NO313436B1 - Anordning og fremgangsmåte for fluidprövetaking - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en anordning og fremgangsmåte for fluidprøvetaking.

Anordningen er egnet for mange anvendelser for styring av en utviklings-prosess eller karakterisering av fase-likevekter krever suksessive og distinkte fluidprøver, samtidig som virkningene av forurensingen på grunn av gjenværende dødvolumer i prøvekretsene.

Prøvetakingsanordningen ifølge oppfinnelsen kan for eksempel brukes til å ta fluidprøver innenfor rammen av olje- eller fluid-pyrolyser i lukkede reaktorer. For å være representative for utviklingen av naturlige bassenger, varer disse reaksjoner i flere dager eller til og med flere uker. Kinetikken ved slike reaksjoner kan oppnås på to måter.

Den første måte, beskrevet for eksempel av:

- Ungerer P. et al, 1998, i Kintetic Modelling of Oil Cracking, Org.

Geochem., 13, 857-868,

går ut på å utføre pyrolyser med økende varighet. Ved slutten av hvert av de suksessive eksperimenter, avsluttes kinetikken ved hjelp av et brått temperaturfall. Konversjonskoeffisientene og reaksjonshastighetene erverves således på forskjellige tidspunkter.

Den andre måte går ut på å utføre suksessive prøvetakinger i løpet av et enkelt eksperiment. I betraktning av pyrolysereaksjonenes varighet har denne måte den fordel at den totale ervervingstiden reduseres. Hele kinetikken kan oppnås med en enkelt handling, mens antall eksperimenter bør multipliseres med den første teknikk. Arbeidsmetoden gjennom prøvetaking gjør det også mulig å kontrollere at det reaktive medium alltid har den samme (varme- og derfor reaksjons-) historie i tid, hvilket ikke alltid er tilfelle når eksperimentene gjentas. På den annen side vil bruk av suksessive prøvetakinger kreve et større reaksjonsvolum for å sikre at summen av de forskjellige aliquoter som ekstraheres i tidens løp ikke vil føre til betydelige endringer i reaksjonssystemets arbeidsbetingelser. Vanske-ligheten med å praktisere denne fremgangsmåte ved høye trykk skyldes de betydelige dødvolumer som opptrer ved bruk av konvensjonelle nålventiler.

Fluidprøvetakingsanordningen ifølge oppfinnelsen som omfatter en prøve-takingscelle for oppsamling av fluid utformet med et innløpshull, er karakterisert ved at prøvetakingscellen er isolert ved hjelp av en varme-styreventil bestående av en plugg som er laget av et fast materiale som har lav smeltetemperatur og som er gjort gjennomtrengelig for fluidet ved temporær oppvarming.

Ifølge en foretrukket utføringsform, har pluggen som tetter innløpshullet laget av en eutektisk metallegering med stabil smeltetemperatur, for eksempel Woods-metall.

Ifølge en utføringsform omfatter anordningen en mellomcelle med en sentral kanal utstyrt med en plugg laget av nevnte faste materiale, som setter et innløp i forbindelse med en første ende og et utløp med dens motsatte ende, og egnet for å passe tett i prøvetakingscellens innløpshull, en innretning for å forbinde prøvetakingscellen med mellomcellen, et element tilknyttet tetningsinnretningen for å forbinde, ved mellomcellens innløp, et fint forbindelsesrør med en reaktor som produserer fluidet det skal tas prøve av.

Ifølge en utføringsform som er egnet for fluidprøvetaking under høyt trykk, er prøvetakingscellen utstyrt med en fin innløpskanal, idet tverrsnittet og lengden av denne innløpskanal og tverrsnittet og lengden til mellomcellens sentrale kanal velges slik at pluggene som dannes ved avkjøling av materialet, tetter mot fluid-prøven som er tatt.

Med uttrykkene "fint forbindelsesrør" og "fin innløpskanal" menes her og i det følgende et forbindelsesrør, henholdsvis en innløpskanal, med liten diameter.

