NIR-Spektroskopie in der Petrochemie- und Raffinerieindustrie: Das ASTM-konforme Tool für Qualitätskontrolle und Produktscreening – Teil 1

30.08.2021

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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.

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

Abbildung 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 Abbildung 1 dargestellt.

Die Nahinfrarotspektroskopie (NIR) ist eine Technik, die sich besonders für die Qualitätskontrolle dieser Endprodukte eignet, sie ist effizient 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.

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

Ein NIR-Spektrometer wie der Metrohm NIRS DS2500 Petro-Analysator misst diese Licht-Materie-Wechselwirkung, um Spektren zu erzeugen, wie sie in Abbildung 2 angezeigt werden. NIRS reagiert besonders empfindlich auf das Vorhandensein bestimmter funktioneller Gruppen wie z -CH, -NH, -OH, Und -SH. Daher ist die NIR-Spektroskopie eine ideale Methode um verschiedene QC-Parameter zu quantifizieren, z.B. Wassergehalt (Feuchtigkeit), Cetanzahl-Index, ROZ/MON (Forschung und Motoroktanzahl), Flammpunkt und Kaltfilter-Verstopfungspunkt (CFPP). 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 zur schnelle Multiparameteranalyse eignet. Flüssige Proben wie Öle werden in einem geeigneten Behälter oder Fläschchen gesichert (Abbildung 3) und dann so auf dem intelligenten Fläschchenhalter platziert.

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).

Abbildung 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 (Abbildung 4) wandert das NIR-Licht durch die Probe, wobei es absorbiert wird. Nicht absorbiertes NIR-Licht gelangt zum Detektor. In weniger als 60 Sekunden ist die Messung abgeschlossen und die Ergebnisse werden angezeigt.

Es gibt 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 Blogbeiträge, um mehr über NIRS als sekundäre Technik zu erfahren.

Teil 1: Was ist NIR-Spektroskopie?

Teil 2: NIR vs. IR: Was ist der Unterschied?

Teil 3: Wie Sie die NIR-Spektroskopie in Ihren Arbeitsablauf im Labor integrieren

Teil 4: Vorkalibrierungen der NIR-Spektroskopie: Sofortige Ergebnisse

Wo kann NIRS im Raffinierungsprozess eingesetzt werden?

Upstream 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 zur Folge haben und zertifizierte Transportdienste erfordern. In den meisten Fällen werden aus offensichtlichen Gründen Inline-Messungen 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.

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Metrohm 2060 Der NIR-Prozessanalysatoren

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

Flussdiagramm, das zeigt, wie aus Rohöl Benzin wird, wie dieses zu den lokalen Tankstellen transportiert wird und wo man mittels NIRS während des Prozesses Qualitätsprüfungen durchführen kann.

Abbildung 5. Flussdiagramm, das zeigt, wie aus Rohöl Benzin wird, wie dieses zu den lokalen Tankstellen transportiert wird und wo man mittels 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.

Downstream: In den nachgelagerten Bereichen von Tanklagern und Tankstellen verlangen die Aufsichtsbehörden die Messung derselben Qualitätsparameter wie bei der Herstellung von Benzin und Diesel, und auch dies kann mit NIRS durchgeführt werden. Es ist von großem Vorteil, wenn die Analyse vor Ort mit frischen Proben durchgeführt werden kann, ohne dass diese in ein Prüflabor transportiert werden müssen.

Abbildung 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 die Vorteile darin bestehen, sofortige Ergebnisse vor Ort zu liefern (für Benzin- und Dieselprüfungen). Die auf dem XDS-RLA entwickelten Kalibrierungen sind problemlos auf das DS2500 Petro-Analysator übertragbar . 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 zu überwachen.

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

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

NIRS als ASTM-konformes Tool für die Qualitätskontrolle

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

Petrochemikalien werden standardisierten Prüfverfahren unterzogen, um ihre chemischen, physikalischen und tribologischen Eigenschaften zu bestimmen. Laborprüfungen sind ein unverzichtbarer Bestandteil sowohl der Forschung und Entwicklung als auch der Qualitätskontrolle bei der Herstellung von Petrochemikalien. Die folgenden Prüfparameter sind in der petrochemischen und Raffinerie-Industrie typischerweise wichtig (Tabelle 1).

**Tabelle 1.** Beispiele für die Verwendung von NIRS für ausgewählte petrochemische QC-Parameter.
Parameter	Konventionelle Methode	ASTM-Methode	Relevante NIRS Application Notes
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 weiteren Blogs zu den Themen:

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