化學添加劑對瀝青質的穩定分散效果

李　誠，王小偉，田松柏

(中國石化 石油化工科學研究院，北京 100083)

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化學添加劑對瀝青質的穩定分散效果

李誠，王小偉，田松柏

(中國石化 石油化工科學研究院，北京 100083)

采用Turbiscan穩定性分析儀研究了十二烷基苯磺酸(DBSA)、十二烷基間苯二酚(DR)和實驗室自制化學添加劑POE對塔河減壓渣油(THVR)瀝青質的分散穩定效果。結果表明，POE對THVR瀝青質的分散穩定效果十分明顯，加入后相分離過程被抑制，樣品分層現象消失，不穩定性參數(ISP)值降低程度超過73%，穩定性大幅度提高；在實驗范圍內，其最佳添加質量分數為0.05%，具有較好的應用前景。對于DBSA和DR等小分子雙親化學添加劑，當添加量較低時是瀝青質絮凝沉降劑，僅當添加量較高時才是瀝青質分散穩定劑。Turbiscan穩定性分析儀可有效用于瀝青質化學添加劑的篩選與評價。

瀝青質；化學添加劑；Turbiscan穩定性分析儀；穩定性

隨著石油資源開采的不斷深入，密度大、瀝青質含量高的重質、劣質原油所占比例越來越大。研究表明，重質油是以瀝青質為分散相、以膠質為擴散層、以芳香分和飽和分為分散介質的膠體分散體系，當溫度、壓力或組成發生改變時，瀝青質會絮凝沉積，導致開采過程中管道、井口堵塞，加工過程中換熱器結垢、加熱爐結焦、催化劑失活等[1]。阻止瀝青質絮凝沉積最有效的方式之一是添加化學添加劑。常見的化學添加劑包括烷基酚、烷基磺酸、烷基吡咯烷酮、烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪酸酯多元醇、烷基酚醛樹脂、油溶性聚合物(如聚烯烴酯、聚酯酰胺)、新型離子液體等。對于化學添加劑的分散和阻聚效果，各研究結論不盡相同，這可能與瀝青質的種類和結構、溶劑條件及評價方法有關[2-3]。

目前，瀝青質化學添加劑的評價方法主要有紫外或紫外-可見光譜法、光電顯微鏡法、沉淀法和黏度法[3-6]，其中采用最多的是紫外或紫外-可見光譜法。例如，Abdel等[7]采用紫外光譜法考察了合成的嵌段共聚物的分散和阻聚效果；Rogel等[8]、León等[9]和周迎梅等[10]采用紫外-可見光譜法評價了幾種化學添加劑的效果。但是這些研究只評價了單一的正庚烷-甲苯-瀝青質體系中化學添加劑的效果，沒有考慮實際油樣帶來的復雜影響，評價過程中經常會出現化學添加劑在正庚烷中不穩定，自身發生沉淀，導致評價結果出現偏差[11]。另外，實驗中需要對樣品進行大量稀釋，使得瀝青質含量變低，嚴重降低了紫外或紫外-可見光譜法與光電顯微鏡法對體系穩定性評價及預測的準確性和完整性[11-13]。沉淀法的缺點是分離麻煩，誤差大；而黏度法的不足是當試樣黏度太高時，無法進行測量。

Turbiscan穩定性分析儀采用880 nm近紅外光，通過檢測樣品透射光和背散射光光強度值的變化，分析樣品的穩定性[14]。該儀器可對含瀝青質的油樣整體進行分析，并且對樣品的濃度沒有限制，從而使篩選出的化學添加劑更適合實際油樣體系。另外，關于化學添加劑的研究大多針對原油或燃料油，而對煉油廠處理較多、更容易結焦和結垢的渣油報導較少。因此，筆者以難加工的塔河減壓渣油(THVR)為實驗對象，利用Turbiscan穩定性分析儀考察了加入不同種類和用量的瀝青質化學添加劑對樣品穩定性的影響，旨在考察用該儀器篩選和評價化學添加劑的適用性及效果，并對所選的瀝青質化學添加劑對THVR的分散穩定效果進行評價。

