化工进展 ›› 2020, Vol. 39 ›› Issue (1): 137-144.DOI: 10.16085/j.issn.1000-6613.2019-0549
收稿日期:
2019-04-10
出版日期:
2020-01-05
发布日期:
2020-01-14
通讯作者:
解强
作者简介:
李光升(1996—),男,博士研究生,研究方向为煤基液体产物的精细化分离。E-mail: 基金资助:
Guangsheng LI(),Qiang XIE(
),Xianglan ZHANG,Haiyong ZHANG
Received:
2019-04-10
Online:
2020-01-05
Published:
2020-01-14
Contact:
Qiang XIE
摘要:
低温煤焦油中酚类化合物溶解行为及机理研究是其高效分离的基础。本文以焦油中的典型组分为研究对象,借助混合能参数,模拟计算各组分与酚类化合物的相溶性;在焦油模型中,借助相互作用能、径向分布函数计算及电子密度分析,探究酚类化合物的溶解机理。结果表明:①焦油中各组分物质苯环上取代基基团、苯环数量等结构特征是影响酚类化合物在焦油中溶解行为的关键;②酚类化合物在各组分中的溶解行为受到缔合作用的影响,缔合作用越大、空间位阻效应越小,酚类化合物与其他组分相溶性越强;③模型焦油中,苯酚与苯、苯并噻吩之间缔合作用力均为π-π堆积作用力,苯酚与正己烷、吲哚之间缔合作用力分别为CH-π堆积作用力和N—H···O氢键。
中图分类号:
李光升,解强,张香兰,张海永. 基于分子模拟的低温煤焦油中酚类化合物的溶解特性[J]. 化工进展, 2020, 39(1): 137-144.
Guangsheng LI,Qiang XIE,Xianglan ZHANG,Haiyong ZHANG. Solubility of phenolic compounds in low temperature coal tar based on molecular simulation[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2020, 39(1): 137-144.
组分 | 结构差异 | 典型化合物 |
---|---|---|
酚类化合物 | 烷基取代基碳数 | 苯酚、邻甲基苯酚、邻乙基苯酚、邻丙基苯酚、邻叔丁基苯酚 |
烷基取代基数量 | 苯酚、邻甲基苯酚、2,3-二甲基苯酚 | |
烷基取代基位置 | 邻甲酚、间甲酚、对甲酚 | |
羟基数量 | 苯酚、邻苯二酚 | |
羟基位置 | 邻苯二酚、间苯二酚、对苯二酚 | |
芳香烃 | 烷基取代基碳数 | 苯、甲苯、乙苯、异丙苯 |
烷基取代基数量 | 苯、甲苯、邻二甲苯 | |
烷基取代基位置 | 邻二甲苯、间二甲苯、对二甲苯 | |
苯环数量 | 苯、萘、蒽 | |
脂肪烃 | 直链烃碳链长短 | 正己烷、正十二烷、正二十二烷 |
环状烃与直链烃 | 正己烷、环戊烷、环己烷 | |
杂环氮化物 | 苯环数量等 | 吡啶、喹啉、吲哚、咔唑 |
含硫化合物 | 苯环数量等 | 噻吩、苯并噻吩、二苯并噻吩 |
表1 各组分不同结构的典型化合物
组分 | 结构差异 | 典型化合物 |
---|---|---|
酚类化合物 | 烷基取代基碳数 | 苯酚、邻甲基苯酚、邻乙基苯酚、邻丙基苯酚、邻叔丁基苯酚 |
烷基取代基数量 | 苯酚、邻甲基苯酚、2,3-二甲基苯酚 | |
烷基取代基位置 | 邻甲酚、间甲酚、对甲酚 | |
羟基数量 | 苯酚、邻苯二酚 | |
羟基位置 | 邻苯二酚、间苯二酚、对苯二酚 | |
芳香烃 | 烷基取代基碳数 | 苯、甲苯、乙苯、异丙苯 |
烷基取代基数量 | 苯、甲苯、邻二甲苯 | |
烷基取代基位置 | 邻二甲苯、间二甲苯、对二甲苯 | |
苯环数量 | 苯、萘、蒽 | |
脂肪烃 | 直链烃碳链长短 | 正己烷、正十二烷、正二十二烷 |
环状烃与直链烃 | 正己烷、环戊烷、环己烷 | |
杂环氮化物 | 苯环数量等 | 吡啶、喹啉、吲哚、咔唑 |
含硫化合物 | 苯环数量等 | 噻吩、苯并噻吩、二苯并噻吩 |
物质 | 分子数量 | 质量分数/% |
---|---|---|
苯酚 | 1331 | 45.1 |
苯 | 1080 | 30.4 |
正己烷 | 500 | 15.5 |
吲哚 | 143 | 6 |
苯并噻吩 | 63 | 3 |
表2 模型焦油体系中各物质的含量
物质 | 分子数量 | 质量分数/% |
---|---|---|
苯酚 | 1331 | 45.1 |
苯 | 1080 | 30.4 |
正己烷 | 500 | 15.5 |
吲哚 | 143 | 6 |
苯并噻吩 | 63 | 3 |
物质 | 分子数量 | 密度①/g·cm-3 | 密度②/g·cm-3 |
---|---|---|---|
苯酚 | 200 | 1.083 | 1.0576 |
苯 | 200 | 0.863 | 0.8737 |
正己烷 | 200 | 0.661 | 0.6603 |
吲哚 | 200 | 1.098 | 1.22 |
苯并噻吩 | 200 | 1.130 | 1.165 |
表3 焦油模型中各物质的密度模拟结果与实验值对比
