先進(jìn)化工材料關(guān)鍵技術(shù)叢書(shū). 第二批--石油化工催化新材料

《石油化工催化新材料》是“先進(jìn)化工材料關(guān)鍵技術(shù)叢書(shū)”（第二批）的一個(gè)分冊(cè)。
本書(shū)系統(tǒng)論述了石油化工產(chǎn)品生產(chǎn)中各類催化材料、催化劑的創(chuàng)新思路、設(shè)計(jì)優(yōu)化、合成改性、工業(yè)應(yīng)用等。內(nèi)容包括緒論、氧化鋁材料、分子篩催化材料、重整催化新材料、生產(chǎn)芳烴的催化新材料、催化裂化新材料、催化加氫新材料等。
《石油化工催化新材料》是多項(xiàng)國(guó)家和省部級(jí)成果的系統(tǒng)總結(jié)，反映了催化材料領(lǐng)域國(guó)際前沿的研究水平，應(yīng)用效果突出，可供化工、材料、化學(xué)、環(huán)境、能源、生物等專業(yè)領(lǐng)域的科技人員、管理人員閱讀，也可供高校相關(guān)專業(yè)師生參考。

聶紅，中國(guó)石化首席專家，正高級(jí)工程師，博士生導(dǎo)師。兼任國(guó)家石油產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心主任、國(guó)家能源石油煉制技術(shù)研發(fā)中心主任、中國(guó)石油學(xué)會(huì)石油煉制分會(huì)主任。曾任中國(guó)石化石油化工科學(xué)研究院副院長(zhǎng)。
參加工作38年來(lái)，根植科研一線，主持并承擔(dān)了多項(xiàng)國(guó)家和中國(guó)石化重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目，負(fù)責(zé)清潔燃料生產(chǎn)、重油加氫、生物航煤生產(chǎn)等重大技術(shù)的研發(fā)工作。圍繞石油資源高效利用、油品清潔化質(zhì)量升級(jí)和低碳減排的國(guó)家重大需求，致力重油高效轉(zhuǎn)化，開(kāi)發(fā)重油加氫催化劑及新技術(shù)，提高了輕質(zhì)油品收率；聚焦油品清潔化，持續(xù)創(chuàng)新催化劑和工藝，支撐我國(guó)柴油質(zhì)量不斷升級(jí)；關(guān)注航空燃料綠色化，在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)發(fā)出以餐飲廢油等為原料的生物航煤生產(chǎn)技術(shù)并成功工業(yè)化，生產(chǎn)出生物航煤并在國(guó)內(nèi)外航線商業(yè)飛行成功，為我國(guó)航空業(yè)低碳減排奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
所開(kāi)發(fā)的新技術(shù)，在國(guó)內(nèi)外工業(yè)應(yīng)用170多套次，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著，為我國(guó)石油煉制技術(shù)的進(jìn)步、石油煉制工業(yè)的提質(zhì)增效和綠色發(fā)展作出了貢獻(xiàn)。
研究成果獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)和國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)2項(xiàng)；獲中國(guó)專利獎(jiǎng)金獎(jiǎng)2項(xiàng)，省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)10項(xiàng)；享受?chē)?guó)務(wù)院政府特殊津貼，當(dāng)選新世紀(jì)百千萬(wàn)人才工程國(guó)家級(jí)人選、中國(guó)化工學(xué)會(huì)會(huì)士、中國(guó)石油學(xué)會(huì)會(huì)士；獲全國(guó)創(chuàng)新?tīng)?zhēng)先獎(jiǎng)、何梁何利基金科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新獎(jiǎng)；發(fā)表論文131篇，出版專著1部，獲國(guó)內(nèi)外發(fā)明專利授權(quán)263項(xiàng)。

超過(guò)80%的石油化工反應(yīng)過(guò)程是催化過(guò)程。實(shí)踐證明，催化材料在石油化工反應(yīng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。 本書(shū)是聶紅為代表的石油化工科學(xué)研究院催化材料和催化劑研發(fā)團(tuán)隊(duì)系數(shù)十項(xiàng)國(guó)家和省部級(jí)成果的系統(tǒng)總結(jié)。 本書(shū)反映了催化材料領(lǐng)域國(guó)際前沿的研究水平和工程實(shí)踐水平。

