MTO装置急冷水系统问题分析与处理

鲁 豫

(中国石化 中原石油化工有限责任公司 ， 河南 濮阳 457000)

中原石化MTO装置设计能力为60万t/a(以甲醇进料计)，目标产物为聚合级乙烯10.61万t/a，聚合级丙烯9.94万t/a。该项目采用中国石化自主研发S-MTO技术(文献)，工艺由上海石油化工研究院(SRIPT)、中国石化工程建设公司(SEI)和北京燕山石化公司联合开发，其中轻烯烃回收部分由中国石化工程建设公司开发。整个开车过程比较平稳，没有发生大量催化剂跑损、物料泄漏和环境污染等事故，实现了投料开车安全、平稳、一次成功。但是MTO的急冷水系统在工业化长周期运行时暴露出了很多问题，尤其是急冷水换热器E-5002、E-5005、E-2109频繁清洗、分离塔压差升高等问题给MTO装置高负荷长周期运行造成了严重困扰。

1 S-MTO装置急冷塔与分离塔工艺简介

MTO装置急冷塔(C-2101)用于产品气冷却、洗涤产品气中催化剂，也洗去一部分酸性气体。分离塔(C-2102)用于继续冷却，回收余热，中和pH值，将产品气中的氧化物、水分离出来。在SEI原设计中急冷塔内含6层人字塔盘，分离塔自下而上内含14层浮阀塔盘，富含未回收的催化剂粉及乙烯、丙烯等产品气进入急冷塔底部，经过内设的6层人字挡板，与急冷塔顶两段冷却水逆流接触，降低反应气的温度，洗涤产品气中携带的催化剂粉末。经过急冷后的反应产品气送至分离塔底部，与三段循环急冷水逆流接触，含有氧化物的产品气自下而上被冷却洗涤。塔的中段回流和下段回流中注入少量的碱液(10%氢氧化钠)，对产品气进行碱洗，除去其中的酸性气体，最终得到气相混合物，由塔顶经控制阀(HV-2101)去压缩分离系统。为了充分利用余热，分离塔底急冷水送至分离工段进行回收余热。

2 急冷水系统存在问题

2.1 急冷水用户换热效率逐渐降低

MTO装置急冷水系统长时间运行后，急冷水所流经的用户E-5002、E-5005换热效率明显降低，用于急冷水冷却的空冷器、循环水换热器效率都降低，需花费大量人力与物力进行清洗，也导致装置高负荷情况下，分离塔顶温高超出设计指标，进而造成烯烃分离压缩机一段进口温度高，影响装置稳定运行。

2.2 分离塔压差逐渐上升

随着催化剂堵塞塔盘，分离塔压差逐步升高，开车后第二年，此类情况更加严重，经常造成分离塔液泛，反应器压力升高，无法维持高负荷生产。液泛还会造成产品气夹带大量水蒸气进入产品气压缩机一段吸入罐，处理不及时会造成压缩机吸入罐高液位联锁跳车。

2.3 外排污水含油量与COD增加

长周期运行情况下，由分离塔急冷水带入产品水汽提塔的含油化合物逐渐增加，造成产品水汽提塔处理负荷大，导致MTO工艺外排污水中COD和油含量偏高，无法处理的含油化合物被净化水外排带入下流装置污水处理厂，降低了污水处理厂微生物活性，严重影响公司环保指标。

3 急冷水系统问题及原因分析

3.1 急冷塔洗涤效果差，催化剂夹带至分离塔系统

通过对急冷塔底水浆固含量分析，原设计6层人字挡板洗涤效果不能达到设计。急冷塔洗涤效果差造成大量催化剂夹带进入分离塔，检修时对分离塔塔板检查，发现分离塔盘和塔壁附着大量的催化剂粉末，这些催化剂粉末主要集中在分离塔下侧1～4层塔盘上，堵塞分离塔浮阀，造成分离塔压差升高。由此判定造成分离塔压差升高的原因是急冷塔洗涤效果不好。

