能源原材料加工处理原理

从原油、天然气、煤炭到化工基础原料的全流程物理化学过程

原油路线天然气路线煤炭路线

一、总览与流程全景

能源原材料加工 — 全流程总览图

二、原油常减压蒸馏

原油是数百种烃类（C₁—C₇₀+）的混合物。蒸馏是最基础的物理分离过程，不涉及化学反应，纯粹利用 各组分的沸点差异 进行分离。

⚛ 物理原理

拉乌尔定律 + 道尔顿分压定律

各组分在气相中的分压 = 饱和蒸气压 × 液相摩尔分数。加热使轻组分优先汽化，上升蒸气与下降液相在塔板上进行 气液传质，轻组分不断富集于塔顶。

📐 关键参数

理论塔板数: 30-50 层
回流比: 1-3（影响分离精度）
进料温度: 360-380°C (经加热炉)
切割点: 由 ASTM D86 馏程决定

🧪 减压原理

减压至 10-40 mmHg (绝压) → 烃类沸点大幅降低 (Clausius-Clapeyron 方程)。重质组分在常压下加热到 400°C+ 会热裂解 (结焦)，减压后 350-400°C 即可汽化。

常压蒸馏 (Atmospheric Distillation) CDU

原油经脱盐脱水后进入加热炉加热至 ~370°C，进入常压塔 (常压, 0-50 kPa 表压)。按沸程从低到高切出各组分：

<30°C

塔顶气

C₁-C₂ (燃料气)

→

30-90°C

轻石脑油

C₅-C₆
汽油调和 / 异构化

→

90-180°C

重石脑油

C₇-C₁₂
→ 催化重整 / 蒸汽裂解

→

180-250°C

煤油

C₁₀-C₁₆
→ 航煤 Jet A-1

→

250-350°C

柴油

C₁₄-C₂₀
→ 车用柴油

→

>350°C

常压渣油

>C₂₀
→ 减压蒸馏

减压蒸馏 (Vacuum Distillation) VDU

常压渣油在 ~400°C 下进入减压塔 (绝压 10-40 mmHg)，切出：

馏分	沸程 (常压当量)	碳数	下游加工
轻减压瓦斯油 (LVGO)	350-420°C	C₂₀-C₃₀	FCC / 加氢裂化
重减压瓦斯油 (HVGO)	420-560°C	C₃₀-C₄₅	FCC / 加氢裂化
减压渣油 (VR)	>560°C	>C₄₅	焦化 / 沥青 / 燃料油

Clausius-Clapeyron 方程： \(\ln\frac{P_2}{P_1} = -\frac{\Delta H_{\text{vap}}}{R}\left(\frac{1}{T_2} - \frac{1}{T_1}\right)\) — 降低压力(P↓), 沸点(T↓)随之降低。

三、催化裂化 (FCC — Fluid Catalytic Cracking)

将重质 VGO (C₂₀-C₄₅) 裂解为高价值轻质产品 — 汽油、LPG。全球炼厂核心二次加工装置。

⚛ 化学机理 — 碳正离子 β-断裂

沸石催化剂 (Y 型，酸性位) 从烷烃分子中夺取 H⁻ (氢负离子) → 生成碳正离子 R⁺

碳正离子在 β 位发生 C-C 键断裂 (β-scission)，生成烯烃 + 更小的碳正离子

碳正离子还可异构化 (1,2-氢迁移、甲基迁移) → 支链产物

📐 工艺条件

温度: 500-550°C (提升管出口)
压力: 1.5-3 bar
剂油比: 5-8 (催化剂/原料)
接触时间: 2-4 秒
催化剂: USY 沸石 + 基质

碳正离子生成 (催化剂酸位):

R-CH₂-CH₂-CH₂-R' + H⁺(Zeolite) → R-CH₂-CH⁺-CH₂-R' + H₂

β-断裂:

