· pdf fileupgrading of bitumen by using supercritical water tomoki kayukawa jgc corporation...
TRANSCRIPT
��������������������������������� ����� ����������������������������� ����� ����������������������������� ����� ����������������������������� ����� ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������!"����������� � ��������!"����������� � ��������!"����������� � ��������!"����������� �����
����
#$%&�!'()#$%&�!'()#$%&�!'()#$%&�!'()�����
�
�
��������������
��������������
� ���������
�� ������������������������
������������������������� ���������� ��������� ������!���"#��$�%����
&� ����'�!�����(������������$�����������$�&���������������)������*��
�
�+��$�������� ,����������
�� ������������+�������
-�������������� ����"���� ���.��������������'��
�� ����������/����������0��
�� ����"����$���������$������������������$�������1���������2���������
��� ��������������������"�����3!.�4�5.����������"�����'��
�� 5� �"2����������!���"2������6��
!���������� ��������������������������"���$����"����������������������������'��
�� 3��2������6������������7��
!�������������������$����3����"� ���$��"����������������"���$��2���2���
������������������������������������'��
�� )�2���������7�/�+�������
&���������$��������� �����������2�����"�������8���9�������������9���'��
�� !���"2������0�/����������:�������������5�&;#��
<���$������$�-��� ��5���������������4=�3'��
�
�����������������6.�5�������.�3����"���.�12���8�+��$'.�>??�?>?>.��������+����@�A0?��:��7B��?6���)�,@�A0?��:��7B��?�:��C�2��@�999'D��'��'D��� �"��@�8���8�9�'�"�8ED��'��'D���
��������������������� ����� ��������������������������������� ����� ��������������������������������� ����� ��������������������������������� ����� ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������!"����������� � ��������!"����������� � ��������!"����������� � ��������!"����������� �����
����
!#���!��!#���!��!#���!��!#���!�������
�
�
������������ ������������������� ������ ��
��������������
� ��������������
���������������������������������������������� !�����������������"����������������������������#���������������������������#�������������$���������������%���������������"���������������������������������&�'��#�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������&�(��������������������������������������������������������$���#����������������������������)!����������$�������������������������������������������$������������&�(��������������������������������*&+,('-!�����������������������������������������������������������������.*���/������)�����0*���/���������&�1'2�����������������������������������������������)�������������������������������������������$���������������������������������������������������������������������������������������&�2������������$�������������������������������������������������������� ���������������������������������������������������������&�
�
Upgrading of Bitumen
by using Supercritical Water
Tomoki Kayukawa
JGC Corporation
5th NCUT Upgrading and Refining Conference 2009
Copyright 2009 JGC all rights reserved
Source NexantReport
Light & Middle
Crudes (API 22o~ 31
o)
Heavy & Ex. Heavy
Crudes (API <22o)
Bitumen
Vis. >10,000CP
Bitumen
Heavy & Ex. Heavy Crudes
Billion bbl
North
America
South
AmericaAfrica Europe
Middle
EastAsia Russia
600
500
400
300
200
100
0
2
21%
47%32%
World’s Proven Reserves
Copyright 2009 JGC all rights reserved
Transportation of Ex. Heavy Oil and Bitumen
Well
Diluent
Dilution Refinery Low availability of diluentSoaring diluentprice
Full Upgrading
RefineryW ell Upgrader
Dilution
Pipelinetransportation
Complex schemeLarge-scale upgrader
(Thermal &
Hydro cracking)
Pipelinetransportation
Dil-Bit
Sweet SCO
3
Copyright 2009 JGC all rights reserved 4
Conventional Bitumen Upgrading Process
DilutedBitumen
Diluent
AR
VR
Bottom
Virgin LGO
Vacuum HGO
H2
Amine &SulfurPlant
SweetSCO
Sour Gas
Sweet GasTo Utilities
H2
H2
H2
Coke
Sulfur
(Oil & Gas Journal / April 23, 2001)
Copyright 2009 JGC all rights reserved
Partial Upgrading by using Supercritical Water
Well
Dil-BitRefinery
Full Upgrading
RefineryW ell Upgrader
Sweet SCO
Dilution
Pipelinetransportation
(Thermal &
Hydro cracking)
Pipelinetransportation
Simple schemeSmall-scale upgraderNo diluent
Partial Upgrading by using Supercritical Water (SCW )
RefineryW ell Partial
Upgrader Sour SCO
Pipelinetransportation
5
Diluent
Low availability of diluentSoaring diluentprice
Complex schemeLarge-scale upgrader
Dilution
Copyright 2009 JGC all rights reserved
HighPress.Steam
BoilerFacility
BitumenRecoveryFacilities
Oil Sands
Reserves
(underground)
Supercritical Water
CrackingFacilities
Sour SCOSour SCO
(API 19~25(API 19~25oo))
Bitumen
API 8.5o
Hot Water
Residue (Liquid)
Drain
SAGD*
* Steam Assisted Gravity Drainage
Integration of SAGD and SCW Cracking
No hydrogenNo hydrogen
No natural gasNo natural gas
No catalystNo catalyst
Small quantities ofSmall quantities of
byby--productsproducts
Upgrader
6
Copyright 2009 JGC all rights reserved
Gas SC Fluid Liquid
Density kg/m3 1 100~1,000 1000
Viscosity mPa s 0.01 0.1 1
Diffusion
Coefficientm
2/s 10
-510
-7~10
-810
-10
Thermal
ConductivitymW/mK 5~30 20~150 50~200
Water at a temperature
and under a pressure
above its critical point
SCWSCWPress.
