甲醇制丙烯（MTP）反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件檢修更換頻繁原因分析

雍曉靜，莊 壯，蘇 慧，羅春桃，匡建平，，梁 健

（1.神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司煤炭化學(xué)工業(yè)分公司研發(fā)中心，寧夏 銀川 750411；2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 201108）

設(shè)備與自控

甲醇制丙烯（MTP）反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件檢修更換頻繁原因分析

雍曉靜1，莊 壯1，蘇 慧1，羅春桃1，匡建平1，2，梁 健2

（1.神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司煤炭化學(xué)工業(yè)分公司研發(fā)中心，寧夏 銀川 750411；2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 201108）

MTP反應(yīng)器采用多段冷激式絕熱固定床，通過(guò)反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)物料的均勻分布及催化劑床層溫度的調(diào)控。霧化噴嘴和膨脹節(jié)作為內(nèi)構(gòu)件的核心部件，隨著反應(yīng)器運(yùn)行周期延長(zhǎng)，出現(xiàn)偏流、堵塞、斷裂等問(wèn)題，檢修更換頻繁，直接影響反應(yīng)器的穩(wěn)定高效運(yùn)行。本文針對(duì)霧化噴嘴和膨脹節(jié)的具體問(wèn)題逐項(xiàng)展開(kāi)分析，并提出應(yīng)對(duì)措施。

MTP反應(yīng)器；內(nèi)構(gòu)件；霧化噴嘴；膨脹節(jié)

神華寧煤集團(tuán)建成投產(chǎn)的2套年產(chǎn)50萬(wàn)噸MTP裝置共有6臺(tái)多段絕熱固定床反應(yīng)器，每個(gè)反應(yīng)器內(nèi)分布6個(gè)裝填有ZSM-5分子篩催化劑的床層[1-3]，2～6層床層上部布置若干分布器安裝噴嘴及膨脹節(jié)等內(nèi)構(gòu)件，通過(guò)內(nèi)構(gòu)件定量霧化甲醇-水-二甲醚激冷液來(lái)控制對(duì)應(yīng)的床層溫度。在裝置投運(yùn)的前兩年，內(nèi)構(gòu)件檢修頻次較低，但隨著生產(chǎn)運(yùn)行周期延長(zhǎng)，內(nèi)構(gòu)件頻繁需要更換維修，成為制約反應(yīng)器運(yùn)行效率的卡脖子問(wèn)題。本文重點(diǎn)對(duì)噴嘴和膨脹節(jié)內(nèi)構(gòu)件檢維修出現(xiàn)的問(wèn)題展開(kāi)分析，并提出改進(jìn)的辦法。

1 霧化噴嘴運(yùn)行現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

從2014年神寧集團(tuán)烯烴公司丙烯一車間霧化噴嘴堵塞率的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得知，A反、B反和C反內(nèi)的霧化噴嘴共計(jì)檢維修9次，其中，A反噴嘴維修更換率平均為42.7%，B反噴嘴維修更換率平均為49.3%，C反維修更換率平均為47.3%。霧化噴嘴是實(shí)現(xiàn)氣相反應(yīng)物和液相反應(yīng)物均勻分配進(jìn)入反應(yīng)器的關(guān)鍵設(shè)備。霧化噴嘴的霧化粒徑分布、霧化角度、霧化覆蓋直徑和霧化均勻性等性能，直接影響反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)物的濃度分布，共同決定霧化噴嘴覆蓋區(qū)域內(nèi)床層溫度的可調(diào)控性。

需維修更換的噴嘴表現(xiàn)出物料分布不均、偏流、流量偏大偏小或無(wú)流量等現(xiàn)象。通過(guò)分析測(cè)試發(fā)現(xiàn)，偏流或流量偏大的噴嘴，內(nèi)噴嘴直徑出現(xiàn)不同程度的磨蝕，由原直徑增大0.05～0.2mm左右，有的有不同程度的磨口出現(xiàn)。流量偏小或無(wú)流量的噴嘴，主要是被灰黃色固體物質(zhì)及黑色固體物質(zhì)堵塞造成的[4-6]。

