一种用于费托合成的固定床装置的制作方法

专利名称：一种用于费托合成的固定床装置的制作方法
技术领域：
本实用新型提供一种固定床装置，其为用于费托合成反应的装置，尤其 是指利用一种经过改良的、将合成气通过费托合成反应可以比较充分转化成 液态烃类的固定床装置。
背景技术：
由于石油资源的日益短缺和劣质化，随着成品油需求的不断增加，以及 环保法规的日益严格，通过新的方法获取优质的液态成品油燃料，是当前中
国乃至全球面临的重大问题。费托合成是利用&和CO为主要成分在催化剂 的作用下合成烃的过程，是生产液体燃料的新途径，也是目前最有效最有前 景的技术。它可以用于煤制油、天然气制油等多种加工过程。
根据催化剂的不同，费托合成反应器可以有多种形式，例如固定床、气 固流化床和浆态床等。其中气固流化床操作复杂、容易积碳，现在已较少使 用。浆态床具有传热效果好，反应温度易于控制等优点，是费托合成反应器 发展的主流。但是浆态床反应器的单程转化率低，固液分离困难，只适合于 大型合成油装置。固定床则具有操作简单，形式灵活多样的特点，对于众多 中小型合成油装置具有很大的吸引力，但固定床传热性能不好是制约其发展 的重要因素。
传统的费托合成用固定床装置是采取气体从上到下的进料方式，换热介 质在套管中从下到上的逆流循环。这种换热方式并不能有效地将催化剂床层 前端所释放的大量反应热迅速移出，容易导致反应器"飞温"，使生成目的 产物的选择性下降，并易于形成积碳。而且采用固定床装置的气体单程转化 率不高，需要利用动力装置进行尾气循环，增加了装置的运行成本。 实用新掣内容
本实用新型提供一种用于费托合成反应的新型固定床装置，该装置可以 使反应热能够有效移出，避免出现反应热点和飞温现象，使整个反应体系温 度维持在"恒温范围"，保证了反应的顺利进行，而且通过实行多组反应器 操作，极大程度地提高了合成气的单程转化率，使尾气不用循环。
本实用新型的目的在于提供一种用于费托合成反应的固定床装置，借助 该新型固定床装置，使合成气(原料气)从固定床底部进入反应器的催化剂 床层发生费托合成反应，在反应器外的套管中通入循环水，循环水在反应器 下部吸热，上部放热，从而维持反应器的温度恒定，即保证了反应器中催化
剂层反应的^a度恒定，杜绝了飞温的发生，本实用新型的方法尤其适用于中 小型规模的简单方便的液态烃的生产过程。 本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现。
本实用新型提供一种用于费托合成反应的固定床装置，其特征在于该
固定床装置它至少由两组首尾相串连的固定床组成，每组固定床均包括反应 器、与该反应器对应相连接的加热器、与该加热器相接的套管、换热器(也 可称为冷凝器)和三相分离器，其中，每组固定床的加热器内均设置有原料 气管道和加热介质管道，加热器的器壁上设有原料气入口和原料气出口，该 原料气出口与该组反应器相连通，加热器器壁上还设有加热介质入口、加热 介质出口，以及加热器的循环水入口和循环水出口，每组加热器的循环水出 口与该组套管相通，所述的两组串连的反应器之间均依次串连有换热器和三 相分离器。
上述的反应器的内部还装设有催化剂，因此该反应器的内部也可称为催 化剂床层。
本实用新型通过使原料气从反应器的底部进入催化剂床层从而发生费 托合成反应，并且在反应器外的套管中(反应器外壁与套管内壁之间的空间)
通入循环水，循环水在套管中的运行方向与原料气在反应器中的运行方向 (自下而上)相同，g卩，循环水在反应器下部吸热，上部放热，从而维持反 应器的温度恒定，杜绝了飞温的发生，提高了合成气的单程转化率。
本实用新型的上述固定床装置，借助两组或两组以上的固定床首尾串 连，其中每组固定床均包括用于发生费托合成反应的反应器、用于加热循环 水和反应气体(原料气)的加热器、用于循环水流动换热的套管，其中每组 套管底部与该组加热器之间都相连接并且相通，且各组套管之间均上下相互 连通以维持温度压力平衡，使原料气通过反应器时，可以在催化剂的作用下 发生反应，两组或多组反应器相串连，可以使得第一组反应器中未反应完全 的原料气接续进入下一组反应器中继续进行合成反应，达到充分反应的目 的。
