王志斌，王茂立，閆錫軍

(1.內(nèi)蒙古中煤蒙大新能源化工有限公司 ，內(nèi)蒙古烏審旗 017314;2.中國(guó)神華煤制油化工有限公司榆林化工分公司技術(shù)部 ，陜西榆林 719000)

甲醇制丙烯(MTP)裝置采用德國(guó)Lurgi公司的MTP技術(shù)，通過(guò)MTP反應(yīng)系統(tǒng)、產(chǎn)品氣急冷系統(tǒng)、產(chǎn)品氣壓縮系統(tǒng)及產(chǎn)品精制系統(tǒng)將168萬(wàn)t/a甲醇轉(zhuǎn)化成46萬(wàn)t/a丙烯產(chǎn)品，同時(shí)副產(chǎn)汽油、LPG及乙烯產(chǎn)品［1］。

MTP反應(yīng)系統(tǒng)為MTP裝置的核心，采用ZSM－5大孔分子篩(圓柱形，平均直徑3.2 mm，孔容0.3 cm3/g)作為催化劑，固定床反應(yīng)器，為便于溫度控制，反應(yīng)器為帶中間進(jìn)料的6床層反應(yīng)器，反應(yīng)壓力0.1～0.2 MPa(a)，反應(yīng)溫度450～480 ℃。

1 工藝過(guò)程簡(jiǎn)介

工藝流程及控制簡(jiǎn)圖請(qǐng)參見(jiàn)圖1［2］。

MTP反應(yīng)器A、B、C頂部進(jìn)料及中間進(jìn)料配置是完全一樣的，在這里省略B的中間進(jìn)料，并認(rèn)為反應(yīng)器A、B處于反應(yīng)狀態(tài)，反應(yīng)器C處于再生或備用狀態(tài)。

來(lái)自裝置外的甲醇經(jīng)氣化過(guò)熱后首先進(jìn)入到二甲醚(DME)反應(yīng)器中，在該反應(yīng)器中，甲醇轉(zhuǎn)化為DME(在該工藝中，DME反應(yīng)器甲醇的轉(zhuǎn)化率為80%)，從DME反應(yīng)器來(lái)的DME及甲醇混合物一部分和來(lái)自裝置自產(chǎn)的工藝蒸汽(148 t/h，單臺(tái)反應(yīng)器74 t/h)以及來(lái)自裝置下游分離單元的循環(huán)烴(C2、C4、C5和 C6的混合物，208 t/h，單臺(tái)反應(yīng)器104 t/h，與甲醇進(jìn)料等量)混合后進(jìn)入到MTP反應(yīng)器頂部進(jìn)料加熱爐中加熱到450℃后分兩股分別進(jìn)入到MTP反應(yīng)器A、B第一床層，經(jīng)第一床層反應(yīng)后，出床層的物料溫度大概為480℃。從DME反應(yīng)器出來(lái)的另外一部分物料首先經(jīng)過(guò)DME部分冷凝器，部分冷凝后進(jìn)入到DME分離器，在DME分離器中氣液相分離，其中氣相經(jīng)DME加熱器用高壓蒸汽加熱，經(jīng)DME加熱器后的物料一部分經(jīng)過(guò)加熱器的全部管束溫度較高，而另外一部分只經(jīng)過(guò)加熱氣的一半管束溫度較低，較高溫度和較低物料各分為5股，一股熱物流和一股冷物流混合后在反應(yīng)器相應(yīng)床層出口溫度控制器和混合后物料總管上的流量控制器共同作用下進(jìn)入到MTP反應(yīng)器內(nèi)。MTP反應(yīng)器的產(chǎn)品(混合烴和蒸汽混和物)經(jīng)過(guò)后續(xù)的水冷、壓縮及分離得到丙烯、乙烯、LPG、汽油及燃料氣產(chǎn)品。