Fremgangsmåten for bruk av anordningen ifølge oppfinnelsen omfatter:

- et prøvetakingscelle-trinn omfattende overføring av et visst volum av nevnte materiale i væsketilstand inn i cellen, suging av fluidet i cellen, overføring av materialvolumet inn i innløpet til cellen og avkjøling av dette slik at det dannes en avtettet plugg, og - et prøvetakingstrinn omfattende anbringelse av prøvetakingscellen i forbindelse med en beholder som inneholder fluid det skal tas prøve av, og temporær oppvarming av pluggen (som fører til at den smelter) for å gjøre den gjennomtrengelig for fluidet.

Ifølge en utføringsform omfatter fremgangsmåten videre et trinn med preparering av en mellomcelle for i denne å danne en andre fast plugg laget av samme materiale, idet prøvetakingen også omfatter kombinert oppvarming av den andre plugg for å gjøre den gjennomtrengelig for fluidet.

Fortrinnsvis benyttes et kapillarrør for å forbinde reaktoren med mellomcellen for derved å minimere dødvolumer.

Fluidampuller er følgelig tilgjengelig for påfølgende behandlinger. Det er ingen begrensninger med hensyn til oppbevaring av disse, og denne lagrings-metode muliggjør høy fleksibilitet under senere analyser. Konsekvensen av visse prøvetakingsmetoder er bruk av egnede analyseteknikker: i mange fluidanalyse-tilfeller, må spesielle kromatografi-injektorer anvendes. Prøvetakingsmetoden som beskrevet i det følgende, krever ingen justering av eksisterende føleranordninger, og alle de konvensjonelle anordninger kan benyttes.

En ventil av denne type har mange fordeler sammenlignet med konvensjonelle ventiler som anvendes i laboratorie-anordninger: - den er økonomisk samtidig som den gir perfekt avtetting. Den er meget enklere å installere enn en konvensjonell ventil. Dens enklere installering, sammen med dens lave pris, gjør det mulig å fremstille prøveampuller som eventuelt kan være ekspanderbare. En gruppe ampuller inneholdende fluidprøver som er representative for suksessive tidspunkter under en reaksjon spredd over et forholdsvis langt tidsrom, kan lett frembringes, og det blir derfor mulig å forenkle organiseringen av ervervingstrinnet samt behandling av data relatert til denne reaksjon, som kan vare i en kortere tid.

Denne ventiltypens karakteristika lar seg lett reprodusere, hvilket letter sammenligninger mellom suksessive fluidprøver. Med denne ventiltypen blir det også mulig å minske dødvolumene til meget lite, slik at det etterlates betydelige spor og de suksessive prøver er fullstendig uavhengig av hverandre.

Straks prøvetakingen er utført, kan prøvetakingscellen fjernes, idet mellomcellen med dens stivnede «varme ventil» på tettende måte isolerer reaksjonskammeret, og en ny fluid-gjenvinningscelle kan innsettes for en ny prøvetakingsopera-sjon.

Andre trekk og fordeler med fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, vil frem-gå av den følgende beskrivelse av et eksempel egnet for prøvetaking av fluid-prøver under meget høyt trykk, med henvisning til de medfølgende tegninger hvor: Figur 1 skjematisk viser anordningen med dens forskjellige deler i delvis uttrukket stilling, Figur 2 er en tabell over forskjellige legeringer, med deres sammensetning og deres smeltetemperatur, som kan brukes for å utgjøre varmevirkning-ventilen som benyttes i foreliggende anordning, Figur 3 viser en endeplugg som brukes i prepareringstrinnet forut for prøve-taking, og Figur 4a, 4b, 4c, 4d viser forskjellige nødvendige operasjoner for preparering av en prøvetakingscelle.

Prøvetakingscellen 1 omfatter (fig. 1) en fin, sentral innløpskanal 2 som ender i en vidhalset ende 3 og en rørformet forlengelse 4 hvis tverrsnitt er større enn tverrsnittet til den sentrale kanal 2, og som danner et innløpshulrom 5.

