CN101415497A - 用于炼油工艺中的流体分析的样品板 - Google Patents

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Abstract

与含有至少两个不同分析设备的便携装置一起使用的样品板，所述样品板(1)包含(i)一个用于待分析流体的接收器(2)；(ii)至少两个流体槽(6，7)，每个流体槽都适于从所述接收器(2)传送部分所述流体或其组分或其反应产物至包含于所述相关便携式分析装置的所述分析设备中的一个；(iii)至少一个能响应所述流体或其组分或其反应产物的物理或化学性质的传感器(13)，和/或至少一个用于为光谱分析或光学分析容纳所述流体或其组分或其反应产物的试样池(14)；和(iv)至少一个额外的流体槽(11，12)，所述流体槽适于从所述接收器传送部分所述流体或其组分或其反应产物至所述至少一个传感器(13)和/或试样池(14)。

Description

用于炼油工艺中的流体分析的样品板
本发明涉及与用于分析流体(例如炼油厂原料、炼油厂中间体或炼油厂工艺产品)的便携装置一起使用的样品板。
原料分析(例如原油化验)是重要的分析，常常在购买原料或在炼油厂精炼原料时进行。通常，炼油厂会精炼大量不同的原料，包括不同的原油和各种原油的掺混物，而每种原料之间都会有一些重要性质不同。为了确定精炼每种原料的优化条件并评估原料的潜在价值(例如成品收率、可得到的品质和价值)和所述原料对炼油工艺的可能影响(例如腐蚀或沉淀)，通常需要分析大量的性质。
通常，这是费时的分析，提交全套分析(化验)数据需要比较大体积的材料并花费1-2个星期。待购买的原料没有提供给买方全套化验报告的情况并不少见，因此，买方必须对原料的价值作出一些推测，例如对于原油的推测可基于对过去来自于类似区域的原油的认识作出。
如果炼油厂的原料分析(优选全套化验)可快速获得，将有利于潜在的买方或炼油厂经营者。
而且，对炼油厂工艺产品的快速分析也是需要的。上述产品包括总炼油工艺(overall refining process)的中间体、沥青、随后将用作化学原料的总炼油厂工艺产品和随后将用作燃料或润滑油或用作燃料或润滑油的掺混组分(blending component)的总炼油厂工艺产品，还包括燃料(例如航空燃料、汽油、柴油和船用燃料)和润滑油本身。而且，例如在末站、在管线、在配油系统(distribution system)或在销售点，对调配产品、燃料和润滑油的快速分析也是需要的。
对炼油工艺及其产品的描述为本领域技术人员所熟知，并且在例如Wiley出版的Walther W.Irion和Otto S.Neuwirth著述的Ullmann′s Encyclopedia of Industrial Chemistry(《乌尔曼工业化学百科全书》)的标题为“Oil Refining(炼油)”章节中有描述。
我们在先提交的同时待审申请PCT/US2005/033240描述了用于分析炼油厂原料或炼油厂工艺产品的便携装置，所述装置包括：
(a)用于测定炼油厂原料或炼油厂工艺产品的沸点曲线的第一分析设备，和
(b)至少两个进一步分析设备，每一个都含有数据库和算法或与数据库和算法关联，至少一个所述设备适用于测定炼油厂原料或炼油厂工艺产品的密度，并且至少一个所述设备适用于测定炼油厂原料或炼油厂工艺产品的总酸值(TAN)。
我们在先提交的同时待审申请PCT/US2005/033247进一步公开了化验含有烃的原料的方法，该方法包括：
(a)使用至少两种不同的不依赖实验室的方法(laboratory-independent technique)测量含有烃的原料的沸腾曲线(boiling profile)和至少一种其它性质，其中所选择的每种不依赖实验室的方法对各自测定的性质具有预测性；
(b)将步骤(a)的测量结果传送给处理装置，该处理装置可根据测量结果重新(reconstructing)对含有烃的原料作出决定性化验(determinative assay)；和，
(c)根据所述测量结果重新对原油作出决定性化验。该方法可方便的通过PCT/US2005/033240中的装置实施。
现在我们发现了改良的向装置(例如PCT/US2005/033240中要求保护的装置)供应样品的方法。
因此，本发明提供与便携装置一起使用的样品板，所述便携装置包含至少两个不同的分析设备，所述样品板包含：(i)用于待分析流体的接收器；(ii)至少两个流体槽(fluidic channel)，每个槽都适于从所述接收器传送部分所述流体或其组分或其反应产物到包含在所述相关的便携式分析装置中的所述分析设备之一中；(iii)至少一个可响应所述流体或其组分或其反应产物的物理或化学性质的传感器，和/或至少一个适于容纳所述流体或其组分或其反应产物的试样以进行光谱分析或光学分析的试样池(sample cell)；和(iv)至少一个额外的流体槽，所述流体槽适于从所述接收器传送部分所述流体或其组分或其反应产物到所述至少一个传感器和/或试样池中。
