分子管理在炼油领域分离技术中的应用和发展趋势

化
工进展
Chemical Industry and Engineering Progress
2023 年第 42 卷第 S1 期
分子管理在炼油领域分离技术中的应用和发展趋势
贺美晋
（中国石油化工股份有限公司石油化工科学研究院有限公司，北京 100083）
摘要：先进的分离技术对于提升生产效率、制备高端产品、节能减排有着重要的意义。

本文总结了炼油领域中蒸馏、吸附、膜分离、萃取、结晶等常用分离技术的进料相态、基本原理、应用场景、优势及存在的问题。

由于对原油本质组成的认识不清晰，使得分离过程耗能低效。

针对现状，提出对原油及二次加工原料进行分子层面的认知，发挥先进分离技术的作用及开发新的分离工艺技术有着重要的意义。

基于此，阐述了分子管理理念的提出、目前的发展及应用，重点分析了分子管理在分离领域的应用。

文中并总结了一些最新分离技术包括分子蒸馏、分子印迹、膜蒸馏、摸萃取、双水相萃取、熔融结晶等。

最后，提出了未来基于分子管理的分离技术发展趋势将逐步智能化、集成化、绿色化。

关键词：分离；分子管理；炼油领域
中图分类号：TQ2 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2023）S1-0260-07
Application and development trend of molecular management in
separation technology in petrochemical field
HE Meijin
(Sinopec Research Institute of Petroleum Processing Co., Ltd., Beijing 100083, China)
Abstract: The development of advanced separation technology is of great significance for improving
production efficiency, preparing high-end products, and reducing carbon emission. This paper summarizes the feed phase state, basic principles, application scenarios, advantages and existing problems of common separation technologies in the refining field, such as distillation, adsorption, membrane separation, extraction, and crystallization. Due to unclear understanding of the essential composition of crude oil, the separation process consumes energy and is inefficient. In response to the current situation, it is of great significance to propose a molecular level understanding of crude oil and secondary processing raw materials, leverage the role of advanced separation technologies, and develop new separation process technologies. Based on this, the development and application of molecular management concepts are described, focusing on the application of molecular management in the separation technology. The article also summarizes some of the latest separation technologies, including molecular distillation, molecular imprinting, membrane distillation, touch extraction, aqueous two-phase extraction, melt crystallization, etc . The development trend of separation technology based on the molecular management will be intelligent, green and integrated in the future.Keywords: separation; molecular management; refining field
综述与专论
DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2023-1667
收稿日期：2023-09-20；修改稿日期：2023-10-10。

作者简介：贺美晋（1992—），女，博士，工程师，研究方向为炼油领域咨询及规划。

E-mail ：*************************。

引用本文：贺美晋. 分子管理在炼油领域分离技术中的应用和发展趋势[J]. 化工进展, 2023, 42(S1): 260-266.
Citation ：HE Meijin. Application and development trend of molecular management in separation technology in petrochemical field[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2023, 42(S1): 260-266.
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2023年10月贺美晋等：分子管理在炼油领域分离技术中的应用和发展趋势
分离过程是炼油领域中能耗和物耗最集中的环节之一。

由于反应复杂且副反应较多，导致产物分离困难，过程能耗较高，分离装备能耗约占石油与化学工业总能耗70%。

随着世界能源的紧张，节能问题日益凸出，而节能的关键，在于应用高效的分离技术。

此外，分离装备占总投资的50%~90%，优化分离技术也是降低投资和运行成本的重要抓手。

除了分离技术自身能耗、物耗之外，从产品需求端来看，也对分离技术提出了更高的要求。

在“碳达峰、碳中和”目标的影响下，炼油要逐步向化工转型，但目前市场上大量化工产品附加值低，产能过剩、产品同质化严重，而高端产品（特种工程塑料、氟硅材料、高性能纤维、高性能膜材料、电子级化学品）匮乏，主要因为高端产品纯度越高，附加值越大，对生产技术要求也越高。

