重磅首發！催化裂化新工藝發展現狀！

催化裂化新工藝發展現狀

葛 營，楊 林，邴生彬，衛高飛

中國石油天然氣第一建設公司

主要內容：隨著環保要求的日益嚴格，對降低汽油烯烴含量和生產低碳烯烴提出了迫切需求。催化裂化裝置作為煉廠改質重質餾分油和生產輕質清潔燃料的核心裝置，在改善產品品種分佈和滿足不同工藝生產目的方面取得了各種進展。簡要介紹了單提升管反應器、多段進料提升管反應器、雙提升管反應器、下行式催化裂化反應器、提升管與下行床反應器組合裝置等，重點闡述各型別催化裂化反應裝置的結構形式、工作原理、效能設計特點及適用範圍。最後指出當前催化裂化工藝存在的問題，並對發展趨勢進行了展望。

關鍵詞：催化裂化；反應器；發展現狀；結構形式；工作原理；效能設計；適用範圍

隨著原油重質化、劣質化問題的日益突出，為生產輕質清潔燃料，催化裂化裝置作為煉廠改質重質餾分油和渣油的核心裝置，其工藝改進一直是業界關注的焦點。由於我國汽油產量的70%、柴油產量的30%來自催化裂化裝置，因而國內催化裂化裝置的加工能力佔國內煉油加工能力的1/3，裝置總數達190餘套［1-2］。隨著日益嚴格的環保要求、實現清潔生產的目標以及新的國Ⅵ標準的出臺實施，國家對煉油廠的汽油品質提出更高的要求。催化裂化的工藝方案與催化裂化的目的產品性質緊密相關，而催化裂化的目的產品性質又與全廠的汽柴油品質緊密相關，因此催化裂化的工藝方案與全廠的汽柴油品質息息相關。如何清潔、高效地對石油資源進行轉化以獲取更多的油品和化工基礎原料，對催化裂化技術的進步提出新的挑戰［3］。

目前我國催化裂化生產裝置主要以提升管反應器為主。而提升管作為油氣反應的主要區域，國內外不斷從反應時間、油劑接觸效率、抑制返混等方面對其進行最佳化，並取得一定成果。本文主要對一些新型提升管反應器及其應用進行介紹。

1 單提升管反應器

常規催化裂化裝置的結構形式有兩種：等徑提升管與變徑提升管，如圖1所示。對於常規的等徑提升管（見圖1（a）），為了提高反應轉化率，必須提升單管的高度，這樣反應才能充分進行。但這也容易造成幾個弊端：提升管過高造成反應時間增加；催化劑上行容易產生反混與滑落；反應不均造成催化劑的積碳，導致催化劑活性和選擇性下降；提升管過高導致提升管後段產生非理想的二次反應等。基於這種情況，變徑提升管反應器應運而生，見圖1（b）。變徑提升管的底部預提升區改為擴徑或縮徑管，這樣平衡了催化劑的流轉阻力，使得流體的入口速度和出口速度基本相同，保證了油劑的充分接觸，使得反應更徹底。另外，與等徑提升管相比，變徑提升管反應器高度不需很高，裝置穩定性提高，投資降低。

圖1 等徑與變徑提升管

2 多段進料提升管反應器

催化裂化裝置進料來源廣泛，各種目的產品所需的反應時間和程度不同，單一入口或單一原料對目的產品收率不利。研究人員為提高目的產品的選擇性，在提升管不同高度設定多個進料噴嘴，分段、多層進料，重質油注入提升管底部，輕質油或回煉油注入提升管上部，達到選擇性多產烯烴以及輕油改質等目的［4］，其裝置如圖2所示。

