Способ идентификации нефти и нефтепродуктов

 

СПОСОБ ВДЕНТИФИКАЦИИ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ, оЬнованный на лазерном возбуждении пробы, регистрации характеристик люминесценции и их сравнении со спектрами эталонов, о тличающийся тем, что, с целью повьшения точности способа путем обеспечения возможности измерения спектров испускания, входящиз в нефть или нефтепродукты фракцией:, длительность импульса излучения лазера выбирают меньшей времени жиэнв возбужденного состояния пробы, регистрируют мгновенные спектры флуоресценции через ряд временных интервалов и по характеру их изменения во времени определяют сорт нефтч или нефтепродуктов. ,нн ftui.f

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

09) (И) 2943 А зш С 01 N 21/64

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ//! ф

В

Й ф;.;, 1

Ь

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

AO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3540034/18-25 (22) 18. 01. 83 (46) 07.11.84. Бюл. tl- 41 (72) Н.А. Немкович, А.Н. Рубинов и В.И. Томин (71) Ордена Трудового Красного Знамени институт физики АН Белорусской ССР (53) 535.3(088.8) (56) 1. Houston W. et al. Induced

Fluorescence and Environ mental sensing. In the book: The use of Laser

for Hudrographic studus. NASA, БР-375, р 1 53- 1 70 °

2. Оменетто Н. Аналитическая лазерная.спектроскопия. М., "Мнр", 1982, с. 427. (54) (») СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ НЕФТИ

И НЕФТЕПРОДУКТОВ, основанный на лазерном возбуждении пробы, регистрации характеристик люминесценции и их сравнении со спектрами эталонов, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности способа путем обеспечения возможности измерения спектров испускания, входящиМ в нефть или нефтепродукты фракций:, длительность импульса излучения лазера выбирают меньшей времени жизни возбужденного состояния пробы, регистрируют мгновенные спектры флуоресценции через ряд временных интерва« лов и по характеру их изменения во Я времени определяют сорт нефти или нефтепродуктов.

1 112

Изобретение относится к спектроскопии и касается проблемы охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов, может быть использовано при разработ. — 5 ке лазерных лидаров и исследованиях нефти и нефтепродуктов безконтактным путем на поверхности воды.

Известен способ идентификации нефти и нефтепродуктов, основанный на 1О возбуждении их свечения и измерении зависимости длительности затухания люминесценции по спектру (1) .

Недостатком данного способа является его низкая точность, обусловленная тем, что многие сорта нефти и нефтепродуктов обладают практически одинаковыми зависимостями длительности затухания люминесценции по спектру. Кроме того, для тяжелых сор- gg тов нефти технически сложно измерить длительность затухания люминесценции, которая в этом случае меньше 1 нс, Наиболее близким к изобретению по технической сущности является спо 2S соб идентификации нефти и нефтепродуктов, основанный на возбуждении свечения и регистрации стационарного. спектра люминесценции, по форме и положению максимума которого нефть или неф-3О тепродукты можно классифицировать по удельному весу на три класса: легкие фракции, фракции со средним удельным весом и тяжелые фракции )2) .

К недостатку известного способа относится низкая точность, связанная с невозможностью идентификации сортов внутри каждого иэ трех перечисленных классов, а также анализу смеси нефти

40 и нефтяных продуктов.

Целью изобретения является повышение точности идентификации нефти и нефтепродуктов, Поставленная цель достигается тем,45 что согласно способу определения сорта нефти и нефтепродуктов, основанному на лазерном возбуждении пробы, регистрации характеристик люминесценции и их срав (ении со спектрами эталонов,5О длительность импульса излучения лазера выбирают меньшей времени жизни возбужденного состояния пробы, регистрируют мгновенные спектры флуоресценции через ряд временных интервалов и по характеру их изменения во времени определяют сорт нефти или нефтепродук.тов.

2943 1

Сущность способа заключается в сле дующем.

