Introduction
המחקר של התנהגות השלב של דגימות שמנות במגוון רחב של טמפרטורות, לחצים, ותנאי תגובתי יכול להניב מידע שימושי מאוד עבור המפעיל של בית זיקוק שמעבדת מגוון של זנות. בפרט, העכירות של יחידות תהליך וקווים ידי היווצרות בלתי מבוקרת של קוק או משקעים יכולה להשפיע על ייצור קשה (אובדן התפוקה) וצריכת אנרגיה יעילה (גידול התנגדות העברת חום) 1, 2, 3. חיבור שנגרם אפשרי על ידי ההצטברות של עכירות חומר עשוי לדרוש כיבוי למטרות לנקות, אשר תהיה השפעה כלכלית שלילית מאוד 4. מבצע הערכה של נטיות עכירות של זנות יכולה להיות יקר מאוד עבור אופטימיזציה של תנאי תהליך 5 ואת המיזוג של זרמי זיקוק.
פתחנו באתרומנתח של יציבות נפט במעבדה שלנו כדי לאפשר ההדמיה של דגימות שמן בכפוף לתנאי תהליך הזיקוק. מנגנון זה מסתמך על הכור תוכנן במיוחד עשוי אביזרי נירוסטה מצויד חלון ספיר אטום בתחתית. העיקרון המרכזי של המכשיר הוא הארת המדגם בתוך הכור על הטווח הרצוי של טמפרטורה והלחץ ואת ההדמיה של ההשתקפות הצולבת מקוטב שהתקבלה. בעוד מחקרים קודם שפורסמו בהשוואה להגדרה זו מתמקדת בתהליכי פירוק תרמיים לחקות תנאי visbreaking 6, 7, 8, 9 (אשר אינם דורשים בלחץ גבוה), עיצוב הכור עבר שינוי מקיף כדי לחקור את ההתנהגות של דגימות תחת hydroconversion (קטליטי פיצוח תחת H 2 בלחץ גבוה) ו aquathermal 10 (תרמית פיצוח תחת טרום גבוההקיטור ssure) תנאים. לכן, המכשיר תוקן על מנת לפעול בטווח 20-450 ° C הטמפרטורה ואת הטווח לחץ 0.1-16 MPa, עם היכולת לקיים הוא 450 ° C ו -16 מגפ"ס עבור זמני תגובה של עד 6 שעות.
הרמה הראשונה של ניתוח על המידע החזותי של הדגימות תחת טווח מסוים של טמפרטורה, לחץ, ותנאי תגובתי היא לקבוע אם המדגם הוא חד פאזיים או רב שלבית. מערכת זו היא ייחודית בכך שהיא מאפשרת ההדמיה של חומר איזוטרופי אטום אינו מוגבלת ההדמיה של חומר איזוטרופי המתואר עבודה אחרת 11. בעוד האינדיקטור המרכזי של הנטייה עכירות של דגימות היא הנטייה לרדת משקעים מתוך נוזלים בצובר; גז נוזלי, נוזל-נוזל, נוזל-מוצק, והתנהגויות שלב מורכבות יותר ניתן לצפות. עם זאת, מידע רב ערך יכול גם להיות הופק האבולוציה החזותית של נוזל כפי שהוא נשאר Homogeneous (חד פאזיים). בפרט, את הבהירות של תמונות קשורה מקדם השבירה ואת מקדם הכחדה של המדגם, בעוד הצבע של המדגם הוא קבוצת משנה של מידע ספקטרלי שלה בטווח האור הנראה (380-700 ננומטר), אשר יכול להיות משמש תאר הכימיה שלה 9.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
זהירות: משתמש בכל נהלי הבטיחות המתאימים בעת ביצוע ניסוי בתנאי טמפרטורה ולחץ גבוה, כולל השימוש של בקרות הנדסה (מגבילה זרימה H 2, רגולטורים לחצו, והרכבת דיסק קרע) וציוד מגן אישי (משקפי מגן, כפפות טמפרטורה עמידה , חלוק, מכנסיים באורך מלא, ונעליים סגורות). התייעץ כל גיליונות נתוני בטיחות חומרים רלוונטיים (MSDS) לפני השימוש. לבצע טעינה מיקרו-הכור וניקוי במנדף, כצעדים אלה כרוכים שימוש בממיסים אורגניים נדיפים מזיקים (טולואן dichloromethane).
הערה: תיאור להגדרות (ראה קובץ משלים).
1. מיקרו-הכור Loading
- קלאמפ-כור מייקרו במאונך הפוך, עם פן החותם התחתון (ובכך ממוקם בחלק העליון) פתוח.
הערה: בשלב זה, חלון ספיר, המגנט אישית במכונה, טבעת חזוק 1/16 ",כרית פליז, ואת האגוז התחתון לא צריכות להתגודד עדיין.- ודא האביזרים המשמשים לחיבור-כור מייקרו לקווי הגז סגורים.
- סביב טען 0.6 גרם של מדגם לתוך הכור דרך הפנים החותמים הפתוח באמצעות מרית דקה.