石油化工行業(yè)是以石油和天然氣為原料生產(chǎn)石油產(chǎn)品和化工產(chǎn)品的制造工業(yè)，是關(guān)系國(guó)家能源安全和國(guó)計(jì)民生的支柱產(chǎn)業(yè)。催化材料是石化工業(yè)的基礎(chǔ)和核心，在重油高效轉(zhuǎn)化、汽柴油質(zhì)量升級(jí)、烯烴芳烴等基礎(chǔ)原料的生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)揮著巨大作用。石油化工行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展離不開(kāi)催化材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的研究攻關(guān)，我國(guó)催化材料實(shí)現(xiàn)了從無(wú)到有、由弱到強(qiáng)的快速發(fā)展。同時(shí)，催化材料新品種的研發(fā)和工業(yè)化經(jīng)驗(yàn)不斷豐富，絕大部分催化材料已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，整體技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，部分技術(shù)實(shí)現(xiàn)國(guó)際領(lǐng)先，有些技術(shù)成功出口海外，為石化工業(yè)發(fā)展提供了保障和支撐。隨著中國(guó)能源結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整、環(huán)保要求日趨嚴(yán)格以及“雙碳”目標(biāo)的提出，石油化工行業(yè)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，急需低碳高效的新技術(shù)，其中加快開(kāi)發(fā)新催化材料尤為重要。隨著高通量計(jì)算、先進(jìn)分析表征和評(píng)價(jià)技術(shù)的崛起，影響催化材料性質(zhì)、催化作用的本質(zhì)原因不斷被揭示，催化材料的研發(fā)將以精準(zhǔn)理性設(shè)計(jì)和可控制備為主要特征，從原子級(jí)尺度調(diào)控催化性能，為催化材料快速開(kāi)發(fā)提供有效支撐。
針對(duì)高效精準(zhǔn)催化目標(biāo)，催化新材料發(fā)展還有許多科學(xué)問(wèn)題和技術(shù)難題需要解決，研究模式也需要?jiǎng)?chuàng)新。本書(shū)從煉油化工的基礎(chǔ)催化材料入手，針對(duì)石油化工中幾個(gè)具有代表性的工藝單元，總結(jié)了石油化工催化材料的研究方法、創(chuàng)新思路，闡述了從反應(yīng)特征、反應(yīng)機(jī)理以及原料分子尺寸、目標(biāo)產(chǎn)品的分子結(jié)構(gòu)組成特點(diǎn)等明晰催化材料的構(gòu)效關(guān)系到設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的原則，創(chuàng)制適合反應(yīng)體系的高活性、高穩(wěn)定性的催化材料及其成功的工業(yè)應(yīng)用案例，以期為高性能催化新材料的開(kāi)發(fā)提供參考和借鑒。本書(shū)涵蓋了石油煉制中主要的催化劑和催化材料，主要分兩個(gè)部分：第一部分為第一章至第三章，對(duì)石油化工中基礎(chǔ)的催化材料進(jìn)行分類和梳理，并介紹了新材料的開(kāi)發(fā)成果，對(duì)催化材料的發(fā)展進(jìn)行展望；第二部分為第四章至第七章，圍繞石油化工行業(yè)中具有代表性的重整催化劑、生產(chǎn)芳烴的催化劑、催化裂化催化劑和催化加氫材料，從催化劑材料組成、催化劑制備方法和工業(yè)應(yīng)用等方面進(jìn)行了系統(tǒng)性總結(jié)。
本書(shū)由聶紅負(fù)責(zé)框架設(shè)計(jì)、統(tǒng)稿、修改和定稿，由洪定一和劉海超審稿。第一章由聶紅撰寫(xiě)；第二章由聶紅、曾雙親撰寫(xiě)；第三章由邢恩會(huì)、夏長(zhǎng)久、羅一斌、歐陽(yáng)穎和王成強(qiáng)撰寫(xiě)；第四章由王春明和臧高山撰寫(xiě)；第五章由高寧寧、劉中勛、祁曉嵐和王輝國(guó)撰寫(xiě)；第六章由宋海濤、劉倩倩、袁帥、周翔、沙昊、周靈萍和于善青撰寫(xiě)；第七章由聶紅、李會(huì)峰和黃衛(wèi)國(guó)撰寫(xiě)。楊清河、羅一斌、馬愛(ài)增、王輝國(guó)和于善青參與了部分審稿工作。此外，鮑俊參與了本書(shū)的部分編寫(xiě)工作，對(duì)此書(shū)的修改提出了寶貴意見(jiàn)。
