郭愛軍，孫漢華，郭凱黎，沐寶泉，劉 東，王宗賢

（中國石油大學(xué)（華東）化學(xué)工程學(xué)院重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266580）

隨著采出原油重質(zhì)化與社會對輕質(zhì)油品需求量增大之間矛盾的深化[1]，促使我們增加這方面的教學(xué)內(nèi)容。教育部文件《關(guān)于進(jìn)一步深化本科教學(xué)改革全面提高教學(xué)質(zhì)量的若干意見》（教高[2007]2號）明確提出，“要高度重視實(shí)踐環(huán)節(jié)，提高學(xué)生實(shí)踐能力”、“推進(jìn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ礁母锖蛣?chuàng)新，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動手能力、分析問題和解決問題能力”[2]。

延遲焦化工藝是渣油輕質(zhì)化的重要手段，越來越受到國內(nèi)外石油加工企業(yè)的重視[3－4]。為提高延遲焦化處理能力，需要抑制反應(yīng)過程中的油氣發(fā)泡、降低泡沫層高度。為此，在工業(yè)生產(chǎn)中大都采用消泡劑加注技術(shù)，使泡沫層保持在一定高度，擴(kuò)大焦炭塔空高[5－8]。最近有學(xué)者借助普通玻璃儀器開發(fā)了常溫動態(tài)抑泡性能評價裝置，評價所開發(fā)消泡劑的相關(guān)性能[9－10]，但是在模擬高溫焦化反應(yīng)過程時的仿真度還有待提高。有學(xué)者采用不銹鋼反應(yīng)器及錫浴加熱方式考察了油品的高溫起泡性能，通過調(diào)節(jié)反應(yīng)器內(nèi)油樣高度的方法測定泡沫層高度[11]，但實(shí)驗(yàn)誤差較大，也不能實(shí)時可視地監(jiān)測反應(yīng)過程中的泡沫層情況。

因此，構(gòu)建基于實(shí)驗(yàn)室條件就能有效測試評價原油渣油在焦化過程中的起泡性能的實(shí)驗(yàn)裝置十分必要。該實(shí)驗(yàn)裝置的自行研制，在促進(jìn)特色、創(chuàng)新教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)的同時，還能促進(jìn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)和科研項(xiàng)目的完成[12]，具有明顯的先進(jìn)性、及時性和經(jīng)濟(jì)性[13]。為確定延遲焦化各操作條件（如溫度、線速、注氣和各種助劑）對渣油焦化起泡性能的影響提供定量數(shù)據(jù)評估，并為培養(yǎng)高素質(zhì)人才提供載體。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和操作方法

如圖1所示，本實(shí)驗(yàn)裝置由可視反應(yīng)系統(tǒng)和預(yù)熱／燒焦?fàn)t組成?？梢暦磻?yīng)系統(tǒng)由可視反應(yīng)釜、多段控溫可視反應(yīng)裝置、溫度控制器、注氣裝置等組成，可視反應(yīng)釜為透明管式結(jié)構(gòu)，位于多段控溫可視反應(yīng)裝置內(nèi)。多段控溫可視反應(yīng)裝置壁上設(shè)有可視窗，內(nèi)壁上設(shè)有加熱設(shè)施，外壁上設(shè)有保溫層。注氣裝置的連接管穿過可視反應(yīng)釜上端、深入可視反應(yīng)釜內(nèi)底部。預(yù)熱／燒焦?fàn)t的內(nèi)壁上設(shè)有加熱設(shè)施，外壁上設(shè)有保溫層。多段控溫可視反應(yīng)裝置和預(yù)熱／燒焦?fàn)t設(shè)有加熱設(shè)施與溫度控制器連接；5根熱電偶分別設(shè)置在預(yù)熱／燒焦?fàn)t和多段控溫可視反應(yīng)裝置內(nèi)各段，同時與溫度控制器連接；流量計設(shè)置在注氣裝置的連接管上。

圖1 原油渣油焦化起泡性能測試實(shí)驗(yàn)裝置工作原理示意圖

將原油渣油加入可視反應(yīng)釜后，先在預(yù)熱爐中加熱到一定溫度，然后轉(zhuǎn)入設(shè)定好各段溫度的多段控溫可視反應(yīng)裝置中進(jìn)行反應(yīng)，觀察記錄反應(yīng)中泡沫層變化情況，焦化餾分油經(jīng)冷凝接收裝置收集，尾氣由尾氣吸收裝置凈化后排空。測試的操作過程如下：

