摘要：实验教学过程采用科研工作常用的正交试验法最优化方法,使用模拟蒸馏气相色谱仪、热台显微镜等科研相关的大型仪器。供氢剂存在下重油减黏裂化实验，可以较为全面地学习反应机理和反应规律，达到了设计型、研究型教学实验项目的教学效果。有利于在毕业论文阶段尽快地进入科研状态。能够全方位开拓和培养学生实践能力、吸引学生进行相关的课题研究。实验项目的改革符合高校转变教育思想的方针，提高人才培养质量的高校教育改革的目标，有一定的教学研究和探索的价值。

关键词：重油减黏裂化；供氢剂；模拟蒸馏；正交试验法；课题研究

0 引 言

“重油减黏裂化教学实验”是省级精品课《石油化学》专业实验课的骨干项目，实验学时长达 10 学时。本实验项目是在我校本科教学“三三三教学目标体系”方针指导下，结合我院科研工作进展，按照课题研究的教学实验模式设计和开设的。

现有的实验讲授内容过于具体，实验结果的评价手段相对简单。因此，教学改革紧密结合重油加工国家重点实验室的课题组在“重油供氢剂减黏课 ”的研究进展[1]，在实验过程中引入具有典型加氢特性的供氢剂化合物，依托科研实验使用的大型精密仪器， 热台 镜， 作为实验分析评价手段。丰富教学环节的内容，扩展产物分析的 及路线。学生通过扩充后的实验教学过程，掌握重油改质前后物性的 化相关领域中的研究方法，对课堂理论进一步认识和巩固。借此优化和细化教 学内容， 更好地建设综合型、研究型的教学实验项目。

1.实验理论指导思路

1.1 实验开始前的预习：

在进入实验室前，教师将相关实验背景及意义，以电子文档的形式发送给学生。其他实验项目结束后，带领学生提前进入实验场地，了解相关的实验仪器设备。教师提前告知学生需要预习的具体知识点范围，建议学生查阅相关文献知识，尤其是包括我院在内国际国内的关于供氢剂化合物在重油减黏裂化的研究成果，包括机理、方法、分析手段等相关实验技术背景。并通过电子邮件或 QQ 在线通讯的方式，指导学生写出具有课题调研性质的文献综述。其相关工作，将作为实验成绩考核的一部分。

1.2 原有实验内容：

重油减黏裂化是一种以高温裂解反应为主，其产物以最大限度不生焦为原则，借以降低物料黏度，以利于输送或进行下一步工艺处理的热改质过程。既有裂化反应又有缩合反应，其反应机理遵循烃类自由基反应历程。

实验教学过程：重油用氮气作保护气去隔绝空气，在高温条件下进行临氮状态下的简单纯粹热反应。反应结果依据产物黏度的降低程度，用毛细管黏度计测量黏度值。现有实验过程仅将减黏率作为单一目标参数来表征反应过程，不利于学生开拓相关领域的学习和探索。

1.3 实验改革的主要内容

为了最大限度地提高轻质油收率，研究表明：向重油减黏体系中加入供氢剂，抑制自由基的缩合反应，延缓生焦诱导期。提高了重油反应苛刻度，在基本不生焦状态下的减黏原则下，大幅度提高轻质液体油品收率。供氢剂可供选择的有强供氢体四氢萘(THN)或弱供氢体十氢萘(DHN)。可以引入相关研究思路，增加实验教学内容。

1.3.1 不同供氢剂的作用效果：

供氢剂的供氢效果因其自身结构不同而异。比如四氢萘是具有芳香环和环烷环结构的氢化芳烃结构，当重油在高温下发生裂化反应时，其能够提供活泼氢自由基。封闭沥青质等大分子自由基，减少其相互聚并产生有生焦趋势的大分子。四氢萘供氢后成为萘分子。相对应的十氢萘其分子空间结构比较不利于氢自由基的供给。三者之间在反应过程中的相互转化而导致争夺氢自由基的反应。

