关键词：氯乙烯; 合成; 低汞触媒; 应用
摘 要：介绍了电石法氯乙烯合成过程中低汞触媒的使用特性，结合低汞触媒替代高汞触媒阶段产生的差异进行了对比，并主要就低汞触媒的使用进行了探讨。
电石法 PVC 行业作为汞资源的使用大户，按照国家工信部及氯碱行业削减汞用量的要求，全行业到 2015 年必须全部使用低汞触媒替代高汞触媒。截至目前，新疆中泰化学阜康能源有限公司( 以下简称阜康能源公司) 已全部使用低汞触媒替代高汞触媒，现就低汞触媒的使用特点进行探讨。
1 低汞触媒使用情况
阜康能源公司现有 PVC 生产装置 80 万 t/a，其中乙炔气分子筛干燥工艺配套 PVC 产能为 40 万t/a，另 40 万 t/a PVC 装置采用传统混合脱水工艺。氯化汞触媒是电石法合成氯乙烯所用的触媒，而氯乙烯合成工段是整个 PVC 生产的心脏。从 2012年末开始，阜康能源公司与山东新龙集团合作，进行低汞触媒试用与研发工作。在研发过程中，就低汞触媒运用于工业化实际生产中存在的技术难题逐一进行攻克，低汞触媒的烧失率、机械强度、转化率等性能得到大幅提升，具备了全面替代高汞触媒运用于工业化生产中使用的条件。2013 年5 月，阜康能源公司全面停止高汞触媒的采购，开始推进 80 万t/a PVC 生产装置使用低汞触媒替代高汞触媒的工作。截至2015 年底，阜康能源公司已全部完成了低汞触媒替代高汞触媒的工作。
2 生产工艺
2. 1 氯乙烯生产工艺
电石法氯乙烯生产工艺中，符合指标要求的乙炔气体和氯化氢气体按照 1∶ ( 1. 05 ～1. 1) 的摩尔比混合后，在氯化汞触媒的作用下，在转化器内部进行合成反应。反应后的气体中，除氯乙烯外，尚有大量氯化氢、未反应的乙炔气、氮气、氢气、二氧化碳等气体，以及转化副反应生成的乙醛、二氯乙烷、三氯乙烷、乙烯基乙炔等杂气。能够得到较高纯度的氯乙烯气( 即较高的转化率) 是氯乙烯合成追求的目标。
2. 2 转化率高的意义
氯乙烯合成过程中，提高转化率可有效降低后续净化系统以及精馏系统的操作难度，有效减少废酸的产量以及精馏尾气总量。副产物的减少也有利于氯乙烯单体质量的提升。
3 低汞触媒运行情况及控制
3. 1 低汞触媒运行情况
低汞触媒使用后，进行跟踪监测，在前台与后台转化器物料出口分别进行取样分析，结果见表 1。
表1 前台、后台转化器出口乙炔体积分数
表 1 数据表明: 使用低汞触媒后，前台转化器出口乙炔体积分数低于10% ( 少部分低于1%) ，使用效果十分理想; 后台转化器出口乙炔体积分数一般在1% ～3%，满足指标要求，但较理想水平≤1% 还存在一定差距。
3. 2 低汞触媒使用特点
低汞触媒大批量应用后，其特点通过转化器温度、使用时间、转化样可以得出。
3. 2. 1 转化器温度
部分使用低汞触媒的前台、后台转化器温度数据见表 2。
表 2 前台、后台转化器温度
表 2 数据表明: 使用低汞触媒的前台转化器温度在 120 ～150 ℃，表明触媒活性较高，但又不至于使触媒中的氯化汞迅速升华，因此前台转化器温度处于理想范围。但后台转化器温度仅仅维持在100 ～120 ℃，表明触媒活性较低。结合表 1 数据可以看出: 后台转化器出口乙炔含量也较高。转化器温度直接影响转化器的转化效果，在实际使用过程中，可通过适当提升散热介质的温度来实现进一步提升转化效果。
3. 2. 2 使用时间
部分低汞触媒使用时间数据见表 3。
表 3 部分低汞触媒使用时间
