2012CB720300.-乙炔法聚氯乙烯生产过程的高效、节能、减排科学基础.doc

项目名称：乙炔法聚氯乙烯生产过程的高效、节能、减排科学基础首席科学家：张金利 天津大学起止年限：2012.1-2016.8依托部门：新疆生产建设兵团科技局一、关键科学问题及研究内容（一）拟解决的关键科学问题1热等离子体裂解煤直接制乙炔的热化学转化规律和定向控制原理研究热等离子体超高温环境下煤裂解制乙炔的微观反应机理、煤质依赖性和淬冷过程的影响，建立提高煤粉转化率和产品气收率的定向控制原理；完善基于煤粉颗粒尺度的多相运动、传递和反应机制的跨尺度理论模型，实现对三维复杂几何反应器的数值模拟，为工业中试反应装置的模拟和放大研究奠定基础；建立等离子体裂解煤全流程的热力学分析和动力学约束条件的理论架构，提出等离子裂解煤制乙炔的过程控制策略与能量综合利用的有效方案。2乙炔氢氯化反应非汞催化材料制备-结构-性能关系与反应工程基础系统地从载体、活性组分、助剂、制备方法、反应条件等角度，深入到分子水平上认识乙炔氢氯化反应非汞催化剂的性能影响规律，获得催化材料组成-结构-电子性质-催化性能的本质关系，形成非汞催化剂制备与再生的方法；研究反应器与催化剂再生器的匹配规律，获得反应器与催化剂再生器内流场、温度场与浓度场的控制规律，形成反应器优化与放大方法。3PVC产品高值化与生产过程系统集成的科学基础PVC产品高值化：研究PVC的分子结构、聚集态结构与形貌、特种功能填料等多层次构效关系对PVC树脂纯度、热稳定性、加工性能和综合机械力学性能的影响规律，获得实现PVC树脂高值化的方法。生产过程系统集成：研究投资、安全、能耗、物耗和环境等不同目标的关键指标的表达形式，结合质量流网络、能量流网络和信息流网络，研究不同尺度单元（设备、车间、工厂）多目标之间的转换关系，研究设备数值优化方法、夹点技术、跨夹点技术和多目标优化技术相结合构建多目标全局优化过程集成理论及其求解方法。（二）主要研究内容1. 热等离子体煤裂解制乙炔的转化规律与定向控制（1）考察等离子体反应器设计、裂解气氛、裂解时间、煤种等因素对煤的高温快速热解过程影响，并与常规条件下煤的热解产物比较，全面认识煤的热解特性。（2）探讨反应器物理和化学淬冷过程原理及能量综合利用策略，裂解后煤的物理和化学反应特性，指导裂解后煤的合理、高价值利用。（3）完善基于煤粉颗粒尺度传热和脱挥发分模型，以及煤粉运动与高温气体湍流流动的跨尺度模型，形成复杂多相反应流的物理模型和三维模拟基础。（4）针对大功率等离子体反应器，提出高效气固混合技术和放大原理，建立等离子体裂解煤全流程的热力学分析和经济性评价。（5）进行工业试验验证。2乙炔氢氯化合成氯乙烯的非汞催化材料与反应工程（1）研究非汞催化剂制备与再生方法，包括载体的制备与改性、活性组分与热稳定性助剂的设计与筛选、催化剂制备方法、反应条件、还原条件等对乙炔氢氯化反应非汞催化剂的性能影响规律。（2）模拟计算与原位实验相结合，研究催化剂反应与失活的化学机制。（3）研究物性参数、操作参数和结构参数对反应器与催化剂再生器的匹配规律和反应器与催化剂再生器内流场、温度场与浓度场的控制规律的影响。（4）研究纳微尺度的相间传递规律和多场耦合关系，研究相间传递模型和反应器放大与优化模型的构建与求解方法。（5）制备工业化试验催化剂，进行工业试验。3氯化钠电解过程节能的电催化与反应工程基础（1）研究SnO2、ZrO2、IrO2等掺杂的钌钛氧化物上析氯和析氧反应前线轨道的匹配性，建立RuO2、TiO2、SnO2、ZrO2、IrO2单独以及掺杂钌钛氧化物后几何、电子构型演化关系及析氯和析氧反应效率关联式，获得析气选择性调控的新型DSA阳极制备方法。（2）研究镍基合金催化剂的催化析氢机理，建立镍基合金组成、结构与析氢活性的定量构效关系；研究碱性介质中镍基合金催化剂被腐蚀的量子化学原因，建立阴极型稳催化电极可控制备基础理论。（3）采用纳米构筑和复合电沉积技术，制备具有高析氢活性和稳定性的催化析氢电极。通过对载体孔径分布、微观立体结构以及表面基团的合理调控，改善传质过程，保证催化剂高效地分散在固/液界面上以取得最大催化效率。