石化技术自主创新之路的探寻

石化技术自主创新之路的探寻*闵恩泽(中国石油化工科学研究所,北京100083)文章编号：1005－6629(2009)01－0001－06中图分类号：G633.8文献标识码：B我们要建设创新型国家，今天我过来就是和大家一起来交流、探寻这条道路。做任何一件事情要有正确的思想方法和工作方法，我很欣赏英国哲学家培根说过的一句话：跛足而不迷路，胜过健步如飞而误入歧途的人。如果你思想方法和工作方法不对，即使发展很快，还是会误入歧途的。因此，首先要有正确的思想方法和工作方法去自主创新。那么，怎样找到正确的思想和工作方法呢？要温故而知新：回顾国内外石化技术发明的历史；总结规律，指导未来。我这次报告的内容包括四个方面：(1)自主创新的三条体会;(2)原始创新、集成创新的二个案例;(3)引进装置消化、吸收、再创新的二个案例;(4)自主创新的精神支柱。1自主创新的三条体会我跟大家讲一下自主创新的三条体会：技术进步S型曲线的启示，使我认识到原始创新必须有转移技术的科学知识基础；与画家一席谈之后，给我的启示是创新来自联想，联想源于博学广识和集体智慧；西游记主题歌，给我的启示主要是各尽所能的团队精神；不断战胜困难坚持到底的精神。1.1技术进步S型曲线的启示1991年J.F.Roth在《催化科学与技术》上发表了一篇文章《工业催化：寻求新一代的重大发明》，文中介绍了RichardFoster在“Innovation:theAttacker'sAdvantage（《创新：进攻者的优势》）”一书中提出的“S-型曲线的技术进步规律”：1.1.1技术进步S型曲线（连续式）1.1.2技术进步S型曲线（非连续式）——转移技术的科学知识基础所以，如果你要获得大量的原始创新，你必须有转移技术的科学知识基础。这里有一本书是2007年5月哈佛管理导师选书创新系列《第三代研发》，当时我看了这本书很诧异，它也引用RichardFoster的S-型曲线规律：我为什么要做重点介绍？就是想告诉大家S型曲线是一个规律，我们要利用S型曲线规律来创新。下面我给大家举一些例子，这些例子在日常生活中都能见到过，不过当时大家没从S型曲线这个观点来看待这些问题：＊本文根据2007年度国家最高科学技术奖获得者闵恩泽院士在华东师范大学清松化学学术系列讲座上的报告整理，未经本人审查所以大家要知道：知识的基础变了，这样才能带来重大的发明。下面是石油化工原始创新的一些案例：这里大家要记住一点，你如果要有原始创新，你必须有转移技术的科学知识基础。1.2与画家一席谈的启示我认识一个画家古月，问他画画怎么创新的？他就跟我说创新来自联想。大家都知道画家要进行写生，他在写生过程中对于某一局部是非常欣赏的，比如峨眉山险峻的奇峰、青城山青翠的树林、三峡奔腾的江流、都江堰的古老工程，他对这些进行联想，把那些他欣赏的画联系起来，形成新的画，这就成就了他的山水画的创新。所以他就对我讲：创新来自联想。后来他送给我一本画集，我看了之后得到了一些启示：“艺术的力量源于传情的深度”；山水画必须给人以美；要大量临摹古代、近代和现代画坛大家的作品，从中汲取精华，游历名山大川，师法自然，将独特感受融入到作品之中。下面介绍他画的一幅画：《来自远方的道路》，这幅画中有四川古老的铁索桥，这当然是四川的风景了，画中道路上最有意思的是行驶着现代的交通工具三轮汽车，表现了现在的技术发展，还很有意思的是路旁还有一群羊，我看了之后，觉得他每画一个景都有自己的想法，这幅画反映的是我们国家的时代变革。创新来自联想，我就开始去想，我们科学研究要联想什么？我的感悟是：①画家临摹古今中外的名画，我们就要博览古今中外的论文、专利、著作；②汲取精华；醒悟自己科研的起点是“详人之不详，补人之所缺，还要自主开拓创新”；③我们不是去“游历名山大川，师法自然”，而是到国家政府部门、技术市场、企业工厂、产品用户中去了解国家和市场需求；④设想开展什么研究课题：当前生产、销售以及规划、决策服务需要；为开发下一代新产品和新工艺需要；开发新兴技术，形成新兴产业需要。