石油科学100个难题（2026年版）详细描述（第二部分）

Part B: Petroleum Storage, Transportation, Pipeline Networks, and Flow Assurance (Challenges 31–45)

31. 长距离油气多相输送系统流型转换与流动稳定性的统一理论

油气集输管道中流型（段塞流、环状流、分层流）之间的转换会引起严重压力波动、腐蚀增强和段塞冲击。现有流型图和转换准则多为经验回归，缺乏统一的水动力稳定性理论，尤其对大直径、长距离、起伏地形管道。需要建立基于多相界面不稳定性和能量耗散机理、耦合管道几何及流体性质和操作参数的统一流型预测模型，为管道设计、段塞控制和智能运行提供理论基础，降低运营风险。

32. 易凝高黏原油长输管道停输再启动过程的复杂流动演化

“凝管”一直是易凝高黏原油管道的主要威胁，其科学问题为管道水力-热力-热动力设备耦合的复杂系统特性。原油低温流变性随温度和剪切历史的变化、管壁胶凝/沉积层的生长和剥离，以及原油及管道环境参数的不确定性，使问题复杂性剧增。现有预测方法侧重于确定性的水力-热力分析，难以提供科学准确的工程指导。需要建立基于参数不确定性、原油非牛顿流变行为及沉积机理的流动-传热-热/动力设备耦合模型，开发机理-数据驱动算法，准确预测再启动过程的水力、热力演化规律，确定安全停输时间，提出管道流动保障策略。

33. 多相流管道内腐蚀速率的机理模型与实时监测

多相流管道中腐蚀速率受流型、管壁润湿性、水化学和腐蚀产物膜的耦合控制。现有半经验模型（如De Waard-Milliams）忽略多相流效应，预测偏差大。需要耦合流型识别、壁面剪切应力和电化学腐蚀的机理模型，结合在线腐蚀探针和机器学习，实现全管线实时腐蚀风险评估与预警，避免泄漏事故。

34. 管道中多组分沉积物（蜡、沥青质、水合物）的形成、演化与控制机制

在深海和寒区管道中，原油中的多种组分可形成复合的固相沉积物，其相互作用机制尚不明确。现有抑制方法针对单一沉积物，效率低、成本高。需揭示多组分沉积的耦合动力学及温压-流场的影响规律，开发多功能抑制剂和智能清管策略，实现精准防控，保障流动安全。

35. 超临界CO₂管道减压波传播、断裂力学与止裂韧性设计

超临界CO₂管道一旦破裂，由于相变导致减压波速度出现低平台，裂纹扩展速度易超过波速，引发长程延性断裂。此外焦耳-汤姆逊冷却可能导致钢管脆断。现有天然气管道止裂准则不适用。需要针对非理想CO₂（考虑相变和非平衡热力学）建立精确减压波传播模型，结合全尺寸爆破试验测定低温动态断裂韧性，制定专用止裂韧性设计准则。这对CCUS管网安全至关重要。

36. 输氢/掺氢管道的氢脆与材料相容性评价

高压氢会导致管线钢脆化——延性损失和疲劳裂纹加速扩展。掺氢使问题更复杂，焊缝和热影响区最为脆弱。目前从原子到宏观尺度缺乏统一模型和标准化评价体系。需要结合第一性原理计算、氢渗透实验、慢应变速率拉伸和断裂力学实验，建立材料相容性数据库和评价体系，为氢能管道建设和在役天然气管道改输氢提供科学支持。

37. 天然气管道压缩机、阀门和密封件对掺氢的适应性

掺氢改变混合气体热物理性质，导致离心压缩机喘振、往复式压缩机泄漏增加、非金属密封件溶胀失效。现有设备允许的掺氢极限未知。需要开展掺氢条件下压缩机、阀门和密封件的全尺寸试验，确定性能衰减规律，修订设备选型和操作规程，界定掺氢示范项目的安全边界。其中，非金属密封件在高压氢环境中的吸氢膨胀与疲劳失效机制是核心挑战之一。

38. 深海油气输送的流动安全保障与沉积物控制技术

深海低温高压环境下，油气输送管道易发生水合物、蜡和沥青质沉积。深水管道停输后重启尤为困难。现有流动安全保障策略多基于浅水经验，可靠性不足。需要耦合深海多相流-传热-传质-相变模型，结合高效低剂量抑制剂和主动加热/降压方案，建立系统的深水流动安全保障技术体系。

