ارتقای کیفیت ترکیبات سنگین نفتی با استفاده از مایعات یونی اصلاح‌شده توسط نمک‌های Fe+3 و Al+3

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی شیمی، مرکز تحقیقات مهندسی محیط زیست، دانشگاه صنعتی سهند تبریز، ایران

2 دانشکده مهندسی نفت، پژوهشکده نفت و گاز، دانشگاه صنعتی سهند تبریز، ایران

چکیده

مایعات یونی با داشتن خاصیت کاتالیستی خود باعث شکسته شدن ملکول‌های آسفالتنی و رزینی شده و در نتیجه باعث بهبود کیفیت برش‌های سنگین نفتی می‌گردند. برتری این روش نسبت به سایر روش‌های ارتقای کیفیت، پایین بودن شرایط عملیاتی و عدم تأثیر منفی ترکیبات گوگردی و فلزات سنگین برروی نقش کاتالیستی مایعات یونی است. در این پژوهش، قابلیت تبدیل برش‌های سنگین نفتی به برش‌های سبک با استفاده از یک نوع مایع یونی (ایمیدازولیوم) خریداری شده ([OMIM][Cl]) و دو نوع مایع یونی اصلاح شده توسط نمک‌های فلزات آهن و آلومینیوم مورد بررسی قرار گرفته است. مقدار ویسکوزیته، درصد آسفالتن و درصد گوگرد جهت بررسی خواص فیزیکی و شیمیایی برش‌های سنگین نفتی آنالیز گردید. همچنین، در این تحقیق میزان تأثیرگذاری چهار پارامتر دما، زمان ماند، درصد مایع یونی افزوده‌شده و نوع نمونه برروی کیفیت برش‌های سنگین نفتی توسط نرم‌افزار مینی‌تب ارزیابی گردید. براساس نتایج به‌دست آمده، حضور فلزات Fe و Al در ساختار مایعات یونی اصلاح‌شده [OMIM][FeCl3] و [OMIM][AlCl3] باعث افزایش چشم‌گیر در توانایی این مایعات در بهبود کیفیت برش‌های سنگین نفتی گردید که منجر به کاهش ویسکوزیته و همچنین، کاهش میزان ترکیبات آلاینده حاوی گوگرد و نیتروژن موجود در برش‌های سنگین نفتی شد. از میان پارامترهای بررسی شده، درصد مایع یونی استفاده شده به‌عنوان موثرترین پارامتر مشخص گردید. در این پژوهش، مایعات یونی اصلاح‌شده [OMIM][FeCl3] و [OMIM][AlCl3] توانستند در بهترین حالت به‌ترتیب 44/74 و 41/80% از ویسکوزیته برش سنگین نفتی را کاهش دهند. میزان گوگرد برش سنگین نفتی از 9/2% به‌ترتیب به 43/1% و 95/0% کاهش یافت و آسفالتن نمونه به‌ترتیب 01/57% و 46/68% کاهش نشان داد. در شرایط یکسان عملیاتی، مایع یونی اصلاح شده با نمک فلز آلومینیوم [AlCl3] عملکرد بهتری نسبت به [FeCl3] در افزایش کیفیت برش‌های سنگین نفتی از خود نشان داد. از دلایل این برتری نسبی در عملکرد بهتر را می‌توان به بالا بودن اسیدیته AlCl3 نسبت به FeCl3 و همچنین نزدیک بودن سطح انرژی پیوندی Al به اتم گوگرد دانست. این پژوهش نشان داد که استفاده از مایعات یونی می‌تواند گزینه مناسبی برای ارتقای کیفیت برش‌های سنگین نفتی در شرایط عملیاتی پایین باشد.
 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Upgrading of Heavy Oil Components using Modified Iionic Liquids with Fe3+ and Al3+ Salts

نویسندگان [English]

  • masoud najafpour 1
  • esmaeil fatehifar 1
  • reza khoshbooy 1
  • alireza tabatabayi nejad 2
1 Faculty of Chemical Engineering, Environmental Engineering Research Center, Sahand University of Technology, Tabriz,
2 Faculty of Oil and Gas Engineering, SAHAND University of technology, Tabriz, Iran
چکیده [English]

