具供氢体与催化中心双重结构的新型稠油水热裂解催化降粘剂的降粘机理研究

水热裂解催化降粘是一种极具潜力的开采特超稠油的新方法。研制适合于油层条件下的经济、高效、普适性强的新型催化剂则是使该方法能获得广泛应用的关键。本研究拟采用物理表征、实验和计算模拟相结合的手段，对自行研制的一种具供氢体与催化中心双重结构的新型催化降粘剂（具有优于供氢体和催化剂复配使用的降粘效果及强普适性）的作用机理进行系统深入研究。研究新型催化剂的结构和功能之间的关系、催化中心原子、电荷分布及供氢体结构对催化活性的影响规律，对比分析催化反应前后油、气、水相中的成分变化，重点剖析重质组分的特征结构、以及反应过程中产生的自由基的变化，获取大分子裂解规律和自由基反应的实验证据，最后通过计算模拟印证和多学科理论综合分析，揭示具有双重结构的新型催化降粘剂的降粘机理，从微观上认识它对稠油降粘效果优异的原因，为研发出更多经济、高效、普适性强的催化降粘剂提供理论指导。本研究具有重要的科学意义和现实需求。

本项目采用计算模拟、物理表征、化学降解相结合的研究方法，对比研究与重点研究相结合的研究思路，借助多种现代分析测试手段，尤其是电子自选共振技术分析，全面捕获在具供氢和催化中心双重结构于一体的的新型催化降粘剂的作用下、水热裂解催化降粘反应前后特超稠油组成和结构以及自由基变化的信息。通过深入系统的研究，取得了以下成果：通过计算模拟，表明了双结构的催化剂可以降低稠油重质组分中C-O、C-S等断裂的活化能，C-S键反应活化能从239.673kJ/mol降到69.848kJ/mol，C-O键反应活化能从243.814kJ/mol降到121.116kJ/mol，反应能垒被明显降低。在此基础上，设计合成了5种具有双重结构的新型催化剂，并评价了他们的催化降粘剂效果这些催化降粘剂，在反应温度200℃，催化降粘剂的用量为0.2-0.3%，对粘度为17000-18000mPa•s（50℃）的超稠油的降粘率为81-93.5%。优于没有供氢结构的催化降粘剂。查清了双重结构的催化剂的结构与功能以及对催化活性的影响规律，当具供氢结构的配体相同时，双金属中心的催化降粘剂优于单金属中心的催化降粘剂；当金属中心相同时，容易提供氢自由基的配体优于不易提供氢氢自由基的配体；双配体的优于单配体。双金属中心的双重结构催化降粘剂，裂解降粘效果最好；利用电子自旋共振获取了反应过程中自由基变化的信息，通过分析认识到自由基浓度的大小，可反映出裂解程度的大小，因而可作为一个宏观和微观相结合的评价稠油裂解程度的指标，亦可作为优化水热裂解催化降粘条件的依据。最具创新意义的是：发现了稠油中的氢化芳烃具有供氢潜质，它们可在双重结构的催化剂的激发下，通过芳构化脱氢反应而发挥供氢作用。进而推出了双重结构的催化剂的供氢作用机理，获得了对双重结构的新型催化降粘剂降粘机理的新认识。本项目的研究具有重要的科学意义，同时也具有很强的创新性。