CN104422748A - 一种评价供氢剂对反应基质供氢能力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种评价供氢剂对反应基质供氢能力的方法，该方法包括：将供氢剂和反应基质混合后加热至反应基质的裂解温度进行热裂解，将反应产物用载气携带进入GC/MS分析仪的色谱柱头进行冷冻聚焦，反应基质热裂解结束后，将冷冻聚焦的反应产物升温至形成气相，进入GC/MS分析仪的色谱柱进行分离，对色谱柱流出物分别进行色谱和质谱分析，由色谱和质谱的分析结果评价供氢剂的供氢能力。根据本发明的所述评价供氢剂的方法能够简单、安全、快速地评价该供氢剂的供氢能力、反应活性和使用温度范围，而且还能够获知反应基质的最佳热解温度。适用于煤直接液化和焦化等领域。

Description

一种评价供氢剂对反应基质供氢能力的方法

技术领域

本发明涉及一种评价供氢剂对反应基质供氢能力的方法，具体地说，是一种评价供氢剂对煤、重质油品等反应基质供氢能力的方法。

背景技术

供氢剂是指部分氢化的多环芳烃类化合物，这是一类很特殊的有机还原剂，在有大量游离基产生的热反应体系中可以供出氢游离基而使活性比其高的游离基变成中性化合物而稳定下来，达到稳定热反应体系、降低焦炭产生、抑制长链游离基进一步裂解产生气体的目的。供氢剂在其中可以起到游离基稳定剂、游离基捕捉剂、热稳定剂等作用，可以当作一种高温游离基稳定剂而使用，在重质油品的加工过程中加入与所加工油品结构组成相同的供氢剂，由于与催化剂的匹配性能与加工体系完全相同，可以起到其它添加剂无法替代的作用。在煤的直接液化过程中利用其与煤炭分子的相容性，可以起到对煤加氢的作用达到直接液化的目的。

多环芳烃类供氢剂的抑焦、抑气以及对煤炭样品的供氢作用的研究方法非常复杂，多数情况下是通过高压釜反应的方式来研究其使用方法、供氢能力以及抑制热解、抑制气体、焦炭产生的。这种方法操作繁琐、费时而且因为涉及高温高压，操作过程不时会有险情出现。

发明内容

本发明的目的是提供一种评价供氢剂对反应基质供氢能力的方法，该法简单、安全、快速。

本发明提供了一种评价供氢剂对反应基质供氢能力的方法，该方法包括：将供氢剂和反应基质混合后加热至反应基质的裂解温度进行热裂解，将反应产物用载气携带进入GC/MS分析仪的色谱柱头进行冷冻聚焦，反应基质热裂解结束后，将冷冻聚焦的反应产物升温至形成气相，进入GC/MS分析仪的色谱柱进行分离，对色谱柱流出物分别进行色谱和质谱分析，由色谱和质谱的分析结果评价供氢剂的供氢能力。

本发明使用裂解-气相色谱/质谱（Py-GC/MS）方法评价供氢剂对反应基质的供氢能力，操作简单、安全、快速，可评价供氢剂的供氢能力、反应活性和使用温度范围，而且能够获知反应基质的最佳热解温度。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是实施本发明提供的评价供氢剂对反应基质供氢能力的试验装置的结构示意图；

图2是四氢萘供氢反应活性图；

图3是四氢喹啉供氢反应活性图；

图4是9,10-二氢菲供氢反应活性图；

图5是八氢菲供氢反应活性图；

图6是实施例2在反应基质中加入供氢剂得到的反应产物正构烷烃分布图；

图7是对比例1在反应基质中不加入供氢剂得到的反应产物正构烷烃分布图；

图8是对比例2无反应基质存在的空白供氢剂的GC/MS分析谱图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明提供的所述评价供氢剂对反应基质供氢能力的方法包括：将供氢剂和反应基质混合后加热至反应基质的裂解温度进行热裂解，将反应产物用载气携带进入GC/MS分析仪的色谱柱头进行冷冻聚焦，反应基质热裂解结束后，将冷冻聚焦的反应产物升温至形成气相，进入GC/MS分析仪的色谱柱进行分离，对色谱柱流出物分别进行色谱和质谱分析，由色谱和质谱的分析结果评价供氢剂的供氢能力。

