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石油稠油降黏计算研究

王绪超  
【摘要】:石油是世界经济重要的能源之一。但随着石油资源日渐枯竭,剩余的石油开采质量也会越来越差,将以稠油为主,因此稠油的开采也日益受到重视。但是,稠油黏度高,开采、集输和加工难度大,而黏度高的根本原因是稠油中重质组分含量高或其分子微观结构不同。选用适当的催化剂或其它功能材料,使稠油实现催化裂解或降解,不可逆地降低重质组分含量或改变其分子结构,降低稠油黏度,在一定程度上使稠油轻质化,可以降低稠油开采、集输和加工难度,这也是当前的研究热点之一。 为了寻求优良的催化剂和其他功能材料,先前主要的文献和研究集中在实验方面,但实验需要耗费大量人力、物力、财力,且周期较长。考虑到目前从对于稠油降黏催化剂的理论研究较少,本课题将利用密度泛函理论(DFT)计算方法,利用Gaussian03软件包,结合Chem 3D等软件,从电子结构和化学键方面,探讨应用催化剂或功能材料降低稠油中氢键,以达到稠油降黏的可能性。 石油中的非烃组成主要是含氧、氮和硫等三种元素的有机化合物,而最重要的含氧化合物是酸类化合物。氢键的作用使得分子间相互作用力增强,从而导致稠油粘稠度增高。以下主要以乙酸-呋喃为模型,探讨含铁离子催化剂对氢键的影响,实现削弱氢键的可能性。为了对比加入铁离子催化剂对不同氢键的影响,本人又设计了乙酸-吡啶-铁分子模型。通过计算发现,与乙酸和呋喃单个分子相比,乙酸-呋喃中形成氢键的离子电荷的绝对值大幅度升高,说明形成了氢键。加入铁离子后,形成的氢键键长增长,O2、O3、H4离子电荷绝对值降低,O9离子升高,但O9升高的幅度没有H4离子降低幅度大,说明氢键受到了削弱。通过对比乙酸-吡啶分子模型与乙酸-吡啶-铁分子模型的计算结果,发现乙酸-吡啶-铁模型中氢键键长有较大增长,形成氢键的相关离子O2、O3、H4、09的电荷绝对值均大幅度降低,说明氢键也受到了大幅度削弱。分子模型中的氢键受到了削弱,因此加入金属离子催化剂可以达到降黏的效果。


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