石化產(chǎn)業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的“壓艙石”，正面臨從“規(guī)模擴(kuò)張”向“高端化、綠色化”轉(zhuǎn)型的迫切命題。然而，結(jié)構(gòu)性失衡的隱憂(yōu)始終存在——一邊是成品油消費(fèi)已于2023年達(dá)峰，傳統(tǒng)煉油產(chǎn)能過(guò)剩壓力日益凸顯；另一邊則是高端聚烯烴、高性能纖維、電子化學(xué)品等關(guān)鍵材料仍需大量進(jìn)口，自給率普遍不足。面對(duì)這一“供需錯(cuò)配”的轉(zhuǎn)型困局，如何用科技助力石化產(chǎn)業(yè)向綠、向新、向智？江蘇高校力量正在探索行之有效的路徑。

探索路徑之“化學(xué)轉(zhuǎn)化”——

國(guó)產(chǎn)乙二醇精準(zhǔn)去雜質(zhì)躍升“優(yōu)等生”

今年3月，連云港徐圩新區(qū)傳來(lái)好消息：常州大學(xué)自主研發(fā)的乙二醇加氫精制技術(shù)，在全球首套大型輕烴制聚酯級(jí)乙二醇裝置上實(shí)現(xiàn)一次性開(kāi)車(chē)成功，各項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)均超越設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到高端聚酯原料的嚴(yán)苛質(zhì)量要求。這一成果為我國(guó)石化產(chǎn)業(yè)高端化轉(zhuǎn)型提供了技術(shù)支撐。

這項(xiàng)成果并非一蹴而就，其背后是科研團(tuán)隊(duì)近20年的持續(xù)攻關(guān)。故事的起點(diǎn)，要追溯到2006年春節(jié)。時(shí)任原江蘇工業(yè)學(xué)院化工系院長(zhǎng)的陳群接到了一個(gè)求助電話(huà)。來(lái)電的是他的大學(xué)同學(xué)、揚(yáng)子石化烯烴廠(chǎng)廠(chǎng)長(zhǎng)：“我們的乙二醇產(chǎn)品賣(mài)不出去，務(wù)必來(lái)幫幫忙！”

乙二醇是生產(chǎn)聚酯纖維和聚酯瓶片的核心原料——我們身上穿的化纖衣服、手里拿的飲料瓶、床上蓋的絲棉被，都離不開(kāi)它。我國(guó)每年消耗乙二醇超過(guò)2500萬(wàn)噸，是名副其實(shí)的大宗化工品。但當(dāng)時(shí)，無(wú)論是揚(yáng)子石化這樣的從石油中提取乙二醇的企業(yè)，還是剛剛興起的煤制乙二醇工廠(chǎng)，都面臨同一個(gè)“卡脖子”難題：產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)不到高端聚酯的要求。

“問(wèn)題在于一種看不見(jiàn)的‘隱形殺手’——微量不飽和雜質(zhì)。這些雜質(zhì)含量極低，以ppm（百萬(wàn)分之一）甚至ppb（十億分之一）計(jì)，常規(guī)檢測(cè)手段難以捕捉，卻會(huì)顯著影響產(chǎn)品的紫外透光率?！标惾航榻B，用含雜質(zhì)的乙二醇做出來(lái)的聚酯，顏色發(fā)黃、穩(wěn)定性差，無(wú)法滿(mǎn)足高端產(chǎn)品的嚴(yán)苛要求。

面對(duì)求助，陳群團(tuán)隊(duì)選擇了加氫精制這條路，并迅速在實(shí)驗(yàn)室里搭建了一套小裝置，直接拉到揚(yáng)子石化現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行側(cè)線(xiàn)試驗(yàn)?！盎S(chǎng)的裝置一年四季連續(xù)運(yùn)行，企業(yè)不可能因?yàn)樯闲录夹g(shù)就停車(chē)等待。就像跳火車(chē)，你得跟著火車(chē)跑，速度一致了再跳上去。”陳群解釋道，這種在線(xiàn)并網(wǎng)的難點(diǎn)在于試驗(yàn)裝置必須完全適配主生產(chǎn)線(xiàn)的原有溫度與壓力。這也意味著催化劑必須在極窄的既定窗口內(nèi)發(fā)揮極致性能，在不改變?cè)泄r、不額外增加能耗的前提下，實(shí)現(xiàn)新技術(shù)的“無(wú)縫嵌入”。

