CN102597177B - 用碱金属和烃对石油原料的提质 - Google Patents

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Abstract

一种通过从油原料(102)组成中除去杂原子和/或一种或多种重金属来对油原料(102)进行提质的方法。此方法使油原料(102)与碱金属(108)和提质烃(106)反应。碱金属与杂原子和/或一种或多种重金属中的一部分反应，形成可同有机油原料分离的无机相。提质烃与油原料(102)键合，增加产物中的碳原子数。产物中碳原子数的这种增加使所得油原料(116)的能值增加。

Description

用碱金属和烃对石油原料的提质
相关申请
本申请要求2009年11月2日提交的题为“用碱金属和烃对石油原料的提质”(Upgrading of Petroleum Oil Feedstocks Using Alkali Metals andHydrocarbons)的美国临时专利申请系列第61/257369号的权益。该临时申请明确通过参考结合于此。
技术领域
本发明涉及从含硫、氮和金属的页岩油、沥青或重油中除去氮、硫和重金属，使这些物质可用作烃燃料的方法。更具体地，本发明涉及从页岩油、沥青或重油中除去氮、硫和重金属，同时对这些材料进行提质，以获得更高的氢-碳比。
背景技术
对能量(以及产生能量的烃)的需求持续上升。但是，用来提供这种能量的烃原料往往包含难以除去的硫和金属。例如，硫能导致空气污染，能使设计用来从机动车废气中除去烃和氧化氮的催化剂中毒，从而需要采用费用较高的工艺从烃原料中除去硫，然后才能将其用作燃料。另外，金属(如重金属)也经常存在于烃原料中。这些重金属能使通常用来从烃中除去硫的催化剂中毒。为除去这些金属，还需要进一步加工烃，从而进一步增加了费用。
目前，人们正持续寻找新能源，以期减少美国对国外石油的依赖。人们已经提出设想，作为油页岩矿干馏得到的石油，大储量的页岩油对于满足本国未来的能量需求将发挥日益重要的作用。在美国科罗拉多州、犹他州和怀俄明州称作绿河地层的较小区域，发现了超过1万亿桶可用的储藏页岩油。随着原油价格上涨，作为替代能源，这些页岩油资源变得越来越有吸引力。为了利用此资源，必须解决一些具体的技术问题，以便通过低成本、高效率的方式将这种储藏的页岩油用作烃燃料。与这些物质相关的一个问题是，它们含有较高含量的氮、硫和金属，必须将氮、硫和金属除去，以使这种页岩油能够恰当地发挥烃燃料的作用。
同样需要除去硫、氮或重金属的潜在烃燃料的其它例子有沥青(加拿大艾伯塔大量存在)和重油(如委内瑞拉已经发现)。
油源如页岩油、沥青和重油(可统称或各自称为“油原料”)中的高含量氮、硫和重金属使这些物质加工困难。一般通过所谓的“加氢处理”或“碱金属脱硫”工艺精炼这些油原料，除去硫、氮和重金属。
加氢处理可通过在升高的温度和升高的压力下，使用催化剂如Co-Mo/Al2O3或Ni-Mo/Al2O3，用氢气处理所述物质来进行。加氢处理的缺点包括失去碳原子之间的双键而使有机物过饱和，以及重金属污染催化剂而降低加氢处理的效果。另外，加氢处理需要昂贵的氢气。
碱金属脱硫是油原料与碱金属(如钠或锂)和氢气混合的过程。此混合物在压力下(且通常在升高的温度下)反应。硫和氮原子与油原料中的碳原子形成化学键。在升高的温度和升高的压力下，反应迫使硫和氮杂原子被碱金属还原为离子盐(如Na2S、Na3N、Li2S等)。但是，为防止结焦(例如形成煤状产物)，反应通常在昂贵的氢气存在下进行。
在油原料提质中需要氢气的工艺的另一个不利之处是，氢源通常利用蒸汽甲烷重整工艺，通过烃分子与水反应形成，这产生二氧化碳排放物。由于人们对二氧化碳排放的日益关注以及这种排放可能对环境造成的影响，许多环保主义者认为，在加氢处理工艺中像这样产生二氧化碳是个问题。
