低汞觸媒在電石法聚氯乙烯生產(chǎn)中的應(yīng)用

徐柯，蘇維朵，韓鐵生，楊永峰

(陜西北元化工集團(tuán)股份有限公司，陜西 榆林 719319)

陜西北元化工集團(tuán)股份有限公司化工分公司(以下簡稱北元化工)擁有100萬t/a電石法PVC生產(chǎn)裝置，第1期為50萬t/a PVC裝置(A、B兩條生產(chǎn)線)，第2期亦為50萬t/a PVC裝置(C、D兩條生產(chǎn)線)。2010年，國內(nèi)采用高汞觸媒(氯化汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10%～12%)生產(chǎn)氯乙烯，觸媒平均單耗(指生產(chǎn)1 t PVC的消耗量，下同)1.2 kg，汞單耗平均97.52 g。北元化工響應(yīng)國家號(hào)召，2015年4月全面使用低汞觸媒(氯化汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)在4.0%～6.5%)，2018年低汞觸媒平均單耗為0.83 kg左右，汞單耗在38.8 g，提前實(shí)現(xiàn)了國家要求的2020年較2010年汞消耗降低50%的目標(biāo)。目前，北元化工第1期、第2期PVC裝置低汞觸媒使用情況良好，均滿負(fù)荷運(yùn)行，生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

1 低汞觸媒單耗

觸媒單耗是反映觸媒使用情況的最核心指標(biāo)，現(xiàn)對(duì)北元化工2015年4月至2018年10月觸媒單耗情況進(jìn)行總結(jié)分析[1]。2015年4月至2018年10月觸媒單耗數(shù)據(jù)見表1，觸媒單耗曲線見圖1。

從表1和圖1可以看出:①2015—2016年，觸媒單耗波動(dòng)大、消耗大;②2017年，觸媒單耗有了明顯下降，波動(dòng)也比較小；③2018年，觸媒單耗趨于平穩(wěn)，單耗基本維持在0.83 kg左右,較2015年剛開始使用時(shí)大幅度下降。整體來看，北元化工低汞觸媒的使用朝著好的方向發(fā)展，觸媒單耗趨于穩(wěn)定，客觀地反映出觸媒管理更加科學(xué)。

表1 低汞觸媒單耗數(shù)據(jù)

圖1 低汞觸媒單耗曲線

2 觸媒使用時(shí)間分布

觸媒使用時(shí)間分布反映了轉(zhuǎn)化器抽翻情況及觸媒使用情況，現(xiàn)對(duì)各觸媒使用時(shí)間段內(nèi)轉(zhuǎn)化器的分布情況進(jìn)行分析。

北元化工PVC產(chǎn)能100萬t/a，按每月PVC產(chǎn)量90 000 t，觸媒單耗0.83 kg，每臺(tái)轉(zhuǎn)化器裝填觸媒5 t計(jì)算，設(shè)每月須裝填新觸媒轉(zhuǎn)化器臺(tái)數(shù)為x，(x×5×1 000)/90 000=0.83，則x=15(臺(tái))。因此每條線每月須裝填新觸媒轉(zhuǎn)化器臺(tái)數(shù)3～4臺(tái)，后臺(tái)轉(zhuǎn)化器翻倒至前臺(tái)轉(zhuǎn)化器觸媒臺(tái)數(shù)3～4臺(tái)(每條生產(chǎn)線有34臺(tái)前臺(tái)轉(zhuǎn)化器、34臺(tái)后臺(tái)轉(zhuǎn)化器)。以觸媒單耗0.83 kg為例，每條生產(chǎn)線觸媒使用時(shí)間與轉(zhuǎn)化器臺(tái)數(shù)理論分布見表2,觸媒使用時(shí)間與轉(zhuǎn)化器臺(tái)數(shù)實(shí)際分布見圖2。

由表2及圖2可以看出：轉(zhuǎn)化器每條生產(chǎn)線每2月抽翻臺(tái)數(shù)均在8臺(tái)左右，實(shí)際整體分布與理論分布基本吻合，說明轉(zhuǎn)化器觸媒時(shí)間分布比較合理、規(guī)律。

