CN101023348A - 分析精炼原料或精炼工艺产物的便携式装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分析精炼原料或精炼工艺产物的便携式装置，所述装置包括：(a)测定精炼原料或精炼工艺产物的沸点分布的第一分析仪器，和(b)至少两个其它分析仪器，每个都含有数据库和算法或与它们关联，使用所述仪器中的至少一个测定精炼原料或精炼工艺产物的密度，使用所述仪器中的至少一个测定精炼原料或精炼工艺产物的总酸值。

Description

分析精炼原料或精炼工艺产物的便携式装置

本发明要求2004年09月17日提交的美国临时专利申请第60/611,002号和2004年09月17日提交的美国临时专利申请第60/611,050号的优先权。

技术领域

本发明涉及一种分析精炼原料或精炼工艺产物的便携式装置。

背景技术

例如原油化验等原料分析是原料在炼油厂精炼之前必须进行的重要分析。炼油厂通常精炼许多不同的原料，包括不同的原油和原油混合物，它们每种都具有许多不同的重要性能。为了确保精炼每种原料的最佳条件和评价例如可得到的产品收率、质量和价值等原料的潜在价值以及例如腐蚀或沉积等对所述原料的精炼工艺的潜在影响，常常需要分析大量的性能。并且在化验中通常不能测定例如腐蚀、结垢或催化剂中毒等对精炼工艺的影响，但是可以从其它性能估计。

传统上分析是费时的，需要相对大量的材料，产生一部分分析(化验)数据需花费1-2周，产生一全套数据花费高达6周的时间。要购买的原料没有一全套化验数据可提供给买方并不是不正常的事情，因此，买方必须对原料的价值作许多假设，例如对于原油，可以根据类似地区的现有原油的知识进行假设。这对于评价新原油产品，特别是来自新生产地区的原油存在着特殊的风险。

如果精炼原料分析，优选为全套化验数据能迅速地提供给潜在的买方，这将是有利的。

另外，精制工艺产物的快速分析也是需要的。该产物包括整个精炼工艺的中间体、沥青、随后用作化工原料的整个精炼工艺的产物和随后用作燃料或润滑油或作为燃料或润滑油用的混合组分的整个精炼工艺的产物以及燃料(例如航空油、汽油、柴油和船用燃料)和润滑油本身。

精炼工艺的描述和它们的产品对本领域的技术人员都是熟知的，例如在由Wiley出版的Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry中，由Walther W.Irion和Otto S.Neuwirth编著的题目为“Oil Refining”的章中有描述。

WO 00/39561涉及一种使用光谱学的原油自动分析方法。尽管使用光谱学能迅速分析许多化验所需要的原油性能，但是WO 00/39561的方法仍然需要大量的原油，使用常规的蒸馏设备和花费2天来分析，用于测定的红外光谱不含有原油化验通常所需要的所有性能的信息，这样一些性能将用精确度大大降低的二次关联来确定。

发明内容

现在发现了一种方法，仅仅由原料或产品的沸点分布、密度和总酸值(“TAN”)的测定，任选地与硫含量的测定一起就可以得到精炼原料或精炼工艺产物的确定性化验。以前认为仅仅使用这些参数还不能得到有用的化验数据。本发明提供了一种便携式装置，使用该装置就可以远离分析实验室地迅速进行化验。

因此，本发明提供一种分析精炼原料或精炼工艺产物的便携式装置，所述装置包括：

(a)确定精炼原料或精炼工艺产物的沸点分布的第一分析仪器，和

(b)至少两个其它分析仪器，每个都含有数据库和算法或与数据库和算法关联，所述仪器中的至少一个适于确定精炼原料或精炼工艺产物的密度，所述仪器中的至少一个适于确定精炼原料或精炼工艺产物的总酸值(TAN)。

