PP Z30S生產(chǎn)波動原因及對策

周軍義

（中石化北海煉化有限責(zé)任公司，廣西壯族自治區(qū)北海市 536000）

聚丙烯（PP）作為通用熱塑性樹脂，是重要的化工產(chǎn)品和原料。自1980年以來，世界PP的消耗量以每年9.5% 的速度增長。中石化北海煉化有限責(zé)任公司（以下簡稱北海煉化）200 kt/a PP裝置采用國產(chǎn)第二代環(huán)管法工藝技術(shù)，用兩組串聯(lián)的液相環(huán)管反應(yīng)器生產(chǎn)均聚PP，產(chǎn)品牌號有注射、擠壓、薄膜、纖維級等。其中，Z30S產(chǎn)品主要用于生產(chǎn)高速紡絲、膨脹連續(xù)長絲等。該裝置的擠壓造粒系統(tǒng)采用德國WP公司的擠壓機(jī)，操作簡單、牌號切換靈活、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定；控制系統(tǒng)采用浙江中控技術(shù)有限公司ECS700技術(shù)。在生產(chǎn)高熔體流動速率（MFR）的Z30S產(chǎn)品期間，裝置多次出現(xiàn)環(huán)管反應(yīng)器溫度、高壓閃蒸罐頂部溫度、產(chǎn)品密度等波動情況，本工作針對裝置的這些波動進(jìn)行分析并提出相應(yīng)的對策，為以后裝置的平穩(wěn)運行奠定基礎(chǔ)。

1 環(huán)管反應(yīng)器溫度的波動

丙烯在環(huán)管反應(yīng)器中反應(yīng)生成PP時會產(chǎn)生聚合熱，撤熱常是生產(chǎn)中的關(guān)鍵問題之一。根據(jù)中國石化工程建設(shè)有限公司的設(shè)計，在第一環(huán)管反應(yīng)器（R201）中反應(yīng)完成約65%，在第二環(huán)管反應(yīng)器（R202）中完成35%。兩環(huán)管反應(yīng)器中生成的熱量大致與反應(yīng)分配成正比，因此，平穩(wěn)控制R201的撤熱尤其重要。本工藝采取熱對流的方式（即環(huán)管夾套水）撤熱。環(huán)管反應(yīng)器溫度與很多因素[如反應(yīng)是否均勻、環(huán)管中漿液循環(huán)是否均勻、環(huán)管夾套水流量是否平穩(wěn)、夾套水溫度串級控制的比例（P）、積分時間（I）、微分時間（D）調(diào)節(jié)是否平穩(wěn)等]有關(guān)。環(huán)管內(nèi)部漿液循環(huán)由軸流泵控制，軸流泵轉(zhuǎn)速是恒定的，所以漿液循環(huán)可視為均勻；環(huán)管夾套水由離心泵控制，通過監(jiān)控室內(nèi)分散控制系統(tǒng)（DCS）對兩個環(huán)管夾套水泵的出口流量的監(jiān)控可知，夾套水流量基本恒定（在長期使用過程中，由于循環(huán)水中存在雜質(zhì)逐漸使離心泵入口過濾器與換熱器堵塞，影響泵的出口流量，可根據(jù)離心泵出口流量定期清理入口過濾器或者換熱器）；北海煉化DCS是聚烯烴行業(yè)中首家采用浙江中控技術(shù)股份有限公司軟件ECS700，該軟件的P，I，D調(diào)節(jié)特點為采用比例微分先行形式（P，D先行是只對測量值起比例微分作用的控制算法，在比例微分環(huán)節(jié)連通反饋通道中位于設(shè)定值與測量值的比較點之前。而在通常的P，D或P，I，D控制算法中，微分控制作用是與偏差的變化速度成正比的，不論設(shè)定值或測量值怎樣突變，微分控制作用都十分強(qiáng)烈。因此，必須緩慢調(diào)整設(shè)定值。為了不受這種限制，對此系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，可以只對測量值進(jìn)行微分，而測量值一般是不會突然變化的），這種調(diào)節(jié)不同于以往的線性調(diào)節(jié)，還缺乏實際經(jīng)驗。開工初期，界區(qū)循環(huán)水溫度波動較大，需要將環(huán)管與夾套水溫度串級調(diào)節(jié)，這樣更具靈敏性、提前性，經(jīng)過一段時間地摸索，環(huán)管溫度終于逐步穩(wěn)定。圖1為串級調(diào)節(jié)控制環(huán)管與夾套水溫度的P，I，D優(yōu)化前后對比。

