低温煤焦油主要是煤受热分解的初级产物,可以生产成品油,也是燃料油的替代产品。低温煤焦油是十分复杂的混合物,其组成随煤种及干馏条件的不同而有所差异。其中有机物组分估计有上万种,轻质组分中的很多化合物是塑料、合成橡胶、农药、医药、耐高温材料及国防工业的贵重原料。国内外很多学者对低温煤焦油的组成进行了分析,目前可以鉴定出的仅有500余种。其中中性组分有174种(如苯、甲苯、二甲苯、萘、苊、蒽、芴和芘等),酸性组分有63种(如酚、甲酚和二甲酚等),碱性组分有113种(如吡啶、吲哚、喹啉和异喹啉等),还含有其他稠环和含氧、含硫等杂环化合物。 1 实验部分 1.1 原料及其性质 低温煤焦油来源于内蒙古,低温煤焦油的理化指标见表1。 表1 低温煤焦油的基本性质 水分 % | QI % | TI % | 结焦值 % | 灰分 % | S % | N % | 50℃黏度 mm2/s | 20℃密度 g/cm3 | 2.6 | 0.09 | 0.1 | 5.14 | 0.05 | 0.15 | 0.68 | 2.65 | 1.024 |
1.2 主要仪器设备及试剂 主要仪器设备有40塔效精馏柱及配套蒸馏设备、恒温水浴锅、三口烧瓶、烧杯、美国Aglient7890A/5975C型GC-MS气相色谱-质谱联用仪。 试剂有5%的氢氧化钠水溶液和60%的稀硫酸溶液。 1.3 低温煤焦油的萃取 将蒸馏的馏分油按1:0.8(馏分油:15%的氢氧化钠)比例在75℃水浴中碱洗1 h,得到酚钠水溶液和脱酚油。酚钠水溶液按1:0.6(酚钠:60%稀硫酸)比例在75℃水浴中酸析1 h。将pH控制在3~6, 得到粗酚。脱酚油用水洗得到中性油。 1.4 GC-MS的分析条件 低温煤焦油的分析采用美国Aglient7890A/5975C型GC-MS气相色谱-质谱联用仪,氢火焰离子检测器(FID) ,HP-lms(30m×0.2mm×0.32um)色谱柱,EI源,离子化电压70eV,四极杆120℃,离子源温度230℃,质量扫描范围30~500,进样量0.4μL,起始温度50℃ (6min),以10℃/min变化,至终温260℃停留10min,气化室温度280℃,载气为氮气,流量1 mL/min。定性采用HP5971化学工作站检索,定量采用归一化面积校正法。 对待鉴定组分按概率匹配法与NIST08和NIST08S谱库化合物图谱数据进行计算机检索对照,根据置信度或相似度确定组分的结构。谱库难以确定的化合物则依据保留时间、主要离子峰、特征离子峰和相对分子质量等与其他文献中提到的资料进行对照解析。 2 结果与讨论 2.1 360℃前馏分油量及酸碱萃取实验结果 表2 360℃前馏分油量及萃取结果 馏分油质量 g | 酚油质量 g | 酚油占原油量 % | 中性油质量 g | 中性油占原油量 % | 365 | 95.7 | 18.14 | 145.75 | 29.15 |
2.2 低温煤焦油组分的GC-MS分析结果 将经过蒸馏得到的馏分油中, 酸碱萃取后的酚油及中性油进行GC-MS测定。由于内蒙低温煤焦油的组成极其复杂,而将每个峰所代表的化合物鉴定出来是很困难的。有的化合物在组分中含量极低,信号可能被噪声信息掩盖。 (1)酚油的GC-MS分析结果。将馏分油经过酸碱萃取得到的酚油进行GC -MS测定,质谱分析结果 表3 酚油中各组分分析结果(%) 序号 | 组分 | 含量 | 序号 | 组分 | 含量 | 1 | 苯酚 | 7.59 | 2 | 苯甲氰 | 0.15 | 3 | 2,3-二甲基环戊烯酮 | 0.20 | 4 | 邻甲基苯酚 | 7.22 | 5 | 对甲基苯酚 | 19.51 | 6 | 四甲基苯甲氰 | 0.25 | 7 | 2,6-二甲基苯酚 | 0.79 | 8 | 2-乙基苯酚 | 1.20 | 9 | 2,5-二甲基苯酚 | 7.30 | 10 | 4-乙基苯酚 | 3.53 | 11 | 3,4-二甲基苯酚 | 7.90 | 12 | 2,3-二甲基苯酚 | 1.23 | 13 | 2-乙基-5-甲基苯酚 | 0.15 | 14 | 2-(1-甲基乙基)苯酚 | 0.16 | 15 | 2,3,6-三甲基苯酚 | 0.31 | 16 | 2-乙基-5-甲基苯酚 | 1.21 | 17 | 3-(1-甲基乙基)苯酚 | 0.38 | 18 | 2,3,5-三甲基苯酚 | 0.18 | 19 | 4-乙基-3-甲基苯酚 | 1.50 | 20 | 2-乙基-6-甲基苯酚 | 3.67 | 21 | 2,4,5-三甲基苯酚 | 0.52 | 22 | 2,3,5-三甲基苯酚 | 0.52 | 23 | 4-乙基-2-甲基苯酚 | 0.29 | 24 | 2-丙基苯酚 | 0.43 | 25 | 3-甲基-4-异丙基苯酚 | 0.28 | 26 | 2-乙基-4-甲基苯酚 | 0.21 | 27 | 2-甲基-6-丙基苯酚 | 0.13 | 28 | 3-甲基-4-异丙基苯酚 | 0.41 | 29 | 4-(2-丙烯基)苯酚 | 1.27 | 30 | 2-(1-丁基)苯酚 | 0.32 | 31 | 4-(2-丙烯基)苯酚 | 0.10 | 32 | 3-甲基-6-丙烯基苯酚 | 0.72 | 33 | 2-甲代烯丙基苯酚 | 0.86 | 34 | 4-(3-甲基-2-丁烯)苯酚 | 0.20 | 35 | 2-羟基萘酚 | 1.88 | 36 | 1,3,5-三甲基-2-丙基苯酚 | 0.58 | 37 | 2-甲基萘酚 | 0.75 | 38 | 7-甲基萘酚 | 0.12 | 39 | 3-甲基萘酚 | 0.74 | 40 | 对苯基苯酚 | 0.11 |
(2)中性油的GC-MS分析结果。将馏分油经过酸碱萃取得到的中性油进行GC-MS测定。由质谱分析结果可知,中性油中可以检测出含量大于0. 1%的组分共有106种,占总量的71.15%,中性油中主要是烷烃、烯烃和萘,烷烃和烯烃主要是直链烷烃、烯烃其中烷烃占40%,直链烷烃较多。这表明低温煤焦油中烷烃通过断链催化加氢可获得汽油、柴油和燃料油等油品。烯烃可以用合适的馏分制造润滑油或进行磺化制造洗涤剂。萘系占35%,甲基萘、二甲基萘、三甲基萘居多,主要用于生产各种萘酚、萘胺等,是生产合成树脂、增塑剂、染料的中间体、涂料、农药、医药、香料、橡胶助剂和杀虫剂的原料。虽然中性油中的组分种类很多,但是含量超过1%的组分很少,在具体操作中应选择合适的分离方法。 欢迎精酚的交流工艺与技术。
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