Heavy oil is one of alternative energy sources because it has enormous reserves and cheap price. However, their property is much worse than conventional oil’s. It makes difficult to transport through pipeline, and causes a lot of cost. So, purpose of this study is to make appropriate properties to transport through pipeline with partial upgrading before transportation. In this study, rapid thermal process (RTP) was used for partial upgrading of bitumen. Also, effect of iron nanoparticles were identified by applying as dispersed catalyst for RTP.
Iron nanoparticles were synthesized with water-in-oil microemulsion methods. Precursor concentration and amount of reductant were variables for iron nanoparticles synthesis. 10 nm iron nanoparticles were well synthesized with 0.1 M precursor and ratio of precursor to reductant 1:3. Reaction temperature, residence time and amount of catalyst were variables for partial upgrading bitumen. Upgraded product were assessed by liquid yield and quality (API gravity, SARA, etc.) As a result, best condition was $550^\circ C$, 1 second of residence time and 0.1 wt. % catalyst. Under that condition, liquid yield was 78.8 % and quality was followed: API gravity $19.03^\circ$, asphaltene contents 0.23 %, carbon residue 2.62 %. Finally, compared with product without catalyst at $550^\circ C$ and 1 second of residence time, liquid yield decreased slightly, but API gravity increased by $1.62^\circ$ and asphaltene contents decreased by 0.96 wt. %.
중질유는 값이 싸고 매장량이 풍부하여 대체에너지로 주목받고 있다. 그러나 기존의 석유에 비해 품질이 좋지 않다. 이로 인해 채굴 후 수송이 어려우며 비용도 많이 들게 된다. 따라서 수송 전에 부분적으로 개질하여 비용을 낮추고자 하였다.
Ivanhoe Energy Inc. 에서 개발된 급속 열분해 공정 (RTP) 은 체류시간이 짧다는 특징이 있다. 이 연구에서는 이 공정을 모사하여 중질유를 개질하였다. 또한, 기존 고정층 촉매가 중질유에 많이 포함된 아스팔텐이나 금속에 의해 빠르게 비활성화되는데 이를 방지하고자 분산형 촉매로 만들어서 적용하였고, 다양하게 촉매로 쓰이는 물질인 철을 이용하였다.
촉매로 쓰인 철 나노입자의 합성은 W/O 마이크로에멀젼 합성법을 이용하였다. 전구체의 농도와 환원제의 양을 변수로 두고, 입자의 조성과 크기를 조절하였다. 그 결과, 전구체의 농도가 0.1M 이고 전구체와 환원제의 몰비가 1:3일 때, 10nm 정도의 크기를 갖는 철 나노입자가 안정적으로 합성되었다.
급속 열분해 공정은 반응 온도와 체류시간, 촉매의 양을 조절하여 최적의 조건을 찾았다. 개질된 석유는 액체 수율과 품질 (API 비중, SARA 함량, etc.)로 평가되었다. 급속 열분해 공정으로 비투멘을 개질하였을 때, $550^\circ C$, 1초의 체류시간, 0.1 wt. %의 촉매 하에서 가장 좋은 결과를 보였다. 이때, 액체 수율은 78.8 %였고, 품질은 각각 API 비중이 $19.02^\circ$, 아스팔텐 함량 0.23 %, 잔류탄소 2.62 % 였다.
앞서 최적의 조건이었던 $550^\circ C$, 1초를 기준으로 촉매가 없을 때에 비해, 촉매를 0.1 wt. % 적용하여 개질한 경우에는 액체 수율이 거의 감소하지 않은 반면, API 비중은 $1.62^\circ$증가하였고, 아스팔텐의 함량은 0.96 wt. % 감소하는 효과를 보였다.
