ارتقاء و ازدیاد برداشت نفت سنگین با استفاده از نانو ذرات؛ فرصت ها و چالش ها

 

 

1-   مقدمه

 شکی نیست که جهان در دستیابی به انرژی با چالش‌های دشواری مواجه است. انرژی در اثر عواملی مانند افزایش جمعیت جهان، تقاضای رقابتی از کاربران مختلف، افزایش صنعتی شدن و ماشینی شدن جهان و افزایش توسعه فنی و استانداردهای زندگی کاهش یافته است. بنابراین جستجو برای منابع انرژی جایگزین که می‌تواند از منابع طبیعی تولید شود، ضروری است.

منابع انرژی طبیعی کشف شده، شامل بیومس2، روغن‌های گیاهی، بیودیزل3 و... است. بهره‌برداری از این منابع پرهزینه است و در برطرف کردن تقاضای انرژی کافی نیستد. علاوه‌بر این، معمولاً این نوع سوخت‌ها نیاز به فرموله کردن دارند. مهم‌تر از همه، به بررسی دقیق برای ارزیابی مزایا و معایب و کاربردهای خاص نیاز دارند. این حقایق منجر به افزایش تقاضا برای بازیابی نفت‌های غیر متداول به منظور برآورده کردن نیازهای فعلی و آینده انرژی می‌شود.

 براین اساس، به دلیل افزایش علاقمندی به استفاده از ذخایر انرژی جایگزین و سوخت‌های فسیلی، مانند نفت خام غیر متداول، ماسه‌های نفتی آلبرتا4 تبدیل به یک منبع مهم انرژی جایگزین شده است. آژانس بین‌المللی انرژی (IEA) 5 پیش بینی کرده است که تا سال 2030 حدود 60 درصد از کل رشد انرژی جهان از منابع سوخت فسیلی مثل نفت سنگین، زغال سنگ و گاز طبیعی خواهد بود. با این حال، با توجه به ویسکوزیته بالا، نسبت هیدروژن به کربن پایین ومحتوای گوگرد و نیتروژن بالا، چالش‌هایی در ارتباط با بازیابی قیر طبیعی وجود دارد. برای غلبه بر این چالش‌ها به جایگزین ممکن اقتصادی و پایدار نیاز است. کاهش هزینه مرتبط با تولید و حمل ونقل ماسه‌های نفتی و بهبود کیفیت نفت خام مصنوعی از جمله چالش‌هایی است که باید حل شود. فناوری نانو یک فناوری در حال رشد با مزایا و برنامه‌های کاربردی قابل توجه است که فرصت‌های جدیدی را برای توسعه بیشتر جایگزین‌های مقرون به صرفه و سازگار با محیط زیست، به‌منظور فرآیندهای بازیابی نفت سنگین فراهم می‌کند. از فناوری نانو، به علت خواص فیزیکی و شیمیایی منحصربه‌فرد ذرات در مقیاس نانو، در فرآیندهای بازیابی نفت سنگین استفاده می‌شود. در جهان فناوری نانو، اندازه قطر ذرات بین 1 تا 100نانومتر است. به عبارت دیگر، زمانی که اندازه ذرات کاهش می‌یابد (برای مثال 1-100 نانومتر) خواص به طور چشمگیری شروع به تغییر می‌کند و درصد اتم‌ها در سطح یک ماده زیاد و قابل توجه می‌شود. سلول کوانتومی6، سطح رزونانس پلاسمون7، تمایل جذب بالا، فعالیت کاتالیزوری پیشرفته، توانایی پخش شدگی خوب و واکنش درونی، تنها برخی از خواص منحصربه‌فرد مرتبط با نانوذرات است.

امروزه، به دلیل این ویژگی‌ها، نانوذرات در بخش‌های وسیعی از برنامه‌های مهندسی، مانند افزایش بازیابی نفت سنگین، فناوری سلول سوختی، نانوکامپوزیتی‌های پلیمری8، کاتالیست‌ها و تصفیه فاضلاب استفاده می‌شود. با این حال، ابهاماتی در ارتباط با کاربردهای نانوذرات وجود دارد که باید بررسی شود.

 یکی از کاربردهای نانوذرات در صنعت نفت و گاز، استفاده از نانوذرات کاتالیزور برای افزایش بازیابی مواد نفت خام سنگین است. این کاتالیست‌ها علاوه‌بر مساحت سطحی بالا، توانایی پخش شدگی و فعالیت کاتالیزوری بالایی دارند. مهندسی اصلاح سطح نانوذرات با تنظیم ویژگی‌های آن و نیز امکان آماده‌سازی در محل باعث می‌شود که فناوری نانو گزینه‌ای منحصربه‌فرد و جذاب برای تبدیل و بازیابی نفت سنگین باشد. علاوه‌بر این، با توجه به اندازه کوچک آن وحرکت انتقالی، نانوذرات می‌تواند در محل مخزن، برای افزایش بازیابی مورد نیاز به‌کار گرفته شود.

در دانشگاه کال گری9، تحقیقات گسترده‌ای به صورت پایلوت درمورد سنتز نانوکاتالیست‌ها برای فرآیندهای بازیابی خارج از محل و در محل انجام شده است. با این حال، هنوز مسیر طولانی برای بررسی تمام جنبه‌های عملکرد و خواص این نانو کاتالیست‌ها وجود دارد. در این مقاله، به طور خلاصه به شناخت نانوذرات و رفتار آن‌ها به عنوان جاذب/کاتالیزور برای بازیابی نفت سنگین وهمچنین چالش‌های ممکن برای اجرای آن در آینده پرداخته می‌شود. همچنین در مورد دانش علمی و ابزار دقیق مربوط به اجرای نانو کاتالیست‌ها برای بازیابی قیر نفتی آتاباسکا10 بحث می‌شود. باید تحقیق جامعی از کاربرد فناوری نانو در تبدیل نفت خام و بازیابی آنکه فراتر از محدوده این مقاله است، انجام شود. هدف اصلی ما، بحث در مورد فرصت‌ها و چالش‌های استفاده از نانوذرات به عنوان جاذب/کاتالیزور دربازیابی نفت سنگین است.

 

2-تهیه نانوذرات با پراکندگی بالا در محل

یکی از گام‌های مهم برای به کار بستن ایده «پالایشگاه زیرزمینی»11 قرار دادن کاتالیزور درون محیط متخلخل برای بازیابی قیر طبیعی است. کاتالیزورهای پوشش داده شده تنها می‌توانند در چاه تولید قرار گیرند تا برای بازیابی در محل استفاده شوند. با توجه به رسوب کک و فلزات سمی که در سه فاز اتفاق می‌افتد، پوشش سیستم کاتالیزوری غیرفعال انجام می‌شود. فازهای سه گانه میزان‌های ثابت غیرفعال‌سازی کاتالیست هستند که از رسوب فلز و گرفتگی سایت‌های کاتالیست فعال ناشی می‌شود. رسوب کک بر شبکه تازه کاتالیست و غیرفعال‌سازی سریع کاتالیست با رسوب فلز ایجاد می‌شود که به گرفتگی منافذ منجر می‌شود. بنابراین بالا بردن مواد سنگین با راندمان مطلوب به منافذ بزرگ برای تحمل اجزای مواد اولیه نیاز دارد.

خواص کاتالیزورها، مانند تخلخل بالا و مقاومت در برابر گرفتگی منافذ، از خصوصیات مطلوب برای پردازش مواد خام سنگین است. به منظور غلبه بر مشکل گرفتگی منافذ، نانوکاتالیست‌های با پخش شدگی بالا برای کاربردهای صنعتی ساخته شده است. علاوه‌بر این، مفهوم پخش شدگی در صنعت کاتالیزور بسیار مهم است. کارشناسان در کاتالیزورهای تجاری به دنبال یافتن پخش شدگی بالای کاتالیست‌ها (UD) 12 برای دستیابی به تبدیل بالاتر در فشار و شرایط دمایی هستند؛ این دلیلی برای استفاده از کاتالیست‌های دیسپرس برای هیدروکراککینگ13 مواد خام سنگین است.

