МҰНАЙБИТУМДЫ ЖЫНЫСТАРДАН БИТУМДЫ БӨЛІП АЛУҒА УЛЬТРАДЫБЫСТЫҚ ТЕХНОЛОГИЯНЫҢ ӘСЕРІН ЗЕРТТЕУ



Дәйексөз келтіру

Толық мәтін

Аннотация

Кіріспе. Қазіргі кезде елімізде мұнайбитумды жыныстардан мақсатты өнімдер алу туралы жұмыстар аз. Соның ішінде ультрадыбыспен әсер ету арқылы бөліп алу тәсілі туралы ғылыми жұмыстар дәстүрлі емес технологиялар қатарына жатқызған болатын. Бұл әдістің артықшылықтары көп, атап айтқанда энергия мен суды үнемдеу, қысқа уақытта жоғары өнім алу және мобильді қондырғы жасауға мүмкіндік береді. Ультрадыбыстық әсер беру технологиясын зерттеу нысанына байланысты қажетті жиілік пен қуатын анықтау басты процесс параметрлері болып табылады. Ультрадыбысты қолдана отырып мұнайбитумды жыныстардан битумды бөліп алу бойынша алғашқы ғылыми зерттеулер 1990 жылдардан бастап жүргізілді. Жүргізілген жұмыс нәтижелері мұнайбитумды тау жыныстарын ультрадыбыстық кавитациялау кезінде сілтілік орта қатысында битумды бөліп алу дәрежесі жоғарылағанын көрсетті. Жұмыстың мақсаты. Қазақстандағы битум тапшылығының орнын толтыру үшін мұнайбитумды жыныстардан битумды бөліп алуға ультрадыбыстық технологияның әсерін зерттеу және алынған өнімдердің физико-химиялық сипаттамаларын анықтау. Жұмыс нәтижелері. Зерттеу нысаны ретінде таңдап алынған мұнайбитумды жыныстардың айырықша белгісі – битумды жыныстар жер бетіне шығып, ашық алаңда орналасуы болып табылады. Атмосферада ашық ұзақ жатуы оның жеңіл фракциялардың жоғалуына алып келген, ал ауыр мұнай компоненттері әртүрлі техногендік факторлардың әсеріне ұшырап тотығу процестері жүрген. Бұл процестер құрамы күрделі аса ауыр мұнайлар мен қатты битумдардың пайда болуына әкелген. Мұнайбитумды жыныс үлгісінің визуалды талдауы битум жылтырымен қанық қара түсті. Мұнайбитумды жыныстардан битумды бөліп алуға ультрадыбыстық технологияның әсерін зерттеу нәтижесінде алынған битумның физико-химиялық сипаттамалары зерттелді. Осы технологияны сынау кезінде зерттеу нысанына байланысты процестің оңтайлы параметрлері анықталды. Зерттеу нәтижелері көрсеткендей мұнайбитумды жыныс құрамында кездесетін сазды қосылыстар ультрадыбыстық әсер етудің қуатын анықтау кезінде процеске тікелей әсер ететіні анықталды. Қорытынды. Мұнайбитумды жыныстардан табиғи битумды бөліп алу кезінде ультрадыбыстық әсер ету технологиясы перспективті және өндірістік жағдайда қолдануға болатын технология екенін көрсетті.

