在油样品的相行为在炼油工艺条件的原位可视化
2017年2月21日
本文介绍了一种在各种温度和压力条件下对油样进行原位可视化的设置和方法，旨在模拟精炼和提纯过程。它主要用于研究涉及石油原料结垢行为的各向同性和各向异性介质。
该方法的总体目标是通过使用交叉偏振反射显微镜在高温高压下对液体样品进行原位观察，研究油样在精炼过程条件下的相行为。该方法提供了一种研究油样在减粘和高转化率条件下的以下行为以及研究稳定性与转化率的关系的方法。我们可以研究恶劣的工艺条件，因为反应器的设计可在 450 摄氏度下承受 160 巴的压力。
在这种技术中，底部带有蓝宝石窗口的不锈钢反应器由交叉偏振光照射，从而提供各向同性和各向异性介质的高对比度图像。首先，将微反应器垂直倒置夹紧，底面密封打开。确保气体管路接头关闭，以防止样品在加载时溢出。
称取油子样和细刮刀。然后用刮刀将大约 0.6 克油样装入反应器中。再次称量子样品容器和刮刀，以确定上样量。
然后将定制加工的磁铁滑到热电偶上。将热电偶上的 1/16 英寸前密封垫圈滑入安装腔，较宽的一面朝上。将棉签浸入甲苯中，确保棉签不会滴湿。
擦拭安装槽和其他密封表面，以去除样品加载过程中的污染物，注意不要将甲苯滴入反应器腔中。擦拭密封表面后，棉签上没有留下样品痕迹，让密封表面自然风干。将密封环放入安装槽中。
在密封圈顶部放置一个干净干燥的蓝宝石窗口，然后放一个黄铜垫。将针头大小的润滑剂滴在黄铜垫上。然后将底部结踩在底面密封配件上，用手指拧紧结，使其覆盖黄铜垫并牢固地将窗户固定到位。
将反应器仍然倒置到虎钳上。用扳手将底部结拧紧 90 度。目视检查反应器的密封件或蓝宝石窗口是否有缺陷，并更换任何有缺陷的部件。
将加载的密封微反应器连接到气体管线。然后用 5 兆帕的氮气对系统加压，并关闭相应的阀门，将微反应器与气瓶隔离。如果微反应器压力保持稳定超过 30 分钟，则根据需要在较高压力下进行额外的泄漏测试。
然后，如果在实验中使用非惰性气体，请在检漏仪的帮助下使用目标气体重复所有先前的泄漏检查。验证密封的完整性后，对微反应器设置进行减压。将微反应器放入线圈加热器内的不锈钢加热块中。
将加热组件放在倒置显微镜物镜上方的平台上。将加热组件封装在填充有陶瓷棉的外壳中，并用软管夹固定。使用交叉偏振光打开显微镜。
将物镜设置为最低放大倍率。调整物镜的垂直位置以聚焦在蓝宝石窗口的内表面。在双筒望远镜的引导下，定位微反应器，使套圈边缘成为双筒望远镜视野的内径向边界。
检查锥箍在相机视野中是否不可见。旋转显微镜鼻托，将物镜从反应器下方移出。将热电偶连接到温度控制器。
将外部磁电机设置为 120 RPM 以开始搅拌样品。用目标气体对微反应器装置加压。根据需要使用背压调节器控制压力。
要开始实验，请确保显微镜物镜在不使用时远离加热块。然后打开温度控制器，将反应器温度设置为 200 摄氏度。样品加热后，检查设置压力和温度。
将物镜移动到微反应器下方的位置，并根据需要调整反应器位置和镜头焦距。检查密封垫圈的移动或样品中小矿物固体的闪烁，表明正在进行搅拌。将物镜旋转离加热块。
将样品加热至 300 摄氏度，并执行相同的检查和调整。然后将样品加热至 350 摄氏度并再次检查设置。将反应器设置为所需的反应温度，对于重油裂解反应，通常介于 400 到 450 摄氏度之间。
将物镜移动到反应器下方，聚焦物镜并拍摄样品快照。将透镜从反应器下方旋转，并注意样品温度。每隔一分钟重复一次测量，直到反应完成，并始终使用相同的放大倍率、照明和相机设置。
拍摄快照后将物镜留在反应器下方会使其过热，这不仅可能会使物镜变质，而且使用过热的物镜拍摄快照会人为地提高图像亮度并导致结果不一致。根据估计的反应时间或样品外观的变化确定反应完成后，关闭温度控制器和磁力搅拌器并对微反应器减压。从加热组件中取出微反应器，并在冷空气流下将其冷却至室温。
使用自定义计算机代码从显微照片中提取红色、绿色和蓝色通道的平均值，以及从色调、饱和度和强度色彩空间中提取相应的信息，以获得定量图像分析。微反应器冷却后，断开气体管线。将反应器倒置在虎钳中，然后用扳手松开底部结，解开反应器的密封。
将反应器转移到通风橱中，拧开底部结。拆下黄铜垫和蓝宝石窗口。使用镊子取下密封垫圈和磁铁，小心不要划伤密封表面。
用小抹刀将密封圈从凹槽中撬开，同样注意不要刮伤凹槽。将纸巾片浸泡在甲苯或二氯甲烷中，然后擦洗微反应器的内腔，以去除粘附在腔壁上的大部分材料。然后用粗砂砾砂布清洁内壁，不要让砂布接触密封表面。
用粗砂 Emery 布清洁磁铁表面。用蘸有溶剂的 1/16 英寸线清洁磁铁的中心孔。用蘸有甲苯、DCM 或丙酮的棉签清洁蓝宝石窗口。
用浸泡在甲苯或 DCM 中的棉签擦洗微反应器壁和密封表面，直到完全擦洗反应器表面后，棉签仅显示出可忽略不计的油样痕迹。让微反应器风干。使用这种方法，对 Athabasca 真空残留物样品进行了热裂解实验的监测和可视化。
该实验是在常压下的氮气下进行的，最终温度设定点为 435 摄氏度。图像分析提供有关热裂解反应进度的信息。推荐的方法是在色相、饱和度、强度颜色空间中描述图像信息。
样品亮度的演变可能与折光率的演变有关，而颜色的变化则与光谱特性的演变相对应。即将发布的视频将描述本实验期间 Athabasca 真空残留物样品的演变，因为使用亮度和颜色分析将温度从 350 摄氏度增加到 435 摄氏度，如下图所示。最初，观察到许多小的矿物固体。
在发生显著反应之前，观察到的颜色变化很小，亮度随温度的增加而增加。裂解反应的化学转变首先表现为亮度降低。随着开裂反应的进行，还会观察到蓝色变化。
最终，各向异性中间相形成明亮的稳态非均质性，如亮度强度的增加所示。在尝试此过程时，请务必生成一组具有相同照明和相同图像征用设置的一致图像。按照此程序，可以在各种温度和压力条件下测试其他类型的油样，以回答与其他精炼工艺相关的其他问题。
开发后，这项技术为炼油厂的研究人员研究减粘和高转化率的以下问题铺平了道路。观看此视频后，您应该对如何在精炼工艺条件下对油样进行原位可视化有很好的了解，包括反应器加载、舔测试、观察反应中的样品，以及最后的反应后净化。不要忘记，模拟高转化率条件需要大约 150 巴的氢气压力，这可能很危险。
在这种情况下，让设置配备故障安全功能并进行非常彻底的舔测试是非常严格的要求。
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概述
本文描述了一种在高温高压条件下原位可视化油样的方法，模拟炼油过程。它专注于研究油样的相行为，特别是与堵塞行为的关系。
主要研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 生物学
- 石油工程
背景
- 理解在炼油条件下油样的行为至关重要。
- 相行为影响石油原料的稳定性和转化。
- 高温高压条件对于现实模拟至关重要。
- 交叉偏振反射显微镜提供高对比度成像。
研究目的
- 在不同条件下原位可视化油样。
- 研究炼油过程中稳定性和转化之间的关系。
- 研究石油原料中的各向同性和各向异性介质。
使用的方法
- 使用设计用于高压高温的不锈钢反应器。
- 交叉偏振光照明以增强成像对比度。
- 微反应器垂直定位以便样品加载。
- 监测在裂解和高转化条件下的相行为。
主要结果
- 成功在模拟炼油条件下可视化油样。
- 洞察石油原料的堵塞行为。
- 展示了反应器能够承受极端条件的能力。
- 高对比度图像揭示了各向同性和各向异性介质的差异。
结论
- 该方法提供了研究油样行为的有价值工具。
- 研究结果有助于理解炼油过程和稳定性。
- 未来的应用可能会增强石油原料处理技术。
常见问题
Executive Industry Relevance
