随着世界石油储量的减少和原油重质化、劣质化趋势加剧,环保法规要求日益严格,轻质石油产品需求量增加以及产品质量不断升级换代,如何清洁高效的利用石油资源已成为全球面临的重要问题。渣油是原油中最重的组分,其平均相对分子质量大,沸点高,粘度和极性大,集中了原油中大部分的含硫、含氮、含氧化合物和胶质,以及全部的沥青质和重金属,是油品加工的重点和难点。渣油加氢技术可显著改善渣油的性质,是高效利用重质石油资源的重要手段。论文研究了原料组成对重油加氢转化过程反应性能及催化剂性质的影响,为优化加氢反应操作条件和开发新的高效催化剂提供基础理论依据。论文首先考察了沥青质含量对渣油加氢反应过程的影响。在选定的反应条件和高压釜反应器内模拟固定床渣油加氢反应过程,通过对四种不同来源和属性的渣油进行加氢转化反应实验,结果表明性质较差、沥青质含量较高的渣油的加氢转化性能反而好,其渣油转化率高、汽柴油及焦炭收率高、>500℃残渣油收率低。为更深入的考察原料性质及沥青质含量对渣油加氢转化反应性能的影响,采用塔河常渣的脱油沥青和脱沥青油调合成不同沥青质含量的渣油组分,进行加氢转化实验,发现随原料中沥青质含量的增加,渣油转化率升高,气体、汽柴油及焦炭的收率均增加,VGO及>500℃残渣油收率降低,加氢残渣油中的沥青质和焦炭产量之和与原料中沥青质的比值逐渐减小,高沥青质含量时沥青质更倾向于发生氢解反应而生成轻质组分；在实验所选定的反应条件下,原料中沥青质含量由2%增加到12%时,渣油转化率提高11.41个百分点,汽油和柴油收率分别增加6.62和3.82个百分点。而塔河常渣(沥青质含量19.02%)的转化性能均高于以上调合渣油。论文研究了沥青质在渣油加氢转化过程中的化学变化。通过经典色谱法对残渣油进行分离,得到加氢后的沥青质,采用元素分析、1HNMR、平均相对分子质量等分析方法,结合改进的B-L法对沥青质的结构进行表征表明,加氢后沥青质的平均相对分子质量、H/C减小,硫含量降低,氮含量增加,芳碳分率增大,芳香环系周边氢取代率σ及芳香环系缩合度参数HAU/CA减小；HA增加,而Hα、Hβ、Hy减少；沥青质的取代芳碳分率减少,质子芳碳分率增加,表明加氢后沥青质的缩合度增大,沥青质发生了明显的脱烷基侧链反应,且长烷基侧链和甲基、乙基等短烷基侧链均能发生断裂反应。随原料中沥青质含量的增加,加氢后沥青质的硫、氮含量均呈现增加的趋势,环烷环数和芳香环数逐渐增加,尤其是芳香环数,甚至会大于原生沥青质的芳香环数。加氢过程中沥青质主要是以桥键断裂剥离生成的单元薄片为基本单元参与氢解和缩合反应的,沥青质的加氢反应,既有自由基反应,又有正碳离子反应。与原生沥青质不同,加氢转化后沥青质单元薄片的平均相对分子质量、环烷环数和芳香环数均增大,分子结构模拟表明,沥青质单元薄片间在加氢反应过程中可以发生脱氢缩合反应,生成缩合度更大、环数更多的大的单元薄片。反应后沥青质单元薄片上的烷基侧链大部分是2-3个碳原子的短烷基侧链,符合热裂化芳香环上烷基侧链断裂的自由基反应机理。在此基础和前期实验数据的基础上,论文提出了由四个较易获得的物性参数拟合所得的重油加氢转化特征参数(KRH)的关系式并对KRH与重油的加氢转化反应性能进行了关联和验证,结果表明KRH能很好的用于表征重油的化学组成和加氢转化反应性能,KRH与重油加氢过程中的杂原子脱除率、轻油收率、焦炭产率等具有非常好的关联性,可作为反映和评估重油加氢转化反应性能的依据,重油的加氢转化反应性能随KRH的增加而变好,KRH大于5的重油具有较好加氢转化反应性能。最后,论文还考察了原料组成对渣油加氢催化剂性质的影响。对工业固定床渣油加氢反应装置上取得的14个催化剂样品采用CHNS/O元素分析仪、XRF、BET、SEM、TEM等方法进行分析表征,发现工业固定床渣油加氢反应器中催化剂上的焦炭含量、金属沉积量及催化剂表面性质等沿催化剂床层没有一定的变化规律。催化剂上的金属均以金属硫化物的形态存在,高金属含量的废催化剂上的焦炭含量低、焦炭的H/C较高,沉积到催化剂上的重金属对渣油加氢具有促进作用,渣油加氢反应是一个自催化反应。焦炭和金属在催化剂表面的沉积主要是引起催化剂孔径、孔体积和比表面积减小,但也有少部分催化剂会由于焦炭沉积时的造孔、形成新的立体构造及金属对软焦的逆向加氢脱附等原因而产生大量微、介孔,使催化剂的比表面积大幅度增加。焦炭和金属在催化剂上的沉积量以及对催化剂表面性质的影响,与反应器内局部的反应条件、反应状态及焦炭和金属在催化剂上的沉积状态有关。工业固定床渣油加氢催化剂上的焦炭具有较高的H/C,催化剂上沉积的氮/(碳+氢)的数值在0.015-0.020之间,渣油加氢催化剂上的焦炭主要来源于渣油中某些沥青质中特别难于加氢的稠合含氮环状结构。