固定床MTP反應(yīng)器一級(jí)進(jìn)料線的改進(jìn)設(shè)置探析

潘旭明，胡 毅，關(guān) 曉

(中石化寧波工程有限公司工藝系統(tǒng)室，浙江 寧波 315103)

丙烯是用量?jī)H次于乙烯的烯烴，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，丙烯的需求量逐年上升。傳統(tǒng)的石油路線往往使得丙烯生產(chǎn)處于乙烯生產(chǎn)的從屬地位[1]，并且嚴(yán)重依賴于石油資源，因此，世界上許多石油或化工企業(yè)院所紛紛致力于開(kāi)發(fā)非石油資源生產(chǎn)低碳烯烴的技術(shù)，以煤基合成的甲醇為原料生產(chǎn)低碳烯烴(MTP、MTO)的工藝技術(shù)日益受到關(guān)注。

甲醇是C1化學(xué)的基礎(chǔ)。目前世界上唯一的甲醇合成方法是通過(guò)合成氣(CO + H2)合成甲醇[2]。生產(chǎn)合成甲醇的合成氣的原料可以是煤、渣油、天然氣等。當(dāng)前，煤制甲醇的技術(shù)及其應(yīng)用都發(fā)展迅速。

現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)蓬勃興起，其中煤制甲醇、甲醇制烯烴(乃至聚烯烴)工業(yè)基于煤炭的廉價(jià)易得和烯烴(或聚烯烴)的旺盛需求更是獲得了政府和產(chǎn)學(xué)界的高度重視。目前，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的甲醇制烯烴技術(shù)有UOPHydro 的MTO工藝和中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所的DMTO技術(shù)、中石化上海石油化工研究院的S-MTO技術(shù)及德國(guó)的Lurgi MTP 工藝[3]。MTO、DMTO及S-MTO技術(shù)均以低碳烯烴為目標(biāo)產(chǎn)物，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高選擇性生產(chǎn)丙烯的目標(biāo)，而MTP技術(shù)以生產(chǎn)丙烯為主，且已在國(guó)內(nèi)工業(yè)化，實(shí)現(xiàn)了以煤為原料高選擇性的生產(chǎn)丙烯的目標(biāo)，且適合我國(guó)多煤少油的情況，是滿足我國(guó)丙烯需求快速增長(zhǎng)的理想方案。

由上可見(jiàn)，煤制甲醇、甲醇制丙烯(MTP)乃至丙烯聚合已經(jīng)成為具有可行性和競(jìng)爭(zhēng)力的現(xiàn)代煤化工技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。

MTP反應(yīng)器所裝催化劑為改性的ZSM-5沸石催化劑，共裝設(shè)6層催化劑，床層厚度逐層增加。ZSM-5分子篩催化劑特有的MFI拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、反應(yīng)擇形性、穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)、適宜的酸活性位、較小的孔結(jié)構(gòu)(致使丙烯選擇性高)、較高的比表面積使其在MTP反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能，并實(shí)現(xiàn)了很好的工業(yè)化應(yīng)用[4]。當(dāng)MTP反應(yīng)器的CH3OH-DME轉(zhuǎn)化率低于90%時(shí)，可以對(duì)MTP催化劑進(jìn)行再生乃至更換，一般每運(yùn)行500～600 h就必須再生，催化劑的使用壽命為7000～8000 h。

1 MTP反應(yīng)器一級(jí)進(jìn)料線存在問(wèn)題分析及改進(jìn)目標(biāo)

甲醇制丙烯(MTP)是煤制丙烯的核心，而MTP反應(yīng)器是MTP的核心，故改進(jìn)MTP反應(yīng)器的相關(guān)設(shè)計(jì)、優(yōu)化MTP反應(yīng)器的操作性能、降低MTP反應(yīng)器的操作成本對(duì)于煤制丙烯乃至聚丙烯的整條生產(chǎn)線而言都十分重要。

MTP技術(shù)采用的反應(yīng)器為3臺(tái)六級(jí)絕熱式固定床反應(yīng)器，2個(gè)在線運(yùn)行、1個(gè)在線再生，確保生產(chǎn)的連續(xù)性和催化劑的活性。MTP反應(yīng)器共六級(jí)進(jìn)料，其中頂部進(jìn)料為一級(jí)進(jìn)料，側(cè)線五股進(jìn)料依次為二到六級(jí)進(jìn)料[5]。

