□ 杜詩畫 白旭輝
大型變徑流化床反應(yīng)器技術(shù)發(fā)展成為成熟的催化反應(yīng)工程技術(shù)平臺,在反應(yīng)器結(jié)構(gòu)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了革命性創(chuàng)新,這項(xiàng)技術(shù)形成了一個產(chǎn)業(yè)。
今年年初,由石油化工科學(xué)研究院等單位研發(fā)的“大型變徑流化床反應(yīng)器關(guān)鍵技術(shù)研究與開發(fā)”項(xiàng)目獲得集團(tuán)公司技術(shù)發(fā)明獎一等獎。
目前,國內(nèi)大部分催化裂化裝置采用變徑流化床作為反應(yīng)器。20余年來,作為該反應(yīng)器關(guān)鍵技術(shù)的主要研發(fā)單位,石油化工科學(xué)研究院組織攻關(guān)團(tuán)隊(duì),從實(shí)驗(yàn)室探究到工業(yè)應(yīng)用,深入研究,自主創(chuàng)新,使大型變徑流化床反應(yīng)器技術(shù)發(fā)展成為成熟的催化反應(yīng)工程技術(shù)平臺,在反應(yīng)器結(jié)構(gòu)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了劃時代意義的創(chuàng)新。其母專利“一種用于流化催化轉(zhuǎn)化的提升管反應(yīng)器”于2016年獲得中國專利金獎。
催化反應(yīng)技術(shù)是化學(xué)工業(yè)的核心,涉及90%以上的化學(xué)品生產(chǎn)過程。反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新是催化反應(yīng)技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵。如果把催化反應(yīng)技術(shù)研發(fā)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(yīng)器,各種催化技術(shù)則是在這個主干上開枝散葉結(jié)成的果實(shí)。沒有主樹干的支撐,其他工藝技術(shù)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(fā)過程中長期存在這樣的現(xiàn)象:在產(chǎn)品分布相似的情況下,中型試驗(yàn)和工業(yè)生產(chǎn)的汽油烯烴及液化氣烯烴與小型試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在較大差異。這一現(xiàn)象激發(fā)了石科院科研團(tuán)隊(duì)的研發(fā)靈感。從1998年起,團(tuán)隊(duì)開始對重質(zhì)烴在固體酸催化劑上的反應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)研究。通過深入分析,團(tuán)隊(duì)提出了裂化和轉(zhuǎn)化兩個反應(yīng)區(qū)概念:先在第一反應(yīng)區(qū)將烴類裂解成為烯烴,再到第二反應(yīng)區(qū)使烯烴選擇性地轉(zhuǎn)化為異構(gòu)烷烴。
如何實(shí)現(xiàn)流化床反應(yīng)器分區(qū)?在國際上也沒有可以借鑒的先例。石科院科研團(tuán)隊(duì)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(tài)發(fā)生變化,在同一反應(yīng)器內(nèi)形成多個不同的顆粒濃度場和溫度場,突破傳統(tǒng)流化床中濃度或溫度分布一致的限制,為不同類型的反應(yīng)提供最佳的反應(yīng)環(huán)境。
“科研的靈感從哪里來?”集團(tuán)公司首席專家、石科院科研團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人許友好教授說,“有的科學(xué)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)?!?/p>
讓流化床反應(yīng)器通過變徑使單一反應(yīng)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)多溫區(qū)和多流型的創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念,實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜催化反應(yīng)路徑定向控制,改變了烴類轉(zhuǎn)化過分強(qiáng)調(diào)轉(zhuǎn)化率而犧牲選擇性的慣性思維。
2002年,變徑流化床反應(yīng)器進(jìn)行首次工業(yè)應(yīng)用。在運(yùn)行過程中,第二反應(yīng)區(qū)底部難以形成密相流化段,使該反應(yīng)區(qū)無法充分收到降低汽油烯烴的效果。團(tuán)隊(duì)主要成員駐守在現(xiàn)場,研究一線生產(chǎn)數(shù)據(jù),進(jìn)行深入分析和細(xì)致思考,優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu),一點(diǎn)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)試,最終成功解決問題。
