模擬炭質大分子延遲焦化過程快速焦化制備成焦的裝置的制作方法

本實用新型屬于重質油熱加工技術領域，具體涉及一種模擬炭質大分子延遲焦化過程快速焦化制備成焦的裝置。

背景技術：

世界原油資源日益重質化和劣質化，尤其是再加上加工重質原油所帶來的成本優勢，導致全球約有42％的石化煉制企業(美國：甚至高達2/3煉制企業)傾向于提高加工原料中重質原油的比例，隨之產出的渣油、FCC油漿、乙烯焦油等重質油料數量也必然隨之增大。這些重質油料要么金屬含量高、雜原子(硫、氮、氧)含量高；要么富含芳烴、烯烴結構，穩定性差，都屬于加工難度較大的劣質重油。我國石化煉制企業當前面臨的主要挑戰之一便是如何最大限度地加工利用這些劣質重油，提高資源利用效率，增加企業經濟效益，因此，高效轉化重質油料的加工技術成為了各大煉制企業和國際能源公司空前關注的焦點。美國《石油時代》評述重油加工技術時指出，新一代煉油工藝主要有三種，即重油催化裂化、延遲焦化以及重油加氫。其中延遲焦化工藝作為重油深度熱加工技術，特別適合加工重質油料。

以重質原油渣油作為原料，采用延遲焦化(簡稱焦化)進行加工，生產輕質油料的同時會副產大量的石油焦炭。焦化過程一般產生的石油焦炭呈海綿狀，因而被稱為海綿焦。但是在實際加工過程中，隨著渣油中瀝青質和金屬含量的增加，在焦化過程中還會生成一種特殊焦化成焦形態——彈丸焦。彈丸焦是一種較為特殊的，通常大小不一，直徑分布在1-4mm之間，致密低空隙，表面光滑少孔，由形如BB彈的近球狀或橢圓狀焦丸組接而成，故稱其為彈丸焦。重油焦化過程中彈丸焦的生成會帶來一系列的生產和安全問題：焦炭塔拆卸底蓋時，彈丸焦松散的結構使得傾瀉過程很難控制；彈丸焦為主的生焦床層冷卻困難，冷焦之后仍然存在局部溫度過高的情況；清焦過程中的意外塌方以及焦層中的高溫物料對現場操作人員存在較大的安全威脅；在生產過程中使焦炭塔產生“騰涌”現象，造成塔體非正常晃動，形成安全隱患。

另外能源企業還廣泛采用焦化技術，加工FCC油漿、乙烯焦油原料，生產針狀焦。針狀焦外觀為銀灰色、有金屬光澤的多孔固體，其結構具有明顯流動紋理，孔大而少且略呈橢圓形，顆粒有較大的長寬比，有如纖維狀或針狀的紋理走向，因此而得名。

總體而言，重質油料焦化成焦的特性是影響延遲焦化轉化效果、加工成本、產品分類的關鍵因素之一，焦化成焦特性的調控研究更是目前能源行業的重點研究領域。目前在焦化成 焦特性的研究中，制備焦化成焦樣品的方法主要是通過高壓釜反應或中型焦化裝置進行。采用高壓釜模擬焦化熱過程制備焦樣的方法，其主要的問題在于與實際延遲焦化過程偏差加大，譬如，高壓釜難以控制轉化過程的壓力，不能模擬焦化過程中對成焦特性影響較大的氣流逸出、剪切、攪拌與沖擊效應，也不能實施重質油料焦化過程中的循環油注入。采用中型焦化方法太過繁瑣，制備一個焦化樣品不僅耗時耗力，很難做到快速的制備，以便迅捷的進行后續分析表征，同時在經濟上也不合算。因此，開發一種模擬炭質大分子在不同的焦化條件下快速制備焦樣的裝置及方法，對于不同焦化條件下焦化樣品成焦性能的研究具有十分重要的意義。

技術實現要素：

針對上述現有技術，本實用新型的目的是提供一種模擬炭質大分子在不同的焦化條件下快速制備焦樣的裝置，可以實現不同條件下炭質大分子快速制備成焦樣，用于研究不同焦化條件對焦化樣品成焦形貌的影響。

