利用量子化學(xué)、化工熱力學(xué)和動力學(xué)方法,通過模型化合物以及煤的直接研究,提出煤炭結(jié)構(gòu)與其特性構(gòu)效關(guān)系的理論依據(jù),為煤炭萃取、氣化、焦化以及加氫液化奠定了理論基礎(chǔ),對了解俄羅斯現(xiàn)代煤化學(xué)原理具有重要借鑒意義。
本書的主要特色是在分子層次上認(rèn)識煤(結(jié)構(gòu))、認(rèn)識幾種重要的煤加工轉(zhuǎn)化過程,正如作者在前言中所說的那樣,“以現(xiàn)代物質(zhì)結(jié)構(gòu)觀念為基礎(chǔ),科學(xué)地解釋對分子結(jié)構(gòu)和超分子結(jié)構(gòu)的理化研究成果”。
該書主要讀者對象為煤化學(xué)專業(yè)的科研人員、研究生和大學(xué)生,以及高校教師。可作為能源化工專業(yè)師生教學(xué)參考書,也可供煤炭利用問題專家所用。
國內(nèi)現(xiàn)有煤化學(xué)圖書,大多是教材類的,知識體系比較完整,從煤的形成、組成(工業(yè)分析、元素分析、煤巖等多方面討論)、結(jié)構(gòu)(煤結(jié)構(gòu)表征方法、煤大分子結(jié)構(gòu)等)、性質(zhì)(物理、化學(xué)、物理化學(xué)、機(jī)械、工藝等性質(zhì))到分類。
《煤化學(xué)理論基礎(chǔ)》這本書在視角、認(rèn)識深度、內(nèi)容、體系等方面與國內(nèi)已出版圖書都有不同,該書重點在解析煤結(jié)構(gòu),除了敘述認(rèn)識煤結(jié)構(gòu)的分析表征方法(各種光譜分析),還從分子內(nèi)能、量子化學(xué)等角度和層次去探討煤結(jié)構(gòu)與其性質(zhì)、反應(yīng)能力間的關(guān)系,對煤炭有機(jī)質(zhì)片段模型化合物理化特性進(jìn)行專門描述,并對煤的萃取、煤熱解、煤加氫等常見煤加工轉(zhuǎn)化方法從化學(xué)的本質(zhì)上重新審視。這些都是有別于國內(nèi)現(xiàn)有煤化學(xué)知識體系的方法和內(nèi)容。換言之,本書的主要特色是在分子層次上認(rèn)識煤(結(jié)構(gòu))、認(rèn)識幾種重要的煤加工轉(zhuǎn)化過程,正如作者在前言中所說的那樣,“以現(xiàn)代物質(zhì)結(jié)構(gòu)觀念為基礎(chǔ),科學(xué)地解釋對分子結(jié)構(gòu)和超分子結(jié)構(gòu)的理化研究成果”。
譯者前言
中國新疆與俄羅斯及中亞諸國在能源和煤化工領(lǐng)域的科技合作具有得天獨厚的地理優(yōu)勢和很強(qiáng)的互補(bǔ)性,是“一帶一路”合作的重要方面。
俄羅斯國家科學(xué)院A.м.久利馬里耶夫教授等人合著的《煤化學(xué)理論基礎(chǔ)》一書,利用量子化學(xué)、化學(xué)熱力學(xué)和動力學(xué)等方法,通過對煤及其模型化合物從分子層面的研究,提出了煤炭結(jié)構(gòu)與其特性間的構(gòu)效關(guān)系,為煤的加氫液化、氣化、焦化和溶劑提質(zhì)等加工過程提供了重要的理論依據(jù)。另外,通過該書也能夠了解俄羅斯現(xiàn)代煤化學(xué)理論的發(fā)展現(xiàn)狀。
本書可作為能源化工專業(yè)師生教學(xué)和科學(xué)研究的參考書,也可供煤炭利用問題的專家們所用。
本書由新疆科技發(fā)展戰(zhàn)略研究院資深翻譯聶書嶺、助理研究員葉小偉歷經(jīng)兩年翻譯完成,由新疆大學(xué)馬鳳云教授和趙新教授多次專業(yè)校對后,修改定稿。
在此,向完成本書審校工作并提出寶貴建議的馬鳳云教授和趙新教授表示感謝。對大力幫助本書圖表制作的新疆大學(xué)劉景梅老師、莫文龍老師、馬亞博士研究生和孫志強(qiáng)博士等表示感謝!
原著作者俄羅斯國家科學(xué)院石油化學(xué)合成研究所A.м.久利馬里耶夫教授和哈薩克斯坦卡拉干達(dá)國立大學(xué) М.И.拜克諾夫教授對本書出版也給予了很大幫助,一并致謝!
由于時間倉促,水平有限,書中難免會有不足之處,敬請讀者批評指正!
