第2章　稀土材料在石油化工中的应用

2.1　催化裂化工艺

2.1.1　催化裂化概念

早在1925年以前，人们称高沸点的重质原油分子通过热分解转变为较小的汽油分子为裂化过程。现在人们习惯于将“裂化”一词用于各种石油馏分转化为气、汽油和柴油等的工艺。实际上“裂化”一词的使用并不恰当，它的意思是将高分子量的化合物简单分解为低分子量的化合物，在这个过程中分子片段的结构没有实质性的重排，通过简单的C—C键断裂，长链烷烃分子的分解可能得到的主要是较短链的烷烃和烯烃。而催化裂化通过高温和催化剂从较重的石油馏分中提取气、汽油和柴油等，在生产过程中只要生成物的分子量小到一定程度，就可以被蒸馏出来，这种裂化过程涉及二次反应，所以在严格意义上来说不应该被称为裂化反应。

大多数石油加工工艺，无论是催化的还是非催化的，除了真正的裂化反应外，在很大程度上还必须通过其他的反应来提高汽油的质量，这些反应包括与裂化无关的聚合和烷基化反应以及异构化反应。尽管“裂化”没有准确的描述，但它却是个行之有效的术语，只要是反应产物分子量比反应物大量减少，或者有大量石油馏分被转化为小分子，都可以叫做“裂化”。裂化的实际定义包括汽油生产过程中的“重构”，即主要通过脱氢和异构化反应，将汽油内的石油馏分转化为质量更高的汽油。在这种重构过程中也会发生大量的裂化反应[1]。

19世纪末20世纪初，人们生产汽油主要靠真空蒸馏法，即通过降低原油的蒸气压，蒸馏出指定沸点的产物，但这种办法不仅所需设备昂贵，汽油产率也只有40%左右。随着催化剂和添加剂性能的不断提高，采用真空蒸馏法制备的办法已经过时，现如今的常压渣油可直接在催化裂化装置中进行处理。得益于改造现有的催化裂化装置或建造特殊的新型催化裂化装置和重油裂化装置，使得裂化反应可直接处理的原油范围得到了扩大。

石油组成复杂，其主要成分是分子量较大的烷烃、环烷烃和芳烃。从地壳中开采出来的原油必须经过脱盐、脱水后送往炼化工厂，并根据其性质进行蒸馏（常压蒸馏、减压蒸馏）、加氢、裂化、焦化和溶剂脱沥青等一系列加工。如图2-1所示，首先原料油经常、减压蒸馏后，按沸点大小被切割成不同的馏分，其中轻组分（30%～60%）如汽油、煤油、柴油和润滑油可用作化工原料或燃料，塔釜中的重组分（12%～30%）如常压渣油和减压渣油以及不能直接用于蒸馏的重油则必须经过减黏裂化、催化加氢、催化裂化、溶剂脱沥青或延迟焦化等轻质化处理后再被分馏利用[2]。在此之中，催化裂化从20世纪起就广受炼油厂青睐，就原油的二次加工能力而言，催化裂化工艺名列前茅，就技术复杂程度而言，它也位居首位。

催化裂化是靠催化剂的作用在一定温度（460～550℃）条件下，将重油和石油残渣转化为较轻的产品的过程。催化裂化主要产品有烷基化汽油、甲基叔丁基醚，这些产品可以转化为汽油、柴油、加热油、重循环油等[3]。催化裂化具有生产效率高、汽油辛烷值高、副产气中含C₃～C₄组分多等特点。催化裂化产品复杂，主要产品有轻质油（汽油和柴油等）、液化气、油浆、干气及焦炭，其中反应器内生成的焦炭会重新回炉再利用。在一般的催化裂化工业条件下，气体（液化气和干气）产率约为原料的10%～20%，主要由C₃～C₄组成，其中丙烯、丁烯和异丁烷占一半以上；汽油产率为原料的38%～54%，化学组成主要为异构烷烃、异构烯烃和芳烃，催化裂化汽油的辛烷值在88～92之间，一般中间基原料高于石蜡基原料，渣油原料高于馏分油原料；柴油产率约为原料的20%～40%，其中芳烃含量较多，十六烷烃含量较低。

从催化裂化的原料和产品可以看出，催化裂化过程在炼油工业以至国民经济中占有重要地位。因此，在一些原油加工深度较大的国家，例如中国和美国，催化裂化的处理能力达原油加工能力的30%以上。在我国，多数原油偏重，氢碳质量比相对较高且金属含量相对较低，而重油催化裂化所产汽油辛烷值高（马达法辛烷值80左右），因此催化裂化尤其是重油催化裂化过程的地位就显得更为重要。