In Situ Visualização do comportamento da fase de Amostras de óleo sob Refinaria Condições do Processo
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
O estudo do comportamento de fase de amostras de petróleo em uma ampla gama de temperaturas, pressões e condições reactivas pode produzir informações muito úteis para o operador de uma refinaria que processa uma variedade de alimentos. Em particular, a fixação de unidades e linhas de processo por uma formação descontrolada de coque ou sedimentos pode afectar severamente a produção (perda de rendimento) e a eficiência energética (aumento da resistência de transferência de calor) 1, 2, 3. Possível entupimento causado pelo acúmulo de material de incrustação pode exigir um encerramento para fins de limpeza, o que teria um impacto económico muito negativo 4. Realização de uma avaliação das tendências de incrustação de feeds podem ser altamente valioso para a optimização de condições de processo 5 e a mistura de correntes de refinaria.
Nós desenvolvemos uma in situanalisador de estabilidade de petróleo no nosso laboratório para permitir a visualização das amostras de óleo sujeitos a condições de processo de refinaria. Este aparelho baseia-se num reactor especificamente concebido feita de estruturas de aço inoxidável e equipado com uma janela de safira selado na parte inferior. O princípio principal do dispositivo é a iluminação da amostra no interior do reactor na gama desejada de temperatura e de pressão e a imagem da reflexão polarizada cruzada resultante. Embora o trabalho publicado anterior em relação a esta configuração focada em processos de craqueamento térmico para emular condições visbreaking 6, 7, 8, 9 (que não exigem alta pressão), o projeto do reator foi reformulado para investigar o comportamento das amostras ao abrigo hidroconversão (craqueamento catalítico sob alta H 2 de pressão) e Aquathermal 10 (craqueamento térmico sob alto prevapor ssure) condições. Assim, o dispositivo foi revisto de forma a funcionar na gama de temperatura de 20-450 ° C e o intervalo de 0,1-16 MPa de pressão, com a capacidade de sustentar ambas 450 ° C e 16 MPa, para tempos de reacção de até 6 h.
O primeiro nível de análise na informação visual das amostras sob uma determinada gama de temperatura, pressão e condições reactivas é para determinar se a amostra é monofásica ou multifásica. Este sistema é único na medida em que permite a visualização de material isotrópico opaca e não se limita à visualização de material anisotrópico descrito em outros trabalhos 11. Enquanto o principal indicador da propensão a incrustação de amostras é a tendência de queda sedimentos para fora do líquido; gás-líquido, líquido-líquido, líquido-sólido, e comportamentos de fase mais complexas podem ser observados. No entanto, a informação valiosa também pode ser extraído a partir da evolução visual de um líquido, uma vez que permanece Homogeneous (monofásico). Em particular, o brilho das imagens está relacionada com o índice de refracção e o coeficiente de extinção da amostra, enquanto que a cor da amostra é um subconjunto da sua informação espectral na gama de luz visível (380-700 nm), que pode ser usado como um descritor da sua química 9.
Protocol
Representative Results
Discussion
Passos críticos dentro do Protocolo
O primeiro passo crítico no protocolo é assegurar a integridade da vedação de metal com safira, especialmente se o ensaio deve ser realizado sob pressão. Assim, o paralelismo, a suavidade, ea limpeza das superfícies de vedação devem ser cuidadosamente inspecionados, e os testes de vazamento deve ser aprofundada. Uma vez que o módulo de ruptura de safira é uma função decrescente da temperatura 14, janelas de safira mais gro…
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 |
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