重油梯级分离与高效转化的基础研究.doc

项目名称：重油梯级分离与高效转化的基础研究首席科学家：鲍晓军 中国石油大学（北京）起止年限：2010年1月-2014年8月依托部门：中国石油天然气集团公司 教育部一、研究内容(一)重油复杂多层次组成结构性质及催化转化化学发展在分子水平上研究重油组成、结构和物理化学性质的系统表征手段和理论解析方法，揭示“可转化”与“不可转化”重油分子在不同沸程超临界流体萃取窄馏分中的分布规律，阐明其在加氢处理催化剂及催化裂化催化剂上的转化行为，特别是“不可转化”分子对“可转化”分子转化行为的影响及其与催化剂酸性和孔道结构的关系，是指导重油梯级分离溶剂体系优化、梯级分离过程强化和梯级分离组分转化催化剂设计的理论基础。为此，需要认识以下几个方面的基础问题：(1)建立重油分子层次组成、结构和物理化学性质的系统表征手段与理论解析方法，构建分子层次上的组成、结构、物理化学性质预测模型，突破重油平均结构描述的局限。(2)认识超临界状态下重油分子群相间转移配分的规律，建立分子热力学模型，克服假组分热力学模型的局限性，指导梯级分离体系的优选。(3)从分子层次描述重油分子在催化剂上的扩散、吸附及转化规律，突破集总动力学采用平均组成结构对重油转化机理描述的局限性，指导重油轻质化催化剂的研究开发。针对上述问题的解决，设置“重油梯级分离与转化的化学基础”1个课题。主要研究内容为：(1)建立将重油化学向分子层次推进的重油组成结构物理化学性质分析表征的成套方法，系统揭示重油组成结构物理化学性质之间的内在关系。(2)认识重油中“可转化”与“不可转化”分子在超临界流体萃取体系中的相平衡性质，发展高选择性甄别“可转化”与“不可转化”分子的溶剂萃取体系。(3)系统研究重油分子在催化剂上的扩散、吸附及转化行为，为构建基于孔道结构和酸性分布调变的重油高效洁净转化催化剂体系奠定理论基础。(二)重油梯级分离和残渣气化过程的放大规律及设计方法重油梯级分离的核心在于，基于超临界流体对重油中“可转化”分子和“不可转化”分子的选择性分离能力，以最大限度地获得可供催化转化的原料为目标，尽可能地将“不可转化”分子富集在重油残渣中，并根据转化性能的优劣依次将“可转化”分子分离为催化裂化原料和加氢处理原料。因此，获得高选择性的分离溶剂体系、提高梯级分离过程的萃取效率及残渣与溶剂的分离效率、实现萃余残渣的综合利用就成为重油梯级分离过程开发必须解决的关键技术问题。为给这一关键技术的突破提供解决方案，必须解决以下基础问题：(1)深入认识“可转化”和“不可转化”分子在超临界流体萃取窄馏分中的分布规律，发展适当的化学预处理方法和物理强化方法，提高梯级分离过程对不同来源劣质重油的适应性和强化梯级分离过程的传质。(2)掌握重油超临界流体萃取分离过程的传递规律、残渣溶剂体系在喷雾造粒过程中的快速相变行为、残渣输送过程中的多相流动特性，发展重油多级萃取萃余残渣/溶剂喷雾造粒/溶剂回收残渣输送耦合过程及其关键装备的设计放大方法，为百万吨级的工业应用奠定基础。(3)了解重油残渣的物理化学性质，研究残渣气化制氢的热力学与动力学，发展适合于重油残渣气化的造气体系、进料方式和反应器构型，形成重油残渣气化制氢的工艺流程，为百万吨级的工业应用奠定基础。针对上述问题的解决，设置“重油梯级分离过程的放大规律与设计方法”和“重油残渣气化制氢过程的放大规律与设计方法”2个课题。主要研究内容为：(1)针对耦合多相流动、传质及快速非平衡相变分离的重油梯级分离耦合残渣造粒过程，发展强化萃取、脱残渣油多级分离、残渣喷雾造粒及输送的新方法。(2)在项目依托部门的支持下，完成1.5万吨/年示范装置的运行，获得系统的实验数据，建立过程及其关键装备的设计放大方法，为重油梯级分离过程百万吨级工业应用奠定基础。