基于提高M(jìn)TP反應(yīng)的增產(chǎn)降耗或改善MTP反應(yīng)器的操作性能，文獻(xiàn)報(bào)道了很多MTP反應(yīng)器操作和設(shè)計(jì)的改進(jìn)和優(yōu)化，如改善進(jìn)料霧化噴嘴和液相膨脹節(jié)[5]、降低工藝蒸汽中Na+含量[6]、改良MTP催化劑及其它常見(jiàn)問(wèn)題的改進(jìn)。下文述及有關(guān)MTP固定床反應(yīng)器一級(jí)進(jìn)料線具體設(shè)置的問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題對(duì)生產(chǎn)的影響也很大。

1.1 MTP固定床反應(yīng)器一級(jí)進(jìn)料線的設(shè)置

MTP技術(shù)及其現(xiàn)有運(yùn)行裝置的MTP固定床反應(yīng)器一級(jí)進(jìn)料線系統(tǒng)如圖1所示。來(lái)自MTP頂部進(jìn)料加熱爐的物料經(jīng)過(guò)流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量并節(jié)流至約460℃以上后，進(jìn)到MTP反應(yīng)器第1床層頂部[7]。一級(jí)進(jìn)料線采用中壓蒸汽(3.5 MPaG、245℃)伴管伴熱。

圖1 MTP固定床反應(yīng)器一級(jí)進(jìn)料線系統(tǒng)

Fig.1 The first feeding stream of MTP fixed bed reactor

1.2 MTP固定床反應(yīng)器一級(jí)進(jìn)料線存在的問(wèn)題

在采用上述一級(jí)進(jìn)料線系統(tǒng)設(shè)置的狀況下，我國(guó)北方某煤化工廠的MTP裝置在近年來(lái)的運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)了以下問(wèn)題：MTP反應(yīng)器再生期間，再生反應(yīng)器頂部一級(jí)進(jìn)料線上的隔離盲板上游的管內(nèi)物料(運(yùn)行期間溫度達(dá)460℃以上)由于溫度逐漸降低而發(fā)生(部分)冷凝，該再生反應(yīng)器在切換至運(yùn)行狀態(tài)的過(guò)程中，這部分冷凝液得不到(充分)氣化，以液態(tài)隨著一級(jí)進(jìn)料氣進(jìn)入反應(yīng)器，沖擊催化劑床層，影響反應(yīng)進(jìn)行，甚至因熱催化劑與液相直接接觸造成催化劑熱崩粉碎事故。正常周期和正常壽命內(nèi)，MTP催化劑床層結(jié)構(gòu)與性質(zhì)如發(fā)生問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致停反應(yīng)器以更換催化劑，造成催化劑損失并影響生產(chǎn)時(shí)數(shù)。

1.3 MTP固定床反應(yīng)器一級(jí)進(jìn)料線的改進(jìn)目標(biāo)

針對(duì)上述裝置現(xiàn)場(chǎng)所出現(xiàn)的問(wèn)題，有必要對(duì)MTP固定床反應(yīng)器一級(jí)進(jìn)料線的設(shè)置加以分析及改進(jìn)，以達(dá)到避免一級(jí)進(jìn)料氣中夾帶液體進(jìn)入反應(yīng)器、保護(hù)催化劑床層、維持反應(yīng)的穩(wěn)定均勻和產(chǎn)品的收率等目的。

2 改進(jìn)MTP反應(yīng)器一級(jí)進(jìn)料線設(shè)置的三種方案探討

本文闡述的問(wèn)題核心就是MTP反應(yīng)器再生期間，其一級(jí)進(jìn)料線在用盲板隔離出來(lái)以后，溫度降低而出現(xiàn)冷凝液。為此，從MTP固定床反應(yīng)器一級(jí)進(jìn)料線系統(tǒng)的設(shè)置及操作方法等角度出發(fā)，提出三種改進(jìn)MTP反應(yīng)器一級(jí)進(jìn)料線設(shè)置的方案，供工程設(shè)計(jì)或現(xiàn)有裝置的技術(shù)改造參考。

2.1 方案一

維持(現(xiàn)有技術(shù)的)蒸汽伴熱的設(shè)置(見(jiàn)圖1中的雙點(diǎn)劃線框內(nèi)部分)，但必須提高伴熱系統(tǒng)安裝質(zhì)量并加強(qiáng)伴熱系統(tǒng)的檢修維護(hù)。

