本實用新型屬于重質(zhì)油熱加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種模擬炭質(zhì)大分子延遲焦化過程快速焦化制備成焦的裝置。

背景技術(shù)：

世界原油資源日益重質(zhì)化和劣質(zhì)化，尤其是再加上加工重質(zhì)原油所帶來的成本優(yōu)勢，導(dǎo)致全球約有42％的石化煉制企業(yè)(美國：甚至高達2/3煉制企業(yè))傾向于提高加工原料中重質(zhì)原油的比例，隨之產(chǎn)出的渣油、FCC油漿、乙烯焦油等重質(zhì)油料數(shù)量也必然隨之增大。這些重質(zhì)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(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性差，都屬于加工難度較大的劣質(zhì)重油。我國石化煉制企業(yè)當(dāng)前面臨的主要挑戰(zhàn)之一便是如何最大限度地加工利用這些劣質(zhì)重油，提高資源利用效率，增加企業(yè)經(jīng)濟效益，因此，高效轉(zhuǎn)化重質(zhì)油料的加工技術(shù)成為了各大煉制企業(yè)和國際能源公司空前關(guān)注的焦點。美國《石油時代》評述重油加工技術(shù)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(shù)，特別適合加工重質(zhì)油料。

以重質(zhì)原油渣油作為原料，采用延遲焦化(簡稱焦化)進行加工，生產(chǎn)輕質(zhì)油料的同時會副產(chǎn)大量的石油焦炭。焦化過程一般產(chǎn)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(zhì)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(tài)——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(chǎn)和安全問題：焦炭塔拆卸底蓋時，彈丸焦松散的結(jié)構(gòu)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(xiàn)場操作人員存在較大的安全威脅；在生產(chǎn)過程中使焦炭塔產(chǎn)生“騰涌”現(xiàn)象，造成塔體非正?；蝿樱纬砂踩[患。

另外能源企業(yè)還廣泛采用焦化技術(shù)，加工FCC油漿、乙烯焦油原料，生產(chǎn)針狀焦。針狀焦外觀為銀灰色、有金屬光澤的多孔固體，其結(jié)構(gòu)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(zhì)油料焦化成焦的特性是影響延遲焦化轉(zhuǎn)化效果、加工成本、產(chǎn)品分類的關(guān)鍵因素之一，焦化成焦特性的調(diào)控研究更是目前能源行業(yè)的重點研究領(lǐng)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(yīng)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(zhuǎn)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(yīng)，也不能實施重質(zhì)油料焦化過程中的循環(huán)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(xù)分析表征，同時在經(jīng)濟上也不合算。因此，開發(fā)一種模擬炭質(zhì)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(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)，本實用新型的目的是提供一種模擬炭質(zhì)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(xiàn)不同條件下炭質(zhì)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(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下技術(shù)方案：

一種模擬炭質(zhì)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(yīng)釜和加熱爐；

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

反應(yīng)釜的環(huán)壁上設(shè)有原料進口和循環(huán)油進料口，分別通過管線與原料油罐和循環(huán)油罐相連；可以在原料反應(yīng)的同時進行循環(huán)油的添加，改變反應(yīng)原料的結(jié)構(gòu)組成，為特殊形態(tài)成焦提供必要的條件。

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

所述加熱爐與程序溫控器相連，通過程序溫控器對爐體內(nèi)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(shè)有冷凝器，采用循環(huán)水冷凝焦化產(chǎn)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(shè)有壓力表，用于監(jiān)測反應(yīng)釜內(nèi)的壓力。

進一步的，所述氣體進口管線上設(shè)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(shè)有第一流量泵，循環(huán)油罐和循環(huán)油進料口之間的管線上設(shè)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(huán) 油液體流速進行調(diào)控。

進一步的，所述供氣系統(tǒng)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(yōu)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(yōu)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(nèi)反應(yīng)裝置的溫度，其產(chǎn)生的能量能在較短時間內(nèi)作用在金屬反應(yīng)器內(nèi)部，最大程度的快速提升裝置內(nèi)溫度，提高傳熱效率，縮減了反應(yīng)原料焦化時間。

進一步的，所述加熱爐的外側(cè)設(shè)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(shè)定溫度程序變化序列，使反應(yīng)溫度按照設(shè)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(zhì)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(yīng)釜內(nèi)的空氣，設(shè)定背壓閥門穩(wěn)定壓力值，使反應(yīng)釜內(nèi)壓力維持在預(yù)設(shè)值，用以反映焦化裝置內(nèi)壓力；打開程序溫控器，設(shè)定溫度程序變化序列，使反應(yīng)溫度按照設(shè)置變化，用以反映焦化溫度；