Hver fluidprøve blir tatt ved hjelp av en mellomcelle 6 gjennom hvilken det strekker seg en fin, langsgående kanal 7. Ved en første ende munner den fine kanal 7, gjennom en bredhalset ende 8, inn i en rørforlengelse 9 som danner et innløpshulrom 10. Et lekkasjehull 11 er radialt anordnet gjennom rørforlengelsens 9 vegg. Ved den motsatte ende er mellomcellen 6 forlenget med en avfaset tut 12 som ved bruk passer trangt inn i prøvetakingscellens 1 bredhalsete ende 3, for derved å opprette en kontinuitet mellom kanalene 2 og 7 i cellene 1 og 6. En ringformet tetningsforbindelse 13 hvis tverrsnitt er tilpasset tverrsnittet til prøvetakings-cellens 1 innløpshulrom 5, er tilknyttet tuten 12.

Fluid som skal overføres til mellomcellen 6 strømmer inn gjennom et forbin-delseselement 14 i hvilket et (for eksempel 0,2 mm innvendig diameter) kapillarrør 15 forbundet med en høytrykksbeholder (eller celle) 17 inneholdende fluidet det skal tas prøve av, er innført. Et filter 18 laget av for eksempel sinderet metall, anbringes ved innløpet til kapillarrøret (for eksempel i beholderen 17) for å tilbake-holde faste partikler som vil kunne blande seg med fluidet det skal tas prøve av. Forbindelsesstykkets 14 andre ende slutter i et punkt 19 som ved bruk passer trangt inn i den bredhalsete ende 8. En ringformet kobling 20 muliggjør en tett forbindelse mellom forbindelsesstykket 14 og innløpshulrommet 10.

Lukking av de fine kanalene 2 og 7 i cellene 1 og 6 foregår ved hjelp av «varmevirkningsventiler», i dette tilfellet pluggene 21 som er laget av et stoff med lavt smeltepunkt, hvis karakteristika er egnet for den tilsiktede anvendelse.

Ved slike anvendelser hvor det skal tas gassprøver ved meget høye trykk som kan nå 100 MPa, benyttes fortrinnsvis et metall med lavt smeltepunkt, i fast form, for å danne disse avtettede «varmelåser» mellom det reaktive medium (høytrykkscellen 17) og prøvetakingssonen (cellene 1 og 6). Under prøvetaking, bringes det faste metall til sitt smeltepunkt, og det reaktive fluid kan så strømme gjennom søylen av flytende metall og migrere til prøvetakingssonen (prøve-takingscellen 1). Når prøven er tatt, avkjøles metallet og størkner for derved å inneslutte fluidet.

Metallet som anvendes i anordningen må ha et tilstrekkelig lavt smeltepunkt, slik at det hurtig kan nås. Overgangen mellom flytende og fast tilstand må skje ved en gitt temperatur. Det er således mulig å benytte et rent stoff eller legeringer, men sistnevnte må ha en eutektisk struktur.

Som vist i figur 2 kan forskjellige typer av eutektiske legeringer basert på tinn, bismut, bly og kadmium velges, ved forskjellige smeltetemperaturer i henhold til andelene av de forskjellige metall-bestanddeler.

Når det gjelder temperaturen til reaksjonsmediet og til prøvetakingssystem-ets omgivelser, er det tilrådelig å ta den høyest mulige temperatur som er forenlig med prøve-stabiliteten, og således hindre utilsiktet smelting av metallet. For normaltemperaturforhold anvendes for eksempel metallet kjent som Woods metall, som er en legering av bismut, bly, tinn og kadmium og som har et smeltepunkt på 70°C.

Noe av det mest interessante ved disse legeringer, er at de ekspanderer når de avkjøles, særlig ved høyt bismutinnhold. Vanligvis, når bismutinnholdet er over 55%, ekspanderer legeringene, og hvis dette innhold faller under 48%, krym-per de. Det er nesten ingen volumforandring mellom disse to verdier. Dette gjelder særlig Woods metall hvis volum forblir stabilt når det avkjøles, hvilket hindrer en-hver mulighet for lekkasje av fluidet som er innesluttet i prøvetakingscellen.

Cellenes 1 og 6 vegg er selvsagt mer eller mindre tykk avhengig av trykket i prøvene som blir tatt, og deres volum er også tilpasset til volumet av prøvene som blir tatt.