本发明的样品板提供双重功能：为分析装置制备样品，以及由于含有传感器和/或试样池，所述样品板自身提供一些分析能力。本发明的样品板与便携装置组合形成用于分析流体的设备组件(equipment set)，所述设备组件包含本发明的样品板以及含有至少两个不同的分析设备的便携装置。提供了合适的用于将所述样品板连接于所述便携装置的工具(means)。所述连接工具可以是例如click-fit型或slot in型，或可使用hinged flap(所述连接工具可含有额外的控制设备、传感设备或分析设备)。提供了允许相对的滑动或转动的器械，例如转轮(rotating wheel)或转台(turntable)，其可将样品板的不同部分与便携分析装置的不同组件对齐。
本发明的样品板和设备组件极易使用。在使用中，使用者仅需选择合适的样品板，并将其连接于相关的便携分析装置。合适的样品板的流体槽适于衔接便携装置中的相关分析装备，而样品板中的传感器和/或试样池适于与任何相关电路和/或光谱分析或光学分析设备衔接，所述电路和分析设备也可存在于便携装置中。在使用中，使用者仅需将待测流体加入样品板的接收器，而后可进行对样品的分析。
样品板在清洁后可适当地重复使用。或者，因为在某些实施方案中本发明的样品板会制造得非常便宜，可作为一次性器具使用。所以，可向单个便携装置提供多个样品板。每个样品板可单次使用，在使用后丢弃或在使用少数几次后丢弃。每次使用时都使用新样品板可防止由于以前的流体样品污染样品板而产生问题。所有的多个样品板可具有同样的结构。或者，多个样品板可含有两个以上有不同结构的不同类型的样品板，每种类型的样品板的结构适于用于特殊类型的待测流体。例如，在炼油领域，一种类型的样品板可含有一个以上特别适用于分析特殊炼油产品(例如柴油或汽油)的传感器和/或试样池和/或微型流体元件(micro fluidic element)，同时不同类型的样品板可含有一个以上特别适于用于分析原油的传感器和/或试样池和/或微型流体元件。还可提供每个传感器和/或试样池与合适的相关电路和/或光谱分析或光学分析设备的合适的连接。例如，分析装置可含有若干与不同的传感器或不同类型的传感器相关的不同的电路。在设计为用于一种特殊流体的样品板中，提供了样品板中任意传感器与分析装置中合适的电路的连接。用于不同流体的样品板可含有与分析装置中不同的电路的连接。同样，为任意试样池提供了合适的衔接。
因此，在本发明优选的实施方案中，提供了一种设备组件，所述组件包含所述便携式分析装置和本发明的多个样品板。所述设备组件适用于多种用途和/或适用于不同的流体。
本发明样品板的确切设计取决于所预期的应用。流体槽的确切路径、性质和数量可改变。样品板可具有一个以上用于在样品板各部分之间传送流体的微型泵。合适的微型泵包括齿轮泵、隔膜泵、注射泵和蠕动泵。在需要泵送时，微型泵可位于分析装置内以与样品板相关联，使得在应用时样品板上的流体可以合适的方式泵送。样品板可包含一个以上微型阀以控制传送于样品板各部分之间的流体的路径和/或数量或比例。当需要在分析前将样品流体分离为各组分时，或当需要在分析前对样品流体进行化学转化或物理转化时，可提供合适的工具。
例如，样品板可含有用于流体各组分的分离的流体设备，例如：(i)用于根据样品的沸点将其分馏的微型流体/微型分馏设备，(ii)微型流体分离设备，所述设备可将流体的挥发性部分分离并发送至不同的微型分析设备或传感器(液上气体分析)，(iii)微型色谱元件(例如固液色谱法、电泳、离子交换、配体交换)，所述元件可将特殊类型的流体组分分离并用于微型分析设备或传感器的分析，(iv)微型流体滤器(micro fluidic filter)，使得颗粒物可从样品中分离，以在传感器或微型分析设备的分析之前清理(clean up)样品或为合适的分析或为分析制备无固体液体而分离固体，和/或(v)微型混合器和分离器，由此可将流体(试剂、溶剂等)与样品混合，例如以引起反应、络合物形成(complex formation)、沉淀或沉降、或液/液分离。沉淀的引发或速率可通过合适的光谱方法(例如UV、NIR)或光学方法(例如光散射)监测。使用合适的微型分离设备可分离固体和液体的混合物，将液体传送到合适的传感或微型分析设备。在沉淀形成固体的情况下，可使用微型滤器或其他微型分离设备从混合物中滤出固体，或可将固体重新溶解并传送到合适的传感器或微型分析设备。
通过第一次分离或清理得到的液体在使用传感器或微型分析设备分析之前可被进一步分离或清理。通过第一次分离得到的液体可与额外的液体混合引起例如反应，络合物形成，沉淀或沉降，或液/液萃取。例如，可以使极性很大的物质通过固相吸附剂而将其除去，并且可在微型混合器中使用合适的试剂氧化经清理的流体。
反应、络合物形成或液体萃取的产物可通过合适的光谱设备分析，例如使用紫外吸收光谱测定特定组分的浓度。
可以受控的方式，在与电化学/电导率(conductivity)传感器直接连接的混合器室中，将试剂加入样品，进行电化学滴定。所述工艺可用于测定溴值、TAN或总碱值。
