2012CB215000-G绿色低碳导向的高效炼油过程基础研究.Doc

项目名称：绿色低碳导向的高效炼油过程基础研究首席科学家：卢春喜 中国石油大学（北京）起止年限：2012.1-2016.8依托部门：中国石油天然气集团公司一、关键科学问题及研究内容本项目提出的石油资源加工新路线为：针对我国石油原料偏重的特点，发展重质原料高效定向转化催化裂化技术满足汽、柴油等液体燃料的生产；开发高效低能耗的轻质原料催化裂解制低碳烯烃新技术。同时，拓宽原料加工范围，在满足液体燃料生产的前提下，开发重质原料催化裂解制低碳烯烃新工艺，将一部分重质原料用于生产低碳烯烃。本项目的“绿色低碳导向炼油技术路线”涉及到三个关键工艺过程：“多区协控强化”的催化裂化工艺、轻质原料移动床催化裂解工艺、“分区耦合”的重质原料耦合流化床催化裂解工艺。其化学反应特征都是石油馏分的定向催化转化，化学工程特征都是多相流动反应的非线性高度耦合，具有相同的科学/技术基础。三个工艺过程涉及到多个学科和技术领域，包括反应机理、催化材料、反应-传递耦合、过程装备、分离精制和系统集成优化6个技术领域，只有在对上述6个领域的核心科学问题深入认识的基础上，开发出高效的创新技术并形成系统的集成理论和优化设计方法，才能实现不同品质石油资源的高效利用、最大限度多产轻质油品和低碳烯烃，减少不良副产物，减排降耗，实现“高效绿色炼油”。图2 “绿色低碳导向的高效炼油过程”6个技术领域之间的关系为了实现催化裂化和低碳烯烃“绿色、高效”的生产过程，上述6个技术领域之间的关系应如图2所示。其中，反应机理和催化材料的研究是新工艺技术开发的理论基础，两者往往也是紧密关联、交互进行的，对反应机理的正确认识有助于指导高效催化材料的开发，而新型催化材料往往又带来反应机理的改变。反应传递耦合以反应工艺和催化材料领域的认识为基础，通过在介观尺度上研究多相流动和非均相反应之间的协同性问题，获得与反应相匹配的最佳多相流动状态和多相流动调控方法，为反应器设计提供指导。过程装备领域的研究则是在宏观尺度上通过开发与工艺条件匹配的先进装备和掌握装备放大规律，发现和解决新工艺技术产业化的制约环节，为新工艺技术的最终产业化奠定基础，同时可进一步强化反应过程。此外，对于生产低碳烯烃过程，产品的分离精制也是一个需要解决的课题，分离精制领域的研究应以新工艺产物分布特性和状态为基础，以节能降耗为目标，寻找最佳的产品分离精制方法。系统集成优化研究是在上述5个方面研究的基础上，通过集成优化，最大限度地满足原料、催化反应、分离过程和关键装备间的高效协同，实现“绿色低碳导向高效炼油”。为了构筑最优反应历程，创造与之协调对应的流动反应耦合系统及定向转化催化剂，开发石油资源高效率、低能耗的定向催化转化新工艺，是实现绿色低碳导向高效炼油新技术的关键，需解决以下三个方面的关键科学问题：1、轻、重石油馏分催化转化反应历程及调控规律在本项目研究中，深入认识反应特性和转化历程，掌握转化历程调控规律是实现新工艺技术的基础。对于本项目研究的催化裂化过程，需要进一步深化认识不同组分烃类在反应器不同区域内的反应特性及转化历程，以深入了解工艺条件和反应器结构对反应特性及转化历程的影响规律。在目前催化裂化原料重质化和劣质化的背景下，需要加强对重质劣质原料反应特性和转化历程的深入研究，这将有助于实现催化剂的“量体裁衣”设计，并同时指导工艺条件和工程装备的优化设计，从而实现进一步改善产品分布、提高产品收率的目的。对于本项目要实施的催化裂解工艺过程，也需要根据原料和反应环境的不同，深入研究不同原料在不同催化剂上、不同反应环境（移动床或流化床）内的催化裂解转化历程，从而为新型催化剂开发、工艺条件优化、新型反应器及相关工程装备开发提供指导。为此，需要攻克如下几个关键科学难题：（1）针对催化裂化过程，深入研究不同组分原料（尤其是重质和劣质原料）的催化裂化反应的途径以及热力学、动力学行为，定量确定有效促进主反应进行、抑制副反应发生的影响因素，优化反应温度、停留时间、剂油比、反应压力等工艺条件，确定适宜的操作域；（2）针对轻质原料催化裂解过程的EUO与ZSM-5共晶分子筛，通过对以类固相晶化中前躯体导向、模板组装、过程控制等为特征的分子筛制备化学的系统认识，确定共生共存分子筛的晶体取向生长、形貌结构调控和活性位结构定位的作用，形成多维化多尺度的分子筛催化材料体系，建立相应的主剂和助剂材料的高效合成方法以及基于上述催化材料的催化剂设计和放大制备技术。