- אם המדגם נשמר במקור במכל גדול, לבצע תת מדגם לפני הטעינה-כור מייקרו.
- כדי להעריך את כמות מדגם טעון בתוך הכור, לשקול את מיכל ואת מרית לפני ואחרי הטעינה, ולחשב את הפרש המסות.
- חלק את המגנט אישית במכונה על תרמי.
- חלק את 1/16 "טבעת חזוק קדמית כך שהמעגל הגדול הוא פונה כלפי מעלה.
- ודא שמשטח האיטום (כלומר, החריץ ההולם שבו טבעת האיטום יושבת) של הולם פן חותם התחתון הוא נקי ויבש.
הערה: בהתחשב באופי צמיג מאוד של מדגם השמן ביותר הכבדים, זה מאוד סביר להניח כי משטח האיטום יש מרווחת בטעות על ידי המדגם במהלך תהליך הטעינה.- טובל את הקצה מקלון צמר גפן ב טולואן להחיל אותה על משטחי האיטום לנקות אותם. היזהר שלא לטפטף טולואן בתוך חלל הכור, אשר היה לזהם את המדגם.
- אם ניקוי עם טולואן נדרש, לוודא משטחי האיטום יבשים לפני שתמשיך לשלב הבא.
- ודא שחלון ספיר הוא נקי ויבש.
- אם חלון הספיר הוא מלוכלך, השתמש במקלון צמר גפן טבול בממס מתאים, ולאחר מכן בצע לשטוף סופי באמצעות אצטון לניקוי משטחי החלון; ולתת לו להתייבש באוויר.
- מניחים את הטבעת אטימה על משטח האיטום, אז החלון ספיר על החלק העליון של הטבעת איטום, ולאחר מכן כרית פליז על החלק העליון של חלון ספיר; עדיף ליישם זעירים, ראש סיכה בגודל טיפות של חומר סיכה על כרית פליז.
- השחל את בוטטום אגוז על פני החותם התחתון ההולם תוך encapsulating כרית פליז וחלון ספיר. התאם את האום התחתון עד שהוא מגיע לתפקיד אצבע חזקה.
- תוך כדי לחיצה על הפוך הכור, ולהעביר אותו סגן. השתמש ברגים כדי להדק את האום התחתון ב -90 ° מעמדת אצבע חזקה.
הערה: לאחר שלב זה, הכור לא צריך שיתקיים הפוך יותר. - בדוק את הכור מיקרו פגמים פוטנציאליים את החותם.
הערה: החלון עשוי להראות קצת צ'יפס או סדקים, או פגום חותמת ניתן לזהות אם המשטח הדחוס של החותם על החלון אינו עושה עיגול רציף.- במקרה של פגם, לפתוח את הכור מיקרו לבדיקה.
- לאחר נקיטת פעולת remedying, להשתמש טבעת איטום חדשה כאשר מנסים לאטום את הכור.
2. מיקרו-הכור התקנה
- לאחר-הכור מיקרו נטען וחתום, להתחברהכור לקווי הגז ולבצע בדיקות דליפות.
- תמיד להתחיל בדיקות דליפה באמצעות N 2 בלחץ מרבי של 5 מגפ"ס.
הערה: השיטה המועדפת עבור בדיקות דליפה היא בדיקה בלחץ ריקבון, שבו ההתקנה בלחץ ולאחר מכן מבודדים מגליל (סגירת שסתומים V2 ו V3). אם הלחץ נשאר יציב למשך פרק זמן ממושך (יותר מ -30 דקות), שום דליפה הוא ציין. - לעשות מבחני דליפה נוספים בלחצים גבוהים יותר אם לחץ היעד לניסוי הקרוב גבוה מ -5 מגפ"ס.
הערה: בדיקות דליפה נוספות אלו ניתן לבצע עם במרווחי לחץ מקסימאליים של 6 מגפ"ס עד מצב לחץ הרצוי עבור הניסוי משתווה. קח 16 מגפ"ס כגבול העליון של לחץ הוא בדיקות דליפה ותפעול התקנה.
הערה: אם הגז המשמש לחצים על ההתקנה בניסוי הקרוב אינו אינרטי (כגון גזים דליקים), לבצע סדרת בדיקות נוספת דליפה באמצעות tהוא למקד מותנית גז על סדרה מוצלחת של בדיקות דליפה עם N 2.
- תמיד להתחיל בדיקות דליפה באמצעות N 2 בלחץ מרבי של 5 מגפ"ס.
- לאחר בדיקות דליפה מוצלחות, לְהַפִיג לַחַץ ההתקנה לפני ביצוע שלבי ההתקנה הבא.
- מניחים את הכור מיקרו בבלוק חימום נירוסטה, אשר מוכנס עצמו מחמם סליל. מקם את ההרכבה על הפלטפורמה ממוקם מעל המטרה מיקרוסקופ.
- לשים בארגז את הכור, המחמם, ואת בלוק החימום עם שני חצי מעטפת המלאה צמר קרמי. הצמד את שני החצאים של המעטפת יחד באמצעות קליפ צינור.