Owing to the catalytic properties of ionic liquids (ILs), they might break down the asphaltene and resin molecule structures, and consequently, they will result in upgrading the heavy oil cuts. The superiority of using ILs to other techniques of upgrading is (1) the low operating condition and (2) the lack of negative effects of sulfur compounds and heavy metals on the catalytic role of ionic liquids. In this study, the capability of conversion the heavy oil cuts into light cuts via an IL([OMIM][Cl]) and two modified ILs, which have been modified with iron and aluminum salts, has been investigated. The viscosity, asphaltic percentage and sulfur content were analyzed for characterization of the physicochemical properties of the heavy oil cuts. Furthermore, the influences of several parameters such as the type of heavy oil cuts, the temperature of reaction, the residence time and the percentage of utilization of modified ILs on the quality of heavy oil cuts were evaluated by Minitab software. The results indicated that the presence of Fe and Al in the structure of modified ILs ([OMIM][FeCl3] and [OMIM][AlCl3]) could significantly enhance the capability of these ionic liquids in improving the quality of heavy oil cuts. This resulted in decreasing the value of viscosity and the pollutants containing sulfur and nitrogen compounds in heavy oil cuts. It was observed that the percentage of utilization of modified ILs was the most effective in upgrading of heavy oil cuts. Based on the results at the best condition, the modified ILs of [OMIM][FeCl3] and [OMIM][AlCl3] could reduce 74.44% and 41.80% of the viscosity value and 57.17% and 68.46% of the asphaltene content in the heavy oil cuts respectively. Moreover, the sulfur content in the heavy oil cuts decreased from 2.9% to 1.43% and 0.95% respectively. In the same operating conditions, IL modified with [AlCl3] showed the better performance than one modified by [FeCl3] in increasing the quality of heavy oil cuts. This relative superiority can be attributed to the high value of acidity of AlCl3 in comparison with FeCl3 and the closeness of the binding energy level of Al to sulfur. In conclusion, in this study, it is illustrated that the modified ILs can be considered to be a suitable approach for upgrading the quality of heavy oil cuts at moderate condition.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Heavy oil cuts
  • Upgrading
  • Additive
  • Modified Ionic Liquids
  • Viscosity Reduction
[1] Chao k, Chen Y, Li J, Zhang X, Dong B (2012) Upgrading and visbreaking of super-heavy oil by catalytic aquathermolysis with aromatic sulfonic copper, Fuel Processing Technology, 104: 174-180.##

[2] Desouky S, Alsabagh A, Betiha M, Badawi A, Ghanem A, Khalil S (2013) Catalytic aquathermolysis of Egyptian heavy crude oil, International Journal of Chemical, Materials Science and Engineering, 7, 8: 48-53. ##

[3] Bjornseth F (2013) Challenges and the effects of nano sized metals on the viscosity of heavy oil, Norwegian University of science and Technology. ##

[4] Li W, Zhu j, Qi J (2007) Application of nano-nickel catalyst in the viscosity reduction of Liaohe extra-heavy oil by aquathermolysis, Journal of fuel chemistry and twechnology, 35: 2, 176-180. ##

[5] Wang J, Hill JM, Pereira Alamo PR (2004) Controllable synthesis in a continuous mode of unsupported molybdenum catalysts with micro/nano size of heavy oil upgrading, Canadian international petroleum conference, Canada, 2004-041. ##

[6] Fan H, Li Z, Liang T (2007) Experimental study on using ionic liquids to upgrade heavy oil, Journal of fuel chemistry and technology, 35, 1: 32-35. ##

[7] Nares HR, Schacht-Hernandez P, Ramirez-Garnica MA, Cabrera-Reyes MC (2007) Upgrading heavy and extraheavy crude oil with ionic liquid, International oil conference and exhibition, Mexico, SPE 108676. ##

[8] Nares HR, Schacht-Hernandez P, Ramirez-Garnica MA, Cabrera-Reyes MC (2007) Heavy crude oil upgrading with transition metals, Latin American and Caribbean petroleum engineering conference, Argentina, SPE 107837. ##