⑤安排好近、中、远的研究课题。开展科学研究、技术开发，创新来自联想，联想什么？我归纳了如下：①市场需要：近期；下一代技术；长远性、战略性、基础性。②创新构思的形成：科研开发中的经验；文献的启示；试验中的意外发现—异丁烷/丁烯烷基化、低压聚乙烯工艺；移植其他学科的知识—铂重整催化剂，从分析方法中Pt/活性炭的催化剂启示；已有知识的新应用—RHSS利用已有知识，加氢脱硫反应，到脱硫醇最易脱除；不同专业、学科的交叉；集体讨论；会议启发—南昌地质会议，广西中越边界发现累托石。③创新构思形成后开展的科学实验：科研中的发现与发明；攻克的技术难关。1.3西游记主题歌的启示西游记主题歌的启示是各显所能、组成团队、历经艰险、终攀高峰。歌词如下：你挑着担，我牵着马，迎来日出送走晚霞。踏平坎坷成大道，斗罢艰险又出发，又出发，一番番春秋冬夏，一场场酸甜苦辣。敢问路在何方，路在脚下。科学研究是一个艰难的过程，要经历很多失败，所以要有西游记主题歌的精神。2原始创新、集成创新的二个案例案例1：分子筛催化裂化催化剂现在我们讲分子筛催化裂化的样例：过去石油催化裂化都是在催化剂表面进行，后来发明分子筛达到晶内催化，它是转移了技术的科学知识，这种变化的意义是非常大的，C5+汽油的催化裂化性能提高了9.4，不需要的干气减少了1.8，所以发明结晶分子筛，转移了裂化催化剂的科学知识基础，就带来了跨越式技术进步，被誉为“60年代炼油工业的技术革命”。下面就给大家讲讲它是怎么想出来的？发明这项成果的C.P.Plank当时在美孚研究和发展公司工作，当时公司给他一个任务，要求改进硅铝裂化催化剂，来降低催化裂化气体和焦炭产率，如果把汽油增加1%，每年美孚石油公司年增加利润100万美元。那么他就开始联想了，他的一些联想都是从一些文献上受到启发的，最大的启发是：1953年H.Blanding发表的一篇论文：要改进催化裂化催化剂，要从减少积碳入手，刚反应0.01秒时，裂化活性为20分时的750倍，说明活性下降是由催化剂积炭造成的，所以减少积炭即可提高活性。受到文献的启发，C.P.Plank与E.J.Ronsinski认为：理想的催化剂应是一种活性中心可以控制的、孔径要比裂化分子稍大的中孔催化剂。他又看了F.H.Dickey和L.Pauling的论文中提出分子模板概念用于制备吸附剂，受到启发C.P.Plank利用分子模板制备新催化材料：分子筛、铝凝胶。在试验中C.P.Plank发现：当时的催化剂活性评价方法CAT-A法不适用，必须首先开发一个能清楚区分不同裂化催化剂选择性的方法；分子筛具有高活性和高选择性；然后又有做了很多实验，发现金属离子、铵离子交换可以提高催化剂性能。此时他的原始创新的构思在实验室得到证实，于是他们就申请了专利，后来他将制成的分子筛加入无定型硅铝，制成小球裂化催化剂，并在1962年移动床催化裂化装置上试用成功；由于当时大量采用流化装置，所以试制成功了微球分子筛裂化催化剂用于流化床催化裂化，由于该技术的采用，到1968年，美国石油炼制装置节约投资3亿美元，节省原油、多产汽油，每天增加100万美元收益。这里还有集体的智慧，首先就是在1956年下半年，E.J.Ronsinski参加了C.J.Plank研究小组的工作。他们经常讨论，互相启发，一致认为：理想的催化剂应是一种活性中心可以控制的、孔径要比裂化分子稍大的中孔；P.B.Weisz和V.J.Frilette提出从无定形硅铝的“表面催化”（SurfaceCatalysis）到分子筛的“晶内催化”(IntrocrystallineCatalysis)的概念。总结以上分子筛催化裂化剂发明过程是由于：①市场需求；②受文献启发；③科研中有原始创新；④原始创新推向工业化；⑤集体智慧。所以说：创新来自联想，联想源于博学广识和集体智慧。案例2：“非晶态合金催化剂和磁稳定床反应工艺的创新与集成”发明案例这是我们自己的技术，它获2005年国家技术发明一等奖，研发时间：1984-2005，历时20年。