INEOS氣相聚丙烯反應(yīng)溫度控制

楊學(xué)超

摘要： 聚丙烯主要是由丙烯通過一系列加工與聚合形成的熱塑性樹脂，也可以添加乙烯生產(chǎn)價(jià)值和性能更高的共聚產(chǎn)品，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的聚丙烯技術(shù)有本體工藝技術(shù)以及氣相法工藝技術(shù)，本文介紹的INEOS工藝的溫度控制目前世界上應(yīng)用較廣的一種聚丙烯工藝之一。INEOS氣相聚丙烯是由丙烯在臥式反應(yīng)器內(nèi)通過一定的溫度和壓力下加工與聚合形成的熱塑性樹脂，其中對(duì)溫度的控制是相當(dāng)關(guān)鍵的，要求也是相當(dāng)嚴(yán)格的。本文重點(diǎn)研究了聚丙烯反應(yīng)溫度控制及控制中的問題和解決方法。

關(guān)鍵詞： 氣相聚丙烯；溫度控制；熱量；急冷液。

前言

當(dāng)前，在世界范圍內(nèi)，聚丙烯是一項(xiàng)最重要的合成樹脂，其具有來源廣、密度小、易回收、質(zhì)量輕、耐腐蝕、耐高溫、機(jī)械性能優(yōu)越等多種優(yōu)勢(shì)，因而想要生產(chǎn)出更優(yōu)性能的聚丙烯樹脂，對(duì)聚丙烯的反應(yīng)控制研究尤為重要，其中對(duì)溫度的控制研究更是重中之重。

1 INEOS氣相聚丙烯工藝簡(jiǎn)介

神華榆林公司聚丙烯裝置采用INEOS公司Innovene氣相聚丙烯工藝，以丙烯為主要原料，生產(chǎn)聚丙烯產(chǎn)品。

Innovene氣相聚丙烯工藝是美國(guó)Amoco公司于二十世紀(jì)七十年代開發(fā)的一種臥式攪拌床聚丙烯工藝，后由英國(guó)BP公司購(gòu)得專利，進(jìn)一步發(fā)展，所以又稱為BP-Amoco技術(shù)，最后由INEOS公司獲得。INNOVENE聚丙烯生產(chǎn)工藝采用氣相反應(yīng)器技術(shù)生產(chǎn)聚丙烯產(chǎn)品，特點(diǎn)是使用帶水平攪拌器的反應(yīng)器和高性能的 CDi催化劑，能耗低、過渡料少、產(chǎn)量高、操作可靠性高、操作彈性大、產(chǎn)品均一性好、質(zhì)量控制好、工藝步驟簡(jiǎn)單、安全及環(huán)境友好。該工藝由聚合級(jí)丙烯經(jīng)精餾塔和脫除器除雜后在兩個(gè)串聯(lián)反應(yīng)器生產(chǎn)出粉狀聚丙烯再經(jīng)樹脂脫氣系統(tǒng)到擠壓造粒造出易儲(chǔ)存、運(yùn)輸和加工的較安全的聚丙烯成品。

2 反應(yīng)溫度控制

1.1 反應(yīng)溫度控制概況

要生產(chǎn)性能優(yōu)良、穩(wěn)定的聚丙烯產(chǎn)品，反應(yīng)溫度的控制是相當(dāng)重要的，控制聚合反應(yīng)的溫度主要是控制反應(yīng)器內(nèi)粉料的溫度。該氣相反應(yīng)器一般是由四個(gè)區(qū)域組成，設(shè)計(jì)產(chǎn)能更大的裝置可增加至五個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)有三個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，每個(gè)區(qū)域也有循環(huán)氣和3股急冷液注入，每股急冷液與一個(gè)溫度控制器與流量控制閥投串級(jí)控制，在第一區(qū)還有主催化劑和改性劑、三乙基鋁的加入，貫穿于整個(gè)反應(yīng)器的還有一個(gè)巨大的攪拌器。

1.2 熱量來源

在聚合反應(yīng)的初期，反應(yīng)溫度是靠進(jìn)入反應(yīng)器的循環(huán)氣加熱和攪拌器的機(jī)械熱來提供熱量、提升溫度的。聚合期，反應(yīng)溫度是靠一區(qū)的催化劑加入到反應(yīng)器內(nèi)，使氣相丙烯聚合發(fā)生反應(yīng)，而釋放出大量的熱，隨著攪拌器的不斷攪拌，熱量散發(fā)出來，而粉料也逐步向二、三、四區(qū)移動(dòng)，反應(yīng)不斷繼續(xù)，熱量源源不斷的產(chǎn)生出來。