在许多地方，另一个问题是生产氢气需要牺牲水资源。例如，在部分页岩油绿河地层所处的西部科罗拉多州和东部犹他州地区，气候干旱，用水形成氢气可能很昂贵。
因此，虽然常规加氢处理或碱金属脱硫工艺是已知的，但它们的费用较高，需要大量的资金投入才能建成正常运转的工厂，并且可能造成不利的环境影响。工业上需要一种新工艺，可用来从油原料中除去杂原子如硫和氮，但与常规处理方法相比费用没有那么高，并且更加环保。本发明公开了这样一种工艺。
发明内容
本发明的实施方式包括一种对油原料提质的方法。所述方法包括获得一定量的油原料，所述油原料包含至少一个碳原子和杂原子以及/或者一种或多种重金属。在一个实施方式中，所述量的油原料与碱金属和提质烃(upgradanthydrocarbon)反应。所述提质烃可包括至少一个碳原子和至少一个氢原子。碱金属与杂原子和/或重金属反应，形成一种或多种无机产物。提质烃与油原料反应，生成经过提质的油原料，其中经过提质的油原料中的碳原子数大于油原料中的碳原子数。然后，从经过提质的油原料中分离无机产物。油原料、碱金属和提质烃分子的反应可在不使用氢气的情况下进行。
在一些实施方式中，碱金属包括锂、钠和/或锂与钠的合金。提质烃可包括天然气、页岩气和/或它们的混合物。在其它的实施方式中，提质烃包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、乙烯、丙烯、丁烯、戊烯、二烯、前述物质的异构体和/或它们的混合物。所述反应可发生在约250-2500psi的压力和/或室温至约450℃的温度下。在其它的实施方式中，所述反应发生在高于碱金属的熔点但低于450℃的温度下。在其它的实施方式中，所述反应发生在约150-450℃的温度下。其它的实施方式可在反应中使用催化剂。所述催化剂可包括钼、镍、钴或其合金，氧化钼、氧化镍或氧化钴，以及它们的组合。
所述工艺中采用的分离过程可发生在分离器中，其中无机产物形成一相，该相可与包含经过提质的油原料和/或未反应的油原料的有机相分离。为便于这种分离，可向分离器中加入助熔剂。分离后，无机产物中的碱金属可再生和再利用。
反应产生的经过提质的油原料可具有大于油原料的氢-碳比。反应产生的经过提质的油原料还可具有大于油原料的能值。此外，经过提质的油原料的杂原子-碳比可小于油原料的杂原子-碳比。
可使用反应器对油原料进行提质。所述反应器包含一定量的油原料，其中所述油原料具有至少一个碳原子和杂原子以及/或者一种或多种重金属。所述反应器还可包含碱金属。在一个实施方式中，所述反应器包含提质烃，所述提质烃可包含至少一个碳原子和至少一个氢原子。碱金属与杂原子和/或重金属反应，形成一种或多种无机产物。提质烃与油原料反应，生成经过提质的油原料。经过提质的油原料中的碳原子数大于油原料中的碳原子数，经过提质的油原料的杂原子-碳比小于油原料的杂原子-碳比。所述反应器不需要利用氢气。
附图说明
图1是展示对油原料进行提质的方法的一个实施方式的流程图；
图2呈现了用来对原料进行提质的化学反应的一个实施方式的图示；以及
图3显示了在本发明的实施方式所述的反应前后，页岩油的沸点温度与重量分数损失的关系曲线。
具体实施方式
如上文所解释，加氢处理是处理油原料，以除去杂原子如氮、硫和/或重金属的工艺。氢与油原料中原来跟杂原子键合的碳原子成键。但是，常规加氢处理工艺可能费用较高，原因简单，即此反应所需的氢气是昂贵的用品。但是，设计用来对油原料进行提质的本发明实施方式不需要使用氢气，也不会向大气排放二氧化碳，使得对油原料进行提质的此工艺极大地降低了生产成本，并且没有有害的二氧化碳副产物。类似地，本发明实施方式不需要用水作反应物，因此，此工艺非常适合干旱气候；在这种气候下，水是高价资源。由于避免了二氧化碳排放和减少了所述工艺中的用水量，本发明实施方式是环保的，并且具有高成本效率。
