NIR spectroscopy in the petrochemical

Einführung in die Petrochemie- und Raffinerieindustrie

Öl und Gas als Brennstoff werden in fast allen Teilen der Welt gefördert, von kleinen privaten Bohrlöchern, die etwa 100 Barrel pro Tag produzieren, bis hin zu großen Bohrlöchern, die mehr als das 40-fache dieser Menge fördern. Trotz dieser großen Größenunterschiede sind viele Teile des Raffinierungsprozesses recht ähnlich.

Figure 1. Abbildung einer fraktionierenden Destillationskolonne, die zur Raffinierung von Rohöl in mehrere gewünschte Endprodukte verwendet wird.

Aus Erdöl oder Erdgas gewonnene Chemikalien, sogenannte „Petrochemikalien“, sind ein wesentlicher Bestandteil der heutigen chemischen Industrie. Das Gebiet der Petrochemie erfreute sich Anfang der 1940er Jahre während des Zweiten Weltkriegs immer größerer Beliebtheit. Zu dieser Zeit gab es eine wachsende Nachfrage nach synthetischen Produkten, die eine große treibende Kraft für die Entwicklung petrochemischer Produkte war.

Ziel der Ölraffinierung ist die Bereitstellung einer definierten Produktpalette nach vereinbarten Spezifikationen. Einfache Raffinerien verwenden eine Destillationskolonne (Abbildung 1), um Rohöl anhand seiner chemischen Eigenschaften in verschiedene Fraktionen aufzuteilen, wobei die relativen Mengen direkt vom verwendeten Rohöl abhängen. Daher ist es notwendig, eine Reihe von Rohölen zu erhalten, die mit einem geeigneten Ausgangsmaterial vermischt werden können, um die erforderliche Menge und Qualität der Endprodukte herzustellen.

Die Grundprodukte der fraktionierten Destillation sind in dargestellt Abbildung 1.

Die Nahinfrarotspektroskopie (NIR) ist eine Technik, die sich besonders für die Qualitätskontrolle dieser Endprodukte eignet effizienter und kostengünstig für Hersteller. Darüber hinaus wird NIRS von der ASTM als alternative Methode zu anderen Techniken anerkannt und akzeptiert. Spezielle ASTM-Methoden für die Methodenentwicklung, Methodenvalidierung und Ergebnisvalidierung werden später in diesem Artikel vorgestellt.

Lesen Sie weiter, um einen kurzen Überblick über die NIR-Spektroskopie zu erhalten, gefolgt von Anwendungsbeispielen für die Petrochemie- und Raffinerieindustrie, um zu erfahren, wie petrochemische Hersteller und Raffinerien gleichermaßen von NIRS profitieren können.

NIR-Technologie: ein kurzer Überblick

Die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie ist ein bekannter Prozess. Das in spektroskopischen Methoden verwendete Licht wird typischerweise nicht durch die angewandte Energie beschrieben, sondern in vielen Fällen durch die Wellenlänge oder in Wellenzahlen.

Figure 2. Dieselspektren, die aus der Wechselwirkung von NIR-Licht mit den jeweiligen Proben resultieren.

Ein NIR-Spektrometer wie das Metrohm NIRS DS2500 Petro-Analysator misst diese Licht-Materie-Wechselwirkung, um Spektren zu erzeugen, wie sie in angezeigt werden Figur 2. NIRS reagiert besonders empfindlich auf das Vorhandensein bestimmter funktioneller Gruppen wie z -CH, -NH, -OH, Und -SCH. Daher ist die NIR-Spektroskopie eine ideale Methode um verschiedene QC-Parameter zu quantifizieren, z Wassergehalt (Feuchtigkeit), Cetanzahl-Index, ROZ/MON (Forschung und Motoroktanzahl), Flammpunkt, Und Kaltfilter-Verstopfungspunkt (CFPP), nur um ein paar zu nennen. Darüber hinaus ist die Wechselwirkung auch von der Matrix der Probe selbst abhängig, was auch die Erfassung physikalischer und rheologischer Parameter wie Dichte und Viskosität ermöglicht.

Alle diese Informationen sind in einem einzigen Spektrum enthalten, wodurch sich diese Methode eignet schnelle Multiparameteranalyse. Flüssige Proben wie Öle werden in einem geeigneten Behälter oder Fläschchen gesichert (Figur 3), dann so wie es ist auf dem intelligenten Fläschchenhalter platziert.

Figure 3. Platzierung der Flüssigkeitsprobe zur NIR-Spektrenmessung auf dem Smart Vial Holder von Metrohm.

Figure 4. A. Die Messung von Flüssigkeiten erfolgt typischerweise mit Einwegfläschchen. B. Der NIRS-Messmodus wird als Transmission bezeichnet, bei dem Licht durch die Probe wandert und dabei absorbiert wird (in der Abbildung von links nach rechts).

Der Messmodus wird als „Transmission“ bezeichnet und ist im Allgemeinen ein geeignetes Verfahren zur Analyse von Flüssigkeiten. Zur Transmissionsmessung (Figur 4), wandert das NIR-Licht durch die Probe, während es absorbiert wird. Nicht absorbiertes NIR-Licht gelangt zum Detektor. In weniger als 60 Sekunden Die Messung ist abgeschlossen und die Ergebnisse werden angezeigt.

