In Situ La visualización del comportamiento de fases de muestras de aceite bajo condiciones de proceso de la refinería
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
El estudio del comportamiento de fase de las muestras de aceite en una amplia gama de temperaturas, presiones y condiciones de reacción puede proporcionar información muy útil para el operador de una refinería que procesa una variedad de alimentos. En particular, las incrustaciones de las unidades de proceso y las líneas por una formación incontrolada de coque o sedimentos puede afectar gravemente a la producción (pérdida de rendimiento) y la eficiencia energética (aumento de la resistencia a la transferencia de calor) 1, 2, 3. Posible taponamiento causado por la acumulación de material de ensuciamiento puede requerir un cierre para fines de limpieza, lo que tendría un impacto económico muy negativo 4. La realización de una evaluación de las propensiones de ensuciamiento de los alimentos puede ser muy valiosa para la optimización de las condiciones de proceso 5 y la mezcla de corrientes de refinería.
Hemos desarrollado un in situanalizador de la estabilidad de petróleo en nuestro laboratorio para permitir la visualización de muestras de aceite sujetas a condiciones de proceso de la refinería. Este aparato se basa en un reactor diseñado específicamente hecha de accesorios de acero inoxidable y equipado con una ventana de zafiro sellada en la parte inferior. El principio fundamental del dispositivo es la iluminación de la muestra en el interior del reactor en el intervalo deseado de temperatura y de presión y la formación de imágenes de la reflexión de polarización cruzada resultante. Si bien el trabajo publicado anterior en relación con esta configuración se centró en los procesos de craqueo térmico para emular las condiciones de visfraccionamiento 6, 7, 8, 9 (que no requieren alta presión), el diseño del reactor fue reacondicionado para investigar el comportamiento de las muestras bajo hidroconversión (craqueo catalítico bajo alta presión de H2) y Aquathermal 10 (craqueo térmico a alta pre-ssure vapor) condiciones. Así, el dispositivo se revisó con el fin de operar en el rango de temperatura de 20 a 450 ° C y el intervalo de presión desde 0,1 hasta 16 MPa, con la capacidad de mantener tanto 450 ° C y 16 MPa para los tiempos de reacción de hasta 6 h.
El primer nivel de análisis sobre la información visual de las muestras bajo un intervalo particular de temperatura, presión y condiciones de reacción es determinar si la muestra es de una sola fase o de múltiples fases. Este sistema es único en que permite la visualización de material isotrópico opaco y no se limita a la visualización de material anisótropo se describe en otro trabajo 11. Mientras que el principal indicador de la tendencia a la incrustación de las muestras es la tendencia a la baja sedimentos fuera del líquido a granel; gas-líquido, líquido-líquido, líquido-sólido, y los comportamientos de fase más complejos pueden ser observadas. Sin embargo, una valiosa información también puede ser extraído de la evolución visual de un líquido a medida que sigue siendo homogeneous (monofásica). En particular, el brillo de las imágenes está relacionado con el índice de refracción y el coeficiente de extinción de la muestra, mientras que el color de la muestra es un subconjunto de la información espectral en el rango de luz visible (380-700 nm), que puede ser utilizado como un descriptor de su química 9.
Protocol
Representative Results
Discussion
Los pasos críticos dentro del Protocolo
El primer paso crítico en el protocolo es asegurar la integridad del sello metal-zafiro, especialmente si el experimento se llevará a cabo bajo presión. Por lo tanto, el paralelismo, la suavidad y la limpieza de las superficies de sellado deben ser cuidadosamente inspeccionados, y las pruebas de fugas deben ser a fondo. Puesto que el módulo de ruptura de zafiro es una función decreciente de la temperatura 14, más gruesas ven…
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
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