באתרו ויזואליזציה של התנהגות השלב של דוגמאות שמן בתנאי תהליך זיקוק
Summary
This article describes a setup and method for the in situ visualization of oil samples under a variety of temperature and pressure conditions that aim to emulate refining and upgrading processes. It is primarily used for studying isotropic and anisotropic media involved in the fouling behavior of petroleum feeds.
Abstract
To help address production issues in refineries caused by the fouling of process units and lines, we have developed a setup as well as a method to visualize the behavior of petroleum samples under process conditions. The experimental setup relies on a custom-built micro-reactor fitted with a sapphire window at the bottom, which is placed over the objective of an inverted microscope equipped with a cross-polarizer module. Using reflection microscopy enables the visualization of opaque samples, such as petroleum vacuum residues, or asphaltenes. The combination of the sapphire window from the micro-reactor with the cross-polarizer module of the microscope on the light path allows high-contrast imaging of isotropic and anisotropic media. While observations are carried out, the micro-reactor can be heated to the temperature range of cracking reactions (up to 450 °C), can be subjected to H2 pressure relevant to hydroconversion reactions (up to 16 MPa), and can stir the sample by magnetic coupling.
Observations are typically carried out by taking snapshots of the sample under cross-polarized light at regular time intervals. Image analyses may not only provide information on the temperature, pressure, and reactive conditions yielding phase separation, but may also give an estimate of the evolution of the chemical (absorption/reflection spectra) and physical (refractive index) properties of the sample before the onset of phase separation.
Introduction
המחקר של התנהגות השלב של דגימות שמנות במגוון רחב של טמפרטורות, לחצים, ותנאי תגובתי יכול להניב מידע שימושי מאוד עבור המפעיל של בית זיקוק שמעבדת מגוון של זנות. בפרט, העכירות של יחידות תהליך וקווים ידי היווצרות בלתי מבוקרת של קוק או משקעים יכולה להשפיע על ייצור קשה (אובדן התפוקה) וצריכת אנרגיה יעילה (גידול התנגדות העברת חום) 1, 2, 3. חיבור שנגרם אפשרי על ידי ההצטברות של עכירות חומר עשוי לדרוש כיבוי למטרות לנקות, אשר תהיה השפעה כלכלית שלילית מאוד 4. מבצע הערכה של נטיות עכירות של זנות יכולה להיות יקר מאוד עבור אופטימיזציה של תנאי תהליך 5 ואת המיזוג של זרמי זיקוק.
פתחנו באתרומנתח של יציבות נפט במעבדה שלנו כדי לאפשר ההדמיה של דגימות שמן בכפוף לתנאי תהליך הזיקוק. מנגנון זה מסתמך על הכור תוכנן במיוחד עשוי אביזרי נירוסטה מצויד חלון ספיר אטום בתחתית. העיקרון המרכזי של המכשיר הוא הארת המדגם בתוך הכור על הטווח הרצוי של טמפרטורה והלחץ ואת ההדמיה של ההשתקפות הצולבת מקוטב שהתקבלה. בעוד מחקרים קודם שפורסמו בהשוואה להגדרה זו מתמקדת בתהליכי פירוק תרמיים לחקות תנאי visbreaking 6, 7, 8, 9 (אשר אינם דורשים בלחץ גבוה), עיצוב הכור עבר שינוי מקיף כדי לחקור את ההתנהגות של דגימות תחת hydroconversion (קטליטי פיצוח תחת H 2 בלחץ גבוה) ו aquathermal 10 (תרמית פיצוח תחת טרום גבוההקיטור ssure) תנאים. לכן, המכשיר תוקן על מנת לפעול בטווח 20-450 ° C הטמפרטורה ואת הטווח לחץ 0.1-16 MPa, עם היכולת לקיים הוא 450 ° C ו -16 מגפ"ס עבור זמני תגובה של עד 6 שעות.
הרמה הראשונה של ניתוח על המידע החזותי של הדגימות תחת טווח מסוים של טמפרטורה, לחץ, ותנאי תגובתי היא לקבוע אם המדגם הוא חד פאזיים או רב שלבית. מערכת זו היא ייחודית בכך שהיא מאפשרת ההדמיה של חומר איזוטרופי אטום אינו מוגבלת ההדמיה של חומר איזוטרופי המתואר עבודה אחרת 11. בעוד האינדיקטור המרכזי של הנטייה עכירות של דגימות היא הנטייה לרדת משקעים מתוך נוזלים בצובר; גז נוזלי, נוזל-נוזל, נוזל-מוצק, והתנהגויות שלב מורכבות יותר ניתן לצפות. עם זאת, מידע רב ערך יכול גם להיות הופק האבולוציה החזותית של נוזל כפי שהוא נשאר Homogeneous (חד פאזיים). בפרט, את הבהירות של תמונות קשורה מקדם השבירה ואת מקדם הכחדה של המדגם, בעוד הצבע של המדגם הוא קבוצת משנה של מידע ספקטרלי שלה בטווח האור הנראה (380-700 ננומטר), אשר יכול להיות משמש תאר הכימיה שלה 9.