物质 | 分子数量 | 密度①/g·cm-3 | 密度②/g·cm-3 |
---|---|---|---|
苯酚 | 200 | 1.083 | 1.0576 |
苯 | 200 | 0.863 | 0.8737 |
正己烷 | 200 | 0.661 | 0.6603 |
吲哚 | 200 | 1.098 | 1.22 |
苯并噻吩 | 200 | 1.130 | 1.165 |
物质 | 混合能/kJ·mol-1 |
---|---|
苯酚-吲哚 | -0.396 |
苯酚-喹啉 | -1.357 |
苯酚-吡啶 | -5.745 |
苯酚-咔唑 | 12.641 |
表4 杂环氮化物结构对混合能的影响
物质 | 混合能/kJ·mol-1 |
---|---|
苯酚-吲哚 | -0.396 |
苯酚-喹啉 | -1.357 |
苯酚-吡啶 | -5.745 |
苯酚-咔唑 | 12.641 |
物质 | 混合能/kJ·mol-1 |
---|---|
苯酚-噻吩 | 5.303 |
苯酚-苯并噻吩 | 2.535 |
苯酚-二苯并噻吩 | 24.694 |
表5 含硫化合物结构对混合能的影响
物质 | 混合能/kJ·mol-1 |
---|---|
苯酚-噻吩 | 5.303 |
苯酚-苯并噻吩 | 2.535 |
苯酚-二苯并噻吩 | 24.694 |
物质 | Einter/×103 kJ·mol-1 |
---|---|
苯酚-苯 | -34.86 |
苯酚-正己烷 | -13.57 |
苯酚-吲哚 | -7.00 |
苯酚-苯并噻吩 | -2.26 |
表6 焦油模型中苯酚与其他物质间相互作用能
物质 | Einter/×103 kJ·mol-1 |
---|---|
苯酚-苯 | -34.86 |
苯酚-正己烷 | -13.57 |
苯酚-吲哚 | -7.00 |
苯酚-苯并噻吩 | -2.26 |
1 | 何璐, 解强, 梁鼎成, 等. 煤热解反应热测定方法研究进展[J]. 化工进展, 2017, 36(2): 494-501. |
HE L, XIE Q, LIANG D C,et al. Measurement of reaction heat of coal pyrolysis: state-of-the-art[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2017, 36(2): 494-501. | |
2 | 张俊杰, 徐绍平, 王光永, 等. 停留时间对低阶煤快速热解产物分布、组成及结构的影响[J]. 化工进展, 2019, 38(3): 1346-1352. |
ZHANG J J, XU S P, WANG G Y, et al. Effect of residence time on distribution, composition and structure of products derived from fast coal pyrolysis[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2019, 38(3): 1346-1352. | |
3 | SUN M, CHEN J, DAI X M, et al. Controlled separation of low temperature coal tar based on solvent extraction-column chromatography[J]. Fuel Processing Technology, 2015, 136: 41-49. |
4 | 张生娟, 高亚男, 陈刚, 等. 煤焦油中酚类化合物的分离及其组成结构鉴定研究进展[J]. 化工进展, 2018, 37(7): 2588-2596. |
ZHANG S J, GAO Y N, CHEN G, et al. Progress of separation, composition and structure identification of phenolic compounds in coal tar[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2018, 37(7): 2588-2596. | |
5 | MENG H, GE C T, REN N N, et al. Complex extraction of phenol and cresol from model coal tar with polyols, ethanol amines, and ionic liquids thereof[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2013, 53(1): 355-362. |
6 | SUN M, MA X X, YAO Q X, et al. GC-MS and TG-FTIR study of petroleum ether extract and residue from low temperature coal tar[J]. Energy & Fuels, 2011, 25(3): 1140-1145. |
