2.1.2　催化裂化工艺类型

汽油辛烷值是衡量汽油在气缸内抗爆震燃烧能力的一种数字指标，辛烷值越高，抗爆性就越好，汽油的品质就越好。早期催化裂化装置的主要目的是生产催化裂化汽油，以取代辛烷值较低的热裂化汽油。这一目的很快实现了，在20世纪20年代的洛杉矶，Eugene发现，催化裂化过程可以产生更多的高辛烷值汽油。此后，第一个完全商业化的固定床催化裂化装置在1937年开始生产。之后，在20世纪的法国，Eugene发现的催化裂化技术由美国索康尼真空油公司和太阳石油公司合作实现工业化生产。当时工厂采用的是固定床反应器，在反应器内，催化反应和催化剂再生重复交替进行。但随着高压缩比汽油发动机的问世，发动机对于燃料品质的要求更高，各大公司开始追求具有较高辛烷值的汽油。

旧有的固定床反应器不仅反应速率缓慢，而且生产量达不到市场要求，因而被逐渐淘汰，20世纪40年代初，催化裂化向移动床（反应和催化剂再生在移动床反应器中进行）和流化床（反应和催化剂再生在流化床反应器中进行）两个方向发展。而在移动床反应器里，原油在催化剂表面上通过裂化等反应生成较小分子产物的同时，易发生缩合反应生成焦炭，从而使催化剂活性下降[4]。这种含碳催化剂需要用空气烧去其表面炭层使催化剂再生，恢复催化活性的同时也提供裂化反应所需热量，但是与反应时间相比，再生时间就慢了很多，严重削减了生产速率，因此移动床催化裂化因设备复杂逐渐被淘汰。

与此同时，流化床催化裂化（FCC）设备因为催化剂颗粒细小，采用流化风来移动粉状催化剂，避免了催化剂有效接触面积小以及其内外温差的问题，同时也因其催化裂化设备较为简单、处理能力大、较易操作而得到较大发展。第一个商业循环流化床工艺于1942年在路易斯安那州的巴吞鲁日（Baton Rouge）开始生产。此后，1970年FCC装置取代了大多数固定和移动床装置[5]。

具体催化裂化的工艺分为以下几种：

（1）固定床催化裂化

最先在工业上采用的反应器型式是固定床反应器，如图2-2所示。预热后的原料进入反应器内进行反应。通常只经过几分钟到十几分钟，催化剂的活性就因表面积炭而下降，这时停止进料，用水蒸气吹扫过后，再通入空气进行再生。因此，反应和再生是轮流间歇地在同一个反应器内进行。为了在反应时供热及在再生时取走热，在反应器内装有取热的管束，用一种融盐循环取热。为了使生产连续化，可以将几个反应器组成一组，轮流地进行反应和再生。但固定床催化方式不同于流化床体，它是固定不动的，所以存在难以散热的缺陷，催化过程中反应器温度升高但其内部温度分布不均匀。为此在实际应用中又改进了其内部结构，将反应器改进为一种温度分布更加均匀的非等温式反应器，这种非等温式反应器又细分为绝热反应器和非绝热反应器两种。在如今的石油工业生产中，固定床催化裂化技术因操作复杂，已渐渐被其他的先进催化裂化技术所取代，但它也存在一些优点，如其设备体积小且催化耗能低等。因此，尽管在工业上已被其他型式所代替，但是在试验研究中它还有一定的使用价值。

图2-2　固定床

（2）移动床催化裂化

20世纪60年代初，移动床催化裂化和流化床催化裂化先后发展起来。移动床催化裂化的反应和再生分别在反应器和再生器内进行，如图2-3所示。原料油与催化剂同时进入反应器的顶部，它们互相接触相互反应的同时不断向下移动。当它们移动至反应器的下部时，催化剂表面上已沉积了一定量的焦炭，于是油气从反应器的中下部导出而催化剂则从底部下来，再由气升管用空气提升至再生器的顶部，然后，在再生器内向下移动的过程中进行再生。再生过的催化剂经另一根气升管又提升至反应器。为了便于移动和减少磨损，将催化剂做成直径为20～100μm的小球。由于催化剂在反应器和再生器之间循环起到热载体的作用，因此，移动床内可以不设加热管。但是在再生器中，由于再生时放出的热量很大，虽然循环催化剂可以带走一部分热量，但仍不能维持合适的再生温度。因此，在再生器内还需分段安装一些取热束管，用高压水进行循环以取走剩余的热量。移动床催化裂化技术在催化裂化技术发展的初期阶段得到了比较广泛的应用，但是随着技术的不断改革与创新，其已经逐渐被FCC等新技术所代替。