R-CH₂-CH⁺-CH₂-R' → R-CH=CH₂ + ⁺CH₂-R'

氢转移 (终止):

⁺CH₂-R' + R''H → CH₃-R' + R''⁺

FCC 产物分布 (典型值，wt%)

产物	收率	用途
干气 (H₂, C₁-C₂)	3-5%	炼厂燃料
LPG (C₃-C₄)	15-25%	民用燃气、烷基化/MTBE 原料
FCC 汽油	40-55%	高辛烷值汽油调和组分 (RON 90-94)
轻循环油 LCO	10-20%	柴油调和 / 加氢处理
油浆 / 焦炭	5-12%	焦炭烧掉为催化剂再生供热

热平衡：裂解反应吸热，催化剂上积碳的燃烧（再生器，650-720°C，空气）放出热量加热催化剂。热催化剂 (~700°C) 循环回提升管提供裂解所需热量 — 这就是 "流化" (Fluidized) 的精髓。

四、加氢裂化 (Hydrocracking)

与 FCC 类似，但在高压氢气环境下进行。催化剂的 金属位 (加氢/脱氢) 和 酸性位 (裂解/异构) 协同工作。

⚛ 双功能催化机理

金属位 (Pt/Pd, Ni/Mo, Co/Mo 硫化物)：加氢饱和芳环 + 脱氢生成烯烃中间体

酸性位 (无定形硅铝, 沸石)：烯烃中间体 → 碳正离子 → β-断裂 / 异构化

不同于 FCC: H₂ 的存在使多环芳烃先饱和再裂解 → 不结焦

📐 工艺条件

温度: 300-450°C
压力: 80-200 bar (高压!)
H₂/油比: 500-2000 Nm³/m³
液时空速 LHSV: 0.5-2 h⁻¹

加氢脱硫 (HDS) — 预处理:

R-S-R' + 2H₂ → RH + R'H + H₂S

加氢脱氮 (HDN):

C₅H₅N (吡啶) + 5H₂ → C₅H₁₂ + NH₃

芳烃饱和 + 开环:

多环芳烃 + nH₂ → 环烷烃 → (酸性位) 开环 + 异构 → 异构烷烃

FCC vs 加氢裂化：FCC 产汽油为主 (RON 高)，加氢裂化产中间馏分 (航煤/柴油) 为主，且产品硫含量极低。加氢裂化是生产超低硫柴油 (ULSD) 的核心技术。

五、催化重整 (Catalytic Reforming)

将低辛烷值石脑油 (C₆-C₁₂ 直链烷烃/环烷烃) 转化为高辛烷值重整油，同时副产氢气。核心化学是 环烷脱氢 → 芳烃。

⚛ 核心反应 (4种)

① 环烷脱氢 → 芳烃 (主反应, 强吸热 ΔH ≫ 0, 高产芳烃+H₂)

② 正构烷烃异构化 (轻微放热, 提升辛烷值)

③ 正构烷烃脱氢环化 → 芳烃 (强吸热, 关键但慢)

④ 加氢裂化 (副反应, 放热, 生成轻烃 → 降低液收)

📐 工艺条件

温度: 480-540°C
压力: 3-25 bar (低压有利脱氢)
催化剂: Pt-Re/Al₂O₃ 或 Pt-Sn/Al₂O₃
连续再生 CCR vs 半再生

① 环己烷 → 苯 (核心脱氢)：

C₆H₁₂ → C₆H₆ + 3H₂ ΔH° = +206 kJ/mol

② 甲基环己烷 → 甲苯：

C₇H₁₄ → C₇H₈ + 3H₂

③ 正庚烷脱氢环化 → 甲苯：

C₇H₁₆ → C₇H₈ + 4H₂ ΔH° = +247 kJ/mol

④ 异构化 (辛烷值提升)：

正庚烷 → 异庚烷 (RON: 0 → ~42-92)