3.2 换热器附着物

在日常急冷水系统中换热器进行抽芯清洗及水力清洗时，发现换热器管程堵塞物为黄色蜡状物及黑色粉末，这些物质造成换热器管束堵塞，急冷水流量降低，传热能力下降。对堵塞物进行取样分析，发现附着在换热器表面的油脂物质含有较高比例的多甲基苯，剩余的黑色固体粉为跑损的催化剂，可以得出分析造成换热器堵塞的原因是催化剂与多甲基苯和泥结蜡。

4 急冷水系统处理措施及其效果

4.1 改造急冷塔内件，提高急冷塔洗涤效率

中原石化MTO装置分别于2014年、2015年、2018年进行三次大检修，对急冷水系统内急冷塔和分离塔内件进行技术改造。

2014年改造如下：①急冷塔内件由6层人字挡板改为规整填料；②分离塔1～4层塔板由浮阀改为固蛇形塔板。装置于2014年5月开车，反应器甲醇进料量FV-1103维持在78～80 t/h。装置经过改造运行了5个月后，分离塔压差已由开车时的24 kPa上涨至30 kPa；E-5002平均运行10天清洗一次，E-5005平均平均运行12～15天清洗一次。可以看出，急冷水系统中分离塔压差及换热器堵塞问题依然严重，改造未达到预期目标。

2015年10月再次改造如下：①急冷塔本体增高5 m，由之前的9.4 m(切线)增高至14.4 m(切线)。②急冷塔顶部增加旋流板除沫器。③现有2.4 m高、比表面积10 m2/m3塔内件，改为(从下至上依次排列)：3 m高6层人字挡板，板间距600 mm；在6层人字挡板上方加设1.8 m垂直格栅填料，比表面积47.2 m2/m3；格栅填料上方再加2 m规整填料。④急冷塔由原设计一段回流水洗(水洗量400 t/h)改为两段回流水洗(一段在格栅填料上方，设计水洗量190 t/h；一段在人字挡板上方，设计水洗量330 t/h)。改造效果：①通过数据计算发现急冷塔在装置运行初期洗涤效率能达到75%左右，但随着装置运行周期延长，洗涤效率下降到60%左右。②E-5002、E-5005运行时间未出现明显延长，在2017年E-5002共清洗90次，E-5005清洗共35次。可以看出，急冷水系统中分离塔压差未曾升高，但换热器堵塞问题依然严重，改造未达到预期目标。

2018年5月再次改造：①取消现有6块“5-6”阵型人字挡板、3.8 m高效洗涤格栅，上返塔分布器及抗堵塞液体分布器，以及中返塔分布管。②从下往上，更换为6层“2-3”型人字挡板、4层穿流塔板、顶循环返塔分布器及14个90°空心锥耐磨喷嘴。改造结果：2018年8月17日，装置检修完成后投料开车，因MTO装置经济效益持续下降，于11月4日停车。为确保数据真实可靠，选取9月1日至10月31日两个月的数据作为本次技术改造的标定数据。通过收集数据表明，急冷塔自2018年检修后水洗效率较2017年前大幅提高，洗涤效率达到了考核要求，但洗涤效率出现了下降的趋势，如表1所示。

表1 急冷塔水洗系统数据

计算方法：①日洗涤催化剂(kg)=急冷塔外排水(kg/h)×24(h)×水浆固(mg/L)/1 000 000；②日跑损催化剂(kg)=催化剂检尺数据(kg)×3.8/4.8(反应器跑损量：再生器跑损量=3.8∶1)；③急冷塔水洗效率(%)=日洗涤催化剂(kg)/日跑损催化剂(kg)×100%；通过统计E-5002从2018年8月17日—11月4日装置停车，连续运行78天未清洗；E-5005从8月21日到11月4日装置停车，连续运行74天未清洗，换热器清洗周期达到协议要求。2019年2月MTO装置再次开车至8月，再次收集数据显示，E-5005水力清洗6次，E-5002抽芯清洗两次，大量减少了换热器清洗次数，延长了使用周期。分离塔压差自2019 年开车至8月一直维持在10 kPa左右，未曾发现有上升趋势，分离塔操作平稳，装置可高负荷运行。

