原油渣油焦化过程起泡性能测试实验装置研制与应用

郭爱军，孙汉华，郭凯黎，沐宝泉，刘 东，王宗贤

（中国石油大学（华东）化学工程学院重质油国家重点实验室，山东 青岛 266580）

随着采出原油重质化与社会对轻质油品需求量增大之间矛盾的深化[1]，促使我们增加这方面的教学内容。教育部文件《关于进一步深化本科教学改革全面提高教学质量的若干意见》（教高[2007]2号）明确提出，“要高度重视实践环节，提高学生实践能力”、“推进实验内容和实验模式改革和创新，培养学生的实践动手能力、分析问题和解决问题能力”[2]。

延迟焦化工艺是渣油轻质化的重要手段，越来越受到国内外石油加工企业的重视[3－4]。为提高延迟焦化处理能力，需要抑制反应过程中的油气发泡、降低泡沫层高度。为此，在工业生产中大都采用消泡剂加注技术，使泡沫层保持在一定高度，扩大焦炭塔空高[5－8]。最近有学者借助普通玻璃仪器开发了常温动态抑泡性能评价装置，评价所开发消泡剂的相关性能[9－10]，但是在模拟高温焦化反应过程时的仿真度还有待提高。有学者采用不锈钢反应器及锡浴加热方式考察了油品的高温起泡性能，通过调节反应器内油样高度的方法测定泡沫层高度[11]，但实验误差较大，也不能实时可视地监测反应过程中的泡沫层情况。

因此，构建基于实验室条件就能有效测试评价原油渣油在焦化过程中的起泡性能的实验装置十分必要。该实验装置的自行研制，在促进特色、创新教学实验项目建设的同时，还能促进学科实验平台建设和科研项目的完成[12]，具有明显的先进性、及时性和经济性[13]。为确定延迟焦化各操作条件（如温度、线速、注气和各种助剂）对渣油焦化起泡性能的影响提供定量数据评估，并为培养高素质人才提供载体。

1 实验装置和操作方法

如图1所示，本实验装置由可视反应系统和预热／烧焦炉组成。可视反应系统由可视反应釜、多段控温可视反应装置、温度控制器、注气装置等组成，可视反应釜为透明管式结构，位于多段控温可视反应装置内。多段控温可视反应装置壁上设有可视窗，内壁上设有加热设施，外壁上设有保温层。注气装置的连接管穿过可视反应釜上端、深入可视反应釜内底部。预热／烧焦炉的内壁上设有加热设施，外壁上设有保温层。多段控温可视反应装置和预热／烧焦炉设有加热设施与温度控制器连接；5根热电偶分别设置在预热／烧焦炉和多段控温可视反应装置内各段，同时与温度控制器连接；流量计设置在注气装置的连接管上。

图1 原油渣油焦化起泡性能测试实验装置工作原理示意图

将原油渣油加入可视反应釜后，先在预热炉中加热到一定温度，然后转入设定好各段温度的多段控温可视反应装置中进行反应，观察记录反应中泡沫层变化情况，焦化馏分油经冷凝接收装置收集，尾气由尾气吸收装置净化后排空。测试的操作过程如下：

（1）在可视反应釜中装入一定量的样品，充入氮气以置换空气，检查装置，确保各处连接牢固，然后放入200～350℃的预热／烧焦炉中预热一定时间。

（2）预热完成后，将可视反应釜移入多段控温可视反应装置中，在一定温度及氮气流速下进行焦化反应，观察记录反应过程中泡沫层变化趋势。反应过程中根据实际需要控制多段控温可视反应装置不同段的温度在300～550℃之间，氮气流速在10～80mL／min之间。

（3）反应结束后，将反应釜取出并自然冷却至室温，用溶剂冲洗、烘干后放入预热／烧焦炉中焙烧清焦。

2 实验装置的应用与效果

为了比较不同焦化原料的起泡性能，选取性质和组成差异明显、具有代表性的原油渣油在焦化条件下进行试验评价。所用原料为4种原油中大于500℃的减压渣油I、II、III、IV，一般性质和化学组成分析结果见表1，显然4种渣油的密度、黏度、残炭量、灰分量、元素组成和化学组成差别大，涵盖了一般焦化原料的性质和组成[1]。

表1 原料减压渣油的一般性质和化学组成分析

利用该实验装置在490℃的焦化反应温度下测试，得到不同渣油的泡沫层高度h随焦化反应时间t变化曲线见图2。显然，仅仅依据图2中的泡沫层高度曲线不容易直观、灵敏地显示出不同焦化原料在起泡性能方面的差异。实际上焦化原料的起泡性能涉及到泡沫层高度和泡沫持续时间，考虑到实验得到的泡沫层高度曲线近似抛物线（见图3），可以定义重油起泡指数（HFI，heavy oil foaming index）来定量地相对比较不同焦化原料的起泡性能。

图2 不同渣油泡沫层高度与反应时间的关系曲线

图3 泡沫层高度与时间关系示意图

令图3中阴影部分的面积S定义为起泡指数（HFI）。若曲线方程为h＝f（t），则：

为了简化计算过程，将梯形ABCD的面积近似为S，则有

HFI值越大，表明油品的起泡能力越强。图4展示了4种焦化原料渣油的HFI大小。由图4可知，焦化原料I的起泡性能最强，依次是焦化原料II、III，而焦化原料IV的起泡性能最弱。对比表1可知，焦化原料I、II、III、IV的起泡性能同其密度、残炭、金属含量、沥青质含量等是正相关的，而同H与C原子比负相关。这就可以初步判定，焦化原料的起泡性能主要取决于化学组成和分子结构特点。

3 结束语

图4 不同渣油原料在焦化反应过程中的起泡指数对比

该实验装置动态模拟了原油渣油在焦炭塔中的焦化过程，实现了渣油焦化反应起泡现象的视觉观察和记录，多段控温系统模拟了焦炭塔内的温度分布，使得可视反应釜中的焦化动态起泡现象具有更高的仿真度。依托这套装置，完成了大学生创新训练计划项目2项，部分毕业生完成了相关毕业设计专题研究，3名硕士生已经或即将完成毕业论文，已获国家专利1项。通过该装置的研制开发，培养了学生对理论基础知识和实验基本技能的掌握，锻炼了学生的综合能力和创新能力，提升了实践素质。

（References）

[1]瞿国华.黄大智，梁文杰.延迟焦化在我国石油加工中的地位和前景[J].石油学报：石油加工，2005，21（3）：47-55.

[2]教育部.关于进一步深化本科教学改革全面提高教学质量的若干意见[Z].教高[2007]2号文件，2007.

[3]侯芙生.发挥延迟焦化在深度加工中的重要作用[J].当代石油石化，2006，14（2）：3-7.

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[8]张广林，王国良.炼油助剂应用手册[M].北京：中国石化出版社，2004：197.

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[13]职黎光，魏航信.石油采油机械综合性测试实验装置研制与应用[J].实验技术与管理，2012，29（11）：63-64.