Пусть имеется два сорта нефти А и В с одинаковыми спектрами испускания. Оба сорта содержат и компонент с индивидуальными спектрами флуоресЪФ ценции и временами жизни. Если мы регистрируем, например, свечение нефти на синем (или красном) склоне спектра, то преимущественно вклад в него дает флуоресценция i-й компоненты, закон затухания которой описыва- ется следующим образом

XA(t) = Х,exp(-t/3„ ) для соРта А3

X (t) = I exp(-t/ü, ) для сорта В, nial где tA >- времена жизни флуоресценции

i-й компоненты сортов А и В. Если л! лл разница между ь и ьв лежит в пределах точности измерения (обычно это 107), то, зарегистрировав"ь „ и "ь, нельзя выявить отличие в свечении обоих сортов, т.е. идентифицировать их. Когда мы регистрируем мгновенные спектры исйускания — спектры флуоресценции в фиксированный момент времени, различие между мгновенными спектрами испускания (из-за отличия 2д и ", т.е, скорости затухания свечения сорта

А и В) со временем увеличивается.и достигает значительной величины, легко измеряемой. В случае ь = 3 нс ио - "3,2 нс при одинаковой начальУ

4 8 ной амплитуде (Х„ = 1 „ = 1),) интенсивности в максимуме мгновенных спектров испускания составляет при

t=2нс

X A (t = 2 нс) = ехр (-2/3) = 0 514;

Z > (t = 2 нс) = ехр(-2/3,2) = 0,535 и отличаются на 4Х, в момент t =

= 20 нс XA (t 20 нс) = ехр(-20/3)

= 0,00127;

Й > (t = 20 нс) = ехр(-20/3,2)

= 0,00193 и отличается на 527.

Такое существенное изменение в соотношении интенсивностей мгновенных спектров испускания легко регистрируется и позволяет идентифицировать сорт нефти. Анализ ведется по интенсивности свечения в максимуме мгновенного спектра испускания. Кроме того, информацию о сорте нефти несет и деформация во времени контура спектра испускания.

Пример. Исследованы образцы нефти и ее продуктов: нефть "Самот1 l 22943

ЗО

3 лора" (1), нефть "Новопортовская" скважина 1Ф 108 (2), нефть "Русская" скважина У 16 (3), нефть "Батумская" (4), уфимское масло ГОС 305-73 (5)9 дизельное топливо "40" плотность

0,826, вспышка 48 С (6).

На фиг. 1 представлены стационарные спектры флуоресценции указанных образцов в гексане (обозначены спектры для образцов соответственно 1-6), 10

Они разделяются на два класса: очень широкие с максимумом около 400 нм и полушириной 50 нм (образцы 1-4) и более узкие (Ь%-40 нм) с максимумом около 330 нм (образцы 5-6). 15

В таблице приведены зависимости времени жизни возбужденного состояния образцов нефтяных продуктов в гексане по спектру испускания.

Из таблицы .видно, что изменение 20 ь составляет 3,2 нс для образцов нефти 1-4 в диапазоне 350-550 нм, 1,83 нс для Уфимского масла в диапазоне 310-380 нм и 1,4 нс для дизельного топлива в таком же спектральном 25 интервале. Из результатов, представленных на фиг. 1 и в таблице, следует, что с помощью стационарных спектров в измерении по спектру можно идентифицировать образцы по двум классам: 5-6 и ",-4, Однако образцы внутри класса (например 2-4) ни по спектрам испускания, ни по зависимости ь от Ъ практически не отличаются.