因此，本发明实施方式包括一种对油原料(如重油、页岩油、沥青等)进行提质的方法，所述方法将油原料与碱金属和提质烃物料混合起来。运行此反应，可除去油原料中包含的硫、氮和/或重金属。但是，此工艺中使用的提质烃不是氢气(H2)，而是烃。可用的所述烃的例子包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷、乙烯、丙烯、丁烷、戊烯、二烯，及其异构体。也可使用其它的烃(如辛烷，或者其它包含一个或多个碳原子的含碳化合物)。烃气体也可由烃气体的混合物组成(如天然气，或者页岩气——干馏油页岩产生的气体)。在许多实施方式中，烃气体可以是源自天然气的甲烷，因为此组分不贵、易得。
在一个实施方式中，所述烃含有至少一个碳原子和至少一个氢原子。所述氢原子应当是这样的，即能将它从碳原子上拉下来，与原料中的有机分子成键。所述烃原子可包括其中键合的氢原子，但所述烃分子必须包含至少一个碳原子(因此不可能包含H2气)。可对所述烃加以选择，使它能增加有机产物中的氢-碳比。通过选择烃，使该烃具有大于起始原料的氢-碳比，即可满足上述要求。当然，若杂原子含量降低，所述烃中较低的氢-碳比仍能提供提质的益处。
油原料在反应釜中与烃(如甲烷)和碱金属(如钠)混合，并使之反应一段时间。在一些实施方式中，所述反应可在约低于450℃的温度下进行。在一个实施方式中，所述反应在高于150℃的温度下进行。所述反应可在约高于250psi的压力下进行。在一个实施方式中，所述反应在约低于2500的压力下进行。其它实施方式可在更低的温度和/或更低的压力下进行。
在一些实施方式中，此工艺可在催化剂存在下发生，以帮助促进化学反应。作为非限制性例子，所述催化剂可包括钼、镍、钴，或者钼合金、镍合金、钴合金、含镍和/或钴的钼合金、含钴和/或钼的镍合金，氧化钼、氧化镍或氧化钴，以及它们的组合。所述工艺中可使用任何碱金属，包括但不限于碱金属的混合物和/或合金。在一些实施方式中，可使用钾、钠、锂和/或其合金。
在此反应过程中，硫和氮原子从油原料中的有机分子上分离，并与碱金属(钠或锂)结合成硫化物和氮化物。这些碱金属硫化物/氮化物是无机化合物，分离到无机相中，该无机相与包含有机化合物的有机相截然不同。起初包含在有机物料中的重金属如铁、砷和钒，有一部分被还原，同样也可分离到无机相中。所得有机化合物处在有机相中，并与甲烷(提质烃)反应。甲烷是完全饱和烃，因此，所得有机化合物可具有高于初始油原料的氢-碳比。类似地，所得有机产物具有大于初始油原料的碳原子数。(这种碳链碳原子数的增加使有机产物的总能量增加。)另外，因为杂原子与碱金属反应，所得产物具有低于初始油原料的杂原子-碳比。
碱金属可加入反应釜中，因为碱金属硫化物的生成自由能大于H2S的生成自由能。在一个实施方式中，所述反应因加入碱金属而更容易进行。在一个实施方式中，碱金属可包括钠、锂等。
现在参考图1，该图公开了用来对油原料进行提质的本发明实施方式的一种示意性方法100。从图1可以看出，得到了一定量的油原料102。此油原料102可包含本文所述的沥青、页岩油、重油或其它物质。油原料102可通过采矿或其它工艺获得。将油原料102加入反应釜104(在本文中称作反应器104)。反应器104可包含混合器107，设计用于混合(搅拌)加入其中的化学物质，以促进反应。还可向反应器104中加入上述类型的催化剂105，以加快反应。
还向反应器104中加入一定量的碱金属108。此碱金属108可以是任何碱金属108，可包括碱金属108的混合物。在一些实施方式中，可使用钠或锂。
