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日前,CCIN 從華東理工大學(xué)(以下簡(jiǎn)稱為華東理工)獲悉,繼在大型煤氣化技術(shù)、大型甲醇技術(shù)領(lǐng)域取得突破之后,該校自主開(kāi)發(fā)的煤基合成氣制乙二醇技術(shù)又取得重要進(jìn)展,在成功進(jìn)行30噸/年模擬試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,正在積極組織實(shí)施1000噸/年規(guī)模中試。
我國(guó)油氣資源缺乏,煤炭資源豐富,開(kāi)發(fā)“煤代油”技術(shù)已成為國(guó)內(nèi)化工界的熱潮。煤基合成氣制乙二醇已成為世界普遍關(guān)注的一項(xiàng)技術(shù)。以化工特色聞名的華東理工,在煤基合成氣制乙二醇技術(shù)研發(fā)過(guò)程中有哪些側(cè)重點(diǎn)?解決了哪些關(guān)鍵問(wèn)題?對(duì)該技術(shù)領(lǐng)域的走勢(shì)有哪些預(yù)判……帶著這些問(wèn)題,CCIN 近日走訪了華東理工,采訪了該課題組的幾位關(guān)鍵人物。
以國(guó)家需求為己任
據(jù)業(yè)內(nèi)專家介紹,在“煤代油”技術(shù)的眾多研究方向中,以煤氣化制合成氣作為進(jìn)一步合成燃油和石化產(chǎn)品原料的技術(shù)被稱為碳一(C1)化學(xué)技術(shù),是自上世紀(jì)70 年代石油危機(jī)以來(lái),化學(xué)化工學(xué)術(shù)和工業(yè)界的熱門(mén)研究領(lǐng)域之一。尤其是近一二十年來(lái),由于石油進(jìn)口快速增加,C1化學(xué)在我國(guó)發(fā)展很快。
煤基合成氣制乙二醇技術(shù)是C1化學(xué)的一個(gè)重要課題,上世紀(jì)八九十年代在我國(guó)得到了廣泛的重視,并被列入“八五”重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目,先后有國(guó)內(nèi)幾家著名研究單位開(kāi)展了煤基合成氣經(jīng)草酸二甲酯合成乙二醇的研究,初步顯示了良好的應(yīng)用前景。
談到華東理工為什么會(huì)選擇煤基合成氣制乙二醇技術(shù)作為一個(gè)重要的研究課題,華東理工大學(xué)教授、化工學(xué)院博士生導(dǎo)師,國(guó)家碳一化學(xué)工程研究中心技術(shù)委員會(huì)委員房鼎業(yè)表示,“立足重大、立足前沿、立足國(guó)家需求、立足企業(yè)需要,一直是華東理工選擇科研方向的重要原則”。
他介紹,乙二醇是一種重要的有機(jī)化工原料。目前我國(guó)乙二醇的年生產(chǎn)能力為240萬(wàn)噸,但年需求量在700萬(wàn)噸以上,進(jìn)口量達(dá)500萬(wàn)噸。傳統(tǒng)的乙二醇生產(chǎn)方法是走石油化工路線,雖然技術(shù)成熟,應(yīng)用面廣,但缺點(diǎn)也十分明顯,依賴石油資源、水耗大、成本高。隨著世界石油資源的日漸減少,開(kāi)辟新的工藝路線成為當(dāng)務(wù)之急。