1　實驗部分

1.1原料及試劑

塔河減壓渣油(THVR)，其基本性質見表1。甲苯、正庚烷，分析純，北京化工廠產品；十二烷基苯磺酸(DBSA質量分數90%)、十二烷基間苯二酚(DR質量分數97%)，百靈威試劑產品；聚烯烴酯(POE)，實驗室自制，其活性基團為酯基，且分子中有較多的叔碳。

表1　THVR 的基本物性

1.2實驗儀器與原理

采用法國Formulaction公司Turbiscan穩定性分析儀考察瀝青質樣品的穩定性。以近紅外光(880 nm)作為光源，光源與透射光檢測器和背散射光檢測器組成測量探頭。儀器測量的背散射光光強度和透射光光強度與顆粒體積濃度和平均粒徑有關，如式(1)和式(2)所示。

(1)

(2)

式(1)、(2)中，BS是儀器測量的背散射光光強度；T是儀器測量的透射光光強度；φ是顆粒的體積分數；d是顆粒的平均粒徑；g和Qs是由米氏理論(Mie theory)給出的光學參數；ri是測試室內半徑；T0是連續相的透射光光強度。結合物理模型、測量數據及數值模擬可知，BS正比于φ，而反比于d；T則與φ和d均成反比[15-17]。

1.3實驗方法

參考標準方法ASTM D7061-2012[19]，制備質量比為1∶9的THVR-甲苯溶液。稱取一定量的該樣品，加入化學添加劑，利用磁力攪拌器攪拌30 min，移取2 mL與23 mL正庚烷混合，立即轉移至樣品池中，利用Turbiscan穩定性分析儀進行測量。實驗測定溫度為30℃，掃描時間為3 h，掃描間隔為1 min。

2　結果與討論

2.1不同添加劑對THVR瀝青質的分散穩定效果比較

2.1.1對樣品頂部澄清區瀝青質濃度的影響

Turbiscan穩定性分析儀能給出透射光和背散射光光強度隨樣品池高度變化的掃描曲線。其中，透射光用于分析透明到渾濁的樣品，而背散射光用于分析不透明的樣品。圖1為未添加化學添加劑的THVR樣品與分別添加質量分數為0.05%的DBSA、DR及POE后的樣品在3 h內采集的透射光掃描曲線。每一條曲線代表一個時間點(1 min)采集的數據，不同時間掃描得到的透射光強度用不同顏色表示，藍色為第1 min的透射光譜譜線，隨后每間隔1 min掃描所得譜圖顏色逐漸過渡至紅色。

圖1　THVR及其加入3種添加劑的樣品的透射光譜

從圖1(a)可以看到，未加入化學添加劑時，THVR樣品的透射光光強度最大值隨著掃描時間的延長逐漸增強，同時其透射光曲線不斷向左上方移動，說明掃描過程中瀝青質發生絮凝并沉降，使得樣品池的上半部分有更多的光透過，整個樣品高度內透射光光強度平均值及最大值增大；掃描結束時，樣品頂部的透射光光強度較大，說明樣品分層明顯。由圖1(b)、(c)和(d)可知，加入0.05%的DBSA和DR后的樣品也出現瀝青質的絮凝沉降和明顯的分層；加入0.05%POE樣品的樣品池上半部分透射光光強度值始終保持在一個極低的水平，即樣品沉降和分層不明顯，表明加入POE對THVR瀝青質的分散穩定效果十分明顯，形成的是具有很低沉降速率的小顆粒。

定義樣品池頂部能檢測到透射光的樣品區域為澄清區，底部不能檢測到透射光的區域為沉淀區。THVR及其加入3種添加劑樣品的分區如圖2所示。由圖2可以看到，加入0.05%POE的樣品分層現象不明顯，其樣品池底部往上14 mm處為沉淀區，其余部分為澄清區；另外3個樣品均有明顯的分層，分區清晰。

由于THVR及其加入3種添加劑的樣品中所含瀝青質的量相同，因此，樣品澄清區與沉淀區的瀝青質濃度之和均為恒定值。通過對比加入不同化學添加劑后樣品澄清區或沉淀區瀝青質濃度(即該區域的透射光光強度平均值)，可以比較各化學添加劑對瀝青質相分離的抑制程度。對3 h時THVR及其加入3種添加劑的樣品澄清區的透射光光強度平均值進行分析，結果如圖3所示。