為實現上述目的，本實用新型采用如下技術方案：

一種模擬炭質大分子在不同的焦化條件下快速制備焦樣的裝置，包括：反應釜和加熱爐；

所述反應釜位于加熱爐的空腔內，反應釜的上端設有用于密封反應釜的反應釜蓋，所述反應釜蓋上設有出氣口，通過氣體出口管線與背壓閥門相連，用于設定及控制反應釜內的壓力；

反應釜的環壁上設有原料進口和循環油進料口，分別通過管線與原料油罐和循環油罐相連；可以在原料反應的同時進行循環油的添加，改變反應原料的結構組成，為特殊形態成焦提供必要的條件。

反應釜的底蓋上設有進氣口，通過氣體進口管線與供氣系統相連；通過注氣流量變化在反應釜內模擬形成不同強度的氣流沖擊、逸出、剪切、攪拌效應。

所述加熱爐與程序溫控器相連，通過程序溫控器對爐體內的溫度進行有效的控制。

進一步的，所述氣體出口管線上還設有冷凝器，采用循環水冷凝焦化產生的油氣，避免損壞背壓閥門。

進一步的，所述氣體出口管線上，在冷凝器之后還設有壓力表，用于監測反應釜內的壓力。

進一步的，所述氣體進口管線上設有流量計，用于測定注氣流速。

進一步的，原料油罐和原料進口之間的管線上設有第一流量泵，循環油罐和循環油進料口之間的管線上設有第二流量泵；分別通過第一流量泵和第二流量泵對管線中的原料及循環 油液體流速進行調控。

進一步的，所述供氣系統包括氧化性氣體供氣裝置、還原性氣體供氣裝置和惰性氣體供氣裝置。優選的，所述氧化性氣體供氣裝置為氧氣供氣裝置；所述還原性氣體供氣裝置為氫氣或一氧化碳供氣裝置；所述惰性氣體供氣裝置為氮氣供氣裝置。

優選的，所述加熱爐采用中/低頻電磁震蕩作用快速提升電磁線圈范圍內反應裝置的溫度，其產生的能量能在較短時間內作用在金屬反應器內部，最大程度的快速提升裝置內溫度，提高傳熱效率，縮減了反應原料焦化時間。

進一步的，所述加熱爐的外側設有保溫層，用于反射高溫輻射能量，隔絕熱對流，減少熱損失。

進一步的，所述程序溫控器包括熱電偶和控制終端；可以通過程序溫控器設定溫度程序變化序列，使反應溫度按照設置變化(包括線性升溫、恒溫等)，用以反映焦化溫度。

利用上述裝置模擬炭質大分子在不同條件下快速制備焦樣的方法，步驟如下：

(1)開啟加熱爐，排空反應釜內的空氣，設定背壓閥門穩定壓力值，使反應釜內壓力維持在預設值，用以反映焦化裝置內壓力；打開程序溫控器，設定溫度程序變化序列，使反應溫度按照設置變化，用以反映焦化溫度；

(2)達到預設反應溫度后，通過氣體進口管線向反應釜內注氣，防止反應原料注入后從氣體進口處外泄，開啟第一流量泵，注入反應原料，原料在反應釜體內底部被快速加熱到反應溫度，發生焦化反應；

(3)反應過程中，控制氣體進出口氣速，通過注入氣體，模擬不同強度的氣流沖擊、逸出、剪切、攪拌效應；

(4)特定焦化成焦制備時，需要在注入反應原料后，開啟第二流量泵，注入循環油參與反應；

(5)焦化成焦成型完成后，烘焙2～4小時，同時利用氣體進口注入惰性氣體吹掃煙氣和油氣，迅速冷卻焦樣。

上述方法，步驟(1)中，所述反應釜內壓力的預設值優選為-0.1MPa～1MPa。

上述方法，步驟(1)中，焦化溫度優選為150℃～650℃。

上述方法，步驟(3)中，注入氣體的流量范圍在0.1L/min～4L/min。

本實用新型的有益效果：

(1)本實用新型的裝置結構簡單，能夠模擬不同的焦化溫度、焦化壓力、循環油、氣流沖擊的條件，并且制備焦化焦樣所需的時間短，可以快速為工業上優化反應條件提供基礎成 焦樣品。

