MTP反应系统设计及相关控制探析

王志斌，王茂立，闫锡军

(1.内蒙古中煤蒙大新能源化工有限公司 ，内蒙古乌审旗 017314;2.中国神华煤制油化工有限公司榆林化工分公司技术部 ，陕西榆林 719000)

甲醇制丙烯(MTP)装置采用德国Lurgi公司的MTP技术，通过MTP反应系统、产品气急冷系统、产品气压缩系统及产品精制系统将168万t/a甲醇转化成46万t/a丙烯产品，同时副产汽油、LPG及乙烯产品［1］。

MTP反应系统为MTP装置的核心，采用ZSM－5大孔分子筛(圆柱形，平均直径3.2 mm，孔容0.3 cm3/g)作为催化剂，固定床反应器，为便于温度控制，反应器为带中间进料的6床层反应器，反应压力0.1～0.2 MPa(a)，反应温度450～480 ℃。

1 工艺过程简介

工艺流程及控制简图请参见图1［2］。

MTP反应器A、B、C顶部进料及中间进料配置是完全一样的，在这里省略B的中间进料，并认为反应器A、B处于反应状态，反应器C处于再生或备用状态。

来自装置外的甲醇经气化过热后首先进入到二甲醚(DME)反应器中，在该反应器中，甲醇转化为DME(在该工艺中，DME反应器甲醇的转化率为80%)，从DME反应器来的DME及甲醇混合物一部分和来自装置自产的工艺蒸汽(148 t/h，单台反应器74 t/h)以及来自装置下游分离单元的循环烃(C2、C4、C5和 C6的混合物，208 t/h，单台反应器104 t/h，与甲醇进料等量)混合后进入到MTP反应器顶部进料加热炉中加热到450℃后分两股分别进入到MTP反应器A、B第一床层，经第一床层反应后，出床层的物料温度大概为480℃。从DME反应器出来的另外一部分物料首先经过DME部分冷凝器，部分冷凝后进入到DME分离器，在DME分离器中气液相分离，其中气相经DME加热器用高压蒸汽加热，经DME加热器后的物料一部分经过加热器的全部管束温度较高，而另外一部分只经过加热气的一半管束温度较低，较高温度和较低物料各分为5股，一股热物流和一股冷物流混合后在反应器相应床层出口温度控制器和混合后物料总管上的流量控制器共同作用下进入到MTP反应器内。MTP反应器的产品(混合烃和蒸汽混和物)经过后续的水冷、压缩及分离得到丙烯、乙烯、LPG、汽油及燃料气产品。

2 MTP反应过程的设计及控制特点探析

2.1 MTP反应设计特点

首先，DME反应器的引入，使甲醇脱水生成DME的反应单独进行(MTP催化剂在反应条件下也可实现此反应过程)，通过此手段降低了MTP反应器内反应释放的热量，从而使MTP反应在较为缓和的条件下进行，以利于 MTP反应系统的稳定运行［3］。

图1 MTP反应器系统简单工艺流程及控制图

其次，MTP 反应在进料设计上从第一层进料至第六层中间进料(甲醇及DME混合物)的量是依次增加的，同时在于MTP反应器内部设计上从第一床层至第六床层催化剂的厚度是依次增加的，这既保证了每床层新鲜甲醇和DME进料的含量基本一致，同时每床层的空速也基本一致，保证了整个反应器系统的同一性。

再者，工艺蒸汽引入到反应系统，MTP反应本身生成水，但是正反应的平衡常数非常大，在反应条件下蒸汽的引入并不会对反应平衡有多大影响，但蒸汽的引入，降低了MTP反应系统烃类的分压，从而有助于低碳烯烃的生成，同时也能在一定程度上抑制焦炭的生成，提高了反应器运行周期，另外由于蒸汽有着比较大的热容，在MTP反应过程温度控制方面也起到了积极的作用;该工艺蒸汽是用来自热电站的中压蒸汽气化装置内反应产生的水而得来的，这就避免外来蒸汽有可能携带来的碱金属以及重金属离子对催化剂不可逆的破坏作用［3－5］。

第四，循环烃的引入，也提高了低碳烯烃的选择性，其歧化生成低碳烯烃的过程是一个吸热过程，另外一方面，由于循环烃的量比较大，和甲醇是等量进入到反应器系统的，这两方面都可以在MTP反应器的温度控制上起到积极的作用［3－5］。

第五，液相进料的引入，DME反应器产品冷凝的液相［主要成分为水，含水78%(质量分数)，其余为甲醇和DME)］，由于水的气化潜热比较大，液相进料进入反应器之后，被上一床层的反应气气化，将消耗大量的热量，在反应温度控制上起着举足轻重的作用。

第六，在每层催化剂顶部都有一层100 mm厚的惰性瓷球覆盖，该层瓷球在MTP反应器中不仅起着压盖催化剂、防止催化剂经长期工艺气冲刷产生沟壑而出现沟流现象外，特别是在2至6床层中，还起着防止液相进料雾化不好可能导致热催化剂与液相水直接接触而致使催化剂热崩粉碎事故的发生这一重要作用。

2.2 MTP反应系统控制特点探析

要说明的一点是，MTP反应器在每床层温度控制上是极其富有特点的，反应器第一床层出口温度仅能靠MTP顶部进料加热炉出口控制，其它床层的温度控制虽最终落实到控制中间进料温度上来实现，但由于中间进料在量上的局限性，并不能完全实现对反应床层出口温度灵敏、有效的控制，在上面也提到，第一床层补入的蒸汽及循环烃以及中间液相进料的引入，虽然看上去和反应器温度控制没有什么关系，但这些进料的引入，对反应温度的控制起着决定性作用，也就是说在MTP反应器温度控制上，这三股物料是粗调，而最终通过中间气相进料温度的控制来细调、精调反应器每床层出口温度，以实现反应器精准维持在450℃(床层入口)至480℃(床层出口)的目标，从而保证反应的转化率、收率以及反应系统的安全性。此两者缺一不可。