部分额外的液体(试剂、溶剂等)可储存于样品板或设备组件的其它部分。将部分额外的液体储存于样品板有助于最小化并容纳用于分析样品的溶剂和其它试剂。例如，不同的样品板可容纳用于专门分析特定的样品的不同液体，并且因此可连续的使用单个便携装置但具有不同样品板进行不同的分析。如此，仅需要以分析所需量储存特别的分析所需的特定液体。
在可供选择的实施方案中，改为使用其它方法引入额外的流体，例如将所述流体泵入或注射入样品板上的一个以上流体槽中。在一个实施方案中，可通过将含有预先测定量的任意额外液体的料筒(cartridge)附加于样品板来实施所述操作，所述额外液体是使用设备组件进行处理和分析所需要的。使用可方便替换的设备例如料筒是便利的，可降低装置所造成的复杂性。
可有差别的加热或冷却样品板的各个部分(例如通过与便携分析装置中的加热器或冷却器接触来实现)，以例如促进流体流动或诱发各组分的反应或沉淀。在一个实施方案中，可提供溶剂与样品流体混合的区域，使得冷却中蜡发生沉淀，如有必要可通过例如光学方法(例如光散射)监测所述区域。
本发明的样品板可含有一个以上的试样池，所述试样池用于对流体或对流体的已分离或反应部分进行光谱分析或光学分析。所述试样池构成合适的微型分析装置的部分。可将电磁辐射源(红外、近红外、可见光、紫外)置于样品板的一侧(例如利用探针，将其置入样品板上表面)，并将合适的检测器置于样品板的另一侧(较低的一侧)。来自探针的射线通过试样池进入检测器，试样池由合适的透光材料制成。设计样品板以控制试样池程长(path length)(射线通过样品的距离)。在特定波长或在一个波长范围内的吸收可用于监测样品流体中特定的化合物或一定范围的化合物。
本发明的样品板可由塑料、陶瓷、玻璃、金属、其它合适的微型加工材料或其混合物制造。选择的材料在与液体样品或其它试剂(例如溶剂和沉淀剂)接触时最低限度的产生或者不产生劣化作用(degradative effects)，例如滗析、变形、溶解、反应或侵蚀。塑料特别适于烃基样品，例如炼油厂原料和包括聚醚醚酮(PEEK)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等的炼油厂工艺产品。流体板(fluid plate)可由微细加工技术，或使用合适的可兼容微细加工的成型技术(microfabrication compatible moulding techniques)，或所述技术的组合进行制造。
本发明的设备组件可用于分析任何所需的流体，或流体的组分或反应产物。优选将所述设备组件用于分析与石油或石化产业(例如石油勘探、生产、精炼或销售)相关的流体。因此，所述流体包括烃流体、勘探流体、炼油厂原料、炼油厂中间体、精炼产品(例如燃料或润滑油)、用于处理所述流体或作为其添加剂的流体。优选将所述设备组件用于分析炼油厂原料、炼油厂中间体或炼油厂工艺产品。
炼油厂原料可以是任何合适的可供应给炼油厂的原料，例如原油、合成原油(syncrude)、生物组分(biocomponent)、中间体(例如残油或裂化原料油)或一种以上所述原料的掺混物。
炼油厂原料优选原油或多种原油的掺混物，还任选含有(掺混)一种以上合成原油组分、生物组分或中间体组分，例如残油组分或裂化原料油组分。
本发明的样品板以及便携装置用于分析炼油厂工艺产品时，所述产品可为总炼油工艺的中间体流、沥青、随后作为化学原料使用的总炼油厂工艺产品、随后作为燃料或润滑油或作为用于燃料或润滑油的掺混组分使用的总炼油厂工艺产品、或燃料(例如航空燃料、汽油、柴油或船用燃料)或润滑油自身。
在一个实施方案中，本发明的设备组件使仅通过测量炼油厂原料或炼油厂工艺产品的沸点曲线、密度和总酸值(“TAN”)而得到所述原料或产品的完整的决定性的化验成为可能，所述化验任选同时测量硫含量(sulphur content)。在完成上述我们的同时待审的申请中所要求保护的发明之前，并没有认识到仅使用所述参数即可得到完整的化验。因此，在所述实施方案中本发明的设备组件包含一个以上的本发明的样品板以及用于分析炼油厂原料或炼油厂工艺产品的便携装置，所述装置包含：
(a)用于测定炼油厂原料或炼油厂工艺产品的沸点曲线的第一分析设备，和
(b)至少一个进一步分析设备，所述设备关联数据库和算法并且可测量物炼油厂原料或炼油厂工艺产品的至少一种物理或化学性质；所述设备组件至少可测定炼油厂原料或炼油厂工艺产品的沸点曲线、总酸值(TAN)和密度。
便携装置中的与本发明的样品板相关的分析设备经适当的微细加工，并且可为传感器的形式。微细加工的设备是这样的设备，即在所述设备中使用与微型芯片行业相同的技术加工重要的分析部件或检测器，所述部件响应与试样的接触，产生光谱信号或简单电信号。将所述光谱信号或简单电信号传输给相关的可以将输入的信号转化为所测量性质的值的电子设备，所述电子设备使用化学计量技术，即将输入信号传输给含有以往的分析测量结果的相关数据库(relational database)和与输入信号相关的算法，以提供所需的一种或多种性质。通常，产生简单电信号的传感器非常小和便宜，用于测量单个性质。通常，会为传感器配备合适的相关电子设备。其它的产生光谱信号的微型设备会相对较大且更贵，而且常常用于测量多于一个的性质。