譯者
2020年5月
前言
煤不僅是一種有機(jī)起源的載能體,還是一種化工原料。
煤的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)千差萬別,這就要求我們對燃料煤和非燃料煤的加工過程進(jìn)行細(xì)致研究,以找到其最佳利用方式。任何一個加工環(huán)節(jié)都要有理論依據(jù),無論是工藝過程本身,還是所用的原料,抑或是轉(zhuǎn)化反應(yīng),都應(yīng)如此。因此,理論研究的主要任務(wù)是確定煤炭結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的關(guān)系,揭示煤炭在變質(zhì)過程中的性質(zhì)轉(zhuǎn)變規(guī)律,以現(xiàn)代物質(zhì)結(jié)構(gòu)觀念為基礎(chǔ)科學(xué)地解釋對分子結(jié)構(gòu)和超分子結(jié)構(gòu)的理化研究成果,創(chuàng)造新的化學(xué)術(shù)語,等等。我們認(rèn)為,這對于煤化學(xué)的發(fā)展具有重大意義。
在世界煤炭結(jié)構(gòu)理論和煤化學(xué)工藝研究領(lǐng)域,俄羅斯科學(xué)院可燃礦物研究所的科學(xué)家們做出了不可磨滅的貢獻(xiàn),他們中的佼佼者包括Г.Л.斯塔德尼科夫、Л.М.薩潑日尼科夫、Н.М.卡拉瓦耶夫、А.Б.切爾內(nèi)舍夫、А.З.尤洛夫斯基、А.В.拉佐沃伊、В.И.卡薩托奇津、С.М.格里高利耶夫、Т.А.胡哈連科和И.В.葉列明等。
隨著煤炭科學(xué)的不斷發(fā)展和相關(guān)知識的日益豐富,無論是專著還是教科書,對煤化學(xué)這一學(xué)科的論述也在進(jìn)步。但遺憾的是,至今還沒有一個能從物質(zhì)構(gòu)造理論基礎(chǔ)的角度全面解釋煤化學(xué)理論及其加工工藝的專門學(xué)說。本書能部分填補(bǔ)這一領(lǐng)域的空白。
盡管筆者知道解決上述問題是很難的,但仍然希望本書能為煤化學(xué)研究者提供有益的指導(dǎo)。本書的目標(biāo)讀者為煤化學(xué)專業(yè)的科研人員、研究生和大學(xué)生以及高校教師。
在此,特向完成了本書審校工作并提出寶貴建議的А.А.克里奇科教授、М. Я.什皮爾特教授、С.Г.加加林化學(xué)副博士和Е.А.斯模棱斯基化學(xué)副博士表示感謝。
書中肯定會有一些不足之處,若能得到讀者的批評指正,筆者將不勝感激。
聶書嶺,新疆科技發(fā)展戰(zhàn)略研究院,副院長,國家軟科學(xué)研究計劃項目《中國新疆與周邊國家在石化工業(yè)領(lǐng)域合作途徑與對策研究》,承擔(dān)調(diào)研、翻譯、實施工作,已驗收,獲得2011年度自治區(qū)科技進(jìn)步獎二等獎(名列第七)。
商務(wù)部研究課題《上海合作組織農(nóng)業(yè)合作發(fā)展規(guī)劃研究》(2008),承擔(dān)調(diào)研、翻譯、實施工作,已驗收,獲得2012年度自治區(qū)科技進(jìn)步獎三等獎(名列第四)。
科技部專項《科技支撐引領(lǐng)新疆跨越發(fā)展的戰(zhàn)略研究》(2010),承擔(dān)“中國新疆—中亞區(qū)域科技合作戰(zhàn)略研究”專題的調(diào)研、翻譯、實施工作,已驗收。
第1章煤的一般特性
1.1 煤的起源 2
1.2 煤作為一種分散體系 8
1.2.1 水分 9
1.2.2 礦物雜質(zhì) 9
1.2.3 有機(jī)質(zhì) 10
1.3 煤的化學(xué)分析 12
1.4 煤的工藝指標(biāo) 13
1.4.1 反射率 13
1.4.2 揮發(fā)分產(chǎn)率 16
1.4.3 燃燒熱值 16
1.5 煤的分類 17
參考文獻(xiàn) 19
第2章煤結(jié)構(gòu)的光譜分析
2.1 總則 22
2.1.1 量子數(shù) 22
2.1.2 原子光譜項 24
2.1.3 測量單位和命名 26
2.2 紅外光譜 28
2.2.1 方法介紹 28
2.2.2 煤炭的紅外光譜 35
2.3 核磁共振波譜 41
2.3.1 方法介紹 41
2.3.2 煤炭的核磁共振波譜 46
2.4 電子順磁共振 54
2.4.1 方法介紹 54
2.4.2 煤炭中的順磁性 57
2.5 X射線衍射 66
2.5.1 方法介紹 66
2.5.2 碳同素異形體的X射線衍射分析 69
2.5.3 煤的X射線衍射分析 74
參考文獻(xiàn) 79
第3章分子系統(tǒng)內(nèi)能及其與溫度的關(guān)系
3.1 內(nèi)能分量平均值定義 84
3.1.1 平移運(yùn)動能量 85