圖2 多段進料提升管反應器

在此結構基礎上，石油化工研究院（RIPP）以重質油為原料，設計了MGD（Maximizing Gas and Diesel） 多產液化氣及柴油的新工藝［5］，可較大幅度降低汽油中的烯烴含量。該工藝透過精細控制催化裂化反應，將提升管反應器從提升管底部到提升管頂部依次設計為4個反應區：汽油反應區、重質油反應區、輕質油反應區、總反應深度控制區，透過對不同反應區的進料控制，來達到提高選擇性和最佳化目的產品的目的［6-7］。該工藝只需在常規催化裝置上增設幾組噴嘴即可，有效降低了裝置改造的投資［8］，並且保留了恢復常規催化操作的靈活性。與之類似的還有MIO（Maximizing Iso-Olefin） 工藝和MGG（Maximizing Gas and Gasoline） 工藝，其中MIO工藝以重質餾分油為原料，使用專用催化劑，最大化地生產異構烯烴和高辛烷值汽油，MGG工藝最大化地生產烯烴和高辛烷值汽油等。

3 雙提升管反應器

常規提升管反應器油劑反應最佳時間約1 s左右，催化劑相對活性僅為初始值的50%左右［9-11］，在提升管出口處（油氣停留時間3～4 s） 待生催化劑的相對活性降至入口處初始值的1/3左右［9-10］。因此，催化裂化反應的後半段是在較為惡劣的環境下發生的，不理想的二次裂化反應對目的產物的選擇性和油收率不利。

基於此，雙提升管催化裂化工藝打破單一的提升管反應器結構形式，將新鮮原料與迴圈油漿分別在兩段不同的提升管內進行催化裂化反應，構成兩路迴圈的新工藝流程，重質原料油和迴圈油漿在各自的提升管內均達到一個理想的反應程度。採用兩段提升管工藝的反應時間小於常規催化反應的時間，總反應時間一般1。6～3。0 s［11］，有效地控制熱裂反應和不利的二次反應。其結構形式有串聯式雙提升管和並聯式雙提升管，見圖3。

RIPP提出一種生產清潔汽油組分的新工藝MIP［12］（Maximizing Iso-Paraffins），以串聯變徑提升管反應器結構為工藝基礎，加強在提升管不同區域反應產物的可控性和選擇性，其中，下部第一反應區採用高反應溫度、高劑油比和短時接觸，該區以一次裂化反應為主，第二反應區擴徑結構降低了上行速率，透過打入急冷介質來控制二次裂化反應，促進氫轉移和異構化反應，滿足降烯烴的需要。以此工藝結構為基礎，RIPP採用MIP專用催化劑，形成了降烯烴和增產丙烯的MIP-CGP技術［13］，中石油應用此技術的有大慶石化、哈爾濱石化、錦西石化等；還形成了多產高辛烷值汽油的MIP-LTG［14］工藝，該工藝可大幅度降低汽油烯烴含量，並實現烷烴的最大化生產。

TSRFCC（Two-Stage Riser Fluidized Catalytic Cracking）工藝是中國石油大學創新開發的一項新技術。該技術以並聯雙提升管結構為基礎，重質原料在第一段提升管與催化劑進行反應，回煉油進入第二段提升管進行反應，為了降低汽油烯烴含量，也可將部分汽油打入第二段提升管底部進行改質，操作方案靈活，轉化程度深，產品選擇性和產品質量提升明顯［15］。該工藝在中石油的遼河石化、玉門石化、長慶石化都有應用。在此工藝結構基礎上，發展了可提高汽柴油收率的TSRFCC-MDG技術、可提高液體收率並適度降烯烴的TSRFCC-MF技術以及多產低碳烯烴的TSRFCC-MPE技術。

圖3 雙提升管反應器（串聯與並聯）

類似的還有中國石油大學研發的輔助提升管汽油改質降烯烴技術。該技術在原有的催化裝置上再增設一個定向將分餾系統中的粗汽油回煉改質的提升管反應器，使烯烴的含量顯著降低，且辛烷值維持不變［16］。中石油應用此技術的有撫順石油二廠、華北石化、慶陽煉化。