在本实用新型上述的固定床装置中，所述的每一组反应器的底部优选还 依次连接设置有产品收集器和产品槽，该产品收集器是用来收集在该反应器 中反应生成的沸点高于反应温度的液体产品，该产品槽是用来收集从该产品 收集器输送出来的产品，该产品优选是经过减压处理的产品。
在本实用新型的优选实施方式中，所述的每一组反应器的顶端均依次串 连有具冷凝作用的换热器(冷凝器)、具分离作用的三相分离器，使反应生 成的产物流经该换热器和三相分离器后，先冷凝，以筛出液态烃类产品(通 过该换热器用来冷凝该反应器中反应生成的并从该反应器顶端流出的沸点 较低的烃类和水)以及未转化的合成气，再在该三相分离器中对上述沸点较 低的烃类和水以及未转化的合成气进行水相、油相和气相分离，油相经减压 后作为低温冷凝产品可以被送到所述的产品槽中，水相减压后可精馏回收， 气相则进入下一组反应器继续反应，以使得原料气的反应更加充分。最后一 组反应器尾气分离出来后直接放空或者燃烧利用其能量，不再继续反应。
为了对加热器中流通的循环水进行加热，本发明的固定床装置的加热器 可以采用任何公知的加热方式，在本实用新型的优选实施例中，加热器的加热介质采用的是烟道气，即，上述固定床装置在加热器的内部设置的加热介 质管道优选为烟道气管道，加热器的器壁上设有的加热介质入口优选为烟道 气入口，加热介质出口优选为烟道气出口，该烟道气入口优选在加热器的上 部，烟道气出口在下部，用来使加热器内部运行的循环水加热至预定温度。
为了实现本实用新型的固定床装置中循环水的循环，循环水在套管中运 行并且流出，该套管的循环水出口处还连接有(或延伸连接有)储水罐，用 来存储从该套管中流出的循环水，该储水罐能够及时的对所述循环水的温 度、压力和液位进行调节。该储水罐上优选还设置有液位计和/或进出阀， 以及更优选还设置有防爆阀，用以监控水位的状况和及时消除由于吸热过大 造成水压升高过快的安全隐患。
在本实用新型的固定床装置中，所述的储水罐下端设有与加热器的器壁 上开设的循环水入口相通的循环管线，因循环水上升至套管顶部的储水罐的 时候，其与外界进行热交换后温度下降，而后由于重力或者循环泵的作用从 外部的循环管线中流下以重新进入套管底部，开始循环。该循环管线可以分 为自热循环管线和/或高压泵强制循环，高压泵循环管线即在管线上设置有 高压循环泵，以便在高压的状态下实现循环。
在本实用新型的优选实施例中，加热器内设的原料气管道和加热介质管 道优选为螺旋状管道，目的是为了增加传热换热的面积，加热介质管道(烟 道气管道)更优选为螺旋状上行的管道。
本实用新型利用上述固定床装置进行费托合成的方法包括以下步骤
112和C0为主要成分(H2/C0比为0. 5-5. 0)的新鲜合成气(原料气)进 入所述固定床装置底部设置的加热器中，在原料气管道中流动，被热的循环 水加热到合适的预热温度后，该合成气以从下至上的进料方式进入并通过该 固定床装置的催化剂床层以发生费托合成反应，并与设置在该固定床装置外 的套管中从下至上运行的循环水进行间接热量交换，优选在反应温度为 180-350。C、压力为1. 0-5. 0MPa和操作线速度为0. 02-3. 2m/s条件下发生反
应；在该方法中，循环水的预定加热温度优选比费托合成反应的反应温度低
10-2crc。
为了达到本实用新型的目的和效果，在本实用新型的优选实施例中，上
述的固定床装置至少由两组固定床(首尾)串联而成；每组固定床的反应器 的底部还设置有产品收集器和产品槽，反应器的顶端连接有换热器(冷凝作 用)、三相分离器，在该反应器中反应生成的沸点高于反应温度的液体产品， 其将靠自身重力流进该产品收集器，经减压后送到产品槽；而生成的沸点较 低的烃类和水，其在反应温度下呈气态，将与未转化的合成气一起从反应器 的顶端流出反应器，经过所述的换热器冷凝后，被送到所述的三相分离器中， 目的是对水相、油相和气相进行分离，其中油相经减压后作为低温冷凝产品 送到产品槽，水相减压后精馏回收，气相则进入下一组反应器继续反应。
