في الموقع التصور في سلوك المرحلة من عينات النفط تحت ظروف عملية مصفاة
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
دراسة سلوك المرحلة من عينات النفط في نطاق واسع من درجات الحرارة والضغوط والظروف رد الفعل يمكن أن تسفر عن معلومات مفيدة للغاية بالنسبة للمشغل مصفاة الذي يعالج مجموعة متنوعة من الأطعمة. على وجه الخصوص، يمكن للقاذورات وحدات عملية وخطوط قبل تشكيل غير المنضبط للفحم الكوك أو الرواسب تؤثر بشدة على إنتاج (فقدان الإنتاجية) وكفاءة الطاقة (زيادة في مقاومة نقل الحرارة) 1، 2، 3. ممكن توصيل الناجمة عن تراكم القاذورات المواد قد يتطلب اغلاق لأغراض التنظيف، الأمر الذي سيكون له تأثير اقتصادي سلبي للغاية 4. يمكن إجراء تقييم النزعات قاذورات الأعلاف تكون ذات قيمة عالية لتعظيم الاستفادة من الظروف العملية (5) والمزج بين تيارات مصفاة.
وقد وضعنا في الموقعمحلل الاستقرار النفط في المختبر لدينا للسماح التصور من عينات النفط تخضع لشروط عملية التكرير. يعتمد هذا الجهاز على مفاعل مصممة خصيصا مصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ حديد التسليح والتجهيز مع نافذة الياقوت مختوم في القاع. المبدأ الرئيسي للجهاز هو الإضاءة من العينة داخل المفاعل في المجال المطلوب من درجة الحرارة والضغط وتصوير ينتج عن ذلك من انعكاس الاستقطاب الصليب. بينما الأعمال المنشورة السابقة بالنسبة إلى هذا الإعداد تركز على عمليات التكسير الحراري لمحاكاة الظروف visbreaking 6، 7، 8، 9 (التي لا تتطلب ارتفاع ضغط)، وأصلحت تصميم مفاعل للتحقيق في سلوك العينات تحت hydroconversion (الحفاز تكسير تحت H عالية 2 الضغط) وaquathermal 10 (الحرارية تكسير تحت عالية قبلالبخار ssure) الظروف. وهكذا، تم تعديل الجهاز لكي تعمل في 20-450 درجة نطاق درجة حرارة C وباسكال مجموعة ضغط 0،1 حتي 16، مع القدرة على الحفاظ على كل من 450 درجة مئوية و 16 ميجا باسكال لأوقات رد الفعل لمدة تصل إلى 6 ساعات.
المستوى الأول من التحليل على المعلومات البصرية من العينات تحت نطاق معين من درجة الحرارة والضغط، والظروف رد الفعل هو تحديد ما إذا كانت العينة على مرحلة واحدة أو متعدد المراحل. هذا نظام فريد من نوعه من حيث أنه يسمح للتصور من المواد الخواص غير واضحة وليس على سبيل الحصر التصور من المواد متباين الخواص وصفها في أعمال أخرى 11. في حين أن المؤشر الرئيسي للميل قاذورات العينات هو الميل إلى إسقاط الرواسب من الصب السائل. الغاز السائل، السائل السائل، السائل الصلبة، والسلوكيات مرحلة أكثر تعقيدا ويمكن ملاحظة. ومع ذلك، يمكن أيضا أن يتم استخراج معلومات قيمة عن تطور البصرية السائل لأنه لا يزال هومogeneous (مرحلة واحدة). على وجه الخصوص، وسطوع الصور يرتبط إلى معامل الانكسار ومعامل الانقراض من العينة، في حين أن لون العينة هي مجموعة فرعية من المعلومات الخاصة به طيفية في المدى الضوء المرئي (380-700 نانومتر)، التي يمكن أن تكون تستخدم واصف الكيمياء 9 منه.
Protocol
Representative Results
Discussion
خطوات حاسمة في إطار بروتوكول
الخطوة الأولى الحاسمة في البروتوكول هو ضمان سلامة ختم المعدن إلى الياقوت، وخاصة إذا كانت التجربة هي التي يتعين الاضطلاع بها تحت الضغط. وبالتالي، يجب فحص التوازي، ونعومة، ونظافة الأسطح ختم بعناية، وتس?…
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).
