一种新型原油降黏剂的合成及降黏机理研究

为了降低原油黏度,提高其采收率,结合原油组分的特征,以苯乙烯、马来酸酐和壬基酚聚氧乙烯醚3种单体分两步合成了新型油溶性原油降黏剂SMN。考察SMN对胜利高黏度原油的降黏效果,发现该原油降黏率最高可以达到68.5%。通过机理探究推测SMN中的苯环、羧基和酯基等极性较大的基团可以通过氢键作用和π-π堆积进入到沥青质片层中,而分子中具有较大位阻的乙氧基能够阻止沥青质聚集,从而分散原油中的重组分,降低原油的黏度。     

稠油沥青质的基本化学组成结构与缔合性研究

从4种不同稠油中分离沉淀出正戊烷沥青质,用红外光谱表征了其官能团结构,用1H-NMR结合相对分子质量及元素分析测定了沥青质的基本结构参数,并得出了沥青质的平均分子式,同时测定了沥青质的偶极矩来表征其极性。研究结果表明：稠油沥青质分子中杂原子的存在使其含有较多的极性基团,沥青质具有较大极性。杂原子含量越高,其极性越大,缔合性越强,缔合数越高。此外,用两种方法计算了沥青质的分子直径,结果表明：相对分子质量越大时,沥青质分子尺寸越大,但特性黏度法测得的分子直径与其选用的溶剂有关,且关联出的分子直径偏大,而相对密度和相对分子质量法能较好地反映分子颗粒尺寸。     

塔河沥青质超分子体系的初步探索

以塔河沥青质作为研究对象,对沥青质的超分子体系进行了初步探索。采用动态光散射方法证明了沥青质可以在甲苯溶液中形成超分子结构,基于对沥青质分子结构的认识,利用分子模拟技术研究了形成沥青质超分子结构的分子间作用力,重点考察了氢键、酸碱作用、π-π相互作用以及沥青质分子和金属卟啉化合物之间的配位作用。在这几种分子间作用力中,沥青质分子间的π-π相互作用的能量最大,并随沥青质分子聚集数的增多而增大,是使沥青质形成超分子的最主要推动力。此外,采用甲基化改性方法去掉沥青质分子上的活泼氢,破坏沥青质分子间的氢键及酸碱作用,然后比较其聚集体与沥青质聚集体的差异;结果表明,前者的尺寸要明显小于后者的尺寸,说明通过活泼H而形成的分子间氢键以及酸碱作用与沥青质超分子的尺寸关系最为密切。     

沥青质分子聚集体的聚集内因

运用量子力学、分子动力学等方法,研究沥青质分子聚集体形成过程的分子构型变化、能量变化以及电子分布情况。结果表明：沥青质分子形成聚集体过程中形变能很小,沥青质分子发生形变不是沥青质聚集体形成的决定因素,但为沥青质分子聚集进而形成聚集体提供基础,沥青质分子具有很强的本征聚集活性;沥青质分子间相互作用能很大,是沥青质分子聚集体形成的决定因素,其中,属于分子间固有属性的范德华力及泡利排斥作用之和相对较小,与沥青质分子结构特征相关的π π相互作用及氢键作用之和很大,表明由沥青质分子的大芳环体系和多杂原子的结构特征引起的π π相互作用及氢键作用是导致形成沥青质分子聚集体的主要原因;在所研究体系中,金属卟啉分子与含吡啶氮的沥青质分子通过π π相互作用而非轴向配位作用形成聚集体。     

沥青质分子聚集体的解离对策

针对沥青质分子大芳环体系和多杂原子结构特征引起的π-π相互作用及氢键作用,运用量子力学、分子动力学等方法,研究沥青质分子聚集体的解离对策。对于π-π相互作用,从降低沥青质分子间π电子云重叠和减少沥青质分子的π电子数目两个方向研究解离措施;对于氢键作用,从降低沥青质分子间S—H、N—H、O—H间轨道叠加电子转移效应和减少沥青质分子的S、N、O数目两个方向研究解离措施。结果表明：引入π电子云分散剂可有效降低沥青质分子间π电子云重叠程度,对沥青质分子的稠合芳环进行局部加氢饱和可以减少其π电子数目,两条途径的分子模拟结果均能实现沥青质分子聚集体的解离;削弱沥青质分子间π-π相互作用对减弱氢键作用具有明显的促进作用;针对π-π相互作用的解离思路和措施也适应于金属卟啉分子与沥青质分子形成的聚集体,镍卟啉分子与沥青质分子形成的聚集体的解离难度比钒卟啉的大;提高温度加剧分子热运动及脱除杂原子可削弱或消除氢键作用,但在沥青质分子的其他芳环体系未改变的前提下,消除氢键作用不能实现对沥青质分子聚集体的完全解离。     

