流態(tài)化催化裂化的發(fā)明

■ 中國科學院、中國工程院院士 閔恩澤

流態(tài)化催化裂化工藝是煉油工藝技術(shù)的非常重要的成就。流態(tài)化催化裂化是煉油廠將重油轉(zhuǎn)化為高辛烷值汽油、柴油、液化氣的重要裝置，目前流化催化裂化已發(fā)展到提升管催化裂化，還開發(fā)了多種形式的再生器，原料從重油已經(jīng)發(fā)展到摻煉渣油。由于催化裂化對我國如此重要，探討這一新發(fā)明如何出現(xiàn)，具有重要意義。

催化裂化研發(fā)到工業(yè)化歷程

美國的埃克森（Exxon）研究與工程公司的C.E.Jahnig、H.Z.Martin和D.L.Campbell等撰寫了“流化催化裂化的發(fā)展”一文，文章詳細論述了流態(tài)化技術(shù)（Fluidized Solid Technique）成就——從概念到工業(yè)化僅用了三年時間。這篇論文敘述了流態(tài)化技術(shù)在新澤西標準石油公司（The Standard Oil Company of New jersey,現(xiàn)Exxon公司的一部分）的研發(fā)歷程，介紹了Exxon公司獲得的四項基本專利：（1）流公床（Fluid Bed）；（2）流態(tài)化豎管（Fluided Standpipe）；（3）系統(tǒng)集成（The integrated System）；（4）下流式設(shè)計（The Downflow Design）。

流態(tài)化催化裂化研發(fā)過程如下：

流態(tài)化催化裂化的起步始于發(fā)現(xiàn)廢白土有催化裂化作用。1934年將潤滑油精制的廢白土與原料與原料油相混合，經(jīng)過加熱，能生產(chǎn)更多的汽油。說明酸性催化裂化劑能催化重油裂化，這就奠定了流態(tài)化催化裂化的化學反應基礎(chǔ)。

如何在大型催化裂化裝置上實現(xiàn)上述反應，最開始采用的是片狀催化劑的多種固定床和移動床反應器，系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)這類系統(tǒng)既不高效也不經(jīng)濟，于是，決定采用粉狀催化劑，建成一套100B/d（1B=158.987L）中型裝置進行試驗。

早在1940年，美國麻省理工學院的W.K.Lewis對密相流化床反應器進行了試驗，突破性地發(fā)現(xiàn)是流化顆粒在氣速為1～3ft/s（1ft=0.3048m）的流速下仍能維持穩(wěn)定，這遠高于stoke定律計算的顆粒沉降速度（不大于0.1ft/s），stoke定律只適用于單個顆粒，不適用于粒子群。這就是為開發(fā)流態(tài)化催化裂化反應器奠定了科學基礎(chǔ)。

另一重要發(fā)現(xiàn)：流化顆粒在豎管中形成的柱可以擠壓聚集在一起的粉狀催化劑，使其從低壓區(qū)運轉(zhuǎn)到高壓區(qū)，這樣催化劑粉就起了“熱傳遞”的作用，將其再生器中大量的剩余能量轉(zhuǎn)移到反應器中去推動裂化，使流態(tài)化催化裂化達到“熱平衡”，大大降低了能耗，從經(jīng)濟上降低了運轉(zhuǎn)成本。

后來又發(fā)現(xiàn)了原料油可以以流態(tài)注入反應器，而不僅僅以氣態(tài)形式，進一步利用了催化劑從再生器帶來的熱量。當時曾擔心這樣的操作可能會導致油與粉狀催化劑形成泥漿堵塞催化劑的循環(huán)通道，不過在工業(yè)裝置的運轉(zhuǎn)上未發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象。

此外，在設(shè)計、施工中還解決了旋風分離器、滑閥、膨脹節(jié)、耐高溫材質(zhì)、自動化控制、催化劑供應等環(huán)節(jié)的問題。

第一套流化床催化裂化工業(yè)裝置為上行式，對其運轉(zhuǎn)結(jié)果進行分析后，從催化劑的流動和循環(huán)看，認為改為下行式更優(yōu)越，于是，1941年起對100B/d中試裝置改建為下行式以開發(fā)新工藝。

同時新澤西標準石油公司又建設(shè)了5套下行式流化床催化裂化裝置，其中第一套于1941年中期投產(chǎn)。至此，流化催化裂化走完了研發(fā)歷程。

在美國流化床催化裂化的研發(fā)和工業(yè)化過程中，正處于第二次世界大戰(zhàn)前夕，美國“戰(zhàn)時石油管理局”（Petroleun Administration）組成催化裂化研究協(xié)會（Catalytic Research Association），其中參加的公司包括新澤西標準石油公司、印第安納標準石油公司、凱海格工程公司、法本（德國）公司，以及后來加入的英國石油、英國荷殼牌、德士古、環(huán)球油品公司等。這些生產(chǎn)市場上的對手，在技術(shù)創(chuàng)新上同心協(xié)力搞合作。值得注意的是，聯(lián)合體內(nèi)不僅包含了未來的應用企業(yè)，整合各家優(yōu)勢，并很快轉(zhuǎn)化為商業(yè)化裝置，創(chuàng)造了良好的技術(shù)創(chuàng)新形式。技術(shù)革命產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟和社會效益。流態(tài)化催化裂化技術(shù)的突破，幫助石油公司迅速擴大輕質(zhì)油品的生產(chǎn)，滿足了社會對汽油和柴油的需求，在第二次世界大戰(zhàn)中幫助盟軍取得勝利立了大功。

催化裂化發(fā)明的啟示

當時煉油企業(yè)以及第二次世界大戰(zhàn)對汽油、柴油等輕質(zhì)油品的需求，特別是對高辛烷值航空汽油和順丁橡

膠原料的需求是推動流化催化裂化加速發(fā)展的動力。

正是在這種需求的推動下，美國采取了措施促成催化裂化研究協(xié)會（Catalytic Research Association）組成聯(lián)合體開展研發(fā)，使這些石油品生產(chǎn)市場上的對手，在技術(shù)創(chuàng)新上同心協(xié)作。同時，還吸納了擅長工程設(shè)計的公司、擅長工藝研發(fā)的科研企業(yè)，聯(lián)合各家優(yōu)勢，才使流態(tài)催化裂化實現(xiàn)工業(yè)化。這里的核心是動員和細心組織各方優(yōu)勢單位，發(fā)揮特長，加速了整個工業(yè)化過程。

與美國麻省理工學院W.K.Lewis教授的合作，認識到Suke定律只適應于單個顆粒，不適用于粒子群，這為開發(fā)流態(tài)化催化裂化工藝奠定了理論基礎(chǔ)，說明與高等院校有關(guān)科技教授合作開展基礎(chǔ)研究的重要性。

建立一套中型試驗裝置，從實踐中不斷總結(jié)形成的新構(gòu)思，及時進行試驗驗證，十分重要。例如，研發(fā)過程中的豎管輸送催化劑、用液態(tài)重油進料、上行式改為下行式等重要發(fā)明都是通過中型試驗獲得的。