（4）基于电解过程和流体动力学的基本规律，探讨雷诺数对电解过程的影响，确定层流流态和紊流流态对电解析气性能的影响；研究电极表面微观结构与气体产生，电位、电流微观分布关系，确定电解过程流体动力学参数，提出高效析气电极设计理论与方法。4高值化PVC树脂多层次构效关系研究和品质调控（1）研究聚合配方、聚合温度、单体转化率和杂质等对PVC分子量、分子量分布及其分子序列结构影响规律，减少结构缺陷，实现通用PVC树脂的质量提升，使加工性能、热稳定性、单体残留率等质量指标的显著提高。（2）通过研究PVC聚合工艺和聚合配方对PVC树脂的颗粒粒径、粒度分布、皮膜结构，孔隙率的影响，优化PVC树脂的颗粒形态，提高材料的塑化加工性能和物理力学性能。（3）研究添加专用填料（如抑烟剂、增强剂、纳米填料等）对聚合过程及树脂结构、形貌和性能的影响，探讨原位制备新型高值化PVC树脂的新途径。（4）进行工业聚合试验，制备3种高值化树脂。5PVC高效清洁生产过程多目标优化的集成理论与方法（1）研究PVC生产过程关键设备数值优化方法。（2）研究投资、安全、能耗、物耗和环境等不同目标的关键指标的表达形式，研究不同尺度单元（设备、车间、工厂）多目标之间的转换关系。（3）研究设备数值优化方法、夹点技术、跨夹点技术和多目标优化技术结合模式，构建多目标优化的集成理论与计算方法。（4）对乙炔法PVC生产过程进行过程集成，工业试验，形成PVC高效清洁生产新过程。二、预期目标（一）总体目标揭示热等离子体裂解煤直接制乙炔的热化学转化规律和定向控制原理，获得乙炔氢氯化反应非汞催化材料制备-结构-性能关系，形成PVC生产过程电解节能、产品高值化与系统集成的方法，为乙炔法 PVC高效清洁生产和产品高值化提供科学基础；推动2 3项具有自主知识产权的重大技术创新，工业试验，形成能源、资源高效洁净利用的乙炔法PVC生产新工艺，为1000万吨/年乙炔法PVC减排汞980吨/年、减排二氧化碳7000万吨/年、减少能耗折标煤140万吨/年、减少水耗900万吨/年提供重要的技术支持；建立国际领先的乙炔法PVC研发平台并形成该领域创新研究团队，促进过程工程学科的发展，提升我国流程工业高效、节能、减排的科学与技术水平，使我国在PVC高效清洁生产和高值化的科学和技术方面居国际领先地位。（二）五年预期目标1. 理论层面（1）在煤定向转化制乙炔的研究方面取得突破，认识等离子体裂解煤的微观反应机理，明确过程的煤质依赖性和工艺条件的优化原则；建立提高煤粉转化率以及产品气收率的科学基础，建立大功率等离子体反应器放大的科学准则。（2）在乙炔氢氯化反应非汞催化过程的研究方面取得突破，深入认识非汞催化材料制备-结构-性能关系，发展非汞催化剂制备与再生方法，建立反应器数值设计与放大模型，丰富乙炔氢氯化反应新催化体系的理论。（3）从分子水平认识氯化钠电解过程中电化学机理和微流场的流动机制，提出通过流场与催化电解耦合，降低电解过程过电位的新方法，在氯化钠电解过程节能的电催化与反应工程基础研究中取得重要进展。（4）建立PVC树脂的各层次结构与聚合反应体系组成及工艺之间的关系，确定各层次结构的调控方法，提高对PVC树脂多层次构效关系的认识水平，丰富PVC的可控聚合理论，为我国乙炔法PVC的高值化提供新途径。（5）综合考虑投资、安全、能耗、物耗和环境等因素的相互影响，获得多目标全局优化的过程集成理论与计算方法。2技术层面（1）形成煤高效率转化为乙炔的煤种筛选、反应控制技术及其关键设备设计方法，建设并完善大功率等离子体煤制乙炔工业试验平台，完成工业试验验证，较电石法制乙炔综合能耗减少20%以上。（2）掌握乙炔氢氯化非汞催化剂的制备方法，制备1-2种用于工业化试验的非汞催化剂，通过对反应器和再生器的组合设计，实现催化剂的再生，催化剂寿命2000小时，乙炔转化率90%，氯乙烯选择性98%，完成工业试验验证，为2020年全球禁汞后乙炔法聚氯乙烯的生产提供技术基础。（3）获得高效DSA阳极的制备工艺和高效催化析氢阴极的制备方法，实现降低能耗的目的；与传统电极相比，电解能耗降低10-25%。（4）制备出3种高值化PVC树脂，完成工业试验验证。（5）过程集成PVC生产过程，工业试验节能、节水和减排各10%以上。3发表论文和人才培养（1）出版学术专著1-2部，发表高水平学术论文140篇；申请发明专利25项。