工業(yè)級(jí)4-十二烷基嗎啉加氫催化反應(yīng)工藝的降本增效研究

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(青海鹽湖工業(yè)股份有限公司,青海 格爾木 816000)

青海鹽湖工業(yè)股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱“公司”)具備2 500 t/a工業(yè)級(jí)4-十二烷基嗎啉產(chǎn)能,單端口供給服務(wù)于公司百萬(wàn)t鉀肥裝置,產(chǎn)品未投入市場(chǎng)。此合成工藝以十二醇和嗎啉為主原料,在銅鎳負(fù)載催化劑作用下,臨氫連續(xù)低壓合成4-十二烷基嗎啉。該反應(yīng)系統(tǒng)中,主原料配比合理的前提下,銅鎳負(fù)載型催化劑添加控制、氫氣均勻分散及充分反應(yīng)成效是關(guān)鍵。

1 國(guó)外和鹽湖自產(chǎn)工業(yè)級(jí)4-十二烷基嗎啉技術(shù)參數(shù)對(duì)比

隨著國(guó)內(nèi)外鉀肥項(xiàng)目逐年擴(kuò)能增產(chǎn),氯化鉀下游產(chǎn)業(yè)鏈增速延伸,客戶對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量提出了更高要求,工業(yè)級(jí)4-十二烷基嗎啉市場(chǎng)需求不斷攀升,產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)雙標(biāo)是形勢(shì)所趨,以滿足國(guó)內(nèi)國(guó)際雙需求,未來(lái)市場(chǎng)空間可觀。工業(yè)級(jí)4-十二烷基嗎啉生產(chǎn)工藝相對(duì)成熟,但對(duì)該工藝的系統(tǒng)性深入研究少。因而,參照國(guó)外產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)(見(jiàn)表1),對(duì)比尋求差距,進(jìn)一步改造降本優(yōu)化品質(zhì)。

表1 國(guó)外和鹽湖自產(chǎn)工業(yè)級(jí)4-十二烷基嗎啉技術(shù)參數(shù)對(duì)比明細(xì)表Tab.1 Comparison of technical parameters of foreign and salt lake self-produced industrial-grade 4-dodecylmorpholine

2 4-十二烷基嗎啉加氫催化反應(yīng)工藝概述

工業(yè)級(jí)4-十二烷基嗎啉生產(chǎn)工藝基于加氫催化反應(yīng),通過(guò)反應(yīng)釜內(nèi)三組三葉推進(jìn)式攪拌槳高速攪拌(見(jiàn)圖1),使氫氣、催化劑、物料充分混合,從而達(dá)到快速反應(yīng)的效果。

圖1 改造前反應(yīng)釜內(nèi)示意圖Fig.1 Schematic in the reactor before renovation

加氫催化反應(yīng)在高溫低壓反應(yīng)條件下進(jìn)行,釜一般結(jié)構(gòu)為釜體底部帶氣體分布器,氫氣通過(guò)釜底分布器自下而上與物料充分混合;此加氫催化反應(yīng)應(yīng)用的是銅鎳負(fù)載催化劑,原設(shè)計(jì)工藝中催化劑通過(guò)釜頂加料口人工添加,氫氣的作用是激活催化劑活性,與十二醇、嗎啉產(chǎn)生活潑的過(guò)度中間載體,因此系統(tǒng)反應(yīng)生成過(guò)程中,氣液分散與催化劑懸浮問(wèn)題是液相催化劑加氫中的核心問(wèn)題,反應(yīng)速率受氣液傳質(zhì)控制,氣液傳質(zhì)主要依靠氣體分散、氣體循環(huán)及銅鎳負(fù)載催化劑懸浮等過(guò)程,是影響產(chǎn)品品質(zhì)、反應(yīng)效率、物料平衡的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3 存在的問(wèn)題

工藝系統(tǒng)中主原料配比一定的前提下,工業(yè)級(jí)4-十二烷基嗎啉生產(chǎn)工藝中,催化劑懸浮作用不佳、氫氣分散差、氣液傳質(zhì)無(wú)法控制、氣體循環(huán)利用率低造成原料成本偏高的主要原因分析如下:

