This research study determines the potential to increase substantially the anisotropy of a coke from an aliphatic Waxy Oil produced by Sasol Synfuels at Secunda, South Africa. Experimental modifications included filtration, distillation and thermal treatment, followed by distillation with the aim of producing a carbonised product similar to needle coke. The substantial concentration of an iron oxide catalyst (up to 2%) in Waxy Oil is increased by an order of magnitude upon carbonisation and calcination due to low coke yield and reactivity factors. The catalyst also promotes oxidative polymerisation of the residue, acts as a barrier to mesophase formation and promotes multi-phase graphitisation. Filtration of Waxy Oil using a 0.5 ìm sintered metal filter reduces the ash content to 0.006% and increases the anisotropy of the carbonised product to 54% flow domains compared with 22% for the carbonised product of virgin Waxy Oil. Thermal treatment followed by distillation of Waxy Oil reduces the effect of organic reactivity promoters (mainly multi-alkylated aliphatics/aromatics and oxygenates), while increasing the concentration of thermally stable (C18 to C30) normal alkanes to 85% compared with 38% in the filtered Waxy Oil. Compared with the filtered Waxy Oil, thermally stabilised Waxy Oil reduces the amount of the pre-carbonisation residue (from 98.7 to 43.0%), while “static” carbonisation thereof increases the green coke yield (from 19.8 to 36.3%) and increases the anisotropicity (from 54 to 100% flow domains). The carbonisation mechanism of filtered and thermally treated Waxy Oil involves initial cracking of high molecular weight normal alkanes (C18 to C30), thus concentrating the molecular weight of normal alkanes (C18 to C22). This is followed by a slow cyclisation step involving both self condensation and cyclo addition reactions to form two- to six-ring cyclo-alkanes or hydro-aromatics. The hydro-aromatics are dehydrogenated rapidly to form methyl and di-methyl three- to six-ring substituted aromatics. Further thermal degradation dealkylates these molecules to form stable four- to six-ring “pre-mesogens”. The mesospheres are nucleated from the isotropic matrix and grow to more than 0.050 mm in diameter, with a volume of 2.61 x 10-3 mm3. Subsequent coalescence of the mesospheres produces mesospheres with diameters of over 0.200 mm and volumes of 41.82 x 10-3 mm3. The resultant microstructure of the solid carbon is composed of flow domains more than 400 ìm in length. Although needle cokes have historically been produced from aromatic residues, this research is the first to show that a coke with a similar microstructure can be produced from a totally aliphatic residue. The research thus provides potential for the development of a needle coke from a totally unique Waxy Oil residue with negligible sulphur (< 0.008%) and nitrogen (< 0.09%) contents. This is the first academic study of the chemistry of Waxy Oil. / Thesis (PhD)--University of Pretoria, 2011. / Chemical Engineering / unrestricted

Le transport des bruts paraffiniques, et tout particulièrement leur remise en écoulement après un arrêt, dans de longues conduites sous-marines soumises à de basses températures, peut être difficile du fait de l'augmentation de leur viscosité. Le comportement rhéologique d´une huile paraffinique modèle, possédant des propriétés macroscopiques d'écoulement analogues à celles des bruts paraffiniques, est d'abord analysé en utilisant la vélocimétrie par imagerie par résonance magnétique associée à des mesures de contrainte de cisaillement au sein d'une géométrie Couette. Nous montrons que lors d'un écoulement forcé à température constante le matériau subit une déstructuration irréversible qui dépend de l'intensité du cisaillement. Ainsi la contrainte apparente critique permettant l'écoulement du matériau dépend de l'histoire thermique et d'écoulement subie par le matériau. Nous étudions ensuite le comportement rhéologique complet de deux bruts réels à partir de différents types de tests rhéométriques (fluages, redémarrage, régime permanent, changement brusque de vitesse) pour différentes histoires d'écoulement, notamment pendant la période de refroidissement. Le comportement détaillé du matériau en régime transitoire ainsi observé peut alors être modélisé. De plus les variations du seuil de contrainte en fonction de l'histoire thermique et de l'écoulement sont aussi décrites, ce qui nous donne le champ de contrainte