合适地微制造本发明的便携式装置中的分析仪器，它们可以是传感器的形式。微制造的仪器是这样的仪器，它使用适合微芯片工业的技术制造仪器的关键分析部分或检测器，响应于接触的试验物质而给出谱图或简单的电信号。简单的电信号供给相关的电子元件，将输入的信号转变成测定性能的值或使用化学计量技术进一步处理信号。直接使用谱图或在使用化学计量技术之前数学地处理谱图，从而给出所需要的性能。在每种情况中，所述值或谱图都输入到模型中，该模型是由测定的值或谱图与用现有分析测定方法测定的样品的已知组成或性能之间的关系产生的。

一般地，传感器产生简单的电信号，传感器非常小和便宜，用来测定单个性能。其它产生谱图的微型仪器可能稍大，更昂贵，通常用来测定一种以上的性能。

本发明的关键特征是本发明的装置应含有至少一个能确定精炼原料或精炼工艺产物的沸点分布的仪器和至少两个其它仪器，选择所述其它仪器使其最适合要测定的性能。这种测定仪器与要确定的性能的匹配不同于传统方法，传统方法使用一个仪器，通常使用NIR光谱仪，由谱图与现有分析测定之间的关联测定所有需要的性能。

确定沸点分布的第一分析仪器能直接给出沸点分布，但是优选使用合适的软件或上述模型给出沸点分布，例如参照包含已知样品如已知原油的数据的合适数据库。与需要将油物理分离成各个组分的传统方法相比，用这种方法可以得到很迅速的分析。第一分析仪器优选确定精炼原料或精炼工艺产物的真沸点分布(TBP)。第一分析仪器优选选自(i)微蒸馏或微分馏仪器，(ii)微NIR光谱仪，(iii)微振荡仪器和(iv)微气相色谱仪。

所述装置还包括至少两个其它分析仪器，包括至少一个测定密度的仪器和至少一个测定TAN的仪器。优选测定密度的仪器为振荡传感器，测定TAN的仪器为电化学传感器。如果需要，这些附加仪器中的每一个除了能确定一种或更多种其他性能外，还能确定沸点分布，优选能确定TBP。例如，第一分析仪器可以是微蒸馏或微分馏仪器，第二分析仪器可以是微NIR光谱仪。

因此，在优选实施方案中，本发明提供一种分析精炼原料或精炼工艺产物的便携式装置，其中所述装置包含选自微蒸馏或微分馏仪器、微NIR光谱仪、微振荡仪器和微气相色谱仪中的三个或更多个分析仪器。在特别优选的实施方案中，所述装置含有选自微蒸馏或微分馏仪器、微NIR光谱仪、微振荡仪器和微气相色谱仪中的至少一个，优选至少三个仪器以及附加的振荡传感器和电化学传感器。

上述装置，例如含有微蒸馏或微分馏仪器、微NIR光谱仪、微振荡仪器和微气相色谱仪中的三个或更多个仪器的装置，通常可以提供大量的精炼原料化验或精炼工艺产物分析所需要的分析数据。

另外，(b)的其它分析仪器包括许多附加分析仪器以确保进一步所需的精炼原料或精炼工艺产物性能。并且，该装置中可以包含一个以上的仪器测定单个性能。当结果用来相互校验时，这种明显的冗余就很有价值。

除了沸点分布、密度和TAN，期望确定的精炼原料或精炼工艺产物的其它性能也都依赖于样品，通常可包括总碱值(TBN)、冷流动性能(例如倾点、凝固点和浊点)、粘度、研究法辛烷值(RON)、马达法辛烷值(MON)、十六烷值、烟点、美国矿务局关联指数(BMCI)、折射率、电导率、硫含量、氮含量、镍含量、钒含量和它们的组合。优选所述装置含有至少一个确定这些性能中的一种或更多种的其它仪器。例如，该装置可含有例如耦联微气相色谱仪和微质谱仪的热解仪等测定硫含量的其它装置，和/或例如金属特异性传感器等确定金属含量的其它仪器。