在供氢剂和反应基质混合后，以供氢剂和反应基质的混合物的总重量为基准，所述供氢剂的含量可以为0.5-5重量%，优选为1-2重量%；所述反应基质的含量可以为95-99.5重量%，优选为98-99重量%。

在本发明中，供氢剂和反应基质混合的方法可以根据常规的方法实施，然而，为了获得供氢剂与反应基质充分均匀混合的混合物，以确保根据本发明所述的评价供氢剂的方法能够准确地评价供氢剂的性能，供氢剂和反应基质混合的方法优选包括：将供氢剂溶解于沸点低于80℃的低沸点有机溶剂，在得到的溶液中加入反应基质并进行超声处理，然后将溶剂完全挥发，得到不含溶剂的供氢剂和反应基质的混合物。

在上述优选的制备供氢剂和反应基质的混合物的过程中，低沸点有机溶剂的用量没有特别的限定，只要能够将供氢剂充分溶解即可。优选地，所述低沸点有机溶剂的用量使得溶解有供氢剂的溶液中供氢剂的浓度为10-30重量%。所述低沸点有机溶剂也即易挥发溶剂，其沸点低于80℃。优选地，所述低沸点溶剂选自丙酮、二氯甲烷、氯仿、甲醇和四氢呋喃中的至少一种。

在上述优选的制备供氢剂和反应基质的混合物的过程中，所述供氢剂和所述反应基质的用量使得制备的供氢剂和反应基质的混合物中供氢剂的含量为0.5-5重量%，优选为1-2重量%。

在上述优选的制备供氢剂和反应基质的混合物的过程中，当所述反应基质为液体时，液态的反应基质（如常减压渣油、重质原油等）可以直接加到溶解有供氢剂的溶液中；当所述反应基质为固体时，固态的反应基质（如煤等）优选以颗粒尺寸为150～180微米的形式加到溶解有供氢剂的溶液中。当固态的反应基质为块状或颗粒尺寸较大时，在将该反应基质加到溶解有供氢剂的溶液中之前，对该固态的反应基质进行粉碎、筛分，以获得所要求的颗粒尺寸。

在上述优选的制备供氢剂和反应基质混合物的过程中，所述超声处理是为了将供氢剂和反应基质充分均匀混合，所述超声处理的时间可以为2-20min。

在上述优选的制备供氢剂和反应基质混合物的过程中，为了确保制备的供氢剂和反应基质的混合物中不包含溶剂，优选在挥发溶剂之后，对供氢剂和反应基质的混合物进行真空干燥处理。所述真空干燥处理的条件包括：温度为50-100℃，时间为5-48小时。

本发明中，所述供氢剂可以为部分氢化的多环芳烃，如四氢萘、二氢菲、四氢菲、八氢菲、二氢蒽、四氢蒽、六氢蒽、四氢喹啉、四氢萘酚、六氢芘，或者是石油产品中部分氢化的重质芳烃和煤焦油产品中部分氢化的重质芳烃中的至少一种。所述的部分氢化的多环芳烃是指基团中含有CH₂=CH-CH₂-结构单元的多环芳烃，即烯丙基结构，这种结构可以在芳香环内，也可以在芳香环外，本文中特指烯丙基结构处于环内的多环芳烃，如六氢蒽：即为目前可以得到的供氢能力最强的部分氢化芳烃。

在本发明中，所述反应基质可以为各种常规的通过热裂解能够产生游离基的基质，例如可以为煤、延迟焦化原料油、常减压渣油、重质原油、催化裂化油浆和生物质燃料中的至少一种。所述煤可以为褐煤和/或低阶烟煤。当用煤作为反应基质时，所述煤可以为经过粉碎和/或脱灰处理的原料煤。

在本发明中，将反应基质与供氢剂混合后进行热裂解，反应基质热裂解产物与供氢剂发生反应，使供氢剂供氢，中断反应基质热裂解产生的自由基。所述热裂解的反应温度可以为200-600℃，优选为250-550℃；反应时间可以为0.1-50s，优选为20-40s。