本发明的样品板优选含有至少一个传感器。在本发明优选的实施方案中，通常将与传感器相关的电子设备置于便携分析设备中，并且配备在使用中使传感器与电子设备相连的工具。通过所述方式，保留了相对较大且更贵的电子设备用于多重用途，而非常便宜的传感器位于如上所述的一次性样品板内。同样，如果样品板含有试样池，则与试样池相关的光谱分析或光学分析工具(包括任何相关的电子设备)可位于便携分析设备内。
样品板可含有多于一个的传感器和/或试样池，而且各个所述传感器和/或试样池都优选与位于便携分析设备内的相应的电子设备和/或光谱分析或光学分析工具相关。选择所述传感器和/或试样池以适合待分析的流体和待测量的性质。可将一定数目的传感器或试样池安装在一起以形成传感器或试样池阵列。通过样品板中合适的流体槽将待分析流体样品提供给各个传感器和/或试样池或提供给传感器或试样池阵列。当使用本发明的样品板分析炼油厂原料或炼油厂工艺产品时，所述样品板可含有能测量密度、粘度、化学性质(chemicalconstitution)(例如酸度等)的传感器和/或试样池。
在所述便携式分析装置中，用于测定沸点曲线的第一分析设备能够直接得出沸点曲线，但是优选使用上述合适的软件或模型得出沸点曲线，例如通过参照包含已知样品(例如已知的原油)的数据的合适数据库。与传统的需将石油物理分离为其各种组分的方法相比，所述方法可得到非常快速的分析。第一分析设备优选测定炼油厂原料或炼油厂工艺产品的真实沸点曲线(true boiling profile)(TBP)。第一分析设备优选选择自(i)微型-蒸馏设备，(ii)微型-近红外光谱仪，(iii)微型-振荡设备和(iv)微型气相色谱仪(GC)。如有需要，与便携装置中的任何光谱或光学设备一起使用的试样池可存在于设计为与所述装置一起使用的样品板上。所述装置也包含至少一个进一步的分析设备，例如用于测量密度和/或TAN。优选的用于测量密度的设备是振荡传感器(oscillating sensor)，并且优选的用于测量TAN的设备是电化学传感器。如有需要，除了能测定一个以上的进一步的性质，每个附加设备可还能测定沸点曲线，并且优选能测定TBP。例如，第一分析设备可为微型-蒸馏设备，而第二分析设备可为微型-近红外光谱仪。
所以，在优选的实施方案中，本发明的设备组件包含便携装置，所述便携装置包含两种以上，优选三种以上选自微型-蒸馏设备、微型-近红外光谱仪、微型-振荡设备和微型气相色谱仪(GC)的分析设备。如有需要，含有微型-蒸馏设备、微型-近红外光谱仪、微型-振荡设备和微型气相色谱中至少一种的便携装置可还含有额外的振荡传感器和电化学传感器；与相关的分析装置一起使用的样品板可选择性的或额外的包含振荡传感器和/或电化学传感器。
通常，包含样品板以及便携装置的设备组件含有选自微型-蒸馏设备、微型-近红外光谱仪、微型-振荡设备和微型气相色谱的两种、三种或多种设备和一种以上的传感器。所述设备组件可以为炼油厂原料的化验或炼油厂工艺产品的分析提供所需的非常大量的分析数据。
另外，设备组件可包含许多额外的分析设备以确定待分析流体的其他所需的性质，例如炼油厂原料或炼油厂工艺产品。而且，所述组件可包括多于一个的设备以测量单个性质。这种表面上的冗余可以是非常有价值的，因为其结果可用于相互的交叉核对。
在沸点曲线、密度和TAN之外，可能还需测定炼油厂原料或炼油厂工艺产品的进一步的性质，所述性质取决于样品，并且通常包括总碱值、冷流性质(cold flow properties)(例如倾点(pour point)、冰点和浊点)、粘度、研究法辛烷值(RON)、马达法辛烷值(MON)、十六烷值、发烟点、美国矿务局相关指数(BMCI)、折光率、电导率、硫含量(包括噻吩硫或特殊的噻吩硫化合物)、氮含量、镍含量、钒含量和以上性质的组合。优选设备组件含有至少一个额外的用于测定一种以上上述性质的设备，并且如果所述额外的设备包含传感器，可将该设备作为样品板的部件或便携装置的部件提供。例如，可提供用于测定硫含量的额外的设备(例如与微型GC和微型质谱仪联用的热解仪(pyrolyser))和/或用于测定金属含量的额外的设备。
用于测定所述进一步的性质的合适设备可包括微型电导率/电容设备(例如用于测定酸度)、微型流变学设备(例如用于测定粘度)和微型光谱设备，例如NIR、离子迁移/微分迁移光谱仪(ionmobility/differential mobility spectroscopy)、声光光谱仪(acousto-optical spectroscopy)、声谱仪、紫外-可见光光谱仪和中红外光谱仪(Mid-IR spectroscopy)(例如用于测定环烷酸度(naphthenic acidity)的中红外光谱仪)。微型-电导率/电容设备、微型流变学设备和声光设备均可得到其传感器的形式，并且可任选作为传感器阵列的一部分包含于本发明的样品板或便携装置。与任何光谱设备一起使用的试样池既可位于样品板上又可位于便携装置中。如果样品未由于在试样池中的分析或处理而被改变，可使用流通池(flow-through cell)使得经分析或处理的样品可随后被传送到样品板的另一部分进行进一步的分析。如果样品被改变且被改变的样品需要进一步的处理或分析，也可使用流通池。流通池的使用将进行分析所需的样品和其它流体如溶剂或试剂的量降到最低，而且也将在分析完成后需丢弃的样品流体和其它流体的量降到最低。