- לכוונן את המיקום של הכור מעל המטרה מיקרוסקופ.
- הפעל מיקרוסקופ על שימוש באור צולבות מקוטב. התאם את המיקום האנכי של המטרה באמצעות הגדלה הנמוכה ביותר כדי להתמקד על פני השטח הפנימיים של חלון ספיר.
- מקם את הכור, כך שדה הראייה בהגדלה הנמוכה ביותר (בדרך כלל 50X) מכסה רדיעהחלק l של משטח חלון שבו עובר הגבול הפנימי מהווה את קצה טבעת חזוק "חזית 1/16, כמתואר באיור 1.
הערה: micrographs בפועל נרכש על ידי התוכנה צריכה להיות מרוכז תת שדה מבט זו, אשר ימנע מראה את הטבעת חזוק עצם.
- חבר את תרמי של הכור מיקרו (TT1) אל בקר טמפרטורה (TIC1).
- הפעל את מנוע נהיגת המגנט החיצוני למהירות של 120 סל"ד.
- לחצים על ההתקנה אל-הנקודה להגדיר הרצויה.
הערה: ריצות לחץ אטמוספרי מבוצעות על ידי פתיחת כל השסתומים מוצא אל פורקן. ניתן לבצע ניסויים יצוו על ידי סגירת V4 שסתום. ניסויים תחת ראש קבוע של לחץ (עדיף תנאים בלחץ גבוה) יכולים להתבצע על ידי שימוש PV2 הרגולטור בחזרה בלחץ.
נוהל 3. שבתקן ויזואליזציה של תגובות פיצוח
- במהלך הניסוי כולו,למקם את המטרה מיקרוסקופ תחת הכור רק כאשר לדמיין את המדגם או לכידת מסך. הימנעו מהשארת המטרה מיקרוסקופ תחת הכור כאשר הוא אינו נחוץ.
הערה: השארת המטרה מיקרוסקופ תחת הכור בטמפרטורות גבוהות תגרום התבהרות מלאכותית של התמונות, וכתוצאה מכך נתונים עניים, ועלולה להוביל להידרדרות של המטרה. - סובב את בקר הטמפרטורה על ולהחיל נקודות להגדיר טמפרטורה של C ° 200. ברגע שהטמפרטורה מדגם תגיע ל- 200 מעלות צלזיוס, לבצע סבב של אימותים.
הערה: סבב של אימותים כרוכות אימות הלחץ, טמפרטורה, מיקום כור, מרחק מוקד של המטרות מיקרוסקופ, תוך ערבוב. כמו שינויי הטמפרטורה, הפלטפורמה תומכת כור ואת הרכבת החימום ומעווה מעט, כך את המיקום האנכי של המטרה מיקרוסקופ חייב להיות מותאם עבור ממשק ספיר / מדגם להישאר בפוקוס. ערבוב יכול להיות מזוהה על ידי motיון של 1/16 "טבעת חזוק או ההטרוגניות קטנות במדגם (כגון מוצקי מינרליים קטנים). - אם הכל בסדר כמו המדגם יגיע ל- 200 מעלות צלזיוס, לבצע שינוי הגדרת צבע על 300 מעלות צלזיוס. ברגע שהטמפרטורה המדגמת מגיעה ל 300 מעלות צלזיוס, לבצע סיבוב נוסף של אימותים.
- חזור על השלב הקודם, עם 350 ° C כמו נקודות להגדיר הטמפרטורה החדשה.
הערה: 350 ° C יכול להיחשב כלל כגבול בטמפרטורה הגבוה שבו תגובות פיצוח אינן מובהקות (בסולם הזמן של דקות). - שנה את הטמפרטורה הרצויה נקודות לטמפרטורה התגובה הרצויה, בדרך כלל בטווח C 400-450 °.
- לאחר ביצוע השינוי להגדיר נקודות הטמפרטורה הסופית, להתחיל מעקב אחר נתוני התגובה והקלטה במרווחי זמן קבועים, רצוי כל דקות.
- ביצוע כל שלב של הקלטת נתונים כדלקמן: לסובב את המזנקים של המיקרוסקופ להציב את המטרה תחת הכור. התאם אתמוֹקֵד. לקחת תמונה מהירה. סובב את המזנקים להעביר את המטרה הרחק מתחת הכור. הערת הטמפרטורה.
הערה: לקבלת תמונת כמותית בעתיד המנתח, תמונות צריכות לקחת עם הגדרות עקביות לאורך כל הניסוי, כלומר במונחים של הגדלה, בתנאי תאורה והגדרות רכישת מצלמה (בתגובה רגישה וזמן חשיפה). כקווים מנחים, את micrographs שהוצג בכתב היד הזה נלקח עם גדלת 100X, בתנאי תאורה מקסימלית (באמצעות נורה הלוגן), בתגובה רגישה ליניארי של המצלמה, ופעמי חשיפה נעות בין 200-400 מילישניות. - בצע את שלבי הקלטת נתונים שוב ושוב במשך זמן רב ככל הדרוש.