(3)获得对重油残渣气化规律的系统认识，提出具有低二氧化碳排放的气化剂组成和适合于工业化操作的重油残渣气化工艺参数。(4)揭示引入异性颗粒改善流化性能的协同作用机制和调控规律，通过冷模、数值模拟和实验研究结合的方法建立提升管燃烧和湍动床气化相耦合的重油残渣气化制氢过程放大设计方法，为重油残渣气化制氢过程的工业应用奠定基础。(三)重油高效洁净转化催化剂的设计制备和过程调控方法重油经梯级分离过程脱除残渣后，可以得到转化性能较好的催化裂化原料和转化性能较差的加氢处理原料(必须经过进一步处理才可作为催化裂化进料)，基于对重油梯级分离窄馏分中“可转化”分子与“不可转化”分子结构、性质、分布特点及其在催化转化过程中相互影响规律的认识，通过催化材料的创新和催化剂制备方法的创新，设计和制备适合于不同梯级分离馏分高效转化的催化剂及重油加工产品加氢改质催化剂，并发展相应的催化转化新工艺，是重油高效洁净转化的最终实现。为此，必须解决如下基础问题：(1)基于对重脱残渣油中烃类分子和非烃分子(主要是含硫、含氮化合物以及金属有机化合物)在分子水平上结构特征的认识，分别设计具有定向脱残炭、脱硫、脱氮和加氢裂化功能的催化剂孔结构与酸性能，发展精确调控催化剂载体孔结构、表面酸性、组分间相互作用强度及活性相粒子形貌和尺寸的方法；基于各反应器的反应深度及其对催化剂活性的要求，确定各催化剂金属组分的类型及含量，掌握金属组分的不同引入方法对于催化剂中金属活性组分状态及性能的影响规律，获得具有定向脱残炭、脱金属、脱硫、脱氮和加氢裂化功能的催化剂制备方法；研制配套的保护剂、脱金属催化剂、脱硫催化剂、脱氮催化剂，考察各催化剂活性水平对产物性质的影响，确定各催化剂的适用工艺参数范围；基于上述催化剂系列，发展重脱残渣油加氢处理新过程。(2)系统考察重油大分子在催化裂化条件下的转化行为，认识重油催化裂化催化剂中分子筛活性组分和基质的相互作用及其协同效应，提出重油大分子的有效转化途径和新型重油催化裂化催化剂的设计思路；发展Y、ZSM-5、b分子筛等大宗催化材料的高性能化制备与改性新技术，形成催化剂制备的平台技术，获得调控主导催化裂化反应的高活性与高选择性的分子筛固体酸活性中心的方法，并从“半合成”和“原位晶化”两条路线来设计催化剂基质组分，充分发挥基质在保护活性组分、重油分子预裂化、提高产物分子扩散速率和延长催化剂使用寿命等方面的作用，研制提高重油转化深度和改善产品分布的系列催化裂化催化剂。(3)根据清洁燃料标准对车用燃料中硫、氮等杂原子化合物和烯烃、芳烃等烃类化合物含量不断严格的控制要求和提高燃烧性能对烃类组成的改进要求，研制有效脱除重油加工产品中硫、氮等杂原子化合物的催化剂和实现石油烃类定向转化的新型催化剂，发展清洁油品生产新过程，实现重油加工产品的清洁化。为解决上述问题，设置“重脱残渣油加氢处理催化剂及反应工程基础”、“重油催化裂化催化剂的设计与制备”、“重油加工产品加氢改质催化剂及反应工程基础”等3个课题。主要研究内容为：(1)认识重脱残渣油中硫氮化合物、多环芳烃及金属有机化合物加氢反应的热力学和动力学行为，建立平衡催化剂裂化和加氢活性的催化剂活性调控方法；根据重脱残渣油的分子结构特点，构筑具有适宜孔道与酸性分布的特定功能型加氢处理催化剂载体材料；系统研究重脱残渣油加氢处理效能与反应物料的流动、传质和催化剂性能之间的内在规律，确定催化剂级配方案和最优的工艺条件。(2)建立重脱残渣油加氢处理催化剂的制备平台，研制出1个级配系列计34种可工业化催化剂，发展重脱残渣油加氢处理新工艺。(3)基于对重油大分子在催化裂化条件下转化行为的研究，揭示催化剂中分子筛活性组分和基质的作用机理，提出重油大分子的有效转化途径和新型重油催化裂化催化剂的设计方法。