微型油料化验实验探索及仪器研制——以馏程测定实验为例_管亮.pdf

实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 2 期 2023 年 2 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.2 Feb.2023 收稿日期:2022-09-02 基金项目:重庆市自然科学基金面上项目（cstc2020jcyj-msxmX0274）；陆军勤务学院校级教学改革研究项目重点项目（2020-44）；陆军勤务学院校级教学改革研究项目一般项目（2021-41）作者简介:管亮（1979），男，湖南衡阳，博士，教授，主要研究方向为油气测控技术与系统，gl_。引文格式:管亮，杨庭栋，谷科城，等.微型油料化验实验探索及仪器研制以馏程测定实验为例J.实验技术与管理,2023,40(2):149-153.Cite this article:GUAN L,YANG T D,GU K C,et al.Exploration on microscale POL testing experiment and instrument development:Taking distillation range determination experiment as exampleJ.Experimental Technology and Management,2023,40(2):149-153.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.02.025 微型油料化验实验探索及仪器研制 以馏程测定实验为例 管 亮1，杨庭栋2，谷科城1，鄢 豪1，左秀丽1，舒建华1，刘君玉1，伊 茜1（1.陆军勤务学院 油料系，重庆 401331；2.联勤保障部队军需能源质量监督总站，北京 100036）摘 要：该文基于微型化学实验理念，结合油料化验实验特点，以石油产品馏程测定实验为对象，构建了样品微量化、仪器微型化的油料化验实验体系。实验系统具有样品用量少、单次实验时间短、实验条件参数设置灵活、实验过程高效监控反馈等特点，解决了实验教学过程中样品用量大、实验过程长、“三废”回收与处理难，无法及时有效监控和反馈实验过程等问题，基于微型馏程测定实验系统可开展石油产品蒸发性能科研实验。关键词：微型化学实验；油料化验；馏程测定 中图分类号：O6-39 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)02-0149-05 Exploration on microscale POL testing experiment and instrument development:Taking distillation range determination experiment as example GUAN Liang1,YANG Tingdong2,GU Kecheng1,YAN Hao1,ZUO Xiuli1,SHU Jianhua1,LIU Junyu1,YI Qian1(1.Department of POL,Army Logistics Academy,Chongqing 401331,China;2.Quartermaster Energy Quality Supervision Station of Joint Support Forces,Beijing 100036,China)Abstract:Based on the concept of microscale chemical experiment,combined with the characteristics of POL testing experiment,this paper takes the distillation range determination experiment of petroleum products as the object,and constructs the POL testing experiment system of sample microscale and instrument miniaturization.The experiment system has the characteristics of small sample consumption,short single experiment time,flexible parameters setting of experimental