其可以用于改良浙青，降低汽油中的芳香烃的含量，或协助石化合成。
【背景技术】
[0002]随着世界上标准原油储备的减少，以及对油的持续需求，导致油价上升，油制造商尝试由浙青矿、油砂、浙青砂、油页岩和重油田加工烃。这些材料通常存在于沙或粘土的天然存在的混合物中。由于浙青矿、油砂、油页岩、浙青砂和重油(简称重烃)的极高粘度，在提取标准原油中使用的钻井和精炼方法通常不适用。需要提高原油采收率(EOR)的方法。
[0003]目前的EOR技术通过使用蒸汽加热烃地层或有时通过使用RF能量加热或预加热地层。蒸汽已经用于提供原位加热，例如通过蒸汽辅助重力泄油(SAGD)系统。由于表面融化，蒸汽提高采油率可能不适合于永久冻土区，在具有岩石层的分层和薄贮藏区，其中具有不足的盖层。在井开始运转时，例如，最初的蒸汽对流可能较慢且不可靠，因为在烃矿中进行加热缓慢。水资源可能不足以制造蒸汽。
[0004]RF加热方法使用原位原生的水，例如，孔隙水，其通常存在于烃地层中。水通过电磁场容易地被加热，因而地下天线可以加热烃地层。
[0005]电磁场加热的孔隙水将传导地加热烃。由于电磁场以近光速传播，RF加热通过传导和对流提供了大大增加的速率和穿透性。RF能量还可以穿透不可渗透的岩石以加热远处。原位裂解和改良油的射频电磁装置是有价值的，特别是伴随有油井增产措施时。
[0006]重烃，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，因此难以提取。芳族分子为其中原子以环状连接在一起的分子，例如苯。使芳香环断裂，其还已知为裂解，产生成更轻而因此更易于提取的极性烃分子。该过程称作将油“改良”。芳族分子异常稳定，而因此非常难以裂解。因此，使用射频磁场以裂解芳族分子是有利的。
[0007]RF电磁(EM)场可以与一些分子强烈地相互作用，而与其它分子较弱地作用。在分子混合物中，RF EM加热可以增加一类分子的动态能量，而不会增加其它分子类型的动态能量，其导致选择性加热。因此，可以实现高局部化的温度而不会过分加热整体材料。温度在确定化学反应发生的速率和程度方面起到非常重要的作用。因此，RF EM场可以有效引起涉及烃分子的反应。
[0008]汽油为用于汽车运输的普遍的燃料。美国在2005年使用了 1400亿加仑的汽油。为了满足这种需求，现代的汽油通常为4至12个碳原子(C4至C12)的烃分子的混合物。许多种类汽油分子，例如，芳族分子，被美国和其它地方规定为有害物质。尽管芳族分子对高辛烷值(苯具有101的辛烷值)有利，但是他们从发动机废气中排放出来，以及当泵吸汽油时蒸发。
[0009]因此，汽油配方包括选择烃分子的种类、排放物水平、和这些排放物的毒性水平的折衷。
[0010]在1990的US Clean Air Act，苯已经确认为有毒的空气污染物和潜在的致癌物。在污染的城市大气中测量量苯已知引起白血病、肺癌和皮肤癌。鉴于这种严重的健康影响，在2011年美国环境保护机构制定了将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))的规定。从汽油中除去芳族分子降低有毒排放，进而减少白血病和其它癌症的发病率。需要降低苯水平的技术。
[0012]现代的汽油是多种精炼方法的产品。流化催化裂化装置(FCCU)为使大的高沸点范围的烃断裂为汽油范围的产品的方法的实例。FCCU输出可包含30%的芳香烃。在典型的FC⑶中，芳香烃，例如，苯，可能很少裂解。催化石脑油重整装置(CNRU)将饱和的低辛烷值的烃转化为包含60%以上的芳香烃的高辛烷值的产品。因此，在CNRU中，实际上产生了有毒的芳香烃，如果在原料中包含C6，特别是如此。调节FCCU和CNRU的输出的芳香烃水平的方法是有利的。
[0013]蒸汽裂解是其中重烃与水混合的过程，以及被加热至高温，例如，900°C，以使重烃断裂为更小、更轻的烃。在蒸汽裂解中可以发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。不产生芳香烃的蒸汽裂解过程可能是有利的。
[0014]美国专利第6，303，021 号，Winter 等，以及名称 “Apparatus and Process ForImproved Aromatic Extraction From Gasoline”描述了用于分离汽油芳香经的基于二醇溶剂的方法，所述方法包括使原料与溶剂蒸气接触。没有提供实际裂解芳族分子的装置。

【发明内容】

[0015]本发明为用于裂解包含重烃的烃的装置。将线性高频发热电极设置在包含芳族分子的重烃中。射频电流源在第一连接点和隔开的第二连接点处被电连接至高频发热电极上形成封闭电回路。设置射频源以将信号应用至高频发热电极以足以形成关于线性高频发热电极的轴的磁场和电场。所述装置还可以包括位于通常在第一连接点和第二连接点之间的高频发热电极周围的室以将磁场集中在高频发热电极周围并容纳重烃。
[0016]本发明的另一实施方式提供了位于包含芳族分子的重烃内的环形高频发热电极。射频电流源被电连接至环形高频发热电极。设置射频源以将信号应用至高频发热电极上以足以形成电磁场，所述射频源通常存在于环形高频发热电极的内部，而因此集中在包含重烃的区域。
