低温煤焦油复杂的组成决定了其各组分高效利用必须以有效的分离手段作为为基础。低温煤焦油中的芳烃类物质经适当提质可用于制备高性能燃料;非芳烃化合物也可用于制备燃料油,但转化条件与芳烃组分与较大差别;焦油中的杂环化合物、酚类对催化剂和燃料油生产工艺的整体经济效益有不利影响,但经分离后则是宝贵的化工原料。此外在焦油芳烃组分中,二环芳烃与三环芳烃具有较好的加氢活性和溶解性质,适宜作为加氢原料生产燃料油,而四环及以上芳烃本身就是具有高附加值的化学品。在煤炭直接液化过程中,会产生约为原煤质量30%的黑色固体残渣。这部分残渣中包含未参与反应的煤,液化重质产物,无机矿物和铁基催化剂,具有高碳,高硫,高灰的特点。煤直接液化残渣中的有机组分是制备高附加值碳材料的优质原料,而其中的灰分却对碳材料的加工过程产生不利影响,必须予以脱除。低温煤焦油是具有代表性的煤基液体产物,煤直接液化残渣是与煤基液体同时生成的相关固体产物。以选择性分离低温煤焦油的主要组分,尽可能回收煤直接液化残渣中的有机组分并脱出灰分等杂质为目的,本研究以溶度参数理论为基础,对低温焦油和煤直接液化残渣的常规萃取,超临界萃取过程进行了系统探讨。Hansen溶度参数是目前普遍应用的溶解理论之一,在溶剂筛选,萃取条件优化等方面具有应用方便,准确度高的优点,有助于提高煤基液体及其相关产物萃取过程的选择性。目前采用Hansen溶度参数理论为指导的煤基液体分离研究相对较少,其主要问题在于焦油中主要化合物(如多环芳烃类物质)的Hansen溶度参数与溶解半径数据不足,以及现有溶解模型(Hansen球体)对焦油萃取过程使用不便,且可能存在较大的系统误差。有鉴于此,本实验主要包含四部分:首先采用浊度滴定法测定多环芳烃类物质的Hansen溶度参数,再以Hansen球体的形式提出了适用于低温煤焦油常温选择性萃取模型,并以此为基础建立了选择性分离焦油中非芳烃烃类,芳烃和极性组分的分离过程;在超临界萃取低温煤焦油300℃以上馏分和煤直接液化残渣的实验中,溶度参数理论和经验公式理论同时用来考察萃取效果随实验条件变化的规律,并以此为基础实现了萃取条件的优化。在采用浊度滴定法测定多环芳烃类物质的Hansen溶度参数的研究中,本文提供了一种新的用于估算Hansen溶度参数的方法,即采用浊度滴定和运算程序相结合,并将此方法用于6种无取代基的多环芳烃类物质(萘,蒽,菲,苊,芘,荧蒽)的Hansen溶度参数计算,目前尚无文献对这些多环芳烃化合物的Hansen溶度参数进行报道。在得到这些化合物的Hansen溶度参数值后,本研究又考察了其溶度参数半径(ra)和溶解度之间的联系,以hansen球体的形式建立了一种用于初步估算物质溶解性质的修正椭球模型。为进一步精确估算物质的溶解度,并验证新hansen溶度参数估算方法的适用性,本实验还对上述6种多环芳烃化合物的hansen拓展方法进行了考察。实验结果表明通过浊度滴定和计算程序得出的上述6种化合物的hansen溶度参数可用于溶解性质的估算,其结果与相关文献具有高度一致性(萘的hansen溶度参数),并且与溶解度数据(由浊度滴定和相关实验提供)保持者高度的相关性。在这6种多环芳烃化合物中,色散力随着苯环数量的增加而增加,而极性力和氢键力则受到其分子结构对称性的影响;上述六种芳烃类化合物的溶度参数半径与溶解度之间的关系也通过浊度滴定进行了考察,由此得出的经验公式具有较高的相关系数,且形式简单,便于应用;较为精确的溶解度估算可由hansen拓展方法获得,其中萘与苊具有较高的精度和相关系数;菲,芘,荧蒽的相关系数较高,但结果中普遍存在10-15%的误差;蒽的相关系数和准确度都较低(相关系数大于0.90,aard%小于20%)。在hansen溶度参数指导下的常温选择性萃取模型的研究中。正十八烷,苯,萘被分别作为原料焦油中非芳烃组分和芳烃组分的模型化合物。