确定所述其它性能的合适仪器可包括微电导率/电容仪器(例如测定酸值)、微流变仪器(例如测定粘度)和微分光镜仪器，例如NIR、离子迁移率/微分迁移率、声光、声学、UV-Vis和Mid-IR光谱仪(例如测定环烷酸值的MID IR)。微电导率/电容仪器、微流变仪器和声光仪器都可以利用传感器形式，可以在本发明的装置中形成部分传感器阵列。

步骤(b)中的一个或更多个其它分析仪器可确定精炼原料或精炼工艺产物整体的密度和TAN以及任选的一种或更多种其它性能，和/或精炼原料或精炼工艺产物的一个或更多个馏分的密度和TAN以及任选的一种或更多种其它性能。

这样，在更优选的方案中，本发明提供一种分析精炼原料或精炼工艺产物的便携式装置，所述装置包含：

(a)微分离仪器，其能确定精炼原料或精炼工艺产物的沸点分布，用于将精炼原料或精炼工艺产物分离成两个或更多个馏分，和

(b)确定一个或更多个馏分的密度和TAN的两个或更多个其它分析仪器。

在该实施方案中，微分离仪器将精炼原料或精炼工艺产物分离成至少两个馏分，然后用两个或更多个其它分析仪器可分析所述馏分。

步骤(a)的微分离仪器能确定精炼原料或精炼工艺产物的沸点分布，优选能确定TBP。优选地，微分离仪器是本发明步骤(a)的第一分析仪器。最优选地，微分离仪器选自微蒸馏或微分馏仪器和微振荡仪器。

备选地，除了两个或更多个确定馏分密度和TAN的分析仪器外，(b)的两个或更多个其它分析仪器可包括用于确定沸点分布，优选确定TBP的所述第一分析仪器(a)。

使用(b)的其它分析仪器确定步骤(a)制备的一个或更多个馏分的密度、TAN和任选的沸点分布。还可以配备能确定精炼原料或精炼工艺产物的整体性能的一个或更多个其它分析仪器。

例如，作为第一分析仪器的微分离仪器可以是微蒸馏或微分馏仪器，第二分析仪器可以是微NIR光谱仪。可使用微NIR，从而例如给出关于由微分离仪器得到的一个或更多个馏分和任选的总体精炼原料或精炼工艺产物的密度、饱和烃量和芳烃量。

备选地，或另外，所述其它分析仪器还可以包括上述的许多其它分析仪器，以确保总体精炼原料或精炼工艺产物和/或馏分的其它所需要的性能。

优选本发明的装置可以手持，合适地具有小于5kg的总重量，例如2kg或更轻。

本发明的装置仅仅需要少量的精炼原料或精炼工艺产物(下文中精炼原料或精炼工艺产物可称为“样品”)，通常少于10ml，例如10ml或更少，优选1ml或更少。因为需要少量的样品，所以可以在比例如常规原油化验等常规分析更显著短的时间内进行分析。

通常，本发明的装置能在低于两小时内提供分析，优选在低于30分钟内提供分析，优选低于5分钟，例如低于2分钟。

精炼原料可以是供给炼油厂的任何合适的原料，例如原油、合成原油、生物组分、中间体，例如残渣或裂化原料或一种或更多种所述原料的混合物。

精炼原料优选为原油或原油混合物，任选地还包含(混合)一种或更多种合成原油组分、生物组分或中间组分，例如残余组分或裂化原料组分。

在使用本发明的便携式装置分析精炼工艺产物时，所述产物可以是整个精炼工艺的中间物流、沥青、随后用作化工原料的整个精炼工艺产物、随后用作燃料或润滑剂的整个精炼工艺产物、或作为用于燃料或润滑剂的混合组分的产物、或例如航空油、汽油、柴油或船用油等燃料或润滑油本身。