在每组反应器底部均连接设置有该组相应的加热器，可以对循环水进行 加热，使循环水上升至套管内与反应器中上行的合成气进行热交换；在该套 管结构的上部还连接有储水罐，通过储水罐能够及时的对所述循环水的温 度、压力和液位进行调节；在该反应器的内部装设有催化剂(该催化剂层也 可称为催化剂床层)，所述的催化剂可以是钴基、铁基或其他费托合成催化 剂，所使用的催化剂应能满足在长期连续运行的周期中活性和选择性稳定且 不易破碎的要求。外部还可优选设置有保温或加热装置，起到温度调节的作 用。
对本领域而言，在固定床反应器中进行的强放热反应，当初始条件达到 或超过某一限度时，反应产生的热量远远超过该系统能够排走的热量，出现 热量瞬间的大量积累，热失衡恶化，造成反应系统温度呈现跳跃式的增加， 导致整个系统失去控制，这种现象称为飞温。飞温对反应的转化率、选择性、 催化剂的活性和寿命等都有不良影响。
为了提高了费托反应的转化率和选择性，本实用新型的固定床装置优选 至少由两组反应器串联而成。
在本实用新型的技术方案中，原料合成气(原料气)在催化剂床层入口 处的浓度较大，在催化剂作用下反应比较剧烈，放出大量的热，床层温度上
升很快，在离入口 1-2m处床层温度达到最大值。较高温度下反应加快，单 位时间的放热量也增大，此时，如不能及时移走反应热，有导致床层"飞温" 的危险。在本实用新型利用的反应器中，套管内装有循环水在装置底部的加 热器中用高温烟道气将该循环水的水温加热到比反应温度低10-20°C，而后 循环水与气体顺流自下而上通过反应器套管，在上升到原料气刚与催化剂接 触开始反应的位置附近，开始与反应器进行热交换，将大量的反应热带出催 化剂床层，保证催化剂床层维持在合成的反应温度。吸热后的循环水温度升 高并部分汽化。因为随着原料合成气浓度的下降，反应的放热量逐渐变少， 以至在催化剂床层的上部由于反应器的散热作用，催化剂床层的温度低于最 佳反应温度，因而不利于合成气的继续反应；而此时循环管内的较高温度的 循环水则向催化剂床层传热，保证剩余未转化的合成气继续发生反应，循环 水则上升至套管顶部的(汽液)储水罐中，与外界进行热交换后温度下降， 而后由于重力的作用从外部循环管线中流下(或者在高压泵的作用下)以重 新进入套管底部，开始新的循环。
在本实用新型的费托反应的全过程中，反应器的催化剂床层温度始终维 持在"恒温范围"，保证了反应的顺利进行，提高了合成气的转化率，使合 成气单程转化率达到80%以上。而循环水由于重力的作用流动非常快，可以 迅速的把反应热带走并有效的对低温区进行补充，水的温差上下不超过4'C， 保证了热交换的顺利进行，提高了整个反应器的效率。
本实用新型从最后一组反应器顶部出来的气体包括未反应的原料气和 生成的轻烃类产品，其温度依然很高，经过换热器(冷凝作用)冷凝后温度 接近于室温，进入三相分离器。其中极少的低碳烃(CH4等)和一小部分未 反应的原料气经过尾气阀放空或作为加热燃料。分离器出来的液相包括液态 烃类和生成的水两部分，其中液态烃进入产品收集器，减压后送入产品槽单
元进行深加工，水相送去精馏以回收水中的含氧有机物。而反应中生成的沸 点比反应温度高的重烃类则由于自身重力的作用进入产品收集器，经减压后 送产品槽单元进行其后的深加工。
本实用新型因为在反应器的套管中设置有循环水，在装置底部的加热器
中可以将水加热到比反应温度低10-2(TC的温度，而后循环水与原料气体(合 成气)顺流自下而上分别通过反应器套管和催化剂床层，在反应开始的阶段 利用温度稍低的循环水吸收反应放出的巨大热量，热点温度降低，使其不发 生"飞温"现象，循环水温度升高，部分汽化。随着反应的进行气体浓度减 少，反应放热减少，温度下降，在反应器上部，高温的循环水对反应器床层 再进行热量补充，使未反应的合成气继续反应，循环水则上升至套管顶部的 储水罐中，与外界进行热交换后温度下降，而后由于重力或者高压循环泵的 作用从外部管线中流下以重新进入套管底部，开始循环。整个反应器上下温 度都控制在"恒温范围"，保证了反应的顺利进行，并且提高了转化率。
