Rafineri Süreci Koşullarında Petrol Örneklerinin Faz Davranışının Yerinde Görselleştirme
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
sıcaklık, basınç ve, reaktif şartlar geniş bir yağ numunelerin faz davranışı çalışma beslemeleri çeşitli işleyen bir rafineri için son derece faydalı bilgiler sağlayabilir. Özellikle, kola veya çökellerin kontrolsüz oluşumu süreç birimleri ve çizgilerin kirlenme ciddi üretimini (throughput kaybı) ve enerji verimliliği (ısı transfer direnci artış) 1, 2, 3 etkileyebilir. Olası bir derece olumsuz ekonomik etkileri 4 olurdu temizlik amaçlar için bir kapatma gerekebilir malzeme kirlenme birikiminden kaynaklanan tıkanmasıyla. Yemlerin kirlenme eğilimlerini bir değerlendirme yapmasına proses koşulları 5 optimizasyonu ve rafineri akımlarının harmanlama için son derece değerli olabilir.
In situ bir geliştirdikLaboratuvarımızda petrol istikrar analizörü rafineri proses koşullarına tabi yağ örneklerinin görselleştirme izin vermek. Bu cihaz, paslanmaz çelik bağlantı parçaları imal edilmiştir ve alt sızdırmaz bir safir pencere ile donatılmış özel olarak tasarlanmış bir reaktör dayanır. cihazın ana prensibi sıcaklık ve basınç istenen aralık reaktör içindeki örnek ve elde edilen çapraz polarize yansıma görüntüleme aydınlatma olup. Iken Kırılma koşullarını 6, 7, 8, 9 (yüksek basınç gerektirmeyen), reaktör tasarımı (hidro altında örneklerin davranışını araştırmak için elden edilmiştir taklit etmek termal parçalama süreçleri üzerinde duruldu bu kurulum için daha önce yayınlanmış eser göreli katalitik altında çatlama yüksek H 2 basınç) ve yüksek öncesi altında çatlama aquathermal 10 (termalssure buhar) koşulları. Böylece, cihaz 6 saate kadar reaksiyon süreleri için 450 ° C ve 16 MPa hem sürdürmek yeteneği ile, 20-450 ° C sıcaklık aralığında ve 0,1-16 MPa basınç aralığında çalışabilmesi için revize edilmiştir.
Sıcaklık, basınç ve, reaktif şartlar belirli bir aralığı altında numunelerinin görsel bilgiler analiz ilk seviye örnek tek fazlı ya da çok fazlı olup olmadığını belirlemek için. Opak izotropik malzeme görselleştirme sağlar ve diğer çalışmalara 11'de tarif anizotropik malzeme görselleştirme ile sınırlı değildir ki bu sistem benzersizdir. Numunelerin tıkanma eğilimi temel göstergesi toplu sıvının dışarı tortuları bırakma eğilimi iken; gaz-sıvı, sıvı-sıvı, sıvı-katı ve daha karmaşık faz davranışı görülmektedir. Bu hom kalır Ancak, değerli bilgiler, aynı zamanda, bir sıvı görsel evrimi elde edilebilirogeneous (tek fazlı). Örneğin rengi görünür ışık aralığında spektral bilgileri (380-700 nm) bir alt kümesi olabilir iken Özellikle, görüntü parlaklığı, kırılma indisi ve numunenin ekstinksiyon katsayısı ile ilgilidir onun kimyasının 9 bir tanımlayıcısı olarak kullanılır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Protokol çerçevesinde kritik adımlar
protokol ilk kritik bir safha, deney basınç altında gerçekleştirilecektir, özellikle de metal-safir contanın bütünlüğünün sağlamaktır. Böylece, paralellik, pürüzsüzlük ve sızdırmazlık yüzeylerinin temizliği dikkatlice kontrol edilmeli ve kaçak testleri kapsamlı olmalıdır. Safir rüptürü modülü beri kalın safir camlar yüksek basınç ve yüksek sıcaklıkta çalışma için kullanılması gerektiğini sıcaklık <sup clas…
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).