重整产物分布

产物	典型收率	价值
重整油 (Reformate)	75-85 wt%	C₆-C₈ 芳烃 (BTX) — 化工原料；C₉+ — 高辛烷值汽油
氢气	2-4 wt%	炼厂加氢装置氢源 (极重要副产)
LPG (C₃-C₄)	5-10 wt%	燃料 / 原料
干气 (C₁-C₂)	3-6 wt%	燃料

BTX (苯/甲苯/二甲苯) 是芳烃核心：苯 → 苯乙烯/己内酰胺/苯酚 · 甲苯 → TDI/溶剂 · 对二甲苯 PX → PTA → 聚酯。重整是 BTX 的主要来源 (~70%)。

六、蒸汽裂解制烯烃 (Steam Cracking)

石化工业的 核心龙头 — 将石脑油/乙烷/丙烷在 800°C 高温下短时间裂解为 乙烯、丙烯、丁二烯 三大基础烯烃。

自由基链式反应机理核心化学

与 FCC 的碳正离子机理不同，蒸汽裂解是典型的 自由基链式反应：

【引发 Initiation】C-C 键均裂 (homolytic cleavage):

R-CH₂-CH₂-R' → R-CH₂• + •CH₂-R' (ΔH ≈ +350 kJ/mol, 高温驱动)

【传递 Propagation】自由基进攻:

H• + R-CH₂-CH₂-CH₃ → H₂ + R-CH•-CH₂-CH₃ (氢提取)

R-CH₂-CH₂-CH₂• → R• + CH₂=CH₂ (β-断裂，生成乙烯)

【终止 Termination】自由基结合:

2R• → R-R 或 R• + H• → R-H

水蒸气的作用

① 降低烃分压 (Le Chatelier 原理：摩尔数增加的裂解反应在低压下有利)

② 抑制结焦 (水蒸气与焦反应： C + H₂O → CO + H₂)

③ 提供显热，均匀传热

稀释比: 0.3-0.8 kg 蒸汽/kg 烃

为什么是 800°C 且 0.1-0.5 秒？

热力学：C-C 键断裂(ΔG 在高温下才 <0) → 必须高温

动力学：高温下反应极快 — 停留时间 <0.5s 防二次反应 (烯烃聚合/结焦)

淬冷：裂解炉出口立即用急冷锅炉(TLE) 将温度骤降至 350°C 以下，冻结反应产物分布

不同原料的裂解产物分布 (wt%)

产物	乙烷裂解	丙烷裂解	石脑油裂解	瓦斯油裂解
氢气 + 甲烷	14%	27%	18%	13%
乙烯 C₂H₄	53%	38%	29%	25%
丙烯 C₃H₆	1%	15%	15%	14%
丁二烯 C₄H₆	1%	3%	5%	5%
裂解汽油 (BTX)	1%	5%	20%	19%
燃料油	—	—	5%	16%

规律：原料越轻 (乙烷) → 乙烯收率越高、副产物越少。原料越重 (石脑油/瓦斯油) → 产物多样化，联产丙烯/丁二烯/BTX。美国页岩气革命后乙烷产量暴增 → 乙烷裂解比例大幅上升。

蒸汽裂解制烯烃全流程

七、天然气处理与转化

NGL 分离 (Natural Gas Liquids Recovery)

井口天然气含 CH₄ (75-95%) + C₂H₆ (乙烷) + C₃H₈ (丙烷) + C₄H₁₀ (丁烷) + C₅⁺ (天然汽油)。

⚛ 深冷分离原理

焦耳-汤姆逊效应 (Joule-Thomson): 高压气体经节流阀或透平膨胀机快速膨胀 → 温度骤降 (ΔT= -50 至 -100°C) → 乙烷/丙烷/丁烷液化分离

