JP2014205850A - 超臨界流体を使用するビチューメンの品質向上 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】抽出および品質向上をすべき油、タールおよびビチューメン物質のうちの少なくとも1つを含む炭化水素を含有する基材を供給するステップと、水素ガス、触媒、ならびに基材から油、タールおよびビチューメン物質のうちの前記少なくとも1つを抽出するのに役立ち、水素ガスを溶解させるのに役立つ超臨界または近臨界溶媒を含む反応媒体を供給するステップと、基材、超臨界または近臨界溶媒、水素ガスおよび触媒を混合するステップと、反応を起こすのに十分な温度で、前記反応を所望の程度まで進行させることが可能と計算された時間の長さだけ混合物を維持するステップとを含み、油、タールおよびビチューメン物質のうちの前記少なくとも1つを、単一操作で抽出し、品質向上させる、炭化水素の抽出および品質向上をするための方法。
【選択図】なし
Description
アルバータのアサバスカ(Athabasca)タールサンドは、少なくとも1.7兆バーレルの油を含むと推定されており、したがって世界の全石油資源の約1/3を占めることができる。既知のビチューメン埋蔵量の85%超が、この鉱床に存在し、その濃度が高いので、ビチューメンを経済的に回収することが可能である。タールサンドのその他の大きな鉱床は、ベネズエラおよびUSAに存在し、オイルシェールの類似の鉱床は、世界中の多様な場所で見出されている。これらの鉱床は、粘土または頁岩、砂、水およびビチューメンの混合物からなる。ビチューメンは、主として、多環式芳香族炭化水素(PAH)からなる粘性のあるタール状物質である。タールサンド中の有用なビチューメンの抽出は、重要な操作であり、多数の方法が、開発または提案されている。粘度の低い方の鉱床は、砂からポンプで取り出すことができるが、粘性の高い方の物質は、一般に、循環式蒸気刺激法(CSS)または蒸気補助式重力排液法(SAGD)として知られている方法を使用して、過熱蒸気を用いて抽出される。より近年では、この後者の技術が、蒸気抽出(VAPEX)法において、蒸気の代わりに炭化水素溶媒を使用するように適合化されている。1970年代以来、ビチューメン鉱床に対しては、超臨界流体(SCF)が、潜在的に魅力的な抽出剤であると考えられている。超臨界流体は、密度が小さく、粘度が低いので、タールサンドおよびオイルシェールに浸透させ、有機鉱床を抽出する際に、特に効果的であり、それらを産出するのに必要である温度および圧力が中程度であることに伴うエネルギーコストは、過熱蒸気を使用する方法と比較して非常に好ましい。例えば、ビチューメンは、超臨界二酸化炭素(scCO2)を使用してクイーンズランドのスチュアート(Stuart)オイルシェールから、および超臨界プロパン(scプロパン)を使用してユタオイルサンドから首尾よく回収されている。非常に最近では、レイセオン(Raytheon)は、RF加熱と組み合わせてscCO2を使用することによってコロラド、ユタおよびワイオミングの連邦の土地の地下にあるオイルシェール鉱床を抽出したことを発表した。
ビチューメンは、増加する分子量とヘテロ原子官能基を有する炭化水素の混合物からなる半固体物質である。ビチューメンをn−ヘプタンなどの炭化水素に溶解すると、アスファルテンと呼ばれる沈殿が形成される。これは、大きなPAHからなる、原油の最も複雑な成分である。アスファルテンは、実用的な温度でトルエンには可溶性であるが、n−ヘプタンには不溶性であることが分かっており、このことは、ビチューメン溶液を形成することが可能であることを示す。タールサンドビチューメンのscCO2への溶解度が、84℃〜120℃の温度で報告されている。こうした調査によって、その溶解度は、温度および圧力依存性であり、低温および高い方の圧力で最適の溶解度が得られることが判明している。
その優れた抽出特性に加えて、超臨界流体は、近年、独特で貴重な反応媒体として発展しており、現在では、合成化学および工業において重要な役割を果たしている。超臨界流体は、液体の最も望ましい特性と気体のそれとを合わせ持っている。こうしたものとして、固体の溶解能および永久気体との全混和性が挙げられる。これは、水素の場合、特に貴重である。というのは、従来の溶媒へのその溶解度が低いことが、合成化学者にとって大きな障害であるからである。例えば、50℃で50バールのH2を添加したscCO2は、H2で3Mであり、H2圧力1000バールを除いては液体ベンゼンでは到達できない濃度である。