反应基质热裂解产物与供氢剂反应后的产物由载气携带进入色-质分析仪的色谱柱，因此所述热裂解的实施压力基本上与气相色谱仪的载气压力相等。所述载气可以为各种常规的惰性气体，本发明中因为使用质谱检测器，所以可选择氦气。所述载气的流速可以为0.5-2mL/min，优选为0.8-1.5mL/min。本发明将载气携带入色谱柱的产物先在色谱柱头（即色谱柱管的前10-15cm处）用低温氮气进行冷冻聚焦，即将待进行色-质分析的反应产物由低温氮气降温到全部呈液态并保留在色谱柱头，所述低温氮气温度为-196℃至-170℃。待达到设定的裂解时间后，停止冷却，同时开启色-质分析（色谱-质谱分析）过程，将冷冻聚焦的产物缓慢升温气化后进入色谱柱分离，将色谱柱分离的产物分别进行色谱和质谱检测，得到色-质谱图。所述冷冻聚焦产物的升温速率可以为10-30℃/min，最高温度可以升至380-420℃。

根据本发明的一种实施方式，对分离的产物进行色-质分析以检测供氢剂及其供氢后的转化产物，并通过计算供氢剂（即未转化的供氢剂）的色谱峰面积与供氢剂供氢后的转化产物（即供氢剂供出氢后所得化合物）的色谱峰面积之比来评价供氢剂的供氢能力。

色-质分析方法为：将色谱分离得到的流出物分为两路，一路进入氢火焰离子化检测器（FID）进行分析，另一路进入质谱检测器（MSD）进行分析。热裂解产物与供氢剂的反应物经过MSD定性可以确定供氢剂以及转化产物的结构，在FID上可以确定供氢剂（即未反应的供氢剂）和供氢剂供氢后的转化产物的色谱峰面积，通过二者色谱峰的面积比可以确定供氢剂的反应活性。FID的操作温度可以为350℃。MSD的操作条件可以包括：传输管线温度为280℃，离子源温度为230℃，轰击电压为70eV。

根据本发明的另一种实施方式，在质谱分析的过程中，通过选择离子方式测定质量数为42的烯烃或质量数为43的正构烷烃的生成量评价供氢剂在热裂解时的抑气性能。

在一种较优选的实施方式中，如图1所示，所述评价供氢剂的方法的具体实施过程可以包括：将供氢剂溶解于低沸点有机溶剂中，然后加入反应基质，供氢剂在反应基质中的质量百分比控制在0.5-5%（优选为1-2%）之间，超声波处理2-20min使反应基质与供氢剂充分混合，然后挥发溶剂，得到基本上没有溶剂残留的反应基质与供氢剂的混合物。称取0.05-5mg上述混合物置于裂解器样品杯3中，通过样品杯推杆1将装有所述混合物的样品杯3放入裂解器2中，在200-600℃下进行热裂解0.1-50s（即设定的热裂解时间），得到的产物（即挥发性组分）经在载气的携带下通过连接管4和色谱进样口5进入气相色谱-质谱仪7的色谱柱8，在色谱柱头通过低温氮气进行冷冻聚焦，产物中的所有挥发性组分途经冷冻聚集部6时全部被冷凝在此处。待达到设定的裂解时间后，停止冷却，同时色-质分析过程开始启动，将冷冻聚焦的反应产物缓慢升温，通入色谱柱进行分离，将分离流出物进行色-质检测分别得到色谱图和质谱图。通过检测供氢剂及其转化产物并计算二者的比值可以考察供氢剂的供氢能力、反应活性和使用温度范围；通过称量反应前后样品杯中样品的重量可以确定焦炭的产率，从而评价供氢剂在热裂解时的抑焦性能；通过质量数为42的烯烃或质量数为43的正构烷烃的生成量，可以评价供氢剂的抑气性能。

在本发明所述的评价供氢剂的方法中，采用未转化的供氢剂的色谱峰面积与供氢剂供氢后的转化产物（相应的多环芳烃）的色谱峰面积之比，可以确定供氢剂的氢转移效率。

在本发明所述的评价供氢剂的方法中，如果供氢剂不是纯化合物，也即除了部分氢化的多环芳烃以外还包含没有氢化的多环芳烃，优选在实施热裂解之前确定供氢剂中部分氢化的多环芳烃与相应的供氢转化后多环芳烃的含量比，该含量比可以通过二者的色谱峰面积之比来确定，或者通过以下空白试验测定：用相同目数的玻璃微珠代替能够通过热解产生大量游离基的反应基质，配制成含有相同重量百分比的供氢剂的混合物试样，根据本发明的Py-GC/MS手段对该混合物试样进行分析，获取部分氢化的多环芳烃的色谱峰面积与供氢后转化的多环芳烃的色谱峰面积之比。此情况下，测定供氢剂供氢能力时，应扣除空白实验得到的供氢剂供氢转化产物的值。