圖1 串級調(diào)節(jié)控制環(huán)管與夾套水溫度的P，I，D優(yōu)化前、后對比Fig.1 Contrast of PID of cascade regulation control loop and jacket water temperature before and after optimization

控制環(huán)管溫度對穩(wěn)定催化劑反應(yīng)活性，環(huán)管反應(yīng)器中漿液密度、H2溶解度以及產(chǎn)品質(zhì)量等非常重要，同時也有利于提高裝置操作運行平穩(wěn)率。

2 環(huán)管反應(yīng)器中漿液密度的波動

環(huán)管反應(yīng)器中的漿液密度直接影響裝置的產(chǎn)量。以R201為例，假設(shè)丙烯進(jìn)料量、漿液密度、裝置產(chǎn)量分別為F，D，Y，則R201中丙烯轉(zhuǎn)化率（X）為X=[（1-400/D）/500]×900（70 ℃ PP及液相丙烯的密度分別為900，400 kg/m3），Y=FX=[（1-400/D）/500]×900，根據(jù)以上計算，在漿液密度一定的情況下，R201的產(chǎn)量主要與其漿液密度成正比，密度越高，PP漿液在反應(yīng)器中停留時間越長[1]，催化劑的利用率就越高，產(chǎn)量就越高。但漿液密度越高，產(chǎn)生的聚合熱越多，則會面臨來不及撤熱的難題。目前，基本控制漿液密度在540～560 kg/m3，這既能保證催化劑的效率和產(chǎn)量，又能保證環(huán)管反應(yīng)器的熱量能夠及時撤出。

環(huán)管反應(yīng)器中的漿液密度主要與環(huán)管溫度、丙烯進(jìn)料量有關(guān)（見圖2）。通常，丙烯進(jìn)料量與催化劑加入量在短時間內(nèi)是穩(wěn)定的，因此，環(huán)管反應(yīng)器中的漿液密度主要與環(huán)管溫度有關(guān)。由圖2可以看出：丙烯進(jìn)料量一定時，環(huán)管反應(yīng)器中的漿液密度、環(huán)管溫度都比較平穩(wěn)，但將環(huán)管反應(yīng)器中的漿液密度與丙烯進(jìn)料量串級控制后漿液密度的波動就比較大。因此對漿液密度-丙烯進(jìn)料量串級的P、I、D參數(shù)還有待于進(jìn)一步優(yōu)化。

圖2 環(huán)管反應(yīng)器中漿液密度與溫度、丙烯進(jìn)料量的關(guān)系Fig.2 Relation of the slurry density， temperature and amount of propylene feed in the loop reactor

3 產(chǎn)品熔體流動速率（MFR）的波動

PP的MFR主要靠H2調(diào)節(jié)。理論上，H2濃度一定，產(chǎn)品PP粉料的MFR則比較穩(wěn)定。H2可作為PP分子鏈的終止劑，它產(chǎn)生的游離基（·H）與PP分子鏈具有活性的一端相結(jié)合，使之失去活性，這樣就阻止了PP大分子鏈的增長，從而達(dá)到控制PP相對分子質(zhì)量（與MFR相關(guān)）的目的。北海煉化采用變壓吸附原理提純進(jìn)入PP裝置之前的H2，然后將H2加壓至5.5 MPa后，通過流量控制閥定量加入到環(huán)管反應(yīng)器中。在實際使用中發(fā)現(xiàn)H2變壓吸附單元（PSA）出口的壓力每隔一段時間就會波動，仔細(xì)觀察后發(fā)現(xiàn)，在切換另一個吸附塔時（PSA有5個吸附塔輪流提純H2），均升閥的關(guān)閉速度慢于出口閥的打開速度，由于均升閥與其他低壓塔相連，因此該吸附塔會泄壓，導(dǎo)致H2壓縮機(jī)入、出口壓力不平穩(wěn)。在裝置開車生產(chǎn)Z30S初期，H2流量調(diào)節(jié)控制閥未與環(huán)管進(jìn)料丙烯的H2濃度投串級控制，采用自動控制H2加入量來間接調(diào)節(jié)環(huán)管丙烯進(jìn)料中的H2濃度，由于H2壓縮機(jī)出口壓力頻繁波動，不能保證H2供料平穩(wěn)，從而導(dǎo)致加入到環(huán)管中的H2流量產(chǎn)生波動，進(jìn)而導(dǎo)致環(huán)管丙烯進(jìn)料中的H2濃度產(chǎn)生波動，最終導(dǎo)致PP粉料MFR產(chǎn)生波動。為了消除H2提純時PSA出口壓力波動，建議通過程序使切換吸附塔時先關(guān)閉均升閥，然后再打開出口閥，或者加快關(guān)閉均升閥的速度。