そのTc、Pcおよびコストが低いので、CO2には、各種のプロセス用のSCF媒体として多数の用途がある。これは、優れた抽出媒体として既に確立されており、上記したように、タールサンドおよびオイルシェールからのビチューメン物質の抽出での有用性が実際に示されている。CO2に対するTcが低いことは、この媒体に対する有効操作範囲が50〜150℃となるはずであることを意味する。この温度は、PAHおよびアスファルテンを熱分解してより小さい揮発性画分にするのに必要である温度より大幅に低いが、大きな利点を予備水素化ステップによって得ることができる。というのは、この予備水素化ステップは、水素富化基材を供給することになり、この基材によって、任意の続いての分解段階において品質が向上した物質の収率が向上することになるからである。アントラセン、フェナントレン、ピレンおよびペリレンなどのPAHは、scCO2に驚くほど可溶性であることが分かっており、この流体は、優れた水素化媒体である。scCO2中の有機水素化接触反応に関する膨大な文献が存在する。ナフタレンおよびアントラセンなど高度に不飽和な芳香族基材について研究が実施されていることが特に興味深い。ナフタレン、アントラセン、ピレンおよびフェナントレンなど単純なPAHは、Mn2(CO)8(PBu3)2およびRuH2(H2)(PCy3)2などの均一系金属カルボニル触媒を使用して、従来の溶媒中で対応する炭化水素に首尾よく水素化されている。ただし、均一系水素化は、通常、過酷な反応条件が必要であり、報告は多くはない。アルミナ担持PdおよびPt、ならびに還元Fe2O3系を含めての各種遷移金属系を使用する不均一系の条件は、実用的な低温(<100℃)での有効な水素化触媒である。ナフタレンとアントラセンは共に、担持Ru触媒を用いて水素化されており、アントラセンは、活性炭素担持Ni触媒を用いてこうした方法で品質が向上している。この点に関して特に興味深いのは、60℃という低温で担持Rh触媒の存在下でscCO2中のナフタレンの水素化が収率100%で容易に実施されたことが記載されている最近の報告である。ベンゾチオフェン(S含有)およびインドール(N含有)など複素環式芳香族分子の均一系水素化は、実用的な温度(<100℃)で多様な簡単な触媒を用いて首尾よく進むことが実際に示されており、ヘテロ原子成分による触媒の被毒もない。ベンゾ[α]ピレン、クリセンおよびフルオレンの光分解を、酸素の存在下、水/エタノール混合物中で実施することによって多様な開環生成物が形成されている。SCF中で実施された光化学的変換の報告はほとんど存在しない。しかし、スペクトルのUV領域の多くに亘ってCO2が透明であるので、この媒体中でPAHに対して類似の光分解結果を依然として実現しつつ、scCO2をエタノールの代用とすることが可能になる。
ヘキサンは、中間の操作範囲(約250〜350℃)を提供する。超臨界プロパンは、直接抽出技術として実際に示されており、軽質炭化水素液体を使用する採掘されたタールサンドからのビチューメンの回収は、特許化された技術である。scC6H14の温度の型では、炭素骨格の熱転位が利用可能になる。例えば、アルミナ担持貴金属触媒が、350℃におけるナフタレンおよびメチルシクロヘキサンの開環で使用されており、開環生成物の大幅な異性化が観察された。ベンゾチオフェンの均一系ロジウム触媒による開環および水素化脱硫は、アセトンおよびTHF中で比較的低い水素圧(30バール)下160℃で首尾よく進むことが分かっている。不均一系水素化共触媒(所要量)と共に、SCF媒体中で担持され得るH2の高濃度によって、開環中間体およびそれらの異性体の同時水素化、高分子量の不飽和芳香族分子の分解、およびそれらの揮発性脂肪族物質への転換が起こる可能性がある。
超臨界H2O(scH2O)は、水素化および脱水素化;C−C結合の形成および開裂;加水分解;および酸化を含めての広範囲の有機反応を促進する際に利用されている。硫黄で前処理したNiMo/Al203触媒の存在下での単純PAHおよび複素環式芳香族炭化水素の水素化が、400℃でscH2O中で実際に示されている。この媒体は、比誘電率の減少、水素結合度の低下、および解離定数の上昇(3桁程度)を含めて、周囲温度の水とは非常に異なる特性を有する。したがって、多数の有機化合物が、scH2O中に極めて溶解しやすく、純流体は、酸および塩基触媒反応に対して優れた環境である。近年、ScH2Oは、約400℃の温度で、炭素骨格の分解および再組織化が大幅に行われるので、リグニン、グルコースおよびセルロースから誘導されたバイオマスのガス化用の有効な媒体として働くことが分かってきた。したがって、多量の溶解H2およびNiまたはRu触媒の存在下での熱分解によって、CO、CO2およびCH4など各種の揮発性生成物がもたらされる。これは、700〜1000℃で操業される従来のガス化手順よりも大幅な改良である。硫黄で前処理したNiMo/Al203触媒の存在下での単純PAHおよび複素環式芳香族炭化水素の水素化も、400℃でscH2O中で首尾よく進むことが分かってきた。