Den ovenfor beskrevne enhet utgjør prøvetakingsanordningen. Realiserin-gen av denne krever også forskjellige plugger som vil tjene til innføring av legerin-gen og eventuelt i tilfelle av en fluidlekkasje. Alle disse blokkeringselementer omfatter (figur 3) en første plugg 22 som passer til innløpshulrommet 5 i prøve-takingscellen, også utformet med en tut 23 som er beregnet på å komme i kontakt med bunnen av det bredhalsete parti 3. Pluggen krysses av en bøyd kanalåpning inn i spissen på tuten 23, som virker til å sette prøvetakingscellens 1 sentrale kanal 2 i forbindelse med en evakueringsinnretning 25 ved hjelp av en ventil 24 som forklart i det følgende.

Preparering av prøvetakingsanordningen

Et trinn ved prepareringen av cellene 1 og 6 utføres forut for prøvetakings-operasjonene.

Åpningen ved enden av tuten 12 ved mellomcellens 6 ene ende lukkes, og den sentrale kanal (som vist i figur 2) fylles med metall som bringes til sitt smeltepunkt. Temmelig sakte avkjøling gjør at det dannes en metallisk plugg av høy kvalitet samtidig som man unngår mekaniske spenninger.

Prøvetakingscellen prepareres som følger. Med celleåpningen vendt oppad, helles det inn et volum av flytendegjort metall mens det er varmt (figur 4a) og det samler seg på bunnen. Celleåpningen blir deretter dekket med pluggen ifølge figur 3 og den settes gjennom åpningen i ventilen 24 i forbindelse med en vannpumpe (ikke vist) for å tømme den (figur 4b). Mens ventilen 24 er lukket, vendes cellen 1 opp/ned og hele cellen bringes til smeltepunktet, slik at metallet samler seg ved bunnen (fig 4c). Deretter er det bare nødvendig å avkjøle metallet for å bringe det til å størkne, og prøvetakingscellen er således avtettet etter at pluggen 22 er blitt fjernet (figur 4d).

Sammenstilling av anordningen

Anordningen sammenstilles på følgende måte:

a) først forbindes kapillarrøret 15 med reaksjonscellen 17,

b) vinkelrøret 14 tilknyttet koblingen 20 innpasses i huset 8, 10 ved bunnen av

mellomcellen 6, for derved å opprette en kontinuitet mellom avfaset spiss 19 og

sentral kanal 7 lukket ved hjelp av metallplugg 21, og

c) øvre tut 12 og dens tilhørende forbindelsel 3 blir likeledes innpasset i huset 3, 5 også for å opprette en kontinuitet mellom cellenes 1, 6 metallplugger.

Prøvetaking

Den utføres på følgende måte:

- Mellomcellen 6 og prøvetakingscellen 1 bringes til smeltepunktet. Metallet smelter i kanalene 2 og 7, hvilket gjør den gjennomtrengelig for fluidet under trykk fra reaktoren 17. Fluidet stiger gjennom søylen av flytendegjort metall og samler seg i prøvetakingscellen. - Når prøvetakingen er fullført, blir metallet gradvis avkjølt fra enden av kapillar-røret 15 som er nærmest reaktoren 17 opp til prøvetakingscellen 1, slik at metallpluggen som dannes igjen er fullstendig tett. - Det er nå bare nødvendig å demontere forbindelsen 13, og den metalliske forbindelse som kan være dannet må bare brytes for å frigjøre prøvetakingscellen 1. Reaksjonskammeret 17 er isolert ved hjelp av den avkjølte «varmeventil» av mellomcelle 6. Reaksjons-kinetikken kan stoppes ved bråkjøling. - En ny prøvetakingscelle kan så kobles til mellomcellen 6 for å utføre en ny prøvetakingsoperasjon.

Bruken av et kapillarrør 15 gjør det mulig å redusere prøvevolumet. Det ut-føres ingen drenering, fluidet som finnes i kapillarrøret, som har en varmehistorie som er forskjellig fra varmehistorien til fluidet i reaktoren, gjenvinnes, men dets volum er ubetydelig i forhold til prøvevolumet.

