劣质重油流化转化多相反应过程的基础研究

The trend of processing inferior heavy oil is irreversible with crude oil quality becoming lower. A process utilizing the fluidized-solids technique for continuous conversion of heavy, low-grade oils into lighter products, is one of the most important technologies for inferior oil. Aiming at gas-liquid-solid multiphase reaction system involved in fluid bed reactor for inferior heavy oil processing, this project intends to study the effects of solid microspheres with proper surface area, pore structure and activity, on chain reaction occurred rapidly in gas and liquid phase of inferior heavy oil. And then, the influence of microsphere's surface properties on coke formation and impurity removal rate can be revealed. Through deeply understanding the transport rule in liquid-solid and gas-liquid interface of the reaction system, the key factors for controlling the rate of transport and reaction will be uncovered. Based on the knowledge of chemical conversion rule of inferior heavy oil, the methods of controlling reaction depth to enhance the removal rate of the undesired components and the yield of desirable liquid products will be improved, which can clarify key scientific issues in multiphase reaction of fluid conversion for inferior heavy oil. Integrated above aspects, new reaction system for inferior heavy oil will be established and critical issues of chemical reaction engineering related to novel technology will be illuminated. The results derived from this project will provide new techniques for converting inferior heavy oil efficiently and cleanly.

伴随全球原油的劣质化趋势加快，劣质重油的深度加工是大势所趋。流化转化对重油原料适应性强，可实现工艺连续操作，重油转化率及残渣脱除效率高，是最重要的劣质重油加工工艺之一。本项目针对劣质重油流化转化过程中的气-液-固多相反应体系，研究具备良好表面积、孔道结构及轻微活性协同的固体微球颗粒对劣质重油液相、气相中快速链反应的调控作用，揭示微球表面性质对减少焦炭生成及提高杂质脱除率的影响规律；通过深入认识反应体系中液-固和气-液界面之间的传递规律，掌握劣质重油流态化反应体系中制约传质、反应速率的关键因素；并基于对劣质重油化学转化规律的认识，发展该过程有效提高液体产品收率、高效脱除渣油杂质条件下的反应深度调控方法，阐明劣质重油流化转化多相反应过程的关键科学问题。综合集成上述方面的研究，构建新型的劣质重油改质反应体系，阐明新工艺过程中相关化学反应工程关键问题，为我国劣质重质油高效洁净转化提供新的技术途径。

伴随全球原油的劣质化趋势加快，劣质重油的深度加工是大势所趋。流化转化对重油原料适应性强、可实现工艺连续操作，重油转化率及残渣脱除效率高，是最重要的劣质重油加工工艺之一。本项目选择典型中国辽河、委内瑞拉奥里劣质重油为研究对象，获得了两种劣质重油的平均分子结构信息、杂质原子的分布规律；针对劣质重油流化转化过程中的气-液-固多相反应体系，优选出了具备大比表面积、开放孔道及微活性协同的微球颗粒，该颗粒直径大于10 nm的孔达到60%，比表面积和孔体积分别为86.5 m2•g-1和0.277 ml•g-1，流化性能好、抗水热失活能力强。基于对劣质重油流化转化平行—顺序反应过程规律的认识，将微活性颗粒用于劣质重油改质，发展了有效提高液体产品收率、高效脱除渣油杂质条件下的反应深度调控方法，改质后液体油品产率为76.27 wt%，焦炭产率为15.38 wt%，仅为原料残炭值的0.71倍，气体产率为6.10 wt%；沥青质脱除率大于97%，金属脱除率大于98%。通过深入认识反应体系中液—固和气—液界面之间的传递规律，建立了相应的反应网络和集总动力学数学模型，预测结果表明，劣质重油流化热转化宜采用缓和的操作条件以实现降低气体和焦炭产率，提高液体产率的目的。利用流化热转化中型实验装置进行了劣质重油流化热转化放大研究，产物性质比延迟焦化有大幅度的改善。例如，劣质重油流化热转化汽油的辛烷值（RON）达到94；而延迟焦化汽油的RON仅为60；劣质重油流化热转化蜡油的碱性氮含量低，仅为焦化蜡油碱性氮含量的1/3。原料与产物之间碳、氢元素和结构基团平衡的研究发现，在改质条件下有84.27%的氢和78.40%的碳分布在液体产物中，碳氢的利用合理，原料中三环以上芳环含量为12.14 wt%，而焦炭产率大于16.00 wt%，揭示了焦炭不仅仅来源于原料中的多环芳烃。通过该项目的研究构建了新型的劣质重油改质反应体系，阐明了该工艺过程中相关的化学反应工程关键问题，可为我国劣质重质油高效洁净转化提供新的技术途径。