又称 涡轮膨胀机制冷 (Turbo-expander process)，天然气处理最主流工艺

📐 分离序列

① 脱甲烷塔 (Demethanizer, -80°C, 30 bar) — 塔顶 CH₄，塔底 C₂⁺

② 脱乙烷塔 — 塔顶 C₂H₆ (→ 蒸汽裂解)

③ 脱丙烷塔 — 塔顶 C₃H₈ (→ LPG / 丙烷脱氢 PDH)

④ 脱丁烷塔 — 塔顶 C₄ (→ LPG)，塔底 C₅⁺ (天然汽油)

蒸汽甲烷重整 (SMR — Steam Methane Reforming)

全球 ~95% 的氢气生产、~90% 的甲醇生产通过 SMR 路线。将 CH₄ 转化为 合成气 (CO + H₂)。

⚛ 化学反应

主反应 — 蒸汽重整 (强吸热):

CH₄ + H₂O ⇌ CO + 3H₂ ΔH°₂₉₈ = +206 kJ/mol

水煤气变换 (WGS, 弱放热):

CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂ ΔH°₂₉₈ = -41 kJ/mol

总反应:

CH₄ + 2H₂O → CO₂ + 4H₂

📐 工艺条件

一段炉 (Primary Reformer):
温度 800-950°C, 压力 15-40 bar
催化剂: Ni/Al₂O₃ (填充于数百根离心铸造管中)
管外燃烧供热 (炉膛 ~1000°C)

二段炉 (Secondary, 制氨时):
引入空气 → O₂ + CH₄ 部分燃烧升温 → 继续重整; N₂ 留存用于合成氨

SMR 的热力学约束：反应 (CH₄ + H₂O → CO + 3H₂) 是体积增加 (1+1→1+3=4) 的强吸热反应。根据 Le Chatelier 原理 — 高温 + 低压 + 过量蒸汽推动平衡向产物方向移动。但工业上为节省压缩功通常在 ~25 bar 进行。

合成气 → 甲醇 (Methanol Synthesis)

SMR 得到的合成气经调整 H₂/CO 比后合成甲醇：

甲醇合成 (Cu/ZnO/Al₂O₃ 催化剂):

CO + 2H₂ ⇌ CH₃OH ΔH° = -91 kJ/mol (放热)

CO₂ 也可直接加氢:

CO₂ + 3H₂ ⇌ CH₃OH + H₂O ΔH° = -49 kJ/mol

参数	值
温度	220-280°C
压力	50-100 bar
催化剂	Cu/ZnO/Al₂O₃ (铜基，对硫、氯极敏感)
单程转化率	15-25% (平衡限制 → 循环操作)
甲醇下游	MTO (甲醇制烯烃) · 甲醛 · 醋酸 · MTBE · 生物柴油 · 直接燃料

合成氨 (Haber-Bosch)： 从 SMR → 合成气 → WGS → CO₂ 脱除 → N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ (450°C, 200 bar, Fe 催化剂)。全球氨产量 ~185 Mt，~80% 用于化肥。

八、煤炭干馏/焦化 (Coal Carbonization)

将炼焦煤在隔绝空气条件下加热至 1000-1200°C，通过 热解 (Pyrolysis) 分解为焦炭 + 煤气 + 煤焦油。

⚛ 热解化学过程

阶段 I (室温→350°C): 干燥脱气，放出吸附的 CH₄/CO₂

阶段 II (350-550°C): 煤的大分子网络开始 解聚和分解 — 桥键断裂 (C-O, C-S, -CH₂-)，释放焦油蒸气和煤气 (CH₄, H₂, CO)

阶段 III (550-1000°C): 半焦 → 焦炭，芳环缩合 (石墨化雏形)，释放 H₂ (主)。煤焦油中的重质分子裂解为轻质芳烃

📐 工艺条件

焦炉温度: 1000-1200°C

结焦时间: 14-24 小时

装炉方式: 顶装 / 捣固

焦炉类型: 水平室式焦炉

关键煤质: 粘结性 (G 值)、挥发分 (Vdaf)、硫分、灰分

焦化产物分布 (干燥基煤)

