製油所のプロセス条件下で油試料の相挙動のその場可視化で

本手法の全体的な目的は、直交偏光反射顕微鏡を用いて、高温高圧下で液体試料をin situで可視化することにより、精製プロセスの条件下における石油試料の相挙動を研究することです。本手法により、可視分解（visbreaking）および高転化条件下での石油試料の挙動を調査し、安定性が転化とどのように関連しているかを研究することが可能となります。反応器は450 Celsiusで160 barsの圧力に耐えるよう設計されているため、過酷なプロセス条件での調査が可能です。

この手法では、底部にサファイアウィンドウを備えたステンレス製リアクターに直交偏光を照射することで、等方性および異方性媒体の両方において高コントラストな画像を得ます。まず、底部面のシールを開いた状態で、マイクロリアクターを垂直に逆さまに固定します。サンプル充填時に試料が漏れ出さないよう、ガスラインの継手は閉じてあることを確認してください。

オイルのサブサンプルと薄いスパチュラを計量します。次に、スパチュラを使用して、約0.6 gramsのオイルサンプルをリアクターに投入します。再度、サブサンプルの容器とスパチュラを計量し、投入したサンプルの量を決定します。

次に、特注加工したマグネットを熱電対にスライドさせて装着します。1/16インチのフロントフェルールを熱電対に通し、広い方が上を向くようにフィッティングキャビティ内に挿入します。綿棒をトルエンに浸し、綿棒から液体が滴り落ちないようにしてください。

サンプルロードによる汚染を除去するため、フィッティング溝およびその他のシール面を拭き取ります。その際、トルエンがリアクターキャビティ内に滴り落ちないよう注意してください。シール面を拭いた綿棒にサンプルの痕跡が見られなくなったら、シール面を風乾させます。その後、シールリングをフィッティング溝に装着します。

清潔で乾燥したサファイアウィンドウをシーリングリングの上に配置し、その上に真鍮パッドを置きます。真鍮パッドにピンヘッドほどの量の潤滑剤を滴下します。次に、ボトムノットをボトムフェイスシールフィッティングにねじ込み、真鍮パッドを覆い、ウィンドウをしっかりと固定するようにノットを手で締め付けます。

リアクターを逆さまの状態のまま万力に固定します。レンチを使用して、底部のノットを90度締め付けます。シールの欠陥やサファイアウィンドウに不備がないか目視で検査し、欠陥がある部品は交換してください。

充填済みの密閉型マイクロリアクターをガスラインに接続します。次に、窒素ガスを用いてシステムを5 MPaまで加圧し、適切なバルブを閉じてマイクロリアクターをガスシリンダーから隔離します。マイクロリアクターの圧力が30分以上にわたって安定している場合は、必要に応じてより高い圧力で追加のリークテストを実施してください。

次に、実験で不活性ガス以外を使用する場合は、リークディテクターを用いて、対象ガスで前述のすべてのリークチェックを繰り返します。シールの完全性が確認されたら、マイクロリアクター装置の圧力を下げます。マイクロリアクターを、コイルヒーター内のステンレス製加熱ブロックに設置します。

加熱アセンブリを倒立顕微鏡対物レンズ上のプラットフォームに設置します。セラミックウールを充填したケーシングで加熱アセンブリを囲み、ホースクランプで固定します。直交偏光を用いて顕微鏡の電源を入れます。

対物レンズを最低倍率に設定します。対物レンズの垂直方向の位置を調整し、サファイアウィンドウの内表面にピントを合わせます。双眼鏡で確認しながら、フェルールの端が双眼鏡の視野の内側半径の境界となるようにマイクロリアクターを配置します。

フェルールがカメラの視野に入っていないことを確認します。顕微鏡のレボルバーを回転させ、対物レンズをリアクターの下から移動させます。熱電対を温度コントローラーに接続します。

サンプルを撹拌し始めるため、外部マグネットモーターを120 RPMに設定します。マイクロリアクター装置を目的のガスで加圧します。必要に応じて、背圧レギュレーターを使用して圧力を制御してください。

実験を開始する前に、顕微鏡対物レンズを使用していないときは、常に加熱ブロックに接触していないことを確認してください。次に、温度コントローラーの電源を入れ、反応器の温度を200 °Cに設定します。サンプルが加熱されたら、装置の圧力と温度を確認してください。

対物レンズをマイクロリアクターの下の所定の位置に移動させ、必要に応じてリアクターの位置とレンズの焦点を調整します。フェルールの動きや、サンプル中の小さな鉱物固形物の明滅を確認し、攪拌が行われていることを確かめてください。その後、対物レンズを加熱ブロックから離れるように回転させます。

