तेल के नमूने के चरण व्यवहार रिफाइनरी प्रक्रिया परिस्थितियों में सीटू दृश्य में
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
तापमान, दबाव, और प्रतिक्रियाशील स्थितियों की एक विस्तृत श्रृंखला में तेल के नमूने के चरण व्यवहार का अध्ययन एक रिफाइनरी कि फ़ीड की एक किस्म प्रक्रियाओं के ऑपरेटर के लिए बहुत उपयोगी जानकारी उपज कर सकते हैं। विशेष रूप से, कोक या तलछट की एक अनियंत्रित गठन की प्रक्रिया इकाइयों और लाइनों के दूषण गंभीर रूप से उत्पादन (throughput के नुकसान) और ऊर्जा दक्षता (गर्मी हस्तांतरण प्रतिरोध में वृद्धि) 1, 2, 3 को प्रभावित कर सकते हैं। संभावित सामग्री दूषण साफ हुआ प्रयोजनों के लिए, जो एक बेहद नकारात्मक आर्थिक प्रभाव 4 के लिए होता है के लिए एक बंद आवश्यकता हो सकती है के संचय के कारण plugging। फ़ीड के दूषण प्रवृत्तियों के एक आकलन के आयोजन की प्रक्रिया की स्थिति 5 के अनुकूलन और रिफाइनरी धाराओं के सम्मिश्रण के लिए अत्यधिक महत्वपूर्ण हो सकता है।
हम बगल में एक विकसित किया हैहमारी प्रयोगशाला में पेट्रोलियम स्थिरता के विश्लेषक रिफाइनरी प्रक्रिया शर्तों के अधीन तेल के नमूने के दृश्य की अनुमति है। इस तंत्र एक विशेष रूप से डिजाइन स्टेनलेस स्टील फिटिंग का बना है और तल पर एक मोहरबंद नीलमणि खिड़की से सुसज्जित रिएक्टर पर निर्भर करता है। डिवाइस का मुख्य सिद्धांत तापमान और दबाव के वांछित सीमा पर रिएक्टर के अंदर नमूना और जिसके परिणामस्वरूप पार ध्रुवीकरण प्रतिबिंब की इमेजिंग की रोशनी है। जबकि visbreaking शर्तों 6, 7, 8, 9 (जो उच्च दबाव की आवश्यकता नहीं है), रिएक्टर डिजाइन (hydroconversion के तहत नमूने के व्यवहार की जांच करने की पूर्ण जांच की गई थी अनुकरण करने के लिए थर्मल खुर प्रक्रियाओं पर ध्यान केंद्रित इस सेटअप करने के लिए पिछले प्रकाशित काम रिश्तेदार उत्प्रेरक के तहत खुर उच्च दबाव एच 2) और aquathermal 10 (थर्मल उच्च पूर्व के तहत खुरssure भाप) की स्थिति। इस प्रकार, युक्ति आदेश ऊपर से 6 घंटा की प्रतिक्रिया समय के लिए दोनों 450 डिग्री सेल्सियस और 16 एमपीए बनाए रखने की क्षमता के साथ, 20-450 डिग्री सेल्सियस तापमान रेंज और 0.1-16 एमपीए दबाव रेंज में संचालित करने के लिए संशोधित किया गया था।
तापमान, दबाव, और प्रतिक्रियाशील की स्थिति की एक विशेष श्रृंखला के तहत नमूने के दृश्य सूचना के आधार पर विश्लेषण के पहले के स्तर निर्धारित करने के लिए नमूना एकल चरण या अवस्थायाँ है कि क्या है। में है कि यह अपारदर्शी isotropic सामग्री के दृश्य के लिए अनुमति देता है और अन्य काम 11 में वर्णित anisotropic सामग्री के दृश्य तक सीमित नहीं है इस प्रणाली अनूठी है। जबकि नमूनों की दूषण प्रवृत्ति का मुख्य सूचक थोक तरल से बाहर अवसादों ड्रॉप करने की प्रवृत्ति है; गैस तरल, तरल-तरल, तरल ठोस, और अधिक जटिल चरण व्यवहार देखा जा सकता है। हालांकि, बहुमूल्य जानकारी भी एक तरल के दृश्य विकास से निकाला जा सकता है क्योंकि यह Hom रहता हैogeneous (एकल चरण)। विशेष रूप से, छवियों की चमक, अपवर्तनांक और नमूना के विलुप्त होने के गुणांक से संबंधित है, जबकि नमूना के रंग प्रकाश दिखाई रेंज में अपने वर्णक्रम जानकारी (380-700 एनएम) के एक सबसेट, हो सकता है जो है उसके रसायन विज्ञान 9 के एक वर्णनकर्ता के रूप में इस्तेमाल किया।
Protocol
Representative Results
Discussion
प्रोटोकॉल के भीतर महत्वपूर्ण कदम
प्रोटोकॉल में पहला महत्वपूर्ण कदम धातु करने वाली नीलम सील की अखंडता को सुनिश्चित किया जाता है, खासकर अगर प्रयोग दबाव के तहत बाहर किया जा रहा है। इस प्रकार, सम…
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).