还可使用一定量的提质烃106，将其加入反应器104。如上文所指出，这种提质烃106可以是甲烷、乙烷、丙烷等，或者其它任何烃(或者它们的混合物)。但是，可以采用天然气或页岩油气(一般包含甲烷CH4)，因为它们具有较廉价的特点。
如本文所指出，反应器104可使反应在一定的温度或压力下发生。在一些实施方式中，用于所述反应的温度可升高至约450℃。一个示例性温度可以是350℃。在一些实施方式中，可采用低至室温或环境温度的温度。在其它的实施方式中，所述温度可以是碱金属108处于熔融态的温度。本领域的技术人员知道，钠在约98℃变成熔融态，而锂在约180℃变成熔融态。因此，可设计实施方式，使反应器104的温度高于室温，更具体地，高于碱金属108的熔化温度。反应压力可以是等于和高于大气压的任何压力。一些示例性的实施方式在约高于250psi的压力下进行。其它的实施方式在约低于2500psi的压力下进行。
升高温度时，碱金属108可熔化，有利于此化学物质与其它化学物质的混合。但是，可设计其它的实施方式，将一定量的粉末或其它固体碱金属108吹入或通过其它方式引入反应器104，使它与其它化学物质反应。
在反应器104里发生的反应中，杂原子(如硫和氮)及其它重金属被从油原料102中除去。然后，将反应器104的产物送至分离器112。分离器112可包括各种设计用来分离经过提质的油原料116和其它反应产物的装置/过程。分离器112可包含过滤器、离心机等。根据具体的实施方式，分离器112还可接收流入的助熔剂119。此助熔剂物料119可以是硫化氢H2S或水或其它帮助分离的化学物质。混合经过处理的原料和硫化氢，形成碱金属硫氢化物，这可形成一个独立于有机相(油原料)的相。下面示出了此反应，其中钠(Na)是碱金属，但也可使用其它碱金属：
Na2S+H2S→2NaHS(在375℃为液体)
Na3N+3H2S→3NaHS+NH3
含氮产物以氨气(NH3)的形式除去，氨气可排放出来并回收，而含硫产物以碱金属硫氢化物NaHS的形式除去，将碱金属硫氢化物分离，用于进一步处理。利用重力分离技术，还可从有机烃中分离出任何重金属。
可在此分离一些从原料102还原的重金属118，并以重金属118的形式提取出来。所述分离还产生有机产物，所述有机产物是经过提质的油原料116。此经过提质的油原料116可根据需要运送到炼油厂进一步加工，将此物料制成合适的烃燃料。分离器112的另一个输出物是碱金属硫化物、碱金属氮化物和重金属118的混合物114(物流)。此混合物114可如下所述进一步处理。还可另选或额外地在此阶段除去任何含氮产物[如通过氨气(NH3)形式，氨气可排放出来并收集]，具体取决于所采用的工艺类型。
可将碱金属硫化物、碱金属氮化物和重金属118的混合物114送至再生器120。再生器120的目的是再生碱金属108，使其可在反应器104中再次用于进一步的处理过程。因此，再生器120的输出物之一是一定量的碱金属108。在许多实施方式中，再生步骤包括用离子导电陶瓷膜[例如购自犹他州盐湖城塞拉曼技术公司(Ceramatec，Inc.，Salt Lake City，Utah)的NaSiCON或LiSiCON膜]进行的碱金属硫化物和/或多硫化物的电解反应(电解)。这些工艺是已知的，这种工艺的例子见美国专利第3787315号、美国专利申请公开第2009/0134040号和美国专利申请公开第2005/0161340号(这些文件通过参考结合于此)。这种电解工艺的结果是捕集到硫124。此外，通过电解工艺或其它工艺，可从混合物114中分离重金属132。在其它的实施方式中，还可在再生器120处收集含氮化合物128。如上文所指出，这种含氮化合物128可以是排放出来或收集的氨气。在其它的实施方式中，将含氮化合物前体130加入再生器120，用来捕集混合物114中的含氮化合物/与混合物114中的含氮化合物反应，生成化合物128。本领域的技术人员知道可用来捕集含氮化合物128(或者通过其它方式处理从上述反应得到的氮)的各种化学物质和工艺。