[0017]本发明的另一方面为用于预热重烃的方法。将高频发热电极放置在已经提取重烃，包括芳族分子中。将射频电流施加至线性高频发热电极上以足以形成关于高频发热电极的的电磁场。芳族分子被裂解，导致更轻的极性分子。然后，从水和砂和其它材料中分离裂解的烃。然后将所述烃加工成燃料。
[0018]本发明的另一方面为用于改良重烃的方法。从水和砂和任选其它材料中分离重烃。将高频发热电极放置在重烃中。运行所述高频发热电极同时烃被氢化。将射频电流施加到高频发热电极上以足以产生关于高频发热电极的磁场和电场，同时将氢和天然气加入到烃中以制备合成的原油。然后将所述烃加工成燃料。
[0019]本发明的另一方面为用于提取重烃的方法。将高频发热电极安装在包含芳族分子的烃地层的矿区。将射频电流施加至高频发热电极上以足以形成关于高频发热电极的磁场和电场。芳族分子被裂解成更轻的极性分子。然后，从地质层中除去所述极性分子。
【专利附图】

【附图说明】
[0020]从本公开中，本发明的其它方面将变得显而易见。
[0021]图1为线性高频发热电极的实施方式的示意性的透视图。
[0022]图2为包括射频电流源的特定部件的线性高频发热电极的实施方式的示意性的透视图。
[0023]图3为环形高频发热电极的实施方式的示意性的透视图。
[0024]图4为示出了用于预处理重烃的方法的流程图。
[0025]图5为示出了用于改良重烃的方法的流程图。
[0026]图6为示出了用于提取重烃的方法的流程图。
[0027]图7为纯水和石油的射频响应的曲线图。
[0028]图8为液态浙青(dilbit)的相对介电常数的曲线图。
【具体实施方式】
[0029]现在将更加全面地描述本公开的主题，并示出本发明的一个以上的实施方式。然而，本发明可以许多不同的形式体现，而不能解释为限于在本文中列举的实施方式。而是，这些实施方式为本发明的实例，其具有由权利要求的语言所表示的全部范围。
[0030]图1显示可以被用于将芳族分子裂解为极性分子的线性高频发热电极(又称作发散天线(divergence antenna))的示意性的图表。通常在10处标示的装置可以在烃地层中原位使用，但是还可以在质量改良的精炼厂或其它地方用于裂解重油或降低汽油中的芳香烃。所述装置10包括射频电流源12、线性高频发热电极14和室16。
[0031]所述射频电流源12在第一连接点13处和与第一连接点13隔开的第二连接点15处被电连接至线性高频发热电极14上，从而形成封闭电回路。在实践中，射频电磁场的催化效果不限于一种特定的频率，因此一系列的频率可以用于使芳族分子裂解为极性分子。在大约0.001至IOOMHz之间的频率可以有效地裂解芳族分子。更特别地，在大约6.7MHz至40.7MHz之间的频率可以有效地裂解芳族分子。例如，在场测试中，应用6.78MHz的频率可以有效地裂解芳族分子。使用水的反共振频率，其为大约30MHz，也可以是有效的，以及在近水反共振运行时被认为能量要求和成本最小。本发明有利地使用电磁近场在相对低的频率运行，从而提供用于穿透大的地下地层或工业的地上原料的足够的深度。
[0032]线性高频发热电极14的长度优选比无线电波长更短；也就是，L << c/(f V ε r)其中，L为在烃混合物中的线性高频发热电极14的长度，c为光速，f为以赫兹为单位的射频，以及εr为烃混合物的相对介电常数。例如，在6.78MHz时，自由空间波长为大约44米，阿萨巴斯卡油砂可以具有大约6的电容率，因此，对于这些条件，线性高频发热电极14的长度可以为约4米。多个线性高频发热电极14可以用于覆盖更长的距离。例如，线性高频发热电极14的阵列可以放置为头尾相接或相反。线性高频发热电极14通常起到电和磁近场的转换器(transducer)的作用。
[0033]所述射频电流源12可以包括变送器22和阻抗匹配连接器24。所述连接器24可以选自多种装置，例如，变压器、调谐电容器、电感器和其它已知的组件以结合、匹配并管理当矿被加热时矿负载的动态阻抗的变化。变送器22还可以为机电装置，例如，多极交流发电机，或具有开槽转子的可变磁阻交流发电机，所述开槽转子调节两个电感器的耦合。所述RF源12还可以为真空管装置，例如，Eimac8974/X-2159束射四极管(power tetrode)或固态电子器件的阵列(solid state device)。因此，存在许多选项以实现RF源12。
[0034]在图2中示出的结构中，所述射频电流源包括变送器22、具有初级环26和次级环28且通常标示为24的变压器，和调谐电容器29。例如，所述初级环24和次级环26可以为铜管。所述变送器22通过同轴电缆23被电连接至初级环26上。例如，通过以相对于次级环28的角度转动初级环26可以调节初级环26，其改变变送器22经历(See)的负载电阻。调谐电容器29被电连接至次级环26上，其允许精确调节至变压器24共振。在场测试中，将10至1000皮法的可变电容器调节至大约90皮法以调节变压器共振至6.78MHz。在第一连接点13处和第二连接点15处使次级环26连接至线性高频发热电极14上。