其次，两反应器同时运行时，由于两反应器中间进料最终都是流量控制，故在两个反应器顶部进料上做了一些文章，其中一台反应器顶部进料为压控，另外一台反应器顶部进料为流控(见图1，反应器A进料为流控，反应器B进料为压控)，这样的话，在整个MTP进料波动时，流控的反应器不受任何干扰，所有的干扰全部进入到压控反应器一级进料中，这样的话，既保证了MTP反应系统的稳定性，也保证了前工序DME反应器及其进料系统的稳定性，避免一些波动或者物料浪费现象的产生。当然了，这首先要求MTP反应器有一定的惰性，有一定的抗干扰和自适应的能力，另外一方面，也体现出装置设计上所追求的一个动态平衡过程。如果仅有一台反应器运行时，该台反应器的顶部进料可设为压控，同样能够保证整个前工序系统的稳定性。

再者，在反应中间气相进料控制上，通过DME加热器不同位置出来的两股不同温度的气体量的多少来控制气相进料温度的变化，当然，进料温度的变化受相应床层出口温度控制器的控制，同时，还能保证每床层中间气相进料总流量的稳定性。第四，关于DME分离器液位控制，引入功能块LY，LY的功能见图2。

图2 功能块LY的功能

结合MTP反应器中间进料控制，可以清晰地看到，在DME分离器液位稳定在30% ～70%范围内，功能块LY无输出，这就是说，在MTP反应器中间进料流量稳定时，即便DME分离器液位有所波动，这时候会牺牲DME分离器液位的稳定性来保证MTP反应器进料流量的稳定，因为前面也说过，对于MTP反应器中间液相对于反应温度的影响非常大，除非到迫不得已，在反应器稳态情况下尽量不要随意改变MTP反应器液相进料的中间流量。但是另外一方面，如果DME分离器液位过高或过低时(液位高于70%或低于30%)，此时如果情况再恶化，可能会危及到整个反应系统的稳定性，此时，LY将其作用，在液位高于70%时，LY将输出一个负值，在加法器FY的作用下，调节阀将开大，增大进入反应器的流量，从而遏制液位进一步增高，同样，当液位低于30%的时候，LY将输出一个正值，在加法器FY的作用下，调节阀将关小，降低进入反应器的流量，从而会遏制液位的进一步降低。从这方面看，对于仪表控制，一定是要服从于工艺稳定的要求，所以在这里就不能用一个简单的串级控制了。

3 存在问题

①MTP反应器中间进料温度正常运行时一般在230～280℃之间，而DME反应器出口正常运行时温度为380℃，先将380℃的DME和甲醇混合物冷却到154℃之后以得到中间进料液相，然后又用高压蒸汽［8.7 MPa(g)，370℃］将中间进料气相加热到相应进料温度，此过程能耗过高;考虑到中间液相基本上都是水，在保证水质的情况下是否可以使用外部供水作为中间液相进料，而气相可以使用廉价的装置内的工艺水冷却至各级进料温度，从而避免使用高压蒸汽，既避免了高压设备的使用，又降低了装置能耗;②MTP反应器的补入工艺蒸汽量为74 t/h(单台)，该工艺蒸汽为MTP反应产生的水经中压蒸汽［3.5 MPa(g)，210℃］加热气化产生的，此过程也会造成反应系统能耗较高;在实际运行过程中一方面可考虑是否在保证反应收率的前提下降低工艺蒸汽的使用量，另一方面可考虑在保证热电站蒸汽品质的情况下(不含碱金属等)使用外部蒸汽来降低系统的能耗;③MTP反应器中间气相及液相进料在进入反应器后，为了分布及雾化均匀，皆有进料喷嘴，气相喷嘴开口较大，而液相喷嘴开口在1 mm左右，在实际运行过程中即便是经过过滤也很容易被物料中的杂质堵塞，由此容易造成反应器床层局部超温，或雾化不好致使催化剂接触液相而损坏催化剂;有可能的情况下可更换成更适用的液相喷嘴［6］;④液相中间进料虽然有喷嘴可以雾化，但设计过程中，气相进料对于液相有一定的撕裂作用，会使液相雾化更好，故在操作运行中一定要注意先建立反应器中间气相进料，然后建立中间液相进料;⑤MTP反应器直径大概在11 m左右，热电偶的布置数量偏少，不能完全反应床层径向温度分布情况，特别是由于液相喷嘴的不实用，很多情况下会出现床层局部超温，可考虑将某些热电偶换成多点式热电偶，以能更好检测床层的温度分布并利于故障判断。

4 结论

通过实际的运行情况来看，目前MTP反应系统的设计特别是仪表控制系统的设置，完全可以满足MTP装置正常、稳定、连续、安全运行，但是在一些具体细节上可以说有可以改良的空间。

［1］王茂立，张克利.MTP装置丙烯产品带水问题解决方案［J］.广州化工，2012，40(2):121 －122.

［2］何海军，韩金兰，王乃计，等.Lurgi MTP工艺的技术经济分析［J］.煤质技术，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］梅长松，高秀娟，陈爱平，等.液化石油气在MTP反应中的作用［J］.工业催化，2012，20(7):29 －32.

［5］张 飞，刘莹莹，张新元，等.甲醇与碳四烯烃共裂解制备乙烯和丙烯［J］.石油炼制与化工.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