DE2420556A1

DE2420556A1 - Verfahren zur abtrennung von bitumen aus teersand

Info

Publication number: DE2420556A1
Application number: DE2420556A
Authority: DE
Inventors: Clarence Oby Walker
Original assignee: Texaco Development Corp
Current assignee: Texaco Development Corp
Priority date: 1973-06-18
Filing date: 1974-04-27
Publication date: 1975-01-09
Also published as: CA1027889A; US3846276A

Description

Patentassessor Hamburg, den Ί9. März 1974

Dr. Gerhard Schupfncr 769/HH

Deutsche Texaco A.G.

2000 Hamburg 76 T 74 017 (D 73,645-1-F).

Sechslingspforte 2

TEXACO DEVELOPMENT CORPORATION

135 East 42nd Street New York, N.Y. 10017

U.S.A.

Verfahren zur Abtrennung von Bitumen aus Teersand

Die "vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung und Gewinnung von Bitumen aus Teersand, welcher aus untertägigen Teersandlagerstätten gewonnen wurde.

Erdöl v/ird in untertägigen Formationen oder Reservoirs, in welchen es sich angesammelt hat, gefunden und die Förderung wird durch Abteufen von Bohrungen in diese Reservoirs und Ausströmen des Fluids an die Erdoberfläche infolge des existierenden natürlichen Drucks oder, falls nur ungenügender natürlicher Druck gegeben ist, durch Pumpen ausgeführt. "Viele erdölhaltige Reservoirs enthalten Erdöl, welches zu viskos ist, um es unternormalen Bedingungen durch Strömen oder Pumpen aus dem Reservoir zu gewinnen. Liegen derartige Reservoirs vor,,

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ist die Förderung nur mittels Zusatzgewinnungsverfahren möglich, bei vrelclien Energie in Form von Wärme und/oder Lösungsoder Emulgatorchemikalien, um die Erdölviskosität zu senken, dem Reservoir zugeführt wird.

Das herausragende Beispiel für Formationen, welche Erdöl enthalten, das zu viskos ist, um es mittels üblicher Verfahren zu fördern, sind die sogenannten Teer« oder Bitumensande. Diese werden beispielsweise in den westlichen Staaten der USA, im westlichen Canada und Venezuela angetroffen. Es ist bekannt, daß diese Formationen überaus grosse Reserven an bituminösem Erdöl aufweisen, jedoch ist das in diesen enthaltene Erdöl zu viskos, um es durch übliche Techniken zu gewinnen.

Der gegenwärtige Stand der Technik zur Gewinnung von Bitumen aus Teersandlagerstätten kann allgemein als Abräumbergbau (strip mining ) oder in situ-Abtrennung klassifiziert werden. Das Abräumen erfordert die Entfernung der Deckschicht auf mechanischem Wege und die Mischung aus Bitumen und Sand, welche die Teersandlagerstätte darstellt, wird sodann in ähnlicher Weise auf mechanischem Wege entfernt und an die Oberfläche in eine Verarbeitungsanlage gefördert, um eine Trennung von Bitumen und Sand durchzuführen. Die in situ-Abtrennverfahren machen von der Technik der Abtrennung des Bitumens vom Sand in der Teersandlagerstätte selbst Gebrauch, so daß Bitumen in etwas modifizierter Form zur Oberfläche transportiert werden kann, während der Sand in der Lagerstätte verbleibt. Die gegenwärtig angewandten Techniken für die in situ-Abtrennung können als thermische oder Emulgierverfahren bezeichnet werden. Die thermischen Verfahren sind die in situ-Verbrennung (Hitzefluten) und Dampffluten. Die Emulgierverfahren beinhalten auch die _Dampfanwendung und den weiteren Zusatz einer Chemikalie, um die Emulgierung des hochviskosen Bitumens zu fördern, so daß es in Form einer niedrigviskosen Öl-in-Wasser-Emulsion an die Oberfläche transportiert werden kann, wo die Emulsion in Bitumen raid Wasser aufgelöst wird.

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Die bekannten Lehren zur Behandlung von leersanden, welche aus offenen oder Abräumminen gewonnen werden, beinhalten direkte Yerkokung, wasserfreie Lösungsmittelextraktion, Kaltwasserabtrennung, welche ein Benetzungsmittel einsetzt, und verschiedene Heißwassertechniken«

Die Brennstoffkosten für die direkte Verkokung sind gegenwärtig zu hoch und die Lösungsmittelkosten für die wasserfreie Lösungsmittelextraktion sind auch unter Einbeziehung von Lösungsmittelwiedergewinnungsverfahren nicht zu überwinden.