1.1 檢修期間拆卸的霧化噴嘴內(nèi)堵塞物的分析

2014年檢維修期間，MTP反應(yīng)器拆卸的霧化噴嘴內(nèi)，獲取到灰黃色粉末和黑色粉末堵塞物。利用XRF和灰分分析儀，進(jìn)一步分析上述兩種堵塞物。表1是檢維修期間MTP反應(yīng)器拆卸的霧化噴嘴內(nèi)獲取的堵塞物組分，采用ZSXprimus型熒光光譜儀分析所得的元素組成。由表1可知，MTP內(nèi)灰黃色堵塞物的主要成分是Al2O3、SiO2、Cr2O3和Fe2O3，其含量分別為 55.24wt%、3.27wt%、12.27wt%和23.73wt%，占總量的94.51wt%。結(jié)合工藝分析，F(xiàn)e2O3和Cr2O3可能來(lái)源于反應(yīng)器前段過(guò)濾器、換熱器或工藝管線腐蝕生成的鐵銹等；而Al2O3和SiO2可能來(lái)自于DME反應(yīng)器內(nèi)破碎的γ-Al2O3和SiO2，隨側(cè)線冷態(tài)液相管線經(jīng)分布器流入霧化噴嘴。黑色堵塞物的主要成分為Al2O3、SiO2、Cr2O3和Fe2O3，其含量依次為 10.67wt%、5.16wt%、26.62wt%和47.66wt%，占總量的90.11wt%。

用XKMF-2000灰（揮發(fā)）分測(cè)定儀，在800℃的條件下焙燒含碳類有機(jī)化合物，結(jié)果見(jiàn)表2。經(jīng)過(guò)燒炭分析后發(fā)現(xiàn)，灰黃色堵塞物的灼燒減量為18.75wt%，黑色堵塞物灼燒減量為86.29wt%。結(jié)合工藝分析，灰黃色堵塞物的有機(jī)碳化合物可能來(lái)源于反應(yīng)器外，黑色堵塞物的有機(jī)碳化合物可能來(lái)源于MTP反應(yīng)生成物的富集。

表1 檢維修期間MTP反應(yīng)器拆卸的霧化噴嘴內(nèi)獲取的堵塞物組分分析數(shù)據(jù)

表2 堵塞物燒失量分析數(shù)據(jù)

1.2 降低霧化噴嘴檢維修頻次及數(shù)量的方案

在MTP反應(yīng)器長(zhǎng)周期運(yùn)行過(guò)程中，由于霧化噴嘴側(cè)線液相反應(yīng)物料中可能含有微小的固體顆粒，液相進(jìn)料過(guò)濾器的過(guò)濾效果不理想，直接導(dǎo)致霧化噴嘴液相進(jìn)料孔堵塞，造成冷態(tài)反應(yīng)物分布不均，進(jìn)而影響到對(duì)應(yīng)催化床層的溫度調(diào)控。改進(jìn)過(guò)濾器在線服務(wù)效能，提高過(guò)濾效率，降低固體顆粒物在液相物料中的含量，可降低對(duì)霧化噴嘴的磨蝕及減少大顆粒固體物料阻塞噴嘴內(nèi)徑的幾率。

開(kāi)發(fā)新型霧化噴嘴，拓寬噴嘴內(nèi)徑，在保證霧化效果的前提下可提升霧化噴嘴的抗堵塞性能。同時(shí)升級(jí)噴嘴內(nèi)徑材質(zhì)，可提升噴嘴的抗磨蝕性能。如圖1所示，新開(kāi)發(fā)的霧化噴嘴結(jié)構(gòu)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1）修改旋流槽的結(jié)構(gòu)與尺寸（旋流孔數(shù)量、旋流槽寬、槽深）；2）增加氣孔用于促進(jìn)液相反應(yīng)物的霧化效果；3）擴(kuò)大液相出料口孔尺寸，將液相反應(yīng)物進(jìn)料孔設(shè)計(jì)為文丘里管狀孔，用于降低噴嘴的堵塞；4）選用耐磨蝕材質(zhì)用于延緩液相反應(yīng)物中固體顆粒對(duì)液相孔的磨蝕。詳細(xì)的設(shè)計(jì)加工過(guò)程將在相關(guān)的文章中專題報(bào)告。

圖1 新型霧化噴嘴的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖

2 膨脹節(jié)運(yùn)行現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

2014年神寧集團(tuán)烯烴公司丙烯一車間A反、B反和C反內(nèi)的膨脹節(jié)更換量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為：R-60151A檢修3次，膨脹節(jié)更換率依次為12%、50%和9%；R-60151B檢修3次，膨脹節(jié)更換率依次為21%、28%和13%；R-60151C檢修3次，膨脹節(jié)更換率依次為9%、33%和30%。

2.1 膨脹節(jié)斷裂及復(fù)位困難原因分析

圖2為MTP反應(yīng)器分布器的拆卸示意圖。如圖所示，分布器內(nèi)選用的膨脹節(jié)存在如下技術(shù)缺陷：1）膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，此結(jié)構(gòu)為內(nèi)外套筒嵌套式，且外套筒尺寸較短，當(dāng)拉伸長(zhǎng)度超過(guò)10mm時(shí)，膨脹節(jié)軸向定位環(huán)直接被拉出套筒；2）隨著床層溫度升高，液相管在升溫過(guò)程中受到非軸向的拉伸力作用，使得液相管變形彎折，間接導(dǎo)致膨脹節(jié)中的定位環(huán)可能會(huì)扣在外套筒處而不能回位；3）經(jīng)過(guò)多周期升溫-降溫-升溫疲勞運(yùn)行后，膨脹節(jié)易拉斷，或者破壞位于液相管與氣相管交叉處的焊縫。

