油页岩中干酪根的提取与结构构建及反应性研究

发布时间：2017-10-26 11:13

  本文关键词：油页岩中干酪根的提取与结构构建及反应性研究

  更多相关文章： 干酪根 结构特征 分子模型 密度泛函理论计算 离解能 反应过程

【摘要】：干酪根被认为是油页岩热解干馏时的重要油气资源。而干酪根热解的第一步就是化学键的均裂,干酪根中化学键的离解能可以成为代表化学键均裂时难易程度的评价指标,与干酪根热解、干馏的本质问题密切相关。因此,基于干酪根结构特性构建干酪根分子模型,并计算多种化学键的离解能对深入探讨油页岩的热解反应过程具有重要的指导意义。本文系统研究了龙口、窑街干酪根分子的结构特征,并利用量子化学计算方法,预测了C-C、C-N、C-O、C-H、C-S和C=C键的离解能,分析了自由基稳定性、取代基数量和位置对不同化学键离解能的影响。最后,通过比较多种化学键的离解能来分析干酪根的热解反应过程。借助固体核磁共振波谱(~(13)C NMR)、X射线光电子能谱(XPS)、傅里叶红外光谱(FT-IR)及X射线衍射光谱(XRD)研究了龙口、窑街干酪根的分子结构特征。结果表明,脂碳构成了龙口干酪根主要的碳骨架结构(70.33%),芳碳含量相对较少(28.45%),但芳环取代度高(δ=0.55-0.75),氧元素主要以C-O、C-OH、O=C-O、C=O形式存在。氮元素主要以吡咯、胺和苯甲腈形式存在。硫元素主要以亚砜、噻吩和硫醚形式存在。窑街干酪根的脂碳率和芳碳率分别为54.84%和44.26%,表明窑街干酪根的不饱和程度较大。窑街干酪根的芳环取代度为0.48-0.78。氧元素的存在形式主要为C-O、C-OH、O=C-O和C=O。氮元素主要以吡咯、胺和苯甲腈的形式存在。硫元素主要以亚砜、噻吩和硫醚的形式存在。基于密度泛函理论,计算了554个干酪根小分子模型的C-C、C-S、C-N、C-O、C-H和C=C键的离解能。结果表明,干酪根分子中多种化学键的强度顺序如下:C S键C N键C O键C C键C H键C=C键。离解能不仅与自由基的稳定性有关,同时受所研究的化学键周边的化学环境的强烈影响。因此,当周边化学环境相同时,干酪根小分子化学键的离解能可以代表干酪根大分子中相同化学键的强度。通过比较多种化学键的离解能,我们进一步分析了干酪根热解反应过程,研究表明,干酪根热解过程中离解能较低的化学键将首先发生断裂,主要为干酪根大分子化合物中连接结构单元之间的桥键断裂以及C-S、C-N和C-O等相对较弱的化学键的断裂,同时可能伴有大分子聚合物间游离烃类的放出,这时热解产物主要为H2O、CO2、H2S和一些轻质烃。然后为中等强度的化学键的断裂,可能涉及到芳环支链上的C-C键断裂、长链烷烃的分解、与双键相连的吡咯α碳原子上的脱氢反应、与杂原子相连的C-C键的断裂和脂环族的开环反应等。这时将产生大量的油、热解气和半焦。这也是生油产气的主要阶段。最后为离解能相对较大的化学键的断裂,这些反应需要在较高的温度下发生,主要为C=C键的断裂、芳香环上的脱氢与缩合、脂环族化合物的芳构化和含有杂原子官能团的化学键的断裂,这时主要生成半焦和少量的气体。
【关键词】：干酪根 结构特征 分子模型 密度泛函理论计算 离解能 反应过程
【学位授予单位】：东北电力大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE662
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-12
• 第1章 绪论12-20
• 1.1 课题研究背景12-14
• 1.1.1 当今能源概况12
• 1.1.2 油页岩概况12-13
• 1.1.3 干酪根概况13-14
• 1.2 国内外干酪根的研究现状14-17
• 1.2.1 国内干酪根的研究现状14-15
• 1.2.2 国外干酪根的研究现状15-17
• 1.3 量子化学计算方法17
• 1.4 本文研究目的及内容17-20
• 1.4.1 本文研究目的17-18
• 1.4.2 本文研究内容18-20
• 第2章 实验材料与方法20-25
• 2.1 油页岩中干酪根的提取20-22
• 2.1.1 实验所用试剂及仪器20-21
• 2.1.2 干酪根的提取过程21-22
• 2.2 干酪根的表征手段及测试条件22-23
• 2.2.1 固体核磁共振波谱（~(13)C NMR）22-23
• 2.2.2 傅里叶红外光谱（FT-IR）23
• 2.2.3 X射线衍射光谱（XRD）23
• 2.2.4 X射线光电子能谱（XPS）23
• 2.3 量子化学计算方法23-25
• 第3章 干酪根分子化学结构特性研究25-36
• 3.1 油页岩和干酪根的XRD分析25-26
• 3.2 干酪根碳骨架结构分析26-31
• 3.2.1 龙口干酪根 ~(13)C NMR分析26-28
• 3.2.2 窑街干酪根 ~(13)C NMR分析28-31
• 3.3 干酪根中O、N、S的存在形态分析31-33
• 3.3.1 龙口干酪根XPS分析31-32
• 3.3.2 窑街干酪根XPS分析32-33
• 3.4 干酪根中化学官能团分析33-34
• 3.4.1 龙口干酪根FT-IR分析33
• 3.4.2 窑街干酪根FT-IR分析33-34
• 3.5 本章小结34-36
• 第4章 干酪根分子结构的构建及反应性研究36-89
• 4.1 干酪根分子结构的构建36-38
• 4.1.1 干酪根分子二维模型的构建36-37
• 4.1.2 干酪根小分子模型的抽取37-38
• 4.2 C-C键离解能的研究38-62
• 4.3 C-O键离解能的研究62-70
• 4.4 C-S键离解能的研究70-71
• 4.5 C-N键离解能的研究71-73
• 4.6 C=C键离解能的研究73-76
• 4.7 C-H键离解能的研究76-86
• 4.8 化学键离解能与干酪根反应性关系的研究86-87
• 4.9 本章小结87-89
• 结论89-91
• 参考文献91-96
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果96-97
• 致谢97

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本文编号：1098405