反應(yīng)時(shí)間對(duì)催化水熱裂解降粘反應(yīng)前后稠油粘度

1、(1) 反應(yīng)時(shí)間對(duì)催化水熱裂解降粘反應(yīng)前后稠油粘度及降粘率的影響稠油經(jīng)過(guò)催化改質(zhì)降粘反應(yīng)完成后進(jìn)行脫水處理，測(cè)定反應(yīng)前后80粘度，考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)催化改質(zhì)降粘反應(yīng)前后稠油粘度及降粘率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖4-5和圖4-6。圖4-5 反應(yīng)時(shí)間與粘度關(guān)系圖4-6 反應(yīng)時(shí)間與降粘率關(guān)系由圖4-5和圖4-6可見(jiàn)，隨著反應(yīng)時(shí)間增加，反應(yīng)后稠油粘度下降，相應(yīng)的降粘率不斷升高，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間在1624h，稠油粘度下降明顯，降粘率大幅度的增加，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間超過(guò)24h后，隨著時(shí)間的增加，稠油粘度下降的幅度變化不大，相應(yīng)的降粘率上升的幅度不明顯，這表明24h是稠油催化改質(zhì)降粘最佳的反應(yīng)時(shí)間。與此同時(shí)，不添加超分散催化劑(水熱裂

2、解反應(yīng))和添加超分散催化劑兩種條件下的反應(yīng)結(jié)果對(duì)比表明，加入催化劑后隨著反應(yīng)時(shí)間的增加稠油的粘度下降較快，當(dāng)反應(yīng)時(shí)就為24h時(shí)，不加超分散催化劑的反應(yīng)稠油降粘率為27.42%，而在其它相同的反應(yīng)條件下，添加超分散催化劑后降粘率升至82.54%，這表明催化劑的存在促進(jìn)了稠油的催化水熱裂解降粘反應(yīng)。(2) 反應(yīng)時(shí)間對(duì)稠油族組成影響按照族組分法分析法測(cè)定反應(yīng)時(shí)間對(duì)稠油的族組成變化，結(jié)果見(jiàn)表4-4和圖4-7。表4-4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)稠油族組成影響反應(yīng)時(shí)間/h反應(yīng)前SARA/wt%反應(yīng)后SARA/wt%SARASARA1622.326.442.68.725.828.638.76.92427.930.536.

3、25.43228.230.835.85.24828.331.235.45.1圖4-7 反應(yīng)時(shí)間對(duì)稠油族組成影響由表4-4和圖4-7可以看出，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，飽和烴和芳香烴含量增加，而膠質(zhì)和瀝青質(zhì)含量降低。從各組分隨反應(yīng)時(shí)間的變化情況來(lái)看，在1624h族組分的變化幅度較大。而當(dāng)反應(yīng)時(shí)間超過(guò)24h以后，其族組分變化幅度較小，加入催化劑與不加催化劑相比，族組分發(fā)生了明顯的變化，飽和烴、芳香烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)比未加催化劑的飽和烴、芳香烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)要高，而膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量比未加催化劑的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量要低。這說(shuō)明催化劑的存在，降低反應(yīng)活化能，加速稠油的水熱裂解反應(yīng)，縮短了稠油水熱裂解反應(yīng)的時(shí)間。因此，反應(yīng)時(shí)間

4、24h作為催化改質(zhì)降粘反應(yīng)最佳反應(yīng)時(shí)間。4.1.4 加水量對(duì)稠油催化水熱裂解降粘影響在蒸汽存在的條件下稠油中某些化合物的裂解反應(yīng)，水作為反應(yīng)物之一，其存在肯定會(huì)影響反應(yīng)的進(jìn)行程度，因此本節(jié)考察了水在反應(yīng)體系中的含量對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響。為了考察在反應(yīng)體系中添加催化劑后水的存在對(duì)反應(yīng)的影響，溫度為240，超分散型催化劑添加量為0.10wt%，反應(yīng)時(shí)間24h，改變反應(yīng)體系中水的加入量，考察水的加入量對(duì)稠油催化水熱裂解降粘反應(yīng)的影響。(1) 加水量對(duì)催化水熱裂解降粘反應(yīng)前后稠油粘度及降粘率的影響 圖4-8 加水量與粘度關(guān)系 圖4-9 加水量對(duì)降粘率影響圖4-8和圖4-9為加水量對(duì)催化改質(zhì)降粘反應(yīng)前后稠油