39. 悬跨海底管道涡激振动疲劳寿命预测与主动抑振技术

海流冲刷会引发管道悬跨段涡激振动，导致交变应力和疲劳裂纹。现行DNV规范基于理想均匀流，无法处理非均匀流、近底速度剖面及波流联合作用。需要集成CFD-结构动力学-疲劳分析方法，研发低成本、易安装的抑振装置（柔性涂层、自适应变形结构），延长海底管道寿命。

40. 大型LNG储罐热-质耦合分层与翻滚的动态机制

大型储罐中LNG因组分差异产生密度分层，随后突然翻滚释放大量蒸发气，可能导致储罐超压破裂。现有简化模型（集总参数或轴对称）低估了三维流动和热-质耦合。需要采用大涡模拟的高保真三维CFD模型，耦合多组分蒸发与扩散，通过全尺寸储罐温度阵列和分层厚度数据验证，确定失稳临界条件。据此制定预防策略。

41. 管道完整性的全生命周期退化机理与失效概率预测理论

管道因腐蚀、疲劳、外部载荷和第三方损伤导致的退化涉及高度不确定的缺陷演化。现有基于可靠性的方法无法整合多源监测数据。需要建立随机-确定性耦合退化模型，结合内检测（智能清管器）和分布式光纤数据，实现全生命周期动态失效概率预测，支撑完整性管理与维护优化。

42. 管道的高灵敏度实时泄漏检测、定位与定量机制

小泄漏（<1%流量）难以通过压降变化实现有效检测，而分布式光纤信号弱且易受环境干扰。需要结合声学/温度传播模型与生成对抗网络合成泄漏样本的物理信息半监督深度学习方法，以及轻量化边缘计算模型，实现高灵敏度实时监测和精确定位。

43. 成品油顺序输送混油界面数字孪生模型与切割点优化

成品油顺序输送中混油段长度取决于流量、流体性质和管道几何特征（如长度、地形起伏等）。实时优化切割点可减少混油损失。现有模型忽略流量波动和多批嵌套注入，密度计精度不足。需要基于在线数据同化（如卡尔曼滤波）和模型预测控制的混油界面数字孪生，实现动态切割点优化，支撑智能调度。

44. 长输油气管道内检测器自适应运行控制与多模态数据融合智能分析

长输油气管道内检测器（漏磁、超声、涡流、几何检测）是管道全生命周期完整性管理的核心装备，可采集管道缺陷海量多模态数据。现有技术受单模态检测物理边界局限、工况下速度波动与姿态失稳引发的信号畸变、多传感器时空匹配难、缺陷信号多解性突出等制约，存在误漏判风险高、定量精度不足、人工判读效率低等行业共性瓶颈。亟需突破自适应运行与姿态协同控制、多模态全维度数据融合、小样本智能判读等关键技术，实现缺陷精准识别量化，为管道本质安全管控提供核心支撑。

45. 多能源耦合管网的系统协同调度、韧性评估与极端应急控制理论

未来能源管道网络将同时输送油、天然气、氢、氨、甲醇和CO₂——这些介质物理性质和安全阈值差异巨大，系统调度极为复杂。传统单介质管道模型不再适用。需要建立多能源耦合管网的非线性动态优化模型，考虑介质切换、压力协调和泄漏风险。在此基础上，需进一步发展管网系统的韧性评估理论与极端状态下的应急调度方法：量化管网在自然灾害、恶意攻击、极端供需波动等扰动下的吸收、适应和快速恢复能力；建立考虑多能源互补的应急控制策略，实现扰动下供应安全的动态维持。发展分布式控制算法与韧性增强技术，支撑综合能源枢纽的安全高效运行。

 Part C: Petroleum Refining, Chemical Engineering, and Low-Carbon Conversion (Challenges 46–60)

46. 原油分子级表征与“分子炼油”反应网络构建

传统炼油工艺设计基于馏分或族组成，掩盖了数千种烃类分子的各自反应路径。实现分子炼油需获知每个分子物种的转化途径和动力学。原油包含数万种分子（C₁到>C₈₀），即使先进技术也无法确定所有异构体，嵌入含数百万个反应的反应网络在计算上不可行。需要基于“结构单元”、“连续热力学”或图神经网络预测反应速率的简化方法，以及快速在线分子表征。突破将使炼油从经验操作转向分子信息设计，准确预测产品收率、优化原料和工艺，显著提高轻油利润。

