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Introduzione all'industria petrolchimica e della raffinazione

Petrolio e gas per combustibili sono prodotti in quasi ogni angolo del globo, dai piccoli pozzi privati che generano circa 100 barili al giorno, ai grandi pozzi che producono fino a 40 volte quel volume. Nonostante questa grande variazione di dimensioni, molte parti del processo di raffinazione sono abbastanza simili.

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Figure 1. Illustrazione di una colonna di distillazione frazionata utilizzata allo scopo di raffinare il petrolio greggio in diversi prodotti finali desiderabili.

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.

Tecnologia NIR: una breve panoramica

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 cetanoRON/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.

Figure 2. Spettri diesel risultanti dall'interazione della luce NIR con i rispettivi campioni.

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.

Figure 3. Posizionamento del campione liquido per la misurazione degli spettri NIR sul supporto per fiale intelligente di Metrohm.

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.

Figure 4.A. Le misurazioni dei liquidi vengono in genere eseguite con fiale monouso. B. La modalità di misurazione NIRS è nota come trasmissione, in cui la luce viaggia attraverso il campione mentre viene assorbita (da sinistra a destra nell'illustrazione).

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:

  • Tecnica veloce con risultati in meno di un minuto.
  • Nessuna preparazione del campione richiesta – misurare i campioni così come sono.
  • Basso costo per campione – non sono necessari prodotti chimici o solventi.
  • Tecnica ecologica – nessun rifiuto generato.
  • Non distruttivo – campioni preziosi possono essere riutilizzati dopo l'analisi.
  • Facile da usare – gli utenti inesperti hanno subito successo.

Leggi i nostri precedenti post sul blog per saperne di più NIRS come tecnica secondaria.

Vantaggi di NIRS: Parte 1

Vantaggi di NIRS: parte 2

Vantaggi di NIRS: parte 3

Vantaggi di NIRS: parte 4

Dove possono essere utilizzati i NIRS nel processo di raffinazione?

Il processo di raffinazione

può essere suddiviso in tre diversi segmenti:

  1. Upstream
  2. Midstream
  3. Downstream

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.

Siamo pionieri: Metrohm Process Analytics

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Analizzatori di processo Metrohm NIRS XDS

Midstream, mostrato qui in Figura 5, offre molte più opportunità per l'analizzatore Petro Metrohm DS2500 per assistere nel controllo di qualità.

Figure 5. Diagramma di flusso di come il petrolio greggio diventa benzina presso la stazione di servizio locale e dove il NIRS può eseguire controlli di qualità durante il processo.

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.

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Figure 6. Esempi di test mobili del carburante con l'analizzatore Petro Metrohm DS2500.

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 all'Analizzatore di petro DS2500. L'analizzatore Petro DS2500 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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Analizzatore DS2500 – Aumenta l'efficienza nel laboratorio di controllo qualità con la spettroscopia nel vicino infrarosso (NIRS)

NIRS come strumento conforme ASTM per il controllo di qualità

ASTM E1655: Pratiche standard per l'analisi quantitativa multivariata a infrarossi

«Queste pratiche coprono una guida per la calibrazione multivariata degli spettrometri a infrarossi utilizzati per determinare le caratteristiche fisiche o chimiche dei materiali. Queste pratiche sono applicabili alle analisi condotte nella regione spettrale del vicino infrarosso (NIR) (da circa 780 a 2500 nm) attraverso la regione spettrale del medio infrarosso (MIR) (da circa 4000 a 400 cm-1)."

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. »

Applicazioni e parametri tipici NIRS per l'industria petrolchimica e di raffineria

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).

Tabella 1. Esempi per l'uso di NIRS per parametri QC petrolchimici selezionati.
Parametro Metodo convenzionale Metodo ASTM NIRS rilevanti Note applicative
Gravità specifica (API) Misuratore di gravità 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 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

Numero di cetano Motore CFR ASTM D613
Valore diene / indice MAV Titolazione UOP 327-17

Le prossime puntate di questa serie

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:

Autore
Guns

Wim Guns

International Sales Support Spectroscopy
Metrohm International Headquarters, Herisau, Switzerland

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