استفاده از نانو کاتالیست‌ها چندین مزیت دارد: 1) اندازه کوچک نانوکاتالیست‌ها باعث افزایش نسبت سطح به حجم می‌شود که منجر به بهبود عملکرد کاتالیزوری برای اهداف پردازش می‌شود. 2) به علت حرکت نانوکاتالیست‌ها درون راکتور امکان تماس بین واکنش دهنده افزایش می‌یابد که مقرون به صرفه است. 3) در صورت عدم وجود کاتالیزور با بستر ثابت، به علت تطبیق نانوکاتالیست‌ها درون محیط، امکان انجام واکنش برای تبدیل بدون نیاز به جایگزینی کاتالیزور وجود دارد. 4) در صورت نداشتن تخلخل در نانوکاتالیست‌های UD، فعالیت کاتالیستی در مقایسه با کاتالیزورهای پوشش‌دار از بین نمی‌رود. 5) انتشار نانوکاتالیست‌ها درون محیط متخلخل و واکنش در محل باعث انحلال قیر طبیعی و کاهش ویسکوزیته مایع تولیدی می‌شود. 6) پردازش در محل، هزینه عملیاتی را کاهش می‌دهد و نگرانی زیست‌محیطی مرتبط با تولید قیر طبیعی مانند انتشار گازهای گلخانه‌ای (GHG) 14 و تولید Sox و NOx، زباله‌های جامد و حتی مصرف آب شیرین را از بین می‌برد.

نانوکاتالیست‌ها درون محیط متخلخل برای بالا بردن تبدیل قیر طبیعی در مخزن به محصولات سبک‌تر وارد می‌شوند. شکل 1 سازوکار کاربرد بالقوه نانوکاتالیست‌ها برای تبدیل قیر طبیعی و بازیابی به کمک بخار در فرآیند زهکشی ثقلی15 (SAGD) را نشان می‌دهد. از آنجایی که SAGD فرآیند غالب برای بازیابی در تولید قیر طبیعی است، هدف نهایی استفاده از نانوکاتالیست‌ها، مزایای حضور نانوکاتالیست‌ها در داخل محیط متخلخل و همچنین سازوکار حراراتی هم‌زمان است. با این حال، یک مسیر طولانی و گسترده‌ برای تجاری‌سازی و ارائه روش آزمایشی برای فرآیندهای در محل درون محیط متخلخل، وجود دارد.

 

3- سنتز نانو کاتالیست ها

شماری از تکنیک‌های آماده‌سازی و تولید نانو کاتالیست‌ها گزارش شده است. این روش‌ها، همان‌طور که در شکل 2 دیده می‌شود، به دو روش بالا به پایین و پایین به بالا دسته‌بندی می‌شوند. روش بالا به پایین به این صورت تعریف می‌شود که نانوذرات به طور مستقیم از مواد حجیم از طریق اتم‌های جدا شده تولید می‌شود. استفاده از تکنیک‌های مختلف که شامل روش‌های فیزیکی، مثل آسیاب کردن، پردازش پرتو لیزر، فرونشاندن مکرر و فتولیتوگرافی16 در این روش رایج است. روش پایین به بالا نیز از ترکیبات مولکولی مواد به همراه واکنش‌های شیمیایی، هسته‌ای و فرآیندهای افزایشی، نانوذرات تشکیل می‌شود.

روش‌های پایین به بالای مختلفی برای آماده‌سازی نانو کاتالیست‌ها، مانند میکروامولسیون‌های آب در روغن یا میسل معکوس17، احیا شیمیایی، داغ- مایع18، سل ژل19، پیرولیز، و اسپری پیرولیز20 وجود دارد. روش میکروامولسیون‌های آب در روغن معمولاً برای تشکیل نانوذرات در محل در ماتریکس نفت سنگین استفاده می‌شود. آماده‌سازی امولسیون با مخلوط کردن، آب و یک عامل ثابت‌کننده مانند سورفاکتانت21 به‌دست می‌آید. در این راه روش آماده‌سازی و انتخاب شرایط برای داشتن میکرو امولیسون در محیط است. ویژگی‌های خاص حفظ میکروامولیسون مانند تنش سطحی بسیار پایین، ساختار کوچک، پایداری ترمودینامیکی و نیمه‌شفافی که می‌توان در برنامه‌های کاربردی مختلف به کار برد. روش آماده‌سازی میکروامولسیون آب در روغن در این مقاله شرح داده شده است. به طور خلاصه، محلول آبی فلزات مربوطه به یک امولیسون آب در روغن اضافه می‌شود و برای زمان مشخصی مخلوط می‌شوند. سپس، محلول آبی پایه برای شروع واکنش و تشکیل نانوذرات اضافه می‌شود که به صورت معلق باقی بماند. شکل 3 به طور ساده ساختار میسل معکوس نانو راکتور مورد استفاده برای تشکیل نانوذرات در محل را به تصویرمی‌کشد.

نانوکاتالیست‌ها را می‌توان با دو سیستم واکنشی (یکی حاوی پیش ساز‌های نمک و از سوی دیگر یک عامل کاهنده) در تشکیل میکروامولیسون‌ها به‌دست آورد. کپاک22 یک مطالعه جامع در تهیه نانوذرات میکروامولسیون w/o با فرمولاسیون برای آهن، پلاتین، نیکل، طلا، کادمیوم، سرب، نقره ومس انجام داده است. بنابراین، میکروامولسیون‌ها در دستیابی موفق برای تهیه نانوکاتالیست ها، به خصوص برای برنامه‌های کاربردی در محل مانند استخراج قیر طبیعی در نظر گرفته می‌شوند. برای تبدیل نفت سنگین، یک امولسیون در حضور بخارآب تولید می‌شود که کراکینگ نفت گاز خلا با امولسیون کاتالیست کاتالیزه می‌شود. علاوه‌بر این، تهیه یک محلول کاتالیستی نانوذره به‌وسیله‌ی تجزیه امولسیون برای انجام واکنش کاتالیز هیدروپراسینگ موفقیت آمیز بود. تامسون23 و همکاران، عملکرد نانوذرات Mo برای استخراج قیر طبیعی آتاباسکا را مورد بررسی قرار دادند. یک راکتور در مقیاس آزمایشگاهی با ذرات ماسه برای تشکیل مخلوط اکسی کاربیدها24 به‌وسیله‌ی MoO2 و MoC مورد استفاده قرار گرفت وهمچنین تجمع ناوکاتالیست‌ها با واکنش سورفاکتانت- مدیا افزایش یافت. با استفاده از روش میکروامولسیون، نیکل، مولیبدن و نانوذرات نیکل- مولیبدن (در حدود 10 نانومتر) برای گوگرد زدایی آبی با پتانسیل استفاده برای استخراج در محل و همچنین سطح آماده شده است. می‌توان نتیجه گرفت که سنتز و آماده‌سازی نانوکاتالیست‌ها بر اساس این مقاله با موفقیت انجام شده است. با این حال، پایداری نانوذرات درون محیط و کنترل اندازه ذرات و همچنین بازیابی و احیای ذرات هنوز یک مسئله مهم برای اجرای نانوذرات هستند.

 جداسازی مکانیکی و رسوب نانو کاتالیست‌های UD براساس حرکتشان درون محیط مایع ویسکوز استوانه‌ای بررسی شده است. مدل‌های همرفتی پراکنده 2D و 3D براساس آزمون‌های تجربی ایجاد شده‌اند. علاوه‌بر این، پروفیل غلظت (در محدوده مقیاس میکرو تا نانو) برای حرکت ذرات از طریق محیط مایع به عنوان تابعی از موقیعیت و زمان با موفقیت پیش بینی شد. نتایج منتشرشده نشان داد که ضریب پراکندگی تابعی از خصوصیات محیط سیال (چگالی، ویسکوزیته، جریان حجمی) است و برای تعداد زیادی ضریب پراکندگی تمایل ذرات را برای رسوب نشان داد. علاوه‌براین، تمایل رسوب ذرات مربوط به یک عامل یعنی «قطر بحرانی ذره»25 است. برای حالات مختلف (به عنوان مثال غلظت اولیه ذرات، تغییر سرعت، متوسط تغییر ویسکوزیته) که رسوب ذرات با پراکندگی بالا که در پایین‌تر یا بالاتر از قطر بحرانی ذرات رخ می‌دهد، باعث تغییر محیط ذرات می‌شود. شایان ذکر است که تراکم نانوذرات با پراکندگی بالا درون محیط، نقش مهمی در رسوب نانوذرات و همچنین کارایی نانوذرات تولید شده از پیش سازهای فلز مورد نظر را ایفا می‌کند.