他認(rèn)為,非石油路線生產(chǎn)大宗化學(xué)品是一個(gè)趨勢(shì),在醋酸、烯烴、乙二醇等領(lǐng)域,煤化工路線如果取代石油化工,將是一次重要的革命?紤]到我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)是煤多油少,發(fā)展以C1化合物為原料制取乙二醇的路線,對(duì)于我國(guó)能源的合理利用、減少對(duì)石油的依賴、解決乙烯供應(yīng)量不足都具有極其深遠(yuǎn)的意義。
華東理工科技處副處長(zhǎng)、潔凈煤技術(shù)研究所副主任劉海峰接受采訪時(shí)表示:高校要爭(zhēng)當(dāng)國(guó)家自主創(chuàng)新的排頭兵,不但要瞄準(zhǔn)學(xué)術(shù)前沿,也要圍繞國(guó)家和社會(huì)重大需求開(kāi)展科技創(chuàng)新和技術(shù)轉(zhuǎn)移,直接服務(wù)國(guó)民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)。目前,華東理工已經(jīng)在煤氣化技術(shù)領(lǐng)域和煤基合成氣制甲醇技術(shù)領(lǐng)域取得了突破,接下來(lái)重點(diǎn)要突破的就是煤基合成氣制乙二醇技術(shù)。他相信,在國(guó)內(nèi)兄弟科研單位的共同努力下,最終將實(shí)現(xiàn)煤基能源與石油能源的耦合,這對(duì)我國(guó)的能源和化工產(chǎn)業(yè)將產(chǎn)生積極的影響。
技術(shù)轉(zhuǎn)化是出發(fā)點(diǎn)
李偉教授是華東理工煤基合成氣制乙二醇技術(shù)研究室的主要負(fù)責(zé)人之一。說(shuō)起10多年來(lái)科研道路的艱辛,她的話不多,“一路走來(lái),我們總是遇到問(wèn)題,解決問(wèn)題。資金不足,我們就從其他課題中擠,人員不足,我們就自己培養(yǎng)。10多年來(lái),先后有8位博士和20多位碩士研究生投入該項(xiàng)目的研究中”。
談到煤基合成氣制乙二醇技術(shù),李偉卻似乎有說(shuō)不完的感受。她這樣概括研發(fā)經(jīng)歷:整個(gè)研究過(guò)程就是在不斷反饋,不斷深化,不斷完善。在華東理工,每一個(gè)科研課題的開(kāi)設(shè)和實(shí)施都是為了一個(gè)目標(biāo)——實(shí)現(xiàn)科研成果的工業(yè)化,服務(wù)國(guó)家的建設(shè)和企業(yè)的需求。
1998年,煤基合成氣制乙二醇技術(shù)被華東理工聯(lián)合化學(xué)反應(yīng)工程研究所確立為重點(diǎn)研究方向之一,煤基合成氣制乙二醇技術(shù)研究室應(yīng)運(yùn)而生。研究室成立之初,校方和研究所就在實(shí)驗(yàn)條件和人員配備方面給與了全力支持,課題組得以迅速投入到基礎(chǔ)理論研究階段,并確立了將化學(xué)工程與化學(xué)工藝相結(jié)合的研究方法,在單獨(dú)研究煤基合成氣制乙二醇關(guān)鍵技術(shù)的同時(shí),也展開(kāi)對(duì)全工藝流程的研究。
2003年,在總結(jié)梳理以往科研成果的基礎(chǔ)上,經(jīng)過(guò)近5年的潛心研究,課題組終于在實(shí)驗(yàn)室打通了流程,成功制備出乙二醇產(chǎn)品。然而,喜悅的心情并沒(méi)有逗留太久,因?yàn)榇蠹仪宄,一個(gè)更值得探索的難題還擺在面前,“我們的技術(shù)離工業(yè)化還有多遠(yuǎn)”?
