闵恩泽 创新催化技术开启绿色化学研究

来源:《科学家精神· 创新篇》      日期:2022-02-18

闵恩泽(1924年2月—2016年3月),石油化工专家,中国科学院院士、中国工程院院士。主要从事石油炼制催化剂制造技术领域研究,是我国炼油催化应用科学的奠基人、石油化工技术自主创新的先行者、绿色化学的开拓者。2006年获国家技术发明奖一等奖,2008年获国家最高科学技术奖,被评为感动中国2007年度人物。

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闵恩泽,毕生都在为石油炼制催化剂制造技术拼搏。面对国外技术封锁,他成功研发小球硅铝裂化催化剂、微球硅铝裂化催化剂等满足国防和炼厂建设急需;领导了钼镍磷加氢催化剂、半合成裂化催化剂等的研制、开发和应用,帮助石化企业从低谷中崛起,实现盈利;而后进军绿色化学领域,取得重大经济效益和社会效益。

小小催化剂,解决炼油工业大问题

1955年,心系国家的闵恩泽几经周折回到阔别已久的祖国怀抱。回国后,他被安排到北京石油设计局工艺室研究组工作,随后参与组建北京石油炼制研究所(现石油化工科学研究院的前身),由此专心致志地走上了催化剂研发之路,使中国的催化剂技术实现了从无到有的飞跃。

1959年,由苏联援建的兰州炼油厂投产,这是我国第一座大型炼油厂。核心设备是一套使用小球硅铝裂化催化剂的移动床催化裂化装置,这种装置要用苏联进口的直径3~5毫米的小球硅铝裂化催化剂。由于催化剂被誉为炼油工艺中的“芯片”,因而多年来美、苏的催化剂生产技术对中国高度保密。如果不能及时提供催化剂,装置就要停产,不能生产航空汽油,飞机就不能升空。1960年,石油工业部决定开发我国自己的催化剂生产技术。

在小球硅铝催化剂技术开发过程中,困难重重,攻克了一系列的技术难关。在研发过程中,发现硅铝胶球的完整率只有40%~50%。闵恩泽认为,破碎是因为干燥温度、湿度没有控制好,于是他重新设计建造控制温度、湿度的干燥箱。但问题仍然没有得到解决,闵恩泽感到了巨大的压力,他反复阅读矛盾论,矛盾论指出:内因在事物发展中的作用是第一位的,外因在事物发展中的作用是第二位的。硅铝湿胶干燥收缩时在毛细管中引起的压力应该是其破碎的内因,而干燥条件是外因。因此应该治本,采用添加表面活性剂减少毛细管中的压力。经过多次实验,他们终于找到一种叫“平平加”的表面活性剂,使用后大大提高了小球完整率,并超过了国外同类催化剂小球的完整率。兰州小球硅铝裂化催化剂厂试运转期间,整个试生产过程并不顺利。第一次试运转时,60米长的带式干燥器发生了掉带事故,闵恩泽急忙赶到干燥箱旁,顶着水蒸气,打着手电筒与工人们一起钻进干燥箱查找分析事故产生的原因,经过重新设计自动调带装置,使干燥箱投入正常运转。其间,还出现焙烧炉进料料头倾斜、阻塞进气口、湿处理槽底胶球未洗净等问题,但都被闵恩泽与同事们一一研究解决。1964年,一座2400吨/年的小球硅铝裂化催化剂厂投产,完整率、抗磨损性能等多项指标都优于进口催化剂,价格仅为进口催化剂的一半。

而这期间,病魔悄悄袭向沉浸在成功喜悦中的闵恩泽,在体检中发现他已患上肺癌,切除了两片肺叶和一根肋骨。

1961年,闵恩泽又接受了一项新任务——制备微球催化剂。喷嘴结构是微球硅铝裂化催化剂成型的关键设备,这是主要矛盾。于是,闵恩泽决定打破常规,提前建设中型喷雾干燥器来研究喷嘴结构。经过一年多的研究,喷嘴结构才确定了下来,它由喷嘴外壳、喷嘴片、旋转体等组成。虽然在中型喷雾干燥器中确定了喷嘴结构,但是工业喷雾干燥器的喷雾量是中型试验装置的45倍以上,如何确定工业喷嘴结构和尺寸又成了一个新难题。由于没有大量的硅铝胶来进行试验,闵恩泽就选用了熔化的石蜡进行试验,确定了工业用喷嘴的结构和尺寸。但这时又出现了另一个难题:工业喷雾干燥器中,要安排8个大型喷嘴才能达到生产能力。一般喷雾干燥器的喷嘴均是向下喷射物料,这样几个喷嘴物料小粒就要相互碰撞,黏结在一起,粒度分布将达不到规格要求。闵恩泽苦苦思索如何解决这个问题,后来他领悟到,喷嘴不是向下喷,而是水平方向以90°向外喷,再把另外4个喷嘴放在下一层,错开角度,这样就解决了这一难题。闵恩泽给这种喷嘴装置的安排起了个很甜的名字:串糖葫芦。他们成功开发这种专用喷嘴意味着成功攻克了微球催化剂粒度分布和强度的难题,这种喷嘴装置一直沿用至今。

