甲醇制丙烯(MTP)反应器雾化喷嘴堵塞原因探析论文_席冬冬

大唐内蒙古多伦煤化工有限责任公司 内蒙古 锡林郭勒盟 027300

摘要:丙烯作为一种基础有机化工产品,在现代化学工业、石油工业等领域的支撑作用日益突出。由于我国依然处于高速发展的时期,油气资源的相对短缺,造成以油气为原料生产丙烯的能力相对不足,从而影响聚丙烯、环氧丙烷等化工原料的合成。然而,我国丰富的煤炭资源,使得以煤为原料,通过气化、一氧化碳变换、甲醇合成再经丙烯聚合的工艺逐渐成为一个稳定且具有前景的聚丙烯来源。基于此,本文主要对甲醇制丙烯(MTP)反应器物料雾化喷嘴堵塞原因进行了分析,仅供参考。

关键词:甲醇制丙烯(MTP)反应器;雾化喷嘴;堵塞物;堵塞原因

中图分类号:TQ052文献标识码:A

引言

丙烯作为一种重要的基础有机化工原料,广泛用于合成聚丙烯、环氧丙烷、丙烯腈和异丙醇等,其主要来源于蒸汽裂解和催化裂化、丙烷脱氢、甲醇制丙烯(MTP)和甲醇直接转化低碳烯烃(DMTO)。本文以 MTP 反应器内的雾化喷嘴为主要研究对象,结合 MTP 工艺特点,借助 X 射线 荧光光谱仪(XRF)、激光粒度仪、超声波粒度测试仪和灰分测定仪等表征手段,详细分析了侧线液相反应物中的悬浮颗 粒的元素组成、粒径尺寸,研究了雾化喷嘴液相孔径中固体堵塞物的元素组成、粒径分布及有机碳含量,从而探明引起 MTP 反应器雾化喷嘴堵塞的原因,并提供相应的技术方案用于解决雾化喷嘴的堵塞。

1甲醇制丙烯(MTP)反应器概况

目前,国内工业运行的甲醇制丙烯(MTP)反应器采用德国鲁奇公司提供的多段冷激式绝热反应器,该型反应器属于固定床反应器的一种。作为一种广泛应用于气固非均相催化反应的反应器,固定床具有催化剂不易磨损,可用较少的催化剂用量和较小容积的反应器获取较大的生产能力的优点。然而,多段固定床反应器内动量传递与质量传递,催化床层内反应物浓度分布、反应产物选择性等均与床层的温度分布呈现复杂的非线性关系,因此床层温度的分布与调控即是多段固定床反应器首要关注的难点;且伴随着固定床反应器内催化剂逐渐运行至末期,床层温度的控制尤其关键。皆因,MTP反应器床层最优反应温度介于470~480℃之间,反应温度过低,催化剂选择性差,丙烯收率低,易产生高碳组分;反之,则易加速催化剂的“积炭”失活。雾化喷嘴为MTP反应器的核心内构件,侧线液相反应物与侧线气相反应物(统称为“冷态反应物”)经分布器由雾化喷嘴喷出。喷出的冷态反应物料降低上一级催化床层出口温度的同时,实现强化反应器内传热和传质的效果,进而控制对应床层内反应温度分布与反应浓度分布。

雾化喷嘴是MTP固定床反应器内的核心内构件,既可作为反应物进料系统用于分配反应器内的气相反应物,又可作为激冷系统用于降低上一级催化床层出口物料温度,同时能够强化反应器内的传质与传热过程,从而实现对催化反应物的分配与床层温度的控制。MTP反应器喷嘴系双通道外混合式雾化喷嘴,其侧线冷态反应物料,即侧线液相反应物和侧线气相反应物,分别经过雾化喷嘴的内孔道和外孔道喷至对应催化床层催化剂上发生反应。

