In Situ Visualizzazione del comportamento di fase dei campioni di olio Sotto raffineria condizioni di 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
Lo studio del comportamento di fase dei campioni di olio in un ampio intervallo di temperature, pressioni e condizioni reattive può dare informazioni molto utili per l'operatore di una raffineria che elabora una varietà di alimenti. In particolare, l'incrostazione di unità di processo e linee da una formazione incontrollata di coke o sedimenti può danneggiare gravemente produzione (perdita di flusso) ed efficienza energetica (aumento della resistenza termica) 1, 2, 3. Possibili delle carenze causate dall'accumulo di materiale incrostazioni possono richiedere un arresto a fini di pulizia, che avrebbero un impatto economico fortemente negativo 4. Condurre una valutazione delle propensioni incrostazioni di feed può essere di grande valore per l'ottimizzazione delle condizioni di processo 5 e la fusione di correnti di raffineria.
Abbiamo sviluppato un in situanalizzatore di stabilità petrolio nel nostro laboratorio per consentire la visualizzazione dei campioni di olio a condizioni di processo raffineria. Questa apparecchiatura si basa su un reattore appositamente realizzato raccordi in acciaio inossidabile e dotato di una finestra di zaffiro sigillata nella parte inferiore. Il principio fondamentale del dispositivo è l'illuminazione del campione all'interno del reattore alla gamma desiderata di temperatura e pressione e l'immagine della riflessione cross-polarizzata risultante. Mentre lavoro pubblicato precedente relativa a questa configurazione focalizzata sui processi di cracking termico di emulare condizioni visbreaking 6, 7, 8, 9 (che non richiedono alta pressione), il disegno del reattore è stato revisionato per studiare il comportamento dei campioni, secondo idroconversione (cracking catalitico sotto alta pressione H 2) e Aquathermal 10 (cracking termico ad alta-prea vapore ssure) condizioni. Pertanto, il dispositivo è stato rivisto per operare nell'intervallo di temperatura 20-450 ° C e il campo di pressione 0,1-16 MPa, con la possibilità di sostenere sia 450 ° C e 16 MPa per tempi di reazione fino a 6 h.
Il primo livello di analisi sui dati visiva dei campioni in un particolare intervallo di temperatura, pressione e condizioni reattive è determinare se il campione è monofase o multifase. Questo sistema è unico in quanto permette la visualizzazione di materiale isotropo opaco e non è limitato alla visualizzazione di materiale anisotropo descritta in altri lavori 11. Mentre il principale indicatore della propensione fouling dei campioni è la tendenza a cadere sedimenti dal liquido alla rinfusa; gas-liquido, liquido-liquido, liquido-solido, e comportamenti fase più complessi possono essere osservati. Tuttavia, preziose informazioni possono anche essere estratto dalla evoluzione visiva di un liquido che rimane homogeneous (monofase). In particolare, la luminosità delle immagini è correlata all'indice di rifrazione ed il coefficiente di estinzione del campione, mentre il colore del campione è un sottoinsieme delle sue informazioni spettrali nella gamma della luce visibile (380-700 nm), che può essere usato come descrittore della sua chimica 9.
Protocol
Representative Results
Discussion
I passaggi critici all'interno del protocollo
Il primo passo critico nel protocollo è garantire l'integrità della tenuta metallo-zaffiro, soprattutto se l'esperimento deve essere effettuata sotto pressione. Così, il parallelismo, la scorrevolezza, e la pulizia delle superfici di tenuta devono essere controllati con attenzione, e le prove di tenuta dovrebbe essere approfondita. Poiché il modulo di rottura di zaffiro è una funzione decrescente della temperatura …
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).
