本發(fā)明屬于化學(xué)工程領(lǐng)域，具體地，涉及一種快速制備模擬管焦的裝置及方法，用于快速制備模擬管焦，克服動態(tài)實驗法管焦制備耗時過長的問題。

背景技術(shù)：

石油化工和煤化工領(lǐng)域，高溫重油在輸送管路或傳熱設(shè)備內(nèi)結(jié)焦是導(dǎo)致裝置能耗增大，甚至影響裝置開工周期的重要因素。管路內(nèi)壁的焦炭通常稱為“管焦”，其形成是高溫重油發(fā)生熱縮合反應(yīng)產(chǎn)生焦炭，并在管路內(nèi)壁長期累積的結(jié)果。為減少管路或設(shè)備結(jié)焦對設(shè)備傳熱和裝置能耗的不利影響，評價其影響程度，需研究管焦的傳熱性質(zhì)以及燒焦參數(shù)對燒焦效果的影響。而實際工業(yè)裝置上管焦的形成往往是長周期的，短則幾個月，長則幾年。因此，實驗條件下模擬管焦的制備是研究工作遇到的一大難題。

傳統(tǒng)的管焦制備通常采用動態(tài)實驗法，將高溫重油在管路內(nèi)進行長期循環(huán)，為縮短制備周期，往往采用比實際工業(yè)條件更高的溫度，加快管路內(nèi)的結(jié)焦速率。盡管如此，動態(tài)實驗法仍然存在實驗裝置流程復(fù)雜、操作困難、管焦厚度不易控制等問題。由于管焦是管路內(nèi)長期累積形成的，與常規(guī)焦炭相比，具有碳氫比高，孔隙率低的特點。因此，采用常規(guī)靜態(tài)實驗法制備的焦炭與管焦組成差別較大，無法用于管焦性能測試研究。

綜上所述，實驗條件下模擬管焦的制備是研究工作遇到的一大難題，目前未見快速有效的管焦制備方法報道，導(dǎo)致實際工業(yè)裝置管焦性能預(yù)測和燒焦參數(shù)確定大多依靠經(jīng)驗，無法進一步詳細評價和優(yōu)化相關(guān)參數(shù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)所存在的缺陷，本發(fā)明提供一種快速制備模擬管焦的裝置及方法，用于快速制備厚度均勻可控的管焦。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述方案：

快速制備模擬管焦的裝置，包括：充壓氣瓶、頂蓋、輔助生焦段、主生焦段、液收器，頂蓋通過連接螺栓連接在輔助生焦段頂端的法蘭上，輔助生焦段下端與主生焦段上端通過連接法蘭相連，主生焦段下端由密封法蘭封閉；其特征在于：頂蓋上設(shè)有油氣熱偶、充壓氣入口、油氣出口，頂蓋內(nèi)設(shè)有環(huán)形的集氣空腔，集氣空腔為環(huán)隙結(jié)構(gòu)，充壓氣入口、油氣出口均與集氣空腔連通，頂蓋的充壓氣入口與充壓氣瓶通過管線相連，該管線上設(shè)有減壓閥，充壓氣內(nèi)儲存有充壓氣，反應(yīng)前進行系統(tǒng)充壓，讓重油在高壓條件下反應(yīng)，可有效降低焦炭孔隙率；頂蓋的油氣出口與液收器通過油氣管線相連，用于排出反應(yīng)產(chǎn)生的油氣，該管線上由頂蓋至液收器方向依次設(shè)有壓力表、背壓閥，液收器連接有排氣閥。

優(yōu)選地，輔助生焦段、主生焦段直徑相同，根據(jù)重油生焦率不同主生焦段長度通常為輔助生焦段的0.2～0.4倍。

快速制備模擬管焦的方法，反應(yīng)前，重油自輔助生焦段頂部裝入生焦反應(yīng)腔，電加熱器將生焦反應(yīng)腔內(nèi)重油加熱至450～600℃，在高溫高壓條件下反應(yīng)生成焦炭和油氣，油氣通過頂蓋油氣出口排出，生焦反應(yīng)腔內(nèi)殘留的焦炭即為制備的模擬管焦；生焦反應(yīng)腔厚度即為制備的管焦厚度，采用不同直徑的空心套管，可控制所制備的管焦厚度；空心套管與生焦反應(yīng)腔間填充鋁箔，以方便生焦反應(yīng)后取出空心套管，將模擬管焦用于物性或燒焦性能測試。

優(yōu)選地，反應(yīng)前系統(tǒng)充壓至1.0～2.0MPa，生焦反應(yīng)腔內(nèi)重油加熱至450～600℃進行生焦反應(yīng)，反應(yīng)時間1～3h，以降低模擬管焦孔隙率。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果如下：裝置采用高溫高壓反應(yīng)環(huán)境和空心套管設(shè)計，能夠快速制備厚度均勻可控的管焦，克服常規(guī)方法管焦制備耗時長，管焦厚度難以控制的缺陷，對煉油化工和煤化工領(lǐng)域的管焦性質(zhì)研究和燒焦性能測試具有廣泛的適用性。