因此设计相关实验内容，考察四氢萘、十氢萘和萘分子之间供氢强弱和多少，揭示相互之间的转化关系和程度。让学生了解供氢剂在重油减黏裂化过程中作用机理。

1.3.2 工业供氢剂的应用效果：

我院课题组研究结果表明[2]：优选的工业供氢剂富含芳并环烷环结构，具有较强的供氢能力。添加此类供氢剂（如焦化产物375-395℃馏分的减压蜡油）改善反应操作，大幅度降低重油黏度的目的。设计实验内容，将不同类型供氢剂按照相同的百分含量加入反应体系，比较降黏率大小。同时对相同条件下的液相产物中生焦趋势进行比较，考察不同供氢剂对抑制缩合反应的能力。

1.4 实验方案以研究论文为前导：

作为研究型教学实验，本着以课题研究为导向，全方位、多层次地考察科研课题研究思路及技术路线。遵循科研的一般规律，首先进行模仿、复制、验证，是必不可少的一个阶段或者是一种方法。在充分了解现有的研究方法、手段及验证部分实验结果的前提下，才能吸收精华扬弃谬误，提出自己的解决之道或者创造性地开展自己的研究工作。

实验教学中教师提供相关学者的论文，讲解实验方案的设计，了解认识研究思路及方法。这实验指导教师长期从事相关领域的科研，具备研究理论和实践应用，易于得到学生认可。学生将理论课堂的知识，利用实验室现有的条件，在有限的教学实验课堂中，最大限度地去进行理论印证和规律获取。

2. 实验操作具体过程

2.1 实验条件的确定：

采用单点试验法来考察单独因素对于反应结果的影响，参考以前的实验条件，确定一个反应苛刻度及产物性质均衡的实验条件：比如温度为 410℃、反应时间为60min、供氢剂加入量 5% ，供氢剂种类等四个因素作为考察目标。在此基础上考察温度±10℃、时间±15min、供氢剂加入量±5%(wt)以及供氢剂种类分别为四氢萘、十氢萘或焦化蜡油馏分(VGO)等。

2.2 正交试验法的应用：

实验采用正交试验法确定最优实验条件。正交试验法就是利用正交表来对试验方案，进行整体设计、综合比较、统计分析，用较少的次数找到较优的实验或生产条件。有效整合各个因素和水平，可信地反映实验规律。其主要内容包括：第一，如何安排实验方案；第二，如何分析实验规律。对这两个方面的训练，有利于锻炼学生自主设计实验方案、如何分析实验数据并找寻实验规律。

本项目采用“四因素三水平”正交试验表来设计实验，学生按照一定的考察目标自行选择实验条件。具体是每组同学分别以考察反应温度的高低、反应时间的长短、供氢剂的种类等小目标下的操作条件对产物性质的影响规律。然后全班同学将数据进行汇总后，总结实验规律并解释其原因。总体的实验方案如下表1 和表2：

表1 正交试验的因素水平表

表2 正交试验结果与分析表

由表2 可知，根据数据分析的极差大小顺序为RC>RD>RA>RB，即影响重油减黏率的因素的顺序为“供氢剂有无或种类”>反应温度>反应时间>供氢剂加入量。上述实验结果是作为实验室考察反应规律得到的数据。实际应用过程中，由于四氢萘成本较高，很难作为工业原料或助剂。选择具有相对较高供氢活性的焦化蜡油馏分，在相同的添加量下，减黏率 79.82% 略小于强供氢剂四氢萘（ (82.12%) ），兼顾工艺运行的技术性和经济型。这也是实验室操作用于指导生产实际的具体事例，是学生学习认识的必要环节。最终确认此重油在供氢剂存在下的减黏裂化优化条件为：四氢萘、供氢剂量 10% 、反应温度 410^∘C 、反应时间60min。最优条件下所得反应产物减黏率 79.82% 。

2.3 供氢剂机理考察

实验设计方案以课题研究为目的，在有限的实验次数的情况下，比较有无供氢剂、不同供氢剂性能的比较等区别做机理研究。针对四氢萘、十氢萘及萘分子在供氢反应中存在反应选择性的问题研究，采用气相色谱仪来比较三者之间量的变化，分析考察供氢剂之间的转化规律。

讲解引入科研论文中考察供氢能力与夺氢能力不同时采用的化学探针法[3]，借此与《石油化学》课程中氢转移理论相印证，开拓学生的实践认知领域。指定几组同学进行试验，为全班提供实验数据支持。借以与正交试验法的实验条件的优化进行相互补充印证。