图2-3　移动床

（3）流化床催化裂化

流化床催化裂化（FCC）的反应和再生也是分别在两个设备中进行，如图2-4 所示，其原理与移动床相似，只是在反应器和再生器内，催化剂与油气或空气形成与沸腾的液体相似的流化状态。为了便于流化，一般把催化剂制成直径为 20～100μm的微球。由于在流化状态时，反应器或再生器内温度分布均匀，而且催化剂的循环量较大，可以携带的热量较多，减少了反应器和再生器内温度变化的幅度，因而不必再在设备内专设取热设施，从而大大简化了设备的结构。

图2-4　流动床

流化催化裂化装置一般由三个部分组成：即反应-再生系统、分馏系统和吸收-稳定系统。在处理量较大或反应压力较高（例如0.25MPa）的装置，常常还有再生油烟的能量回收系统。图 2-5 是一个典型的FCC装置工艺流程。

由图2-5可知，FCC工艺的主要流程如下：将原料油经换热后与回炼油混合，经加热炉加热至200～400℃后至提升管反应器下部喷嘴，原料油由蒸气雾化并喷入提升管内，在其中与来自再生器的高温催化剂（600～750℃）接触，随即汽化并进行反应。油气在提升管内的停留时间很短，一般只有几秒钟。反应产物经旋风分离器分离出夹带的催化剂后离开反应器去分馏塔。积有焦炭的催化剂由沉降器落入下面的汽提塔。汽提塔内装有多层人字形挡板，并在底部通入过热水蒸气。待生催化剂上吸附的油气和颗粒之间的油气被水蒸气置换出而返回上部。经汽提后的待生催化剂通过待生斜管进入再生器。

根据裂化机理，原料油在催化剂上进行催化裂化时，一方面通过分解等反应生成气体、汽油等较小分子的产物；另一方面同时发生缩合反应生成焦炭。这些焦炭沉积在催化剂表面上，使催化剂的活性下降。因此，经过一段时间的反应后，必须烧去催化剂上的焦炭以恢复催化剂的活性。这种用空气烧去积炭的过程称作“再生”。由此可见，一个工业催化裂化装置必须包括反应和再生两个部分[6]。而再生器的主要作用是烧去催化剂上因反应而生成的积炭，使催化剂的活性得以恢复。再生用空气由主风机供给，空气通过再生器下面的辅助燃烧室及分布管进入流化床层。对于热平衡式装置，辅助燃烧室只是在开工升温时才使用，正常运转时并不燃烧油。再生后的催化剂（即再生催化剂）落入淹流管，再经再生斜管送回反应器循环使用。

图2-5　FCC装置工艺流程

再生烟气经旋风分离器分离出夹带的催化剂后，经双动滑阀排入大气。在加工生焦率高的原料时，例如加工含渣油的原料时，因焦炭产率高，再生器的热量过剩，需要在再生器上设置取热设施以取走过剩的热量。再生烟气的温度很高，不少催化裂化装置设有烟气能量回收系统，利用烟气的热能和压力能做功，可以通过驱动主风机以节约电能，甚至可对外输出剩余电力。对一些不完全再生的装置，再生烟气中含有5%～10%的CO，可以设CO锅炉使CO完全燃烧以回收能量。在生产过程中，催化剂难免会损伤或失活，为了维持系统内的催化剂的数量和活性，需要定期地向系统补充新鲜催化剂。为此，装置内至少应设两个催化剂储罐。装卸催化剂通常采用稀相输送的方法，输送介质为压缩空气。

这种FCC工艺是炼油厂中最重要的转化工艺之一，是第一个同时拥有反应堆和再生器还具有循环流化床形式的商用催化裂化技术，与固定床和移动床不同，这种流化床不仅扩大了催化剂的有效接触面积，也避免了催化剂内外温度相差过大。工业生产中，FCC技术的应用都是在使用流化床等设备的基础上实现的，目前已经有超过350个FCC设备在全球范围内运行。当前我国众多石油工业生产企业中大都采用这种流化床来进行石油的催化裂化。同固定床催化裂化相比较，移动床或FCC都具有生产连续、产品性质稳定及设备简化等优点。在设备简化方面，流化床的优点更加突出，特别是流化床更适用于大处理量的生产模式。由于FCC的优越性，它很快就在各种催化裂化型式中占据了主导地位。

在竞争激烈的炼化领域和渣油转化领域，催化裂化工艺必须与其他催化和非催化渣油转化工艺（如加氢裂化、热裂化、减黏和焦化）竞争。现在，催化裂化过程得到了快速而成功的发展，其硬件和催化剂种类一直在与不断变化的经济和环境共同发展。