（2）培养造就PVC领域的高水平创新团队，包括5-10名本领域学术带头人。（3）培养博士生25-30人，硕士生50-60名。三、研究方案（一）学术思路本项目以乙炔法PVC高效清洁生产和高值化为目标，在“分子层次认识-可控转化、构筑与工艺创新，多场耦合规律认识-跨尺度强化，过程集成方法创新-多目标全局优化”学术思想指导下，从化工、材料、化学、环境、力学、数学、物理等学科交叉协同的角度，围绕着（1）热等离子体裂解煤直接制乙炔的热化学转化规律和定向控制原理，（2）乙炔氢氯化反应非汞催化材料制备-结构-性能关系与反应工程基础，（3）PVC产品高值化与生产过程系统集成的科学基础；这3个关键的科学问题进行研究。本项目的学术思路与总体研究方案可以概括为图3所示。“分子层次认识-可控转化、构筑与工艺创新，多场耦合规律认识-跨尺度强化，过程集成方法创新-多目标全局优化”学术思想主要内容为：（1）“分子层次认识-可控转化、构筑与工艺创新”指在分子层次上系统认识乙炔氢氯化、煤热解、氯化钠电解、氯乙烯聚合反应的本质和聚氯乙烯高分子多级结构的形成与转变规律，实现上述反应的可控转化和高分子结构的可控构筑，从源头创新工艺以达到过程本质上的高效、节能与减排；（2）“多场耦合规律认识-跨尺度强化”指对多相体系的流动、传质、传热与反应之间的复杂关系进行系统、定量研究，获得描述从纳微尺度到设备尺度的相间传递的数学模型，反应与相间传递的耦合影响模型，基于计算流体力学和数值模拟技术，形成跨尺度的设备数值优化与放大方法，跨尺度强化，实现每个独立单元的高效、节能、减排；（3）“过程集成方法创新-多目标全局优化”指研究投资、安全、能耗、物耗和环境等不同目标的关键指标的表达形式，结合质量流网络、能量流网络和信息流网络，研究不同尺度单元（设备、车间、工厂）多目标之间的转换关系，采用PVC生产过程设备数值优化方法、夹点技术、跨夹点技术和多目标优化技术相结合，形成多目标全局优化的过程集成理论与计算方法，以使生产过程的能源、资源得到最大限度的利用，实现高效、节能、减排的全局优化。国家重大需求（1）流程工业的高效、节能、减排需求（2）高新技术提升PVC产业发展的需求（3）新疆地区跨越式发展与长治久安的要求技术瓶颈（1）煤基乙炔清洁生产技术（2）乙炔氢氯化反应非汞催化技术（3）高端PVC聚合技术（4）多目标全局优化技术关键科学问题（1）热等离子体裂解煤直接制乙炔的热化学转化规律和定向控制原理（2）乙炔氢氯化反应非汞催化材料制备-结构-性能关系与反应工程基础（3）PVC产品高值化与生产过程系统集成的科学基础（1）分子层次认识可控转化、构筑与工艺创新（2）多场耦合规律认识跨尺度强化（3）过程集成方法创新多目标全局优化学术思想课题分解解决科学问题一：课题1. 热等离子体煤裂解制乙炔的转化规律与定向控制解决科学问题二：课题2. 乙炔氢氯化合成氯乙烯的非汞催化材料与反应工程解决科学问题三：课题3. 氯化钠电解过程节能的电催化与反应工程基础课题4. 高值化PVC树脂多层次构效关系与品质调控课题5. PVC高效清洁生产过程多目标优化的集成理论与方法预期目标乙炔法PVC高效清洁生产和产品高值化研究对象我国乙炔法PVC产业图3 总体学术思路与研究方案图（二）技术途径本项目将综合化工、材料、化学、环境、力学、数学、物理等学科的技术手段，对乙炔法PVC生产过程从微观到宏观、理论到技术、小试到工业试验等不同层面展开研究，以保障项目科学和技术目标的实现。拟采用的技术途径为：1. 建立等离子体裂解煤毫秒级反应评价装置，从煤粉元素组成和化学结构出发，全面认识煤的超高温转化特性，建立提高煤粉转化率以及产品气收率的科学基础；通过淬冷剂、淬冷方式的选择定向控制产品气各组成的选择性；完善耦合煤粉颗粒尺度三传一反行为的跨尺度气固反应流物理模型和模拟技术，建立大功率等离子体反应器的高效气固混合技术和放大原理；形成等离子体裂解煤反应流程的热力学分析和动力学约束条件的理论架构，为工业中试的物料及能量综合利用提供科学指导；进行工业试验验证。2. 选择或制备适宜的催化剂载体，通过浸渍法等负载不同活性组分，制备出系列催化剂，采用微反-色谱联用仪评价催化剂的反应性能，筛选出适宜的催化剂；利用N2吸附、XRD、SEM、TEM、TPR、TPD、XPS等手段，研究催化剂结构、形貌等参数与催化性能之间的内在关系；采用分子模拟和原位表征技术相结合研究催化反应及失活机理，建立动力学模型，进行工业试验验证，为催化剂的优化使用及工业开发提供理论依据。