為什么非要用加氫法？團(tuán)隊(duì)成員孫中華教授解釋?zhuān)骸皞鹘y(tǒng)工廠(chǎng)常用脫醛樹(shù)脂處理乙二醇，但這種方式脫除的雜質(zhì)并非徹底被‘轉(zhuǎn)化’，只是被暫時(shí)‘隱身’了。這也導(dǎo)致有時(shí)候產(chǎn)品出廠(chǎng)時(shí)指標(biāo)合格，但經(jīng)長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)搅丝蛻?hù)手里又不達(dá)標(biāo)?！睘榇?，團(tuán)隊(duì)研發(fā)了特異性吸附與定向加氫催化技術(shù)，將那些不飽和的雜質(zhì)精準(zhǔn)捕獲并加氫轉(zhuǎn)化為乙二醇本身。這樣一來(lái)，雜質(zhì)被徹底“消化”，轉(zhuǎn)化過(guò)程不可逆，產(chǎn)品質(zhì)量從源頭得到保障。

從分析雜質(zhì)的成分和結(jié)構(gòu)，到催化劑和轉(zhuǎn)化流程的設(shè)計(jì)，團(tuán)隊(duì)成員在研發(fā)期間多次往返于工廠(chǎng)與學(xué)校之間，一步步解開(kāi)謎題。2010年，第一套乙二醇加氫提質(zhì)工業(yè)裝置在揚(yáng)子石化開(kāi)車(chē)成功，產(chǎn)品紫外透光率一舉達(dá)標(biāo)。

這次的成功只是開(kāi)始，真正讓這項(xiàng)技術(shù)大顯身手的，是煤制乙二醇路線(xiàn)。我國(guó)石油對(duì)外依存度超過(guò)70%，但煤炭資源相對(duì)豐富，發(fā)展煤制乙二醇本是一條保障能源安全的重要路徑。然而，當(dāng)時(shí)煤制乙二醇的產(chǎn)品質(zhì)量比石油路線(xiàn)更差，紫外透光率甚至達(dá)不到聚酯級(jí)的最低門(mén)檻，下游企業(yè)根本不敢用。

從石油路線(xiàn)到煤路線(xiàn)，雜質(zhì)成分變了，催化劑需要重新設(shè)計(jì)。團(tuán)隊(duì)花了數(shù)年時(shí)間，不斷迭代催化劑體系，從第一代到第五代，實(shí)現(xiàn)了活性、穩(wěn)定性與單周期壽命的全方位提升。

在煤化工領(lǐng)域取得決定性突破后，科研團(tuán)隊(duì)并未停下創(chuàng)新腳步，而是將目光轉(zhuǎn)向近年來(lái)興起的新工藝——輕烴路線(xiàn)（以乙烷、丙烷為原料）。盡管這條路線(xiàn)成本優(yōu)勢(shì)明顯，但對(duì)加氫精制技術(shù)提出了更高要求：催化劑壽命要更長(zhǎng)，裝置要能長(zhǎng)周期滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，而且必須做到本質(zhì)安全。

陳群介紹，輕烴路線(xiàn)對(duì)催化劑的要求更高——裝置要長(zhǎng)周期滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，催化劑不能動(dòng)不動(dòng)就“罷工”。為此，團(tuán)隊(duì)在煤化工路線(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)催化劑進(jìn)行了全新升級(jí)，讓其更耐用、更穩(wěn)定，單周期壽命大幅提升，徹底解決了大型石化裝置頻繁停工換劑的行業(yè)痛點(diǎn)。

輕烴制乙二醇的反應(yīng)器又高又細(xì)，如何讓氫氣、液體和固體催化劑在里面“配合默契”，是個(gè)世界級(jí)難題。在校企協(xié)同攻關(guān)下，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新采用無(wú)氫氣循環(huán)工藝——即氫氣一次性通過(guò)，不再循環(huán)利用，這不僅極大簡(jiǎn)化了工藝流程，更從源頭上消除了氫氣高壓循環(huán)帶來(lái)的安全隱患。反應(yīng)器內(nèi)部采用多段冷激式結(jié)構(gòu)，就像在長(zhǎng)長(zhǎng)的管道里分段“降溫刺激”，精準(zhǔn)消除反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，讓氣、液、固三相高效協(xié)同，保障了生產(chǎn)的高效與本質(zhì)安全?！白?月成功開(kāi)車(chē)以來(lái)，裝置已穩(wěn)定運(yùn)行近一個(gè)月，首批產(chǎn)品全部合格。”連云港石化有限公司副總經(jīng)理范昌海說(shuō)。

