ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СВЕРХКРИТИЧЕСКИХ ФЛЮИДОВ В НЕФТЕПЕРЕРАБОТКЕ
https://doi.org/10.53360/2788-7995-2025-2(18)-63
Аннотация
На сегодняшний день в мире нефтяная промышленность по своей деятельности особое внимание уделяет развитию новых подходов переработки, повышению энергоэффективности и снижению эксплуатационных затрат. Обзор рассматривает современные методы переработки тяжелых нефтей с использованием сверхкритических флюидов. Основное внимание уделяется сверхкритической флюидной экстракции, которые позволяют эффективно извлекать углеводороды и удалять нежелательные примеси. В обзоре рассмотрены кинетика взаимодействия сверхкритических флюидов, а также влияние температуры, давления и растворителей на эффективность сверхкритической флюидной экстракции. Ключевые особенности данного метода являются глубина очистки, селективность процессов, высокая избирательность, снижение отходов, возможность регенерации растворителей, сокращение выбросов и уменьшение негативного воздействия на окружающую среду. Однако в использовании сверхкритических флюидов в нефтяной промышленности имеются определенные ограничения, включая высокие энергозатраты, необходимость сложного оборудования и технологические сложности при масштабировании процессов, что требует дальнейших исследований и оптимизации параметров. Рассмотрены перспективы интеграции сверхкритической флюидной технологий в нефтеперерабатывающую промышленность, включая комбинированные методы с катализаторами и модификаторами растворителей. Установлено, что внедрение сверхкритической флюидной технологий в нефтяную отрасль может значительно повысить эффективность переработки тяжелых углеводородных систем, способствуя созданию более экологичных и экономически устойчивых технологий.
Об авторах
Е. И. ИманбаевКазахстан
Ержан Иманбаевич Иманбаев ‒ PhD, Ассоциированный профессор, ведущий научный сотрудник,
г. Алматы, ул. Богенбай батыра, 172
А. К. Серикказинова
Казахстан
Акбота Кайратовна Серикказинова – младший научный сотрудник,
г. Алматы, ул. Богенбай батыра, 172
Д. Мукталы
Казахстан
Динара Мукталы – PhD, старший научный сотрудник,
г. Алматы, ул. Богенбай батыра, 172
А. Ш. Аккенжеева
Казахстан
Анар Шынабаевна Аккенжеева – к.т.н., ассоциированный профессор, доцент кафедры нефтехимический инжиниринг,
г. Актау, 32-й микрорайон, 1
А. Ч. Бусурманова
Казахстан
Аккенже Чаншаровна Бусурманова – к.х.н., ассоциированный профессор, доцент кафедры естественные науки,
г. Актау, 32-й микрорайон, 1
Список литературы
1. Industrial applications of supercritical fluids: A review / Z. Knez et al // Energy. – 2014. – Vol. 77. – P. 235-243.
2. Ortiz F. The use of process simulation in supercritical fluids applications / F. Ortiz, A. Kruse // Reaction Chemistry and Engineering. – 2020. – Vol. 5. – P. 424-451.
3. Supercritical Fluid Extraction: A Review / Т. Ahmad et al // Journal of Biological and Chemical Chronicles. – 2019. – Vol. 5, № 1. – P. 114-122.
4. Manjare S.D., Dhingra K. Supercritical fluids in separation and purification: A review / Manjare S.D., Dhingra K. // Materials Science for Energy Technologies. – 2019. – Vol. 2. – P. 463-484.
5. Prasada S.K. A review of the supercritical CO₂ fluid applications for improved oil and gas production and associated carbon storage / S.K. Prasada, J.S. Sangwai, H.S. Byun // Journal of CO₂ Utilization. – 2023. – Vol. 72. – Р. 102479.
6. Manjare S.D. Supercritical fluids in separation and purification: A review / S.D. Manjare, K. Dhingra // Materials Science for Energy Technologies. – 2019. – Vol. 2. – P. 463-484.
7. Knapik E. Chemistry of Reservoir Fluids in the Aspect of CO₂ Injection for Selected Oil Reservoirs in Poland / E. Knapik, K. Chruszcz-Lipska // Energies. – 2020. – Vol. 13. – Р. 6456.
