FCSE 前沿研究：從煤直接液化石腦油中萃取精餾環(huán)烷烴單體

背景及意義

石腦油是從原油中提取的主要煉油產(chǎn)品，其沸點范圍為30至200°C。該產(chǎn)品含有多種C5至C11的碳氫化合物，包括正構(gòu)烷烴、異鏈烷烴、烯烴、環(huán)烷烴和芳烴，其組成取決于原油類型和煉油工藝。神華鄂爾多斯煤直接液化工業(yè)設(shè)備每年生產(chǎn)約186,840噸石腦油，其中超過73%的成分是環(huán)烷烴。石腦油的傳統(tǒng)加工方法主要是通過催化脫氫或與汽油混合作為溶劑制備混合芳烴。這種方法不僅面臨著與傳統(tǒng)石油產(chǎn)品的市場競爭，限制了其經(jīng)濟價值，而且無法充分利用煤直接液化石腦油中高濃度的環(huán)烷烴。此外，高純度環(huán)烷烴單體的制備主要依賴合成方法，這些方法通常需要特定的催化劑和復(fù)雜的反應(yīng)條件，導(dǎo)致設(shè)備投資和原料成本較高，難以滿足國內(nèi)對環(huán)烷烴單體的大量需求。因此，從煤直接液化石腦油中分離環(huán)烷烴單體變得尤為重要，這對于石腦油的高值化利用和緩解環(huán)烷烴單體的需求壓力具有重要意義。

內(nèi)容及主要結(jié)論

本研究利用定量結(jié)構(gòu)-性質(zhì)關(guān)系模型有效地預(yù)測了各種萃取劑中的R_{Vn-heptane/MCH}。該模型的統(tǒng)計分析顯示了良好的性能指標(biāo)，包括決定系數(shù)(R²)為0.88，交叉驗證系數(shù)(Q²)為0.94，均方根誤差(RMSE)為0.02。R_{Vn-heptane/MCH}預(yù)測模型是以α, EHOMO, ρ, 和 log_Poct/water作為分子結(jié)構(gòu)描述符，通過逐步回歸的方法建立的。該模型揭示了RV_{n-heptane/MCH}與萃取劑分子結(jié)構(gòu)之間的密切聯(lián)系，并強調(diào)密度是一個關(guān)鍵的描述因子。由于分子間的立體阻礙減少，缺乏支鏈的萃取劑表現(xiàn)出更高的密度和相對揮發(fā)性。此外，還使用 Aspen Plus 軟件模擬了從煤直接液化石腦油中分離單體環(huán)烷的過程。模擬得到的環(huán)己烷和甲基環(huán)己烷純度超過 0.99，產(chǎn)率超過 0.90，為工業(yè)化應(yīng)用提供了基本參數(shù)。經(jīng)濟分析表明，使用水楊酸作為萃取劑，每年的總成本最低，分離效率明顯提高，這歸功于RV_{n-heptane/MCH}的顯著變化?？傊?，本研究提出了一種從石腦油中分離環(huán)烷烴單體的科學(xué)而經(jīng)濟的方法，為相關(guān)工業(yè)流程的設(shè)計和優(yōu)化提供了啟示。

圖1 從煤直接液化石腦油中萃取精餾環(huán)烷烴單體的工藝流程圖

未來展望

李文英研究團隊認為，論文僅針對單一溶劑進行了定量結(jié)構(gòu)-性質(zhì)關(guān)系模型的篩選，未考慮混合溶劑的可能性。在實際應(yīng)用中，混合溶劑可能具有更好的分離效果和更廣泛的適用性。因此，未來的研究可以進一步拓展至混合溶劑的篩選，并探索其在萃取精餾過程中的應(yīng)用潛力。

引用格式：Shuo-Shuo Zhang, Xing-Bao Wang, Wen-Ying Li. Extractive distillation of cycloalkane monomers from the direct coal liquefaction fraction. Front. Chem. Sci. Eng., 2024, 18(11): 130 https://doi.org/10.1007/s11705-024-2482-5

作者及團隊介紹

張碩碩（第一作者），太原理工大學(xué)化學(xué)工程專業(yè)研究生，主要研究方向為煤直接液化領(lǐng)域的分離。

王興寶（通訊作者），太原理工大學(xué)副教授。主要從事能源清潔高效轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)研究和工業(yè)應(yīng)用方面的工作，主持國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃子課題、國家能源集團“2030重大項目”先導(dǎo)項目等，2018年獲“三晉英才”青年優(yōu)秀人才稱號。目前已在Angewandte Chemie International Edition，Chemical Engineering Journal，ACS Catalysis等期刊上發(fā)表SCI論文60余篇。申請發(fā)明專利10件，已授權(quán)6件。

李文英（通訊作者），太原理工大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，國家級人才，先后主持國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等重要項目30余項。圍繞煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化利用方向，一直從事煤化學(xué)化工基礎(chǔ)和煤炭資源化技術(shù)集成系統(tǒng)研究。