Tecnología de vanguardia en la industria petroquímica

El 16 de junio, se celebró en Beijing el foro académico "inmortalidad de los méritos y transmisión eterna del fuego" patrocinado por Sinopec para promover el espíritu de los científicos Min enze. Más de 200 expertos y académicos de la industria energética y química se reunieron para recordar profundamente al académico Min enze, heredar y llevar adelante el espíritu científico representado por el académico Min enze y explorar en profundidad el camino de la transformación y el desarrollo de la industria energética y química en el contexto del "doble carbono". Esta edición compila y publica la tecnología de vanguardia de la industria petroquímica en el discurso de los académicos y expertos, así que estad atentos.

El texto de esta edición fue compilado por nuestro reportero Cheng qiang.

Innovación transformadora en el proceso de la industria petroquímica de alta emisión

Xie zaiku, académico de la Academia China de ciencias e ingeniero jefe de sinopec, cree que con la profunda transformación energética, la demanda de energía fósil ha alcanzado gradualmente su pico, el uso de energía fósil como el petróleo ha cambiado gradualmente de "combustible" a "materias primas", y los procesos de la industria petroquímica con altas emisiones de carbono requieren la creación de nuevos procesos innovadores importantes.

Por ejemplo, las emisiones de carbono del Craqueo Catalítico son muy altas, es una reacción de absorción de calor, la temperatura de reacción es de 480 a 540 grados celsius, mientras que la conversión de metanol es una reacción exotérmica, la temperatura de reacción es de 400 a 500 grados celsius, que acopla los dos y coincide con el mejor catalizador. este nuevo proceso Sería revolucionario si se pudiera lograr, podría reducir drásticamente las emisiones de carbono.

Por ejemplo, el metano es una fuente de energía importante con abundantes reservas, y su uso suele ser reformado con agua para hacer gas de síntesis, que luego se transforma aún más en todo tipo de productos químicos y combustibles, pero las emisiones de carbono son muy altas. Obviamente, es bueno poder convertir metano directamente, pero los enlaces de hidrocarburos de las moléculas de metano pueden ser muy altos, y la conversión catalítica directa generalmente requiere condiciones duras como altas temperaturas. Por lo tanto, la activación selectiva del metano y la transformación direccional directa en condiciones suaves se consideran el "santo grial" en el campo de la catálisis y una de las direcciones de investigación química más desafiantes. El uso de peróxido de hidrógeno y catalizadores de alta eficiencia puede lograr la oxidación directa del metano al metanol en condiciones suaves, con una selectividad de más del 90%, lo que puede reducir drásticamente las emisiones de dióxido de carbono. este proceso transformador es muy digno de esperar.

Otro ejemplo es la reformado de dióxido de carbono y metano a gas de síntesis, que es una reacción típica de Liberación de calor. si se puede agregar una parte del oxígeno, la liberación de calor y la absorción de calor se acoplan, no solo la temperatura de reacción se puede reducir de 800 grados Celsius a 600 grados celsius, sino que también se puede mejorar la eficiencia de conversión de dióxido de carbono, y la eficiencia energética computacional se puede aumentar en un 23%. En la actualidad, muchos equipos en el país y en el extranjero están explorando este aspecto y esperan lograr mayores avances.

En el campo de la nueva energía, la producción de hidrógeno verde es un foco de investigación actual y futuro. En cuanto a la producción de hidrógeno a partir del agua electrolítica de energía renovable, la tecnología de producción de hidrógeno a partir del agua electrolítica alcalina es madura y se ha aplicado a gran escala en la industria, pero la solución alcalina es corrosiva y el funcionamiento y mantenimiento posteriores son complejos; La tecnología de producción de hidrógeno por agua electrolítica de membrana de intercambio de protones tiene un alto costo de metales preciosos y un bajo nivel de comercialización; El costo del catalizador de la tecnología de producción de hidrógeno por agua electrolítica de membrana de intercambio aniónico es bajo, pero la estabilidad debe romperse y todavía se encuentra en la etapa de laboratorio; La tecnología de producción de hidrógeno por agua electrolítica de óxido sólido tiene una alta eficiencia de conversión, pero la selección de materiales restringidos por alta temperatura aún no se ha industrializado. La dirección futura de la producción de hidrógeno verde es la producción de hidrógeno fotocatalítico, que se basa en el principio de fotosíntesis natural para lograr una descomposición catalítica eficiente. actualmente, la eficiencia de conversión de energía solar - hidrógeno (sth) puede alcanzar hasta el 4,3%.

