楊青青，趙振宇

丁二酸酐裝置二段加氫反應(yīng)器優(yōu)化改造

楊青青，趙振宇

（河南能源化工集團(tuán)鶴壁煤化工有限公司， 河南 鶴壁 458000）

針對(duì)順酐連續(xù)加氫制丁二酸酐工藝生產(chǎn)過(guò)程中順酐轉(zhuǎn)化率低等問(wèn)題，結(jié)合裝置設(shè)計(jì)參數(shù)和生產(chǎn)裝置的實(shí)際情況，將未投運(yùn)的二段加氫反應(yīng)器利用，通過(guò)對(duì)反應(yīng)器的一系列優(yōu)化改造，提升了順酐的轉(zhuǎn)化率，大大降低了丁二酸酐生產(chǎn)裝置的順酐的消耗，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

順酐；丁二酸酐；反應(yīng)器；加氫

丁二酸酐又名琥珀酸酐，白色斜方晶系結(jié)晶體。熔點(diǎn)119.66 ℃，不溶于水、乙醚，溶于氯仿、乙醇和四氯化碳。在水中緩緩分解，在熱水中迅速分解。應(yīng)用比較廣泛，醫(yī)藥工業(yè)用于制造鎮(zhèn)痛劑、利尿藥、止痛藥、解熱藥及消炎、避孕、抗癌等藥物。染料工業(yè)上經(jīng)水解可用作合成染料的原料。合成樹脂工業(yè)用于制造醇酸樹脂、離子交換樹脂。塑料工業(yè)用于制造玻璃纖維增強(qiáng)塑料。農(nóng)藥工業(yè)用于創(chuàng)造植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑等。有機(jī)工業(yè)用作合成有機(jī)化合物的中間體。

順酐，又稱順丁烯二酸酐，馬來(lái)酸酐，2,5-呋喃二酮等。丁二酸酐生產(chǎn)過(guò)程中的原料，斜方晶系無(wú)色針狀或片狀晶體。有強(qiáng)烈刺激氣味，溶于乙醇、乙醚和丙酮，難溶于石油醚和四氯化碳。與熱水作用而成馬來(lái)酸。主要用于生產(chǎn)不飽和聚酯樹脂、醇酸樹脂、農(nóng)藥馬拉硫磷、高效低毒農(nóng)藥4049、長(zhǎng)效碘胺的原料。也是涂料、馬來(lái)松香、聚馬來(lái)酐、順酐-苯乙烯共聚物的共聚單體，也是生產(chǎn)油墨助劑、造紙助劑、增塑劑、酒石酸、富馬酸、四氫呋喃等的有機(jī)化工原料。

目前，國(guó)內(nèi)具有工業(yè)化運(yùn)行業(yè)績(jī)的丁二酸酐工藝技術(shù)主要有丁二酸脫水法、石蠟氧化法、生物發(fā)酵法和順酐加氫法，順酐加氫法使用較為廣泛，分為連續(xù)加氫法和間斷加氫法，該工藝為連續(xù)加氫制丁二酸酐工藝，該項(xiàng)目的研制成功將緩解國(guó)內(nèi)外工業(yè)級(jí)丁二酸酐緊缺現(xiàn)狀，激活新型煤化工產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn)焦油化工產(chǎn)業(yè)鏈升級(jí)與轉(zhuǎn)型，提高煤炭的綜合利用價(jià)值。本文涉及的反應(yīng)器為順丁烯二酸酐直接在催化劑作用下加氫的工藝設(shè)備，國(guó)內(nèi)首套連續(xù)加氫制丁二酸酐工藝，連續(xù)加氫的優(yōu)點(diǎn)在于工藝操作簡(jiǎn)單、安全系數(shù)高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。文中將整個(gè)生產(chǎn)流程稱為丁二酸酐裝置。丁二酸酐裝置分為四個(gè)單元分別為配料單元、順酐加氫單元、精餾單元、成品切片包裝單元。其中順酐加氫單元主要有兩個(gè)加氫反應(yīng)，一段加氫反應(yīng)器和二段加氫反應(yīng)器。