5、粘度及降粘率的影響。從圖4-8和圖4-9中可以看出，隨著反應(yīng)體系中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，稠油的粘度下降，相應(yīng)的降粘率上升，當(dāng)水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)30%后，粘度下降，降粘率上升的趨勢(shì)逐漸達(dá)到平衡，說(shuō)明對(duì)于稠油的催化改質(zhì)降粘反應(yīng)，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的水是較合適的加水量。與此同時(shí)，對(duì)比在有無(wú)催化劑存在下，加水量對(duì)稠油組成的變化，再次證明了所選用的催化對(duì)稠油的催化改質(zhì)降粘反應(yīng)有明顯的催化作用。(2) 加水量對(duì)稠油族組成影響按照族組分法分析法測(cè)定加水量對(duì)稠油的族組成變化，結(jié)果見(jiàn)表4-5和圖4-10。表4-5 加水量對(duì)稠油族組成影響加水量/%反應(yīng)前SARA/wt%反應(yīng)后SARA/wt%SARASARA022.

6、326.442.68.722.326.442.68.71025.129.339.26.42027.130.136.863027.930.536.25.44028.130.6365.35028.230.735.95.2圖4-10 加水量對(duì)稠油族組成影響由表4-5和圖4-10可以看出，隨著反應(yīng)體系中加水量的增加，稠油的族組成發(fā)生變化。但當(dāng)加水量超過(guò)30%以后，這種變化趨勢(shì)趨于平衡，說(shuō)明對(duì)于催化改質(zhì)降粘反應(yīng)過(guò)程中，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的水加量是較合適的加水量。與此同時(shí)，加入催化劑與不加催化劑(水熱裂解反應(yīng))相比，族組分發(fā)生了明顯的變化，飽和烴、芳香烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)比未加催化劑的飽和烴、芳香烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)要高，而膠

7、質(zhì)、瀝青質(zhì)含量比未加催化劑的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)含量要低。加水量對(duì)稠油族組成的影響，再次證明了實(shí)驗(yàn)選用的催化劑對(duì)稠油的催化改質(zhì)降粘反應(yīng)有明顯的催化作用。4.1.5 反應(yīng)前后稠油元素分析世界上各種原油的性質(zhì)雖然差別較大，但其主要由碳、氫、硫、氮、氧五種元素所組成，另外還有極少量金屬元素。對(duì)采出稠油進(jìn)行元素分析來(lái)確定采出稠油性質(zhì)及結(jié)構(gòu)變化。選擇催化改質(zhì)降粘反應(yīng)確定的最佳條件，反應(yīng)溫度為240，反應(yīng)時(shí)間24h，加入水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，加入催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的條件下對(duì)稠油進(jìn)行催化水熱裂解降粘反應(yīng)，按照元素分析方法，對(duì)催化改質(zhì)降粘反應(yīng)前后稠油組成中元素含量進(jìn)行了分析，分析結(jié)果見(jiàn)表4-6。表4-6 催化水