2实验部分

在MTP反应装置中(见图1),侧线二甲醚/甲醇/水混合液先经过过滤器除杂,再由泵输送到MTP反应器2~6级催化床层。故,实验分别以侧线液相进料过滤器内的固体残留物、MTP反应器侧线冷态液相反应物以及反应器A/B/C检修期间拆卸的雾化喷嘴内的堵塞物为研究对象,分析元素组成与颗粒尺寸,为探明雾化喷嘴内的堵塞物形成原因提供实验依据。图中所示位置1、2和3分别对应列出的1#、2#和3#取样点。其中,1#取样点为侧线液相进料过滤器内的固体残留物,2#取样点为MTP反应器侧线冷态液相反应物,3#取样点为检修期间拆卸的雾化喷嘴内的堵塞物。

3.3反应器检修期间拆卸的雾化喷嘴内堵塞物的分析

2015年检维修期间MTP反应器拆卸的雾化喷嘴内获取的堵塞物照片。其中(a)和(b)是土灰色粉末的照片,而(c)和(d)为黑色粉末的照片,利用XRF和灰分分析仪,进一步分析上述两种堵塞物。经过烧炭分析后发现,土灰色堵塞物灼烧减量为18.75%(wt),黑色堵塞物灼烧减量为86.29%(wt)。由此推测,黑色堵塞物中含有大量的有机碳化合物,其中土灰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反应器内部反应生成。

3.4雾化喷嘴堵塞的原因分析及治理措施

依据上述雾化喷嘴内获取堵塞物的元素组成分析结果可知,堵塞物主要以Fe2O3、SiO2和Al2O3为主,认为破碎的固体催化剂粉末和铁锈是堵塞物的主要来源。

3.4.1侧线液相管线内过滤设备的加装

通过在MTP反应器侧线液相进料管线内加装过滤设备,阻止固体颗粒杂质随着侧线气相或液相反应物进入分布器,引起雾化喷嘴堵塞。在实际运行过程中,建议于侧线液相进料管线靠近法兰端加装120~150目的过滤网;建议于MTP反应器2~6级气相进料管线的末端,加装高精度的锥形过滤滤芯;建议MTP反应装置实现定期的检修期,清洗或更换损坏的滤网和滤芯,如此可保证大部分的固体杂质被滞留在喷嘴之外。

3.4.2雾化喷嘴结构与尺寸的设计依据专利

(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颗粒对液相孔的磨蚀。

通过以上实验研究可以发现:(1)雾化喷嘴内获取的堵塞物分别呈现黑色和土灰色。其中土灰色堵塞物主要成分是Al2O3、SiO2、Cr2O3和Fe2O3,其含量分别为55.24%(wt)、3.27%(wt)、12.27%(wt)和23.73%(wt),占总量的94.51%(wt),灼烧减量为18.75%(wt),颗粒粒径介于0.631μm~363.078μm;(2)冷态液相反应物中固体颗粒尺寸不均一且分布较宽,所得颗粒粒径介于40.48μm~270.99μm;侧线液相反应物过滤器内的固体残留物灼烧减量达到84.70%(wt),主要以Al2O3、SiO2和Fe2O3为主,占组分总量的94.38%(wt),其颗粒粒径介于208.93μm~478.63μm。

结束语

总而言之,本文分析了侧线液相反应物中的悬浮颗粒的元素组成、粒径尺寸,研究了雾化喷嘴液相孔径中固体堵塞物的元素组成、粒径分布及有机碳含量,从而探明引起MTP反应器雾化喷嘴堵塞的原因,并提供相应的技术方案用于解决雾化喷嘴的堵塞。希望可以为业界人士提供参考。

参考文献

[1]吴文章.甲醇制丙烯(MTP)反应过程研究[D].华东理工大学,2012.

[2]郭文瑶.固定床反应器中甲醇制丙烯过程的实验和模拟研究[D].上海交通大学,2013.

[3]邓婕.甲醇制丙烯反应器的数学模拟[D].华东理工大学,2013.

论文作者:席冬冬

论文发表刊物:《防护工程》2017年第13期

论文发表时间:2017/11/15

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