從圖2還可以看出：觸媒使用時(shí)間在12 960 h以上的轉(zhuǎn)化器臺(tái)數(shù)每條線在3～4臺(tái)，均在1個(gè)月的抽翻計(jì)劃內(nèi)，由此可得目前北元化工低汞觸媒使用時(shí)間在12 960+720=13 680(h)左右，這與目前觸媒平均單耗0.83 kg的理論分布使用時(shí)間一致。進(jìn)而說明了目前觸媒管理、更換的科學(xué)性。

表2 觸媒使用時(shí)間與轉(zhuǎn)化器臺(tái)數(shù)理論對(duì)照

圖2 觸媒使用時(shí)間與轉(zhuǎn)化器臺(tái)數(shù)實(shí)際分布

Fig.2 Servic lives of catalysts versus pratical converter numbers

3 單臺(tái)轉(zhuǎn)化器乙炔含量

單臺(tái)轉(zhuǎn)化器乙炔含量能夠直觀地反映出目前觸媒的使用情況，以下對(duì)每條線單臺(tái)轉(zhuǎn)化器乙炔含量進(jìn)行分析。

由于前臺(tái)轉(zhuǎn)化器觸媒使用時(shí)間小于5 760 h，而后臺(tái)轉(zhuǎn)化器觸媒使用時(shí)間大于7 200 h的臺(tái)數(shù)較少，對(duì)比性不強(qiáng)，因此只對(duì)后臺(tái)轉(zhuǎn)化器0～7 200 h及前臺(tái)轉(zhuǎn)化器5 760～12 960 h各時(shí)間段轉(zhuǎn)化器乙炔含量平均值進(jìn)行對(duì)比(一般觸媒在后臺(tái)轉(zhuǎn)化器使用一半時(shí)間后倒翻至前臺(tái)轉(zhuǎn)化器再使用一半時(shí)間，只有后臺(tái)轉(zhuǎn)化器裝填新觸媒)。各觸媒使用時(shí)間段內(nèi)轉(zhuǎn)化器乙炔含量見表3，曲線見圖3。

圖3 各觸媒使用時(shí)間段內(nèi)轉(zhuǎn)化器乙炔含量曲線

Fig.3 Curve of acetylene content in converters at different catalyst service periods

由表3和圖3可以看出:每條生產(chǎn)線前后臺(tái)轉(zhuǎn)化器乙炔含量均在指標(biāo)范圍內(nèi)，乙炔含量隨時(shí)間的延長逐漸變高，這與觸媒使用規(guī)律(隨著觸媒使用時(shí)間的延長，乙炔含量高，待抽翻)基本吻合。后臺(tái)轉(zhuǎn)化器觸媒使用時(shí)間在5 760～7 200 h后，乙炔含量明顯上升(>2%)，待倒翻；前臺(tái)轉(zhuǎn)化器觸媒使用時(shí)間在11 520～12 960 h后，乙炔含量明顯上升(>20%)，待抽翻。目前，轉(zhuǎn)化后粗VCM含乙炔質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本在3%以內(nèi)，說明目前轉(zhuǎn)化系統(tǒng)運(yùn)行良好。

4 轉(zhuǎn)化后總管乙炔含量

轉(zhuǎn)化后總管乙炔含量是轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的重要指標(biāo)，反映了轉(zhuǎn)化系統(tǒng)整體運(yùn)行水平，直接反映觸媒使用情況，并可判斷觸媒目前單耗的合理性，進(jìn)而整體評(píng)估觸媒的抽翻情況。現(xiàn)對(duì)2018年9月4條生產(chǎn)線后總管乙炔含量進(jìn)行分析(每條生產(chǎn)線又分為一線和二線)，結(jié)果見圖4和表4。

由表4及圖4可得：每條生產(chǎn)線后總管乙炔質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本分布在2%以內(nèi)，均小于指標(biāo)(3%)。說明目前轉(zhuǎn)化系統(tǒng)整體運(yùn)行良好，未出現(xiàn)因降低觸媒單耗而犧牲轉(zhuǎn)化率的情況。

圖4 總管乙炔含量柱狀圖

Fig.4 Bar chart of acetylene content in main pipe

表4 總管乙炔含量數(shù)據(jù)Table 4 Data of acetylene content in main pipe %

5 原料氣總管壓力

原料氣總管壓力反映了轉(zhuǎn)化系統(tǒng)可承載負(fù)荷大小和轉(zhuǎn)化器反應(yīng)溫度情況，現(xiàn)對(duì)每條線在滿負(fù)荷情況下氯化氫總管壓力進(jìn)行對(duì)比分析(原料氣乙炔和氯化氫總管壓力是成比例的，因此這里只分析氯化氫總管壓力即可)。2018年9月各條生產(chǎn)線氯化氫總管壓力數(shù)據(jù)見表5、圖5。

