第2章 稀土材料在石油化工中的應用
2.1 催化裂化工藝
2.1.1 催化裂化概念
早在1925年以前，人們稱高沸點的重質原油分子通過熱分解轉變?yōu)檩^小的汽油分子為裂化過程。現在人們習慣于將“裂化”一詞用于各種石油餾分轉化為氣、汽油和柴油等的工藝。實際上“裂化”一詞的使用并不恰當，它的意思是將高分子量的化合物簡單分解為低分子量的化合物，在這個過程中分子片段的結構沒有實質性的重排，通過簡單的C—C鍵斷裂，長鏈烷烴分子的分解可能得到的主要是較短鏈的烷烴和烯烴。而催化裂化通過高溫和催化劑從較重的石油餾分中提取氣、汽油和柴油等，在生產過程中只要生成物的分子量小到一定程度，就可以被蒸餾出來，這種裂化過程涉及二次反應，所以在嚴格意義上來說不應該被稱為裂化反應。
大多數石油加工工藝，無論是催化的還是非催化的，除了真正的裂化反應外，在很大程度上還必須通過其他的反應來提高汽油的質量，這些反應包括與裂化無關的聚合和烷基化反應以及異構化反應。盡管“裂化”沒有準確的描述，但它卻是個行之有效的術語，只要是反應產物分子量比反應物大量減少，或者有大量石油餾分被轉化為小分子，都可以叫做“裂化”。裂化的實際定義包括汽油生產過程中的“重構”，即主要通過脫氫和異構化反應，將汽油內的石油餾分轉化為質量更高的汽油。在這種重構過程中也會發(fā)生大量的裂化反應[1]。
19世紀末20世紀初，人們生產汽油主要靠真空蒸餾法，即通過降低原油的蒸氣壓，蒸餾出指定沸點的產物，但這種辦法不僅所需設備昂貴，汽油產率也只有40%左右。隨著催化劑和添加劑性能的不斷提高，采用真空蒸餾法制備的辦法已經過時，現如今的常壓渣油可直接在催化裂化裝置中進行處理。得益于改造現有的催化裂化裝置或建造特殊的新型催化裂化裝置和重油裂化裝置，使得裂化反應可直接處理的原油范圍得到了擴大。
石油組成復雜，其主要成分是分子量較大的烷烴、環(huán)烷烴和芳烴。從地殼中開采出來的原油必須經過脫鹽、脫水后送往煉化工廠，并根據其性質進行蒸餾（常壓蒸餾、減壓蒸餾）、加氫、裂化、焦化和溶劑脫瀝青等一系列加工。如圖2-1所示，首先原料油經常、減壓蒸餾后，按沸點大小被切割成不同的餾分，其中輕組分（30%～60%）如汽油、煤油、柴油和潤滑油可用作化工原料或燃料，塔釜中的重組分（12%～30%）如常壓渣油和減壓渣油以及不能直接用于蒸餾的重油則必須經過減黏裂化、催化加氫、催化裂化、溶劑脫瀝青或延遲焦化等輕質化處理后再被分餾利用[2]。在此之中，催化裂化從20世紀起就廣受煉油廠青睞，就原油的二次加工能力而言，催化裂化工藝名列前茅，就技術復雜程度而言，它也位居首位。
圖2-1 原油加工過程
催化裂化是靠催化劑的作用在一定溫度（460～550℃）條件下，將重油和石油殘渣轉化為較輕的產品的過程。催化裂化主要產品有烷基化汽油、甲基叔丁基醚，這些產品可以轉化為汽油、柴油、加熱油、重循環(huán)油等[3]。催化裂化具有生產效率高、汽油辛烷值高、副產氣中含C3～C4組分多等特點。催化裂化產品復雜，主要產品有輕質油（汽油和柴油等）、液化氣、油漿、干氣及焦炭，其中反應器內生成的焦炭會重新回爐再利用。在一般的催化裂化工業(yè)條件下，氣體（液化氣和干氣）產率約為原料的10%～20%，主要由C3～C4組成，其中丙烯、丁烯和異丁烷占一半以上；汽油產率為原料的38%～54%，化學組成主要為異構烷烴、異構烯烴和芳烴，催化裂化汽油的辛烷值在88～92之間，一般中間基原料高于石蠟基原料，渣油原料高于餾分油原料；柴油產率約為原料的20%～40%，其中芳烴含量較多，十六烷烴含量較低。
從催化裂化的原料和產品可以看出，催化裂化過程在煉油工業(yè)以至國民經濟中占有重要地位。因此，在一些原油加工深度較大的國家，例如中國和美國，催化裂化的處理能力達原油加工能力的30%以上。在我國，多數原油偏重，氫碳質量比相對較高且金屬含量相對較低，而重油催化裂化所產汽油辛烷值高（馬達法辛烷值80左右），因此催化裂化尤其是重油催化裂化過程的地位就顯得更為重要。