サンプルを300 °Cまで加熱し、同様の確認と調整を行います。次に、サンプルを350 °Cまで加熱し、再度セットアップを確認します。その後、反応器を目的の反応温度に設定します。重油分解反応の場合、通常は400から450 °Cの間になります。

対物レンズをリアクターの下に移動させ、ピントを合わせてサンプルの写真を撮影します。レンズをリアクターの下から回転させて遠ざけ、サンプルの温度を記録します。この測定を、倍率、照明、およびカメラ設定をすべて同一に保ったまま、反応が完了するまで1分間隔で繰り返します。

スナップショット撮影後に目的物をリアクターの下に置いたままにすると、オーバーヒートし、目的物を劣化させるだけでなく、過熱した目的物で撮影した画像は輝度が不自然に高まり、結果に不整合が生じる可能性があります。推定反応時間またはサンプルの外観の変化によって反応が完了したと判断されたら、温度コントローラーとマグネチックスターラーの電源を切り、マイクロリアクターを減圧してください。マイクロリアクターを加熱アセンブリから取り出し、冷風を送って室温まで冷却します。

定量的画像解析を行うため、カスタムコンピュータコードを用いて顕微鏡写真から赤、緑、青の各チャンネルの平均値を抽出し、同時に色相（hue）、彩度（saturation）、明度（intensity）の色空間から対応する情報を抽出します。マイクロリアクターが冷却した後、ガスラインを取り外します。リアクターを逆さまに万力で固定し、レンチで底部のナットを緩めてリアクターの封印を解除します。

リアクターをドラフトチャンバーへ移動させ、底部のノブを緩めて外します。真鍮パッドとサファイアウィンドウを取り除きます。ピンセットを使用して、シール面に傷がつかないよう注意しながら、フェルールと磁石を取り出します。

小型スパチュラを用いて、溝を傷つけないように注意しながら、溝からシーリングリングを跳ね上げます。ペーパータオルの断片をトルエンまたはジクロロメタンに浸し、マイクロリアクターの内部キャビティをこすって、キャビティ壁に付着した大部分の物質を除去します。その後、シーリング面にエメリー布が接触しないように注意しながら、粗い粒度のエメリー布で内壁を清浄します。

粗い目のエマリークロスでマグネット表面を清浄します。溶剤に浸した1/16インチのワイヤーを用いて、マグネットの中央孔を清浄します。トルエン、DCM、またはアセトンに浸した綿棒でサファイアウィンドウを清浄します。

トルエンまたはDCMに浸した綿棒を使用して、マイクロリアクターの壁面およびシール面を、拭き取った後の綿棒にオイルサンプルの痕跡がほとんど見られなくなるまで完全に洗浄します。その後、マイクロリアクターを風乾させます。この手法を用いて、アサバスカ真空残渣サンプルの熱分解実験のモニタリングおよび可視化が行われました。

本実験は、大気圧下の窒素ガス雰囲気下で、最終温度設定値を435 °Cとして実施した。画像解析により、熱分解反応の進行状況に関する情報を得ることができる。推奨される手法は、色相・彩度・輝度（HSI）色空間で画像情報を記述することである。

試料の明るさの変化は屈折率の変化に関連しており、色の変化は分光特性の変化に対応しています。続くビデオでは、現在の画像に示されている明るさと色の分析を用いて、温度を350から435 °Cまで上昇させた際のAthabasca真空残渣試料の推移について説明します。初期段階では、多くの小さな鉱物固体が観察されます。

顕著な反応が起こる前は、色の変化はほとんど見られず、温度の上昇とともに輝度が増加します。分解反応による化学的変化は、まず輝度の低下として現れます。分解反応が進行するにつれて、青色への色変化（ブルーシフト）も観察されます。

最終的に、輝度の増加によって示される明るい静止不均一性として、異方性メソ相が形成されます。この手順を行う際は、同一の照明および同一の画像取得設定を用いて、一貫性のある一連の画像を作成することが重要です。この手順に従い、他の種類のオイルサンプルを様々な温度および圧力条件の範囲で試験することで、他の精製プロセスに関連する追加の疑問に答えることができます。

この技術の開発により、製油所の研究者は、可溶化分解（ビスブレーキング）および高転化における以下の問題について調査することが可能になりました。このビデオを視聴することで、リアクターへの充填、リークテスト、反応中のサンプルの観察、そして最終的な反応後の洗浄を含む、精製プロセス条件下でのオイルサンプルのインサイチュ可視化の実施方法について、十分に理解することができるはずです。高転化条件を模倣するには、危険を伴う約 150 bars の水素圧が必要となることに注意してください。

本ケースでは、セットアップにフェイルセーフ機能を備え、非常に徹底した舐めテストを実施することが極めて重要な要件となります。