(1)氫氣通過(guò)工藝管線,輸送至反應(yīng)釜底部氣體分布器釋放反應(yīng),工藝控制中極少量氫氣參與化學(xué)反應(yīng),絕大部分氫氣通過(guò)排空管外排,造成大部分氫氣未充分利用,勢(shì)必造成氫氣浪費(fèi)。氣體分布器釋放氣泡不均勻,大氣泡局部快速上升,反應(yīng)液表面形成氣泡附著催化劑的膜層,無(wú)法快速破裂,氫氣與催化劑細(xì)粉有效接觸受阻,催化劑利用率低。

(2)催化劑添加方式憑借老經(jīng)驗(yàn)采用人工整袋倒入反應(yīng)釜,重金屬細(xì)粉對(duì)環(huán)境、人體危害性大。由于進(jìn)入釜內(nèi)原料的反應(yīng)組分時(shí)刻發(fā)生變化,催化劑擴(kuò)散及沉降速度快,會(huì)導(dǎo)致催化劑添加比例失調(diào);催化劑添加不足,造成其作用不均,影響鈉浮選藥劑活化效率;催化劑添加過(guò)量,勢(shì)必造成浪費(fèi),也不利于鈉浮選藥劑中催化劑沉降分離。

(3)工業(yè)級(jí)4-十二烷基嗎啉生產(chǎn)工藝,反應(yīng)釜內(nèi)采用三組三葉推進(jìn)式攪拌槳,雖能加快反應(yīng)效率,但實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中存在諸多缺陷。三葉推進(jìn)式攪拌槳無(wú)法形成均勻微小的小氣泡分布擴(kuò)散,氫氣在液相的停留周期短。攪拌槳僅分散反應(yīng)釜底部分布器產(chǎn)生的氫氣,無(wú)法實(shí)現(xiàn)成倍提高氣液反應(yīng)速率。無(wú)法做到再利用,循環(huán)形成均勻的氣液混合。

4 改造方案

(1)通過(guò)選用造粒成形的催化劑替代粉末催化劑,利用一種顆粒狀反應(yīng)物料添加裝置裝填造粒成形的催化劑,該顆粒狀反應(yīng)物料添加裝置包括筒體和隔板。隔板設(shè)置在筒體內(nèi),將筒體隔離成上下兩部分,即上筒體部和下筒體部。上筒體部中空,下筒體部用于盛放待添加的顆粒狀反應(yīng)物料,且下筒體部設(shè)置有用于顆粒狀反應(yīng)物料從下筒體部中擴(kuò)散出來(lái)的微孔。

(2)原設(shè)計(jì)反應(yīng)釜內(nèi),攪拌采用三組三葉推進(jìn)式攪拌槳,雖能提升反應(yīng)效率,但局限性在于無(wú)法實(shí)現(xiàn)氫氣循環(huán)利用,無(wú)法形成均勻微小的氣泡分布擴(kuò)散,氫氣在液相中停留時(shí)間短。將反應(yīng)釜內(nèi)三組三葉推進(jìn)式攪拌槳通過(guò)改變攪拌性能,達(dá)到氣、液、固三項(xiàng)充分接觸,強(qiáng)化氣液傳質(zhì)過(guò)程,提高反應(yīng)速率,達(dá)到降低氫氣、催化劑消耗的目的。改造方案保留原有的底部三葉推進(jìn)式攪拌槳,十二烷基嗎啉生產(chǎn)中應(yīng)用的銅鎳負(fù)載催化劑比重大,催化劑一般快速沉降在設(shè)備底部,下層的三葉推進(jìn)式攪拌槳作用是將沉降的催化劑從封頭底部攪起,使其順著封頭內(nèi)側(cè)向上沿著反應(yīng)釜體進(jìn)行循環(huán),具有分散進(jìn)氣和懸浮催化劑的雙功能;將中部的三葉推進(jìn)式攪拌槳改造為圓盤式渦輪自吸槳,實(shí)心軸優(yōu)化為空心軸,圓盤渦輪與整體攪拌空心軸連接,圓盤外緣加裝打碎氣泡的擋片,利用高速旋轉(zhuǎn)自吸式攪拌槳形成的負(fù)壓原理,吸入反應(yīng)釜頂部富余氫氣至反應(yīng)釜液相,實(shí)現(xiàn)氫氣再利用,擋片可控制氣泡大小,實(shí)現(xiàn)微小氣泡均勻分布擴(kuò)散;將頂部的三葉推進(jìn)式攪拌槳改造為六斜葉圓盤式渦輪攪拌槳,提升剪切力,強(qiáng)化分散能力,使液體、氣體、固體介質(zhì)強(qiáng)迫對(duì)流實(shí)現(xiàn)均勻混合,強(qiáng)迫形成上下兩股環(huán)流,提升氫氣在液相的停留時(shí)間。見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 改造后反應(yīng)釜內(nèi)示意圖Fig.2 Schematic in the reactor after renovation

