固定床MTP反應器一級進料線的改進設置探析

潘旭明，胡 毅，關 曉

(中石化寧波工程有限公司工藝系統室，浙江 寧波 315103)

丙烯是用量僅次于乙烯的烯烴，隨著我國經濟的發展，丙烯的需求量逐年上升。傳統的石油路線往往使得丙烯生產處于乙烯生產的從屬地位[1]，并且嚴重依賴于石油資源，因此，世界上許多石油或化工企業院所紛紛致力于開發非石油資源生產低碳烯烴的技術，以煤基合成的甲醇為原料生產低碳烯烴(MTP、MTO)的工藝技術日益受到關注。

甲醇是C1化學的基礎。目前世界上唯一的甲醇合成方法是通過合成氣(CO + H2)合成甲醇[2]。生產合成甲醇的合成氣的原料可以是煤、渣油、天然氣等。當前，煤制甲醇的技術及其應用都發展迅速。

現代煤化工產業蓬勃興起，其中煤制甲醇、甲醇制烯烴(乃至聚烯烴)工業基于煤炭的廉價易得和烯烴(或聚烯烴)的旺盛需求更是獲得了政府和產學界的高度重視。目前，已經實現工業化的甲醇制烯烴技術有UOPHydro 的MTO工藝和中國科學院大連化學物理研究所的DMTO技術、中石化上海石油化工研究院的S-MTO技術及德國的Lurgi MTP 工藝[3]。MTO、DMTO及S-MTO技術均以低碳烯烴為目標產物，無法實現高選擇性生產丙烯的目標，而MTP技術以生產丙烯為主，且已在國內工業化，實現了以煤為原料高選擇性的生產丙烯的目標，且適合我國多煤少油的情況，是滿足我國丙烯需求快速增長的理想方案。

由上可見，煤制甲醇、甲醇制丙烯(MTP)乃至丙烯聚合已經成為具有可行性和競爭力的現代煤化工技術和產業的重要組成部分。

MTP反應器所裝催化劑為改性的ZSM-5沸石催化劑，共裝設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拓撲結構、反應擇形性、穩定的骨架結構、適宜的酸活性位、較小的孔結構(致使丙烯選擇性高)、較高的比表面積使其在MTP反應中表現出優異的催化性能，并實現了很好的工業化應用[4]。當MTP反應器的CH3OH-DME轉化率低于90%時，可以對MTP催化劑進行再生乃至更換，一般每運行500～600 h就必須再生，催化劑的使用壽命為7000～8000 h。

1 MTP反應器一級進料線存在問題分析及改進目標

甲醇制丙烯(MTP)是煤制丙烯的核心，而MTP反應器是MTP的核心，故改進MTP反應器的相關設計、優化MTP反應器的操作性能、降低MTP反應器的操作成本對于煤制丙烯乃至聚丙烯的整條生產線而言都十分重要。

MTP技術采用的反應器為3臺六級絕熱式固定床反應器，2個在線運行、1個在線再生，確保生產的連續性和催化劑的活性。MTP反應器共六級進料，其中頂部進料為一級進料，側線五股進料依次為二到六級進料[5]。

基于提高MTP反應的增產降耗或改善MTP反應器的操作性能，文獻報道了很多MTP反應器操作和設計的改進和優化，如改善進料霧化噴嘴和液相膨脹節[5]、降低工藝蒸汽中Na+含量[6]、改良MTP催化劑及其它常見問題的改進。下文述及有關MTP固定床反應器一級進料線具體設置的問題，這個問題對生產的影響也很大。

1.1 MTP固定床反應器一級進料線的設置

MTP技術及其現有運行裝置的MTP固定床反應器一級進料線系統如圖1所示。來自MTP頂部進料加熱爐的物料經過流量調節閥調節流量并節流至約460℃以上后，進到MTP反應器第1床層頂部[7]。一級進料線采用中壓蒸汽(3.5 MPaG、245℃)伴管伴熱。

圖1 MTP固定床反應器一級進料線系統

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

1.2 MTP固定床反應器一級進料線存在的問題

在采用上述一級進料線系統設置的狀況下，我國北方某煤化工廠的MTP裝置在近年來的運行過程中出現了以下問題：MTP反應器再生期間，再生反應器頂部一級進料線上的隔離盲板上游的管內物料(運行期間溫度達460℃以上)由于溫度逐漸降低而發生(部分)冷凝，該再生反應器在切換至運行狀態的過程中，這部分冷凝液得不到(充分)氣化，以液態隨著一級進料氣進入反應器，沖擊催化劑床層，影響反應進行，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，MTP催化劑床層結構與性質如發生問題，嚴重時可能導致停反應器以更換催化劑，造成催化劑損失并影響生產時數。

