In situ Visualisering af fase Behavior af olieprøver Under raffinaderierne til raffinering Betingelser
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
Studiet af faseopførslen af olieprøver i en bred vifte af temperaturer, tryk og reaktive betingelser kan give meget nyttig information til operatøren af et raffinaderi, der behandler forskellige feeds. Især kan tilgroning af procesenheder og linjer af en ukontrolleret dannelse af koks eller sedimenter alvorligt påvirke produktionen (tab af kapacitet) og energieffektivitet (stigning i varmeoverførsel resistens) 1, 2, 3. Mulig tilstopning forårsaget af ophobning af begroning materiale kan kræve en lukning for oprydning formål, som ville have en meget negativ økonomisk virkning 4. Gennemførelse af en vurdering af begroning tilbøjeligheder af feeds kan være meget værdifuld for optimering af procesbetingelserne 5 og blanding af raffinaderi streams.
Vi har udviklet en in situanalysator af råolie stabilitet i vores laboratorium for at tillade visualisering af olieprøver underlagt raffinaderi procesbetingelser. Dette apparat er afhængig af et specifikt designet reaktor lavet af rustfrit stål fittings og udstyret med en forseglet safir vindue nederst. Hovedprincippet i indretningen er belysningen af prøven inden i reaktoren ved den ønskede afstand af temperatur og tryk og billeddannelse af refleksion resulterende cross-polariseret. Mens tidligere offentliggjorte arbejde i forhold til denne opsætning fokuseret på termiske krakningsprocesser at emulere visbreaking betingelser 6, 7, 8, 9 (som ikke kræver højt tryk), reaktoren motiv er overhaling for at undersøge opførslen af prøver efter hydroomdannelse (katalytisk krakning under højt H 2 tryk) og aquathermal 10 (termisk krakning under høj præssure damp) betingelser. Således blev enheden revideret for at operere i 20-450 ° C temperaturområde og 0,1-16 MPa trykområde, med evnen til at opretholde både 450 ° C og 16 MPa for reaktionstider på op til 6 timer.
Det første niveau af analyse på den visuelle information af prøverne under en bestemt række af temperatur, tryk, og reaktive betingelser er at afgøre, om prøven er enfaset eller flerfaset. Dette system er enestående, fordi det giver mulighed for visualisering af uigennemsigtig isotrope materiale og er ikke begrænset til visualisering af anisotrope materiale er beskrevet i andet arbejde 11. Mens den vigtigste indikator for tilgroning tilbøjelighed prøver er tendensen til at droppe sedimenter ud af bulk væske; gas-væske, væske-væske, væske-faststof og mere kompleks fase adfærd kan observeres. Imidlertid kan værdifulde oplysninger også ekstraheres fra den visuelle udvikling af en væske, som det forbliver homogeneous (enfaset). Især lysstyrken af billederne er relateret til brydningsindekset og ekstinktionskoefficienten af prøven, mens farven af prøven er en delmængde af dets spektral information i det synlige lys (380-700 nm), som kan være anvendes som en deskriptor for dens kemi 9.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kritiske trin i protokollen
Det første kritisk trin i protokollen er at sikre integriteten af metal-mod-safir tætning, især hvis forsøget skal udføres under tryk. Således bør paralleliteten, glathed, og renholdelse af tætningsfladerne nøje inspiceret, og lækage test bør være grundig. Da brudmodulus af safir er en aftagende funktion af temperaturen 14, tykkere safir vinduer bør anvendes til arbejde ved højt tryk og høj temperatur. Som en retningslinje…
Divulgations
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 |
References
- 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).
