先进化工材料关键技术丛书. 第二批--石油化工催化新材料

《石油化工催化新材料》是“先进化工材料关键技术丛书”（第二批）的一个分册。
本书系统论述了石油化工产品生产中各类催化材料、催化剂的创新思路、设计优化、合成改性、工业应用等。内容包括绪论、氧化铝材料、分子筛催化材料、重整催化新材料、生产芳烃的催化新材料、催化裂化新材料、催化加氢新材料等。
《石油化工催化新材料》是多项国家和省部级成果的系统总结，反映了催化材料领域国际前沿的研究水平，应用效果突出，可供化工、材料、化学、环境、能源、生物等专业领域的科技人员、管理人员阅读，也可供高校相关专业师生参考。

聂红，中国石化首席专家，正高级工程师，博士生导师。兼任国家石油产品质量监督检验中心主任、国家能源石油炼制技术研发中心主任、中国石油学会石油炼制分会主任。曾任中国石化石油化工科学研究院副院长。
参加工作38年来，根植科研一线，主持并承担了多项国家和中国石化重点攻关项目，负责清洁燃料生产、重油加氢、生物航煤生产等重大技术的研发工作。围绕石油资源高效利用、油品清洁化质量升级和低碳减排的国家重大需求，致力重油高效转化，开发重油加氢催化剂及新技术，提高了轻质油品收率；聚焦油品清洁化，持续创新催化剂和工艺，支撑我国柴油质量不断升级；关注航空燃料绿色化，在国内率先开发出以餐饮废油等为原料的生物航煤生产技术并成功工业化，生产出生物航煤并在国内外航线商业飞行成功，为我国航空业低碳减排奠定了技术基础。
所开发的新技术，在国内外工业应用170多套次，经济和社会效益显著，为我国石油炼制技术的进步、石油炼制工业的提质增效和绿色发展作出了贡献。
研究成果获国家技术发明奖二等奖1项和国家科技进步奖二等奖2项；获中国专利奖金奖2项，省部级科技进步奖一等奖10项；享受国务院政府特殊津贴，当选新世纪百千万人才工程国家级人选、中国化工学会会士、中国石油学会会士；获全国创新争先奖、何梁何利基金科学与技术创新奖；发表论文131篇，出版专著1部，获国内外发明专利授权263项。

石油化工行业是以石油和天然气为原料生产石油产品和化工产品的制造工业，是关系国家能源安全和国计民生的支柱产业。催化材料是石化工业的基础和核心，在重油高效转化、汽柴油质量升级、烯烃芳烃等基础原料的生产过程中发挥着巨大作用。石油化工行业的高质量发展离不开催化材料的开发和应用。经过半个多世纪的研究攻关，我国催化材料实现了从无到有、由弱到强的快速发展。同时，催化材料新品种的研发和工业化经验不断丰富，绝大部分催化材料已实现国产化，整体技术达到国际先进水平，部分技术实现国际领先，有些技术成功出口海外，为石化工业发展提供了保障和支撑。随着中国能源结构不断调整、环保要求日趋严格以及“双碳”目标的提出，石油化工行业面临严峻挑战，急需低碳高效的新技术，其中加快开发新催化材料尤为重要。随着高通量计算、先进分析表征和评价技术的崛起，影响催化材料性质、催化作用的本质原因不断被揭示，催化材料的研发将以精准理性设计和可控制备为主要特征，从原子级尺度调控催化性能，为催化材料快速开发提供有效支撑。
针对高效精准催化目标，催化新材料发展还有许多科学问题和技术难题需要解决，研究模式也需要创新。本书从炼油化工的基础催化材料入手，针对石油化工中几个具有代表性的工艺单元，总结了石油化工催化材料的研究方法、创新思路，阐述了从反应特征、反应机理以及原料分子尺寸、目标产品的分子结构组成特点等明晰催化材料的构效关系到设计开发的原则，创制适合反应体系的高活性、高稳定性的催化材料及其成功的工业应用案例，以期为高性能催化新材料的开发提供参考和借鉴。本书涵盖了石油炼制中主要的催化剂和催化材料，主要分两个部分：第一部分为第一章至第三章，对石油化工中基础的催化材料进行分类和梳理，并介绍了新材料的开发成果，对催化材料的发展进行展望；第二部分为第四章至第七章，围绕石油化工行业中具有代表性的重整催化剂、生产芳烃的催化剂、催化裂化催化剂和催化加氢材料，从催化剂材料组成、催化剂制备方法和工业应用等方面进行了系统性总结。
本书由聂红负责框架设计、统稿、修改和定稿，由洪定一和刘海超审稿。第一章由聂红撰写；第二章由聂红、曾双亲撰写；第三章由邢恩会、夏长久、罗一斌、欧阳颖和王成强撰写；第四章由王春明和臧高山撰写；第五章由高宁宁、刘中勋、祁晓岚和王辉国撰写；第六章由宋海涛、刘倩倩、袁帅、周翔、沙昊、周灵萍和于善青撰写；第七章由聂红、李会峰和黄卫国撰写。杨清河、罗一斌、马爱增、王辉国和于善青参与了部分审稿工作。此外，鲍俊参与了本书的部分编写工作，对此书的修改提出了宝贵意见。
本书是在系统总结笔者团队多年来所承担的国家重点研发计划项目“适应国六清洁汽油生产关键技术”“适应国六清洁柴油生产关键技术”，国家科技支撑计划项目“劣质、重质原油高效转化”“符合国家第四阶段排放要求的清洁车用汽柴油关键生产技术”，国家重点基础研究发展计划（“973计划”）课题“石油炼制过程氢定向利用的化学和工程基础”“石油高效转化多级孔催化材料研究”“稀土型催化剂在清洁汽油生产中应用的工程基础研究”“清洁油品生产的化学和工程基础”“稀土催化材料的功能化和工程化基础研究”“催化加氢脱硫机理与新催化材料”，科技部研究专项基金项目“新型二甲苯异构化催化剂的研发”，国家自然科学基金项目“规整化多级孔沸石基催化剂对烃类大分子吸附、扩散和反应性研究”等多项国家级项目或课题研究结果的基础上编写而成的，包含了笔者团队所获得的多项相关国家级科技奖、中国专利奖金奖等成果内容，如PS-Ⅳ型（3961）连续重整催化剂的研制及工业应用（1999年国家科技进步奖二等奖）、甲苯与重质芳烃歧化与烷基转移成套技术及催化剂（2002年国家技术发明奖二等奖）、石脑油催化重整成套技术的开发与应用（2009年国家科技进步奖一等奖）、重油高效转化的加氢处理及其与催化裂化新型组合关键技术（2011年国家科技进步奖二等奖）、高效环保芳烃成套技术研发与应用（2015年国家科技进步奖特等奖）、活性相定向构建及复杂反应分级强化的柴油高效清洁化关键技术（2019年国家技术发明奖二等奖）、一种降低重质原料油中沥青质和残炭含量的方法（2020年中国专利奖金奖）等。本书介绍的新材料研发思路和方法，催化剂应用中的工程问题、应用实践等，对相关领域的科学研究、技术开发和工业生产都有较强的指导和参考价值，希望对广大读者在基础研究和催化材料的开发等方面有所帮助。
本书参考了国内外同行撰写的相关文献，在此表示衷心的感谢。本书虽经多次审查、讨论和修改，由于笔者水平有限，仍难免有不足之处，敬请广大读者批评指正。

