反應器催化劑藏量對反應、濃縮系統的影響

郭繼鋒

摘要：丙烯酰胺生產裝置以水、丙烯腈為原料，在裝置自產銅催化劑作用下水合反應生產丙烯酰胺。裝置分為反應、濃縮、 精制、催化劑等工序。在恒定的反應溫度下，當反應器催化劑濃度增加時，丙烯腈轉化率增加；相反，當反應器催化劑濃度 降低時，丙烯腈轉化率下降，產量也下降。反應器催化劑藏量影響反應轉化率，反應轉化率的變化又影響后續的濃縮工序的 操作，下面探討反應器催化劑藏量對反應、濃縮系統操作參數的影響。

關鍵詞：催化劑；反應；濃縮系統；影響

中圖分類號：X703.1 文獻標識碼：A 文章編號：2095-3178（2018）06-0107-01

一、反應器催化劑藏量對反應轉化率的影響

1、反應器催化劑藏量低對反應轉化率的影響

丙烯酰胺生產裝置反應器催化劑濃度是按20%設計的（日產150

噸丙烯酰胺），丙烯腈、水與催化劑淤漿的混合物料在三臺串聯的反 應器反應，設計轉化率達到 90%。裝置通過技術攻關，將日產量由 150 噸/天提高至180噸/天，反應器催化劑濃度的控制也由20%-21% 提高至 22%-23%。裝置日產 150 噸丙烯酰胺時，反應器催化劑濃度 控制在20%-21%，反應轉化率即能達到85%-90%，如果反應器催化劑 濃度低于 20%，反應轉化率將低于85%。

2、反應器催化劑藏量高對反應轉化率的影響

根據生產任務的調整，裝置生產負荷提高至日產丙烯酰胺 180

噸/天，為保證較高的反應轉化率，車間將反應器內催化劑濃度提高 至 23%-24%，隨著反應器內催化劑濃度的提高，反應轉化率也提高， 反應轉化率平均達到90.07%。

二、反應轉化率的變化對濃縮系統的影響

1、反應轉化率偏低（低于 85%）對濃縮系統的影響

因反應器催化劑藏量低，導致反應轉化率偏低（低于85%），反

應器 R-313 出口的丙烯酰胺溶液濃度降低，丙烯腈含量升高，對濃 縮系統的真空蒸發（丙烯酰胺提濃）操作及丙烯腈-水回收系統的操 作影響較大。

反應轉化率降低，造成濃縮系統丙烯酰胺溶液濃度降低。

反應器出口丙烯酰胺溶液濃度降低，濃縮系統負荷增大。

為保證產品濃度合格（47%-51%），必須增大濃縮液預熱器 E-321 的 熱水流量，提高真空蒸發罐T-322入口丙烯酰胺溶液溫度，使T-322 蒸發水量增加。

反應轉化率降低，造成真空蒸發罐T-322 真空度降低。

因反應轉化率降低，反應器出口丙烯酰胺溶液中丙烯腈含量升高。濃縮系統真空蒸發罐 T-322 蒸發的氣相組分中丙烯腈氣體濃度增加（丙烯腈比水更易揮發），造成 T-322真空度降低。另外，為保證產品濃度合格，必須增加 T-322 蒸發的水量，也造成了 T-322 真空度降低。T-322壓力一般控制在7-8Kpa，當T-322壓力超過8.5Kpa，一個很重要的原因是反應轉化率偏低造成的（經驗值是低于 85%）。

濃縮系統低聚物的產生量減少。

濃縮系統低聚物主要在真空蒸發罐 T-322 器壁產生，低聚物產 生的機理是：丙烯酰胺溶液沿 T-322 器壁切線進料，在 T-322 內形 成漩渦，在真空蒸發作用下，少量的丙烯酰胺溶液也被蒸發，附著 在 T-322 罐壁和視鏡處，滯留在器壁上及視鏡處的丙烯酰胺與空氣 中的氧接觸生成低聚物。