蒸汽伴熱系統(tǒng)由于安裝質(zhì)量、檢修維護(hù)等各種因素，往往很難發(fā)揮100%的伴熱效果，這對(duì)一些關(guān)鍵性、敏感性的工藝物流點(diǎn)而言，容易或小或大的影響生產(chǎn)乃至安全。對(duì)于MTP反應(yīng)器于再生期間的一級(jí)進(jìn)料線內(nèi)的物料狀態(tài)變化而言，蒸汽伴熱系統(tǒng)的伴熱效果就顯得十分重要。正常情況下，如果3.5 MPaG、245℃的中壓飽和蒸汽在伴熱管中全負(fù)荷的流動(dòng)、及時(shí)疏走伴管內(nèi)蒸汽冷凝液并完全發(fā)揮伴熱效果的話，雖然460℃以上的一級(jí)進(jìn)料線內(nèi)的物料的溫度仍會(huì)逐漸降低，但是在工藝物料的組成、壓力下通過(guò)模擬計(jì)算可以得知，當(dāng)工藝物料溫度降至215℃(即，比伴熱中壓飽和蒸汽溫度245℃低30℃)時(shí)，不會(huì)有液相被冷凝下來(lái)進(jìn)而影響到該再生反應(yīng)器的下一次投用。因此，只要按照《SH/T 3040-2012 石油化工管道伴管和夾套管設(shè)計(jì)規(guī)范》來(lái)設(shè)計(jì)一級(jí)進(jìn)料線的伴管及保溫層、提高伴熱系統(tǒng)安裝質(zhì)量并加強(qiáng)伴熱系統(tǒng)的檢修維護(hù)，應(yīng)可以解決問(wèn)題。

2.2 方案二

圖2 設(shè)保溫、不設(shè)蒸汽伴熱(方案二)或設(shè)蒸汽伴熱(方案三)，同時(shí)設(shè)置導(dǎo)淋管線一級(jí)進(jìn)料線系統(tǒng)

Fig.2 The first feeding stream with thermal insulation layer and without steam tracing(solution 2)

or with steam tracing(solution 3),and simultaneously with drain

設(shè)保溫、不設(shè)蒸汽伴熱，同時(shí)設(shè)置導(dǎo)淋管線以排出冷凝液。

由于蒸汽伴熱系統(tǒng)經(jīng)常很難發(fā)揮較好的伴熱效果；加上對(duì)于MTP反應(yīng)器一級(jí)進(jìn)料線系統(tǒng)(圖2中的雙點(diǎn)劃線框內(nèi)部分)而言，管線長(zhǎng)度不大(最長(zhǎng)路徑時(shí)，管長(zhǎng)約50m)；同時(shí)為了與方案一和下述方案三進(jìn)行對(duì)比，方案二不妨只考慮給一級(jí)進(jìn)料線系統(tǒng)設(shè)置保溫層而不設(shè)蒸汽伴管，同時(shí)在四個(gè)一級(jí)進(jìn)料分支線上的切斷閥前分別設(shè)置導(dǎo)淋管線及導(dǎo)淋閥，四根導(dǎo)淋管線的出口匯總以后，就近接至二甲醚反應(yīng)器流出物過(guò)濾器附近高壓火炬管線上，另在四個(gè)導(dǎo)淋閥后分別設(shè)置低壓氮?dú)獯祾吖芫€以防止導(dǎo)淋管線的積液和凍結(jié)。詳細(xì)的設(shè)置見(jiàn)圖2。

該方案在操作時(shí)，再生完畢的反應(yīng)器在進(jìn)行投料切換之前，應(yīng)先打開(kāi)四個(gè)導(dǎo)淋閥，排掉一級(jí)進(jìn)料線中的可能積存的冷凝液，保證一級(jí)進(jìn)料以完全氣相狀態(tài)進(jìn)到反應(yīng)器頂部。

2.3 方案三

設(shè)蒸汽伴熱，同時(shí)設(shè)置導(dǎo)淋管線以排出冷凝液。

方案三系根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，給MTP反應(yīng)器一級(jí)進(jìn)料線系統(tǒng)設(shè)置蒸汽伴管和保溫層；同時(shí)在跟方案二相同的位置設(shè)置同樣的一套導(dǎo)淋及吹掃系統(tǒng)。方案三也即為在方案二的基礎(chǔ)上增設(shè)蒸汽伴管。詳細(xì)的設(shè)置見(jiàn)上圖(圖2)。

