In Situ Visualisierung der Phasenverhalten von Ölproben Unter Raffinerie Prozessbedingungen
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
Die Untersuchung des Phasenverhaltens von Ölproben in einem weiten Bereich von Temperaturen, Drücken und Reaktionsbedingungen können sehr nützliche Informationen für den Betreiber einer Raffinerie ergeben, die eine Vielzahl von Futtermitteln verarbeitet. Insbesondere die Fouling von Prozesseinheiten und Leitungen durch eine unkontrollierte Bildung von Koks oder Ablagerungen können stark Produktion (Verlust von Durchsatz) beeinflussen und die Energieeffizienz (Erhöhung der Wärmeübergangswiderstand) 1, 2, 3. Mögliche durch die Anhäufung von Verschmutzung Material verursacht Verstopfung eine Abschaltung für Clean-up – Zwecke erfordern, die eine sehr negative wirtschaftliche Auswirkungen 4 haben würde. Eine Beurteilung der Verschmutzung Neigungen von Futtermitteln Durchführung kann zur Optimierung der Prozessbedingungen 5 und die Beimischung von Raffinerieströmen sehr wertvoll sein.
Wir haben ein de – situ entwickeltAnalysator von Erdöl Stabilität in unserem Labor die Visualisierung von Ölproben unterliegen Raffinerie Prozessbedingungen zu ermöglichen. Diese Vorrichtung beruht auf einem speziell entwickelten Reaktor aus Edelstahl Armaturen gefertigt und mit einem verschlossenen Saphirfenster an der Unterseite ausgestattet. Das Hauptprinzip der Vorrichtung ist die Beleuchtung der Probe im Inneren des Reaktors auf den gewünschten Bereich von Temperatur und Druck und der Abbildungs des resultierenden kreuzpolarisierten Reflexion. Während frühere veröffentlichte Arbeit in Bezug auf diese auf der thermischen Crackverfahren konzentriert Setup Visbreaking Bedingungen 6, 7, 8, 9 (die nicht erfordern Hochdruck), der Reaktordesign emulieren wurde überarbeitet , das Verhalten von Proben unter Hydro (katalytische Cracken unter zu untersuchen hohe H2-Druck) und AQUATHERMAL 10 (thermische unter Hoch vor Rissbildungssure Dampf) Bedingungen. So wurde die Vorrichtung in überarbeitet im 20-450 ° C Temperaturbereich und die 0,1 bis 16 MPa Druckbereich, mit der Fähigkeit zum Betrieb sowohl 450 ° C und 16 MPa für Reaktionszeiten von bis zu 6 h aufrecht zu erhalten.
Die erste Ebene der Analyse auf der visuellen Information der Proben unter einem bestimmten Bereich von Temperatur, Druck und Reaktionsbedingungen ist, um zu bestimmen, ob die Probe einphasig oder mehrphasig ist. Dieses System ist einzigartig, da es für die Visualisierung von opaken isotropen Material ermöglicht und ist nicht auf die Visualisierung von anisotropem Material , beschrieben in anderen Arbeits 11 begrenzt. Während die Hauptanzeige des Verschmutzungsneigung der Proben ist die Tendenz, Ablagerungen aus der Flüssigkeitsmasse zu fallen; Gas-Flüssigkeit, Flüssigkeit-Flüssigkeit, Flüssigkeit-Feststoff und komplexere Phasenverhalten beobachtet werden. Jedoch können wertvolle Informationen auch von der visuellen Entwicklung einer Flüssigkeit extrahiert werden, wie es hom bleibtogeneous (einphasig). Insbesondere ist die Helligkeit der Bilder im Zusammenhang mit dem Brechungsindex und der Extinktionskoeffizient der Probe, während die Farbe der Probe wird eine Teilmenge seiner spektralen Information im sichtbaren Lichtbereich (380 bis 700 nm) ist, das sein kann als Beschreiber seiner Chemie 9 verwendet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kritische Schritte im Rahmen des Protokolls
Der erste kritische Schritt im Protokoll gewährleistet die Integrität des Metall-auf-Saphir-Dichtung, insbesondere, wenn das Experiment unter Druck durchgeführt werden. Somit sollte die Parallelität, die Glätte und die Sauberkeit der Dichtflächen sorgfältig geprüft und die Dichtigkeitsprüfungen sollten gründlich. Da der Bruchmodul von Saphir ist eine abnehmende Funktion der Temperatur 14, dickere Saphirfenster sollte …
Declarações
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 |
Referências
- 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).
