背景及意義

石腦油是從原油中提取的主要煉油產品，其沸點范圍為30至200°C。該產品含有多種C5至C11的碳氫化合物，包括正構烷烴、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)設備每年生產約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石油產品的市場競爭，限制了其經濟價值，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雜的反應條件，導致設備投資和原料成本較高，難以滿足國內對環(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。

內容及主要結論

本研究利用定量結構-性質關系模型有效地預測了各種萃取劑中的R_{Vn-heptane/MCH}。該模型的統計分析顯示了良好的性能指標，包括決定系數(R²)為0.88，交叉驗證系數(Q²)為0.94，均方根誤差(RMSE)為0.02。R_{Vn-heptane/MCH}預測模型是以α, EHOMO, ρ, 和 log_Poct/water作為分子結構描述符，通過逐步回歸的方法建立的。該模型揭示了RV_{n-heptane/MCH}與萃取劑分子結構之間的密切聯系，并強調密度是一個關鍵的描述因子。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，產率超過 0.90，為工業(yè)化應用提供了基本參數。經濟分析表明，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。總之，本研究提出了一種從石腦油中分離環(huán)烷烴單體的科學而經濟的方法，為相關工業(yè)流程的設計和優(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構-性質關系模型的篩選，未考慮混合溶劑的可能性。在實際應用中，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），太原理工大學化學工程專業(yè)研究生，主要研究方向為煤直接液化領域的分離。

王興寶（通訊作者），太原理工大學副教授。主要從事能源清潔高效轉化的基礎研究和工業(yè)應用方面的工作，主持國家自然科學基金、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6件。

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