沥青质分子聚集体中氢键作用力的研究

为研究沥青质分子聚集体中的氢键作用,用量子力学与分子动力学相结合的方法对形成沥青质分子聚集体中的氢键进行了研究。结果发现,沥青质分子中含有的N、S、O等杂原子是沥青质分子形成氢键的必要条件;沥青质分子聚集体形成单个氢键的键能较小,但聚集体中含有多个氢键时,其分子间的作用力会大幅增加。沥青质分子形成氢键的本质是由于H原子与杂原子的价层轨道电子进行叠加形成的,沥青质分子间有极少量的电子转移,导致形成弱的次级键; 在氢键作用中,起主要作用的是轨道相互作用能和色散作用能。     

原油乳状液稳定机理的分子模拟研究

沥青质在稳定原油乳状液方面发挥重要的作用,采用分子动力学研究了沥青质分子在甲苯 水界面的吸附聚集行为,用量子化学方法研究了沥青质和水分子间以及沥青质分子之间的相互作用能,探讨了沥青质稳定乳状液的作用机理。结果表明,沥青质分子和水分子间氢键的形成是沥青质能够在油 水界面吸附的主要原因,沥青质分子之间的氢键和π π作用使得沥青质构成超分子结构,此超分子结构将水分子包围在内,阻止了水滴的聚并。此外,模拟研究了一种化学破乳剂的破乳过程,结果发现,破乳剂可以通过沥青质分子的间隙,为后续的破乳过程提供了可能。     

石油沥青质超分子聚集及解聚研究进展

石油沥青质组成复杂,氢/碳原子比低,硫、氮等杂原子含量高,给石油开采、运输和加工处理带来困难,究其原因是石油沥青质分子结构复杂,极易发生超分子聚集,形成聚集体。目前对沥青质超分子聚集的认识越来越广泛,并被石油化学工作者广泛接受。沥青质超分子聚集是通过电荷转移作用、偶极作用以及氢键作用形成沥青质分子之间的缔合,这些弱相互作用在石油体系的分子间普遍存在,实现沥青质聚集体的解聚是重质油高效轻质化的基础。研究表明,采用化学方法改变沥青质分子结构或采用物理方法改变沥青质物理状态,均能在一定程度上使得沥青质聚集体解聚。     

沥青质聚集体的解聚分离方法综述和探析

沥青质在原油、渣油体系中常以分子聚集体的形式存在,要研究沥青质的分子组成和结构以及含沥青质重油的加工,基础是要实现沥青质分子聚集体的解聚、分离。基于此,针对沥青质分子聚集体中存在的分子间相互作用（力）,从良溶剂稀释、消除聚集作用位点、适度热作用、超声波作用及碰撞诱导解离等五个方面阐述了沥青质分子聚集体解离方法及进展,进一步介绍了基于沥青质分子极性、分子尺寸、酸碱性以及反应性等方面开展沥青质分子水平分离的方法及进展。     

沥青质-二甲苯体系中结构组成对沥青质自扩散系数的影响

以沥青质-二甲苯体系模拟稠油体系,采用分子模拟方法考察沥青质致黏机理。沥青质-二甲苯平衡体系中沥青质的自扩散主要受沥青质分子间相互作用的影响。沥青质分子间相互作用能越大,沥青质自扩散的越慢,对应的稠油黏度越大。而沥青质分子间相互作用主要包括芳香环之间的π-π作用和含有较强电负性杂原子基团间氢键两方面。这将为稠油降黏提供理论指导。     