图1所示的实施方式不包含蒸汽甲烷重整工艺。如上文所指出，蒸汽甲烷重整工艺用于产生氢气，需要输入甲烷和水，输出氢气和二氧化碳。方法100中没有使用氢气(即未向反应器104中加入氢气)，因此，此方法100中不需要利用蒸汽甲烷重整工艺；但是，此方法并不排除用氢气作为提质烃的辅剂。因此，方法100没有产生二氧化碳，也不需要水(作为反应物)。结果，本发明方法100的费用更低(因为它不需要用水作反应物)，并且更加环保(因为它没有排放二氧化碳到大气中)。
图1所示的方法100可按间歇工艺或连续工艺运行，具体取决于实施方式。具体地，若它是连续工艺，则将反应物连续加入反应器104，并且将产物连续地取出、分离等。此外，反应器104中的反应可单步进行(例如将所有化学物质都加入单一反应器104)，也有可能通过一系列步骤或反应进行。
现在参考图2，它将提供在图1所示的反应器104中发生的反应的一个例子。在此例子中，提质烃是甲烷206(如来自天然气)，碱金属是钠208(但也可使用其它的烃和碱金属)。此外，作为一个例子，油原料包含噻吩衍射产物(C4H4S)202，它是含硫的环状化合物。反应器104中的反应的一个目的是对此C4H4S物料进行提质，使之成为不含硫且更适合用作烃燃料的产物。反应器104中的反应的另一个目的是增加所得有机产物的氢-碳比，从而赋予该产物更大的能值。
当C4H4S物料202反应时，金属钠208反应并提取硫原子，从而形成Na2S产物215。这种对硫原子的提取产生有机中间体211，它具有化学式·CHCHCHCH·，是自由基物质(在分子的任意一端具有自由基)。然后，该自由基中间体211与甲烷206形成的自由基物质反应。具体地，CH3·自由基217与自由基中间体211的一端反应，H·自由基219与自由基中间体211的另一端反应，从而形成有机产物221，在此情况中，有机产物221是烯烃(C5H8)。当然，也形成Na2S产物215，可将其从所需的有机产物221中分离出来。上述机理仅为示例的目的而提供，不排除存在其它机理、路径和所形成的最终产物的可能性。Na2S 215在与有机相分离的无机相中。
图2所示实施方式的总化学反应是：
C4H4S+2Na+CH4→Na2S+C5H8
应当再次指出，图2所用的化学物质是示例性的，其它任何化学物质均可用作油原料、提质烃或碱金属。当然，若用不同的化学物质作为提质烃(例如具有与甲烷不同的碳原子数)，则所得产物221可具有大于图2所示的链碳原子数。
应当指出，相比于利用加氢处理作为烃的提质机理的方法，图2所示的实施方式具有显著的优点。例如，若将与图2所示相同的油原料(C4H4S)202和氢气一起用于加氢处理工艺(如上所述)，则此工艺的化学反应可能需要先用氢气使环饱和，然后再发生与硫的反应，导致氢气用量更高，其结果如下：
C4H4S+4H2→H2S+C4H10(丁烷)
或者，在用氢气进行标准钠脱硫的情况中，此工艺的化学反应将不需要在发生与硫的反应之前用氢气使环饱和，导致氢气用量较低，其结果如下：
C4H4S+2Na+H2→Na2S+C4H8
可利用蒸汽甲烷重整工艺产生此加氢处理反应中使用的氢气。以噻吩为原料，利用加氢处理，可形成具有2654kJ/mol的低值燃烧热的丁烷，而产生氢气用掉1.43mol甲烷，所述甲烷的低值燃烧热当量是1144kJ/mol，净值为1510kJ/mol，同时产生所述氢气时释放了1.43mol CO2，并消耗2.86mol水。以同样的噻吩为原料，利用使用氢气的钠脱硫工艺，可形成具有2500kJ/mol的低值燃烧热的1，3-丁二烯，而仅用0.36mol甲烷产生氢气，所述甲烷的低值燃烧热当量是286kJ/mol，净值为2214kJ/mol，同时产生所述氢气时仅释放了0.36mol CO2，并消耗0.72mol水。但对于本发明，以同样的噻吩为原料，利用使用例如甲烷代替氢气的钠脱硫工艺，可形成具有3104kJ/mol的低值燃烧热的1，3-戊二烯，而在此工艺中仅用1mol甲烷，所述甲烷的低值燃烧热当量为801kJ/mol，净值为2303kJ/mol，同时没有释放CO2，也没有为产生氢气而消耗水。作为本发明所公开的方法，这最后一种情况所得的净能值比现有技术高4％，与此同时，减少了有害排放，减少了水的使用。
