甲醇制丙烯（MTP）反应器内构件检修更换频繁原因分析

雍晓静，庄 壮，苏 慧，罗春桃，匡建平，，梁 健

（1.神华宁夏煤业集团有限责任公司煤炭化学工业分公司研发中心，宁夏 银川 750411；2.中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海 201108）

设备与自控

甲醇制丙烯（MTP）反应器内构件检修更换频繁原因分析

雍晓静1，庄 壮1，苏 慧1，罗春桃1，匡建平1，2，梁 健2

（1.神华宁夏煤业集团有限责任公司煤炭化学工业分公司研发中心，宁夏 银川 750411；2.中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海 201108）

MTP反应器采用多段冷激式绝热固定床，通过反应器内构件实现物料的均匀分布及催化剂床层温度的调控。雾化喷嘴和膨胀节作为内构件的核心部件，随着反应器运行周期延长，出现偏流、堵塞、断裂等问题，检修更换频繁，直接影响反应器的稳定高效运行。本文针对雾化喷嘴和膨胀节的具体问题逐项展开分析，并提出应对措施。

MTP反应器；内构件；雾化喷嘴；膨胀节

神华宁煤集团建成投产的2套年产50万吨MTP装置共有6台多段绝热固定床反应器，每个反应器内分布6个装填有ZSM-5分子筛催化剂的床层[1-3]，2～6层床层上部布置若干分布器安装喷嘴及膨胀节等内构件，通过内构件定量雾化甲醇-水-二甲醚激冷液来控制对应的床层温度。在装置投运的前两年，内构件检修频次较低，但随着生产运行周期延长，内构件频繁需要更换维修，成为制约反应器运行效率的卡脖子问题。本文重点对喷嘴和膨胀节内构件检维修出现的问题展开分析，并提出改进的办法。

1 雾化喷嘴运行现状及存在问题

从2014年神宁集团烯烃公司丙烯一车间雾化喷嘴堵塞率的统计数据得知，A反、B反和C反内的雾化喷嘴共计检维修9次，其中，A反喷嘴维修更换率平均为42.7%，B反喷嘴维修更换率平均为49.3%，C反维修更换率平均为47.3%。雾化喷嘴是实现气相反应物和液相反应物均匀分配进入反应器的关键设备。雾化喷嘴的雾化粒径分布、雾化角度、雾化覆盖直径和雾化均匀性等性能，直接影响反应器内反应物的浓度分布，共同决定雾化喷嘴覆盖区域内床层温度的可调控性。

需维修更换的喷嘴表现出物料分布不均、偏流、流量偏大偏小或无流量等现象。通过分析测试发现，偏流或流量偏大的喷嘴，内喷嘴直径出现不同程度的磨蚀，由原直径增大0.05～0.2mm左右，有的有不同程度的磨口出现。流量偏小或无流量的喷嘴，主要是被灰黄色固体物质及黑色固体物质堵塞造成的[4-6]。

1.1 检修期间拆卸的雾化喷嘴内堵塞物的分析

2014年检维修期间，MTP反应器拆卸的雾化喷嘴内，获取到灰黄色粉末和黑色粉末堵塞物。利用XRF和灰分分析仪，进一步分析上述两种堵塞物。表1是检维修期间MTP反应器拆卸的雾化喷嘴内获取的堵塞物组分，采用ZSXprimus型荧光光谱仪分析所得的元素组成。由表1可知，MTP内灰黄色堵塞物的主要成分是Al2O3、SiO2、Cr2O3和Fe2O3，其含量分别为 55.24wt%、3.27wt%、12.27wt%和23.73wt%，占总量的94.51wt%。结合工艺分析，Fe2O3和Cr2O3可能来源于反应器前段过滤器、换热器或工艺管线腐蚀生成的铁锈等；而Al2O3和SiO2可能来自于DME反应器内破碎的γ-Al2O3和SiO2，随侧线冷态液相管线经分布器流入雾化喷嘴。黑色堵塞物的主要成分为Al2O3、SiO2、Cr2O3和Fe2O3，其含量依次为 10.67wt%、5.16wt%、26.62wt%和47.66wt%，占总量的90.11wt%。

用XKMF-2000灰（挥发）分测定仪，在800℃的条件下焙烧含碳类有机化合物，结果见表2。经过烧炭分析后发现，灰黄色堵塞物的灼烧减量为18.75wt%，黑色堵塞物灼烧减量为86.29wt%。结合工艺分析，灰黄色堵塞物的有机碳化合物可能来源于反应器外，黑色堵塞物的有机碳化合物可能来源于MTP反应生成物的富集。

表1 检维修期间MTP反应器拆卸的雾化喷嘴内获取的堵塞物组分分析数据

表2 堵塞物烧失量分析数据

1.2 降低雾化喷嘴检维修频次及数量的方案

在MTP反应器长周期运行过程中，由于雾化喷嘴侧线液相反应物料中可能含有微小的固体颗粒，液相进料过滤器的过滤效果不理想，直接导致雾化喷嘴液相进料孔堵塞，造成冷态反应物分布不均，进而影响到对应催化床层的温度调控。改进过滤器在线服务效能，提高过滤效率，降低固体颗粒物在液相物料中的含量，可降低对雾化喷嘴的磨蚀及减少大颗粒固体物料阻塞喷嘴内径的几率。