3 三種方案對(duì)比

對(duì)于固定床MTP反應(yīng)器再生期間，一級(jí)進(jìn)料線隔離盲板上游管道內(nèi)的物料發(fā)生(部分)冷凝而影響其再次投用的問(wèn)題，上文提出了三種解決方案。下面對(duì)這三種方案的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分析和對(duì)比。

3.1 三種方案的投資情況

方案一僅涉及一點(diǎn)伴熱管及附件，所需投資(約7.50萬(wàn)元)最??；方案三所用材料系方案一和方案二的疊加，當(dāng)然其所需的投資(約27.79萬(wàn)元)最多；方案二所用材料為導(dǎo)淋管道、氮?dú)獯祾吖艿兰案郊?，所需投資(約20.29萬(wàn)元)也比較多。上述投資是基于3臺(tái)MTP反應(yīng)器的“一級(jí)進(jìn)料線系統(tǒng)(并包含4根一級(jí)進(jìn)料支線)”，并采用最新的主要材料價(jià)格、安裝工程費(fèi)算法統(tǒng)計(jì)得到的。然而，拋開(kāi)對(duì)比，各個(gè)方案的投資額都低于100萬(wàn)元，不論是在工程設(shè)計(jì)中還是在技術(shù)改造中，都屬于小投入。

3.2 三種方案的消耗情況

為了簡(jiǎn)單明了且便于比較，消耗情況涉及的時(shí)間和范圍考慮為：?jiǎn)闻_(tái)MTP反應(yīng)器再生期間(再生持續(xù)時(shí)間按7天考慮)的一級(jí)進(jìn)料線系統(tǒng)(圖1和圖2中的雙點(diǎn)劃線框內(nèi)部分)。另外，三種方案的消耗都隨著環(huán)境溫度的降低而增大，為了最大化消耗情況和統(tǒng)一對(duì)比基準(zhǔn)，以下對(duì)比基于(上文提及的北方某廠的)極端最低環(huán)境溫度-39.8℃。

表1 三種方案的消耗

對(duì)于方案一，消耗了中壓飽和蒸汽(全負(fù)荷)并產(chǎn)出了蒸汽冷凝液(全負(fù)荷)；對(duì)于方案二，消耗(外排至火炬)了液相工藝物料(組成約為運(yùn)行期間一級(jí)進(jìn)料氣總物料組成；量約為運(yùn)行期間一級(jí)進(jìn)料氣狀態(tài)下，上文提及的消耗涉及范圍內(nèi)的總物料量)并向環(huán)境放出了熱量(顯熱和潛熱)，即方案二大約消耗了消耗涉及范圍內(nèi)的運(yùn)行期間一級(jí)進(jìn)料氣狀態(tài)下的總物料；對(duì)于方案三，消耗情況可能同方案一，也可能同方案二，也可能是方案一和方案二之間的任何情況。三種方案的消耗見(jiàn)表1。

從表1中的標(biāo)準(zhǔn)油消耗量可以得知，方案一只消耗伴熱中壓飽和蒸汽，消耗最大；方案二只消耗工藝?yán)淠?，消耗最??；而方案三因其系統(tǒng)設(shè)置為前兩個(gè)方案的結(jié)合，其消耗介于前兩個(gè)方案之間。

3.3 三種方案的技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比

由上文對(duì)比分析可知，三種方案的投資、消耗均有所不同。除此以外，三種方案在操作性能、其它操作費(fèi)用(操作人力投入、檢修維護(hù)投入)、潛在經(jīng)濟(jì)效益(對(duì)催化劑床層的保護(hù)、反應(yīng)穩(wěn)定均勻性、產(chǎn)品收率等)等方面也各有特點(diǎn)。將三種方案的技術(shù)特點(diǎn)列于表2。

表2 三種方案的技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比

注1：蒸汽伴熱系統(tǒng)檢維頻次高。

注2：蒸汽伴熱系統(tǒng)運(yùn)行良好的時(shí)期，采用蒸汽伴熱方法，否則可采用導(dǎo)淋并吹掃方法。

從表2可以看出，三種固定床MTP反應(yīng)器一級(jí)進(jìn)料線的改進(jìn)設(shè)置方案都是可行的。方案三投資最大，但是從消耗、操作性能、其它操作費(fèi)用及潛在經(jīng)濟(jì)效益等角度看，都屬于中上水平，應(yīng)屬于最佳改進(jìn)設(shè)置方案，也就是說(shuō)，稍微追加點(diǎn)投資，改進(jìn)設(shè)置，就可以收到良好的操作性能和操作靈活性，潛在經(jīng)濟(jì)效益好，并且在消耗、其它操作費(fèi)用等方面也具有一定的優(yōu)勢(shì)。方案二的消耗及其它操作費(fèi)用最低，投資中等，操作性能好但不具有操作靈活性，潛在經(jīng)濟(jì)效益好，屬于中等改進(jìn)設(shè)置方案。方案一的投資最小，潛在經(jīng)濟(jì)效益好，但是消耗及其它操作費(fèi)用最高，操作性能最差，屬于最差改進(jìn)設(shè)置方案。