在催化剂研究的基础上，系统考察催化裂解反应的途径以及热力学、动力学行为，以确定最佳的反应工艺条件和适宜的操作域；（3）针对重质原料的催化裂解过程，深入研究具有复合孔道的双功能分子筛催化材料的合成理论及方法，发展硅铝比、晶粒、孔道、酸性等物化特性的调控理论和方法，结合匹配的催化剂设计理论和方法满足对催化剂功能的多种要求。在催化剂研究的基础上，系统考察重质原料催化裂解两种反应机理在不同反应工艺条件下的不同反应特性，分别优化出最佳的工艺条件。针对上述问题的解决，设置“炼油过程烃类转化反应特性和规律”和“石油馏分高效转化催化材料和催化剂”2个课题。2、多相流动反应系统非线性特征及耦合调控规律炼油工业催化转化反应系统往往涉及复杂的多相流反应系统的高度耦合。由于多相流系统中流动、传热和传质行为具有高度非线性特征，利用传统实验或数值模拟手段很难深入认识这些复杂的多相流规律，也难以进行有效的调控使传递环境与反应相协同。以本项目所研究的催化裂化系统为例，其反应系统存在功能要求不同的四个区：提升管进料区要求颗粒强返混以实现油剂间的高效接触，提升管反应区要求最大程度抑制颗粒的返混以提高目的产品的选择性，包括提升管出口区和沉降器汽提区的后反应系统则同时要求快速终止反应和高效回收产品和催化剂，这就需要稀相离心分离和密相接触两种较大差异的气固两相流体系的高效强化和耦合。目前，在实际工业催化裂化装置中，上述各区的实际传递状况都和理想要求存在或大或小的差距，需要进一步借助更为先进的实验和数值模拟手段强化多相流流动传递特征的认识，获得更加有效的调控规律，使实际传递环境和反应特性更加匹配。另外，由于各区反应特性的差异，造成各区内的传递环境也相差很大，需要发展各区之间的高效耦合方法，以实现不同区域不同流型间的瞬态过度。上述分析是本项目“多区协控强化”高效催化裂化技术的核心思想。对于本项目所研究的催化裂解工艺，由于涉及更复杂的分区耦合流化床反应器系统以及移动床反应再生体系，也必将遇到类似的耦合调控问题，因此也需要强化这一方面的研究。为此，需要攻克如下几个关键科学难题：（1）深化对炼油过程多相流动介观尺度结构演化的认识和理解，发展多尺度多相流体力学模型；综合考虑气相湍流拟序结构的影响及颗粒间的碰撞作用，研究颗粒团聚效应对气固相间作用、传质、反应过程的影响；（2）系统研究炼油过程多相流动-反应耦合系统的微观流动结构的变化及其对传质、传热动力学特征的影响规律，建立多相流动反应耦合系统非线性特征描述方法和传递与反应双向耦合数学模型，揭示多相流动传递与反应的非线性耦合规律；（3）建立炼油过程多相流动反应耦合系统的调控理论，发展实现反应过程最佳传递环境的调控方法，开发与反应过程高效协同的新型反应器及其关键过程装备，并建立其综合性能数学模型和工程放大设计方法。针对上述问题的解决，设置“多相流动反应耦合系统的动力学特征分析及模型化”和“关键过程装备强化方法及放大规律”2个课题。3. 裂解产物多相平衡和传递规律石油馏分催化裂解过程由于催化剂在反应和再生器之间的连续循环使产物组分较蒸汽裂解过程更为复杂，现有深冷分离流程不仅不能直接采用，而且设备投资和能耗会更高，需要开发全新的低投资、低能耗分离流程。本项目提出了一种创新型的水合分离新方法，它通过与膜分离、吸收进行组合，形成了一条能够在常温低压环境下实现裂解气高效分离的新流程，将有望大幅度降低裂解气分离过程的能耗。这一新型裂解气分离流程虽然具有鲜明的创新性，但要真正实现工业化、取代传统的深冷分离流程仍存在很大的难度，需要进行一系列系统的基础研究工作，以获得不同裂解气产物在水合、膜分离以及吸收过程所涉及的复杂相平衡特性和相传递规律的深入认识，最终在此基础上建立不同分离方法的优化组合流程。为此，需要解决以下几个方面的基础问题：（1）取得裂解产物相关的气-液、气-水合物、气-液-水合物等不同类型的相平衡基础数据，建立相平衡热力学模型；（2）研究裂解产物的相关组分在气-液间、气-水合物间、气-膜间的传递规律，从水合物孔穴、模孔道、胶团等介观尺度上深刻认识相际传质机制，开发基于非平衡热力学的传递模型，结合相平衡模型，建立分离过程的数值模拟方法。（3）进行膜吸收耦合脱除NOx和CO2、膜分离脱氢、吸收水合分离C1、C2关键组分的基础研究，开发膜分离、水合、吸收组合的低碳烯烃产品分离流程，通过全过程模拟和参数优化确定最优的组合方案。针对上述问题的解决，设置“炼油过程低碳产品高效分离与精制”1个课题。