摘要：针对聚四氢呋喃（PTMEG）装置环化工序中树脂反应器存在的反应速率迟缓、压降偏高、催化剂使用寿命较短等问题，提出了反应器结构及工艺路线优化方案。通过对工艺温度控制策略的优化、反应器结构型式的改进及催化剂装填数量的调整，实现装置运行稳定性提升200% ，催化剂寿命延长 196% ，能耗降低 25%

关键词：PTMEG 装置、环化工序、催化剂寿命、反应器结构、工艺优化

1．引言

内蒙古君正化工有限责任公司乌达新材料分公司 6 万吨 PTMEG装置，其 BDO 环化工序采用英威达 （INVISTA） 最新离子交换树脂工艺法生产四氢呋喃。在该工序中，环化反应器作为核心设备，采用列管式结构。反应器管程设计有 1150 根列管，列管内径为 43mm。每根列管装 520g 离子交换树脂催化剂，列管两端的管板上安装有 0.2mm 楔形丝网，并配合支撑格栅进行固定。这种结构有效防止了催化剂在生产过程的逃逸现象，同时确保了液体、气体物料能够顺利通过。反应器壳程通入 0.5MPa 的低压蒸汽，为反应提供所需热量。在正常工况下，BDO 从反应器底部进入管程，与催化剂充分接触。在约 130℃的反应温度下，BDO 发生环化反应，生成四氢呋喃，并在壳程蒸汽加热下发生汽化，从反应器顶部进入下游设备。为避免焦油等杂质在反应器内积聚，反应器始终保持以进料量 0.15 倍的液相采出，以排出反应过程中生成的杂质。生产流程及结构简图如下图1 所示。

离子交换树脂作为环化反应的催化剂，其催化剂活性、使用寿命以及在反应器内的分布状况，直接决定了反应速率、生产能力以及产品质量。为使催化剂能够与 BDO 充分接触，达到最佳反应状态，在反应过程中需使催化剂处于流化状态。然而，为防止催化剂在流化状态下发生逃逸及串管现象，进而导致BDO 反应速率下降、副产物增多，在反应器管板两端安装了 0.2mm 的楔形丝网，并通过支撑格栅进行固定。这种结构虽然解决了催化剂逃逸问题，但在工业化生产过程中，也引发了一系列不容忽视的工程问题。

2．反应器工程问题

2.1 反应速率缓慢

BDO 在离子交换树脂催化下发生环化反应的适宜温度约为130℃，但 BDO 进料温度仅为 60% ，进入反应器后，需借助 0.5MPa低压蒸汽加热至 130℃，这一升温过程耗时较长。并且，BDO 进入反应器后，列管下部区域始终低于 130^∘C ，无法达到反应所需温度，且树脂难以流化，最终造成反应速率缓慢，装置负荷无法达到设定值。列管内的温度分布情况如图2 所示。

2.2 反应器压降高

离子交换树脂平均粒径 0.7-0.95mm 之间，其中含有约 1% 粒径小于 0.4mm 的小粒径树脂。这些树脂装填于反应器列管内，而反应器上下管板两侧分别安装有由支撑格栅固定的 0.2mm 楔形丝网，用于阻挡树脂逃逸。然而，高精度楔形丝网以及物料的高黏度特性，共同导致了反应器压降偏高的工程问题。压降过高，不仅会加速树脂的粉末化进程，还会增加蒸汽消耗，用于蒸发反应生成的四氢呋喃。此外，这还会进一步加快反应器内焦油的生成，而更多蒸汽产生的局部高温会缩短催化剂的使用寿命。BDO 在不同温度下的黏度数据如下表所示。

2.3 催化剂寿命短

反应器列管内温度分布不均，反应主要在列管上部分进行。为了维持稳定生产，需要消耗更多蒸汽来维持反应的持续发生以及汽化生成的四氢呋喃，这使得局部温度过高，促使离子交换树脂失活。同时，由于反应器压降较高，生成的四氢呋喃通过楔形丝网的阻力增大，在列管顶部形成气相空间，减少了物料与催化剂的接触面积，导致无法有效溶解并带走焦油，从而进一步加速了催化剂的失活进程。

3．反应器优化设计

3.1 工艺温度控制策略优化

针对反应器内温度分布不均、反应速率缓慢的问题，其根本原因在于进料温度较低。反应器壳程蒸汽不仅要为反应提供所需热量，还要满足反应生成四氢呋喃后的汽化热需求。为此，在 BDO 进料管线上增设一台换热器，利用低压蒸汽将进料 BDO 加热至 120℃后，再使其从底部进入反应器。此时，热物料与催化剂接触后即可迅速发生BDO 环化反应，生成四氢呋喃。在壳程蒸汽的持续加热下四氢呋喃汽化形成气泡，带动树脂流化，使得树脂处于流化状态，进而增大了BDO 物料与树脂的接触面积，有效解决了催化剂流化问题，同时也改善了列管内物料温度分布不均的状况。具体示意图如图3 所示。

3.2 反应器结构型式优化

反应器上下两端的楔形丝网精度较高，虽能有效阻挡树脂，但对物料的流通率造成较大影响，导致反应器压差过大。针对这一问题，本研究提出保留底部楔形丝网，取消反应器顶部楔形丝网及支撑格栅的优化方案。这样一来，增大了物料的流通面积，使得树脂能够在管程自由流动。反应生成的四氢呋喃气相形成气泡后，可轻松穿过液相空间，从顶部采出。气相物料在穿过液相空间的过程中，对催化剂和BDO 液相物料起到混合搅拌的作用，促进了BDO 物料和催化剂充分、有效接触，进一步加快了反应速率。优化后的结构简图如图4 所示。

3.3 催化剂装填数量优化

反应器离子交换树脂催化剂的原设计装填量为每根列管 520g ，装填高度 447mm ，约占列管高度的 37% ，催化剂装填总量 598kg。经过初步理论计算，并通过反复试验优化，最终将每根列管的催化剂装填量调整为 653g，装填高度调整为 560mm ，约占列管高度的 46% ，催化剂装填总量达到 750kg 。

4．反应器优化改造效果

经过一系列的改造与优化，自装置开车运行以来，反应器的操作及性能始终保持良好状态，各项参数得到了显著提升。实现了装置运行稳定性提升 200% ，催化剂寿命延长 196% ，能耗降低 25% 的目标。优化前后数据对比如下表所示。

5．结论

本研究通过对环化反应器的结构与工艺流程进行协同优化，经工业验证表明，该优化方案显著提升了装置额运行稳定性，延长了催化剂的使用周期。这不仅实现了 PTMEG 装置生产过程的提质增效，还为精细化工领域高粘度体系反应器设计提供了重要的理论依据与技术范式，符合国家“双碳”战略对绿色低碳化工的技术需求。

作者简介：吴晨，PTMEG 分厂 THF 车间主任