This method enables direct observation of phase transitions in petroleum samples under simulated refinery conditions, supporting mechanistic understanding of fouling and stability issues in heavy oil processing. By visualizing isotropic and anisotropic media formation in situ, it provides predictive insights into deposition risks during visbreaking and hydroconversion. The capability to monitor real-time structural changes aids in de-risking feedstock selection and process optimization decisions.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of molecular aggregation pathways linked to insolubility and precipitation under stress conditions.
- Operational Value: Provides a controlled environment to assess how temperature and pressure influence phase stability of complex hydrocarbon mixtures.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative optical readouts (hue, saturation, intensity) correlating with refractive index and spectral shifts during thermal cracking.
- Operational Value: Standardizes image acquisition protocols for reproducible tracking of phase evolution across multiple samples.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Bridges bench-scale observations to pilot-scale fouling predictions by capturing mesophase formation under relevant process conditions.
- Operational Value: Supports go/no-go decisions for feedstock advancement based on real-time stability metrics derived from color and brightness analysis.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery-to-preclinical continuum by enabling early assessment of material behavior under stress, informing downstream formulation and process robustness evaluations.
- Discovery Biology: Facilitates hypothesis testing regarding stability-structure relationships in complex mixtures under extreme conditions.
- Screening: Delivers assay-ready quantitative outputs via RGB/HSI analysis for comparing stabilization effects of additives or process modifications.
- Analytics: Extracts quantitative color and brightness metrics that serve as proxies for chemical and physical property evolution during reactions.
- Translational Research: Connects molecular-level phase changes to macroscopic fouling outcomes observed in refinery operations.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform for evaluating diverse oil samples across varying temperature and pressure regimes.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity in fouling mechanisms by directly visualizing anisotropic domain formation.
- Operational Value: Ensures reproducibility through standardized sealing, loading, and imaging protocols validated by leak and pressure stability tests.
- Strategic Value: Improves capital efficiency by enabling early identification of unstable feeds before pilot-scale trials.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of feedstocks based on quantified phase transition thresholds under refinery-relevant conditions.
Implementation Considerations
- Requires expertise in high-pressure reactor handling and cross-polarized microscopy alignment.
- Depends on sapphire window integrity and precise temperature/pressure control systems.
- Necessitates standardized cleaning procedures to prevent cross-contamination between samples.
- Involves adaptation considerations for different oil viscosities and solid loadings during sample loading.
- Limited by the need for rigorous leak validation at operational pressures before thermal experiments.