(4)发展大宗催化裂化材料(主要为Y、ZSM-5和等活性组分和氧化铝、氧化硅及高岭土等基质材料)的高性能化制备技术，形成催化剂制备的平台技术，获得调控主导催化裂化反应的高活性与高选择性的分子筛固体酸活性中心的方法。(5)从“半合成”和“原位晶化”两条技术路线来设计催化剂基质组分和催化剂制备技术路线，研制出23种重油高效催化裂化催化剂，获得工业化应用，使重油转化能力提高1.5个百分点，目的产品收率增加1个百分点。(6)深入认识重油加工产品中硫、氮等杂原子化合物在加氢精制催化剂上的反应规律，发展降低加氢精制过程操作苛刻度的催化剂制备新方法，获得23种可工业化的加氢脱硫、脱氮催化剂。(7)发展将汽油中的烯烃和柴油中的直链烷烃定向转化为异构烷烃、饱和柴油中芳烃的催化材料改性方法，研制出12种可工业化的石油烃类定向转化催化剂。(8)建立重油加工产品加氢改质过程的反应网络和动力学模型，获得催化剂的尺寸、几何构型、装填方式和反应器构型、级联方式对汽柴油加氢改质过程操作性能的影响规律，建立加氢改质工艺和反应器的设计放大方法。二、预期目标(一)本项目的总体目标： 1.发展重油复杂多层次组成、结构与物理化学性质的系统分析表征方法，揭示重油的组成、结构和物理化学性质及催化转化行为的内在关联，推动重油化学向分子层次发展，保持我国在重油加工基础理论研究方面的国际先进地位。2.形成以“梯级分离为龙头、以催化转化为核心、以残渣的综合利用相配套”的重油高效洁净转化新技术路线，为实现占我国石油加工总量约40%的重油的高效转化和优化利用提供技术源头。3.建立多学科交叉、“产学研”紧密结合的重油高效洁净转化利用研究团队，培养具有综合研究能力的重油加工基础理论研究和应用技术开发学术带头人队伍，为我国石油加工工业的可持续发展奠定人才基础。(二)五年预期目标: 1.建立包括重油超临界流体萃取分离、高分辨质谱、分子模拟等主要手段的重油复杂多层次组成、结构、物理化学性质的系统研究方法，系统揭示重油组成、结构和物理化学性质的内在关联；阐明国内外具有代表性重油的催化转化性质，为重油梯级分离组分高效转化催化剂和重油加工产品清洁化催化剂的研究开发提供理论指导。2.发展甄别“可转化”与“不可转化”分子的高选择性重油梯级分离体系和工艺过程，掌握重油梯级分离过程和重油残渣气化制氢过程的放大规律，建立重油梯级分离和重油残渣气化制氢过程的设计放大方法；发展催化材料的复合与组装方法，研制出1个级配系列的重油加氢处理催化剂、23个重油催化裂化催化剂和23个重油加工产品改质催化剂；集成上述成果，形成以“梯级分离为龙头、以催化转化为核心、以残渣的综合利用相配套”的重油高效洁净转化新技术路线，并在产业部门的支持下获得示范应用，在产品质量满足未来清洁燃料标准的前提下使劣质重油转化的轻质产品收率较焦化工艺路线提高5个百分点。3.申请95件发明专利，建立以若干项母专利为核心的重油加工技术自主知识产权保护网；在SCI 源学术期刊上发表论文200篇，撰写有关重油加工理论和技术的英文专著1部。4.培养和造就多名在石油加工领域较有影响的中青年专家，形成一支在国内外具有一定影响力的重油加工理论和技术创新群体，培养60名博士研究生和120名硕士研究生。三、研究方案(一)总体学术思路 如前所述，本项目拟在上一期973项目研究的基础上，在基础层面上推进重油高效洁净转化的理论向分子层次发展，在应用层面上形成“以梯级分离为龙头、以催化转化为核心、以残渣的综合利用相配套”的重油高效洁净转化新技术路线。项目研究目标、实现目标必须解决的关键科学问题以及研究重点与上一期973项目的联系及区别见表5.1。