基于多重光散射的蠟油摻渣體系穩(wěn)定性評價方法

管秀鵬， 田松柏

(1.大昌洋行(上海)有限公司，上海 200233；2.中國石化 石油化工科學研究院，北京 100083)

蠟油是催化裂化工藝的重要原料。但隨著原油重質化程度加劇以及市場對輕質油品需求的增加，需要將盡可能多的減壓渣油摻入蠟油以增加減壓渣油的處理量。然而，有時摻渣量過多不僅會導致裝置的嚴重結焦、結垢，而且還會使催化劑的使用壽命大大縮短。為了避免這些問題的發(fā)生，技術人員一般通過對摻渣蠟油中金屬、殘?zhí)康戎匾笜说南拗?，來確定最佳摻渣比例。盡管如此，仍然發(fā)現(xiàn)一些金屬、殘?zhí)枯^低的摻渣蠟油遇到了嚴重的加工問題。目前對于渣油膠體穩(wěn)定性的研究，主要還是基于經(jīng)典的四組分模型[1]，采用滴定的方法，根據(jù)在滴定過程中體系某一方面性質突變時[2]，所需要滴加劑的量來判斷體系的相對穩(wěn)定性。這類方法有顯微鏡法[3]、黏度法[4-6]、電導率法[7-8]等。此類方法一是無法反映體系的穩(wěn)定性隨時間的變化情況，二是只能得到體系的相對穩(wěn)定性，無法確定體系的真正穩(wěn)定狀態(tài)。

根據(jù)筆者團隊研究石油膠體體系的經(jīng)驗，認為蠟油摻渣體系出現(xiàn)沉積物這種現(xiàn)象很可能與體系不穩(wěn)定造成相分離有關。因此，借鑒原油混合過程中建立的體系穩(wěn)定性判斷方法[9]，利用Turbiscan穩(wěn)定性分析儀研究了蠟油摻渣體系的穩(wěn)定性，得到的結果很好地解釋了油漿換熱器堵塞現(xiàn)象，并確定了判斷蠟油摻渣體系不穩(wěn)定時的不穩(wěn)定參數(shù)閾值。

1 實驗部分

1.1 原料

蠟油，中國石化某煉油廠蒸餾裝置減二和減三線蠟油混合物。精制蠟油，將蠟油經(jīng)過加氫處理脫除其中一部分雜質后形成的精制蠟油。3種不同基屬減壓渣油：蘇丹減壓渣油(簡稱蘇丹減渣Sudan VR，石蠟基)，勝利減壓渣油(簡稱勝利減渣Shengli VR，中間基)，奎都減壓渣油(簡稱奎都減渣Kuidu VR，環(huán)烷基)，均由中國石化石油化工科學研究院實驗室提供。3種減壓渣油的四組分組成見表1。

模擬催化裂化原料：按照某煉油廠提供的出現(xiàn)問題的蠟油摻渣比例進行配制，蠟油、精制蠟油、蘇丹減渣質量比為5∶9∶6，即蘇丹減渣質量分數(shù)為30%。

1.2 不穩(wěn)定性參數(shù)分析

采用法國Formulaction公司生產(chǎn)的穩(wěn)定性分析儀(Turbiscan)對摻渣蠟油體系進行穩(wěn)定性分析。Turbiscan穩(wěn)定性分析儀由光源、樣品池、檢測器3部分組成。光源是一個發(fā)射波長為880 nm的近紅外脈沖光源，2個檢測器分別為透射光檢測器和背散射光檢測器。在掃描過程中，近紅外光遇到粒子或聚集體時，會發(fā)生散射現(xiàn)象，通過透射光檢測器接受透射光(T)，反向檢測器接受背散射光(BS)。近紅外脈沖光源在0～55 mm樣品池高度范圍內(nèi)，由下至上連續(xù)掃描，同時采集背散射光及透過光數(shù)據(jù)。通個軟件控制每分鐘掃描一次，共掃描500 min，對掃描數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析得到標準偏差，其值越大，表明每次測定的數(shù)據(jù)差別越大，體系越不穩(wěn)定，筆者將其定義為體系的不穩(wěn)定性參數(shù)(Unstability number，USN)，公式如式(1)所示。

(1)

式中：Xn為每次掃描的透過光和被散射光數(shù)據(jù)的加和值；XT為多次測定的Xn的平均值；n為實驗掃描次數(shù)。

摻渣蠟油體系的不穩(wěn)定性參數(shù)實驗方法參考文獻[9]和ASTM標準方法[10]。將摻渣蠟油樣品與甲苯按質量比為1∶9混合配制甲苯混合物，取2 mL的甲苯混合物與23 mL正庚烷混合均勻后制得待測樣品；然后迅速將20 mL待測樣品置于樣品池，并插入穩(wěn)定性分析儀中，在常壓、50 ℃下掃描得到散射光和透過光光譜圖，計算出摻渣蠟油體系的不穩(wěn)定性參數(shù)。