（1）在可視反應(yīng)釜中裝入一定量的樣品，充入氮?dú)庖灾脫Q空氣，檢查裝置，確保各處連接牢固，然后放入200～350℃的預(yù)熱／燒焦?fàn)t中預(yù)熱一定時間。

（2）預(yù)熱完成后，將可視反應(yīng)釜移入多段控溫可視反應(yīng)裝置中，在一定溫度及氮?dú)饬魉傧逻M(jìn)行焦化反應(yīng)，觀察記錄反應(yīng)過程中泡沫層變化趨勢。反應(yīng)過程中根據(jù)實(shí)際需要控制多段控溫可視反應(yīng)裝置不同段的溫度在300～550℃之間，氮?dú)饬魉僭?0～80mL／min之間。

（3）反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)釜取出并自然冷卻至室溫，用溶劑沖洗、烘干后放入預(yù)熱／燒焦?fàn)t中焙燒清焦。

2 實(shí)驗(yàn)裝置的應(yīng)用與效果

為了比較不同焦化原料的起泡性能，選取性質(zhì)和組成差異明顯、具有代表性的原油渣油在焦化條件下進(jìn)行試驗(yàn)評價。所用原料為4種原油中大于500℃的減壓渣油I、II、III、IV，一般性質(zhì)和化學(xué)組成分析結(jié)果見表1，顯然4種渣油的密度、黏度、殘?zhí)苛?、灰分量、元素組成和化學(xué)組成差別大，涵蓋了一般焦化原料的性質(zhì)和組成[1]。

表1 原料減壓渣油的一般性質(zhì)和化學(xué)組成分析

利用該實(shí)驗(yàn)裝置在490℃的焦化反應(yīng)溫度下測試，得到不同渣油的泡沫層高度h隨焦化反應(yīng)時間t變化曲線見圖2。顯然，僅僅依據(jù)圖2中的泡沫層高度曲線不容易直觀、靈敏地顯示出不同焦化原料在起泡性能方面的差異。實(shí)際上焦化原料的起泡性能涉及到泡沫層高度和泡沫持續(xù)時間，考慮到實(shí)驗(yàn)得到的泡沫層高度曲線近似拋物線（見圖3），可以定義重油起泡指數(shù)（HFI，heavy oil foaming index）來定量地相對比較不同焦化原料的起泡性能。

圖2 不同渣油泡沫層高度與反應(yīng)時間的關(guān)系曲線

圖3 泡沫層高度與時間關(guān)系示意圖

令圖3中陰影部分的面積S定義為起泡指數(shù)（HFI）。若曲線方程為h＝f（t），則：

為了簡化計算過程，將梯形ABCD的面積近似為S，則有

HFI值越大，表明油品的起泡能力越強(qiáng)。圖4展示了4種焦化原料渣油的HFI大小。由圖4可知，焦化原料I的起泡性能最強(qiáng)，依次是焦化原料II、III，而焦化原料IV的起泡性能最弱。對比表1可知，焦化原料I、II、III、IV的起泡性能同其密度、殘?zhí)?、金屬含量、瀝青質(zhì)含量等是正相關(guān)的，而同H與C原子比負(fù)相關(guān)。這就可以初步判定，焦化原料的起泡性能主要取決于化學(xué)組成和分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

3 結(jié)束語

圖4 不同渣油原料在焦化反應(yīng)過程中的起泡指數(shù)對比

該實(shí)驗(yàn)裝置動態(tài)模擬了原油渣油在焦炭塔中的焦化過程，實(shí)現(xiàn)了渣油焦化反應(yīng)起泡現(xiàn)象的視覺觀察和記錄，多段控溫系統(tǒng)模擬了焦炭塔內(nèi)的溫度分布，使得可視反應(yīng)釜中的焦化動態(tài)起泡現(xiàn)象具有更高的仿真度。依托這套裝置，完成了大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項(xiàng)目2項(xiàng)，部分畢業(yè)生完成了相關(guān)畢業(yè)設(shè)計專題研究，3名碩士生已經(jīng)或即將完成畢業(yè)論文，已獲國家專利1項(xiàng)。通過該裝置的研制開發(fā)，培養(yǎng)了學(xué)生對理論基礎(chǔ)知識和實(shí)驗(yàn)基本技能的掌握，鍛煉了學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新能力，提升了實(shí)踐素質(zhì)。

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