Hay muchos programas de almacenamiento de hidrógeno, uno de los cuales es el almacenamiento de hidrógeno de compuestos orgánicos. Por ejemplo, el metanol tiene un contenido de hidrógeno del 12,5% en peso (porcentaje de masa), el Decalina del 7,3% en peso, el ciclohexano del 7,1% en peso, el amoníaco del 17,7% en peso y el aminoborano del 19,6% en peso. Tanto el metanol como el amoníaco son opciones importantes, en este proceso, una buena coincidencia termodinámica y dinámica y el diseño de un catalizador con baja energía de activación de reacción se convierten en claves.

En términos de cambio de materiales, la demanda de nuevos materiales energéticos es Fuerte. Se espera que durante el período del 14º plan quinquenal, la nueva industria energética de China crezca a una tasa media anual del 19%. la demanda de materiales petroquímicos de alta gama en la nueva industria energética es de casi 3 millones de toneladas, involucrando alrededor de 50 productos. el espacio incremental de los diez principales productos en el consumo es de más de 100.000 toneladas. los materiales de batería de energía son el área de mayor consumo. el consumo de materiales de energía de hidrógeno es el más rápido. durante el período del 14º plan quinquenal, la tasa media anual alcanzó más del 70%, mientras que la tasa de autosuficiencia de materiales petroquímicos de alta gama de nueva energía de China es solo del 60% al 70%.

Un gran número de materiales petroquímicos de alta gama son materiales poliméricos, de acuerdo con las necesidades del mercado para las propiedades de los materiales, basados en la comprensión científica de la estructura y las propiedades, el diseño racional de la estructura a base de carbono, la síntesis verde de monómeros clave, a través de la polimerización controlable y el buen procesamiento, para producir materiales poliméricos que satisfagan las necesidades del mercado. Esto implica la regulación de la estructura de la cadena molecular, y uno de los puntos calientes de la investigación actual es el catalizador de metaloceno. Por ejemplo, la producción de elástico de Poliolefina (poe), polietileno de alto peso molecular (uhmepe), etc., el desarrollo de catalizadores de Metaloceno son puntos clave y difíciles.

Las emisiones de carbono de la industria de separación también son altas y es necesario estudiar materiales avanzados de separación de ahorro de energía. Por ejemplo, el problema científico clave de la separación de membranas es que el flujo y la selectividad están limitados entre sí y es difícil mejorar al mismo tiempo, mientras que los materiales esqueléticos metálicos - orgánicos (mof) tienen las ventajas de una alta superficie específica, una fuerte ajustabilidad de poros y una fuerte diseñabilidad estructural, y se consideran nuevos materiales de adsorción y Separación de membranas con gran potencial.

En términos de cambio inteligente, el sistema de síntesis de descubrimiento autónomo de nuevos materiales (laboratorio no tripulado) es una dirección importante. El Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley de Estados unidos, en colaboración con el equipo de Google deepmind, desarrolló el sistema de laboratorio autónomo a - lab, que consiste en robots guiados por inteligencia artificial para fabricar nuevos materiales, y realizó 355 experimentos consecutivos en 17 días, sintetizando 41 de los 58 compuestos objetivo, con una tasa de éxito del 71%, muy superior a la tasa de éxito de los experimentos artificiales. Sinopec ha descubierto nuevos tamices moleculares estructurales a través de la combinación de cálculos teóricos, experimentos de alto rendimiento y análisis de Big data, logrando un avance cero en las empresas industriales nacionales. Además, acoplando el aprendizaje automático a la tecnología de alto rendimiento, se puede desarrollar un método de creación de describidores de catalizadores impulsado por datos. La profunda integración de la industrialización y la informatización para establecer fábricas inteligentes petroquímicas puede lograr un funcionamiento completamente autónomo desde el control total de las personas hasta la ausencia de personas en el lugar.

Catálisis monoatómica "gastar menos dinero en grandes cosas"

Alrededor del 90% de los procesos de producción de productos químicos en las actividades humanas están relacionados con la catálisis. El proceso catalítico es el proceso de adsorción - reacción - desorción, es decir, el catalizador primero debe "atraer" el reactivo a la superficie para reaccionar y luego "abandonar" el reactivo obtenido.

