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五年开出一朵科研花

作者: 发布时间:2018年10月17日 16:56 点击数:

在宁夏回族自治区科技奖励大会上,由太阳城赌场省部共建煤炭高效利用与绿色化工能源化工国家重点实验室发范素兵博士主持的“多级孔ZSM-5催化剂的制备及其催化裂解增产双烯性能研究”项目,荣获科技进步三等奖。该项目的研究成果——多级孔ZSM-5催化剂,可解决宁东基地煤基甲醇制丙烯(MTP)工艺大量副产烃的综合利用问题,催化性能优异,其寿命及烯烃收率均处于国内外领先地位。

“念念不忘,必有回响”

宁夏宁东能源化工基地作为我国的重要能源重化工基地,每年的甲醇产量高达170万吨,甲醇转化制下游化学品是一个非常重要的煤化工工艺,煤基甲醇制丙烯(MTP)目前已建成252万吨的工艺装置。在甲醇制丙烯的过程中,往往会产生大量的副产烃,每套MTP工艺将年产44万吨之多,“不速之客”的产生提供了资源利用和创新的新机会。让副产烃再次转化成为乙烯和丙烯,并以此增加双烯产量,尤其是丙烯的产量,对于生产烯烃的企业来说将是一条经济的资源综合利用路线。循环流化是催化裂解常用的一种操作方式,因为催化剂很容易失活,需要不断的循环再生及补充新的催化剂来维持反应的进行。这样导致了工业生产过程中需要频繁再生催化剂及补充新催化剂,极大地增加了生产成本。

太阳城赌场省部共建煤炭高效利用与绿色化工国家重点实验室范素兵副研究员项目组研制出的“多级孔ZSM-5催化剂”就是解决此催化难题的一把利剑。与传统的催化剂相比,“多级孔ZSM-5催化剂”的晶体结构中存在多层级的孔道,大孔与小孔交错排列。而传统的催化剂只具有单一的小孔道,导致在反应过程中孔道非常容易被堵塞而失活,致使反应无法继续进行。“多级孔ZSM-5催化剂”巧妙地解决了这一难题:本该堵住小孔的生成物可以从周边的大孔中迅速扩散流出,让反应得以进行,延长了催化剂的寿命。传统的催化剂的使用寿命仅有短短几小时,而“多级孔ZSM-5催化剂”的寿命却超过200小时!在前100小时内,反应的转化率能保持在75%以上,200小时后仍旧能保持70%左右,可极大地降低催化剂成本和能耗。“多级孔ZSM-5催化剂”所适用的反应物的范围也很广,在研制前,实验室就将反应物定位于副产烃中最难催化裂解的C4-C6烃,当最难攀登的高峰已被征服,其他那些“矮峰”自然不在话下。

将“多级孔催化剂”从理论变成现实漫长、艰难,同时又是充满惊喜的过程。硬模板法、软模板法、碱处理方法、二次生长法、固相转晶法、……这些发展及创新,曾让范素兵和他的科研团队流下了多少汗水!多少次的制备都不尽人意!而随着研究的逐渐深入,研制的方法也在不断趋优,像后期的软模板法、碱处理法、固相转晶法等都取得了成功,催化性能优异。在拓展“多级孔ZSM-5催化剂”制备方法的过程中,也获得了意外之喜。在研制过程中,他们发明了通过分子筛转晶或采用硅铝等固相原料一步法制备HZSM-5分子筛粉末和无粘结剂成型HZSM-5分子筛催化剂的新方法,并申请了多项专利,已授权1项。相较于其他的制备方法,固相一步法具有工艺流程简单、无废液排放、单釜近100%的收率及成本低等特点,是一种节能环保且高效制备HZSM-5分子筛的新工艺。这种方法的应用前景十分广阔,甲醇制丙烯、甲醇制芳烃、甲醇制油品、石油化工及精细化工等领域都可以应用。范素兵副研究员告诉记者,这种方法目前正在努力进行放大及应用。这种环境友好的新工艺,目前已开发出准用的合成反应器的原型机。

“无困难,不科研”

这个项目的研究工作量非常大,而且涉及到的专业知识非常多,也非常难。范素兵副研究员曾经指导他的一个研究生做复杂的动力学实验,刚开始时,学生也是信心满满,可是当实验越来越深入的时候,学生感到了吃力。三个系列催化剂的动力学实验,不仅数量大,而且还要保证每个数据的准确性。在实验后期,数据的处理既需要化工知识,还需要数值计算,当然还离不开计算机编程。这个动力学实验,它所涉及的知识非常广。以一个大学本科生的知识面,面对这些挑战,学生要知难而退了。项目就是号令,项目就是冲锋!范老师耐心给学生做思想工作,提高他的自信心,同时还从中国科学院请来了后援,范老师他们一起,研究方案、加紧实验、调整程序,经常夜晚一两点还在做实验、做表征、处理数据,就这样夜以继日地奋战了三个多月,终于顺利地完成了动力学部分的研究内容,取得了良好的结果。

2011年到2015年,这项历时5年的科研项目终于结出了累累硕果,5年来的不断努力与创新终于开出了成功之花。做科研难,长久地做坚持科研更难!当谈及在做项目遇到的困难时,范老师道:“无困难,不科研”。“科研是充满创新的,怎能没有困难?”我们想。然而范老师的一席话深深打动了我们,原来他不仅说科研会有困难,而且提到要真正做好一个项目,还要迎难而上,直接攻克最难的难题,那才叫好的科研。于是他们的反应物选择了最难裂解的低碳烃做原料。

“多级孔ZSM-5催化剂”项目已经结束,而新一轮的挑战也随之来临。宁东基地煤化工每年都会产生大量的固体废渣,“煤制油”开车运行后更加剧了废渣的排放,预计每年达1000万吨,现在这些废料多被用来填埋处理,废料中大量有用的元素也随之抛弃。把这些废渣转化成高附加值的材料,并将其应用到化工生产中或环境治理中去,就是范素兵副研究员选择的下一个难题。“做科研就需要有不断挑战自我的魄力和不断创新的精神。”范素兵在谈到科研感受时说。(记者张新民通讯员封宏艳张政学生记者刘彩虹、赵莹参加了采访)

   

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