8. Boyère C. Input of supercritical carbon dioxide to polymer synthesis: An overview / C. Boyère, C. Jérôme, A. Debuigne // European Polymer Journal. – 2014. – Vol. 61. – P. 45-63.
9. Application of Fluids in Supercritical Conditions in the Polymer Industry / K. Tutek et al // Polymers. – 2021. – Vol. 13. – Р. 729.
10. Daneshyan S. Utilization of CO₂ in supercritical conditions for the synthesis of cyclic poly (Nisopropylacrylamide) via emulsion and homogeneous reactions / S. Daneshyan, G. Sodeifian // Scientific Reports. – 2022. – Vol. 12. – Р. 17459.
11. Описание и обобщение растворимости веществ в сверхкритических флюидах: учебное пособие / Т.Р. Билалов и др. – Казань: Изд-во КНИТУ, 2020. – 129 с.
12. La H. Extraction of Bitumen from Athabasca Oil Sand Slurry Using Supercritical Carbon Dioxide: Master’s Thesis / H. La – University of Alberta, 2011. – 41 p.
13. Kamal G. Industrial applications of supercritical fluid extraction: A review / G. Kamal, A. Sumit, K. Anil // International Journal of Chemical Studies. – 2017. – Vol. 5. – P. 336-340.
14. Koch T.J. Catalytic supercritical fluid extraction: Selective hydroformylation of olefin mixtures using scCO₂ solubility for differentiation / T.J. Koch, S.L. Desset, W. Leitner // Green Chemistry. – 2010. – Vol. 12. – P. 1719-1721.
15. Supercritical fluid extraction for the determination of optimum oil recovery conditions / A.H. AlMarzouqi et al // Journal of Petroleum Science and Engineering. – 2007. – Vol. 55. – P. 37-47.
16. Marchetto F. A Review of Supercritical Fluid Extraction Technology and Application / F. Marchetto, A.A. Aziz // Journal Teknologi (Sciences & Engineering). – 2014. – Vol. 69, № 6. – P. 2731.
17. URACA Company. High-Pressure Pumps [Electronic resource]. – Available online: https://www.uraca.com/ru/sistemy-i-izdelija/nasosy/ (accessed on 29 November 2021).
18. Bilalov T.L. Calculation of the solubility of aromatic hydrocarbons in supercritical media based on the entropy method of similarity theory / T.L. Bilalov, F.M. Gumerov // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. – 2019. – Vol. 4. – P. 387-401.
19. Carmela S.R. Experiments and Modeling of Supercritical CO₂ Extraction of Lipids from Microalgae: Master’s Thesis / S.R. Carmela. – University of Padua, 2014. – 164 p.
20. Rój E. Supercritical CO₂ Extraction and Its Applications. – Polish Foundations of the Opportunities Industrialization Centers / E. Rój // OIC Poland, Lublin, Poland, 2014.
21. Fracture propagation mechanism and application of supercritical CO₂ fracturing in shale: A review / Y.X. Sun et al // Petroleum Science. – 2025.
22. Pereira C.G. Supercritical Fluid Extraction of Bioactive Compounds: Fundamentals, Applications and Economic Perspectives / C.G. Pereira, M.A.A. Meireles // Food and Bioprocess Technology. – 2010. – Vol. 3, № 3. – P. 340-372.
23. Lyadova A.S. Extraction and Refining of Heavy Crude Oils: Problems and Prospects / A.S. Lyadova, N.N. Petrukhina // Russian Journal of Applied Chemistry. – 2018. – Vol. 91, № 12. – P. 1912-1921.
24. Magomedova R.N. Solvent demetallization of heavy petroleum feedstock using supercritical carbon dioxide with modifiers / R.N. Magomedova, A.V. Pripakhaylo, T.A. Maryutina // The Journal of Supercritical Fluids. – 2017. – Vol. 119. – P. 150-158.
25. Micro-mechanical properties of shale due to water/supercritical carbon dioxide-rock interaction / N. Li et al // Petroleum Exploration and Development. – 2023. – Vol. 50, № 4. – P. 1001-1012.