Por lo tanto, para "gastar menos dinero en grandes cosas", es necesario aumentar la superficie del catalizador manteniendo la cantidad total del catalizador sin cambios, lo que requiere "cortar" el catalizador a nivel de micras o incluso nanómetros, "cortar" al límite, y el material catalítico se dispersa sobre otro material en forma de un solo átomo.

El catalizador monoatómico es el material que ancla un solo átomo metálico en el portador. el monoátomo solo interactúa con el portador y no hay enlace entre los átomos metálicos. Debido a la máxima utilización atómica, los catalizadores monoatómicos muestran excelentes propiedades en reacciones catalíticas multifásicas.

Desde que el equipo del académico Zhang tao, académico de la Academia China de ciencias, académico de la Academia de Ciencias de países en desarrollo y académico internacional de la Academia canadiense de ingeniería, diseñó y preparó el primer catalizador monoatómico y propuso el concepto de "catálisis monoatómica" en 2011, se ha convertido en un foco de investigación global.

Hasta ahora, más del 50% de los elementos de la tabla periódica de elementos han sido reportados como catalizadores monoatómicos, desde metales preciosos hasta metales de transición, pasando por metales principales, metales no principales, metales no metálicos, tierras raras, etc.

Según las estadísticas, la catálisis monoatómica muestra una actividad y selectividad superiores en más de 30 reacciones. No solo en el campo de la química, sino también en el campo de los materiales, la física e incluso las ciencias de la vida, también se toma prestado el concepto de catálisis monoatómica.

Las reacciones más difíciles de catalizar por un solo átomo son la transformación del metano, la transformación del agua, la transformación del dióxido de carbono y la transformación del nitrógeno, especialmente la transformación del dióxido de carbono es un foco de investigación reciente, con diferentes métodos de transformación, como el calor, la electricidad y la luz.

En la catálisis térmica de dióxido de carbono, elementos como rutenio, rodio, platino, cobre, níquel y cobalto tienen una actividad y selectividad únicas, como los catalizadores monoatómicos de cobre son más activos que los nanocatalizadores, y el rodio es muy eficaz para la reacción de acoplamiento de carbono y carbono. En la actualidad, la conversión, especialmente la estabilidad, de la catálisis monoatómica en condiciones estrictas de alta temperatura sigue siendo un gran desafío.

En la electrocatalisis de dióxido de carbono, los catalizadores monoatómicos metálicos tienen diferentes sistemas de manganeso, hierro, cobalto y níquel. El monóxido de carbono se puede utilizar como producto principal, y algunos metales, especialmente el cobre, son muy efectivos para el acoplamiento de carbono y carbono para producir compuestos por encima del 2 de carbono. Recientemente, los catalizadores biatómicos que combinan dos catalizadores monoatómicos han tenido un mejor desempeño en algunas reacciones específicas de conversión de dióxido de carbono.

En la Fotocatálisis de dióxido de carbono, la catálisis monoatómica puede optimizar la banda de energía electrónica, promover la activación del dióxido de carbono y regular con precisión la adsorción de intermediarios de conversión de dióxido de carbono, obteniendo así una mejor selectividad. Los catalizadores monoatómicos también pueden formar catalizadores multifuncionales con otros elementos para regular la reactividad y la conversión de la catálisis.

El mayor desafío para la conversión de dióxido de carbono es cómo diseñar un catalizador que pueda obtener una alta reactividad de dióxido de carbono a bajas temperaturas y en condiciones de alta conversión de equilibrio químico. Otro desafío de la conversión de dióxido de carbono es cómo obtener una mejor selectividad. la conversión de dióxido de carbono en carbono 1 es más fácil de producir monóxido de carbono, metano, metanol y ácido fórmico; Cuando se llega al acoplamiento de carbono y carbono, la Hidrogenación profunda produce etileno y etano, y esta reacción es más difícil; Además, a través del acoplamiento de carbono - carbono y la Hidrogenación parcial, se pueden producir compuestos oxigenados de alto valor agregado, como el etanol. Por lo tanto, a través del diseño de catalizadores reguladores, se pueden obtener diferentes productos de reacción.

Los catalizadores monoatómicos pueden fusionar la catálisis enzimática y la catálisis homogénea para lograr la regulación de la catálisis monoatómica en diferentes reacciones, y luego lograr el acoplamiento de carbono y carbono. En la reacción de la Hidrogenación de dióxido de carbono para producir agua y monóxido de carbono, en el pasado, cuando la nanocatalisis, se creía que la reacción ocurría en metales e interfaces, mientras que con la catálisis monoatómica, la interfaz obvia se había ido, en realidad era una interfaz infinita, y cada monoátomo y portador estaba en contacto muy completo, lo que a menudo favorecía la activación del dióxido de carbono.