(2)本實用新型可模擬氣氛條件廣，在氧化性、還原性、惰性條件下均可使用，采用氣氛的連續通入可以起到攪拌的作用，反應后惰性氣流冷激焦層，可迅速帶走熱量，縮短制焦時間，并可模擬焦化過程中氣流逸出、沖擊、剪切對焦化成焦形貌的影響效果，還可在反應物料較為黏稠時通過定向沖刷形成拉絲或針狀宏觀結構，有利于生成類針狀焦的樣品。

(3)本實用新型可選擇的焦化溫度范圍廣，并且程序控溫可模擬線性升溫、恒溫、變溫操作條件。

(4)本實用新型適用原料范圍廣，適用于高分子聚合物、煤液化產物、生物質熱解油、石油及其衍生物等多種炭質大分子焦化成焦的制備，不僅能為石油行業提供重要的焦化物料數據，還能為探索成焦形貌調控、針狀焦制備適宜條件提供基礎數據，為后續焦樣的評價快速提供樣品。

附圖說明

圖1：本實用新型裝置的結構示意圖；

圖2：苛刻條件下得到的彈丸焦的樣品；

圖3：緩和條件下得到的海綿焦的樣品；

圖4：變溫變循環變壓條件下得到的類似于針狀焦的樣品；

其中：1.加熱爐，2.保溫層，3.反應釜蓋，4.反應釜，5.循環油罐，6.第一流量泵，7.控制終端，8.熱電偶，9.反應釜底蓋，10.供氣系統(氣瓶)，11.氣體進口管線，12.氣體進口管線流量計13.第二流量泵，14.原料油罐，15.氣體出口管線，16.背壓閥門，17.壓力表，18.冷凝器。

具體實施方式

結合實施例對本實用新型作進一步的說明，應該說明的是，下述說明僅是為了解釋本實用新型，并不對其內容進行限定。

實施例1：模擬炭質大分子在不同的焦化條件下快速制備焦樣的裝置

一種模擬炭質大分子在不同的焦化條件下快速制備焦樣的裝置，其結構如圖1所示，包括：反應釜4和加熱爐1；所述反應釜4位于加熱爐1的空腔內，由支架(圖中未畫出)支撐在加熱爐1的空腔的中央。反應釜4的上端設有用于密封反應釜4的反應釜蓋3，與反應釜4通過法蘭及螺栓連接；所述反應釜蓋3上設有出氣口，用于逸出氣體產物；出氣口通過氣體出口管線15與背壓閥門16相連，用于設定及控制反應釜內的壓力；氣體出口管線15上還依次設有冷凝器18和壓力表17，其中，冷凝器18采用循環水冷凝焦化產生的油氣，避免 損壞背壓閥；壓力表17用于監測反應釜內的壓力.

反應釜4的環壁上設有原料進口和循環油進料口，分別通過管線與原料油罐14和循環油罐5相連；原料油罐14和原料進口之間的管線上設有第一流量泵6，循環油罐5和循環油進料口之間的管線上設有第二流量泵13；分別通過第一流量泵6和第二流量泵13對管線中的原料及循環油液體流速進行調控。可以在原料反應的同時進行循環油的添加，改變反應原料的結構組成，為特殊形態成焦提供必要的條件。

反應釜4的底蓋上設有進氣口，用于相應反應氣氛的通入，通過氣體進口管線與氣瓶10相連；通過注氣流量變化在反應釜4內模擬形成不同強度的氣流沖擊、逸出、剪切、攪拌效應。氣體進口管線11上設有流量計12，用于測定注氣流速。