产物	收率	组成/用途
焦炭 (Coke)	72-78%	>85% 固定碳 — 高炉炼铁还原剂+骨架
焦炉煤气 (COG)	15-18% (320-380 Nm³/t煤)	H₂ 55-60% · CH₄ 24-28% · CO 5-8% — 燃料 / 制氢 / 制甲醇
煤焦油 (Coal Tar)	2.5-4%	多环芳烃混合物 → 蒸馏分离得萘、蒽、菲、咔唑、沥青
粗苯 / 轻油	0.8-1.2%	BTX (苯 70% · 甲苯 15% · 二甲苯 5%)
氨水	—	NH₃ 回收制硫铵 (化肥)

中国焦化产业：全球最大焦炭生产国 (~55%)，年产量 ~470 Mt。焦炉煤气 (COG) 是重要的低成本氢源 — 用于合成氨、甲醇，或经 PSA 变压吸附制 99.999% 纯氢。

煤炭焦化全流程

九、煤气化 (Coal Gasification)

煤在高温 (1200-1500°C)、高压 (20-80 bar) 下与气化剂 (O₂ + H₂O) 反应，将固体煤中的碳氢转化为 合成气 (CO + H₂)。

⚛ 核心化学反应

① 部分氧化 (放热):

C + ½O₂ → CO ΔH = -111 kJ/mol

② 水煤气反应 (吸热):

C + H₂O → CO + H₂ ΔH = +131 kJ/mol

③ Boudouard 反应 (吸热):

C + CO₂ → 2CO ΔH = +172 kJ/mol

④ 水煤气变换 (放热):

CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂ ΔH = -41 kJ/mol

⑤ 甲烷化 (放热):

C + 2H₂ → CH₄ ΔH = -75 kJ/mol

⚛ 反应①+②的自热平衡

部分氧化反应 (放热) 提供水煤气反应 (吸热) 所需热量 → 反应器可以 自热运行 不需外部供热

O₂/煤比例是核心控制参数 — O₂ 多则温度高但合成气产率低，O₂ 少则温度不够

三大气化炉技术对比

类型	固定床 (Lurgi)	流化床 (HTW)	气流床 (Shell/GE)
温度	500-1100°C	900-1050°C	1300-1500°C
煤粒度	5-50 mm (块煤)	1-5 mm (碎煤)	<0.1 mm (煤粉/水煤浆)
气化剂	O₂ + H₂O	O₂/空气 + H₂O	O₂ (纯度 >95%)
CH₄ 副产	高 (8-12% — SNG 路线)	中	极低 (<0.1% — 纯合成气)
煤种适应性	块煤、低阶煤	褐煤、长焰煤	各种煤 (灰熔点限制)
国内主要用户	煤制天然气 SNG	—	煤化工 (甲醇/烯烃/油)

气流床是煤化工主流：Shell (废锅流程, 干粉煤进料) 和 GE/Texaco (激冷流程, 水煤浆进料) 占据中国煤化工气化炉 ~80%。产出合成气中 (H₂/CO) 比 0.5-0.8，需经水煤气变换 (WGS) 调整 H₂/CO 比至 2.0-2.1 以合成甲醇。

煤气化制合成气全流程

十、费托合成 (Fischer-Tropsch Synthesis)

将合成气 (CO + H₂) 催化转化为液态烃，是 煤制油 (CTL) / 气制油 (GTL) 的核心技术。南非 Sasol 和中国多家煤制油企业依赖此技术。

⚛ 聚合机理 (ASF 模型)

CO 在催化剂表面解离吸附 → 表面碳化物 (C*)

H₂ 解离 → 表面 H*

C₁ 单体插入生长链 (CH₂ 插入) → 链增长

ASF 分布 (Anderson-Schulz-Flory): 产物碳数分布由链增长概率 α 决定 — α↑ → 长链产物 (蜡) 增多, α↓ → 短链 (轻烃) 增多

