流化催化裂化

流化催化裂化（Fluid catalytic cracking，又作Fluidized-bed catalytic cracking，或Fluidized catalytic cracking ；簡稱FCC），是石油精煉廠中最重要的轉化工藝之一。被廣泛用於將石油原油中高沸點、高分子量的烴類組分轉化為更有價值的汽油、烯烴氣體和其他產品。石油烴類的裂化最初都是通過熱裂化（thermal cracking）完成；如今熱裂化已幾乎全部被催化裂化所取代，因為催化裂化可以產生更多具有高辛烷值的汽油。此外，催化裂化也能產生更多擁有碳碳雙鍵的副產品氣體（即更多的烯烴），所以相比於熱裂化具有更高的經濟價值。

流化催化裂化（FCC）的原材料（進料）通常採用原油中初餾點為340 °C或更高（常壓）以及平均分子量在200~600或更高的部分。這部分原油通常稱為重質瓦斯油（heavy gas oil）或重質減壓瓦斯油（heavy vacuum gas oil, HVGO）。在流化催化裂化（FCC）工藝中，原材料在高温和適當的壓力下與流化粉末狀的催化劑接觸。催化劑打破了高沸點長鏈的烴分子，使之成為更短的分子、然後以蒸氣的形態被收集。 ^[1] 

石油精煉廠使用流化催化裂化（FCC）來回應汽油的市場需求和解決高沸點區原油分餾產品的過剩。2006年，世界範圍內有400家石油精煉廠採用FCC單元（FCC Unit）。在這些精煉廠中，佔總量 1/3 的原油被FCC工藝加工為高辛烷值的汽油以及燃料油（fuel oil）。2007年間，美國的FCC單元每日加工原材料840,000 m，而全世界的FCC單元的每日加工量為其兩倍。

在歐洲和亞洲，FCC單元沒那麼普遍，因為歐洲和亞洲對於柴油和煤油有着很高的需求，而柴油和煤油可以通過氫化裂解供應。在美國，FCC更加普遍，因為美國對於汽油的需求更高。 ^[1] 

現代FCC單元，全部都是全天24小時的無間斷作業，在兩次例行維修之間能連續運行3~5年。現在有好幾種各不相同的現代FCC單元的專利設計。石油精煉廠如果想要採用現有的這些專利設計的其中之一，就需要向專利設計者購買使用許可。

對於一個FCC單元而言，可以有兩種不同的佈局配置方案：

（1）堆積型（Stacked configuration）：反應器和催化劑再生器都放在同一個容器中，且反應器置於催化劑再生器的上方。

（2）肩並肩型（Side-by-side configuration）：反應器和催化劑再生器放在兩個不同的容器中。

每一種專利設計的許可發行人都聲稱自己的設計擁有獨特的優勢。其區別與比較不在本文的討論範圍內。

反應產物的蒸氣（535 °C、1.72bar）從反應器的頂部流出，進入分餾塔（英語distillation column。亦常稱之為 主分餾塔main fractionator）的底部。在主分餾塔中，反應產物蒸氣被分餾為石腦油（naphtha）、燃料油（fuel oil）、幹氣（off-gas）等各種FCC終產物。在經歷去除含硫化合物的工藝後，石腦油就成為了具有高辛烷值的精煉廠調和汽油的組分之一。

主分餾塔的幹氣則被送至氣體回收單元（gas recovery unit），並在其中被分離為丁烷、丁烯、丙烷、丙烯、以及分子量更小的氣體（如氫氣、甲烷、乙烯、乙烷）。有些FCC的氣體回收單元也能分離出部分的乙烷和乙烯。 ^[1] 

由於各種FCC具有不同的設計，再生器（catalyst regenerator）中附着在使用過了的催化劑上的焦炭未必會完全燃燒為二氧化碳（CO2）。每一種特定的FCC設計，都對應地有其所需的一氧化碳（CO）和二氧化碳之比。通過控制燃燒中的空氣流量，來提供所需的一氧化碳和二氧化碳之比。 ^[1] 

石油原油的主要成分為烴類混合物，此外還有少量的含硫、含氮、含氧的有機化合物，以及微量的金屬成分（如銅、鐵、鎳、釩等）。 ^[1] 

催化裂化技術由法國機械工程師Eugene Jules Houdry（尤金·胡德利）開發，採用的是固定牀反應器。最早時候，生產汽油採用原油蒸餾技術。1859年在賓夕法尼亞州的泰特斯維爾（Titusville,Pennsylvania）建起了第一套石油蒸餾的商業裝置。隨後，內燃機技術得到了很快的發展。到了1895年，美國街頭出現了第一輛以汽油為燃料的“無馬拉的汽車”（horselesscarriages），當時也就土豪能消費得起，進入20世紀，全美國的汽車估計不超過8000輛。但是隨後有了突飛猛進的發展，到了1910年，美國有50萬輛汽車，此時汽油短缺凸顯。

