稠油中沥青质与表面活性剂相互作用的分子模拟

发布时间：2020-10-14 06:35

　　 稠油具有粘度高,流动性低的特点,在开采运输和工业生产中存在很大困难。近年来由于人类对石油的需求量越来越大,易于开采的优质油品储量越来越少。稠油储量大,具有极高的开采潜力。然而,由于稠油组成的复杂性,其中除了常见的烃类,还包含大量的沥青质,胶质,以及一些无机盐类。正是这些沥青质胶质分子的存在,使得稠油具有了极高的粘度。单就沥青质而言,其组成就极其复杂,包含大量不同结构的沥青质分子,不同产地的油品所含有的沥青质分子结构也大不相同。实验上,从分子层面研究沥青质的性质是很费时费力的。随着理论化学方法和计算机技术的不断发展,分子模拟是一种在分子层面研究沥青质胶质聚集结构的特点和性质方法,从分子层面解释稠油具有极高粘性的原因,给实验提供了很好的辅助作用。本文以含有四种烷烃,两种环烷烃,两种芳香烃的轻质油模型为基础,选取了多种沥青质和胶质,运用分子动力学方法在分子层面对稠油体系进行理论研究。从分子层面给出了稠油的结构,油滴中沥青质和胶质分子的分布。随后,加入不同的表面活性剂,尝试研究加入表面活性剂,油滴的性质产生了什么改变,从而揭示表面活性剂在乳化过程中所扮演的角色。主要研究内容包括:(1)纯油与油滴结构的理论研究与沥青质胶质含量较少的轻质油品不同,稠油含有大量的沥青质与胶质分子。这些沥青质与胶质分子带有大分子量的芳香环结构,可以通过派派共轭堆积相互作用聚集形成大的聚集体,这样的聚集体使得稠油具有极高的粘性。实验上很难从分子水平研究沥青质胶质聚集体。本文利用分子动力学方法,研究了加入单一沥青质C5Pe的稠油,油滴的结构。然后针对稠油中沥青质胶质含量大,组成复杂的特点,研究了使用复合沥青质胶质的稠油,油滴的结构性质。我们希望我们的研究对实验研究稠油的高粘性提供了理论辅助和指导,对稠油的研究起到推动作用(2)稠油油滴与二氧化碳响应型超两亲分子D230H-OA之间相互作用的理论研究D230H-OA是一种基于脂肪酸油酸和聚醚胺的二氧化碳响应型超两亲分子。在加入到稠油体系后,会溶解出具有表面活性的油酸负离子和质子化聚醚胺,是一种良好的表面活性剂。在通入二氧化碳的情况下,油酸负离子和质子化聚醚胺会转化为油酸分子和聚醚胺分子,失去表面活性。本文利用分子动力学方法,构建了模拟体系,分别加入离子状态的D230H-OA与分子状态的D230-HOA到含有稠油油滴的模拟体系中。通过对比两种状态,两种稠油,共四个体系之间的性质上的区别,尝试去从分子层面解释表面活性剂在稠油的乳化过程中所起到的作用。(3)稠油与不同浓度SDS相互作用的理论研究沥青质和胶质分子的聚集体在稳定稠油中起重要作用。虽然许多实验尝试去研究稠油中沥青质和胶质分子的复杂聚集结构,但这些微观结构和性质在分子水平上仍不明确。作为一种有效的辅助工具,分子动力学模拟可用于模拟稠油油滴和乳化油滴中沥青质和胶质的行为。本文利用分子动力学方法研究稠油油滴和乳化油滴中沥青质和胶质的聚集结构。模拟结果表明:i)沥青质和胶质分子通过面对面或边对面堆积相互作用可在稠油中形成网状结构,聚集结构被认为是重质原油的主要原因。油具有高粘度。ii)当表面活性剂分子加入重油相时,沥青质分子从油/水界面移动到乳化油滴的中心。表面活性剂分子在界面处的吸附导致油滴亲水表面积增加。我们认为乳化油滴的亲水性变化是重油粘度降低的关键。iii)拉伸分子动力学模拟可以证明沥青质和胶质分子之间的相互作用在乳化重油液滴中变得脆弱,这表明添加的表面活性剂分子有利于原油的粘度降低。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TE621
【部分图文】：

工作者尝试用Ｇｒｏｍａｃｓ，Ｌａｍｍｐｓ等软件去研宄沥青质胶质分子的性质。例如在??２００８年的文章中，Ｋｕｚｎｉｃｋｉ［２］等人选取三种大型的沥青质分子，使用水，甲苯，??庚烷作为溶剂研究了沥青质分子之间的堆积聚集行为，如图１．１所示。Ｊｉａｎ［１Ｑ］??等人则研究了具有同样芳香烃结构，不同侧链的几种沥青质分子，如图１．?２所示，??在甲苯中的堆积聚集行为，如图１．３所示。??２??

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?／?＾Ｒｊ?？Ｊ?Ａｌｉｐｈａｔｉｃ?ｓｉｄｅ??ｉＰｐ＾ｐ??ｃｈａｉｎ?ｇｒｏｕｐ??图１．?２文章中使用的４种沥青质分子的化学结构。??＾?．?Ｉ??Ｉ?ＪＴ??ａ）?■?ｂ）??图１．３模拟后，体系中最大的聚集体。（ａ）?ＶＯ－８Ｃ，?（ｂ）?ＶＯ－１２Ｃ。??１．２分子模拟??随着理论化学和计算机技术的发展，分子模拟越来越受到人们重视。分子模??拟是基于牛顿力学方程或者统计热力学的计算化学方法。计算机或者大型服务器??的发展为分子模拟提供了硬件基础。当使用分子模拟时，我们首先会在分子水平??上建立分子模型，然后在各种不同的条件下模拟分子的结构与行为。然后对得到??的结构进行各种各样的分析，得到想要的数据。与传统上的实验方法相比，分子??模拟成本较低而且能观察到实验上观测不到或不易观测的分子尺度上诸多微观??性质，如分子位置分布规律、氢键、亲疏水性、部分能量特征等。分子模拟一般??４??Ｉ??
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本文编号：2840325