废液(例如经过其它试剂处理和经过分析的样品流体)可被传送和收集于废液容器，所述容器可与便携装置分离或直接连接于便携装置或样品板。
本发明的设备组件能例如(i)测定特定的挥发性组分，例如原料或产品中的杂质，例如硫醇、甲醇、有机氯化物，(ii)经过沉淀、过滤、再溶解和UV测量测定沥青质，(iii)通过无溶剂添加(addition ofnon-solvent)和对絮凝点的光谱或光学观察测定沥青质的絮凝点，(iv)通过溶剂添加冷却(solvent addition cooling)和使用光学工具对蜡絮凝的观察测定蜡的沉淀点，(v)通过对砜的氧化测定噻吩硫，例如在微型混合器中使用合适的试剂，接着分离或提取在所述反应后形成的极性砜(polar sulphones)；(vi)测定溴值、TAN和总碱值。
如上所述，当与本发明的样品板一起使用时，所述便携装置可用于测定多组分流体的性质，和/或所述流体中一种以上的成分的性质，和/或所述流体的一种以上的反应产物的性质。例如，所述装置可总地用于测量炼油厂原料或炼油厂工艺产品的沸点曲线、密度和TAN，并任选一种以上的额外性质，或者可用于测量炼油厂原料或炼油厂工艺产品的一种以上的馏分的沸点曲线、密度和TAN以及任选一种以上的额外性质。
因此，在另一个实施方案中，本发明提供包含本发明的样品板以及用于分析多组分流体的便携装置的设备组件，所述装置包含：
(A)用于将多组分流体分离为两种以上组分的微型-分离设备，和
(B)两个以上用于测定一种以上所述组分的两种以上的物理和/或化学性质的分析设备。
本发明的该实施方案的优选例子提供包含本发明的样品板以及用于分析炼油厂原料或炼油厂工艺产品的便携装置的装备组合，所述装置包含：
(A)能用于测定炼油厂原料或炼油厂工艺产品的沸点曲线，用于将炼油厂原料或炼油厂工艺产品分离为两种以上馏分的微型-分离设备，和
(B)用于测定一种以上所述馏分的密度和TAN的两个以上进一步分析设备。
在所述实施方案中，微型-分离设备将流体分离为至少两种组分，并且随后可使用两个以上所述进一步分析设备对所述组分进行分析。
优选的微型-分离设备(A)是本发明分析装置的第一分析设备。合适的微型-分离设备包括微型-蒸馏设备和微型-色谱设备，例如微型GC、微型LC(液相色谱仪)设备或微型尺寸排阻色谱设备。
或者，除了两个以上的优选用于测定馏分的密度和TAN的分析装置，(B)的两个以上进一步分析设备还可包含所述第一分析设备，优选用于测定沸点曲线，优选TBP。还可提供一个以上的用于测定分馏前的流体的性质的进一步分析设备，例如分馏前(pre-fractionated)的炼油厂原料或炼油厂工艺产品。
例如，微型-分离设备可以是作为第一分析设备的微型-蒸馏设备，而第二分析设备可以是微型-NIR光谱仪。微型-NIR光谱仪可用于给出例如密度数据、从微型-分离设备得到的一种以上的馏分中的饱和物质和芳族物质的量和任选总炼油厂原料或炼油厂工艺产品中的饱和物质和芳族物质的量。
如上所述，许多其它分析设备还可作为替代或同时包含于所述进一步分析设备中，以确定总炼油厂原料或炼油厂工艺产品和/或馏分的进一步需要的性质。
优选用于与本发明的样品板关联的便携装置是手持装置，适当的总重量小于5kg，例如2kg以下。使用本发明的设备组件仅需要少量的炼油厂原料或炼油厂工艺产品(下文中炼油厂原料或炼油厂工艺产品可被称为“样品”)，通常少于100ml，例如10ml或更少，并且优选1ml或更少。由于需要样品的量少，可在明显短于传统分析(例如传统的原油化验)的时间内进行分析。
通常，本发明的设备组件在短于2小时内提供分析，优选在短于30分钟，例如短于5分钟内提供分析。
本发明中的微型-蒸馏设备(若使用)可以是任何合适的能用于蒸馏样品的设备，例如产生与传统蒸馏所产生的馏分类似的馏分。例如，微型-蒸馏设备可蒸馏原油或其它炼油厂原料产生馏分，所述馏分类似于使用传统炼油厂蒸馏在原油蒸馏装置(CDU)所产生的馏分。微型-蒸馏设备还可为微型工程设备(micro engineered device)，所述设备包含用于汽化样品(例如原油)的微型-加热器；可令汽化样品通过的合适管路，例如毛细管；或完成汽液交换的一系列管路(逆流设备(counter current device))；合适的冷凝区(通常为冷却区，例如微型-冷室(micro-refrigerator))，通过管路上升的汽化样品在所述区域中冷凝；和用于测量样品在冷凝区的冷凝的微型-传感器。微型-传感器可为光学传感器。优选的微型-蒸馏设备是细微加工的分离设备(micro-fabricated separation device)，例如在硅片上。微型-蒸馏设备可为一次性设备。当微型-蒸馏设备提供一系列与传统蒸馏所产生的馏分类似的馏分时，所述馏分可使用一个以上的进一步分析设备进行分析。