הערה: באופן כללי, את משך הזמן של התצפית הוא מונחה על ידי שינויים חזותיים במדגם (צבע, בהירות, וההטרוגניות) או בהתאם לאומדן של המרה התגובה.
הערה: רצוי, למנוע המשך הניסוי לאחר היווצרות של כמויות גדולות של קוקאין mesophase(מה שהופך את הכור יותר קשה לנקות).
- ביצוע כל שלב של הקלטת נתונים כדלקמן: לסובב את המזנקים של המיקרוסקופ להציב את המטרה תחת הכור. התאם אתמוֹקֵד. לקחת תמונה מהירה. סובב את המזנקים להעביר את המטרה הרחק מתחת הכור. הערת הטמפרטורה.
4. כיבוי וניקוי
- לסיים את הניסוי על ידי סיבוב בקר הטמפרטורה ואת הבוחש לסרוגין depressurizing ההתקנה. תן מגניב הכור.
הערה: קירור הכור ניתן להקל על ידי הסרה-כור מייקרו מהמעטפת וחוצה של אסיפת החימום. החלת זרימת אוויר קריר-הכור מיקרו יכול גם להפוך את התהליך הזה מהר יותר וקל יותר.- לאחר-הכור מיקרו הוא מקורר לטמפרטורת החדר, נתק אותו נתיבי הגז של ההתקנה, ומניחים אותו בתוך סגן כדי לשחרר את האום התחתונה, unseal את הכור מיקרו.
- במנדף, לקחת את-כור מייקרו לגזרים על ידי הסרת האגוז התחתון, כרית פליז, חלון מספיר, 1/16 "טבעת חזוק, ואת המגנט. הסר את טבעת האיטום.
הערה: קוקה קולה נוצר במהלך הניסוי, אשר עלול לגרום 1/16 "; טבעת חזוק ואת המגנט להיות תקוע אל תרמי.- להשתמש בפינצטה כדי למשוך את טבעת חזוק 1/16 "ואת המגנטים החוצה. להשתמש במרית למנף את טבעת האיטום מתוך חריץ האיטום. עם זאת, לדאוג שלא לשרוט את חריץ האיטום בתהליך.
- כדי להסיר את חלק הארי של החומר נדבק לקירות מיקרו-הכור, לשפשף את חלל הפנימי של הכור מיקרו עם ספוג ממס (טולואן או dichloromethane) חתיכות של נייר סופג. חוזרים על הפעולה עם פיסות בד שמיר, חצץ גס רצוי (# 100).
הערה: במהלך תהליך זה, לא לשרוט את משטחי האיטום. בסוף השלב זה, את הברק המתכתי של נירוסטה בתוך חלל מייקרו-כור צריך להיות ברור. - הסר את החומר נדבק המשטחים השטוחים של המגנט אישית במכונה באמצעות פיסת בד שמיר, חצץ גס רצוי (# 100).
- השתמש חוט "1/16 ספוג ממס להסיר את החומר תקוע בתוך הוle של המגנט אישית במכונה.
- השתמש ממס רווה (טולואן, dichloromethane, או אצטון) צמר גפן כדי להסיר את החומר דבוק לחלון הספיר.
- כדי להסיר את שארית החומר נדבק לקירות הכור, כולל משטחי האיטום, להשתמש ממס רווה (טולואן או dichloromethane) צמר גפן.
הערה: תהליך הניקוי הוא סיים כאשר, לאחר קרצוף עם מקלון צמר גפן ספוג ממס, המקלון יוצא עם עקבות זניחות על זה.
הערה: עם זאת מייגע התהליך הזה יכול להיות, שלב זה חשוב כדי למנוע זיהום צולב בין ניסויים. - תנו מיקרו-הכור-אוויר יבש.
5. ניתוח תמונה 9
- לחלץ מידע מתוך micrographs הנוגע הערכים הממוצעים של הערוצים האדומים, ירוק וכחול (RGB), כמו גם את המידע המקביל גוון, רוויה, ואת עוצמת צבע השטח (HSI).
הערה: שיתוף HSIשטח lor מתואר על ידי קואורדינטות גליליות, שבו גוון, רוויה עוצמת מתאימה, רדיאלי זוויתי, ומתאם אנכי, בהתאמה. מערכת היחסים בין ערכי RGB של הפיקסל וערכי HSI המתאים ניתנים על ידי המשוואות הבאות 12, 13, כאשר m הוא המינימום של ערכי RGB, בעוד α ו β הם זוג chromaticity קואורדינטות:
Eq. 1
Eq. 2
Eq. 3
Eq. 4
Eq. 5 </ P>
Eq. 6
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
האבולוציה החזותית של שאריות אבק Athabasca היא נציג של ההתנהגות של דגימות נפט גולמי כבד asphaltenic ודוגמאות שאריות אבק asphaltenic בתנאי פיצוח תרמיים. עם זאת, באמצעות מדגמים שונים ו / או טמפרטורה שונה, לחץ, או תנאי תגובה יכול להצמיח מגוון רחב של התנהגויות שלב. Micrographs המתאים הניסוי פיצוח תרמי על מדגם שאריות אבק Athabasca בתנאי הגדרת נקודת הסיום של 435 ° C ו P כספומט (N 2) ניתנים באיור 3, בעוד איור 4 מראה את האבולוציה של הטמפרטורה במהלך הניסוי.