圖2　THVR及其加入3種添加劑的樣品分區示意

圖3　3 h時THVR及其加入3種添加劑的樣品的頂部澄清區透射光光強度平均值

由圖3可知，與未加入化學添加劑的THVR樣品相比，加入0.05%的DBSA和DR的樣品澄清區透射光光強度平均值增大，其中，加入0.05%DBSA的樣品透射光光強度增幅最大。結合透射光光強度與顆粒體積濃度的關系可知，與THVR樣品相比，加入0.05%的DBSA和DR的樣品澄清區中瀝青質的濃度減小，則沉淀區的瀝青質濃度增大，說明DR和DBSA的加入促進了THVR瀝青質的相分離，使發生沉降的瀝青質增多；加入0.05%DBSA的樣品澄清區中瀝青質的濃度最小、沉淀區的瀝青質濃度最大，說明加入0.05%的DBSA比加入0.05%的DR對瀝青質的相分離促進作用更強。

與未加入化學添加劑的THVR樣品相比，加入0.05%的POE樣品澄清區透射光光強度平均值大幅減小，即其澄清區中瀝青質的濃度大幅度增加，沉淀區中瀝青質的濃度大幅減小，說明POE有效阻止了瀝青質的沉積，起到了分散穩定THVR瀝青質的作用。

自啟動建設以來，該項目和另一個AP1000建設項目即薩默爾核電建設項目均飽受同類設計首批建設項目、許可審批、采購和建設等問題所累，費用大幅超支，進度遲緩，導致曾擔保以固定價格建成這兩個項目的總承包商西屋公司(Westinghouse)于2017年3月申請破產重組。

為了更直觀地比較澄清區中瀝青質的濃度大小，取實驗結束后澄清區的液體進行斑點實驗，結果如圖4所示。由圖4可以看到，加入POE的樣品斑點顏色最深，說明其澄清區所含的瀝青質最多，即瀝青質濃度最大，與上述分析相符；所得斑點中有個更黑的圏，表明其上部澄清區中發生了瀝青質的絮凝；即該樣品中形成了大量被分散在溶液中的小顆粒，但由于發生絮凝的顆粒太小，以致3 h的掃描時間結束后，顆粒不能沉降，以一種穩定的膠體懸浮狀態分散在溶液中。因此，POE通過分散并穩定瀝青質顆粒、阻止瀝青質聚集沉降達到穩定THVR的目的。

圖4　THVR及其加入3種添加劑的樣品澄清區液體的斑點實驗

2.1.2對樣品整體不穩定性參數(ISP)值的影響

瀝青質被定義為甲苯可溶、正庚烷不溶的組分。正庚烷的加入，使得未加入化學添加劑或加入無效化學添加劑的樣品中的瀝青質絮凝沉降。當待測樣品中瀝青質發生絮凝沉降時，樣品頂部和底部瀝青質顆粒的濃度隨掃描時間的延長而變化，背散射和透射光光強度也會相應改變。因此，若待測樣品穩定性好，檢測器接收到的背散射光強度和透射光強度隨著掃描時間的延長基本不發生變化；反之，則變化較大。一定時間(3 h)內光強度的變化程度可用ISP來表示[18]，其定義見式(3)。

(3)

式(3)中，Xi為每次掃描樣品池不同高度處所得背散射光光強度(或透射光強度)的平均值；XT為Xi的平均值，即XT=(X1+X2+…+Xn)/n；n為掃描次數，為181。

ISP值反映了體系不穩定的程度，其值越大，表明體系越不穩定，瀝青質越容易絮凝沉降。定義ISP值變化程度(CISP)，來直觀定量地比較化學添加劑分散穩定瀝青質的程度，見式(4)。

(4)

式(4)中，ISP0為加入化學添加劑前樣品的ISP值，ISPi為加入化學添加劑i后樣品的ISP值。因此，僅當CISP<0時，化學添加劑才具有分散穩定瀝青質的效果，且CISP越小，效果越顯著。通過比較加入化學添加劑前后體系的CISP，能夠定量地比較3種添加劑對THVR瀝青質的分散穩定效果。THVR及加入3種添加劑樣品的ISP值及CISP列于表2。