7 | SHI Q, PAN N, LONG H Y. Characterization of middle-temperature gasification coal tar. Part 3: Molecular composition of acidic compounds[J]. Energy & Fuels, 2013, 27(1): 108-117. |
8 | 李文英, 慕海, 王伟, 等. 煤基粗油轻质组分定性定量分析现状与展望[J]. 化工进展, 2019, 38(1): 217-228. |
LI W Y, MU H, WANG W, et al. Status quo and outlook of qualitative and quantitative analysis of light weight fractions of coal-based crude oil[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2019, 38(1): 217-228. | |
9 | DAI F F, XIN K, SONG Y H, et al. Liquid-liquid equilibria for the extraction of phenols from alkane using ethylene glycol[J]. Fluid Phase Equilibria, 2016, 419: 50-56. |
10 | JIAO T T, ZHUANG X L, HE H Y, et al. Separation of phenolic compounds from coal tar via liquid-liquid extraction using amide compounds[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2015, 54(9): 2573-2579. |
11 | 易兰, 李文英, 冯杰, 等. 煤基液体油分离技术研究进展[J]. 化工学报, 2017, 68(10): 3678-3692. |
YI L, LI W Y, FENG J, et al. Recent progress on coal-based liquid oil separation technology[J]. CIESC Journal, 2017, 68(10): 3678-3692. | |
12 | 刘兴坤, 张香兰, 刘潜, 等. 正十二烷-甲苯-苯酚三元体系液液相平衡数据的测定与关联[J]. 高校化学工程学报, 2018, 32(2): 275-279. |
LIU X K, ZHANG X L, LIU Q, et al. Determination and correlation of liquid equilibrium of the n-dodecane-toluene-phenol ternary system[J]. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities, 2018, 32(2): 275-279. | |
13 | 张海永, 刘潜, 刘兴坤, 等. 低温煤焦油中正十二烷-甲苯-苯酚的相平衡及分离[J]. 化工学报, 2018, 69(8): 3479-3487. |
ZHANG H Y, LIU Q, LIU X K, et al. Phase equilibrium and separation of n-dodecane-toluene-phenol in low temperature coal tar[J]. CIESC Journal, 2018, 69(8): 3479-3487. | |
14 | 李洪, 张季, 李鑫钢, 等. 分子模拟方法计算相平衡热力学性质的研究进展[J]. 化工进展, 2017, 36(8): 2731-2741. |
LI H, ZHANG J, LI X G, et al. Progress in study on thermodynamic properties of phase equilibria using molecular simulation[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2017, 36(8): 2731-2741. | |
15 | ZHAO Y, ZHANG X H, ZHANG W, et al. Simulation and experimental on the solvation interaction between the GAP matrix and insensitive energetic plasticizers in solid propellants[J]. The Journal of Physical Chemistry A, 2015, 120(5): 765-770. |