表5.1 本期973项目与上一期973项目的联系与区别上一期973项目本期973项目研究目标l 发展重油无破坏性分析分离方法，初步建立重油复杂多层次化学的理论框架l 提出重油梯级分离利用新途径l 阐明重油在催化转化过程中的扩散、吸附、反应规律，发展重油催化转化新材料和催化剂制备的理论方法l 建立重油复杂多层次组成结构物理化学性质的系统研究方法，系统揭示重油组成、结构和物理化学性质的内在关联l 建立重油梯级分离和残渣气化制氢过程的设计和放大方法，获得示范应用l 研制重油加氢处理、催化裂化和重油加工产品改质催化剂，并配套发展相应的工艺技术关键科学问题l 重油复杂多层次结构和催化转化的化学基础l 重油高效转化与优化利用的过程工程基础l 重油高效转化催化剂的设计和制备方法l 重油复杂多层次组成结构性质及催化转化化学l 重油梯级分离过程和重油残渣气化过程的放大规律和设计方法l 重油高效洁净转化催化剂的设计制备和过程调控方法研究重点l 重油化学：方法探索和框架构建l 梯级分离和残渣综合利用：可行性探索及过程原理研究l 高效催化转化：材料制备和催化剂设计方法l 重油化学：方法系统化和认识向分子水平推进l 梯级分离和残渣综合利用：梯级分离和残渣气化制氢过程的设计放大方法及示范应用l 高效催化转化：催化剂工程和催化反应工程从表5.1可以看出，本项目与上一期973项目的区别和联系可以归纳为如下三个方面：在重油化学研究方面，从前期的方法探索和理论框架的构建到方法的系统化和认识的深化；在重油梯级分离和残渣综合利用方面，实现从可行性探索到示范应用的突破；在重油高效洁净转化方面，实现从催化材料和催化剂制备方法的创新到新型催化剂和新催化过程的跨越。为此，本项目将按照“深化认识，突出创新，强化集成”的总体思路开展研究：1.深化认识：以推进重油化学向分子层次发展为目标，结合项目面向的国家重大需求，在实现重油复杂体系无破坏性分离分析的基础上，重点阐明重油中“可转化”和“不可转化”分子的结构、性质及其在不同沸点窄馏分中的分布规律，了解其在梯级分离过程中的相变和相平衡行为，揭示上述两类分子在模型催化剂上的转化规律，提出基于酸性、孔道、组分间相互作用强度及活性相粒子形貌和尺寸调变的催化剂设计理论和制备方法，为重油的高效洁净转化奠定理论基础。2.突出创新：以实现从基础理论创新到技术进步的跨越为目标，以相平衡和相变理论为指导强化重油梯级分离过程，发展精确调控“可转化”与“不可转化”分子在梯级分离馏分中分布的溶剂体系，以实现百万吨级的工业应用为目标建立梯级分离过程及其关键装备的设计与放大方法；在前期微观层次催化材料设计和催化转化原理研究的基础上，重点开展催化剂工程和催化反应工程研究，研制系列重油高效洁净转化催化剂，开发重油高效洁净转化新过程；基于重油残渣与煤和石油焦不同的物理化学性质、流动特性与气化性能，发展重油残渣气化制氢的新过程，满足重油加氢和清洁燃料生产对廉价氢气不断增长的需求。3.强化集成：通过重油分析表征新方法、重油复杂多层次组成、结构、物理化学性质关系及其催化性能研究成果的集成，推进重油化学向分子层次发展；通过重油梯级分离、高效洁净转化、重油残渣综合利用等三个方面应用成果的集成，形成重油梯级分离与高效洁净转化的完整技术路线。(二)技术途径实现上述总体研究思路的技术途径是：1.在上一期973项目建立的以重油超临界流体萃取为核心的重油无破坏性精细分离分析方法的基础上，以高分辨质谱为主要手段详细解析重油中“可转化”和“不可转化”分子的结构、性质及其在不同沸程超临界流体萃取窄馏分中的分布规律，重点考察溶剂体系的组成及工艺条件对“不可转化”分子分离选择性的影响；对不同沸程的超临界流体萃取窄馏分进行催化转化性能研究，阐明“不可转化”分子对“可转化”分子转化效率及产物性质的影响，为超临界流体萃取分离体系的优化和工艺操作条件的优化提供依据；采用实验研究和分子模拟相结合的方法，考察催化剂孔道结构和酸性分布对重油转化效率和产物分布的影响，为构建基于孔道结构和酸性分布调变的催化剂体系奠定基础。