流態(tài)化催化裂化的發(fā)明

■ 中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)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(chǎng)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(kāi)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(duì)我國(guó)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(guó)的?？松‥xxon）研究與工程公司的C.E.Jahnig、H.Z.Martin和D.L.Campbell等撰寫(xiě)了“流化催化裂化的發(fā)展”一文，文章詳細(xì)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(shí)間。這篇論文敘述了流態(tài)化技術(shù)在新澤西標(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)基本專(zhuān)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(jì)（The Downflow Design）。

流態(tài)化催化裂化研發(fā)過(guò)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(rùn)滑油精制的廢白土與原料與原料油相混合，經(jīng)過(guò)加熱，能生產(chǎn)更多的汽油。說(shuō)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(xué)反應(yīng)基礎(chǔ)。

如何在大型催化裂化裝置上實(shí)現(xiàn)上述反應(yīng)，最開(kāi)始采用的是片狀催化劑的多種固定床和移動(dòng)床反應(yīng)器，系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)這類(lèi)系統(tǒng)既不高效也不經(jīng)濟(jì)，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(jìn)行試驗(yàn)。

早在1940年，美國(guó)麻省理工學(xué)院的W.K.Lewis對(duì)密相流化床反應(yīng)器進(jìn)行了試驗(yàn)，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(yuǎn)高于stoke定律計(jì)算的顆粒沉降速度（不大于0.1ft/s），stoke定律只適用于單個(gè)顆粒，不適用于粒子群。這就是為開(kāi)發(fā)流態(tài)化催化裂化反應(yīng)器奠定了科學(xué)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(yùn)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(yīng)器中去推動(dòng)裂化，使流態(tài)化催化裂化達(dá)到“熱平衡”，大大降低了能耗，從經(jīng)濟(jì)上降低了運(yùn)轉(zhuǎn)成本。

后來(lái)又發(fā)現(xiàn)了原料油可以以流態(tài)注入反應(yīng)器，而不僅僅以氣態(tài)形式，進(jìn)一步利用了催化劑從再生器帶來(lái)的熱量。當(dāng)時(shí)曾擔(dān)心這樣的操作可能會(huì)導(dǎo)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(guò)在工業(yè)裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)上未發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象。

此外，在設(shè)計(jì)、施工中還解決了旋風(fēng)分離器、滑閥、膨脹節(jié)、耐高溫材質(zhì)、自動(dòng)化控制、催化劑供應(yīng)等環(huán)節(jié)的問(wèn)題。

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

同時(shí)新澤西標(biāo)準(zhǔn)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(guó)流化床催化裂化的研發(fā)和工業(yè)化過(guò)程中，正處于第二次世界大戰(zhàn)前夕，美國(guó)“戰(zhàn)時(shí)石油管理局”（Petroleun Administration）組成催化裂化研究協(xié)會(huì)（Catalytic Research Association），其中參加的公司包括新澤西標(biāo)準(zhǔn)石油公司、印第安納標(biāo)準(zhǔn)石油公司、凱海格工程公司、法本（德國(guó)）公司，以及后來(lái)加入的英國(guó)石油、英國(guó)荷殼牌、德士古、環(huán)球油品公司等。這些生產(chǎn)市場(chǎng)上的對(duì)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(lái)的應(yīng)用企業(yè)，整合各家優(yōu)勢(shì)，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(jì)和社會(huì)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(kuò)大輕質(zhì)油品的生產(chǎn)，滿(mǎn)足了社會(huì)對(duì)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(dāng)時(shí)煉油企業(yè)以及第二次世界大戰(zhàn)對(duì)汽油、柴油等輕質(zhì)油品的需求，特別是對(duì)高辛烷值航空汽油和順丁橡

膠原料的需求是推動(dòng)流化催化裂化加速發(fā)展的動(dòng)力。

正是在這種需求的推動(dòng)下，美國(guó)采取了措施促成催化裂化研究協(xié)會(huì)（Catalytic Research Association）組成聯(lián)合體開(kāi)展研發(fā)，使這些石油品生產(chǎn)市場(chǎng)上的對(duì)手，在技術(shù)創(chuàng)新上同心協(xié)作。同時(shí)，還吸納了擅長(zhǎng)工程設(shè)計(jì)的公司、擅長(zhǎng)工藝研發(fā)的科研企業(yè)，聯(lián)合各家優(yōu)勢(shì)，才使流態(tài)催化裂化實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。這里的核心是動(dòng)員和細(xì)心組織各方優(yōu)勢(shì)單位，發(fā)揮特長(zhǎng)，加速了整個(gè)工業(yè)化過(guò)程。

與美國(guó)麻省理工學(xué)院W.K.Lewis教授的合作，認(rèn)識(shí)到Suke定律只適應(yīng)于單個(gè)顆粒，不適用于粒子群，這為開(kāi)發(fā)流態(tài)化催化裂化工藝奠定了理論基礎(chǔ)，說(shuō)明與高等院校有關(guān)科技教授合作開(kāi)展基礎(chǔ)研究的重要性。

建立一套中型試驗(yàn)裝置，從實(shí)踐中不斷總結(jié)形成的新構(gòu)思，及時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，十分重要。例如，研發(fā)過(guò)程中的豎管輸送催化劑、用液態(tài)重油進(jìn)料、上行式改為下行式等重要發(fā)明都是通過(guò)中型試驗(yàn)獲得的。