16 | FU X L, FAN X Z, JU X H, et al. Molecular dynamic simulations on the interaction between an HTPE polymer and energetic plasticizers in a solid propellant[J]. RSC Advances, 2015, 65(5): 52844-52851. |
17 | ZENG F L, SUN Y, ZHOU Y, et al. Molecular simulations of the miscibility in binary mixtures of PVDF and POSS compounds[J]. Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, 2009, 17(7): 75002. |
18 | 于共奇. 重质油组分及其溶解机理的分子动力学研究[D]. 青岛: 中国石油大学(华东), 2013. |
YU G Q. Molecular dynamics study of the composition and the dissolution theory of heavy oil[D]. Qingdao: China University of Petroleum (East China), 2013. | |
19 | FAN C F, OLAFSON B D, BLANCO M, et al. Application of molecular simulation to derive phase diagrams of binary mixtures[J]. Macromolecules, 1992, 25(14): 3667-3676. |
20 | BLANCO M. Molecular silverware. Ⅰ. General solutions to excluded volume constrained problems[J]. Journal of Computational Chemistry, 1991, 12(2): 237-247. |
21 | FLORY. Principles of polymer chemistry[M]. New York: Cornell University Press, 1953: 672. |
22 | 周公度. 结构化学基础[M]. 北京: 北京大学出版社, 2008: 363. |
ZHOU G D. Structural chemistry foundation[M]. Beijing: Peking University Press, 2008: 363. | |
23 | 邓蕾, 张炜, 鲍桐, 等. PBT与含能增塑剂相互作用的分子动力学模拟[J]. 含能材料, 2017, 25(1): 32-38. |
DENG L, ZHANG W, BAO T, et al. Molecular dynamics simulation of interaction between PBT and energetic plasticizer[J]. Chinese Journal of Energetic Materials, 2017, 25(1): 32-38. | |
24 | STEINER T, DESIRAJU G R. Distinction between the weak hydrogen bond and the van der Waals interaction[J]. Chemical Communications, 1998(8): 891-892. |
25 | PAN N, CUI D C, LI R L, et al. Characterization of middle-temperature gasification coal tar. Part 1: bulk properties and molecular compositions of distillates and basic fractions[J]. Energy & Fuels, 2012, 26(9): 5719-5728. |
26 | LONG H Y, SHI Q, PAN N, et al. Characterization of middle-temperature gasification coal tar. Part 2: Neutral fraction by extrography followed by gas chromatography-mass spectrometry and electrospray ionization coupled with fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry[J]. Energy & Fuels, 2012, 26(6): 3424-3431. |