47. 渣油浆态床加氢裂化中沥青质聚集与生焦的分子动力学

在浆态床加氢裂化条件（400-450°C，15-20 MPa H₂）下，沥青质易聚集并进行自由基缩合形成焦炭前驱体，导致反应器结垢和催化剂失活。沥青质分子是带有侧链和杂原子的多环芳烃，其缩合速率取决于温度、H₂分压、催化剂活性和供氢溶剂。当前实验仅测量宏观生焦速率。需要结合密度泛函理论和ReaxFF分子动力学模拟沥青质模型化合物在金属硫化物表面的吸附、裂化和缩合，通过高温高压高压釜产物分析验证。所得生焦分子动力学模型将指导高效抗焦催化剂开发和工艺优化，大幅提高重油转化率。

48. 分子筛孔道限域效应及其对FCC生产轻烯烃反应路径的控制

ZSM-5分子筛是FCC增产丙烯的关键助剂。其孔道限域通过限制支链/环状烯烃扩散强烈影响反应选择性，但限域与酸中心分布如何共同控制裂解网络的定量认识尚缺乏。工业ZSM-5总是经过改性调节酸性并减少外表面结焦，但对限域的影响尚不清楚。需要在FCC类似条件下进行原位表征，结合微观动力学模拟和分子模拟，揭示孔道限域如何引导反应路径。这将指导合理合成具有特定酸中心分布和孔道结构的ZSM-5，显著提高丙烯选择性，支撑炼油向化工转型。

49. 原油直接制化学品催化裂化的抑焦与选择性控制

原油直接制化学品（CTC）跳过常减压蒸馏，最大化烯烃和芳烃。但原油中含有胶质、沥青质和金属，导致催化剂快速结焦失活，焦炭产率达15-20%（常规FCC为5-8%）。焦炭堵塞孔道、毒化酸中心；金属促进进一步脱氢。尚无商业CTC装置成功，原因是催化剂寿命不足。需要系统研究不同原油馏分在多种分子筛上的生焦动力学，建立焦炭产率与原料性质（康氏残炭、沥青质、金属）及催化剂性质（孔径、酸密度）之间的定量关系。开发新型高抗焦、高耐金属复合催化剂。突破后将跳过蒸馏装置，大幅降低能耗和投资，彻底改变炼油工艺。

50. 加氢脱硫催化剂活性相（CoMoS/NiMoS）的原子尺度结构调控

工业加氢脱硫催化剂的活性相是“CoMoS”或“NiMoS”相——边缘被Co或Ni原子取代的MoS₂纳米微晶。其原子结构（堆叠层数、晶片长度、Co/Mo比、Co/Ni精确位置）决定了对空间位阻硫化物（如4,6-二甲基二苯并噻吩）的脱除能力。然而活性相在硫化/反应条件下的动态演化、载体相互作用的平衡、以及加氢脱氮和加氢脱芳的结构要求尚不清楚。需要结合DFT、原位EXAFS和HRTEM，建立“合成→结构→活性”图谱，并通过原子层沉积构建模型催化剂。这将实现更活泼、更长寿命、低贵金属加氢脱硫催化剂的理性设计，支撑清洁燃料生产。

 51. 多相催化中气-液-固界面传递与反应动力学耦合的统一理论

在炼油和碳转化中，反应物必须从气/液相扩散到固体催化剂表面，经历吸附、反应和解吸，再扩散回去。界面传递与反应动力学强烈耦合，但当前模型使用经验有效因子或双膜理论，忽略纳米限域和润湿效应。需要桥接分子模拟（DFT、MD）、孔隙网络模型和连续介质力学的介尺度统一理论，描述界面浓度/温度跳跃和反应-扩散竞争。突破将实现反应器性能的精确预测，指导催化剂形貌和反应器设计优化。

 52. 工业催化剂的定量构效关系与多尺度预测模型

催化剂的活性、选择性和稳定性取决于从原子到颗粒尺度的结构特征（晶相、粒径、孔道结构、酸中心、缺陷）。当前催化剂开发仍依赖高通量试错，缺乏基于第一性原理的定量预测模型。需要将机器学习力场与微观描述符（配位数、d带中心）及实验数据库相结合，实现快速性能筛选和反向设计。突破将大幅缩短新催化剂研发周期，对加氢、裂化、重整和CO₂转化产生重大影响。

 53. 复杂操作条件下工业催化剂失活、再生与寿命预测的统一机制

工业催化剂失活涉及积碳、烧结、中毒、相变等，往往同时发生且相互作用。当前研究孤立处理每种机制，缺乏预测不同条件下失活速率以及再生后活性恢复程度的能力。需要将多机制动力学与反应器流动模型及在线监测数据（温度、压降、产品组成）相结合的综合建模框架，实现失活预警和再生策略优化。突破将显著延长催化剂寿命，减少更换成本，保障装置平稳运行。