26. Pripakhaylo A.V. Separation of Heavy Oil into Narrow Fractions by Supercritical Fluid Extraction Using a CO₂-Toluene Mixture / A.V. Pripakhaylo, R.N. Magomedova, T.A. Maryutina // Journal of Analytical Chemistry. – 2019. – Vol. 74. – P. 401-409.
27. Supercritical methanol as an effective medium for producing asphaltenes-free light fraction oil from vacuum residue / W. Kwek et al // The Journal of Supercritical Fluids. – 2017. – Vol. 133. – P. 184-194.
28. More S.R. Effect of Supercritical CO₂ as Reaction Medium for Selective Hydrogenation of Acetophenone to 1-Phenylethanol / S.R. More, G.D. Yadav // ACS Omega. – 2018. – Vol. 3. – P. 7124-7132.
29. Koch T.J. Catalytic supercritical fluid extraction: Selective hydroformylation of olefin mixtures using scCO₂ solubility for differentiation / T.J. Koch, S.L. Desset, W. Leitner // Green Chemistry. – 2010. – Vol. 12. – P. 1719-1721.
30. Continuous Flow Hydroformylation of Alkenes in Supercritical Fluid Ionic Liquid Biphasic Systems / P. Webb et al // Journal of the American Chemical Society. – 2003. – Vol. 125. – P. 1557715588.
31. Makaryan I.A. The Use of SCF Technologies in the Chemical and Petrochemical Industries (Review) / I.A. Makaryan, A.Y. Kostin, I.V. Sedov // Petroleum Chemistry. – 2020. – Vol. 60, № 3. – P. 270-282.
32. Determination of the Diffusion Coefficient of Supercritical CO₂ in Low-Permeability Formation Cores / Н. Tu et al // Energy & Fuels. – 2020. – Vol. 34. – P. 2001-2014.
33. Solubility of inorganic salts in sub and supercritical hydrothermal environment: Application to SCWO processes / Т. Voisin et al // The Journal of Supercritical Fluids. – 2017. – Vol. 120. – P. 1831.
34. Li Y. Supercritical Water Oxidation for Environmentally Friendly Treatment of Organic Wastes / Y. Li, S. Wang // Advanced Supercritical Fluids Technologies. – 2020. – P. 1-28.
35. Status and prospect of oil recovery from oily sludge: A review / K. Hui et al // Arabian Journal of Chemistry. – 2020. – Vol. 13. – P. 6523-6543.
36. Supercritical water oxidation of oil-based drill cuttings / Z. Chen et al // Journal of Hazardous Materials. – 2017. – Vol. 332. – P. 205-213.
37. Experimental study on harmless disposal of waste oil-based mud using supercritical carbon dioxide extraction / В. Ma et al // Fuel. – 2019. – Vol. 252. – P. 722-729.
38. Wei H. Optimization of oil-based drilling cuttings treatment process by supercritical CO₂ fluid using response surface methodology / H. Wei, H. He, Y. Zhang // Chinese Journal of Environmental Engineering. – 2017. – Vol. 11. – P. 6050-6055.
39. Extraction of Petroleum Products and Asphaltene-Resin Mixtures from Highly Watered Oil Sludge with Supercritical Fluid Method / V.F. Khayrutdinov et al, Gabitova A.R., Gumerov F.M., Gabitov R.F., Kurdyukov A.I. // Russian Journal of Physical Chemistry. – 2019. – Vol. 13. – P. 11281130.
40. Gumerov F.M. Mathematical modeling of technology for disposal of oil sludge with the use of liquid and supercritical fluid extraction processes / F.M. Gumerov, V.F. Khayrutdinov, M.I. Farakhov // Journal of Engineering and Applied Science. – 2016. – Vol. 11. – P. 2024-2027.
41. Deep Insights into Heavy Oil Upgrading Using Supercritical Water by a Comprehensive Analysis of GC, GC-MS, NMR, and SEM − EDX with the Aid of EPR as a Complementary Technical Analysis / R. Djimasbe et al // ACS Omega. – 2021. – Vol. 6. – P. 135-147.
42. Supercritical Fluid Application in the Oil and Gas Industry: A Comprehensive Review / P.L. Pavlova et al // Sustainability. – 2022. – Vol. 14. – Р. 698.
