Dielectric Properties of Oil Sands at 2.45 GHz Determined with Rectangular Cavity Resonator

RESUME Les carburants de fossile relativement faciles a obtenir avec un cout peu eleve d’extraction continuent a etre la forme dominante d'energie dans le monde entier, malgre qu’on ne puisse pas les considerer comme sources d'energie propre pour l’environnement. Suite aux pressions ecologiques croissantes, y compris celles des changements climatiques, differentes techniques de production sont examinees pour reduire l’impact sur l'environnement. L'etude presente vise une premiere etape d'un projet de recherche ultime pour trouver une facon de faire plus ecologique dans l’extraction du petrole a partir des sables bitumineux en utilisant l’energie micro-onde. Les sables bitumineux sont un melange naturel et visqueux de sable (ou d’argile), d'eau et d’une substance extremement lourde qu’on appelle « bitumen ». Ils peuvent contenir de grandes quantites de soufre et evidemment de petrole. L’Alberta contient la plus grande concentration de sables de petrole dans le monde. Les sables bitumineux de l'Alberta se trouvent principalement en trois regions : Athabasca, Cold Lake, et Peace River. Le secteur entier dispose du plus grand depot au monde a lui seul, contenant entre 1,7 et 2,5 trillions de barils. Les sables bitumineux peuvent etre traites en surface pour l’extraction du petrole ou in-situ lorsque la presence du petrole est trop profonde, ce qui est l'approche typique lorsqu’il s’agit des operations plus viables economiquement. Dans le procede d’extraction, le bitume est en premier lieu transforme en produits plus legers qui peuvent etre facilement raffines par la suite. La premiere et seule etude sur les sables bitumineux utilisant les micro-ondes, qui nous a inspire pour mener notre projet ultime, a ete presentee par Bosisio et al [5]. Dans son etude experimentale, les echantillons de sable meles de goudron ont ete chauffes avec des micro-ondes de puissance, a une frequence de 2450±50 MHz. La recherche presente vise a separer le petrole brut des sables bitumineux par un applicateur d'energie micro-onde a 915 et 2450 MHz avec une puissance pouvant aller jusqu'a 10,000 W, ce qui est beaucoup plus eleve comme puissance que l’etude experimentale de Bosisio qui a utilise 100 W. Pour cette etape, nous avons besoin de savoir les caracteristiques electriques du milieu traite, particulierement la permittivite complexe des sables bitumineux.----------ABSTRACT Relatively easy and inexpensive fossil fuels continue to be the dominant form of energy around the world although they are not considered as environment friendly energy sources. With increasing environmental pressures including climate change, different production techniques are being investigated to reduce our impact on the environment. This study is the first stage of a research project that aims to find a cleaner and greener way to extract oil sands by using microwave energy applicators. Oil sands are naturally viscous mixtures of sand or clay, water and an extremely heavy substance called bitumen. It can contain large amounts of sulfur and is the oil component of oil sands. Alberta contains the largest concentration of oil sands in the world. Alberta’s oil sands are contained in three deposits: Athabasca, Cold Lake and Peace River. The entire area composes the largest single deposit of oil in the world, containing between 1.7 and 2.5 trillion barrels. Oil sands can be produced either through surfacing mining or in-situ methods which is the typical approach when the oil sands are too deep to support surface mining operations economically. In the upgrading process, bitumen is chemically and physically changed into lighter products that can be easily refined. The first and only study of oil sands using microwave energy, prior to this project, was carried out by Bosisio et al [5]. In his experimental study, oil sand samples were heated with microwave power at a frequency of 2450±50 MHz. The final goal of our research would be to separate crude oil from oil sands by heating them with microwave energy applicator working at 2450 MHz with a power up to 10,000 W which is much higher than Bosisio’s first experimental study done in 1977 using 100 W. At this initial step, we seek to determine the complex permittivity of oil sands because the microwave engineering of oil sands would require precise knowledge of its electromagnetic properties. These properties are defined in terms of dielectric constant (e') and loss factor (e"). Permittivity is actually a complex number. Relative complex permittivity is also complex when the permittivity is complex and it is the ratio of epsilon complex to epsilon zero (er' and er'').The only study on the complex permittivity measurements of oil sands at 2450 MHz was reported by Erdogan et al [9 – 11].