בטמפרטורת חדר, מדגם זה הוא בצקים מוצקים; וכך, חלון הספיר הוא בעיקר לא רטוב ידי המדגם ונמצא בקשר עם גז (במקרה זה, N 2). ממשק אוויר / ספיר מניב reflectio הרבה יותר בהיר n מ ממשק שמן / ספיר, כך בהגדרות התאורה וחשיפה הדרושות לקובץ גרפי מדגם נוזלי תמיד יניב אזורים לבנים אם משטח הספיר נמצא בקשר עם גז. בטמפרטורה גבוהה (> 150 ° C), המדגם הופך נוזל מספיק לזרום להרטיב את משטח החלון. מוצקי מינרליים קטנים בתוך המדגם, אשר ניתן לזהות על ידי אלמנטים בהירים קטנים (איור 3 א), יכולים לשמש כאינדיקטור של יעילות הערבוב. כפי המדגם הוא מחומם לטמפרטורות גבוהות, התמונות להאיר בהתאמה, ללא שינוי צבע כל עוד שום תגובה משמעותית מתקיימת. תגובות פיצוח תרמיות שאריות אבק asphaltenic לגרום לשינויי צבע ובהירות כי מתאים השינוי הכימי של המדגם. לפעמים התגובה המורחבת, היווצרות של תחומים של שלב פחמני איזוטרופי (mesophase) יכול להתגלות כמו heterogeneities נייח על החלון (איור 3 ד ').
e_content "FO: keep-together.within-page =" 1 "> ניתוח תמונה של הסדרה של micrographs מוצג איורים 5 ו -6, אשר מראים את האבולוציה של עוצמת וצבע בהירות עם זמן התגובה, בהתאמה בשעה מוקדמת מאוד. זמני תגובה, העלייה בהירה תמונה עוקבת אחר האבולוציה של הטמפרטורה בתוך הכור. ככל שהטמפרטורה בתוך הכור מתקרבת 435 ° C-הנקודה להגדיר, תגובות פיצוח תרמיות שאריות אבק Athabasca הפכו נפוצות. תגובות פיצוח תרמיות אבק Athabasca שאריות לגרום שינוי בהירות במדגם הבא בעקבות מגמת מעריכים ופוחת. באותה התקופה, את הצבע של המדגם נשאר יציב בחלק הראשון של התגובה לפני שעבר שינוי בכיוון צבע כחול. ההיווצרות של mesophase יש השפעה ההגדלה עוצמת הבהירות הכוללת של ולשפר את שינוי הצבע הכחול 9. .within-page = "1"> 
איור 1: תמונות של הכור מיקרו, שנערך במהופך על ידי מהדק. הסדר טוען מראש, עם הפאה התחתונה נפתח (א). הכור-מיקרו טעון וחתום (B). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 2: דוגמאות לשדות של נוף עדיפים, כפי שתואר על ידי מלבנים אדומים, ביחס המשטח הפנימי של חלון ספיר. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
/files/ftp_upload/55246/55246fig3.jpg "/>
איור 3: micrographs שצולם במהלך ניסוי פיצוח תרמי על שאריות אבק Athabasca עם מצב נקודות סט של 435 ° C ו P כספומט (N 2) אחרי 0 דקות (A), 25 דקות (ב), 50 דקות (C), ו -80 דקות (D). סרגל קנה מידה = 100 מיקרומטר. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 4: הטמפרטורה בתוך הכור במהלך ניסוי פיצוח תרמי על שאריות אבק Athabasca עם נקודות סט של 435 ° C ו- ATM P (N 2). אנא לחץ כאן כדי להציג גדול גרסה של נתון זה.
