固定床MTP反应器一级进料线的改进设置探析

潘旭明，胡 毅，关 晓

(中石化宁波工程有限公司工艺系统室，浙江 宁波 315103)

丙烯是用量仅次于乙烯的烯烃，随着我国经济的发展，丙烯的需求量逐年上升。传统的石油路线往往使得丙烯生产处于乙烯生产的从属地位[1]，并且严重依赖于石油资源，因此，世界上许多石油或化工企业院所纷纷致力于开发非石油资源生产低碳烯烃的技术，以煤基合成的甲醇为原料生产低碳烯烃(MTP、MTO)的工艺技术日益受到关注。

甲醇是C1化学的基础。目前世界上唯一的甲醇合成方法是通过合成气(CO + H2)合成甲醇[2]。生产合成甲醇的合成气的原料可以是煤、渣油、天然气等。当前，煤制甲醇的技术及其应用都发展迅速。

现代煤化工产业蓬勃兴起，其中煤制甲醇、甲醇制烯烃(乃至聚烯烃)工业基于煤炭的廉价易得和烯烃(或聚烯烃)的旺盛需求更是获得了政府和产学界的高度重视。目前，已经实现工业化的甲醇制烯烃技术有UOPHydro 的MTO工艺和中国科学院大连化学物理研究所的DMTO技术、中石化上海石油化工研究院的S-MTO技术及德国的Lurgi MTP 工艺[3]。MTO、DMTO及S-MTO技术均以低碳烯烃为目标产物，无法实现高选择性生产丙烯的目标，而MTP技术以生产丙烯为主，且已在国内工业化，实现了以煤为原料高选择性的生产丙烯的目标，且适合我国多煤少油的情况，是满足我国丙烯需求快速增长的理想方案。

由上可见，煤制甲醇、甲醇制丙烯(MTP)乃至丙烯聚合已经成为具有可行性和竞争力的现代煤化工技术和产业的重要组成部分。

MTP反应器所装催化剂为改性的ZSM-5沸石催化剂，共装设6层催化剂，床层厚度逐层增加。ZSM-5分子筛催化剂特有的MFI拓扑结构、反应择形性、稳定的骨架结构、适宜的酸活性位、较小的孔结构(致使丙烯选择性高)、较高的比表面积使其在MTP反应中表现出优异的催化性能，并实现了很好的工业化应用[4]。当MTP反应器的CH3OH-DME转化率低于90%时，可以对MTP催化剂进行再生乃至更换，一般每运行500～600 h就必须再生，催化剂的使用寿命为7000～8000 h。

1 MTP反应器一级进料线存在问题分析及改进目标

甲醇制丙烯(MTP)是煤制丙烯的核心，而MTP反应器是MTP的核心，故改进MTP反应器的相关设计、优化MTP反应器的操作性能、降低MTP反应器的操作成本对于煤制丙烯乃至聚丙烯的整条生产线而言都十分重要。

MTP技术采用的反应器为3台六级绝热式固定床反应器，2个在线运行、1个在线再生，确保生产的连续性和催化剂的活性。MTP反应器共六级进料，其中顶部进料为一级进料，侧线五股进料依次为二到六级进料[5]。

基于提高MTP反应的增产降耗或改善MTP反应器的操作性能，文献报道了很多MTP反应器操作和设计的改进和优化，如改善进料雾化喷嘴和液相膨胀节[5]、降低工艺蒸汽中Na+含量[6]、改良MTP催化剂及其它常见问题的改进。下文述及有关MTP固定床反应器一级进料线具体设置的问题，这个问题对生产的影响也很大。

1.1 MTP固定床反应器一级进料线的设置

MTP技术及其现有运行装置的MTP固定床反应器一级进料线系统如图1所示。来自MTP顶部进料加热炉的物料经过流量调节阀调节流量并节流至约460℃以上后，进到MTP反应器第1床层顶部[7]。一级进料线采用中压蒸汽(3.5 MPaG、245℃)伴管伴热。

图1 MTP固定床反应器一级进料线系统

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

1.2 MTP固定床反应器一级进料线存在的问题

在采用上述一级进料线系统设置的状况下，我国北方某煤化工厂的MTP装置在近年来的运行过程中出现了以下问题：MTP反应器再生期间，再生反应器顶部一级进料线上的隔离盲板上游的管内物料(运行期间温度达460℃以上)由于温度逐渐降低而发生(部分)冷凝，该再生反应器在切换至运行状态的过程中，这部分冷凝液得不到(充分)气化，以液态随着一级进料气进入反应器，冲击催化剂床层，影响反应进行，甚至因热催化剂与液相直接接触造成催化剂热崩粉碎事故。正常周期和正常寿命内，MTP催化剂床层结构与性质如发生问题，严重时可能导致停反应器以更换催化剂，造成催化剂损失并影响生产时数。