在上述5个课题研究内容基础上，为形成石油馏分高效转化关键过程的系统集成理论和创新技术，设置第6个课题“石油资源高效转化关键过程的工程化集成”。二、预期目标1. 总体目标 (1) 获得炼油过程轻、重不同性质原料催化转化反应特性、多相反应流动特性及产物相平衡特性的深入认识，形成指导石油馏分定向转化的理论体系；探索石油馏分“定向转化”关键过程强化与减排降耗的新途径；(2) 提出炼油过程石油馏分“高效定向转化”的新途径，开发高效定向转化催化材料与催化剂、反应分离工艺方法及关键装备，奠定成套工艺开发的技术基础；(3) 形成适应从轻质到重质原料的催化裂解生产低碳烯烃的技术路线，建立中试装置，使低碳烯烃产率较传统蒸汽裂解过程提高12个百分点以上，综合能耗降低20%。对于汽、柴油等液体燃料加工，在工业规模装置上，力求使以重质石油馏分为原料的催化裂化过程液体产品收率提高2.0个百分点，综合能耗降低15%。2. 五年预期目标(1) 针对石油炼制的两个关键过程，建立不同性质石油馏分催化转化工艺创新与过程协同相结合的基本理论和技术体系：揭示炼油过程石油馏分定向转化反应特性；基于石油馏分催化转化反应特性新认识，形成炼油过程石油资源高效定向转化的新方法，建立关键过程装备设计方法；(2) 对于低碳烯烃生产过程，针对不同性质的轻、重组分，采用不同的路线，发展基于反应特性新认识的低碳烯烃生产创新工艺，研制用于轻质原料催化裂解的新型EUO和ZSM-5共晶分子筛催化材料、催化剂及其制备方法，研制用于重质原料催化裂解的复合孔道双功能催化剂及其制备方法，发展针对轻、重原料催化裂解过程的移动床反应器和“分区耦合”的流化床反应器，开发相关关键过程装备，发展新的低能耗产品分离精制流程，形成具有自主知识产权的石油馏分高效定向转化生产低碳烯烃新工艺，并建立实验室中试装置；（3）发展以“多区协控强化”为核心理念的催化裂化新技术，建立关键过程装备强化的优化设计放大方法及综合数学模型。开发有效抑制反应-流动低耦合度区域的理论方法及技术、加强床层的传热、传质调控。建立工业化应用示范装置。(4) 在国内外核心期刊发表论文150篇，其中SCI或EI收录论文100篇，申请国家发明专利41项。(5) 在相关研究领域的国际学术前沿占有一席之地，培养和造就10名左右国内相关领域的学术带头人，20名左右相关领域研究骨干，形成一支在国内外具有一定影响力的技术创新群体，培养55名博士和120名硕士，为我国化石能源领域的可持续发展奠定人才基础。三、研究方案1. 总体学术思路本项目研究的总体学术思路如图3所示。1、本项目着重考察石油馏分“高效定向转化”，根据轻、重原料性质的不同，以炼油过程的两个典型工艺低碳烯烃生产和催化裂化为研究对象，深化对炼油过程石油馏分催化转化反应特性和反应历程的认识，实现石油资源定向催化转化，发展基于反应特性新认识的催化转化新工艺；2、基于不同性质石油馏分催化转化反应特性新认识和反应历程调控方法，发展定向转化催化剂设计与制备技术；3、基于关键过程多相流动-反应系统非线性特性及耦合规律，开发配套新装备，发展工程放大设计方法；4、基于石油馏分催化转化产物间相平衡特征及耦合分离规律，发展新的高效低能耗产品分离技术；5、发展和形成石油资源高效定向转化关键过程的系统集成理论与创新技术，并进行中试放大和工业化应用示范。图3 项目研究的总体学术思路2. 技术路线根据上述学术思路，本研究拟按照如图4所示的技术路线开展工作：1、实现科学目标的技术路线：以炼油过程中轻、重不同性质的石油馏分高效定向转化为导向，针对催化裂化和催化裂解生产过程，获得对石油馏分催化转化反应特性的深入认识和反应历程调控方法；在深入揭示定向催化转化过程中扩散、吸附和催化转化及产物分布调控机制的基础上，解析反应原料、催化剂性质和产品分布的共性规律，发展定向转化催化材料和催化剂的设计与制备方法；揭示关键过程多相流动反应系统非线性特征及耦合规律，掌握关键过程装备设计方法及放大规律；发展工艺-催化剂体系-工程装备优化匹配的综合集成方法，建立工业化示范装置。2、实现技术目标的技术路线：基于对炼油过程石油烃类催化转化反应特性和多相流动-反应系统非线性特征及耦合规律的认识，发展石油烃类高效定向转化新工艺，开发新的关键装备，研制定向转化催化材料和催化剂，实施工艺、工程装备、催化剂、分离精制各层面优化匹配的成套集成技术，并获得示范应用。图4 实现项目研究目标的技术路线3. 