本書(shū)是在系統(tǒng)總結(jié)筆者團(tuán)隊(duì)多年來(lái)所承擔(dān)的國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“適應(yīng)國(guó)六清潔汽油生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)”“適應(yīng)國(guó)六清潔柴油生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)”，國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“劣質(zhì)、重質(zhì)原油高效轉(zhuǎn)化”“符合國(guó)家第四階段排放要求的清潔車(chē)用汽柴油關(guān)鍵生產(chǎn)技術(shù)”，國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（“973計(jì)劃”）課題“石油煉制過(guò)程氫定向利用的化學(xué)和工程基礎(chǔ)”“石油高效轉(zhuǎn)化多級(jí)孔催化材料研究”“稀土型催化劑在清潔汽油生產(chǎn)中應(yīng)用的工程基礎(chǔ)研究”“清潔油品生產(chǎn)的化學(xué)和工程基礎(chǔ)”“稀土催化材料的功能化和工程化基礎(chǔ)研究”“催化加氫脫硫機(jī)理與新催化材料”，科技部研究專項(xiàng)基金項(xiàng)目“新型二甲苯異構(gòu)化催化劑的研發(fā)”，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“規(guī)整化多級(jí)孔沸石基催化劑對(duì)烴類大分子吸附、擴(kuò)散和反應(yīng)性研究”等多項(xiàng)國(guó)家級(jí)項(xiàng)目或課題研究結(jié)果的基礎(chǔ)上編寫(xiě)而成的，包含了筆者團(tuán)隊(duì)所獲得的多項(xiàng)相關(guān)國(guó)家級(jí)科技獎(jiǎng)、中國(guó)專利獎(jiǎng)金獎(jiǎng)等成果內(nèi)容，如PS-Ⅳ型（3961）連續(xù)重整催化劑的研制及工業(yè)應(yīng)用（1999年國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)）、甲苯與重質(zhì)芳烴歧化與烷基轉(zhuǎn)移成套技術(shù)及催化劑（2002年國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)）、石腦油催化重整成套技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用（2009年國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)）、重油高效轉(zhuǎn)化的加氫處理及其與催化裂化新型組合關(guān)鍵技術(shù)（2011年國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)）、高效環(huán)保芳烴成套技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用（2015年國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)）、活性相定向構(gòu)建及復(fù)雜反應(yīng)分級(jí)強(qiáng)化的柴油高效清潔化關(guān)鍵技術(shù)（2019年國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)）、一種降低重質(zhì)原料油中瀝青質(zhì)和殘?zhí)亢康姆椒ǎ?020年中國(guó)專利獎(jiǎng)金獎(jiǎng)）等。本書(shū)介紹的新材料研發(fā)思路和方法，催化劑應(yīng)用中的工程問(wèn)題、應(yīng)用實(shí)踐等，對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究、技術(shù)開(kāi)發(fā)和工業(yè)生產(chǎn)都有較強(qiáng)的指導(dǎo)和參考價(jià)值，希望對(duì)廣大讀者在基礎(chǔ)研究和催化材料的開(kāi)發(fā)等方面有所幫助。
本書(shū)參考了國(guó)內(nèi)外同行撰寫(xiě)的相關(guān)文獻(xiàn)，在此表示衷心的感謝。本書(shū)雖經(jīng)多次審查、討論和修改，由于筆者水平有限，仍難免有不足之處，敬請(qǐng)廣大讀者批評(píng)指正。