1.3 MTP固定床反应器一级进料线的改进目标

针对上述装置现场所出现的问题，有必要对MTP固定床反应器一级进料线的设置加以分析及改进，以达到避免一级进料气中夹带液体进入反应器、保护催化剂床层、维持反应的稳定均匀和产品的收率等目的。

2 改进MTP反应器一级进料线设置的三种方案探讨

本文阐述的问题核心就是MTP反应器再生期间，其一级进料线在用盲板隔离出来以后，温度降低而出现冷凝液。为此，从MTP固定床反应器一级进料线系统的设置及操作方法等角度出发，提出三种改进MTP反应器一级进料线设置的方案，供工程设计或现有装置的技术改造参考。

2.1 方案一

维持(现有技术的)蒸汽伴热的设置(见图1中的双点划线框内部分)，但必须提高伴热系统安装质量并加强伴热系统的检修维护。

蒸汽伴热系统由于安装质量、检修维护等各种因素，往往很难发挥100%的伴热效果，这对一些关键性、敏感性的工艺物流点而言，容易或小或大的影响生产乃至安全。对于MTP反应器于再生期间的一级进料线内的物料状态变化而言，蒸汽伴热系统的伴热效果就显得十分重要。正常情况下，如果3.5 MPaG、245℃的中压饱和蒸汽在伴热管中全负荷的流动、及时疏走伴管内蒸汽冷凝液并完全发挥伴热效果的话，虽然460℃以上的一级进料线内的物料的温度仍会逐渐降低，但是在工艺物料的组成、压力下通过模拟计算可以得知，当工艺物料温度降至215℃(即，比伴热中压饱和蒸汽温度245℃低30℃)时，不会有液相被冷凝下来进而影响到该再生反应器的下一次投用。因此，只要按照《SH/T 3040-2012 石油化工管道伴管和夹套管设计规范》来设计一级进料线的伴管及保温层、提高伴热系统安装质量并加强伴热系统的检修维护，应可以解决问题。

2.2 方案二

图2 设保温、不设蒸汽伴热(方案二)或设蒸汽伴热(方案三)，同时设置导淋管线一级进料线系统

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

设保温、不设蒸汽伴热，同时设置导淋管线以排出冷凝液。

由于蒸汽伴热系统经常很难发挥较好的伴热效果；加上对于MTP反应器一级进料线系统(图2中的双点划线框内部分)而言，管线长度不大(最长路径时，管长约50m)；同时为了与方案一和下述方案三进行对比，方案二不妨只考虑给一级进料线系统设置保温层而不设蒸汽伴管，同时在四个一级进料分支线上的切断阀前分别设置导淋管线及导淋阀，四根导淋管线的出口汇总以后，就近接至二甲醚反应器流出物过滤器附近高压火炬管线上，另在四个导淋阀后分别设置低压氮气吹扫管线以防止导淋管线的积液和冻结。详细的设置见图2。

该方案在操作时，再生完毕的反应器在进行投料切换之前，应先打开四个导淋阀，排掉一级进料线中的可能积存的冷凝液，保证一级进料以完全气相状态进到反应器顶部。

2.3 方案三

设蒸汽伴热，同时设置导淋管线以排出冷凝液。

方案三系根据现有技术，给MTP反应器一级进料线系统设置蒸汽伴管和保温层；同时在跟方案二相同的位置设置同样的一套导淋及吹扫系统。方案三也即为在方案二的基础上增设蒸汽伴管。详细的设置见上图(图2)。

3 三种方案对比

对于固定床MTP反应器再生期间，一级进料线隔离盲板上游管道内的物料发生(部分)冷凝而影响其再次投用的问题，上文提出了三种解决方案。下面对这三种方案的技术特点进行分析和对比。

3.1 三种方案的投资情况

方案一仅涉及一点伴热管及附件，所需投资(约7.50万元)最省；方案三所用材料系方案一和方案二的叠加，当然其所需的投资(约27.79万元)最多；方案二所用材料为导淋管道、氮气吹扫管道及附件，所需投资(约20.29万元)也比较多。上述投资是基于3台MTP反应器的“一级进料线系统(并包含4根一级进料支线)”，并采用最新的主要材料价格、安装工程费算法统计得到的。然而，抛开对比，各个方案的投资额都低于100万元，不论是在工程设计中还是在技术改造中，都属于小投入。

3.2 三种方案的消耗情况

为了简单明了且便于比较，消耗情况涉及的时间和范围考虑为：单台MTP反应器再生期间(再生持续时间按7天考虑)的一级进料线系统(图1和图2中的双点划线框内部分)。另外，三种方案的消耗都随着环境温度的降低而增大，为了最大化消耗情况和统一对比基准，以下对比基于(上文提及的北方某厂的)极端最低环境温度-39.8℃。

