一、引言
1、在我国石油资源中，由于大部分偏重，而轻质油品含量较低，所以，改革炼油工业势在必行，必须要寻找到优质的方法。随着炼油工业的不断发展，催化裂化（FCC)日益成为石油深度加工的重要手段。在炼油工业中占有举足轻重的地位。FCC工艺是将重油轻质化，目的产品是汽油、柴油和液化气。由于转化率高，产品质量好，近半个世纪以来，FCC工艺技术和生产规模都有了很大的发展。。
二、催化裂化发展简介
2.1、国内发展状况：催化裂化是最重要的重质油轻质化过程之一，这是因为热裂化因技术落后而被淘汰，焦化适合减压渣油，加氢裂化技术先进，产品收率高，质量好但设备投资大，操作费用高，氢气来源有困难。因此，催化裂化成为油轻质化的主要手段。
中国石油化工研究院、中国石油兰州石化公司、华东理工大学石油加工研究所等致力于研究劣质重油加工，清洁汽油生产，生产低碳烯烃等领域的先进，其催化裂化技术已经从传统的化学制备转为现代的多功能组装，综合考虑影响催化裂化的主要因素，研究中心成功地研制了一系列的催化裂化技术以及催化剂，例如，两段提升管催化裂化多产丙烯兼顾轻油生产（TMP）技术和LCC系列多产丙烯催化剂等。
2.2、国外发展状况：
催化裂化自1936年实现工业化至今已有70多年的历史。当时世界上第一套100Kt/a的催化裂化装置于1936年4月6日在Paulsboro建成投产，它由Cross热裂化装置改建而成。设有三个水冷式固定床反应器，实行人工轮流切换操作。早期的Houdry装置原则流程如图所示。
三、催化裂化原料
催化裂化原料的范围很广泛，大体可分为直镏馏分油和渣油、脱沥青油、回炼油经芳烃抽提后的抽余油、热加工馏分油、加氢处理油等。
3.1直镏馏分油和渣油
催化裂化早期以生产航空汽油为目的，以轻柴油馏分（200-350℃）为原料。由于轻柴油馏分可直接作为产品，且需要量很大，所以后来不再用直镏轻柴油作催化裂化原料。
渣油通常是指常压塔底的常压渣油或减压塔底的减压渣油。渣油是原料油最重要的部分，减压渣油是原油中沸点最高、相对分子质量最大、杂原子含量最多和结构最为复杂的部分。不同原油的减压渣油的组成和性质既有共性又各有其特点。因此，必须对其化学组成、化学结构及特点有较深人的了解，才能根据其各自特点进行合理加工。
3.2脱沥青油
渣油溶剂脱沥青技术是一种有效的渣油预处理技术，它在组合工艺中的应用被日益看好，在获得脱沥青油（DAO）和沥青过程中，被看作是从减压渣油制取催化裂化原料的重要途径之一。通常脱沥青油摻入直镏馏分油中作为催化裂化原料。目前有各种各样的溶剂脱沥青工艺，如ROSE法、DEMEX法和SOLVAHL法等。目前炼油厂中生产的脱沥青油70%以上都作为催化裂化原料。
3.3回炼油经芳烃抽提后的抽余油
催化裂化回炼油（重循环油HCO）中含有大量的重质芳烃，经溶剂抽提后，芳烃可综合利用，其抽余油作为催化裂化原料。
3.4热加工馏分油
如焦化馏分油（CGO）、高温热裂解重油、减黏裂化重油等，都可以作催化裂化原料。其中焦化馏分油是催化裂化的主要原料之一。但是，由于它们是已经裂化过的油料，其中烯烃、芳烃含量较多，而且含有硫、氮等杂质，其裂化时转化率低、生焦率高，一般不单独使用，而是和直镏馏分油掺和后作为混合进料，有的则需要经加氢处理才可作为催化裂化原料。
3.5加氢处理油
先经过加氢处理（HT）再作为催化裂化的原料油有许多种。如直镏馏分油、常压渣油、减压渣油、溶剂脱沥青油、焦化馏分油、煤焦油以及催化裂化回炼油等，都可以根据具体的情况先进行加氢处理或加氢脱硫（HDS），然后再进催化裂化装置作为原料。
四、催化裂化反应的特点
