本发明属于化学工程领域，具体地，涉及一种快速制备模拟管焦的装置及方法，用于快速制备模拟管焦，克服动态实验法管焦制备耗时过长的问题。
背景技术：
石油化工和煤化工领域，高温重油在输送管路或传热设备内结焦是导致装置能耗增大，甚至影响装置开工周期的重要因素。管路内壁的焦炭通常称为“管焦”，其形成是高温重油发生热缩合反应产生焦炭，并在管路内壁长期累积的结果。为减少管路或设备结焦对设备传热和装置能耗的不利影响，评价其影响程度，需研究管焦的传热性质以及烧焦参数对烧焦效果的影响。而实际工业装置上管焦的形成往往是长周期的，短则几个月，长则几年。因此，实验条件下模拟管焦的制备是研究工作遇到的一大难题。
传统的管焦制备通常采用动态实验法，将高温重油在管路内进行长期循环，为缩短制备周期，往往采用比实际工业条件更高的温度，加快管路内的结焦速率。尽管如此，动态实验法仍然存在实验装置流程复杂、操作困难、管焦厚度不易控制等问题。由于管焦是管路内长期累积形成的，与常规焦炭相比，具有碳氢比高，孔隙率低的特点。因此，采用常规静态实验法制备的焦炭与管焦组成差别较大，无法用于管焦性能测试研究。
综上所述，实验条件下模拟管焦的制备是研究工作遇到的一大难题，目前未见快速有效的管焦制备方法报道，导致实际工业装置管焦性能预测和烧焦参数确定大多依靠经验，无法进一步详细评价和优化相关参数。
技术实现要素：
为了克服现有技术所存在的缺陷，本发明提供一种快速制备模拟管焦的装置及方法，用于快速制备厚度均匀可控的管焦。
为实现上述目的，本发明采用下述方案：
快速制备模拟管焦的装置，包括：充压气瓶、顶盖、辅助生焦段、主生焦段、液收器，顶盖通过连接螺栓连接在辅助生焦段顶端的法兰上，辅助生焦段下端与主生焦段上端通过连接法兰相连，主生焦段下端由密封法兰封闭；其特征在于：顶盖上设有油气热偶、充压气入口、油气出口，顶盖内设有环形的集气空腔，集气空腔为环隙结构，充压气入口、油气出口均与集气空腔连通，顶盖的充压气入口与充压气瓶通过管线相连，该管线上设有减压阀，充压气内储存有充压气，反应前进行系统充压，让重油在高压条件下反应，可有效降低焦炭孔隙率；顶盖的油气出口与液收器通过油气管线相连，用于排出反应产生的油气，该管线上由顶盖至液收器方向依次设有压力表、背压阀，液收器连接有排气阀。
优选地，辅助生焦段、主生焦段直径相同，根据重油生焦率不同主生焦段长度通常为辅助生焦段的0.2～0.4倍。
快速制备模拟管焦的方法，反应前，重油自辅助生焦段顶部装入生焦反应腔，电加热器将生焦反应腔内重油加热至450～600℃，在高温高压条件下反应生成焦炭和油气，油气通过顶盖油气出口排出，生焦反应腔内残留的焦炭即为制备的模拟管焦；生焦反应腔厚度即为制备的管焦厚度，采用不同直径的空心套管，可控制所制备的管焦厚度；空心套管与生焦反应腔间填充铝箔，以方便生焦反应后取出空心套管，将模拟管焦用于物性或烧焦性能测试。
优选地，反应前系统充压至1.0～2.0MPa，生焦反应腔内重油加热至450～600℃进行生焦反应，反应时间1～3h，以降低模拟管焦孔隙率。
相对于现有技术，本发明的有益效果如下：装置采用高温高压反应环境和空心套管设计，能够快速制备厚度均匀可控的管焦，克服常规方法管焦制备耗时长，管焦厚度难以控制的缺陷，对炼油化工和煤化工领域的管焦性质研究和烧焦性能测试具有广泛的适用性。
附图说明