باید توجه داشت که، تولید انبوه نانوکاتالیست‌ها در مقیاس فیلد برای کاربردهای تجاری نانوکاتالیست‌ها در صنعت نفت سنگین، چالش دیگری در این زمینه است. شایان ذکر است که تولید نانوکاتالیست‌ها برای آزمایش‌های راکتور بچ و همچنین آزمایش‌های پیوسته با موفقیت انجام شده است. با این حال، برای استفاده در مقیاس بزرگ، بایستی دسترسی به امکانات سطحی و یا منابعی که می‌تواند مقدار مورد نیاز نانوذرات را با صرفه اقتصادی تهیه کند، وجود داشته باشد.

 

4- امکانات لازم برای کاربرد نانوکاتالیست‌ها در استخراج نفت سنگین

انجام فناوری‌های جدید و پیشرفته به طور مستقیم مرتبط با سیستم‌های‌های – تیچ (سیستم کنترل) 26 برای توسعه صنعتی است. با توجه به مشکلات استخراج با نانوکاتالیست‌های UD، ضروری است که سیستم‌های کنترل برای جلوگیری از هرگونه خطر ایجاد شوند. با حضور هیدروژن و فشار بالا و شرایط دمایی، خطر گرفتگی و حتی انفجار وجود دارد که اجرای سیستم کنترل با سطح بالا نیاز است.

شکل 4 به طور شماتیک آزمایش استفاده از تزریق نانوکاتالیست‌ها به درون محیط متخلخل با فشار و دمای بالا را نشان می‌دهد. همان‌طور که دیده می‌شود، استفاده از بسیاری از ابزارهای پایش و همچنین سیستم‌های کنترل پیچیده برای اطمینان ازایمنی فرآیند لازم است. علاوه‌بر این، هزینه نانوکاتالیست‌ها برای استخراج قیر طبیعی در محل، در این مقاله هرگز ذکر نشده است. هزینه نانوکاتالیست‌ها در درجه اول به دسترسی محلی مواد اولیه، انواع، تکنیک‌های آماده‌سازی و روش‌های کاربرد آن بستگی دارد. با این وجود، نیاز به تحقیقات گسترده‌تری در تأثیر هزینه کاربرد نانوکاتالیست‌ها به عنوان یک فناوری جایگزین برای بهبود استخراج قیر طبیعی، احساس می‌شود.

 

5 – حرکت انتقالی نانوکاتالیست‌ها درون محیط متخلخل

موضوع مهم پس از آماده‌سازی و سنتز نانوکاتالیست‌ها در یک سیستم میکروامولسیون، کاربرد نانوکاتالیست‌ها برای استخراج قیر طبیعی، انتقال نانوکاتالیست‌ها در محیط متخلخل است. برای انجام موفق فرآیند بازیابی زیرزمینی، قرار دادن نانوکاتالیست‌ها در منطقه مناسب درون محیط ماسه نفتی ضروری است. باید توجه شود که یک منطقه بزرگ برای حرکت انتقالی از نانوکاتالیست‌ها در محیط متخلخل وجود دارد. با این حال، بسیاری از مطالعات بر انتقال حرکت نانوکاتالیست‌ها در فیلتراسیون بسترعمیق در تصفیه فاضلاب متمرکز شده است و نتایج به‌دست آمده نمی‌تواند برای شرایط واکنشی ماتریکس نفت ماسه‌ای به کار گرفته شود. بر این اساس اطلاعات بسیار کمی از جریان حرکت نانوکاتالیست‌های UD در بسترهای نفت ماسه‌ای موجود است. به تازگی، گروه تحقیقاتی ما حرکت انتقالی فلزات و نانوکاتالیست‌های چند فلزی با پراکندگی بالا، معلق در نفت گاز خلا، در شرایط آزمایشگاهی و بهره‌برداری مختلف درون یک محیط متخلخل ماسه نفتی را گزارش داده است. نتایج نشان داد که انتشار نانوکاتالیست‌های UD در یک بستر ستون ماسه نفتی در فشار و دمای معمولی فرآیند بازیابی SAGD امکان‌پذیراست، و کاهش نفوذپذیری و گرفتگی منافذ مشاهده نشد. لازم به ذکر است که آزمایش‌ها به‌وسیله‌ی زمانی و همکاران و در دمای پایین و بدون واکنش کراکینگ انجام شد که نشان داد نانو کاتالیست‌ها قادر به انتشار از محیط ماسه‌ای هستند، اما ذرات آگلومره بزرگتر فیلتر شده و درون محیط متخلخل باقی مانند. با این حال، محققان گزارش داده‌اند که نگهداری نانوکاتالیست‌ها اثر ناچیزی بر افت فشار دارد و باعث آسیب به نفوذپذیری محیط آزمایش نمی‌شود. علاوه‌براین، حفظ سازوکار در سطح به جذب سطحی نسبت داده شده و آنالیز نشان داد که جذب برگشت‌پذیر نیست. در نتیجه، پروفیل رسوب در طول بستر شن نشان داد که نانوکاتالیست‌ها درون محیط متخلخل عمیق فیلتر شده، اما در ورودی بسترماسه زمان ماند بالا اتفاق می‌افتد. گزارش شده است که 14 -18% از نانوکاتالیست‌ها که با پراکندگی بالا تزریق شده، عمدتاً در ورودی بستر ماسه باقی می‌مانند.

هاشمی و همکاران حرکت انتقالی نانوکاتالیست‌ها در ماسه‌های نفتی متخلخل در فشار بالا و دمای بالا در شرایط SAGD معمول را مورد بررسی قرار دادند. در این مطالعه، محققان در مورد اثرات دما و نفوذ پذیری بر روی حرکت انتقالی نانوکاتالیست‌های با پراکندگی بالا چندفلزی (نیکل – مولیبدن -..) درون یک بستر ستون ماسه نفتی آتاباسکا گزارش دادند. نتایج آزمایشات تجمع نانوکاتالیست‌ها در تمام موارد مشاهده شده را نشان داد. (به عنوان مثال دمای بالا و پایین و نفوذپذیری مختلف ماسه)

محققان نشان دادند که تمایل رسوب برای نانوکاتالیست‌ها به شدت تحت تأثیر نوع فلز، دما، نفوذپذیری ماسه‌ای است. افزایش دما باعث تجمع می‌شود که این به افزایش فرکانس برخورد ذرات به دلیل کاهش ویسکوزیته نفت سنگین و در نتیجه سرعت تجمع بالا نسبت داده شده است. علاوه‌بر این، نفوذپذیری بالای بستر ماسه نفتی مقدار کمی از رسوب نانوکاتالیست‌ها در مقایسه با بستر با نفوذپذیری متوسط دارد. و باز هم، رسوب نانوکاتالیست به طور عمده در ورودی منطقه تزریق اتفاق می‌افتد و به سرعت در سراسر منطقه واکنش کاهش می‌یابد. با این حال، در آزمایش مشابه با دمای پایین، رسوب نانو کاتالیست‌ها درون محیط متخلخل دارای تأثیر اندکی در نفوذ پذیری متوسط است. آنالیز افت فشار بدون صدمه به نفوذپذیری اصلی در سراسر منطقه واکنش را نشان می‌دهد.

 یکی از مهمترین جنبه‌های انتقال نانوکاتالیست‌ها درون محیط متخلخل، کنترل بیش از اندازه ذرات در طول تزریق و زمان واکنش است. علاوه‌بر افت فشار با کاهش نفوذپذیری، اندازه ذرات بر روی توانایی انتشار ذرات، تمایل جذب وفعالیت کاتالیستی نانوذرات درون محیط تأثیردارد. لازم به ذکر است که اکثر این مطالعات در مراحل اولیه برای انجام ایده استخراج در محل با نتایج امیدوارکننده برای ارتقا فناوری نفت سنگین در آینده هستند.