由此可见，先进分离技术的发展是提升我国化工产业水平，实现节能降本的关键。

随着对分离技术需求的不断提高，研究人员希望能从更微观的角度去认识石油及其馏分，以进一步提高分子转化效率。

分子管理——从分子水平认识原油即是基于上述需求提出的理念之一，其目的是为了实现原油的每一个分子价值最大化的利用。

基于分子管理的理念，可以使原料分子结构变动少，化学键变动小，能量效率高，加工成本低。

根据目标产品和装置反应特点，通过分离使装置反应原料拥有尽可能多的优选原料分子结构，提高反应效率和过程选择性。

因此，分子管理对于未来分离技术的发展具有重要意义。

本文通过分析分子管理在炼油领域分离技术中的应用和发展趋势，希望对前沿分离技术的研究开发有一定的参考意义。

1 炼油领域分离技术现状和问题
1.1 炼油领域分离技术现状
分离技术复杂多样，石油化工行业传质分离中常用的技术主要有蒸馏、吸附分离、膜分离、萃取分离、结晶分离，其主要优缺点见表1。

蒸馏主要利用分子沸点差分离，常被应用在炼油的常减压蒸馏和乙烯的深冷分离中。

蒸馏是目前的主流分离技术，主要的优点是无需引入新溶剂、杂质少。

吸附分离主要利用分子与吸附剂间结合力的强弱，吸附剂是实现高效分离的基础，常用的吸附剂有活性炭、沸石、分子筛等[1]。

由于其分离性能好，常被应用于氢气提纯、对二甲苯以及C5/C6正构烷烃分离中[2]。

膜分离主要利用分子动力学直径差异，由于其能耗低、无相变且无二次污染等优点，研究人员已经在乙烷/乙烯、丙烷/丙烯、二甲苯异构体的分离等方面开展了相关研究[3-5]。

目前新型的膜分离技术经常和其他分离技术耦合，例如膜蒸馏、膜萃取和分子印迹膜等[6]。

萃取分离利用的是分子极性差，主要应用于芳烃分离、溶剂脱沥青、糠醛精制等[7]。

结晶分离利用分子在同一溶剂中的溶解度差异，主要应用在对二甲苯、酮苯脱蜡的结晶分离中[8]。

结晶过程能耗低、条件温和，产品纯度高，化工行业中50%以上的产品为晶体产品。

1.2 现有分离技术存在的问题
现有的蒸馏、吸附、萃取等分离技术已在炼油领域被广泛应用，但仍存在一些需要克服的问题，见表2。

从表2可以看出，蒸馏最突出的缺点是温度高、耗能大并会导致热敏物质失活，对于共沸物或近共沸物很难实现高纯度分离。

吸附分离所用设备结构复杂，而对于近些年来兴起的膜分离技术而言，膜材料的制备是限制其广泛应用的最大问题，连续、致密、无缺陷膜的大面积生产依旧困扰科研人员。

萃取分离易引入新的溶剂，造成污染。

结晶主要应用在石化领域中下游的化工品分离，其对装备和过程的稳定性要求高，连续化与大型化是结晶分离的挑战。

基于此，恒沸精馏、萃取精馏、超临界萃取、膜蒸馏、熔融结晶法等许多新型分离技术
表1　炼油领域常用分离技术概览
分类蒸馏吸附分离
膜分离
萃取分离
结晶分离
进料相态
液体
气体或液体
气体或液体
液体
液体
分离原理
利用分子的沸点差
利用分子与吸附剂
间结合力的强弱
利用分子动力学直
径差异
利用分子的极性差
利用分子在同一溶
剂中的溶解度差异
应用场景
炼油常减压蒸馏、乙烯深冷分离
提纯氢气、对二甲苯吸附分离、C5/C6正构烷烃吸
附分离
乙烷/乙烯、二甲苯异构体
芳烃分离、溶剂脱沥青、糠醛精制、催化裂化汽油
脱硫、裂解汽油回收和苯乙烯提纯
对二甲苯结晶分离
优点
不需引入新的溶剂，杂质少
分离度高、产品纯度高、收率高的优点
耗能低、对环境污染小、操作简单、效率高、
无相变
适用于各种不同规模、生产周期短、便于连续
操作
产品纯度高、对原料组成要求低、工艺简捷易
控、能耗低、安全性高、项目用地少
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被开发出来，尽管各种分离技术层出不穷，但由于对原油本质组成的认识不清晰，依然无法从根本上解决问题。

