聚丙烯裝置氣相反應(yīng)釜溫控體系分析

(中國石化洛陽分公司，河南洛陽 471012)

洛陽石化總廠聚丙烯公司聚丙烯裝置，是引進(jìn)日本三井油化公司的HYPOL工藝技術(shù)。HYPOL工藝是一種本體法聚合、液相—?dú)庀嘟M合式工藝流程，裝置含有兩個(gè)反應(yīng)釜，一個(gè)為液相反應(yīng)釜D201，反應(yīng)原料丙烯、氫氣在催化劑的參與下在D201進(jìn)行本體聚合。第二反應(yīng)釜為氣相反應(yīng)釜D203，利用循環(huán)風(fēng)機(jī)C203建立流化床進(jìn)行均相反應(yīng)，氣相丙烯聚合。反應(yīng)產(chǎn)生的聚丙烯粉料(PP)送到后續(xù)工段，進(jìn)行氣－固分離、干燥、去活，而后送到造粒工段，添加助劑，生產(chǎn)出符合要求的聚丙烯產(chǎn)品。

HYPOL工藝中氣相反應(yīng)釜D203采用流化床反應(yīng)器工藝，主要是通過冷卻循環(huán)流化氣體的顯熱除去聚合反應(yīng)熱，部分冷凝態(tài)進(jìn)料或進(jìn)料中的液體丙烯的氣化也帶走了部分反應(yīng)熱。由于丙烯氣體的顯熱較小，冷丙烯氣體的用量就很大，氣體的流量同時(shí)影響反應(yīng)的流化狀態(tài)和除熱過程。氣相反應(yīng)釜的溫度是控制反應(yīng)及產(chǎn)品質(zhì)量的重要參數(shù)，因此對(duì)D203溫控體系的研究具有重要的意義。

1 D203溫度控制原理

D203的溫度控制是由循環(huán)氣冷卻器E－203和間接水冷卻器E－941來控制。E203采用間接冷卻水系統(tǒng)，其中反應(yīng)釜溫度T233與E203溫控閥T945采用串級(jí)調(diào)節(jié)，T945A/B采用分程控制，在正常生產(chǎn)及大循環(huán)時(shí)控制的是間接冷卻水的溫度，通過T945A/B閥的作用使冷卻水加熱或冷卻，從而控制D203的溫度。

2 D203反應(yīng)釜熱量分析

D203溫度控制還取決于進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)液相丙烯的量，液相丙烯在氣相反應(yīng)器D203中會(huì)迅速汽化，汽化過程中吸收大量的反應(yīng)熱，可以降低D203溫度。D203的液相丙烯主要來自漿料線，一部分是D201內(nèi)的循環(huán)丙烯，由LV211控制。另一部分來自沖洗丙烯，D201到D203漿料輸送采用P209的液相新鮮丙烯進(jìn)行沖洗，目的是降低漿料管線的漿料密度，防止?jié){料線堵塞。

當(dāng)丙烯聚合成聚合物時(shí)，聚合反應(yīng)放出熱量。為了使兩釜的反應(yīng)更加平衡，根據(jù)實(shí)際工況，D201與D203的反應(yīng)負(fù)荷比率一般為3∶2［1］，聚合裝置現(xiàn)在運(yùn)行負(fù)荷 9.5 t/h，D203 負(fù)荷為 3.8 t/h，根據(jù)D203溫度控制的原理，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量被E203和漿料線沖洗丙烯吸收并排除，同時(shí)下料線PP粉料也會(huì)帶走一部分熱量。按照能量轉(zhuǎn)化與能量守恒定律，進(jìn)行氣相反應(yīng)釜D203的熱量衡算式為:

式中:Q反應(yīng)熱——是原料丙烯聚合反應(yīng)所產(chǎn)生的反應(yīng)熱;

Q沖洗——進(jìn)入D203沖洗丙烯氣化吸收的熱量;

QE203——循環(huán)氣冷卻器 E－203撤出的反應(yīng)熱;

Qpp——聚丙烯粉料PP輸出帶走的熱量;

