背景及意义

石脑油是从原油中提取的主要炼油产品，其沸点范围为30至200°C。该产品含有多种C5至C11的碳氢化合物，包括正构烷烃、异链烷烃、烯烃、环烷烃和芳烃，其组成取决于原油类型和炼油工艺。神华鄂尔多斯煤直接液化工业设备每年生产约186,840吨石脑油，其中超过73%的成分是环烷烃。石脑油的传统加工方法主要是通过催化脱氢或与汽油混合作为溶剂制备混合芳烃。这种方法不仅面临着与传统石油产品的市场竞争，限制了其经济价值，而且无法充分利用煤直接液化石脑油中高浓度的环烷烃。此外，高纯度环烷烃单体的制备主要依赖合成方法，这些方法通常需要特定的催化剂和复杂的反应条件，导致设备投资和原料成本较高，难以满足国内对环烷烃单体的大量需求。因此，从煤直接液化石脑油中分离环烷烃单体变得尤为重要，这对于石脑油的高值化利用和缓解环烷烃单体的需求压力具有重要意义。

内容及主要结论

本研究利用定量结构-性质关系模型有效地预测了各种萃取剂中的R_{Vn-heptane/MCH}。该模型的统计分析显示了良好的性能指标，包括决定系数(R²)为0.88，交叉验证系数(Q²)为0.94，均方根误差(RMSE)为0.02。R_{Vn-heptane/MCH}预测模型是以α, EHOMO, ρ, 和 log_Poct/water作为分子结构描述符，通过逐步回归的方法建立的。该模型揭示了RV_{n-heptane/MCH}与萃取剂分子结构之间的密切联系，并强调密度是一个关键的描述因子。由于分子间的立体阻碍减少，缺乏支链的萃取剂表现出更高的密度和相对挥发性。此外，还使用 Aspen Plus 软件模拟了从煤直接液化石脑油中分离单体环烷的过程。模拟得到的环己烷和甲基环己烷纯度超过 0.99，产率超过 0.90，为工业化应用提供了基本参数。经济分析表明，使用水杨酸作为萃取剂，每年的总成本最低，分离效率明显提高，这归功于RV_{n-heptane/MCH}的显著变化。总之，本研究提出了一种从石脑油中分离环烷烃单体的科学而经济的方法，为相关工业流程的设计和优化提供了启示。

图1 从煤直接液化石脑油中萃取精馏环烷烃单体的工艺流程图

未来展望

李文英研究团队认为，论文仅针对单一溶剂进行了定量结构-性质关系模型的筛选，未考虑混合溶剂的可能性。在实际应用中，混合溶剂可能具有更好的分离效果和更广泛的适用性。因此，未来的研究可以进一步拓展至混合溶剂的筛选，并探索其在萃取精馏过程中的应用潜力。

引用格式：Shuo-Shuo Zhang, Xing-Bao Wang, Wen-Ying Li. Extractive distillation of cycloalkane monomers from the direct coal liquefaction fraction. Front. Chem. Sci. Eng., 2024, 18(11): 130 https://doi.org/10.1007/s11705-024-2482-5

作者及团队介绍

张硕硕（第一作者），太原理工大学化学工程专业研究生，主要研究方向为煤直接液化领域的分离。

王兴宝（通讯作者），太原理工大学副教授。主要从事能源清洁高效转化的基础研究和工业应用方面的工作，主持国家自然科学基金、国家重点研发计划子课题、国家能源集团“2030重大项目”先导项目等，2018年获“三晋英才”青年优秀人才称号。目前已在Angewandte Chemie International Edition，Chemical Engineering Journal，ACS Catalysis等期刊上发表SCI论文60余篇。申请发明专利10件，已授权6件。

李文英（通讯作者），太原理工大学教授，博士生导师，国家级人才，先后主持国家重点研发计划、国家自然科学基金等重要项目30余项。围绕煤炭清洁高效转化利用方向，一直从事煤化学化工基础和煤炭资源化技术集成系统研究。