1.3 撤熱機(jī)理

反應(yīng)器撤熱機(jī)理表觀上為加入到每區(qū)的急冷液蒸發(fā)帶走反應(yīng)熱，但粉床中的細(xì)節(jié)極為復(fù)雜，為保持反應(yīng)溫度穩(wěn)定，大量的聚合反應(yīng)放熱必須及時(shí)撤出。以HP操作為例，聚合放熱為2417kJ/kgPP，若不撤出熱量，10～15分鐘內(nèi)，溫度快速升高22℃，反應(yīng)器內(nèi)某處可達(dá)熔點(diǎn)。壓力2.25MPa（G）的液相丙烯汽化熱為276kJ/kg。熱量最終由E206撤出，部分尾氣在E206中冷凝，E206為管式換熱器，以循環(huán)水為冷卻介質(zhì)，將由撤熱時(shí)氣化產(chǎn)生的大量尾氣在此冷卻，大部分冷卻為液相丙烯返回至D201中，由D201底部離心泵G201加壓后以急冷液方式進(jìn)入反應(yīng)器進(jìn)行循環(huán)利用，小部分仍為氣相丙烯經(jīng)離心式壓縮機(jī)C201加壓后以循環(huán)氣方式進(jìn)入反應(yīng)器來維持系統(tǒng)的壓力。

在聚合反應(yīng)中，若不及時(shí)撤熱，粉料將熔融、結(jié)塊。過多的粉料熔融、結(jié)塊，就必須停車，除塊料。故必須設(shè)置合適的撤熱系統(tǒng)。

臥式氣相反應(yīng)工藝中，沿反應(yīng)器軸向、粉床對(duì)面的反應(yīng)器壁上，排布數(shù)個(gè)噴嘴，將丙烯急冷液噴灑在粉床上，氣化撤出反應(yīng)熱。

1.4 溫度控制要點(diǎn)

進(jìn)入粉床內(nèi)部的粉料，繼續(xù)反應(yīng)，一段時(shí)間后，再回到表面并被急冷液再次噴灑。期間，保持一定量的液體蒸發(fā)來維持床層溫度。急冷液與粉料接觸后不會(huì)完全蒸發(fā)，粉床內(nèi)保持一定量的急冷液，作為粒子的覆蓋層。攪拌有助于整個(gè)床層濕粉料的分布，保證溫度控制穩(wěn)定。

實(shí)驗(yàn)表明聚合反應(yīng)速度是隨反應(yīng)溫度的升高而升高的，到達(dá)一定值以后會(huì)下降，而聚合反應(yīng)速度既快、反應(yīng)溫度又易控制的設(shè)定溫度為66℃。而實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)反應(yīng)溫度的影響因素又是多樣化的，所以在溫度的設(shè)定上又不是將每區(qū)溫度都設(shè)定為66℃，而是各區(qū)各個(gè)溫度點(diǎn)均略有不同。

由于催化劑是在反應(yīng)一區(qū)加入，靠液相丙烯為載體，噴灑至反應(yīng)器內(nèi)部，所以反應(yīng)一區(qū)的的反應(yīng)更加劇烈，產(chǎn)生的熱量也就最多，該區(qū)域所需要撤熱的急冷液量也是最多的。通常為避免反應(yīng)溫度有較大的波動(dòng)，也是為避免聚合過程中產(chǎn)生塊料和片料，在對(duì)反應(yīng)溫度控制時(shí)，并不是只考慮使反應(yīng)達(dá)到最佳的反應(yīng)速率，而是要綜合考慮反應(yīng)的平穩(wěn)度，故將一區(qū)溫度設(shè)定值降低，第一根溫度控制器設(shè)定在60～61℃，第二根溫度控制器設(shè)定在61℃，第三根溫度控制器設(shè)定在62℃。經(jīng)過生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)得知，反應(yīng)溫度達(dá)到58℃以下時(shí)，氣相丙烯會(huì)出現(xiàn)部分冷凝產(chǎn)生液態(tài)，使反應(yīng)溫度波動(dòng)劇烈，難以控制。伴隨著反應(yīng)的繼續(xù)，反應(yīng)越往后反應(yīng)越弱，所需要維持反應(yīng)來激發(fā)催化劑活性的溫度設(shè)定值越高，通常二區(qū)的溫度控制器設(shè)定值在63～64℃，三區(qū)的溫度控制器設(shè)定值在64～66℃，四區(qū)的溫度控制器設(shè)定值在65～67℃。

