流态化催化裂化的发明

■ 中国科学院、中国工程院院士 闵恩泽

流态化催化裂化工艺是炼油工艺技术的非常重要的成就。流态化催化裂化是炼油厂将重油转化为高辛烷值汽油、柴油、液化气的重要装置，目前流化催化裂化已发展到提升管催化裂化，还开发了多种形式的再生器，原料从重油已经发展到掺炼渣油。由于催化裂化对我国如此重要，探讨这一新发明如何出现，具有重要意义。

催化裂化研发到工业化历程

美国的埃克森（Exxon）研究与工程公司的C.E.Jahnig、H.Z.Martin和D.L.Campbell等撰写了“流化催化裂化的发展”一文，文章详细论述了流态化技术（Fluidized Solid Technique）成就——从概念到工业化仅用了三年时间。这篇论文叙述了流态化技术在新泽西标准石油公司（The Standard Oil Company of New jersey,现Exxon公司的一部分）的研发历程，介绍了Exxon公司获得的四项基本专利：（1）流公床（Fluid Bed）；（2）流态化竖管（Fluided Standpipe）；（3）系统集成（The integrated System）；（4）下流式设计（The Downflow Design）。

流态化催化裂化研发过程如下：

流态化催化裂化的起步始于发现废白土有催化裂化作用。1934年将润滑油精制的废白土与原料与原料油相混合，经过加热，能生产更多的汽油。说明酸性催化裂化剂能催化重油裂化，这就奠定了流态化催化裂化的化学反应基础。

如何在大型催化裂化装置上实现上述反应，最开始采用的是片状催化剂的多种固定床和移动床反应器，系统研究发现这类系统既不高效也不经济，于是，决定采用粉状催化剂，建成一套100B/d（1B=158.987L）中型装置进行试验。

早在1940年，美国麻省理工学院的W.K.Lewis对密相流化床反应器进行了试验，突破性地发现是流化颗粒在气速为1～3ft/s（1ft=0.3048m）的流速下仍能维持稳定，这远高于stoke定律计算的颗粒沉降速度（不大于0.1ft/s），stoke定律只适用于单个颗粒，不适用于粒子群。这就是为开发流态化催化裂化反应器奠定了科学基础。

另一重要发现：流化颗粒在竖管中形成的柱可以挤压聚集在一起的粉状催化剂，使其从低压区运转到高压区，这样催化剂粉就起了“热传递”的作用，将其再生器中大量的剩余能量转移到反应器中去推动裂化，使流态化催化裂化达到“热平衡”，大大降低了能耗，从经济上降低了运转成本。

后来又发现了原料油可以以流态注入反应器，而不仅仅以气态形式，进一步利用了催化剂从再生器带来的热量。当时曾担心这样的操作可能会导致油与粉状催化剂形成泥浆堵塞催化剂的循环通道，不过在工业装置的运转上未发现这一现象。

此外，在设计、施工中还解决了旋风分离器、滑阀、膨胀节、耐高温材质、自动化控制、催化剂供应等环节的问题。

第一套流化床催化裂化工业装置为上行式，对其运转结果进行分析后，从催化剂的流动和循环看，认为改为下行式更优越，于是，1941年起对100B/d中试装置改建为下行式以开发新工艺。

同时新泽西标准石油公司又建设了5套下行式流化床催化裂化装置，其中第一套于1941年中期投产。至此，流化催化裂化走完了研发历程。

在美国流化床催化裂化的研发和工业化过程中，正处于第二次世界大战前夕，美国“战时石油管理局”（Petroleun Administration）组成催化裂化研究协会（Catalytic Research Association），其中参加的公司包括新泽西标准石油公司、印第安纳标准石油公司、凯海格工程公司、法本（德国）公司，以及后来加入的英国石油、英国荷壳牌、德士古、环球油品公司等。这些生产市场上的对手，在技术创新上同心协力搞合作。值得注意的是，联合体内不仅包含了未来的应用企业，整合各家优势，并很快转化为商业化装置，创造了良好的技术创新形式。技术革命产生了巨大的经济和社会效益。流态化催化裂化技术的突破，帮助石油公司迅速扩大轻质油品的生产，满足了社会对汽油和柴油的需求，在第二次世界大战中帮助盟军取得胜利立了大功。

催化裂化发明的启示

当时炼油企业以及第二次世界大战对汽油、柴油等轻质油品的需求，特别是对高辛烷值航空汽油和顺丁橡

胶原料的需求是推动流化催化裂化加速发展的动力。

正是在这种需求的推动下，美国采取了措施促成催化裂化研究协会（Catalytic Research Association）组成联合体开展研发，使这些石油品生产市场上的对手，在技术创新上同心协作。同时，还吸纳了擅长工程设计的公司、擅长工艺研发的科研企业，联合各家优势，才使流态催化裂化实现工业化。这里的核心是动员和细心组织各方优势单位，发挥特长，加速了整个工业化过程。

与美国麻省理工学院W.K.Lewis教授的合作，认识到Suke定律只适应于单个颗粒，不适用于粒子群，这为开发流态化催化裂化工艺奠定了理论基础，说明与高等院校有关科技教授合作开展基础研究的重要性。

建立一套中型试验装置，从实践中不断总结形成的新构思，及时进行试验验证，十分重要。例如，研发过程中的竖管输送催化剂、用液态重油进料、上行式改为下行式等重要发明都是通过中型试验获得的。