0 引 言
在众多以煤为原料合成化工品技术[1-3]中，煤基甲醇制烯烃技术，如德国Lurgi公司MTP[4-7]和中科院大连化学物理研究所DMTO[8-11]各具特色，前者以硅铝分子筛ZSM-5为催化剂，选择固定床反应器实现主产丙烯、副产混合芳烃、液化石油气(LPG)的目标；后者以磷硅铝SAPO分子筛为催化剂，选择流化床反应器实现主产乙烯和丙烯的目标。甲醇制丙烯(MTP)反应器为六段激冷式固定床反应器，此类非均相反应器内配置有一定数量的气液相物料分布器组，通过安装其上的若干雾化喷嘴实现段间气液相反应物进料，控制催化剂床层温度，解决强放热反应温度调控难的技术问题，从而保障催化剂高效稳定运行。
雾化喷嘴作为物料分布器组的核心进料构件，其功能是将物料均匀地喷洒至对应覆盖区域内的催化床层表面，达到强化相邻床层间的传质与传热过程、调控催化剂床层温度的目的。然而，德国鲁奇公司提供的MTP固定床反应器长径比达1.5倍，其中最薄处床层仅填装0.29 m高的催化剂。若雾化喷嘴雾化覆盖直径较窄，会影响到催化床层径向温度的调控，导致局部过热或催化剂结焦，由此可能影响到MTP催化剂的催化性能[12-18]。
笔者基于已开展的雾化喷嘴结构设计与性能评测数据[19-21]，选择工业级MTP固定床反应器第四级床层为主要研究对象，以二甲醚/甲醇/H2O为反应物料，在直径近12 m的固定床反应器装置上对设计的气流式雾化喷嘴及物料分布器组进行了工业适用性研究，通过分析侧线反应物料、反应器床层出入口温度、不同位置处床层温度等变化规律，为雾化喷嘴结构与尺寸再优化及气流式雾化喷嘴和物料分布器组的“整台工业”应用提供基础试验数据。
1 试 验
1.1 气流式雾化喷嘴
双通道气流式MTP反应器雾化喷嘴结构示意如图1所示。
dl—液相孔直径；b—旋流槽宽；h—旋流槽深；
气相外环隙直径和内环隙直径
图1 气流式雾化喷嘴结构示意
Fig.1 Airflow atomizing nozzle structure
反应器中心通道为低速流入的液相反应物，以水(H2O)为主、混有少量甲醇(MeOH)和二甲醚(DME)；环隙通道为高速流动的气相反应物，主要以DME和MeOH的混合气体为主。中心通道内的反应物经旋流槽旋转后由液相孔喷出；气相反应物在喷嘴外高速冲击使得液相反应物破碎、分散，形成均匀的反应物料分布场，旨在调控对应催化床层温度，强化相邻催化床层间的传质与传热效果。
1.2 工业测试条件
MTP反应器工艺流程如图2所示，反应物二甲醚/甲醇及循环烃从反应器顶部进入反应器，逐次通过六段床层，而段间设置有侧线物料分布器组用于控制床层温度。
图2 MTP反应器工艺流程
Fig.2 Process of MTP reactor
MTP反应器与气流式喷嘴主要参数见表1。
表1 MTP反应器与气流式喷嘴主要设计参数
Table 1 Main design parameters of air-blast nozzles & MTP reactor
名称主要参数名称参数值固定床反应器高度/m反应器直径/m反应器级数17.611.76雾化喷嘴液相孔径/mm旋流通道数量旋流槽尺寸/(mm×mm)气相环隙内径/mm气相环隙内径/mm220.5×1.0206
将设计的双通道气流式雾化喷嘴安装于床层内的各反应物进料分布器上，开展单层适应性研究，分析不同位置处床层温度的变化规律、床层温度与反应物进料量之间的关系，为雾化喷嘴的整台应用奠定试验基础。选择MTP反应器第四级床层为研究对象，皆因第四级床层反应最具代表性，其催化剂装填量占整个床层的18%，且该床层内吸放热效果相对其他床层更为明显。随着第四级床层取得了较好的应用效果后，其他床层陆续开展了试验研究。
气流式雾化喷嘴单层应用的试验条件见表2，段间反应物主要以气相和液相进入反应器内，其中气相主要为二甲醚，通过脱水反应生成烃类有机物，进料温度介于220～280 ℃；液相主要为水，主要作用为调控床层温度，进料温度介于40～80 ℃。
表2 雾化喷嘴单层应用试验条件
Table 2 Experimental condition of air-blast nozzles applied in the single bed of MTP reactor
名称进料量主要组成比例/%进料温度/℃进料状态冷态反应物1 000^1 800 kg/h8040^80液相热态反应物9 000^12 000 m3/h98220^280气相
2 试验结果与讨论
2.1 侧线反应物进料分析