一段反應(yīng)器為主反應(yīng)器，反應(yīng)器運(yùn)行壓力為5 MPa, 從底部進(jìn)順酐和氫氣，在氫氣分布器和進(jìn)料混合器的作用下，順酐和氫氣充分接觸進(jìn)行反應(yīng)，在催化劑的作用下生成丁二酸酐，粗丁二酸酐溶液從反應(yīng)器頂部采出，送往二段加氫反應(yīng)器。此反應(yīng)的過(guò)程順酐轉(zhuǎn)化率為98%～99%，未轉(zhuǎn)化的順酐進(jìn)入二段加氫反應(yīng)器進(jìn)行繼續(xù)加氫反應(yīng)。

二段加氫反應(yīng)為次反應(yīng)器主要作用是將一段加氫過(guò)程中未轉(zhuǎn)化的順酐，通過(guò)繼續(xù)加氫反應(yīng)在催化劑的作用下轉(zhuǎn)化為丁二酸酐，提高順酐的轉(zhuǎn)化率，增加丁二酸酐的收率。二段加氫反應(yīng)器為滴流床反應(yīng)器，反應(yīng)器進(jìn)料與一段加氫反應(yīng)器進(jìn)料相反，二段加氫反應(yīng)器是通過(guò)頂部進(jìn)氫氣，頂部進(jìn)料，通過(guò)進(jìn)料分布器將進(jìn)料與氫氣充分接觸反應(yīng)，在催化劑作用下轉(zhuǎn)化為粗丁二酸酐（粗丁二酸酐主要由順酐、γ-丁內(nèi)酯、丁二酸酐、加氫過(guò)程中產(chǎn)生的輕重組分組成）。由于組分構(gòu)成的都是熔點(diǎn)較高的物質(zhì)，二段加氫反應(yīng)器在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中未能正常投用，反應(yīng)器設(shè)計(jì)缺陷，造成運(yùn)行過(guò)程中壓差大，反應(yīng)器液相進(jìn)料分布器結(jié)晶堵塞，致使反應(yīng)液無(wú)法正常采出，致使二段加氫反應(yīng)器停運(yùn)。

1 成果實(shí)施前基本情況

反應(yīng)器前期運(yùn)行壓力4 MPa，γ-丁內(nèi)酯聯(lián)運(yùn)時(shí)反應(yīng)器正常進(jìn)料為2.6 m3·h-1, 反應(yīng)器床層溫度為75 ℃，反應(yīng)器頂部壓力4 MPa，底部壓力4 MPa，無(wú)壓差。系統(tǒng)進(jìn)順酐以后有丁二酸酐生成，隨著丁二酸酐濃度增加二段反應(yīng)器進(jìn)料量逐步減少，最終致使無(wú)法進(jìn)料。開大進(jìn)料閥門后反應(yīng)器頂部壓力一直增加，最高增長(zhǎng)至8 MPa，反應(yīng)器床層壓差4 MPa，最終因壓差大無(wú)法進(jìn)料反應(yīng)器被迫檢修。檢修過(guò)程中拆除反應(yīng)器上封頭發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)器分布器有大量丁二酸酐結(jié)晶體聚集，初步判斷由于丁二酸酐在反應(yīng)器頂部結(jié)晶堵塞床層，無(wú)法進(jìn)料，在疏通后進(jìn)行投用。前期通過(guò)熱氮?dú)庠囘\(yùn)行床層無(wú)壓差無(wú)堵塞，通過(guò)熱氮?dú)鈱⒋矊訙囟壬?0 ℃，防止投料過(guò)程中因床層溫度低，丁二酸酐凝固堵塞床層，避免出現(xiàn)上次現(xiàn)象。前期投料過(guò)程中剛反應(yīng)器最大進(jìn)料能達(dá)到4 m3·h-1，經(jīng)處理過(guò)后效果明顯。但是隨著裝置的運(yùn)行，反應(yīng)器進(jìn)料量逐步在減少，隨之提高反應(yīng)器溫度至100 ℃，但最終因?yàn)閴翰罡邿o(wú)法進(jìn)料被迫停運(yùn)。

2 成果實(shí)施要解決的問(wèn)題和要達(dá)到的效果目標(biāo)