Q損——反應(yīng)整個(gè)工藝流程產(chǎn)生的熱損失。

3 D203反應(yīng)釜熱量衡算

丙烯聚合是一個(gè)強(qiáng)放熱反應(yīng)，D203為氣相反應(yīng)釜，假定釜內(nèi)丙烯以液態(tài)小顆粒狀態(tài)參與反應(yīng)。反應(yīng)產(chǎn)生的聚合熱量對(duì)于單位丙烯聚合熱來說是一固有的聚合熱給定量，當(dāng)液態(tài)丙烯聚合成聚合物時(shí)，大約每千克PP產(chǎn)生2 100 kJ/kg的熱量［2］。

進(jìn)入第二反應(yīng)釜D203的沖洗丙烯氣化需要大量的熱量，會(huì)撤去部分丙烯反應(yīng)熱。經(jīng)計(jì)算，液相丙烯在p=1 650 kPa時(shí)，汽化潛熱γ=563.3 kJ/kg。因此沖洗丙烯帶走的熱量計(jì)算如下:

其中:F291——P209A/B出口高壓丙烯流量，t/h;

F285——P209A/B 提供 D208 丙烯量，t/h;

F213——P209A/B－D201 深冷丙烯，t/h。

T946——E203間接冷卻水入口溫度;

T945——E203間接冷卻水出口溫度;

T946——E203間接冷卻水出口流量。

由上述計(jì)算可得出，氣相反應(yīng)釜D203的熱量撤出 Q沖洗占 39.1%，QE203占 53.7%，Qpp占 0.9%，Q損占6.3%。即氣相反應(yīng)產(chǎn)生的熱量39.1%由沖洗丙烯氣化吸熱撤除，53.7%由換熱器E203通過間接水冷卻撤除，聚丙烯粉料帶走的熱量?jī)H占整個(gè)反應(yīng)產(chǎn)生熱量的0.9%，D203作為體積83.4 m3的反應(yīng)器，內(nèi)部溫度控制在80℃，與環(huán)境溫度會(huì)有大量的熱交換，產(chǎn)生熱損失，經(jīng)計(jì)算這部分熱損失占反應(yīng)熱的6.3%。

4 計(jì)算結(jié)果分析

經(jīng)過計(jì)算，得出反應(yīng)釜D203的反應(yīng)熱撤除各部分所占比例 QE203＞Q沖洗＞Q損＞Qpp。D203產(chǎn)生反應(yīng)熱主要靠換熱器E203進(jìn)行撤除，因此在日常平穩(wěn)生產(chǎn)中，當(dāng)反應(yīng)溫度出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，首要要考慮調(diào)節(jié)TV945，即間接冷卻水的出口流量，通過控制間接冷卻水的流量來調(diào)節(jié)換熱器的換熱能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)釜D203的溫度控制。

換熱器E203主要是靠冷卻水與循環(huán)氣的熱交換實(shí)現(xiàn)控溫，對(duì)溫度的控制具有滯后性。間接冷卻水的閥開度具有局限性，只能在一定溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，聚合反應(yīng)作為活性很強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)，一旦配料比控制不當(dāng)，容易引起溫度驟升。換熱器E203的滯后性和局限性不能短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)溫度的有效控制。

沖洗液態(tài)丙烯汽化會(huì)撤走大量熱量，僅次于換熱器。丙烯汽化相變發(fā)生在瞬間，瞬間吸熱對(duì)緊急狀況下降低D203的溫度具有明顯的效果，可以實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)的溫度控制，具有較強(qiáng)的時(shí)效性。聚合反應(yīng)一旦遇到停水、停電、攪拌故障時(shí)，容易掛壁和堵塞，造成局部過熱或反應(yīng)釜飛溫，發(fā)生爆聚。沖洗丙烯氣化可以短時(shí)間內(nèi)降低反應(yīng)溫度，有效防止爆聚的發(fā)生，因此沖洗丙烯流量的精確控制對(duì)于控制D203的溫度具有重要的作用。建議在沖洗管線上安裝儀表和程控閥，實(shí)現(xiàn)沖洗流量的精確控制，從而實(shí)現(xiàn)在緊急狀況下對(duì)D203溫度的有效控制。