表2　THVR及加入3種化學添加劑樣品的ISP值及ISP值變化程度(CISP)

由表2可知，未加入化學添加劑時，樣品的ISP值為12.30，當加入0.05%的POE后，樣品的ISP值減小至3.25，穩定性提高了73.59%，而加入0.05%的DBSA和DR后，樣品的ISP值增大，穩定性降低。

以上分析表明，當3種化學添加劑的添加量均為0.05%時，僅POE對THVR瀝青質具有較好的分散穩定效果。實驗還表明，可以采用Turbiscan穩定性分析儀對樣品中瀝青質顆粒的濃度及被分散的程度進行分析，來篩選和評價化學添加劑。

2.2添加劑的加入量對THVR瀝青質的分散穩定效果

上述實驗中，與未添加化學添加劑的樣品相比較，加入0.05%的DR和DBSA后，瀝青質的絮凝沉降現象更嚴重。但DR和DBSA被普遍認為具有較好的分散效果[10,20-21]。Rogel等[22]通過考察活性組分為DBSA的商用添加劑的分散效果與原油組成的關系，發現化學添加劑的效果因原油性質的不同而有所差異。Goual等[23]則認為，DBSA在低濃度時是絮凝劑，會增加沉淀物的量，只有在高濃度時才是分散劑，起到分散瀝青質的效果。

為進一步考察DR和DBSA對THVR瀝青質的分散穩定效果及POE對于THVR最適宜的添加量，分析不同化學添加劑在添加量分別為0.05%、0.10%、0.30%、0.50%、1.50%和3.50%(以THVR為基準的質量分數)時樣品的穩定性。圖5為3 h時澄清區不同樣品池高度處透射光光強度的平均值。

圖5　添加劑的加入量與3 h時THVR樣品頂部澄清區的透射光光強度平均值的關系

由圖5可知，在THVR中分別加入DBSA和DR的樣品，其澄清區透射光光強度平均值均較大，說明各樣品均有明顯的分層，且樣品的透射光光強度平均值隨DBSA和DR添加量的增加先增大后減小，說明頂部澄清區顆粒濃度先減小后增大，即沉淀現象先變嚴重后減輕。而對于添加POE的樣品，3 h時澄清區透射光光強度平均值隨著POE的添加量增大而減少。當w(POE)為0.05%時，樣品澄清區有微弱的透射光，分層現象不明顯；當w(POE)超過0.1%時，透射光光強度幾乎為0，樣品均無分層現象。

對加入不同添加量化學添加劑樣品的ISP值及CISP進行計算，結果示于圖6。

圖6　在THVR中加入不同種類和添加量化學添加劑后的不穩定性參數(ISP)值及其變化程度(CISP)

由圖6可知，與未添加化學添加劑的THVR樣品相比，隨著DBSA和DR加入量的增加，ISP值先增大后減小。當w(DR)低于1.5%時，加入DR樣品的ISP值較THVR樣品高，CISP>0，說明樣品的穩定性較未加入化學添加劑的樣品低，DR起絮凝沉降的作用；當w(DR)超過1.5%時，樣品的ISP值開始低于THVR樣品，CISP<0，說明加入DR樣品的穩定性較未加入化學添加劑的樣品開始提高，加入DR開始具有分散瀝青質的能力。DBSA與DR呈現相同的規律，其分界點在w(DBSA)為2.1%附近。由此可見，筆者關于DBSA的研究結果與Goual等的研究結果相符[23]，表明化學添加劑的效果不僅與原油的性質更與其添加量密切相關。

低添加量(w(Chemical additive)<1.5%)時DBSA和DR的絮凝沉降作用及高添加量(w(Chemical additive)>2.3%)時的穩定分散作用與兩親分子在瀝青質分子或聚集體上的聚集有關。兩親分子在瀝青質分子或聚集體上的聚集符合兩步吸附機理[22]，兩親分子首先通過活性基團在瀝青質或小的瀝青質聚集體表面單層吸附，然后在瀝青質表面聚并形成半膠束，從而形成穩定的烷基層空間結構，起到分散穩定瀝青質的作用。因此，當兩親分子的濃度太低時，瀝青質表面不能被兩親分子占滿；如果兩親分子較瀝青質的分子小很多，則不足以形成穩定的空間結構，不同顆粒之間便相互作用而發生聚結，生成更大的顆粒，從而加速絮凝沉降過程。反之，則能穩定分散瀝青質。由此可以推斷，小分子兩親類化學添加劑在低添加量時是絮凝沉降劑，在高添加量時才是分散劑。