圖3 PSA出口壓力與加入環(huán)管反應(yīng)器中H2量的關(guān)系Fig.3 Relation between the PSA outlet pressure and the amount of hydrogen added in the loop reactor

4 環(huán)管出料量波動

在生產(chǎn)Z30S期間，環(huán)管出料閥頻繁出現(xiàn)波動的原因大致有：1）生產(chǎn)高M(jìn)FR產(chǎn)品需要加入的H2量較多，易在高壓洗滌塔中產(chǎn)生大量的不凝氣，導(dǎo)致環(huán)管出料的背壓波動，在環(huán)管出料閥不變的情況下，由于出料前后的壓差（環(huán)管壓力與其背壓的壓差）不同而產(chǎn)生出料量波動；2）生產(chǎn)Z30S初期，控制環(huán)管反應(yīng)器中液相密度較高（約560 kg/m3），比環(huán)管出料管線容易出現(xiàn)輕微的堵塞，后期降低環(huán)管反應(yīng)器中液相密度的效果比較明顯（見圖4）。

圖4 環(huán)管出料控制閥與背壓的關(guān)系Fig.4 Relation between the loop discharge valve and its back pressure

由圖4可知：裝置負(fù)荷在11 t/h時，環(huán)管的出料閥開度在28% 左右屬于正常，但在環(huán)管出料背壓由1.80 MPa降至1.68 MPa時導(dǎo)致壓力降較大，因此出料量大幅上升，從而導(dǎo)致環(huán)管出料閃蒸管線短時間內(nèi)來不及將液態(tài)丙烯氣化，進(jìn)而使閃蒸罐頂部溫度降至連鎖值（55 ℃）以下。出現(xiàn)這種情況時，建議改用手動控制，待環(huán)管壓力及出料量穩(wěn)定后再改自動控制。

5 結(jié)語

對PP生產(chǎn)裝置來說，環(huán)管反應(yīng)器的溫度控制非常嚴(yán)格，因此，優(yōu)化其P，I，D極為重要。北海煉化是國內(nèi)首家采用國產(chǎn)的中控控制系統(tǒng)，P，I，D的優(yōu)化還有待于在實踐中繼續(xù)摸索。

產(chǎn)品MFR的平穩(wěn)性直接關(guān)系到裝置的經(jīng)濟(jì)效益， H2加入量必須非常精確。因此，應(yīng)盡可能地降低H2壓力及加入量的波動，增加裝置優(yōu)等品的比例，使經(jīng)濟(jì)效益最大化。

環(huán)管出料量的穩(wěn)定直接影響到裝置后續(xù)系統(tǒng)的平穩(wěn)性。在生產(chǎn)Z30S期間，由于H2加入量增加，導(dǎo)致環(huán)管反應(yīng)器中不凝氣增多，所以要加大高壓丙烯洗滌塔中的不凝氣排放，保證環(huán)管出料量的穩(wěn)定，使裝置平穩(wěn)運行。

[1] 中國石油化工集團(tuán)公司人事部，中國石油天然氣集團(tuán)公司人事服務(wù)中心. 聚丙烯裝置操作工[M].北京：中國石化出版社,2011：76-77.