3. 采用平板模型模拟氧化物表面的几何构型，计算单纯氧化物，掺杂氧化物的能带结构、态密度、前线分子轨道、Fermi能级以及表明金属的净电荷数等，揭示掺杂金属氧化物对电子构型的影响；依据前线分子轨道理论研究外加电场条件下，多元复合催化剂组分之间相互键合及协同作用机制，建立催化材料可控制备基础理论；利用纳米调控以及复合电沉积技术制备高活性、且对析氯具有高选择性的DSA阳极，制备低过电位、高稳定性的析氢阴极；通过研究层流流态和紊流流态对电解析气性能的影响，建立电极表面微观结构与气体产生，电位、电流微观分布关系，提出高效析气电极结构设计理论与方法。4. 采用悬浮聚合路线，研究PVC聚合工艺和聚合配方对PVC单体转化率、序列结构、分子量、分子量分布及其结构、树脂的亚颗粒子堆砌状态、颗粒形状、粒径和皮膜结构的影响规律，在分子和聚集态层面上揭示改善PVC树脂纯度、热稳定性、加工性能、综合机械力学性能等关键品质和内在本质因素；通过研究釜内添加特种功能性填料，探讨开发新型高值化PVC树脂的新途径；对研制的3种高值化PVC树脂，进行工业聚合试验。5. 采用高速摄像方法研究液滴、气泡的分散与聚并行为，采用三维PIV技术研究多相流动过程，采用化学反应方法研究相间传质行为，采用温度场测定和热通量测量相结合的方法研究传热行为，采用计算流体力学、数值传热学、数值传质学与反应动力学模型相结合构建设备的数值优化与放大方法，实验验证完善该方法。6. 采用归一化技术，建立投资、安全、能耗、物耗和环境不同目标相互转换关系，采用循环嵌套技术形成不同尺度多目标之间的转换关系，采用设备数值优化与放大技术、夹点技术、跨夹点技术和多目标优化技术，形成多目标全局优化的过程集成理论与方法。7. 对本项目研究的乙炔法PVC生产过程进行过程集成，形成PVC高效清洁生产新过程，并在新疆天业（集团）有限公司的PVC装置上进行工业试验验证，完善与发展PVC清洁生产多目标全局优化的过程集成理论与方法。本项目技术途径汇总描述如图4所示。乙炔法PVC高效清洁生产与高值化预期目标技术特征高效、节能、减排产品高值化氯化钠电解节能煤直接制乙炔无汞催化制氯乙烯过程强化与过程集成高值化PVC可控聚合技术途径理论层面技术层面分子模拟、理论分析、系统建模、求解方法、数值优化与放大搭建装置、测试分析、归纳规律、工业试验、验证与完善理论理论创新技术创新技术方案学科支撑化工、材料、化学、环境、力学、数学、物理等学科图4 技术途径简图 （三）课题设置针对乙炔法PVC高效清洁生产和产品高值化过程的关键科学问题，本项目拟设置5个课题予以解决。课题1. 热等离子体煤裂解制乙炔的转化规律与定向控制研究目标： （1）认识等离子体裂解煤的微观反应机理，明确过程的煤质（原料）依赖性和工艺条件的优化原则；（2）建立提高煤粉转化率以及产品气收率的科学基础，并在大功率等离子体反应器工业中试平台上提供可行的技术手段；（3）建立等离子体裂解煤全流程的热力学分析，着重解决毫秒级反应过程的物料和能量综合利用；（4）建立大功率等离子体反应器放大的科学准则；（5）建设并完善大功率等离子体煤制乙炔工业试验平台，完成工业试验验证，较电石法制乙炔综合能耗减少20%以上；（6）发表论文20篇，申请国家发明专利5项，培养中青年学术带头人1名，培养博士生3-4名、硕士生3-6名。研究内容：（1）等离子体裂解煤反应机理和煤质依赖性实验研究建立自主研发的等离子体裂解煤装置以及反应全系统，考察等离子体反应器设计、裂解气氛、裂解时间、煤种等因素对煤的高温快速热解过程影响，并与常规条件下煤的热解产物比较，全面认识煤的热解特性。尤其，从物质的分子结构角度探究煤粉特性对等离子体裂解煤过程的影响，建立提高煤粉转化率以及产品气收率的科学基础，并在大功率等离子体反应器工业中试平台上提供可行的技术手段。（2）等离子体反应器物理和化学淬冷过程原理及能量综合利用从毫秒级超高温反应过程淬冷单元的微观物理和化学作用的角度，对气固两相高温流动的淬冷设计提出合理的科学指导，并通过实验验证和理论分析确定淬冷剂、淬冷方式选择对产品气组成和收率的影响，提出实现淬冷能量综合利用的有效方案。