(2)達到預(yù)設(shè)反應(yīng)溫度后，通過氣體進口管線向反應(yīng)釜內(nèi)注氣，防止反應(yīng)原料注入后從氣體進口處外泄，開啟第一流量泵，注入反應(yīng)原料，原料在反應(yīng)釜體內(nèi)底部被快速加熱到反應(yīng)溫度，發(fā)生焦化反應(yīng)；

(3)反應(yīng)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(yīng)；

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

(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(yīng)釜內(nèi)壓力的預(yù)設(shè)值優(yōu)選為-0.1MPa～1MPa。

上述方法，步驟(1)中，焦化溫度優(yōu)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(jié)構(gòu)簡單，能夠模擬不同的焦化溫度、焦化壓力、循環(huán)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(yè)上優(yōu)化反應(yīng)條件提供基礎(chǔ)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(xù)通入可以起到攪拌的作用，反應(yīng)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(yīng)物料較為黏稠時通過定向沖刷形成拉絲或針狀宏觀結(jié)構(gòu)，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(chǎn)物、生物質(zhì)熱解油、石油及其衍生物等多種炭質(zhì)大分子焦化成焦的制備，不僅能為石油行業(yè)提供重要的焦化物料數(shù)據(jù)，還能為探索成焦形貌調(diào)控、針狀焦制備適宜條件提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為后續(xù)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(jié)構(gòu)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(huán)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(yīng)釜蓋，4.反應(yīng)釜，5.循環(huán)油罐，6.第一流量泵，7.控制終端，8.熱電偶，9.反應(yīng)釜底蓋，10.供氣系統(tǒng)(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(jié)合實施例對本實用新型作進一步的說明，應(yīng)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(nèi)容進行限定。

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

反應(yīng)釜4的環(huán)壁上設(shè)有原料進口和循環(huán)油進料口，分別通過管線與原料油罐14和循環(huán)油罐5相連；原料油罐14和原料進口之間的管線上設(shè)有第一流量泵6，循環(huán)油罐5和循環(huán)油進料口之間的管線上設(shè)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(huán)油液體流速進行調(diào)控?？梢栽谠戏磻?yīng)的同時進行循環(huán)油的添加，改變反應(yīng)原料的結(jié)構(gòu)組成，為特殊形態(tài)成焦提供必要的條件。

反應(yīng)釜4的底蓋上設(shè)有進氣口，用于相應(yīng)反應(yīng)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(yīng)釜4內(nèi)模擬形成不同強度的氣流沖擊、逸出、剪切、攪拌效應(yīng)。氣體進口管線11上設(shè)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(nèi)的溫度進行有效的控制。所述加熱爐1內(nèi)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(nèi)反應(yīng)裝置的溫度，其產(chǎn)生的能量能在較短時間內(nèi)作用在金屬反應(yīng)器內(nèi)部，最大程度的快速提升裝置內(nèi)溫度，提高傳熱效率，縮減了反應(yīng)原料焦化時間。所述加熱爐1的外側(cè)設(shè)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(zhì)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(yīng)釜4與反應(yīng)釜蓋3放置在其中的固定點，然后將反應(yīng)釜體4與原料進料管，循環(huán)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(guān)上加熱爐1的門。

(2)關(guān)閉氣體出口管線、原料進料管線、循環(huán)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(yīng)所需氣氛，達到一定壓力時關(guān)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(yīng)釜4內(nèi)的氣體，如此反復(fù)三次，排出其中的空氣。

(3)排出空氣后，設(shè)定背壓閥16穩(wěn)定壓力值，維持反應(yīng)釜4內(nèi)壓力維持在預(yù)設(shè)值，用以反映焦化裝置內(nèi)壓力；打開溫度控制系統(tǒng)7，設(shè)定溫度程序變化序列，使反應(yīng)溫度按照設(shè)置變化(包括線性升溫、恒溫等)，用以反映焦化溫度。

(4)達到預(yù)設(shè)反應(yīng)溫度后。先開啟氣體進口閥，保持一定量的注氣，防止反應(yīng)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(shè)定流量注入反應(yīng)原料，原料在反應(yīng)釜體內(nèi)底部被快速加熱到反應(yīng)溫度，發(fā)生焦化反應(yīng)。

(5)反應(yīng)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(yīng)。

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

(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(guān)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(yīng)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(huán)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(zhì)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(yè)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(huán)油(循環(huán)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(zhì)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(yè)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(huán)焦化反應(yīng)，第一階段：溫度為430℃，壓力為1.0MPa，無循環(huán)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(huán)油(循環(huán)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。