Передовые технологии нефтехимической промышленности

16 декабря в Пекине состоялся академический форум « Бессмертный подвиг, вечный огонь и вечная память», организованный Sinopec China для продвижения духа ученых Мин Энцзе. Более 200 экспертов и ученых из энергетической и химической промышленности собрались вместе, чтобы глубоко почтить память академика Мин Энцзе, унаследовать и продвигать научный дух, представленный академиком Мин Энцзе, и глубоко изучить путь трансформации и развития энергетической и химической промышленности в контексте « двойного углерода». В этом издании публикуются передовые технологии нефтехимической промышленности в выступлениях экспертов - академиков, пожалуйста, обратите внимание.

Данная версия написана репортером Чэн Цяном.

Инновации, преобразующие процессы в нефтехимической промышленности с высоким уровнем выбросов

Се Цзяку, академик Китайской академии наук и главный инженер нефтехимической промышленности Китая, считает, что с глубокой трансформацией энергии спрос на ископаемые источники энергии постепенно достигает своего пика, использование ископаемых источников энергии, таких как нефть, постепенно переходит от « топлива » к « сырьевому материалу», а процесс нефтехимической промышленности с высоким уровнем выбросов углерода требует создания крупных трансформационных новых процессов.

Например, каталитический крекинг имеет высокие выбросы углерода, это реакция поглощения тепла, температура реакции 480 ~ 540 градусов по Цельсию, а преобразование метанола является реакцией тепловыделения, температура реакции 400 ~ 500 градусов по Цельсию, эти два связаны, чтобы соответствовать лучшему катализатору, этот новый процесс, если он может быть реализован, будет революционным, может значительно сократить выбросы углерода.

Другим примером является метан, который является важным источником энергии с богатыми запасами и обычно используется путем переработки воды в синтетический газ, который затем преобразуется в различные химические вещества и виды топлива, но с высоким уровнем выбросов углерода. Очевидно, что прямое преобразование метана, конечно, хорошо, но молекулярные углеводородные связи метана могут быть высокими, а прямое каталитическое преобразование обычно требует суровых условий, таких как высокая температура. Таким образом, реализация селективной активации метана и прямого направленного преобразования в умеренных условиях рассматривается как « Грааль» в области катализа и является одним из самых сложных направлений химических исследований. Использование перекиси кислорода и высокоэффективных катализаторов может обеспечить прямое окисление метана метанолом в умеренных условиях с селективностью более 90%, что может значительно сократить выбросы углекислого газа, и этот трансформационный процесс стоит ожидать.

Другим примером, углекислыйгаз метан реорганизованный синтетический газ, является типичной тепловой реакцией, если можно добавить часть кислорода, тепла и поглощения тепла для связи, не только температура реакции может быть снижена с 800 градусов по Цельсию до 600 градусов по Цельсию, но также может повысить эффективность преобразования углекислого газа, расчетная энергоэффективность может быть увеличена на 23%. В настоящее время многие отечественные и зарубежные команды проводят исследования в этой области и с нетерпением ждут большего прорыва.

В области новых источников энергии производство зеленого водорода является горячей точкой для текущих и будущих исследований. Возобновляемые источники энергии электролитическая вода производство водорода, щелочная электролитическая вода технология производства водорода зрелая и широко используется в промышленности, но щелочь коррозионная, поздняя транспортировка и обслуживание сложны; Технология производства водорода с использованием протонных мембран для электролиза воды из - за высокой стоимости драгоценных металлов и низкого уровня коммерциализации; Низкая стоимость катализатора для технологии электролиза водорода в воде на анионитовых мембранах, но стабильность должна быть нарушена, все еще находится в лабораторной стадии; Технология производства водорода с помощью электролиза твердых оксидов имеет высокую эффективность преобразования, но высокая температура ограничивает выбор материала и еще не индустриализована. Будущее направление производства зеленого водорода - фотоэлектрическое каталитическое производство водорода, основанное на принципе естественного фотосинтеза, для достижения эффективного каталитического разложения, текущая эффективность преобразования солнечной энергии - водорода (STH) до 4,3%.

