2.1.2　催化裂化工藝類型

汽油辛烷值是衡量汽油在氣缸內抗爆震燃燒能力的一種數字指標，辛烷值越高，抗爆性就越好，汽油的品質就越好。早期催化裂化裝置的主要目的是生產催化裂化汽油，以取代辛烷值較低的熱裂化汽油。這一目的很快實現了，在20世紀20年代的洛杉磯，Eugene發現，催化裂化過程可以產生更多的高辛烷值汽油。此后，第一個完全商業化的固定床催化裂化裝置在1937年開始生產。之后，在20世紀的法國，Eugene發現的催化裂化技術由美國索康尼真空油公司和太陽石油公司合作實現工業化生產。當時工廠采用的是固定床反應器，在反應器內，催化反應和催化劑再生重復交替進行。但隨著高壓縮比汽油發動機的問世，發動機對于燃料品質的要求更高，各大公司開始追求具有較高辛烷值的汽油。

舊有的固定床反應器不僅反應速率緩慢，而且生產量達不到市場要求，因而被逐漸淘汰，20世紀40年代初，催化裂化向移動床（反應和催化劑再生在移動床反應器中進行）和流化床（反應和催化劑再生在流化床反應器中進行）兩個方向發展。而在移動床反應器里，原油在催化劑表面上通過裂化等反應生成較小分子產物的同時，易發生縮合反應生成焦炭，從而使催化劑活性下降[4]。這種含碳催化劑需要用空氣燒去其表面炭層使催化劑再生，恢復催化活性的同時也提供裂化反應所需熱量，但是與反應時間相比，再生時間就慢了很多，嚴重削減了生產速率，因此移動床催化裂化因設備復雜逐漸被淘汰。

與此同時，流化床催化裂化（FCC）設備因為催化劑顆粒細小，采用流化風來移動粉狀催化劑，避免了催化劑有效接觸面積小以及其內外溫差的問題，同時也因其催化裂化設備較為簡單、處理能力大、較易操作而得到較大發展。第一個商業循環流化床工藝于1942年在路易斯安那州的巴吞魯日（Baton Rouge）開始生產。此后，1970年FCC裝置取代了大多數固定和移動床裝置[5]。

具體催化裂化的工藝分為以下幾種：

（1）固定床催化裂化

最先在工業上采用的反應器型式是固定床反應器，如圖2-2所示。預熱后的原料進入反應器內進行反應。通常只經過幾分鐘到十幾分鐘，催化劑的活性就因表面積炭而下降，這時停止進料，用水蒸氣吹掃過后，再通入空氣進行再生。因此，反應和再生是輪流間歇地在同一個反應器內進行。為了在反應時供熱及在再生時取走熱，在反應器內裝有取熱的管束，用一種融鹽循環取熱。為了使生產連續化，可以將幾個反應器組成一組，輪流地進行反應和再生。但固定床催化方式不同于流化床體，它是固定不動的，所以存在難以散熱的缺陷，催化過程中反應器溫度升高但其內部溫度分布不均勻。為此在實際應用中又改進了其內部結構，將反應器改進為一種溫度分布更加均勻的非等溫式反應器，這種非等溫式反應器又細分為絕熱反應器和非絕熱反應器兩種。在如今的石油工業生產中，固定床催化裂化技術因操作復雜，已漸漸被其他的先進催化裂化技術所取代，但它也存在一些優點，如其設備體積小且催化耗能低等。因此，盡管在工業上已被其他型式所代替，但是在試驗研究中它還有一定的使用價值。

（2）移動床催化裂化

20世紀60年代初，移動床催化裂化和流化床催化裂化先后發展起來。移動床催化裂化的反應和再生分別在反應器和再生器內進行，如圖2-3所示。原料油與催化劑同時進入反應器的頂部，它們互相接觸相互反應的同時不斷向下移動。當它們移動至反應器的下部時，催化劑表面上已沉積了一定量的焦炭，于是油氣從反應器的中下部導出而催化劑則從底部下來，再由氣升管用空氣提升至再生器的頂部，然后，在再生器內向下移動的過程中進行再生。再生過的催化劑經另一根氣升管又提升至反應器。為了便于移動和減少磨損，將催化劑做成直徑為20～100μm的小球。由于催化劑在反應器和再生器之間循環起到熱載體的作用，因此，移動床內可以不設加熱管。但是在再生器中，由于再生時放出的熱量很大，雖然循環催化劑可以帶走一部分熱量，但仍不能維持合適的再生溫度。因此，在再生器內還需分段安裝一些取熱束管，用高壓水進行循環以取走剩余的熱量。移動床催化裂化技術在催化裂化技術發展的初期階段得到了比較廣泛的應用，但是隨著技術的不斷改革與創新，其已經逐漸被FCC等新技術所代替。