علاوه‌بر مطالعات زیاد آزمایشگاهی، مدل‌سازی ریاضی حرکت انتقالی نانوکاتالیست‌ها درون محیط متخلخل، اطلاعات با ارزشی در مفهوم انتقال جرم ذرات ارائه می‌دهد. چندین محقق مدل انتقال جرم و رسوب حرکت ذرات ریز در کانال‌های استوانه‌ای را مطالعه کرده‌اند. لازم به ذکر است که مدل‌سازی ریاضی از جمله فرآیندهای بسیار پیچیده است و گاهی اوقات نیاز به ترکیب با رابطه تجربی است. علاوه‌براین، وجود مایع ویسکوز در محیط حتی معادلات پیچیده‌تررا اجرا می‌کند. با این حال، اهمیت نانوکاتالیست‌های UD درصنایع نفت سنگین و قیر طبیعی لزوم انجام بررسی دقیق مطالعه در این زمینه را توجیه می‌کند. در یکی از مطالعات جدید، گروه تحقیقاتی یک مدل ریاضی برای انتقال و رسوب نانوکاتالیست‌ها را ایجاد کرده است که محاسبه ژئومتری کانال، خواص و ویژگی‌های محیط مایع، قطر و غلظت ذرات، و اثرات دما بر روی تجمع ذرات و رسوب نانوکاتالیست‌ها انجام می‌دهد. مدل همرفتی پراکنده 2-D و 3-D، پروفیل غلطت ذرات غوطه‌ور در محیط مایع محصور در سطح مقطع دایره‌ای را ارائه می‌دهد که با آزمایشات انجام یافته در تزریق اعتبار سنجی شد. با وجود تلاش‌های بسیار زیاد، تغییر فیزیکی خصوصیات محیط و ژئومتری، انجام آزمایشات جدید به منظور تخمین ضریب موجود در مدل معادلات ریاضی لازم است.

در نتیجه، انتشار نانوذرات درون محیط متخلخل امکان پذیراست ونانوکاتالیست‌های چند فلزی با پراکندگی بالا توانایی کنترل محیط متخلخل ماسه نفتی مخازن نفت سنگین هدف را ارائه می‌دهد که می‌تواند به عنوان جاذب/ کاتالیزور برای تبدیل نفت سنگین به کار بسته شود. با این حال، برخی از ذرات تزریقی می‌تواند در داخل محیط متخلخل باقی بماند. در نتیجه، ذرات رسوبی درون محیط می‌تواند فعالیت محیط را افزایش دهد و به‌وسیله‌ی مدل ریاضی پیش بینی شود.

 

6- مدل‌سازی سینیتیک واکنش

در بسیاری از ابعاد مدل‌های سینیتیک براساس نمایش واکنش کراکینگ، سینیتیک هیدروکراکینگ نفت سنگین ارائه شده است. حضور بسیاری از واکنش‌های موازی در هیدروکراکینگ و شبکه‌ای از واکنش‌ها برای مدل‌سازی سنیتیک را پیشنهاد می‌دهد. شکل 5 شماتیک یک گروه کلی از واکنش‌های هیدروکراکینگ و ثابت سرعت تقریبی برای هر واکنش متداول را نشان می‌دهد. همان‌طور که دیده می‌شود، برخی از واکنش‌ها سریع‌تراز دیگر فرآیندهای در طبیعت هستند.

 حضور مولکول‌های بزرگ مانند رزین‌ها برای نفت غیرمتعارف و آسفالتین در نفت سنگین و ماتریکس قیر طبیعی فرآیند سنتیک را بسیار پیچیده می‌سازد. به هرحال، روش معمول برای مطالعه سنیتیک قیر طبیعی، استفاده از مفهوم گروه‌های یکسان مرسوم همراه با تعریف شبه‌ترکیبات نشان دهنده مواد خام نفت سنگین است. لازم به ذکر است که انتخاب گروه یک گام بسیار مهم در این روش است و در نتیجه تعیین مطالعه مقدار آزمایش مورد نیاز با پارامترهای سنیتیک برآورد می‌شود. به طور کلی، معادله سرعت با توجه به مطالعه سنیتیک قیر طبیعی در نظر گرفته می‌شود. علاوه‌بر این، در این مقاله تعداد بیشتری از ترکیب‌های گروه کلوخه شده، منجر به معادلات پیچیده‌تر و همچنین دقت بالاتر در مدل‌سازی سنیتیک شد. شکل 6 شماتیک مدل سنیتیک توده‌ای که شامل مجموعه‌ای از واکنش‌های با ثابت سرعت معین است را نشان می‌دهد.

مدل‌سازی سنیتیک واکنش‌های قیر آتاباسکا در شرایط مختلف در این مقاله گزارش شده است. به خصوص، عملکرد هیدروکراکینگ کاتالیستی و غیر کاتالیستی قیر طبیعی آتاباسکا با استفاده از مدل سنیتیک توده‌ای که شامل ترکیبی از توابع جدا از هم است مورد بررسی قرار داد.

اعتقاد بر این است که ورود نانوکاتالیست‌ها به درون قیر طبیعی یا ماتریکس نفت سنگین باعث تغییر قابل ملاحظه‌ای در سازوکار واکنش با نانوکاتالیست‌ها، مسیر جدیدی برای واکنش آغاز می‌شود. گلارجا و همکاران، جهت انجام سنیتیک واکنش هیدرکراکینگ اولیه در حضور نانوکاتالیست‌های UD برای فرآیندهای قیر آتاباسکا، دو مدل مختلف سنیتیک مناسب داده‌های آزمایشگاهی مطرح کردند. مدل اول براساس قانون توان ساده مرتبه اول واکنش بود و مدل دوم شبیه مدل سنیتیک که به‌وسیله‌ی سانچز28 و همکاران مطرح شد، بود. این مدل با استفاده از مدل توده‌ای با سری واکنش‌های پیوسته بود. لوریا 29و همکاران، مدل سنیتیک اصلاح شده با استفاده از واکنش مشابه برای نانوکاتالیست‌ها پیشنهاد کردند. شکل 7 a و b هر دو مدل را نشان می‌دهد. پنج مرحله شبه‌توده ترکیب شامل: باقی‌مانده (R) ، نفت گاز خلا (VGO) ، تقطیرات (D) ، نفتا30 (N) ، و گازها (G) است. همان‌طور که دیده می‌شود، بین ثابت سرعت سنیتیک مربوط به واکنش‌ها کاملاً متفاوت است.

 براساس مشاهدات، ترکیبات تولیدی تطابق خوبی با داده‌های آزمایشگاهی با مقدار خطای کمتر از 7 درصد داشت. علاوه‌براین، پیش بینی ویسکوزیته مایعات تولید شده بسته به دما و زمان ماند، کاهش زیادی را نشان می‌دهد. مهمتر از آن، نشان می‌دهد که پیش بینی طرح مدل‌سازی صحیح و همچنین شرایط محلول دقیق موفقیت محصول را فراهم می‌کند. همراه با مطالعات دیگر، محققان مجموعه‌ای از مقالات در مورد تجزیه سنتیک قیر آتاباسکا و آسفالتین در حضور نانوکاتالیست‌ها منتشر کرده‌اند. با وجود تمام مطالعات انجام شده در این زمینه، تحقیقات کاملی در بسیاری از مناطق تجزیه سینتیک بر روی نفت سنگین و قیر طبیعی وجود دارد.

 

7- افزایش بازیابی

حضور نانوذرات درون محیط متخلخل بازیابی نفت خام را به‌وسیله‌ی حداقل دو سازوکار افزایش می‌دهد. ابتدا، هیدروکراکینگ کاتالیستی نفت سنگین در حضور هیدروژن و منبع گرما که ترکیبات سبک‌ترتولید می‌شود. دوم تغییر‌ترشدگی سطح محیط با پوشش نانوذرات است. تماس با گازهای هیدروکربن داغ منجر به هیدروکراکینگ نفت سنگین و قیر طبیعی و کاهش ویسکوزیته در منبع نفت شده و باعث افزایش محصول نفت سنگین می‌شود. هاشمی و همکاران نشان دادند که افزایش استخراج از طریق تزریق نانوکاتالیست‌ها درون محیط ماسه نفتی وجود دارد. با این وجود، فرآیند استخراج به‌وسیله‌ی همراه کردن یک روش حرارتی دیگرمؤثرتر است (به عنوان مثال، گرمایش الکتریکی یا احتراق درمحل). با تزریق نانوکاتالیست‌های انفرادی افزایش استخراج زیاد قابل توجه نیست. لازم به ذکر است که در اینجا انتخاب کیفیت بالاتر کاتالیست حامل (به عنوان مثال، نفت خام با غلظت بالا در نهایت سبک می‌شود) به درون محیط متخلخل افزایش استخراج بالاتر انتظار می‌رود. در چندین مطالعه آزمایشگاهی و تئوری با ترکیب نانوکاتالیست‌ها و تغییر‌ترشوندگی محیط متخلخل، نفت تولیدی افزایش می‌یابد. علاوه‌بر اندازه کوچک، سطح بزرگ نانوذرات می‌تواند به تغییر خواص سطح جامد محیط متخلخل به‌وسیله‌ی فرآیند پوشش در محل کمک کند. نانوذرات با تطبیق خواص به طور قابل توجهی کل‌ترشوندگی سیستم را تغییر می‌دهد. لازم به ذکر است که بسیاری از آثار منتشر شده در این مورد مطالعات آزمایشگاهی هستند و در کاربرد واقعی گزارشی در دست نیست. علاوه‌بر این، یکی از چالش‌های کلیدی برای استفاده از نانوکاتالیست‌ها در افزایش استخراج، روش ترکیب نانوکاتالیست‌ها برای فرآیندهای هیدروکراکینگ است. دراستخراج نفت سنگین در محل و فرآیندهای بازیابی SAGD، عوامل متعددی مانند تأثیر موانع و روش آزمایش‌های خوب تا به حال به طور کامل کشف نشده است. از این رو، اضافه کردن یک روش دیگر استخراج و یا سازوکار بازیابی جفت شده با روش موجود، پیچیدگی بیشتری به فرآیندهای بازیابی حرارتی اضافه خواهد کرد. در قسمت‌های بعدی بعضی از فرصت‌های بالقوه و چالش‌ها برای افزایش بازیابی قیر طبیعی را برجسته‌تر می‌کنیم.