📐 两种工艺路线

低温 FT (LTFT, 220-240°C): Co 或 Fe 催化剂, 固定床/浆态床 — 产蜡 (wax), 再经加氢裂化制柴油/石脑油。Sasol Oryx, Shell GTL

高温 FT (HTFT, 310-340°C): Fe 催化剂, 流化床 — 产汽油 + 轻烯烃 (C₃-C₄)。Sasol Secunda

总反应 (生成烷烃):

nCO + (2n+1)H₂ → CₙH₂ₙ₊₂ + nH₂O

生成烯烃:

nCO + 2nH₂ → CₙH₂ₙ + nH₂O

副反应 — 水煤气变换 (Fe 催化剂显著):

CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂

中国煤制油 (CTL) 产能

项目	产能 (万吨/年)	技术
神华宁煤 (间接液化)	400	中科合成油 (Fe 浆态床, 高温+低温)
潞安煤制油	180	中科合成油
伊泰煤制油	200+	中科合成油
神华鄂尔多斯 (直接液化)	108	神华自主 (煤浆 + H₂, 450°C, 19 MPa)
陕西未来能源	100	兖矿 (低温FT + 加氢裂化)
合计	~1,000+	—

南非 Sasol：全球最大 CTL 生产商，年产合成燃料 ~700 万吨/年 (Secunda + Sasolburg)。起源是 1950s 种族隔离时期的石油禁运，现已发展为全球领先的费托合成技术公司。全球 GTL 代表：Shell Pearl GTL (卡塔尔, 14万桶/天)。

十一、物理化学原理总结

🔬 物理分离 vs 化学转化

物理分离 (蒸馏/深冷/吸附):

利用沸点差 (蒸馏)、气体溶解度和温度效应 (Joule-Thomson 深冷)、分子筛吸附选择性 (PSA 变压吸附)

不改变分子结构 — 能耗驱动

化学转化 (裂解/重整/气化/合成):

断裂/重组共价键 — 热力学+动力学驱动, 催化剂提供反应路径

⚡ 放热/吸热：能量平衡

强吸热反应: 蒸汽裂解 (ΔH≫0, ~800°C)、SMR (ΔH=+206 kJ/mol)、干馏/气化

→ 需要外部加热 or 内部部分氧化自热

放热反应: FCC 再生 (烧焦)、甲醇合成 (ΔH=-91)、F-T 合成、水煤气变换

→ 热管理是反应器设计核心

🌀 本质区别：FCC vs 蒸汽裂解

FCC: 碳正离子机理 → 酸性催化剂 → 500°C → 产异构烷烃 + 烯烃 → 高辛烷值汽油

蒸汽裂解: 自由基机理 → 无催化剂 (多相不可控) → 800°C → 产 α-烯烃 (乙烯/丙烯/丁二烯)

温度差 300°C → 反应路径完全不同

🔗 催化剂的三层作用

① 降低活化能 (Ea↓): 催化重整 — Pt 使脱氢在 ~500°C 即可进行 (无催化剂需 >700°C)

② 提供选择性的活性中心: 沸石酸性位 → 碳正离子路径 (vs 自由基路径)