减压渣油微观相结构特性的分子模拟

选用4种模型化合物代表减压渣油四组分(SARA),采用分子动力学模拟了减压渣油微观相结构,发现不同结构分子间相互作用的差异是减压渣油微观非均匀分布的本质原因,并通过电子分布特性分析了不同结构分子间相互作用差异的本质原因。沥青质分子间强相互作用使得沥青质分子自缔合形成聚集体;而多个胶质分子与沥青质分子的强相互作用封闭了沥青质分子自身进一步发生相互作用的活性位;同时,与胶质分子、饱和烃分子具有强相互作用的芳香烃分子将沥青质 胶质分子形成的聚集体分散在由芳香烃 饱和烃分子构成的连续相内,其中芳香烃分子更靠近胶质分子。因此,增加沥青质、饱和烃分子的含量会促进沥青质聚集,降低减压渣油稳定性;增加胶质、芳香烃分子的含量会阻碍沥青质聚集,提高减压渣油稳定性。     

沥青质稳定性在渣油加氢过程中的变化规律

为考察固定床渣油加氢-催化裂化双向组合（RICP）技术中多环芳烃改善杂质脱除效果和抑制催化剂积炭的原因,建立了基于Flory-Huggins活度系数模型考察380 ℃、14.0 MPa条件下沥青质稳定性的方法。基于上述方法,建立了衡量渣油加氢反应中活性氢使用效率的参数A/B：A越大,活性氢用于杂质脱除的效率越高;B越小,活性氢用于沥青质加氢的效率越高。研究结果表明,经过加氢后,渣油轻质化程度增加,渣油溶氢量增加,沥青质与渣油（含溶解氢）溶解度参数之差增加,沥青质稳定性变差;在380 ℃、14.0 MPa条件下,采用RDM-32,RDM-53,RCS-31催化剂以体积比40：10：50级配时,沙轻常压渣油加氢过程的A/B值最大;在此基础上,引入高芳香性馏分有利于进一步提高加氢过程的A/B值。多环芳烃改善杂质脱除效果并抑制催化剂积炭的原因在于：多环芳烃优化了活性氢用于杂质脱除和沥青质加氢的效率。     

MOLECULAR MECHANICS OF AGGREGATES OF ASPHALTENES AND RESINS OF THE ATHABASCA OIL

An analysis of the effects of an almost continuous chemical distribution of asphaltenes and resins on the molecular recognition processes occurring in crude oil indicates that their aggregates will have a broad distribution both in the chemical composition and in the strength of the intermolecular interactions responsible for the aggregation. Then, crude oil cannot be described just as a sol formed by solid asphaltene particles dispersed by resins or as a simple micellar system of asphaltene and resin molecules. The molecular aggregates may vary from solid particles formed by asphaltenes and resins to loosely bound micelles with quite short lifetimes. These different aggregates may coexist within the crude oil and many will exchange components with others. The entropic contributions to the changes in free energy upon aggregation were also discussed. Molecular mechanics calculations showed that a model asphaltene aggregate from Athabasca exhibits stronger interactions with its resins than with solvents such as toluene and n-octane. The resins showed a considerable selectivity for the different adsorption sites of the asphaltene aggregate. This selectivity was stronger than that found for the solvent molecules, indicating that it is enthalpically more favorable for them to form aggregates with the asphaltenes. The selectivity may also help to explain the specificity of some resins that are able to disperse only the asphaltenes of certain types of crude oils while failing to do the same for others.     

煤焦油沥青质的表面官能团特性及对悬浮床加氢裂化助剂选择的影响

以煤焦油常压渣油(T AR)为原料,分离出了正庚烷沥青质(T AR HI),通过元素分析、XPS、FT IR手段对该沥青质的表面官能团进行了表征,同时考察了不同助剂作用下T AR悬浮床加氢裂化反应过程中的生焦行为,进而分析了不同助剂对T AR沥青质的稳定作用机理。结果表明,T AR HI表面官能团以C-C、C-H、C-O为主;杂原子中O含量最高,杂原子官能团以含O官能团为主,其中醚类结构(C-O-C)占大多数;含N官能团主要为吡啶、吡咯和胺类,此外含有少量亚砜等含S官能团。表面官能团中,中性官能团总相对浓度为79%,酸性官能团为001%,碱性官能团为147%,沥青质表面呈弱碱性。SDBS、OA、CTAB 3种助剂对T AR沥青质的稳定作用依次降低,稳定作用主要取决于沥青质表面官能团与助剂之间的酸碱作用和氢键作用,其中酸碱作用影响较大。宜选取具有酸性基团的阴离子型双亲分子作为T AR悬浮床加氢裂化的助剂。