Существует множество вариантов хранения водорода, одним из которых является хранение водорода органическими соединениями. Например, метанол имеет содержание водорода 12,5 Вт% (процентное содержание массы), декагидронафталин - 7,3 Вт%, циклогексан - 7,1 Вт%, аммиак - 17,7 Вт%, аминоборан - 19,6 Вт%. Метанол и аммиак являются важными вариантами, и в этом процессе ключевое значение имеет хорошее термодинамическое и динамическое соответствие, проектирование катализатора с низкой энергией активации.

Что касается материальных изменений, то спрос на новые энергетические материалы высок. Ожидается, что в период « 14 - й пятилетки», новая энергетическая промышленность Китая будет расти со среднегодовой скоростью 19%, объем спроса на высококачественные нефтехимические материалы в новой энергетической промышленности составляет почти 3 млн. тонн, в том числе около 50 видов продукции, 10 - е место по потреблению продукции имеет пространство для приращения более 100 000 тонн, материалы для энергетических батарей являются крупнейшей областью потребления, потребление водородных энергетических материалов растет быстрее всего, в период 14 - й пятилетки среднегодовой показатель самообеспеченности высококачественными нефтехимическими материалами новой энергии Китая составляет всего 60% - 70%.

Высококачественные нефтехимические материалы в большом количестве являются высокомолекулярными материалами, в соответствии с рыночным спросом на свойства материала, на основе научного понимания структуры и производительности, рациональный дизайн структуры на основе углерода, зеленый синтез ключевых мономеров, через контролируемую полимеризацию, хорошую обработку, производство высокомолекулярных материалов для удовлетворения потребностей рынка. Это связано с регулированием структуры молекулярной цепи, одной из горячих точек, которые в настоящее время изучаются, является катализатор мао. Например, производство полиолефиновых эластомеров (POE), ультравысокомолекулярного полиэтилена (UHMEPE) и т. Д., Разработка мао металлических катализаторов является ключевой трудностью.

Выбросы углерода в отделяющих отраслях также высоки, и необходимо изучить передовые энергосберегающие разделительные материалы. Ключевая научная проблема, такая как разделение мембран, заключается в том, что поток и избирательность взаимно ограничены и трудно улучшить одновременно, в то время как металл - органический каркасный материал (MOF) имеет преимущества, такие как высокая площадь поверхности, регулируемость апертуры и конструктивная конструкция, и считается перспективным новым адсорбционным и мембранным разделительным материалом.

Что касается интеллектуальных изменений, важным направлением является автономное обнаружение синтетических систем новых материалов (беспилотных лабораторий). Национальная лаборатория им. Лоуренса Беркли в сотрудничестве с командой Google DeepMind разработала автономную лабораторную систему A - Lab, в которой роботы, работающие под руководством искусственного интеллекта, производят новые материалы, и в течение 17 дней провела 355 экспериментов, синтезировав 41 из 58 целевых соединений с коэффициентом успеха 71%, что намного выше, чем в искусственных экспериментах. Благодаря сочетанию теоретических расчетов, экспериментов с высоким потоком и анализа больших данных Petrochemic China обнаружила новое структурное молекулярное сито, чтобы достичь нулевого прорыва отечественных промышленных предприятий. Кроме того, связывая машинное обучение с технологиями с высоким потоком, можно разработать методы построения катализаторов на основе данных. Глубокая интеграция индустриализации и информатизации для создания нефтехимического интеллектуального завода может обеспечить полную автономную работу от полного контроля человека до отсутствия человека на месте.

Одноатомный катализ « меньше тратить на большие дела»

Около 90% химических процессов в человеческой деятельности связаны с катализацией. Каталитический процесс - это процесс адсорбции - реакции - десорбции, то есть катализатор сначала « притягивает» реактор к поверхности для реакции, а затем « выбрасывает» полученный реактив.