附圖說明

圖1為快速制備模擬管焦的裝置示意圖；

圖中：1、充壓氣瓶；2、頂蓋；3、輔助生焦段；4、主生焦段；5、液收器；6、油氣熱偶；7、充壓氣入口；8、油氣出口；9、集氣空腔；10、連接螺栓；11、連接法蘭；12、密封法蘭；13、電加熱器；14、生焦反應(yīng)腔；15、鋁箔；16、空心套管；17、減壓閥；18、壓力表；19、背壓閥；20、排氣閥。

具體實施方式

如圖1所示，快速制備模擬管焦的裝置，包括：充壓氣瓶1、頂蓋2、輔助生焦段3、主生焦段4、液收器5；頂蓋2通過連接螺栓10連接在輔助生焦段3頂端的法蘭上，輔助生焦段3下端與主生焦段4上端通過連接法蘭11相連，主生焦段4下端由密封法蘭12封閉；其中：頂蓋2上設(shè)有油氣熱偶6、充壓氣入口7、油氣出口8，頂蓋2內(nèi)設(shè)有環(huán)形的集氣空腔9，集氣空腔9為環(huán)隙結(jié)構(gòu)，充壓氣入口7、油氣出口8均與集氣空腔9連通，可分配充壓氣體和匯集反應(yīng)油氣；頂蓋2的充壓氣入口7與充壓氣瓶1通過管線相連，充壓氣入口7由集氣空腔9向系統(tǒng)內(nèi)通入充壓氣體，該管線上設(shè)有減壓閥17，用于控制系統(tǒng)充氣壓力，充壓氣瓶1內(nèi)儲存有充壓氣，所用充壓氣通常為氮氣或氦氣等惰性氣體；反應(yīng)前進行系統(tǒng)充壓，讓重油在高壓條件下反應(yīng)，可有效降低焦炭孔隙率；頂蓋2的油氣出口8與液收器5通過油氣管線相連，用于排出反應(yīng)產(chǎn)生的油氣，該管線上由頂蓋2至液收器5方向依次設(shè)有壓力表18、背壓閥19，液收器5連接有排氣閥20；壓力表18測量系統(tǒng)壓力，利用背壓閥19控制反應(yīng)過程中系統(tǒng)內(nèi)壓力恒定；油氣在液收器5內(nèi)被冷凝分離，液體產(chǎn)品在液收器5內(nèi)收集，氣體產(chǎn)品通過排氣閥20排出；油氣熱偶6測量反應(yīng)油氣溫度。

輔助生焦段3為兩端設(shè)有法蘭的直管段結(jié)構(gòu)，直管段外部設(shè)有電加熱器13，電加熱器13用于加熱生焦反應(yīng)腔14；主生焦段4為兩端設(shè)有法蘭的直管段結(jié)構(gòu)，直管段外部設(shè)有電加熱器13，電加熱器13用于加熱生焦反應(yīng)腔14；輔助生焦段3、主生焦段4直徑相同，根據(jù)重油生焦率不同主生焦段4長度通常為輔助生焦段3的0.2～0.4倍。

輔助生焦段3與主生焦段4內(nèi)部設(shè)有空心套管16，空心套管16與直管段之間形成生焦反應(yīng)腔14。

生焦反應(yīng)腔14提供重油生焦反應(yīng)的場所，空心套管16外部附有一層鋁箔15，便于反應(yīng)生焦后取出套管。

反應(yīng)前，重油自輔助生焦段3頂部裝入生焦反應(yīng)腔14，電加熱器13將生焦反應(yīng)腔14內(nèi)重油加熱至450～600℃，在高溫高壓條件下反應(yīng)生成焦炭和油氣，油氣通過頂蓋2排出，生焦反應(yīng)腔14內(nèi)殘留的焦炭即為制備的模擬管焦；生焦反應(yīng)腔14厚度即為制備的管焦厚度，采用不同直徑的空心套管16，可控制所制備的管焦厚度；空心套管16與生焦反應(yīng)腔14間填充鋁箔15，以方便生焦反應(yīng)后取出空心套管，將模擬管焦用于物性或燒焦性能測試。

快速制備模擬管焦的裝置及方法，具體實施步驟如下：

(1)生焦反應(yīng)所需重油由輔助生焦段3上端裝入生焦反應(yīng)腔14，將頂蓋2與輔助生焦段3上端法蘭相連，調(diào)整減壓閥17和背壓閥19，將系統(tǒng)充壓至2.0MPa，系統(tǒng)充壓完畢，關(guān)閉減壓閥17，打開排氣閥20。

(2)啟動輔助生焦段3和主生焦段4的電加熱器13，將生焦反應(yīng)腔14內(nèi)重油加熱至550℃進行生焦反應(yīng)，反應(yīng)時間3h，反應(yīng)溫度由頂蓋2上的油氣熱偶6測量。

(3)反應(yīng)完成，停止加熱，待系統(tǒng)自然冷卻后，卸下輔助生焦段3，拆下鋁箔15和空心套管16，主生焦段4的生焦反應(yīng)腔14內(nèi)殘留焦炭即為模擬管焦，可用于管焦物性測試或燒焦性能測試。