在本发明所述的评价供氢剂的方法中，当所选供氢剂为纯化合物（即其中部分氢化的多环芳烃含量在98重量%以上），且反应基质固定时，以色谱分析结果中未转化的供氢剂的色谱峰面积与供氢剂的转化产物（相应的多环芳烃）的色谱峰面积之比，可以确定不同供氢剂的供氢能力的强弱。

在本发明所述的评价供氢剂的方法中，通过选择离子方式（SIM）测定质量数（m/z）为42的烯烃生成量和/或质量数为43的烷烃的生成量，可以确定供氢剂在热裂解时的抑气性能。其中，m/z为42代表烯烃的特征碎片离子，m/z为43代表烷烃的特征碎片离子。

在本发明所述的评价供氢剂的方法中，当所选供氢剂为纯化合物（即其中部分氢化的多环芳烃含量在98重量%以上）时，色谱分析结果中未转化的供氢剂的色谱峰面积与供氢剂的转化产物（相应的多环芳烃）的色谱峰面积之比的最小值点所对应的温度为所选供氢剂与反应基质的最佳作用温度。

在本发明所述的评价供氢剂的方法中，当所选供氢剂为纯化合物（即其中部分氢化的多环芳烃含量在98重量%以上）时，色谱分析结果中未转化的供氢剂的色谱峰面积与供氢剂的转化产物（相应的多环芳烃）的色谱峰面积之比明显小于无反应基质存在的空白供氢剂测定结果所对应的温度点即为所选供氢剂与该反应基质的最低反应温度点。

在本发明所述的评价供氢剂的方法中，通过测定混合样品裂解前后的质量差可以确定所选供氢剂在热裂解时的抑焦性能，其中，裂解残渣越少表明供氢剂的抑焦性能越强。

以下通过实施例对本发明作进一步说明。

制备例1

分别称取2g经粉碎、筛分、脱灰后得到的80-100目龙口煤样品4份，向其中分别加入20重量%四氢萘的二氯甲烷溶液、20重量%四氢喹啉的二氯甲烷溶液、20重量%9,10-二氢菲的二氯甲烷溶液和20重量%八氢菲的二氯甲烷溶液，超声处理10分钟，然后挥发干溶剂，并将样品于80℃下真空干燥24h，得到四氢萘含量为1.0重量%的试样1、四氢喹啉含量为1.4重量%的试样2、9,10-二氢菲含量为1.8重量%的试样3和八氢菲含量为2.0重量%的试样4，并密封保存待用。

实施例1

本实施例用于说明本发明的所述评价供氢剂的方法。

如图1所示，分别称取1mg的试样1、试样2、试样3和试样4，置于裂解坩埚（即样品杯3）中，通过推杆1将裂解坩埚放入裂解器2中，分别在250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、500℃和550℃下进行热裂解，并在作为载气的氦气（1.1mL/min）的携带作用下通过连接管4和色谱进样口5进入气相色谱-质谱分析仪7的色谱柱8（耐高温OV-1色谱柱），在色谱柱头通过低温氮气进行冷冻聚焦，冷冻聚焦温度为-170℃，热裂解和冷冻聚焦的时间设定为30s，冷冻聚焦后以20℃/min的升温速度升温至350℃，通过色谱柱分离后，将分离的产物分为两路，一路进FID进行分析，另一路进MSD进行分析，其中，FID的温度设定为350℃，MSD的传输管线温度设定为280℃，离子源温度设定为230℃，轰击电压为70eV。

供氢剂与煤一起热裂解后所得产物经MSD定性后，在FID上确定未转化的供氢剂的色谱峰面积和供氢剂供出氢后所得化合物的色谱峰面积，通过二者之比可以确定供氢剂的反应活性。具体分析结果如图2-5所示。