2.着眼于百万吨级大规模的工业应用，围绕梯级分离过程的关键环节，开展超临界流体萃取体系的优化、传质过程的强化以及喷雾造粒系统的结构优化研究，建立梯级分离过程及其关键装备的设计放大方法。3.基于上一期973项目所获得的若干催化新材料及有关重油催化转化行为的新认识，将研究工作的重点从微观层次的活性组分、活性位研究转向介观层次的催化剂粒子大小、形貌和孔结构调变方法的研究及宏观层次的催化剂工程和催化反应工程研究，开发重油高效洁净转化系列催化剂和相应工艺。4.针对重油残渣金属含量高和流动性能差的特点，深入研究重金属对残渣气化性能的影响，揭示引入异性颗粒改善流化性能的协同作用机制和调控规律，提出提升管燃烧和湍动床气化相耦合的重油残渣气化制氢新工艺，发展其放大设计方法，最终形成低二氧化碳排放的残渣颗粒制氢新过程。(三)创新性及特色1.形成包括超临界流体萃取分离、钌离子选择性催化氧化(RICO)、高分辨质谱、核磁共振、分子模拟等主要手段的重油复杂多层次组成、结构、物理化学性质的系统研究方法，阐明重油中“可转化”与“不可转化”分子的结构、物理化学性质、分布特性及其在催化转化过程中的相互影响，从而系统揭示重油组成、结构与物理化学性质及催化转化性能之间的关系，推进重油化学向分子层次发展。类似的研究思路国外在2007年才正式提出，而本项目从上一期即开始实施。2.形成“以梯级分离为龙头、以催化转化为核心、以残渣的综合利用相配套”的重油高效洁净转化新技术路线，实现从重油复杂多层次组成、结构、物理化学性质的认识到重油梯级分离、高效洁净转化、残渣气化制氢新技术的跨越，其成功实施不仅可为满足劣质重油高效洁净转化这一国家重大需求提供技术支撑，而且也可为跨越微观介观宏观三个尺度的化学工程研究提供借鉴。类似的技术路线在国内外未见报导。(四)取得重大突破的可行性分析1.在重油复杂多层次组成、结构、物理化学性质研究方面，上一期973项目研究已建立起以超临界流体萃取为核心的重油无破坏性精细分离分析方法，并采用这一方法对国内外具有代表性重油的组成、结构和物理化学性质进行了表征，获得了重油超临界流体萃取窄馏分的特征分子群，初步建立了重油梯级转化利用的判据。进一步采用以高分辨质谱为主要手段的重油组成结构性质表征方法，同步开展重油超临界流体萃取分离窄馏分的催化反应性能的实验研究和分子模拟，完全有可能阐明重油中“不可转化”分子在超临界流体萃取分离窄馏分中的组成和结构分布规律，揭示其对“可转化”分子催化转化行为的影响，从而为重油梯级分离过程的开发和重油高效洁净转化催化剂的设计和制备提供理论基础。2.在重油梯级分离过程的研究方面，上一期973项目研究已建立起重油梯级转化利用的判据，通过对重油超临界流体萃取分离体系、重油残渣溶剂分离等关键问题的解决，建立了100吨/年重油梯级分离中试装置并成功完成中试实验，根据中试实验结果由中国石油投资3700万元在辽河石化分公司设计建造了规模为1.5万吨/年的示范装置。在进行实验室溶剂体系优化的基础上，利用100吨/年中试装置进行工艺条件优化和对获得的梯级分离窄馏分进行催化转化性能研究，基于100吨/年中试装置实验数据和1.5万吨/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。3.在重油高效洁净转化催化剂的研究方面，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。4.在重油残渣气化制氢方面，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。