2.4 物馏程分布与反应条件的关系：

模拟蒸馏气相色谱，可以用较少的反应产物，考察不同反应条件下对反应产物馏程分布的影响。反应温度导致了裂化反应产物的增多。显示<350℃馏分随着温度升高而增多，而>350℃馏分逐渐减少。反应时间的延长也显示了相同的规律。添加同样含量供氢剂实验过程，看到供氢能力强的四氢萘比十氢萘参与的反应中，较多地抑制了缩合反应进行，即>350℃含量馏分较多；而裂化产物的<350℃馏分较多。细致的实验数据分析可知，几个影响因素之间的强弱关系与正交试验表的规律一致。

2.5 应用不同分析手段测定产物性质：

由于重油供氢剂减黏裂化实验评价指标较多，从实验室条件出发，确定减黏率作为宏观指标。重油在高压反应釜减黏反应后产物存在气、液、固三相（实验条件的选择可能产生类固体物，借以与生焦诱导期相联系）。

气体部分：采用气相色谱仪分析烃组成；液相部分：首先取样用斑点试验预测生焦诱导期，借以考察固体焦产生趋势。然后选择典型条件下的产物，进行克氏常减压蒸馏，分成汽油、柴油、蜡油馏分及尾油。汽油进行PONA 烃组成分析；蜡油按照n-d-M 法测定和计算结构族组成。尾油进行四组分分析。固体用溶剂抽提或离心测定焦碳。

3. 实验教学过程的评价

3.1 演示实验与实操实验相结合：

实验选择具有代表性的实验条件的反应产物，采用模拟蒸馏仪的演示实验，让学生了解反应产物馏程分布与反应条件的关系；利用气相色谱仪考察供氢剂参与反应的作用机理等。

采用热台显微镜，实时原位观察重油减黏裂化过程的形态变化，比如融化过程、热解过程，裂解气体的逸出、缩聚产物焦炭的形成变化等。多层次、多角度地让学生掌握减黏裂化反应实验的理论知识和提高实践操作能力，实现研究型实验教学的综合训练功能。

3.2 学生之间“教和学”角色互换

学生分别分批次进行动手操作和演示实验。在指导教师监督之下，在各自掌握的基础上交换角色，先期学习的同学作为实验指导，“现学现卖”，巩固实践操作，并借以考察学生掌握情况。在实验关键的某些节点上，如气相色谱仪的进样、色谱图的分析等，教师予以适时的细化讲解，借以再次强调。这作为学生评分成绩的一部分。

3.3 实验数据共享综合分析：

考核方面侧重于实验结束后，以班级为单位，汇总各组实验数据，自行组织分析，总结实验规律。实验指导教师予以点评，以加强学生通过设计型、研究型实验课的理论联系实际的应用能力。这一部分在实验报告的批阅和成绩给定中占较大比重。

4.实验效果反馈及总结

实验采用正交试验法最优化方法,将模拟蒸馏色谱仪和热台显微镜等仪器进行共享使用。通过教学效果反馈可知：学生对贴近科研实践和应用的项目比较认可。实验前期的调研和文献综述的撰写、科研论文的引导，使学生具有较高的实验热情，增加了主动性和对科研工作的浓厚兴趣。

供氢剂存在下重油减黏裂化实验，通过学习反应机理和反应规律，达到了设计型、研究型教学实验项目的目的。这一实践，能够全方位开拓培养学生实践能力、吸引学生进行课题研究，符合高校转变教育思想方针、提高人才培养质量的改革目标。

参考文献:

[1] 郭爱军，薛鹏，陈建涛，王宗贤.超稠油掺炼供氢剂的减黏裂化研究[J],炼油技术与工程，2013，43（5）：28-31

[2] 郭爱军，王宗贤，张会军，王冶卿.减压渣油掺炼工业供氢剂缓和转化的基础研究[J]，2007,35（6）：667-672

[3] 王冶卿.渣油热反应体系胶体化学与氢转移行为的研究[D],山东：中国石油大学，2006基金项目：中国石油大学（华东）校级精品课研究项目

作者简介：李庶峰，197302，男，山东章丘，高级实验师，硕士，研究方向石油化学及能源化工。muzili365@163.com