8万吨/年丙烯酸装置氧化反应操作要点浅析

2022-09-10

某公司8万吨/年丙烯酸装置采用先进可靠的丙烯气相两步氧化法技术, 反应在列管式固定床反应器中进行, 列管中充填催化剂 (日本化药公司生产) , 反应物料以气相通过催化剂床层, 在催化剂表面进行氧化反应, 第一步丙烯在Mo-Bi催化剂作用下氧化生成丙烯醛;第二步丙烯醛在Mo-V催化剂作用下氧化生成丙烯酸。该装置的反应条件苛刻, 联锁控制点多, 可调范围小, 调节阀动作速度缓慢, 这在实际操作过程中, 调节不好极容易引起联锁停车。

本文综合考虑装置的特点及难点, 对影响日化药公司催化剂反应的主要参数进行分析, 优化工艺操作, 提高丙烯转化率和丙烯酸收率, 创造更好的经济效益[1]。

1 空速

单位时间内通过催化剂床层的反应物料量称空速, 空速的大小直接影响反应和转化率, 由原料特性与处理量大小及催化剂的性质来决定。

空速较小时一方面反应气体在反应器中流速较慢, 停留时间长, 有利于氧化反应的进行, 反应物料转化率提高;另一方面氧化程度必然加深, 随之副反应也会加剧, 造成选择率下降;空速较大时气体的停留时间短, 系统处理能力增大, 但空速的增加是受到设备设计负荷限制的, 选择合适的空速是保证氧化反应顺利进行的必要条件[2]。

空速的大小可以由进料物流量来调节, 本文分别在空速95hr-1和114 hr-1条件下改变反应温度, 得出丙烯转化率, 其对应关系见图1。

由图1可以看出:在同一温度下, 空速95 hr-1条件下丙烯转化率明显高于空速114 hr-1条件, 所以对于日化药催化剂而言, 通过试验确定出丙烯氧化制丙烯醛最佳反应空速为95hr-1, 丙烯醛氧化制丙烯酸最佳反应空速为96.5 hr-1。

2 温度

丙烯氧化反应是强放热反应, 反应温度过低催化剂将不能达到最佳催化状态, 从而降低反应速率影响产量;反应温度过高, 反应速率较快, 在反应中放出大量的热使物料反应温度上升, 加快反应速率放出更多热量, 使反应温度持续上升, 如果不能及时移出反应热将会使反应失去控制造成飞温烧毁催化剂, 同时还会造成催化剂主要成分钼的流失, 降低催化剂的活性, 影响丙烯酸的转化率, 降低催化剂的寿命[3]。

2.1 盐浴温度

盐浴温度即控制反应温度, 日常生产中需要主要通过反应器壳程中的熔盐循环冷却及时移出反应热, 由循环量控制盐浴温度在设定范围内。在同一工况下, 通过改变盐浴温度, 得出丙烯转化率与丙烯酸收率变化如图2、表1所示。

可以看出, 盐浴温度过高时转化率虽然很大, 但丙烯酸收率下降, 因为副反应大量增加, 所以盐浴温度应该控制在合理范围内。

2.2 热点温度

热点温度为催化剂床层温度, 是氧化反应良好与否的直观反映, 日常生产中一定要保证PT1>PT2, 目的是确保反应在催化剂上层进行, 防止反应不完全。生产中常常发生热点温度“倒挂”现象, 即PT1PT2后, 丙烯转化率也随之升高。生产中发现, 对于不同负荷都控制PT1>PT2, 就可确保丙烯转化率在98%以上、丙烯酸收率85%以上。

2.3 催化焚烧反应器温度

催化焚烧反应是对氧化产生的废气进行处理, 其温度高说明有机物浓度高, 则氧化反应不完全, 未反应的残留丙烯多或反应产生的副产物多, 会影响到丙烯酸收率, 其对应关系见表2。

日常生产中, 若工况发生异常, 等待化验室分析结果需要周期较长, 所以及时根据催化焚烧温度变化调节盐浴温度是生产过程中较直接的方法。

3 压力

压力高会增加丙烯与氧气爆炸区域上限, 从而对反应物料浓度及提升负荷操作有一定影响;同时压力过高还会对催化剂造成损伤, 使催化剂粉化。另外随着装置的运行, 催化剂床层自身压差不断升高, 引起供反应器空气量不足, 进而影响丙烯转化率和丙烯酸收率低 (见表3) , 为保证供反应空气量, 装置被迫降低负荷才能正常运行, 因此综合空气压缩机限制条件, 确定入口压力控制在110 KPa以内。