 

8- افزایش کیفیت

بررسی کیفیت محصول در هر فرآیند استخراج که تعیین میزان ارزش مواد خام سنگین را افزایش داده بسیار مهم است. علاوه‌بر آن مقرون به صرفه بودن فرآیند، طراحی لوله‌های انتقال و همچنین مشخصات مرکز پردازش وابسته به کیفیت محصول است. بنابراین، کیفیت جریان مایع تولید شده از بازیابی براساس نسبت هیدروژن به کربن (H/C) ، درجه سبک یا سنگین بودن نفت (API gravity) 31، ویسکوزیته، محتوای باقی‌مانده کربن میکرو (MCR) 32، محتوای گوگرد و نیتروژن مشخص می‌شود.

8-1- نسبت اتمی H/C

یکی از ویژگی‌های اصلی نفت سنگین و قیر طبیعی مقدار کم نسبت H/C است. شکل 8 نسبت H/C برای نفت‌های خام مختلف را نشان می‌دهد. هرگونه افزایش نسبت H/C به عنوان شاخصی برای میزان تبدیل مواد خام اولیه است. فرآیند تبدیل حرارتی شامل کراکینگ به طور همزمان و هیدروژناسیون33 مولکول‌های سنگین، تولید ترکیبات سبک با مولکول‌های مشابه و نیز نسبت H/C بالاتر است. گلاراجا و پریارا-آلمو34 آزمایش کاتالیستی واکنش‌های هیدروپراسینگ35 به صورت بچ35 را با موفقیت انجام داده‌اند.

محققان نانوکاتالیست‌های معلق در محل با استفاده از امولسیون نفت سنگین و به دنبال آن آزمایش راکتور بچ با استفاده از سطوح مرزی از هیدروژن و ماسه برای تبدیل قیر طبیعی را مورد آزمایش قرار دادند. نتایج آزمایشات نشان داده است که افزایش نانوکاتالیست‌ها در بازیابی قیر طبیعی آتاباسکا با افزایش قابل توجهی از نسبت اتم‌های H/C و کاهش ویسکوزیته و تشکیل کک همراه است. علاوه‌براین، کاهش قابل توجهی از گوگرد و باقی‌مانده کربن میکرو مشاهده شد. شکل 9 افزایش نسبت H/C برای محصولات در 380 درجه سلسیوس و فشار 3.45 مگا پاسکال به‌دست آمده که تابعی از باقی‌مانده تبدیل را نشان می‌دهد که یک روند چند مرحله‌ای برای افزایش نسبت H/C وجود دارد، شواهد کافی برای حضور مؤثر نانوکاتالیست‌ها در داخل محیط متخلخل و اختلاط موثر هیدروژن با محصولات مایع را فراهم می‌کند. براساس نتایج به‌دست آمده، نانوکاتالیست‌ها می‌توانند نسبت H/C را با کراکینگ فرآیندهای هیدروژناسیون افزایش دهند. علاوه‌بر این، هرچه مقادیر تبدیل بالاتر باشد نسبت H/C بالاتر می‌شود.

8-2-کاهش ویسکوزیته و افزایش API

نتایج گزارش شده، اثربخشی نانوکاتالیست‌ها برای کاهش ویسکوزیته درآزمایش‌های بچ را نشان داده‌اند. ویسکوزیته به عنوان یکی از مهمترین عوامل برای حرکت قیر طبیعی در خط لوله در نظر گرفته می‌شود. برای حمل ونقل تجاری، درجه API قیر طبیعی به 19-21 افزایش یافته است و ویسکوزیته آن تقریباً کاهش یافته است (250 cP در 10 درجه سلسیوس). دراین متن، افزایش حرکت بیشتر بر روی سطح با استفاده از تسهیلات سطحی انجام شده است و یا رقیق‌کننده مناسب برای بررسی مواد اولیه خام استفاده می‌شود. آزمایش نانوکاتالیست‌های UD با استفاده از هیدروژن در راکتور بچ و راکتورهای بستر ثابت نشان داد که فرآیندهای بازیابی در محل می‌تواند برای انجام افزایش کیفیت قیر آتاباسکا که معیار انتقال در خط لوله بدون هرگونه رقیق‌کننده اضافی است، انجام شود. شکل 10 و 11 نمونه‌هایی از ویسکوزیته مایع تولید شده از راکتور بچ و راکتور با بستر ثابت هستند، به ترتیب دیده شده که حضور نانوکاتالیست‌ها درون محیط تأتیر بسیار زیادی بر روی کاهش ویسکوزیته قیر آتاباسکا دارد.

واضح است که در هر دو فرآیند (آزمایش بچ و بستر ثابت) ویسکوزیته محصولات در برابر زمان واکنش کاهش یافت. علاوه‌بر این، کاهش ویسکوزیته بالاتر در دماهای بالاتر اتفاق می‌افتد. در هر دو سری از این آزمایش‌ها از VGO به عنوان حامل نانوکاتالیست‌ها به درون محیط استفاده شده است. مسلماً با استفاده از حامل‌های سبک‌تر، کاهش ویسکوزیته بالاتر مشاهده می‌شود؛ دلیل این امر، رقیق‌سازی فرآیند کاتالیستی حرارتی در طول آزمایش‌های تبدیل همراه بود. علاوه‌بر کاهش ویسکوزیته، API محصولات می‌تواند به عنوان نشانه‌ای از بهبود کیفیت باشد.

در نتیجه بازیابی مواد خام سنگین، چگالی محصولات کاهش و API افزایش یافت. برای قیر طبیعی آتاباسکا، در هر دو آزمایش بچ و بستر ثابت، استفاده از نانوکاتالیست‌های UD، API مایعات تولیدی را بالاتر نشان داد. شکل 12 API در برابر درصد تبدیل در راکتور بچ را نشان می‌دهد. می‌توان مشاهده کرد که در API، 16 درصد تبدیل بالاتری حاصل شده است. علاوه‌بر این آزمایش بستر ثابت با زمان‌های واکنش مختلف، افزایش API در حضور و عدم حضور نانوکاتالیست‌های UD اندازه‌گیری شد و در حضور نانوکاتالیست‌های UD، بهبود قابل توجه‌ای‌شناسایی شد. شکل 13، API اندازه‌گیری شده در شرایط مختلف را نشان می‌دهد. واضح است که نانوکاتالیست‌ها در هر دو آزمایش به طور قابل توجهی API را بهبود می‌بخشند که باز هم ازپتانسیل برنامه کاربرد نانوکاتالیست‌ها برای افزایش بازیابی مواد خام سنگین حمایت می‌کند.