43. Иманбаев Е.И. Использование сверхкритических флюидов для извлечения природных битумов из нефтебитуминозных пород / Е.И. Иманбаев, Е.К. Онгарбаев, Е. Тилеуберди // Горение и плазмохимия. – 2020. – Т. 18. – С. 218-226.
44. Experimental Study on Harmless Disposal of Waste Oil-Based Mud Using Supercritical Carbon Dioxide Extraction / В. Maa et al // Fuel. – 2019. – Vol. 252. – P. 722-729.
45. Supercritical Fluid Propane–Butane Extraction Treatment of Oil-Bearing Sands / V.F. Khairutdinov et al // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. – 2017. – Vol. 51, № 3. – P. 299-306.
46. Dissolution Behavior of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons in Heavy Oil in the Presence of Supercritical Cyclohexane / Х. Zhao et al // ACS Omega. – 2024. – Vol. 9. – P. 252-263.
47. Desulfurization of Sulfur-Containing Compounds in Heavy Oil in the Presence of Supercritical Methanol / Т. Yan et al // Energy Fuels. – 2020. – Vol. 34. – P. 2958-2968.
48. Сверхкритическая флюидная пропан-бутановая экстракционная обработка нефтяных шламов / Ф.М. Гумеров и др. // Сверхкритические Флюиды: Теория и Практика. – 2016. – Т. 11, № 2. – С. 75-83.
49. Увеличение функциональности карбонатного щебня посредством сверхкритической флюидной импреграции битуминозными соединениями / Ф.М. Гумеров и др. // Сверхкритические Флюиды: Теория и Практика. – 2015. – Т. 10, № 2. – С. 4-15.
50. Supercritical Fluid Extraction of Bitumen Using Chemically Modified Carbon Dioxide / H.L.Cosseya et al // The Journal of Supercritical Fluids. – 2019. – Vol. 154. 104599.
51. Kinetic Study for the Ashalcha Heavy Crude Oil Upgrading at Supercritical Water Conditions / G. Félix et al // Fuel. – 2025. – Vol. 380. – Р. 133145.
52. Radfarnia H.R. Supercritical Water Treatment of Oil Sludge, A Viable Route to Valorize Waste Oil Materials / H.R. Radfarnia, C. Khulbe, E.C. Little // Fuel. – 2015. – Vol. 159. – P. 653-658.
53. Sato T. Itoh N. Effect of CO Addition on Upgrading Bitumen in Supercritical Water / T. Sato, T. Sumita, N. Itoh // The Journal of Supercritical Fluids. – 2015. – Vol. 104. – P. 171-176.
54. Experimental Investigation of the Rheological Properties of a Typical Waxy Crude Oil Treated with Supercritical CO2 and the Stability Change in Its Emulsion / G. Sun et al // Energy Fuels. – 2019. – Vol. 33. – P. 4731-4739.
55. Kozhevnikov I. Transformation of Petroleum Asphaltenes in Supercritical Water / I. Kozhevnikov, A. Nuzhdin, O. Martyanov // Journal of Supercritical Fluids – 2010. – Vol. 55. – P. 217-222.
56. An Optimization Study on Heavy Oil Upgrading in Supercritical Water Through the Response Surface Methodology (RSM) / М. Hosseinpour et al // Fuel. – 2020. – Vol. 271. – Р. 117618.
57. Conversion of High-Viscosity Oil of Ashalchinsk Deposit in the Presence of Activated Carbon and Supercritical Aqueous Fluid / E.G. Moiseeva et al // Chemistry and Technology of Fuels and Oils. – 2021. – Vol. 57. – P. 746-752.
58. Structural Parameters of Resins and Asphaltenes of Natural Asphaltite and Products of Its Conversion in Supercritical Water / V.R. Antipenko et al // AIP Conf. Proc. – 2020. – Vol. 2310. 020022.
59. Critical Review of Asphaltene Properties and Factors Impacting Its Stability in Crude Oil / S. Fakher et al // Journal of Petroleum Exploration and Production Technology. – 2020. – Vol. 10. – P. 1183-1200.
