MTP反應系統(tǒng)設計及相關控制探析

王志斌，王茂立，閆錫軍

(1.內蒙古中煤蒙大新能源化工有限公司 ，內蒙古烏審旗 017314;2.中國神華煤制油化工有限公司榆林化工分公司技術部 ，陜西榆林 719000)

甲醇制丙烯(MTP)裝置采用德國Lurgi公司的MTP技術，通過MTP反應系統(tǒng)、產(chǎn)品氣急冷系統(tǒng)、產(chǎn)品氣壓縮系統(tǒng)及產(chǎn)品精制系統(tǒng)將168萬t/a甲醇轉化成46萬t/a丙烯產(chǎn)品，同時副產(chǎn)汽油、LPG及乙烯產(chǎn)品［1］。

MTP反應系統(tǒng)為MTP裝置的核心，采用ZSM－5大孔分子篩(圓柱形，平均直徑3.2 mm，孔容0.3 cm3/g)作為催化劑，固定床反應器，為便于溫度控制，反應器為帶中間進料的6床層反應器，反應壓力0.1～0.2 MPa(a)，反應溫度450～480 ℃。

1 工藝過程簡介

工藝流程及控制簡圖請參見圖1［2］。

MTP反應器A、B、C頂部進料及中間進料配置是完全一樣的，在這里省略B的中間進料，并認為反應器A、B處于反應狀態(tài)，反應器C處于再生或備用狀態(tài)。

來自裝置外的甲醇經(jīng)氣化過熱后首先進入到二甲醚(DME)反應器中，在該反應器中，甲醇轉化為DME(在該工藝中，DME反應器甲醇的轉化率為80%)，從DME反應器來的DME及甲醇混合物一部分和來自裝置自產(chǎn)的工藝蒸汽(148 t/h，單臺反應器74 t/h)以及來自裝置下游分離單元的循環(huán)烴(C2、C4、C5和 C6的混合物，208 t/h，單臺反應器104 t/h，與甲醇進料等量)混合后進入到MTP反應器頂部進料加熱爐中加熱到450℃后分兩股分別進入到MTP反應器A、B第一床層，經(jīng)第一床層反應后，出床層的物料溫度大概為480℃。從DME反應器出來的另外一部分物料首先經(jīng)過DME部分冷凝器，部分冷凝后進入到DME分離器，在DME分離器中氣液相分離，其中氣相經(jīng)DME加熱器用高壓蒸汽加熱，經(jīng)DME加熱器后的物料一部分經(jīng)過加熱器的全部管束溫度較高，而另外一部分只經(jīng)過加熱氣的一半管束溫度較低，較高溫度和較低物料各分為5股，一股熱物流和一股冷物流混合后在反應器相應床層出口溫度控制器和混合后物料總管上的流量控制器共同作用下進入到MTP反應器內。MTP反應器的產(chǎn)品(混合烴和蒸汽混和物)經(jīng)過后續(xù)的水冷、壓縮及分離得到丙烯、乙烯、LPG、汽油及燃料氣產(chǎn)品。

2 MTP反應過程的設計及控制特點探析

2.1 MTP反應設計特點

首先，DME反應器的引入，使甲醇脫水生成DME的反應單獨進行(MTP催化劑在反應條件下也可實現(xiàn)此反應過程)，通過此手段降低了MTP反應器內反應釋放的熱量，從而使MTP反應在較為緩和的條件下進行，以利于 MTP反應系統(tǒng)的穩(wěn)定運行［3］。

圖1 MTP反應器系統(tǒng)簡單工藝流程及控制圖

其次，MTP 反應在進料設計上從第一層進料至第六層中間進料(甲醇及DME混合物)的量是依次增加的，同時在于MTP反應器內部設計上從第一床層至第六床層催化劑的厚度是依次增加的，這既保證了每床層新鮮甲醇和DME進料的含量基本一致，同時每床層的空速也基本一致，保證了整個反應器系統(tǒng)的同一性。

再者，工藝蒸汽引入到反應系統(tǒng)，MTP反應本身生成水，但是正反應的平衡常數(shù)非常大，在反應條件下蒸汽的引入并不會對反應平衡有多大影響，但蒸汽的引入，降低了MTP反應系統(tǒng)烴類的分壓，從而有助于低碳烯烴的生成，同時也能在一定程度上抑制焦炭的生成，提高了反應器運行周期，另外由于蒸汽有著比較大的熱容，在MTP反應過程溫度控制方面也起到了積極的作用;該工藝蒸汽是用來自熱電站的中壓蒸汽氣化裝置內反應產(chǎn)生的水而得來的，這就避免外來蒸汽有可能攜帶來的堿金屬以及重金屬離子對催化劑不可逆的破壞作用［3－5］。