表1 三种方案的消耗

对于方案一，消耗了中压饱和蒸汽(全负荷)并产出了蒸汽冷凝液(全负荷)；对于方案二，消耗(外排至火炬)了液相工艺物料(组成约为运行期间一级进料气总物料组成；量约为运行期间一级进料气状态下，上文提及的消耗涉及范围内的总物料量)并向环境放出了热量(显热和潜热)，即方案二大约消耗了消耗涉及范围内的运行期间一级进料气状态下的总物料；对于方案三，消耗情况可能同方案一，也可能同方案二，也可能是方案一和方案二之间的任何情况。三种方案的消耗见表1。

从表1中的标准油消耗量可以得知，方案一只消耗伴热中压饱和蒸汽，消耗最大；方案二只消耗工艺冷凝液，消耗最小；而方案三因其系统设置为前两个方案的结合，其消耗介于前两个方案之间。

3.3 三种方案的技术特点对比

由上文对比分析可知，三种方案的投资、消耗均有所不同。除此以外，三种方案在操作性能、其它操作费用(操作人力投入、检修维护投入)、潜在经济效益(对催化剂床层的保护、反应稳定均匀性、产品收率等)等方面也各有特点。将三种方案的技术特点列于表2。

表2 三种方案的技术特点对比

注1：蒸汽伴热系统检维频次高。

注2：蒸汽伴热系统运行良好的时期，采用蒸汽伴热方法，否则可采用导淋并吹扫方法。

从表2可以看出，三种固定床MTP反应器一级进料线的改进设置方案都是可行的。方案三投资最大，但是从消耗、操作性能、其它操作费用及潜在经济效益等角度看，都属于中上水平，应属于最佳改进设置方案，也就是说，稍微追加点投资，改进设置，就可以收到良好的操作性能和操作灵活性，潜在经济效益好，并且在消耗、其它操作费用等方面也具有一定的优势。方案二的消耗及其它操作费用最低，投资中等，操作性能好但不具有操作灵活性，潜在经济效益好，属于中等改进设置方案。方案一的投资最小，潜在经济效益好，但是消耗及其它操作费用最高，操作性能最差，属于最差改进设置方案。

需要注意的是，一级进料线运行温度达460℃以上，属于高温应力管线，热位移较大，所以对于方案二和方案三而言，在导淋管及其低压氮气吹扫管系统的设计及安装中，需要注意考虑此热位移因素，方能确保该改进设置的有效及安全投用。

另外，方案二、三下，应将导淋管及其低压氮气吹扫管系统跟主体工程同等对待，考虑到需要人为的经常性的操作导淋和吹扫阀门，应在固定和移动有毒检测的设计上，顾及到这些操作点、泄漏点。

4 结语

采用上文提出的三种方案的其中一种对固定床MTP反应器一级进料线的设置加以改进，可以避免再生反应器于再次投料时，一级进料气中夹带液体进入反应器，从而保护了催化剂床层并维持了反应的稳定均匀和产品的收率。由于MTP催化剂的再生乃至更换较为频繁，提出的方案应考虑到拥有好的(与MTP催化剂的再生乃至更换配套的)操作方便性。从投资、操作费用、操作性能、改进设置的效果、潜在经济效益等多方面看，三种方案中，方案三为最佳改进设置方案。文中提出的问题及方案虽然为MTP装置的一个细节，且其牵涉到的投资、消耗等相比整个MTP装置而言都十分微小，但是其涉及到

的潜在经济效益大(避免了催化剂床层受到液体瞬时强力冲击)，应加以重视。

我国北方地区天气寒冷、风力大，蒸汽伴热系统的消漏等检修维护频次高、成本高，致使蒸汽伴热系统的操作性能差，很难起到高效伴热作用。而北方地区恰恰又是富煤、大产煤量的地区，聚集了大量的煤化工企业，当前运行中的MTP装置都在北方。本文提出的MTP固定床反应器一级进料线系统存在的问题是普遍存在的，北方地区尤其突出，给出相应解决方案是十分必要的。上文提及的北方某厂的MTP装置出现的问题及针对出现的问题所做的技术改造乃至技改后收到的效果都表明了提出上述问题及方案有必要性。

本文论及的这个问题的特征有：反应器的进料管内的工艺物料系高温气相工艺物料；反应器为周期性操作(切入运行-切出再生-切入运行)；管内的工艺物料在(切出再生期间的)非流动状况下由伴热效果不好而导致降温且发生(部分)冷凝。对于很多采用绝热式固定床(或移动床)反应器的工艺装置和产品的反应器而言，如Lurgi MTP、MTO(甲醇制烯烃)、PDH(丙烷脱氢)等，都有上述特征。因此，本文对这些装置的反应器的进料系统的工程设计或技术改造而言均具有提示和参考意义。