李偉告訴CCIN ,工程試驗(yàn)是檢驗(yàn)理論研究最好的途徑,符合用實(shí)踐檢驗(yàn)理論的方法論。把理論研究的結(jié)果應(yīng)用到工程試驗(yàn)中,再將工程試驗(yàn)反映出來(lái)的問(wèn)題反饋回理論研究,不僅是對(duì)理論研究的深化,有助于進(jìn)一步優(yōu)化工藝流程,而且可以對(duì)工業(yè)放大中的問(wèn)題進(jìn)行更確切地認(rèn)識(shí)和分析,為工業(yè)化提供了進(jìn)一步改進(jìn)的理論依據(jù)。
于是,打通實(shí)驗(yàn)流程的第二年,研究室就開(kāi)始策劃和實(shí)施工業(yè)化模擬試驗(yàn)。劉海峰副主任回憶了工業(yè)化模擬試驗(yàn)的經(jīng)過(guò)。他說(shuō),為了縮短開(kāi)發(fā)周期,節(jié)約研發(fā)成本,提高產(chǎn)業(yè)化成功率,2005年華東理工通過(guò)產(chǎn)學(xué)研合作模式與上海焦化達(dá)成合作開(kāi)發(fā)協(xié)議。2006年,通過(guò)校方和企業(yè)的共同努力,在上海焦化進(jìn)行了煤基合成氣制乙二醇30噸/年的工業(yè)化模擬試驗(yàn),并成功產(chǎn)出了乙二醇。實(shí)踐證明,工程數(shù)據(jù)為理論研究提供了很多啟發(fā)。
李偉介紹,模擬試驗(yàn)的結(jié)果證明了該技術(shù)的可行性,流程基本合理,而且獲得了聚酯級(jí)的乙二醇產(chǎn)品。但同時(shí)也暴露出一些問(wèn)題,包括加氫催化劑壽命、草酸二甲酯與碳酸二甲酯分離、反應(yīng)器設(shè)計(jì)和溫控、工藝條件優(yōu)化等方面。為了形成更成熟、更完善的工藝,在隨后的兩年時(shí)間內(nèi),課題組有針對(duì)性地進(jìn)行了理論研究和工藝改進(jìn),使該技術(shù)具備了再次進(jìn)行工業(yè)化試驗(yàn)的條件。
突破核心關(guān)鍵技術(shù)
據(jù)了解,經(jīng)過(guò)幾代科研人員近20年的探索,我國(guó)已在煤基合成氣制乙二醇技術(shù)領(lǐng)域取得了一些重要成果。如何才能順利實(shí)現(xiàn)工業(yè)化?長(zhǎng)期從事煤化工與C1化工工藝等領(lǐng)域研究工作的房鼎業(yè)教授,對(duì)此有自己獨(dú)到的見(jiàn)解。
他介紹,由煤基合成氣制乙二醇的工藝路線,其反應(yīng)過(guò)程分為兩大步。第一步是煤基合成氣一氧化碳氧化偶聯(lián)得到草酸二甲酯,第二步是草酸二甲酯加氫生成乙二醇。這兩步反應(yīng)從理論上講是一個(gè)原子經(jīng)濟(jì)性較高的反應(yīng),即在該反應(yīng)過(guò)程中,所用的原材料會(huì)盡可能多的轉(zhuǎn)化到最終產(chǎn)物中,符合環(huán)境友好的工藝要求。在煤基合成氣制乙二醇的工藝路線中,草酸二甲酯氣相合成反應(yīng)與氣相加氫工藝互相組合生產(chǎn)乙二醇,收率高,流程簡(jiǎn)單,生產(chǎn)成本低,已被公認(rèn)為最有前途的替代乙烯合成乙二醇的工藝路線。
他分析,要實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的工業(yè)化,就要注重基礎(chǔ)理論研究與應(yīng)用研究相結(jié)合。
首先,要解決幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題,即,3個(gè)工藝、兩種催化劑、2個(gè)分離技術(shù)。具體說(shuō)來(lái),包括確定草酸二甲酯合成、草酸二甲酯加氫的反應(yīng)器和適宜工藝條件,以及亞硝酸甲酯的反應(yīng)器和技術(shù);開(kāi)發(fā)醋酸二甲酯合成催化劑及醋酸二甲酯加氫催化劑合成技術(shù),解決催化劑的選擇性、環(huán)境友好性和長(zhǎng)期壽命問(wèn)題;完善草酸二甲酯和乙二醇的分離和精制技術(shù)。
其次,要解決工藝過(guò)程中的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,采用權(quán)威的模擬軟件設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型,進(jìn)行模型放大,避免實(shí)驗(yàn)條件下的機(jī)械累計(jì),為工業(yè)放大過(guò)程中的反應(yīng)器設(shè)計(jì)和產(chǎn)品分離、提純工藝設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
此外,還要注重?zé)崃、?dòng)量、質(zhì)量等傳遞過(guò)程的研究。該工藝過(guò)程中的催化反應(yīng)都是強(qiáng)烈的放熱反應(yīng),為了降低飛溫的危險(xiǎn)性,就要研究傳程的導(dǎo)熱系數(shù),保證熱量穩(wěn)定、有效地傳遞給反應(yīng)介質(zhì),這將對(duì)介質(zhì)溫度、分離過(guò)程中流體分布、催化劑效應(yīng)等因素產(chǎn)生重要影響。
李偉表示,正是帶著這樣的學(xué)術(shù)思想,研究室在開(kāi)展課題攻關(guān)的過(guò)程中,重點(diǎn)做到了幾個(gè)方面的結(jié)合,這也正是華東理工煤基合成氣制乙二醇技術(shù)的特色所在:一是注意化學(xué)工程與化學(xué)工藝相結(jié)合。在單獨(dú)研究煤基合成氣制乙二醇各關(guān)鍵技術(shù)的同時(shí)也對(duì)全工藝流程進(jìn)行研究。二是實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)學(xué)模型相結(jié)合。運(yùn)用化學(xué)工程的理論研究主要反應(yīng)過(guò)程,為工業(yè)化設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。三是催化劑實(shí)驗(yàn)室小試與催化劑工程放大相結(jié)合。通過(guò)反應(yīng)過(guò)程及機(jī)理的透徹研究,為催化劑的開(kāi)發(fā)提供依據(jù),制備出反應(yīng)性能優(yōu)良,制備成本較低,且貴金屬負(fù)載量低的羰化偶聯(lián)反應(yīng)催化劑。研究了加氫催化劑失活機(jī)理,通過(guò)改進(jìn),制備出反應(yīng)性能良好、環(huán)境友好型加氫催化劑。四是分離技術(shù)的實(shí)驗(yàn)與模擬計(jì)算相結(jié)合。針對(duì)醋酸二甲酯生產(chǎn)過(guò)程副產(chǎn)碳酸二甲酯的特點(diǎn),開(kāi)發(fā)出特殊的分離技術(shù),同時(shí)實(shí)現(xiàn)了醋酸二甲酯的分離和副產(chǎn)物碳酸二甲酯的回收。
產(chǎn)業(yè)鏈有望延伸
2009年,華東理工與上海浦景化工技術(shù)有限公司、安徽淮化集團(tuán)達(dá)成合作協(xié)議,在安徽淮化集團(tuán)建設(shè)煤基合成氣制乙二醇1000噸/年的中試裝置。據(jù)了解,項(xiàng)目已于今年初奠基,目前基建工作基本完成,即將進(jìn)入設(shè)備安裝階段。
李偉表示,該中試裝置開(kāi)車后,將獲取工業(yè)放大的必要數(shù)據(jù),有利于進(jìn)一步完善和優(yōu)化包括反應(yīng)器一維放大、加氫催化劑壽命和環(huán)境友好,以及中間產(chǎn)物氧化亞氮的循環(huán)再利用等在內(nèi)的一系列技術(shù)和工藝。屆時(shí),他們將在工業(yè)化的道路上更進(jìn)一步。華東理工自主開(kāi)發(fā)的煤基合成氣制乙二醇技術(shù)的工藝路線具有反應(yīng)條件溫和、設(shè)備壓力等級(jí)和材質(zhì)要求低、催化劑環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn),因此該技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用將帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
考慮到乙二醇是聚酯合成產(chǎn)業(yè)鏈上的重要原料,房鼎業(yè)教授最后強(qiáng)調(diào),實(shí)現(xiàn)煤基合成氣制乙二醇技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用,還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注乙二醇產(chǎn)品的質(zhì)量問(wèn)題。在模擬試驗(yàn)中,華東理工煤基合成氣制乙二醇技術(shù)因加氫催化劑選擇性高,且采取特殊的分離技術(shù),已經(jīng)成功獲得了聚酯級(jí)乙二醇產(chǎn)品,但煤基合成路線帶來(lái)的微量雜質(zhì)是否會(huì)影響下游聚酯的生產(chǎn),還需要進(jìn)行深入的探索。
此外,房鼎業(yè)還指出,憑借優(yōu)越的催化和分離技術(shù),該工藝路線在第一步反應(yīng)后,可同時(shí)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品醋酸二甲酯的分離和副產(chǎn)品碳酸二甲酯的回收,并且可以實(shí)現(xiàn)兩種產(chǎn)物的比例可控。碳酸二甲酯作為重要的有機(jī)合成原料及中間體,可用于生產(chǎn)高附加值的下游產(chǎn)品,這將成為拓展C1化學(xué)技術(shù)路線產(chǎn)業(yè)鏈的重要方向。
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