8-3- کاهش کک

شاخص دیگر از افزایش بهبود کیفیت، محتوای باقی‌مانده کربن میکرو (MCR) نمونه‌های مایع تولیدی است که از طریق آزمایش‌های استاندارد اندازه‌گیری شده است. اندازه‌گیری محتوای MCR به مقدار کربن باقی‌مانده اشاره می‌کند که در تصفیه حرارتی از مواد خام سنگین ایجاد می‌شود. در آزمایش راکتور بچ برای هیدروکراکینگ کاتالیستی قیر طبیعی آتاباسکا، محتوای MCRدر حضور نانوکاتالیست‌ها افزایش یافته است. شرایط آزمایش نانوکاتالیست‌های UD با تغییر MCR از 16 درصد وزنی تا 11 درصد در آزمایش‌های شاهد انجام شد. نانوکاتالیست‌های UD، در شرایط آزمایشی انتخاب شده برای آزمایش‌های شاهد MCR را از 16 درصد وزنی به حدود 11 درصد تغییر داد. برای آزمایشات پیوسته، مشاهدات مشابه منتشر شده در مورد کاهش MCR در نمونه‌های تولیدی است. شکل 14 کاهش MCR برای نمونه‌های تولیدی در حضور و عدم حضور نانوکاتالیست‌های UD را نشان می‌دهد. می‌توان دید که در دمای بالاتر و حضور نانوکاتالیست ها، کمترین مقدار MCR اندازه‌گیری شده که اثربخشی نانوکاتالیست‌ها برای واکنش هیدروکراکینگ را ثابت می‌کند و همچنین تأیید بهبود کیفیت واکنش هیدروکراکینگ و در نتیجه کاهش پتانسیل تشکیل کک است.

8-4- حذف گوگرد

ملاحظات زیست‌محیطی بسیار دقیقی بر روی محتوای گوگرد مواد قابل احتراق سوخت‌های فسیلی اجرا می‌شود. در فرآیندهای تصفیه حرارتی، یکی از مهمترین واکنش‌ها گوگرد زدایی در نظر گرفته می‌شود که شامل حذف گوگرد از ترکیبات نفتی برای تولید سولفید هیدروژن به عنوان ترکیبات سولفورزدایی است. به طور کلی، کاتالیست‌های دیسپرس، درصد حذف بالاتری از گوگرد را در مقایسه با کاتالیست‌های پوشش دار با توجه به دسترسی مؤثرشان نشان داده‌اند. شکل 15 و 16 به ترتیب میزان حذف مقادیر گوگرد برای قیر طبیعی آتاباسکا را در راکتورهای بچ و بستر ثابت در دماهای مختلف نشان می‌دهد. برای راکتور بچ حذف گوگرد، در دمای بالاتر از 380 درجه سلسیوس 50 درصد در زمان واکنش پایین (14 ساعت) بود. در آزمایشات پیوسته، غلظت گوگرد با هر دو زمان و دما (شکل 16) کاهش یافته است. می‌توان مشاهده کرد که حضور نانوکاتالیست‌های UD به طور چشمگیری حذف گوگرد را به ویژه در دماهای پایین‌تر افزایش داده است. این دوباره تأیید اثر بخشی نانوکاتالیست‌های UD در واکنش‌های گوگرد زدایی است. با این حال، در ارتباط با حذف گوگرد سولفید هیدروژن تولید می‌شود که می‌تواند سبب برخی جنبه‌های منفی در اجرای نانوکاتالیست‌ها درون محیط متخلخل باشد.

8-5- کاهش تشکیل کک

در طول فرآیند بازیابی حرارتی، تجزیه مواد خام سنگین در حضور رادیکال آزاد هیدروژن اشباع اتفاق می‌افتد و به دنبال آن ترکیبات سبک‌ترو مقدار زیاد کک و مقدار قابل توجهی از گازهای سبک مانند متان، اتان و CO2 تولید می‌شود. انتظار می‌رود که حضور کاتالیست‌ها درون محیط واکنش منجر به تولید مقادیر کمتر کک شود. کاتالیست می‌تواند مسیر جدیدی در شکل‌های واکنش ایجاد کند. نفت سنگین و قیر طبیعی حاوی حدود 50 درصد وزنی با نقطه جوش نرمال بالاتر از 545 درجه سلسیوس است. به منظور تبدیل مواد خام سنگین، کاتالیست‌های فرآیند‌های آبی باید در برابر رسوب فلز و تشکیل کک مقاوم باشند. بدین منظور، تحقیقات گسترده‌ای برای بهبود فعالیت کاتالیستی با ورود نانوکاتالیست‌های UD در تسریع فرآیندهای تبدیل مواد خام اولیه وجود دارد.

بر اساس نتایج منتشر شده، استفاده از نانوکاتالیست‌ها برای تبدیل قیر طبیعی آتاباسکا موفقیت آمیزنشان داده شد که کاربرد بالقوه نانوکاتالیست‌های UD را برای تبدیل تأیید می‌کند. در آزمایش راکتور بچ برای تبدیل قیر طبیعی آتاباسکا، تشکیل کک به طور قابل ملاحظه‌ای با استفاده از امولسیون نانوکاتالیست سه فلز، بدون هیچ آسیبی در باقی‌مانده تبدیل، کاهش یافت. با این حال با افزایش شدت شرایط واکنش، تشکیل کک به طور چشمگیری افزایش می‌یابد.

 شکل 17 محتوای کک تولیدی نمونه‌ها را در برابر زمان واکنش در دماهای مختلف در حضور و عدم حضور نانوکاتالیست‌های سه فلز، برای آزمایشات پیوسته37نشان می‌دهد. واضح است که، حضور نانوکاتالیست‌ها درون محیط متخلخل کیفیت کک تولیدی نمونه‌ها را افزایش می‌دهد. شایان ذکر است که در فرآیندهای حرارتی، دما تأثیر مهمی در تشکیل کک دارد. افزایش دما سرعت واکنش‌های کراکینگ را افزایش می‌دهد، واکنش‌های هیدروژن دار کردن که به طور ترمودینامیک دما مانع آن‌ها می‌شود را بهتر می‌کند. بنابراین، نسبت بالاتری از رادیکال‌های آزاد تشکیل شده و متعاقباً منجر به تشکیل مقدار بالاتری از کک می‌شود. کن پول و سنفورد38 مزیت ذکر شده را درکاتالیست دیسپرس درکاهش تشکیل کک که بسیار بهتر از کاتالیست پوشش دار شده در طول فرآیند تبدیل قیر طبیعی آتاباسکا در شرایط معمول را نشان دادند. با این حال، افزایش غلظت پخش شده مزیت معکوسی دارد؛ به علت اینکه ذرات کاتالیزوری به عنوان بذر برای کک عمل می‌کند.

 

9- کاهش انتشار گاز

بی شک تبدیل نفت سنگین و قیر طبیعی با فناوری‌های فعلی، مقدار انتشار گازهای گلخانه‌ای (GHG) را افزایش می‌دهد. به همین دلیل، ایالت آلبرتا اولین بار در شمال آمریکا کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای برای تسهیلات بزرگ صنعتی را قانونگذاری کرد.

یکی از فناوری‌های جدید امیدوار‌کننده تبدیل درمحل است. با هدف بهبود کیفیت نفت خام و کاهش سطح آلاینده‌های آن مانند گوگرد، نیتروژن به میزان خوبی و همچنین کاهش سطح انتشار گازهای گلخانه‌ای است. با این حال، انتشار گازهای تولیدی به‌وسیله‌ی نانوکاتالیست‌ها در طول فرآیند تبدیل در محل شناخته شده نیست. در یک مطالعه، هاشمی و همکاران، تأثیر نانوکاتالیست‌ها را درکاهش انتشار گازها مورد بررسی قرار دادند. نتایج نشان داد که حضور نانوکاتالیست سه فلز واکنش‌های هیدروژنی را افزایش می‌دهد و در نتیجه منجر به کاهش انتشار CO2 می‌شود. در بهترین حالت، در شرایط دما و فشار بالا، انتشار CO2 تا 50 درصد در مقایسه با حالت بدون حضور نانوکاتالیست‌ها در محیط کاهش می‌یابد. علاوه‌بر این نانوکاتالیست‌های UD تولید گازهای هیدروکربن که باعث هیدروکراکینگ می‌شود را افزایش می‌دهند که منجربه افزایش نفوذ حلال برای تولید نفت سنگین می‌شود. لازم به ذکر است که انتشار گازها یکی از مهمترین چالش‌ها در فرآیندهای تبدیل نانوکاتالیست‌هاست. بنابراین تحقیقات بیشتر و آزمایش‌هایی در مقیاس پایلوت برای بررسی جزییات بیشتر نیاز است.