当存在微蒸馏或微分馏仪器时，其可以是用来蒸馏样品从而给出与常规蒸馏所得类似馏分的合适仪器。例如，微蒸馏或微分馏仪器可以蒸馏原油或其它精炼原料，以给出与原油蒸馏单元(CDU)的常规精炼蒸馏所得类似的那些馏分。微蒸馏仪器还可以是微设计的仪器，包括汽化样品(例如原油)的微加热器、供汽化的样品通过而达到气液分离的合适管道如毛细管等、通过管道的汽化样品冷凝的合适冷凝区(通常为冷却区，例如微制冷机)和测定冷凝区样品冷凝的微传感器。微传感器可以是光学传感器。优选地，微蒸馏仪器是例如在硅晶片上微制造的分离仪器。微蒸馏仪器可以是一次性的。当微蒸馏仪器提供一系列类似常规蒸馏得到的馏分时，这些馏分可以用一个或更多个其它分析仪器分析。

当存在微振荡仪器时，其优选为声光仪器或传感器。微振荡仪器基于仪器振荡频率的测定，所述频率随物质在振荡器上的质量而变化。这样，如果物质在该仪器上蒸发或冷凝，则频率变化。与沸点分布的信息一样，声光仪器可以提供关于粘度、冷流动性能、挥发性污染物和沉积物形成的信息。合适的微振荡器描述在美国专利第5,661,233和5,827,952号公报中。

当存在微NIR时，其可用于例如提供关于沸点分布的信息、和给出模拟蒸馏曲线、以及提供关于样品整体和/或由例如微蒸馏仪器等合适分离步骤得到的馏分的密度和饱和烃量和芳烃量的信息。也可以测定硫和/或冷流动性能，例如浊点和凝固点、酸值(TAN)、研究法辛烷值(RON)、马达法辛烷值(MON)、十六烷值和烟点。合适的微NIR分析仪包括Massachusetts的Axsun Technologies Inc.生产的Axsun NIR-APS分析仪。

当存在微气相色谱仪时，其可提供模拟蒸馏曲线和可提供如C1-C9烃的烃物种形成。合适的微气相色谱仪包括SLS微技术气相色谱仪或其它微芯片类气相色谱仪，例如由the University ofMassachusetts开发的那些产品。

当存在微离子迁移率/微分迁移率光谱仪时，其可用于提供关于样品中特定分子类型，特别是极性分子的信息，例如有机氯化物或甲醇等污染物以及硫化物和氮化合物。并且，耦联微热解仪的微离子迁移率/微分迁移率光谱仪可以给出提高的氮和硫分析。最好与微气相色谱仪和/或预分馏/预浓缩仪器组合地应用微离子迁移率/微分迁移率光谱仪。合适的微离子迁移率/微分迁移率光谱仪包括Sinoex microDMx。

传感器形式的微制造的仪器因尺寸小和成本低，所以是有利的。在本发明装置的优选实施方案中，该装置含有一个或更多个作为传感器的微仪器。可以有许多这样的传感器，优选以阵列形式布置。每个传感器都配备将传感器信号转换成数值的相关电子元件和任选的将该值关联到所需性能的化学计量模型。传感器信号含有关于测定的性能的信息、或直接与测定的性能关联的信息。

本发明具有如下优点：由于它们的单个尺寸和对样品的需求量相对小，所以许多不同的分析仪器可以布置在一个便携式装置中。本发明的装置包括至少3个不同的分析仪器，优选至少5个不同的分析仪器，例如至少10个不同的分析仪器，使用该装置可以确定样品(或其馏分)的许多性能，直接或通过下面进一步描述的合适数据库模型给分析提供相当量的数据。

本发明的装置具有便携性，因而可以带到要分析样品的地方并快速分析样品。例如，对于原油分析(化验)，可将该装置用于原油的“现场”快速化验/评价，例如在原油罐或陆上原油储存罐上，在港口从原油罐或从管线中装载或卸放时，或在采油钻井或生产场地，使潜在买方快速确定原油的价值。在采油钻井工地，在钻井工地的“井头”上可使用本发明的装置，从而提供原油的快速分析，例如提供试验井的原油性能的快速反馈，从而能评价所述的原油。在这种应用中，可使油通过预过滤器除去例如钻井添加剂等钻井过程带来的污物，或使用合适的校正模型对得到的数据进行校正。

