炔醛法生產(chǎn)1,4-丁二醇影響一段加氫催化劑單耗的原因及調(diào)整措施

段洪飛

(河南開祥精細化工有限公司 , 河南 義馬 472300)

1,4-丁二醇(BDO)是一種重要的有機化工原料,被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、化工、紡織、造紙、汽車和日用化工等領(lǐng)域。其下游可以生產(chǎn)四氫呋喃(THF)、聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、γ-丁內(nèi)脂(GBL)和聚氨酯樹脂(PU Resin)、涂料和增塑劑等,以及作為溶劑和電鍍行業(yè)的增亮劑等。

炔醛法三維工藝生產(chǎn)1,4-丁二醇中加氫反應(yīng)分為兩段加氫:一段為低壓加氫反應(yīng),BYD濃度35%左右,反應(yīng)壓力控制在1.8～2.4 MPa;二段為高壓加氫反應(yīng),反應(yīng)壓力控制在17～20 MPa。一段加氫反應(yīng)后的物料作為二段加氫反應(yīng)的進料,所以一段低壓加氫反應(yīng)非常重要,其反應(yīng)結(jié)果直接影響產(chǎn)品BDO的質(zhì)量及產(chǎn)量。一段低壓加氫反應(yīng)采用淤漿床反應(yīng)方式,需定期添加新催化劑,確保反應(yīng)物料中乙縮醛含量<0.25%、重組分含量<1%、羰基值<15 mg(KOH)/g。所使用的是鎳系催化劑,鎳含量在95%以上,價格較高。目前低壓加氫反應(yīng)催化劑單耗在0.19～0.25 g/(kgBDO)。為了節(jié)約生產(chǎn)成本降低催化劑的用量,通過長期對裝置的運行方式及反應(yīng)物料中副反應(yīng)物含量的分析,最終制定一系列的控制措施,實現(xiàn)了降低催化劑單耗的目的。

1 添加量及添加頻次控制措施

1.1 新催化劑的添加量及添加頻次影響

新催化劑的添加量,在設(shè)計時指定了一個相對較寬的控制范圍。在生產(chǎn)過程中,根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗結(jié)合設(shè)計值,確定一個相對比較固定的添加量及添加頻次,以確保反應(yīng)指標(biāo)穩(wěn)定。裝置實際運行時,一段加氫反應(yīng)受到前、后段工序或其他因素的影響,導(dǎo)致裝置運行負荷有高有低。在負荷發(fā)生變動時,新催化劑的添加量及添加頻次未及時進行優(yōu)化調(diào)整,造成催化劑單耗高。

1.2 優(yōu)化調(diào)整措施

通過對裝置的長期操作發(fā)現(xiàn),可以根據(jù)裝置運行的不同負荷及時調(diào)整新催化劑的添加量或改變新催化劑的添加頻次,實現(xiàn)降低催化劑單耗的目的。首先,可根據(jù)裝置在滿負荷運行時新催化劑的添加量,推算出催化劑的單耗。其次,在不同的運行負荷下,可根據(jù)滿負荷時催化劑的單耗,推算出目前運行負荷下新催化劑的添加量。最后,若新催化劑的添加量不便調(diào)整時,可調(diào)整新催化劑的添加頻次達到調(diào)整新催化劑用量的目的。通過以上優(yōu)化調(diào)整,可控制在不同負荷下,催化劑的單耗始終保持在滿負荷的狀態(tài)下,即可確保反應(yīng)指標(biāo)正常,同時降低了催化劑的用量。

1.3 實驗數(shù)據(jù)對比

模擬生產(chǎn)裝置縮小制作兩套相同的低壓加氫反應(yīng)實驗裝置A/B。使用生產(chǎn)裝置的BYD溶液進入進料緩沖罐,與催化劑混合后經(jīng)過進料泵送入反應(yīng)器,從生產(chǎn)裝置引入氫氣進行反應(yīng),反應(yīng)后的物料采出至生產(chǎn)裝置,在出口管線上設(shè)置取樣點便于取樣。實驗如果見表1。

通過3次實驗,驗證了優(yōu)化調(diào)整措施的可行性。第2次實驗在負荷降低時,及時調(diào)整添加催化劑的用量,控制催化劑的單耗,節(jié)約了催化劑的用量。第3次實驗在負荷更低時,及時調(diào)整催化劑的添加頻次,控制催化劑的單耗,節(jié)約了催化劑的用量。在確保反應(yīng)指標(biāo)的前提下,下一步研究的重點是繼續(xù)降低催化劑的單耗。

2 催化劑回收利用量優(yōu)化措施

2.1 催化劑回收系統(tǒng)流程

一段加氫反應(yīng)使用的催化劑是含量為95%以上的金屬鎳粉,催化劑與物料充分混合后,在一段加氫反應(yīng)器內(nèi)完成反應(yīng),進入沉降槽進行第一級分離。大量的催化劑沉降于沉降槽的底部,為了防止催化劑堆積,設(shè)置有連續(xù)運行的攪拌耙齒。沉降槽底部催化劑含量較高的物料,經(jīng)催化劑回收泵送入反應(yīng)器重新進行回收利用。沉降槽頂部清液溢流至收集罐中,經(jīng)離心泵送入電磁過濾器進行二級分離。電磁過濾器通過帶磁、消磁將催化劑進一步進行過濾,并將過濾掉的催化劑回收至沉降槽。進入圓盤過濾器進行第三級分離,稍大顆粒的催化劑被過濾在濾盤上,通過甩盤與預(yù)涂劑一同排出。最后進入袋式過濾器進行第四級分離,對>1 μm的催化劑顆粒攔截于濾袋中。通過流程可以看出,第三級與第四級過濾的催化劑越多,造成催化劑的損失就越大。針對第三級、第四級過濾已經(jīng)無有效的調(diào)整手段,只能通過對第一級、第二級過濾進行優(yōu)化調(diào)整,從而實現(xiàn)降低催化劑用量的目的。