4.1工艺特点
产品收率高，质量好是催化裂化最重要的两个特点。通过催化裂化所得到的产品，它们的性能都比较好。例如汽油，它的辛烷值高，并且具有较好的稳定性，几乎不含杂质，像一些影响使用性能的，如二烯烃之类的都不含有。
裂化气中所包含的一些成分如C3、C4、丙烯、丁烯都是重要的石油化工生产原料，同时还能提供大量液化气供民用。与汽油相比，柴油各方面的性能都差些，十六烷值较低，必须要调和之后才能使用，一般用直馏柴油与之调和。
催化裂化生产产品的方法较多，也比较灵活。相同的装置，使用不同的操作条件，产品的分布不同，汽油、柴油、气体的比例也不同，以此来努力地跟上市场经济的发展，顺应时代。原料选择范围较宽，通常是以减压馏分油、焦化蜡油等做原料。
对于碳原子数相同的各类烃，它们被吸附的顺序为：稠换芳烃＞稠换环烷烃＞烯烃＞单烷基侧链的单环芳烃＞环烷烃＞烷烃。
同类烃则相对分子质量越大越容易被吸附。
化学反应速度大小的顺序为：烯烃＞大分子单烷基侧链的单环芳烃＞异构烷烃与烷基环烷烃＞小分子单烷基侧链的单换芳烃＞正构烷烃＞稠环芳烃。
从上面的吸附顺序和反应速度的顺序来看并不一致，反应速度较快的烃类，由于不容易被吸附也会影响它反应的进行。不过催化剂表面上各类烃被吸附的数量除与它被吸附的难易有关外，还与它在原料中的含量有关。
原料中的稠环芳烃，由于它最容易被吸附而反应速度又最慢，因此，吸附后牢牢的占据了催化剂的表面，阻止其他烃类的吸附和反应，并且由于长时间停留在催化剂上，进行缩合生焦不再脱附，所以，如果原料中含稠换芳烃较多时，会使催化剂很快失去活性。
4.2平行-顺序反应
烃类的催化裂化反应同时又是一个复杂的平行-顺序反应。即原料在裂化时，同时朝着几个方向进行反应，这种反应叫做平行反应。同时随着反应深度的增加，中间产物又会继续反应，这种反应叫做顺序反应。重质原料油的催化裂化反应情况如下图所示。
平行-顺序反应的一个重要特点是反应深度对各产品产率的分配有着重要影响，即随着反应时间的增长，转化率不断提高，最终产物气体和焦炭的产率会一直增加，而汽油的产率会在开始时增加，经过一个最高点后又下降。这是因为达到一定反应深度后，再加深反应，汽油进一步会分解成气体的速度已高于生成汽油的速度。同样，对于柴油产率来说，也像汽油产率曲线一样会出现一个最高点，知识这个点出现在转化率较低的时候。习惯上称初次反应产物再继续进行的反应为二次反应。
催化裂化的二次反应是多种多样的，它们对产品的产率分布影响较大，期中有些反应对产品的产率和质量是有利的，有些则是不利的。如反应生成的烯烃再经异构化生成辛烷值更高的异构烃，或与环烷烃进行氢化转移反应生成稳定的烷烃和芳烃等，这些反应都是所希望的。而烯烃进一步裂化为干气或小分子烯烃（如丙烯、丁烯）经氢转移饱和，以及烯烃及高分子芳烃缩合生成焦炭等反应则是不希望的。因此，在催化裂化生产中适当控制二次反应的发生。
五、催化裂化工艺
5.1石油化工催化裂化工艺技术优化
对石油化工催化裂化工艺技术进行研究，优选最佳的催化裂化工艺，达到石油化工生产的技术要求，满足石油化工企业节能降耗的技术措施，达到预期的生产效率。
5.1.1催化裂化工艺流程的优化
石油化工催化裂化工艺基本由五大部分组成，反应再生系统、分馏系统、吸收稳定系统、产品的脱硫精制系统和烟气能量回收系统。将几大系统结合起来，更好地完成催化裂化的效果。节约催化剂的用量，加快对焦炭的燃烧速度，通过再生系统的作用，及时恢复催化剂的活性，使其达到最佳的催化裂化的状态，得到更多的汽油、柴油以及液化气产品，满足石油化工催化裂化的产品质量标准，为石油炼制创造可观的利润。
