Development of new chemometrics approaches to determine physical and chemical properties of crude distillation unit products based on molecular spectroscopy

Abstract

Crude distillation units are the first processing units of crude oils based on fractional distillation. The properties of the petroleum products obtained from refinery units are frequently analyzed to ensure that the off-spec product cannot be obtained and that the process is working under the desired conditions. This study aims to develop a method based on multivariate data analysis to determine physical and chemical properties of petroleum samples as an alternative to time-consuming and conventional analytical methods. Four different petroleum products obtained from CDU for years were selected and used in this study, which are heavy and light diesel, heavy and light straight run naphtha. Four different spectroscopic methods which are UV-Vis, Fluorescence, FT-NIR and FTIR-ATR spectroscopy, were performed and compared. Multivariate calibration models were developed using Partial least Squares (PLS) and Genetic Inverse Least Squares (GILS) algorithms. For heavy and light diesel, predictive performance of three different spectroscopic methods were compared and for heavy diesel UV-Vis spectroscopy, for light diesel FT-NIR spectroscopy was selected for most of the parameters. Developed models by fluorescence analysis of light diesel samples conducted with two different measurement modes and synchronized fluorescence spectral data has resulted in better models compared to total fluorescence spectra. Studies with straight run naphtha samples were obtained from three different refineries and prediction performances were compared. All obtained model results indicates that developed methodology can be used in routine operations instead of conventional analytical methods.

Karmaşık proseslere ait petrol rafinerilerinde ham petrol öncelikli olarak ham petrol damıtma ünitelerinde işlenerek fraksiyonel damıtma yöntemiyle ayrıştırılır. İşlenen ham petrol farklı kaynaklara ve özelliklere sahip olsa bile, elde edilen ürünün özelliklerinin belirli standartlara uyması beklenmektedir. Bu amaçla ürün özellikleri standart analiz metotlar yardımıyla laboratuvarlarda düzenli olarak takip edilmektedir. Bu çalışmada zaman alıcı klasik analiz yöntemlerine alternatif olarak petrol ürünlerinin fiziksel ve kimyasal özelliklerini belirlemek için çok değişkenli veri analizine dayalı bir yöntem geliştirilmesi amaçlanmıştır. Çalışmalar ağır dizel, hafif dizel, ağır ve hafif nafta olmak üzere dört ana ürün grubuyla gerçekleştirilmiştir. Ürünler direkt olarak rafineri üretimden elde edilmiş olup, modelleme çalışmaları dört farklı spektroskopik veri ile gerçekleştirilmiştir. UV-Vis, Floresans, FT-NIR ve FTIR-ATR spektroskopik ölçümleri alınan numunelerde modeller Kısmi En Küçük Kareler (PLS) ve Genetik En Küçük Ters Kareler (GILS) algoritmaları kullanılarak geliştirilmiştir. Dizel numunelerinde üç farklı spektroskopik veriyle gerçekleştirilen model sonuçları karşılaştırılmış ve ağır dizel numunesi için UV-Vis spektroskopisi, hafif dizel için ise FT-NIR spektroskopisi birçok parametre için en iyi model seçilmiştir. Hafif dizellerin floresans analizleri iki farklı modda gerçekleştirilmiş ve senkronize modda toplanan verilerle gerçekleştirilen modeller toplam floresans moduna göre tahmin başarısı daha yüksek modellerle sonuçlanmıştır. Nafta örnekleriyle üç farklı rafineride çalışma gerçekleştirilmiş olup, tahmin performansları karşılaştırılmıştır. Seçilen tüm model sonuçları, çalışma kapsamında geliştirilen metodolojinin klasik yöntemler yerine kullanılabileceğini göstermektedir.