第四级床层不同运行周期侧线物料进料量变化曲线如图3所示，对于处于诱导期(Induction period)的催化剂，液相物料进料量随着运行时间的延长，由1 263 kg/h增至1 459 kg/h；气相物料略有增加，平均值达10 070 m3/h。当催化剂运行至稳定期(Stable period)时，气相物料进料量略增加，液相物料进料量略降低；相比诱导期而言，稳定期内气相物料进料量平均值由10 070 m3/h增至1 0811 m3/h，而液相物料进料量平均值由1 297 kg/h降至1 069 kg/h。随着催化剂步入失活期(Deactivation period)，液相物料随运行时间增加而降低，由1 705 kg/h降至1 302 kg/h；气相物料进料量基本不变，平均值达10 006 m3/h。
图3 第四级床层不同运行周期侧线物料进料量的变化曲线
Fig.3 Curves of feeding rates of sideline reactants varied in the fourth bed under different running periods
2.2 反应器床层出入口温度分析
德国鲁奇喷嘴和双通道气流式喷嘴在第四级床层内不同运行周期对应的入口温度和出口温度变化曲线如图4所示。
图4 鲁奇喷嘴和双通道气流式喷嘴在第四级床层内不同运行周期对应的进口温度和出口温度的变化曲线
Fig.4 Curves of inlet and outlet temperature varied in the fourth bed under different running periods correspondingly to Lurgi nozzles and air-blast nozzles
由图4可知，催化剂处于诱导期时，配置有双通道气流式喷嘴的床层入口温度均值为460 ℃，出口温度均值达485 ℃；随着催化剂步入稳定期，床层入口温度均值为459 ℃，出口温度均值为487 ℃；当催化剂进入失活期时，床层入口温度和出口温度平均值分别为466 ℃和490 ℃。与德国鲁奇喷嘴相比，双通道气流式喷嘴在不同运行周期内进口温度和出口温度较稳定，处于MTP最佳反应温度范围(450～490 ℃)[22]。结合雾化直径测试试验[20,23]分析认为，与德国鲁奇喷嘴覆盖直径(640～720 mm)相比，双通道气流式喷嘴具有适宜的覆盖直径(680～800 mm)，使得其更易调控催化床层温度。
不同运行周期第四级床层出口和入口温差的变化曲线如图5所示，当催化剂进入诱导期后，四级床层温差△T平均值达25.47 ℃；催化剂由诱导期步入稳定期后，床层温差均值增至28.44 ℃；伴随催化剂运行至失活期，四级床层温差均值降至23.34 ℃。
2.3 不同床层位置处温度分析
不同运行周期床层下部处不同径向位置对应温度平均值变化柱状如图6所示，靠近反应器壁面，诱导期内温度基本不变，达474 ℃；随着催化剂进入稳定期后，温度均值为476 ℃；进入失活期后，温度均值略升高，达479 ℃。靠近反应器中心，诱导期内温度均值为485 ℃，稳定期内温度均值为489 ℃，而失活期内温度均值为495 ℃。反应器中心与壁面间中点处，诱导期、稳定期和失活期温度均值依次达478、482、489 ℃。
图5 不同运行周期第四级床层出口和入口温差的变化曲线
Fig.5 Curves of temperature difference corresponding to inlet & outlet temperature varied in the fourth bed under different running periods
图6 不同运行周期床层下部处不同径向位置对应温度平均值变化柱状
Fig.6 Bar graphs of average temperature variations corresponding to different radial positions located in bed bottoms under different running periods
3 结 论
笔者围绕双通道气流式雾化喷嘴在甲醇制丙烯固定床反应器第四级床层中的应用，分析了侧线反应物进料、第四级床层出口和入口温度，以及不同径向位置处床层温度的变化，为该型喷嘴结构、尺寸优化及其在固定床反应器内的“整台工业”应用提供了试验数据。主要结论如下：
1)与德国鲁奇喷嘴相比，双通道气流式喷嘴在不同运行周期内入口温度和出口温度较稳定，催化床层温度更易调控，且床层操作温度处于MTP最佳反应温度范围。
2)随着催化剂进入诱导期后，双通道气流式喷嘴对应床层入口温度和出口温度均值分别达到460 ℃和485 ℃；当催化剂步入稳定期，床层入口温度和出口温度均值为459 ℃和487 ℃；催化剂逐渐失活后，床层入口温度和出口温度平均值略有升高，依次为466 ℃和490 ℃。
3)对于双通道气流式喷嘴而言，其诱导期内第四级床层温差均值为25.47 ℃，稳定期内床层温差升至28.44 ℃，而失活期内床层温差降至23.34 ℃。
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