I prodotti chimici derivati dal petrolio o dal gas naturale, i cosiddetti «petrolchimici», sono una parte essenziale dell'industria chimica contemporanea. Il campo della petrolchimica divenne sempre più popolare intorno ai primi anni '40 durante la seconda guerra mondiale. A quel tempo c'era una crescente domanda di prodotti sintetici che era una grande forza trainante per lo sviluppo di prodotti petrolchimici.
La raffinazione del petrolio mira a fornire una gamma definita di prodotti secondo le specifiche concordate. Le raffinerie semplici utilizzano una colonna di distillazione (Figura 1) per separare il petrolio greggio in diverse frazioni in base alle loro proprietà chimiche e le relative quantità dipendono direttamente dal petrolio greggio utilizzato. Pertanto, è necessario ottenere una gamma di greggi che possano essere miscelati in una materia prima adeguata per produrre la quantità e la qualità richieste dei prodotti finali.
I prodotti di base della distillazione frazionata sono riportati in Figura 1.
La spettroscopia nel vicino infrarosso (NIR) è una tecnica particolarmente adatta per effettuare il controllo della qualità di questi prodotti finali più efficiente ed economico per i produttori. Inoltre, il NIRS è riconosciuto e accettato da ASTM come metodo alternativo ad altre tecniche. I metodi ASTM dedicati per lo sviluppo del metodo, la convalida del metodo e la convalida dei risultati sono presentati più avanti in questo articolo.
Continua a leggere per una breve panoramica sulla spettroscopia NIR seguita da esempi di applicazioni per l'industria petrolchimica e delle raffinerie per scoprire come i produttori petrolchimici e le raffinerie possono trarre vantaggio dai NIRS.
L'interazione tra luce e materia è un processo ben noto. La luce utilizzata nei metodi spettroscopici in genere non è descritta dall'energia applicata, ma in molti casi dalla lunghezza d'onda o dentro numeri d'onda.
Uno spettrometro NIR come l'Analizzatore Metrohm NIRS DS2500 Petro misura questa interazione luce-materia per generare spettri come quelli visualizzati in figura 2. NIRS è particolarmente sensibile alla presenza di alcuni gruppi funzionali come -CH, -NH, -OH, e -SH. Pertanto, la spettroscopia NIR è un metodo ideale per quantificare diversi parametri QC come contenuto d'acqua (umidità), indice di cetano, RON/MON (ricerca e numero di ottano motore), punto d'infiammabilità, e punto di otturazione filtro freddo (CFPP), solo per citarne alcuni. Inoltre, l'interazione dipende anche dalla matrice del campione stesso, che consente anche il rilevamento di parametri fisici e reologici come densità e viscosità.
Tutte queste informazioni sono contenute in un unico spettro, rendendo questo metodo adatto per analisi multiparametriche rapide. I campioni liquidi come gli oli sono fissati all'interno di un contenitore o fiala appropriata (Figura 3), quindi posizionato così com'è sul supporto per fiale intelligente.
La modalità di misura è denominata «trasmissione», generalmente una procedura adeguata per l'analisi dei liquidi. Per la misurazione della trasmissione (Figura 4), la luce NIR viaggerà attraverso il campione mentre viene assorbita. La luce NIR non assorbita passa al rivelatore. In meno di 60 secondi la misurazione è completata e i risultati vengono visualizzati.
La procedura per ottenere gli spettri NIR si evidenzia già due grandi vantaggi della spettroscopia NIR rispetto ad altre tecniche analitiche: semplicità per quanto riguarda la misurazione del campione, e velocità:
Leggi i nostri precedenti post sul blog per saperne di più NIRS come tecnica secondaria.
può essere suddiviso in tre diversi segmenti:
Upstream descrive il processo di conversione del petrolio greggio in prodotti intermedi. Le raffinerie sono generalmente complesse molto grandi con diverse aree esplosive pericolose. Pertanto, gli operatori sono riluttanti a trasportare campioni dai diversi processi al laboratorio. Anche il processo di ottenimento dei campioni per l'analisi presso i laboratori di controllo qualità esterni è laborioso e può richiedere notevoli scartoffie e servizi di trasporto certificati. Per ovvi motivi, nella maggior parte dei casi sono preferite le misurazioni in linea. Questi tipi di misurazioni vengono in genere eseguite da analizzatori NIRS di processo.
Leggi di più sulla differenza tra analisi atline, online e inline nel nostro post sul blog.
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Midstream, mostrato qui in Figura 5, offre molte più opportunità per l'analizzatore Petro Metrohm DS2500 per assistere nel controllo di qualità.
La qualità del carburante viene costantemente controllata al momento della ricezione e della fornitura e, oltre a questo, molti terminali testano anche la qualità del carburante prima di scaricare i camion. Il tempo totale per ricevere e scaricare il carburante in un serbatoio di stoccaggio è di circa 30 minuti, quindi una tecnica di analisi veloce come NIRS è molto vantaggiosa.