27 | SUN H. COMPASS: an ab initio force-field optimized for condensed-phase applications-overview with details on alkane and benzene compounds[J]. The Journal of Physical Chemistry B, 1988, 102(38): 7338-7364. |
28 | 肖瑞华. 煤焦油化工学[M]. 2版. 北京: 冶金工业出版社, 2009: 375-442. |
XIAO R H. Coal tar chemical engineering[M]. 2nd ed. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2009: 375-442. | |
29 | ZHANG L Z, ZHANG M, GAO J, et al. Efficient extraction of neutral heterocyclic nitrogen compounds from coal tar via ionic liquids and its mechanism analysis[J]. Energy & Fuels, 2018, 32(9): 9358-9370. |
[1] | 崔守成, 徐洪波, 彭楠. 两种MOFs材料用于O2/He吸附分离的模拟分析[J]. 化工进展, 2023, 42(S1): 382-390. |
[2] | 王琦, 寇丽红, 王冠宇, 王吉坤, 刘敏, 李兰廷, 王昊. 焦化废水生物出水中可溶解性有机物的分子识别[J]. 化工进展, 2023, 42(9): 4984-4993. |
[3] | 欧阳素芳, 周道伟, 黄伟, 贾凤. 新型耐迁移橡胶防老剂的研究进展[J]. 化工进展, 2023, 42(7): 3708-3719. |
[4] | 杨发容, 顾丽莉, 刘洋, 李伟雪, 蔡洁云, 王惠平. 计算机模拟辅助特丁津分子印迹聚合物的制备及应用[J]. 化工进展, 2023, 42(6): 3157-3166. |
[5] | 赵毅, 杨臻, 张新为, 王刚, 杨旋. 不同裂缝损伤和愈合温度条件下沥青自愈合行为的分子模拟[J]. 化工进展, 2023, 42(6): 3147-3156. |
[6] | 杨许召, 李庆, 袁康康, 张盈盈, 韩敬莉, 吴诗德. 含Gemini离子液体低共熔溶剂热力学性质[J]. 化工进展, 2023, 42(6): 3123-3129. |
[7] | 李瑞东, 黄辉, 同国虎, 王跃社. 原油精馏塔中铵盐吸湿特性及其腐蚀行为[J]. 化工进展, 2023, 42(6): 2809-2818. |
[8] | 范思涵, 于国熙, 来超超, 何欢, 黄斌, 潘学军. 非生物改性对厌氧微生物产物光化学活性影响[J]. 化工进展, 2023, 42(4): 2180-2189. |
[9] | 宋超, 叶学民, 李春曦. 纳米颗粒与表面活性剂的自组装行为对硅油-水界面性质影响的分子动力学[J]. 化工进展, 2022, 41(S1): 366-375. |
[10] | 朱昊, 刘汉飞, 季雨凡, 李双涛, 黄益平, 高源, 魏振浩, 主凯, 韩卫清, 魏卡佳. 催化臭氧化处理酚类化合物的研究进展与机理解析[J]. 化工进展, 2022, 41(S1): 545-555. |
[11] | 冯颖, 赵孟杰, 崔倩, 解玉鞠, 张建伟, 董鑫. 分子模拟技术在壳聚糖功能材料开发和应用中的研究进展[J]. 化工进展, 2022, 41(8): 4241-4253. |
[12] | 李艳平, 严大洲, 杨涛, 温国胜, 韩治成. 硅基电子气去除甲基氯硅烷的分子动力学模拟[J]. 化工进展, 2022, 41(8): 4375-4385. |
[13] | 张辛铖, 何林, 隋红, 李鑫钢. 重质油包水乳液破乳过程及降黏强化机制[J]. 化工进展, 2022, 41(7): 3534-3544. |
[14] | 马续, 邹明贵, 崔巍巍, 付安然, 廖小龙, 巩桂芬. 一种水性负极黏结剂的合成及性能[J]. 化工进展, 2022, 41(6): 3138-3145. |
[15] | 陈磊, 闫兴清, 胡延伟, 于帅, 杨凯, 陈绍云, 关辉, 喻健良, HMAHGEREFTE Haroun, MARTYNOV Sergey. 二氧化碳管道意外泄漏减压过程的断裂控制研究进展[J]. 化工进展, 2022, 41(3): 1241-1255. |
阅读次数 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
全文 337
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
摘要 406
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
京ICP备12046843号-2;京公网安备 11010102001994号 版权所有 © 《化工进展》编辑部 地址:北京市东城区青年湖南街13号 邮编:100011 电子信箱:hgjz@cip.com.cn 本系统由北京玛格泰克科技发展有限公司设计开发 技术支持:support@magtech.com.cn |