作为一种不可再生资源，石油兼具燃料属性和原料属性。

其燃料属性可被风能、水能、核能、太阳能等替代，但其原料（三烯、三苯和萘等基础化学品的来源）属性却难以替代。

传统的石油加工过程以常减压为龙头，将原油分割成直馏汽油、煤油、轻柴油或重柴油馏分及润滑油馏分等一次加工产品和重整原料、催化裂化原料、加氢裂化原料、乙烯裂解料等二次加工原料。

如今面对炼油产能过剩、新能源快速发展及“双碳”目标等挑战，炼油亟需向化工转型[9]，为更好地支撑转型工作，对原油及二次加工原料进行分子层面的认知，发挥先进分离技术的作用及开发新的分离工艺技术势在必行。

2 分子管理在分离技术中的应用
虽然各种分离技术已取得了长足的进步，但由于现有分离技术的局限性和原油组成的复杂性，难以满足产品精细化、高端化的需求，促使研究人员开始从馏分水平向分子水平转变来深入研究原油的组成，进而实现原油的绿色高效转化和利用。

将分子管理应用于分离技术逐渐成为科学研究的前沿技术。

2.1 分子管理概念的提出及发展
分子管理核心是从分子水平来认识及优化石油加工过程，遵循“物尽其用、各尽其能”的理念，为不同分子量身打造最适合的加工过程，使每一个分子的价值最大化。

“分子管理”最初源自于1956年提出的“分子工程”概念，指出要从材料的原子和分子的构造来生产产品[10]。

国外埃克森美孚Exxon Mobil公司在分子管理方面处于领先地位，从 20 世纪 80 年代中期已经开始规划分子管理技术的开发。

在1992年推出了原料和产品性质预测的模型，并用于模拟石油加工过程。

2002年Exxon Mobil应用此方法对整个炼油企业进行了优化建模[11-12]，达到了全厂动态经济性最优的效果。

未来，Exxon Mobil将构建炼厂整体优化系统实现全厂经济最优化。

国内一些科研单位、学校和企业也非常重视“分子管理”技术：中石化石油化工科学研究院开发了一系列分析石油分子组成的方法，为分子管理技术开发提供了重要的方法与数据基础[13-16]；中国石化镇海炼化公司等炼化企业积极推进分子管理技术的应用。

华东理工大学石油加工研究所开发了分子层面的重油焦化和重油催化裂化等模型，提出了“基于分子管理的炼化技术(分子炼油)”的理念。

中国石油与中国石油大学(北京)合作，在重质油分子组成表征方面开展基础性研究工作，并开发了一种能够预测最终产品和模拟和优化生产过程的分子级炼油加工全流程优化方法[17]。

中海油在炼化业务板块虽起步较晚，但在分子管理技术开发方面基础很好，目前正在从炼厂层面推进相关技术的应用[18]。

中国石油大学(北京)提出“分子组合与加工”概念，与美国特拉华大学合作，重新构建了重质油分子表征模型[19]。

综上，分子层面基本分析表征数据的获取和合适的理论模型为分子管理技术的后续应用奠定了坚实的基础。

“分子管理”技术在炼油过程中主要分为以下几步（图1）[20-22]。

①对原料进行分析：借助先进的仪器（傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）、全二维气相色谱-质谱（GC×GC-MS）、气相色谱-飞行时间质谱(GC×GC-TOFMS)以及高分辨质谱（FT-ICRMS）等）对石油宏观及微观性质进行表征[23-25]，对于仪器很难获得的信息，可以借助基于计算机的模拟技术——分子重构法来完善分子信息[26-27]。