下面具体介绍一下这个技术的发明是如何源于联想的？1980年，MobilPrincetonCentralResearchLab.的主任P.B.Weisz来华访问，提出要开展新催化材料研究，新催化材料是制造发明新催化剂和新工艺的源泉。他跟我讲要研究新催化材料，什么是新催化材料，就相当于布料与时装的关系，好的布料要与好的时装相匹配，好的新催化材料就相当于好的催化剂。1984年，石科院成立基础研究室，当时非晶态合金作为新催化材料的一个领域已开展研究，非晶态合金作为磁性材料在电子等其他工业中已广泛应用，而在石油催化中应用只有一篇文章报道，它就是急冷法研制铁系非晶态合金在费托合成中活性（TOF）高。于是我们决定去选择一类新催化材料。受1976年美国组织科学院“固定无机物的催化化学”主题讨论会讨论的影响，我们认为应该分析催化材料的物质结构特点和对化学反应可能带来的影响：催化材料物质结构稳定的前提下，允许材料元素、组成变化的范围要求，应考虑催化材料的耐热、耐水蒸气、抗氧化性能，还涉及催化反应中的应用范围。当时选择非晶态合金符合新催化材料领域的要求，主要原因是：①非晶态合金表面缺欠多—形成的催化活性中心数目多；②表面原子配位不饱和—催化活性高；③所有金属和非金属均可形成非晶态合金，组成变化范围大，寻找新催化剂的范围广，成功机会多。我们开始做了如下工作：先介绍非晶态多孔骨架镍合金中的集成创新：RaneyNi是应用最广泛的加氢催化剂。1925年，美国科学家MurrayRaney发明雷尼镍催化剂，它是一种晶态、多孔、骨架镍，广泛用于医药、农药、化纤、基本有机原料等行业的有机合成加氢反应中。后来，非晶态镍催化剂在工业生产得到广泛应用，如己内酰胺精制、葡萄糖制山梨醇、合成药物中间体、合成橡胶抗老剂。接下来介绍关于磁稳定流化床开发。我是1970年去伊朗了解国外反应工程前沿时，才知道磁稳定流化床的优越性。科研开发的经验证明充分发挥催化材料的性能往往需要开发新反应工程，分子筛裂化催化剂从床层流化床（几分钟反应）到提升管反应器（几秒钟反应），非晶态合金具有良好低温加氢活性和磁性，所以后来我们开始配套开发磁稳定床。右图就是用磁稳定床代替搅拌釜，实现原始创新的过程：之后我们把磁流化床应用上了，这是一个原始创新，它的科学知识基础是完全和搅拌釜不一样的。有了这项研究之后，我们在石油科研中有很多发现：磁性很弱的时候，它是处于散粒状态，达到一定程度，就处于链式状态，有南极北极指向，所以这是一个最佳操作状态，根据最佳操作状态，控制温度压力等条件。有了这些发现，我们实现了在工业化过程中的创新：均匀磁场的磁稳定床的设计；建立了均匀磁场设计数学模型；创造了己内酰胺溶解氢加氢精制新工艺。2003年在世界上首次建成第一套磁稳定床一己内酰胺加氢精制装置：原来引进的磁搅拌釜的体积为20立方米，而现在这套装置的体积只有3.2立方米，催化剂单耗是原来的30%，更重要的是优级品产率提高了，当年创效1500万元。目前此装置已建了五套。从上述例子大家就可以看到我们联想了什么？以下确实是科研开发的经典启示：①市场需求；②科研开发经验的启示；③不同专业和学科的交叉；④非晶态合金催化剂制造中的发现与发明；⑤磁稳定流化床开发中的技术创新。所以创新源于博学广识。进行这项研究的基地有很多，如石油化工科学研究院、原东北工学院材料系、复旦大学化学系、中国石化巴陵分公司、中国石化石家庄化纤公司、中国石化工程建设公司等，所以创新源于集体智慧。3引进装置消化、吸收、再创新的二个案例下面介绍自主创新的第三个方面，关于引进装置消化、吸收、再创新的案例。单项技术的创新：钛硅分子筛环己酮氨肟化；苯法-甲苯法组合己内酰胺重排反应；磁稳定床加氢精制替代氧化精制工艺。成套技术的创新：巴陵石化苯法己内酰胺引进装置的成套绿色化改造；石家庄化纤甲苯法己内酰胺引进装置的成套绿色化改造。3.1.1己内酰胺国内己内酰胺引进技术的概况是：·巴陵石化分公