 54. 全流程炼化过程的数字孪生建模、校核与实时优化

炼油过程涉及反应、分离、换热和压缩单元，具有强非线性和多变量耦合。现有数字孪生模型往往精度不足或速度不够，难以用于实时优化。需要将降阶模型与机理模型相结合、并利用实时数据同化的混合方法，实现在线校核和滚动时域优化。突破将为炼厂提供秒级决策支持，提高能效、减少排放，推动智能炼厂建设。

55. 碳中和目标下炼油过程低碳化重构与路径优化

以燃料生产为中心的传统炼油碳强度高。碳中和目标下必须向“减油增化”、低碳氢耦合、电气化和CCUS嵌入转变。其中，柔性化工技术（实现与可再生能源的源荷匹配）和化工再电气化技术（如电加热炉、绿电驱动催化反应）是核心科学问题。不同路径（如原油直接制化学品、生物共处理、绿氢替代）在投资、减排成本和技术成熟度上差异巨大。需要全生命周期技术-经济-碳综合优化模型，采用多目标规划确定最优转型路径。为炼油行业提供科学指导，避免盲目投资，平衡经济效益与减排要求。

56. 清洁烷基化工艺中离子液体的失活机理与回收再生

离子液体（如氯铝酸盐）可替代HF/H₂SO₄用于异丁烷-丁烯烷基化，是绿色替代工艺。工业实践中阴离子与微量水或含氧化合物反应形成惰性污泥，阳离子发生副反应，导致失活。电解或加氢再生成本高、效率低。需在分子层面理解失活途径，设计更稳定的离子液体（如疏水阳离子或氟化阴离子），开发在线电化学再生，优化两相分离设备。突破将实现绿色烷基化，消除废酸污染。

57. CO₂加氢制高值化学品（甲醇、烯烃等）的新型催化剂设计与反应机理

CO₂加氢制甲醇/烯烃是CCUS的重要下游路线。传统Cu/ZnO/Al₂O₃活性中心结构复杂，伴有逆水煤气变换副反应。新型催化剂如In₂O₃负载单原子Pd/Pt在低温下表现出高甲醇选择性，但单原子在反应条件下易团聚。需要DFT筛选强锚定位点（如氧空位）、原位XAS/ETEM揭示动态演化、以及规模化合成方法（ALD、配位聚合物热解）。突破后将实现高效CO₂利用，将碳转化为基础化学品。

58. 加氢处理酯和脂肪酸生产可持续航空燃料的催化剂耐氧性与选择性异构化机制

HEFA工艺包括油脂加氢脱氧生成正构烷烃，然后异构化降低冰点以符合航煤要求。高氧含量（10-13 wt%）在加氢脱氧时生成水，可使催化剂（NiMo、CoMo或贵金属）烧结。异构化催化剂（如Pt/SAPO-11）需要高选择性以避免过度裂化，且原料杂质引起中毒。需要理解加氢脱氧和异构化机理，设计耐水非贵金属催化剂（Ni-W），开发介孔分子筛限域异构化催化剂，并建立预处理工艺。突破将实现废弃油脂高收率、长寿命生产可持续航空燃料，支持航空业脱碳。

59. 废塑料催化裂解制芳烃和轻烯烃的双金属催化剂设计与再生循环

废塑料化学回收通过催化裂解可生产单体和化学品。杂质（PVC的Cl、PET的O、染料的N）产生腐蚀性气体或毒化催化剂。积碳严重，再生时氯会加速金属烧结。需要耐Cl和O的双金属催化剂（如ZSM-5负载Fe/Mo），以及分段再生（低温脱氯后高温烧炭）。通过原位XPS和TEM研究杂质-活性中心相互作用，指导催化剂配方和预处理工艺。突破后将废塑料转化为高值产品，减少白色污染，贡献碳循环。

60. 石化装置微反应器过程强化中的多相混合、传质与放大规则

微反应器具有优异的传热传质性能，适用于强放热和危险反应，但从实验室放大到工业规模具有挑战性。简单的“ numbering-up”会导致流动分布不均；单纯扩大通道尺寸会失去微反应器优势。流型（段塞流、环状流、平行流）对混合和传质的影响随通道尺寸和材料的变化规律尚未通用。需要具有树状分布器的分级微结构、经CFD优化分布均匀性，以及在线监测（红外热成像、微拉曼）。建立从微尺度到工业规模的放大规则，将支持微反应器在硝化、磺化、加氢等领域的工业应用，实现本质更安全、更高效的生产。

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