Critical Pressure
(=22.1Mpa)
Temp.
Critical
Temperature
(=374oC)
Solid(Ice)
Liquid(Water)
Gas(Vapor)
CriticalCriticalPointPoint
Water T-PPhase Diagram
7
What is Supercritical Water?
SCW has physical
properties between liquid
and gas
Copyright 2009 JGC all rights reserved
SCW has a low dielectricconstant somewhere in the range of 2 to 10
SCW has characteristicsof non-polar solvent
Roles of Supercritical Water
SolventDielectric
Constant
Water @20oC 81.1
Methanol 32.7Ethanol 25.8Acetone 20.7Propanol 20.3
Methylene Chloride 8.93THF 7.58
Chloroform 4.81Diethylether 4.33Toluene 2.38Benzene 2.27Heptane 1.92Hexane 1.88
Non-polar
Polar
[-]
Press. [MPa]
SaturationCurve
CPCP
Dielectric Constant [-] of Water
8
Copyright 2009 JGC all rights reserved
Injection of samples
Videocamera
Monitoring & Recordering
! Temperature
change
Pressure change
Phase change
Temperature
change
Pressure change
Phase change
Temperature
change
Pressure change
Phase change
SetupSetup
Temp. range: 430oC
(Heating rate: ~ 3 oC/min)
Press. range: 30 MPa
Temp. range: 430oC
(Heating rate: ~ 3 oC/min)
Press. range: 30 MPa
Temp. range: 430oC
(Heating rate: ~ 3 oC/min)
Press. range: 30 MPa
Direct Observation of Reaction and Extraction Phenomena
9
Copyright 2009 JGC all rights reserved
Water,W ater,Distillate,Distillate,VGOVGO
Water,Residue
SCW forms layers in SCW forms layers in
asphalteneasphaltene micellemicelle
1. Thermal Cracking of VR
3. Inhibiting polymerization of asphaltene (coking)
2. Extracting Distillate and VGO
Results of Direct Observation
Roles of Supercritical W ater
10
Copyright 2009 JGC all rights reserved
Test Apparatuses
& Test Results
11
Copyright 2009 JGC all rights reserved
Feedstock Properties
Bitumen (produced by SAGD)
12
Density (@15oC) g/cc 1.012
API o 8.3
Sulfur wt% 5.15
CCR wt% 13.8
Viscosity (@40oC) cSt 17,000
Nickel wtppm 75
Vanadium wtppm 194
-360oC wt% 17
360-540oC wt% 33
540oC+ wt% 50
Metals
Distillation (SimDis)
Copyright 2009 JGC all rights reserved
Design Temp. : 480oC
Design Press. : 30MPaCapacity : 0.15BPDMaterial : SUS316
PG
Pump
Pump
VerticalReactorVessel
TI
PG
Heater
Heater
PG
Back PressureRegulating Valve
Flow Meter
Condenser
VENT
Heavy ResidualProducts
Condenser
Schematic Diagram of Test Unit
Bitumen
W ater
Light Products
W ater
13
Copyright 2009 JGC all rights reserved
Light Products (75.7 vol%)
100 vol%
APIo
22.9
Viscosity@10oC cSt 26.0
Distillation Characteristics
~360oC wt% 57
360-540oC wt% 39
540oC+ wt% 4
Heavy Residual Products (25.2 vol%)
API -6.5
Viscosity@310oC cSt 17.5
Distillation Characteristics
~360oC wt% 5
360-540oC wt% 27
540oC+ wt% 68
Test Results
Bitumen
Light Products
SCW
W ater
14
Heavy ResidualProducts
Copyright 2009 JGC all rights reserved
0
20
40
60
80
100
120
FeedstockBitumen
SCW Cracking Products
Delayed CokerProducts*1
Yield vol%
Distillate & Lighter
VGO
VR100% 101%
80%(+Coke 20wt%
19
34
47
46
36
19
40
40
*1 Feedstock for Delayed Coker is VR from Bitumen. Products include Coker products and straight run Distillate & Naphtha.
