В Ситу Визуализация фазового поведения нефтяных образцов в условиях процесса нефтеперерабатывающего завода
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
Изучение фазового поведения образцов масла в широком диапазоне температур, давлений и реактивных условий, может дать весьма полезную информацию для оператора на нефтеперерабатывающий завод, который обрабатывает различные каналы. В частности, засорение технологических установок и линий неконтролируемым образованием кокса или отложений может серьезно повлиять на производство (потеря пропускной способности ) и энергоэффективности (увеличение сопротивления теплопередаче) 1, 2, 3. Возможное Забивания вызванное накоплением загрязняющего материала может потребоваться отключение для очистки целей, которые будут иметь весьма негативное экономическое воздействие 4. Проведение оценки обрастания наклонностей кормов может быть весьма ценным для оптимизации условий процесса 5 и смешения потоков нефтеперерабатывающих заводов.
Мы разработали на местеанализатор стабильности нефти в нашей лаборатории, чтобы обеспечить визуализацию образцов нефти, подлежащих условиях процессов нефтепереработки. Данное устройство использует специально сконструированного реактора, изготовленного из фитингами из нержавеющей стали и оборудованного запечатанном сапфировым окном в нижней части. Основной принцип устройства является облучение образца внутри реактора в желаемом интервале температур и давлений и визуализации результирующей кросс-поляризованного отражения. В то время как предыдущая опубликованная работа относительно этой установки , ориентированной на процессы термического крекинга для имитации условий висбрекинга 6, 7, 8, 9 (которые не требуют высокого давления), конструкция реактора была пересмотрена , чтобы исследовать поведение образцов при гидроконверсии (каталитического крекинга под высокого давления H 2) и AQUATHERMAL 10 (термического крекинга под высоким предусилителяssure пар) условия. Таким образом, устройство было пересмотрено для того, чтобы работать в диапазоне температур 20-450 ° C и диапазоне давлений 0.1-16 МПа, со способностью выдержать и 450 ° C и 16 МПа в течение времени реакции до 6 ч.
Первый уровень анализа на визуальной информации образцов при определенном диапазоне температур, давления и реактивных условий, чтобы определить, является ли образец однофазным или многофазным. Эта система уникальна тем , что она позволяет для визуализации непрозрачной изотропного материала и не ограничивается визуализацией анизотропного материала , описанного в других работах 11. В то время как основной показатель обрастания склонности образцов является тенденция падения осадков из объема жидкости; газ-жидкость, жидкость-жидкость, жидкость-твердое тело, и более сложные модели поведения фазы можно наблюдать. Тем не менее, ценную информацию также можно извлечь из визуальной эволюции жидкости, как она остается Хомogeneous (однофазный). В частности, яркость изображений связана с показателем преломления и коэффициента экстинкции образца, в то время как цвет образца является подмножеством его спектральной информации в диапазоне видимого света (380-700 нм), которые могут быть используется в качестве дескриптора своей химии 9.
Protocol
Representative Results
Discussion
Критические шаги в рамках Протокола
Первый важный шаг в протоколе является обеспечение целостности уплотнения металл-сапфир, особенно если эксперимент будет проводиться под давлением. Таким образом, параллельность, гладкость и чистоту уплотнительных поверхностей долж…
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).