本发明中的微型-振荡设备(若使用)优选为声光设备或传感器。微型-振荡设备以对设备的振子频率的测量为依据，所述频率根据振子上的物质的质量而变化。因此，如果物质在设备上蒸发或冷凝，则频率改变。除了关于沸点曲线的信息，声光设备还可提供关于粘度、冷流性质、挥发性杂质(volatile contaminant)和沉积物形成(deposits formation)的信息。合适的微型-振荡设备在US 5661233和US 5827952中有描述。
本发明中的微型-NIR(若使用)可用于例如提供关于沸点曲线的信息和给出模拟蒸馏曲线，还可提供总的样品中和/或得自合适的分离步骤(例如使用微型-蒸馏设备的步骤)的馏分中的密度和饱和物质和芳族物质或水的量的信息。还可测量硫和/或冷流性质(例如浊点和冰点)、酸度(TAN)、研究法辛烷值(RON)、马达法辛烷值(MON)、十六烷值和发烟点。合适的微型-NIR分析仪包括Axsun Technologies Inc.，Massachusetts(Axsun科技有限公司，马萨诸塞州)生产的Axsun NIR-APS分析仪。
本发明中的微型-GC(若使用)可提供模拟蒸馏曲线并能提供烃的种类分析(hydrocarbon speciation)，例如C1-C9烃的种类分析。合适的微型-GC设备包括Siemens(西门子)microSAM process GC或SLSmicro-technology GC。
本发明中的微型-离子迁移/微分迁移光谱仪可提供关于样品中极性分子的信息，例如有机氯化物或甲醇等杂质，以及硫化物和氮化合物的信息。微型-离子迁移/微分迁移光谱法进一步与微型热解仪联用可提供增强的氮和硫分析。微型-离子迁移/微分迁移光谱仪最好与微型GC联用。合适的微型-离子迁移/微分迁移光谱仪包括Sionexmicro DMx。
本发明的优点在于：由于分析设备具有相对小的个体体积和样品需求量，因此多个不同的分析设备可以组合成单个设备组件。样品板和相关的便携装置优选含有至少三个不同的分析设备，至少一个分析设备可作为传感器位于样品板上，或含有位于样品板上的试样池。优选至少含有五个不同的分析设备，例如至少含有10个不同的分析设备，可确定样品(或其馏分或其反应产物)的许多性质，并直接或通过以下进一步描述的合适的数据库模型提供非常大量的分析数据。
因此，本发明的设备组件可以被携带至待分析样品的所处的位置，并对样品进行快速分析。例如，原油分析(化验)，所述装置可用于“现场”快速鉴定/评估原油，例如在原油油轮或陆基原油储罐，或在石油勘探井场或生产地点，使原油对于潜在客户的价值得到快速确定。在石油勘探井场，所述设备组件可在井场的“井口”用以提供原油的快速分析，例如，在允许评估所述原油的探井提供对原油性质的快速反馈。
由于本发明的设备组件的部件的尺寸相对较小，所以对能量的需求也相对较低。所以，所述设备组件可使用合适的电池(或电池组)进行操作，优选可充电的电池，避免电池的需求量过重而影响所述装置的便携性。
优选的设备组件包含或至少兼容无线通讯设备，例如无线网络，或更优选兼容远程通讯工具，例如基于卫星的数据通讯，使得分析结果可被迅速传达给潜在客户，进一步降低缩短客户获得数据所需的时间(time-scale)。
特别是不能获得合适的微型-设备时，本发明的设备组件可用于与其它便携式分析仪器组合，特别是可以产生基本数据(elementaldata)的仪器以提升化验的宽度，例如便携式X-射线荧光光谱仪(XRF)和激光诱导击穿光谱仪(Laser Induced Breakdown Spectroscopy)(LIBS)。
例如XRF可提供对样品(例如原油馏分)的硫和金属含量的分析。合适的便携式XRF分析仪包括可从牛津仪器公司(OXFORDinstruments)获得的仪器。
通常，本发明的样品板与便携装置、任选的任何其它分析仪器组合可产生待分析样品的至少10种关键性质的数据，例如至少20种关键性质。对于原油化验，例如优选提供关于在传统原油化验中测量的主要关键性质的数据(或者，所述性质可由所述数据推导，在以下进一步描述)，所述性质包括全原油(full crude oil)和/或其馏分的沸点曲线、密度、总酸值(TAN)、冷流性质(例如倾点和浊点)、粘度、硫含量、氮含量、镍含量、钒含量及其组合。其它炼油厂原料的化验需要类似的性质。
所述得到的分析数据可直接产生充分的分析数据，例如待分析原油的化验数据。
或者，所述得到的数据可通过输入合适的数据库模型而增强，特别是从对大量的其它样品分析获得的分析数据得到的模型。例如，对原油的分析，所得分析数据可通过输入从对大量的其它原油的分析获得的化验数据得到的原油化验数据库而增强。原油化验数据库模型可用于产生具有更高可信度的详细化验。