与国内外同类研究相比的创新性和特色一主要创新点（1）理念创新：针对石油炼制过程中的“高效定向转化”与“绿色减排降耗”具有相同的科学实质这一关键问题，结合我国石油资源的特点，将轻、重原料分别采用不同的加工方法。提出了以石油馏分“催化裂解”替代“热裂解”的低碳烯烃生产技术理念；抓住催化裂化和催化裂解相同的科学实质，提出了反应-多相流动耦合强化的“多区协控强化”理念，在此创新理念引领下，从最大限度实现工业过程内部传递环境与反应历程的协同性入手，进而形成以调控化学转化为中心，基于对反应特性的新认识，发展炼油过程高效定向转化催化裂化和多产低碳烯烃新工艺，并研发与之相适应的催化新材料和催化剂、配套的新装备技术和低能耗高效产品分离技术，创造与最优反应历程协调的传递环境和后续分离精制过程，形成优化集成技术，实现“绿色低碳导向高效炼油”；（2）路线创新：针对炼油过程这一国民经济的重要工业领域，选择产物需求大、附加值高、工业影响深远的催化裂化生产液体燃料和催化裂解生产低碳烯烃为主攻目标，提出了以择形分子筛和大孔分子筛为主要催化材料，以移动床反应器、新型“多区协控强化”耦合流化床反应器为关键工程装备的轻质、重质原料催化裂解生产低碳烯烃和催化裂化生产液体燃料的三种工艺路线，形成新装备设计与反应历程相融合的高效运行技术方案；从工艺-催化剂-工程装备-分离精制的综合体系进行集成优化，以达到不同品质石油资源的高效利用和与环境的和谐共处； （3）方法创新：基于反应特性新认识和多相流动-反应系统非线性特征及耦合规律，通过开发和利用移动床反应-再生系统装备、“多区协控强化”高效浓密相耦合气固流化床反应-再生系统装备、强返混的阵列进料系统、抗滑落平流推进提升管反应器、环流预汽提超短快分系统、再生剂增强化学汽提系统及分子筛组合催化剂，实现炼油过程石油资源的高效定向转化；在工程设计中将反应分离过程耦合集成形成成套技术，并获得示范应用。二、项目特色（1）针对性：鉴于炼油过程石油馏分高效转化生产液体燃料和低碳烯烃过程产品附加值大、能耗所占比例大，采取以石油馏分催化转化为核心，实现其高效定向转化，根本途径是通过开发新型反应体系并进行反应深度有效调控，优化反应历程，发展创新工艺，对其中所涉及的关键科学问题进行研究，建立炼油过程石油馏分催化转化的基础理论体系，并以此为指导发展催化转化新技术，研究对象和研究目标明确，针对性强。（2）前瞻性：我国石油资源的最大特点是原料偏重；随着目前石油资源的日益紧缺，全球都面临着石油资源日益重质化、劣质化的挑战。催化裂化是一个能够有效将重质石油馏分转化为轻质液体燃料和有机化工原料的工艺过程，进一步优化其催化剂、工艺和装备有利于有限的石油资源的高效定向转化，降低排放与能耗，有利于国民经济加快发展。与此同时，以乙烯和丙烯为代表的低碳烯烃是最重要化工原料，随着我国经济的不断快速增长，未来低碳烯烃的需求将逐渐增加。另一方面，目前低碳烯烃生产以热裂解为主，原料利用率低且排放高，而石油则是日趋紧缺的宝贵资源，因此开发新型高效的，能够采用轻质、重质原料的低碳烯烃生产工艺技术，以实现石油资源的高效利用和低碳烯烃生产过程的节能减排适应我国能源战略的发展趋势。本项目对于石油炼制中催化裂化和低碳烯烃生产两个重要过程，以实现石油资源高效定向转化为出发点，对催化转化反应历程调控方法、定向转化催化剂设计与制备方法、多相流动-反应系统非线性特征及耦合规律、关键过程装备开发及放大设计、反应与分离过程的优化匹配和石油馏分转化关键过程集成方法等方面的基础理论问题开展研究，为炼油过程石油馏分催化定向转化新技术的开发奠定理论基础，实现“高效定向转化”与“绿色减排降耗”的统一，符合能源与环境和谐发展的国家能源战略，具有明显的前瞻性。（3）创新性：本项目的关键科学问题和研究内容是在全面调研国内外研究现状的基础上提出来的，涉及炼油过程石油馏分高效定向转化关键过程开发的基础理论问题（如催化转化反应历程的调控方法、多相流动-反应系统非线性特征及耦合规律、非烃类组分与低碳烯烃组分间的相平衡特性及其对分离耦合的影响规律）及关键技术问题（如定向转化催化剂的设计与制备，关键过程装备开发及放大设计，高效、低能耗产品分离精制方法，工艺集成及优化控制方法等），把炼油过程中的催化转化反应作为一个整体系统进行研究，具有很强的创新性。