Поэтому для того, чтобы « тратить меньше на большие дела», необходимо увеличить площадь поверхности катализатора при сохранении общего количества катализаторов неизменным, что требует « резания» катализатора до микронного или даже нанометрового уровня, « резания» до предела, и каталитический материал рассеивается на другой материал в виде отдельных атомов.

Одноатомный катализатор - это материал, который закрепляет один металлический атом на носителе, и один атом взаимодействует только с носителем без связи между металлическими атомами. Благодаря максимальному использованию атомов, одноатомные катализаторы демонстрируют отличные характеристики в многофазных каталитических реакциях.

С 2011 года, когда команда академика Китайской академии наук, академика Академии наук развивающихся стран и международного академика Канадской инженерной академии академика Чжан Тао разработала и подготовила первый моноатомный катализатор и выдвинула концепцию « моноатомного катализатора», он стал горячей точкой для глобальных исследований.

До сих пор более 50% элементов периодической таблицы элементов имеют сообщения о моноатомных катализаторах, от драгоценных металлов до переходных металлов, а затем до основного семейства металлов, нематаллов, редкоземельных элементов и так далее.

Согласно статистике, моноатомный катализ демонстрирует превосходную активность и избирательность в более чем 30 реакциях. Концепция одноатомного катализа заимствована не только в области химии, но и в области материалов, физики и даже наук о жизни.

К числу более сложных реакций, катализирующих один атом, относятся преобразование метана, преобразование воды, преобразование углекислого газа и преобразование азота. В частности, преобразование углекислого газа является горячей точкой для недавних исследований с различными методами преобразования, такими как тепло, электричество и свет.

В термокализации углекислого газа элементы, включая рутений, родий, платину, медь, никель, кобальт и другие, имеют уникальную активность и избирательность, например, медный моноатомный катализатор более активен, чем нанокатализатор, а родий очень эффективен в реакции связывания углерода и углерода. В настоящее время скорость преобразования моноатомного катализа, особенно стабильность, в условиях высоких температур остается большой проблемой.

В электрокатализе углекислого газа металлические моноатомные катализаторы имеют различные системы, такие как марганец, железо, кобальт и никель. Оксид углерода может быть основным продуктом, и некоторые металлы, особенно медь, очень эффективны в углеродно - углеродных соединениях, образующих углерод более 2. В последнее время двойной атомный катализатор, состоящий из двух одноатомных катализаторов, показал лучшие результаты в некоторых конкретных реакциях преобразования углекислого газа.

В фотокатализации углекислого газа моноатомный катализ может оптимизировать электронную энергетическую зону, способствовать активации углекислого газа и точно регулировать адсорбцию промежуточных веществ преобразования углекислого газа, чтобы получить лучшую избирательность. Одноатомный катализатор может также образовывать многофункциональные катализаторы с другими элементами, которые регулируют каталитическую реактивность и скорость преобразования.

Самая большая проблема с преобразованием углекислого газа заключается в том, как спроектировать катализатор, который может обеспечить высокую реактивность углекислого газа при низких температурах и при высоких темпах преобразования в химическом равновесии. Еще одна проблема с конверсией углекислого газа заключается в том, как получить лучшую избирательность, углекислыйгаз преобразуется в углерод 1, образование окиси углерода, метана, метанола, муравьиной кислоты легче; К углеродно - углеродному соединению, через глубокое гидрогенирование для получения этилена, этана, эта реакция сложнее; Более того, кислородосодержащие соединения с высокой добавленной стоимостью, такие как этанол, могут быть получены путем связывания углерода с частичным гидрогенизацией. Таким образом, различные продукты реакции могут быть получены путем проектирования регуляторных катализаторов.

