沥青质分子聚集体的聚集内因

运用量子力学、分子动力学等方法,研究沥青质分子聚集体形成过程的分子构型变化、能量变化以及电子分布情况。结果表明：沥青质分子形成聚集体过程中形变能很小,沥青质分子发生形变不是沥青质聚集体形成的决定因素,但为沥青质分子聚集进而形成聚集体提供基础,沥青质分子具有很强的本征聚集活性;沥青质分子间相互作用能很大,是沥青质分子聚集体形成的决定因素,其中,属于分子间固有属性的范德华力及泡利排斥作用之和相对较小,与沥青质分子结构特征相关的π π相互作用及氢键作用之和很大,表明由沥青质分子的大芳环体系和多杂原子的结构特征引起的π π相互作用及氢键作用是导致形成沥青质分子聚集体的主要原因;在所研究体系中,金属卟啉分子与含吡啶氮的沥青质分子通过π π相互作用而非轴向配位作用形成聚集体。     

稠油沥青质的基本化学组成结构与缔合性研究

从4种不同稠油中分离沉淀出正戊烷沥青质,用红外光谱表征了其官能团结构,用1H-NMR结合相对分子质量及元素分析测定了沥青质的基本结构参数,并得出了沥青质的平均分子式,同时测定了沥青质的偶极矩来表征其极性。研究结果表明：稠油沥青质分子中杂原子的存在使其含有较多的极性基团,沥青质具有较大极性。杂原子含量越高,其极性越大,缔合性越强,缔合数越高。此外,用两种方法计算了沥青质的分子直径,结果表明：相对分子质量越大时,沥青质分子尺寸越大,但特性黏度法测得的分子直径与其选用的溶剂有关,且关联出的分子直径偏大,而相对密度和相对分子质量法能较好地反映分子颗粒尺寸。     

石油沥青质聚沉的微观机理

应用分子力学和分子动力学方法构建了溶剂-沥青质分子相互作用体系的周期性结构模型,研究硝基苯、喹啉、吡啶、1-甲基萘、二溴甲烷、苯6中不同溶剂对沥青质聚沉过程的影响.通过对沥青质聚合体构型和其分子间相互作用能的分析,确定了沥青质聚沉的主要驱动力,讨论了常温和加热条件下不同溶剂对沥青质聚合体稳定性的影响机制.研究表明,范德华相互作用能在沥青质聚合体内占据主导地位,静电相互作用能相对较小;分子问的π-π相互作用是促使沥青质聚合最主要的驱动力,杂原子的存在可能是促使沥青质分子聚合的主要原因之一;溶剂苯和硝基苯对沥青质聚沉有显著的抑制或解聚作用,可作为沥青质沉积的抑制剂和清除剂.图5表1参16     

双亲分子稳定辽河沥青质的作用及其机理

 为认识双亲分子化合物对沥青质的稳定作用及稳定机理,采用X射线光电子能谱（XPS）分析了辽河沥青质颗粒表面杂原子官能团的类型和含量;采用紫外－可见光谱(UV-Vis)测定添加双亲分子前后沥青质甲苯－正庚溶液中沥青质浓度的变化,进而分析了不同双亲分子化合物对辽河沥青质的分散稳定作用;采用红外光谱(FT-IR)分析初步探讨了十二烷基苯磺酸（DBSA）对沥青质分散稳定作用的机理。结果表明,沥青质颗粒表面含氮官能团主要为碱性的吡啶氮官能团和弱碱性的吡咯氮官能团,含氧官能团主要为碳氧单键和碳氧双键结构,表面杂原子官能团的数量虽然较少,但为沥青质与双亲分子作用的关键因素;双亲分子头部官能团和沥青质颗粒表面杂原子之间的酸碱作用越强,其分散稳定沥青质的能力越强;DBSA通过其磺酸基官能团与沥青质颗粒表面的羟基和氨基形成分子间氢键而吸附在沥青质上。     