反应再生系统是进行催化裂化反应的关键要素，通过催化裂化反应生产小分子产品，同时也发生缩合反应生产出焦炭由于焦炭对催化裂化工艺产生不利的影响，因此，通过再生系统，将焦炭燃烧掉，恢复催化剂的活性，继续完成催化裂化的反应，得到更多的合格产品。分馏系统实现催化裂化后产品的分离处理，剩余的热能高，分离的精确程度很容易满足生产的需要，实现多路循环回流效果，塔顶循环回流，达到设计的分离状态。通过吸收稳定系统的作用，得到稳定的汽油产品和液化气。
将石油化工催化裂化生产工艺的热能进行回收利用，避免能量的浪费，一般预热可以进行发电使用等，加强对石油炼制生产工艺的管理，提高废弃物处理的措施，防止发生环境污染事故。经过现场的试验研究，不断应用新工艺、新技术，提高催化裂化工艺的生产效率。
5.1.2催化裂化工艺中使用的催化剂进行优化
在石油化工催化裂化工艺中，使用固体催化剂，油品可以很快离开催化剂，焦炭能够沉积在催化剂的表面，使催化剂的活性下降，通过再生系统的作用，应用空气烧掉催化剂表面的焦炭，恢复催化剂的活性，加快催化裂化反应的速度，提高产品的收率，达到石油化工催化裂化的技术标准。
不断研制新的催化剂体系，使其满足渣油催化裂化反应的需要，节约催化剂的用量，降低催化裂化反应的成本，才能达到预期的生产目标。对石油炼制体系的催化剂进行试验研究，减少催化剂表面烃类的含量，进而减少焦炭的形成，防止催化剂失效，提高渣油炼制的效率，达到预期的生产效率。
5.1.3优化催化裂化工艺管理
提高催化裂化工艺的生产效率，加强对生产过程的管理，优选最佳的运行参数，合理控制催化裂化反应的速度，得到更高品质的轻质油品，满足石油化工生产的技术要求。不断创新催化裂化工艺技术措施，研究和应用两段提升管催化裂化工艺，改善催化反应过程，提高反应深度，提高汽油的辛烷值，提升所有产品的质量，使催化裂化工艺达到更高的标准。
对反应器的出口系统进行革新改造，应用封闭式祸合旋分器，使催化剂和裂化产物快速分离，提高催化裂化反应的时效性。改善进料喷嘴，防止喷嘴结焦，提高喷嘴的使用寿命，使其更好地为催化裂化生产提供支持。应用先进的分段汽提装置，除去催化剂上面携带的烃类，有效地防止结焦现象的发生，提高催化裂化生产工艺的效率。
5.2石油化工重油催化裂化工艺技术措施
5.2.1合理控制催化裂化的操作条件
降低焦炭的产率，合理控制操作条件，才能达到预期的生产目标。改善原料油的汽化和雾化条件，由于重油中含有更多的渣油成分，对其进行汽化，存在气液两相共存的状态，对原料进行汽化的过程中，减少液相的分离比例，才能避免渣油对催化剂的不利影响，提高催化裂化的效果。
使用较高的反应温度，缩短反应时间，防止更多的焦炭等成分的形成，而加剧生产设备的腐蚀和堵塞，影响到重油催化裂化生产的顺利实施。加强对重油催化裂化生产装置设备的管理，提高设备安全运行的效率，降低设备的故障率，延长重油催化裂化设备的长周期运行时间，减少停车检修的频次，才能达到预期的生产效率。提高重油催化裂化生产的安全环保性能，采取必要的技术措施，对生产工艺的各个环节进行控制和管理，避免发生泄漏事故，对废弃物进行处理，防止发生环境污染事故。
5.2.2重油催化裂化催化剂体系的优选
为了提高重油催化裂化的生产效率，优选催化剂体系，通过催化剂的作用，加速重油催化裂化的程度，缩短重油加工的时间，避免更多副产品及杂质的产生，保证重油催化裂化的顺利进行。催化剂体系的研制，使其达到更高的热稳定性，防止催化剂体系失效，并达到催化剂再生利用的效果，防止催化剂用量过大，而增加重油催化裂化生产的成本。具有抗重金属污染的能力，才能将其应用于重油的催化裂化生产工艺中。现场常用的重油催化裂化生产的催化剂为Y型的沸石分子筛催化剂，并对其不断进行改进，提高催化裂化的效果，使其达到最佳的催化状态，提高产品的收率，满足石油化工生产的技术要求。
