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本研究以塔河渣油中的饱和分、芳香分、胶质和沥青质为原料,在不同条件下对各组分进行了液相炭化。采用红外光谱、核磁共振波谱(1H-NMR)、偏光显微镜、元素分析和分子量测定等分析手段,对炭化原料及液相炭化产物进行表征,研究了不同组分在焦化初期的转化规律,并揭示了原料的化学组成对中间相形成的作用。利用谱图分析,结合热力学相关知识,依据组分平均分子结构模型,探讨芳香分和胶质的液相炭化机理是本文的重点。
具体研究方案是将饱和分、芳香分、胶质和沥青质在380℃下分别炭化6h、16h、8h和6h,采用不同的溶剂对液相炭化产物进行分离,并用偏光显微镜观察产物光学结构的变化,在此基础上推测组分的液相炭化规律。研究结果表明,塔河渣油中的四组分经历了不同的炭化历程而形成性能各异的液相炭化产物。在该炭化条件下,芳香分经液相炭化处理形成了优质中间相,明显观察到小球成核、长大和融并的过程,最终形成了高含量各向异性的广域融并体。芳香分含有一定芳环数和环烷基结构,遵循自由基反应机理,发生裂解和缩聚反应,经历HS→HI-TS→TI-QS→QI的转化而形成易石墨化的直线型稠环芳烃大分子体系。饱和分的液相炭化主要以裂解反应为主,几乎不产生TI-QS及QI,炭化产物基本为各向同性。胶质中含有较大的芳环体系、较多的烷基侧链及桥接的亚甲基,主要以缩聚反应为主,形成非平面稠环芳烃大分子体系,且炭化过程观察不到小球的大量融并而最终形成粗镶嵌结构。沥青质组分较重,经历HI-TS→TI的转化,TI→QI的转化并不明显,在较短时间内便形成细镶嵌结构组织,表明沥青质向中间相的转化后期更多的是物理作用的集聚,而非化学转化,对中间相的形成具有阻碍作用。
在此基础上,以不同比例的饱和分、芳香分和胶质调制成不同的原料体系再进行液相炭化,考察了组分间相互作用对中间相形成的影响。研究表明,芳香分含量高于60％,饱和分和胶质含量分别低于30％和10％时,可以形成广域融并体的各向异性组织;当饱和分与芳香分以1:2调和时,易于形成具有光学纤维结构的各向异性组织。根据试验结果,绘制出了饱和分、芳香分和胶质液相炭化产物的光学显微结构分区图。