8、熱裂解降粘反應(yīng)前后稠油元素分析名 稱(chēng)C(wt%)H(wt%)S(wt%)O(wt%)N(wt%)H/C(原子數(shù)比)反應(yīng)前86.0811.160.421.710.631.55反應(yīng)后84.0214.620.050.780.532.09 由表4-6實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，催化劑的作用下，稠油的元素組成發(fā)生了較為明顯的變化。主要表現(xiàn)為反應(yīng)后稠油中的C含量降低，H含量增加，H/C提高，而雜原子與C的比值卻下降。H/C原子數(shù)比是稠油通過(guò)井下改質(zhì)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)改質(zhì)的重要影響參數(shù)，H/C原子數(shù)比升高是稠油質(zhì)量改進(jìn)的標(biāo)志，因?yàn)橛辛烁嗟暮琀輕組分，硫原子含量減小更為明顯。稠油經(jīng)催化改質(zhì)降粘反應(yīng)之后，表明催化劑對(duì)于稠油的催化

9、水熱裂解改質(zhì)反應(yīng)有良好的催化效果，可使蒸汽吞吐條件下稠油的品質(zhì)得到改善。 4.1.6 催化水熱裂解降粘反應(yīng)前后稠油油樣分析確定最佳催化改質(zhì)降粘反應(yīng)條件，反應(yīng)溫度為240，反應(yīng)時(shí)間24h，加入水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，催化劑加入量為wt0.1%。在此條件下對(duì)稠油進(jìn)行催化改質(zhì)降粘反應(yīng)，反應(yīng)后的稠油采用傅立葉變換紅外光譜儀對(duì)樣品進(jìn)行紅外分析，分析結(jié)果見(jiàn)圖4-11。 圖4-11 超分散催化改質(zhì)降粘反應(yīng)與水熱裂解降粘反應(yīng)后稠油IR對(duì)比圖圖4-11為水熱裂解降粘反應(yīng)與催化改質(zhì)降粘反應(yīng)后稠油紅外譜對(duì)比圖，其中第一個(gè)圖表示水熱裂解降粘反應(yīng)后稠油紅外光譜圖，第二個(gè)圖催化改質(zhì)降粘反應(yīng)后稠油紅外光譜圖。由圖3-15可知

10、，第一個(gè)圖2956 cm-1、2857cm-1處甲基、亞甲基的碳?xì)滏I伸縮振動(dòng)峰，1459 cm-1、1375 cm-1處甲基、亞甲基的彎曲振動(dòng)吸收峰，722 cm-1處為(CH2)n（n4）長(zhǎng)鏈烴的特征峰，1614 cm-1處為芳烴特征峰消失，該峰是與苯環(huán)相連或烯烴的C=C鍵伸縮振動(dòng)峰，可能發(fā)生了加氫反應(yīng)后生成的C-C鍵后致使該吸收峰消失，增加了2925 cm-1 為CH2反對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)吸收峰。經(jīng)溶劑改質(zhì)后，甲基、亞甲基及長(zhǎng)鏈烴的特征峰相應(yīng)出峰位置的峰形變寬、變強(qiáng)，說(shuō)明改質(zhì)后，飽和烴中鏈烴增多，而且烴類(lèi)的飽和度增加。改質(zhì)后芳烴的特征峰變化也較為明顯。甲基、亞甲基，及長(zhǎng)鏈烴的特征峰都有所增強(qiáng)，芳

11、烴特征峰有增強(qiáng)，其原因可能是改質(zhì)后原油經(jīng)過(guò)脫瀝青后膠質(zhì)裂解產(chǎn)生一部分芳烴，從而芳烴特征峰增強(qiáng)。第二個(gè)圖2923 cm-1、2853cm-1處的甲基、亞甲基碳?xì)滏I伸縮振動(dòng)峰，及1458 cm-1、1372 cm-1處甲基、亞甲基的彎曲振動(dòng)吸收峰，710 cm-1處有(CH2)n（n4）長(zhǎng)鏈烴的特征峰，及 1610 cm-1附近、900810 cm-1處有芳烴特征峰。甲基、亞甲基，及長(zhǎng)鏈烴的特征峰都有所增強(qiáng)，芳烴特征峰有增強(qiáng)，其原因可能是改質(zhì)后原油經(jīng)過(guò)脫瀝青后膠質(zhì)裂解產(chǎn)生一部分芳烴，從而芳烴特征峰增強(qiáng)。4.2 油藏礦物與催化劑對(duì)稠油水熱裂解反應(yīng)的催化作用研究關(guān)于油藏礦物的催化作用，美國(guó)礦物學(xué)家Gr