设置两组串连固定床的优点在于在第一组反应器反应生成的部分液态 烃类随气体一起从反应器顶部出来，进入换热器中冷凝除去液态烃类产品； 分离出的气体进入第二组反应器继续着与第一组反应器在同样的条件下的 反应，而后再次冷凝除去液态烃类产品，使原料气体充分反应，尾气放空。 当反应器为多组反应器串联而成的时候，尾气也可再进入第二组以后的反应 器中，例如第三组反应器，直至合成气转化率达到较高的理想水平。
本实用新型可以达到整个反应器上下温度都控制在"恒温范围"的效果， 保证了费托反应的顺利进行，并且提高了转化率。


图l:本实用新型的费托合成单管反应器结构图。
图2:本实用新型的两组单管反应器组成的费托合成反应用的固定床装置。
图3:本实用新型的两组多管反应器组成的费托合成反应用固定床装置。附图标号
1——加热器 2——高压循环泵 3——催化剂床层
4——反应器 5——套管 6——套管壁
7——储水罐 8——液位计 9——进出阀
10——防爆阀 11——循环水控制阀
12——加热器的原料气管道入口 (或称加热器原料气入口)
13——加热器的原料气管道出口 (或称加热器原料气出口)
14——反应器气原料气入口 15——反应器尾气出口
16——循环水入口 17——循环水出口 18——烟道气管道的入口 19——烟道气管道的出口 20——气体分布板21——产品出口 22、 25——产品收集器23——换热器(冷凝器)24——三相分离器 26~水相收集器 27——产品槽 28——尾气放空阀
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以下结合附图详细说明本实用新型，但不限定本实用新型的实施范围。 本实用新型提供的费托合成反应制成高品质液体烃用的固定床装置，该
装置中所设置的反应器可以是两组反应器，也可以是串连的多组反应器，其
中各反应器可以是单管固定床，也可以是多管固定床。 实施例一
如图l和图2所示，本实施例是两组单管固定床反应器(图1)组成的
费托合成反应用的固定床装置，具体结构如下
该装置包括反应器4，设置在该反应器4底部的加热器1，其作用是使 原料气和循环水达到合适的预热温度，再从下至上通过催化剂床层3和反应
器4外部设置的套管5;，所述的加热器l内设有加热介质(烟道气)管道，
该烟道气管道的入口 18开设于加热器的上部，烟道气管道的出口 19开设于 加热器的下部，通过烟道气管道将进入加热器中的循环水进行加热，加热器 的器壁上分别开设该循环水入口 16和循环水出口 17，循环水出口 17开设于
加热器的上部，且与所述反应器4外的套管5相通；所述的加热器4内设置 有原料气管道，加热器4的原料气管道的入口 12和加热器4的原料气管道 的出口 13设置在加热器4的器壁上，该加热器4的原料气管道的出口 13与 所述的反应器的原料气入口 14相连通，通过热的循环水将原料气管道中的 原料气加热到合适的预热温度，后通过加热器的原料气管道的出口 13和反 应器的原料气入口 14进入反应器反应。
反应器4的底部的产品出口 21处还依次连接设置有产品收集器22和产 品槽27，该产品收集器22是用来收集在该反应器中反应生成的沸点高于反 应温度的产品，该产品槽27是用来收集从该产品收集器输送出来的产品。 反应器4的顶端依次串连有具冷凝作用的换热器23和具分离作用的三相分 离器24，使反应生成的产物流经该换热器23和三相分离器24后，先冷凝， 以筛出液态烃类产品以及未转化的合成气，再在该三相分离器24中对上述 沸点较低的烃类和水以及未转化的合成气进行水相、油相和气相分离，油相 经减压后作为低温冷凝产品可以被送到所述的产品槽27中，气相则进入下 一组反应器中继续反应，以使得原料气的反应更加充分。