4.2 新增分离塔顶循环水脱烃装置，降低水中油含量

MTO装置2018年检修期间新增分离塔顶脱烃装置：分离塔顶部回流自8层集液槽抽出管线上引出一股水自流至顶循环水脱烃罐D-2104，在注入溶剂的情况下，依靠重力沉降进行油水分离，分离出的油定期从D-2104撇油口位置导出装桶。从D-2104底部分出的水通过顶循环水脱烃罐底泵P-2115泵加压分成两股送出，一股与顶回流泵P-2104送出水混合后进入E-2109降温后返塔；另一股与P-2104至C-2104(氧化物汽提塔)的水混合后经FV-2110去C-2104(氧化物汽提塔)。

另设置了溶剂注入系统PA-2103，从D-2104分离出的溶剂从撇油口自流进入溶剂注入系统，溶剂经溶剂注入泵加压送至P-2104入口，再循环至D-2104分出，循环使用，溶剂注入操作为间歇操作，定期补入新鲜溶剂。在D-2104分离和挥发出的少量气相组分，同分离塔顶部送出的产品气混合后经HV-2101进入产品气压缩机一段吸入罐。该项目避免分离塔顶循环回流温度低于65 ℃时多甲基苯在分离塔顶循环回流冷却器(E-2109)中结晶堵塞换热器，引起两器和产品气压缩机(K-3001)工艺波动，又降低了外排污水中COD与油含量。

4.3 优化反再系统两器操作，减少催化剂跑损

因催化剂跑损源头在反再系统两器，只有减少两器催化剂的跑损，才能从根源降低急冷水中固含量，提高换热效率。影响MTO装置两器催化剂跑损的主要因素有：两器压力、料位、甲醇进料负荷的大幅波动、各级旋风分离器的效率、两器内部翼阀的完好性、催化剂线速等。目前车间通过稳定两器压力，根据装置负荷调整快速床料位，调整两器线速在规定范围内，检修期间核对翼阀角度等措施控制两器跑损量，在设计范围内减少急冷塔洗涤负荷。

5 持续改进意见

5.1 加大水浆外排量，改造水浆过滤器

为降低急冷塔水中催化剂含量，可加大水浆外排量将其中催化剂带出，但急冷塔内件改造后，虽提高了水浆中固含量，但后续设备水浆过滤器运行能力达不到，出现频繁堵塞，需经常抽芯清洗，增加了工作量和检修费用。 车间借鉴同类装置经验，将水浆反冲洗介质由蒸汽改为氮气，延长了水浆过滤器运行时间，但相比改造前，清洗次数还是较多，车间计划在2020年大检修时对其再次技改。

5.2 急冷塔系统尝试注入新型萃取剂

同类型企业将之前二甲苯洗涤法进行改善，以多元醇代替二甲苯，具有更好的分散效果。加上其它阻垢组分，在换热器管束和塔盘上形成隔离层，使催化剂粉末不宜沉积。这种分散剂不仅性价比高，而且性能还高于二甲苯的应用效果，急冷系统注入分散剂后对外排COD影响不大，不会影响外排水环保指标。可在同样技术装置上进行推广应用，公司可尝试注入。

6 结语

针对急冷水系统中出现的分离塔压差升高及换热器堵塞等问题，经拆检及详细分析后认为，其根本原因是：反应产生的多甲基苯在低温下与跑损的催化剂混合附着在塔盘及换热器管束，造成塔压差开高及换热器换热效率下降。针对堵塞原因及多甲基苯形成机理，通过急冷塔内件改造增加水浆固含量、新增分离塔顶脱烃系统除去重油等一系列优化措施后，急冷水系统工况恢复正常，确保了系统的长周期、稳定运行。并提出后续改进措施，为下一步长周期运行提供参考方向。