Одноатомный катализатор может сочетать ферментативный и гомогенный катализ для достижения регулирования одноатомного катализа в различных реакциях, а затем для реализации углеродно - углеродного соединения. В реакциях гидрогенизации углекислого газа для получения воды и окиси углерода, когда нанокатализ в прошлом, считалось, что реакция происходит в металле и на интерфейсе, в то время как использование моноатомного катализа, очевидный интерфейс отсутствует, на самом деле, бесконечный интерфейс, каждый отдельный атом и носитель контактирует очень адекватно и часто способствует активации углекислого газа.

Взаимодействие моноатомных катализаторов и специальных носителей позволяет обеспечить углеродно - углеродное соединение. Первый шаг - активировать углекислыйгаз с помощью носителя для получения соединений углерода - 1; На втором этапе углеродно - углеродное соединение осуществляется с использованием одного атомного активного бита.

Недавние примеры одноатомного и нанокаталитического синергизма также очень эффективны для активации углекислого газа. В электрокаталитических условиях углекислыйгаз в результате взаимодействия моноатомных и нанокатализаторов приводит к образованию высокоселективного этанола.

После более чем 10 - летнего развития моноатомный катализ приносит много возможностей и сталкивается со многими проблемами, такими как контролируемая подготовка моноатомного катализатора, методы представления, поддержание лучшей каталитической активности и скорости преобразования при высоких температурах.

Чжан Тао сказал, что одноатомный катализ привел каталитические исследования в атомный масштаб, а также сделал традиционные каталитические дисперсии, интерфейс таблицы и другие концепции частично недействительными. Его дескриптором является его микроокружение и химическое состояние, а одноатомная компоновочная среда определяет активность, стабильность и избирательность одного атома, что является основным направлением будущих исследований.

Человечество вступает в эру атомного производства

Чэнь Цзяньфэн, академик Китайской инженерной академии, член партийной группы и генеральный секретарь Китайской инженерной академии, сказал, что в строительстве современной промышленной системы химическая промышленность является основой традиционной промышленности, сталкивается с проблемой зеленого развития, а также решает проблему « застрять», постоянно поставляя новые материалы, новые источники энергии и новые материалы для стратегических новых отраслей и будущих отраслей.

Человеческое общество вступает в эру атомного производства. Управление перспективных исследовательских программ Министерства обороны США запустило проект « От атома к продукту» в конце 2015 года с целью решения проблемы инженерного усиления для производства наноматериалов.

Атомная сортировка различна и имеет разные функции, многослойная сортировка атомов углерода - это графит, отслаивание в слой - это графен, свертывание слоя - углеродная нанотрубка, сортировка по форме футбола - углерод 60, сортировка по шестиграннику - алмаз, графит очень мягкий, чтобы быть сердечником карандаша, а алмаз достаточно твердый, чтобы резать сталь. Как завод контролирует сортировку атомов, это именно то направление, в котором нужно работать. В настоящее время проблема « застрявшей шеи» высокомолекулярного материала - это комбинация сортировки высокомолекулярной цепи и т. Д., Различные структуры определяют различные функции.

Молекулярная химическая инженерия - это процесс от атомов / молекул до заводских продуктов. В настоящее время научное понимание химических процессов в масштабе промышленных контейнеров является более ясным, а понимание химических процессов в масштабе от микро - нанометра до молекулярного масштаба, включая смешивание потока, передачу интерфейса, реакцию / разделение, не очень ясно, эта проблема не будет решена, будет препятствовать развитию химической промышленности.

Будущая химическая промышленность будет комбинацией атомов и молекулярного интеллекта, чтобы сформировать интеллектуальную систему реакции и разделения, чтобы реализовать точный контроль веществ атомного и молекулярного масштаба.

Молекулярная химическая инженерия - это точный и контролируемый процесс химического преобразования и физического разделения вещества в атомном / молекулярном масштабе на уровне промышленных контейнеров (реакторов / сепараторов). Это мост от молекулы к фабрике, который может проектировать цифровые заводы - близнецы, идеальная цель - процесс может быть бесступенчато увеличен для достижения безопасного, эффективного и зеленого производства.