聂红
2024年2月

第一章 绪论	001
第一节　石油化工催化材料的分类	002
一、氧化铝及其改性材料	004
二、分子筛	006
三、其他材料	007
第二节　催化材料在石油化工中的应用	009
一、重整催化剂	009
二、生产芳烃催化剂	010
三、催化裂化催化剂	012
四、加氢催化剂	013
第三节　石油化工催化材料的发展趋势	015
参考文献	017

第二章 氧化铝材料	023
第一节　概述	024
第二节　氧化铝的基本性质	026
第三节　氧化铝的形态及其前身物	026
第四节　氧化铝晶体结构、表面化学性质及孔性质	031
一、γ-氧化铝和η-氧化铝的晶体结构	031
二、γ-氧化铝和η-氧化铝的表面化学性质	032
三、氧化铝的孔性质	037
第五节　改性氧化铝	040
一、热处理方法	040
二、化学改性	048
第六节　氧化铝前身物的生产方法	060
一、NaAlO2-Al2(SO4)3法	061
二、NaAlO2-CO2中和法	065
三、醇铝水解法	068
四、铝盐-氨水中和法	070
第七节　氧化铝载体生产方法	071
一、氧化铝载体成型	072
二、氧化铝载体热处理	078
第八节　总结与展望	082
参考文献	083

第三章 分子筛催化材料	089
第一节　概述	090
一、沸石分子筛及其发展历程	090
二、分子筛合成与改性	093
三、分子筛催化剂在石油炼制与石油化工中的应用	095
第二节　支撑催化裂化技术的分子筛材料	098
一、重油转化Y型分子筛系列	098
二、催化裂化辛烷值助剂	102
三、催化裂化丙烯助剂	104
四、催化裂化丁烯助剂	109
第三节　支撑催化加氢技术的分子筛材料	112
一、支撑加氢裂化的超稳Y型分子筛	112
二、润滑油异构降凝ZIP分子筛	113
第四节　支撑石油化工技术的分子筛材料	114
一、AEB系列乙烯与苯液相烷基化催化剂	114
二、空心钛硅分子筛（HTS）催化氧化新材料	116
第五节　总结与展望	118
参考文献	119

