以革命性創(chuàng)新構(gòu)建催化反應(yīng)工程技術(shù)新平臺

□ 杜詩畫 白旭輝

大型變徑流化床反應(yīng)器技術(shù)發(fā)展成為成熟的催化反應(yīng)工程技術(shù)平臺，在反應(yīng)器結(jié)構(gòu)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了革命性創(chuàng)新，這項技術(shù)形成了一個產(chǎn)業(yè)。

今年年初，由石油化工科學(xué)研究院等單位研發(fā)的“大型變徑流化床反應(yīng)器關(guān)鍵技術(shù)研究與開發(fā)”項目獲得集團(tuán)公司技術(shù)發(fā)明獎一等獎。

目前，國內(nèi)大部分催化裂化裝置采用變徑流化床作為反應(yīng)器。20余年來，作為該反應(yīng)器關(guān)鍵技術(shù)的主要研發(fā)單位，石油化工科學(xué)研究院組織攻關(guān)團(tuán)隊，從實驗室探究到工業(yè)應(yīng)用，深入研究，自主創(chuàng)新，使大型變徑流化床反應(yīng)器技術(shù)發(fā)展成為成熟的催化反應(yīng)工程技術(shù)平臺，在反應(yīng)器結(jié)構(gòu)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了劃時代意義的創(chuàng)新。其母專利“一種用于流化催化轉(zhuǎn)化的提升管反應(yīng)器”于2016年獲得中國專利金獎。

從現(xiàn)象著手獲得創(chuàng)新靈感

催化反應(yīng)技術(shù)是化學(xué)工業(yè)的核心，涉及90%以上的化學(xué)品生產(chǎn)過程。反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新是催化反應(yīng)技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵。如果把催化反應(yīng)技術(shù)研發(fā)歷程比喻成一棵大樹，那么根基是催化劑和催化材料，主干是反應(yīng)器，各種催化技術(shù)則是在這個主干上開枝散葉結(jié)成的果實。沒有主樹干的支撐，其他工藝技術(shù)也無從談起。

中國海油惠州煉化480萬噸/年催化裂化裝置。許友好 供圖

在催化裂化工藝開發(fā)過程中長期存在這樣的現(xiàn)象：在產(chǎn)品分布相似的情況下，中型試驗和工業(yè)生產(chǎn)的汽油烯烴及液化氣烯烴與小型試驗數(shù)據(jù)存在較大差異。這一現(xiàn)象激發(fā)了石科院科研團(tuán)隊的研發(fā)靈感。從1998年起，團(tuán)隊開始對重質(zhì)烴在固體酸催化劑上的反應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)研究。通過深入分析，團(tuán)隊提出了裂化和轉(zhuǎn)化兩個反應(yīng)區(qū)概念：先在第一反應(yīng)區(qū)將烴類裂解成為烯烴，再到第二反應(yīng)區(qū)使烯烴選擇性地轉(zhuǎn)化為異構(gòu)烷烴。

如何實現(xiàn)流化床反應(yīng)器分區(qū)？在國際上也沒有可以借鑒的先例。石科院科研團(tuán)隊通過一步步摸索，提出流化床變徑的思路，可以使氣固流動狀態(tài)發(fā)生變化，在同一反應(yīng)器內(nèi)形成多個不同的顆粒濃度場和溫度場，突破傳統(tǒng)流化床中濃度或溫度分布一致的限制，為不同類型的反應(yīng)提供最佳的反應(yīng)環(huán)境。

“科研的靈感從哪里來？”集團(tuán)公司首席專家、石科院科研團(tuán)隊負(fù)責(zé)人許友好教授說，“有的科學(xué)現(xiàn)象一直都存在，有心人就會抓住它，考慮為什么會這樣。做研究的人有時讓自己閑下來，對所從事的研究靜心思考，往往會有更大的發(fā)現(xiàn)?！?/p>

讓流化床反應(yīng)器通過變徑使單一反應(yīng)器內(nèi)實現(xiàn)多溫區(qū)和多流型的創(chuàng)新設(shè)計理念，實現(xiàn)了復(fù)雜催化反應(yīng)路徑定向控制，改變了烴類轉(zhuǎn)化過分強調(diào)轉(zhuǎn)化率而犧牲選擇性的慣性思維。

工業(yè)應(yīng)用使一項技術(shù)變?yōu)橐粋€產(chǎn)業(yè)

2002年，變徑流化床反應(yīng)器進(jìn)行首次工業(yè)應(yīng)用。在運行過程中，第二反應(yīng)區(qū)底部難以形成密相流化段，使該反應(yīng)區(qū)無法充分收到降低汽油烯烴的效果。團(tuán)隊主要成員駐守在現(xiàn)場，研究一線生產(chǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行深入分析和細(xì)致思考，優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，一點點進(jìn)行調(diào)試，最終成功解決問題。

“工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場為科研人員成長提供了豐富的營養(yǎng)，只有經(jīng)過工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場的反復(fù)洗禮，科研人員才能達(dá)到更高的境界。”許友好對此有深切體會。基于工業(yè)裝置運轉(zhuǎn)暴露的問題，提出新的技術(shù)方案，再改進(jìn)裝置進(jìn)行工業(yè)試驗，如此循環(huán)往復(fù)?？蒲蟹?wù)應(yīng)用，應(yīng)用指導(dǎo)科研，這是整個團(tuán)隊堅持的工作方式。