（4）系统性：本项目根据石油资源原料性质的不同，围绕炼油过程石油馏分转化关键过程，以“最大限度实现原料、催化反应历程、关键装备和产品分离精制间的高效协同”的理念为指导，以开发新型高效的低碳烯烃生产工艺和提高催化裂化液体收率为中心，形成包括反应特性新认识-反应历程调控方法-定向转化催化剂设计与制备方法-多相流动反应系统非线性特征及耦合规律-关键过程装备开发及放大设计-产品分离精制方法耦合及优化-工艺集成和优化控制方法一整套指导炼油过程石油资源高效定向转化的系统理论；围绕项目技术目标的实现，对关键技术问题展开研究，形成成套技术，实现项目的总体研究目标。（5）综合性：本项目研究充分体现了多学科交叉与渗透的特点，涉及化学工程、工业催化、化学工艺、自动控制等多个工程学科领域以及无机化学、物理化学、材料化学等多个化学领域，是一项综合性极强的研究项目，其研究目标的成功实现，必将带动相关学科的发展。4. 取得重大突破的可行性分析1、项目研究方案的形成有长期的工作积累：本项目的核心思想是基于对不同性质石油馏分催化转化反应特性的深入认识，通过开发新型反应体系或进行反应深度有效调控，优化反应历程，并研制与之相适应的催化新材料和催化剂、相配套的强化装备及相耦合的工艺集成，创造与最优反应历程协调的过程传递环境，最大限度实现“原料、催化反应历程、关键装备和产品分离精制间的高效协同”。对于这一技术路线，项目组成员已进行了大量的前期工作，取得了一系列的研究成果，证实了其可行性。2、项目研究的关键技术有充分的知识储备：本项目研究目标的实现要求在下述六个方面获得新认识或技术上的突破，一是炼油过程石油馏分转化反应特性和调控规律，二是石油馏分高效定向转化催化材料和催化剂，三是多相流动反应耦合系统的非线性动力学特征和及耦合规律，四是关键过程装备强化方法及放大规律，五是炼油过程低碳产品高效分离与精制，六是石油资源的高效转化过程的工程化集成。对此，参加本项目研究的单位在不同方面已有充分的知识储备：（1）项目主要承担单位中国石油大学（北京）长期从事石油馏分催化转化反应机理、催化新材料及催化剂、化学反应热力学、动力学行为及催化转化过程工艺研究，积累了丰富的经验和雄厚的基础。系统进行了以加工重质原料为主的催化裂化反应工艺条件优化、提升管沿程动力学及反应控制技术和由C4烃类、汽油馏分、减压馏分到常压重油的催化裂解制低碳烯烃反应机理及化学工艺等方面的研究，形成了独特的石油馏分催化转化反应工艺理论分析和实验研究方法，取得了显著进展。通过改进和优化催化材料催化剂的孔结构、元素化学调变等方法对分子筛催化剂的酸性及脱氢功能的调节，发现某些特定元素既可调变催化剂的酸性质，还可调变其碱性质甚至是氧化还原性能，提出了以纳米微晶为结构单元，组装纳米复合多级孔道结构的酸性分子筛体系用于轻烃裂解反应以及以不同孔结构分子筛的组配和含介孔结构的择形分子筛作为基本活性组分体系用于重质原料催化裂解的学术思想。有关研究结果已发表于Journal of Catalysis、Applied Catalysis A: General、Catalysis Today、Catalysis Letters及Catalysis Communications等国外著名催化期刊上。（2）中国石油天然气股份有限公司石油化工研究院针对不同轻、重不同品质原料转化过程特点，深入开展了催化剂设计、合成及催化剂工程设计等方面的系统研究，旨在通过催化剂粉体制备、织构控制及其两者之间的相互匹配，达到控制和调变工业粒度催化剂性能的目的。在常规颗粒级催化剂和独特研发整体/结构化催化剂制备与性能调变上有相当的工作积累和一定程度的突破。这些工作的系统开展和科学思想凝练，为解决本项目的关键科学问题“炼油过程石油馏分转化反应特性和调控规律”以及“石油馏分高效定向转化催化材料和催化剂”的解决提供了良好的化学基础。（3）在多相流系统的传递及反应工程基础和装备强化方法及放大规律研究方面，中国科学院过程工程研究所和中国石油大学（北京）等进行了系统的实验研究和模型化工作，积累了丰富的研究经验和雄厚的科研基础。采用大型冷模实验与数值模拟相结合的研究路线，对化工过程复杂的气固多相流动行为进行机理研究，基于对理论分析并融合实验结果建立数学模型，以计算流体力学（CFD）为理论分析平台，揭示过程装备放大和调控规律，提出新型结构优化方案，达到提高效能，强化过程的目的，形成了完整的多相流动的传递及反应工程基础理论，取得了显著进展。特别是在催化裂化过程装备的耦合强化方面处于国际领先水平，所开发的“催化裂化后反应系统关键装备技术”获2010年度国家科技进步2等奖，形成了气固稀相离心分离和浓相接触两体系间高效耦合方法、离心力场强化方法和浓相接触体系传质强化方法三个核心理论创新。