973項(xiàng)目申報(bào)書――重油梯級分離與高效轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)研究(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 萬噸 /年示范裝置操作數(shù)據(jù)的對比分析，結(jié)合計(jì)算流體力學(xué) (CFD)模擬和工藝流程模擬，完全有可能獲得梯級分離過程及其關(guān)鍵裝備的設(shè)計(jì)與放大方法，并在項(xiàng)目依托部門的支持下獲得示范應(yīng)用。 ，上一期 973項(xiàng)目結(jié)合現(xiàn)有重油加工工藝，研制出了重油催化裂化催化劑的新型活性組 分和基質(zhì)、重油加氫處理催化劑、重油催化裂化汽油和柴油加氫改質(zhì)催化劑 (其中 2 種催化劑獲得大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用， 2種催化劑完成中試開發(fā)， 4種催化劑完成實(shí)驗(yàn)室小試 )，并以所獲得的重油催化轉(zhuǎn)化新認(rèn)識為指導(dǎo)，針對重油梯級分離餾分的加氫處理、催化裂化和重油加工產(chǎn)品的加氫改質(zhì)，在活性組分研制、活性位調(diào)控和催化材料的組裝方法等方面的研究取得了長足進(jìn)展，為進(jìn)一步將研究工作向介觀層次上的催化劑粒子大小、形貌和表面性質(zhì)與孔結(jié)構(gòu)研究及宏觀層次上的催化反應(yīng)工程研究奠定了良好的基礎(chǔ)。 ，上一期 973項(xiàng)目已在殘?jiān)再|(zhì) 、流化狀態(tài)和輸送方法等方面進(jìn)行了初步的研究，發(fā)展了通過加入助流化顆粒改善殘?jiān)骰洼斔托阅艿姆椒ǎ页袚?dān)“重油殘?jiān)鼩饣茪溥^程的放大規(guī)律與設(shè)計(jì)方法”課題的兩個(gè)研究單位在高硫石油焦和煤的氣化方面已有豐富的前期研究工作，并有良好的合作基礎(chǔ)。 973 項(xiàng)目的研究，凝聚形成了一支多學(xué)科交叉、“產(chǎn)學(xué)研”結(jié)合的重油加工理論與技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，其中 4人 (陳標(biāo)華、徐春明、高金森、鮑曉軍 )在項(xiàng)目執(zhí)行期間相繼獲得國家自然科學(xué)基金杰出青年基金資助， 2人 (高金森、高雄厚 )獲得何梁何利科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新獎(jiǎng)， 2人計(jì) 3次 (高雄厚 2次 ，高金森 1次 )獲得國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)， 1 人 (徐春明 )被聘為國際能源領(lǐng)域著名期刊《 Energy amp。 Fuels》的副主編；項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在項(xiàng)目執(zhí)行期間共舉辦和承辦了 4 次重油加工領(lǐng)域的國際會議，廣泛的國際國內(nèi)學(xué)術(shù)交流不僅進(jìn)一步擴(kuò)大了我國在重油加工領(lǐng)域的國際影響，而且進(jìn)一步凝練了項(xiàng)目的關(guān)鍵科學(xué)問題，明確了項(xiàng)目研究的方向，這就為本項(xiàng)目的開展奠定了良好的人才和學(xué)術(shù)基礎(chǔ)。 四、年度計(jì)劃 年度 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第 一 年 面： (1)通過超臨界深度精細(xì)分離，獲得重油烴類及非烴組 分的濃縮組分，采用 1HNMR、13CNMR、 FTIR 及 SARA、分子量、元素組成等分析方法，獲得重油組分的組成信息及平均結(jié)構(gòu)信息； (2)進(jìn)行重油及其分離組分的 FTICRMS分析及解析方法研究 。 (3)高度有序且高水熱穩(wěn)定性介孔材料的高溫水熱合成 及模型催化劑上的重油催化轉(zhuǎn)化化學(xué)研究， 改進(jìn)已有分子模擬方法和軟件，建立適合重油分子的力場和模型 ， 采用量子力學(xué) /分子力學(xué)方法確定分子篩催化劑活性中心的位置。 (1)獲得不同超臨界流體萃取窄餾分的收率、性質(zhì)及組成分布，獲得重油非烴濃縮組分的性質(zhì)； (2)獲得高 分辨質(zhì)譜分析重油的優(yōu)化操作條件，并建立特征分子群的解析方法； (3)建立重油催化劑結(jié)構(gòu)模型 。 (4)在 SCI源期刊上發(fā)表論文 6篇，申請發(fā)明專利 1件。 方法方面： (1)研究適合于烴類－重油超臨界體系、可提高脫殘?jiān)褪章实奶砑訆A帶劑和共溶劑，設(shè)計(jì)全新的重油梯級分離裝置； (2)建立合理的反映二元顆粒流動特點(diǎn)的流動模型，進(jìn)行殘?jiān)w粒和大差異二元顆粒體系旋流分離過程的理論分析及數(shù)值模擬研究； (3)建立多相流動的相變和汽化模型； (4)根據(jù)多相流不同流型和顆粒聚集狀態(tài)下不 同的曳力作用機(jī)理，建立多相流分區(qū)模型，對不同尺寸和結(jié)構(gòu)的造粒塔內(nèi)的流動和氣固分離特性進(jìn)行數(shù)值模擬研究。 (1)針對不同性質(zhì)的重油，提出適用的溶劑體系組成范圍，得到能明顯改善分離效果的添加劑組成及經(jīng)濟(jì)用量 。 (2)初步掌握助流劑與萃余殘?jiān)w粒流動特性；描述殘?jiān)w粒的旋流分離規(guī)律，重點(diǎn)揭示大差異顆粒對殘?jiān)w粒分離的影響規(guī)律；能夠?qū)Σ煌瑮l件下的溶劑閃蒸速度進(jìn)行預(yù)測，較為準(zhǔn)確地計(jì)算造粒塔內(nèi)多相流動過程 。 (3)在 SCI源期刊上發(fā)表論文 4篇，申請發(fā)明專利 1件。 年度 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第 一 年 研究方面： (1)完成 重脫殘?jiān)椭泻?、含氮和金屬有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和分布規(guī)律 的研究，研制和尋找適宜的新材料作為加氫處理催化劑的促進(jìn)劑 ； (2)采用具有不同孔道大小和酸強(qiáng)度的基質(zhì)材料、分子篩材料，根據(jù)重油催化裂化“接力式”反應(yīng)特點(diǎn)，進(jìn)行新型催化裂化催化劑的設(shè)計(jì)，同時(shí)開展小晶粒 ZSM5的放大制備和改性新技術(shù)研究； (3)研究汽油中的硫化合物和烴類化合物的分布規(guī)律和輕重餾分切割點(diǎn)、加氫脫硫深度及烯烴的異構(gòu)化和芳構(gòu)化比例等關(guān)鍵工藝參數(shù)對汽油加氫改質(zhì)效果的影響；進(jìn)行柴油加氫 催化劑作用機(jī)理和活性相結(jié)構(gòu)的研究。 (1)獲得原料油分子結(jié)構(gòu)特性、反應(yīng)性能與催化劑活性因子間的內(nèi)在關(guān)聯(lián) ， 建立平衡催化劑裂化和加氫活性的調(diào)控方法 。 (2)揭示重油催化裂化“接力式”反應(yīng)特點(diǎn)和催化材料性質(zhì)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)；掌握小晶粒 ZSM5 規(guī)模化合成和后改性的成套技術(shù) 。 (3)根據(jù)清潔汽油要求確定汽油的加氫改質(zhì)方案；了解柴油加氫改質(zhì)過程的機(jī)理，建立柴油加氫催化劑的活性相結(jié)構(gòu)模型，了解活性相的形成機(jī)制 。 (4)在 SCI源期刊上發(fā)表論文 20~25篇，申請發(fā)明專利 10~15件。 規(guī)律與設(shè)計(jì)方法方面： (1)研究不同條件對重油殘?jiān)鼰峤夥磻?yīng)的影響規(guī)律 。 (2)考察熱解反應(yīng)過程中 N、 S等有害元素和 Ni、 V等重金屬元素的遷移、分布規(guī)律； (3)以流動性指數(shù)為 指標(biāo) ，考察 “惰性助流化劑 ”石英砂顆粒和 FCC顆粒 的引入比例對重油殘?jiān)鲃有阅艿挠绊?； (4)進(jìn)行 “助流化劑 +重油殘?jiān)?”異性 顆粒體系湍流床 氣化反應(yīng)器 大型冷模 實(shí)驗(yàn) 裝置的設(shè)計(jì) 。 (1)獲得 熱解升溫速率、溫度、氣氛等因素對重油殘?jiān)簯B(tài)收率和殘?jiān)?(固態(tài) )收率的影響規(guī)律 。 (2)掌握熱解過程中 N、 S等有害元素和 Ni、 V等重金屬元素的遷移、分布規(guī)律 。 (3)獲得石英砂 和 FCC 顆粒 最佳引入比例 ， 完成 “助流化劑 +重油殘?jiān)?”異性 顆粒體系湍流床 氣化反應(yīng)器 大型冷模 實(shí)驗(yàn) 裝置的設(shè)計(jì) 。 (4)在 SCI源期刊上發(fā)表論文 3篇。 年度 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第 二 年 面： (1)采用釕離子選擇性催化氧化 (RICO)等方法獲得重油芳香類組分結(jié)構(gòu)的橋鏈、側(cè)鏈及芳香核結(jié)構(gòu)信息 。 (2)對重油超臨界分離餾分及濃縮非烴組分進(jìn)行不同離子源及方法的解析，建立分子群識別方法，解析重質(zhì)油及上述分離組分中各類分子群的組成信息，并加以集成； (3)建立研究重油特征分子在不同孔 道尺寸催化劑表面的孔道中吸附、擴(kuò)散的分子力學(xué)方法。 (1)獲得重油及其超臨界流體萃取窄餾分中特征分子的組成分布，獲得重油烴類及非烴的結(jié)構(gòu)特征，構(gòu)建重油特征分子結(jié)構(gòu)庫 。 (2)完善重油分子吸附、擴(kuò)散研究方法 。 (3)確定重油特征分子中氮、硫、金屬在化學(xué)轉(zhuǎn)化過程中 的轉(zhuǎn)移規(guī)律 。 (4)在 SCI源期刊上發(fā)表論文 8篇，申請發(fā)明專利 1件。 方法方面： (1)在實(shí)驗(yàn)室連續(xù)梯級分離裝置上優(yōu)化超臨界流體萃取工藝條件；基于課題 1有關(guān)重油特征化的研究結(jié)果，研究重油梯級分離過程的熱力學(xué)模 型； (2)建設(shè)重油多級梯級分離裝置，采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法考察助流劑及其與萃余殘?jiān)w粒的流化、汽提性能； (3)建設(shè)旋風(fēng)分離器實(shí)驗(yàn)裝置，開展大差異二元顆粒體系分離性能及放大規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究； (4)對閃蒸過程中戊烷的降壓和汽化進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，對噴霧射流的流場進(jìn)行測量；測量造粒塔內(nèi)流動過程的速度場和分離特性，驗(yàn)證和改善所建立多相流動分區(qū)模型和算法，為過程放大做好準(zhǔn)備。 (1)對不同的重油獲得優(yōu)化的工藝條件范圍，提高超臨界萃取過程對“可轉(zhuǎn)化”與“不可轉(zhuǎn)化”分子的分離選擇性和收率，并建立定量關(guān)聯(lián)；建立重油梯級分 離過程的熱力學(xué)模型，定量描述原料組成與梯級分離產(chǎn)物的收率和性質(zhì)的關(guān)系 。 (2)掌握萃余殘?jiān)俊⒉僮鳁l件及汽提器結(jié)構(gòu)形式等對二元顆粒流化與汽提性能的影響規(guī)律 。 (3)開發(fā)高效低阻新型旋風(fēng)分離器 ,獲得大差異顆粒對旋風(fēng)分離性能的影響規(guī)律及放大效應(yīng)，完成過濾分離實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì) 。 (3)在 SCI源期刊上發(fā)表論文 5篇，申請發(fā)明專利 2件。 年度 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第 二 年 礎(chǔ)方面： (1)研究加氫處理 過程的化學(xué) 反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)和本征動力學(xué) ；進(jìn)行 活性相納米粒子形貌、尺寸和穩(wěn) 定性的調(diào)控 研究； (2)開展基質(zhì) 分子篩材料的復(fù)配及催化裂化裂化性質(zhì)研究，重新認(rèn)識正碳離子在重油催化裂化過程的作用，為研制新型重油催化裂化催化劑提供理論基礎(chǔ)；開展高硅鋁比 NaY 的大規(guī)模合成技術(shù)和工業(yè)改性新技術(shù)研究； (3)考察汽油加氫改質(zhì)催化劑放大制備條件對催化劑物化性質(zhì)的影響規(guī)律，通過多種表征手段建立催化劑的質(zhì)量控制指標(biāo)，進(jìn)行放大催化劑 1000 h穩(wěn)定性試驗(yàn)； (4)進(jìn)行柴油加氫催化劑