איור 5: אבולוציה של עוצמת הבהירות (I) של micrographs שצולמו במהלך ניסוי פיצוח תרמי על שאריות אבק Athabasca תחת 435 ° C ו P כספומט (N 2), מתוקנן לפי הבהירות של מיקרוסקופ נלקחה ב 350 מעלות צלזיוס. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 6: אבולוציה של הגוון והרוויה (H ו- S בקואורדינטות קוטביות) של micrographs שצולמו במהלך ניסוי פיצוח תרמי על שאריות אבק Athabasca תחת 435 ° C ו P כספומט (N 2).ove.com/files/ftp_upload/55246/55246fig6large.jpg "target =" _ blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 7: אבולוציה של עוצמת הבהירות (I) של micrographs שצולמו במהלך ניסוי פיצוח תרמי על ביטומן Cold Lake תחת 435 ° C ו P כספומט (N 2), מתוקנן לפי הבהירות של מיקרוסקופ נלקחה ב 350 מעלות צלזיוס. נקודות הנתונים המפורטים להתכתב מאדום תמונות שצולמו עם מטרה יתר על המידה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 8: קרן האירוע המרכזית (חיצים כחולים) ו r משתקףays (חצים אדומים) המעורבים תאורת מדגם מבעד לחלון. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 12: האבולוציה של עוצמת הבהירות (I) של micrographs שצולמו במהלך ניסוי hydroconversion, מתוקנן לפי הבהירות של מיקרוסקופ נלקחה ב 350 מעלות צלזיוס. הניסוי hydroconversion בוצע על מדגם סולר ואקום כבד תחת 420 מעלות צלזיוס ו -15 מגפ"ס (H 2), עם 12.3 wt.% ניקל / מו זרז. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
צעדים קריטיים בתוך הפרוטוקול
השלב הקריטי הראשון בפרוטוקול הוא הבטחה שלמות חותם מתכת אל-ספיר, במיוחד אם הניסוי הוא להתבצע תחת לחץ. לפיכך, ההקבלה, החלקלקות, ואת הניקיון של משטחי האיטום יש לבדוק בקפידה, ואת בדיקות הדליפה צריכות להיות יסודיות. מאז מודולוס של קרע של ספיר הוא פונקציה יורדת של טמפרטורה 14, חלונות ספיר עבה צריכה לשמש לעבודה בלחץ גבוה וטמפרטורה גבוהה. כקו מנחה, 8 חלונות ספיר בעובי מ"מ משמשות בניסויים שלנו מכוונים לחקות תנאי hydroconversion (C 400-450 ° ו -16 מגפ"ס H 2).
השלב הקריטי השני נוגע קבלת תמונות באיכות גבוהה, אשר דורשות את התאורה הבהירה של המדגם; רכבת נקיה של אופטיקה; הגדרות מיקרוסקופ מותאמות (צמצם איריס רחב הפועל dista הארוךמטרות NCE); ואת היישור הראוי בין המטרה מיקרוסקופ, חלון הכור, ואת פלטפורמת התמיכה.
לניתוח כמותי של מידע על תמונה, זה קריטי לא לחמם יותר מדי את המטרה מיקרוסקופ בעת ביצוע התצפיות. השיטה המתוארת בשלב 3.6.1 לפרוטוקול מונע התחממות יתר כאלה. אם המפעיל משמיט להסיר את המטרה מלמטה הכור בין שתי תמונות שצולמו בהפרש של דקות, התמונה השנייה תופיע בהירים ניכר כתוצאה מכך. כדי להמחיש את הבעיה, נקודות הנתונים המפורטים באדום על להתכתב איור 7 לתמונות שבו המפעיל עזב את המטרה מתחת הכור דק הקודם.
לבסוף, חשוב לנקות את הכור ביסודיות בין ניסויים על מנת למנוע זיהום צולב.
שינויים ופתרון בעיות
g איכות נתונים הירודenerally נובע משתנה הפעלה מבוקרת היטב (טמפרטורה, לחץ, או ערבוב), או בעיה ברכבת האופטיקה. בעיות אפשריות ברכבת של אופטיקה כוללות: תאורה ירודה; צוהר איריס קטן; צולבות מקטבים מיושרים; מראות מלוכלכים, מסנני מפצלי קרן, או מטרות; כור מיושר או פלטפורמה לתמיכה מעל המטרה; חלון ספיר מלוכלך או שרוט; שדה מאותגר חברתי מבט; מטרות יתר על המידה; out-of-פוקוס מטרות.
מגבלות של הטכניקה
לתצורה הנוכחית של ההתקנה הניסיונית, המגבלה העיקרית של הטכניקה הזו היא חוסר היכולת להתרבות אותה רמת בהירות תמונה על פני ניסויים שונים. בנוסף ניקיון היישור של הרכבת של אופטיקה, בהירות תמונה נמצאה להיות רגיש מאוד למיצובה וההטיה של הכור מעל האובייקטיבי, אשר כיום אינם תחת פיקוח הדוק פסקו מטרים. עם זאת, נרמול בהירות התמונה של סדרת micrographs בניסוי נתון על ידי בהירות התמונה של מיקרוסקופ נלקח בטמפרטורת התייחסות באותה הסדרה מספק פתרון משביע רצון, כפי שהוא מניב נתונים לשחזור.