1.3 MTP固定床反應器一級進料線的改進目標

針對上述裝置現場所出現的問題，有必要對MTP固定床反應器一級進料線的設置加以分析及改進，以達到避免一級進料氣中夾帶液體進入反應器、保護催化劑床層、維持反應的穩定均勻和產品的收率等目的。

2 改進MTP反應器一級進料線設置的三種方案探討

本文闡述的問題核心就是MTP反應器再生期間，其一級進料線在用盲板隔離出來以后，溫度降低而出現冷凝液。為此，從MTP固定床反應器一級進料線系統的設置及操作方法等角度出發，提出三種改進MTP反應器一級進料線設置的方案，供工程設計或現有裝置的技術改造參考。

2.1 方案一

維持(現有技術的)蒸汽伴熱的設置(見圖1中的雙點劃線框內部分)，但必須提高伴熱系統安裝質量并加強伴熱系統的檢修維護。

蒸汽伴熱系統由于安裝質量、檢修維護等各種因素，往往很難發揮100%的伴熱效果，這對一些關鍵性、敏感性的工藝物流點而言，容易或小或大的影響生產乃至安全。對于MTP反應器于再生期間的一級進料線內的物料狀態變化而言，蒸汽伴熱系統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荷的流動、及時疏走伴管內蒸汽冷凝液并完全發揮伴熱效果的話，雖然460℃以上的一級進料線內的物料的溫度仍會逐漸降低，但是在工藝物料的組成、壓力下通過模擬計算可以得知，當工藝物料溫度降至215℃(即，比伴熱中壓飽和蒸汽溫度245℃低30℃)時，不會有液相被冷凝下來進而影響到該再生反應器的下一次投用。因此，只要按照《SH/T 3040-2012 石油化工管道伴管和夾套管設計規范》來設計一級進料線的伴管及保溫層、提高伴熱系統安裝質量并加強伴熱系統的檢修維護，應可以解決問題。

2.2 方案二

圖2 設保溫、不設蒸汽伴熱(方案二)或設蒸汽伴熱(方案三)，同時設置導淋管線一級進料線系統

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

設保溫、不設蒸汽伴熱，同時設置導淋管線以排出冷凝液。

由于蒸汽伴熱系統經常很難發揮較好的伴熱效果；加上對于MTP反應器一級進料線系統(圖2中的雙點劃線框內部分)而言，管線長度不大(最長路徑時，管長約50m)；同時為了與方案一和下述方案三進行對比，方案二不妨只考慮給一級進料線系統設置保溫層而不設蒸汽伴管，同時在四個一級進料分支線上的切斷閥前分別設置導淋管線及導淋閥，四根導淋管線的出口匯總以后，就近接至二甲醚反應器流出物過濾器附近高壓火炬管線上，另在四個導淋閥后分別設置低壓氮氣吹掃管線以防止導淋管線的積液和凍結。詳細的設置見圖2。

該方案在操作時，再生完畢的反應器在進行投料切換之前，應先打開四個導淋閥，排掉一級進料線中的可能積存的冷凝液，保證一級進料以完全氣相狀態進到反應器頂部。

2.3 方案三

設蒸汽伴熱，同時設置導淋管線以排出冷凝液。

方案三系根據現有技術，給MTP反應器一級進料線系統設置蒸汽伴管和保溫層；同時在跟方案二相同的位置設置同樣的一套導淋及吹掃系統。方案三也即為在方案二的基礎上增設蒸汽伴管。詳細的設置見上圖(圖2)。

3 三種方案對比

對于固定床MTP反應器再生期間，一級進料線隔離盲板上游管道內的物料發生(部分)冷凝而影響其再次投用的問題，上文提出了三種解決方案。下面對這三種方案的技術特點進行分析和對比。

3.1 三種方案的投資情況

方案一僅涉及一點伴熱管及附件，所需投資(約7.50萬元)最省；方案三所用材料系方案一和方案二的疊加，當然其所需的投資(約27.79萬元)最多；方案二所用材料為導淋管道、氮氣吹掃管道及附件，所需投資(約20.29萬元)也比較多。上述投資是基于3臺MTP反應器的“一級進料線系統(并包含4根一級進料支線)”，并采用最新的主要材料價格、安裝工程費算法統計得到的。然而，拋開對比，各個方案的投資額都低于100萬元，不論是在工程設計中還是在技術改造中，都屬于小投入。

3.2 三種方案的消耗情況

為了簡單明了且便于比較，消耗情況涉及的時間和范圍考慮為：單臺MTP反應器再生期間(再生持續時間按7天考慮)的一級進料線系統(圖1和圖2中的雙點劃線框內部分)。另外，三種方案的消耗都隨著環境溫度的降低而增大，為了最大化消耗情況和統一對比基準，以下對比基于(上文提及的北方某廠的)極端最低環境溫度-39.8℃。