Prøvetakingsanordningens dimensioneringsmetodikk

Dimensjonering av anordningen krever definering av minimumsdiameteren til rørene som skal fylles med metall. Den nødvendige høyde av metallpluggen som virker som en tetning for systemet under trykk som betraktes, må også bestemmes.

Preliminære eksperimenter med rør av forskjellige diametere må derfor ut-føres for å bestemme minimumsdiameteren, for å sikre passasje av fluidet gjennom søylene av smeltet metall for forskjellige diametere, fordi at dersom diameteren er for liten, vil kapillarkreftene hindre oppstigning av fluiddråpene eller-bob-lene.

Straks diameteren er valgt, må høyden av metall som er nødvendig for reaktorens maksimumstrykk bestemmes. Denne parameter kan estimeres ved hjelp av numerisk-mekaniske motstandssimuleringer og kontrolleres ved hjelp av tester.

Varianter

Det er også mulig å bruke, for andre anvendelser hvor trykket er meget lavere, en varmeventil under anvendelse av andre materialer enn de som eksempel nevnte, eller en prøvetakingscelle av hvilken som helst form med et annerledes dimensjonert innløp som kan motta fluidprøver uten at det er nødvendig med noen mellomcelle.

Claims (8)

1. Anordning for fluidprøvetaking omfattende en prøvetakingscelle for oppsamling av et fluid, utformet med et innløpshull, karakterisert ved at prøvetakingscellen (1) er isolert ved hjelp av en varme-styreventil bestående av en plugg (21) som er laget av et fast materiale som har lav smeltetemperatur og som er gjort gjennomtrengelig for fluidet ved temporær oppvarming.

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at pluggen (21) som tetter innløpshullet er laget av en eutektisk metallegering med stabil smeltetemperatur.

3. Anordning ifølge det foregående krav, karakterisert ved at metallegeringen er Woods metall.

4. Anordning som angitt i et av de foregående krav, karakterisert v e d at den omfatter en mellomcelle (6) med en sentral kanal (7) utstyrt med en plugg (21) laget av nevnte faste materiale, som kommuniserer med et innløp (8, 10) til en første ende og et utløp (12) til den motsatte ende, og egnet for trang innpassing i prøvetakingscellens (1) innløpshull (3, 5), en innretning (13) for å forbinde prøvetakingscellen med mellomcellen (6), et element (14) som er tilknyttet en tetningsinnretning (20) for, ved mellomcellens (6) innløp (8,10), å tilkoble et forbindelsesrør med liten diameter til en reaktor (17) som produserer fluidet som det skal tas prøve av.

5. Anordning ifølge ett av de foregående krav, egnet for prøvetaking av fluider under høyt trykk, karakterisert ved at prøvetakingscellen er utformet med en innløpskanal (2) med liten diameter, idet tverrsnittet og lengden av denne innløpskanal (2) og av mellomcellens (6) sentrale kanal (7) er slik valgt at pluggen (21) som dannes ved avkjøling av materialet tetter mot fluidet det er tatt prøve av.

6. Fremgangsmåte for realisering av anordningen som angitt i et av de foregående krav, karakterisert ved at den omfatter: - et prøvetakingscelle (l)-prepareringstrinn innbefattende overføring, i nevnte celle, av et visst volum av materialet i væsketilstand, suging av fluidet som er opp-tatt i cellen, overføring av materialvolumet til innløpet av cellen og avkjøling av dette for derved å danne en første tettet plugg (2), og - et prøvetakingstrinn omfattende anbringelse av prøvetakingscellen i forbindelse med en reaktor som produserer fluid og temporær oppvarming av pluggen for å gjøre den gjennomtrengelig for fluidet.

7. Fremgangsmåte som angitt i det foregående krav, karakterisert v e d at den videre omfatter et trinn med preparering av en mellomcelle (6) for i denne å danne en andre fastplugg (7) laget av nevnte materiale, prøvetaking av prøven også omfattende kombinert oppvarming av den andre plugg (7) for derved å gjøre den gjennomtrengelig for fluidet.

8. Fremgangsmåte som angitt i det foregående krav, karakterisert v e d at den omfatter bruk av et kapillarrør for å forbinde reaktoren med mellomcellen for å minimere dødvolumer.