In Situ Visualisering av faseoppførsel av oljeprøver Under Refinery Prosessbetingelser
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 av den faseoppførsel av oljeprøver i et bredt spekter av temperaturer, trykk og reaktive betingelser kan gi nyttig informasjon for operatøren av et raffineri som behandler en rekke strømmer. Spesielt kan begroing av prosessenheter og linjer ved en ukontrollert dannelse av koks eller sedimenter alvorlig påvirke produksjon (tap av gjennomstrømning) og energieffektivitet (økning i varmeoverføringsmotstand) 1, 2, 3. Mulig plugging forårsaket av opphopning av begroing materiale kan kreve en stans for opprenskningsformål, noe som ville ha en svært negativ økonomisk effekt 4. Gjennomføre en vurdering av begroings tilbøyeligheter av fôr kan være svært verdifull for optimalisering av prosessbetingelser 5 og blanding av raffineristrømmer.
Vi har utviklet en in situanalysator av petroleum stabilitet i vårt laboratorium for å tillate visualisering av oljeprøver utsatt for raffineri prosessbetingelsene. Dette apparatet er avhengig av en spesielt utformet reaktor laget av rustfritt stål beslag og utstyrt med en forseglet safir vinduet nederst. Hovedprinsippet for anordningen er den belysning av prøven inne i reaktoren på det ønskede område av temperatur og trykk, og avbildning av den resulterende krysspolarisert refleksjon. Mens tidligere publiserte arbeid i forhold til dette oppsettet rettet mot termiske krakkingsprosesser for å etterligne visbryting tilstander 6, 7, 8, 9 (som ikke krever høyt trykk), reaktoren motivet er overhalt for å undersøke oppførselen til prøvene under hydroomdannelses (katalytisk krakking i henhold høy H 2 trykk) og aquathermal 10 (termisk cracking under høyt-pressure damp) forhold. Følgelig ble anordningen revidert for å operere i 20 til 450 ° C temperaturområde, og 0,1 til 16 MPa trykkområdet, med evne til å opprettholde både 450 ° C og 16 MPa for reaksjonstider på opptil 6 timer.
Det første nivået av analyse på visuell informasjon av prøvene under et bestemt utvalg av temperatur, trykk og reaktive betingelser er for å bestemme hvorvidt prøven er enfase eller flerfase. Dette systemet er unikt ved at det gjør det mulig for visualisering av ugjennomsiktig isotropisk materiale, og er ikke begrenset til visualiseringen av anisotropt materiale som er beskrevet i annet arbeid 11. Mens den viktigste indikator på begroing tilbøyelighet av prøvene er tendensen til å slippe sedimenter ut av væskemassen; gass-væske, væske-væske, væske-faststoff, og mer komplekse fase oppførsel kan observeres. Imidlertid kan verdifull informasjon også hentes ut fra den visuelle utviklingen av en væske som det gjenstår homogeneous (enfase). Spesielt lysstyrken av bildene er relatert til brytningsindeksen og ekstinksjonskoeffisienten av prøven, mens fargen av prøven er et delsett av den spektrale informasjon i det synlige lys området (380-700 nm), som kan bli brukes som beskrivelse av dens kjemi 9.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kritiske trinn i protokollen
Den første kritiske trinnet i protokollen er å sikre integriteten av metall-til-safir tetning, særlig hvis forsøket skal utføres under trykk. Derfor bør parallellitet, glatthet, og renhold av tetningsflatene nøye inspisert, og lekkasjetester bør være grundig. Siden bruddgrense av safir er en avtagende funksjon av temperaturen 14, tykkere safir-vinduer som skal brukes for arbeide ved høyt trykk og høy temperatur. Som en retningslinj…
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).