1.3 熱重分析

將減壓渣油和蠟油按一定比例混合，然后取一定質量(m0，mg)的混合樣品置于TGA 2950型熱重分析儀中進行熱重結焦分析。首先將樣品在氮氣氣氛下從常溫開始進行熱重分析，隨著溫度的升高，樣品的質量會因為分解、揮發(fā)而漸漸減少，同時體系中的瀝青質集團會相互聚集形成較大的聚集集團，在高溫的作用下瀝青質聚集集團會進一步縮合生成類似焦炭物質。當達到一定溫度和時間后，樣品的質量不再減少，此時僅剩下瀝青質聚集物及部分雜質，記下此時的質量(m1，mg)。然后將氮氣切換為氧氣，進行升溫，在氧氣作用下，樣品的質量逐漸減少，經(jīng)過一段時間后，樣品的質量不再減少，此時剩下的是樣品中的雜質(沙石、金屬等非焦炭物質)，記下此時的質量(m2，mg)，體系的生焦質量分數(shù)(w(Coke)，%)按式(2)計算。

w(Coke)=(m1-m2)/m0×100%

(2)

2 結果與討論

2.1 4種油樣的不穩(wěn)定性參數(shù)

蠟油、精制蠟油、蘇丹減渣及模擬催化裂化原料4種油樣的不穩(wěn)定性參數(shù)隨測定時間的變化如圖1所示。由圖1可知，蠟油、精制蠟油、蘇丹減渣的不穩(wěn)定性參數(shù)都較小，說明3種油樣具有較好的穩(wěn)定性。但是，隨著測定時間的延長，模擬催化裂化原料混合體系的不穩(wěn)定性參數(shù)急劇增大，說明3種油樣混合后穩(wěn)定狀態(tài)被嚴重破壞。筆者認為，國內(nèi)某煉油廠出現(xiàn)的油漿換熱器堵塞，很可能就是原料混合后形成的不穩(wěn)定體系造成的。

USN—Unstability number； VR—Vacuum residue oil圖1 4種油樣的不穩(wěn)定性參數(shù)隨測定時間的變化Fig.1 Change in unstability number of 4 oil sampleswith determination timeConditions: V(Sample)=20 mL; T=25 ℃; Atmospheric pressure

2.2 蠟油與減壓渣油混合比例對體系穩(wěn)定性的影響

為了確定蠟油摻渣體系穩(wěn)定性試驗的最佳時間，考察在奎都減渣和蠟油的混合體系中，奎都減渣摻入質量分數(shù)對蠟油摻渣體系的不穩(wěn)定性參數(shù)的影響，結果見圖2。由圖2可以看出，在摻入不同質量分數(shù)奎都減渣的條件下，蠟油摻渣體系的不穩(wěn)定性參數(shù)均在測定時間高于3 h時基本恒定，因此采用蠟油摻渣體系在測定時間為3 h內(nèi)的不穩(wěn)定性參數(shù)來表征蠟油摻渣體系的穩(wěn)定性，更能夠反映不同蠟油摻渣體系之間的差別。

將蘇丹減渣、勝利減渣、奎都減渣按不同質量分數(shù)摻入蠟油中得到相應的蠟油摻渣體系，考察在測定時間為3 h時減壓渣油的摻入質量分數(shù)對蠟油摻渣體系穩(wěn)定性的影響，蠟油摻渣體系的不穩(wěn)定性參數(shù)與減壓渣油摻入質量分數(shù)的關系曲線如圖3所示。

USN—Unstability number； VR—Vacuum residue oil圖2 不同測定時間奎都減渣摻入量對奎都減渣和蠟油混合體系的不穩(wěn)定性參數(shù)的影響Fig.2 Influence of the mixing amount of Kuidu VRon the USN of the mixed system of Kuidu VR andwax oil at different determination timeConditions: V(Sample)=20 mL; T=25 ℃; Atmospheric pressure

USN—Unstability number； VR—Vacuum residue oil圖3 減壓渣油摻入質量分數(shù)對3種減壓渣油和蠟油混合體系不穩(wěn)定性參數(shù)的影響Fig.3 Influence of vacuum residuum mass fraction on USNof three mixed systems of vacuum residuum and wax oilConditions: V(Sample)=20 mL; T=25 ℃； Atmospheric pressure

從圖3可以看出，3種減壓渣油和蠟油混合體系的不穩(wěn)定性參數(shù)都隨著減壓渣油摻入比例的增加，呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢。這是因為剛開始混合時，減壓渣油摻入量少，其被有效地分散在蠟油中；但當減壓渣油摻入量逐漸增加時，蠟油對減壓渣油的相容性變差，體系變得越不穩(wěn)定；到達極限狀態(tài)后，繼續(xù)增加減壓渣油的摻入比例，則減壓渣油成為混合體系的主體，蠟油逐漸被分散在減壓渣油中，體系又變得逐漸穩(wěn)定。盡管在研究中采用的是同一種蠟油，但蘇丹減渣、奎都減渣、勝利減渣的基屬和組成差別很大，因此減壓渣油和蠟油混合體系形成最大不穩(wěn)定參數(shù)的比例以及不穩(wěn)定性參數(shù)大小具有明顯的差別。