已在AIChE J、CES、IECR等国内外化工权威刊物上发表论文40余篇，为“多相流动反应耦合系统的非线性动力学特征和及耦合规律”和“关键过程装备强化方法及放大规律”提供了良好的工程基础。3、项目研究的组织实施有学科和队伍保证：本项目汇聚了国内在化学工程、工业催化、化学工艺、无机化学、物理化学、材料化学和自动控制等多学科交叉的研究队伍，项目研究集体来自3个国家重点实验室、一个国家工程中心和两个省部级研究基地，代表了我国在相关领域的优势研究力量，具备进行基础应用基础工艺工程产业化一体化研究开发的能力。近年来，参加本项目的各研究单位通过联合承担国家自然科学基金委、科技部、中国石油科技项目，已建立了密切的合作关系，形成了优势互补、上下游结合的研发团队，通过合作研究和学术交流，对项目的关键科学问题的理解和解决途径已形成统一的认识，这就为实现项目的研究目标奠定了学科和队伍基础。4、研究成果的工程转化有配套的支撑条件：参加本项目的中国石油大学（北京）、中国石油天然气集团公司石化研究院在石油炼制和化工领域均有长达50年的研究开发和工程化经验，已建立小试-中试-工业试验相配套的研究开发平台，并与技术的应用部门中国石油天然气集团公司有着天然的联系，能够在项目研究的各个环节得到中国石油天然气集团公司的大力支持，为项目研究目标的实现提供了良好的支撑条件。5. 课题设置 根据研究目标和研究内容，本着突出重点、强调有机联系的原则，本项目拟设置如下6个子课题：课题一： 炼油过程烃类转化反应特性和调控规律项目简介：本课题根据项目提出的针对轻质烃类和重质烃类分别采用移动床和流化床工艺进行催化转化的总技术路线，拟在深入认识原料性质的基础上，以模型化合物和轻烃/重质石油烃类或其窄馏分为原料，研究不同原料的反应机理和转化途径。并通过对催化材料催化剂性质的调变，研究其对不同特征原料的催化转化规律的影响和调控作用，揭示定向转化催化剂组成结构与反应性能间的关系，掌握有关调控规律和方法。最终实现根据原料组成结构的不同，能“量体裁衣”地选择催化材料催化剂和工艺条件，为指导催化剂的设计和制备和新工艺的开发提供基础数据和理论指导。同时，为了项目工程目标的实现，本课题还拟对对烃类催化转化过程中关键反应的热力学特征和平衡转化限制条件、复杂化学反应网络、动力学行为进行深入研究，建立有关反应动力学模型，并通过对优选催化剂使用工艺条件的优化研究，确定石油烃类催化裂解过程的低碳烯烃生成量判据，为工艺过程开发和放大提供理论基础。承担单位： 中国石油大学（北京）、中国石油天然气股份有限公司石油化工研究院课题负责人：申宝剑经费比例： 17%课题二：石油馏分高效转化催化材料和催化剂项目简介：研究内容：掌握轻、重石油馏分高效定向转化催化材料和催化剂结构设计方法以及制备规律，确定催化剂结构与掌控烃类分子裂化深度和分子扩散性能的关系，指导高性能催化剂的设计制备以及新工艺技术的开发，由此支撑本项目提出和实施的绿色、低碳导向的高效炼油加工新路线。研究目标：1. 提出高效的类固相晶化分子筛材料的新思路和制备新方法，以此为基础制备构效优化的两相共生共存的新型分子筛体系和分子筛-金属氧化物组合体，形成最大限度的轻、重石油馏分转化和目标产物高收率的催化材料新技术；2. 深入揭示优化的分子筛微观晶体结构、活性位结构、介观结构的晶面择优取向、晶体维度大小与目标反应的催化性能构效关系，开发高性能催化裂化和催化裂解催化剂新技术，为新工艺的开发奠定基础；3. 研制出1种提高轻收的催化裂化新型催化剂以及1-2种适用于轻质原料的催化裂解高效转化和低碳烯烃高选择性的催化剂。承担单位： 中国石油大学（北京）、北京石油化工学院、广西大学课题负责人：巩雁军经费比例： 15%课题三：多相流动反应耦合系统的动力学特征分析及模型化项目简介：本课题针对“多区协控强化”催化裂化工艺、轻质原料移动床催化裂解工艺和“分区耦合”的流化床催化裂解工艺，研究以下内容：1. 通过对系统介尺度结构、非线性特征和耦合规律的多尺度分析，研究多流域转化规律和操作相图；2. 研究系统中介尺度结构行为的控制机制和协调影响，发展多相多尺度计算流体力学和基于结构相似原理的多尺度计算方法；3. 发展基于射线透射、扫描等无损测量介尺度动态结构的技术，分析介尺度相互作用，掌握分区耦合和多区协控强化的调控规律和工程实施方法；4. 研究介尺度结构变化对传质、传热和表观动力学的影响规律，建立多相反应系统的传递与反应双向耦合的多尺度模型，实现系统全回路的三维瞬时反应模拟，为设计、放大、控制和优化提供理论依据。