上述固定床装置在加热器1的器壁上还设有烟道气入口 18和烟道气出 口 19，烟道气入口 18在加热器的上部，烟道气出口 19在下部，用来使加热
器1内部的循环水加热至预定温度。
在反应器4外设的套管5的上部还连接有储水罐7，用来存储从该套管 5中流出的循环水，该储水罐7能够及时地对所述循环水的温度、压力和液 位进行调节。该储水罐7上还设置有液位计8、进出阀9 (以及更优选还设 置有防爆阀(或称安全阀)10)，用以监控水位的状况和及时消除由于吸热 过大造成水压升高过快的安全隐患。
在所述的储水罐7下端设有与加热器1上开设的循环水入口 16相通的 循环管线，循环水上升至储水罐7的时候，其与外界进行热交换后温度下降， 而后由于重力或者循环泵2的作用，以及循环水控制阀11的控制下，从外
部的循环管线中流下以重新进入套管底部，开始循环。
整个反应器4的催化剂床层3温度始终维持在"恒温范围"，保证了反
应的顺利进行，提高了合成气的转化率，使合成气第一组反应器单程转化率
达到65%以上，第二组反应器单程转化率达85%。而循环管内的水由于重力 的作用流动非常快，可以迅速的把反应热带走并有效的对低温区进行补充， 水温差上下不超过4'C，保证了套管外壁6内的热交换的顺利进行，提高了 整个反应器的效率。本实用新型装设的储水罐7、液位计8和安全阀10是用 以监控水位的状况和及时消除由于吸热过大造成水压升高过快的安全隐患。 从反应器4顶部出来的气体包括未反应的原料气和生成的轻烃类产品， 其温度依然很髙，经过换热器(冷凝作用)23冷凝后，温度接近于室温，进 入与换热器23相连接的三相分离器24中，其中极少量的低碳烃(CH4等) 和一小部分未反应的原料气经过进入第二组反应器继续反应，第二组出来的 尾气经过换热器23和三相分离器24后通过尾气放空阀28放空或作为加热 燃料。三相分离器24中排出的液相物质包括液态烃类和生成的水两部分， 其中液态烃类进入产品收集器25，减压后送入产品槽27进行深加工，水相 进入水相收集器26 (也称为反应水中间槽)，之后去精馏回收单元以回收水 中的含氧有机物。而反应中生成的沸点比反应温度高的重烃类则由于自身重 力的作用进入产品收集器22 (也称低温冷凝物中间槽)，经减压后送产品槽 27进行深加工。
实施例二
如图2和图3所示，为两组多管反应器组成的费托合成反应用的固定床 装置，与图1的不同在于每组反应器4是多管(输气管路)固定床，该多管 (输气管路)竖直排列在反应器4的下端设置的气体分布板20上面，而且
采用循环管线n利用循环泵对循环水进行强制循环，这样使循环水快速流
动，循环水温差更小，更利于费托合成反应，而且采用多管固定床生产能力
更大。在气体从反应器尾气出口 15出来，进入第二组反应器4之前还要再 经过冷凝器23、三相产品分离器24后进入第二组反应器继续反应，目的是 分离进入第二组反应器4气体中的烃类，减少烃类产物对费托合成反应的影 响，增加未转化合成气和轻烃气体的分压，有利于提高第二组反应器4的转 化率和选择性。整个装置流程基本与实施例一相同，装置运行一年多，状况 良好。C0单程转化率达到80%, (V的选择性达到8096以上。此方案虽然增加 了反应器的造价，但减少了尾气分离装置和动力装置的投资，扩大了产能， 增加了效益，而且可以根据反应需要继续增加反应器的个数。 利用本实用新型的固定床装置进行费托反应的优点是
(1) 原料气可以在循环水加热器中进行换热，达到了能量的合理利用。
(2) 用换热介质水对反应器进行取热和补热，充分的利用了水的热容 较大的特点，并且可以根据反应状况的不同选取自热循环I和高压泵强制循 环n两种不同方式，且可以随时调节泵的流量，能使反应热大量的移出，维 持反应的温度基本恒定，因此本实用新型所适用的反应体系范围极广。
