Nghiên cứu chế tạo oxit sắt hoạt tính dạng Fe3O4 phục vụ khoan thăm dò khai thác dầu khí

- LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO OXIT SẮT HOẠT TÍNH DẠNG FE3O4 PHỤC VỤ KHOAN THĂM DÒ KHAI THÁC DẦU KHÍ NGÀNH : CÔNG NGHỆ HÓA HỌC MÃ SỐ : NGUYỄN XUÂN HÙNG Người hướng dẫn khoa học: GS.TSKH.
- La văn bình HÀ NỘI LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi, các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực, được các đồng tác giả cho phép và chưa từng được công bố ở bất cứ một công trình khoa học nào khác Nguyễn Xuân Hùng - 3 - Lời cảm ơn Tôi xin bày tử lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TSKH.
- Tôi xin cảm ơn các thầy cô giáo đã tận tình chỉ bảo giúp đỡ trong quá trình học tập và làm luận văn.
- Các biện pháp xử lý H2S .
- Hiệu quả của việc sử dụng oxit sắt hoạt tính .
- Yêu cầu về xử lý H2S trong khoan thăm dò, khai thác dầu khí ở nước ta .
- Phương pháp chế tạo bột oxit sắt từ gang và thép .
- Phương pháp chế tạo bột oxit sắt từ muối sắt .
- Tình hình nghiên cứu ở trong nước Một số nguồn nguyên liệu chứa sắt trong nước .
- Các công trình đã nghiên cứu ở trong nước .
- Cơ chế quá trình khử H2S bằng oxit sắt CHƯƠNG 2.
- ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀPHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .
- Nội dung nghiên cứu .
- Phương pháp nghiên cứu và kỹ thuật sử dụng .
- Các phương pháp phân tích dùng trong nghiên cứu .
- Các phương pháp phân tích hóa học .
- Nghiên cứu kết tủa hidroxit sắt (III) từ dung dịch FeCl .
- Ảnh hưởng của nồng độ FeCl3 đến quá trình kết tủa hydroxit sắt (III .
- Ảnh hưởng của nồng độ tác nhân kết tủa đến quá trình kết tủa hydroxit sắt (III .
- Ảnh hưởng của tốc độ nạp liệu đến quá trình kết tủa hydroxit sắt (III .
- Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến quá trình kết tủa hydroxit sắt (III .
- Kết luận về quá trình điều chế Fe(OH .
- Nghiên cứu quá trình khử nước của hidroxit sắt (III .
- Ảnh hưởng của áp suất đến quá trình khử nước Fe(OH .
- Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình khử nước Fe(OH .
- Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình khử nước Fe(OH .
- Kết luận về quá trình khử nước Fe(OH .
- Nghiên cứu quá trình khử chuyển hóa Fe2O3 thành Fe3O4.
- Ảnh hưởng của lưu lượng H2 đến quá trình khử Fe2O .
- Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình khử Fe2O .
- Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình khử Fe2O .
- Kết luận về quá trình khử chuyển hoá Fe2O3 thành Fe3O .
- Nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia đến quá trình điều chế Fe3O4…59 3.5.
- Kết luận về quá trình điều chế Fe3O4 từ dung dịch FeCl .
- Đặc điểm của sản phẩm sau phản ứng giữa Fe3O4 với H2S …………62 3.7.
- Tìm hiểu cơ chế phản ứng giữa Fe3O4 và H2S KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC MỞ ĐẦU Việc khử khí H2S trong quá trình khoan thăm dò và khai thác dầu khí đã và đang là vấn đề được quan tâm vì tác hại của nó đến môi trường và hệ thống máy móc, thiết bị sử dụng.
- Để xử lý H2S, hiện nay có thể bổ xung vào dung dịch khoan nhiều hóa chất khác nhau nhưng oxit sắt dạng Fe3O4 là một trong những hóa chất có nhiều ưu việt về tính kinh tế, hiệu quả khử H2S và tác động môi trường.
- Mặt khác, nguồn nguyên liệu chứa sắt ở nước ta tương đối dồi dào lại chưa có hướng sử dụng thích hợp.
- Từ các phân tích trên, được sự đồng ý của thầy hướng dẫn, tôi quyết định chọn đề tài: Nghiên cứu công nghệ sản xuất bột oxit sắt hoạt tính dạng Fe3O4 phục vụ khoan thăm dò khai thác dầu khí.
- Mục đích và phạm vi của đề tài là khảo sát, tìm ra các thông số công nghệ phù hợp để tạo ra sản phẩm oxit sắt Fe3O4 có khả năng phản ứng với H2S cao (trên 125 mg H2S/g Fe3O4).