某企業(yè)采用變徑流化床反應(yīng)器之初，技術(shù)指標(biāo)沒有實現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)。團(tuán)隊成員及時趕赴現(xiàn)場，與裝置技術(shù)人員反復(fù)交流，制定調(diào)整方案。經(jīng)過3個多月夜以繼日的工作，結(jié)果超過預(yù)定目標(biāo)，用戶十分滿意，與團(tuán)隊結(jié)下深厚友誼，并決定在另一套更大裝置上采用變徑流化床反應(yīng)器。

分配器是流化床反應(yīng)器變徑處氣固兩相流能否均勻穩(wěn)態(tài)流動的關(guān)鍵設(shè)備。團(tuán)隊結(jié)合十多年來一次次工業(yè)試驗的數(shù)據(jù)，不斷優(yōu)化設(shè)計，先后開發(fā)出四代不同類型的分配器。2017年，最新開發(fā)的第四代分配器應(yīng)用在最大直徑為5.5米的變徑流化床，在國內(nèi)最大的480萬噸/年催化裂化裝置上安裝使用，可最大限度減少催化劑顆粒的磨損，保障大型裝置長周期運行。

多年以來，石科院科研團(tuán)隊通過與洛陽工程公司、工程建設(shè)公司、上海高橋分公司、北海煉化、中國科學(xué)院過程工程研究所等單位協(xié)同合作、合力攻關(guān)，充分發(fā)揮中國石化集科研、設(shè)計、生產(chǎn)的全流程一體化優(yōu)勢和集體智慧，強化“產(chǎn)學(xué)研”合作，不斷優(yōu)化變徑流化床反應(yīng)器設(shè)計，開發(fā)配套工程技術(shù)，使之發(fā)展成為成熟的工業(yè)應(yīng)用技術(shù)平臺。對此，中國科學(xué)院院士李靜海評價道：“變徑流化床反應(yīng)器技術(shù)研究開發(fā)團(tuán)隊十幾年如一日奮戰(zhàn)在設(shè)計、調(diào)控、運行的一線，解決了無數(shù)工程實際問題，才使一項技術(shù)變?yōu)橐粋€產(chǎn)業(yè)?！?/p>

不斷拓展延伸應(yīng)用領(lǐng)域

隨著中國機(jī)動車總保有量持續(xù)增長，升級油品質(zhì)量、減少尾氣排放刻不容緩。烯烴是汽油中高辛烷值組分，但在發(fā)動機(jī)中易結(jié)垢，堵塞噴油嘴，影響發(fā)動機(jī)效率，妨礙油品充分燃燒，造成環(huán)境污染。我國車用汽油主要來自催化裂化汽油，其烯烴含量高，難以滿足車用汽油對烯烴含量的要求。降烯烴又保證辛烷值不損失是一個世界級難題，這對催化裂化技術(shù)研究提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

在這場油品質(zhì)量升級的考驗中，基于變徑流化床反應(yīng)器開發(fā)的多產(chǎn)異構(gòu)烷烴的催化裂化工藝（MIP）發(fā)揮了重要作用。MIP技術(shù)能將催化裂化汽油中的烯烴轉(zhuǎn)化為異構(gòu)烷烴，顯著提高汽油質(zhì)量。目前，變徑流化床反應(yīng)器已被國內(nèi)大部分催化裂化裝置采用，其加工量占總加工量的70%以上，提供了約50%的國內(nèi)車用汽油。

變徑流化床反應(yīng)器的應(yīng)用不僅于此?！白儚搅骰卜磻?yīng)器就像一口鍋，我們希望它不僅能做紅燒肉，還應(yīng)該能做其他菜，要盡可能地利用其多溫度區(qū)和多流型功能?！痹S友好說。

在研發(fā)之初，何鳴元院士就認(rèn)識到，流化床變徑可用來構(gòu)建多反應(yīng)區(qū)，以滿足在復(fù)雜催化反應(yīng)體系實現(xiàn)高選擇性轉(zhuǎn)化這一目標(biāo)，組織團(tuán)隊成員對烴類在催化劑上發(fā)生并行/串聯(lián)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)研究，為變徑流化床反應(yīng)器應(yīng)用提供更多的催化反應(yīng)案例。

為了讓變徑流化床在更多大型化工藝技術(shù)中發(fā)揮作用，團(tuán)隊持續(xù)進(jìn)行研究、開發(fā)和工業(yè)實踐，實現(xiàn)了變徑流化床作為復(fù)雜氣固催化反應(yīng)通用反應(yīng)器的目標(biāo)，并成功應(yīng)用到催化裂化、重油加工等多個技術(shù)領(lǐng)域。截至2018年底，以大型變徑流化床反應(yīng)器技術(shù)平臺為基礎(chǔ)的煉油技術(shù)工藝已應(yīng)用到115套工業(yè)裝置，累計處理原料7.4億噸，生產(chǎn)低烯烴清潔優(yōu)質(zhì)汽油3.4億噸，為企業(yè)增加利潤1345.2億元。