“工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場為科研人員成長提供了豐富的營養(yǎng),只有經(jīng)過工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場的反復(fù)洗禮,科研人員才能達(dá)到更高的境界?!痹S友好對此有深切體會?;诠I(yè)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)暴露的問題,提出新的技術(shù)方案,再改進(jìn)裝置進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn),如此循環(huán)往復(fù)。科研服務(wù)應(yīng)用,應(yīng)用指導(dǎo)科研,這是整個團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持的工作方式。
某企業(yè)采用變徑流化床反應(yīng)器之初,技術(shù)指標(biāo)沒有實(shí)現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)。團(tuán)隊(duì)成員及時趕赴現(xiàn)場,與裝置技術(shù)人員反復(fù)交流,制定調(diào)整方案。經(jīng)過3個多月夜以繼日的工作,結(jié)果超過預(yù)定目標(biāo),用戶十分滿意,與團(tuán)隊(duì)結(jié)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(yīng)器。
分配器是流化床反應(yīng)器變徑處氣固兩相流能否均勻穩(wěn)態(tài)流動的關(guān)鍵設(shè)備。團(tuán)隊(duì)結(jié)合十多年來一次次工業(yè)試驗(yàn)的數(shù)據(jù),不斷優(yōu)化設(shè)計(jì),先后開發(fā)出四代不同類型的分配器。2017年,最新開發(fā)的第四代分配器應(yīng)用在最大直徑為5.5米的變徑流化床,在國內(nèi)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(yùn)行。
多年以來,石科院科研團(tuán)隊(duì)通過與洛陽工程公司、工程建設(shè)公司、上海高橋分公司、北海煉化、中國科學(xué)院過程工程研究所等單位協(xié)同合作、合力攻關(guān),充分發(fā)揮中國石化集科研、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的全流程一體化優(yōu)勢和集體智慧,強(qiáng)化“產(chǎn)學(xué)研”合作,不斷優(yōu)化變徑流化床反應(yīng)器設(shè)計(jì),開發(fā)配套工程技術(shù),使之發(fā)展成為成熟的工業(yè)應(yīng)用技術(shù)平臺。對此,中國科學(xué)院院士李靜海評價(jià)道:“變徑流化床反應(yīng)器技術(shù)研究開發(fā)團(tuán)隊(duì)十幾年如一日奮戰(zhàn)在設(shè)計(jì)、調(diào)控、運(yùn)行的一線,解決了無數(shù)工程實(shí)際問題,才使一項(xiàng)技術(shù)變?yōu)橐粋€產(chǎn)業(yè)?!?/p>
隨著中國機(jī)動車總保有量持續(xù)增長,升級油品質(zhì)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(fā)動機(jī)中易結(jié)垢,堵塞噴油嘴,影響發(fā)動機(jī)效率,妨礙油品充分燃燒,造成環(huán)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(shù)研究提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
在這場油品質(zhì)量升級的考驗(yàn)中,基于變徑流化床反應(yīng)器開發(fā)的多產(chǎn)異構(gòu)烷烴的催化裂化工藝(MIP)發(fā)揮了重要作用。MIP技術(shù)能將催化裂化汽油中的烯烴轉(zhuǎn)化為異構(gòu)烷烴,顯著提高汽油質(zhì)量。目前,變徑流化床反應(yīng)器已被國內(nèi)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(nèi)車用汽油。
變徑流化床反應(yīng)器的應(yīng)用不僅于此?!白儚搅骰卜磻?yīng)器就像一口鍋,我們希望它不僅能做紅燒肉,還應(yīng)該能做其他菜,要盡可能地利用其多溫度區(qū)和多流型功能?!痹S友好說。
在研發(fā)之初,何鳴元院士就認(rèn)識到,流化床變徑可用來構(gòu)建多反應(yīng)區(qū),以滿足在復(fù)雜催化反應(yīng)體系實(shí)現(xiàn)高選擇性轉(zhuǎn)化這一目標(biāo),組織團(tuán)隊(duì)成員對烴類在催化劑上發(fā)生并行/串聯(lián)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)研究,為變徑流化床反應(yīng)器應(yīng)用提供更多的催化反應(yīng)案例。
為了讓變徑流化床在更多大型化工藝技術(shù)中發(fā)揮作用,團(tuán)隊(duì)持續(xù)進(jìn)行研究、開發(fā)和工業(yè)實(shí)踐,實(shí)現(xiàn)了變徑流化床作為復(fù)雜氣固催化反應(yīng)通用反應(yīng)器的目標(biāo),并成功應(yīng)用到催化裂化、重油加工等多個技術(shù)領(lǐng)域。截至2018年底,以大型變徑流化床反應(yīng)器技術(shù)平臺為基礎(chǔ)的煉油技術(shù)工藝已應(yīng)用到115套工業(yè)裝置,累計(jì)處理原料7.4億噸,生產(chǎn)低烯烴清潔優(yōu)質(zhì)汽油3.4億噸,為企業(yè)增加利潤1345.2億元。