同样，对于炼油厂工艺产品的分析，数据可通过输入从对大量类似(等价)产品的分析得到的产品性质的合适数据库而增强。
例如，当所得分析数据是来自多变量分析技术(例如NIR)时，可通过将信息拟合为所述数据库(例如WO03/48759中描述的数据库)中的已知多元分析数据的线性组合来分析所述分析数据。
由于快速分析可由本发明的设备组件得到，分析可更频繁的进行和/或可用于工艺优化。例如，所述设备组件可在炼油厂使用并且可对在炼油厂生产(两种以上可得来源)的炼油厂原料的掺混物(例如原油掺混物)进行常规分析，以确定炼油厂对掺混物的最优配置。设备组件还可用于验证到达炼油厂或混合站的原料的一致性和/或质量和/或可用于提供线上或在线测定原料的质量和性质数据，以输入掺混和工艺炼油厂优化模型。
当在井场的井口使用本发明的设备组件时，可以在不同的使用共同的运输机械(例如共用的输油管)的井口使用多个所述组件以分析来自各个油井的原油。分析单个原油和适当的统筹安排可实现更多的最终原油掺混物的最优组成。而且，通过对来自不同井口的原油的反复分析，单个原油的经时变化可被用于预测对所生产的原油掺混物的影响或改变掺混以得到质量恒定的原油掺混物。
同样，当设备组件用于分析得自某炼油工艺的产品时，所述装置可用于检验炼油厂或后续场所(subsequent location)的产品的一致性和质量，后续场所例如在化工厂本身、在燃料混合终点(fuelsblending terminal)或在容纳燃油的储罐，例如在机场、造船厂或加油站周边的燃油储罐或固定储罐。
在其它的方面，本发明还提供用于分析流体的方法，优选炼油厂原料、炼油厂中间体或炼油厂工艺产品，所述方法包含使用与前述便携装置相关联的本发明样品板来分析流体。
所述方法还可包含使用一个以上的进一步便携式分析仪分析流体、与潜在客户交流分析结果和/或将所得的分析信息与上述数据库组合。
通过附图对本发明作出进一步说明。在附图中：
图1显示了本发明的样品板；
图2显示了适于与图1的样品板一起使用的分析装置；
图3是显示设备组件可实现的各种分析的流程图，所述组件包含图1的样品板和图2的分析装置；
图4显示了另外的本发明的样品板；
图5显示了包含与合适的分析装置相连的图4的样品板。
现在参考图1，所显示的样品板1主要包含用于待分析流体(在此情况下为原油)的接收器2。可计量原油的第一流体槽3，从接收器2传送原油到齿轮泵4。此后，原油流被传送至控制可产生第一和第二流6和7的供应的第一微型阀5。第一流6通过液面上空间产生(head space generation)设备8后通过用于微型气相色谱设备的入口9。第二流7通过控制可产生第三和第四液流11和12的供应的第二微型阀10。第三液流11通过酸度传感器13，同时第四液流12通过用于微型NIR光谱仪的试样池14。
图1的样品板适于与图2所示的便携装置一起使用。20大致显示的便携装置包含适合驱动图1的微型泵4的微型泵驱动器21；运转图1的阀5和10的微型阀驱动器22和23；适于与图1的入口9相连的微型气相色谱设备和处理单元24；适于与图1的酸度传感器13相连的ASIC(专用集成线路)和处理单元25；和微型NIR光谱仪和处理单元26，所述单元26包含适于与图1的试样池14相连的探针27。
在使用中，图1的样品板1和图2的便携装置20适于组合在一起产生设备组件，所述设备组件能够通过气相色谱、酸度分析和NIR分析原油样品，而且提供了用于将样品板1和便携装置20连接在一起的设备(未显示)。图3显示可被设备组件实施的各种分析步骤的流程图。在图3显示的程序中，原油(100)经齿轮泵(101)计量并经由阀(102)被传递至液面上空间分离器(head space separator)(103)，以产生被传送至微型气相色谱设备(104)或第二阀105的蒸汽。所述第二阀将样品传递至用于微型NIR设备的酸度传感器(106)或试样池(107)。
图4还显示了本发明的样品板的另一种实施方案。40大致显示的样品板含有多个与图1中显示的相同的元件，它们用相同的数字表示。然而，微型齿轮泵4的输出被引导至样品制备设备和额外的传感器和微型分析设备上。所以，样品被引导至液面上空间设备8而蒸汽被引导至GC入口9，并且蒸汽还通过具有气相色谱功能的微型芯片35，此后被引导至出口36。而且，流体槽30从接收器2传送原油至多功能传感器芯片32，所述芯片能例如产生指示密度、粘度和电化学性质的信号。流体槽31从接收器2传送原油至33大致显示以阵列排列的多个传感器，所述传感器能检测各种金属和/或特殊的化合物。流体槽37从接收器2传送原油至用于为芳族分析制备样品的单元38。
