【正文】 劑的研究開發(fā)。 項目名稱： 重油梯級分離與高效轉化的基礎研究 首席科學家： 鮑曉軍 中國石油大學（北京） 起止年限： 2020 年 1 月 2020 年 8 月 依托部門： 中國石油天然氣集團公司 教育部 一、研究內容 (一 )重油復雜多層次組成－結構－性質及催化轉化化學 發(fā)展在分子水平上研究重油組成、結構和物理化學性質的系統表征手段和理論解析方法，揭示“可轉化”與“不可轉化”重油分子在不同沸程超臨界流體萃取窄餾分中的分布規(guī)律，闡明其在加氫處理催化劑及催化裂化催化劑上的轉化行為，特別是“不可轉化”分子對“可轉化”分 子轉化行為的影響及其與催化劑酸性和孔道結構的關系，是指導重油梯級分離溶劑體系優(yōu)化、梯級分離過程強化和梯級分離組分轉化催化劑設計的理論基礎。 針對上述問題的解決，設置“重油梯級分離與轉化的化學基礎” 1個課題。 (二 )重油梯級分離和殘渣氣化過程的放大規(guī)律及設計方法 重油梯級分離的核心在于，基于超臨界流體對重油中“可轉化”分子和“不可轉化”分子的選擇性分離能力，以最大限度地獲得可供催化轉化的原料為目標，盡可能地將“不可轉化”分子富集在重油殘渣中，并根據轉化性能的優(yōu)劣依次將“可轉化”分子分離為催化裂化原料和加氫處理原料。 (3)了解重油殘渣的物理化學性質，研究殘渣氣化制氫的熱力學與動力學，發(fā)展適合于重油殘渣氣化的造氣體系、進料方式和反應器構型，形成重油殘渣氣化制氫的工藝流程，為百萬噸級的工業(yè)應用奠定基礎。 (3)獲得對重油殘渣氣化規(guī)律的系統認識，提出具有低二氧化碳排放的氣化劑組成和適合于工業(yè)化操作的重油殘渣氣化工藝參數。 (2)系統考察重油大分子在催化裂化條件下的轉化行為，認識重油催化裂化催化劑中分子篩活性組分和基質的相互作用及其協同效應，提出重油大分子的有效轉化途徑和新型重油催化裂化催化劑的設計思路；發(fā)展 Y、 ZSM ?分子篩等大宗催化材料的高性能化制備與改性新技術，形成催化劑制備的平臺技術，獲得調控主導催化裂化反應的高活性與高選擇性的分子篩固體酸活性中心的方法，并從“半合成”和“原位晶化 ”兩條路線來設計催化劑基質組分，充分發(fā)揮基質在保護活性組分、重油分子預裂化、提高產物分子擴散速率和延長催化劑使用壽命等方面的作用，研制提高重油轉化深度和改善產品分布的系列催化裂化催化劑。 (2)建立重脫殘渣油加氫處理催化劑的 制備平臺，研制出 1個級配系列計 3~4種可工業(yè)化催化劑，發(fā)展重脫殘渣油加氫處理新工藝。 (6)深入認識重油加工產品中硫、氮等雜原子化合物在加氫精制催化劑上的反應規(guī)律，發(fā)展降低加氫精制過程操作苛刻度的催化劑制備新方法，獲得 2~3種可工業(yè)化的加氫脫硫、脫氮催化劑。 “梯級分離為龍頭、以催化轉化為核心、以殘渣的綜合利用相配套”的重油高效潔凈轉化新技術路 線，為實現占我國石油加工總量約 40%的重油的高效轉化和優(yōu)化利用提供技術源頭。 95 件發(fā)明專利，建立以若干項母專利為核心的重油加工技術自主知識產權保護網；在 SCI 源學術期刊上發(fā)表論文 200 篇，撰寫有關重油加工理論和技術的英文專著 1部。 表 本期 973 項目與上一期 973 項目的聯系與區(qū)別 上一期 973項目 本期 973項目 研究目標 ? 發(fā)展重油無破壞性分析分離方法，初步建立重油復雜多層次化學的理論框架 ? 提出重油梯級分離利用新途徑 ? 闡明重油在催化轉化過程中的擴散 、吸附、反應規(guī)律，發(fā)展重油催化轉化新材料和催化劑制備的理論方法 ? 建立重油復雜多層次組成－結構－物理化學性質的系統研究方法，系統揭示重油組成、結構和物理化學性質的內在關聯 ? 建立重油梯級分離和殘渣氣化制氫過程的設計和放大方法，獲得示范應用 ? 研制重油加氫處理、催化裂化和重油加工產品改質催化劑，并配套發(fā)展相應的工藝技術 關鍵科學問題 ? 重油復雜多層次結構和催化轉化的化學基礎 ? 重油高效轉化與優(yōu)化利用的過程工程基礎 ? 重油高效轉化催化劑的設計和制備方法 ? 重油復雜多層次組成－結構－性質及催化轉化化學 ? 重油梯級分離過程和重油 殘渣氣化過程的放大規(guī)律和設計方法 ? 重油高效潔凈轉化催化劑的設計制備和過程調控方法 研究重點 ? 重油化學：方法探索和框架構建 ? 梯級分離和殘渣綜合利用：可行性探索及過程原理研究 ? 高效催化轉化：材料制備和催化劑設計方法 ? 重油化學：方法系統化和認識向分子水平推進 ? 梯級分離和殘渣綜合利用：梯級分離和殘渣氣化制氫過程的設計放大方法及示范應用 ? 