5.通过上一期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 & 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1.在重油梯级分离与转化的化学基础方面：(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1H-NMR、13C-NMR、FT-IR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FT-ICR-MS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。2.在重油梯级分离过程的放大规律及设计方法方面：(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。第一年3.在重油高效转化催化剂及反应工程基础研究方面：(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ZSM-5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ZSM-5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2025篇，申请发明专利1015件。4.在重油残渣气化制氢过程的放大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。第二年1.在重油梯级分离与转化的化学基础方面：(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。2.在重油梯级分离过程的放大规律及设计方法方面：(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3.在重油催化转化催化剂及反应工程基础方面：(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方法与催化剂性能关系的研究。(1)探明催化剂的作用机理和构效关系，建立动力学研究新方法，了解催化剂制备过程中活性相纳米粒子的形成和长大机制；(2)揭示催化剂中分子筛活性组分和基质的作用机理，提出重油大分子的有效转化途径和新型重油催化裂化催化剂的设计方法；掌握高硅NaY规模化合成和后改性的成套技术；(3)建立汽油加氢改质催化剂放大制备过程的质量控制指标，完成放大催化剂的稳定性评价；(4)认识柴油加氢催化剂制备参数与催化剂理化性质、催化性能的关系，形成柴油加氢催化剂的制备方法和过程调控方法；(5)在SCI源期刊上发表论文2025篇，申请专利1214件。4.在重油残渣气化制氢过程的放大规律与设计方法方面： (1)研究重油残渣热解和气化特性以及残渣热解和气化的热力学和动力学；(2)考察“气化助流化剂”煤粉颗粒引入比例对重油残渣流动性能的影响，并对聚团进行机理分析；(3)进行“助流化剂+气化灰渣”异性颗粒耦合流化床燃烧器大型冷模实验装置的设计，考察 “助流化剂+残渣”混合颗粒湍流床的流动特性，建立“助流化剂+重油残渣”异性颗粒体系流动模型，并进行数值模型分析。(1)掌握热解条件对残渣物理结构的影响规律，获得残渣热解气的气化反应特性；建立残渣热解和气化的热力学和动力学；获得温度、压力和气氛对重油残渣焦气化活性的影响规律；(2)确定最佳助流化剂及其引入比例，完成“助流化剂+气化灰渣”异性颗粒耦合流化床燃烧器大型冷模实验装置的设计，获得操作条件对“助流化剂+重油残渣”异性混合颗粒体系流化特性的影响规律，初步建立体系的流动模型。