渣油分子结构及其扩散行为的研究

常规原油的锐减和能源需求的强劲促进了渣油的开发和利用。渣油是极其复杂的多分散体系，而且其中的沥青质组分易于发生聚集。针对当前研究中忽略了渣油复杂性和易聚集的现状，本课题拟利用超临界流体萃取分馏技术将渣油分成多个窄馏分，利用凝胶渗透色谱和萃取色谱将萃余残渣分离成多个亚组分，应用隔膜池和固定床高压加氢微反装置，围绕渣油分子结构和渣油在孔道中的扩散这两个科学问题开展系统研究。结合模型化合物的扩散，发展和完善渣油分子在孔道中的受阻扩散理论；结合多种仪器分析手段，获得渣油的组成分布信息以及不同类型化合物的扩散规律。考察温度对渣油分子扩散的影响，从热力学角度认识其扩散受阻的科学本质；考察不同浓度下的扩散，获得渣油分子聚集的认识以及聚集体的结构和扩散行为；考察反应过程中催化剂孔径和渣油分子结构的变化，对比分析非反应和反应条件下实验结果，找出渣油分子在孔道中扩散受阻的科学本质，为催化剂的设计提供依据。

常规原油的锐减和清洁油品的强劲需求促进了重质油的开发利用。重质油富含S、N、O等杂原子及镍、钒等金属，较大的分子尺寸大致使催化转化不仅受反应本身影响，其在催化剂孔道内的扩散也不容忽视。本项目利用隔膜池和固定床加氢微反装置对渣油馏分的扩散和反应行为进行了研究，并考察了温度、浓度和催化剂失活等因素对各馏分扩散行为的影响，获得了对渣油分子缔合及其在孔道中受阻扩散的新认识。.隔膜池实验的结果显示，委内瑞拉渣油各馏分硫化物的扩散系数存在到一定的分布，呈现出不同的多分散性。随着馏分变重，各馏分的扩散系数逐渐降低。渣油馏分的等效球体直径和多分散程度随累积收率的增大而增大。馏分轻重和膜孔尺寸是决定各馏分扩散系数大小的两个主要内在因素。委内瑞拉渣油3个SFEF窄馏分在15 nm和50 nm膜孔中的扩散受到的阻碍较小；萃余残渣可溶质和沥青质的受阻程度显著加剧，沥青质在15 nm膜孔的受阻程度尤为严重。不同浓度条件下的扩散结果表明窄馏分不存在分子缔合现象，萃余残渣可溶质和沥青质的扩散系数存在不同程度的分子缔合。萃余残渣沥青质在较低的浓度下仍处于分子与纳微缔合体共存的溶液状态。亚组分的扩散实验表明，组成和构型对渣油分子的扩散存在影响。.固定床加氢反应实验结果显示，渣油窄馏分和残渣可溶质的HDS分别遵循一级和二级反应动力学规律。反应速率常数、扩散系数和有效因子均随着馏分的变重而降低，表明各馏分在催化剂孔道中的扩散存在不同程度的受阻现象，内扩散对窄馏分的加氢脱硫反应存在不可忽视的影响。残渣可溶质的扩散系数和HDS有效因子对比窄馏分显著降低，内扩散阻力加剧。温度升高，较轻窄馏分的扩散系数逐渐增大，而较重窄馏分、残渣可溶质和沥青质的扩散系数先增大后降低；各馏分的HDS有效因子逐渐降低，表明内扩散对各馏分HDS反应的影响程度逐渐增强。渣油各馏分在减活催化剂中的脱硫转化率、反应速率常数、有效扩散系数和有效因子对比新鲜催化剂均有不同程度的下降，表明它们在减活催化剂孔道中的扩散较新鲜催化剂的受阻程度加剧，其扩散阻力的增大导致脱硫转化率的降低和内扩散对反应影响的增大。.此外，本项目借助高分辨质谱手段对渣油馏分及其扩散和反应样品进行了分析，其结果为各馏分在有机膜孔中扩散系数分布提供了重要支撑。但由于高分辨质谱存在不同化合物间电离效率差异和质量歧视等诸多问题，限制了其在扩散和反应研究中的应用。