2.2 提高催化劑循環(huán)利用率及回收量的優(yōu)化調(diào)整措施

首先,第一級過濾是采用自然沉淀的方式進行的,通過重力可將大量的催化劑沉降在沉降槽底部。在設(shè)計時,為了防止催化劑的大量聚集,設(shè)置連續(xù)運轉(zhuǎn)的攪拌耙齒,且耙齒高度是可以調(diào)節(jié)的。深入研究發(fā)現(xiàn),沉降槽底部聚集的催化劑越多,催化劑的循環(huán)利用率就會越低,不利于降低裝置催化劑的用量?？赏ㄟ^降低攪拌耙齒提高催化劑的循環(huán)利用率,提高催化劑的回收量。為了提高催化劑的回收量以及循環(huán)使用率,經(jīng)過反復(fù)測試,將攪拌耙齒緩慢地降至最低位置,可以把原先聚集在沉降槽底部的催化劑量重新進行回收利用,提高了催化劑的循環(huán)利用率,降低了催化劑的使用單耗。

其次,第二級過濾是電磁過濾器,采用帶磁、消磁的方式再次回收一部分催化劑。電磁過濾器帶電后,內(nèi)部安裝的剛毛帶磁,對催化劑進行吸附。運行單位時間后,電磁過濾器失電消磁,再通過反沖洗液將剛毛吸附的催化劑送入沉降槽循環(huán)使用。電磁過濾器運行狀態(tài),主要存在以下問題:①控制程序設(shè)計存在不合理。一組共4臺電磁過濾器,在運行時,有時3臺同時過濾,有時4臺同時過濾,導(dǎo)致進入第三級圓盤過濾器時的物料量波動很大,在濾盤的表面形成脈沖,反復(fù)擠壓濾盤上的預(yù)涂劑,致使濾盤壓差上漲較快。為了維持裝置的生產(chǎn)負荷,需及時對濾盤進行清洗。清洗的次數(shù)越多,催化劑的損失就越大。通過對電磁過濾器的運行程序進行微調(diào),使其始終保持3臺處于過濾的狀態(tài),1臺處于再生的狀態(tài),很好地穩(wěn)定了出口物料的流量,降低了圓盤過濾器濾盤的清洗頻次。②電磁過濾器內(nèi)部剛毛使用時間過長后,導(dǎo)致剛毛內(nèi)部板結(jié)的催化劑較多,影響物料流通的同時降低了過濾效果,大量的催化劑無法吸附在剛毛上,隨著物料進入第三級過濾,最后被排出裝置,降低了催化劑的回收量。經(jīng)過多次測試后,確定較為經(jīng)濟的使用周期并及時進行更換,以提高過濾效果,增加催化劑的回收量。③反沖洗液為電磁過濾器的進口物料,其催化劑含量較高。延長電磁過濾器的反沖時間或增加反沖洗量,都不能將剛毛內(nèi)的催化劑全部回收至沉降槽,降低了電磁過濾器的有效吸附容積,易造成催化劑進入第三級過濾,導(dǎo)致催化劑的損失。電磁過濾器出口物料中催化劑的含量與進口相比,其催化劑含量較低。將反沖洗液改為電磁過濾器出口物料,可有效地提高其吸附容積,降低催化劑進入第三級過濾概率,減少催化劑損失的同時,提高了催化劑的回收量。

3 優(yōu)化調(diào)整

3.1 裝置運行負荷的優(yōu)化調(diào)整

一段低壓加氫反應(yīng)為放熱反應(yīng),需要使用循環(huán)水進行冷卻降溫。一年當(dāng)中,夏季氣溫較高,若反應(yīng)器仍保持高負荷運行,為了避免出現(xiàn)指標(biāo)的異常,副反應(yīng)增多,一般可通過增加催化劑的添加量進行控制,造成催化劑的單耗增高。通過對裝置全年的運行情況綜合分析,總結(jié)了裝置夏季運行的優(yōu)化調(diào)整措施。在制定全年運行計劃時,可適當(dāng)降低裝置夏季時的運行負荷,從而達到避免增加催化劑的用量。同時降低生產(chǎn)裝置的運行負荷,對動設(shè)備長周期穩(wěn)定運行也十分有利。春、秋、冬季時盡量提高裝置的運行負荷,可彌補夏季所降的負荷。

3.2 相關(guān)助劑添加的優(yōu)化調(diào)整

為了加速催化劑的沉淀,在生產(chǎn)中會加入定量的絮凝劑。由于高溫或高負荷情況下絮凝劑提高催化劑沉淀速度的效果降低,可根據(jù)實際生產(chǎn)適量提高絮凝劑的添加量,但需要通過緩慢調(diào)試,逐漸提升,若使用不當(dāng)會導(dǎo)致過濾系統(tǒng)波動,得不償失。為了保護催化劑中鉬的流失,需定期加入七鉬酸銨。在高溫或高負荷的情況下可以適量增加添加量,提高催化劑活性,穩(wěn)定反應(yīng)指標(biāo)。

4 結(jié)論

通過對炔醛法三維工藝生產(chǎn)1,4-丁二醇中一段為低壓加氫反應(yīng)造成催化劑單耗高的原因進行分析,并結(jié)合實際生產(chǎn),制定了有效的優(yōu)化控制措施,達到了降低催化單耗的目的。研究發(fā)現(xiàn),影響催化劑單耗的主要原因是催化劑過濾系統(tǒng),對目前在用的設(shè)備進行改造,降低催化劑單耗還有很大的空間,需要繼續(xù)探索與實踐。