年度研究内容预期目标第三年1.在重油梯级分离与转化的化学基础方面：(1)构建重质油特征分子结构库，采用分子模拟验证和完善分子结构信息；通过重质油特征组分与超临界溶剂的相平衡研究获得重质油分子的相间转移规律；(2)考察模型催化裂化催化剂上重油分子的催化转化规律；模拟重油特征分子在不同结构催化剂(如催化裂化、加氢处理、加氢裂化)上的反应机理。(1)获得能表征重油组分组成的分子结构库生成方法；(2)揭示“可转化”与“不可转化”分子在不同超临界流体萃取窄馏分中的分布规律，发展基于重油分子结构信息的相平衡模型；(3)建立重油组分催化转化性能的表征方法，深化对重油特征分子发生催化裂化、加氢裂化反应机理的认识；(4)在SCI源期刊上发表论文8篇，申请发明专利1件。2.在重油梯级分离过程的放大规律及设计方法方面：(1)开发较先进的静态混合器强化溶剂重油体系的传质；(2)研究助流剂及其与萃余残渣二元颗粒的机械及气力输送性能，建设过滤分离实验装置，研究大差异二元颗粒的过滤特性，考察细小残渣颗粒在灰斗内的堆积特性；(3)对多种结构的喷嘴进行数值模拟和实验研究，开发可以延缓闪蒸过程的喷嘴，提高沥青残渣颗粒的密度；(4)采用数值模拟方法和冷态实验的方法，对不同尺寸和结构的造粒塔内的流动和分离特性进行研究，分析放大过程中可能出现的问题和原因。(1)获得原料预改质的优化工艺条件及较先进的静态混合器，提高超临界流体萃取分离的效率；(2)确定适合于萃余残渣气力及机械输送的工艺条件；确定适宜的过滤介质、滤袋结构、过滤特性、反吹方式和反吹特性；(3)确定适宜的雾化造粒喷嘴形式，开发出新结构的造粒喷嘴，深入了解造粒塔的放大规律；(4)发表论文7篇，申请发明专利2件年度研究内容预期目标第三年3.在重油催化转化催化剂及反应工程基础方面：(1)进行纳米粒子间相互作用机制的探索研究，完成动力学研究，掌握各种操作条件对反应速率的影响规律，建立催化剂失活动力学和产物分布的预测模型；制备性能较好的加氢脱金属、脱硫、脱氮和裂化催化剂；(2)开展高性能分子筛、原位晶化ZSM-5等分子筛、大孔活性氧化铝、高岭土等多孔基质材料的研究开发工作，进行新型改性Y型分子筛的研究和工业化开发工作；(3)研究调变平衡催化剂单支链加氢异构和芳构性能的催化剂制备方法，进行放大催化剂的1000 h稳定性实验；完成硫化型柴油加氢催化剂的放大制备，形成硫化型催化剂的制备技术和放大方法。(1)探明纳米粒子间的相互作用机制；初步提出相应的动力学方程；完成加氢脱金属、脱硫、脱氮和裂化催化剂的实验室小试；(2)完成12种高性能重油转化催化裂化催化剂的工业化生产；(3)确定异构芳构催化剂组成，建立控制SAPO-11沸石孔结构的合成方法，获得新型的双支链加氢异构催化剂，完成催化剂的放大和稳定性评价；形成硫化型柴油加氢催化剂的工业放大制备技术路线，完成工业放大制备和放大催化剂的活性稳定性评价；(4)在SCI源期刊上发表论文1620篇，申请发明专利10件。4.在重油残渣气化制氢过程的放大规律与设计方法方面：(1)进行重油残渣与煤共气化反应特性的基础研究；(2)固定气速，考察助流化剂引入比例对“助流化剂+重油残渣”异性混合颗粒湍流床流化特性的影响；固定助流化剂引入比例，考察环流床内环气速、外环气速以及提升管气速的变化对异性颗粒耦合流化床床层压降、床层的局部密度分布、床层内颗粒停留时间分布的影响；(3)建立“助流化剂+气化灰渣”异性颗粒体系流动模型，并进行数值模型分析。(1)掌握重油残渣及重油残渣与煤共气化反应的规律，建立重油残渣气化及重油残渣与煤共气化的动力学模型；(2)获得组分对“助流化剂+重油残渣”异性混和颗粒体系流化特性的影响；建立“助流化剂+重油残渣”体系的流动模型；获得操作条件对“助流化剂+气化灰渣”异性混合颗粒体系流化特性的影响初步建立“助流化剂+气化灰渣”体系的流动模型。