聶紅
2024年2月

第一章 緒論	001
第一節(jié)　石油化工催化材料的分類	002
一、氧化鋁及其改性材料	004
二、分子篩	006
三、其他材料	007
第二節(jié)　催化材料在石油化工中的應(yīng)用	009
一、重整催化劑	009
二、生產(chǎn)芳烴催化劑	010
三、催化裂化催化劑	012
四、加氫催化劑	013
第三節(jié)　石油化工催化材料的發(fā)展趨勢(shì)	015
參考文獻(xiàn)	017

第二章 氧化鋁材料	023
第一節(jié)　概述	024
第二節(jié)　氧化鋁的基本性質(zhì)	026
第三節(jié)　氧化鋁的形態(tài)及其前身物	026
第四節(jié)　氧化鋁晶體結(jié)構(gòu)、表面化學(xué)性質(zhì)及孔性質(zhì)	031
一、γ-氧化鋁和η-氧化鋁的晶體結(jié)構(gòu)	031
二、γ-氧化鋁和η-氧化鋁的表面化學(xué)性質(zhì)	032
三、氧化鋁的孔性質(zhì)	037
第五節(jié)　改性氧化鋁	040
一、熱處理方法	040
二、化學(xué)改性	048
第六節(jié)　氧化鋁前身物的生產(chǎn)方法	060
一、NaAlO2-Al2(SO4)3法	061
二、NaAlO2-CO2中和法	065
三、醇鋁水解法	068
四、鋁鹽-氨水中和法	070
第七節(jié)　氧化鋁載體生產(chǎn)方法	071
一、氧化鋁載體成型	072
二、氧化鋁載體熱處理	078
第八節(jié)　總結(jié)與展望	082
參考文獻(xiàn)	083

第三章 分子篩催化材料	089
第一節(jié)　概述	090
一、沸石分子篩及其發(fā)展歷程	090
二、分子篩合成與改性	093
三、分子篩催化劑在石油煉制與石油化工中的應(yīng)用	095
第二節(jié)　支撐催化裂化技術(shù)的分子篩材料	098
一、重油轉(zhuǎn)化Y型分子篩系列	098
二、催化裂化辛烷值助劑	102
三、催化裂化丙烯助劑	104
四、催化裂化丁烯助劑	109
第三節(jié)　支撐催化加氫技術(shù)的分子篩材料	112
一、支撐加氫裂化的超穩(wěn)Y型分子篩	112
二、潤(rùn)滑油異構(gòu)降凝ZIP分子篩	113
第四節(jié)　支撐石油化工技術(shù)的分子篩材料	114
一、AEB系列乙烯與苯液相烷基化催化劑	114
二、空心鈦硅分子篩（HTS）催化氧化新材料	116
第五節(jié)　總結(jié)與展望	118
參考文獻(xiàn)	119

第四章 重整催化新材料	121
第一節(jié)　概述	122
第二節(jié)　重整催化劑及工藝介紹	124
一、半再生重整	126
二、連續(xù)（再生）重整	126
第三節(jié)　重整催化劑的制備與表征	127
一、載體的制備	128
二、金屬組元的引入	132
三、重整催化劑的表征	134
第四節(jié)　重整催化劑的再生過(guò)程	146
一、重整催化劑的燒焦	146
二、催化劑的氯化更新	147
三、催化劑的還原	149
四、催化劑的預(yù)硫化	150
五、重整催化劑的再生方式	150
第五節(jié)　重整催化劑的開(kāi)發(fā)應(yīng)用	152
一、鉑錫催化劑	152
二、鉑錸催化劑	156
第六節(jié)　總結(jié)與展望	158
參考文獻(xiàn)	159

第五章 生產(chǎn)芳烴的催化新材料	165
第一節(jié)　概述	166
第二節(jié)　C8芳烴異構(gòu)化催化新材料	167
一、C8芳烴異構(gòu)化反應(yīng)	167
二、C8芳烴異構(gòu)化催化劑	176
三、C8芳烴異構(gòu)化催化劑應(yīng)用	182
四、C8芳烴異構(gòu)化催化材料及催化劑技術(shù)發(fā)展	185
第三節(jié)　甲苯歧化與烷基轉(zhuǎn)移反應(yīng)中的分子篩合成技術(shù)	185
一、用于純甲苯歧化反應(yīng)的ZSM-5分子篩	186
二、用于甲苯與C9+芳烴歧化和烷基轉(zhuǎn)移反應(yīng)的絲光沸石分子篩	193
三、用于重質(zhì)芳烴原料輕質(zhì)化反應(yīng)的β型分子篩	196
第四節(jié)　C8芳烴分離吸附新材料	199
一、用于二甲苯吸附分離的FAU分子篩	200
二、其他二甲苯吸附分離材料	208
第五節(jié)　總結(jié)與展望	210
參考文獻(xiàn)	211