[0035]所述线性高频发热电极14可以为任何线性导体，例如，金属棒或绞合电缆。任选地，所述线性高频发热电极14可以在其表面进行电绝缘，例如，使用聚酰亚胺或特氟龙。在特定实施方式中，所述线性高频发热电极14可以为位于烃地层的矿区中的导电井管。所述导电井管可以为典型的钢井管或可以用铜或其它导电金属覆盖。所述线性高频发热电极14可以位于包含芳族分子的矿中。例如，所述线性高频发热电极14可以被原位设置在烃地层的矿区中。或者，所述线性高频发热电极14可以位于精炼厂中或其它位置，并用于裂解已经被提取的重烃。所述线性高频发热电极14还可以放置在汽油箱(gas tank)以降低汽油中的芳香烃含量。
[0036]室16围绕线性高频发热电极14，所述高频发热电极14通常位于第一连接点13和第二连接点15之间。室16通过包括入口 122和出口 126而可以起到油砂分离室或旋风分离器的作用。所述室16可以由任意导电性的或非导电性的材料构成，包括，例如，钢、塑料、玻璃纤维、聚酰亚胺或浙青膏。当使用导电室16时，纳入穿通绝缘体(未示出)以允许RF电流沿高频发热电极流至室内。在室16内为包括芳族分子18的烃17。可以存在或提供水分子120。可以提供苛性碱(例如氢氧化钠)作为表面活性剂。
[0037]可以将压缩空气124提供给室16以从原生砂中压力驱出温热的浙青。裂解和改良的烃128可以通过出口 126中排出。在室16中可以实现间歇式或连续的方法。额外的室16端口(未示出)可以提供工艺用水、苛性碱、盐或其它物质。
[0038]当运行高频发热电极10时，电流I流经线性高频发热电极14，其在烃17中产生电和磁近场。环形磁感应场H的通量线螺旋环绕高频发热电极14同时径向向外扩展。其工作机制为安培环流定律:
[0039]/ B.dl
[0040]形成磁近场。所述高频发热电极14还可以产生电近场，其以高斯定律运行:
[0041]▽.D
[0042](其中左侧的符号为倒三角形算子(倒三角形算子))。进一步推导，自由空间中线性高频发热电极14产生的电磁近场实际为:[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]
【权利要求】
1.一种用于改良重油的方法，其包括如下步骤: 将高频发热电极放置到包括芳族分子的重烃中；向所述高频发热电极施加射频电流以足以产生将至少部分的芳族分子裂解为极性分子的关于高频发热电极的磁场；和 将所述极性分子加工为燃料。
2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括: 在第一连接点和隔开的第二连接点将射频电流源连接至高频发热电极上，所述电流源被设置为向高频发热电极施加足以在线性高频发热电极周围产生磁场和电场的信号；和 在所述第一连接点和第二连接点之间的高频发热电极周围设置室以容纳重烃。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述射频电流源包括: 变送器，其被设置为发射射频电流； 变压器，其具有初级环和次级环，其中，所述变送器被电连接至初级环上，以及在第一和第二连接位点次级环被电连接至高频发热电极上，以及初级环设置为以相对于次级环进行调节以改变通过变送器观察到的负载电阻；和 调谐电容器，其电连接至次级线圈上以将所述变压器共振调节至所需的频率。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，施加信号的频率在0.0OlMHz至IOOMHz之间，并在对应于芳族分子的共振的频率。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述重烃包含水分子，并进一步包括施加对应于水分子的介电反共振的频率。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，施加的频率对应于羟基转变的18cm波长。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述高频发热电极为环形高频发热电极。
8.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括在施加射频电流和加工步骤之间，将烃与存在于烃中的任何水和砂分离。
9.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括:向所述高频发热电极施加射频电流时，使氢气或天然气与烃接触以制备合成原油。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，在施加射频电流步骤的过程中，所述重烃原位地位于烃地层的矿区中。
【文档编号】C10G1/00GK103459768SQ201280016116
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2012年4月2日 优先权日:2011年4月4日
【发明者】E·F·帕彻 申请人:哈里公司