减压渣油微观相结构特性的分子模拟

选用4种模型化合物代表减压渣油四组分(SARA),采用分子动力学模拟了减压渣油微观相结构,发现不同结构分子间相互作用的差异是减压渣油微观非均匀分布的本质原因,并通过电子分布特性分析了不同结构分子间相互作用差异的本质原因。沥青质分子间强相互作用使得沥青质分子自缔合形成聚集体;而多个胶质分子与沥青质分子的强相互作用封闭了沥青质分子自身进一步发生相互作用的活性位;同时,与胶质分子、饱和烃分子具有强相互作用的芳香烃分子将沥青质 胶质分子形成的聚集体分散在由芳香烃 饱和烃分子构成的连续相内,其中芳香烃分子更靠近胶质分子。因此,增加沥青质、饱和烃分子的含量会促进沥青质聚集,降低减压渣油稳定性;增加胶质、芳香烃分子的含量会阻碍沥青质聚集,提高减压渣油稳定性。     

沥青质在石英表面吸附行为的分子动力学模拟

为考察沥青质分子在不同溶剂环境中在岩石表面的吸附情况,选用代表性的沥青质分子结构,采用分子动力学模拟的方法研究了正庚烷、甲苯和吡啶3种溶剂中沥青质分子在羟基化石英表面的吸附机理。沥青质分子的平衡吸附构型显示,在正庚烷中,沥青质分子以较强的弯曲构型吸附在石英表面上;在甲苯和吡啶中,沥青质分子自身构型变化减弱,向石英表面吸附的趋势也明显下降。沥青质分子在石英表面吸附能及其与溶剂相互作用能的计算结果表明,正庚烷中沥青质在石英表面的吸附强度最大,而在甲苯和吡啶中其在石英表面的吸附则较弱;库仑相互作用能是沥青质在石英表面吸附过程中的决定因素,而范德华相互作用能则在沥青质与溶剂相互作用中占主导地位。因此,分子动力学方法可对沥青质分子吸附的动力学过程进行有效模拟。     

沥青质-二甲苯体系中结构组成对沥青质自扩散系数的影响

以沥青质-二甲苯体系模拟稠油体系,采用分子模拟方法考察沥青质致黏机理。沥青质-二甲苯平衡体系中沥青质的自扩散主要受沥青质分子间相互作用的影响。沥青质分子间相互作用能越大,沥青质自扩散的越慢,对应的稠油黏度越大。而沥青质分子间相互作用主要包括芳香环之间的π-π作用和含有较强电负性杂原子基团间氢键两方面。这将为稠油降黏提供理论指导。     

沥青质分子聚集体的解离对策

针对沥青质分子大芳环体系和多杂原子结构特征引起的π-π相互作用及氢键作用,运用量子力学、分子动力学等方法,研究沥青质分子聚集体的解离对策。对于π-π相互作用,从降低沥青质分子间π电子云重叠和减少沥青质分子的π电子数目两个方向研究解离措施;对于氢键作用,从降低沥青质分子间S—H、N—H、O—H间轨道叠加电子转移效应和减少沥青质分子的S、N、O数目两个方向研究解离措施。结果表明：引入π电子云分散剂可有效降低沥青质分子间π电子云重叠程度,对沥青质分子的稠合芳环进行局部加氢饱和可以减少其π电子数目,两条途径的分子模拟结果均能实现沥青质分子聚集体的解离;削弱沥青质分子间π-π相互作用对减弱氢键作用具有明显的促进作用;针对π-π相互作用的解离思路和措施也适应于金属卟啉分子与沥青质分子形成的聚集体,镍卟啉分子与沥青质分子形成的聚集体的解离难度比钒卟啉的大;提高温度加剧分子热运动及脱除杂原子可削弱或消除氢键作用,但在沥青质分子的其他芳环体系未改变的前提下,消除氢键作用不能实现对沥青质分子聚集体的完全解离。     

沥青质分子聚集体中π-π相互作用的研究

采用量子力学与分子动力学相结合的方法对形成沥青质分子聚集体的分子间π-π相互作用进行了研究。结果表明：沥青质分子间的π-π相互作用能随着分子芳香环数的增加而增大;分子中含有的杂原子显著增加了沥青质分子间的π-π相互作用能;沥青质分子的支链长度及类型能够影响π-π相互作用能的大小;当沥青质分子聚集体中含有多个π-π相互作用时,其分子间的聚集作用力会大大增加;沥青质分子间形成π-π相互作用的过程中,分子间有少量的电子转移;色散作用是π-π相互作用中的主要作用。     