conditions,and efficient monitoring and feedback of the experimental process.It solves the problems of large sample consumption,long experimental process,difficult recovery and treatment of three wastes in the experimental teaching process,and inability to timely and effectively monitor and feedback the experimental process.Based on the microscale distillation range measurement experimental system,scientific research experiments on the evaporation performance of petroleum products can be carried out.Key words:microscale chemical experiment;POL testing;distillation range determination 油料化验工作是军队和地方油库业务工作中的一个重要环节，对油料的接收、储存、使用具有指导意义1。油料化验本质上是一类“过程性”和“条件性”的实验，通过对油品的理化指标、组成结构特性和使用特性等进行检验检测，获得其质量状态。油料化验实验必须严格依据标准规定的实验步骤进行，否则实验结果会因为不符合标准程序而无效，实验结果的真实性和可靠性与实验过程控制密切相关2-3。根据油品固有的属性，油料化验项目可以分为油品的蒸发性测定、洁净性测定、腐蚀性测定、安全性150 实 验 技 术 与 管 理 测定、安定性测定、低温性测定、黏度测定及其他性能测定等；按油料化验过程可分为接收化验、入库化验、储存化验和其他化验。因此各类化验项目较多，如车用柴油的化验项目就有 19 项。油料化验员需要反复练习，才能牢固掌握每一个化验项目的操作技能，并理解其检测原理，因此实验样品用量大、实验过程（时间）长、“三废”（废气、废液、废渣）产生量大且回收与处理难，同时由于无法及时有效监控、反馈油料化验实验过程，实验教学中难以开展创新性训练。微型化学实验是 20 世纪 80 年代为解决化学实验中“三废”处理、实验安全及一些试剂价格过于昂贵等问题而发展兴起的一种实验方法，其试剂用量是常规实验的十分之一至千分之一4。微型化学实验以尽可能少的试剂获取所需化学信息5。在仪器的选择上：既要节省试剂用量，保证实验顺利进行；又要使其操作与常规实验基本保持一致，达到实验教学大纲要求6。微型化学实验不仅节约试剂、节省时间、安全可靠、操作简便、绿色环保7，而且有利于提高教师教学创新性，提高学生的研究性学习能力和创造能力8-9。基于微型化学实验发展最新成果，结合油料化验实验自身特点，本文以石油产品馏程测定实验为对象，探索微型油料化验实验的内涵及构建方法，研制微型馏程测定实验仪器。1 微型油料化验实验的内涵 建立微型油料化验实验体系并研制配套实验仪器设备，可提高油料化验实验教学水平，培养学员的创新意识和创造能力。微型油料化验实验既借鉴了微型化学实验的思路，又区别于微型化学实验体系。油品的质量指标主要包括理化指标、组成结构特性和使用特性等 3 种类型。油料化验实验类型可以分为化学类实验和物理类实验，例如：外观、颜色、密度、凝点、冷滤点等质量指标测量属于物理类实验；闪点、馏程、硫含量、芳烃和烯烃含量等测量属于化学类实验。还有部分指标可以使用自动化仪器进行分析，与常规的化学分析相比，更侧重于大型复杂精密仪器设备的操作使用。微型油料化验实验与微型化学实验的目的都是以尽可能少的试剂来获取尽可能多的实验信息，试剂和样品的微量化、仪器设备的微型化是两者共同的特点。但微型油料化验实验的本质在于验证不同实验条件和参数对实验结果的影响，从而培养学员对油料化验实验过程的准确把握和深刻理解，而微型化学实验本质在于探索不同实验条件对实验现象的影响和相关化学原理的验证。因此微型油料化验实验是运用微型化的仪器设备和微量的试剂和样品，验证油料化验过程和结果的实验方法与技术，使用试剂和样品用量一般只为常规油料化验用量的十分之一至千分之一，但能达到同样的效果且更安全、更方便，同时减少环境污染。2 油品馏程测定实验及影响因素 油料化验实验的影响因素多、实验样品量大、实验时间长，导致在有限的课程教学时间内，实验效果不理想、实验结果单一，学员无法系统掌握实验操作关键技能、理解实验基础理论。