Толық мәтін

Кіріспе

Бағалы химиялық материалдар мен жоғары сапалы мұнай өнімдерін өндіру үшін көмірсутек шикізатын кешенді және ұтымды пайдалану Қазақстан Республикасының басым бағыттарының бірі болып табылады. Қазақстанда 2022 жылы жол битумының тапшылығы шамамен 200 мың тоннаны құрады. Жол битумына деген сұраныстың өсіп келе жатқан қажеттілігі жол битумының жаңа көздерін іздестіруді талап етеді. Бұл мәселені көмірсутек шикізатының дәстүрлі емес көздерін, яғни Қазақстанда айтарлықтай қоры бар мұнайбитумды жыныстарды пайдалану арқылы шешуге болады. Батыс Қазақстан аумағында мұнайбитумды жыныстардың 50-ден астам кен орны анықталды. Алдын ала мәліметтер бойынша 120 м-ге дейінгі тереңдікте 15-20 млрд. т мұнайбитумды жыныстар бар деген болжам бар. Сондықтан мұнайбитумды жыныстардан битум алудың әдістерін жасақтау және бөліп алу технологиясын енгізу бүгінгі таңда аса маңызды болып табылады [1, 2]. Солардың қатарында табиғи битумды бөлу үшін ультрадыбыстық технологияны пайдалану оның тазалығына, төмен құнына және жоғары тиімділігіне байланысты үлкен үміт беріп отыр. Атап айтқанда, жоғары қуатты (20-100 кГц) ультрадыбыс мұнай-су орталарына жақсы еніп қана қоймайды, сонымен қатар жоғары меншікті тығыздығы (10-1000 Вт/см2) энергияны өндіріп оны сулы ортаға бере алады [3]. Мұндай кавитация әсерлері мұнайбитумды жыныстардағы құм мен битум молекулалары арасындағы байланысты бұзуы мүмкін, осылайша битумның кен жыныстарынан бөлінуін арттырады. Дегенмен, акустикалық кавитацияның күрделі физика-химиялық сипаттамалары экстракция процесінің әртүрлі кезеңдері үшін жоғары қуатты ультрадыбыстық механизмді түсінуді қиындатады, бұл жұмыс параметрлерін оңтайландыру және тиімділікті арттыру үшін қажет.

Қатты зат бар суспензиялардағы ультрадыбыстық кавитация бөлшектердің жойылуына әкелетін микроағындарды түзетіні келесі жұмыстарда [4, 5] анықталды. Ультрадыбыс қатты-сұйықтық арасындағы шекарада қатты бөлшектердің тесіктеріне сұйықтықтың енуін жақсартады. Демек, авторлар ультрадыбыстық кавитация химиялық әдістермен үйлесімде гетерогенді қоспаларды алудың перспективті әдісі болып табылады және мұнайбитумды жыныстардан битумды бөліп алудың дәстүрлі процесіне тиімді балама бола алады деп санайды. Ғылыми жұмыстарда натрий силикатының, NaOH және Na2CO3 сияқты әртүрлі сілтілі реагенттер ортасында ультрадыбысты қолдану арқылы мұнайбитумды жыныстардан битумды бөліп алуды зерттеді [6]. Белгілі бір мәнге дейін сілтілі реагент концентрациясының жоғарылауымен битум бөлуі төмендейтіні, одан жоғары реагент концентрациясының жоғарылауымен битум алудың жақсарғаны анықталды. Реагенттің өте төмен концентрациясы кезінде битумның құммен экстракциясы байқалды. Окава және басқалары жұмысында мұнайбитумды жыныстарға 28 және 200 кГц жиіліктегі ультрадыбыстық жиіліктердің әсерін зерттеді [7]. Жоғары ультрадыбыстық жиіліктерде кавитация құбылыстарының жоғарылауына байланысты болуы мүмкін. Жұмыстың нәтижесінде H2O2 төмен концентрациясы 28 кГц ультрадыбыстық жиілікте битумды бөліп алу жылдамдығының артуына әкелетіні анықталды. Дәл осындай нәтижелер Моңғолия мұнайбитумды жыныстарында көрсетілген [8].

Бұл ғылыми жұмыстың мақсаты – Қазақстандағы битум тапшылығының орнын толтыру үшін мұнайбитумды жыныстардан битумды бөліп алуға ультрадыбыстық технологияның әсерін зерттеу және алынған өнімдердің физико-химиялық сипаттамаларын анықтау.

 

Эксперименттік бөлім

Бұл жұмыста зерттеу нысаны ретінде Атырау облысындағы Иманқара тауының солтүстік-шығысындағы Жылыой ауданында орналасқан Мұнайлы Мола кен орнының мұнайбитумды жыныстары пайдаланылды. Кенорны қалыңдығы 0.2-ден 1 м-ге дейін қара сұр түсті тығыз қатайған қыртыспен бейнеленген. Қыртыстың астында жартылай қатты қара-қоңыр масса түріндегі қалыңдығы 1-ден 10 м-ге дейін жыныстардың борпылдақ сорттары кездеседі. Мұнайлы Мола кенорнының мұнайбитумды жыныстарынан органикалық еріткіштермен бөліп алынған табиғи битумның негізгі физикалық-химиялық көрсеткіштері 1-кестеде көрсетілген. Табиғи битумды мұнайбитумды жыныстан органикалық еріткішпен экстракциялау арқылы бөліп алу дәрежесі 99-100 %. Бөліп алынған табиғи битум тығыздығы және асфальтендердің жоғары болуымен сипатталады. Хроматографиялық әдіспен анықталған қаныққан және ароматты көмірсутектер үлесі 48.2 мас. %-ды құрайды. Жылу сыйымдылығы жоғары, механикалық қоспалар үлесі аз болуымен сипатталады.