石油沥青质超分子聚集及解聚研究进展

石油沥青质组成复杂,氢/碳原子比低,硫、氮等杂原子含量高,给石油开采、运输和加工处理带来困难,究其原因是石油沥青质分子结构复杂,极易发生超分子聚集,形成聚集体。目前对沥青质超分子聚集的认识越来越广泛,并被石油化学工作者广泛接受。沥青质超分子聚集是通过电荷转移作用、偶极作用以及氢键作用形成沥青质分子之间的缔合,这些弱相互作用在石油体系的分子间普遍存在,实现沥青质聚集体的解聚是重质油高效轻质化的基础。研究表明,采用化学方法改变沥青质分子结构或采用物理方法改变沥青质物理状态,均能在一定程度上使得沥青质聚集体解聚。     

沥青质分子聚集体中氢键作用力的研究

为研究沥青质分子聚集体中的氢键作用,用量子力学与分子动力学相结合的方法对形成沥青质分子聚集体中的氢键进行了研究。结果发现,沥青质分子中含有的N、S、O等杂原子是沥青质分子形成氢键的必要条件;沥青质分子聚集体形成单个氢键的键能较小,但聚集体中含有多个氢键时,其分子间的作用力会大幅增加。沥青质分子形成氢键的本质是由于H原子与杂原子的价层轨道电子进行叠加形成的,沥青质分子间有极少量的电子转移,导致形成弱的次级键; 在氢键作用中,起主要作用的是轨道相互作用能和色散作用能。     

原油乳状液稳定机理的分子模拟研究

沥青质在稳定原油乳状液方面发挥重要的作用,采用分子动力学研究了沥青质分子在甲苯 水界面的吸附聚集行为,用量子化学方法研究了沥青质和水分子间以及沥青质分子之间的相互作用能,探讨了沥青质稳定乳状液的作用机理。结果表明,沥青质分子和水分子间氢键的形成是沥青质能够在油 水界面吸附的主要原因,沥青质分子之间的氢键和π π作用使得沥青质构成超分子结构,此超分子结构将水分子包围在内,阻止了水滴的聚并。此外,模拟研究了一种化学破乳剂的破乳过程,结果发现,破乳剂可以通过沥青质分子的间隙,为后续的破乳过程提供了可能。     

INTERMOLECULAR FORCES IN AGGREGATES OF ASPHALTENES AND RESINS

In order to determine the forces acting in the asphaltene and resin molecular aggregates, an analysis of the origin of the intermolecular interactions in organic molecules was made. The results showed that the forces present in the aggregates of asphaltenes and resins were only those originated in the van der Waals, Coulombic (electrostatic), charge transfer and induction plus the exchange-repulsion interaction. No other forces were found to be significant in these aggregates that are formed by molecules containing well-known atomic groups. Molecular orbital calculations in resins and model asphaltene suggested that charge transfer is small or negligible in their aggregates. Although the H bonds present could be quite strong, other intermolecular interactions should not be disregarded in the analysis of the energy of their aggregates.     

通过分子动力学方法研究沥青质聚集体应变下势能变化

利用分子动力学构建不同稠合芳环结构沥青质构成的聚集体在不同温度下的模型,并对不同应变状态的模型进行模拟,统计各种势能的相对变化值。沥青质聚集体模型在拉伸和压缩应变的情况下势能均上升,且势能基本随应变绝对值增加而增加。但势能上升贡献的来源不同,压缩时势能增加的主要原因是分子形变势能上升,而拉伸时则是由于分子间相互作用和分子形变势能变化共同影响。沥青质稠合芳环结构会显著影响聚集体模型在应变下的势能变化种类和趋势,渺位缩合沥青质的形变势能随应变的变化较大,且主要由分子的扭矩变化造成;而迫位缩合沥青质形变势能变化较小,且主要是由分子键伸缩造成。随着应变增加,所有沥青质分子均能更好维持平面构型,从而使偏离平面附加势能降低。     

沥青质中官能团结构和氢键的红外光谱表征

利用傅里叶红外光谱表征渣油沥青质和煤焦油沥青质分子的官能团结构,并通过软件Origin 2018对沥青质红外光谱的氢键区、脂肪族碳氢伸缩振动区和C—O区的吸收峰进行分峰拟合。结果表明：两种沥青质均主要以碳、氢元素为主,二者杂原子的含量存在明显差异,但杂原子官能团的类型基本相同;渣油沥青质中的氢键主要是由苯环O—H与芳香醚键中的O原子、O—H自缔合形成的氢键,而煤焦油沥青质中的氢键主要是苯环O―H与芳香醚键中的O原子形成的氢键;与渣油沥青质相比,煤焦油沥青质的烷基侧链更短。