耦合气液相分离的重油热反应过程分子转化模型构建

Heavy petroleum thermal processing is a multi-phase reactive system of complex molecular composition. Modeling the heavy petroleum thermal process is crucial for optimizing product quality and its efficient utilization. The state-of-the-art heavy petroleum thermolysis model is lacking accuracy since it does not cover both the molecular detail and phase behavior. The scope of the present project is to develop a molecular conversion model coupled with vapor-liquid separation on the basis of experimental investigation for heavy petroleum complex system. A new modeling approach will be built via the reduction of molecule and reaction number. The mapping between molecule and thermodynamic pseudocomponent will be introduced for effective simulation of vapor-liquid equilibrium. The vapor and liquid phase thermolysis reactions will be simulated parallelly and mass transfer between two phases will be obtained through thermodynamic model. The project will promote the understanding of the multiphase heavy petroleum thermolysis process and give guidance for the development of molecular-level kinetic modeling coupled with phase equilibrium.

重油热转化过程是复杂分子体系多相反应系统。构建分子层次过程模拟对优化其产品质量及重油资源高效利用具有重要意义。当前重油热转化过程模型未能兼顾分子转化和气液两相行为，而导致准确性受到影响。本课题的目的是以实验为基础建立耦合气液相分离的重油复杂体系分子转化定量模型，开发耦合反应转化和气液相行为的分子层次模拟方法。研究从分子级别对重油的组成及分子热反应过程进行模拟，并引入气液平衡模型和热力学假组分映射方法，高效计算体系分子在两相中的分配。通过将反应分为液相反应区间和气相二次反应区间，两者分子分配通过相平衡模型进行计算，从而实现对重油热反应两相体系的分子层次定量转化和模拟。本项目的成功实施将对理解重油热转化过程的气液两相反应行为具有较大的指导意义，同时也对复杂体系多相反应行为的分子层级模型构建提供理论依据和方法。

热转化过程是重要的重油加工利用路线。重油的热转化是典型的复杂分子多相反应体系，其中涉及大量组分组成的反应网络，同时耦合气液相分离及液固相分离更加剧了反应体系认识及模拟的难度。本项目从实验分析及计算机模拟两个方向入手，深入认识重油热转化过程，开发高效模拟方法，构建分子层次的气液相分离模型及复杂反应体系反应动力学模型，实现从分子层次对重油热转化过程及相分配过程的精细模拟。.考察了不同反应条件下，加拿大油砂沥青减压渣油热转化产品分布，并采用超高分辨质谱研究了产品分子组成分布。以催化裂化油浆为原料，考察了热反应过程中间相及焦炭的形貌规律，揭示了重油热转化过程中碳质中间相的发展历程以及原料组成对于中间相大小及形态的影响。.针对重油体系，提出分子数学化表示新方法，开发重油分子组成模型构建及计算机辅助反应网络构建的高效方法，实现重油分子组成模型、反应网络及动力学模型的高效构建。提出了分子和热力学集总的映射方法，有效解决了复杂体系相平衡及分离过程建模难题，并将其应用于复杂石油体系分离过程。利用所构建的方法框架，建立反应规则，构建重油热反应过程的分子转化模型，实现了超复杂体系热反应过程的模拟，利用线性自由能关系简化模型参数成功拟合了实验数据，并开发了相应软件界面。.本项目揭示了重油热转化过程中分子变化规律，丰富了重油通过热缩聚生成中间相的认识，为重油高值利用提供了新思路。本项目开发了适用于重油分子复杂体系转化过程的分子管理模拟框架，提出了解决复杂体系分离过程分子层次模拟的简捷计算方法，有望应用于更多石油加工过程的分子管理，为石油加工过程的优化提供理论基础。