 

Кесте 1. Мұнайбитумды жыныстың табиғи битумының негізгі физикалық-химиялық көрсеткіштері.

 

Көрсеткіш

Мұнайлы Мола мұнайбитумды жынысы

Табиғи битум үлесі, мас. %

Асфальтендер

Майлар

Шайырлар

22-25

14.5

48.2

37.3

Тығыздығы, кг/м3

992.0

Жылу сыйымдылығы, кДж

23440

Күлділік дәрежесі, мас. %

0.9

Морт сыну температурасы, °С

– 11.0

Механикалық қоспалар, мас. %

0.71

 

Мұнайбитумды жыныстардан табиғи битумдарды ультрадыбыстық әдіспен алу зертханалық қондырғыда (МЛУК-3/22-ОЛ, Ресей) 1 суретте көрсетілген сызбанұсқа арқылы жүргізілді.

 

 

 

1 – ультрадыбыстық генератор, 2 – толқын шығарғыш, 3 – шыны стакан, 4 – мұнайбитумды жыныс, 5 – көтеріліп жатқан битум тамшылары, 6 – битум қабаты

 

Сурет 1. Мұнайбитумды жыныстан табиғи битумды бөліп алу қондырғысының сызбанұсқасы.

 

Мұнайбитумды жыныс 1-ден 10 мм-ге дейін өлшемде ұсақталады. Содан кейін мұнайбитумды жынысты өлшеп, 500 мл стаканға салады. Оған 200 мл су құйылды және қажетті сілтілі ортаны әзірлеу үшін қажетті реагенттің өлшенген бөлігі қосылды. Ультрадыбыспен бөлу әдісі натрий немесе калий гидроксидінің (NaOH, KOH) сулы ерітіндісінде рН 12 немесе одан жоғары ерітіндіде жүреді. Эксперименттік нәтижелер бойынша мұнайбитумды жыныстың ерітіндіге оңтайлы қатынасы 1:2 (50 г мұнайбитумды жыныс және 100 г ерітінді). Мұнайбитумды жыныстан табиғи битумды ультрадыбыстық бөлу процесі 15 минут ішінде аяқталады, бұл кезде битум ерітіндінің бетіне қалқып шығады, ал ауыр минералды бөлігі түбіне шөгеді. Ерітіндідегі қалған органикалық бөлікті және тұнып қалған минералды бөлікті сүзгі қағазынан өткізіп, кейін оны тұрақты салмаққа дейін кептіріп өлшейді. Процесті аяқтағаннан кейін процесс материалдық балансы жасалды.

 

Нәтижелер және оларды талқылау

Кесте 2 Мұнайлы Мола кенорнының табиғи битумының шығымына ультрадыбыстық жиіліктің әсері көрсетілген. Тәжірибелік жұмыс барысында 320 Вт болатын ультрадыбыстық қуатымен мұнайбитумды жыныстан битум шығымы төмен екені анықталды. Ультрадыбыс жиілігін арттыру процеске әсер тудырмайды, калий мен натрий гидроксиді ерітіндісінде тек ерітіндінің лайлануы пайда болады. 80 кГц ультрадыбыстық жиілікте мұнайбитумды жыныстан битум шығымы 0.7 мас. % ғана құрады. Битум шығымының төмен болуы битум мен жыныс арасында сазды қабаттың болуымен түсіндіріледі. Сазды қабат пен битумның арасында берік химиялық байланыстар болуы мүмкін. Ультрадыбыстық қуаттың одан әрі артуы битум шығымының артуына әкеледі (кесте 2).

 

Кесте 2. Ультрадыбыс жиілігінің битумды бөліп алу дәрежесіне әсері.