5.2.3重油催化裂化工艺技术的特殊性
重油催化裂化工艺与常规的催化裂化工艺不同，在进料方式、再生系统的使用、催化剂的选用及SOx的排放控制方面，具有自身的特点。而对于余热的回收利用和常规的催化裂化工艺是类似的。
重油催化裂化工艺技术措施，包括常压渣油转化工艺、流化催化工艺和沥青渣油处理工艺等。流化催化工艺技术在现场得到广泛应用，生产过程中，将原料经过换热器或者加热炉提高温度后，使其雾化，形成重油的蒸汽，进人到输送管道中，与再生系统输送的催化剂混合后，进人流化床反应器，在反应器内经过催化剂的作用，实现催化裂化的效果。再经过旋流分离器，将气相和液相进行分离处理，进人到分馏装置后，得到汽油馏分和轻质的柴油馏分，并对分馏出来的干气进行回收利用，将重油催化裂化生产的焦炭进行回收，防止废弃物造成环境污染，完成重油催化裂化生产的程序，得到合格的重油催化裂化产品，达到石油化工生产的技术要求。
六、影响催化裂化的主要因素
任何生产装置都希望达到高产、优质、低消耗的生产目的，催化裂化也不意外。但是要满足这一要求，必须拥有各方面的有利条件，例如：良好的原料、优良的催化剂、先进的装置及设备以及适宜的操作条件。而原料、设备及催化剂对一套固定的装置来说它们是客观存在，不能作为调节手段。因此，要使得生产顺利进行，只要我们能够熟练地掌握操作条件对反应深度、产品分布和产品质量的影响规律，从而就能够根据对各种产品的需求，做出恰当的调整操作。
6.1催化裂化反应过程中的有关概念
6.1.1转化率
从广义上来讲，转化率应该是原料转化为产品的百分率，是表示反应深度的指标。如果原油为100，则：转化率（质量分数）=（100-为转化的原料）/100*100%，式中，“为转化的原料”是指沸程与原料相当的那部分油料，实际上它的组成及性质已经不同于新鲜原料。
在科研和生产中常常采用下式来表示转化率：
转化率=气体产率+汽油产率+焦炭产率
只用气体、汽油、焦炭三种产物产率的总和来表示转化率并不能准确地反映催化裂化的反应深度，因为柴油馏分也是反应产物。这种表示转化率的方法是由于最初催化裂化多以柴油为原料，汽油为目的产物所至，至今人们仍延续这种传统的表示方法。
6.1.2产品分布
原料裂化所得各种产品产率的总和为100%，各种产率之间的分配关系即为产品分布。
一般情况下我们是希望尽量提高目的产物的产率，而减少副产品的产率。值得注意的是，虽然我们不希望产生过多的副产品，但是它的产率太低也不行，因为装置的热源是靠烧焦来提供的，它的产率影响着整个反应甚至是产品的产率，因此焦炭的产率的控制就显得尤为重要，其中的度需要我们自己去衡量。如过副产物产率过低，我们就不得不提高原料预热温度或喷高温热油来弥补热量不足这一严重的问题。
原料的性质和催化剂的选择对产品的分布有着非常重要的影响，因此，在生产种应该根据原料与所用催化剂的不同控制好操作条件，在适宜的转化率条件下得到我们所期待的产品分布。
6.1.3循环裂化
在工业生产中我们为了获得比较高的轻质油或轻质产品的收率，同时产品分布合理，常采用回炼操作，即控制原料转化率，使得其值在我们可以控制的范围内，让一次反应后生成的与原料沸程相近的中间馏分，再返回反应器重新进行裂化，这种操作方式也称为循环裂化，这部分油称为循环油或回炼油。有时候我们也将最重的渣油（或称油浆）进行回炼，我们称之为全回炼。