60. Mechanism of Asphaltene Aggregation Induced by Supercritical CO2: Insights from Molecular Dynamics Simulation / В. Liu et al // RSC Adv. – 2017. – Vol. 7. – P. 50786-50793.
61. Gregoli A.A. Process for Converting Heavy Crudes, Tars, and Bitumens to Lighter Products in the Presence of Brine at Supercritical Conditions / A.A. Gregoli, U.M. Oko, F. Leder // US Patent № 4, 818, 370. – 1989.
62. Brill T.B. Kinetics and Mechanisms of Hydrothermal Organic Reactions / T.B. Brill, P.E. Savage // D.A. Palmer, R. Fernandez-Prini, A.H. Harvey (Eds.), Aqueous Systems at Elevated Temperatures and Pressures: Physical Chemistry in Water, Steam and Hydrothermal Solutions. – Elsevier, Amsterdam, The Netherlands, 2004. – P. 643-675.
63. Akiya N. Role of Water in Formic Acid Decomposition / N. Akiya, P.E. Savage // AIChE Journal. – 1998. – Vol. 44. – P. 405-415.
64. Reactions at Supercritical Conditions: Applications and Fundamentals / P.E. Savage et al // AIChE Journal. – 1995. – Vol. 41. – P. 1723-1778.
65. Moore J.W. Kinetics and Mechanism / J.W. Moore, R.G. Pearson. – 3rd ed. – Wiley, New York, 1981.
66. Sandler S.I. Chemical and Engineering Thermodynamics / S.I. Sandler. – 2nd ed. – Wiley, New York, 1989.
67. Van Eldik R. Activation and Reaction Volumes in Solution 2 / R. Van Eldik, T. Asano, W.J. LeNoble // Chem. Rev. – 1989. – Vol. 89. – P. 549-688.
68. Johnston K.P. Extreme Solvent Effects on Reaction Rate Constants at Supercritical Fluid Conditions / K.P. Johnston, C. Haynes // AIChE Journal. – 1987. – Vol. 33. – P. 2017-2026.
69. Eckert C.A. Molecular Thermodynamics for Chemical Reactor Design / C.A. Eckert, C.K. Hsieh, J.R. McCabe // AIChE J. – 1974. – Vol. 20. – P. 20-36.
70. Hydrolysis in Supercritical Water: Identification and Implication of a Polar Transition State / G.L. Huppert et al // Industrial & Engineering Chemistry Research. – 1989. – Vol. 28. – P. 161-165.
71. Connors K.A. Chemical Kinetics: The Study of Reaction Rates in Solution / K.A. Connors. – VCH Publishers, New York, 1990.
72. Modelling of the Pyrolysis of Tert-Butylbenzene in Supercritical Water / H.J. Ederer et al // The Journal of Supercritical Fluids. – 1999. – Vol. 15. – P. 191-204.
73. Froment G.F. Chemical Reactor Analysis and Design. – 2nd ed. / G.F. Froment, K.B. Bischoff. – Wiley, New York, 1990.
74. Miksa D. Spectroscopy of hydrothermal reactions. 17. Kinetics of the surface catalyzed water gas shift reaction with inadvertent formation of Ni(CO)₄ / D. Miksa, T.B. Brill // Industrial & Engineering Chemistry Research. – 2001. – Vol. 40. – P. 3098-3103.
Рецензия
Для цитирования:
Иманбаев Е.И., Серикказинова А.К., Мукталы Д., Аккенжеева А.Ш., Бусурманова А.Ч. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СВЕРХКРИТИЧЕСКИХ ФЛЮИДОВ В НЕФТЕПЕРЕРАБОТКЕ. Вестник Университета Шакарима. Серия технические науки. 2025;(2(18)):521-546. https://doi.org/10.53360/2788-7995-2025-2(18)-63
For citation:
Imanbayev Y.I., Serikkazinova A.K., Muktaly D., Akkenzheeva A.S., Bussurmanovad A.C. THE USE OF SUPERCRITICAL FLUIDS IN PETROLEUM PROCESSING. Bulletin of Shakarim University. Technical Sciences. 2025;(2(18)):521-546. (In Russ.) https://doi.org/10.53360/2788-7995-2025-2(18)-63