H2とscCO2の混和性の向上によって、Novartisによる除草剤(S)−メトラクロルなどの精密化学品のエナンチオ選択性調製を含めて、均一系触媒反応において広範囲な用途が見出されている。Co2(CO)8触媒を使用するプロペンのヒドロホルミル化が容易であることも、実際に示され、直鎖生成物であるn−ブチルアルデヒドに対する選択性は、従来の液体溶媒に比較して向上することが観察された。C=C結合の開裂および再配列を含むオレフィンメタセシスが、温和な条件下でSCF媒体中で実際に示された。Ru/A12O3またはCo/La/SiO2触媒系を使用するフィッシャー−トロプシュ合成を含む一連の不均一系水素化反応も、SCCO2中で首尾よく実施されている。8族金属の不均一系触媒も、超臨界条件下でCO2、H2およびMe2NHからのN,N−ジメチルホルムアミドの合成において非常に有効であり、担持Pd触媒を使用する不飽和ケトンの水素化は、温和な条件下でscCO2中で実施されている。
Claims (21)
- 抽出および品質向上をすべき油、タールおよびビチューメン物質のうちの少なくとも1つを含む炭化水素を含有する基材を供給するステップと、
水素ガス、触媒、ならびに基材から油、タールおよびビチューメン物質のうちの前記少なくとも1つを抽出するのに役立ち、水素ガスを溶解させるのに役立つ超臨界または近臨界溶媒を含む反応媒体を供給するステップと、
基材、超臨界または近臨界溶媒、水素ガスおよび触媒を混合するステップと、
反応を起こすのに十分な温度で、前記反応を所望の程度まで進行させることが可能と計算された時間の長さだけ混合物を維持するステップとを含み、
油、タールおよびビチューメン物質のうちの前記少なくとも1つを、単一操作で抽出し、品質向上させる、
炭化水素の抽出および品質向上をするための方法。 - 改質剤を供給するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 改質剤が、トルエンまたはメタノールである、請求項2に記載の方法。
- 超音波処理のステップをさらに含む、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の方法。
- 光化学的活性化のステップをさらに含む、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の方法。
- 炭化水素が、ビチューメンおよび多環式芳香族炭化水素(PAH)のうちの少なくとも1つを含む、請求項1乃至5のいずれか1項に記載の方法。
- 基材が、オイルサンド、オイルシェール鉱床およびタールサンドのうちの少なくとも1つを含む、請求項1乃至5のいずれか1項に記載の方法。
- PAHが、ナフタレン、アントラセン、フェナントレン、ピレン、ペリレン、ベンゾチオフェンおよびインドールのうちの少なくとも1つを含む、請求項6に記載の方法。
- PAHが、窒素、硫黄または遷移金属を含む、請求項6に記載の方法。
- 超臨界もしくは近臨界溶媒が、二酸化炭素である、請求項1乃至9のいずれか1項に記載の方法。
- 触媒が、Mn2(CO)8(PBu3)2、RuH2(H2)(PCy3)2、Pd、Pt、Ru、Ni、Rh、Nb、およびTaのうちの少なくとも1つを含む、請求項10に記載の方法。
- 共溶媒を供給するステップをさらに含む、請求項10または11に記載の方法。
- 共溶媒が、n−ブタンおよびメタノールのうちの選択された1つである、請求項12に記載の方法。
- 超臨界もしくは近臨界溶媒が、ヘキサンおよび水のうちの選択された1つである、請求項1乃至9のいずれか1項に記載の方法。
- 触媒が、α−Al2O3、HfO2、ZrO2、NiMo、Fe、Ni、Ru、Rh、Pd、PtおよびIrのうちの選択された1つである、請求項14に記載の方法。
- 反応を起こすのに十分な温度で混合物を維持するステップが、50℃〜400℃の範囲の温度に混合物を維持することを含む、請求項1に記載の方法。
- 反応を起こすのに十分な温度で混合物を維持するステップが、50℃〜150℃の範囲の温度に混合物を維持することを含む、請求項1に記載の方法。
- 反応を起こすのに十分な温度で混合物を維持するステップが、250℃〜350℃の範囲の温度に混合物を維持することを含む、請求項1に記載の方法。
- 水素ガス、触媒、および超臨界もしくは近臨界溶媒を含む反応媒体を供給するステップが、50バール〜1000バールの範囲の圧力で前記超臨界もしくは近臨界溶媒を供給することを含む、請求項1に記載の方法。
- 水素ガス、触媒および超臨界もしくは近臨界溶媒を含む反応媒体を供給するステップが、100バール〜500バールの範囲の圧力で前記超臨界もしくは近臨界溶媒を供給することを含む、請求項1に記載の方法。
- 水素ガス、触媒および超臨界もしくは近臨界溶媒を含む反応媒体を供給するステップが、150バール〜400バールの範囲の圧力で前記超臨界もしくは近臨界溶媒を供給することを含む、請求項1に記載の方法。
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