На фиг. 2 изображена блок-схема установки для измерения мгновенных спектров флуоресценции. Она состоит из двух основных частей (ограничен.ных пунктирными линиями) возбужда- 4о ющей А и регистрирующей В, между которыми расположена кювета с исследуемым объектом 7. Возбуждающая часть включает азотный лазер 8 (Р „„ =

= 0,5 МВг, f><> 150 Гц, „ 2 нс) 45

< и лазер 9 на красителях (ширйна линии излучения йЪ = 0,5 A AT = 360850 нм). Регистрирующая часть содержит монохроматор 10 (дисперсия

12 А (му), монохроматор 11 (диспер- 5О сия 12 А (мм), ФЭУ 12 (18 элу-фм, временное разрешение 0,7 нс), электрическую задержку 13 (50 нс), стробоскопический осциллограф 14 (С7-8, полосы пропускания 1 Ггц), дискрими- 55 натор 15 шума, самописец 16 (К-201), кварцевую пластинку 17 и фотоэлемент

18 (ФЭК-16) .

Система работает следующим образам.

Фотоумножитель 12 регистрирует световой сигнал с исследуемого объекта 7 в спектральной области, выделяемой дифракционным монохроматором 11.

Электрический сигнал с фотоумножителя 12 через задержку поступает на вход стробоскопического осциллографа 14. Аналоговый электрический сигнал с выхода стробоскопического осциллографа 14 подвергается фильтрации от шума при прохождении через дискриминатор 15 и затеи записывается на электронном однокоординатном самописце 16. Часть излучения с помощью пластинки 17 ответвляется на фотоэлемент, сигнал с которого поступает на вход синхронизации осциллографа 14. При регистрации мгновенных спектров флуоресценции осциллограф 14 измеряет амплитуду сигнала в фиксированный момент времени, а монохроматор 11 работает в режиме автоматической развертки длин волн °

На фиг. 3 приведены зарегистрированные с помощью описанной установки мгновенные спектры флуоресценции образцов 2 и 3 (штриховая линия). Спектры 19 и 21 зарегистрированы через 2.нс после возбуждения, а 20 и 22 — через

8 нс. Видно, что мгновенные спектры

19, 21 и 20, 22 обоих образцов существенно отличаются, хотя их стационарные спектры испускания идентичны (фиг. 1). Исследования, проведенные на экспериментальных образцах, показали, что для них характерно строго индивидуальное изменение мгновенных спектров во времени. Поэтому путем измерения кинетики спектров испускания и сравнением полученных мгновенных спектров с заранее зарегистрированным набором (атласом) таких же спектров различных сортов нефти и нефтепродуктов можно определять сорт нефти, нефтепродукта или их смеси. При этом можно ввести такие количественные параметры, как смещение максимума спектра во времени, изменение соотношения интенсивностей основного и дополнительного максимума или интенсивностей свечения на определенной частоте. При использовании ЭВМ анализ зарегистрированных мгновенных спектров и идентификация объектов осуществляется очень оперативно.

Таким образом, предлагаемый способ может с успехом применяться для

1122943 определения сорта нефти и нефтепро1 дукта, анализа их смеси, По сравнению с известным способом точность идентификации нефти предла) /Ъ

Я у нм 7 р,ер,, нм 1, нс

Образцы

Нефть "Самотлора"

337

350

2,73

280

380

3,87

337

400

3,24

337

550

5,40

350

337

2,69

400

337

3,38

460

337

4„39

337

550

5,67

337

350

2,7.9

337

400

3,64

550

337

5,96

Нефть "Батумская"

337

350

2,69

400

337

Зъ 67

337

550

5,98

28,0

310

3,49

330

280

4,92

280

380

5,32

280

310

3,40

280

330

3,87

280

380

4,44

Нефть "Новопортовская". скв. № 108

Нефть "Русская" скв. ¹ 16

Уфимское масло ГОС 530-73 дизельное топливо "40"

I гаемым способом в случае, когда стационарные спектры образцов и изменение времени жизни по спектру совпадают, увеличивается на 1007.

1122943

Фиг.2

1122943

Составитель Б. Широков

Редактор В. Иванова Техред А.Бабинец Корректор М. Максимишинец

Заказ 8129/35 Тираж 822 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4