Downstream nei depositi di carburante e nelle stazioni di servizio, le agenzie di regolamentazione richiedono la misurazione di molti degli stessi parametri di qualità della produzione di benzina e diesel, e ciò può essere ottenuto anche con NIRS. C'è un vantaggio significativo se l'analisi può essere fatta sul posto utilizzando campioni freschi e senza il fastidio di doverli trasportare ai laboratori di prova.
I test del carburante NIRS mobili utilizzando NIRS XDS RapidLiquid Analyzer Metrohm (XDS-RLA) sono stati implementati con successo in numerosi paesi in cui godono dei vantaggi di avere risultati istantanei in loco per i test su benzina e diesel. Le calibrazioni sviluppate sull'XDS-RLA sono facilmente trasferibili al DS2500 Petro Analyzer. DS2500 Petro Analyzer non richiede analisti qualificati e le calibrazioni non richiedono una manutenzione costante, rendendolo un modo ideale per monitorare diversi combustibili nelle stazioni di servizio e altro ancora.
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ASTM D8321: Pratica standard per lo sviluppo e la convalida di analisi multivariate da utilizzare nella previsione delle proprietà di prodotti petroliferi, combustibili liquidi e lubrificanti sulla base di misurazioni spettroscopiche
«Questa pratica copre una guida per la calibrazione multivariata degli spettrofotometri a infrarossi (IR) e degli spettrometri Raman utilizzati per determinare le proprietà fisiche, chimiche e prestazionali di prodotti petroliferi, combustibili liquidi inclusi i biocarburanti e lubrificanti. Questa pratica è applicabile alle analisi condotte nella regione spettrale del vicino infrarosso (NIR) (da circa 780 nm a 2500 nm) attraverso la regione spettrale del medio infrarosso (MIR) (circa 4000 cm-1 a 40 cm-1).»
ASTM D6122: Pratica standard per la convalida delle prestazioni di spettrofotometri a infrarossi multivariati online, in linea, da campo e da laboratorio e sistemi di analisi basati su spettrometri Raman
«Questa pratica copre i requisiti per la convalida delle misurazioni effettuate da laboratorio, campo o processo (in linea o in linea) a infrarossi (analizzatori del vicino o medio infrarosso, o entrambi) e analizzatori Raman, utilizzati nel calcolo della fisica, parametri chimici o di qualità (cioè proprietà) di prodotti petroliferi liquidi e combustibili.»
ASTM D8340: Pratica standard per la qualificazione basata sulle prestazioni dei sistemi di analisi spettroscopiche
«Questa pratica copre i requisiti per stabilire la qualificazione basata sulle prestazioni dei sistemi di analisi spettroscopiche vibrazionali destinati a essere utilizzati per prevedere il risultato del test di un materiale che sarebbe prodotto da un metodo di prova primario (PTM) se lo stesso materiale fosse testato dal PTM. »
I prodotti petrolchimici sono soggetti a metodi di prova standardizzati per determinarne le proprietà chimiche, fisiche e tribologiche. I test di laboratorio sono una parte indispensabile sia della ricerca e sviluppo che del controllo di qualità nella produzione di prodotti petrolchimici. I seguenti parametri di prova sono in genere importanti da misurare nell'industria petrolchimica e di raffineria (Tabella 1).
| Parametro | Metodo convenzionale | Metodo ASTM | NIRS rilevanti Note applicative |
| Gravità specifica (API) | Misuratore di gravità | ASTM D298 |
|
| Punto di ebollizione | Distillazione | ASTM D2887 | |
| Punto di otturazione del filtro freddo (CFPP) | Dispositivo di filtraggio standardizzato | ASTM D6371 | |
| Punto di scorrimento | Analizzatore del punto di scorrimento | ASTM D97 | |
| Punto nuvola | Analizzatore di punto nuvola | ASTM D2500 | |
| Punto d'infiammabilità | Tester del punto di infiammabilità | ASTM D93 | |
| Viscosità | Viscosimetro | ASTM D445 | |
| Colore | Colorimetro | ASTM D1500 | |
| Densità | Densimetro | ASTM D792 | |
| Estere metilico degli acidi grassi (FAME) | FTIR | ASTM D7806 | |
| Pressione di vapore di Reid | Analizzatore RVP | ASTM D323 | |
| PIANO (Paraffine, Isoparaffine, Aromatici, Nafteni, Olefine) | Gascromatografo | ASTM D6729 | |
| Numero di ottano (RON/MON) | Motore CFR | ASTM D2699 ASTM D2700 |
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| Numero di cetano | Motore CFR | ASTM D613 | |
| Valore diene / indice MAV | Titolazione | UOP 327-17 |
Questo articolo è un panoramica generale dell'uso della spettroscopia NIR come strumento di controllo qualità ideale per l'industria petrolchimica/raffineria. Le prossime puntate saranno dedicate alle applicazioni più importanti e includeranno informazioni molto più dettagliate. Non perderti i nostri prossimi blog sui temi di:
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