在另一种情况中，用于加氢处理工艺的氢气可通过电解水供应(如上所述)。假设电解工艺的效率为90％，提质工艺的效率为100％，对噻吩进行提质的结果是形成燃烧能当量为2654kJ/mol的经过提质的油产物[丁烷(C4H10)]。但是，形成氢气的电解工艺所需的电能(假设发电或输电中没有损失)是1200kJ/mol噻吩。因此，用电解产生的氢气对噻吩进行提质的净燃烧值是1454kJ/mol(例如2654-1200)。同时，在制备此产物的过程中，每摩尔噻吩消耗四摩尔水。或者，利用标准钠脱硫工艺形成燃烧能当量为2500kJ/mol的C4H8，氢气由电解产生。但是，形成氢气的电解工艺所需的电能(假设发电或输电中没有损失)是300kJ/mol噻吩。因此，用电解产生的氢气对噻吩进行提质的净燃烧值是2200kJ/mol(例如2500-300)。同时，在制备此产物的过程中，每摩尔噻吩消耗一摩尔水。
但是，图2所示的用甲烷而不是H2对C4H8S进行提质的工艺产生戊二烯(C5H10)产物，效率更高。1，3-戊二烯的燃烧能当量为3104kcal/mol(比1，3-丁二烯高得多)。图2所示反应中消耗的甲烷的燃烧值是801kJ/mol。图2中产生的原料净燃烧值是2303kcal/mol(例如3104-801)。再来看，利用蒸汽甲烷重整工艺产生的氢气制备1，3-丁二烯的净燃烧值是2214kJ/mol，因此，当氢气通过蒸汽甲烷重整产生时，图2所示实施方式提供了额外的89kJ能量/mol油原料(例如2303-2214)。这是约4.0％的净能增幅，与此同时，使用的水资源更少，并且没有向环境排放二氧化碳。若钠脱硫工艺所用的氢气通过电解产生，则油原料的净燃烧值增加103kcal能量/mol油原料(例如2303-2200)。这是约4.7％的净能增幅，同时在反应中没有消耗水资源。因此显而易见，本发明实施方式得到具有更大净能值的经过提质的油原料，同时使用更少的水，并且没有向环境释放二氧化碳。显然，不管氢气是通过电解还是蒸汽甲烷重整产生，这与加氢处理或现有的用氢气进行的钠脱硫相比都是显著的优点。
还应指出，本发明实施方式具有另一个优点，即建立加工工艺所需的资本支出更少。具体地，实业家不必花费数千美元获得一定量的氢气(或者建立工厂，通过电解或者蒸汽甲烷重整工艺产生氢气)。此外，运行方法100的维护成本可更低，因为此系统中没有电解工艺或蒸汽甲烷重整工艺(产生氢气)。
实施例1
原料油源自(提取于)美国犹他州东部尤盈塔盆地(Uintah Basin，EasternUtah，USA)。这种油原料包含含有硫和氮的页岩油。对这种油原料进行离心，除去其中存在的任何固体。经离心的油原料具有以下组成：
在反应釜中将179.2g经过离心的页岩油与6g金属钠混合。页岩油用绝对压力为113磅/英寸2(7.68大气压)的甲烷气覆盖，然后加热至150℃。一旦达到150℃，将反应釜压力升至528磅/英寸2(35.9大气压)的绝对压力，保持1小时。1小时之后，从反应釜撤除热源，将反应釜冷却至室温。冷却后，释放反应釜内的压力。
经过反应的混合物包含液相和固相。通过离心分离液相和固相。反应得到的油具有下面用碳、氢、氮和硫表示的成分及其组成：