图1为快速制备模拟管焦的装置示意图；
图中：1、充压气瓶；2、顶盖；3、辅助生焦段；4、主生焦段；5、液收器；6、油气热偶；7、充压气入口；8、油气出口；9、集气空腔；10、连接螺栓；11、连接法兰；12、密封法兰；13、电加热器；14、生焦反应腔；15、铝箔；16、空心套管；17、减压阀；18、压力表；19、背压阀；20、排气阀。
具体实施方式
如图1所示，快速制备模拟管焦的装置，包括：充压气瓶1、顶盖2、辅助生焦段3、主生焦段4、液收器5；顶盖2通过连接螺栓10连接在辅助生焦段3顶端的法兰上，辅助生焦段3下端与主生焦段4上端通过连接法兰11相连，主生焦段4下端由密封法兰12封闭；其中：顶盖2上设有油气热偶6、充压气入口7、油气出口8，顶盖2内设有环形的集气空腔9，集气空腔9为环隙结构，充压气入口7、油气出口8均与集气空腔9连通，可分配充压气体和汇集反应油气；顶盖2的充压气入口7与充压气瓶1通过管线相连，充压气入口7由集气空腔9向系统内通入充压气体，该管线上设有减压阀17，用于控制系统充气压力，充压气瓶1内储存有充压气，所用充压气通常为氮气或氦气等惰性气体；反应前进行系统充压，让重油在高压条件下反应，可有效降低焦炭孔隙率；顶盖2的油气出口8与液收器5通过油气管线相连，用于排出反应产生的油气，该管线上由顶盖2至液收器5方向依次设有压力表18、背压阀19，液收器5连接有排气阀20；压力表18测量系统压力，利用背压阀19控制反应过程中系统内压力恒定；油气在液收器5内被冷凝分离，液体产品在液收器5内收集，气体产品通过排气阀20排出；油气热偶6测量反应油气温度。
辅助生焦段3为两端设有法兰的直管段结构，直管段外部设有电加热器13，电加热器13用于加热生焦反应腔14；主生焦段4为两端设有法兰的直管段结构，直管段外部设有电加热器13，电加热器13用于加热生焦反应腔14；辅助生焦段3、主生焦段4直径相同，根据重油生焦率不同主生焦段4长度通常为辅助生焦段3的0.2～0.4倍。
辅助生焦段3与主生焦段4内部设有空心套管16，空心套管16与直管段之间形成生焦反应腔14。
生焦反应腔14提供重油生焦反应的场所，空心套管16外部附有一层铝箔15，便于反应生焦后取出套管。
反应前，重油自辅助生焦段3顶部装入生焦反应腔14，电加热器13将生焦反应腔14内重油加热至450～600℃，在高温高压条件下反应生成焦炭和油气，油气通过顶盖2排出，生焦反应腔14内残留的焦炭即为制备的模拟管焦；生焦反应腔14厚度即为制备的管焦厚度，采用不同直径的空心套管16，可控制所制备的管焦厚度；空心套管16与生焦反应腔14间填充铝箔15，以方便生焦反应后取出空心套管，将模拟管焦用于物性或烧焦性能测试。
快速制备模拟管焦的装置及方法，具体实施步骤如下：
(1)生焦反应所需重油由辅助生焦段3上端装入生焦反应腔14，将顶盖2与辅助生焦段3上端法兰相连，调整减压阀17和背压阀19，将系统充压至2.0MPa，系统充压完毕，关闭减压阀17，打开排气阀20。
(2)启动辅助生焦段3和主生焦段4的电加热器13，将生焦反应腔14内重油加热至550℃进行生焦反应，反应时间3h，反应温度由顶盖2上的油气热偶6测量。
(3)反应完成，停止加热，待系统自然冷却后，卸下辅助生焦段3，拆下铝箔15和空心套管16，主生焦段4的生焦反应腔14内残留焦炭即为模拟管焦，可用于管焦物性测试或烧焦性能测试。