圖2 MTP反應(yīng)器分布器拆卸示意圖

2.2 降低膨脹節(jié)更換維修工作量的方案

薄壁波紋管膨脹節(jié)雖能高效地緩解熱應(yīng)力產(chǎn)生的形變，但拉伸剛度較低，抗高溫疲勞壽命不足。膨脹節(jié)外部套筒是保障軸向形變復(fù)位的有效手段，但變形量大且與軸向有一定位移后，復(fù)位就無(wú)法實(shí)現(xiàn)。通過(guò)優(yōu)化軸向定位筒長(zhǎng)度，焊接過(guò)程中嚴(yán)格對(duì)中等手段，可使膨脹節(jié)更換維修率有所降低，但要從根本上解決膨脹節(jié)斷裂的問(wèn)題，需要重新設(shè)計(jì)螺旋繞管替代膨脹節(jié)。螺旋繞管壁厚增大，拉伸剛度顯著增加，抗高溫疲勞壽命延長(zhǎng)。初步核算螺旋繞管總長(zhǎng)度為560mm，外徑54mm，共12圈，采用不銹鋼321管材質(zhì)，詳細(xì)的設(shè)計(jì)加工過(guò)程將在后續(xù)的文章中專題報(bào)告。

3 結(jié)論

MTP反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件檢修更換頻繁，主要原因一是霧化噴嘴磨蝕偏流或被炭黑、Al2O3、SiO2、Cr2O3和Fe2O3組成的灰黃色或黑色固體物質(zhì)堵塞；二是膨脹節(jié)斷裂，由于薄壁膨脹節(jié)與軸向套管偏心無(wú)法復(fù)位或者膨脹節(jié)長(zhǎng)期熱應(yīng)力變形累積，金屬疲勞導(dǎo)致應(yīng)力撕裂。通過(guò)加強(qiáng)進(jìn)料過(guò)濾及提高焊接組裝質(zhì)量，可以緩解檢維修頻繁現(xiàn)狀，但要從根本上解決上述問(wèn)題，需要開(kāi)發(fā)新型霧化噴嘴，設(shè)計(jì)合適的螺旋繞管替代膨脹節(jié)。

[1] 王科，李楊，陳鵬.甲醇制丙烯工藝及催化劑技術(shù)研究新進(jìn)展[J].天然氣化工（C1化學(xué)與化工），2009，34(5)：63-68.

[2] 王林，嚴(yán)國(guó)輝，雍曉靜. 煤基甲醇制丙烯工業(yè)裝置運(yùn)行問(wèn)題探討[J]. 煤化工，2014，42(2)：43-46.

[3] 張偉，張堃，雍曉靜，等.煤基MTP裝置丙烯收率下降原因分析[J]. 當(dāng)代化工，2014，43(6)：900-903.

[4] 莊壯，匡建平，雍曉靜，等. 甲醇制丙烯（MTP）反應(yīng)器噴嘴霧化性能研究[J].化工進(jìn)展，2016，35(s1)：121-124.

[5] 莊壯，匡建平，雍曉靜，等.不同液相孔徑對(duì)MTP反應(yīng)器噴嘴霧化性能的影響[J].天然氣化工（C1化學(xué)與化工），2016，41(6)：78-83.

[6] 蘇慧，莊壯，雍曉靜.甲醇制丙烯（MTP）反應(yīng)器霧化噴嘴堵塞原因探析[J].石油化工應(yīng)用，2017，36(1)：111-113.

Causes Analysis for High Maintenance and Replacement of Internals in MTP Reactor

YONG Xiaojing1, ZHUANG Zhuang1, SU Hui1, LUO Taochun1, KUANG Jianpingg1,2, LIANG Jian2
(1. R＆D Center of Coal Chemical Industry Company of Shenhua Ningxia Coal Industry Group Co., Ltd., Yinchuan 750411, China;2. 711 Research Institute of China Shipbuilding Industry Corporation, Shanghai 201108, China)

TQ 221.21+2；TQ 0052.5

B

1671-9905(2017)09-0054-03

寧夏回族自治區(qū)寧東能源化工基地科技創(chuàng)新項(xiàng)目（2014NDKJ100）；國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目（2015DFA40660）

雍曉靜（1978-），女，寧夏銀川人，碩士研究生，工程師，主要從事MTP催化轉(zhuǎn)化過(guò)程研究，yongxiaojing@nxmy.com

2017-06-16