משמעות של הטכניקה ביחס קיימים / שיטות חלופיות
השילוב של מקטבים צלב ברכבת של אופטיקה של מיקרוסקופ הפוכה עם חלון הכור עשוי ספיר מאפשר תצפית של תמונות בחדות גבוהה של המדגם באתרו. כאשר הארתו על מדגם אטום מבעד לחלון, שתי בבואות עיקריות מעורבות, כפי שמוצגות באיור 8: ההשתקפות של האור על פני השטח החיצוניים של החלון במגע עם אוויר, ואת ההשתקפות של האור על פני השטח הפנימיים של החלון במגע עם המדגם. עוצמת ההשתקפות בכל ממשק ניתנת על ידי המשוואה הבאה"Xref"> 15:
Eq. 7
איפה מדדי 1 ו -2 התייחס התקשורת ממוקמת לפני מעבר לממשק, בהתאמה; n לתאר מדדי שבירה; ו κ הוא מקדם הכחדה. באוויר / ספיר ספיר / השתקפויות שמן, תרומת מקדם ההכחדה כדי ההשתקפות יכולה להיות מוזנחת. בהתחשב מקדם שבירה של ספיר בכיוון C-הציר (ריי יוצא דופן) כמו 1.765 (ממוצע בטווח 380-700 ננומטר) 16, עוצמת ההשתקפות הראשונה על ממשק האוויר / ספיר היא כ 7.7% של אור האירוע . מאחר שרוב דגימות שמן יש מדדי שבירה החל 1.45 כדי 1.6 17, עוצמת המחשבה השנייה בממשק ספיר / שמן יכולה להיחשב פחות מ 0.9% של אור האירוע. על קירוב ראשון, האוויר / השתקפות ספירהוא לפחות פי יותר מ -9 בהיר יותר השתקפות ספיר / שמן. לפיכך, כאשר התצפיות נעשות תחת הגדרות שדה בהיר (באמצעות אור unpolarized), חזותיים של המדגם הם שהאפילו על ידי השתקפות אוויר / ספיר. כדי להמחיש את הבעיה, micrographs נלקח תחת הגדרות שדה בהיר במהלך הניסוי פיצוח תרמי על מדגם שאריות אבק Athabasca בתנאי הגדרת נקודת הסיום של 435 ° C ו P כספומט (N 2) מוצגים באיור 9 (מתח המנורה מיקרוסקופ הופחת ל 10 V וחשיפת המצלמה הופחתה ל 25 מילישניות, כדי למנוע-outs מכה).
איור 9: micrographs שצולמו במהלך ניסוי פיצוח תרמי על שאריות אבק Athabasca עם נקודה-להגדיר מצב של 435 ° C ו P כספומט (N 2) אחרי 0 דקות (A), 25 דקות (B), 50 דקות (C), ו -80 דקות (D), נלקח באמצעות הגדרות מיקרוסקופ שדה בהיר במקום-מקטבים צלב. סרגל קנה מידה = 100 מיקרומטר. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
כפי שניתן לראות על ידי השוואת איור 9 עם איור 3, השיטה המוצגת על הקיום המדגם באמצעות אור חוצה המקוטבת וחלון ספיר יש את היתרון של מניב תמונות עם ניגודיות גבוהה כי הם מסוגלים לתאר תקשורת איזוטרופיים.
כמו האור משתקף על ממשק האוויר / ספיר, מטוס הקיטוב שלו אינו משתנה. לפיכך, ההגדרה-מקטב צלב מבטלת השתקפות זה לפני שהוא פוגע מצלמת CCD. כשהאור עובר דרך ספיר, לעומת זאת, מטוס הקיטוב שלו מסתובב בגלל השבירה הכפולה הספיר. תופעה זו בסופו של דבר מאפשרת הדמיה מדגמת, גם אם מדגם הנפט עצמו הוא איזוטרופי ומטוס הקיטוב של האור אינו משתנה על השתקפות ספיר / שמן. אם ההגדרה-מקטב הצלב משמשת בשילוב עם חלון איזוטרופיים אופטי (כגון סיליקה התמזגה או איטריום-אלומיניום-גארנט, YAG), אז רק מדיום איזוטרופי (שינוי מטוס הקיטוב של האור על ממשק החלון / מדגם) ניתן לצפות הקרינה depolarized. איור 10 מציג micrographs שצולם במהלך ניסוי פיצוח תרמי על מדגם שאריות אבק Athabasca בתנאי הגדרת נקודת סיום של 435 ° C ו- ATM P (N 2) שימוש בהגדרה-מקטב צלב וחלון YAG 4 מ"מ בעובי.
איור 10: micrographs שצולם במהלך ניסוי פירוק תרמי על שאריות אבק Athabasca עם מצב נקודות סט של 435 ° C וP כספומט (N 2) אחרי 0 דקות (A), 25 דקות (ב), 50 דקות (C), ו -80 דקות (D), נלקח באמצעות חלון YAG במקום חלון ספיר. סרגל קנה מידה = 100 מיקרומטר. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
לשם השוואה לטכניקה שהוצגה, מלמעלה למטה, תצורה חמה במה המשמשת אחרים עובדת 11, 18 יש את החסרון של שמציע פער של גז בין המשטח הפנימי של חלון הכור ואת המדגם הנוזלי. בתצורה כאלה, באמצעות חלון ספיר יפיק תמונות נשלטו על ידי לבהירות של השתקפות ספיר / הגז, מאוד דומה לשימוש של שדה בהיר עם מיקרוסקופ הפוכה. לפיכך, המפעילים בשלב החם מלמעלה למטה המשמשים חלון כור עשוי YAG, אשר רק מאפשרים עבור התצפית של חומר איזוטרופי, כפי שהוסבר קודם לכן.