Higher Liquid Yield by SCW Cracking
15
Copyright 2009 JGC all rights reserved
! Bitumen was successfully cracked by using SCW
" 60% of VR was converted to Distillate & VGO.
! SCW cracking system involves the functions of
reaction and extraction. SCW worked as a solvent for
the separation of light and heavy residual products.
!The kinematic viscosity and density of light products
satisfied the Canadian pipeline specifications.
! The heavy residual products satisfied the boiler fuel
specifications in terms of kinematic viscosity.
Summary of Reaction Tests
16
Copyright 2009 JGC all rights reserved
Economic Evaluations
17
Copyright 2009 JGC all rights reserved
Base x 3 Base Base x 0.50
50
100
150
200
10.0
Capacity : 30,000BPD of Bitumen (8oAPI)
CAPEX includes on-site facilities, utility facilities, power plant,
off-site facilities and owner cost.
Reactor Volume
Economic Efficiency vs. Residence timeWaterRecycle15%
Others3%
Reactor27%
High Press.Equipment
54%
Rela
tive Index o
fC
AP
EX
, N
et
Ma
rgin
IRR
[%]
18
IRR [%] 6.6 8.1
0
5
10
CAPEX
Net Margin
Copyright 2009 JGC all rights reserved
Bitumen
30KBD
8oAPI
SCO
24KBD
21oAPI
Naphtha
HDS
D. Coker
15KBD
SCW Cracking
30KBD
Coke
990 tpd
D. Coker-based plant
Visbreaker
30KBD
(*) D. Coking and Vis Breaking tests
were conducted by PARC.(*)
Pitch6KBD
Economic Comparison
Visbreaker-based plant
SCW Cracking-based
plant
Bitumen
30KBD
8oAPI
SCO
24KBD
21oAPI
CDU
VDU
Bitumen
30KBD
8oAPI
SCO
30KBD
11oAPI
(*)
19
Copyright 2009 JGC all rights reserved
Results of Economic Comparison
20
SCWCracking
Coker(30KBD)
Coker(60KBD)
Visbreaker
0
25
50
75
100
125
Rela
tive Index o
fC
AP
EX
an
d N
et
Ma
rgin
IRR [%] 10.0
0
5.5 8.5 8.3
5
10
IRR
[%]
CAPEX
Net Margin
Capacity : 30,000BPD of Bitumen (8oAPI)
CAPEX includes on-site facilities, utility facilities, power plant,
off-site facilities and owner cost.
In the case of Coker (60KBD) above, its CAPEX is estimated at half of that of whole plant.
15
Copyright 2009 JGC all rights reserved
! SCO value of SCW cracking was higher than other
thermal operations because of lower density and
higher liquid yield.
! Pitch from SCW is more valuable than solid coke,
as Pitch is usable as boiler fuel oil for SAGD Boiler.
! Lower capital cost due to simple process
! Lower plant complexity without crude distillation
columns and hydro-finishing process
! Lower operating cost without consumption of
hydrogen and catalyst
Summary of Economic Evaluations
21
Economic efficiency of SCW cracking-based plant
has proved to be higher than
that of D. Coker- or Visbreaker-based plant
Copyright 2009 JGC all rights reserved
Foot Print(excl. Tank Yard)
Solid Waste(By-Product)
CokeSulfur
Sulfur
EnergyConsumption(API 8
o# 21
o)
SCW (30KBD) D. Coker (30KBD)
SCW~ Simple,Clean, minimal Waste ~
22
1 4
1 12.5 25
1 1.4
Copyright 2009 JGC all rights reserved 23
~Acknowledgment ~
JGC Corporation owes JOGMEC(Japan Oil, Gas and Metals National Corporation)
a great deal for this research.
Copyright 2009 JGC all rights reserved
“Energy”, “Environment”, “Engineering”
for the quality of human life
Thank you for your Thank you for your
kind attention!!kind attention!!
TomokiTomoki KayukawaKayukawakayukawa.tomoki@ jgc.co.jpkayukawa.tomoki@ jgc.co.jp
24