需要注意的是，一級(jí)進(jìn)料線運(yùn)行溫度達(dá)460℃以上，屬于高溫應(yīng)力管線，熱位移較大，所以對(duì)于方案二和方案三而言，在導(dǎo)淋管及其低壓氮?dú)獯祾吖芟到y(tǒng)的設(shè)計(jì)及安裝中，需要注意考慮此熱位移因素，方能確保該改進(jìn)設(shè)置的有效及安全投用。

另外，方案二、三下，應(yīng)將導(dǎo)淋管及其低壓氮?dú)獯祾吖芟到y(tǒng)跟主體工程同等對(duì)待，考慮到需要人為的經(jīng)常性的操作導(dǎo)淋和吹掃閥門(mén)，應(yīng)在固定和移動(dòng)有毒檢測(cè)的設(shè)計(jì)上，顧及到這些操作點(diǎn)、泄漏點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

采用上文提出的三種方案的其中一種對(duì)固定床MTP反應(yīng)器一級(jí)進(jìn)料線的設(shè)置加以改進(jìn)，可以避免再生反應(yīng)器于再次投料時(shí)，一級(jí)進(jìn)料氣中夾帶液體進(jìn)入反應(yīng)器，從而保護(hù)了催化劑床層并維持了反應(yīng)的穩(wěn)定均勻和產(chǎn)品的收率。由于MTP催化劑的再生乃至更換較為頻繁，提出的方案應(yīng)考慮到擁有好的(與MTP催化劑的再生乃至更換配套的)操作方便性。從投資、操作費(fèi)用、操作性能、改進(jìn)設(shè)置的效果、潛在經(jīng)濟(jì)效益等多方面看，三種方案中，方案三為最佳改進(jìn)設(shè)置方案。文中提出的問(wèn)題及方案雖然為MTP裝置的一個(gè)細(xì)節(jié)，且其牽涉到的投資、消耗等相比整個(gè)MTP裝置而言都十分微小，但是其涉及到

的潛在經(jīng)濟(jì)效益大(避免了催化劑床層受到液體瞬時(shí)強(qiáng)力沖擊)，應(yīng)加以重視。

我國(guó)北方地區(qū)天氣寒冷、風(fēng)力大，蒸汽伴熱系統(tǒng)的消漏等檢修維護(hù)頻次高、成本高，致使蒸汽伴熱系統(tǒng)的操作性能差，很難起到高效伴熱作用。而北方地區(qū)恰恰又是富煤、大產(chǎn)煤量的地區(qū)，聚集了大量的煤化工企業(yè)，當(dāng)前運(yùn)行中的MTP裝置都在北方。本文提出的MTP固定床反應(yīng)器一級(jí)進(jìn)料線系統(tǒng)存在的問(wèn)題是普遍存在的，北方地區(qū)尤其突出，給出相應(yīng)解決方案是十分必要的。上文提及的北方某廠的MTP裝置出現(xiàn)的問(wèn)題及針對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題所做的技術(shù)改造乃至技改后收到的效果都表明了提出上述問(wèn)題及方案有必要性。

本文論及的這個(gè)問(wèn)題的特征有：反應(yīng)器的進(jìn)料管內(nèi)的工藝物料系高溫氣相工藝物料；反應(yīng)器為周期性操作(切入運(yùn)行-切出再生-切入運(yùn)行)；管內(nèi)的工藝物料在(切出再生期間的)非流動(dòng)狀況下由伴熱效果不好而導(dǎo)致降溫且發(fā)生(部分)冷凝。對(duì)于很多采用絕熱式固定床(或移動(dòng)床)反應(yīng)器的工藝裝置和產(chǎn)品的反應(yīng)器而言，如Lurgi MTP、MTO(甲醇制烯烴)、PDH(丙烷脫氫)等，都有上述特征。因此，本文對(duì)這些裝置的反應(yīng)器的進(jìn)料系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)或技術(shù)改造而言均具有提示和參考意義。