在图2-5中，横坐标为裂解温度，纵坐标表示供氢剂与其转化产物的色谱峰面积之比，比值越低，表示转化产物越多，则相应的供氢剂的供氢能力越强，由此能反应出同一供氢剂在不同反应温度下的供氢活性以及不同供氢剂的反应活性差异。从图中的分析结果可以看出，供氢剂与煤在250℃时即开始反应，供氢剂完全或者部分芳构化，四氢萘在430-450℃之间供氢能力最强，四氢喹啉在250-550℃之间都有极高的供氢能力，八氢菲在450-550℃之间有强供氢能力，而9,10-二氢菲的供氢能力在450℃达到最高。通过比较可知，这些供氢剂的活性顺序为：四氢喹啉＞9,10-二氢菲＞八氢菲＞四氢萘。

实施例2

本实施例用于说明本发明的所述评价供氢剂的方法。

根据实施例1的方法对试样1进行试验，所不同的是，在对经过色谱柱分离的产物进行质谱分析的过程中，通过选择离子方式测定质量数为m/z=43的正构烷烃的生成情况，而且热裂解的温度为550℃，分析结果如图6所示。

对比例1

根据实施例2的方法进行试验，所不同的是，在试样中不加入作为供氢剂的四氢萘，分析结果如图7所示。

由图6和图7可以看出，加入供氢剂后，热裂解产物中的低碳数正构烷烃明显减少，也就是说，供氢剂的加入在热裂解过程中可以获得显著的抑气性能。

对比例2

供氢剂的空白试验

取适量四氢喹啉加甲苯稀释后根据实施例1的方法进行GC/MS分析，结果如图8所示。

由图8可以看出，四氢喹啉含量近100%，没有发生任何变化，说明在没有煤炭样品存在的条件下四氢喹啉不会供出氢转化为喹啉，只有试样中出现大量游离基时才会夺取四氢喹啉中的氢并将其转化为喹啉。

Claims (14)

1.一种评价供氢剂对反应基质供氢能力的方法，该方法包括：将供氢剂和反应基质混合后加热至反应基质的裂解温度进行热裂解，将反应产物用载气携带进入GC/MS分析仪的色谱柱头进行冷冻聚焦，反应基质热裂解结束后，将冷冻聚焦的反应产物升温至形成气相，进入GC/MS分析仪的色谱柱进行分离，对色谱柱流出物分别进行色谱和质谱分析，由色谱和质谱的分析结果评价供氢剂的供氢能力。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，供氢剂和反应基质混合后，供氢剂的含量为0.5-5重量%，反应基质的含量为95-99.5重量%。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，供氢剂和反应基质混合后，以供氢剂和反应基质的混合物的总重量为基准，供氢剂的含量为1-2重量%；反应基质的含量为98-99重量%。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，供氢剂和反应基质混合方法包括：将供氢剂溶解于沸点低于80℃的低沸点有机溶剂，在得到的溶液中加入反应基质并进行超声处理，然后将溶剂完全挥发。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述低沸点溶剂选自丙酮、二氯甲烷、氯仿、甲醇和四氢呋喃中的至少一种。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的方法，其中，所述供氢剂为部分氢化的多环芳烃、石油产品中部分氢化的重质芳烃和煤焦油产品中部分氢化的重质芳烃中的至少一种。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述部分氢化的多环芳烃选自四氢萘、二氢菲、四氢菲、八氢菲、二氢蒽、四氢蒽、六氢蒽、四氢喹啉、四氢萘酚和六氢芘。

8.根据权利要求1-5中任意一项所述的方法，其中，所述反应基质选自煤、延迟焦化原料油、常减压渣油、重质原油、催化裂化油浆和生物质燃料中的至少一种。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，反应基质的热裂解温度为200-600℃，时间为0.1-50s。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述反应基质的热裂解的温度为250-550℃，时间为20-40s。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，冷冻聚焦是将待进行色-质分析的反应产物由低温氮气降温到全部呈液态并保留在色谱柱头，所述低温氮气温度为-196℃至-170℃。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，由色谱和质谱分析得到色-质谱图，通过计算供氢剂的色谱峰面积与供氢剂供氢后的转化产物的色谱峰面积之比来评价供氢剂的供氢能力。

13.根据权利要求1所述的方法，其中，在质谱分析的过程中，通过选择离子方式测定质量数为42的烯烃或质量数为43的烷烃的生成量来评价供氢剂对反应基质的抑气性能。

14.根据权利要求1所述的方法，其中，色谱分析采用氢火焰离子化检测器进行，质谱分析采用质谱检测器进行。