（3）流化床催化裂化

流化床催化裂化（FCC）的反應和再生也是分別在兩個設備中進行，如圖2-4 所示，其原理與移動床相似，只是在反應器和再生器內，催化劑與油氣或空氣形成與沸騰的液體相似的流化狀態。為了便于流化，一般把催化劑制成直徑為 20～100μm的微球。由于在流化狀態時，反應器或再生器內溫度分布均勻，而且催化劑的循環量較大，可以攜帶的熱量較多，減少了反應器和再生器內溫度變化的幅度，因而不必再在設備內專設取熱設施，從而大大簡化了設備的結構。

流化催化裂化裝置一般由三個部分組成：即反應-再生系統、分餾系統和吸收-穩定系統。在處理量較大或反應壓力較高（例如0.25MPa）的裝置，常常還有再生油煙的能量回收系統。圖 2-5 是一個典型的FCC裝置工藝流程。

由圖2-5可知，FCC工藝的主要流程如下：將原料油經換熱后與回煉油混合，經加熱爐加熱至200～400℃后至提升管反應器下部噴嘴，原料油由蒸氣霧化并噴入提升管內，在其中與來自再生器的高溫催化劑（600～750℃）接觸，隨即汽化并進行反應。油氣在提升管內的停留時間很短，一般只有幾秒鐘。反應產物經旋風分離器分離出夾帶的催化劑后離開反應器去分餾塔。積有焦炭的催化劑由沉降器落入下面的汽提塔。汽提塔內裝有多層人字形擋板，并在底部通入過熱水蒸氣。待生催化劑上吸附的油氣和顆粒之間的油氣被水蒸氣置換出而返回上部。經汽提后的待生催化劑通過待生斜管進入再生器。

根據裂化機理，原料油在催化劑上進行催化裂化時，一方面通過分解等反應生成氣體、汽油等較小分子的產物；另一方面同時發生縮合反應生成焦炭。這些焦炭沉積在催化劑表面上，使催化劑的活性下降。因此，經過一段時間的反應后，必須燒去催化劑上的焦炭以恢復催化劑的活性。這種用空氣燒去積炭的過程稱作“再生”。由此可見，一個工業催化裂化裝置必須包括反應和再生兩個部分[6]。而再生器的主要作用是燒去催化劑上因反應而生成的積炭，使催化劑的活性得以恢復。再生用空氣由主風機供給，空氣通過再生器下面的輔助燃燒室及分布管進入流化床層。對于熱平衡式裝置，輔助燃燒室只是在開工升溫時才使用，正常運轉時并不燃燒油。再生后的催化劑（即再生催化劑）落入淹流管，再經再生斜管送回反應器循環使用。

再生煙氣經旋風分離器分離出夾帶的催化劑后，經雙動滑閥排入大氣。在加工生焦率高的原料時，例如加工含渣油的原料時，因焦炭產率高，再生器的熱量過剩，需要在再生器上設置取熱設施以取走過剩的熱量。再生煙氣的溫度很高，不少催化裂化裝置設有煙氣能量回收系統，利用煙氣的熱能和壓力能做功，可以通過驅動主風機以節約電能，甚至可對外輸出剩余電力。對一些不完全再生的裝置，再生煙氣中含有5%～10%的CO，可以設CO鍋爐使CO完全燃燒以回收能量。在生產過程中，催化劑難免會損傷或失活，為了維持系統內的催化劑的數量和活性，需要定期地向系統補充新鮮催化劑。為此，裝置內至少應設兩個催化劑儲罐。裝卸催化劑通常采用稀相輸送的方法，輸送介質為壓縮空氣。

這種FCC工藝是煉油廠中最重要的轉化工藝之一，是第一個同時擁有反應堆和再生器還具有循環流化床形式的商用催化裂化技術，與固定床和移動床不同，這種流化床不僅擴大了催化劑的有效接觸面積，也避免了催化劑內外溫度相差過大。工業生產中，FCC技術的應用都是在使用流化床等設備的基礎上實現的，目前已經有超過350個FCC設備在全球范圍內運行。當前我國眾多石油工業生產企業中大都采用這種流化床來進行石油的催化裂化。同固定床催化裂化相比較，移動床或FCC都具有生產連續、產品性質穩定及設備簡化等優點。在設備簡化方面，流化床的優點更加突出，特別是流化床更適用于大處理量的生產模式。由于FCC的優越性，它很快就在各種催化裂化型式中占據了主導地位。

在競爭激烈的煉化領域和渣油轉化領域，催化裂化工藝必須與其他催化和非催化渣油轉化工藝（如加氫裂化、熱裂化、減黏和焦化）競爭。現在，催化裂化過程得到了快速而成功的發展，其硬件和催化劑種類一直在與不斷變化的經濟和環境共同發展。