 

10- بازیافت نانوکاتالیست ها

حضور نانوکاتالیست‌ها درون محیط همراه با هیدروژن به کیفیت مایع تولیدی از طریق هیدروکراکینگ کاتالیزوری کمک می‌کند. همان‌طور که پیش ازاین ذکر شد، سرعت غیرفعال‌سازی کاتالیست‌های کمکی متداول یکی از معایب اصلی نسبت به نانوکاتالیست‌های UD است. حضور مولکولهای سنگین در مواد خام سنگین دسترسی به محیط متخلخل در کاتالیست‌های را محدود کرده است چراکه کاتالیست‌های هیدروپراسینگ مقاوم به غیرفعال‌سازی باعث رسوب فلز و تشکیل کک می‌گردند. نانو کاتالیست‌های UD سطح مطلوبی از فعالیت واکنش و همچنین انتخاب سطح خوب را فراهم می‌کند. کلید کاربرد تبدیل در محل قابلیت بازیافت نانوکاتالیست‌ها خواهد بود که مقرون به صرفه برای فرآیندهاست و همچنین باعث کاهش اثرات زیست‌محیطی می‌شود. تحقیقات گروه، یک جایگزین امیدوارکننده برای فرآیندهای تبدیل حفاری را ایجاد کرد. شکل 18 نمایش شماتیک این فرآیند را نشان می‌دهد. همان‌طور که دیده شده، نانوکاتالیست‌ها به درون محیط متخلخل تزریق می‌شوتد و نفت تولیدی به خوبی بازیابی می‌شود. مایع تولیدی از مخزن شامل برخی از نانوکاتالیست فعال درون مواد باقی‌مانده غیرقابل تقطیر است که می‌توان بازیافت کرد و دوباره به مخزن متخلخل تزریق کرد.

 دانستن رفتار نانوکاتالیست‌ها دربسیاری از جوانب مانند پایداری و پتانسیل روش‌های بازیافت این ذرات کاملاً ضروری است. اگر نانوکاتالیست‌ها قبل از کم شدن پایداری و فعالیت کاتالیستی چندین بار استفاده شوند، فرآیند اقتصادی خواهد بود. بررسی مقالات نشان داد که عدم مطالعه گسترده در این زمینه کاملاً محسوس است. در یک بخش مهم کار، پلسو، نشان داد که بازیافت نانوذرات کاتالیستی امکان پذیراست. با این وجود، امکان تجمع ذرات، که فرآیندی آهسته و قابل برگشتی است، وجود دارد. برای درک روشنی از بازیافت بالقوه و چالش‌ها، تحقیقات آزمایشگاهی و آزمایش‌هایی در مقیاس پایلوت برای اجرای منافع اقتصادی در صنایع نفت سنگین موجود است.

 

11- مصرف هیدروژن

در فرآیند هیدروکانورژن39معمولی، مولکول‌های سنگین از مواد خام نفتی با نقطه جوش بالا، از هم جدا و از هیدروژن اشباع شده، و تشکیل ترکیبات سبک‌تر با نقطه جوش پایین‌تر و ناخالصی کمتر را می‌دهند. سرمایه‌گذاری بالا برای انجام این نوع از فرآیندها به دلیل اهمیت مصرف هیدروژن، مورد نیاز است. حضور هیدروژن، برش واکنش را بالا می‌برد که باعث کاهش تشکیل کک می‌شود، همچنین حذف هترواتم40 (اتم بدون کربن و هیدروژن) به‌وسیله‌ی فرآیند پلیمریزاسیون کنترل می‌شود. برای فرآیند تبدیل سطحی در شرایط بالای دما و فشار (350تا 430 درجه سلسیوس و 20-8.5 MPa) هیدروژن مورد نیاز به طور معمول در محدوده 200 -590 nm3/m3 که مرتبط با نسبت H2 نفت 505 و 1685 nm3/m3 است. لازم به ذکر است که در حال حاضر تکنیک بازیابی حرارتی در محل اکثراً وابسته به بویلرهای گاز طبیعی برای تولید بخار است. در این فرآیندها نیاز به مقدار زیادی از هیدروژن برای تبدیل قیر طبیعی است. برآورد شده است که در حال حاضر مصرف هیدروژن مورد نیاز صنعت انرژی کانادا با افزایش تولید قیر، به بیش از حدود 2.3 میلیون تن در سال 2020 روبه رو است. به عبارت دیگر برای نانوکاتالیست‌های سطحی، هیدروژن برای واکنش با مواد خام سنگین در حضور نانوکاتالیست ها، برای بهبود کیفیت واکنش‌ها لازم است. یک تخمین اولیه، براورد مقدار هیدروژن مورد نیاز بر اساس حلالیت آن در نفت خام است. با این حال، انجام فرآیند‌های تبدیل، به هیدروژن به مقدار زیاد نیاز دارد. علاوه‌بر این، با افزایش شدت واکنش، مصرف هیدروژن افزایش می‌یابد. لازم به ذکر است که میزان استفاده از هیدروژن در طول واکنش وابسته به کیفیت فرآیند تبدیل است. بنابراین، چالش اساسی برای فرآیندهای هیدروکراکینگ درمحل نگهداری و اجرای سطح بالایی از نظر شرایط ایمن خواهد بود. نکته قابل ذکر اینکه فرآیندهای مرتبط با استفاده هیدروژن به علت خطرات مرتبط با این گاز در صنعت بسیار حساس هستند. اضافه بر این، برای انجام یک برنامه در مقیاس فیلد، تهیه منابع مورد نیاز هیدروژن برای فرآیندهای تبدیل سطحی بسیار مهم است. علاوه‌بر این، در روش ورود هیدروژن به محیط متخلخل چالش‌هایی وجود دارد. برای تبدیل در محل عملیات SAGD، روش ممکن، تزریق هیدروژن از انژکتور است. در نهایت، در حضور دما و فشار بالا و همچنین کاتالیست، خطر تبدیل کک و گرفتگی منافذ محیط متخلخل وجود دارد و در نتیجه کاهش نفوذپذیری باید به عنوان یکی از خطرات احتمالی واکنش‌های تبدیل در محل در نظر گرفته می‌شود.

 

12- جلوگیری از تشکیل آسیب

چالش مهم دیگر در طول فرآیند تولید نفت، حرکت رسوب ناپایدار هیدروکربن‌های قطبی مانند آسفالتین درون محیط است. این چالش در نفت سنگین و قیر طبیعی با وجود مولکولهای سنگین درساختار شیمیایی آن‌ها قابل توجه‌تر است. یکی از برنامه‌های کاربردی نانومواد که به‌وسیله‌ی محققان مطالعه شده است، ممانعت از رسوب آسفالتین برای جلوگیری از آسیب به محیط متخلخل است. رسوب آسفالتین از طریق فرآیندهای مکانیکی یا شیمیایی در مخازن نفت می‌تواند تأثیر نفوذپذیری فاز تولید را کاهش دهد و در نتیجه شاخص بهره وری کاهش می‌یابد. بنابراین، حذف هیدروکربن‌های قطبی ناپایدار یا یافتن یک بازدارنده یا تأخیر در رسوب اهمیت زیادی دارد. نانوذرات از رسوب آسفالتین با جلوگیری از لخته و رسوب به طور همزمان با توجه به محتوای آسفالتین در محیط نفت جلوگیری می‌کند. برای کاربردهای سطحی، به منظور افزایش بازیابی، جذب آسفالتین در محل به خوبی به‌وسیله‌ی نانوذرات به عنوان یک روش برای افزایش بازیابی نفت است، در حالی که گرفتگی منافذ سنگی، ویسکوزیته، و آسیب کاهش می‌یابد. نانوذرات می‌توانند آسفالتین را از نفت جذب کنند و درسطح محیط متخلخل وارد شود، از این رو تأخیر انداختن حرکت رسوب آسفالتین با تغییرات در فشار، دما، و ترکیب و تغییر خیس‌شوندگی سطح با توجه به مزیت خیس‌شوندگی نانوذرات است. توانایی این نانوذرات برای پراکنده کردن و تثبیت توده آسفالتین از طریق جذب به هم پیوسته با اندازه‌های کوچک مفهوم استفاده از آن‌ها را برای جلوگیری از آسیب افزایش داده است. نانوذرات می‌توانند آسفالتین را به سرعت جذب کنند؛ این کار مانع از رسوب آسفالتین برای جلوگیری از همزمان لخته و رسوب باعث تثبیت محتوای آسفالتین در محیط نفت شده ومنجر به بازیابی بهتر می‌شود. قطر منافذ معمول در مخازن نفت طبیعی به طور کلی در حدود میکرومتر است. از این رو، نانوذرات در محیط متخلخل، بدون مشکل گرفتگی منافذ روبه رو هستند. با توجه به اندازه کوچکشان و در نتیجه سطح بزرگ، نسبت بالایی از اتم بر روی سطح نانوذرات انتظار می‌رود. این نتایج در افزایش انرژی سطحی در نانوذرات است، از این رو، جذب فعال و پرانرژی هیدروکربن‌های سنگین ناپایدار بر روی سطح می‌تواند به طور قابل توجهی انرژی سطح و خیس‌شدگی سیستم را تغییر دهد. بر این اساس، با تنظیم و تغییر خواص سطح نانوذرات، ممکن است به طراحی نانوسیال‌ها یا مایعات هوشمند که به طور معمول با اضافه کردن بخش حجمی کوچک نانوذرات در فاز مایع سنتز شده، که خواص برخی را بهبود می‌بخشد. علاوه‌بر این، بسیاری از نانوذرات اکسید فلزی طبیعتی آبدوست دارند و از این رو، جذب آن‌ها به درون سطح می‌تواند سطح ‌ترشوندگی را تغییر دهد. لازم به ذکر است که بسیاری از آثار منتشر شده در این مورد محدود به تحقیقات آزمایشگاهی و آزمایش‌ها در مقیاس آزمایشگاهی است. با این وجود، آزمایش‌های انجام شده به‌وسیله‌ی زابالا41 و همکاران در زمینه نفتی، استفاده ازنانوسیال برمبنای آلومینا به عنوان اصلاح‌کننده برای تغییر ترشوندگی مخزن نفت و مهار رسوب آسفالتین را نشان داده است. این آزمایش‌ها موفقیت نانوسیالات آلومینا برای افزایش تولید نفت و جلوگیری از آسیب به شکل ترکیب را ثابت می‌کند. محققان در این زمینه آزمایش‌هایی درمیدان نفتی در کلمبیا با استفاده از نانوسیالات برای مهار آسفالتین انجام داده‌اند. آن‌ها 14900 بشکه تولید اضافی بعد از 213 روز عملیات گزارش دادند. محققان نتیجه گرفتند که نانوسیال برمبنای آلومینای تثبیت شده عملکرد خوبی درون مخازن، حتی در شرایط نفوذپذیری بسیار پایین دارد و در تشکیل برای بیش از شش ماه خوب حفظ می‌شود.