 

Ультрадыбыс жиілігі, кГц

NaOH ерітіндісі қатысында

KOH ерітіндісі қатысында

Таза су қатысында

Битумды бөліп алу дәрежесі, мас. %

22

0.1

0.1

0

33

0.3

0.3

0

40

0.5

0.5

0.1

59

0.6

0.6

0.3

80

0.6

0.6

0.4

 

Кесте 3 ультрадыбыс жиілігінің 1500 Вт болатын ультрадыбыстық қуаттағы битум шығымына әсерін зерттеу нәтижелері көрсетілген. Натрий және калий гидроксидтерінің ерітінділерінде алынған нәтижелер барлық ультрадыбыстық жиілік диапазонында битум шығымы 98 мас. % екенін көрсетті. Битумды таза сумен бөліп алу кезінде битумның шығымы ультрадыбыстық жиіліктің жоғарылауымен артатыны анықталды. 80 кГц ультрадыбыстық жиілікте таза сумен битумның шығымы 98 мас. % құрайды. Әрі қарай зерттеу үшін 22 кГц ультрадыбыстық жиілік таңдап алынды, өйткені бұл мұнайбитумды жыныстардан битум алу әдісінің энергоресурс сыйымдылығын азайтуға мүмкіндік береді.

 

Кесте 3. Ультрадыбыс жиілігінің битумды бөліп алу дәрежесіне әсері.

 

Ультрадыбыс жиілігі, кГц

NaOH ерітіндісі қатысында

KOH ерітіндісі қатысында

Таза су қатысында

Битумды бөліп алу дәрежесі, мас. %

22

98.0

98.0

80.0

33

98.0

98.0

80.5

40

98.0

98.0

92.1

59

98.0

98.0

96.1

80

98.0

98.0

98.0

 

Кесте 4 мұнайбитумды жыныстардан битумды бөліп алу дәрежесін ультрадыбыс жиілігі 22 кГц болғанда ультрадыбыстық қуаттың әсерін зерттеу бойынша мәліметтер келтірілген. Алынған нәтижелерден ультрадыбыстық қуаттың жоғарылауымен битум шығымы арта түсетіні анықталды. 180 Вт ультрадыбыс қуатымен жыныстан битумның бөліну дәрежесі аз, калий гидроксиді ерітіндісі қатысында 9.2 мас. % битум бөлінеді. Ультрадыбыс қуатын 320 Вт-қа артуы екі ерітіндіде 43 мас. %-дан жоғары болатынын көрсетті. Ал, 800 Вт қуатта калий гидроксиді ерітіндісімен битум шығымы 54.1 мас. % дейін артса, таза су қатысында бұл мән 1.1 мас. % ғана құрады. Битумды таза сумен алу мақсатты өнімдердің жоғары өнімін бермейді, тек 1500 Вт ультрадыбыстық қуаты кезінде ғана битум шығымы 80 мас. % көрсетті. Бұл табиғи битумның құрамындағы сазды қосылыстар мен шайырлы-асфальтенді заттардың болуына байланысты болса керек.

 

Кесте 4. Битумды бөліп алу дәрежесіне ультрадыбыстық қуаттың әсері.

 

Ультрадыбыс қуаты, Вт

NaOH ерітіндісі қатысында

KOH ерітіндісі қатысында

Таза су қатысында

Битумды бөліп алу дәрежесі, мас. %

180

8.3

9.2

0.2

320

43.8

47.6

0.6

800

49.4

54.1

1.1

1000

95.5

96.0

2.3

1500

98.0

98.0

80

 

Әдеби деректерден мұнайбитумды жыныстардың минералды бөлігіндегі кальций иондары табиғи битумның карбоксил топтарымен әрекеттесіп, саз минералдары мен битум арасында берік байланыс түзетін кальций карбоксилатын түзуі ықтимал. Бұл байланысты жою үшін беттік белсенді заттарды қолдану қажет, бұл минералды компоненттің битуммен әрекеттесу күшінің төмендеуіне әкеледі. Сонымен қатар, ультрадыбыстық қуаттың битумның шығымына әсері ерітіндідегі кавитациялық көпіршіктердің концентрациясымен байланысты, яғни ультрадыбыс қуаты жоғары кезде ерітіндідегі көпіршіктердің концентрациясының жоғары болады, бұл өз кезегінде битумның минералды бөліктен бөліну дәрежесі артады.

Мұнайбитумды жыныстан табиғи битумды ультрадыбыспен әсер ету арқылы бөліп алғаннан кейін оның физика-химиялық сипаттамалары зерттелді (кесте 5). Ультрадыбыспен әсер ету арқылы натрий гидроксиді ерітіндісі қатысында бөлу кезінде механикалық қоспаның 8.7 мас. % түзілсе, калий гидроксиді ерітіндісі қатысында бұл мән 9.1 мас. % болды.

 

Кесте 5. Ультрадыбыспен әсер ету процесінің параметрлері.

