昌吉石油仪器检测渣油浅度裂化反应的强化效应

石油是目前全球消费量最大的能源，至 2040 年 石油仍将占总能源消费量的 31%，且石油还是众多 化学制品的原材料。在轻质油储量减少的背景 下，采收及加工重质油是满足未来能源及化学制品 需求的一个重要途径。因目前重质油的采收及加工 过程的能耗大、碳排放量高，研究开发重质油的加工 新方法符合时代发展需求。
开展了微波加热下重质 油采收过程的模拟实验，结果表明，当添加纳米金属 颗粒后，在微波辐射下重质油从模拟沙土的流出速 率加快，过程的能耗降低。Jackson以活性炭为添 加剂，采用微波处理原油使其发生裂化反应，经微波 辐射 10 min 后油样在 20℃时的黏度由 11 300 mPa·s 降至62 mPa·s。
上海昌吉等利用微波辐射纳米炭黑与重 质原油的混合物，经处理 60 min 后油样的黏度降低 96%，沥青质质量分数降低 4. 55%。

上海昌吉地质仪器研究了重质油中的重组分在微波加热过程 中所发生的化学变化，并探究重质油在微波加热下 的裂化程度较常规电加热时大的原因，并对微波的作用加以阐释。

材料与试剂
减压渣油( VDＲ) ，中石化上海高桥石油化工有 限公司生产

实验仪器及方法
2. 1 渣油的裂化实验
渣油的裂化反应在多模微波加热反应装置内进行，微波炉型号为格兰仕 P70D20TPC6，功 率 为 700 W; 石英烧瓶的体积为 250 mL。 1—改装微波炉; 2—250 mL 石英烧瓶; 3—热电偶及温度 显示仪表; 4—氮气管线; 5—搅拌装置; 6—冷凝器; 7—冰水浴; 8—气体采样袋向烧瓶中加入 80 ～ 90 g 渣油，并按质量比为 2%加入粒度 40 ～ 60 目的活性炭。连接实验装置， 开启搅拌，并以流量为 1 L /min 的 N2 置换烧瓶及冷 凝管内的空气，置换时间为 20 min。其后关闭氮气， 连接气体采样袋，并开启微波。加热结束待样品冷 却至 90℃时拆卸实验装置，将冷浴中收集的少量轻 油转移至烧瓶内混匀。利用 100 目不锈钢网趁热将 活性炭颗粒滤出，取滤液用于分析表征。在常规加 热下的对照实验中，利用电加热套代替微波炉对反 应物加热。
2. 2 渣油及活性炭的介电性质测量方法 采用谐振腔微扰法测量渣油及活性炭在微波频 率 2 450 MHz、温度为 20 ～ 300℃ 时的介电性质。谐 振腔微扰法的原理及装置见。因固体物质 的介电性质受堆密度影响，在测量中保持活性炭的 堆密度为 0. 4 g /cm3 。
2. 3 分析表征方法 以产物油的黏度降幅及 API 度增幅评价渣油 的裂化反应程度，并根据标准 SH /T 0509—2010 测 量原料及产物油的 SAＲA 组分质量含量。
以装有 FID 检测器的气相色谱仪分析气体产物 的烃类组成，毛细管色谱柱的型号为 SE－30。 利用 Nicolet 6700 型傅里叶变换红外光谱仪 ( FT－IＲ) 表征原料及产物油沥青质官能团的变化。 利用 Avance Ⅲ 400 型 400 MHz 超导傅里叶变换核 磁共振波谱仪( NMＲ) 分析沥青质中氢元素化学环 境的变化。利用 D /max 2550VB /PC 型 X 射线衍射 仪( XＲD) 对沥青质的物相变化进行分析。利用 S－ 3400N 型真空扫描电子显微镜( SEM) 观察沥青质 表面形貌的变化。

结果与分析
3. 1 渣油的加热曲线 采用不同方式加热时反应物的温度曲线如图 2 所示。由图 2 可以看出，由于活性炭吸收微波的能 力强于渣油，所以添加活性炭后样品的微波加热速率大幅提升，且当温度为 150 ～ 200℃时，观察到气采样袋鼓起。
3. 2 产物油及气体的分析 产物油的黏度及 API 度的变化如表 2 所示。由 表 2 可以看出，在电加热下，活性炭未对反应产生影 响，产物油的黏度降幅及 API 度增幅分别为 73. 6% 及 0. 42。
3. 3 沥青质化学结构的变化 分离出原料及产物油的庚烷沥青质，利用 FT－ IＲ、1 H－NMＲ、XＲD 及 SEM 对各沥青质样品进行表 征，探究加热方式对沥青质理化结构的影响，并研究 沥青质在渣油裂化过程中所发生的化学变化。

Hβ 及 Hγ 的质量分数降低意味着沥青质的烷 基侧链变短。当活性炭存在并以微波加热时，烷基 侧链的断裂程度更大，同时芳环结构在分子中的占 比升高。

结论
当辅助吸波材料活性炭存在时，渣油经微波加 热发生裂化反应后所得产物油的黏度降低 84. 8%， 沥青质质量分数降低 7. 1%; 在裂化反应过程中沥 青质的侧链发生断裂，并转化为饱和分或气体产物。 因活性炭的微波吸收能力强于渣油，在微波辐 射下活性炭作为热点分散于反应物体系内，并且活 性炭颗粒上发生放电现象。热点效应及微波放电对 反应过程的强化使得渣油的裂化程度加深。