 

13- اثرات زیست‌محیطی نانوذرات

فناوری نانو، علم و فناوری کنترل امور در مقیاس نانو است و نوید افزایش رونق اقتصادی در مناطق مختلف دنیا از حمل ونقل تا کشاورزی و سلامت است. در طول دهه‌های اخیر، بسیاری از نانومواد به بازار راه پیدا کرده‌اند و کاربرد‌های مستقیم و غیر مستقیم در جامعه دارند. با این حال، اطلاعات کمی از اثرات نانومواد بر روی سلامتی انسان و محیط زیست وجود دارد. علاوه‌بر این، نتایج این مطالعات نگرانی‌هایی در مورد اثرات این نانومواد را نشان داده‌اند.

از دیدگاه زیست‌محیطی، مزایای مرتبط با نانوذرات در ترکیب با چالش‌های موجود ممکن است پیش بینی را دشوار سازد. علاوه‌بر این، اطلاعات کمی در تولید، استفاده و دفع نانومواد و خطرات مرتبط با مواجهه نانومواد موجود است. علاوه‌بر این، روش‌های‌شناسایی، اندازه‌گیری، آنالیز و ردیابی نانومواد در حال توسعه است. فرآیند بازیابی نفت سنگین با استفاده از نانوذرات به عنوان جاذب / کاتالیست کاملاً جدید است و فرآیند شیمیایی چالش برانگیزی است و نیز فناوری نانو در دیگر مناطق با فرصت‌ها و چالش‌هایی روبه روست. اما وجود چالش‌های بسیار برای پوشش همه جنبه‌های کاربردی نانوذرات باید مورد بررسی قرار گیرد. به عنوان مثال، نانوذراتی که درون محیط رسوب شده‌اند چه درصدی از نانوذرات تزریق شده هستند و درمحل برای سال‌های زیادی باقی می‌مانند که هیچ مطالعه‌ای برای اثرات بلند مدت زیست‌محیطی انجام نشده است. از طرف دیگر بخشی از نانوذرات برای بازیابی نفت تزریق می‌شوند که همه جوانب استفاده از نانومواد باید به طور کامل مورد ارزیابی و مدل‌سازی قرار گیرند. علاوه‌بر این در کنار کاربرد‌های آن، آلودگی آبهای زیرزمینی با نانوکاتالیست‌های سنتز شده باید به عنوان عدم موفقیت کاربردی در نظر گرفته شود. تولید نانو کاتالیست‌های پایدار، با فعالیت بالا، انتخاب پذیری بالا، بازیابی مؤثر و همچنین پایداری و قابلیت بازیافت، مقرون به صرفه است. در حال حاضر، این گروه در حال کار بر روی توسعه و اجرای نانوذرات به طور طبیعی است که اثرات زیست‌محیطی کمتری در مقایسه با نانوذرات تجاری سنتز شده دارد.

 

14- نتیجه‌گیری

با توجه به خواص منحصربه‌فردی که نانوذرات با مواد حجیم مثل خود دارند، جاذب‌ها و کاتالیست‌ها پتانسیل قابل توجهی برای افزایش بازیابی نفت سنگین دارند. با این حال، استفاده از فناوری نانوذرات در صنایع نفت با محدودیت‌ها و چالش‌هایی مواجه است. این مطالعه برخی از کاربرد‌ها و چالش‌ها برای اجرای فناوری نانوذرات در بازیابی نفت سنگین را مورد بررسی قرار می‌دهد.

سنتز نانوذرات از طریق فناوری‌های مختلف انجام می‌شود. با این حال، تولید انبوه نانوذرات مورد نیاز و دسترسی امکانات سطحی، پایداری تولید حجم و کنترل اندازه ذرات برخی از موضوعات مهم هستند که باید در کاربردهای صنعتی به آن پرداخته شود. علاوه‌بر آن، هزینه پارامتر بسیار مهم در هر پروژه‌ای است که لازم است. برای جلوگیری یا کاهش هرگونه خطر مرتبط با ماهیت فشار و دمای بالا در شرایط واکنش دستیابی به سیستم کنترل ضروری است.

برای برنامه‌های در محل و واکنش‌ها در درون محیط متخلخل، از عوامل مهم حرکت انتقالی درون محیط متخلخل، تمایل به رسوب در سطح و در نتیجه آسیب به نفوذپذیری و همچنین افت فشار در سراسر محیط هستند. همراه با مطالعات آزمایشگاهی، مدل‌سازی ریاضی نفوذ نانوذرات و همچنین سنتیک‌های واکنش در محل نفت سنگین درون محیط هدف در شرایط واکنش اطلاعات مفیدی را فراهم می‌کند. نتایچ امیدوارکننده است و هنوز هم راه بسیار طولانی برای درک تمام جوانب حرکت نانوذرات درون محیط متخلخل وجود دارد.

حضور نانوذرات درون محیط متخلخل، فراهم کردن شرایط مناسب واکنش با عناصر مورد نیاز از جمله هیدروژن منجر به بازیابی بهتر می‌شود و همچنین کیفیت به طور قابل توجهی در 3 فاز مایع، گاز و جامد افزایش می‌یابد. افزایش ویسکوزیته، API، باقی‌مانده محتوای کربن (MCR) ، محتوای گوگرد و نیتروژن در فاز مایع قابل توجه است. افزایش کیفیت گازهای تولیدی در حضور هیدروژن و همچنین انتشار کمتر دی اکسید کربن در فاز گازی و کاهش محتوای کک تولیدی در فاز جامد آینده بسیار امیدوارکننده‌ای برای کاربرد نانوذرات در محل را نشان می‌دهد. علاوه‌بر این، نانوسیال‌ها برای تغییر ترشوندگی مخازن برای شرایط نفت آبی استفاده می‌شوند. تزریق نانوسیال‌ها به محیط متخلخل باعث مهار تجمع و رسوب آسفالتین در سطح صخره‌ها می‌شود و از این رو باعث بهبود بازیابی شده است. با این حال، چالش‌های زیست‌محیطی برای کاهش هرگونه خطر مرتبط با استفاده انبوه از نانوذرات باید به دقت بررسی شوند. در این رابطه، بازیابی و استفاده مجدد نانوذرات می‌تواند از لحاظ اقتصادی و همچنین کاهش اثرات زیست‌محیطی بسیار مفید باشد.

 

 

منبع:

R.Hashemi, N. N.Nassar, P. Pereira Almao, Applied Energy, 133 (2014) 374-387.