第二反應(yīng)器是與第一反應(yīng)器串聯(lián)起來進(jìn)行生產(chǎn)的，不需要再次加入催化劑，靠第一反應(yīng)器中催化劑的殘余活性來繼續(xù)生產(chǎn)，所以需要的溫度要較第一反應(yīng)器高。第二反應(yīng)器溫度的設(shè)定一般為一區(qū)設(shè)定在63～65℃，二區(qū)設(shè)定在64～66℃，三區(qū)設(shè)定在65～67℃，四區(qū)設(shè)定在66～68℃。如果某一區(qū)中的某一根急冷液量過多或過少，可能該區(qū)的溫度設(shè)定會(huì)臨時(shí)調(diào)整。

2 反應(yīng)溫度控制中的異常情況

反應(yīng)溫度出現(xiàn)波動(dòng)或者出現(xiàn)異常情況經(jīng)常會(huì)在反應(yīng)中產(chǎn)生塊料或者片料，輸送到下游設(shè)備會(huì)堵塞閥門或者管線，嚴(yán)重時(shí)影響生產(chǎn)，停工檢修。

2.1 反應(yīng)溫度波動(dòng)原因

反應(yīng)中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)溫度波動(dòng)或者是顯示故障的情況發(fā)生，該種情況可能引起的因素有以下幾種情況：

加入反應(yīng)器中的催化劑流量突然變大，使一區(qū)溫度急劇升高；

反應(yīng)器料位設(shè)定過高造成催化劑噴灑不勻產(chǎn)生局部熱點(diǎn)，使反應(yīng)溫度升高；

反應(yīng)器料位設(shè)定過低造成催化劑噴灑在攪拌軸上也會(huì)造成局部熱點(diǎn)，使反應(yīng)產(chǎn)生波動(dòng)；

急冷液噴嘴發(fā)生堵塞，造成撤熱的急冷液量不足以將反應(yīng)產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)移走使溫度產(chǎn)生波動(dòng)；

2.2 反應(yīng)溫度波動(dòng)措施

反應(yīng)溫度通常控制的波動(dòng)范圍在設(shè)定值的±1℃之間，出現(xiàn)反應(yīng)溫度異常波動(dòng)時(shí)如不及時(shí)調(diào)整會(huì)導(dǎo)致溫度波動(dòng)范圍越來越大，就像正弦余弦曲線似的一直波動(dòng)，而且波峰越來越高，我們?cè)谡Ｉa(chǎn)中所能允許的溫度波動(dòng)范圍最大是±3℃，否則可能就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。所以在溫度出現(xiàn)上下波動(dòng)時(shí)應(yīng)及時(shí)調(diào)整，操作應(yīng)采取的措施：

將反應(yīng)溫度控制改為手動(dòng)控制，將急冷液流量調(diào)整更快地滿足溫度調(diào)整所需要；

重新整定溫度控制的PID參數(shù)，使其調(diào)整起來更為合理。

2.3 反應(yīng)溫度其它異常

如某一溫度控制點(diǎn)溫度長(zhǎng)期低于或高于其設(shè)定值，則可能的原因?yàn)樵搮^(qū)急冷液量過低或者過高，長(zhǎng)期急冷液量低或者是沒有流量會(huì)導(dǎo)致急冷液噴嘴發(fā)生堵塞，長(zhǎng)期急冷液量高可能為該噴嘴急冷液量已達(dá)上限。出現(xiàn)以上兩種情況任一種，均需對(duì)溫度設(shè)定值（亦即SP值）做出調(diào)整，通常為避免對(duì)同一根溫度點(diǎn)的設(shè)定調(diào)整幅度過大，我們亦會(huì)將其前后兩個(gè)溫度點(diǎn)設(shè)定值做出一定調(diào)整，來做到均衡控制，因?yàn)榧崩湟旱膰姙⒁彩前l(fā)散型，不止會(huì)噴灑到自己的溫度探測(cè)點(diǎn)，也會(huì)噴灑到相鄰溫度探測(cè)點(diǎn)一部分。經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐證明，調(diào)整某一溫度點(diǎn)的前溫度設(shè)定值較后溫度設(shè)定值更有效，也更能對(duì)后續(xù)系統(tǒng)影響最小，避免串連反應(yīng)。

2.4 影響反應(yīng)溫度的其他幾種因素

循環(huán)氣溫度的高低對(duì)反應(yīng)溫度的高低有直接影響；

反應(yīng)器中的惰性組分對(duì)提高反應(yīng)溫度的有抑制效果；

反應(yīng)中的雜質(zhì)或者毒物影響反應(yīng)速率，進(jìn)而影響反應(yīng)溫度的控制。