以革命性創新構建催化反應工程技術新平臺

□ 杜詩畫 白旭輝

大型變徑流化床反應器技術發展成為成熟的催化反應工程技術平臺，在反應器結構領域實現了革命性創新，這項技術形成了一個產業。

今年年初，由石油化工科學研究院等單位研發的“大型變徑流化床反應器關鍵技術研究與開發”項目獲得集團公司技術發明獎一等獎。

目前，國內大部分催化裂化裝置采用變徑流化床作為反應器。20余年來，作為該反應器關鍵技術的主要研發單位，石油化工科學研究院組織攻關團隊，從實驗室探究到工業應用，深入研究，自主創新，使大型變徑流化床反應器技術發展成為成熟的催化反應工程技術平臺，在反應器結構領域實現了劃時代意義的創新。其母專利“一種用于流化催化轉化的提升管反應器”于2016年獲得中國專利金獎。

從現象著手獲得創新靈感

催化反應技術是化學工業的核心，涉及90%以上的化學品生產過程。反應器結構的創新是催化反應技術進步的關鍵。如果把催化反應技術研發歷程比喻成一棵大樹，那么根基是催化劑和催化材料，主干是反應器，各種催化技術則是在這個主干上開枝散葉結成的果實。沒有主樹干的支撐，其他工藝技術也無從談起。

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過程中長期存在這樣的現象：在產品分布相似的情況下，中型試驗和工業生產的汽油烯烴及液化氣烯烴與小型試驗數據存在較大差異。這一現象激發了石科院科研團隊的研發靈感。從1998年起，團隊開始對重質烴在固體酸催化劑上的反應進行系統研究。通過深入分析，團隊提出了裂化和轉化兩個反應區概念：先在第一反應區將烴類裂解成為烯烴，再到第二反應區使烯烴選擇性地轉化為異構烷烴。

如何實現流化床反應器分區？在國際上也沒有可以借鑒的先例。石科院科研團隊通過一步步摸索，提出流化床變徑的思路，可以使氣固流動狀態發生變化，在同一反應器內形成多個不同的顆粒濃度場和溫度場，突破傳統流化床中濃度或溫度分布一致的限制，為不同類型的反應提供最佳的反應環境。

“科研的靈感從哪里來？”集團公司首席專家、石科院科研團隊負責人許友好教授說，“有的科學現象一直都存在，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，往往會有更大的發現?！?/p>

讓流化床反應器通過變徑使單一反應器內實現多溫區和多流型的創新設計理念，實現了復雜催化反應路徑定向控制，改變了烴類轉化過分強調轉化率而犧牲選擇性的慣性思維。

工業應用使一項技術變為一個產業

2002年，變徑流化床反應器進行首次工業應用。在運行過程中，第二反應區底部難以形成密相流化段，使該反應區無法充分收到降低汽油烯烴的效果。團隊主要成員駐守在現場，研究一線生產數據，進行深入分析和細致思考，優化反應器結構，一點點進行調試，最終成功解決問題。

“工業應用現場為科研人員成長提供了豐富的營養，只有經過工業應用現場的反復洗禮，科研人員才能達到更高的境界。”許友好對此有深切體會。基于工業裝置運轉暴露的問題，提出新的技術方案，再改進裝置進行工業試驗，如此循環往復。科研服務應用，應用指導科研，這是整個團隊堅持的工作方式。

某企業采用變徑流化床反應器之初，技術指標沒有實現預定目標。團隊成員及時趕赴現場，與裝置技術人員反復交流，制定調整方案。經過3個多月夜以繼日的工作，結果超過預定目標，用戶十分滿意，與團隊結下深厚友誼，并決定在另一套更大裝置上采用變徑流化床反應器。

分配器是流化床反應器變徑處氣固兩相流能否均勻穩態流動的關鍵設備。團隊結合十多年來一次次工業試驗的數據，不斷優化設計，先后開發出四代不同類型的分配器。2017年，最新開發的第四代分配器應用在最大直徑為5.5米的變徑流化床，在國內最大的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，石科院科研團隊通過與洛陽工程公司、工程建設公司、上海高橋分公司、北海煉化、中國科學院過程工程研究所等單位協同合作、合力攻關，充分發揮中國石化集科研、設計、生產的全流程一體化優勢和集體智慧，強化“產學研”合作，不斷優化變徑流化床反應器設計，開發配套工程技術，使之發展成為成熟的工業應用技術平臺。對此，中國科學院院士李靜海評價道：“變徑流化床反應器技術研究開發團隊十幾年如一日奮戰在設計、調控、運行的一線，解決了無數工程實際問題，才使一項技術變為一個產業?！?/p>

不斷拓展延伸應用領域

隨著中國機動車總保有量持續增長，升級油品質量、減少尾氣排放刻不容緩。烯烴是汽油中高辛烷值組分，但在發動機中易結垢，堵塞噴油嘴，影響發動機效率，妨礙油品充分燃燒，造成環境污染。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，這對催化裂化技術研究提出嚴峻挑戰。

在這場油品質量升級的考驗中，基于變徑流化床反應器開發的多產異構烷烴的催化裂化工藝（MIP）發揮了重要作用。MIP技術能將催化裂化汽油中的烯烴轉化為異構烷烴，顯著提高汽油質量。目前，變徑流化床反應器已被國內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%的國內車用汽油。

變徑流化床反應器的應用不僅于此?！白儚搅骰卜磻骶拖褚豢阱仯覀兿Ｍ粌H能做紅燒肉，還應該能做其他菜，要盡可能地利用其多溫度區和多流型功能?！痹S友好說。

在研發之初，何鳴元院士就認識到，流化床變徑可用來構建多反應區，以滿足在復雜催化反應體系實現高選擇性轉化這一目標，組織團隊成員對烴類在催化劑上發生并行/串聯化學反應進行系統研究，為變徑流化床反應器應用提供更多的催化反應案例。

為了讓變徑流化床在更多大型化工藝技術中發揮作用，團隊持續進行研究、開發和工業實踐，實現了變徑流化床作為復雜氣固催化反應通用反應器的目標，并成功應用到催化裂化、重油加工等多個技術領域。截至2018年底，以大型變徑流化床反應器技術平臺為基礎的煉油技術工藝已應用到115套工業裝置，累計處理原料7.4億噸，生產低烯烴清潔優質汽油3.4億噸，為企業增加利潤1345.2億元。