“我們打通了輕烴制聚酯級(jí)乙二醇完整工藝閉環(huán)，驗(yàn)證了該技術(shù)對(duì)全產(chǎn)業(yè)鏈原料的普適性與優(yōu)越性?！标惾和嘎?，目前相關(guān)技術(shù)已在全國(guó)17套大型工業(yè)裝置推廣應(yīng)用，覆蓋中石化、陽(yáng)煤集團(tuán)、陜煤榆林、新疆天業(yè)、廣西華誼等行業(yè)龍頭企業(yè)，每年產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)乙二醇達(dá)1000余萬(wàn)噸。

探索路徑之“物理分離”——

給氣體分子“縫”出“超薄篩選膜”

與常州大學(xué)從“化學(xué)轉(zhuǎn)化”維度解決品質(zhì)問(wèn)題的加氫技術(shù)不同，南京工業(yè)大學(xué)的分子篩膜技術(shù)是從“物理分離”維度攻克雜質(zhì)難題。近日，該校顧學(xué)紅、王學(xué)瑞團(tuán)隊(duì)研發(fā)出“胚胎沸石介導(dǎo)縫合成膜”新策略，成功制備出可規(guī)?；母咝阅芊惺肿雍Y膜，為工業(yè)氣體分離裝上了“精準(zhǔn)篩選器”。研究成果發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)期刊《自然·通訊》。

為什么工業(yè)氣體分離需要這樣一張“精準(zhǔn)篩選器”？天然氣從地下開(kāi)采出來(lái)時(shí)，往往混有二氧化碳。二氧化碳不僅熱值低、“燒起來(lái)不頂用”，還會(huì)在水的共同作用下腐蝕管道。因此，天然氣在進(jìn)入輸氣管網(wǎng)前，必須將二氧化碳脫除到3%以下。傳統(tǒng)方法采用的深冷分離，是把溫度降到氣體分子液化的程度，而這一過(guò)程動(dòng)輒零下100多攝氏度。一座百萬(wàn)噸級(jí)的天然氣處理廠(chǎng)，僅分離環(huán)節(jié)的年耗電量就是一個(gè)天文數(shù)字。同樣的困境也出現(xiàn)在石油煉化中。那些化學(xué)組成完全一樣、僅空間結(jié)構(gòu)不同的“分子雙胞胎”——同分異構(gòu)體，性質(zhì)差異極小，用傳統(tǒng)精餾塔分離，塔身動(dòng)輒上百米高，且難以高效分離。實(shí)現(xiàn)新型分離材料的規(guī)模化制備，降低氣體分離的能耗，一直是能源化工行業(yè)的“老大難”。

沸石分子篩膜，本質(zhì)上是一款亞納米級(jí)“氣體分子篩”，其表面布滿(mǎn)超小細(xì)孔，只讓特定尺寸的分子通過(guò)，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)分離?！皞鹘y(tǒng)沸石分子篩膜有兩大痛點(diǎn)：一是膜層太厚，氣體分子穿過(guò)的阻力大、跑得慢；二是從實(shí)驗(yàn)室樣品放大到工業(yè)規(guī)格時(shí)，容易出現(xiàn)缺陷——就像一塊布上有了針眼，大分子也會(huì)從小漏洞里溜過(guò)去，分離效果大打折扣。”顧學(xué)紅介紹。

團(tuán)隊(duì)提出“胚胎沸石介導(dǎo)縫合成膜”新策略，精準(zhǔn)破解了這兩大難題。論文第一作者游樂(lè)凱博士形象地比喻：“傳統(tǒng)膜層內(nèi)縫隙的消除，就像在石子路上鋪瀝青，縫隙總填不平?！倍谛虏呗灾?，團(tuán)隊(duì)先培養(yǎng)出微小的“沸石胚胎”，即一種結(jié)構(gòu)初具雛形的沸石中間體，然后通過(guò)縮合反應(yīng)（一種讓分子間“握手”連接的化學(xué)過(guò)程），讓這些胚胎像積木一樣緊密拼接，相鄰的沸石晶體之間形成化學(xué)鍵，最終長(zhǎng)成一塊沒(méi)有縫隙的連續(xù)分離膜?！斑@就像拿一根‘針線(xiàn)’，把沸石分子篩晶體從原子層面實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)‘縫合’，形成‘無(wú)縫銜接’的分離膜?！?/p>