从此实施例可以看出，用甲烷进行的反应降低了产物的含氮量。因此，最终产物中的氮-碳比比初始页岩油中的氮-碳比小得多。实际上，氮-碳比约下降54.4％。类似地，最终产物的含硫量在用甲烷进行反应后小得多。因此，最终产物中的硫-碳比比初始页岩油中的硫-碳比小得多。硫-碳比约下降40.4％。此外，最终产物中氢的百分含量大于未反应的页岩油中氢的百分含量，因此，最终产物中的氢-碳比也增加3.4％。
除含氮量和含硫量下降外，初始页岩油的美国石油协会重度(“API重度”)是35.29。(API重度是石油液体相比于水的轻重的量度。若API重度大于10，则它比水轻，浮在水上；若API重度小于10，则它比水重，沉到水里。API重度是石油液体相对密度的相反量度，用来比较石油液体的相对密度。)但反应之后，API重度增至39.58。这种API重度的增加表明页岩油的品质在反应后得到提升。
通过上述反应得到的油还用气相色谱法分析，并且做了模拟蒸馏。图3显示了该油在反应前后的沸点温度-重量分数损失曲线图。处理前后的沸点平均差为45.7℃。这种模拟沸点温度的下降也表明页岩油的品质在反应后得到提升。
含氮量和含硫量的下降、含氢量的增加、API重度的增加以及沸点温度的下降均表明，在不用常规加氢处理工艺和不用任何氢气的情况下，油的品质得到提升。
实施例2
原料油源自(提取于)美国犹他州东部尤盈塔盆地。这种油原料包含含有硫和氮的页岩油。对这种油原料进行离心，除去其中存在的任何固体。经过离心的油原料具有以下组成：
在反应釜中将179.2g经过离心的页岩油与6g金属钠混合。页岩油用绝对压力为113磅/英寸2(7.68大气压)的甲烷气覆盖，然后加热至375℃。一旦达到375℃，将反应釜压力升至528磅/英寸2(35.9大气压)的绝对压力，保持1小时。1小时之后，从反应釜撤除热源，将反应釜冷却至室温。冷却后，释放反应釜内的压力。
经过反应的混合物包含液相和固相。通过离心分离液相和固相。反应得到的油具有下面用碳、氢、氮和硫表示的成分及其组成：
从此实施例可以看出，用甲烷进行的反应降低了产物的含氮量。因此，最终产物中的氮-碳比比初始页岩油中的氮-碳比小得多。实际上，氮-碳比约下降52.7％。类似地，最终产物的含硫量在用甲烷进行反应后小得多。因此，最终产物中的硫-碳比比初始页岩油中的硫-碳比小得多。硫-碳比约下降76.3％。
通过上述反应得到的油还用气相色谱法分析，并且做了模拟蒸馏。图3显示了该油在反应前后的沸点温度-重量分数损失曲线图。处理前后的沸点平均差为25.7℃。这种模拟沸点温度的下降也表明页岩油的品质在反应后得到提高。
含氮量和含硫量的下降以及沸点温度的下降均表明，在不用常规加氢处理工艺和根本不用氢气的情况下，油的品质得到提升。
实施例3
原料油源自(提取于)美国犹他州东部尤盈塔盆地的另一处地方。这种油原料包含含有硫和氮的页岩油。对这种油原料进行离心，除去其中存在的任何固体。经过离心的油原料具有以下组成：
在反应釜中将179.2g经过离心的页岩油与6g金属钠混合。页岩油用绝对压力为113磅/英寸2(7.68大气压)的甲烷气覆盖，然后加热至375℃。一旦达到375℃，将反应釜压力升至528磅/英寸2(35.9大气压)的绝对压力，保持1小时。1小时之后，从反应釜撤除热源，将反应釜冷却至室温。冷却后，释放反应釜内的压力。
经过反应的混合物包含液相和固相。通过离心分离液相和固相。反应得到的油具有下面用碳、氢、氮和硫表示的成分及其组成：
从此实施例可以看出，用甲烷进行的反应降低了产物的含氮量。因此，最终产物中的氮-碳比比初始页岩油中的氮-碳比小得多。实际上，氮-碳比约下降47.5％。类似地，最终产物的含硫量在用甲烷进行反应后小得多。因此，最终产物中的硫-碳比比初始页岩油中的硫-碳比小得多。硫-碳比约下降96.5％。产物中的氢-碳比也比原料中增加1.2％。