‎[9] Velusamy S, Sakthivel S, Gardas RL, Sangwa JS (2015) Substantial enhancement of heavy crude oil dissolution in low waxy crude oil in the presence of ionic liquid, Industrial & Engineering Chemistry Research, Argentina, 54, 33, 7999-8009. ##

[10]. Velusamy S, Sakthivel S, Gardas RL, Sangwa JS (2015) Use of aromatic liquids in the reduction of surface phenomena of crude oil–water system and their synergism with brine, Industrial & Engineering Chemistry Research, Argentina, 53, 3: 968-978. ##

[11]. Sakthivel S, Gardas RL, Sangwa JS (2016) Effect of alkyl ammonium ionic liquids on the interfacial tension of the crude oil–water system and their use for the enhanced oil recovery using ionic liquid-polymer flooding, Energy and Fuels, 30, 3: 2514-2523. ##

[12]. Velusamy S, Sakthivel S, Gardas RL, Sangwa JS (2014) Eco-efficient and green method for the enhanced dissolution of aromatic crude oil sludge using ionic liquids, RSC Advances, 4: 31007-31018. ##

[13]. Nandwani SK, Malek NI, Lad VN, Chakraborty M, Gupta S (2017) Study on interfacial properties of imidazolium ionic liquids as surfactant and their application in enhanced oil recovery, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 516: 383 – 393. ##

[14]. Marciniak A (2010) The solubility parameters of ionic liquids, International Journal of Molecular Sciences, 11, 1973- 1990. ##

[15]. نجف‌پور م.، فاتحی‌فر ا. و خوشبوی ر.، "بررسی عملکرد مواد افزودنی در کاهش ویسکوزیته و گوگرد جهت ارتقای ترکیبات سنگین نفتی،" اولین همایش ملی تکنولوژی‌های نوین در شیمی و پتروشیمی، تهران، 1393. ##

[16]. پور صابری ط.، حسنی س.، ترکستانی ک. و کریمی زند ا.، "بررسی عملکرد مواد افزودنی در کاهش ویسکوزیته و گوگرد جهت ارتقای ترکیبات سنگین نفتی،" پژوهش نفت،دوره 22، شماره 70، صفحات 77-84 ، 1391. ##

[17]. پورصابری ط.، "استفاده از نانوکامپوزیت گرافنی مغناطیسی عامل‌دار شده با مایع یونی در گوگردزدایی،" پژوهش نفت،دوره 24، شماره 77، صفحات 123-134 ، 1393. ##

[18]. Fan Z, Wang T, He Y (2009) Upgrading and viscosity reducing of heavy oils by [BMIN][AlCl4] ionic liquids, Journal of Fuel Chemistry and Technology, 37, 6: 690-693. ##

[19]. Farzin Nejad N, Miran Beigi AA (2015) Efficient desulfurization of gasoline fuel using ionic liquid extraction as a complementary process to adsorptive desulfurization, Petroleum Science, 12: 330–339. ##

[20]. Hansmeier AR, Meindersma GW, De Haan aB (2011) Desulfurization and denitrogenation of gasoline and diesel fuels by means of ionic liquids, Green Chemistry, 13: 1907-1913. ##

[21]. Morsy SMI, Shaban SA (2014) Investigation of ionic liquid with and without suspension of nanomaterials as catalysis for sulfur removal from gas oil at room temperature, International Journal of Current Microbiology and Applied Sciences, 3: 67-180. ##

[22]. Velusamy S, Sakthivel S, Sangwai JS (2018) Effects of imidazolium-based ionic liquids on the rheological behavior of heavy crude oil under high-pressure and high-temperature conditions, Energy and Fuels, 31, 8: 8764-8775. ##

[23]. Wu Ch, Lei G, Yao Ch, Jia X (2010) In situ upgrading extra-heavy oil by catalytic aquathermolysis treatment using a new catalyst based anamphiphilic molybdenum chelate, International oil and gas conference and exhibition, China, SPE-130333. ##

[24]. Sun X, Zhao S (2019) Application of ionic liquid in upgrading 6# solvent oil, Chinese Journal of Chemical Engineering, 17, 4: 703-706. ##