表1 三種方案的消耗

對于方案一，消耗了中壓飽和蒸汽(全負荷)并產出了蒸汽冷凝液(全負荷)；對于方案二，消耗(外排至火炬)了液相工藝物料(組成約為運行期間一級進料氣總物料組成；量約為運行期間一級進料氣狀態下，上文提及的消耗涉及范圍內的總物料量)并向環境放出了熱量(顯熱和潛熱)，即方案二大約消耗了消耗涉及范圍內的運行期間一級進料氣狀態下的總物料；對于方案三，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。三種方案的消耗見表1。

從表1中的標準油消耗量可以得知，方案一只消耗伴熱中壓飽和蒸汽，消耗最大；方案二只消耗工藝冷凝液，消耗最小；而方案三因其系統設置為前兩個方案的結合，其消耗介于前兩個方案之間。

3.3 三種方案的技術特點對比

由上文對比分析可知，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、其它操作費用(操作人力投入、檢修維護投入)、潛在經濟效益(對催化劑床層的保護、反應穩定均勻性、產品收率等)等方面也各有特點。將三種方案的技術特點列于表2。

表2 三種方案的技術特點對比

注1：蒸汽伴熱系統檢維頻次高。

注2：蒸汽伴熱系統運行良好的時期，采用蒸汽伴熱方法，否則可采用導淋并吹掃方法。

從表2可以看出，三種固定床MTP反應器一級進料線的改進設置方案都是可行的。方案三投資最大，但是從消耗、操作性能、其它操作費用及潛在經濟效益等角度看，都屬于中上水平，應屬于最佳改進設置方案，也就是說，稍微追加點投資，改進設置，就可以收到良好的操作性能和操作靈活性，潛在經濟效益好，并且在消耗、其它操作費用等方面也具有一定的優勢。方案二的消耗及其它操作費用最低，投資中等，操作性能好但不具有操作靈活性，潛在經濟效益好，屬于中等改進設置方案。方案一的投資最小，潛在經濟效益好，但是消耗及其它操作費用最高，操作性能最差，屬于最差改進設置方案。

需要注意的是，一級進料線運行溫度達460℃以上，屬于高溫應力管線，熱位移較大，所以對于方案二和方案三而言，在導淋管及其低壓氮氣吹掃管系統的設計及安裝中，需要注意考慮此熱位移因素，方能確保該改進設置的有效及安全投用。

另外，方案二、三下，應將導淋管及其低壓氮氣吹掃管系統跟主體工程同等對待，考慮到需要人為的經常性的操作導淋和吹掃閥門，應在固定和移動有毒檢測的設計上，顧及到這些操作點、泄漏點。

4 結語

采用上文提出的三種方案的其中一種對固定床MTP反應器一級進料線的設置加以改進，可以避免再生反應器于再次投料時，一級進料氣中夾帶液體進入反應器，從而保護了催化劑床層并維持了反應的穩定均勻和產品的收率。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、操作費用、操作性能、改進設置的效果、潛在經濟效益等多方面看，三種方案中，方案三為最佳改進設置方案。文中提出的問題及方案雖然為MTP裝置的一個細節，且其牽涉到的投資、消耗等相比整個MTP裝置而言都十分微小，但是其涉及到

的潛在經濟效益大(避免了催化劑床層受到液體瞬時強力沖擊)，應加以重視。

我國北方地區天氣寒冷、風力大，蒸汽伴熱系統的消漏等檢修維護頻次高、成本高，致使蒸汽伴熱系統的操作性能差，很難起到高效伴熱作用。而北方地區恰恰又是富煤、大產煤量的地區，聚集了大量的煤化工企業，當前運行中的MTP裝置都在北方。本文提出的MTP固定床反應器一級進料線系統存在的問題是普遍存在的，北方地區尤其突出，給出相應解決方案是十分必要的。上文提及的北方某廠的MTP裝置出現的問題及針對出現的問題所做的技術改造乃至技改后收到的效果都表明了提出上述問題及方案有必要性。

本文論及的這個問題的特征有：反應器的進料管內的工藝物料系高溫氣相工藝物料；反應器為周期性操作(切入運行-切出再生-切入運行)；管內的工藝物料在(切出再生期間的)非流動狀況下由伴熱效果不好而導致降溫且發生(部分)冷凝。對于很多采用絕熱式固定床(或移動床)反應器的工藝裝置和產品的反應器而言，如Lurgi MTP、MTO(甲醇制烯烴)、PDH(丙烷脫氫)等，都有上述特征。因此，本文對這些裝置的反應器的進料系統的工程設計或技術改造而言均具有提示和參考意義。