El acoplamiento de carbono y carbono se puede lograr mediante la coordinación entre catalizadores monoatómicos y soportes especiales. El primer paso es activar el dióxido de carbono a través de un portador para generar un compuesto de carbono 1; En el segundo paso, se utiliza el sitio activo monoatómico para lograr el acoplamiento de carbono y carbono.

Recientemente, también hay casos de reacciones sinérgicas de catálisis monoatómica y nanocatálisis, que son muy eficaces para la activación del dióxido de carbono. En condiciones electrocatalíticas, el dióxido de carbono logra resultados de reacción para la producción de etanol altamente selectivo a través de la sinergia de catalizadores monoatómicos y nanocatalizadores.

Después de más de 10 años de desarrollo, la catálisis monoatómica ha traído muchas oportunidades y se enfrenta a muchos desafíos, como la preparación controlable de catalizadores monoatómicos, los métodos de caracterización, el mantenimiento de una buena actividad catalítica y conversión a altas temperaturas, etc.

Zhang Tao dijo que la catálisis monoatómica hace que la investigación catalítica entre en la escala atómica, y también hace que los conceptos tradicionales de dispersión y interfaz superficial de la catálisis fallen parcialmente. Su descripción es su microambiente y estado químico, y el entorno de coordinación de un solo átomo determina la actividad, estabilidad y selectividad de un solo átomo, que es el foco de futuras investigaciones.

La sociedad humana marcó el comienzo de la era de la fabricación Atómica

Chen jianfeng, académico de la Academia China de ingeniería, miembro del Grupo del partido y Secretario General de la Academia China de ingeniería, dijo que en la construcción de un sistema industrial moderno, la industria química es el pilar de la industria tradicional y se enfrenta al desafío del desarrollo Verde. al mismo tiempo, también debemos resolver el problema del "cuello atascado" y proporcionar constantemente nuevos materiales, nuevas fuentes de energía y nuevos materiales para las industrias emergentes estratégicas y las industrias futuras.

La sociedad humana entrará en la era de la fabricación Atómica. La Agencia de programas de investigación avanzada del Departamento de defensa de Estados Unidos lanzó el proyecto "átomos a productos" a finales de 2015, con el objetivo de resolver el problema de amplificación de ingeniería en la fabricación de nanomateriales.

Diferentes clasificaciones Atómicas tienen diferentes funciones, la clasificación multicapa de átomos de carbono es grafito, pelar en una capa es grafeno, enrollar una capa es nanotubos de carbono, ordenar por forma de fútbol es carbono 60, ordenar por seis cubos es diamante, el grafito es muy suave para hacer núcleos de lápiz, y el diamante es tan duro que se puede cortar acero. Cómo las fábricas controlan la clasificación de los átomos es la dirección en la que hay que trabajar. En la actualidad, el problema del "cuello atascado" de los materiales poliméricos es la clasificación y combinación de cadenas poliméricas, y diferentes estructuras determinan diferentes funciones.

La ingeniería química molecular es un proceso desde átomos / moléculas hasta productos de fábrica. En la actualidad, la comprensión científica de los procesos químicos a escala de contenedores industriales es más clara, mientras que la comprensión de los procesos químicos a escala micro - nanométrica a escala molecular, incluida la mezcla de flujo, la transmisión de interfaz, la reacción / separación, etc., no se resuelve este problema y obstaculizará el desarrollo de la industria química.

La futura industria química será una combinación inteligente de átomos y moléculas para formar un sistema inteligente de reacción y separación, logrando así un control preciso de las sustancias a escala Atómica y molecular. Obstaculizar el desarrollo de la industria química.

La ingeniería química molecular es la Ciencia y la tecnología del proceso para lograr una transformación química precisa y controlable y una separación física a escala atómica / molecular de la materia a escala de contenedores industriales (reactor / separador). Es un puente de moléculas a fábricas, se pueden diseñar fábricas gemelas digitales, y el objetivo ideal es que el proceso se pueda ampliar gradualmente para lograr una fabricación segura, eficiente y Verde.

Esta dirección se ha hecho posible. La observación estática de átomos y moléculas en reacciones catalíticas ya se puede realizar en china. Científicos chinos construyeron reactores de nanochips y microsistemas electroquímicos in situ líderes mundiales, y por primera vez reconocieron y analizaron procesos de reacción de interfaz electroquímica a escala Atómica y molecular, descubriendo así un nuevo mecanismo de reacción de agregación de almacenamiento de carga en la interfaz de las baterías de litio y azufre, seleccionado entre los diez principales avances de la Ciencia China En 2023.

También se puede utilizar la inteligencia artificial para realizar la fabricación atómica / Molecular completamente automática del robot. El Instituto Tecnológico de Massachusetts propone vías para sintetizar moléculas por software de inteligencia artificial, que luego son revisadas por químicos y refinadas en "fórmulas" químicas, que finalmente se envían a la plataforma robótica para ensamblar automáticamente el hardware y realizar la reacción para construir moléculas.

Después de más de cien años de desarrollo, la ingeniería química ha pasado de las "tres giros y un revés" macro (transferencia de impulso, transferencia de calor, transferencia de masa, reacción química) a la escala micro - nanométrica actual. en el futuro, avanzará hacia la escala molecular y la escala Atómica. se acerca la era de la ingeniería química molecular, pero hay que resolver Algunos problemas importantes: la teoría del diseño de la estructura molecular a nivel molecular y el control inteligente de la reacción, la nanotransmisión a nivel micro - nano, la reacción / separación, la teoría de la relación de la estructura molecular, la amplificación de la ingeniería a nivel de equipos y la realización del diseño digital y el control optimizado de la fabricación inteligente Molecular a nivel de fábrica.

El principal problema de la industria química es la amplificación de ingeniería, a menudo con problemas de disminución selectiva y disminución de la conversión, su núcleo es que la mezcla de transmisión a escala molecular no se hace bien, y el problema es cómo lograr la uniformidad de la mezcla a nivel molecular en la magnitud de milisegundos a segundos. El estudio del equipo de Chen Jianfeng encontró que la mezcla a escala micro - nanométrica se puede fortalecer en 2 a 3 órdenes de magnitud en un entorno de supergravedad, por lo que se desarrolló un equipo de supergravedad, que se aplica en la fábrica, con un volumen de 1 / 10 de la torre de embalaje convencional y una eficiencia que se puede mejorar miles de veces.

Los productos químicos electrónicos de ultra alta pureza son una de las materias primas más consumidas en la fabricación de circuitos integrados y un "arma de lanzamiento" para el comercio de los grandes países, pero el problema del "cuello atascado" es prominente, y su mayor problema es que el contenido de iones de impurezas debe reducirse del nivel de ppm (millonésima parte) al nivel de ppt (billonésima parte). La tecnología de fortalecimiento del acoplamiento de separadores de reacción de oxidación por gravedad ha resuelto este problema, rompiendo el monopolio tecnológico extranjero y exportando productos a Estados unidos, japón, Corea del Sur y otros países.

La tecnología de Supergravedad se utiliza para la producción de ácido sulfúrico nitroso, convirtiendo 12 reactores en 3 líneas de producción en 1 línea de producción y 1 reactor, reduciendo el volumen en más del 90%, ahorrando energía en un 45%, reduciendo las emisiones de dióxido de carbono en un 75%, reduciendo el personal en casi la mitad, reduciendo a la mitad la superficie ocupada y mejorando significativamente el nivel de Seguridad intrínseca.

La tecnología de Supergravedad se utiliza para la captura de dióxido de carbono, lo que reduce el consumo de energía de la captura a menos de 2,1 jijiao / tonelada de dióxido de carbono. al mismo tiempo, el dióxido de carbono se utiliza para la agricultura en xinjiang, aumentando la producción de cultivos en promedio entre un 20% y un 40%. también puede mejorar Las tierras salinas y arenosas para lograr una situación beneficiosa para el verde carbono negativo, la mejora de las tierras salinas y alcalinas y el aumento de la producción de cultivos.

La producción de nanopesticidas por método de Supergravedad puede reducir el uso de materias primas en un 50% y la cantidad de pesticidas en un 50%.

La preparación de productos químicos refrigerados por líquido por el método de Supergravedad ha innovado la tecnología tradicional de refrigeración por aire para la disipación de calor en el Centro de datos, lo que ha aumentado la eficiencia de transferencia de calor en seis veces y la Potencia de cálculo en cuatro veces.