③ 形状选择性 (Shape Selectivity): ZSM-5 沸石的 5.5Å 孔径只允许对二甲苯通过 → 选择性制 PX

核心热力学与动力学指标总表

过程	类型	温度	压力	催化剂	主导机理	ΔH 特征
常减压蒸馏	物理分离	300-400°C	常压/10-40 mmHg	无	气液平衡 (Raoult)	—
FCC 催化裂化	化学转化	500-550°C	1.5-3 bar	USY 沸石	碳正离子 β-断裂	吸热 (裂解) + 放热 (再生)
加氢裂化	化学转化	300-450°C	80-200 bar	Ni-Mo/沸石 (双功能)	加氢饱和 + 碳正离子裂解	放热
催化重整	化学转化	480-540°C	3-25 bar	Pt-Re / Pt-Sn / Al₂O₃	环烷脱氢 → 芳烃	强吸热 (脱氢)
蒸汽裂解	化学转化	750-850°C	1-2 bar	无 (管壁抑制)	自由基链式反应	强吸热
SMR 重整	化学转化	800-950°C	15-40 bar	Ni/Al₂O₃	CH₄+H₂O → CO+3H₂	强吸热 +206
甲醇合成	化学转化	220-280°C	50-100 bar	Cu/ZnO/Al₂O₃	CO+2H₂ → CH₃OH	放热 -91
费托合成	化学转化	220-340°C	20-40 bar	Fe / Co	表面聚合 (CH₂ 插入)	放热 -165/n
煤炭焦化	化学转化	1000-1200°C	常压	无	热解 (大分子分解)	吸热
煤气化	化学转化	1300-1500°C	20-80 bar	无 (灰分催化)	C+O₂→CO (放) + C+H₂O→CO+H₂ (吸)	自热平衡
NGL 深冷分离	物理分离	-80 至 -30°C	25-35 bar	无	Joule-Thomson 膨胀制冷	—

十二、附录：三大路线到终端化工原料

原油·天然气·煤炭 → 终端化工原料全景路线图

十三、附录：烃的分类体系

原油、天然气中的烃类化合物按化学结构分为以下大类：

烃的分类体系总览图

烃类家族总览

类别	通式	结构特征	典型代表	来源/分布
烷烃 Alkanes 饱和烃	C_nH_2n+2	碳碳单键，链状正构 (直链) + 异构 (支链)	甲烷 CH₄ · 乙烷 C₂H₆ 正庚烷 n-C₇H₁₆ 异辛烷 i-C₈H₁₈	天然气主力 → CH₄ 原油各馏分段的主力
烯烃 Olefins 不饱和烃	C_nH_2n (单烯) C_nH_2n-2 (二烯)	含一个或多个 C=C 双键 α-烯烃 (双键在末端)	乙烯 C₂H₄ · 丙烯 C₃H₆ 丁二烯 C₄H₆ 1-己烯 C₆H₁₂	原油中含量极少主要通过裂解/裂化生产
环烷烃 Naphthenes 饱和环烃	C_nH_2n (单环)	碳环结构，饱和五元环/六元环为主	环己烷 C₆H₁₂ 甲基环己烷 C₇H₁₄ 十氢化萘 (萘烷)	原油中 ~30-60% 催化重整制芳烃核心原料
芳烃 Aromatics 不饱和环烃	—	含苯环 (离域 π 电子) 单环 / 多环 (PAH)	苯 C₆H₆ · 甲苯 C₇H₈ 二甲苯 C₈H₁₀ · 萘 C₁₀H₈ 蒽 C₁₄H₁₀ · 菲 C₁₄H₁₀	原油中 ~10-30% 催化重整 / 煤焦油蒸馏

原油按碳数 / 沸程的分段

碳数范围	馏分段	沸程	典型成分	主要用途
C₁–C₂	干气	< −89°C	甲烷、乙烷	燃料气 / 蒸汽裂解原料
C₃–C₄	LPG	−42 to 0°C	丙烷、丁烷	民用燃料 / 石化原料
C₅–C₆	轻石脑油	30–90°C	正戊烷、异戊烷、己烷	汽油调和 / 异构化 / 溶剂
C₇–C₁₂	重石脑油	90–180°C	庚烷、辛烷、环烷烃	→ 催化重整制 BTX → 蒸汽裂解制烯烃
C₁₀–C₁₆	煤油	180–250°C	正构+异构烷烃，少量芳烃	航煤 Jet A-1
C₁₄–C₂₀	柴油	250–350°C	正构烷烃为主	车用柴油
C₂₀–C₄₅	VGO 减压瓦斯油	350–560°C	重烷烃、环烷烃、芳烃	→ FCC / 加氢裂化
>C₄₅	减压渣油	>560°C	多环芳烃、胶质、沥青质	焦化 / 沥青 / 燃料油