馏程测定是油料化验实验中步骤复杂、影响因素较多的项目之一，本文以馏程测定项目为例，构建微型油料化验实验系统并研制实验仪器。2.1 馏程测定的意义及原理 汽油、柴油、喷气燃料等石油产品是由多种烃类组成的复杂混合物，没有固定的沸点，测定其馏程可以判断石油产品中各组分的组成和含量关系10，对了解石油产品组分、性质具有非常重要的意义11。馏程测定是在专门的蒸馏仪器中，测量液体燃料样品的馏出温度与馏出体积，两者间的关系表示液体燃料沸腾的温度范围12，其本质是测定石油产品的沸程。不同的压力条件下石油产品的馏程数据是不同的，其测定通常包括减压馏程和常压馏程两种方式，油料化验一般采用常压蒸馏方法11,13。2.2 馏程测定影响因素分析 2.2.1 取样方式 如果采用非脱水方式取样，在蒸馏的过程中会产生一定的水蒸气压力，对样品初馏点的测定产生较大影响，同时水蒸气还可能带走部分的样品组分，使得某一温度下的馏出物含量产生偏差等11,14。含水样品在加热时会产生突沸冲油现象，容易造成着火和烫伤事故。2.2.2 取样量 取样量的大小直接影响馏程检测结果14-15。对于汽油馏程测定：取样量偏多时，蒸发温度偏低；取样量偏少时，蒸发温度偏高10。对于柴油馏程测定：取样量偏少时，其 90%和 95%回收温度均偏大；取样量偏多时，其 90%和 95%回收温度均偏小16。2.2.3 温度传感器安装位置 温度传感器安装位置会造成结果的偏差10。蒸馏烧瓶内部的温度分布与蒸馏烧瓶位置有着密切相关的联系：越靠近支管焊接处下方，由于沸腾液滴跳溅等原因，温度相对较高；越靠近支管焊接处上方，温度相对较低11,17。2.2.4 冷浴温度 冷凝管清洗不干净会对冷凝馏出物的馏出量产生较大的影响，造成检测结果不准确11。例如，标准GB/T6536 要求柴油冷浴温度保持在 060，且冷浴温度不能设定过低16。管 亮，等：微型油料化验实验探索及仪器研制以馏程测定实验为例 151 2.2.5 加热速度 馏程测定过程中，必须按实验标准要求（例如GB/T6536）严格控制加热强度，以保证试样蒸馏的升温速度11,15。例如，柴油馏程测定规定从开始加热到初馏点的时间应该保持在 1015min，蒸馏速度需要保持在 45 mL/min，加热或升温速度对馏程测定中的初馏点、蒸馏速度都有较大的影响14,17。同时，蒸馏测定过程中还需注意最后加热调整 18，使蒸馏烧瓶中5 mL 残留液体蒸馏到终馏点的时间不大于 5 min。2.2.6 环境大气压 馏程测定需要在标准大气压下进行，如果大气压过高或者是过低都需要对结果进行修正10,11,17。2.2.7 回收室温度 标准 GB/T6536 对馏程测定接收量筒周围温度有明确要求16，例如柴油馏程测定时其回收室温度为装样温度3。2.2.8 试样温度 试样温度对结果影响相对不显著12。对于柴油样品来说，注入蒸馏烧瓶时试样温度应为室温。3 微型馏程测定实验系统的研制 3.1 技术方案 石油产品馏程测定方法主要包括以下几种类型：一是仲裁方法，相关标准为石油产品常压蒸馏特性测定法（GB/T 6536-2010）（源于 ASTM D86），GB/T 6536 标准对手动方法和自动蒸馏测定仪等相关技术要求都进行了规范，该方法也是油料化验员实操的主要方法；二是快速微量法，相关标准为石油产品常压蒸馏特性的测定（微量蒸馏法）（源于 ASTM D7345-17），该方法标准于 2022 年 7 月通过了标准技术委员会的审查；三是基于气相色谱的模拟蒸馏方法，相关标准为 石油馏分沸程分布的测定法（SH/T 0558-1993）（源于 ASTM D2887-18），适用于沸点范围为55538 的柴油、喷气燃料、煤油等；四是以近红外、中红外和拉曼光谱等为代表的“二次”快速分析方法，通过建立样品光谱数据特征与国家或行业标准方法测得的馏程数据之间的多元校正模型来对未知样品进行快速预测分析。微型馏程测定实验系统结合 GB/T6536和 ASTM D7345 的技术要求进行设计，目的是全面、综合、系统地训练化验员对馏程测定理论的理解、测定条件的控制、测试结果的分析判断与处理等能力。实验系统如图 1 所示。微型馏程测定实验系统包括压力检测及控制器、温度传感及控制器、开关量控制器和总控制器 4 个模块。图 1 微型馏程测定实验系统 152 实 验 技 术 与 管 理 压力检测及控制器用于实时检测蒸馏过程中微量蒸馏烧瓶内部和大气环境之间的压力差（蒸气差压），以及环境大气压。蒸气差压用于监控蒸馏过程和流量计算，参考了 ASTM D7345 微量蒸馏法的功能设计。环境大气压用于馏程实验数据的修正。