圖3 相關(guān)附件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of relevant attachments

5 可行性分析

(1)在主物料配比合理的前提下,通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)論證,選用造粒成形的催化劑,并利用一種顆粒狀反應(yīng)物料添加裝置裝填后投入反應(yīng)釜,真空設(shè)計(jì)支撐其浮于反應(yīng)釜液表,反應(yīng)釜攪拌器高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力,使其在液相表面受力旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散。改造方案可解決人工添加催化劑的操作弊端,催化劑快速擴(kuò)散及沉降,催化劑添加不足及過(guò)量,催化劑重復(fù)利用,結(jié)蠟堵塞管道、閥門、機(jī)泵等諸多問(wèn)題,同時(shí)有利于催化劑添加工藝控制和計(jì)量管理。

(2)多功能復(fù)合攪拌應(yīng)用于加氫催化反應(yīng)技術(shù)相對(duì)成熟,應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛。改造方案中多功能復(fù)合攪拌槳是根據(jù)反應(yīng)需要、性能優(yōu)勢(shì)將三種攪拌器組合形成,針對(duì)性地獲得最佳攪拌效果。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室小試,已論證可行,為獲取最優(yōu)匹配參數(shù),后期需進(jìn)一步對(duì)槳葉大小、攪拌轉(zhuǎn)速、電機(jī)配置、渦輪大小、傾斜角度、擋片大小等進(jìn)行分析研究和參數(shù)設(shè)計(jì)。方案可解決催化劑懸浮、氫氣分布擴(kuò)散等問(wèn)題,并可實(shí)現(xiàn)氫氣循環(huán)利用、成倍提高氣液反應(yīng)速率、提升產(chǎn)品品質(zhì)、節(jié)能降耗等。

綜合上述改造,對(duì)后期工業(yè)級(jí)4-十二烷基嗎啉生產(chǎn)工藝提升自動(dòng)化控制、產(chǎn)品品質(zhì)優(yōu)化、工藝參數(shù)設(shè)定、挖潛降耗有參考性和指導(dǎo)性意義。

6 經(jīng)濟(jì)性分析

(1)氫氣的再利用,相比以往生產(chǎn)模式可節(jié)省15%的氫氣消耗,按照工業(yè)級(jí)4-十二烷基嗎啉產(chǎn)能2 500 t/a計(jì)算,消耗氫氣22 000 m3/a(包含管道、釜內(nèi)置換消耗、瓶裝氫氣),可節(jié)省氫氣消耗3 300 m3,界區(qū)氫氣價(jià)格12元/m3,初步計(jì)算每年可節(jié)省氫氣費(fèi)用39 600元。

(2)催化劑重復(fù)利用,相比以往生產(chǎn)模式可節(jié)省8%的催化劑消耗,按照工業(yè)級(jí)4-十二烷基嗎啉產(chǎn)能2 500 t/a粗略計(jì)算,消耗催化劑24 t/a,可節(jié)省催化劑消耗1.92 t,外購(gòu)催化劑價(jià)格150 000元/t,初步計(jì)算每年可節(jié)省催化劑費(fèi)用288 000元。

合計(jì)每年產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益327 600元,后期經(jīng)精細(xì)化管理、有效控制、探索優(yōu)化可進(jìn)一步降本增效。

7 結(jié)論

化工領(lǐng)域諸多反應(yīng)環(huán)節(jié)、反應(yīng)細(xì)節(jié)無(wú)法有效管控,工藝創(chuàng)新和改造難度大,需長(zhǎng)期摸索研究、經(jīng)驗(yàn)積累、經(jīng)驗(yàn)沉淀,考慮諸多不確定因素,制定最優(yōu)創(chuàng)新方案,做好可行性分析,完成技術(shù)論證,方可實(shí)施并應(yīng)用于實(shí)踐。鼓勵(lì)大膽創(chuàng)新,勇于新技術(shù)應(yīng)用,對(duì)鹽湖產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)代化體系推進(jìn)、高質(zhì)量發(fā)展意義重大。