第四章 重整催化新材料	121
第一节　概述	122
第二节　重整催化剂及工艺介绍	124
一、半再生重整	126
二、连续（再生）重整	126
第三节　重整催化剂的制备与表征	127
一、载体的制备	128
二、金属组元的引入	132
三、重整催化剂的表征	134
第四节　重整催化剂的再生过程	146
一、重整催化剂的烧焦	146
二、催化剂的氯化更新	147
三、催化剂的还原	149
四、催化剂的预硫化	150
五、重整催化剂的再生方式	150
第五节　重整催化剂的开发应用	152
一、铂锡催化剂	152
二、铂铼催化剂	156
第六节　总结与展望	158
参考文献	159

第五章 生产芳烃的催化新材料	165
第一节　概述	166
第二节　C8芳烃异构化催化新材料	167
一、C8芳烃异构化反应	167
二、C8芳烃异构化催化剂	176
三、C8芳烃异构化催化剂应用	182
四、C8芳烃异构化催化材料及催化剂技术发展	185
第三节　甲苯歧化与烷基转移反应中的分子筛合成技术	185
一、用于纯甲苯歧化反应的ZSM-5分子筛	186
二、用于甲苯与C9+芳烃歧化和烷基转移反应的丝光沸石分子筛	193
三、用于重质芳烃原料轻质化反应的β型分子筛	196
第四节　C8芳烃分离吸附新材料	199
一、用于二甲苯吸附分离的FAU分子筛	200
二、其他二甲苯吸附分离材料	208
第五节　总结与展望	210
参考文献	211

第六章 催化裂化新材料	221
第一节　概述	222
一、催化裂化反应化学及理论基础	222
二、催化裂化材料分类	224
第二节　催化裂化催化剂FAU结构分子筛主活性组分材料	225
一、FAU结构分子筛的结构与组成	225
二、FAU结构分子筛的主要性能及表征方法	225
三、FAU结构分子筛的改性方法及工艺原理	228
第三节　催化裂化催化剂MFI结构分子筛助活性组分材料	238
一、MFI结构分子筛的结构与组成	238
二、MFI结构分子筛的改性及其在催化裂化催化剂中的应用	239
三、中空富铝纳米ZSM-5分子筛用于环烷烃高选择性增产低碳烯烃	240
第四节　催化裂化催化剂基质材料	241
一、催化裂化催化剂基质材料的发展	241
二、催化裂化催化剂基质材料的分类、性质及作用	242
三、催化裂化催化剂黏土矿物基质材料及其应用	245
四、催化裂化催化剂黏结剂基质材料及其应用	249
第五节　催化裂化催化剂的开发及应用	255
一、催化裂化催化剂的研究进展概述	255
二、催化裂化催化剂的工业生产流程	256
三、催化裂化新催化剂的开发及应用	257
第六节　催化裂解催化剂的开发及应用	271
一、催化裂解催化剂的研究进展	271
二、催化裂解新催化剂的开发及应用	272
第七节　催化裂化环保助剂材料	278
一、CO助燃材料	278
二、烟气脱SOx材料	279
三、烟气脱NOx材料	283
四、多效组合降低烟气中SOx、NO和CO的材料	287
第八节　总结与展望	288
参考文献	289

第七章 催化加氢新材料	295
第一节　催化加氢材料基本概念和分类	296
第二节　催化加氢材料设计原理	297
一、载体表面结构性质的影响	298
二、金属前驱体分子结构的影响	301
三、载体表面结构性质和金属前驱体分子结构的共同影响	305
四、硫化过程参数的影响	307
五、引入有机物的作用	309
第三节　催化加氢材料结构特点与分析表征	311
一、催化加氢材料结构特点	312
二、催化加氢材料结构的分析表征	315
第四节　催化加氢材料的生产与制备	320
一、浸渍条件对加氢催化剂生产与制备的影响	321
二、干燥条件对加氢催化剂生产与制备的影响	323
三、焙烧条件对加氢催化剂生产与制备的影响	323
四、柠檬酸的引入方式对加氢催化剂生产与制备的影响	325
五、加氢催化剂开发的基本流程和技术平台	326
第五节　催化加氢材料应用	327
一、在清洁汽油生产中的应用	327
二、在清洁柴油生产中的应用	329
三、在重油高效转化中的应用	334
第六节　多产化工原料型催化加氢材料的特点与应用	340
一、多产化工原料型加氢催化剂的特点	341
二、酸性材料对催化剂性能的影响	342
三、金属组分对催化剂性能的影响	349
四、多产化工原料型以及调整柴汽比加氢催化剂的应用	351
第七节　润滑油异构脱蜡催化加氢材料的特点与应用	356
一、润滑油异构脱蜡催化剂	356
二、异构脱蜡催化材料设计原理	358
三、异构脱蜡加氢催化剂的生产与制备	359
四、异构脱蜡加氢催化剂应用	360
第八节　催化加氢材料的回收与利用	362
一、废加氢催化剂的再生与利用	363
二、加氢催化剂的梯级利用技术	365
三、废加氢催化剂的金属回收与利用	366
第九节　总结与展望	368
参考文献	370

本书缩写符号表	381

索引	382