王學(xué)瑞介紹，這一策略實(shí)現(xiàn)了三大突破：一是更薄——膜厚度降至560納米，相當(dāng)于初始晶種層的厚度，氣體穿透阻力大幅降低；二是更準(zhǔn)——當(dāng)用于天然氣脫除二氧化碳時(shí)，每透過(guò)300個(gè)氣體分子中，甲烷分子數(shù)量還不到2個(gè)，篩選氣體分子的精準(zhǔn)度高；三是更大、更通用——成功制備出工業(yè)規(guī)格分子篩膜組件，實(shí)現(xiàn)了從實(shí)驗(yàn)室樣品到工業(yè)級(jí)組件的跨越?！霸摬呗栽趪?guó)際沸石協(xié)會(huì)收錄的三種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的沸石分子篩（STT、CHA和MFI）中均適用，普適性良好。”

“傳統(tǒng)深冷分離的操作溫度通常為氣體分子液化溫度，而我們研發(fā)的沸石分子篩膜技術(shù)在室溫下就能運(yùn)行，能耗優(yōu)勢(shì)非常明顯?！鳖檶W(xué)紅說(shuō)。

然而，膜的放大制備只是第一步。能不能在真實(shí)工業(yè)環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行，才是企業(yè)最關(guān)心的。團(tuán)隊(duì)將膜組件置于含2500ppm硫化氫、飽和濕度的沼氣提純工況下測(cè)試。盡管該環(huán)境相比天然氣要苛刻得多，但結(jié)果顯示，膜組件已穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)220天，能同步實(shí)現(xiàn)二氧化碳、水和硫化氫的滲透，經(jīng)受住了嚴(yán)苛工況的考驗(yàn)。

顧學(xué)紅表示，放大過(guò)程需重點(diǎn)考慮穩(wěn)定性問(wèn)題，一方面是膜生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定性，確保膜產(chǎn)品的品質(zhì)穩(wěn)定；另一方面是膜使用過(guò)程的穩(wěn)定性，確保工業(yè)裝備的平穩(wěn)運(yùn)行。如何精準(zhǔn)控制原材料從雜亂無(wú)章的原子合成規(guī)整有序的分子篩膜，一直是國(guó)際學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)?！叭绻肿雍Y膜的生產(chǎn)和使用僅靠經(jīng)驗(yàn)，一些細(xì)微的原料變化或者環(huán)境條件變化造成的雜質(zhì)影響，都可能導(dǎo)致完全不同的結(jié)果?！睘榇?，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃借助人工智能手段，試圖將這一“黑匣子”過(guò)程定量化、可控化。

事實(shí)上，分子篩膜的“精準(zhǔn)篩選”能力在有機(jī)溶劑提純領(lǐng)域同樣頗有建樹(shù)。早在這項(xiàng)工業(yè)氣體分離和純化成果之前，顧學(xué)紅團(tuán)隊(duì)就已經(jīng)用分子篩膜解決了一個(gè)讓化工廠(chǎng)頭疼的問(wèn)題：乙二醇生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一種叫“雜醇油”的副產(chǎn)物，里面含有甲醇、乙醇等有用成分，但因?yàn)樗鸵掖枷瘛斑B體嬰”一樣難以分開(kāi)，很多企業(yè)只能把它當(dāng)?shù)蛢r(jià)燃料燒掉。為此，團(tuán)隊(duì)利用分子篩膜的“精準(zhǔn)篩選”能力，成功打破了水和乙醇的共沸瓶頸，開(kāi)發(fā)出一套完整的提純工藝，能把雜醇油變成純度高達(dá)99.8%的乙醇產(chǎn)品。目前，這項(xiàng)技術(shù)已在多家乙二醇企業(yè)建成了工業(yè)裝備，運(yùn)行良好。

“從液體到氣體，分子篩膜的工業(yè)應(yīng)用版圖正在不斷擴(kuò)展。”顧學(xué)紅表示，未來(lái)，這項(xiàng)成果還將為天然氣提氦、同分異構(gòu)體分離等場(chǎng)景提供可行的技術(shù)路徑。

新華日?qǐng)?bào)：https://xh.xhby.net/pc/layout/202604/08/node_10.html#content_1544058

（編輯：盛熠）