In Situ Visualisatie van het fasegedrag van Oil Monsters Under raffinageproces Voorwaarden
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
De studie van het fasegedrag van oliemonsters in uiteenlopende temperaturen, drukken en reactieve omstandigheden kan zeer bruikbare informatie opleveren voor de exploitant van een raffinaderij die verschillende voedingen verwerkt. In het bijzonder kan de vervuiling van proceseenheden en lijnen door een ongecontroleerde vorming van cokes of sedimenten strenge productie (verlies van doorvoer) en energie-efficiëntie (toename warmteoverdrachtsweerstand) 1, 2, 3 beïnvloeden. Eventuele leemten veroorzaakt door de ophoping van vervuiling materiaal kan een sluiting voor sanering doeleinden, die een sterk negatieve economische gevolgen 4 zou vereisen. Aan een evaluatie van de vervuiling neigingen van diervoeders kan zeer waardevol voor de optimalisatie van procesomstandigheden 5 en het mengen van raffinaderijstromen worden.
We hebben een in situ ontwikkeldanalysator aardolie stabiliteit in ons laboratorium om de visualisatie van oliemonsters onder raffinageproces toelaat. Deze inrichting is gebaseerd op een speciaal ontworpen reactor van roestvrij stalen fittingen en voorzien van een vaste saffieren venster onderaan. Het hoofdprincipe van de inrichting is de verlichting van het monster in de reactor op het gewenste gebied van temperatuur en druk en de beeldvorming van de resulterende gepolariseerd reflectie. Hoewel eerdere gepubliceerde werk met betrekking tot deze opstelling gericht op thermische kraakprocessen te visbreaking voorwaarden 6, 7, 8, 9 (die geen hoge druk vereisen), het reactorontwerp gereviseerd om het gedrag van monsters onderzoeken onder hydro (emuleren katalytisch kraken onder hoge H2 druk) en AQUATHERMAL 10 (thermisch kraken onder hoge-pressure stoom) omstandigheden. Aldus werd de inrichting aangepast om te kunnen werken in de 20-450 ° C temperatuurbereik en 0,1-16 MPa drukbereik, met de mogelijkheid om zowel 450 ° C en 16 MPa sustain reactietijden tot 6 uur.
Het eerste niveau van analyse van de visuele informatie van de monsters onder een bepaald bereik van temperatuur, druk en reactieve omstandigheden vast te stellen of het monster eenfasige of meerfasige. Dit systeem is uniek omdat het zorgt voor de visualisatie van ondoorzichtig materiaal isotroop en is niet beperkt tot het zichtbaar maken van anisotroop materiaal in ander werk 11 beschreven. Terwijl de belangrijkste indicator van de vervuiling neiging van monsters is de neiging om sedimenten drop-out van de bulk vloeistof; gas-vloeistof, vloeistof-vloeistof, vloeistof-vaste stof, en complexere fase gedrag kan worden waargenomen. Echter, kan waardevolle informatie worden gewonnen uit de visuele evolutie van een vloeistof die hom blijftogeneous (single-fase). In het bijzonder, de helderheid van de beelden is gerelateerd aan de brekingsindex en extinctiecoëfficiënt van het monster, terwijl de kleur van het monster is een deelverzameling van de spectrale informatie in het zichtbare licht (380-700 nm), die kan worden als een descriptor van de chemie 9.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kritische stappen in het protocol
De eerste kritische stap in het protocol is de integriteit van de metaal-op-saffier verbinding, vooral als het experiment onder druk worden uitgevoerd. Daarom moet het parallellisme, de gladheid, en de netheid van de afdichtingsvlakken zorgvuldig worden geïnspecteerd, en het lek tests moeten grondig worden. Aangezien de breukmodulus van saffier is een dalende functie van de temperatuur 14, dikker saffier ramen te gebruiken voor werk bij…
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).