含氮量和含硫量的下降以及含氢量的增加表明，在不用常规加氢处理工艺的情况下，油的品质得到提升。
应当理解，权利要求不受限于上述精确的配置和组分。在不背离权利要求书的范围的前提下，可对本文所述的系统、方法和设备的安排、操作和细节作出各种改进、改变和变化。

Claims (15)

1.一种对油原料进行提质的方法，所述方法包括：
获得一定量的油原料，所述油原料包含至少一个碳原子和杂原子以及/或者一种或多种重金属；
使所述量的油原料与碱金属和提质烃反应，其中所述提质烃包含至少一个碳原子和至少一个氢原子，所述碱金属与所述杂原子和/或所述一种或多种重金属反应，形成一种或多种无机产物，所述提质烃与所述油原料反应，生成经过提质的油原料，所述经过提质的油原料的碳原子数大于所述油原料的碳原子数；以及
分离所述无机产物和所述经过提质的油原料，其中所述量的油原料、所述碱金属和所述提质烃分子之间的所述反应不使用氢气，所述提质烃包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、乙烯、丙烯、丁烯、戊烯、二烯、前述物质的异构体和/或它们的混合物。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碱金属包括锂、钠和/或它们的合金。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述提质烃包括天然气、页岩气和/或它们的混合物。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反应发生在大于250psi的压力下。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反应发生在小于2500psi的压力下。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反应发生在高于室温的温度下。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反应发生在低于450℃的温度下。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述反应发生在高于所述碱金属的熔点但低于450℃的温度下。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述反应中使用催化剂，其中所述催化剂包括钼、镍、钴或其合金，氧化钼、氧化镍或氧化钴，以及它们的组合。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在分离器中进行分离，其中所述无机产物形成可同有机相分离的相，所述有机相包含所述经过提质的油原料。
11.如权利要求10所述的方法，所述方法还包括向所述分离器中加入助熔剂。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述经过提质的油原料中的氢-碳比大于所述油原料中的氢-碳比。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述经过提质的油原料比所述油原料具有更大的能值。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述经过提质的油原料中的杂原子-碳比小于所述油原料中的杂原子-碳比。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括从所述无机产物中再生所述碱金属。
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