不同濃度下粗丁二酸酐溶液的結(jié)晶點(diǎn)，主要指丁二酸酐濃度（粗丁二酸酐溶液是指γ-丁內(nèi)酯和丁二酸酐混合液）。反應(yīng)器分布器結(jié)構(gòu)是否存在問(wèn)題，是否因過(guò)液不暢，造成此處積液過(guò)多，丁二酸酐堵塞液相分布器。反應(yīng)器頂部全部聚集丁二酸酐，有少量γ-丁內(nèi)酯。通過(guò)分析該結(jié)晶體丁二酸酐和γ-丁內(nèi)酯濃度。丁二酸酐和γ-丁內(nèi)酯混合液同時(shí)進(jìn)入反應(yīng)器，頂部為何聚集高濃度的丁二酸酐，催化劑裝填是否存在問(wèn)題。

3 成果實(shí)施具體方案或措施

通過(guò)配比不同濃度的丁二酸酐和γ-丁內(nèi)酯混合溶液，通過(guò)控制溫度測(cè)出不同濃度下丁二酸酐混合液的結(jié)晶點(diǎn)。丁二酸酐和γ-丁內(nèi)酯混合液溶液丁二酸酐的濃度為1%～25%。根據(jù)床層溫度控制進(jìn)料濃度，防止因溫度低濃度高，造成物料結(jié)晶堵塞。

對(duì)反應(yīng)器分布器液相分布器結(jié)構(gòu)進(jìn)行水壓試驗(yàn)，通過(guò)計(jì)算模擬出每小時(shí)出料量，對(duì)分布器分布孔進(jìn)行改造，并提高反應(yīng)器運(yùn)行壓力。原因?yàn)橐合喾植计骺籽厶〕隽狭可伲锪显趦?nèi)部停留時(shí)間長(zhǎng)造成物料從液相分布器頂部溢出形成結(jié)晶物體，現(xiàn)分廠決定對(duì)液相分布器孔眼擴(kuò)大由Φ6擴(kuò)大Φ8至加大出料量，減少在分布器內(nèi)停留時(shí)間，避免在分布器內(nèi)堵塞。

對(duì)催化劑床層進(jìn)行檢查，改變催化劑裝填方式。將舊催化劑卸出進(jìn)行篩選重新裝填，原催化劑高度為1 070 mm, 催化劑下部瓷球高度為300 mm, 上部瓷球高度為300 mm，瓷球規(guī)格為Φ6和Φ8。現(xiàn)增加上部瓷球裝填量至500 mm，并增加Φ20瓷球，催化劑床層高度為870 mm。增加上部瓷球高度和規(guī)格，減少物料在上部停留時(shí)間。

調(diào)整反應(yīng)器壓力，反應(yīng)器壓力由4 MPa提至7 MPa。分布器孔眼一樣，壓力越高，流速越快，在分布器內(nèi)部停留時(shí)間越短。同時(shí)二段反應(yīng)器7 MPa壓力高于一段反應(yīng)器5 MPa壓力，未反應(yīng)完的氫氣可以通過(guò)氫氣放空管線回收至循環(huán)氫壓縮機(jī)入口，通過(guò)循環(huán)壓縮機(jī)進(jìn)入一段加氫反應(yīng)器，避免原始?xì)錃庵苯舆M(jìn)入火炬系統(tǒng)燃燒浪費(fèi)，提高了氫氣的利用率。

4 二段反應(yīng)器優(yōu)化改造圖紙

二段反應(yīng)器優(yōu)化改造圖見圖1、圖2。

圖1 液相分布器孔眼改造圖

圖2 瓷球加裝位置示意圖

5 成果創(chuàng)新點(diǎn)

通過(guò)物料濃度數(shù)據(jù)分析，形成數(shù)據(jù)表避免溫度低造成催化劑床層和分布器堵塞，為生產(chǎn)穩(wěn)定奠定了數(shù)據(jù)支撐。