典型烃分子结构对比

名称	分子式	结构类型	沸点
甲烷	CH₄	烷烃 (C₁)	−161.5°C
正丁烷	C₄H₁₀	正构烷烃	−0.5°C
异丁烷	C₄H₁₀	异构烷烃 (支链)	−11.7°C
正庚烷	C₇H₁₆	正构烷烃	98.4°C
异辛烷 (2,2,4-三甲基戊烷)	C₈H₁₈	异构烷烃 (高支链度)	99.3°C
乙烯	C₂H₄	烯烃	−103.7°C
丁二烯	C₄H₆	共轭二烯烃	−4.4°C
环己烷	C₆H₁₂	环烷烃 (六元环)	80.7°C
苯	C₆H₆	单环芳烃	80.1°C
甲苯	C₇H₈	单环芳烃	110.6°C
对二甲苯	C₈H₁₀	单环芳烃	138.4°C
萘	C₁₀H₈	双环芳烃 (PAH)	218°C

关键规律：① 同碳数下，沸点：正构烷烃 > 异构烷烃（支链越多沸点越低，因球形分子间接触面积小）；② 环烷烃 → 芳烃经脱氢 (催化重整)，辛烷值飙升；③ 烯烃比同碳数烷烃沸点略低（C=C 键极性低于 C-C 单键的不饱和导致分子间力略弱）。

能源原材料加工处理原理

一、总览与流程全景

二、原油常减压蒸馏

⚛ 物理原理

📐 关键参数

🧪 减压原理

常压蒸馏 (Atmospheric Distillation) CDU

减压蒸馏 (Vacuum Distillation) VDU

三、催化裂化 (FCC — Fluid Catalytic Cracking)

⚛ 化学机理 — 碳正离子 β-断裂

📐 工艺条件

FCC 产物分布 (典型值，wt%)

四、加氢裂化 (Hydrocracking)

⚛ 双功能催化机理

📐 工艺条件

五、催化重整 (Catalytic Reforming)

⚛ 核心反应 (4种)

📐 工艺条件

重整产物分布

六、蒸汽裂解制烯烃 (Steam Cracking)

自由基链式反应机理 核心化学

水蒸气的作用

为什么是 800°C 且 0.1-0.5 秒？

不同原料的裂解产物分布 (wt%)

七、天然气处理与转化

NGL 分离 (Natural Gas Liquids Recovery)

⚛ 深冷分离原理

📐 分离序列

蒸汽甲烷重整 (SMR — Steam Methane Reforming)

⚛ 化学反应

📐 工艺条件

合成气 → 甲醇 (Methanol Synthesis)

八、煤炭干馏/焦化 (Coal Carbonization)

⚛ 热解化学过程

📐 工艺条件

焦化产物分布 (干燥基煤)

九、煤气化 (Coal Gasification)

⚛ 核心化学反应

⚛ 反应①+②的自热平衡

三大气化炉技术对比

十、费托合成 (Fischer-Tropsch Synthesis)

⚛ 聚合机理 (ASF 模型)

📐 两种工艺路线

中国煤制油 (CTL) 产能

十一、物理化学原理总结

🔬 物理分离 vs 化学转化

⚡ 放热/吸热：能量平衡

🌀 本质区别：FCC vs 蒸汽裂解

🔗 催化剂的三层作用

核心热力学与动力学指标总表

十二、附录：三大路线到终端化工原料

十三、附录：烃的分类体系

烃类家族总览

原油按碳数 / 沸程的分段

典型烃分子结构对比

自由基链式反应机理核心化学