高效催化轉化：催化劑工程和催化反應工程 從表 ，本項目與上一期 973項目的區(qū)別和聯系可以歸納為如下三個方面：在重油化學研究方面，從前期的方法探索和理論框架的構建到方法 的系統化和認識的深化；在重油梯級分離和殘渣綜合利用方面，實現從可行性探索到示范應用的突破；在重油高效潔凈轉化方面，實現從催化材料和催化劑制備方法的創(chuàng)新到新型催化劑和新催化過程的跨越。 (二 )技術途徑 實現上述總體研究思路的技術途徑是： 973 項目建立的以重油超臨界流體萃取為核心的重油無破壞性精細分離分析方法的基礎上，以高分辨質譜為主要手段詳細解析重油中“可轉化”和“不可轉化”分子的結構、性質及其在不同沸程超臨界流體萃取窄餾分中的分布規(guī)律，重點考察溶劑體系的組成及工藝條件對“不可轉化”分子分離選擇性的影響；對不同沸程的超臨界流體萃取窄餾分進行催化轉化性能研究，闡明“不可轉化”分子對“可轉化”分子轉化效率及產物性質的影響，為超臨界流體萃取分離體系的優(yōu)化和工藝操作條件的優(yōu)化提供依據；采用實驗研究和分子模擬相結合的方法，考察催化劑孔 道結構和酸性分布對重油轉化效率和產物分布的影響，為構建基于孔道結構和酸性分布調變的催化劑體系奠定基礎。 (三 )創(chuàng)新性及特色 、釕離子選擇性催化氧化 (RICO)、高分辨質譜、核磁共振、分子模擬等主要手段的重油復雜多層次組成、結構、物理化學性質的系統研究方法，闡明重油中“可轉化”與“ 不可轉化”分子的結構、物理化學性質、分布特性及其在催化轉化過程中的相互影響，從而系統揭示重油組成、結構與物理化學性質及催化轉化性能之間的關系，推進重油化學向分子層次發(fā)展。 (四 )取得重大突破的可行性分析 、結構、物理化學性質研究方面，上一期 973項目研究已建立起以超臨界流體萃取為核心的重油無破壞性精細分離分析方法，并采用這一方法對國內外具有代表性重油的組成、結構和物理化學性質進行了表征，獲得了重油超臨界流體萃取窄餾分的特征分子群，初步建立了重油梯級轉化利用的判據。 ，上一期 973項目結合現有重油加工工藝，研制出了重油催化裂化催化劑的新型活性組 分和基質、重油加氫處理催化劑、重油催化裂化汽油和柴油加氫改質催化劑 (其中 2 種催化劑獲得大規(guī)模工業(yè)應用， 2種催化劑完成中試開發(fā)， 4種催化劑完成實驗室小試 )，并以所獲得的重油催化轉化新認識為指導，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品的加氫改質，在活性組分研制、活性位調控和催化材料的組裝方法等方面的研究取得了長足進展，為進一步將研究工作向介觀層次上的催化劑粒子大小、形貌和表面性質與孔結構研究及宏觀層次上的催化反應工程研究奠定了良好的基礎。 四、年度計劃 年度 研究內容 預期目標 第 一 年 面： (1)通過超臨界深度精細分離，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構信息； (2)進行重油及其分離組分的 FTICRMS分析及解析方法研究 。 方法方面： (1)研究適合于烴類－重油超臨界體系、可提高脫殘渣油收率的添加夾帶劑和共溶劑，設計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的流動模型，進行殘渣顆粒和大差異二元顆粒體系旋流分離過程的理論分析及數值模擬研究； (3)建立多相流動的相變和汽化模型； (4)根據多相流不同流型和顆粒聚集狀態(tài)下不 同的曳力作用機理，建立多相流分區(qū)模型，對不同尺寸和結構的造粒塔內的流動和氣固分離特性進行數值模擬研究。 年度 研究內容 預期目標 第 一 年 研究方面： (1)完成 重脫殘渣油中含硫、含氮和金屬有機化合物的結構特點和分布規(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劑 ； (2)采用具有不同孔道大小和酸強度的基質材料、分子篩材料，根據重油催化裂化“接力式”反應特點，進行新型催化裂化催化劑的設計，同時開展小晶粒 ZSM5的放大制備和改性新技術研究； (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、加氫脫硫深度及烯烴的異構化和芳構化比例等關鍵工藝參數對汽油加氫改質效果的影響；進行柴油加氫 催化劑作用機理和活性相結構的研究。 (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。 (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、