通過(guò)提高反應(yīng)器壓力和擴(kuò)大分布器孔眼，增大物料流速，避免了因物料分布器分布不及從反應(yīng)器頂部溢流，使分布器浸泡在反應(yīng)液中丁二酸酐堵塞分布器。反應(yīng)壓力的提升，二段加氫過(guò)程中未反應(yīng)完的氫氣通過(guò)壓力差能直接送往循環(huán)氫壓縮機(jī)入口緩沖罐，通過(guò)循環(huán)壓縮機(jī)加壓送往一段加氫反應(yīng)器，該氫氣的回收利用，能通過(guò)加大氫氣進(jìn)料量來(lái)穩(wěn)定反應(yīng)過(guò)程中順酐的轉(zhuǎn)化率，同時(shí)多余的氫氣又能進(jìn)行回收，即提升了產(chǎn)品的質(zhì)量又增加了氫氣利用率，大幅度降低了生產(chǎn)成本。

改變催化劑裝填方式，通過(guò)增加瓷球的高度，增大上層瓷球床層間隙，即使因進(jìn)料量大物料分布器分布不及，反應(yīng)液在上層停留時(shí)間縮短，能迅速溢流，避免在此處積液物料結(jié)晶造成反應(yīng)器堵塞，同時(shí)的瓷球量增大減少了催化劑的受力，避免了催化劑受力大，致使催化劑損壞，造成床層壓差大，減少催化劑使用壽命。

6 成果實(shí)施后運(yùn)行及效益情況

通過(guò)對(duì)二段加氫反應(yīng)器分布器的改造和對(duì)催化劑的裝填方式進(jìn)行優(yōu)化，該反應(yīng)器能穩(wěn)定運(yùn)行，反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程中無(wú)堵塞現(xiàn)象，同時(shí)催化劑床層在運(yùn)行過(guò)程中無(wú)壓差顯示，催化劑的減少未能影響反應(yīng)器的順酐，順酐濃度最大為2%，反應(yīng)器出口順酐濃度在0.01%，順酐轉(zhuǎn)化率100%。二段加氫反應(yīng)器未反應(yīng)完的氫氣通過(guò)放空管線回收至循環(huán)氫壓縮機(jī)入口，在保證反應(yīng)器尾氣氫氣含量在99%以上，每小時(shí)回收氫氣量約5 Nm3·h-1。

丁二酸酐日產(chǎn)9.5 t，每天使用順酐10 t，每噸可回收順酐2%，順酐平均價(jià)格為7500元·t-1, 每天順酐可增加收益1 500元。每小時(shí)回收氫氣5 Nm3，合成氣價(jià)格為0.74 元·Nm-3,每天可增加收益185元，每天共計(jì)增加收益1 685元，丁二酸酐每噸生產(chǎn)成本可降低177.36元。按照設(shè)計(jì)產(chǎn)能年產(chǎn)2 545 t計(jì)算，年可減虧45.13萬(wàn)元。

7 結(jié)語(yǔ)

此次改造解決了二段反應(yīng)器因壓差高導(dǎo)致運(yùn)行周期短的問(wèn)題，裝置運(yùn)行穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量無(wú)異常。提升壓力后又進(jìn)行了氫氣的回收，達(dá)到了此次改造目的，增加了經(jīng)濟(jì)效益。

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Optimal Modification of Second-stage Hydrogenation Reactor in Succinic Anhydride Plant

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（Henan Energy and Chemical Industry Group Hebi Coal Chemical Industry Co., Ltd., Hebi Henan 458008, China）

In view of the low conversion rate of maleic anhydride in the production process of succinic anhydride by continuous hydrogenation of maleic anhydride, combined with the design parameters of the plant and the actual situation of the production plant, the two-stage hydrogenation reactor which was not put into operation was utilized. Through a series of optimization and transformation of the reactor, the conversion rate of maleic anhydride was improved, the consumption of maleic anhydride in succinic anhydride production plant was greatly reduced, and remarkable economic benefits were achieved.

Maleic anhydride; Butanedioic anhydride; Reactor; Hydrogenation

2021-04-02

楊青青（1989-），女，助理工程師，河南省鶴壁市人，2013畢業(yè)于徐州礦業(yè)大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)，從事化工生產(chǎn)技術(shù)工作。

趙振宇（1990-），男，助理工程師，從事化工設(shè)備維護(hù)工作。

TQ031.4

B

1004-0935（2021）06-0817-04