第四，循環(huán)烴的引入，也提高了低碳烯烴的選擇性，其歧化生成低碳烯烴的過程是一個吸熱過程，另外一方面，由于循環(huán)烴的量比較大，和甲醇是等量進入到反應器系統(tǒng)的，這兩方面都可以在MTP反應器的溫度控制上起到積極的作用［3－5］。

第五，液相進料的引入，DME反應器產(chǎn)品冷凝的液相［主要成分為水，含水78%(質量分數(shù))，其余為甲醇和DME)］，由于水的氣化潛熱比較大，液相進料進入反應器之后，被上一床層的反應氣氣化，將消耗大量的熱量，在反應溫度控制上起著舉足輕重的作用。

第六，在每層催化劑頂部都有一層100 mm厚的惰性瓷球覆蓋，該層瓷球在MTP反應器中不僅起著壓蓋催化劑、防止催化劑經(jīng)長期工藝氣沖刷產(chǎn)生溝壑而出現(xiàn)溝流現(xiàn)象外，特別是在2至6床層中，還起著防止液相進料霧化不好可能導致熱催化劑與液相水直接接觸而致使催化劑熱崩粉碎事故的發(fā)生這一重要作用。

2.2 MTP反應系統(tǒng)控制特點探析

要說明的一點是，MTP反應器在每床層溫度控制上是極其富有特點的，反應器第一床層出口溫度僅能靠MTP頂部進料加熱爐出口控制，其它床層的溫度控制雖最終落實到控制中間進料溫度上來實現(xiàn)，但由于中間進料在量上的局限性，并不能完全實現(xiàn)對反應床層出口溫度靈敏、有效的控制，在上面也提到，第一床層補入的蒸汽及循環(huán)烴以及中間液相進料的引入，雖然看上去和反應器溫度控制沒有什么關系，但這些進料的引入，對反應溫度的控制起著決定性作用，也就是說在MTP反應器溫度控制上，這三股物料是粗調，而最終通過中間氣相進料溫度的控制來細調、精調反應器每床層出口溫度，以實現(xiàn)反應器精準維持在450℃(床層入口)至480℃(床層出口)的目標，從而保證反應的轉化率、收率以及反應系統(tǒng)的安全性。此兩者缺一不可。

其次，兩反應器同時運行時，由于兩反應器中間進料最終都是流量控制，故在兩個反應器頂部進料上做了一些文章，其中一臺反應器頂部進料為壓控，另外一臺反應器頂部進料為流控(見圖1，反應器A進料為流控，反應器B進料為壓控)，這樣的話，在整個MTP進料波動時，流控的反應器不受任何干擾，所有的干擾全部進入到壓控反應器一級進料中，這樣的話，既保證了MTP反應系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也保證了前工序DME反應器及其進料系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免一些波動或者物料浪費現(xiàn)象的產(chǎn)生。當然了，這首先要求MTP反應器有一定的惰性，有一定的抗干擾和自適應的能力，另外一方面，也體現(xiàn)出裝置設計上所追求的一個動態(tài)平衡過程。如果僅有一臺反應器運行時，該臺反應器的頂部進料可設為壓控，同樣能夠保證整個前工序系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

再者，在反應中間氣相進料控制上，通過DME加熱器不同位置出來的兩股不同溫度的氣體量的多少來控制氣相進料溫度的變化，當然，進料溫度的變化受相應床層出口溫度控制器的控制，同時，還能保證每床層中間氣相進料總流量的穩(wěn)定性。第四，關于DME分離器液位控制，引入功能塊LY，LY的功能見圖2。

