MTO工程技术和烯烃分离工艺工程技术开发研究

杜茂富

摘 要：MTO技术与烯烃分离技术是目前主流的烯烃合成技术，解决了传统石脑油蒸汽裂解技术中的，氢、甲烷等物质含量过高，生产安全性低的问题，同时为企业带来了更高的经济效益。这些技术优势使其在行业中得到快速推广，因此对其进行开发与研究是非常必要的。本文首先对MTO工程技术进行了介绍，然后对其生产烯烃的经济性进行分析，最后对MTO烯烃分离工艺工程技术进行开发设计。以期提升烯烃生产工艺，促进化工行业未来的发展。

关键词：MTO工程技术;分离技术;烯烃分离

随着我国经济的发展，我国对烯烃的需求不断增加，这给我国原有的化工企业带来了一定的生产压力。同时我国政府重视低碳经济的发展，传统的石脑油蒸汽裂解技术无论是产量，还是绿色生产都无法满足社会的发展需求。这就急需对新的烯烃生产工艺进行开发。目前MTO烯烃分离技术借助信息化技术，提高了催化反应效率，开创了一种新的烯烃获取方式，这在一定程度上减少了我国对石油的依赖，保证了我国能源供应的安全。因此，本文对MTO工程技术和烯烃分离工艺工程技术进行了开发与研究。

1 MTO工程技术概述

MTO（MethanolToOlefin，甲醇制烯烃）反应系统主要采用类似于催化裂化（FCC）的流化床反應器--再生器系统。该技术发展的意义在于改变了以往乙烯和丙烯的来源主要依靠石油烃类的蒸汽裂解的格局，开辟了一条制取低碳烯烃的新途径，减缓了我国对石油的过分依赖的情况。同时提供了一种由煤生产高附加值产品乙烯、丙烯的途径，在当前甲醇工厂开工率极低的情况下，具有重要意义。

2 采用MTO工程技术生产烯烃的经济性分析

煤制烯烃与石脑油裂解制烯烃技术路线相比较，在经济上的竞争力取决于原料的成本以及副产品的价值。

我国大部分的乙烯和丙烯来自于石脑油蒸汽裂解，一般生产每t烯烃（乙烯+丙烯）约需2.2t石脑油，煤基甲醇制烯烃的单位烯烃产品甲醇消耗量小于3t。根据2010年8月份的数据，目前国内石脑油的市场价格都在5500元/t以上，而甲醇的市场价格基本上稳定在2200元/t至2500元/t之间。如果按照煤为原料来计算，每产出1t聚烯烃约需要用于气化的原料煤4.0t，燃料煤2.1t。目前气化煤价格约600元/t，燃料煤价格约420元/t。特别是我国以煤为主的能源格局以及如今石油对外依存度大于50%的情况下，未来石脑油的价格上升趋势必然使得甲醇制烯烃的原料价格优势愈加明显。目前我国投产或即将投产的甲醇制烯烃装置，大多是采用以煤为原料来进行生产的。如果直接采用以甲醇为原料来生产烯烃，其意义不但在于拓展了烯烃的低价原料来源，且解决了当前过剩甲醇的出路问题。

3 MTO烯烃分离工艺工程技术开发设计

3.1 MTO化学反应

甲醇转化为低碳烯烃的反应是在酸性催化剂SAPO-34上实现的，该催化剂对于甲醇转化为低碳烯烃具有优异的性能。选择合适的反应温度和较低的反应压力，甲醇的转化率几乎可以达到100%，对乙烯和丙烯的生成具有极高的选择性，在80%左右。丙烯/乙烯的质量比例可以在0.75～1.5范围内进行调节。

3.2 烯烃分离工艺流程的设计

出MTO反应器的产品气组成与传统的乙烯装置石脑油蒸汽裂解气组成颇为相似，然而又有着明显的差异，如果在设计中没有正确地处理这些差异，不但影响装置的长周期运行，还会带来安全隐患。