2 MTP反應(yīng)過(guò)程的設(shè)計(jì)及控制特點(diǎn)探析

2.1 MTP反應(yīng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

首先，DME反應(yīng)器的引入，使甲醇脫水生成DME的反應(yīng)單獨(dú)進(jìn)行(MTP催化劑在反應(yīng)條件下也可實(shí)現(xiàn)此反應(yīng)過(guò)程)，通過(guò)此手段降低了MTP反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)釋放的熱量，從而使MTP反應(yīng)在較為緩和的條件下進(jìn)行，以利于 MTP反應(yīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行［3］。

圖1 MTP反應(yīng)器系統(tǒng)簡(jiǎn)單工藝流程及控制圖

其次，MTP 反應(yīng)在進(jìn)料設(shè)計(jì)上從第一層進(jìn)料至第六層中間進(jìn)料(甲醇及DME混合物)的量是依次增加的，同時(shí)在于MTP反應(yīng)器內(nèi)部設(shè)計(jì)上從第一床層至第六床層催化劑的厚度是依次增加的，這既保證了每床層新鮮甲醇和DME進(jìn)料的含量基本一致，同時(shí)每床層的空速也基本一致，保證了整個(gè)反應(yīng)器系統(tǒng)的同一性。

再者，工藝蒸汽引入到反應(yīng)系統(tǒng)，MTP反應(yīng)本身生成水，但是正反應(yīng)的平衡常數(shù)非常大，在反應(yīng)條件下蒸汽的引入并不會(huì)對(duì)反應(yīng)平衡有多大影響，但蒸汽的引入，降低了MTP反應(yīng)系統(tǒng)烴類的分壓，從而有助于低碳烯烴的生成，同時(shí)也能在一定程度上抑制焦炭的生成，提高了反應(yīng)器運(yùn)行周期，另外由于蒸汽有著比較大的熱容，在MTP反應(yīng)過(guò)程溫度控制方面也起到了積極的作用;該工藝蒸汽是用來(lái)自熱電站的中壓蒸汽氣化裝置內(nèi)反應(yīng)產(chǎn)生的水而得來(lái)的，這就避免外來(lái)蒸汽有可能攜帶來(lái)的堿金屬以及重金屬離子對(duì)催化劑不可逆的破壞作用［3－5］。

第四，循環(huán)烴的引入，也提高了低碳烯烴的選擇性，其歧化生成低碳烯烴的過(guò)程是一個(gè)吸熱過(guò)程，另外一方面，由于循環(huán)烴的量比較大，和甲醇是等量進(jìn)入到反應(yīng)器系統(tǒng)的，這兩方面都可以在MTP反應(yīng)器的溫度控制上起到積極的作用［3－5］。

第五，液相進(jìn)料的引入，DME反應(yīng)器產(chǎn)品冷凝的液相［主要成分為水，含水78%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，其余為甲醇和DME)］，由于水的氣化潛熱比較大，液相進(jìn)料進(jìn)入反應(yīng)器之后，被上一床層的反應(yīng)氣氣化，將消耗大量的熱量，在反應(yīng)溫度控制上起著舉足輕重的作用。

第六，在每層催化劑頂部都有一層100 mm厚的惰性瓷球覆蓋，該層瓷球在MTP反應(yīng)器中不僅起著壓蓋催化劑、防止催化劑經(jīng)長(zhǎng)期工藝氣沖刷產(chǎn)生溝壑而出現(xiàn)溝流現(xiàn)象外，特別是在2至6床層中，還起著防止液相進(jìn)料霧化不好可能導(dǎo)致熱催化劑與液相水直接接觸而致使催化劑熱崩粉碎事故的發(fā)生這一重要作用。