（3）等离子体裂解煤过程的跨尺度多相反应流动模型和三维数值模拟基于等离子体裂解煤的物理、化学过程的多相流动和反应机理，完善描述煤裂解过程中基于煤粉颗粒尺度的运动、传热、脱挥发分、气相反应和气固相反应，并实现三维实际反应器几何的数值模拟，预测多相反应流场的详细内部信息，为工业中试反应装置的模拟和放大研究奠定基础。（4）大功率等离子体反应器的高效气固混合技术和放大原理在上述跨尺度多相流计算流体力学的基础上，研究大功率氢等离子体流场环境下的高效气固混合技术，如混合腔几何设计、多煤粉喷嘴的空间设计、煤粉入口混合段的几何结构优化等；提出毫秒级超高温反应器的放大原理，直接用于指导和改进现有工业中试装置的设计和放大。（5）等离子体裂解煤全流程的热力学分析和经济性评价基于元素守恒建立等离子体裂解煤全流程的热力学分析和动力学约束条件的理论架构，从可用能分析的角度确定全流程各个子环节设计和改进对整个过程物料、能量利用效率的作用，基于理论分析建立等离子体裂解煤过程的经济性评价基础，并与工业中试的实际数据进行对比分析。经费比例：15.20%承担单位：清华大学，新疆天业（集团）有限公司课题2. 乙炔氢氯化合成氯乙烯的非汞催化材料与反应工程研究目标：（1）掌握载体、助剂和制备方法对催化剂性能的影响机理，获得催化剂的定向制备原理，开发出新型高效非汞催化剂；（2）阐明非汞催化乙炔氢氯化的反应机理，建立催化反应动力学模型；（3）获得乙炔氢氯化非汞催化剂的失活机理与再生技术；（4）获得乙炔氢氯化非汞催化反应器、再生器的设计与放大模型；（5）制备1-2种用于工业化试验的非汞催化剂，工业试验验证，催化剂寿命2000小时，空速36 h-1，乙炔转化率90%，氯乙烯选择性98%；（6）发表论文40篇以上，申请国家发明专利5-8项，培养中青年学术带头人1-2名，培养博士生7-8名、硕士生14-16名。研究内容：（1）催化剂研究通过调变催化剂活性组分、载体选择及其制备方法研究，制备不同结构类型的多组分催化剂，研究催化剂制备方法，结合多种表征技术，研究催化剂活性、尺寸效应、活性组分与载体之间的相互作用、催化剂的微观结构和表面性质等因素与活性和选择性之间的关系。（2）乙炔氢氯化非汞催化反应机理和动力学的研究利用密度泛函理论（DFT）方法，研究活性组分团簇表面与载体表面乙炔氢氯化过程，考察C2H2、HCl、CH2CHCl等在活性组分团簇表面与载体表面的吸附、脱附情况，以及可能的断键和成键情况；并结合原位表征技术，研究催化剂对乙炔氢氯化反应的催化作用机理。同时根据实验结果研究本征动力学，建立动力学模型。（3）非汞催化剂失活机理与再生方法研究对优选的非汞催化剂进行长时间使用寿命评价。采用量化计算与X射线光电子能谱、原位红外和高分辨率透射电镜等实验表征手段相结合的方法，研究非汞催化剂的失活机理，分析催化剂失活与其组成、几何结构以及电子性质间的本质联系，探寻抑制其失活的关键环节。进而根据失活机理，研究并获得有效的再生方法。（4）乙炔氢氯化非汞催化反应器与再生器的设计与放大模型研究与非汞催化剂匹配的适宜反应器的形式与结构，形成反应器与再生器优化设计与放大的模型。建立反应器与催化剂再生装置的能量利用及连锁控制的耦合模型，实现反应过程的强化。（5）非汞催化过程的工业试验进行工业侧线试验，考察真实工业气体中微量杂质对催化剂活性与寿命的影响规律，完善催化剂的制备方法。研究催化剂的放大制备技术，对优选的非汞催化剂进行放大制备；优化工业实验操作条件，形成新的非汞催化乙炔氢氯化工艺，建造优化设计的反应器系统，在新疆天业（集团）有限公司进行工业试验验证。经费比例：32.22%承担单位：石河子大学，天津大学，中国科学院大连化学物理研究所课题3. 氯化钠电解过程节能的电催化与反应工程基础研究目标：（1）揭示SnO2、ZrO2、IrO2等掺杂的钌钛氧化物几何、电子构型演化关系，及其与析氯和析氧反应效率的关系，获得高效DSA阳极的电催化基础理论；（2）揭示催化剂多元复合组分之间相互键合及协同作用机制，建立催化电极可控制备基础理论；（3）通过纳米构筑和复合电沉积技术获得的新型催化电极，使电解能耗降低10-25%；（4）发表论文 30 篇，申请国家发明专利 6 项，培养中青年学术带头人1-2名，培养博士生5-7名、硕士生12-14名。