微球硅铝裂化催化剂从实验室研制开始到建成工厂仅用5年时间,比正常开发周期缩短了3~5年。在极端艰苦的条件下,闵恩泽为中国自主开发出建设我国250万吨/年炼油厂所需的微球硅铝裂化催化剂,突破了国外技术壁垒,为我国炼油催化剂制造技术奠定了基础。

不断创新催化应用,实现催化技术自主创新

20世纪70年代中期,中国石油炼制催化剂已经基本达到自给自足,但国外又已推出了新一代的石油炼制催化剂,我国又有了新的研究目标,那就是在我国十几年的催化剂研究经验基础上,结合国内已建工厂的现状,努力追上并赶超国外先进水平。

20世纪80年代初期,我国石油化工催化剂面临与国外催化剂的激烈竞争。如何开展基础研究并研发具有优越性的新型催化剂是面临的挑战。闵恩泽负责筹建基础研究部,他做任何事情都喜欢先从调查研究做起,在广泛调研跨国石化公司的基础研究后,决定开展导向性基础研究,用新构思去开发新催化材料,走向了自主创新之路。闵恩泽力主科技原创,从应用基础研究做起,经过艰苦卓绝的努力,取得了一系列世界领先的技术成果。在新催化材料领域,指导开发成功ZRP分子筛、非晶态骨架镍、累托石层柱分子筛等新催化材料;在新反应工程领域,指导开发了悬浮催化蒸馏工艺,配套开发了磁稳定流化床反应器,为石油炼制和石油化工技术的创新提供了“新式武器”。非晶态骨架镍合金和磁稳定流化床,一个是新催化材料,一个是新反应工程,二者的集成,发明了一个崭新的工艺,形成新的技术平台。2006年,“非晶态骨架镍合金催化剂和磁稳定床反应工艺的创新与集成”获得国家技术发明奖一等奖。

由于闵恩泽的不懈努力,不但使我国石油化工技术形成了自主创新模式,炼油催化剂能满足自给,而且还走出国门,进入国际市场。

从源头治理污染,开拓绿色化学新领域

20世纪末,人们终于认识到仅仅限制废弃物的排放量和浓度不足以防止对环境造成的危害。环境保护要求从源头根治环境污染,这就促进了绿色化学的兴起。闵恩泽仔细研读了《寂静的春天》《增长的极限》《只有一个地球》这3本书,震惊之余,他敏锐地察觉到环境保护对人类的重要性。71岁高龄的闵恩泽就任中国科学院组织的“绿色化学与技术”咨询项目的组长,主持了“环境友好石油化工催化化学和化学反应工程”的研究,关注美国“总统绿色化学挑战奖”,了解绿色化学领域最高水平和最新成果,参与筹组了中国化学会绿色化学专业委员会,这些都是闵恩泽在有意识地将自己在石油化工催化方面的研究引向绿色化学之路。

从绿色化学理念出发,利用可再生资源作为原料,闵恩泽转向了生物柴油的研究。他带领科技人员,结合我国国情,认为可以选用劣质废弃油脂、木本油料树等为原料生产优质柴油。调查清楚国内的原料情况后,闵恩泽又组织大家对生物柴油的生产工艺进行了详细的调研,决定放弃酶催化酯交换工艺方法,要另辟蹊径开发超临界酯交换工艺。在超临界状态下生产生物柴油,具有不需要催化剂、反应时间短、不产生皂类、产物容易分离、产品精制简单等优点,但要克服油脂转化率不高、醇油比高、压力和温度高的困难。闵恩泽指导成立了生物柴油专题研究组,专门攻克上述难题。闵恩泽带领课题组从导向性研究入手,在大量研究基础上,发明了诱导技术,降低了反应压力与温度,使工艺过程降低了投资和操作费用。采用诱导技术大大缓和了国际上报道的超临界工艺的压力和温度,进入到亚临界的领域,形成了亚临界甲醇醇解的生物柴油生产工艺,这项工艺被命名为SRCA工艺。2007年,SRCA工艺中试成果顺利通过技术鉴定,中试实验结果证实了SRCA工艺对原材料要求低、减少废渣和废水的排放等优点,有突出的技术先进性。

随后,在海南建设的生物柴油示范装置就采用了SRCA工艺,顺利生产出了合格的生物柴油。但由于国内生物柴油生产的主要原料是各种高酸值的劣质原料油,原料来源复杂,组成不确定,有时来的原料其游离脂肪酸大大超过了SRCA工艺规定的指标。为了降低产品酸值,闵恩泽与大家多次讨论,决定开发新工艺来代替十分复杂的固体酸工艺,闵恩泽称之为SRCA-Ⅱ工艺。

闵恩泽开发生物柴油的生产技术,高瞻远瞩,使我国拥有了可与国际水平媲美的生产生物柴油的先进技术,同时还在不断改进创新。

50多年中,创新始终是闵恩泽科研工作的主线。不断地追求创新使他为中国石油化工工业做出了巨大贡献,在科研中发挥了重要作用。

      (撰稿:邢明雪)

参考文献


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