2.2 MTP反應(yīng)系統(tǒng)控制特點(diǎn)探析

要說(shuō)明的一點(diǎn)是，MTP反應(yīng)器在每床層溫度控制上是極其富有特點(diǎn)的，反應(yīng)器第一床層出口溫度僅能靠MTP頂部進(jìn)料加熱爐出口控制，其它床層的溫度控制雖最終落實(shí)到控制中間進(jìn)料溫度上來(lái)實(shí)現(xiàn)，但由于中間進(jìn)料在量上的局限性，并不能完全實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)床層出口溫度靈敏、有效的控制，在上面也提到，第一床層補(bǔ)入的蒸汽及循環(huán)烴以及中間液相進(jìn)料的引入，雖然看上去和反應(yīng)器溫度控制沒(méi)有什么關(guān)系，但這些進(jìn)料的引入，對(duì)反應(yīng)溫度的控制起著決定性作用，也就是說(shuō)在MTP反應(yīng)器溫度控制上，這三股物料是粗調(diào)，而最終通過(guò)中間氣相進(jìn)料溫度的控制來(lái)細(xì)調(diào)、精調(diào)反應(yīng)器每床層出口溫度，以實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器精準(zhǔn)維持在450℃(床層入口)至480℃(床層出口)的目標(biāo)，從而保證反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率、收率以及反應(yīng)系統(tǒng)的安全性。此兩者缺一不可。

其次，兩反應(yīng)器同時(shí)運(yùn)行時(shí)，由于兩反應(yīng)器中間進(jìn)料最終都是流量控制，故在兩個(gè)反應(yīng)器頂部進(jìn)料上做了一些文章，其中一臺(tái)反應(yīng)器頂部進(jìn)料為壓控，另外一臺(tái)反應(yīng)器頂部進(jìn)料為流控(見(jiàn)圖1，反應(yīng)器A進(jìn)料為流控，反應(yīng)器B進(jìn)料為壓控)，這樣的話，在整個(gè)MTP進(jìn)料波動(dòng)時(shí)，流控的反應(yīng)器不受任何干擾，所有的干擾全部進(jìn)入到壓控反應(yīng)器一級(jí)進(jìn)料中，這樣的話，既保證了MTP反應(yīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也保證了前工序DME反應(yīng)器及其進(jìn)料系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免一些波動(dòng)或者物料浪費(fèi)現(xiàn)象的產(chǎn)生。當(dāng)然了，這首先要求MTP反應(yīng)器有一定的惰性，有一定的抗干擾和自適應(yīng)的能力，另外一方面，也體現(xiàn)出裝置設(shè)計(jì)上所追求的一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程。如果僅有一臺(tái)反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)，該臺(tái)反應(yīng)器的頂部進(jìn)料可設(shè)為壓控，同樣能夠保證整個(gè)前工序系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

再者，在反應(yīng)中間氣相進(jìn)料控制上，通過(guò)DME加熱器不同位置出來(lái)的兩股不同溫度的氣體量的多少來(lái)控制氣相進(jìn)料溫度的變化，當(dāng)然，進(jìn)料溫度的變化受相應(yīng)床層出口溫度控制器的控制，同時(shí)，還能保證每床層中間氣相進(jìn)料總流量的穩(wěn)定性。第四，關(guān)于DME分離器液位控制，引入功能塊LY，LY的功能見(jiàn)圖2。

圖2 功能塊LY的功能

結(jié)合MTP反應(yīng)器中間進(jìn)料控制，可以清晰地看到，在DME分離器液位穩(wěn)定在30% ～70%范圍內(nèi)，功能塊LY無(wú)輸出，這就是說(shuō)，在MTP反應(yīng)器中間進(jìn)料流量穩(wěn)定時(shí)，即便DME分離器液位有所波動(dòng)，這時(shí)候會(huì)犧牲DME分離器液位的穩(wěn)定性來(lái)保證MTP反應(yīng)器進(jìn)料流量的穩(wěn)定，因?yàn)榍懊嬉舱f(shuō)過(guò)，對(duì)于MTP反應(yīng)器中間液相對(duì)于反應(yīng)溫度的影響非常大，除非到迫不得已，在反應(yīng)器穩(wěn)態(tài)情況下盡量不要隨意改變MTP反應(yīng)器液相進(jìn)料的中間流量。但是另外一方面，如果DME分離器液位過(guò)高或過(guò)低時(shí)(液位高于70%或低于30%)，此時(shí)如果情況再惡化，可能會(huì)危及到整個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，此時(shí)，LY將其作用，在液位高于70%時(shí)，LY將輸出一個(gè)負(fù)值，在加法器FY的作用下，調(diào)節(jié)閥將開(kāi)大，增大進(jìn)入反應(yīng)器的流量，從而遏制液位進(jìn)一步增高，同樣，當(dāng)液位低于30%的時(shí)候，LY將輸出一個(gè)正值，在加法器FY的作用下，調(diào)節(jié)閥將關(guān)小，降低進(jìn)入反應(yīng)器的流量，從而會(huì)遏制液位的進(jìn)一步降低。從這方面看，對(duì)于儀表控制，一定是要服從于工藝穩(wěn)定的要求，所以在這里就不能用一個(gè)簡(jiǎn)單的串級(jí)控制了。