12、im和化學(xué)家Brooks首先發(fā)現(xiàn)礦物對(duì)有機(jī)質(zhì)生烴反應(yīng)有催化作用。在注蒸汽開(kāi)采稠油過(guò)程中，國(guó)內(nèi)外研究者已發(fā)現(xiàn)油藏礦物對(duì)稠油裂解反應(yīng)具有一定的催化作用44。然而，對(duì)于注蒸汽熱采情況下稠油水熱裂解反應(yīng)，油藏礦物能否發(fā)揮其催化潛力還有待于探索。為了了解注蒸汽條件下油藏礦物在稠油水熱裂解反應(yīng)中的作用，開(kāi)展了油藏礦物對(duì)稠油水熱裂解反應(yīng)的催化性能研究。4.2.1實(shí)驗(yàn)用礦物組成、含量及性質(zhì)本實(shí)驗(yàn)取遼河油田目的油層的所提供的資料，它代表實(shí)驗(yàn)用油樣的油層條件。將巖心粉碎成，取粒度為100300m的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其礦物組成及含量分析結(jié)果見(jiàn)表4-6。表4-6 實(shí)驗(yàn)用油層礦物性質(zhì)及含量分析礦物分類(lèi)礦物名稱(chēng)含量/%巖石礦物石

13、英54.5鉀長(zhǎng)石18.2斜長(zhǎng)石13.9方解石1.3白云石1.2菱長(zhǎng)石0菱錳礦1.4粘土礦物總含量9.5粘土礦物相對(duì)含量蒙脫石90.8伊利石4.9高嶺石2.1綠泥石2.24.2.2 油層礦物對(duì)稠油粘度變化在反應(yīng)釜中裝入定量原油，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的水，反應(yīng)溫度為240，反應(yīng)時(shí)間為24h，加入催化劑濃度為0.1wt%，10wt%油層礦物。對(duì)反應(yīng)前后的稠油，在80下用HAAKE RS600流變儀測(cè)定其粘度，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表4-7。從表4-7中可以看出，稠油經(jīng)水熱裂解反應(yīng)后，粘度下降了27.42%，加入催化劑和油層礦物后其粘度下降74.76%，這說(shuō)明了油層礦物對(duì)稠油的水熱裂解反應(yīng)有催化作用。表4-7 反

14、應(yīng)前后稠油粘度及其降粘率變化名稱(chēng)反應(yīng)前粘度/mPas反應(yīng)后粘度/mPas降粘率/%水熱裂解845.5613.6627.42催化水熱裂解232.1772.54油層礦物作用下催化水熱裂解213.474.764.2.3 油層礦物對(duì)稠油族組分變化把稠油放入高溫高壓反應(yīng)釜中，以制備出的超分散催化劑作為催化改質(zhì)降粘反應(yīng)用催化劑，在反應(yīng)釜中裝入定量原油，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的水，反應(yīng)溫度為240，反應(yīng)時(shí)間為24h，加入催化劑濃度為0.1wt%，10wt%油層礦物，反應(yīng)完成后分析油樣的組成的變化。表4-8 油層礦物對(duì)稠油族組成影響名稱(chēng)反應(yīng)前SARA/wt%反應(yīng)后SARA/wt%SARASARA水熱裂解22.3