图4的样品板适于与便携装置一起使用，图5显示包含图4的样品板40和便携装置50的设备组件的分解图。在使用中，样品板40和便携装置50包含用于将彼此连接的设备(未显示)。便携装置50包含微型泵驱动器21和微型阀驱动器22和23；适于与图4的出口9和36相连的微型气相色谱仪和集成的质谱仪设备43；适于与图4的传感器13和芯片32上的传感器相连的多个ASIC和相关的处理单元25；和含有适于与图4的试样池14相连的探针27的微型NIR色谱仪26。另外，图4的芳族制备单元(aromatics unit)38与芳族分析仪41相连并且传感器33与用于特殊的金属和/或特殊的化合物的阅读器(reader)42相连。提供了能产生例如氮氧化物和/或硫氧化物的微型燃烧炉44，所述氧化物通过连接器45被传送至构成部分GC/MS系统43的微分离子迁移单元(differential ion mobility unit)。
在使用中，图5的设备组件能通过气相色谱、酸度分析、NIR和微分离子迁移分析原油样品，还能测量密度、粘度和电化学性质，并能分析各种金属和/或化合物。

Claims (25)

1.一种样品板，所述样品板与含有至少两种不同的分析设备的便携装置一起使用，所述样品板包含(i)用于待分析流体的接收器；(ii)至少两个流体槽，每个流体槽都适于从所述接收器传送部分所述流体或其组分或其反应产物至包含于所述相关便携分析装置的所述分析设备中的一个；(iii)至少一个能响应所述流体或其组分或其反应产物的物理或化学性质的传感器，和/或至少一个用于容纳所述流体或其组分或其反应产物样品以进行光谱分析或光学分析的试样池；和(iv)至少一个额外的流体槽，所述流体槽适用于从所述接收器传送部分所述流体或其组分或其反应产物到所述至少一个传感器和/或试样池。
2.权利要求1的样品板，所述样品板还包含用于使其与所述便携装置结合的工具。
3.权利要求1或2的样品板，所述样品板还包含用于将样品板内的任何传感器和/或试样池连接于包含于便携装置的相关电路和/或光谱分析或光学分析工具的工具。
4.前述权利要求中任一项的样品板，所述样品板还包含允许所述样品板或其任意部分滑动或转动的器械，使得在使用中可将所述样品板的不同部分与所述便携装置的不同组件结合。
5.前述权利要求中任一项的样品板，所述样品板包含阵列形式的多个传感器或试样池。
6.前述权利要求中任一项的样品板，所述样品板包含至少一个用于将待分析流体分离为各组分和/或将流体转化为一种以上反应产物的流体设备。
7.前述权利要求中任一项的样品板，所述样品板包含用于在所述板上储存部分液体的工具。
8.前述权利要求中任一项的样品板，所述样品板具有一个以上微型泵。
9.权利要求8的样品板，其中一个以上微型泵选自齿轮泵、隔膜泵、注射泵和蠕动泵。
10.前述权利要求中任一项的样品板，所述样品板具有一个以上微型阀。
11.一种用于分析流体的设备组件，所述设备组件包含与含有至少两个不同的分析设备的便携装置结合的权利要求1-10中任一项的样品板。
12.权利要求11的设备组件，所述设备组件含有至少5个不同的分析设备，至少一个所述分析设备是以传感器的形式位于样品板上或含有位于样品板上的试样池。
13.权利要求12的设备组件，其中包含于所述样品板中的每个传感器和/或试样池都连接于包含于便携装置中的相关电路和/或光谱分析或光学分析工具。
14.权利要求11-13中任一项的设备组件，其中所述便携装置包含：
(a)用于测定炼油厂原料或炼油厂中间体或炼油厂工艺产品的沸点曲线的第一分析设备，和
(b)至少一个关联数据库和算法且能测量炼油厂原料或炼油厂工艺产品的至少一种物理或化学性质的进一步分析设备；
所述设备组件至少能测定炼油厂原料或炼油厂工艺产品的沸点曲线、总酸值(TAN)和密度。
15.权利要求14的设备组件，所述设备组件还能测定总碱值、冷流性质、粘度、研究法辛烷值、马达法辛烷值、十六烷值、发烟点、美国矿务局相关指数、折光率、电导率、硫含量、氮含量、镍含量和钒含量的至少一种。
16.权利要求11-15中任一项的设备组件，所述设备组件包含用于将流体分离为一种以上组分的工具和/或用于在分析所述组分和/或反应产物之前将流体转化为一种以上反应产物的工具。
17.权利要求11-16中任一项的设备组件，其中所述便携装置包含选自微型-蒸馏设备、微型-NIR光谱仪、微型-振荡设备和微型-GC的两个以上的分析设备。
18.权利要求17的设备组件，所述设备组件还包含额外的振荡传感器和电化学传感器。
19.权利要求11-18中任一项的设备组件，其中可使用包含于便携装置的加热和/或冷却工具对使用中的样品板的一个以上的部分进行加热和/或冷却。
20.权利要求11-19中任一项的设备组件，所述设备组件包含多个样品板。
21.权利要求20的设备组件，其中多个样品板的每一个都具有相同的构造。
22.权利要求20的设备组件，其中多个样品板包含两个以上不同类型的具有不同构造的板，每种类型的板的构造适于与特定的待分析流体或其组分或其反应产物一起使用。
23.一种用于分析流体或其组分或其反应产物的方法，所述方法包含使用权利要求11-22中任一项的设备组件进行分析。
24.权利要求23的方法，所述方法对炼油厂原料、炼油厂中间体或炼油厂工艺产品进行分析。
25.权利要求24的方法，其中分析结果至少包含所分析的流体或其组分或其反应产物的沸点曲线、密度和总酸值。
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