Das Verfahren zur Gewinnung von NIR-Spektren ist bereits hervorgehoben zwei große Vorteile der NIR-Spektroskopie im Vergleich zu anderen Analysetechniken: Einfachheit bezüglich der Probenmessung und Geschwindigkeit :

Schnelle Technik mit Ergebnissen in weniger als einer Minute.
Keine Probenvorbereitung erforderlich – Proben so messen, wie sie sind.
Niedrige Kosten pro Probe – Keine Chemikalien oder Lösungsmittel erforderlich.
Umweltfreundliche Technik – Es entsteht kein Abfall.
Zerstörungsfrei – Wertvolle Proben können nach der Analyse wiederverwendet werden.
Leicht zu bedienen – Unerfahrene Anwender haben sofort Erfolg.

Lesen Sie unsere vorherigen Blogbeiträge, um mehr über NIRS als sekundäre Technik zu erfahren.

Vorteile von NIRS: Teil 1

Vorteile von NIRS: Teil 2

Vorteile von NIRS: Teil 3

Vorteile von NIRS: Teil 4

Wo kann NIRS im Raffinierungsprozess eingesetzt werden?

Der Veredelungsprozess

can be divided into three different segments:

Upstream
Midstream
Downstream

Stromaufwärts beschreibt den Prozess der Umwandlung von Rohöl in Zwischenprodukte. Raffinerien sind in der Regel sehr große Komplexe mit mehreren explosionsgefährdeten Bereichen. Daher zögern die Betreiber, Proben aus den verschiedenen Prozessen ins Labor zu transportieren. Selbst der Prozess der Beschaffung von Proben zur Analyse in externen QC-Labors ist mühsam und kann einen erheblichen Papierkram und zertifizierte Transportdienste erfordern. In den meisten Fällen aus offensichtlichen Gründen Inline-Messungen werden bevorzugt. Diese Arten von Messungen werden typischerweise von Prozess-NIRS-Analysatoren durchgeführt.

Lesen Sie mehr über den Unterschied zwischen Atline-, Online- und Inline-Analysen in unserem Blogeintrag.

Wir sind Pioniere: Metrohm Process Analytics

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Metrohm 2060 Der NIR-Prozessanalysatoren

Mittelstrom, hier gezeigt in Abbildung 5bietet dem Metrohm DS2500 Petro-Analysator viele weitere Möglichkeiten zur Unterstützung der Qualitätskontrolle.

Figure 5. Flussdiagramm, wie Rohöl an der örtlichen Tankstelle zu Benzin wird und wo NIRS während des Prozesses Qualitätsprüfungen durchführen kann.

Die Kraftstoffqualität wird sowohl beim Empfang als auch bei der Lieferung ständig überprüft. Darüber hinaus testen viele Terminals auch die Kraftstoffqualität, bevor die LKWs entladen werden. Die Gesamtzeit für die Aufnahme und Entladung von Kraftstoff in einen Lagertank beträgt etwa 30 Minuten, daher ist eine schnelle Analysetechnik wie NIRS sehr vorteilhaft.

Stromabwärts In Tanklagern und Tankstellen verlangen die Regulierungsbehörden die Messung vieler derselben Qualitätsparameter wie bei der Produktion von Benzin und Diesel, und dies kann auch mit NIRS erreicht werden. Da ist ein erheblicher Vorteil ob die Analyse durchgeführt werden kann vor Ort Verwendung frischer Proben Und das ohne den lästigen Transport zu Prüflaboren.

Figure 6. Beispiele für mobile Kraftstofftests mit dem Petro-Analysator DS2500 von Metrohm.

Mobile NIRS-Kraftstoffprüfung mit dem Metrohm NIRS XDS RapidLiquid-Analysator (XDS-RLA) wurde in einer Reihe von Ländern erfolgreich implementiert, wo sie von den Vorteilen profitieren sofortige Ergebnisse vor Ort für Benzin- und Dieselprüfungen. Die auf dem XDS-RLA entwickelten Kalibrierungen sind problemlos auf das übertragbar DS2500 Petro-Analysator. Für den Petro-Analysator DS2500 sind keine geschulten Analysten erforderlich, und die Kalibrierungen erfordern keine ständige Wartung, was ihn zu einer idealen Möglichkeit macht, verschiedene Kraftstoffe an Tankstellen und mehr zu überwachen.

Erfahren Sie mehr über die Möglichkeiten der petrochemischen Analyse mit Metrohm DS2500 Analysatoren in unserem kostenlose Broschüre.

DS2500-Analysator – Effizienzsteigerung im QC-Labor mit Nahinfrarotspektroskopie (NIRS)

NIRS als ASTM-konformes Tool für die Qualitätskontrolle

ASTM E1655: Standardpraktiken für die multivariate quantitative Infrarotanalyse

„Diese Praktiken umfassen einen Leitfaden für die multivariate Kalibrierung von Infrarotspektrometern, die zur Bestimmung der physikalischen oder chemischen Eigenschaften von Materialien verwendet werden.“ Diese Praktiken gelten für Analysen, die im Spektralbereich des nahen Infrarots (NIR) (ungefähr 780 bis 2500 nm) bis zum Spektralbereich des mittleren Infrarots (MIR) (ungefähr 4000 bis 400 cm) durchgeführt werden^-1).»