因为本发明的装置的部件尺寸相对小，所以电源要求也相对低。因此，该装置可以用合适的电池(电池组)，优选可充电电池运行，电池要求不能太重，否则影响装置的便携性。

优选该装置包含或至少兼容例如无线网状网络等无线电通讯，更优选例如卫星数据通讯等远程通讯手段，使分析结果可以容易地通讯到潜在买方，再次降低分析数据提供给潜在买方的时间。

尤其在没有合适的微仪器时，本发明的装置可以与其它便携式分析仪组合使用，所述其它便携式分析仪特别是例如便携式X射线荧光(XRF)光谱仪和激光诱导击穿光谱仪(LIBS)等给出元素数据的那些仪器，以改进化验的幅度。

XRF例如可以提供如原油馏分等样品的硫和金属含量分析。合适的便携式XRF分析仪包括可购自OXFORD instruments的那些分析仪。

一般地，本发明的装置任选地与任何其它分析仪组合，可以产生待分析样品的至少10个关键性能的数据，例如至少20个关键性能。例如对于原油化验，本发明的装置任选地与任何其它分析仪组合，优选提供常规原油化验测定的大部分关键性能的数据或它们衍生(下面进一步描述)的数据，包括整个原油和/或其馏分的沸点分布、密度、总酸值(TAN)、冷流动性能(例如倾点和浊点)、粘度、硫含量、氮含量、镍含量、钒含量和它们的组合。化验其它精炼原料需要类似的性能。

本发明的装置和任选的任何其它分析仪提供的分析数据可以直接产生足够的分析数据，例如分析或评价的原油的化验数据。

备选地，由该装置任选与其它分析仪组合而直接得到的分析数据，可以通过输入到合适的数据库模型而得以提高，所述数据库模型通常为由分析大量的其它样品所得到的分析数据衍生的模型。例如对于原油分析，得到的分析数据可以通过输入到由分析大量的其它原油所得到化验数据衍生的原油化验数据库模型而得以提高。可以使用原油化验数据库模型来产生置信度改进的详细化验。

类似地，对于精炼工艺产物的分析，数据可通过输入到分析大量类似(相当)产物所衍生的产物性能的合适数据库模型来提高。

作为例子，当由本发明装置和任选的任何其它分析仪得到的分析数据是由例如NIR等多变量分析技术得到的数据时，可以将信息拟合成所述数据库中已知的多变量分析数据的线性组合来分析该分析数据，例如在WO 03/48759中描述的。

因为由本发明的装置可获得快速分析，所以可以更经常地得到分析和/或用于过程优化。例如，该装置可以用在炼油厂，可以对炼油厂生产(两个或更多个可利用的来源)的例如原油混合物等精炼原料混合物进行定期分析，确保该混合物的最佳精炼配置。还可以使用该装置验证原料到达炼油厂或混合站时的一致性和/或质量，和/或可使用该装置提供用于输入到混合和加工精炼优化模型中的原料质量和性能数据的在线测定。

当在钻井工地的“井头”使用本发明的装置时，可以在使用例如共用管线等共用运输机制的不同井头操作许多装置，从而提供每个井的原油分析。各个原油的分析和合适的进度可以使最终原油混合物的组成更优化。另外，重复分析不同井头的原油，可以使用单个原油随时间的变化预测对生产的原油混合物的影响，或调节混合以维持恒定质量的原油混合物。

类似地，在使用该装置分析精炼工艺可得到的产物时，可以使用该装置检验炼油厂与后序位置的产物的一致性和质量，所述后序位置例如化工厂自身、燃料混合终端、含燃料的罐如机场、船厂的燃料罐或静止罐、或汽油站前院。