seuil dans la conduite à l'état initial. Le modèle dans son ensemble est finalement implémenté dans un code de calcul pour simuler le redémarrage de l´écoulement d'un brut paraffinique dans une conduite réelle / Transporting waxy crude oils through long pipelines at low temperatures may be challenging, particularly its flow restart after a pipeline shut-in, due to its viscosity increase. The rheological behavior of a model waxy oil with macroscopic flow properties analogous to waxy crude oils is first analyzed using Magnetic Resonance Imaging velocimetry associated to stress measurements in a Couette geometry. While flowing at constant temperature, major irreversible structure break depending on shear intensity are observed. Thus, the critical apparent shear stress beyond which the material flows depends on the thermal and flow histories of the oil. Next, the rheological behavior of two waxy crude oils is studied using rheometrical tests (creep tests, flow restarts, abrupt changes of shear rate and steady flow) after different flow histories, notably during the cooling process. Then, those experimentally observed trends are modeled. Additionally, a comprehensive study of the yield stress in function of flow and temperature histories is presented. It provides an approach for describing the yield stress field inside the pipeline at the flow restart moment. Finally, the entire rheological model is implemented in the computational code for simulating waxy crude oils flow restart of a real scale pipeline

Le transport des bruts paraffiniques, et tout particulièrement leur remise en écoulement après un arrêt, dans de longues conduites sous-marines soumises à de basses températures, peut être difficile du fait de l'augmentation de leur viscosité. Le comportement rhéologique d´une huile paraffinique modèle, possédant des propriétés macroscopiques d'écoulement analogues à celles des bruts paraffiniques, est d'abord analysé en utilisant la vélocimétrie par imagerie par résonance magnétique associée à des mesures de contrainte de cisaillement au sein d'une géométrie Couette. Nous montrons que lors d'un écoulement forcé à température constante le matériau subit une déstructuration irréversible qui dépend de l'intensité du cisaillement. Ainsi la contrainte apparente critique permettant l'écoulement du matériau dépend de l'histoire thermique et d'écoulement subie par le matériau. Nous étudions ensuite le comportement rhéologique complet de deux bruts réels à partir de différents types de tests rhéométriques (fluages, redémarrage, régime permanent, changement brusque de vitesse) pour différentes histoires d'écoulement, notamment pendant la période de refroidissement. Le comportement détaillé du matériau en régime transitoire ainsi observé peut alors être modélisé. De plus les variations du seuil de contrainte en fonction de l'histoire thermique et de l'écoulement sont aussi décrites, ce qui nous donne le champ de contrainte seuil dans la conduite à l'état initial. Le modèle dans son ensemble est finalement implémenté dans un code de calcul pour simuler le redémarrage de l´écoulement d'un brut paraffinique dans une conduite réelle / Transporting waxy crude oils through long pipelines at low temperatures may be challenging, particularly its flow restart after a pipeline shut-in, due to its viscosity increase. The rheological behavior of a model waxy oil with macroscopic flow properties analogous to waxy crude oils is first analyzed using Magnetic Resonance Imaging velocimetry associated to stress measurements in a Couette geometry. While flowing at constant temperature, major irreversible structure break depending on shear intensity are observed. Thus, the critical apparent shear stress beyond which the material flows depends on the thermal and flow histories of the oil. Next, the rheological behavior of two waxy crude oils is studied using rheometrical tests (creep tests, flow restarts, abrupt changes of shear rate and steady flow) after different flow histories, notably during the cooling process. Then, those experimentally observed trends are modeled. Additionally, a comprehensive study of the yield stress in function of flow and temperature histories is presented. It provides an approach for describing the yield stress field inside the pipeline at the flow restart moment. Finally, the entire rheological model is implemented in the computational code for simulating waxy crude oils flow restart of a real scale pipeline