15、26.442.68.727.930.536.25.4催化水熱裂解28.130.6365.3油層礦物作用下催化水熱裂解29.331.833.75.2按照液固色譜組分分離測(cè)定稠油族組分分析，對(duì)反應(yīng)前后的稠油SARA進(jìn)行了分析。并假定油層礦物在反應(yīng)過(guò)程中的質(zhì)量不變，因此在計(jì)算瀝青含量時(shí)應(yīng)扣除實(shí)驗(yàn)中加入的油層礦物的量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4-8。從表4-8中可以看出，加入油層礦物后，稠油中的飽和烴和芳香烴增加，膠質(zhì)和瀝青質(zhì)減少，飽和烴由原始的22.3wt%增加29.3wt%，芳香烴從26.4wt%增加到31.8wt%，膠質(zhì)從42.6wt%減少到33.7wt%，瀝青質(zhì)由8.7%減少到5.2wt%。這說(shuō)明油層礦物

16、的存在，對(duì)稠油的水熱裂解反應(yīng)有催化作用。與此同時(shí)，與不加油層礦物的催化水熱裂解反應(yīng)相比，加有油層礦物、催化劑的水熱裂解反應(yīng)中，飽和烴、芳香烴的含量進(jìn)一步增加，而膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的含量進(jìn)一步降低，這表明，在水熱裂解反應(yīng)中，油層礦物和催化劑，對(duì)稠油的水熱裂解反應(yīng)有協(xié)同作用。圖4-12 不同反應(yīng)條件下稠油族組成變化4.2.4 油層礦物對(duì)稠油平均分子量的影響以吡啶為溶劑，在45下用VPO法測(cè)定稠油和反應(yīng)前后瀝青質(zhì)的平均分子量，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表4-9。在反應(yīng)釜中裝入定量原油，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的水，反應(yīng)溫度為240，反應(yīng)時(shí)間為24h，加入催化劑濃度為0.1wt%，10wt%油層礦物，反應(yīng)完成后測(cè)定油樣的平均分

17、子量。表4-9 油層礦物對(duì)稠油及瀝青質(zhì)平均分子量影響名稱(chēng)稠油平均分子量瀝青質(zhì)平均分子量反應(yīng)前6365318水熱裂解反應(yīng)4935027催化水熱裂解反應(yīng)3523692油層礦物作用下催化水熱裂解反應(yīng)3373607從表4-9中可以看出，稠油經(jīng)水熱裂解反應(yīng)后其平均分子量變化不明顯，而經(jīng)催化水熱裂解反應(yīng)后，稠油的分子量從636降低到352，而加入油層礦物后催化水熱裂解反應(yīng)后降低到337，這說(shuō)明在蒸汽處理過(guò)程中油層礦物對(duì)稠油的水熱裂解反應(yīng)有促進(jìn)作用，當(dāng)催化劑、油層礦物共存的情況下，稠油的平均分子量降低到了337。這進(jìn)一步說(shuō)明了油層礦物對(duì)稠油的水熱裂解反應(yīng)有催化作用。同時(shí)，從反應(yīng)后稠油中分離出的瀝青質(zhì)的分子量

18、測(cè)定結(jié)果表明，稠油經(jīng)水熱裂解后有所降低，加入油層礦物和催化劑后，瀝青質(zhì)的平均分子量大大降低。這種變化趨勢(shì)說(shuō)明了油層礦物在催化水熱裂解反應(yīng)進(jìn)行的同時(shí)，抑制了瀝青質(zhì)的聚合作用，從而造成了其平均分子量的降低。這也從理論上解釋了稠油經(jīng)水熱裂解反應(yīng)后粘度降低。因?yàn)檎扯仁且后w流動(dòng)性的指標(biāo)，是分子間作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)分子間的磨擦而產(chǎn)生的內(nèi)部阻力的大小。分子越大，它們之間的相互作用就越大，流動(dòng)所需的能量就越多，因此粘度就越大45。4.2.5 油層礦物作用下催化水熱裂解正交實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)研究在以往實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，固定反應(yīng)條件溫度為 240，設(shè)計(jì)如下正交實(shí)驗(yàn)：表4-10 因素水平表名稱(chēng)123A 油層礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%51015B

