973项目申报书――重油梯级分离与高效转化的基础研究

973项目申报书――重油梯级分离与高效转化的基础研究内容摘要：

万吨 /年示范装置操作数据的对比分析，结合计算流体力学 (CFD)模拟和工艺流程模拟，完全有可能获得梯级分离过程及其关键装备的设计与放大方法，并在项目依托部门的支持下获得示范应用。 ，上一期 973项目结合现有重油加工工艺，研制出了重油催化裂化催化剂的新型活性组 分和基质、重油加氢处理催化剂、重油催化裂化汽油和柴油加氢改质催化剂 (其中 2 种催化剂获得大规模工业应用， 2种催化剂完成中试开发， 4种催化剂完成实验室小试 )，并以所获得的重油催化转化新认识为指导，针对重油梯级分离馏分的加氢处理、催化裂化和重油加工产品的加氢改质，在活性组分研制、活性位调控和催化材料的组装方法等方面的研究取得了长足进展，为进一步将研究工作向介观层次上的催化剂粒子大小、形貌和表面性质与孔结构研究及宏观层次上的催化反应工程研究奠定了良好的基础。 ，上一期 973项目已在残渣性质 、流化状态和输送方法等方面进行了初步的研究，发展了通过加入助流化颗粒改善残渣流化和输送性能的方法，且承担“重油残渣气化制氢过程的放大规律与设计方法”课题的两个研究单位在高硫石油焦和煤的气化方面已有丰富的前期研究工作，并有良好的合作基础。 973 项目的研究，凝聚形成了一支多学科交叉、“产学研”结合的重油加工理论与技术创新团队，其中 4人 (陈标华、徐春明、高金森、鲍晓军 )在项目执行期间相继获得国家自然科学基金杰出青年基金资助， 2人 (高金森、高雄厚 )获得何梁何利科学与技术创新奖， 2人计 3次 (高雄厚 2次 ，高金森 1次 )获得国家科技进步二等奖， 1 人 (徐春明 )被聘为国际能源领域著名期刊《 Energy amp。 Fuels》的副主编；项目团队在项目执行期间共举办和承办了 4 次重油加工领域的国际会议，广泛的国际国内学术交流不仅进一步扩大了我国在重油加工领域的国际影响，而且进一步凝练了项目的关键科学问题，明确了项目研究的方向，这就为本项目的开展奠定了良好的人才和学术基础。 四、年度计划 年度 研究内容 预期目标 第 一 年 面： (1)通过超临界深度精细分离，获得重油烃类及非烃组 分的浓缩组分，采用 1HNMR、13CNMR、 FTIR 及 SARA、分子量、元素组成等分析方法，获得重油组分的组成信息及平均结构信息； (2)进行重油及其分离组分的 FTICRMS分析及解析方法研究。 (3)高度有序且高水热稳定性介孔材料的高温水热合成 及模型催化剂上的重油催化转化化学研究， 改进已有分子模拟方法和软件，建立适合重油分子的力场和模型 ， 采用量子力学 /分子力学方法确定分子筛催化剂活性中心的位置。 (1)获得不同超临界流体萃取窄馏分的收率、性质及组成分布，获得重油非烃浓缩组分的性质； (2)获得高 分辨质谱分析重油的优化操作条件，并建立特征分子群的解析方法； (3)建立重油催化剂结构模型。 (4)在 SCI源期刊上发表论文 6篇，申请发明专利 1件。 方法方面： (1)研究适合于烃类－重油超临界体系、可提高脱残渣油收率的添加夹带剂和共溶剂，设计全新的重油梯级分离装置； (2)建立合理的反映二元颗粒流动特点的流动模型，进行残渣颗粒和大差异二元颗粒体系旋流分离过程的理论分析及数值模拟研究； (3)建立多相流动的相变和汽化模型； (4)根据多相流不同流型和颗粒聚集状态下不 同的曳力作用机理，建立多相流分区模型，对不同尺寸和结构的造粒塔内的流动和气固分离特性进行数值模拟研究。 (1)针对不同性质的重油，提出适用的溶剂体系组成范围，得到能明显改善分离效果的添加剂组成及经济用量。 (2)初步掌握助流剂与萃余残渣二元颗粒流动特性；描述残渣颗粒的旋流分离规律，重点揭示大差异颗粒对残渣颗粒分离的影响规律；能够对不同条件下的溶剂闪蒸速度进行预测，较为准确地计算造粒塔内多相流动过程。 (3)在 SCI源期刊上发表论文 4篇，申请发明专利 1件。 年度 研究内容 预期目标 第 一 年 研究方面： (1)完成 重脱残渣油中含硫、含氮和金属有机化合物的结构特点和分布规律 的研究，研制和寻找适宜的新材料作为加氢处理催化剂的促进剂 ； (2)采用具有不同孔道大小和酸强度的基质材料、分子筛材料，根据重油催化裂化“接力式”反应特点，进行新型催化裂化催化剂的设计，同时开展小晶粒 ZSM5的放大制备和改性新技术研究； (3)研究汽油中的硫化合物和烃类化合物的分布规律和轻重馏分切割点、加氢脱硫深度及烯烃的异构化和芳构化比例等关键工艺参数对汽油加氢改质效果的影响；进行柴油加氢 催化剂作用机理和活性相结构的研究。 (1)获得原料油分子结构特性、反应性能与催化剂活性因子间的内在关联 ， 建立平衡催化剂裂化和加氢活性的调控方法。 (2)揭示重油催化裂化“接力式”反应特点和催化材料性质之间的内在关联；掌握小晶粒 ZSM5 规模化合成和后改性的成套技术。 (3)根据清洁汽油要求确定汽油的加氢改质方案；了解柴油加氢改质过程的机理，建立柴油加氢催化剂的活性相结构模型，了解活性相的形成机制。 (4)在 SCI源期刊上发表论文 20~25篇，申请发明专利 10~15件。 规律与设计方法方面： (1)研究不同条件对重油残渣热解反应的影响规律。 (2)考察热解反应过程中 N、 S等有害元素和 Ni、 V等重金属元素的迁移、分布规律； (3)以流动性指数为 指标 ，考察 “惰性助流化剂 ”石英砂颗粒和 FCC颗粒 的引入比例对重油残渣流动性能的影响 ； (4)进行 “助流化剂 +重油残渣 ”异性 颗粒体系湍流床 气化反应器 大型冷模 实验 装置的设计。 (1)获得 热解升温速率、温度、气氛等因素对重油残渣液态收率和残渣焦 (固态 )收率的影响规律。 (2)掌握热解过程中 N、 S等有害元素和 Ni、 V等重金属元素的迁移、分布规律。 (3)获得石英砂 和 FCC 颗粒 最佳引入比例 ， 完成 “助流化剂 +重油残渣 ”异性 颗粒体系湍流床 气化反应器 大型冷模 实验 装置的设计。 (4)在 SCI源期刊上发表论文 3篇。 年度 研究内容 预期目标 第 二 年 面： (1)采用钌离子选择性催化氧化 (RICO)等方法获得重油芳香类组分结构的桥链、侧链及芳香核结构信息。 (2)对重油超临界分离馏分及浓缩非烃组分进行不同离子源及方法的解析，建立分子群识别方法，解析重质油及上述分离组分中各类分子群的组成信息，并加以集成； (3)建立研究重油特征分子在不同孔 道尺寸催化剂表面的孔道中吸附、扩散的分子力学方法。 (1)获得重油及其超临界流体萃取窄馏分中特征分子的组成分布，获得重油烃类及非烃的结构特征，构建重油特征分子结构库。 (2)完善重油分子吸附、扩散研究方法。 (3)确定重油特征分子中氮、硫、金属在化学转化过程中 的转移规律。 (4)在 SCI源期刊上发表论文 8篇，申请发明专利 1件。 方法方面： (1)在实验室连续梯级分离装置上优化超临界流体萃取工艺条件；基于课题 1有关重油特征化的研究结果，研究重油梯级分离过程的热力学模 型； (2)建设重油多级梯级分离装置，采用实验和数值模拟方法考察助流剂及其与萃余残渣二元颗粒的流化、汽提性能； (3)建设旋风分离器实验装置，开展大差异二元颗粒体系分离性能及放大规律的实验研究； (4)对闪蒸过程中戊烷的降压和汽化进行实验研究，对喷雾射流的流场进行测量；测量造粒塔内流动过程的速度场和分离特性，验证和改善所建立多相流动分区模型和算法，为过程放大做好准备。 (1)对不同的重油获得优化的工艺条件范围，提高超临界萃取过程对“可转化”与“不可转化”分子的分离选择性和收率，并建立定量关联；建立重油梯级分 离过程的热力学模型，定量描述原料组成与梯级分离产物的收率和性质的关系。 (2)掌握萃余残渣含量、操作条件及汽提器结构形式等对二元颗粒流化与汽提性能的影响规律。 (3)开发高效低阻新型旋风分离器 ,获得大差异颗粒对旋风分离性能的影响规律及放大效应，完成过滤分离实验装置的设计。 (3)在 SCI源期刊上发表论文 5篇，申请发明专利 2件。 年度 研究内容 预期目标 第 二 年 础方面： (1)研究加氢处理 过程的化学 反应网络和本征动力学 ；进行 活性相纳米粒子形貌、尺寸和稳 定性的调控 研究； (2)开展基质 分子筛材料的复配及催化裂化裂化性质研究，重新认识正碳离子在重油催化裂化过程的作用，为研制新型重油催化裂化催化剂提供理论基础；开展高硅铝比 NaY 的大规模合成技术和工业改性新技术研究； (3)考察汽油加氢改质催化剂放大制备条件对催化剂物化性质的影响规律，通过多种表征手段建立催化剂的质量控制指标，进行放大催化剂 1000 h稳定性试验； (4)进行柴油加氢催化剂。