ASTM D8321: Standardpraxis für die Entwicklung und Validierung multivariater Analysen zur Vorhersage der Eigenschaften von Erdölprodukten, flüssigen Brennstoffen und Schmierstoffen auf der Grundlage spektroskopischer Messungen

„Diese Praxis umfasst einen Leitfaden für die multivariate Kalibrierung von Infrarot (IR)-Spektrophotometern und Raman-Spektrometern, die zur Bestimmung der physikalischen, chemischen und Leistungseigenschaften von Erdölprodukten, flüssigen Kraftstoffen einschließlich Biokraftstoffen und Schmiermitteln verwendet werden.“ Diese Vorgehensweise gilt für Analysen, die im Spektralbereich des nahen Infrarots (NIR) (ungefähr 780 nm bis 2500 nm) bis zum Spektralbereich des mittleren Infrarots (MIR) (ungefähr 4000 cm) durchgeführt werden^-1 bis 40 cm^-1).»

ASTM D6122: Standardpraxis für die Validierung der Leistung von multivariaten Online-, At-Line-, Feld- und Labor-Infrarotspektrophotometer- und Raman-Spektrometer-basierten Analysesystemen

„Diese Praxis deckt Anforderungen für die Validierung von Messungen ab, die von Labor-, Feld- oder Prozessmessungen (online oder at-line), Infrarot-Analysatoren (nahes oder mittleres Infrarot oder beides) und Raman-Analysatoren durchgeführt werden, die bei der Berechnung physikalischer, chemische oder Qualitätsparameter (d. h. Eigenschaften) von flüssigen Erdölprodukten und Kraftstoffen.»

ASTM D8340: Standardpraxis zur leistungsbasierten Qualifizierung spektroskopischer Analysesysteme

„Diese Praxis deckt Anforderungen für die Etablierung einer leistungsbasierten Qualifizierung von schwingungsspektroskopischen Analysesystemen ab, die zur Vorhersage des Testergebnisses eines Materials verwendet werden sollen, das mit einer primären Testmethode (PTM) hergestellt würde, wenn dasselbe Material mit dem PTM getestet würde.“ »

Typische NIRS-Anwendungen und -Parameter für die Petrochemie- und Raffinerieindustrie

Petrochemikalien unterliegen standardisierten Prüfmethoden zur Bestimmung ihrer chemischen, physikalischen und tribologischen Eigenschaften. Labortests sind ein unverzichtbarer Bestandteil sowohl der Forschung und Entwicklung als auch der Qualitätskontrolle bei der Produktion von Petrochemikalien. Die folgenden Testparameter sind typischerweise wichtig für die Messung in der Petrochemie- und Raffinerieindustrie (Tabelle 1).

**Tabelle 1.** Beispiele für die Verwendung von NIRS für ausgewählte petrochemische QC-Parameter.
Parameter	Konventionelle Methode	ASTM-Methode	Relevantes NIRS Anwendungshinweise
Spezifisches Gewicht (API)	Schwerkraftmesser	ASTM D298	AN-NIR-022 AN-NIR-024 AN-NIR-025 AN-NIR-041 AN-NIR-053 AN-NIR-071 AN-NIR-075 AN-NIR-080 AN-NIR-086 AN-PAN-1052
Siedepunkt	Destillation	ASTM D2887
Kaltfilter-Verstopfungspunkt (CFPP)	Standardisiertes Filtergerät	ASTM D6371
Pourpoint	Pourpoint-Analysator	ASTM D97
Wolkenpunkt	Cloud Point-Analysator	ASTM D2500
Flammpunkt	Flammpunkttester	ASTM D93
Viskosität	Viskosimeter	ASTM D445
Farbe	Kolorimeter	ASTM D1500
Dichte	Dichtemesser	ASTM D792
Fettsäuremethylester (FAME)	FTIR	ASTM D7806
Reid-Dampfdruck	RVP-Analysator	ASTM D323
PIANO (Paraffine, Isoparaffine, Aromaten, Naphthene, Olefine)	Gaschromatograph	ASTM D6729
Oktanzahl (RON/MON)	CFR-Motor	ASTM D2699 ASTM D2700
Cetan-Zahl	CFR-Motor	ASTM D613
Dienwert / MAV-Index	Titration	UOP 327-17

Weitere Teile dieser Serie

Dieser Artikel ist ein Gesamtübersicht des Einsatzes der NIR-Spektroskopie als ideales QC-Tool für die Petrochemie-/Raffinerieindustrie. Weitere Teile widmen sich den wichtigsten Anwendungen und enthalten wesentlich detailliertere Informationen. Verpassen Sie nicht unsere verwandten Blogs zu den Themen:

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Autor

Wim Guns

International Sales Support Spectroscopy
Metrohm International Headquarters, Herisau, Switzerland