התכונות האופטיות של מדגם, עשויות להתפתח כפי שהוא עובר שינוי טמפרטורה, לחץ, או את זמן תגובה. ההיווצרות של מערכת רבה שלבית ניתן לאפיין כתוצאה מהיווצרותם של ההטרוגניות על משטח החלון. איור 11 מציג דוגמאות של מערכות רבות-גביש מוצק, נוזל-איזוטרופיים גז-איזוטרופי-נוזלי מוצק, נוזל-איזוטרופי חצי מוצקים, ואת הנוזלים נוזליים.
איור 11: דוגמאות של התנהגויות בשלב מגוונות שנצפו במהלך פיצוח תרמי (A, B, ו- C) ועל עיבוי פחם (ד) ניסויים. גז נוזלי איזוטרופי מוצק (א), איזוטרופיים-נוזלי מוצק (B), נוזל-איזוטרופי חצי מוצק (ג (ד) מערכות רבות שלבית. סרגל קנה מידה = 100 מיקרומטר. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
עבור מערכות הומוגניות חד שלבים, שינויים הבהירים והצבע של המדגם יכולים להיות קשורים תכונות פיסיקליות וכימיות. בעקבות משוואת 7, שינויים בהירים מדגם מיוחסים שינויים במדדי השבירה. בפרט, כך גדל הפער במדדי שבירה בין המדגם לבין הספיר, הבהיר את ההשתקפות. למשל, כמדגם נפט כבד מחומם לטמפרטורות מתחת ל -300 ° C, מקדם השבירה של שמן יורדת בעוד מקדם השבירה של ספיר עולה במעט, מניב תמונות בהירים. במהלך תגובות פיצוח בידוד תרמיות של דגימות שאריות אבק, תמונות לעבור ירידה הדרגתית בהירות; זה בtributed לעלייה מקדם השבירה עקב גידול ארומטיות וצפיפות. לעומת זאת, hydroconversion תגובות בטמפרטורה קבועה לייצר עלייה הדרגתית בהירות מדגם, אשר תואמת ירידה מקדם שביר לאחר ירידה בצפיפות של המדגם.
שינויי צבע לעקוב אחר האבולוציה של תכונות ספקטרליות של המדגם, אשר מתאימות כימיה שלה. השינוי הבולט ביותר, דגימות שאריות אבק הפגינו שינוי צבע אדום-אל-כחול כאשר נתון תגובות פיצוח תרמי עבור כמות זמן ממושך לפני היווצרות של משקעים. בהינתן זמן התגובה פירוק תרמי מספיק, דוגמאות כאלה עוברים גידול ארומטיות ולהתחיל לגבש oligomers. ההיווצרות של מינים מצומדות יותר מובילה שינוי תכונות ספקטרליות, שבו קליטת האור השולטת של משמרות המדגם מתוך אורכי גל קצרים לאורכי גל ארוכים יותר. מאז ספקטרה השתקפות הם המקבילים של שרירי בטןספקטרה orption, משמרת הרפאים המקבילה האור המוחזר עוברת מ אורכי גל ארוכים יותר לאורכי גל קצרים יותר, התאמה שינוי צבע מאדום 9 כחול.
יישומים עתידיים או כיווני לאחר מאסטרינג טכניקה זו
בעוד שהמחקרים שלנו בתחום שימוש התקנה זו כבר הקשורות בעיקר לשלב תופעות הפרדה במהלך visbreaking ו hydroconversion של דגימות נפט כבדות בפעולה במורד זרם, הטכניקה יכולה להיות מיושמת על חקירת מנגנוני הפרדה פאזות והאחרים המתרחשים ביחידות עיבוד נפט וקווים ( התגבשות שעווה, demulsification, וכו '). באופן כללי יותר, טכניקה זו יכולה להיות מיושמת על כל מערכת שבה מעקב התכונות האופטיות של מדגם באתרו הוא בעלת חשיבות רבה.
מאמצי המחקר הנוכחיים מתמקדים ביצירת קשרים יותר בין תכונות ספקטרליות ואת PHYנכסי sical (מסיס בפרט) של דגימות נפט. כיום, מידע ספקטרלי הנמצא בתוך תמונות מוגבלת, שכן היא באה לידי ביטוי בשלושה ערוצי צבע (RGB). לכן, הפיתוח המבטיח ביותר של הטכניקה הזו טמונה ביישום האפיון היפר-ספקטרלית.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Sapphire window, C-plane, 3 mm 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. , Marcel Dekker Inc. New York, USA. (1994).
- Wiehe, I. A. Process Chemistry of Petroleum Macromolecules. , CRC Press. Boca Raton, USA. (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. , American Chemical Society. Washington, D. C., USA. (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. , The University of Alberta. Edmonton, Canada. (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. , Prentice Hall. Upper Saddle River, USA. (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. , Longman Scientific & Technical. Essex, UK. (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).