1913年，印第安納州標準石油公司（注：美國石油公司經歷了N次的兼併重組，此處根據英文資料原文翻譯）的威廉·波頓博士（Dr.William Burton）開發了一套熱裂化技術，在高温高壓條件下將高沸點的石油大分子裂解成低沸點小分子的汽油餾分。為了提高發動機的運行效率，獲得更高的辛烷值，1923年，標準石油公司在其中中添加了四乙基鉛。四乙基鉛由通用汽車的托馬斯·米吉利發現，可以大大提高辛烷值，但是有劇毒，對環境破壞嚴重。

法國是多煤少油的國家。20世紀20年代，Eugene Jules Houdry開始研究褐煤生產汽油的催化劑，他找了一位合夥人，藥劑師E.A. Prudhomme，忽悠他搬到了巴黎附近的Beauchamp。在那裏，Houdry與他的商業夥伴創辦了一個實驗室。褐煤制汽油項目得到了法國政府的資助，Houdry建了一套示範裝置，每天加工60噸/褐煤。裝置自1929年開始運行，但是運行結果不理想，效益上沒有競爭力，法國政府撤資，這套裝置也於同年關閉。

在研究煤制油的過程中，煤先轉化成高粘度的煤焦油、烴類，然後再進一步轉化成汽油餾分，後一步與石油裂化生成汽油相似。在這一過程中，Houdry發現酸性白土，有效成分為硅鋁酸鹽（aluminosilicate），可以將褐煤中提取出來的有轉化成汽油餾分。於是，Houdry專注於將這一催化劑應用於石油加工過程。

1930年Vacuum石油公司的H.F. Sheets瞭解了Houdry研製催化劑的可靠結果，便邀請他到美國。經過成功的磋商，Houdry就把實驗室跟他的合夥人帶到了新澤西州保羅斯伯勒（Paulsboro,New Jersey）。1931年Houdry工藝公司（HoudryProcess Corporation）成立。同一年，Vacuum石油公司與紐約標準石油公司合併，成立Socony-Vacuum石油公司，也就是後來的美孚石油公司。1933年，每天200桶原料加工量的Houdry裝置開車運行。但是經濟大蕭條削弱了石油業務，Socony-Vacuum公司無力再支持Houdry的工作，於是就同意Houdry從其他公司尋求支持。1933年，Houdry與Sun石油公司總裁J.Howard Pew及副總裁ArthurPew, Jr.會面。不久之後，Houdry,Socony-Vacuum 和Sun簽訂聯合開發協議。1936年4月，Socony-Vacuum公司將Paulsboro一套老的熱裂解裝置改造成採用Houdry工藝的催化裂化裝置。1937年3月，Sun石油公司新建一套日加工量為15,000桶的裝置，並投入運行。裝置以循環熔鹽作為熱載體，採用電動閥實現自動切換。高辛烷值的汽油收率達到50%，原高於常規熱裂解25%的收率。Houdry裝置可以生產100號高辛烷值航空汽油，為盟軍的勝利做出了巨大貢獻。Houdry航空汽油大大提升了盟軍戰鬥機的作戰性能。據統計，盟軍戰鬥機比軸心國戰鬥機起飛與爬升的發動機動力高15~30%，有效載荷高25%，最大速度高10%，飛行高度高12%。1940年前6個月，大不列顛戰役期間，每月有100萬桶高辛烷值汽油裝備盟軍部隊。在戰爭的前兩年，Houdry裝置生產了90%的催化裂化汽油。

Houdry，1892年4月18日，出生於法國巴黎郊外，老爹是一位富有的鋼鐵製造商。大學時，他在Ecoledes Arts et Métiers學習機械工程，也是學霸呀，獲得法國政府的金獎。學霸在體育上也很牛，他還是校足球隊隊長，在畢業那年（1911年）獲得法國的冠軍。Hourdry畢業後去他爹的廠裏，但是隨後一戰爆發，他在法國坦克軍團服役。1917年，在Juvincourt戰役中受重傷，獲得軍功十字勳章(Croixde Guerre)，隨後獲得騎士榮譽勳章的榮耀。戰爭結束，Houdry重回父親的工廠。Hourdry痴迷於汽油發動機跟賽車，這也點燃了他研究汽油的興趣。頗感覺個性十足，精力旺盛，很cool。1922年，他開始了對褐煤制汽油的研究。

二戰期間，Houdry堅決反對維希政府與德國納粹的媾和，當局把他開除國籍。隨後他成為“法國永遠（FranceForever）”美國分部的首腦，支持戴高樂將軍。1942年1月，Houdry成為美國公民，他的兩位兒子加入美軍，他本人在工業裝置的努力為戰爭勝利作出巨大貢獻。

1938年，Houdry技術的成功已經顯而易見了，新澤西標準石油公司聯合了其他四家印第安納標準石油公司、Anglo-Iranian石油公司、德克薩斯石油公司以及皇家殼牌，以及兩家工程公司（M.W. Kellogg和UOP），成立了催化研究協會（CRA），從事一項規避Houdry固定牀催化裂化專利的工藝技術開發。後來MIT的兩位牛人Warren K. Lewis 及 Edwin R. Gilliland與CRA合作，開發了流化催化裂化（FCC）技術。 ^[1]