回炼油的馏分，可以用作生产重柴油的原料，通过对最重渣油的处理，即净化除去其中所含的杂质，同样也可以作为生产澄清油的原料。
新鲜原料量与回炼油两部分组成了循环裂化反应的总进料，回炼油（包括回炼油浆）量与新鲜原料量之比称为回炼比。总进料量与新鲜原料量之比称为进料比。在回炼操作中，转化率分为两种，一种是单程转化率，另一种总转化率，产品的产率也分为两种，即：单程产率和总产率。
我们通常情况下提到的产品产率都是对新鲜原料而言，单程转化率是指总进料一次通过反应器的转化率。
6.2影响因素分析
一直以来人们都希望催化裂化生产产品的产率较高，因为这样反应装置的处理能力就能够得到提高，在工业生产中我们总是希望干气、焦炭及其副产物的产率低一些，
像液化气、汽油、柴油这类主产物的产率高些。产品质量方面，则希望汽油辛烷值高、安定性好，柴油十六烷值高。但这些要求往往是相互矛盾的，若想提高转化率，干气及焦炭产率就要随之提高，多产柴油必然减少汽油和液化气产率，提高辛烷值就会降低柴油十六烷值。
掌握操作因素对各方面的影响以便根据不同的要求处理好这些矛盾。
影响催化裂化反应的主要因素有：反应温度、反应时间、剂油比、反应压力。
6.2.1反应温度
反应速度、产品分布、产品质量受反应温度控制。温度高则反应速度加快，同时能使转化率提高。与此同时，温度对热裂化反应速度的影响比对催化裂化反应速度的影响大得多。例如，温度每增加10℃，催化裂化反应速度约提高11%-20%，而热裂化的反应速度则提高约为60%-80%。因此，当温度提高到510℃以上时，热裂化反应处于主导位置，这就致使气体中C1、C2组分增多，产品的不饱和度增大。在这种情况下，仍以催化裂化反应为主。
由于催化裂化为平行-顺序反应，而反应温度又对各类反应的反应速度有不同的影响，因此不同的温度条件下会得到不一样的产品分布和产品质量。
由于提高反应温度对促进裂化反应（生成烯烃）和芳构化反应速度提高的程度高于氢转移反应，因而使汽油中的烯烃和芳烃含量提高，故汽油的辛烷值提高，一般工业生产装置的反应温度常根据生产方案的不同采用460-520℃。
6.2.2反应时间
在床层反应中，原料与催化剂的接触时间我们通常用空间速度来表示。由于催化裂化反应是在催化剂表面上进行的，所以空速越高就意味着反应时间越短，反之反应时间越长。在流化催化裂化中多用质量空速，即：
空速的单位为h-1,故空速的倒数称为假反时间。
在提升管反应器内，催化剂密度很低，几乎呈活塞式流动并通过反应器，空速很高且不易测定，所以，提升管催化裂化的反应时间是以汽油心思提升管内的停留时间表示。
由于提升管催化裂化采用了高活性的分子筛催化剂，故所需反应时间很短，一般只有1-4s即可使进料中的非芳烃全部转化，特别是在反应开始时速度最快，1s以后转化率增长便趋于缓和。反应时间过长，会引起汽油、柴油的再次分解导致轻油收率降低。因此，为了避免二次反应，通常在提升管出口处设有快速分离装置，以便使油剂迅速分开，终止反应。
6.2.3剂油比
催化剂循环量与总进料量之比称为剂油比，用C/O表示。
增加剂油比可以提高转化率，因为在焦炭产率一定时，剂油比增大就意味着反应器内催化剂上的平均碳含量降低，即实际活性增高。
剂油比增加，会使焦炭产率升高，这主要得益于转化率的提高。除此之外，进料量不变，剂油比增加就说明催化剂循环量加大，因而使汽提段负荷增大，汽提效率降低，也相当于提高焦炭产率。
6.2.4反应压力
反应压力对催化裂化过程的影响主要是通过汽油分压来体现的。实验数据表明，当其他条件不变时，提高反应器的油气分压，可提高转化率，但同事焦炭产率增加，汽油产率下降，液态烃中的丁烯也相对减少。