- Trên cơ sở đó sơ bộ tìm hiểu về cơ chế của quá trình phản ứng giữa Fe3O4 và H2S.
- Về ý nghĩa khoa học, đề tài sẽ làm rõ các ảnh hưởng của các thông số công nghệ trong quá trình điều chế đến hoạt tính bề mặt của sản phẩm oxit sắt hoạt tính.
- Trong quá trình làm luận văn, mặc dù đã cố gắng rất nhiều nhưng với khả năng, điều kiện thực nghiệm và thời gian có hạn, nên luận văn này không thể tránh khỏi thiếu sót, kính mong được sự góp ý chân thành của các thầy cô và các bạn đồng nghiệp.
- TẦM QUAN TRỌNG CỦA VIỆC XỬ LÝ H2S TRONG KHOAN THĂM DÒ, KHAI THÁC DẦU KHÍ 1.1.1.
- Tác hại của H2S [2,6] Trong quá trình khoan thăm dò và khai thác dầu khí, H2S thâm nhập vào giếng khoan gây ảnh hưởng rất lớn đến quá trình công nghệ và hệ thống máy móc, thiết bị.
- Vì vậy trong dung dịch khoan dầu khí ngoài các chất phụ gia như khoáng sét, chất tăng trọng lực, chất điều chỉnh pH , hợp chất canxi, dầu nhờn, chất trám kín, các chất thêm như lignosulfonat, ta nanh, chất diệt khuẩn… thì việc sử dụng các chất xử lý H2S là rất quan trọng và cần thiết.
- Các biện pháp xử lý H2S Trong công nghệ khoan dầu khí, để xử lý H2S người ta có thể dùng hyđroxit natri, cacbonat kẽm, cacbonat đồng.
- Khi trung hoà H2S bằng NaOH sẽ tạo thành hợp chất sunfua không bền, sẽ làm cho quá trình trở nên nguy hiểm hơn do khí H2S khi thâm nhập sẽ làm - 10 - giảm giá trị pH của môi trường, khi đó H2S ở dạng liên kết được giải phóng sẽ bổ sung vào lượng khí mới thâm nhập làm tăng nồng độ H2S trong pha lỏng.
- Cacbonat kẽm phản ứng với H2S với tốc độ chậm nên khả năng sử dụng bị hạn chế khi phải xử lý với lượng lớn khí H2S thâm nhập.
- Bên cạnh đó, cacbonat kẽm còn ảnh hưởng tới tính lưu biến của dung dịch khoan, do vậy hiện tại trên thế giới ít dùng cacbonat kẽm.
- Cacbonat đồng phản ứng với H2S tạo ra các hợp chất sunfua kết tủa trong ống làm gia tăng khả năng ăn mòn điện - hoá học.
- Ngoài ra, khi sử dụng những hoá chất nói trên, việc kiểm tra để khống chế hàm lượng cần thiết của chúng trong dung dịch khoan mất nhiều thời gian.
- Khi hàm lượng khí H2S biến đổi đột ngột, lượng chất phản ứng bổ sung vào dung dịch khoan có thể không kịp theo yêu cầu.
- Ở Mỹ, từ giữa những năm 70 của thế kỷ trước người ta đã chế tạo ra bột oxit sắt hoạt tính để xử lý H2S trong dung dịch khoan dầu khí .
- Năm 1984 các nhà khoa học Mỹ đã công bố sáng chế về sử dụng bột oxit sắt hoạt tính trong dung dịch khoan.
- Tính an toàn cao trong công nghệ và tác động đối với môi trường Trong dung dịch khoan dầu khí, những phần tử oxit sắt hoạt tính sẽ phản ứng với H2S tạo thành các hợp chất sunfua bền có thành phần chính là FeS2 và một lượng nhỏ Fe3S4 không mang từ tính.
- Vì vậy, sản phẩm của phản ứng dễ dàng tách ra khỏi dung dịch khoan.
- Khi phoi khoan và phần oxit sắt không mang từ tính được thải bỏ sẽ không gây ảnh hưởng đến môi trường.
- 11 - Dùng bột oxit sắt sẽ không bị giới hạn về tỷ lượng với H2S có trong dung dịch khoan, trong khi cacbonat kẽm hoặc một số hoá chất khác chỉ có thể bổ sung vào dung dịch khoan với liều lượng hạn chế.
- Vì vậy, khi cần thiết có thể sử dụng một lượng oxit sắt hoạt tính dư so với yêu cầu đã tính toán.
- Để thu hồi bột oxit sắt, người ta cho dung dịch khoan đã sử dụng chứa phoi khoan qua máy tách từ, khi đó những sản phẩm của phản ứng và bột oxit sắt chưa phản ứng sẽ được thu lại.
