Espectroscopia NIR en la industria petroquímica y de refinería: la herramienta compatible con ASTM para el control de calidad y la detección de productos: parte 1

Introducción a la industria petroquímica y de refinación

El petróleo y el gas para combustible se producen en casi todos los rincones del mundo, desde pequeños pozos privados que generan alrededor de 100 barriles por día, hasta pozos de gran calibre que producen más de 40 veces ese volumen. A pesar de esta gran variación de tamaño, muchas partes del proceso de refinación son bastante similares.

$Ilustración de una columna de destilación fraccionada utilizada para refinar petróleo crudo en varios productos finales deseados.$

Figure 1. Ilustración de una columna de destilación fraccionada utilizada para refinar petróleo crudo en varios productos finales deseados.

Los productos químicos derivados del petróleo o del gas natural, los llamados «petroquímicos», son parte esencial de la industria química contemporánea. El campo de la petroquímica se hizo cada vez más popular a principios de la década de 1940 durante la Segunda Guerra Mundial. En ese momento había una demanda creciente de productos sintéticos que fue un gran motor para el desarrollo de productos petroquímicos.

La refinación de petróleo tiene como objetivo proporcionar una gama definida de productos de acuerdo con las especificaciones acordadas. Las refinerías simples utilizan una columna de destilación (Figura 1) para separar el petróleo crudo en diferentes fracciones en función de sus propiedades químicas, y las cantidades relativas dependen directamente del petróleo crudo utilizado. Por lo tanto, es necesario obtener una gama de crudos que se puedan mezclar en una materia prima adecuada para producir la cantidad y calidad requeridas de productos finales.

Los productos básicos de la destilación fraccionada se muestran en Figura 1.

La espectroscopia de infrarrojo cercano (NIR) es una técnica especialmente adecuada para realizar el control de calidad de estos productos finales. más eficiente y rentable para los fabricantes. Además, NIRS es reconocido y aceptado por ASTM como un método alternativo a otras técnicas. Los métodos ASTM dedicados para el desarrollo de métodos, la validación de métodos y la validación de resultados se presentan más adelante en este artículo.

Siga leyendo para obtener una breve descripción general de la espectroscopia NIR seguida de ejemplos de aplicación para la industria petroquímica y de refinería para aprender cómo los productores petroquímicos y las refinerías pueden deteriorarse de NIRS.

Tecnología NIR: una breve descripción

La interacción entre la luz y la materia es un proceso bien conocido. La luz utilizada en los métodos espectroscópicos normalmente no se describe por la energía aplicada, pero en muchos casos por la longitud de onda a menudo numeros de ondas.

Figure 2. Espectros diésel resultantes de la interacción de la luz NIR con las respectivas muestras.

Un espectrómetro NIR como el Analizador de petroleo Metrohm NIRS DS2500 mide esta interacción luz-materia para generar espectros como los que se muestran en Figura 2. NIRS es especialmente sensible a la presencia de ciertos grupos funcionales como -CH, -NUEVA HAMPSHIRE, -OH, y -SH. Por lo tanto, la espectroscopia NIR es una métodos ideales para cuantificar diferentes parametros de control de calidad como contenido de agua (humedad), índice de cetano, RON/MON (números de octanos de motor y de investigación), punto de inflamabilidad, y punto de obstruccion del filtro en frio (CFPP), Sólo para nombrar unos pocos. Además, la interacción también depende de la matriz de la muestra en sí, lo que también permite la detección de parámetros físicos y reológicos como la densidad y la viscosidad.

Toda esta información está contenida en un solo espectro, lo que hace que este método sea adecuado para analisis multiparametrico rapido. Las muestras líquidas, como los aceites, se aseguran dentro de un recipiente o vial apropiado (figura 3), luego colóquelo tal como está en el soporte del vial inteligente.

Figure 3. Colocacion de muestras liquidas para la medicion de espectros NIR en el soporte de vial inteligente de Metrohm.

Figure 4. A. Las medidas de líquidos generalmente se realizan con viales desechables. B. El modo de medición NIRS se conoce como transmisión, donde la luz viaja a través de la muestra mientras es absorbida (de izquierda a derecha en la ilustración).