研究内容： （1）形稳阳极高选择性催化的量化机理采用密度泛函理论DFT研究具有不同电子、几何构型的SnO2、ZrO2、IrO2等掺杂的钌钛氧化物上析氯和析氧反应前线轨道的匹配性；建立RuO2、TiO2、SnO2、ZrO2、IrO2单独以及掺杂钌钛氧化物后几何、电子构型演化关系，并将其与析氯和析氧反应效率相关联。（2）高选择性形稳阳极的结构设计根据RuO2的损耗机理，通过研究析氯和析氧中间物种对不同氧化物活性位的影响，建立析氯和析氧反应同氧化物涂层稳定性关系。通过纳米调控和复合电沉积技术制备出高选择性和耐腐蚀的新型DSA。（3）高活性阴极析氢机理模拟与分子设计基于量子化学计算和分子动力学模拟，研究不同镍基合金(Ni-P、Ni-S、Ni-M-P/S、M=Mo、Zn、Co、W、Fe、Cr、Sn等)催化剂的催化析氢机理，建立镍基合金组成、结构与析氢活性的定量构效关系。研究碱性介质中镍基合金催化剂被腐蚀的量子化学原因，寻找提高催化剂稳定性的关键因素。分析催化剂多元复合组分之间相互键合及协同作用机制，建立催化电极可控制备基础理论。（4）高活性、稳定性析气电极的构筑基于电解过程和流体力学的基本规律，确定电极表面微观结构与气体产生，电位、电流微观分布关系，采用纳米构筑和复合电沉积技术，制备具有高析氢活性和稳定性的催化析气电极，降低电解过程中电极的过电位；通过对载体微观立体结构以及表面基团的合理调控保证催化剂的有效分散以取得最大能量利用效率。经费比例：14.29%承担单位：重庆大学，新疆天业（集团）有限公司课题4. 高值化PVC树脂多层次构效关系与品质调控研究目标： （1）建立PVC树脂的各层次结构与聚合反应体系组成及工艺之间的关系，确定各层次结构的调控方法，突破PVC树脂质量提升的技术关键；（2）提高对PVC树脂多层次构效关系的认识水平，丰富PVC的可控聚合理论；（3）制备出3种高值化PVC树脂，完成工业试验验证；（4）发表论文30篇以上，申请国家发明专利5-6项，培养中青年学术带头人1-2名，培养博士生5-6名、硕士生10-12名。研究内容：（1）PVC 聚合工艺与分子结构性能关系采用悬浮聚合路线，控制加料顺序，研究聚合配方、聚合温度、浓度因素和分散剂因素等对PVC单体转化率、序列结构、分子量、分子量分布及其结构的影响规律，研究在分子层面上上述因素对PVC树脂纯度、热稳定性、综合机械力学性能等质量指标显著提高的相互关系。（2）PVC 树脂颗粒尺寸及形貌控制研究PVC聚合工艺和聚合配方对PVC树脂的亚颗粒子堆砌状态、颗粒形状、粒径和皮膜结构的影响规律，建立聚合配方和工艺与颗粒结构形貌、树脂塑化性能、吸油率及其它性能之间关系，通过PVC树脂颗粒尺寸和形貌控制提升通用PVC树脂的塑化加工性能和综合力学性能。（3）原位聚合改善树脂品质通过在聚合物过程中原位添加特种功能性组份，如抑烟剂，增强剂，纳米填料等实现其功能化和高性能化，在此过程中，研究添加功能性组份后对聚合工艺和树脂多层次结构的影响，揭示原位PVC聚合规律，探讨开发新型高值化PVC树脂的新途径。（4）工业聚合试验对优选的3种新型高值化PVC树脂的制备，进行工业试验，完善高值化PVC树脂多层次构效关系与品质调控方法。经费比例：19.43%承担单位：中国科学院化学研究所、北京化工大学、石河子大学课题5. PVC高效清洁生产过程多目标优化的集成理论与方法研究目标： （1）获得PVC生产过程关键设备中流动与传递规律，得到其数值优化与放大方法；（2）综合考虑投资、安全、能耗、物耗、环境等因素的相互影响和不同尺度单元多目标之间的转换关系，形成多目标全局优化的过程集成理论与计算方法；（3）对PVC生产过程进行过程集成，工业试验节能、节水和减排各10%以上；（4）发表论文20篇以上，申请国家发明专利5-8项，培养中青年学术带头人1-2名，培养博士生5-6名、硕士生10-12名。研究内容：（1）PVC生产过程关键设备数值优化方法的研究采用高速摄像方法研究液滴、气泡的分散与聚并行为，采用三维PIV技术研究多相流动过程，采用电化学和化学反应的方法研究相间传质行为，采用温度场测定和热通量测量相结合的方法研究传热行为，采用计算流体力学、数值传热学与传质学相结合构建设备的数值优化与放大方法，通过实验验证，完善数值放大方法；以此为工具，对PVC生产过程关键非反应设备进行优化。