原油渣油焦化過程起泡性能測試實驗裝置研制與應用

郭愛軍，孫漢華，郭凱黎，沐寶泉，劉 東，王宗賢

（中國石油大學（華東）化學工程學院重質油國家重點實驗室，山東 青島 266580）

隨著采出原油重質化與社會對輕質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內容。教育部文件《關于進一步深化本科教學改革全面提高教學質量的若干意見》（教高[2007]2號）明確提出，“要高度重視實踐環節，提高學生實踐能力”、“推進實驗內容和實驗模式改革和創新，培養學生的實踐動手能力、分析問題和解決問題能力”[2]。

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

因此，構建基于實驗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驗裝置十分必要。該實驗裝置的自行研制，在促進特色、創新教學實驗項目建設的同時，還能促進學科實驗平臺建設和科研項目的完成[12]，具有明顯的先進性、及時性和經濟性[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據評估，并為培養高素質人才提供載體。

1 實驗裝置和操作方法

如圖1所示，本實驗裝置由可視反應系統和預熱／燒焦爐組成。可視反應系統由可視反應釜、多段控溫可視反應裝置、溫度控制器、注氣裝置等組成，可視反應釜為透明管式結構，位于多段控溫可視反應裝置內。多段控溫可視反應裝置壁上設有可視窗，內壁上設有加熱設施，外壁上設有保溫層。注氣裝置的連接管穿過可視反應釜上端、深入可視反應釜內底部。預熱／燒焦爐的內壁上設有加熱設施，外壁上設有保溫層。多段控溫可視反應裝置和預熱／燒焦爐設有加熱設施與溫度控制器連接；5根熱電偶分別設置在預熱／燒焦爐和多段控溫可視反應裝置內各段，同時與溫度控制器連接；流量計設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驗裝置工作原理示意圖

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

（1）在可視反應釜中裝入一定量的樣品，充入氮氣以置換空氣，檢查裝置，確保各處連接牢固，然后放入200～350℃的預熱／燒焦爐中預熱一定時間。

（2）預熱完成后，將可視反應釜移入多段控溫可視反應裝置中，在一定溫度及氮氣流速下進行焦化反應，觀察記錄反應過程中泡沫層變化趨勢。反應過程中根據實際需要控制多段控溫可視反應裝置不同段的溫度在300～550℃之間，氮氣流速在10～80mL／min之間。

（3）反應結束后，將反應釜取出并自然冷卻至室溫，用溶劑沖洗、烘干后放入預熱／燒焦爐中焙燒清焦。

2 實驗裝置的應用與效果

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

表1 原料減壓渣油的一般性質和化學組成分析

利用該實驗裝置在490℃的焦化反應溫度下測試，得到不同渣油的泡沫層高度h隨焦化反應時間t變化曲線見圖2。顯然，僅僅依據圖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。實際上焦化原料的起泡性能涉及到泡沫層高度和泡沫持續時間，考慮到實驗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（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時間的關系曲線

圖3 泡沫層高度與時間關系示意圖

令圖3中陰影部分的面積S定義為起泡指數（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。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，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、殘炭、金屬含量、瀝青質含量等是正相關的，而同H與C原子比負相關。這就可以初步判定，焦化原料的起泡性能主要取決于化學組成和分子結構特點。

3 結束語

圖4 不同渣油原料在焦化反應過程中的起泡指數對比

該實驗裝置動態模擬了原油渣油在焦炭塔中的焦化過程，實現了渣油焦化反應起泡現象的視覺觀察和記錄，多段控溫系統模擬了焦炭塔內的溫度分布，使得可視反應釜中的焦化動態起泡現象具有更高的仿真度。依托這套裝置，完成了大學生創新訓練計劃項目2項，部分畢業生完成了相關畢業設計專題研究，3名碩士生已經或即將完成畢業論文，已獲國家專利1項。通過該裝置的研制開發，培養了學生對理論基礎知識和實驗基本技能的掌握，鍛煉了學生的綜合能力和創新能力，提升了實踐素質。

（References）

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[2]教育部.關于進一步深化本科教學改革全面提高教學質量的若干意見[Z].教高[2007]2號文件，2007.

[3]侯芙生.發揮延遲焦化在深度加工中的重要作用[J].當代石油石化，2006，14（2）：3-7.

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[12]張家棟，李士明.高校儀器設備采購特點分析及應對建議[J].實驗技術與管理，2012，29（11）：1-3.

[13]職黎光，魏航信.石油采油機械綜合性測試實驗裝置研制與應用[J].實驗技術與管理，2012，29（11）：63-64.