化學家不看好的催化裂化，工程師們將它化腐朽為神奇成功工業化

化工史話55：化腐朽為神奇——提升管反應器

上回書說道，胡德利在1927年就做出了成本低廉，耐受力強的催化裂化催化劑。

胡德利催化劑的出現很快引起了美國一些石油巨頭的注意，美孚公司的前身（vacuum）甚至直接從法國把胡德利挖到了美國。但催化裂化反應要真正工業化，還需要十幾年漫長的過程。究其原因就在於，在化學上這個反應非常不適宜進行生產。

胡德利與汽車尾氣淨化裝置

胡德利除了開發催化裂化工藝外，還在環保領域做出了突出的貢獻。他也是汽車尾氣淨化器的發明人，歷史上率先嘗試在汽車排氣口加裝催化劑以處理尾氣。

催化裂化反應有幾個明顯的缺點。首先，反應需要高溫，反應的溫度高達400-500攝氏度，在高溫狀態下對催化劑的穩定性和壽命要求非常高。好在胡德利催化劑屬於氧化物催化劑，這一點倒是問題不大。最大的問題在於催化裂化這個反應非常容易積碳。當有機物加熱到400-500度時，除了C-C鍵會斷裂外，還有部分C-H鍵也會斷裂，這種情況下碳就會作為副產物生成。這些碳集聚在催化劑表面非常容易堵塞催化劑的孔道和活性點位，導致催化劑的失活。

1936年，世界上第一座半商業化的催化裂化裝置在美國投產，這套裝置是一套固定床裝置。固定床裝置將催化劑直接填充在一個反應塔中，同時讓氣體通過催化劑床層。氣體在通過催化劑床層的時候發生反應。

固定床交替操作流程

固定床反應器非常常見，但是對於催化裂化來說卻是一種非常低效的反應器。主要還是由於積碳，催化劑失活快，連續生產效率非常低。當時的人們採用一種原始的方法，就是平行做兩個或者多個反應塔。當其中一個反應塔失去活性以後迅速切換到另一個反應塔。同時讓工人把催化劑卸下來，進行再生，如此交錯進行。

胡德利本人也並不滿足於固定床裝置的效果。1941年，在固定床裝置的基礎上，他又設計搭建了一套移動床反應器。移動床反應器實現了自動化的催化劑替換，實現了整個流程的連續化生產。到了1943年，單套移動床反應器的生產能力已經達到50萬噸/年了。

移動床反應器

相對於固定床，移動床在反應器增加了頂部進料裝置，底部排料裝置。實際上有點類似於我們之前介紹過的高爐。催化劑從頂部加入，底部排出。催化劑進入反應器後從上往下運動，越靠近底層催化劑停留時間越長，活性越低。

固定床催化裂化出現後，胡德利和美孚大掙一筆。標準石油公司等其他同行看了也躍躍欲試。為了繞過固定床催化裂化的相關專利，標準石油公司，法本集團，殼牌等企業決定聯合起來，開發一種全新的反應設備。這一系列的努力也最終導致了反應工程歷史上一款經典反應器的出現，也就是提升管反應器。

提升管反應器的構思是從流化床起步的。早在1936年標準石油公司就提出了流化床反應器的構想，但苦於找不到合適的應用場景。當面對催化裂化工藝時，人們卻發現，流化床恰恰是一個合適的選擇。首先流化床裡催化劑是在氣流衝擊下懸浮的，互相有碰撞可以撞掉一部分表面積炭。如果增大氣流，還可以將催化劑從反應器裡吹出去，這樣一來就有希望連續地實現催化劑的再生。

流化狀態圖

圖中是不同的流化狀態，其具體形態取決於顆粒大小，密度與氣量，一般來說氣速低的時候顆粒在床層內懸浮就是流化床狀態，氣速高的時候顆粒就會被吹走屬於氣力輸送狀態。

標準石油公司1941年完成了一套流化床反應裝置，隨後幾經改進最終發展成了提升管反應器。

提升管反應器包含兩個部分，一個是反應器，一個是再生器。反應器包提升管和沉降室構成，催化劑首先進入提升管，在原料油與水蒸氣的帶動下經過提升管，期間進行反應。經過反應的催化劑活性降低進入沉降室，隨後進入再生器。在再生器內，催化劑與空氣接觸，利用燃燒過程清除表面的積炭，再重新進入提升管中，如此循環往復。

提升管反應器

提升管與沉降管直徑不同，內部氣速也不一樣，提升管內流速快相當於氣力輸送狀態，沉降段速度慢，顆粒自然下落。

相對於移動床反應器，提升管反應器無需利用額外的設備在反應器與再生器之間輸送催化劑。整個輸送過程直接用流態化技術完成，實際上實現了催化劑的自動再生。此外，這個過程中還充分集成了熱量，我們知道，催化裂化的反應溫度在400-500度左右。催化劑的燒碳再生恰好是一個放熱反應，再生後的催化劑表面是炙熱的，因此原料氣的溫度無需特別高也能保證反應的進行，這就節約了能量。

催化裂化不是一個適宜工業生產的反應。然而通過反應器的巧妙設計，工程師最終化腐朽為神奇，化不能為可能。