Studying fouling behavior of crude oil mixtures by mass spectrometry
Fouling zählt zu den größten, bislang ungelösten Problemen der Erdöl verarbeitenden Industrie. Durch das Ausfallen unerwünschter Nebenprodukte während der Förderung oder Raffinierung ergeben sich Effekte wie der Effizienzverlust von Wärmetauschern, das Vergiften von Katalysatoren, Verstopfungen von Pipelines oder allgemein eine verringerte thermische Stabilität. All dies kann zu weiteren Komplikationen, bis zur Stilllegung der gesamten Anlage führen. Seit schwere Öle (z.B. Schwerstöle und Schieferöle) vermehrt eingesetzt werden, treten derartige Probleme immer häufiger auf. Dies ist auf die erhöhten Anteile an Heteroatomen (N, O, S), Metallen (z.B. V, Fe, Ni) und Asphaltenen zurückzuführen, die für negative Auswirkungen bezüglich Fouling verantwortlich gemacht werden. Hauptproblem hinsichtlich der Bildung von Ablagerungen ist, dass die zu Grunde liegenden Reaktionsmechanismen, ebenso wie die involvierten Substanzen weitgehend unbekannt sind. Die Möglichkeiten, hierüber Erkenntnisse zu erlangen werden zum einen durch die Komplexität des Erdöls erschwert, welches mehrere Millionen chemisch verschiedener Komponenten enthält. Zum anderen kann eine Vielzahl an Reaktionswegen beteiligt sein, wie etwa Autoxidation, Polymerisierung oder thermische Zersetzung. Im Zuge dieser Arbeit wurde ein Reaktor entwickelt, mit dessen Hilfe Fouling im Labormaßstab simuliert werden kann. Hierin kann der Effekt verschiedener Parameter, wie Temperatur, Atmosphäre oder das Vorhandensein von Wasser, auf die Foulingrate zu untersuchen. Nach der erfolgreichen Simulation von Fouling anhand eines Gaskondensats wurden die erhaltenen Produkte mittels ultrahochauflösender Massenspektrometrie untersucht. Die Methode erlaubt durch die Möglichkeit, zu jedem Signal eine eindeutige Elementarzusammensetzung zu bestimmen, einen Blick auf die molekularen Details dieses komplexen Phänomens. Das Foulingverhalten verschiedener Stoffgruppen wurde–anhand des Heteroatomgehalts eingehend untersucht. Basierend auf diesen Resultaten konnte ein potentieller Foulingmechanismus gefunden werden. Dieser wurde anhand eines Foulingexperiments mit Referenzsubstanzen mit Hilfe von Tandem Massenspektrometrie verifiziert.