洛陽石化工程公司研製了FDFCC［17］（Flexible Dual- Riser Fluid Catalytic Cracking） 靈活多效催化裂化技術，該工藝的再生催化劑在提升管內的輸送方式有兩種：串聯式和並聯式雙提升管再生催化劑輸送工藝（見圖4）。串聯式雙提升管工藝是指再生催化劑進入汽油提升管之後再進入重油提升管進行下次反應；而並聯式雙提升管工藝是指再生催化劑分別進入重油提升管和汽油提升管反應器，其工藝靈活性更強，而在工業應用上則主要以並聯式雙提升管為主。劉煜［18］從工藝設計角度分析認為，並聯式方案從操作性和靈活性方面均優於串聯式方案，工業應用上也已充分證明其可以達到汽油改質、增產丙烯的目的，該工藝在中石油內的應用主要有大慶煉化、呼和浩特石化等。

圖4 雙提升管反應器

4 下行床催化裂化反應器

常規催化提升管高度較高，催化劑與油氣的接觸時間較長，提升管內固相顆粒跟隨性差，徑向分佈不均，催化劑顆粒存在滑落與反混現象以及後期的非理想二次反應，難以滿足重油催化的短時反應要求。美國UOP公司提出將催化裂化反應器的逆重力場流動改為順重力場流動，提出了氣固超短接觸下行床反應器的概念［19］，並開發了毫秒催化裂化工藝MSCC（Millisecond Catalytic Cracking Process），如圖5（a）所示。可實現劑油短時接觸，高劑油比操作，徑向流動均勻，防止因反應過程過長和顆粒反混造成過裂化［20］，從而獲得較好的產品品種分佈和較高的產品質量。該工藝汽油量比提升管高6。4%，同時裂化副產品生成率大大下降。而且MSCC工藝在處理渣油時，催化劑的損耗可減少50%［21-22］。但下行床也存在較為嚴重的問題：下行床中固含率小於常規提升管，造成反應強度不足。

Liu［23］為提高下行床催化劑迴圈量針對性設計了一個漏斗狀進料結構，如圖5（b）所示。反應顆粒氣固分離後經進料口進入漏斗式進料器，透過漏斗式進料器的加速後以接近顆粒終端速度進入下行床，可顯著提升顆粒迴圈量。

圖5 下行式提升管

日本和沙特KFUPM聯合開發的高苛刻度催化裂化工藝HSFCC（High Severity Fluid Catalytic Cracking），採用下行床反應器，同時配套使用高效快分技術以抑制二次反應。結果表明下行床反應器的確可以提高中間產物的選擇性，增產丙烯。但因用油品質關係，還不能說明汽油產品的質量得到提高。

5 提升管與下行床反應器組合裝置

清華大學設計了一種將下行床反應器與另一提升管反應器進行組合的裝置，其工藝操作條件更高，形成了“氣固並流下行與上行耦合的催化裂化反應”新工藝，該工藝結構如圖6所示。提升管與下行床組合工藝為：原料油首先進入下行反應段，經歷高溫、高劑油比、停時短的下行床反應，得到更多目的中間產物；之後反應產物進入提升管與溫度較低的回煉油相遇，促進了氫轉移反應和異構化反應，達到降低汽油烯烴含量的目的［24］。

圖6 下行與上行耦合催化裂化裝置示意

6 結論與展望

催化裂化工藝技術已經取得了巨大進步，工藝生產方案靈活多樣，但隨著加工原料的重質劣質化逐漸成為常態，並且新的國Ⅵ車用汽油標準的出臺，這將對產品的加工提出更嚴格的要求（烯烴含量小於15%、芳烴含量小於35%，苯含量小於0。8%），而常規催化裂化的工藝技術烯烴含量約30%左右，單純依靠催化汽油和重整汽油將難以生產出符合國Ⅵ標準的車用汽油，而現有的催化裂化工藝技術已達瓶頸，這也從近兩年石油系統內烷基化、醚化等調和汽油組分裝置的改造升級增多趨勢可見一斑。因此催化裂化工藝需要不斷的發展和進步，既要生產低烴的清潔產品，又需改善自身的清潔生產，以滿足不同產品結構的需求和日趨嚴格的環保要求。

