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1、项目名称：乙炔法聚氯乙烯生产过程的高效、节能、减排科学基础首席科学家：张金利 天津大学起止年限：2012.1-2016.8依托部门：新疆生产建设兵团科委一、关键科学问题及研究内容（一）拟解决的关键科学问题1热等离子体裂解煤直接制乙炔的热化学转化规律和定向控制原理研究热等离子体超高温环境下煤裂解制乙炔的微观反应机理、煤质依赖性和淬冷过程的影响，建立提高煤粉转化率和产品气收率的定向控制原理；完善基于煤粉颗粒尺度的多相运动、传递和反应机制的跨尺度理论模型，实现对三维复杂几何反应器的数值模拟，为工业中试反应装置的模拟和放大研究奠定基础；建立等离子体裂解煤全流程的热力学分析和动力学约束条件的理论架构，提
2、出等离子裂解煤制乙炔的过程控制策略与能量综合利用的有效方案。2乙炔氢氯化反应非汞催化材料制备-结构-性能关系与反应工程基础系统地从载体、活性组分、助剂、制备方法、反应条件等角度，深入到分子水平上认识乙炔氢氯化反应非汞催化剂的性能影响规律，获得催化材料组成-结构-电子性质-催化性能的本质关系，形成非汞催化剂制备与再生的方法；研究反应器与催化剂再生器的匹配规律，获得反应器与催化剂再生器内流场、温度场与浓度场的控制规律，形成反应器优化与放大方法。3PVC产品高值化与生产过程系统集成的科学基础PVC产品高值化：研究PVC的分子结构、聚集态结构与形貌、特种功能填料等多层次构效关系对PVC树脂纯度、热稳定
3、性、加工性能和综合机械力学性能的影响规律，获得实现PVC树脂高值化的方法。生产过程系统集成：研究投资、安全、能耗、物耗和环境等不同目标的关键指标的表达形式，结合质量流网络、能量流网络和信息流网络，研究不同尺度单元（设备、车间、工厂）多目标之间的转换关系，研究设备数值优化方法、夹点技术、跨夹点技术和多目标优化技术相结合构建多目标全局优化过程集成理论及其求解方法。（二）主要研究内容1. 热等离子体煤裂解制乙炔的转化规律与定向控制（1）考察等离子体反应器设计、裂解气氛、裂解时间、煤种等因素对煤的高温快速热解过程影响，并与常规条件下煤的热解产物比较，全面认识煤的热解特性。（2）探讨反应器物理和化学淬冷
4、过程原理及能量综合利用策略，裂解后煤的物理和化学反应特性，指导裂解后煤的合理、高价值利用。（3）完善基于煤粉颗粒尺度传热和脱挥发分模型，以及煤粉运动与高温气体湍流流动的跨尺度模型，形成复杂多相反应流的物理模型和三维模拟基础。（4）针对大功率等离子体反应器，提出高效气固混合技术和放大原理，建立等离子体裂解煤全流程的热力学分析和经济性评价。（5）进行工业试验验证。2乙炔氢氯化合成氯乙烯的非汞催化材料与反应工程（1）研究非汞催化剂制备与再生方法，包括载体的制备与改性、活性组分与热稳定性助剂的设计与筛选、催化剂制备方法、反应条件、还原条件等对乙炔氢氯化反应非汞催化剂的性能影响规律。（2）模拟计算与原位
5、实验相结合，研究催化剂反应与失活的化学机制。（3）研究物性参数、操作参数和结构参数对反应器与催化剂再生器的匹配规律和反应器与催化剂再生器内流场、温度场与浓度场的控制规律的影响。（4）研究纳微尺度的相间传递规律和多场耦合关系，研究相间传递模型和反应器放大与优化模型的构建与求解方法。（5）制备工业化试验催化剂，进行工业试验。3氯化钠电解过程节能的电催化与反应工程基础（1）研究SnO2、ZrO2、IrO2等掺杂的钌钛氧化物上析氯和析氧反应前线轨道的匹配性，建立RuO2、TiO2、SnO2、ZrO2、IrO2单独以及掺杂钌钛氧化物后几何、电子构型演化关系及析氯和析氧反应效率关联式，获得析气选择性调控的
