創新型催化配方助力提升超低SHR苯乙烯單體生產效率

Kazuhiko Shinyama

采用超低蒸汽／烴比的（SHR）苯乙烯單體生產工藝可大幅降低蒸汽消耗帶來的高昂成本，但是苯乙烯催化劑的高活性和高選擇性不可兼得等問題始終限制著生產效率，全新的科萊恩高性能苯乙烯催化劑可完美突破這一瓶頸。

超低SHR的機遇和挑戰

以乙苯為原料生產苯乙烯單體需要超高溫蒸汽作為能量來源和促進脫氫催化劑的反應。蒸汽的消耗量是生產成本中的最大影響因素，因此優化流程設計一直是工程師煞費苦心的環節。自20世紀50年代起，業內常規的新廠設計蒸汽／烴比值（SHR）已從重量比2.5降低到1.0。在當前的SHR處理條件下，也就是所定義的超低SHR，所需的蒸汽量將大幅降低，從而顯著提升能源效率。

然而，降低SHR是一個復雜的過程。乙苯經脫氫制苯乙烯是一個吸熱平衡反應，產物中的摩爾數上升。因此，高溫、低壓、高蒸汽比的反應環境更有利于反應的正向進行。蒸汽不僅有助于推移平衡點向產物方向移動，而且還能防止過度焦化和催化劑的過度還原。如果SHR較低，則相應地導致轉化率降低。讓超低SHR得以實現且創造價值的唯一方法便是創新流程技術并使用高活性和高選擇性兼得的催化劑。

高活性與高選擇性之間的取舍

在相同作業溫度下，更高的催化劑活性能夠提升苯乙烯單體的產量。高選擇性則能生成更高比例的苯乙烯單體，降低副產物的生成，如苯和甲苯等。當前可用的苯乙烯單體催化劑只能在高活性和高選擇性之間二選一。這是因為在超低SHR作業條件下，催化劑活性的上升通常會導致選擇性下降。

合二為一的催化劑

在科萊恩日本富山（Toyama）的研發團隊的努力下，通過對大量催化劑配方的深度研發和對比測試，一種新型乙苯脫氫催化劑終于誕生（見圖1），其成功在超低SHR工況下（重量比1.0）將高活性和高選擇性合二為一。

圖1 用于超低SHR苯乙烯單體生產的新乙苯脫氫催化劑，產品通過擠壓成型提供棱紋和光滑表面兩種選擇

與以往的催化劑相比，這一前所未有的功能催化劑讓苯乙烯單體的生產更高效環保，且已經通過了行業領先認證機構的全面測試。其性能和流程匹配度已經為其在新項目中倍受歡迎。

更高的出口壓力條件下，副產品產量大幅降低

通常，催化劑選擇性和和副產品的生成呈反比關系。如圖2所示，在一個雙反應器隔熱測試單元中分別使用新型苯乙烯單體催化劑和市場對標催化劑時，副產物的典型生成量。

圖2 典型副產物生成量（SHR為1.02，轉化率為64%）,測試由獨立第三方在隔熱雙反應器測試單元中進行

測量結果以100%為基線，代表苯乙烯生產裝置在使用市場對標催化劑、常規的低出口壓力設置時的副產物生成量。在后一個反應器中，分別測量較低出口壓力（34.5 kPa）和較高出口壓力（38 kPa）時的副產物生成量。在后一種情況中，預期副產物生成量將會升高。

如圖2所示，在兩種情況中，科萊恩新型催化劑的表現皆超過市場對標催化劑。較低出口壓力時副產物生成量降低約10%，較高壓力時降低約15%。副產物生成量的大幅降低，即使在更為嚴苛的環境中也能夠實現，證明了科萊恩新型催化劑的卓越選擇性。

高低出口壓力時皆獲穩定活性

對科萊恩新型催化劑的活性的分析中，測試了維持64%的轉化率所需的入口溫度（T64），且與對標催化劑（見圖3）進行比對。如果所需溫度降低，則表明催化劑活性更高。

圖3 常規入口溫度T64（1.02SHR，64%轉化率時溫度），測試由獨立第三方在隔熱雙反應器測試單元中進行

值得關注的是，測試是在很低的SHR條件下（重量比1.02）進行，一般情況下會限制催化劑的活性和選擇性。因此，預期測試中副產物生成量會升高，同時為了保持恒定的轉化率需要高更高的入口溫度。

測試分別在較低和較高出口壓力條件下進行。出口壓力較高時，通常催化劑活性降低。在對標催化劑的測試中便出現這種情況：出口壓力較高時，需要更高的入口溫度。然而在科萊恩新型催化劑的測試中，較高和較低出口壓力所需的入口溫度相差甚小。這證明了科萊恩新型催化劑無論在何種出口壓力下都保持了良好活性，且顯示出抵抗壓力波動的優良韌性。

成功的商業應用

該款新型催化劑的首次工業應用誕生于一家亞洲石化生產商的臺灣苯乙烯生產工廠。生產方是一家年產能24萬t的完全集成化苯乙烯單體生產公司。2016年5月安裝新型催化劑后，工廠迅速達到了滿負荷生產，并以比以往作業更低的溫度很快達到了苯乙烯單體的設計生產速率。此外，與之前使用的催化劑性能相比，新型催化劑選擇性提升0.4%，且比業內對標的催化劑展現出更高的穩定性。

失活速率降低，穩定性提升

失活速率通常被用來評估一款催化劑的穩定性，而失活速率受到入口溫度范圍的限制。入口溫度范圍由超高溫蒸汽（800℃左右）和預加熱的乙苯混合結果決定。通常，二者混合后溫度范圍在600～650℃之間，這也是工廠在催化劑生命周期內作業的典型入口溫度范圍。（最高入口溫度取決于超高溫蒸汽的冶煉限制。）

為了在固定運行條件（常態溫度）下保持恒定的轉化率或生產率，入口溫度需每月逐漸調高，催化劑失活速率正由此決定。失活速率和入口溫度范圍共同決定了催化劑的可用生命周期。通常催化劑的失活速率在每月1℃左右。在苯乙烯工廠，科萊恩新型催化劑呈現的失活速率降至0.58℃/月（見圖 4），表明該新型催化劑有著極高的穩定性。

圖4 使用科萊恩新型催化劑的苯乙烯生產裝置平均常態入口溫度走勢T64（基線工況：SHR=1.02，Rx-B出口壓力=34.5 kPaA）

一般情況下，中國大陸地區的工廠的催化劑更換周期為30～42個月較多?；趯嶒炇覝y試結果，科萊恩新型苯乙烯催化劑預期能夠在至少42個月的作業中保持良好性能。如圖4所示，催化劑的高穩定性在商業工廠應用案例中也得到印證。

在規模上，苯乙烯是石化行業中第四大塑料支柱產品，但是生產苯乙烯的化學反應能耗極高。通過在超低SHR條件下同時實現催化劑的高活性和高選擇性，科萊恩新型乙苯脫氫催化劑解決了苯乙烯生產中的關鍵性棘手問題，為生產商大幅降低運營成本提供機會。該款新型催化劑將成為全球超低SHR苯乙烯單體生產中的新標桿。