Die Heiß- oder Kaltwasserabtrennung dürfte für die Behandlung bergmännisch gewonnenen Teersandq sehr aussichtsreich sein. Es treten jedoch verschiedene Probleme auf. Die Emulsionsbildung tritt häufig spontan ein, wenn das bituminöse Erdöl in Kontakt mit ein alkalisierendes Mittel, v/ie beispielsweise NaOH, enthaltendes Heißwasser kommt. Während die Bildung einer stabilen Öl-in-Wasser-Emulsion in manchen in situ-Gewinnungsverfahren brauchbar ist, werden häufig Öl-in-WasserEmulsionen als Nebenprodukte der Kalt- oder Heißwasserabtrennung gebildet. In jedem Pail muß die Emulsion gebrochen oder in ihre einzelnen Phasen aufgelöst werden. Das Auflösen von Emulsionen, welche bituminöses Erdöl aufweisen, ist gewöhnlich aus mehreren Gründen schwierig. So sind asphalthenische Substanzen sehr wirkungsvolle ETxnTl^ÄtQjTen und sie bilden sehr stabile Emulsionen. Weiterhin/das spezifische Gewicht des Bitumens meist genau dem des Wassers, was bedeutet, daß keine aus Dichteunterschieden herrührenden Kräfte eine Phasentrennung unterstützen können, selbst dann nicht, wenn die für die Eraulgierung verantwortlichen Oberflächenkräfte neutralisiert werden können.

Ein weiteres schwieriges Problem bei üblichen Abtrennverfahren ist die Bildung eines stabilen Schaums. Der Luft oder ein anderes Gas einschließende Schaum ist sehr stabil und sehr oft sehr groß· Es werden unhandliche Schaumvolumina erzeugt.

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Aus dem Vorhergehenden ergibt sich die wesentliche, ungelöste Forderung na.ch einem Oberflächenverfahren zur Abtrennung von Bitumen oder bituminösem Erdöl aus oberirdischen oder untertägigen Teersandlagerstätten auf mechanischem Wege, beispielsweise mittels Abräumbergbau, wobei keine Emulsions- oder Schaumbildung auftreten soll.

Die beigefügte Zeichnung veranschaulicht in einer Ausführungsform die oberirdische Anlage zur Bitumenabtrennung aus bergmännisch gewonnenen Teersanden.

Es wurde gefunden, daß Bitumen aus Teersanden dadurch abgetrennt werden kann, daß der Teersand mit einer heißen, wässrigen PoIyphosphatlösung, v/elche eine alkalische Substanz, wie z. B. NaOH, in Kontakt gebracht wird. Der Teersand wird kontinuierlich in einen Mischbottich eingeführt, in welchem der Kontakt mit der heissen, alkalischen Polyphosphatlösung hergestellt wird. Die Mischung strömt in einen Absetztank, wo die Trennung in Sand, Bitumen und eine wässrige Phase, die einen geringen Anteil bituminösen Materials enthält, eintritt. Die Mischung tritt in Kontakt mit einem Kohlenwasserstoff-Behandlungsfluid, welches das Bitumen löst und die Abtrennung desselben unterstützt. Polyphosphat -Benetzungsmittel sind für die Erfindung geeignet und umfassen saures Na-Pyrοphosphat, Tetranatriumpyrophosphat, Na-Trimetaphosphat und -Tetrametaphosphat.

Teersand aus einer offenen Mine wird in den Container (1) überführt. Der Schneckenförderer (2) transportiert mit gleichbleibender Geschwindigkeit den Teersand in den Mischkessel (3). Der Kessel (3) ist mit einer Rührvorrichtung (4) ausgerüstet. Eine wässrige Lösung von Polyphosphat und einem alkalischen Mittel wird im Container (5) hergestellt und mittels Pumpe (6) durch den Wärmetauscher (7), in welchem das Fluid auf über 37,8⁰C, vorzugsweise zwischen 37,8 und 93,3°C, erwärmt wird, gepumpt. Die erwärmte, alkalische, wässrige Polyphosphatlösung vermischt"sich im Tank (3) mit Teersand. Im Tank (3) wird die Mischung vom Mischer (4) durchgerührt und

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anschließend mittels Pumpe (8) in den Abtrenntank (9) gepumpt. Bei einem kontinuierlichen Verfahren können eine Reihe parallel geschalteter Abtrenntanks verwendet v/erden, wobei das Fluid nacheinander durch die einzelnen Tanks geführt wird, so daß die Mischung für eine bestimmte Zeit zur Ruhe kommt, um das Absetzen von Sand (10) auf dem Boden eines Tanks zu erleichtern. Der meiste Bitumen sammelt sich in einer Zone unmittelbar über dem Sand, Eine wässrige Schicht bildet sich obenauf und sie besteht aus heisser, alkalischer Polyphosphatlösung mit einem geringen dispergierten Bitumenanteil·. Der Sand wird aus der unteren Zone im Tank (9) beispielsweise mittels eines Schneckenförderers (13) kontinuierlich oder zeitweilig abgezogen.