通过表 3 数据可以看出: 第 1 期装置低汞触媒使用时间平均在 9230h; 第2期装置低汞触媒使用时间平均为12784h，最高达到16008 h。相比原高汞触媒 8 000 h 的使用寿命大幅度提升 15%以上。第 1 期和第 2 期装置低汞触媒使用时间差异的主要原因为原料气脱水方式不同。第 1 期装置使用传统的混合脱水工艺，原料气含水质量分数在600 ×10-6 左右; 第 2 期装置使用乙炔分子筛干燥、氯化氢浓硫酸干燥后混合的工艺，原料气含水质量分数为100 ×10-6 。根据低汞触媒在不同装置的使用时间可发现: 原料气水含量直接影响低汞触媒的使用时间。
2010—2015 年触媒单耗( 生产 1 t PVC 树脂)数据见表 4。
表 4 触媒单耗
从表 4 数据可以看出: 2010 年与 2011 年使用高汞触媒，触媒单耗在 1. 35 kg 以上; 2012 年为项目建设期，无触媒单耗; 2013 年，随着低汞触媒的使用，触媒单耗下降至 1. 2 kg 以下; 2014 年，在大批量低汞触媒使用后，因低汞触媒的使用周期较长，触媒单耗进一步下降至 1. 01 kg; 通过近 2 年来对低汞触媒的使用性质不断地摸索，2015 年低汞触媒单耗下降至 0. 80 kg，为历史最低值。
按阜康能源公司80 万 t/a PVC 产能计，与2013年使用高汞触媒时期相比，每年可节约触媒 312 t，节约资金在 1 000 万元以上，具有极为可观的经济效益。
同时从报废触媒的分析结果来看，报废低汞触媒含氯化汞质量分数在 2% 左右，与新低汞触媒相比仅有 4. 5%氯化汞流失。而原高汞触媒报废时氯化汞质量分数量在 3% 左右，相比新高汞触媒的汞流失高达 9.5%，因此高汞触媒汞流失量十分明显。
3. 2. 3 操作控制
鉴于氯化汞触媒的特殊性，阜康能源公司触媒抽翻全部由专业化队伍进行作业，最大限度地减少因非专业人员抽翻而带来的损失及安全环保隐患，保证触媒填装质量。
低汞触媒应用与前台、后台转化器转化样关系见图 1。
由图 1 可以看出: 随着使用低汞触媒转化器数量的不断增大，装置整体表现出前台转化器出口乙炔含量逐步降低，但后台转化器出口乙炔含量上升，甚至开始制约装置生产负荷的进一步提升。
由于低汞触媒在后台转化器所表现出的活性不高、转化器出口乙炔含量较高的问题，操作上只有通过降低转化器进口流量保证出口总管乙炔体积分数小于3%，但过多关小后台转化器进口阀门，会使合成系统阻力升高，不利于装置产能 100% 发挥。阜康能源公司通过改造，增加后台转化器数量，使前台转化器与后台转化器数量之比由 1. 6∶ 1降低至 1∶ 1。改造完成后，后台转化器单台负荷明显降低，转化器出口总管乙炔体积分数保持在 3% 以下，合成系统阻力明显下降，80万t/a 装置产能100%完全发挥。
4 结语
电石法 PVC 行业低汞触媒的应用均处于摸索阶段，阜康能源公司通过大规模的低汞触媒应用发现了低汞触媒在现有装置的使用特点: ①低汞触媒在前台转化器反应效果较好，但在后台转化器反应效果有待进一步提升; ②低汞触媒使用周期较长，可大幅度降低触媒单耗，汞流失率低; ③低汞触媒在原料气含水量较低的情况下可大幅度延长使用周期。
国内现有 PVC 生产企业都面临着低汞触媒替代高汞触媒的问题，笔者所述低汞触媒使用特点可为同行业低汞触媒的应用提供些许参考。触媒生产厂家下一阶段若能够解决好低汞触媒在后台转化器反应效果差的问题，则应用低汞触媒不仅效果好、更经济，而且为国家汞削减作出了极大的贡献，低汞触媒将全面替代高汞触媒。相信通过技术的进步，无汞触媒的春天也会很快到来。
原标题：氯乙烯合成低汞触媒的应用