Protocol
Representative Results
Discussion
צעדים קריטיים בתוך הפרוטוקול
השלב הקריטי הראשון בפרוטוקול הוא הבטחה שלמות חותם מתכת אל-ספיר, במיוחד אם הניסוי הוא להתבצע תחת לחץ. לפיכך, ההקבלה, החלקלקות, ואת הניקיון של משטחי האיטום יש לבדוק בקפידה, ואת בדיקות הדליפה צריכות להיות ?…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors acknowledge Daniel Palys for supplying Figure 12 and for his assistance in managing laboratory supplies.
Materials
| Sapphire window, C-plane, 3mm thick – 20 mm diam., Scratch/Dig: 80/50 | Guild Optical Associates | ||
| C-seal | American Seal & Engineering | 31005 | |
| Type-K thermocouple | Omega | KMQXL-062U-9 | |
| Ferrule (1/16") | Swagelok | SS-103-1 | Inserted for creating a clearance gap between the magnet and the window surface |
| Coil Heater | OEM Heaters | K002441 | |
| Temperature controller | Omron | E5CK | |
| Inverted microscope | Zeiss | Axio Observer.D1m | Require cross-polarizer module |
| Toluene, 99.9% HPLC Grade | Fisher | Catalog # T290-4 | Harmful, to be handled in fume hood |
| Methylene chloride, 99.9% HPLC Grade | Fisher | Catalog # D143-4 | Harmful, to be handled in fume hood |
| Acetone, 99.7 Certified ACS Grade | Fisher | Catalog # A18P-4 |
Referencias
- Gray, M. R. . Upgrading Petroleum Residues and Heavy Oils. , (1994).
- Wiehe, I. A. . Process Chemistry of Petroleum Macromolecules. , (2008).
- Rahimi, P. M., Teclemariam, A., Taylor, E., deBruijn, T., Wiehe, I. A. Thermal Processing Limits of Athabasca Bitumen during Visbreaking Using Solubility Parameters. Heavy Hydrocarbon Resources, ACS Symposium Series, Volume 895. , (2005).
- Wiehe, I. A., Kennedy, R. J. Application of the Oil Compatibility Model to Refinery Streams. Energy Fuels. 14 (1), 60-63 (2000).
- Rahimi, P., Gentzis, T., Cotté, E. Investigation of the Thermal Behavior and Interaction of Venezuelan Heavy Oil Fractions Obtained by Ion-Exchange Chromatography. Energy Fuels. 13 (3), 694-701 (1999).
- Bagheri, S. R., Gray, M. R., McCaffrey, W. C. Influence of Depressurization and Cooling on the Formation and Development of Mesophase. Energy Fuels. 25 (12), 5541-5548 (2011).
- Bagheri, S. R., Gray, M. R., Shaw, J., McCaffrey, W. C. In Situ Observation of Mesophase Formation and Coalescence in Catalytic Hydroconversion of Vacuum Residue Using a Stirred Hot-Stage Reactor. Energy Fuels. 26 (6), 3167-3178 (2012).
- Bagheri, S. R., Gray, M. R., McCaffrey, W. C. Depolarized Light Scattering for Study of Heavy Oil and Mesophase Formation Mechanisms. Energy Fuels. 26 (9), 5408-5420 (2012).
- Laborde-Boutet, C., Dinh, D., Bender, F., Medina, M., McCaffrey, W. C. In Situ Observation of Fouling Behavior under Thermal Cracking Conditions: Hue, Saturation and Intensity Image Analyses. Energy Fuels. 30, 3666-3675 (2016).
- Dinh, D. . In-Situ Observation of Heavy-Oil Cracking using Backscattering Optical Techniques. MSc Thesis. , (2015).
- Rahimi, P., et al. Investigation of Coking Propensity of Narrow Cut Fractions from Athabasca Bitumen Using Hot-Stage Microscopy. Energy Fuels. 12 (5), 1020-1030 (1998).
- Hanbury, A. Constructing cylindrical coordinate colour spaces. Pattern Recognition Letters. 29 (4), 494-500 (2008).
- Gonzalez, R. C., Woods, R. E. . Digital Image Processing, Third Edition. , (2008).
- Wachtman, J. B., Maxwell, L. H. Strength of Synthetic Single Crystal Sapphire and Ruby as a Function of Temperature and Orientation. J. Am. Ceram. Soc. 42 (9), 432-433 (1959).
- Kaye, G. W. C., Laby, T. H. . Tables of physical and chemical constants / originally compiled by G.W.C. Kaye and T.H. Laby ; now prepared under the direction of an editorial committee. , (1995).
- Malitson, I. H., Dodge, M. J. Refractive Index and Birefringence of Synthetic Sapphire. J. Opt. Soc. Am. 62 (11), 1405 (1972).
- Buckley, J. S., Hirasaki, G. J., Liu, Y., Von Drasek, S., Wang, J. X., Gill, B. S. Asphaltene Precipitation and Solvent Properties of Crude Oils. Pet. Sci. Technol. 16 (3-4), 251-285 (1998).
- Perrotta, A., McCullough, J. P., Beuther, H. Pressure-Temperature Microscopy of Petroleum-Derived Hydrocarbons. Prepr. Pap. Am. Chem. Soc., Div. Pet. Chem. 28 (3), 633-639 (1983).