本技术的主要特点描述如下：为了保证回收装置的长周期运行和安全性，必须在设计过程中考虑MTO反应器出料含有的一些杂质，这其中最重要的就是氮氧化物（NOx）。NOx是在MTO反应区或是在烯烃分离区产生的各种的氮氧化合物，形成这些氮氧化合物的氮和氧是在MTO反应器催化剂再生时引入的。一旦有氮气与氧气的引入，就会产生少量的一氧化氮（NO）。当携带NO的反应器出料进入到烯烃回收段时，氧气与NO会进一步反应生成N2O3或N2O4。这个反应的速率会随着温度的降低而加快。在更低的温度下，这些化合物会在系统内凝结。即使在只有少量（×10-9级）的氮氧化物存在时，它们也会凝结并累积。这些氮氧化物可以和MTO产品气中的烯烃、二烯烃反应形成氮氧化物胶质。氮氧化物胶质很不稳定并且在传统乙烯工厂中引发过多起爆炸事故，主要由于这些乙烯厂为了回收炼厂气中的烯烃，其进料中含有来自炼厂气的氮氧化物。所以为了尽量减少NOx的形成并消除NOx的结存及累积的可能性，MTO烯烃分离的操作温度至关重要。只有在较高的温度下操作，才能在本质上确保回收工艺的操作安全性。同时，要采取必要的技术措施，保证不会因操作温度的提高而损失乙烯的回收率也十分重要。

另一个需要考虑的问题是在处理MTO反应气回收烯烃时的结垢与腐蚀问题。MTO反应气中含有过氧化物，过氧化物的分解可以产生自由基，可以引发二烯烃的聚合反应和dielsalder缩合反应，产生结焦和结垢。随着时间的推移，就会致使产品气压缩机的效率下降。产品气压缩机是MTO烯烃回收工艺中最大的能量消耗用户，如果压缩机转子中存在结垢或腐蚀，会大大降低压缩机的效率，从而增加能耗，同时亦会增加压缩机的维护费用。如果是换热器中存在结垢，不但会降低换热效率，甚至结垢严重时，迫使装置不得不停车，以清除设备结垢。

为了解决上述问题，在MTO烯烃分离工艺的设计上，需要在3个方面进行考虑：第一，控制关键点的操作温度，尽量减少结垢的形成。第二，在一些关键部位注入阻聚剂，降低结垢的形成速率，并同时注入洗油，及时清除污垢，防止垢层在系统内的累积。第三，关键的换热器采用折流板换热器。独特的折流板设计消除了传统换热器中存在的流体死区，减少了流体的长时间停留的区域，从而降低了局部结垢产生的可能性。另一个需要注意的问题是在MTO烯烃回收工艺中尽量降低能耗。为了达到这一点，许多传统乙烯装置设计中的节能设计得以利用。MTO烯烃回收工艺与反应区进行能量利用的整合，利用反应区内产生的低品位废热作为回收工段的热源，能耗可以减少到传统乙烯装置分离单元的50%。最后，还要考虑投资问题。为了尽量降低MTO烯烃回收装置的投资，只采用碳钢设备，回收工艺采用的温度就可以满足要求，而且所有的设备均可在国内采购。综合考虑上述需要注意的问题，MTO烯烃回收工艺可以做到本质安全，长周期稳定运行，低维护费用，高乙烯及丙烯回收率，低能耗及低投资。高效的MTO烯烃回收工艺与高经济效益的反应区有机的结合，就形成了生产乙烯、丙烯最经济的生产路线。

4 结论

MTO反应气与传统石脑油裂解工艺的裂解气相比具有显著特点，在进行分离流程的设计时不能简单地将传统石脑油制乙烯分离流程用于甲醇制烯烃产物分离，如何减少脱甲烷塔乙烯损失，充分考虑反应产物分布的特殊性，开发出对进料组成变化适应性强，能耗低的分离技术将具有极大优势和广阔的应用前景。此外，根据MTO反应气组成的特点，开发了独特的分离技术，避免了NOx带来的安全隐患，使得烯烃回收技术具有本质安全的特点。

参考文献：

[1]夏婷婷.大型煤化工项目烯烃分离工艺技术对比分析与优化[J].化学工程与装备，2018，259（08）：61-63.

[2]杨国忠.煤制烯烃工艺分离装置工艺流程论述[J].建筑工程技术与设计，2018，000（010）：3586.

[3]李胜克.MTO装置烯烃分离的工艺优化分析[J].化工管理，2019（21）：171-172.