开发新型雾化喷嘴，拓宽喷嘴内径，在保证雾化效果的前提下可提升雾化喷嘴的抗堵塞性能。同时升级喷嘴内径材质，可提升喷嘴的抗磨蚀性能。如图1所示，新开发的雾化喷嘴结构体现在以下几个方面：1）修改旋流槽的结构与尺寸（旋流孔数量、旋流槽宽、槽深）；2）增加气孔用于促进液相反应物的雾化效果；3）扩大液相出料口孔尺寸，将液相反应物进料孔设计为文丘里管状孔，用于降低喷嘴的堵塞；4）选用耐磨蚀材质用于延缓液相反应物中固体颗粒对液相孔的磨蚀。详细的设计加工过程将在相关的文章中专题报告。

图1 新型雾化喷嘴的设计简图

2 膨胀节运行现状及存在问题

2014年神宁集团烯烃公司丙烯一车间A反、B反和C反内的膨胀节更换量统计数据为：R-60151A检修3次，膨胀节更换率依次为12%、50%和9%；R-60151B检修3次，膨胀节更换率依次为21%、28%和13%；R-60151C检修3次，膨胀节更换率依次为9%、33%和30%。

2.1 膨胀节断裂及复位困难原因分析

图2为MTP反应器分布器的拆卸示意图。如图所示，分布器内选用的膨胀节存在如下技术缺陷：1）膨胀节结构设计不合理，此结构为内外套筒嵌套式，且外套筒尺寸较短，当拉伸长度超过10mm时，膨胀节轴向定位环直接被拉出套筒；2）随着床层温度升高，液相管在升温过程中受到非轴向的拉伸力作用，使得液相管变形弯折，间接导致膨胀节中的定位环可能会扣在外套筒处而不能回位；3）经过多周期升温-降温-升温疲劳运行后，膨胀节易拉断，或者破坏位于液相管与气相管交叉处的焊缝。

图2 MTP反应器分布器拆卸示意图

2.2 降低膨胀节更换维修工作量的方案

薄壁波纹管膨胀节虽能高效地缓解热应力产生的形变，但拉伸刚度较低，抗高温疲劳寿命不足。膨胀节外部套筒是保障轴向形变复位的有效手段，但变形量大且与轴向有一定位移后，复位就无法实现。通过优化轴向定位筒长度，焊接过程中严格对中等手段，可使膨胀节更换维修率有所降低，但要从根本上解决膨胀节断裂的问题，需要重新设计螺旋绕管替代膨胀节。螺旋绕管壁厚增大，拉伸刚度显著增加，抗高温疲劳寿命延长。初步核算螺旋绕管总长度为560mm，外径54mm，共12圈，采用不锈钢321管材质，详细的设计加工过程将在后续的文章中专题报告。

3 结论

MTP反应器内构件检修更换频繁，主要原因一是雾化喷嘴磨蚀偏流或被炭黑、Al2O3、SiO2、Cr2O3和Fe2O3组成的灰黄色或黑色固体物质堵塞；二是膨胀节断裂，由于薄壁膨胀节与轴向套管偏心无法复位或者膨胀节长期热应力变形累积，金属疲劳导致应力撕裂。通过加强进料过滤及提高焊接组装质量，可以缓解检维修频繁现状，但要从根本上解决上述问题，需要开发新型雾化喷嘴，设计合适的螺旋绕管替代膨胀节。

[1] 王科，李杨，陈鹏.甲醇制丙烯工艺及催化剂技术研究新进展[J].天然气化工（C1化学与化工），2009，34(5)：63-68.

[2] 王林，严国辉，雍晓静. 煤基甲醇制丙烯工业装置运行问题探讨[J]. 煤化工，2014，42(2)：43-46.

[3] 张伟，张堃，雍晓静，等.煤基MTP装置丙烯收率下降原因分析[J]. 当代化工，2014，43(6)：900-903.

[4] 庄壮，匡建平，雍晓静，等. 甲醇制丙烯（MTP）反应器喷嘴雾化性能研究[J].化工进展，2016，35(s1)：121-124.

[5] 庄壮，匡建平，雍晓静，等.不同液相孔径对MTP反应器喷嘴雾化性能的影响[J].天然气化工（C1化学与化工），2016，41(6)：78-83.

[6] 苏慧，庄壮，雍晓静.甲醇制丙烯（MTP）反应器雾化喷嘴堵塞原因探析[J].石油化工应用，2017，36(1)：111-113.

Causes Analysis for High Maintenance and Replacement of Internals in MTP Reactor

YONG Xiaojing1, ZHUANG Zhuang1, SU Hui1, LUO Taochun1, KUANG Jianpingg1,2, LIANG Jian2
(1. R＆D Center of Coal Chemical Industry Company of Shenhua Ningxia Coal Industry Group Co., Ltd., Yinchuan 750411, China;2. 711 Research Institute of China Shipbuilding Industry Corporation, Shanghai 201108, China)

TQ 221.21+2；TQ 0052.5

B

1671-9905(2017)09-0054-03

宁夏回族自治区宁东能源化工基地科技创新项目（2014NDKJ100）；国家国际科技合作专项项目（2015DFA40660）

雍晓静（1978-），女，宁夏银川人，硕士研究生，工程师，主要从事MTP催化转化过程研究，yongxiaojing@nxmy.com

2017-06-16