6、新型DSA阳极制备方法。（2）研究镍基合金催化剂的催化析氢机理，建立镍基合金组成、结构与析氢活性的定量构效关系；研究碱性介质中镍基合金催化剂被腐蚀的量子化学原因，建立阴极型稳催化电极可控制备基础理论。（3）采用纳米构筑和复合电沉积技术，制备具有高析氢活性和稳定性的催化析氢电极。通过对载体孔径分布、微观立体结构以及表面基团的合理调控，改善传质过程，保证催化剂高效地分散在固/液界面上以取得最大催化效率。（4）基于电解过程和流体动力学的基本规律，探讨雷诺数对电解过程的影响，确定层流流态和紊流流态对电解析气性能的影响；研究电极表面微观结构与气体产生，电位、电流微观分布关系，确定电解过程流体动力学参数，
7、提出高效析气电极设计理论与方法。4高值化PVC树脂多层次构效关系研究和品质调控（1）研究聚合配方、聚合温度、单体转化率和杂质等对PVC分子量、分子量分布及其分子序列结构影响规律，减少结构缺陷，实现通用PVC树脂的质量提升，使加工性能、热稳定性、单体残留率等质量指标的显著提高。（2）通过研究PVC聚合工艺和聚合配方对PVC树脂的颗粒粒径、粒度分布、皮膜结构，孔隙率的影响，优化PVC树脂的颗粒形态，提高材料的塑化加工性能和物理力学性能。（3）研究添加专用填料（如抑烟剂、增强剂、纳米填料等）对聚合过程及树脂结构、形貌和性能的影响，探讨原位制备新型高值化PVC树脂的新途径。（4）进行工业聚合试验，制备
8、3种高值化树脂。5PVC高效清洁生产过程多目标优化的集成理论与方法（1）研究PVC生产过程关键设备数值优化方法。（2）研究投资、安全、能耗、物耗和环境等不同目标的关键指标的表达形式，研究不同尺度单元（设备、车间、工厂）多目标之间的转换关系。（3）研究设备数值优化方法、夹点技术、跨夹点技术和多目标优化技术结合模式，构建多目标优化的集成理论与计算方法。（4）对乙炔法PVC生产过程进行过程集成，工业试验，形成PVC高效清洁生产新过程。二、预期目标（一）总体目标揭示热等离子体裂解煤直接制乙炔的热化学转化规律和定向控制原理，获得乙炔氢氯化反应非汞催化材料制备-结构-性能关系，形成PVC生产过程电解节能、
9、产品高值化与系统集成的方法，为乙炔法 PVC高效清洁生产和产品高值化提供科学基础；推动2 3项具有自主知识产权的重大技术创新，工业试验，形成能源、资源高效洁净利用的乙炔法PVC生产新工艺，为1000万吨/年乙炔法PVC减排汞980吨/年、减排二氧化碳7000万吨/年、减少能耗折标煤140万吨/年、减少水耗900万吨/年提供重要的技术支持；建立国际领先的乙炔法PVC研发平台并形成该领域创新研究团队，促进过程工程学科的发展，提升我国流程工业高效、节能、减排的科学与技术水平，使我国在PVC高效清洁生产和高值化的科学和技术方面居国际领先地位。（二）五年预期目标1. 理论层面（1）在煤定向转化制乙炔的研
10、究方面取得突破，认识等离子体裂解煤的微观反应机理，明确过程的煤质依赖性和工艺条件的优化原则；建立提高煤粉转化率以及产品气收率的科学基础，建立大功率等离子体反应器放大的科学准则。（2）在乙炔氢氯化反应非汞催化过程的研究方面取得突破，深入认识非汞催化材料制备-结构-性能关系，发展非汞催化剂制备与再生方法，建立反应器数值设计与放大模型，丰富乙炔氢氯化反应新催化体系的理论。（3）从分子水平认识氯化钠电解过程中电化学机理和微流场的流动机制，提出通过流场与催化电解耦合，降低电解过程过电位的新方法，在氯化钠电解过程节能的电催化与反应工程基础研究中取得重要进展。（4）建立PVC树脂的各层次结构与聚合反应体系组
11、成及工艺之间的关系，确定各层次结构的调控方法，提高对PVC树脂多层次构效关系的认识水平，丰富PVC的可控聚合理论，为我国乙炔法PVC的高值化提供新途径。（5）综合考虑投资、安全、能耗、物耗和环境等因素的相互影响，获得多目标全局优化的过程集成理论与计算方法。2技术层面（1）形成煤高效率转化为乙炔的煤种筛选、反应控制技术及其关键设备设计方法，建设并完善大功率等离子体煤制乙炔工业试验平台，完成工业试验验证，较电石法制乙炔综合能耗减少20%以上。（2）掌握乙炔氢氯化非汞催化剂的制备方法，制备1-2种用于工业化试验的非汞催化剂，通过对反应器和再生器的组合设计，实现催化剂的再生，催化剂寿命2000小时，乙