El modo de medición se denomina «transmisión», generalmente un procedimiento apropiado para analizar líquidos. Para medicion de transmision (Figura 4), la luz NIR viajará a través de la muestra mientras se absorbe. La luz NIR no absorbida pasa al detector. es menos de 60 segundos se completa la medición y se muestran los resultados.

El procedimiento para obtener espectros NIR ya destaca dos grandes ventajas de la espectroscopia NIR en comparación con otras técnicas analíticas: sencillez con respecto a la medición de la muestra, y velocidad :

Técnica rapida con resultados en menos de un minuto.
No requiere preparación de muestras – medir las muestras tal cual.
Bajo costo por muestra – no se necesitan productos químicos ni disolventes.
Técnica respetuosa con el medio ambiente – no se generan residuos.
No destructivo – las valiosas muestras se pueden reutilizar después del análisis.
Facil de operar – los usuarios sin experiencia tienen éxito de inmediato.

Lea nuestras publicaciones de blog anteriores para obtener más información sobre NIRS como técnica secundaria.

Beneficios de NIRS: Parte 1

Beneficios de NIRS: Parte 2

Beneficios de NIRS: Parte 3

Beneficios de NIRS: Parte 4

¿Dónde se puede usar NIRS en el proceso de refinación?

El proceso de refinacion

puede dividirse en tres segmentos diferentes:

Upstream
Midstream
Downstream

Río arriba describe el proceso de convertir el petroleo crudo en productos intermedios. Las refinerías suelen ser complejos muy grandes con varias áreas explosivas peligrosas. Por lo tanto, los operadores son reacios a transportar muestras de los diferentes procesos al laboratorio. Incluso el proceso de obtención de muestras para análisis en laboratorios de control de calidad externos es laborioso y puede requerir un papeleo importante y servicios de transporte certificados. Por razones obvias, en la mayoría de los casos medición en línea son preferidos. Estos tipos de detección generalmente se realizan mediante analizadores NIRS de proceso.

Lea más sobre la diferencia entre los análisis en línea, en línea y en línea en nuestra publicación de blog.

Somos pioneros: Metrohm Process Analytics

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Metrohm 2060 The NIR Process Analyzers

Centro de la corriente, que se muestra aqui en Figura 5, ofrece muchas más oportunidades para que el Metrohm DS2500 Petro Analyzer ayude en el control de calidad.

Figure 5. Diagrama de flujo de cómo el petróleo crudo se convierte en gasolina en la gasolinera local y dónde NIRS puede realizar controles de calidad durante el proceso.

La calidad del combustible se verifica constantemente cuando se recibe y se suministra, y además de esto, muchos terminales también prueban la calidad del combustible antes de descargar los camiones. El tiempo total para recibir y descargar combustible en un tanque de almacenamiento es de aproximadamente 30 minutos, por lo que una técnica de análisis rápido como NIRS es muy ventajosa.

río abajo en depósitos de combustible y gasolineras, las agencias reguladoras exigen la medición de muchos de los mismos parámetros de calidad que en la producción de gasolina y diésel, y esto también se puede lograr con NIRS. Hay un ventaja significativa si se puede hacer el analisis en el sitio utilizando muestras frescas y sin la molestia de tener que transportarlos a los laboratorios de prueba.

Figure 6. Ejemplos de pruebas móviles de combustible con el Metrohm DS2500 Petro Analyzer.

Pruebas de combustibles NIRS móviles con Metrohm Analizador NIRS XDS RapidLiquid (XDS-RLA) se ha implementado con éxito en varios países donde disfrutan de los beneficios de tener resultados instantaneos en el sitio para pruebas de gasolina y diesel. Las calibraciones desarrolladas en el XDS-RLA son fácilmente transferibles al Analizador de petroleo DS2500. El DS2500 Petro Analyzer no requiere analistas capacitados y las calibraciones no requieren un mantenimiento constante, lo que lo convierte en una forma ideal de monitorear diferentes combustibles en estaciones de servicio y más.

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Analizador DS2500: aumento de la eficiencia en el laboratorio de control de calidad con espectroscopia de infrarrojo cercano (NIRS)

NIRS como herramienta compatible con ASTM para control de calidad

ASTM E1655: Prácticas estándar para el análisis cuantitativo multivariante infrarrojo

«Estas prácticas constituyen una guía para la calibración multivariante de espectrómetros infrarrojos utilizados en la determinación de las características físicas o químicas de los materiales. Estas prácticas son aplicadas a los análisis realizados en la región espectral del infrarrojo cercano (NIR) (aproximadamente 780 a 2500 nm) hasta la región espectral del infrarrojo medio (MIR) (aproximadamente 4000 a 400 cm^-1).»