另一方面，本发明还提供一种分析精炼原料或精炼工艺产物的方法，所述方法包括使用前述便携式装置分析精炼原料或精炼工艺产物。

该方法还可以包括使用一个或更多个其它便携式分析仪分析精炼原料或精炼工艺产物，将分析结果通讯给潜在买方和/或将得到的分析信息与前述数据库模型相组合。

Claims (17)

1.一种分析精炼原料或精炼工艺产物的便携式装置，所述装置包括：

(a)确定精炼原料或精炼工艺产物的沸点分布的第一分析仪器，和

(b)至少两个其它分析仪器，每个都含有数据库和算法或与它们关联，所述仪器中的至少一个适于确定精炼原料或精炼工艺产物的密度，所述仪器中的至少一个适于确定精炼原料或精炼工艺产物的总酸值。

2.如权利要求1所述的便携式装置，其中所述第一分析仪器选自(i)微蒸馏或微分馏仪器，(ii)微NIR光谱仪，(iii)微振荡仪器和(iv)微气相色谱仪。

3.如权利要求1或2所述的便携式装置，其中至少一个所述其它分析仪器包括除了能分析一种或更多种其它性能外，还能确定沸点分布的分析仪器。

4.如前述权利要求中任一项所述的便携式装置，所述装置包括选自微蒸馏或微分馏仪器、微NIR光谱仪、微振荡仪器和微气相色谱仪中的三个或更多个分析仪器。

5.如前述权利要求中任一项所述的便携式装置，其中配置的至少一个分析仪器是传感器。

6.如权利要求5所述的便携式装置，所述装置包括振荡选自微蒸馏或微分馏仪器、微NIR光谱仪、微振荡仪器和微气相色谱仪中的三个或更多个分析仪器，以及振荡传感器和电化学传感器。

7.如前述权利要求中任一项所述的便携式装置，所述装置包括至少一个确定硫含量的仪器和/或至少一个确定金属含量的仪器。

8.如前述权利要求中任一项所述的便携式装置，所述装置还能测定下列性能中的至少一种：总碱值、冷流动性能、粘度、研究法辛烷值、马达法辛烷值、十六烷值、烟点、美国矿务局关联指数、折射率、电导率、氮含量和它们的组合。

9.如前述权利要求中任一项所述的便携式装置，其中步骤(b)的两个或更多个其它分析仪器确定精炼原料或精炼工艺产物整体的密度和TAN，和/或精炼原料或精炼工艺产物的一个或更多个馏分的密度和TAN。

10.如前述权利要求中任一项所述的便携式装置，所述装置包括：

(a)微分离仪器，其能确定精炼原料或精炼工艺产物的沸点分布，用于将精炼原料或精炼工艺产物分离成两个或更多个馏分，和

(b)两个或更多个其它分析仪器，用于确定一个或更多个馏分的密度和TAN。

11.如权利要求10所述的便携式装置，其中步骤(A)的微分离仪器是步骤(a)的第一分析仪器，其选自微蒸馏或微分馏仪器和微振荡仪器。

12.如权利要求11所述的便携式装置，所述装置包括作为微分离仪器的微蒸馏或微分馏仪器和作为第二分析仪器的微NIR光谱仪。

13.如前述权利要求中任一项所述的便携式装置，其中所述装置是手持的，具有小于5kg，例如2kg或更低的总重量。

14.如前述权利要求中任一项所述的便携式装置，其中所述装置包括至少5个不同的分析仪器。

15.一种分析精炼原料或精炼工艺产物的方法，所述方法包括使用前述权利要求中任一项所述的便携式装置分析精炼原料或精炼工艺产物。

16.如权利要求15所述的方法，其中由所述便携式装置得到的分析数据通过输入到合适的数据库模型中而得以提高。

17.如权利要求15或16所述的方法，所述方法包括分析原油或原油混合物。