通过研究，达到以下目标：应用虚拟粒子化计算、无损测量实验和多尺度理论分析，深入认识多相流动反应体系中介尺度结构的形成和影响机制，建立基于结构并且耦合流动反应的多尺度模型；提出适合工业应用的操作相图；掌握多相反应系统中各种机制的竞争和协调规律；为实现“多区协控强化”催化裂化和“分区耦合”流化床催化裂解工艺及工业应用奠定基础。承担单位： 中国科学院过程工程研究所、中国石油大学（北京）课题负责人：王维经费比例： 15%课题四：关键过程装备强化方法及放大规律项目简介：本课题的研究工作拟采用实验研究、数值模拟和理论分析相结合的方法，揭示石油炼制两个关键过程催化裂化和催化裂解过程中关键装备的过程强化方法及其放大规律。对于“多区协控”催化裂化过程，首先考察提升管进料混合区、反应区、出口油剂快速分离区和汽提区内气固两相的流动行为，揭示四个区域流场的耦合协控特性，在此基础上，提出新型进料装备或形成进料混合区的新构型、建立有效抑制“环核结构”和抗滑落的新方法和新技术、开发新型气固两相分离装备和新型汽提装备。对于移动床催化裂解过程，首先探索移动床内气固两相流动特性；并尝试引入内构件、改变床层流道形状，建立内构件移动床的流体力学模型，揭示其放大规律，建立移动床间颗粒循环系统的调控方法。同时，开展移动床层热量传递、裂解反应及其相互耦合规律的研究，建立高温热态移动床气固两相流动、传热和反应的耦合数学模型。承担单位：中国石油大学（北京）、厦门大学课题负责人：卢春喜经费比例： 17%课题五：炼油过程低碳产品高效分离与精制项目简介：催化裂解过程由于催化剂循环导致系统非烃类杂质含量大、产品分离难度大，因此需要研究产品高效、低能耗分离精制新方法。本课题测定裂解产物二次油的相平衡基础数据，研究相关组分传递规律，建立热力学模型；在此基础上提出以水合物分离为核心，耦合膜和吸收两种分离方法，开发常温、低压、低能耗的裂解气分离新工艺；研究吸收膜蒸馏耦合过程分离产物气中NOx和CO2的传递特性，实现分离过程的强化和节能；开发室温下催化裂解低沸点混合气的水合物吸收膜分离组合分离技术，进行全过程模拟和参数优化，降低循环比、提高乙烯收率，形成具有自主知识产权的软件包。主要目标如下：1. 建立以水合技术为核心，具有耦合分离特点的分离催化裂解干气的组合流程和实验装置。2. 建立具有自主知识产权的裂解气强化和节能分离工艺和计算软件。3. 在国内外核心期刊上发表论文30篇，其中SCI或EI收录论文20篇，申请国家发明专利10项。培养博士研究生20名，硕士研究生30名。承担单位：天津大学、中国石油大学（北京）课题负责人：李鑫钢经费比例： 17%课题六：石油资源高效转化关键过程的工程化集成项目简介：本课题研究内容涉及新型催化反应体系反应-扩散规律研究、工业规模反应器模拟计算方法研究以及新型工艺流程物流、能流集成方法研究，重点解决新的工艺流程中的节能原理与物流能流集成、关键装备的设计与操作优化、催化材料反应-扩散协同性能的匹配等基础问题。利用化学工程学科理论研究的新方法和新理论，根据轻、重不同品质的石油原料在本项目所开发的催化反应体系中所表现出来的不同的反应特点及转化规律，从反应-扩散以及物料宏观混合等方面对反应体系进行定向调控，实现石油馏分定向、高效转化关键过程的工艺集成和优化控制。针对轻、重不同品质的石油原料，分别实现建成实验室中试示范装置、完成工业示范运行的目标，核心技术达到工业化应用的要求，打通石油资源高效利用的新型工艺路线。承担单位：中国石油天然气股份有限公司石油化工研究院、中国石油大学（华东）课题负责人：马安经费比例： 19%各个课题之间的相互关系如图5所示：图5项目研究目标科学问题课题设置之间的有机联系四、年度计划研究内容预期目标第一年根据项目轻质烃类移动床催化裂解、重质烃类流化床催化裂解和重油催化裂化三条工艺路线的总体路线设计，结合已有工作基础，确定上述三个工艺过程所涉及的反应动力学、热力学和催化材料开发的具体研究实施路线，建立相应的实验装置，并进行初步的研究工作，获取动力学、热力学和催化材料合成方面的初步基础数据。改进实验测试手段，通过冷模实验研究相关操作单元内部复杂的多相流动规律，为建立CFD模型提供基础数据。设计和建立评价流化床进料段、快分、汽提段、移动床反应器等关键装备的大型冷模实验装置和CFD模型，通过初步研究确定性能评价方法。初步研究测定裂解气分离方法吸附、膜分离和水合分离的相平衡特性，建立初步的热力学传递模型。