2.3 蠟油摻渣體系結焦性能的熱重分析

為了建立蠟油摻渣體系的不穩(wěn)定性參數(shù)與體系穩(wěn)定性的對應關系，對不同蠟油摻渣體系進行了熱重分析。蠟油和3種減壓渣油的生焦質量分數(shù)結果見表2。由表2可知，蠟油在熱重分析過程中沒有明顯焦炭生成。

表2 蠟油和3種減壓渣油的生焦質量分數(shù)Table 2 Coking mass fraction of wax oil andthree vacuum residuums

實際生焦質量分數(shù)為樣品熱重分析的測量值。對于渣油與蠟油的混合體系而言，由于蠟油沒有明顯的生焦，理論生焦質量分數(shù)為實際生焦質量分數(shù)乘以混合體系中渣油的質量分數(shù)。根據(jù)Wiehe[11]的研究結果：如果組分的相容性較好，體系穩(wěn)定，則實際生焦質量分數(shù)應該等于理論生焦質量分數(shù)，而且當某一組分對其他組分有增溶作用時，實際生焦質量分數(shù)甚至小于理論生焦質量分數(shù)；若體系不穩(wěn)定，則實際生焦質量分數(shù)將大于理論生焦質量分數(shù)。因此，通過實際生焦質量分數(shù)與理論生焦質量分數(shù)的差值(簡稱焦炭增量)可以推斷體系的穩(wěn)定狀態(tài)，即差值為負，則體系穩(wěn)定；若差值為正，則體系不穩(wěn)定。由此判斷的體系穩(wěn)定性結果列于表3，并與對應的蠟油摻渣體系的不穩(wěn)定性參數(shù)進行比較。由對比數(shù)據(jù)可以看出，穩(wěn)定性結果與體系的不穩(wěn)定性參數(shù)有很好的對應關系。其中表3的結果與某煉油廠的實際情況完全相符，即渣油多摻和少摻，體系穩(wěn)定；摻入量不合適時，體系不穩(wěn)定。說明用不穩(wěn)定性參數(shù)的大小來判斷蠟油摻渣體系的穩(wěn)定性有一定的合理性。

表3 減壓渣油摻入量對3種減壓渣油和蠟油混合體系生焦質量分數(shù)和穩(wěn)定性的影響Table 3 Influence of the mixing amount of vacuum residuum on the coking mass fraction andstability of three mixing systems of vacuum residuum and wax oil

2.4 蠟油摻渣體系的不穩(wěn)定性參數(shù)范圍確定

為了驗證不穩(wěn)定性參數(shù)在判斷蠟油摻渣體系穩(wěn)定性中的重要作用，繪制了焦炭增量與不穩(wěn)定參數(shù)的相互關系圖，結果見圖4。從圖4可以看出：無論蠟油中摻入的是何種類型的減壓渣油，當不穩(wěn)定性參數(shù)在10以下時，焦炭增量都為負數(shù)，表明體系穩(wěn)定；而不穩(wěn)定性參數(shù)在12以上時，焦炭增量都為正數(shù)，表明體系不穩(wěn)定。由此可以確定體系穩(wěn)定性的不穩(wěn)定性參數(shù)閾值。煉油廠在蠟油摻渣操作過程中，應盡量將不穩(wěn)定性參數(shù)控制在10以下，以最大限度地減少裝置故障以及降低焦炭收率。

USN—Unstability number；VR—Vacuum residue oil圖4 焦炭增量與不同蠟油摻渣體系不穩(wěn)定參數(shù)關系圖Fig.4 Relationship between coke increment and USN ofdifferent wax oil and slag mixing systems

3 結 論

(1)采用Turbiscan穩(wěn)定性分析儀分別對3種不同基屬的減壓渣油(蘇丹減渣，石蠟基；勝利減渣，中間基；奎都減渣，環(huán)烷基)與蠟油混合體系進行不穩(wěn)定性參數(shù)評價，結果表明，蠟油摻渣體系的不穩(wěn)定性參數(shù)與減壓渣油的種類和摻入比例密切相關。

(2)根據(jù)不穩(wěn)定性參數(shù)的大小可以判斷蠟油摻渣體系的穩(wěn)定狀態(tài)。當蠟油摻渣體系的不穩(wěn)定性參數(shù)在10以下時，體系是穩(wěn)定的；但當體系的不穩(wěn)定性參數(shù)超過10時，有可能因為體系產(chǎn)生相分離，影響裝置的正常運行或生焦量增加。

(3)盡管發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定參數(shù)與熱轉化過程中的焦炭增量有關，并解釋了某煉油廠催化加工蠟油摻渣原料時出現(xiàn)的現(xiàn)象，但仍有必要針對更廣泛的加工場景進行更進一步的研究，包括蠟油種類對蠟油摻渣體系穩(wěn)定性的影響，不穩(wěn)定性參數(shù)大小對于催化裂化、渣油加氫產(chǎn)品分布的影響等，以使建立起來的方法得到更廣泛的應用。