參考文獻

［1］楊朝合，陳小博，李春義，等。催化裂化技術面臨的挑戰與機遇［J］。中國石油大學學報（自然科學版），2017，41（6）：171- 177。

［2］謝朝鋼，魏曉麗，龔劍洪，等。催化裂化反應機理研究進展及實踐應用［J］。石油學報（石油加工），2017，33（2）：189- 197。

［3］朱和。中國煉油工業現狀、展望與思考［J］。國際石油經濟，2012，20（5）：7-15。

［4］趙文斌，朱麗雲，蘇楷然，等。催化裂化反應器研究進展［J］。石油化工裝置，2016，45（5）：34-39。

［5］王宏偉。MGD技術在催化裂解裝置中的工業實踐［J］。當代化工，2009，38（2）：141-143。

［6］任亮。催化汽油降烯烴工藝技術［J］。河北化工，2011，34（3）：67-70。

［7］金茜。汽油催化裂解的輔助反應器技術［D］。天津：天津大學，2007。

［8］朱維軍，蘇昌懋，王健，等。催化裂化裝置UOP技術改造中原料油噴嘴的安裝［J］。石油工程建設，2001，27（6）：31-32。

［9］祿軍讓，聶普選，王益民，等。淺析兩段提升管催化裂化技術及應用效果［J］。中國裝置工程，2012（9）：47-50。

［10］劉漢生。雙提升管在催化裂化過程強化中的應用［D］。天津：天津大學，2005。

［11］鈕根林，李正，王新元。渣油催化裂化工藝反應技術新進展：Ⅱ。渣油催化裂化新工藝的開發［J］。石化技術與應用，2001，19（4）：250-254。

［12］許友好，張久順，龍軍。生產清潔汽油組分的催化裂化新工藝MIP［J］。石油煉製與化工，2001，32（8）：1-5。

［13］許友好，張久順，馬建國。生產清潔汽油組分並增產丙稀的催化裂化工藝［J］。石油煉製與化工，2004，35（9）：1-4。

［14］姜楠，許友好，崔守業。多產汽油的MIP-LTG工藝條件研究［J］。石油煉製與化工，2014，45（3）：35-39。

［15］楊朝合，山紅紅，張建芳。兩段提升管催化裂化系列技術［J］。煉油技術與工程，2005，35（3）：28-33。

［16］高金森，徐春明。輔助提升管催化汽油改質線上取樣研究［C］//第九屆全國化學工藝學術年會論文集。青島：石油大學重質油國家重點實驗室，2005：6。

［17］孟凡東，王龍延，郝希仁。降低催化裂化汽油烯烴技術—FDFCC［J］。石油煉製與化工，2004，35（8）：6-10。

［18］劉昱。靈活雙效催化裂化（FDFCC）工藝的工程設計及工業應用［J］。煉油設計，2002，32（8）：24-28。

［19］蓋希坤，田原宇，夏道宏，等。重油催化裂解技術研究進展［J］。化工進展，2011，30（6）：1 219-1 223。

［20］王成秀，祝京旭，藍興英，等。下行床內提高顆粒濃度及改善顆粒分佈研究進展［J］。化工學報，2015，66（8）：2 810-2 816。

［21］NICCUM P K，D P BUNN JR。Catalytic cracking system：USA Patent：4514285［P］。1985-04-30。

［22］邱中紅。劑油短時接觸催化裂化工藝及催化劑［J］。煉油設計，2001，31（3）：9-12。

［23］LIU W，LUO K B，ZHU J X。Characterization of high-density gas-solids downward fluidized flow［J］。Powder Technology，2001，115（1）：27-35。

［24］吳昌寧。高密度下行床-提升管組合反應器實驗研究和反應流模擬［D］。北京：清華大學，2007。

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