19、 催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%0.050.10.3C 加水量/%103050D 反應(yīng)時(shí)間/h162436通過(guò)表 4-11對(duì)正交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析可知，RB RD RC RA，各因素對(duì)降粘效果的影響依次為催化劑的量、反應(yīng)時(shí)間、油水比、油層礦物。最佳工藝條件是：A3B3C3D3，即油層礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%，催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%，加水量為50%，反應(yīng)時(shí)間為 36h，降粘率達(dá) 83.36%。表4-11 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果編號(hào)A油層礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%B催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%C加水量/%D反應(yīng)時(shí)間/h降粘率/%實(shí)驗(yàn)150.05101646.83實(shí)驗(yàn)250.1302473.05實(shí)驗(yàn)350.3503681.63實(shí)驗(yàn)4100.053

20、03663.95實(shí)驗(yàn)5100.1501660.71實(shí)驗(yàn)6100.3102478.12實(shí)驗(yàn)7150.05502465.84實(shí)驗(yàn)8150.1103674.07實(shí)驗(yàn)9150.3301669.81K167.17058.87366.34059.117K267.59369.27768.93772.337K369.90776.52069.39373.217R2.73717.6473.05314.14.3 本章小結(jié)通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，研究了稠油在高溫水、催化劑的作用下的改質(zhì)降粘反應(yīng)及其影響因素，主要得出如下結(jié)論：(1) 給出了超分散型催化劑配方，通過(guò)非離子表面活性劑山梨醇酐單油酸酯水/油乳狀液，基礎(chǔ)油(初餾點(diǎn)623

21、 K)，(NH4)6Mo7O24 4H2O作為催化劑的前驅(qū)體合成出超分散鉬基催化劑。(2) 根據(jù)制備的超分散催化劑對(duì)促進(jìn)稠油水熱裂解反應(yīng)的效果，與未添加催化劑相比，在反應(yīng)溫度為240，加水量30wt%的體系中，添加0.1wt%的超分散催化劑，反應(yīng)24h后稠油的降粘率可以增加30%左右，瀝青質(zhì)含量下降，膠質(zhì)含量下降，芳香分含量增加，飽和分含量增加，族組成中重組分中膠質(zhì)和瀝青質(zhì)含量降低，輕組分中飽和分和芳香分含量增加。稠油中C含量降低，H含量增加，H/C提高，而雜原子與C的比值下降。油層礦物的存在，可加劇稠油的水熱裂解反應(yīng)，稠油組成的變化更明顯，粘度下降到更低。當(dāng)加入10%的油層礦物時(shí)，使稠油的粘

22、度的降低值增加6%以上。(3) 正交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析可知，最佳工藝條件是：油層礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%，催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%，加水量為50%，反應(yīng)時(shí)間為 36h，降粘率達(dá)83.36%。第五章 稠油改質(zhì)降粘作用機(jī)理5.1 超分散催化劑和油層礦物稠油改質(zhì)降粘作用機(jī)理稠油改質(zhì)降粘作為一種不可逆降粘方式受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。選擇嘗試用化學(xué)誘導(dǎo)稠油中大分子烴的裂解方法，就是大分子是由芳香族和脂肪族連接起來(lái)的長(zhǎng)鏈，其中至少有一部分是由S原子連接起來(lái)的，然后在注蒸汽稠油油藏環(huán)境中，尋找一種合適的添加劑體系，能夠選擇性的裂解大分子中的S鍵。選擇合適的催化劑是實(shí)現(xiàn)稠油稠油改質(zhì)降粘的關(guān)鍵?，F(xiàn)代石化工業(yè)中已經(jīng)有重質(zhì)原