在T-322蒸發的氣相組分主要是：大約2.5-3.0t/h的水被蒸發，

同時還有 0.5t/h 的丙烯腈及少量的丙烯酰胺被蒸發。由于反應轉化

率降低，丙烯酰胺溶液中丙烯腈含量增加，T-322 蒸發的氣相組分

中，丙烯腈氣體組分濃度升高，丙烯酰胺蒸發量減少，從而產生的

低聚物也減少。

丙烯腈-水回收系統丙烯腈濃度提高。

反應轉化率偏低導致反應器出口丙烯酰胺溶液中丙烯腈含量增

加，濃縮系統真空蒸發罐T-322 蒸發氣體中丙烯腈含量增加，T-322 蒸發的氣體在丙烯腈-水回收系統的冷凝器 1BC、2BC、3BC 中冷凝回 收，冷凝液最后回收至丙烯腈-水儲罐 T-323中。當反應轉化率偏低 時，T-323中丙烯腈濃度提高。

2、反應轉化率偏高（接近 90%）對濃縮系統的影響

反應器內催化劑藏量高會提高反應轉化率，但丙烯腈與水在銅

催化劑作用下反應轉化率最高只能達到 90%。當反應器內催化劑藏 量較高，且反應轉化率接近于 90%時，如果繼續提高反應器內催化 劑濃度，反應轉化率基本不會提高或提高的非常有限。由于反應轉 化率偏高，反應器出口反應液中未反應的丙烯腈濃度會降低，對濃 縮系統產生一系列影響。

（1）反應轉化率偏高，真空蒸發罐 T-322壓力降低，真空度提

高

由于反應轉化率偏高，反應器出口反應液中丙烯腈濃度降低， T-322 蒸發氣體中丙烯腈蒸發量減少，導致 T-322 壓力降低。根據 生產數據顯示，當反應器R-313出口溶液中丙烯腈濃度低于3.0%時，

T-322 壓力將低于 7.0Kpa。

（2）濃縮系統低聚物增多

由于反應轉化率高，反應器出口丙烯酰胺溶液中丙烯腈濃度降 低，導致濃縮系統真空蒸發罐 T-322 蒸發的氣相組分中丙烯腈濃度 降低，氣相組分中丙烯酰胺蒸發量增加，蒸發的丙烯酰胺粘附在 T-322 器壁上生成低聚物，造成濃縮系統低聚物產生量增加，過濾 器拆洗頻次增加。

（3）丙烯腈-水回收系統丙烯腈濃度降低

由于反應轉化率高，濃縮系統蒸發的丙烯腈量減少，丙烯腈-

水回收系統回收的丙烯腈濃度降低。

三、反應器催化劑藏量與生產負荷的最優配比

化學法生產丙烯酰胺裝置設計的反應器催化劑濃度為 20%，設 計生產負荷為日產 150 噸丙烯酰胺，即 20%濃度的催化劑可保證在 日產 150 噸的生產負荷下，反應轉化率達到控制要求。根據生產任 務不斷提高的要求，裝置目前的生產能力已經達到日產 180 噸丙烯 酰胺。

隨著生產負荷的提高，必須提高反應器催化劑濃度，提高反應 器催化劑藏量，才能保證反應轉化率達到控制要求。但反應器催化 劑濃度不能無限提高，當反應器催化劑藏量提高至一定數量后，反 應轉化率接近于 90%的理論值，此時繼續提高反應器催化劑藏量， 不但不會提高反應轉化率，還會對反應濃縮造成以下影響：1、反應 副產物會增多，導致低聚物的產生量增加；2、由于低聚物增多，堵 塞反應器燭式過濾器濾芯，造成反應器壓力升高；3、由于低聚物增 多，造成濃縮系統過濾器拆洗頻次增加，不利于裝置的平穩運行。

所以應根據生產負荷的不同，合理控制反應器內催化劑濃度。 根據產經驗數據得出結論：生產負荷為180噸/天時，反應器催化劑 濃度控制在 23%-24%即能滿足的生產要求，當反應器催化劑濃度超 過 24%時會造成濃縮系統低聚物增多，機泵過濾器拆洗頻次明顯增 加。當生產負荷低于180 噸/天時，應適當降低反應器催化劑濃度。

四、結論

反應器催化劑藏量與生產負荷達到最優配比，可以實現丙烯酰

胺生產裝置各系統工藝參數的最優控制，有利于裝置平穩運行。反 應器催化劑藏量與生產負荷達到最優配比的重要參考指標是：1、反 應轉化率達到87%-90%；2、濃縮系統真空蒸發罐T-322 壓力控制在 7.0-8.0Kpa；3、濃縮系統機泵過濾器拆洗頻次控制在每日 3-5 次；

4、丙烯腈-水回收罐T-323 丙烯腈濃度控制在6.0%-6.5%。