從圖5和圖6可以看到，隨著POE的加入，THVR被很好地分散；當w(POE)超過0.05%后，隨著POE加入量的增大，樣品分散程度更高，顆粒的濃度及不穩定性參數均無明顯變化，3 h后樣品仍然十分穩定。

由圖6還可以看到，當POE的添加量為0.05%時，樣品的 CISP約為 -73.59%；對于w(POE)=0.1%的樣品，其 CISP約為-93.25%。盡管隨著POE添加量的增加，其CISP不斷減小，但是在增加等量的POE后，樣品的CISP只減小了19.67%。顯然，進一步加大POE的添加量并不經濟，因此，POE的最佳添加量為0.05%。

與DBSA和DR相比，POE具有極好的分散穩定效果，這可能與其分子結構有關。POE是聚烯烴酯，分子中的活性基團為酯基，同時具有較多的叔碳。對于這3種化學添加劑，頭部官能團的極性大小順序為DBSA的磺酸基、DR的酚羥基、POE的酯基，尾部烷基鏈長及支化度的大小順序為POE、DBSA、DR，后二者幾乎相等；雖然POE分子中極性基團的極性最小，但由于其烷烴鏈最長，支化度最大，使其油溶性最好，從而能加強被吸附的顆粒在分散介質中的溶解性，穩定被吸附的瀝青質。

3　結　論

(1)采用Turbiscan穩定性分析儀對加入化學添加劑前后樣品中瀝青質的濃度及被分散程度進行研究，并對CISP進行定量分析，可有效用于瀝青質化學添加劑的篩選和評價。

(2)針對DBSA和DR等小分子雙親化學添加劑，其添加量不同使其對瀝青質的作用效果不同；當添加量較低時是絮凝沉降劑，當添加量較高時才是分散穩定劑。

(3)DBSA和DR對THVR瀝青質的分散穩定效果均不理想，在實驗條件下所有樣品均出現明顯分層，而POE對THVR瀝青質的分散穩定效果十分明顯，添加后分層現象消失。POE添加劑具有較好的應用前景。

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Dispersion and Stabilization Effectiveness of Chemical Additives on Asphaltene

LI Cheng，WANG Xiaowei，TIAN Songbai

(Research Institute of Petroleum Processing，SINOPEC,Beijing 100083，China)

The effects of three chemical additives,4-dodecyl benzene sulfonic acid (DBSA)，n-dodecylresorcinol (DR)and a laboratory-made chemical additive (POE)on the dispersion and stabilization of Tahe vacuum residue (THVR)asphaltene were investigated by using Turbiscan stability analyzer.The results showed that POE containing long and branched alkyl groups in its molecule was the best one among the three chemical additives.After adding POE,asphaltene particle size decreased,phase separation behavior was inhibited and the instability parameter (ISP)value was reduced over 73% compared to those of the sample without POE,indicating that the stability of asphaltene increased greatly.And the optimal addition amount of POE was 0.05% within the experimental range,presenting a good application prospect.It is also found that DBSA and DR,being a kind of amphiphilic chemical additives with small molecular size,acted as dispersant in asphaltene only with higher dosage,otherwise,they acted as flocculating and sedimentation agent.Turbiscan stability analyzer can be used for screening and evaluating asphaltene chemical additives effectively.

asphaltene；chemical additives；Turbiscan stability analyzer；stability

2015-10-10

國家重點基礎研究發展計劃“973”項目(2012CB224801)基金資助

李誠，女，博士研究生，從事油品穩定性方面的研究；Tel：010-82368406；E-mail：lic.ripp@sinopec.com

田松柏，男，教授級高級工程師，博士，從事石油化學、分析化學方面的研究；Tel：010-82368081；E-mail：tiansb.ripp@sinopec.com

1001-8719(2016)05-1005-08

TE624.17

Adoi:10.3969/j.issn.1001-8719.2016.05.019