3 存在問(wèn)題

①M(fèi)TP反應(yīng)器中間進(jìn)料溫度正常運(yùn)行時(shí)一般在230～280℃之間，而DME反應(yīng)器出口正常運(yùn)行時(shí)溫度為380℃，先將380℃的DME和甲醇混合物冷卻到154℃之后以得到中間進(jìn)料液相，然后又用高壓蒸汽［8.7 MPa(g)，370℃］將中間進(jìn)料氣相加熱到相應(yīng)進(jìn)料溫度，此過(guò)程能耗過(guò)高;考慮到中間液相基本上都是水，在保證水質(zhì)的情況下是否可以使用外部供水作為中間液相進(jìn)料，而氣相可以使用廉價(jià)的裝置內(nèi)的工藝水冷卻至各級(jí)進(jìn)料溫度，從而避免使用高壓蒸汽，既避免了高壓設(shè)備的使用，又降低了裝置能耗;②MTP反應(yīng)器的補(bǔ)入工藝蒸汽量為74 t/h(單臺(tái))，該工藝蒸汽為MTP反應(yīng)產(chǎn)生的水經(jīng)中壓蒸汽［3.5 MPa(g)，210℃］加熱氣化產(chǎn)生的，此過(guò)程也會(huì)造成反應(yīng)系統(tǒng)能耗較高;在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中一方面可考慮是否在保證反應(yīng)收率的前提下降低工藝蒸汽的使用量，另一方面可考慮在保證熱電站蒸汽品質(zhì)的情況下(不含堿金屬等)使用外部蒸汽來(lái)降低系統(tǒng)的能耗;③MTP反應(yīng)器中間氣相及液相進(jìn)料在進(jìn)入反應(yīng)器后，為了分布及霧化均勻，皆有進(jìn)料噴嘴，氣相噴嘴開(kāi)口較大，而液相噴嘴開(kāi)口在1 mm左右，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中即便是經(jīng)過(guò)過(guò)濾也很容易被物料中的雜質(zhì)堵塞，由此容易造成反應(yīng)器床層局部超溫，或霧化不好致使催化劑接觸液相而損壞催化劑;有可能的情況下可更換成更適用的液相噴嘴［6］;④液相中間進(jìn)料雖然有噴嘴可以霧化，但設(shè)計(jì)過(guò)程中，氣相進(jìn)料對(duì)于液相有一定的撕裂作用，會(huì)使液相霧化更好，故在操作運(yùn)行中一定要注意先建立反應(yīng)器中間氣相進(jìn)料，然后建立中間液相進(jìn)料;⑤MTP反應(yīng)器直徑大概在11 m左右，熱電偶的布置數(shù)量偏少，不能完全反應(yīng)床層徑向溫度分布情況，特別是由于液相噴嘴的不實(shí)用，很多情況下會(huì)出現(xiàn)床層局部超溫，可考慮將某些熱電偶換成多點(diǎn)式熱電偶，以能更好檢測(cè)床層的溫度分布并利于故障判斷。

4 結(jié)論

通過(guò)實(shí)際的運(yùn)行情況來(lái)看，目前MTP反應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特別是儀表控制系統(tǒng)的設(shè)置，完全可以滿足MTP裝置正常、穩(wěn)定、連續(xù)、安全運(yùn)行，但是在一些具體細(xì)節(jié)上可以說(shuō)有可以改良的空間。

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［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］梅長(zhǎng)松，高秀娟，陳愛(ài)平，等.液化石油氣在MTP反應(yīng)中的作用［J］.工業(yè)催化，2012，20(7):29 －32.

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［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