《国家自然基金标书-绿色低碳导向的高效炼油过程基础研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《国家自然基金标书-绿色低碳导向的高效炼油过程基础研究（34页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、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、
2、“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、
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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。
10、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
11、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
12、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CO
13、2、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
14、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
15、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
16、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