圖2 功能塊LY的功能

結合MTP反應器中間進料控制，可以清晰地看到，在DME分離器液位穩(wěn)定在30% ～70%范圍內，功能塊LY無輸出，這就是說，在MTP反應器中間進料流量穩(wěn)定時，即便DME分離器液位有所波動，這時候會犧牲DME分離器液位的穩(wěn)定性來保證MTP反應器進料流量的穩(wěn)定，因為前面也說過，對于MTP反應器中間液相對于反應溫度的影響非常大，除非到迫不得已，在反應器穩(wěn)態(tài)情況下盡量不要隨意改變MTP反應器液相進料的中間流量。但是另外一方面，如果DME分離器液位過高或過低時(液位高于70%或低于30%)，此時如果情況再惡化，可能會危及到整個反應系統(tǒng)的穩(wěn)定性，此時，LY將其作用，在液位高于70%時，LY將輸出一個負值，在加法器FY的作用下，調節(jié)閥將開大，增大進入反應器的流量，從而遏制液位進一步增高，同樣，當液位低于30%的時候，LY將輸出一個正值，在加法器FY的作用下，調節(jié)閥將關小，降低進入反應器的流量，從而會遏制液位的進一步降低。從這方面看，對于儀表控制，一定是要服從于工藝穩(wěn)定的要求，所以在這里就不能用一個簡單的串級控制了。

3 存在問題

①MTP反應器中間進料溫度正常運行時一般在230～280℃之間，而DME反應器出口正常運行時溫度為380℃，先將380℃的DME和甲醇混合物冷卻到154℃之后以得到中間進料液相，然后又用高壓蒸汽［8.7 MPa(g)，370℃］將中間進料氣相加熱到相應進料溫度，此過程能耗過高;考慮到中間液相基本上都是水，在保證水質的情況下是否可以使用外部供水作為中間液相進料，而氣相可以使用廉價的裝置內的工藝水冷卻至各級進料溫度，從而避免使用高壓蒸汽，既避免了高壓設備的使用，又降低了裝置能耗;②MTP反應器的補入工藝蒸汽量為74 t/h(單臺)，該工藝蒸汽為MTP反應產(chǎn)生的水經(jīng)中壓蒸汽［3.5 MPa(g)，210℃］加熱氣化產(chǎn)生的，此過程也會造成反應系統(tǒng)能耗較高;在實際運行過程中一方面可考慮是否在保證反應收率的前提下降低工藝蒸汽的使用量，另一方面可考慮在保證熱電站蒸汽品質的情況下(不含堿金屬等)使用外部蒸汽來降低系統(tǒng)的能耗;③MTP反應器中間氣相及液相進料在進入反應器后，為了分布及霧化均勻，皆有進料噴嘴，氣相噴嘴開口較大，而液相噴嘴開口在1 mm左右，在實際運行過程中即便是經(jīng)過過濾也很容易被物料中的雜質堵塞，由此容易造成反應器床層局部超溫，或霧化不好致使催化劑接觸液相而損壞催化劑;有可能的情況下可更換成更適用的液相噴嘴［6］;④液相中間進料雖然有噴嘴可以霧化，但設計過程中，氣相進料對于液相有一定的撕裂作用，會使液相霧化更好，故在操作運行中一定要注意先建立反應器中間氣相進料，然后建立中間液相進料;⑤MTP反應器直徑大概在11 m左右，熱電偶的布置數(shù)量偏少，不能完全反應床層徑向溫度分布情況，特別是由于液相噴嘴的不實用，很多情況下會出現(xiàn)床層局部超溫，可考慮將某些熱電偶換成多點式熱電偶，以能更好檢測床層的溫度分布并利于故障判斷。

4 結論

通過實際的運行情況來看，目前MTP反應系統(tǒng)的設計特別是儀表控制系統(tǒng)的設置，完全可以滿足MTP裝置正常、穩(wěn)定、連續(xù)、安全運行，但是在一些具體細節(jié)上可以說有可以改良的空間。

［1］王茂立，張克利.MTP裝置丙烯產(chǎn)品帶水問題解決方案［J］.廣州化工，2012，40(2):121 －122.

［2］何海軍，韓金蘭，王乃計，等.Lurgi MTP工藝的技術經(jīng)濟分析［J］.煤質技術，2006，21(3):45 －47.

［3］Hermann Bach，Gerhard Birke，Walter Boll，et al.Process for preparing c2to c4olefins from a feed stream comprising oxygenates and steam:Germany［P］.EP 1868966 A1.

［4］梅長松，高秀娟，陳愛平，等.液化石油氣在MTP反應中的作用［J］.工業(yè)催化，2012，20(7):29 －32.

［5］張 飛，劉瑩瑩，張新元，等.甲醇與碳四烯烴共裂解制備乙烯和丙烯［J］.石油煉制與化工.2010，41(1):11－15.

［6］Hermann Bach，Katja Bartels，Juergen Bohle，et al.Reactor for the production of c2to c8olefins from an oxygenate，water vapor，and one or more material flows containing hydrocarbon:Germany［P］.WO 2007140844 A1