由表5及圖5可以看出：4條生產(chǎn)線氯化氫總管壓力基本集中在35～40 kPa(指標(biāo)≤50 kPa)，壓力比較平穩(wěn)，說明系統(tǒng)運(yùn)行比較穩(wěn)定，但是壓力普遍偏高，說明轉(zhuǎn)化器數(shù)量有限，系統(tǒng)壓力調(diào)整彈性小，這也是進(jìn)一步降低觸媒單耗的一項(xiàng)硬性限制因素。

表5 各條生產(chǎn)線氯化氫總管壓力數(shù)據(jù)Table 5 Data of pressure in hydrogen chloride main in different production lines kPa

圖5 各條生產(chǎn)線氯化氫總管壓力曲線

Fig.5 Curves of pressure in hydrogen chloride main

in different production lines

6 二氯乙烷產(chǎn)率

二氯乙烷產(chǎn)率反映了轉(zhuǎn)化器內(nèi)副反應(yīng)情況，間接地反映了轉(zhuǎn)化器溫度情況及轉(zhuǎn)化器觸媒抽翻安排的合理性。現(xiàn)將2016年1月到2018年10月的二氯乙烷產(chǎn)率進(jìn)行分析，結(jié)果見圖6、表6。

從圖6及表6可以看出：二氯乙烷產(chǎn)率2016年平均為1.39‰，2017年平均為1.26‰,2018年為1.21‰，產(chǎn)率逐年下降。2018年產(chǎn)率基本穩(wěn)定在1.2‰左右，反映出轉(zhuǎn)化器整體副反應(yīng)減少，即轉(zhuǎn)化器溫度降低，這與觸媒消耗降低相符。

圖6 二氯乙烷產(chǎn)率曲線

Fig.6 Curve of dichloroethane yield

表6 二氯乙烷產(chǎn)率數(shù)據(jù)

7 觸媒倒翻情況

根據(jù)觸媒倒翻時(shí)的觸媒使用時(shí)間及倒翻時(shí)含汞量，可間接判斷出觸媒使用時(shí)間。下面以目前觸媒翻倒情況進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)見表7。

由表7可以看出：觸媒倒翻時(shí)間為6 200 h左右，后臺(tái)轉(zhuǎn)化器觸媒含汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3.8%左右，使用時(shí)間是觸媒使用壽命的50%，側(cè)面反映了目前觸媒使用的規(guī)律性及系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。

表7 觸媒倒翻數(shù)據(jù)

8 結(jié)語

北元化工低汞觸媒的使用經(jīng)過了2015—2016年的適應(yīng)期，觸媒單耗高，運(yùn)行波動(dòng)大；到2017年低汞觸媒使用漸入佳境，基本運(yùn)行平穩(wěn)，觸媒單耗基本維持在0.90 kg左右;進(jìn)入2018年觸媒管理水平進(jìn)一步提高，觸媒單耗基本穩(wěn)定在0.83 kg，汞單耗在38.8 g，提前實(shí)現(xiàn)了國家要求的2020年較2010年汞消耗降低50%的目標(biāo)。

從觸媒使用時(shí)間分布看，轉(zhuǎn)化器觸媒抽翻規(guī)律性強(qiáng)，每條生產(chǎn)線轉(zhuǎn)化器觸媒形成了固定的時(shí)間梯度。從單臺(tái)轉(zhuǎn)化器乙炔含量、總管乙炔含量、二氯乙烷產(chǎn)率、倒翻時(shí)觸媒使用情況，可以得到觸媒單耗在目前工況下，常規(guī)操作使觸媒單耗降低空間已不大。要進(jìn)一步降低觸媒消耗，須提高觸媒本身性能，對(duì)目前生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)一步改造優(yōu)化。利用好管理人員的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)和崗位人員的精心操作，進(jìn)一步做好低汞觸媒高效應(yīng)用，為無汞化生產(chǎn)打好基礎(chǔ)。