In Situ Visualisering av fasbeteende av oljeprover under raffineringsprocessen Villkor
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
Studien av fasbeteendet av oljeprover i ett brett spektrum av temperaturer, tryck, och reaktiva betingelser kan ge mycket användbar information för operatören av ett raffinaderi som bearbetar en mängd olika flöden. I synnerhet kan nedsmutsning av processenheter och linjer av en okontrollerad bildning av koks eller sediment allvarligt påverka produktionen (förlust av genomströmning) och energieffektivitet (ökning inom värmeöverföring motstånd) 1, 2, 3. Möjligt att ansluta orsakas av ansamling av nedsmutsande material kan kräva en avstängning för saneringsändamål, vilket skulle ha en mycket negativ ekonomisk inverkan 4. Genomföra en utvärdering av påväxt benägenheter av foder kan vara mycket värdefull för optimering av processförhållanden 5 och blandning av raffinaderiströmmar.
Vi har utvecklat en in situanalysator av petroleum stabilitet i vårt laboratorium för att möjliggöra visualisering av oljeprov omfattas av raffinaderiprocessförhållanden. Denna anordning förlitar sig på en särskilt utformad reaktor gjord av rostfria beslag och utrustade med en förseglad safir fönster längst ner. Huvudprincipen för anordningen är belysningen av provet inuti reaktorn vid den önskade intervallet temperatur och tryck och den avbildning av den resulterande korspolariserad reflektion. Medan tidigare publicerade arbete i förhållande till denna inställning inriktad på termiska krackningsprocesser att emulera viskositetsnedbrytning villkor 6, 7, 8, 9 (som inte kräver högt tryck), var reaktorkonstruktioner översyn för att undersöka beteendet hos prov under hydro (katalytisk sprickbildning under hög H2-tryck) och aquathermal 10 (termisk sprickbildning under hög pressure ånga) förhållanden. Således var anordningen ses över för att arbeta i 20-450 ° C temperaturområde och 0,1-16 MPa tryckområdet, med möjlighet att upprätthålla både 450 ° C och 16 MPa för reaktionstider på upp till 6 timmar.
Den första nivån av analys på den visuella informationen av proverna enligt ett visst utbud av temperatur, tryck, och reaktiva villkor är att fastställa huruvida provet är enfas eller multifas. Detta system är unikt genom att det gör det möjligt för visualisering av opakt isotropt material och är inte begränsad till visualisering av anisotropt material som beskrivs i annat arbete 11. Medan den viktigaste indikatorn på påväxt benägenheten av prover är tendensen att släppa sediment ur bulkvätskan; kan observeras gas-vätska, vätska-vätska, flytande och fast, och mer komplexa fas beteenden. Emellertid kan värdefull information även extraheras från den visuella utvecklingen av en vätska som den finns homogeneous (enfas). I synnerhet, är relaterad till brytningsindex och extinktionskoefficienten för provet ljusstyrkan av bilderna, samtidigt som färgen på provet är en delmängd av dess spektral information i det synliga ljusområdet (380-700 nm), vilket kan vara används som en deskriptor av sin kemi 9.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kritiska steg i protokollet
Den första kritiska steget i protokollet är att säkerställa integriteten hos metall-mot-safir tätning, speciellt om experimentet ska utföras under tryck. Därför bör parallelliteten, jämnhet och renhet av tätningsytorna noggrant inspekteras och läckagetester bör vara noggrann. Eftersom brotthållfasthet av safir är en minskande funktion av temperaturen 14, tjockare safirfönster bör användas för arbete vid högt tryck och hög …
Disclosures
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).