结合已有研究基础，进一步完善重质烃类流化床催化裂解和重油催化裂化两个工艺过程工艺、装备及控制的优化集成，初步确定优化集成方案。确定轻质烃类移动床催化裂解工艺中试研究的实验方案，完成中试装置工艺和设备的初步设计。1. 初步确定反应动力学、热力学和催化材料的具体研究路线，建立实验装置，获取初步基础数据；2. 建立研究相关操作单元内部复杂的多相流动现象的冷模实验装置，初步获得支撑CFD模拟研究的基础数据；3. 建立评价关键装备的大型冷模实验装置和相关CFD模型，建立装备性能评价方法；4. 初步获得裂解气分离过程的相平衡数据，建立初步的热力学传递模型；5. 初步确定重质烃类流化床催化裂解和重油催化裂化两个工艺过程的优化集成方案，初步确定轻质烃类移动床催化裂解工艺中试研究的实验方案，并完成中试装置的初步设计。第二年在前期研究的基础上，系统研究三个工艺过程的反应动力学和热力学，初步确定各工艺所需的催化材料和催化剂类型，并进行初步的反应历程和性能评价，并采用吉布斯自由能最小原理法对小分子烯烃与芳烃的体系进行热力学计算。研究分子筛的工艺参数与分子筛结构调变的影响规律、制备工艺及其对分子筛微观-介观结构畸变影响、分子筛与金属氧化物共生组合体的制备方法、初步试制出移动床烃类催化裂解工艺的催化剂。在冷模装置上进行系统的流动实验研究，结合数值模拟方法，研究流体颗粒之间和与颗粒聚团之间的相互作用、介尺度结构微观变化物理控制机制和协调原理。系统研究关键装备内部的多相流动现象，通过理论分析和数值模拟解析流动特性与装备结构间的关联性。研究水合过程的动力学特性，开展吸收膜蒸馏耦合过程分离产物气体中NOx和CO2的研究，测定体系的渗透和溶解特性以及过程的传质和传热特性。开展重质烃类流化床催化裂解和重油催化裂化两个工艺过程集成方案的优化研究，完成轻质烃类移动床催化裂解工艺中试研究中试实验装置的设计和制造。1. 初步确定各工艺所需的催化材料和催化剂类型，并获得动力学、反应历程以及热力学数据；2. 揭示类固相晶化制备分子筛的形成机理和调控方法，获得ReHY分子筛稀土最佳用量的科学依据及催化剂结构对轻质烃裂解、重质烃催化裂化性能的影响规律，初步试制出轻质烃原料定向转化的催化剂；3. 初步掌握颗粒聚团之间和流体颗粒间的协调和控制机制，改进并完善多尺度模型中的介尺度结构参数表征和计算方法；4. 获得关键装备复杂多相流动的规律性认识以及流动特性和装备结构间关联性的初步认识；5. 揭示乳液体系吸收-水合过程动力学机制，建立过程模拟所需的动力学方程，确定脱除氮氧化物和CO2的方法。6. 确定重质烃类流化床催化裂解和重油催化裂化两个工艺过程的优化集成方案和经济性评价结果，完成轻质烃类移动床催化裂解工艺中试研究实验装置的设计和制造。第三年在前期研究的基础上，系统研究三个工艺过程的催化剂结构特性与反应动力学和热力学，确定各工艺所需的催化材料和催化剂的结构设计思路，研究轻质烃类催化转化的反应动力学模型，分析动力学参数对产物分布的影响规律。研究Y型分子筛与金属氧化物的组合体的形成方法、催化裂化主剂与助剂分子筛结构之间的相互作用及其对重质烃催化裂化催化性能的影响，开展稀土物种在Y型分子筛结构中的定位、当量化及物性改变规律的研究。通过实验及理论分析，考察温度、压力、物性等参数对流域转变影响规律、介尺度结构变化和调控规律的影响，研究并提出适合工业应用的虚拟粒子化的大型装置模拟计算方法。开展关键装备性能的研究，通过理论分析和数值模拟揭示装备性能、流动特征以及装备结构之间的关联性，并进行初步的结构优化研究。展开水合物吸收膜分离过程耦合分离催化裂解气的研究，开发吸收-水合耦合分离数值模拟方法；开展吸收水合偶合分离过程模拟计算，优选裂解气分离工艺路线和参数。根据重质烃类流化床催化裂解和重油催化裂化两个工艺过程集成方案优化研究的结果，进行工艺包的开发研究。完成轻质烃类移动床催化裂解工艺中试研究中试实验装置的调试和初步工艺评价。1. 确定各工艺所需的催化材料和催化剂的结构设计思路，建立轻质烃类催化转化的反应动力学模型；2. 确定重质轻原料催化裂化多产轻质燃料油的组合催化剂体系，揭示催化剂结构与重质烃催化裂化催化性能的本质规律，深入认识轻质烃、重质烃定向转化催化反应机理，揭示催化剂的失活机制和再生行为；3. 获得流域转变的变化规律和工业操作相图以及完善的介尺度动态参数数据，分析并模型化得到新的介尺度结构模型，改进多尺度计算流体力学模型和方法；提出适合大型反应器三维时变的反应过程的虚拟粒子