- Bột oxit sắt chưa phản ứng sau khi tách được sử dụng lại trong dung dịch khoan cùng với lượng mới bổ sung theo tính toán tương đương với lượng sản phẩm phản ứng không mang từ tính đã bị tách loại.
- Tính hiệu quả về bảo vệ ăn mòn Ngoài tác dụng xử lý H2S, bột oxit sắt hoạt tính còn có tác dụng loại oxy và một số tác nhân ăn mòn khác.
- Vì vậy, so sánh với các hoá chất khác, bột oxit sắt có tính hiệu quả cao hơn trong việc bảo vệ ống khoan và đường ống, thiết bị.
- khỏi các quá trình ăn mòn, giảm thời gian dừng hoạt động để bảo trì, sửa chữa.
- Thuận tiện trong vận hành Bột oxit sắt hoạt tính có tỷ trọng cao (4,5 4,6 g/cm3) nên việc pha chế dung dịch khoan tương tự như khi dùng bột barit.
- Việc kiểm tra hàm lượng oxit sắt trong dung dịch khoan có thể thực hiện bằng nam châm, cho phép khống chế, điều chỉnh lượng sử dụng nhanh chóng, chính xác và thuận tiện.
- Tính hiệu quả về kinh tế Hiệu quả sử dụng của oxit sắt cao gấp 4 lần so với cacbonat kẽm.
- Để liên kết H2S chứa trong 350 lít dung dịch khoan với nồng độ trung bình 0,2%, lượng oxit sắt cần sử dụng chỉ là 1 kg, nếu dùng cacbonat kẽm sẽ cần đến gần 4 kg.
- 12 - Bên cạnh đó, bột oxit sắt không ảnh hưởng đến tính lưu biến của dung dịch khoan - vấn đề sẽ gặp phải khi sử dụng cacbonat kẽm, để giải quyết vấn đề này phải sử dụng thêm hoá chất, gây tốn kém về kinh tế.
- Yêu cầu về xử lý H2S trong khoan thăm dò, khai thác dầu khí ở nước ta [2,6] Sự xuất hiện H2S trong giếng khoan và khí đồng hành là mối quan tâm lớn của ngành Dầu khí Việt Nam.
- Để khoan ở những vùng này nhất định cần phải có chất xử lý H2S.
- Mỗi giếng khoan cần dự phòng 710 tấn bột oxit sắt hoạt tính nhập ngoại với giá trung bình hiện nay khoảng 1.000 USD/ tấn.
- Việc nghiên cứu sản xuất những tác nhân loại bỏ H2S có hiệu quả như bột oxit sắt hoạt tính dùng trong ngành Dầu khí là vấn đề cần thiết có ý nghĩa thực tiễn cao.
- TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU Ở TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC Oxit sắt từ – magnetit FeO.Fe2O3 có màu đen chứa 31 % FeO và 69 % Fe2O3, hàm lượng Fe là 72,4.
- Người ta đã xác định rằng những phần tử magnetit có kích thước 0,5  khi bảo quản trong không khí ở nhiệt độ phòng sau một năm bị oxy hóa khoảng 50.
- sau đó quá trình oxy hóa xảy ra rất chậm.
- Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài Hiện nay đã có nhiều công trình nghiên cứu chế tạo bột oxit sắt từ các nguồn nguyên liệu khác nhau là gang, thép, muối chứa sắt, hydroxit sắt với những mục đích sử dụng cũng rất đa dạng.
- Phương pháp chế tạo bột oxit sắt từ gang và thép [9,10] Theo sáng chế Mỹ số 4.008.775 phương pháp chế tạo bột oxit sắt họat tính (ironite sponge) được mô tả như sau: Gang chứa khoảng 3,5 % cacbon và một lượng nhỏ silicon cùng những khoáng khác đi kèm được nghiền thành bột, sau đó qua sàng 10 lỗ rồi được oxy hoá ở nhiệt độ khoảng 127 0C đến 177 0C , điều kiện chuyển hoá được khống chế để tạo thành dạng oxit Fe3O4 mà không bị oxy hoá tiếp đến Fe2O3.
- Khi phân tích bột oxit sắt hoạt tính này bằng quang phổ phát xạ cho thấy chúng là hỗn hợp pha của các oxit sắt với thành phần chủ yếu là Fe3O4.
- Ở nhiệt độ phòng, oxit sắt này là vật liệu ferri-magnetic có điểm curi ở 575 0C và độ nhiễm từ bão hoà 480 Gauss/cm3, độ từ dư khoảng 5 % so với độ nhiễm từ bão hòa, độ cứng vào khoảng 6 và tỷ trọng là 4,55 g/cm3.