12、炔转化率90%，氯乙烯选择性98%，完成工业试验验证，为2020年全球禁汞后乙炔法聚氯乙烯的生产提供技术基础。（3）获得高效DSA阳极的制备工艺和高效催化析氢阴极的制备方法，实现降低能耗的目的；与传统电极相比，电解能耗降低10-25%。（4）制备出3种高值化PVC树脂，完成工业试验验证。（5）过程集成PVC生产过程，工业试验节能、节水和减排各10%以上。3发表论文和人才培养（1）出版学术专著1-2部，发表高水平学术论文140篇；申请发明专利25项。（2）培养造就PVC领域的高水平创新团队，包括5-10名本领域学术带头人。（3）培养博士生25-30人，硕士生50-60名。三、研究方案（一）学术思
13、路本项目以乙炔法PVC高效清洁生产和高值化为目标，在“分子层次认识-可控转化、构筑与工艺创新，多场耦合规律认识-跨尺度强化，过程集成方法创新-多目标全局优化”学术思想指导下，从化工、材料、化学、环境、力学、数学、物理等学科交叉协同的角度，围绕着（1）热等离子体裂解煤直接制乙炔的热化学转化规律和定向控制原理，（2）乙炔氢氯化反应非汞催化材料制备-结构-性能关系与反应工程基础，（3）PVC产品高值化与生产过程系统集成的科学基础；这3个关键的科学问题进行研究。本项目的学术思路与总体研究方案可以概括为图3所示。“分子层次认识-可控转化、构筑与工艺创新，多场耦合规律认识-跨尺度强化，过程集成方法创新-多
14、目标全局优化”学术思想主要内容为：（1）“分子层次认识-可控转化、构筑与工艺创新”指在分子层次上系统认识乙炔氢氯化、煤热解、氯化钠电解、氯乙烯聚合反应的本质和聚氯乙烯高分子多级结构的形成与转变规律，实现上述反应的可控转化和高分子结构的可控构筑，从源头创新工艺以达到过程本质上的高效、节能与减排；（2）“多场耦合规律认识-跨尺度强化”指对多相体系的流动、传质、传热与反应之间的复杂关系进行系统、定量研究，获得描述从纳微尺度到设备尺度的相间传递的数学模型，反应与相间传递的耦合影响模型，基于计算流体力学和数值模拟技术，形成跨尺度的设备数值优化与放大方法，跨尺度强化，实现每个独立单元的高效、节能、减排；（
15、3）“过程集成方法创新-多目标全局优化”指研究投资、安全、能耗、物耗和环境等不同目标的关键指标的表达形式，结合质量流网络、能量流网络和信息流网络，研究不同尺度单元（设备、车间、工厂）多目标之间的转换关系，采用PVC生产过程设备数值优化方法、夹点技术、跨夹点技术和多目标优化技术相结合，形成多目标全局优化的过程集成理论与计算方法，以使生产过程的能源、资源得到最大限度的利用，实现高效、节能、减排的全局优化。国家重大需求（1）流程工业的高效、节能、减排需求（2）高新技术提升PVC产业发展的需求（3）新疆地区跨越式发展与长治久安的要求技术瓶颈（1）煤基乙炔清洁生产技术（2）乙炔氢氯化反应非汞催化技术（3）高端PVC聚合技术（4）多目标全局优化技术关键科学问题（1）热等离子体裂解煤直接制乙炔的热化学转化规律和定向控制原理（2）乙炔氢氯化反应非汞催化材料制备-结构-性能关系与反应工程基础（3）PVC产品高值化与生产过程系统集成的科学基础（1）分子层次认识可控转化、构筑与工艺创新（2）多场耦合规律认识跨尺度强化（3）过程集成方法创新多目标全局优化学术思想课题分解解决科学问题一：课题1. 热等离子体煤裂解制乙炔的转化规律与定向控制解决科学问题二：课题2. 乙炔氢氯化合成氯乙烯的非汞催化材料与反应工程解决科学问题三：课题3.