实验采用浊度滴定法考察了它们的溶度参数距离(ra)和溶解度之间的关系,并使用前述的修正椭球模型估算其溶解特性,进而提出并优化了连续萃取过程。为证明修正椭球模型的适用性,考察连续萃取效果,本实验进行了一系列验证试验,其结果表明,对于上述三种模型化合物来说,溶度参数距离(ra)与其溶解度之间具有高度相关性,本实验采用的修正椭球模型具有较好的适用性;分离过程的优化条件分别为:(nmp+17vol.%h2o,dmf+7vol.%h2o:芳烃抽提步骤)和(nmp+59vol.%h2o,dmf+50.5vol.%h2o:芳烃沉淀步骤)。该结果与修正椭球模型推断所得的结果近似;在各自的最佳萃取条件下,两个溶剂系统对焦油的萃取效果接近,并且两者的萃取产物也具有相似组成,这一现象表明,hansen溶度参数位于三维坐标系上由椭球模型规定出的相同区域的溶剂,其对于相同溶质具有近似的溶解效果,由此可见本方法在实际分离过程具有广泛的适用性;非芳烃烃类,芳烃组分和极性组分在各自对应的产物中的质量分数均在90%左右。各产物在总原料焦油中的质量分数依次约为12.7%,46.1%和36.5%,萃取过程的质量损失约为4.5%到6%。在低温煤焦油馏分油(>300℃)的超临界戊烷萃取的研究中,本研究从两组修正的经验公式和hansen溶度参数两方面出发,得到超临界戊烷对原料焦油各个主要组成部分的萃取能力和选择性随温度压力的变化趋势,最后以此为基础,提出了超临界戊烷连续萃取方案。用以估算超临界戊烷对某组分溶解能力(产率,y1)和选择性(该组分在萃取产物中的质量百分数,w1)的两组经验公式均具有较好的准确性和适用性,对焦油所有主要成分的回归分析的相关系数均大于0.95,y1或w1的平均相对偏差(AARD%)均小于14%;本研究提出的优化超临界选择性萃取过程能够有效分离极性组分与非极性组分,并能够实现一些非极性组分的有效富集,特别是对三环芳烃来说,其质量分数在相应萃取段中均在80%左右。超临界戊烷对于极性组分的有效萃取需要较高的温度,且在极性组分之间并未表现出明显的选择性。由于缺少基础数据,Hansen溶度参数理论目前无法对焦油超临界萃取过程做出精确预测,但适用于对实验现象的解释:超临界戊烷的溶度参数随压力的升高而升高,随温度的降低而降低,与其萃取能力变化的基本趋势相同;针对二环芳烃,三环芳烃,四环芳烃的模型化合物研究证明,萃取中溶质与溶剂溶度参数的差值可作为优化萃取条件的依据,其值越小,超临界溶剂对该溶质的溶解能力越好。在超临界有机溶剂萃取煤直接液化残渣的研究中,本实验考察了多种超临界溶剂对煤直接液化残渣的萃取效果,从经验公式和Hansen溶度参数理论两方面得出萃取收率随温度压力的变化趋势,并对产物的灰分,组成,分子量分布等进行了表征。三种溶剂的煤直接液化残渣超临界萃取实验表明,苯的萃取收率高于其他两种溶剂,进而对苯的煤直接液化残渣超临界萃取进行了深入讨论,其结果表明萃出产率随压力升高而升高,随温度升高而降低,最佳萃取条件下,超临界苯的萃取能力(萃取产率大于57%)比热喹啉的萃取能力强。Hansen溶度参数理论和Hansen拓展方法适用于煤直接液化残渣的超临界有机溶剂萃取过程,可以用以分析萃取过程中的变化规律,回归方程也与实验数据保持了良好的一致性。超临界苯的Hansen溶度参数以色散力溶度参数为主,与煤直接液化残渣有机组分近似,因此相对其他两种溶剂,超临界苯的萃取收率最高。基于Hansen拓展方法和回归分析得出的关联溶度参数和萃取收率的方程与实验数据的关联性较好,平均相对偏差在10%以下,用本方法进行估算,15组实验中共有14组实验估算值的绝对误差小于5%,证明其具有较好的适用性;GPC分子量分析体现出了与萃取规律一致的趋势,灰分分析表明三种溶剂的超临界萃取均能有效的脱除煤直接液化残渣中的灰分。