3.1.2 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動能量 86
3.1.3 振動運(yùn)動能量 87
3.1.4 化學(xué)反應(yīng)的熱和焓 89
3.2 化學(xué)鍵能 90
3.3 內(nèi)旋轉(zhuǎn)能 94
3.4 分子間相互作用能 96
3.5 溫度對物質(zhì)的影響 101
參考文獻(xiàn) 105
第4章煤有機(jī)質(zhì)的結(jié)構(gòu)和特性
4.1 分子結(jié)構(gòu) 109
4.1.1 平均結(jié)構(gòu)單元的概念 109
4.1.2 結(jié)構(gòu)模型 110
4.1.3 廣義模型 112
4.2 超分子結(jié)構(gòu) 114
4.2.1 兩相模型 115
4.2.2 多聚體模型 116
4.3 結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系 125
4.3.1 分子結(jié)構(gòu)單元數(shù)量之間的線性關(guān)系 126
4.3.2 煤鏡質(zhì)體中結(jié)構(gòu)單元數(shù) 140
4.3.3 煤的結(jié)構(gòu)單元和性質(zhì) 141
4.3.4 計算煤炭性質(zhì)的加和方法 152
4.3.5 煤變質(zhì)結(jié)構(gòu)參數(shù) 158
4.3.6 煤的溫度特性 167
參考文獻(xiàn) 169
第5章煤炭有機(jī)質(zhì)片段模型化合物的理化特性
5.1 煤化學(xué)研究中模型化合物的近似作用 174
5.2 π電子結(jié)構(gòu)與共軛分子的反應(yīng)能力 174
5.2.1 有效哈密頓函數(shù)法 174
5.2.2 分子軌道能量與第一電子激發(fā)態(tài)躍遷能 181
5.2.3 聚合共軛系統(tǒng)的π電子結(jié)構(gòu) 187
5.2.4 共軛分子的反應(yīng)能力 192
5.3 飽和烴的電子結(jié)構(gòu) 203
5.4 烴C—H和C—C鍵斷裂能 205
5.5 芳烴的烷基衍生物的反應(yīng)能力 210
5.6 煤炭有機(jī)質(zhì)平均組成單位模型化合物的量子化學(xué)特點 213
5.7 模型化合物的酸堿性質(zhì) 214
5.8 模型化合物的熱化學(xué)性質(zhì) 216
5.8.1 烷烴 216
5.8.2 烷烴衍生物 222
5.8.3 芳香族化合物及其衍生物 226
5.9 模型化合物熱力學(xué)函數(shù)的加成計算法 227
5.10 對脫除雜原子N、O、S反應(yīng)的熱力學(xué)研究 230
參考文獻(xiàn) 236
第6章煤的化學(xué)轉(zhuǎn)化
6.1 煤化學(xué)的熱力學(xué)研究方法 240
6.1.1 平衡常數(shù)表達(dá)式 240
6.1.2 普通化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)平衡組分計算 242
6.1.3 用統(tǒng)計力學(xué)法確定熱力學(xué)函數(shù)的平移、旋轉(zhuǎn)和振蕩分量 245
6.1.4 氫分子熱分解反應(yīng) 248
6.1.5 兩相多組分系統(tǒng)平衡組分的計算方法 249
6.2 萃取 257
6.2.1 溶劑的理化性質(zhì)和煤的溶解度 258
6.2.2 鏡質(zhì)組的分子間作用能和希爾布萊德溶解度參數(shù) 267
6.2.3 煤的溶脹度和萃取物產(chǎn)率與溶劑理化參數(shù)的關(guān)系 270
6.3 煤的熱加工過程 275
6.3.1 煤熱分解的一般特性 275
6.3.2 煤的還原指數(shù) 278
6.3.3 煤熱解的動力學(xué)模型 279
6.3.4 快速加熱 281
6.3.5 利用熱解重量分析數(shù)據(jù)計算煤的熱分解動力參數(shù) 284
6.3.6 煤氣化過程中平衡氣相組分的熱力學(xué)計算 287
6.3.7 燃燒過程中產(chǎn)生煙氣的理論溫度計算 290
6.3.8 煤的結(jié)構(gòu)特點與結(jié)焦性 292
6.3.9 焦炭反應(yīng)能力指數(shù) 299
6.4 煤的加氫反應(yīng) 301
6.4.1 概況 301
6.4.2 主要加氫反應(yīng)的熱力學(xué)特性 306
6.4.3 溫度和壓力的作用 312
6.4.4 供氫體和氫載體的作用 316
6.4.5 溶劑的作用 319
6.4.6 煤加氫液化過程的催化劑 321
6.4.7 煤加氫液化過程的動力學(xué)特性 337
參考文獻(xiàn) 342
后記 / 348