温度传感及控制器用于蒸气温度、实验油样液体温度和冷凝器温度的实时检测。检测数据直接用于馏程结果的分析计算。开关量控制器用于控制蒸气稳流泵和冷凝器散热风扇。蒸气稳流泵用于稳定蒸气差压基线，通过控制冷凝器散热风扇并结合温度实时检测，可以实现对冷凝浴温度的实时控制。总控制器用于前 3 个控制模块的信息汇集处理和加热模块及散热器的控制，从而实现蒸馏过程的手动和自动调节。总控制器还作为整个系统的信息处理单元，是实验系统软件的承载平台。微型馏程测定实验系统的微型化主要体现在以下几个方面：一是蒸馏烧瓶的微型化，采用 ASTM D7345方法的微量蒸馏烧瓶，容积大约 16.5 mL，较 GB/T 6536 标准要求的 100 或 125 mL 规格烧瓶，体积减少；二是实验用量的微量化，实验系统每次实验用量为10 mL，是 GB/T 6536 实验用量的十分之一；三是整个实验系统的自动化，实验控制系统、传感器等模块采用微型化的元器件，实现了基于参数设置的自动化实验过程；四是实验过程的快速化，由于样品微量化和仪器微型化，微型馏程测定实验时间由 45 min 缩短到 10 min，为学员在一次课程内完成多项和多次实验奠定了基础。3.2 微型馏程测定实验系统可变条件参数的确定 表 1 梳理了馏程测定实验的 9 个影响因素、影响大小及控制方式。9 个影响因素中，环境大气压属于预先操作影响因素且影响较大，需要通过实验后的数据计算进行校正。环境温度、回收室温度和试样温度也属于预先操作因素，但影响较小。因此微型馏程测 表 1 馏程测定实验影响因素 影响因素 影响大小 控制方式 取样方式 大 实时操作 取样量 大 实时操作 温度传感器安装位置 大 实时操作 冷浴温度 大 实时操作 加热速度的控制 大 实时操作 环境大气压 大 预先操作数据计算环境温度 小 预先操作 回收室温度 小 预选操作 试样温度 小 预先操作 定实验系统设置的可变条件参数为取样方式、取样量、温度传感器安装位置、冷浴温度、加热速度的控制等5 个影响因素。在馏程测定实验操作中，灵活设置实验条件参数，通过多种方式系统、全面地验证馏程实验控制过程对实验结果的影响。3.3 微型馏程测定实验系统软件设计 根据技术方案和 5 个操作影响因素，系统软件设计了对应的实验条件参数，同时满足人工调节和自动测定的微型馏程测定实验要求，并能快速获取实验结果，及时反馈实验效果，软件功能如图 2 所示。实验系统软件操作使用分为两种模式。自动设置控制模式由实验操作人员一次性设置好各种实验参数，实验系统自动完成实验并输出实验数据。自动测定过程中，实验操作人员可观测并记录实验现象，实验结束后对实验结果进行分析处理和总结。自动模式软件操作界面如图 3 所示。学员设置不同的实验条件参数，获得不同类型的实验数据，通过对比分析能够加深对馏程测试实验原理的理解，以及记牢操作注意事项。自动设置控制模 图 2 实验系统软件设计 图 3 自动模式软件界面 管 亮，等：微型油料化验实验探索及仪器研制以馏程测定实验为例 153 式主要适用于教员演示性实验和初学学员进行探索性、认知性实验，是实验的第一阶段。相关参数设置值如表 2 所示。表 2 微型馏程测定自动实验参数设置值 影响因素名称 设置值（选项）备注 取样方式 正常取样 脱水处理 不脱水处理 非正常取样 选择 取样量 515 mL 精度 0.3 mL温度传感器安装位置 正常 稍微偏上 稍微偏下 较大偏上 较大偏下 选择 冷浴温度 060 精度 1 加热速度的控制 正常 稍微偏快 稍微偏慢 较大偏快 较大偏慢 选择 手动实时调节模式可对 5 种实验条件参数进行手动调节，实验操作人员实时观测实验现象，自动或手动记录实验结果。手动模式软件操作界面如图 4 所示。在手动实时调节模式下，取样方式、取样量、温度传感器安装位置等 3 个实验条件参数是预先设置。加热功率（速度）和冷浴温度 2 个实验条件参数可预先设置，也可以在实验过程中实时动态调节，便于学员对整个实验过程的把握控制和实验现象的观察理解。手 动实时调节模式主要适用于学员在完成第一阶段认知性和探索性实验后，进行深度实验过程控制训练和操作，同时也适用于竞赛和训练考核阶段等情形。图 4 手动模式软件界面 4 结语 微型油料化验实验以样品少量化、仪器微型化为核心特征，构建了具有实验样品用量少、单次实验时间短、实验条件参数设置灵活，实验过程高效反馈的创新实验训练系统，解决了实验教学中样品用量大、实验过程长、“三废”回收与处理难、实验过程无法及时有效监控和反馈、创新性训练实施困难等问题。参考文献(References)1 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