问题描述

碳氢化合物的分离纯化是石油化工乃至整个工业系统中能耗最大的过程,亟待变革。分离过程中精馏、干燥、蒸发以及其他的非热力学过程，一共占据了工业能耗的45%-55%。2016年Nature杂志列出的“七项改变世界的分离过程”中，其中有三项是在石油化工领域，分别是：从原油中分离烃类、烯烃和烷烃的分离、苯类衍生物的分离等。随着我国经济结构的调整，在“十四五”期间要逐步实现产业结构从能源密集型、资源消耗型向高效精准、绿色低碳转变，开展炼化生产过程高效分离技术的研究，解决石化生产过程中高能耗高值化问题，有着极为重要的意义。

问题背景

随着我国经济结构的调整，成品油需求量增速放缓。“十三五”期间，成品油表观消费量年均增速约3%，主要是航空煤油的增长，柴油需求已经进入增长平台期，汽油需求预计将于2025年左右进入平台期。需适应未来市场产品需求结构的变化，减产柴油、增产汽油和化工原料是炼油产品结构调整的主导方向。我国目前存在着炼油过剩和烯烃芳烃等基础化工原料短缺，下游高端新材料存在较大供应缺口等两方面的矛盾：2021年我国炼油产能9.1亿吨，开工率82%，过剩明显；2021年我国乙烯产量3760万吨，当量消费5838万吨，当量缺口达2078万吨，合成树脂进口3277万吨，主要为高端产品。

炼油业务逐步进入到分子炼油阶段，传统的组分分离技术越来越无法满足生产需求，炼化业务高质量发展对各种分离技术的要求越来越高，往往是“认得清，分不开”。采用分子炼油技术手段按照“宜油则油，宜芳则芳，宜烯则烯，宜化则化”原则，使各组分能够进入到最适应加工的产品组分中去，从而实现炼油过程的价值最大化。

在此背景下，结合中国石油炼化业务转型和高质量发展的需求，亟需建设炼化生产过程高效分离技术平台，满足公司炼化转型业务对高效、精准、低能耗的分离技术需求。

 炼化向化工转型的关键技术之一是高效分离技术

 分离技术也是提高碳氢资源利用率的重要技术抓手

 分离技术包括轻烃分离、干气利用、芳烃衍生物分离等

目前在研究的高效分离技术应用：

 炼厂轻烃中分离优质乙烯原料；

将炼厂干气通过压缩机增压，采用乙烯主装置的丁烷原料做吸收剂，经过深冷、吸收分离塔系得到碳二气相、C3/C4液体、碳五液体分别作为裂解炉原料。本课题在原有工艺基础上采用隔板塔DWC技术可以降低30%能耗。

 采用MOFs分离材料实现乙烯乙烷低能耗高效分离，在本领域有望在未来占据高点；采用金属节点+阴离子+有机配体的结构，通过有序孔道结构排布高密度阴离子，利用分子识别能力实现乙烯和乙烷的分离

 高值化利用柴油组分是炼化转型关键技术，柴油中非芳烃可作为优质柴油和乙烯原料，柴油中的单环芳烃可作为芳烃原料，双环芳烃可作为大比重航煤或高端工程塑料（PEN）的原料；

 重芳烃分离及高值化利用是炼化转型重要方向，可以压减车用汽油和柴油产量

最新进展（截止问题发布年度）

为了解决石油化工分离过程难题，中石油石化院目前正在开展炼化高效分离平台的建设，分为隔壁分离、吸附分离、膜分离、结晶、萃取分离五个技术平台。

1）隔壁分离过程研究平台。

隔壁塔技术是应用于石油化工过程多组分分离的一项高效节能技术，尤其适用于中间组分含量占比较多的情形。隔壁塔是一个结合了热力学等效、机械学等效的高效节能分离技术。

中石油石化院建立中试规模的隔壁精馏塔试验装置及控制系统，开展多体系隔壁塔分离优化及评价试验，结合炼厂轻烃分离、烃重组分离、柴油萃取分离和重芳烃高值化利用的需求，通过试验数据验证稳态流程模拟与动态控制、智能控制与智能优化，开发适用于隔壁塔分离的过程工程化技术，开展塔内构件（塔板、气/液相分布器等）开发及工业应用研究。

（2）吸附分离过程研究平台。

乙烯/乙烷吸附分离是干气回收关键技术。我国年产干气约430万吨，其中乙烯77万吨，未能有效利用。现有深冷分离能耗高、投资大，吸附分离乙烯/乙烷的能耗是深冷分离的1/3，投资少。目前变压吸附PSA/变温吸附TSA等工艺已经较为成熟，需要开发出具有高吸附分离选择性、高吸附容量、解吸性能优良、水热稳定性、化学稳定性好的金属-有机骨架（MOF）吸附材料，是本项目研究的关键。

（3）结晶技术研究平台

对于沸点差非常小的芳烃类同分异构体，传统精馏法无法进一步切分，或者需要高理论板数、高回流比，能耗极大。通过配合熔点差异的结晶工艺来进一步分离提纯，能有效降低最终步骤的高能耗，达到高效节能、绿色低碳的目的。结晶过程主要有两大类：悬浮冷却结晶、熔融结晶。悬浮冷却结晶操作控制简便、可将产品富集到80%以上。熔融结晶是一种较新型的结晶技术，通过精细控制“结晶-发汗-融解”的工艺，能将产品纯度提高到99%以上。基本原理图如下：

中石油石化院搭建结晶分离平台,与精馏等传统单元操作耦合应用，进行新型结晶分离工艺及结晶器的开发，结合炼化转型重芳烃高值化利用对结晶分离设备及工艺技术需求，突破重芳烃高值化利用（甲基萘等）的卡脖子技术，具备结晶分离技术工程化开发能力，达到国际先进水平。

（4）膜分离技术研究平台

膜分离是一种广泛应用于精细化工分离提纯的技术，其原理在于根据不同物质之间粒径或者分子量大小不同，从而实现不同组分的分离、纯化、浓缩。根据截留粒径的大小，膜分离技术可分为微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）、反渗透（RO）等过程。膜分离的过滤图谱如下：

建立多功能膜试验设备及渗透汽化膜实验装置，结合乙烯乙烷和石脑油正异构分离MOFs材料开发对膜分离平台的需求，开展膜微滤、超滤、纳滤、反渗透、渗透汽化及陶瓷膜材料开发及膜组件评价试验。开展膜过程与其他分离过程耦合的集成分离技术开发。

（5）萃取技术研究平台

目前萃取技术开发主要结合柴油过剩亟需为柴油寻找出路的迫切需求，建立隔壁萃取分离技术平台可实现柴油中芳烃与非芳烃的分离，有效利用过剩的柴油产品，将其转化为国防建设和化学工业急需的化工原料，符合当前炼化转型提高高附加值产品的需求，解决炼化转型的卡脖子技术，具备隔壁萃取分离技术工程化技术开发能力。

重要意义

目前石化行业炼油业务逐步进入到分子炼油阶段，传统的组分分离技术越来越无法满足生产需求，炼化业务高质量发展对各种分离技术的要求越来越高。同时“十四五”期间对于化工过程节能减排、开发绿色低碳的分离过程提出了新的挑战。本课题涉及的多个新型分离技术研发，取得突破后，既能满足中石油炼化转型及成套技术开发对分离技术的要求，又能满足整个行业对于高效节能、符合碳达峰、碳中和的分离过程的要求。本课题不仅仅局限于本领域，还与新材料、智能控制等相关交叉领域科技发展相结合，具有重大科技、经济和社会效益。