 

Көрсеткіштер

NaOH ерітіндісі қатысында

KOH ерітіндісі қатысында

Табиғи битум сипаттамалары:

Тығыздығы, г/см3

Механикалық қоспа мөлшері, мас. %

 

0.92

8.7

 

0.91

9.1

Процесс параметрлері:

Процесс уақыты, мин

Оңтайлы концентрация, моль/л Ультрадыбыс қуаты, Вт

Ультрадыбыс жиілігі, кГц

Ерітінді pH

 

15

0.25

1500

22±2

12-14

 

15

0.18

1500

22±2

12-14

 

Қорытынды

Мұнайлы Мола кен орнының мұнайбитумды жыныстарынан табиғи битумды ультрадыбыспен әсер ету арқылы бөліп алу эксперименттік түрде зерттелді. Ультрадыбыспен әсер ету арқылы бөліп алу процесінің параметрлері анықталды: процесс уақыты 15 минутқа дейін, оңтайлы концентрация 0.25 моль/л натрий гидроксиді ерітіндісі үшін, ал калий гидроксиді ерітіндісі үшін 0.18 моль/л болды. Ультрадыбыс қуаты зерттеу нысанына және пайдалыналатын еріткіштерге байланысты болатыны анықталды. Жалпы эксперименттік жұмыс нәтижесінде 100 % битум бөлінді десек, оның 2 %-ы битумы ультрадыбыстық әсер ету кезінде ыдыраған минералды бөлікпен араласып, мықты суспензия түзеді. Оны бұзу үшін қосымша органикалық еріткіштерді пайдалану талап етіледі.

×

Әдебиет тізімі

  1. 1. Fu L., Zhang G., Ge J., Liao K., Wang X. Study on dual-frequency ultrasounds assisted surfactant extraction of oil sands. Fuel Processing Technology, 2017, Vol. 167, 146-152. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2017.06.020
  2. 2. А. Шаропин, Е. Онгарбаев, Е. Иманбаев, Е. Тилеуберди, З. Мансуров. Различные методы и механизмы выделения органического вещества из нефтебитуминозных пород. Промышленность Казахстана, 2018, №1(102), 35-39.
  3. 3. Qiu L.Q., Zhang M., Chitrakar B., Bhandari B. Application of power ultrasound in freezing and thawing Processes: Effect on process efficiency and product quality. Ultrasonics Sonochemistry, 2020, Vol. 68, 105230. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2020.105230
  4. 4. Xiaoming L., Haiyang G., Ziling H., Peng Z., Limin H. Recent advances in applications of power ultrasound for petroleum industry. Ultrasonics Sonochemistry, 2021, Vol. 70, 105337. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2020.105337
  5. 5. Avvaru B., Roy S.B., Ladola Y., Chowdhury S., Hareendran K.N., Pandit A.B. Sonochemical leaching of uranium. Chemical Engineering and Processing, 2008, Vol. 47, 2107-2113. https://doi.org/10.1016/j.cep.2007.10.021
  6. 6. Jesus M., Murtadha J.A., Khalid M.A., Rima T.A. Recent advances of ultrasound applications in the oil and gas industry. Ultrasonics Sonochemistry, 2024, Vol. 103, 106767. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2024.106767
  7. 7. Okawa H., Saito T., Hosokawa R., Nakamura T., Kawamura1 Y., Sugawara K. Effects of different ultrasound irradiation frequencies and water temperatures on extraction rate of bitumen from oil sand. Japanese Journal of Applied Physics, 2010, Vol. 49, 07HE12. doi: 10.1143/JJAP.49.07HE12
  8. 8. Zhao D.Z., Sun W.W., Sun M.Z. The separating of inner mongolian oil sand with ultrasound. Petroleum Science and Technology, 2011, Vol. 29, 2530-2535. https://doi.org/10.1080/10916460903057907

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар
Әрекет
1. JATS XML
Жүктеу

© Иманбаев Е., Оңғарбаев Е., Мылтықбаева Ж., Серикказинова А., Малаев А., Мұқталы Д., Тілеуберді Е., Аяпбергенов Е., 2024

Creative Commons License
Бұл мақала лицензия бойынша қол жетімді Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Осы сайт cookie-файлдарды пайдаланады

Біздің сайтты пайдалануды жалғастыра отырып, сіз сайттың дұрыс жұмыс істеуін қамтамасыз ететін cookie файлдарын өңдеуге келісім бересіз.< / br>< / br>cookie файлдары туралы< / a>