然后采取某种特定规则，将分子信息进行命名、编码、结合相应分子的物理性质和热力学数据，形成石油分子信息库。

②对反应过程综合强化：在分子库的基础上，需要梳理石油分子转化规律并用信息化的方式来表达[28-29]。

根据石油分子信息与反应过程的关系，首先建立化学反应规则库，
表2　炼油领域中常用分离技术存在的问题
分类蒸馏吸附分离膜分离萃取分离结晶分离
缺点
温度高、能耗大、高投资、占地大、易使原料中的热敏性物质失活及降解
所用的设备结构复杂
连续、致密、无缺陷的膜难以大面积生产
易引入新的溶剂，且萃取剂需二次分离，萃取操作效果较差
对装备和过程的稳定性要求高
新型分离技术
恒沸精馏、萃取精馏、反应精馏和分子蒸馏
分子印迹、生物吸附、泡沫吸附
膜蒸馏、膜萃取、分子印迹膜
双水相萃取、凝胶萃取、微波萃取、固相萃取
高压结晶法、熔融结晶法、汽提结晶法、溶液结晶法
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之后计算机软件针对所有可能的化学反应自动生成反应网络。

最后，通过建立的分子动力学模型对转化过程进行定量计算，确定动力学参数并判断最可能的反应路径。

③对产品分子评估：开发油品分子组成模拟软件，构建分子组成与宏观性质的关系。

可以根据所需产品对原料分子进行选择或者根据原料的分子组成，预判产品性质，优化工艺，提高收率，充分利用每一个石油分子。

2.2 分子管理在分离领域的应用
分子管理理念被提出来后，成为国内外研究热点，研发人员积极将研究成果应用于石化行业诸多领域，在分离技术领域也取得了良好的效果。

例如：分析石脑油组成可以发现，石脑油是由正构烷烃、非正构烃（包括异构烷烃、环烷烃和芳烃）组成的复杂混合物。

其中，正构烷烃和非正构烃分别是蒸汽裂解制乙烯、催化重整制芳烃的优质原料。

传统的馏分炼油采用的虚拟组分法及集总方法直接把石脑油作为蒸汽裂解或者催化重整的原料，导致部分烃类的在蒸汽裂解或催化重整中过程中只是陪跑，而完全不能转化，造成加工过程能耗大幅增加。

为了提高原料的转化效率，减少能耗，根据分子管理的思路，提前将石脑油的正构烷烃和非正构烃分离出来，分别作为乙烯裂解原料和催化重整原料的思路[30-32]。

典型的例子是美国霍尼韦尔UOP 的MaxEne TM 工艺，采用精确切割，分别进料的方式，大幅提高了原料利用率、目标产品收率，并降低了产物能耗。

此外，刘军涛等[33-34]基于分子管理的理念，利用5A 分子筛液相模拟移动床吸附分离工艺从石脑油中分离正构烷烃和非正构烷烃，表现出较好的分离性能。

据此还开发了模拟移动床（SMB ）吸附分离工艺。

在此基础上，吴庆玲等[35]基于分子管理理念，采用13X 分子筛和5A 分子筛吸附石脑
油中的芳烃和正构烷烃，取得了良好的分离效果。

13X 分子筛脱附油中芳烃质量分数为85.1%，可以直接作为芳烃抽提的原料，5A 分子筛脱附油中正构烷烃质量分数为94.8%，是优质的裂解制乙烯原料。

2022年，宁波中金石化有限公司宋杰[36]基于分子管理理念，对C 8芳烃分离工艺组合优化，产品种类增加且对二甲苯产品的产能提高，经济效益良好。

随着分子管理技术的发展，中石化石油化工科学研究院已经展开了从分子层面揭示分离时的作用机制：樊小哲等[37]研究BaX 分子筛吸附C8芳烃作用机理，指出电子分布特征对吸附性能的影响；凤孟龙等[38]展开了烃分子在H-FAU 分子筛上吸附模拟，提出烃分子吸附能随碳数的增加而增大。