第六章 催化裂化新材料	221
第一節(jié)　概述	222
一、催化裂化反應(yīng)化學(xué)及理論基礎(chǔ)	222
二、催化裂化材料分類	224
第二節(jié)　催化裂化催化劑FAU結(jié)構(gòu)分子篩主活性組分材料	225
一、FAU結(jié)構(gòu)分子篩的結(jié)構(gòu)與組成	225
二、FAU結(jié)構(gòu)分子篩的主要性能及表征方法	225
三、FAU結(jié)構(gòu)分子篩的改性方法及工藝原理	228
第三節(jié)　催化裂化催化劑MFI結(jié)構(gòu)分子篩助活性組分材料	238
一、MFI結(jié)構(gòu)分子篩的結(jié)構(gòu)與組成	238
二、MFI結(jié)構(gòu)分子篩的改性及其在催化裂化催化劑中的應(yīng)用	239
三、中空富鋁納米ZSM-5分子篩用于環(huán)烷烴高選擇性增產(chǎn)低碳烯烴	240
第四節(jié)　催化裂化催化劑基質(zhì)材料	241
一、催化裂化催化劑基質(zhì)材料的發(fā)展	241
二、催化裂化催化劑基質(zhì)材料的分類、性質(zhì)及作用	242
三、催化裂化催化劑黏土礦物基質(zhì)材料及其應(yīng)用	245
四、催化裂化催化劑黏結(jié)劑基質(zhì)材料及其應(yīng)用	249
第五節(jié)　催化裂化催化劑的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用	255
一、催化裂化催化劑的研究進(jìn)展概述	255
二、催化裂化催化劑的工業(yè)生產(chǎn)流程	256
三、催化裂化新催化劑的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用	257
第六節(jié)　催化裂解催化劑的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用	271
一、催化裂解催化劑的研究進(jìn)展	271
二、催化裂解新催化劑的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用	272
第七節(jié)　催化裂化環(huán)保助劑材料	278
一、CO助燃材料	278
二、煙氣脫SOx材料	279
三、煙氣脫NOx材料	283
四、多效組合降低煙氣中SOx、NO和CO的材料	287
第八節(jié)　總結(jié)與展望	288
參考文獻(xiàn)	289

第七章 催化加氫新材料	295
第一節(jié)　催化加氫材料基本概念和分類	296
第二節(jié)　催化加氫材料設(shè)計(jì)原理	297
一、載體表面結(jié)構(gòu)性質(zhì)的影響	298
二、金屬前驅(qū)體分子結(jié)構(gòu)的影響	301
三、載體表面結(jié)構(gòu)性質(zhì)和金屬前驅(qū)體分子結(jié)構(gòu)的共同影響	305
四、硫化過(guò)程參數(shù)的影響	307
五、引入有機(jī)物的作用	309
第三節(jié)　催化加氫材料結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與分析表征	311
一、催化加氫材料結(jié)構(gòu)特點(diǎn)	312
二、催化加氫材料結(jié)構(gòu)的分析表征	315
第四節(jié)　催化加氫材料的生產(chǎn)與制備	320
一、浸漬條件對(duì)加氫催化劑生產(chǎn)與制備的影響	321
二、干燥條件對(duì)加氫催化劑生產(chǎn)與制備的影響	323
三、焙燒條件對(duì)加氫催化劑生產(chǎn)與制備的影響	323
四、檸檬酸的引入方式對(duì)加氫催化劑生產(chǎn)與制備的影響	325
五、加氫催化劑開(kāi)發(fā)的基本流程和技術(shù)平臺(tái)	326
第五節(jié)　催化加氫材料應(yīng)用	327
一、在清潔汽油生產(chǎn)中的應(yīng)用	327
二、在清潔柴油生產(chǎn)中的應(yīng)用	329
三、在重油高效轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用	334
第六節(jié)　多產(chǎn)化工原料型催化加氫材料的特點(diǎn)與應(yīng)用	340
一、多產(chǎn)化工原料型加氫催化劑的特點(diǎn)	341
二、酸性材料對(duì)催化劑性能的影響	342
三、金屬組分對(duì)催化劑性能的影響	349
四、多產(chǎn)化工原料型以及調(diào)整柴汽比加氫催化劑的應(yīng)用	351
第七節(jié)　潤(rùn)滑油異構(gòu)脫蠟催化加氫材料的特點(diǎn)與應(yīng)用	356
一、潤(rùn)滑油異構(gòu)脫蠟催化劑	356
二、異構(gòu)脫蠟催化材料設(shè)計(jì)原理	358
三、異構(gòu)脫蠟加氫催化劑的生產(chǎn)與制備	359
四、異構(gòu)脫蠟加氫催化劑應(yīng)用	360
第八節(jié)　催化加氫材料的回收與利用	362
一、廢加氫催化劑的再生與利用	363
二、加氫催化劑的梯級(jí)利用技術(shù)	365
三、廢加氫催化劑的金屬回收與利用	366
第九節(jié)　總結(jié)與展望	368
參考文獻(xiàn)	370

本書(shū)縮寫(xiě)符號(hào)表	381

索引	382