23、料油裂解的工藝和相應(yīng)的催化劑，其反應(yīng)溫度一般至少在400以上。與之相比，稠油熱采時(shí)所達(dá)到的溫度則較低。但是，如果在油層中注入更高活性的催化劑，極大地降低反應(yīng)活化能，就有可能在相對(duì)較低的溫度條件下實(shí)現(xiàn)稠油在油層內(nèi)的裂解。5.1.1 催化劑作用原理由化學(xué)動(dòng)力學(xué)可知，反應(yīng)速率常數(shù)k可用Arrhenius方程表示k=Aexp(-E/RT)，其中式中，A表示幾率因子，與分子間及分子與催化劑間發(fā)生碰撞的幾率有關(guān)；E為活化能。溫度T越高，或活化能E越低，反應(yīng)的速率常數(shù)k越大。另外，碳原子數(shù)越多(如稠油)的正烷烴k越大，越有利于裂化反應(yīng)?，F(xiàn)在石化工業(yè)中已經(jīng)有裂化原料重質(zhì)化甚至由原油直接裂化的發(fā)展趨勢(shì)。因此，若

24、向油層中注入催化劑降低活化能的辦法，就有可能在相對(duì)較低的溫度條件下實(shí)現(xiàn)油層催化裂化。催化裂化溫度一般要求達(dá)200以上，通常油層自身溫度很難達(dá)到。因此，需要進(jìn)行催化裂化反應(yīng)的熱驅(qū)動(dòng)加熱油層在技術(shù)上是可行的，如向油層注入高溫蒸汽，采用蒸汽熱驅(qū)動(dòng)，對(duì)于充分發(fā)揮催化作用和提高裂化效率是有好處的。熱驅(qū)動(dòng)和催化裂化在井底發(fā)生協(xié)同作用，迫使稠油的物理和化學(xué)性質(zhì)發(fā)生較大的變化，分子變小、粘度變低，流動(dòng)性變好，采收率自然會(huì)大幅度提高。催化活化過(guò)渡態(tài)理論認(rèn)為反應(yīng)經(jīng)碰撞、接觸后，反應(yīng)分子先與催化劑表面的活性中心形成吸附活化絡(luò)合物，然后反應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物。由于表面活性中心的影響，被吸附的分子變形，化學(xué)鍵發(fā)生松弛，同時(shí)有

25、活潑的吸附活化絡(luò)合物形成，降低反應(yīng)的活化能，促進(jìn)反應(yīng)。此理論指出催化劑參與反應(yīng)的本質(zhì)，在催化反應(yīng)中不需要一定形成較穩(wěn)定的中間化合物。催化劑之所以能加快反應(yīng)速度的根本原因，在于它降低了反應(yīng)的活化能，使反應(yīng)物的活化分子百分?jǐn)?shù)增大，有效碰撞次數(shù)增多，反應(yīng)速度加快。本項(xiàng)目所研制的超分散型催化劑與反應(yīng)物原油處于同一相即為均相催化。中間產(chǎn)物學(xué)說(shuō)認(rèn)為，催化劑之所以能使反應(yīng)的活化能降低，是由于它直接參與了化學(xué)反應(yīng)，改變了化學(xué)反應(yīng)的途徑，使新途徑所需活化能比原來(lái)途徑所需活化能小，因而提高了反應(yīng)速度。5.1.2 金屬離子催化作用根據(jù)現(xiàn)代催化理論，催化劑通過(guò)對(duì)某種反應(yīng)物的化學(xué)吸附形成的吸附鍵，致使被吸附分子的電子或幾何結(jié)構(gòu)發(fā)生變化從而提高了化學(xué)反應(yīng)活性。太強(qiáng)或太弱的吸附都對(duì)催化作用不利，只有中等強(qiáng)度的化學(xué)吸附才能達(dá)到最大的催化活性，因而，過(guò)渡金屬的化學(xué)反應(yīng)性是很理想的。由于過(guò)渡金屬原子或是未結(jié)合d電