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(diǎn)范圍為30至200°C。該產(chǎn)品含有多種C5至C11的碳?xì)浠衔?，包括正?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(lèi)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(guò)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(guò)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，限制了其經(jīng)濟(jì)價(jià)值，而且無(wú)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(lài)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(mǎn)足國(guó)內(nèi)對(duì)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(duì)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(cè)了各種萃取劑中的R_{Vn-heptane/MCH}。該模型的統(tǒng)計(jì)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(yàn)證系數(shù)(Q²)為0.94，均方根誤差(RMSE)為0.02。R_{Vn-heptane/MCH}預(yù)測(cè)模型是以α, EHOMO, ρ, 和 log_Poct/water作為分子結(jié)構(gòu)描述符，通過(guò)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(qiáng)調(diào)密度是一個(gè)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(duì)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(guò)程。模擬得到的環(huán)己烷和甲基環(huán)己烷純度超過(guò) 0.99，產(chǎn)率超過(guò) 0.90，為工業(yè)化應(yīng)用提供了基本參數(shù)。經(jīng)濟(jì)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。總之，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(jì)的方法，為相關(guān)工業(yè)流程的設(shè)計(jì)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(lái)展望

李文英研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，論文僅針對(duì)單一溶劑進(jìn)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(shí)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(lái)的研究可以進(jìn)一步拓展至混合溶劑的篩選，并探索其在萃取精餾過(guò)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(tuán)隊(duì)介紹

張碩碩（第一作者），太原理工大學(xué)化學(xué)工程專(zhuān)業(yè)研究生，主要研究方向?yàn)槊褐苯右夯I(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(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題、國(guó)家能源集團(tuán)“2030重大項(xiàng)目”先導(dǎo)項(xiàng)目等，2018年獲“三晉英才”青年優(yōu)秀人才稱(chēng)號(hào)。目前已在A(yíng)ngewandte Chemie International Edition，Chemical Engineering Journal，ACS Catalysis等期刊上發(fā)表SCI論文60余篇。申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)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(guó)家級(jí)人才，先后主持國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等重要項(xiàng)目30余項(xiàng)。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。