- Sản phẩm này được giới thiệu sử dụng để xử lý H2S trong khi khoan dầu rất hiệu quả.
- Tuy vậy phương pháp này phải dùng nguyên liệu là gang, một loại vật liệu cứng, trải qua các quá trình sử lý cơ học phức tạp, thực hiện phản ứng oxy hóa có điều kiện và sấy ở nhiệt độ cao.
- Một phương pháp khác chế tạo bột oxit sắt dạng -Fe2O3 gồm các công đoạn (bằng sáng chế Nhật Bản số 11-92.148 ngày 06.04.1999.
- Nung thép trong không khí ở nhiệt độ C để tạo thành oxit sắt, sau đó làm nguội nhanh bằng cách phun dung dịch xử lý (nước và dầu) lên bề mặt thép để làm bong lớp oxit sắt.
- Thu hồi và phân ly sản phẩm có trong dung dịch xử lý.
- Sản phẩm thu được của quá trình trên có từ tính cao và chỉ dùng để làm nguyên liệu sản xuất băng từ như video, casette.
- Phương pháp chế tạo bột oxit sắt từ muối sắt Các muối sắt phổ biến là clorua sắt và sunfat sắt, thường là những chất thải của công nghiệp mạ điện, tráng phủ kẽm hay chất thải của công nghiệp sản xuất rutin từ quặng ilmenit bằng axit vô cơ.
- Từ những muối sắt này đã được nghiên cứu xử lý theo các hướng sau.
- Phương pháp xử lý nhiệt.
- Dung dịch sau tẩy gỉ thép bằng HCl nếu xử lý theo phương pháp thủy phân bằng hơi nước sẽ thu được Fe3O4 và HCl tuần hoàn lại cho quá trình tẩy gỉ.
- Phản ứng xảy ra như sau: 3FeCl2 + 4H2O = Fe3O4 + 6HCl + H2 + 75,44 kcal Nhiệt độ thích hợp từ 450 đến 650 0C.
- Ở nhiệt độ 650 0C, tốc độ thuỷ phân rất lớn, phản ứng xảy ra hoàn toàn sau 1520 phút.
- Cũng tương tự như vậy, khi xử lý dung dịch FeCl2 trong quá trình hòa tan quặng ilmenit bằng HCl cũng thu được Fe3O4 (hoặc Fe2O3) và HCl .
- Quá trình nhiệt thủy phân được tiến hành ở 800 0C: FeO.TiO2 + 2HCl = TiO2 + FeCl2 + H2O 2FeCl2 + 2H2O + 0,5 O2 = Fe2O3 + 4HCl Khi nhiệt thủy phân trong lò có đệm chất lỏng cũng ở nhiệt độ 800 0C sẽ xảy ra phản ứng: 3 FeCl2 + 3 H2O + 0,5 O2 = Fe3O4 + 6 HCl Quá trình này được mô tả theo sơ đồ - 16 - Tuy nhiên những sản phẩm Fe3O4 này có độ xốp rất bé nên khả năng phản ứng với H2S thấp.
- Phương pháp sản xuất bột màu oxit sắt Các phương pháp sản xuất bột màu, nhất là bột màu từ tính đều dựa theo sơ đồ sau: Các công trình nghiên cứu đều tập trung vào khâu điều chế -FeOOH và xử lý nhiệt các sản phẩm trung gian.
- Khi điều chế -FeOOH, khâu quyết định tính chất của bột màu, người ta đã nghiên cứu sự phụ thuộc của môi trường, các tác nhân kiềm dùng kết tủa, nhiệt độ phản ứng, tốc độ sục oxy (không khí) vào huyền phù đến thành phần pha và hình thái của sản phẩm thu được khi oxy hóa hydroxit sắt(II).
- Trong khâu xử lý nhiệt của sản phẩm trung gian tác giả đã nghiên cứu khá kỹ vào chế độ khử nước của -FeOOH thành -Fe2O3, khử -Fe2O3 thành Fe3O4 bằng hydro và chế độ oxy hóa Fe3O4 thành -Fe2O3.
- Đồng thời cũng đã nghiên cứu dùng những chất biến tính vô cơ và hữu cơ bổ sung vào quá trình điều chế để thu được sản phẩm có chất lượng cao nhất.
- Fe2O3 Fe3O4 N2, T Ilmenit Hòa tách bằng axit HCl Rutin tổng hợp (>96%) TiO2 Tái sinh axit Oxit sắt Fe2O3 FeCl2 HCl

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt