面向重油加工的新型多级孔催化材料创制和应用性能研究

To solve the serious diffusion limitation of heavy oil large molecules in the microporous channels of catalysts, this project aims at the construction of new hierarchical porous micro-meso-porous molecular sieves with high crystalline and ordered mesopores. The key scientific issues for their design, active modulation and applications will be systematically explored to develop a new catalyst system for the purpose of the highly-efficiency hydrocracking of heavy oil. In this project, we will design and synthesize a series of novel amphipathic surfactants and block copolymers featuring cationic multiammonium groups. Based on these, we propose several new concepts and synthesis routes to crate novel hierarchically ordered porous materials including ordered mesoporous zeolites and core-shell structured zeolites@mesoporous materials. A confined-spaced ‘region crystallization’ approach and a core-shell assembly strategy will be developed to prepare hierarchical porous zeolites or/and molecular sieve materials with different structures, composition, frameworks and morphologies. Furthermore, we will also carry out insightful study on the formation mechanism of well-tailored hierarchical porous molecular sieves as well as the inherent relationship between adsorption-diffusion behaviors of heavy oil large molecules in the catalysts and their hierarchical structures. This project will emphasize the understanding of effect of the position and monodispersity of metallic catalysts in the acidic hierarchical pore channels on their hydrogenation activity. Owing to the systematic research on catalyst design and their cooperative catalysis performance, this research will develop general principles for the design of highly efficient catalysts and promote the efficiency of heavy oil processing.

本项目以重油加工重大产业需求为导向，针对重油大分子在催化剂孔道中扩散阻力过大以及大分子烃类、芳烃加氢转化困难等问题，提出构筑新型具有介孔-微孔等多级孔分子筛材料，重点研究多级孔道结构的分子筛催化剂设计和活性位调控以及与反应物分子主客体相互作用中的若干关键科学问题，最终发展适合重油分子高效转化的新型分子筛催化剂体系。提出了“区域晶化”新思想，将设计合成多种全新双亲阳离子多头季铵盐嵌段共聚物为模板剂，通过软模板法控制分子筛区域晶化以及定向组装技术，制备具有不同三维拓扑介观结构、组成和形貌的、具有壳-核结构的多级孔分子筛材料。将重点研究多级孔分子筛形成晶化机理以及催化剂中重质油大分子吸附-扩散过程与催化剂结构之间的构效关系，形成较为系统的适合重油高效转化的催化剂设计原则；同时将系统研究重油转化过程中加氢-裂解催化活性位的位置和合理配置以及协同规律，最终实现对重油原料的高效利用。

在微孔分子筛材料中引入介孔特性来提高大分子的反应效率和扩散传质，减少积炭，是提升裂化催化剂处理重油能力、改善裂化产品品质的重要技术关键。本项目以重油加工重大产业需求为导向，针对重油大分子在催化剂孔道中扩散阻力过大以及大分子烃类、芳烃加氢转化困难等问题，提出构筑新型具有介孔-微孔等多级孔分子筛材料，重点研究多级孔道结构的分子筛催化剂设计和活性位调控，以及与反应物分子主客体相互作用中的若干关键科学问题，最终发展适合重油分子高效转化的新型分子筛催化剂体系。经过四年的研究工作，本项目从源头出发，发展了包括定向核壳组装、新模板构筑、纳米晶诱导、介孔区域晶化等“等级孔”分子筛催化材料制备策略，通过系列表征筛选最佳的微-介孔分子筛合成条件，并对其最优合成条件进行了实验室中试放大，为发展高效重油加氢催化剂提供了材料基础；本项目发展提高介孔材料水热稳定性的新方法，提出了溶剂热处理法、梯度压力晶化法等方法，有效地提高了介孔材料水热稳定性，为工业化应用提供理论支撑；本项目解决了微-介孔核壳分子筛材料组装过程中相分离以及工业化放大过程中生产稳定性问题，完成了USY@SBA-15“核壳”分子筛材料的100 L的中试生产，而且该催化剂在重质油加氢裂解的工业化装置上，显示出优于目前国内商业催化剂的性能，为该催化剂最终用于重油工业加氢裂化过程迈出了坚实的一步。