Это направление стало возможным. В стране уже можно проводить статические наблюдения атомов и молекул в каталитических реакциях. Китайские ученые построили реактор наночипа и ведущую в мире электрохимическую микросистему на месте, впервые узнали и проанализировали процесс реакции электрохимического интерфейса с атомно - молекулярного масштаба, в результате чего был обнаружен новый механизм аккумуляции заряда на интерфейсе литий - серной батареи, выбран в качестве 10 лучших достижений китайской науки в 2023 году.

С помощью искусственного интеллекта можно также полностью автоматизировать производство атомов / молекул роботами. Массачусетский технологический институт предлагает путь синтеза молекул с помощью программного обеспечения искусственного интеллекта, а затем химики изучают маршрут и уточняют его в химическую « формулу», которая, наконец, отправляется на роботизированную платформу для автоматической сборки оборудования и выполнения реакции на построение молекул.

Химическая инженерия после более чем столетнего развития, От макроскопического « трех оборотов и одного обратного » (передача импульса, передача тепла, передача массы, химическая реакция) до нынешнего микронанометра, Будущее перейдет к молекулярному масштабу, атомному масштабу, наступает эпоха молекулярной химической инженерии, но для решения некоторых важных проблем: теория проектирования молекулярной структуры на молекулярном уровне и регулирование интеллектуальной реакции, нанопередача, реакция / разделение на микронаноуровне, теория отношений молекулярной структуры, инженерное усиление на уровне оборудования, цифровое проектирование и оптимизация молекулярного интеллекта на заводском уровне.

Основная проблема химической промышленности заключается в инженерном усилении, часто возникает проблема селективного снижения, снижения скорости конверсии, ядро заключается в том, что передача смеси в молекулярном масштабе не выполнена, проблема заключается в том, как достичь равномерного смешивания молекулярного уровня в миллисекундах ~ секундах. Исследование команды Чэнь Цзяньфэна показало, что в условиях гипергравитации микронанометровое смешивание может быть усилено на 2 - 3 порядка, поэтому было разработано сверхгравитационное оборудование, применяемое на заводе, объем 1 / 10 от обычной наполнительной башни, эффективность может быть увеличена в тысячу раз.

Ультрачистые электронные химические вещества являются одним из самых используемых сырьевых материалов в производстве интегральных схем и являются « отпускным механизмом» для торговли между крупными державами, но проблема « застрявшей шеи» заметна, ее самая большая проблема заключается в том, что содержание примесей ионов должно быть снижено с уровня ppm (одна миллионная часть) до уровня ppt (одна триллионная часть). Технология усиления связи с сепараторами реакции гипергравитации на окисление решает эту проблему, нарушая иностранные технологические монополии, продукты экспортируются в США, Японию, Южную Корею и другие страны.

Технология гипергравитации используется для производства нитритной серной кислоты, 3 производственных линии 12 реакторов в 1 производственную линию 1 реактор, уменьшение объема более чем на 90%, экономия энергии на 45%, сокращение выбросов углекислого газа на 75%, сокращение персонала почти наполовину, сокращение площади площади вдвое, существенное повышение уровня безопасности.

Технология гипергравитации используется для улавливания углекислого газа, так что потребление энергии улавливания падает до 2,1 ГДж / т углекислого газа, в то же время углекислыйгаз используется в сельском хозяйстве в Синьцзяне, в среднем для увеличения урожайности сельскохозяйственных культур на 20% до 40%, а также для улучшения солончаково - щелочных земель, песчаных земель, достижения отрицательного углеродно - зеленого, улучшения солончаково - щелочных земель, увеличения урожа

Гипергравитационный метод производства нанопестицидов может сократить использование сырья на 50% и использование пестицидов на 50%.

Система гипергравитации готовит химические вещества с жидким охлаждением, внедряет традиционную технологию воздушного охлаждения для охлаждения центра обработки данных, так что эффективность теплопередачи увеличивается в 6 раз, вычислительная сила увеличивается в 4 раза.