基于组分化学结构特征的石油馏分萃取分离过程相平衡模型及应用研究

The composition of petroleum is very complicated, and the petroleum characterization for technological processes with different targets is not uniform. The influence of hydrocarbons with multi-ring side chains, sulfides, nitrides, oxides, resins, asphalts in petroleum fractions on extraction separation processes of petroleum fractions is investigated on the basis of chemical structures of petroleum fractions. The relevant thermodynamic models of petroleum fractions are studied, which is significant for extending the application of process simulation techniques to energy-use analysis and optimization of petrochemical processes. A technological process-oriented method for characterizing petroleum fraction composition is studied by considering the chemical structures of components. A content estimation model would be constructed, which can predict the content of pseudo-fraction in petroleum fractions by critical parameters via relating physical attributes of petroleum fractions with pseudo-fractions. According to the chemical structure characteristics of petroleum fractions, the interaction mechanism between pseudo-fraction and extraction solvents in extraction separartion of petroleum fractions would be investigated. Furthermore, the binary interaction parameters are obtained through experiments, and then the thermodynamic model which is applicable to the petroleum fraction extraction process would be modified or re-constructed. The mian purpose of this project is to provide a theoretical and technological support to the design, operating optimization, and energy-saving retrofit for liquid-liquid extraction separation processes of petroleum fractions.

石油馏分组成复杂，针对不同工艺过程目的的石油馏分组成表征难以统一。基于组分化学结构层次，揭示多环短侧链烃类，硫、氮、氧化合物以及胶质、沥青质等杂质和非理想组分对石油馏分液-液萃取过程的影响，开展相关石油馏分热力学模型研究，对于拓展流程模拟技术在石化过程用能分析与优化中的应用有着重要理论与现实意义。本项目考虑石油馏分萃取分离体系中各组成的化学结构特征，研究面向工艺过程的石油馏分组成表征方法。通过石油馏分物性与虚拟物系的关联，构建基于关键物性参数预测石油馏分中虚拟物系含量的关联模型，并基于石油馏分化学结构特征分析，研究石油馏分萃取分离过程的虚拟物系与萃取溶剂之间的相互作用机制，结合实验研究获取各虚拟物系及萃取溶剂的二元交互作用参数，建立普适的石油馏分萃取分离过程的热力学模型。结合实例应用研究进一步修正、完善模型，为石油馏分液-液萃取工艺的设计、操作优化和节能改造提供理论和技术支持。

能源和坏境是当前社会与经济可持续发展的两个重要方面，提高高耗能过程工业的物质和能量利用效率是可持续发展和企业节能减排增效的迫切需要。本课题以高能耗、高物耗和高潜在污染的能量密集型石油化工过程为研究对象，经过四年的持续研究，在石油馏分组分表征、热力学相平衡实验平台、化工过程物质流分析与优化、化工过程能量流结构分析与优化等方面取得了以下研究成果：.第一、石油馏分表征及虚拟物系性质模型研究：以石化工业润滑油糠醛精制过程为例提出了一套采用物理性质和液液平衡来估算虚拟组分的方法。以润滑油及其分离产物的密度、比重、折光率及含硫量等物性表征润滑油虚拟组分。进一步利用物性估算得到虚拟组分的分子量，并建立NRTL活度系数模型回归计算，得到各虚拟组分之间的二元交互作用参数。提出的方法和模型可应用于工业实际中润滑油糠醛精制抽提塔的模拟。.第二、热力学相平衡实验平台构建及应用：借助热力学相平衡理论，采用实验和模拟计算相结合，建立涉及背景工艺流程的二元交互作用参数及非理想多元体系液-液相平衡关系，获取相应的液-液平衡相图。针对实验取样分析过程中存在的取样误差大，以及平衡仪釜体等设备取样分析过程难以连续化等问题，开发构建了一种适用于反应釜、相平衡仪等封闭容器的具有取样外循环系统、气相色谱阀进样系统、气相色谱分析检测系统及加热保温控制系统的全封闭式双通道在线取样分析系统的装置及其方法，使得取样结果精确、取样量小，分析效率高，同时，装置成本低，并易于实现自动化。.第三、分离工艺过程强化机制及用能优化研究：基于热力学原理，探讨典型的受相平衡限制的液液萃取、普通精馏、萃取精馏、吸收等分离过程的用能共性规律和热力学瓶颈，结合工艺过程强化机理考虑，着重从基于相平衡分析、热力学分析工具固定精馏线-提馏线、实际接近最小热力学状态下精馏塔的总组合曲线（CGCC）、用能分析、㶲（损）分析、夹点分析、数学规划等对不同的背景工艺过程进行分析，研究探讨从核心工艺改进的源头节能理论和方法，指出针对各背景工艺装置的分离过程用能瓶颈，并提出可行的用能强化方案及流程优化方案。揭示各分离过程的用能共性规律，以指导分离过程强化及流程优化，开发设计分离过程强化的工艺流程。