(3) 储水罐可随时监控液位的高低，并根据需要进行水量的调节，而 且安全阀有一定的压力范围，可以自动过压放空，保证了装置的安全运行。
(4) 根据沸点的不同直接将产品进行初级分离，为后续的产品精制作 准备，而且对水相进行了精馏回收，节能环保。
(5) 尾气不循环，而是直接放空或作为燃料烧掉，减少了动力装置， 节省了投资，且操作简单易行，适用于中小型规模的费托合成装置。
(6) 该方案实际应用运行了一年多，从未出现因工艺或设备原因造成 停车的故障。
(7) C0的单程转化率达到80%， C的选择性不低于80%。
(8) 本方案也可继续增加第三组或更多组反应器，其中各组反应器串 联反应，每组出来的产品经过冷凝分离除去液态烃后，尾气进入下一组反应 器继续反应，直至合成气转化率达到较高的水平。
权利要求1.一种用于费托合成反应的固定床装置，其特征在于该固定床装置它至少由两组首尾相串连的固定床组成，每组固定床均包括反应器、与该反应器对应相连接的加热器、与该加热器相接的套管、换热器和三相分离器，其中，每组固定床的加热器内均设置有原料气管道和加热介质管道，加热器的器壁上设有原料气入口和原料气出口，该原料气出口与该组反应器相连通，加热器器壁上还设有加热介质入口、加热介质出口，以及加热器的循环水入口和循环水出口，每组加热器的循环水出口与该组套管相通，所述的两组串连的反应器之间均依次串连有换热器和三相分离器。
2. 如权利要求1所述的用于费托合成反应的固定床装置，其特征在于-该循环水入口开设于加热器的器壁的下部，循环水出口开设于加热器的器 壁的上部，该循环水出口与所述的套管相通。
3. 如权利要求l所述的用于费托合成反应的固定床装置，其特征在于-所述的每一组反应器的底部均依次连接设置有产品收集器和产品槽。
4. 如权利要求3所述的用于费托合成反应的固定床装置，其特征在于-所述的每一组反应器的顶端均串连有换热器、三相分离器。
5. 如权利要求l所述的用于费托合成反应的固定床装置，其特征在于:所述的加热器内部设置的加热介质管道为烟道气管道，所述的加热介质入 口为烟道气管道的入口，加热介质出口为烟道气管道的出口。
6. 如权利要求1所述的用于费托合成反应的固定床装置，其特征在于: 所述的套管的顶端设有循环水出口 ，该套管通过循环水出口还连接有用来 存储从该套管中流出的循环水的储水罐。
7. 如权利要求6所述的用于费托合成反应的固定床装置，其特征在于: 所述的储水罐上设置有液位计和/或进出阀。
8. 如权利要求7所述的用于费托合成反应的固定床装置，其特征在于:所述的储水罐上还设置有防爆阀。
9. 如权利要求6所述的用于费托合成反应的固定床装置,其特征在于:所述的储水權设有与加热器上开设的循环水入口相通的循环管线，该循环 管线为并联的自然循环管线和高压循环管线。
10. 如权利要求l一9任一项所述的用于费托合成反应的固定床装置， 其特征在于原料气管道和加热介质管道均为螺旋状管道。
专利摘要本实用新型提供了一种用于费托合成制液态烃的固定床装置，包括加热器、连接在加热器的上部的反应器、套设于反应器外并与加热器相连接的套管，其中，该加热器内设有加热介质烟道气管道，该烟道气管道的入口开设于加热器的上部，烟道气管道的出口开设于加热器的下部，通过烟道气管道将进入加热器中的循环水进行加热，加热器的器壁上分别开设该循环水的入口和出口，循环水的出口开设于加热器的上部，且与所述反应器外的套管相通；加热器内设置有原料气管道，原料气入口和原料气出口设置在加热器器壁上，该原料气出口与反应器相连通。这种费托合成用固定床装置，可以有效地解决了费托合成反应热过大的问题，保证了原料气的充分反应，提高了费托合成反应的转化率。
文档编号C07C1/04GK201058854SQ200720149589
公开日2008年5月14日 申请日期2007年6月13日 优先权日2007年6月13日
发明者建 徐, 勇 石, 魏伟胜, 鲍晓军 申请人:中国石油天然气集团公司;中国石油大学(北京)