Ein Kohlenwasserstoff-Fluid aus Tank (14) wird mittels Pumpe (15) in den Abtrenntank (9) bei vorgegebener Strömungsgesehwindigkeit eingemessen. Die wässrige Lösung und das Kohlenwasserstoff -Behandlungsfruid werden im Tank (9) mittels Rührer (16) vermengt. Bituminöses Material aus der oberen Schicht und aus der wässrigen Suspension löst sich in dem Kohlenwasserstoff-Behandlungsfluid und bildet die Schicht (17). Das Behandlungsfluid mit eingelöstem Bitumen wird durch Leitung (18) in die Raffinerie überführt. Die Gegenwart des Kohlenwasserstoff-Beliandlungsfluids im Bitumen unterstützt den Pumpvorgang zur Raffinierie. Abtrennung und Wiedergewinnung des Kohlenwasserstoff -Behandlungsfluids kann in der Raffinerie erfolgen. Natürlich kann die Wiedergewinnung unmittelbar nach Verlassen der Abtrennanlage (9) erfolgen, falls dies gewünscht wird.

Die alkalische, wässrige Polyphosphatlösung (19) wird durch Leitung (20) mittels Pumpe (21) und ein Filterelement (22) zum. Tank (5) zum Zwecke der Wiederverwendung im Abtrennverfahren gepumpt.

Das im erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Fluid ist eine wässrige, alkalische Lösung eines Polyphosphats, wie beispielsweise Tetranatriutnpyrophosphat, Na₄PpO₇, saures ITatriumpyro-

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phosphat, Na₂ H₂P₂O₇, oder Pentanatriumtripolyphospha.t, und eines alkalischen Mittels, wie beispielsweise Ätznatron.

Polyphosphate sind anorganische Salze, deren Anionen PO«-Einheiten sind, die über Sauerstoffatome an weitere Tetraeder gebunden sind. Die Polyphosphate können in Kettenform; z. B. LP₂O₇J⁴" oder /^₃O₁J⁵~, in Ringform [P₅O₉J³" oder ^₄O₂₂]⁴", oder als Iri- und Tetrarnetaphosphate vorliegen.

Polyphosphate sind hydrophile, oberflächenaktive Substanzen im G-egensatz zu organischen Netzraitteln, v/elche als hydrophobe, oberflächenaktive Mittel betrachtet werden können. In den anorganischen Polyphosphaten sind keine oleophilen Einheiten vorhanden, so daß sie keine Surfactants im Sinne der Alkyl« oder Alkylarylsulfate, -sulfonate oder -phosphate sind. Der Stand der Technik lehrt die Yerwendung von Polyphosphaten in Haushaltsdetergentien und sie arbeiten als Entflockungsmittel in Bohrflüssigkeiten und anderen Suspensionen zum Zwecke der Bildung löslicher Komplexe.

Jedes wasserlösliche Salz der Pyrophosphorsäure, ELP₂O₇, kann für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden. Beispielsweise können die Ua-, K- oder Li-Salze der Säure Verblendung finden. Auch können die verschiedenen möglichen Salzreihen, beispielsweise Wa₄P₂O₇, Ka₅HP₂O₇, 1Ia₂H₂P₂Or₇ oder Ha H₅P₂O₇ sum Einsatz kommen. Auch sind Polyphosphate wie Na^P₅O₁₀ bekannt, die verwendet werden können. Ebenso sind Ringpolyphosphate, v/ie Na^(PO^)^ oder Na₄(PO₇) ., verwendbar. Bevorzugte Materialien sind die wasserlöslichen Salze der H₄P₂O₇, insbesondere saures Natriumpyrophosphat und Na₄P₂O₇.