提升管催化裂化沉降器顶部压力根据压力平衡的需要一般分为0.12-0.2MP（表）。以上所进行的这些因素分析只是定性的，如果把这些复杂的关系定量地联系起来，建立起动力学模型，则对装置的设计及生产操作的控制都是非常有利的。现在已经有不少行之有效的动力学模型出现，例如，三集总动力学模型及威客曼等研究的十集总模型等，可参见石油炼制过程反应动力学及其他有关书籍。
七、催化裂化催化剂
7.1.催化剂组成和结构
催化裂化装置催化剂是一种热稳定性良好的固体酸催化剂，从最开始的天然白土、合成硅铝到分子筛催化剂，都是以硅酸铝盐作为基础的固体酸材料。这些催化剂的化学组成均为SiO2和Al2O3。MIP-CGP工艺采用的催化剂为分子筛催化剂，催化剂的性质指标如表1。
7.2催化剂的组成
7.2.1基质
催化剂中沸石分子筛的颗粒过度细，活性又太高，因而沸石分子筛不适合单独作催化剂，必须将它在相应的载体中分散布置，这种载体可称为基质。基质具有较适当的孔分布及较大的表面积，可以将沸石分子筛完美地分散在其表面;基质具有形状、粒度和必要的机械强度;基质可以从沸石分子筛中带走热量，起到保护的作用。
7.2.2沸石分子筛
在工业生产中，催化裂化催化剂中沸石分子筛的含量约为巧%。沸石分子筛是结晶型的硅铝酸盐，分子筛中具有均匀的内孔道，外观是白色粉末状的结晶，具有明显的金属光泽，相对密度为2-2.8，比表面积为300-1000㎡/g。沸石分子筛的构成可以通俗地理解为无机聚合物，其最原始的单元是铝氧四面体和硅氧四面体。
7.3催化剂的使用性能
7.3.1物理性质
7.3.1.1密度
催化剂有三种表示密度的方法，即骨架密度、颗粒密度和堆积密度。
骨架密度：它是扣除颗粒内微孔体积时的净催化剂密度，又称真是密度，其值约为2080-2300Kg/m³。
颗粒密度：是指单个颗粒包括孔体积在内的密度，它与孔隙度有关，孔隙度大时颗粒密度小，一般为900-1200Kg/m³。
堆积密度：是指催化剂堆积时，包括微孔和颗粒间的空隙在内的密度。堆积密度和颗粒堆积方式有关。一般为400-900Kg/m³。将一定
质量的催化剂装入量筒，经摇动后待刚刚全部落下时，立即读取体积计算所得的密度，称为充气密度，或疏松密度。上述量筒中的催化剂静置2分钟后，在读取体积所计算出的密度，称为沉降密度。将量筒中的催化剂在桌子上礅实至体积不再减小时，读取体积计算出的密度，称为密实密度或压紧密度。
七、催化裂化催化剂助剂
为了改善催化裂化的生产，在催化裂化过程中，除使用裂化催化剂外，还先后发展了多种起辅助作用的助催化剂（简称助剂），以适应原料不断变重和充分发挥分子筛催化剂高活性的特点，降低再生催化剂的炭量以及减轻对环境污染等项的要求。
这些助剂均以添加剂的方式加到裂化催化剂中，起到除催化裂化过程外的其他作用，如促进一氧化碳转化为二氧化碳，提高汽油的辛烷值，钝化原料中重金属杂质对催化剂活性的毒性和降低FCC汽油硫含量助剂等。
7.1一氧化碳助燃剂
CO助燃剂是CO燃烧助剂的简称。当使用CO助剂时，它可以促进CO氧化成C02，
实现安全再生，从而使再生催化剂含炭量降低，活性及选择性得到改善，轻油收率增加，并减少CO对大气的污染。同时，还起到降低催化剂循环量、减少催化剂消耗和提高轻质油收率等的效果。这一技术已获得广泛应用。
由于分子筛催化剂对焦炭比较敏感，因此，必须使用再生催化剂含炭量降到0.2%以下才能发挥分子筛高活性的特点。
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