将上述模型与反应动力学模型相结合，对PVC生产过程反应设备进行优化。将以上两种设计模型固化为PVC生产过程设备数值优化方法。（2）多目标全局优化的过程集成理论与方法的构建综合考虑投资、安全、能耗、物耗和环境等因素的相互影响，研究投资、安全、能耗、物耗和环境等不同目标的关键指标定义和数学表达形式，结合质量流网络、能量流网络和信息流网络，研究不同尺度单元（设备、车间、工厂）多目标之间的转换关系，研究热泵、废物处理等跨夹点技术，采用PVC生产过程设备数值优化方法、夹点技术、跨夹点技术和多目标优化技术相结合，形成多目标全局优化的过程集成理论与计算方法。（3）PVC生产过程的过程集成利用形成的多目标全局优化过程集成理论与方法，对本项目研究的乙炔法PVC生产过程进行过程集成，形成PVC高效清洁生产新过程，并在新疆天业（集团）有限公司的PVC装置上进行工业试验验证，完善与发展PVC清洁生产多目标全局优化的过程集成理论与方法。经费比例：18.86%承担单位：天津大学、新疆天业（集团）有限公司，复旦大学四、年度计划年度研究内容预期目标第一年1、设计、搭建、调试等离子体裂解煤实验装置，针对新疆典型的煤种（黑山煤），考察等离子体煤裂解过程的宏观影响因素。2、研究活性炭、SiC等催化剂载体的制备方法与催化剂浸渍制备方法，研究板翅式反应器的传热规律，研究AuCl3催化乙炔氢氯化的反应机理。3、研究具有不同电子、几何构型的SnO2、ZrO2、IrO2等掺杂的钌钛氧化物上析氯和析氧反应前线轨道的匹配性；建立RuO2、TiO2、SnO2、ZrO2、IrO2单独以及掺杂钌钛氧化物后几何、电子构型演化关系，并将其与析氯和析氧反应效率相关联。4、制备一系列具备不同结构的PVC树脂，研究PVC树脂的多层次结构的影响规律。采用原位悬浮聚合路线，在聚合前添加抑烟剂，原位聚合制备PVC/抑烟剂复合树脂。5、研究PVC生产过程关键设备的流动与传递规律、喷射式热泵性能影响规律，研究设备尺度上投资、安全、能耗、物耗和环境各个目标的表达形式及多目标间的转换方法，研究光催化HCl对苯乙炔的加成反应。1、总结等离子体裂解煤的宏观反应规律，明确过程的工艺优化原则。2、获得活性炭、SiC等催化剂载体的制备方法与AxM1-xCly催化剂浸渍制备方法，获得板翅式反应器的传热规律，初步获得AuCl3催化乙炔氢氯化反应机理。3、揭示SnO2、ZrO2、IrO2等掺杂的钌钛氧化物几何、电子构型演化关系，及其与析氯和析氧反应效率的关系，完成形稳阳极高选择性催化的量化机理研究。4、建立PVC树脂的多层次结构与聚合配方、聚合温度、浓度因素、分散剂因素等之间的关系，得到PVC/抑烟剂复合树脂的制备规律。5、获得PVC生产过程关键设备的流动与传递规律、喷射式热泵性能影响规律，获得设备尺度上投资、安全、能耗、物耗和环境各个目标的数学表达形式及多目标间的转换方法，实现新型、高效、高选择性的炔烃氢氯化反应。6、发表论文28-30篇，申请国家发明专利5-6项，培养博士生5-8名、硕士生10-14名。第二年1、考察典型煤种的常规裂解特性及等离子体裂解特性，结合煤粉的基础分析数据，建立选煤的标准；建立煤粉裂解过程的物理和化学模型，并耦合计算流体力学实现高温多相煤裂解过程的模拟。2、研究碳小球、碳分子筛等催化剂载体的制备与活性炭、SiC等催化剂载体的改性方法，研究仿生诱导制备非汞催化剂的方法，研究板翅式反应器的传质规律，研究乙炔氢氯化反应机理与催化剂的失活机理。3、根据RuO2的损耗机理，通过研究析氯和析氧中间物种对不同氧化物活性位的影响，建立析氯和析氧反应同氧化物涂层稳定性关系。通过纳米调控和复合电沉积技术制备出高选择性和耐腐蚀的新型DSA。4、研究PVC树脂多层次结构的有效调控方法，研究聚合工艺和聚合配方对PVC树脂性能的影响规律，研究抑烟剂的加入对PVC树脂的综合性能的影响。5、研究PVC生产过程关键设备的放大与优化模型、喷射式热泵的设计方法，研究车间尺度上投资、安全、能耗、物耗和环境各个目标的表达形式及多目标间的转换方法，初步研究光催化HCl对乙炔的加成反应。