所述加熱爐1與程序溫控器相連，該程序溫控器包括熱電偶8和控制終端7，通過程序溫控器對爐體內的溫度進行有效的控制。所述加熱爐1內有一長方體空腔，采用中/低頻電磁震蕩作用快速提升電磁線圈范圍內反應裝置的溫度，其產生的能量能在較短時間內作用在金屬反應器內部，最大程度的快速提升裝置內溫度，提高傳熱效率，縮減了反應原料焦化時間。所述加熱爐1的外側設有保溫層2，用于反射高溫輻射能量，隔絕熱對流，減少熱損失。

實施例2：模擬炭質大分子在不同條件下快速制備焦樣的方法

(1)開啟加熱爐1，將安裝好的反應釜4與反應釜蓋3放置在其中的固定點，然后將反應釜體4與原料進料管，循環油進料管，氣體進口管，氣體出口管通過螺栓緊固連接好，然后關上加熱爐1的門。

(2)關閉氣體出口管線、原料進料管線、循環油進料管線上的閥門16及泵6、13，從氣體進口管線通入反應所需氣氛，達到一定壓力時關閉氣瓶10的閥門，打開氣體出口管線15上的閥門16，放空反應釜4內的氣體，如此反復三次，排出其中的空氣。

(3)排出空氣后，設定背壓閥16穩定壓力值，維持反應釜4內壓力維持在預設值，用以反映焦化裝置內壓力；打開溫度控制系統7，設定溫度程序變化序列，使反應溫度按照設置變化(包括線性升溫、恒溫等)，用以反映焦化溫度。

(4)達到預設反應溫度后。先開啟氣體進口閥，保持一定量的注氣，防止反應原料注入后從氣體進口處外泄。開啟流量泵13，從原料進口管線按照設定流量注入反應原料，原料在反應釜體內底部被快速加熱到反應溫度，發生焦化反應。

(5)反應過程中，控制氣體進出口氣速，通過注入氣體，模擬不同強度的氣流沖擊、逸出、剪切、攪拌效應。

(6)特定焦化成焦制備需要加入循環油，在需要注入的時間達到后，打開循環油進料閥， 通過流量泵5按照一定流量注入循環油參與反應。

(7)焦化成焦成型完成后，烘焙2～4小時，同時利用氣體進口注入惰性氣體吹掃煙氣和油氣，迅速冷卻，待降至50℃時，關閉氣體進/出口管線上的閥門16，打開加熱爐1，將各條管線拆卸完畢，取出反應釜4，得到焦化所得成焦。

實施例3：模擬制備類彈丸焦焦樣

采用實施例1的裝置，按實施例2制備焦樣的方法進行焦樣制備，在溫度為500℃，壓力為0.1MPa，無循環油，氣速在1.5L/min(強烈沖擊作用)的苛刻焦化條件下，采用重質油原油蒸餾殘渣油作為焦化原料實施焦化，所得焦樣呈彈丸狀，可視作類工業級彈丸焦焦樣，焦樣的形貌如圖2所示。

實施例4：模擬制備類海綿焦焦樣

采用實施例1的裝置，按實施例2制備焦樣的方法進行焦樣制備，在溫度為480℃，壓力為0.15MPa，循環油(循環比0.2)，氣速在0.5L/min(氣流攪拌作用)的緩和焦化條件下，采用重質油原油蒸餾殘渣油作為焦化原料實施焦化，所得焦樣呈海綿狀，可視作類工業級海綿焦焦樣，焦樣的形貌如圖3所示。

實施例5：模擬制備類針狀焦樣

采用實施例1的裝置，按實施例2制備焦樣的方法進行焦樣制備，分兩段變溫變壓變循環焦化反應，第一階段：溫度為430℃，壓力為1.0MPa，無循環油，氣速在0.1L/min(氣流輕微攪拌作用)的緩和焦化條件下，采用催化裂化油漿作為焦化原料實施初步緩和焦化；第二階段：溫度為480℃，壓力為0.8MPa，循環油(循環比1.5)，氣速在0.8L/min(氣流定向拉絲作用)的焦化條件下所得焦樣呈針狀，可視作類針狀焦樣，焦樣的形貌如圖4所示。