Die Polyphosphatkonzentration in der wässrigen Lösung kann sehr gering sein und bei 0,1 bis 5,0 % liegen. Obgleich höhere Konzentrationen verwendet werden können, ergibt sich hieraus kein besonderer Vorteil. Da die Materialkosten niedrig sind, wird die wirtschaftliche Optimierung des Verfahrens den Einsatz der niedrigst möglichen und noch wirksamen Konzentration vorsehen.

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Gewöhnlich wird ein alkalisches Mittel der Po-13-phosphatlösung zugegeben. Es muß Sorge getragen werden, daß das Kauion des alkalischen Mittels kein unlösliches Salz mit /jeweils verwendeten Polyphosphat "bildet. Im allgemeinen ist NaOH das bevorzugte Material, obgleich auch andere monovalente Basen, wie z. B. KOH, LiOH oder :iH.OH, verwendet werden können. Polyvalente Basen, wie Oa(OH)₂, sollten nicht zur Anwendung kommen.

Ausreichend alkalisches Mittel sollte der Lösung zugesetzt werden, um den p„-Wert derselben auf über 10, vorzugsweise oberhalb 12, einzustellen. Im allgemeinen Sind 0,1 bis 5,0 G-ew.-% ausreichend. Eine übliche Methode, um den gewünschten Pp-Wert aufrechtzuerhalten, ist die Eingabe annähernd gleicher Anteile alkalischen Mittels und Polyphosphat,

Das Erwärmen der wässrigen, alkalischen Polyphosphatlösung auf über 37j8⁰C erhöht die Wirksamkeit der Abtrennung. Der bevorzugte Temperaturbereich beträgt etwa 37,8 bis etwa 93,3°C.

Jedes Kohlenwasserstoff-Fluid, welches einaiwesentlichen Bitumenanteil lösen kann, kann verwendet werden. Aliphatisch^ Kohlenwasserstoffe mit 4 bis 20 C-Atomen, wie "beispielsweise Naphtha oder Dieselöl, können Anwendung finden. Aromatische Kohlenwasserstoffe, wie Benzol, Toluol oder Xylol, sind sehr wirkungsvolle Materialien für das Verfahren.

Ein wesentlicher Punkt des Verfahrens ist die Tatsache, daß der Bitumen nicht emulgiert wird und sich kein Schaum beim Kontakt mit der heissen, wässrigen, alkalischen Polyphosphatlösung bildet. Der Bitumen wird wirkungsvoll aus dem Sand entfernt, verbleibt aber in einer separaten Phase, die eine diskrete Schicht abgesetzt von der wässrigen Lösung bildet, wenn das Rühren beendet wird.

Peldv_ersuch

Eine Teersandlagerstätte mit einer durchschnittlichen Dicke von 19,8 m und mit einer 3 bis etwa 12 m starken Deckschicht

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mittels offenem Abräumen (open pit strip mining) ausgee T-Tachdem die Deckschicht abgeräumt worden war, wurde Teersand mit Lö'ffelräuinern abgebaut und mit Lastwagen zur Abtrennanlage transportiert. Theoretisch können 1500 tons/h Teersand abgebaut werden; es wurden im praktischen Fall 1000 tons/h gefördert. Der Bitumengehalt des Teersands betrug H Gew.-%.

Die Abtrennung erfolgte in einer Anzaiil von Einheiten, welche eine Kapazität von 200 tons/h hatten. Der Teersand wurde mit einem Schneckenförderer in einen 18 930 Liter fassenden Mischtank transportiert. Eine wässrige Lösung von 0,3 Gew.-% saurem Katriumpyrophosphat und 0,3 G-ew.-% ITaOH wurde in einem 3 785 Liter fassenden Tank hergestellt und in den großen Tank mit einer Geschwindigkeit von 3 785 L/h eingegeben. Die Polyphosphatlösung wurde auf 71,1 C erwärmt, indem dieselbe einen gasbefeuerten Erhitzer passierte, bevor sie in den Mischtank einfloß.

Für jeden Mischtank werden zwei Abtrenntanks bereitgestellt, so daß der Misehtankausstrom nacheinander beide Abtrenntanks passiert. Jeder Abtrenntank hat ein Volumen von 11 360 Litern. Ein Schneckenförderer entfernt den Sand vom Tankboden. Bituminöses Öl sammelte sich in einer Schicht unmittelbar über der Sandschicht, während eine wässrige Schicht, enthaltend geringe Mengen dispergierten Bitumens, sich obenauf sammelte. Dieselöl wurde dem Tank zugeführt und vermischt. Der Bitumen sowohl aus der Bitumenschicht als auch der in der wässrigen Schicht dispergierte Bitumen löste sich im Dieselöl. Nach Beenden des Mischens bildete sich obenauf eine Dieselöl-Bitumenschicht, welche dekantiert und an die Raffinerie abgegeben wurde.

