繊維液膜技術の原油前処理分野における応用研究

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要約：本論文では、繊維液膜を用いた原油前処理の物質移動分離原理について解説し、工業的試験および原油適用性に関する研究を行った。結果は、原油を3段階の繊維液膜前処理した後、塩分濃度が＜3.0mgNaCl/L、水分含有量が＜0.2％、カルシウムおよび鉄の含有量が＜10.0μg/g、切水油の含有量が＜150mg/Lとなり、各指標が工業的生産の要件を満たし、電気脱塩法よりも優れていることを示している。1. はじめに　液膜分離技術（Liquid membrane permeation, LMP）とは、混合物の各成分の浸透性の違いを利用して分離・精製または濃縮を行う分離技術であり、生体膜の物質移動機能を模倣した新しい型の分離方法です。この技術により、分離因子や選択性といった問題が解決されます。それは1968年にアメリカのエクソン社に勤務していた華人のリー・ニエンジー博士によって提唱されました。液膜分離技術は、固体膜分離技術に比べて、効率が高く、迅速で、選択性に優れ、省エネルギー的な利点がある。また、液液抽出法と比べては、抽出と逆抽出を同時に行え、分離・濃縮係数が高く、抽出剤の使用量が少なく、溶媒の損失も少ないという特徴がある。その中で、繊維液膜分離技術は近年、我が国の石油製品精製分野において急速に応用が拡大している。2、繊維液膜による原油前処理の伝質分離原理は、多数の特殊な親水性を持つ繊維糸を支持体とし、油と水の二相の表面張力の違いを利用して、繊維糸の表面に極めて薄い液膜を形成させる。原油はこの水相の液膜間を繊維糸に沿って下方に流動する過程で、拡散しない極めて大きな伝質面が形成され、伝質距離も短くなるため、分散混合による伝質がもたらす二相分離の困難な問題を回避できる。原油中の塩類物質は濃度差による力で水相の液膜へと移動し、そのうち水溶性の無機塩類物質は直接水相の液膜内に入る。一方、油溶性の有機塩類物質はまず水相の液膜表面にある脱塩剤と反応して水溶性の無機塩類物質に変化した後、水相の液膜内に入ることで、原油の脱塩が実現される。従来の原油電気脱塩プロセスと比較して、繊維液膜原油脱塩プロセスは以下の技術的特長を有する：工程が簡単で、外部からの電場や乳化破壊剤が不要である；物質移動効率が高く、脱水・脱塩・脱カルシウム・脱鉄の効果が優れている；二相の混入が少なく、原油処理後の水分およびCOD値が低い；空速が高く、処理量が多い；運用コストが低く、技術的・経済的に優れている；プロセスが環境に優しく、本質的な安全性が高い。 図1 繊維液膜原油前処理の基本フロー
3. 工業試験
中国石化学長嶺分公司は、繊維液膜原油前処理技術を用いて建設した8×103kt/aの原油三次膜脱塩工業試験装置を2014年5月に初めて稼働させ、現在も順調に運転されている。この装置で処理される原料は伊長パイプラインから供給される原油であり、その性状は表1の通りである。表1 伊長パイプライン原油の性状 項目　データ 項目　データ 密度（Kg/m3）963.8 硫黄（m%）0.9271 100℃における粘度（mm2/s）56.3 ニトロゲン（m%）0.5558 ゴム質分（m%）21.3 ニッケル（μg/g）35.5 アスファルテン分（m%）11.5 バナジウム（μg/g）245.0 3.1　脱塩効果は図2の通りで、工業試験装置において原油を3段階の繊維液膜処理によって処理した結果、塩分濃度は＜3.0mgNaCl/Lとなり、平均値はわずか1.5mgNaCl/Lであり、工業的な生産要件を満たしている。 図2 工業試験における原油の三段階繊維液膜処理後の塩分含有量は3.2であり、脱水効果は図3の通りである。工業試験装置で原油を三段階繊維液膜処理した後の水分含有量は＜0.2％となり、工業生産の要件を満たしている。 図3 工業試験における原油の三段階繊維液膜前処理後の水分含有量は3.3であり、脱金属効果は図4の通りである。工業試験装置ではKJ-FMT1専用の脱金属剤が使用され、原油を三段階繊維液膜で前処理することにより、カルシウムおよび鉄の含有量はほぼ＜10.0μg/g以下に抑えられ、そのうちカルシウムの除去率は＞80％、鉄の除去率は＞70％であり、工業生産の要件をほぼ満たしている。 図4 工業試験における原油の三段階繊維液膜前処理後のカルシウム・鉄含有量は3.4であり、切水油含有量は図5の通りである。工業試験装置で原油を三段階繊維液膜前処理した後の切水油含有量は＜150mg/Lとなり、工業生産の要件を満たしている。 図5 工業試験における原油の三段階繊維液膜前処理後の水分含有量　工業装置での統計データによると、原油を三段階繊維液膜で前処理することで、各種指標が工業的な生産要件を満たすことがわかった。電気脱塩プロセスと比較して、乳化剤の注入や外部電場が不要となり、運用コストが大幅に削減される；切水油含有量およびCOD含有量は電気脱塩プロセスに比べて明らかに低く、環境保護効果が顕著である。4、繊維液膜による原油前処理技術の適用性研究では、国内の精製所で処理される典型的な重質・低品質原油を対象に、その適用性について研究が行われた。図6のように、マルイ油を3段階の繊維液膜前処理した後の水分含有量は0.03％である；塩分濃度6.20mgNaCl/L、脱塩率97.05%；切水油含有量118.50mg/L。 図6 マルイ油繊維液膜による前処理効果　図7のように、タヘ原油を3段階の繊維液膜前処理した後、水分含有量は0.2％で安定している；塩分濃度の平均値は7.9mgNaCl/Lで、脱塩率は98％を超える；切水油の含有量は最低6.8mg/L、最高93.8mg/Lで、平均値は36.9mg/Lであった。各指標は、同期の電気脱塩工業装置を上回っている。 図7 タハー原油の繊維液膜による前処理効果
上記の試験結果から、繊維液膜技術は原油の前処理分野において、原油への適応性が高く、脱塩・脱水効果が優れ、かつ水分含有量が少ないという顕著な特徴を持つことがわかる。5、結論 原油がますます重質化・劣化するにつれて、国内の精製所が原油電気脱塩技術を採用する上で直面する問題は増え続けている。繊維液膜技術は、新しいタイプの高効率な物質移動技術として、原油の前処理分野での適用研究により、物質移動過程におけるエネルギー消費を効果的に削減し、混入物を減少させることができることが明らかになっています。また、投資コストの削減、占有面積の縮小、運用コストの低減といった利点があり、さらに原油への適応性も高く、優れた応用の展望があります。湖南長嶺石化科技開発有限公司2016年全国炼化工業先進技術交流会論文精選