年度研究内容预期目标第四年1.在重油梯级分离与转化的化学基础方面：(1)在模型催化剂上进行重油超临界流体萃取窄馏分的催化转化性能研究；(2)采用分子模拟和实验研究相结合的方法阐明重油分子在催化剂上的吸附、扩散及反应行为，研究重油特征分子在催化转化过程中金属物种的分布、迁移和反应规律；(3)将量子力学/分子力学方法拓展到加氢脱金属反应过程，研究其催化反应机理。(1)获得不同重油超临界分离组分在催化剂上的反应性能规律，为构建基于孔道结构和酸性分布调变的重油高效洁净转化催化剂体系奠定基础；(2)建立模型催化剂的制备方法，确定重油特征分子中的金属在化学转化过程中的迁移规律，了解加氢脱金属的反应机理；(2)在SCI源期刊上发表论文10篇，申请发明专利1件。2. 在重油梯级分离过程的放大规律及设计方法方面：(1)采用建立的热力学模型，模拟梯级分离过程可引入萃取塔的物流对萃取分离塔各部位物料平衡及组成的影响；(2)采用直接取样法和数值模拟方法，考察不同条件下助流剂与萃余残渣二元颗粒的混合和分离特性；(3)基于理论分析、数值模拟与实验测量，研究大差异二元颗粒体系旋流分离和过滤分离性能的计算模型；(4)对优选的喷嘴形式进行热态实验，测量喷嘴的特性参数和造粒后沥青颗粒的密度和粒度，研究喷嘴放大规律；(5)对不同尺寸和结构的造粒塔内的多相流动、气固分离、溶剂气化和气固换热耦合过程进行研究，解决造粒塔的冷却和温度控制问题、粘性颗粒的气固分离问题，为造粒塔的工业放大提供参考。(1)优化确定引入物流的种类、位置和引入量；(2)掌握助流剂与萃余残渣二元颗粒的混合、分离机理；提出大差异二元颗粒体系旋流分离理论和过滤分离模型；建立分离性能与气固物性、操作条件和结构尺寸的准则关系；(3)实现对沥青颗粒密度和粒度的控制,提出喷嘴放大设计方法；了解造粒塔内复杂过程的关联特性以及造粒塔放大设计方法；(4)发表论文7篇，申请发明专利3件年度研究内容预期目标第四年3.在重油催化转化催化剂及反应工程基础方面：(1)探寻催化剂关键制备过程规律，建立催化剂制备平台；进行加氢脱金属和加氢脱硫催化剂制备和性能评价放大的研究；(2)针对制备“半合成”催化裂化催化剂和“原位晶化”催化裂化催化剂的工艺要求,完成催化剂配方研究，进行工业化生产；(3)研究汽油辛烷值恢复催化剂上的烯烃转化和脱硫动力学、汽油加氢脱硫催化剂上的加氢脱硫/不饱和烃加氢反应动力学、加氢脱硫催化剂和辛烷值恢复催化剂的失活机理，进行汽油加氢改质工艺过程模拟；(4)发展纳米尺度上调节非负载型柴油加氢催化剂组成、粒子大小、形貌和孔结构及表面性质的方法；研究本体催化剂活性相组成、结构、形貌与其加氢脱硫、脱氮性能的关系，阐明催化剂制备方法、活化过程对活性相形成的影响规律，发展超高性能的活性相本体催化剂的制备方法。(1)初步建立催化剂关键制备过程的数学模型，研制出重脱残渣油加氢脱金属和脱硫催化剂，达到工业化条件或进行工业应用试验；(2)完成12种高性能重油催化裂化催化剂的工业化生产；(3) 建立FCC汽油加氢反应动力学和催化剂的失活动力学，通过流程模拟实现加氢改质工艺的优化配置；形成非负载型柴油加氢催化剂的制备技术、完成催化剂的吨级放大试验并进行催化剂的活性稳定性评价试验；(4)在SCI源期刊上发表论文1820篇，申请专利1620件；(5)总结研究工作，提交总结报告。4.在重油残渣气化制氢过程的放大规律与设计方法方面：(1)系统考察工艺条件对重油残渣气化的影响，进行重油残渣与煤共气化研究；(2)进行气化灰渣的燃烧反应规律研究；(3)固定环流床内环气速、外环气速以及提升管气速不变，分别考察