□ 杜詩(shī)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(tái)，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(gè)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(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

目前，國(guó)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(lái)，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(tái)，在反應(yīng)器結(jié)構(gòu)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了劃時(shí)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(guó)專利金獎(jiǎng)。

從現(xiàn)象著手獲得創(chuàng)新靈感

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(guò)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(gè)主干上開枝散葉結(jié)成的果實(shí)。沒(méi)有主樹干的支撐，其他工藝技術(shù)也無(wú)從談起。

中國(guó)海油惠州煉化480萬(wàn)噸/年催化裂化裝置。許友好 供圖

在催化裂化工藝開發(fā)過(guò)程中長(zhǎng)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(duì)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(guò)深入分析，團(tuán)隊(duì)提出了裂化和轉(zhuǎn)化兩個(gè)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(guó)際上也沒(méi)有可以借鑒的先例。石科院科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)一步步摸索，提出流化床變徑的思路，可以使氣固流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化，在同一反應(yīng)器內(nèi)形成多個(gè)不同的顆粒濃度場(chǎng)和溫度場(chǎng)，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(lái)？”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(shuō)，“有的科學(xué)現(xiàn)象一直都存在，有心人就會(huì)抓住它，考慮為什么會(huì)這樣。做研究的人有時(shí)讓自己閑下來(lái)，對(duì)所從事的研究靜心思考，往往會(huì)有更大的發(fā)現(xiàn)?！?/p>

讓流化床反應(yīng)器通過(guò)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(guò)分強(qiáng)調(diào)轉(zhuǎn)化率而犧牲選擇性的慣性思維。

工業(yè)應(yīng)用使一項(xiàng)技術(shù)變?yōu)橐粋€(gè)產(chǎn)業(yè)

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(guò)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(wú)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(chǎng)，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(wèn)題。

“工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)為科研人員成長(zhǎng)提供了豐富的營(yíng)養(yǎng)，只有經(jīng)過(guò)工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)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(duì)此有深切體會(huì)?；诠I(yè)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)暴露的問(wèn)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(gè)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(méi)有實(shí)現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)。團(tuán)隊(duì)成員及時(shí)趕赴現(xiàn)場(chǎng)，與裝置技術(shù)人員反復(fù)交流，制定調(diào)整方案。經(jīng)過(guò)3個(gè)多月夜以繼日的工作，結(jié)果超過(guò)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(dòng)的關(guān)鍵設(shè)備。團(tuán)隊(duì)結(jié)合十多年來(lái)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(guó)內(nèi)最大的480萬(wàn)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(zhǎng)周期運(yùn)行。

多年以來(lái)，石科院科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)與洛陽(yáng)工程公司、工程建設(shè)公司、上海高橋分公司、北海煉化、中國(guó)科學(xué)院過(guò)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(guó)石化集科研、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的全流程一體化優(yōu)勢(shì)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(tái)。對(duì)此，中國(guó)科學(xué)院院士李靜海評(píng)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(wú)數(shù)工程實(shí)際問(wèn)題，才使一項(xiàng)技術(shù)變?yōu)橐粋€(gè)產(chǎn)業(yè)?！?/p>

不斷拓展延伸應(yīng)用領(lǐng)域

隨著中國(guó)機(jī)動(dòng)車總保有量持續(xù)增長(zhǎng)，升級(jí)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(dòng)機(jī)中易結(jié)垢，堵塞噴油嘴，影響發(fā)動(dòng)機(jī)效率，妨礙油品充分燃燒，造成環(huán)境污染。我國(guó)車用汽油主要來(lái)自催化裂化汽油，其烯烴含量高，難以滿足車用汽油對(duì)烯烴含量的要求。降烯烴又保證辛烷值不損失是一個(gè)世界級(jí)難題，這對(duì)催化裂化技術(shù)研究提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

在這場(chǎng)油品質(zhì)量升級(jí)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(guó)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(guó)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(shuō)。

在研發(fā)之初，何鳴元院士就認(rèn)識(shí)到，流化床變徑可用來(lái)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(duì)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(gè)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(tái)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(rùn)1345.2億元。