1、进一步总结等离子体裂解煤的宏观反应规律，明确过程的煤质依赖性并总结适宜煤种的基本特性；完善基于离散颗粒模型的煤裂解过程高温气固相反应流的计算流体力学模型和模拟，可用于预测三维复杂几何的反应器行为。2、获得碳小球、碳分子筛等催化剂载体的制备方法，获得催化剂载体的改性方法、AxM1-xCly催化剂仿生诱导制备方法、板翅式反应器的传质规律，获得AuxM1-xCly催化机理，初步获得失活机理。3、制备出具有高选择性和耐腐蚀的新型DSA阳极。4、建立PVC树脂多层次结构的有效调控方法，实现通过调控聚合过程来控制PVC树脂质量的目标，得到综合性能优异的PVC/抑烟剂复合树脂。5、获得PVC生产过程关键设备的放大与优化模型、喷射式热泵的设计方法。获得车间尺度上投资、安全、能耗、物耗和环境各个目标的表达形式及多目标间的转换方法，初步实现光照条件下乙炔的氢氯化反应。6、发表论文28-30篇，申请国家发明专利5-6项，培养博士生5-8名、硕士生10-14名。第三年1、从煤粉的化学结构出发考察其裂解特性，探究煤裂解行为的影响因素；完善煤粉裂解过程的计算流体力学模型和模拟方法，达到预测三维复杂几何煤裂解反应器的模拟；提出煤裂解过程的工艺优化原则、给出提高煤粉转化率以及产品气收率的科学基础。2、研究碳小球、碳分子筛等催化剂载体的改性方法，研究等离子体、超声-微波等制备催化剂的方法，研究反应器的放大模型，研究反应机理与失活机理及催化剂离线再生方法。3、研究不同镍基合金催化剂的催化析氢机理，建立镍基合金组成、结构与析氢活性的定量构效关系。研究碱性介质中镍基合金催化剂被腐蚀的量子化学原因，寻找提高催化剂稳定性的关键因素。分析催化剂多元复合组分之间相互键合及协同作用机制，建立催化电极可控制备基础理论。4、研究不同亚颗粒子堆砌状态、颗粒形状、粒径和皮膜结构对PVC树脂性能的影响规律，研究原位悬浮聚合制备PVC/纳米SiO2复合树脂的方法。5、研究氯乙烯分离膜设备，研究工厂尺度上投资、安全、能耗、物耗和环境各个目标的表达形式及多目标间的转换方法，进一步研究光催化HCl对乙炔的加成反应，初步构建PVC生产过程多目标全局优化的过程集成理论。1、总结等离子体裂解煤的微观反应机理，从煤粉结构出发进一步明确过程的工艺优化原则；建立提高煤粉转化率以及产品气收率的科学基础，并在大功率等离子体反应器工业中试平台上提供可行的技术手段。2、获得催化剂载体的改性方法，AxM1-xCly催化剂等离子体、超声-微波等制备方法，板翅式反应器的放大模型，AuxM1-xCly催化机理和失活机理，催化剂离线再生方法。3、通过揭示催化剂多元复合组分之间相互键合及协同作用机制，建立催化电极可控制备基础理论。4、获得建立聚合配方和工艺与颗粒结构形貌、树脂塑化性能、吸油率及其它性能之间关系，获得提升通用PVC树脂的塑化加工性能和综合力学性能的方法，得到综合性能优异的PVC/纳米SiO2复合树脂。5、获得氯乙烯分离膜设备，获得工厂尺度上投资、安全、能耗、物耗和环境各个目标的表达形式及多目标间的转换方法，实现高效、可控、高选择性的乙炔氢氯化反应。6、发表论文28-30篇，申请国家发明专利5-6项，培养博士生5-8名、硕士生10-14名。第四年1、煤质依赖性实验研究，淬冷实验研究，研究大功率氢等离子体流场下的高效气固混合技术。2、研究催化剂制备的放大方法、催化剂在线再生方法、再生器与反应器的优化方法，进行工业侧线试验。3、确定电极表面微观结构与气体产生，电位、电流微观分布关系，采用纳米构筑和复合电沉积技术，制备具有高析氢活性和稳定性的催化析气电极，降低电解过程中电极的过电位；通过对载体微观立体结构以及表面基团的合理调控保证催化剂的有效分散以取得最大利用效率。4、研究PVC树脂的聚合-结构-性能之间关系，研究原位悬浮聚合制备PVC/纳米OMMT复合树脂的方法。5、研究PVC生产过程多目标全局优化的过程集成理论构建与计算的方法，进行PVC生产过程多目标全局优化，研究光催化HCl对乙炔的加成反应机理与放大方法。1、获得淬冷介质优选原则，总结淬冷方式对产品气组成和收率的影响规律，建立淬冷结构设计的科学基础；得到高效气固混合技术的基本原理和设计准则。2、获得催化剂制备的放大方法、催化剂在线再生方法、再生器与反应器的优化模型，得