面向资源和环境的石油化工技术创新与展望

中国科学: 化学 SCIENTIA SINICA Chimica 评 述
2014 年
第 44 卷
第 9 期: 1394 ~ 1403
《中国科学》杂志社
SCIENCE CHINA PRESS

中国科学院学部
科学与技术前沿论坛
化工学科发展与协同创新专刊
面向资源和环境的石油化工 技术创新与展望
谢在库 *, 刘志成 , 王仰东
① ② ②
① 中国石油化工股份公司, 北京 100027 ② 中国石油化工股份公司上海石油化工研究院, 上海 201208 *通讯作者, E-mail: xzk@ 收稿日期: 2014-05-27; 接受日期: 2014-06-24; 网络版发表日期: 2014-08-18 doi: 10.1360/N032014-00155
摘要
当前, 我国石油化工面临着资源和环境等方面的重大挑战, 石油化工新技术创新对
于促进我国石油化工可持续发展以及保障国家能源安全等意义重大. 本文列举了近年来在 反应工程、过程耦合与强化、新型催化材料创制以及集成创新等方面的创新实例, 总结了包 括技术创新途径、方法等方面的若干对创新过程的认识和体会. 最后, 在分析了石油化工技 术未来发展趋势与需求的基础上, 对我国石油化工发展方向与技术创新进行了展望, 并提出 了建议.
关键词 石油化工 技术创新 发展趋势
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引言
石油化工是促进国民经济发展、 保障国家能源安 全的关键产业. 目前, 我国的石油化工已进入新的发 展阶段, 产业规模、整体技术水平已进入国际先进行 列. 在产业规模方面, 以石油化工基础化学品制造为 例, 我国乙烯产量已达到 1800 万吨/年, 位居世界第 二; 芳烃(对二甲苯)产量达到 900 万吨/年, 位居世界 第一 , 为满足国民经济的发展需求发挥了重要的基 础作用. 但是 , 应当看到 , 与发达国家相比 , 我国石油化 工产业在产品结构和经济效益方面仍然存在差距 . 进一步可持续发展面临着资源短缺、国际竞争激烈、 高端化产品少以及低碳环保要求逐步提高等重大挑 战, 如: (1) 我国石油资源短缺, 从 1993 年开始就已 处于净进口期, 并且, 对外依存度逐年升高(图 1), 到 2012 年石油对外依存度已达 58%[1], 因此, 我国石化 企业成本和效益受国际原油市场影响较大; (2) 近年
来 , 国外非常规 ( 美国页岩气 ) 及廉价油气资源 ( 中东 油田气 ) 开发和应用 , 低成本乙烯衍生化学产品进入 我国市场, 对我国石化企业形成强大的竞争压力; (3) 面临国外公司的高端化学产品对我国市场竞争和垄
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我国石油资源的对外依存度

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断的挑战. 我国石油化工企业以基础型产品为主, 高 端产品所占比例较低. 2011 年, 全球化工产品总产值 为 21.42 万亿美元, 我国为 6.62 万亿美元. 其中高端 化学品产值所占比例 , 全球为 44%, 我国仅为 25%. 同时, 我国对涉及航空航天、战略新兴产业、生活及 健康等的高端合成材料及化学品的需求不断增加 , 目前 , 国内企业由于技术原因 , 无法满足市场需求 , 高端化学产品仍大量依赖进口; (4) 我国已正式向世 界承诺, 到 2020 年我国单位 GDP 二氧化碳排放量比 2005 年下降 40%. 石油化工过程是高能耗高排放过 程 , 必须节能减排 , 这既是挑战 , 也是机遇 . 绿色低 碳已成为社会共识和发展新趋势, 其中，二氧化碳减 排、 存储与利用是我国当前所需面对和解决的重大科 技问题之一.
图 2 生产清洁汽油组分的多产异构烷烃的催化裂化新工 艺(MIP). 裂化和转化两个反应区
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当前石油化工技术创新的典型案例
经过多年努力 , 我国许多研究单位和企业依托 新型催化材料的创制、 反应工程与过程强化水平的不 断提升, 标志性科技成果不断涌现. 下面列举介绍石 油化工技术创新中的一些典型案例 , 以分析和探讨 技术创新的方法和途径.
2.1 清洁 汽油 生 产 工艺创 新 : 催 化裂 化 新 工 艺 (MIP)
当前 , 我国原油原料中的重质油成分越来越高 , 加上国家对于汽油的质量要求也不断提高 , 常规的 提升管催化裂化工艺已无法满足重油催化裂化生产 清洁汽油的技术要求 . 中国石化石油化工科学研究 院基于 “ 裂化与转化双反应区 ” 概念和 “ 选择性氢转 移”原理(图 2), 开发了生产清洁汽油组分的多产异构 烷烃的催化裂化新工艺 (MIP) [2] , 设计了具有两个反 应区的新型串联提升管反应系统 , 即高速流化床和 快速流化床的组合工艺(图 3)[3], 用于提高重油转化能 力和改善汽油的性质. 其中, 第一反应区以裂化反应 为主 , 反应温度高 , 油气和催化剂接触时间短 , 生成 较多的烯烃 , 此反应区的结构以及预提升段的结构 与常规提升管反应器相似 ; 第二反应区以增加异构 化和选择性氢转移反应 , 从而提高汽油中的异构烷 烃 , 或将来自第一反应区油气中的烯烃裂化为低碳烯 烃[4]. 相比传统催化裂化工艺 , 该工艺既可提高液体 产品的产率, 又可降低催化裂化汽油烯烃含量, 并增
图3 MIP 反应-再生系统示意图
加异构烷烃和芳烃含量 , 从而促进汽油合理的氢分 布. MIP 工艺技术是目前国内唯一一项既可以提高催 化裂化装置经济效益, 又可直接生产清洁汽油的技术.
2.2 过程耦合节能降耗工艺创新: 乙苯脱氢-氢氧 化制苯乙烯新技术
苯脱氢制苯乙烯的反应过程(图 4)属于分子数增 加的强吸热反应. 其转化率受热力学平衡限制, 通常 低于 65%, 且水蒸气消耗多、能耗高. 因此, 突破热 力学平衡限制是需要解决的科学问题 . 中国石化上 海石油化工研究院创新了苯乙烯生产节能降耗新技 术[5], 将传统的乙苯脱氢反应和氢氧化反应过程进行 耦合, 将脱氢反应生成的氢气, 通过高效氢氧化催化 剂转化成水蒸气, 打破原有的热力学平衡限制, 促进
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