ASTM D8321: Práctica estándar para el desarrollo y validación de análisis multivariados para uso en la predicción de propiedades de productos derivados del petróleo, combustibles líquidos y lubricantes basados en detección espectroscópica

«Esta práctica cubre una guía para la calibración multivariante de espectrofotómetros infrarrojos (IR) y espectrómetros Raman utilizados para determinar las propiedades físicas, químicas y de rendimiento de productos derivados del petróleo, combustibles líquidos, incluidos los biocombustibles, y lubricantes. Esta práctica es aplicable a los análisis realizados en la espectral del infrarrojo cercano (NIR) (aproximadamente 780 nm a 2500 nm) hasta la región espectral del infrarrojo medio (MIR) (aproximadamente 4000 cm^-1 un 40cm^-1).»

ASTM D6122: Práctica estándar para la validación del rendimiento de espectrofotómetros infrarrojos multivariados en línea, en línea, de campo y de laboratorio, y sistemas analizadores basados en espectrómetros Raman

«Esta práctica cubre los requisitos para la validación de detección realizada por laboratorio, campo o proceso (en línea o en línea) infrarrojo (analizadores de infrarrojo cercano o medio, o ambos) y analizadores Raman, utilizados en el cálculo de física, parámetros químicos o de calidad (es decir, propiedades) de los productos petrolíferos líquidos y de los combustibles.»

ASTM D8340: Práctica estándar para la calificación basada en el rendimiento de sistemas de analizadores espectroscópicos

«Esta práctica cubre los requisitos para establecer la calificación basada en el rendimiento de los sistemas analizadores espectroscópicos vibracionales destinados a ser utilizados para predecir el resultado de la prueba de un material que sería producido por un Método de prueba primario (PTM) si el mismo material es probado por el PTM. »

Aplicaciones y parámetros típicos de NIRS para la industria petroquímica y de refinería

Los productos petroquimicos estan sujetos a metodos de prueba estandarizados para determinar sus propiedades quimicas, fisicas y tribologicas. Las pruebas de laboratorio son una parte indispensable tanto de la investigación como del desarrollo como del control de calidad en la producción de productos petroquímicos. Los siguientes parámetros de prueba suelen ser importantes para medir en la industria petroquímica y de refinería (tablas 1).

**Cuadro 1.** Ejemplos de uso de NIRS para parámetros de control de calidad petroquímicos seleccionados.
Parámetro	método convencional	metodo astm	NIRS relevante notas de aplicacion
Gravedad específica (API)	medidor de gravedad	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
Punto de ebullición	destilacion	ASTM D2887
Punto de obstruccion del filtro en frio (CFPP)	Dispositivo de filtro estandarizado	ASTM D6371
punto de fluidez	analizador de punto de fluidez	ASTM D97
punto de nube	analizador de punto de nube	ASTM D2500
punto de inflamabilidad	Probador de punto de inflamacion	ASTM D93
viscosidad	viscosímetro	ASTM D445
Color	colorimetro	ASTM D1500
densidad	Densímetro	ASTM D792
Ester metílico de ácido graso (FAME)	FTIR	ASTM D7806
Presión de vapor Reid	analizador RVP	ASTM D323
PIANO (Parafinas, Isoparafinas, Aromáticos, Naftenos, Olefinas)	cromatógrafo de gas	ASTM D6729
Número de octano (RON/MON)	Motor CFR	ASTM D2699 ASTM D2700
numero de cetano	Motor CFR	ASTM D613
Valor dieno / índice MAV	valoracion	UOP 327-17

Otras entregas de esta serie

Este artículo es un visión general del uso de la espectroscopia NIR como la herramienta de control de calidad ideal para la industria petroquímica / de refinería. Las otras entregas están dedicadas a las aplicaciones más importantes y tienen información mucho más detallada. No te pierdas nuestros blogs sobre los temas de :

Tus conocimientos para llevar a cabo

Seminarios web gratuitos sobre espectroscopia bajo demanda de Metrohm

Autor

Wim Guns

International Sales Support Spectroscopy
Metrohm International Headquarters, Herisau, Switzerland