3 基于分子管理的分离技术发展趋势
未来分子管理应用于分离技术将不断朝着智能化、集成化和绿色化的趋势发展。

（1）智能化
分离技术要想节能降耗、绿色高质量的发展，需要从分子层面认识原油。

但现有仪器表征的手段远远不够，还需要大力发展先进的智能化技术。

突破油品分子表征、分子重构、智能控制等关键技术，构建产品结构灵活调变的石油分子转化平台。

例如：现代工业从“以装备为核心的工业”转变为“以软件定义的工业”[39]，主要用于工艺设计、生产优化、产品预测的化工流程模拟软件在生产中愈来愈重要[40]；为了提高分离效率，人工初筛结合计算机和人工神经网络技术辅助找到最佳萃取溶剂。

从最初的分子水平认识石油组成，中间的掌握加工过程中分子转化规律并实时优化，到最后的智能预警、产品预测，智能化技术贯穿石油的整个加工过
程。

智能化技术实现科研、设计、生产、经营与决
图1　基于“分子管理”理念的流程
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策的一体化发展，帮助员工监控生产操作、助力研究人员科学迅速地作出决策，也为企业创造更高的收益，从而实现行业领跑。

（2）集成化
通过建立分子炼油和分子转化集成平台，将原料的分子信息库、装置的实时优化模型、先进控制模型等各种模型，集成数字化和智能化等技术，结合日趋成熟的数字孪生技术、元宇宙技术，将尽早实现未来炼厂，并助力炼油行业先进分离技术的高质量发展。

通过加强分子管理和分离技术全产业链技术集成耦合，各个环节紧密联系，相互作用，不仅能够突破单一技术的质量和效益限制，还能更加灵活地解决实际问题[41]。

分子管理平台技术和先进分离集成将增强传统炼厂产品结构调变能力，实现对石油烃类分子的定向转化，提升目标产物收率，从本质上实现原油高效转化生产化学品，对于传统炼厂多产化工原料或多产航煤、兼顾化工原料具有重大意义[42]。

（3）绿色化
目前，环保法规和成品油标准对油品质量提出更高要求，油品愈来愈注重清洁化，之前依据传统经验对石油进行粗糙的加工过程需要朝着精细化过程转变[43-44]。

2060年前实现“碳中和”等理念都需要石化行业加快形成绿色产业体系。

随着绿色能源研发及应用的不断深入，先进的分离技术也将朝着绿色化方向发展。

石油炼制和石油化工过程中最大的能耗来自于分离过程，若能从分子水平上认识原油（馏分油）的组成特征，精准预测分离出来的产品性质，精细设计分离的加工过程，优化分离装置操作，使每一个石油分子的价值得到最大化利用。

则可以大量减少能耗，对于支撑炼油向化工转型，减少碳排放，提高炼厂经济效益具有重要意义。

例如从原油制取碳氢化合物。

虽然原油中含有复杂的分子，但理论上根据分子特性如化学亲和力或者分子尺寸，去分离烃类化合物是可行的。

研究人员正在找到能够同时分离多个族群分子的新型分离膜材料，比如复合膜，采用膜基分离方法比热驱动的精馏分离方法将提高能量效率，通过提高透过速率及分离选择性以进一步降低分离成本和能耗，实现绿色化的分离。

4 结语
本文指出了炼油领域常用分离技术的现存问题，并提出为了实现节能降耗的目标、满足高端化学品的需求，从分子角度去认识石油可以助力目标的早日实现。

最后总结了基于分子管理理念在分离技术领域中的最新进展，提出智能化、集成化、绿色化将是未来基于分子管理理念分离技术的发展趋势。

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