Die wässrige Mfatriumpyrophosphatlosung wurde durch ein gepacktes Sandfilter geschickt und anschließend dem Pyrοphosphatzugabetank erneut zugeführt. Der Sand aus dem Absetztank wurde in Ausschachtungen, welche bei früheren! Abräumen entstanden waren, verbracht.

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Es wurden arnnähernd 90 % des Bitumens aus dem Teer sand entfernt .

Laborversuche

Zur Ermittlung der Durchführbarkeit des erfindungsgsmäßen Verfahrens und zur Bestimmung der optimalen Werte der steuerbaren Parameter wurden Laborversuche durchgeführt.

100 gr.-Proben eines Teersands, welche dem Athabascabereich in Alberta, Canada, entstammen, wurden bei 422 kg/cm zu zylindrischen Kuchen gepreßt. Die gepreßteii Proben wurden in einen offenen, mit verschiedenen Testlösungen gefüllten Behälter gelegt. Ein motorgetriebenes Mischblatt wurde in die Lösung, annähernd 3,81 cm von der Oberfläche der Teersandprobe entfernt, eingetaucht und betrieben. Das Ausmaß des Auseinanderfaliens des Teersands wurde nach 15 Minuten beobachtet und notiert. In allen Fällen betrug die Temperatur 51_}7 bis 54,4⁰C. Nach dem Zerfall der Proben wurden die Mischungen zum Absetzen stehen gelassen. Sauberer Sand setzte sich am Boden ab und es wurden getrennte Bitumen- und PoIyphosphatlösungs-Schichten gebildet. Eine kleine Menge Kohlenwasserstoff wurde in der wässrigen Polyphosphatlösung suspendiert. Eine Dieselolzuga.be löste das schwarze Material, was an die Oberfläche trieb und leicht abgetrennt v/erden konnte. Es bildete sich weder eine Emulsion noch Schaum.

TABEL LE

Fluid Probenzustand nach 15 Min.

1.) Leitungswasser unverändert

2.) Wasser + 0,3 % saures

Na-Pyrophosphat "

3.) Wasser + 0,3 % NaOH · 50 % Zerfall

4.) Wasser + 0,3 % NaOH + 0,3 %

saures Na-Pyrophosphat 100 % Zerfall

5.) Wasser + 0,6 % NaOH + 0_s6 %

saures Na-Pyrοphosphat « · n

6.) Wasser + 0,3 % saures Na-Pyrophosphat + NH,OH (zur p_H~Einstellung auf TO,8) geringer Zerfall

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Claims

T 74.017 Pa te

1.) Verfahren zur Abtrennung von Bitumen aus Teersand, dadurch gekennzeichnet, daß der Teersand mit einer aus einem anorganischen Polyphosr>hat und einem alkalischen Mittel bestehenden und auf über 37,8°C erwärmten wässrigen Lösung vermischt, die resultierende Mischung in einen Absetztank überführt und aus demselben abgesetzter Sand, der Hauptteil des Bitumens, sowie die verbrauchte wässrige Lösung, geringe Bitumenmengen enthaltend, getrennt abgezogen v/erden.

2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Phosphat ein wasserlösliches Salz der Pyrophospborsäure ί wie Na^PpO₇₅ Na₅HP₂O₇, NaHpH₂P₂O₇, NaPL₅P₂O₇, ein Kaliumsalz der Pyrophosphorsäure. ein Lithiumsalz der Pyrophosphorsäure oder ein wasserlösliches Tripolyphosphat, wie Pentanatriumtripolyphosphat, eingesetzt wird.

3·) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit PolyphosOhatkonzentrationen von mindestens 0,1 Gew.-?i, vorzugsweise 0,1 bis etwa 5,0 Gew.~?o, gearbeitet wird.

4.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als alkalisches Mittel NaOH, LiOH, KOH oder NH^OH eingesetzt werden.

5.) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit Konzentrationen an alkalischem Mittel von etwa 0,1 bis etwa 5,0 Gew.-?4 gearbeitet wird.

6.) Verfahren nach ejnem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wässrige Lösung auf etwa 37,8 bis

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etws 95>3°C erwärmt x\rird.

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7.) Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der restliche Bitumen in der verbrauchten, wässrigen Lösung mit einem flüssigen Kohlenwasserstoff, wie beispielsweise Dieselöl, entfernt wird.

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Al

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