UNIPOL聚烯烴PDS系統(tǒng)的運行優(yōu)化及改造

蔣志魁 （中國神華煤制油化工有限公司包頭煤化工分公司 內(nèi)蒙古 包頭 014010）

一、概述

UNIPOL聚乙烯工藝在國內(nèi)氣相法聚乙烯工藝中占據(jù)主導(dǎo)地位，目前，國內(nèi)許多聚烯烴廠家也在逐漸采用UNIPOL聚丙烯工藝，該類型工藝技術(shù)具有轉(zhuǎn)動設(shè)備少、流程短、投資少、易操作和產(chǎn)率高等特點，具有很高的市場競爭優(yōu)勢，國內(nèi)投產(chǎn)的UNIPOL聚乙烯和UNIPOL聚丙烯的市場占有份額逐年提高。市場的競爭也必將隨著裝置的增多而愈加的劇烈，對于已經(jīng)投產(chǎn)的裝置來說，在裝置現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上提高裝置的運行負(fù)荷是提高裝置競爭力的最為有效的手段，通常對于聚烯烴裝置來說，聚烯烴流化床反應(yīng)器的負(fù)荷可以提高至110%～115%，例如一套生產(chǎn)負(fù)荷37.5t/h的聚烯烴裝置，其負(fù)荷可以提高至42t/h～44t/h，造粒工段擠壓機的負(fù)荷一般也在聚合工段負(fù)荷的120%左右（45t/h～48t/h），那么產(chǎn)品出料系統(tǒng)的效率和負(fù)荷變成了制約裝置負(fù)荷提高的關(guān)鍵因素。

二、UNIPOL聚烯烴PDS系統(tǒng)簡介

聚烯烴裝置是以流化床反應(yīng)器為核心的氣固相聚合技術(shù)。在流化床反應(yīng)器中，循環(huán)氣壓縮機提供氣體循環(huán)的動力，所有原料以氣體（或液滴狀）形式與處于流化床中分散的固相狀態(tài)的催化劑相接觸，按照聚合反應(yīng)機理，在催化劑表面形成聚烯烴長鏈分子。循環(huán)的氣體帶走反應(yīng)床層的熱量，并最終通過循環(huán)回路上的換熱器帶走反應(yīng)熱量。反應(yīng)器內(nèi)的樹脂數(shù)量通過床層重量和料位控制PDS系統(tǒng)間歇出料來維持，從而維持床層重量穩(wěn)定，負(fù)荷穩(wěn)定。通常每個反應(yīng)器對應(yīng)2套PDS系統(tǒng)，對于低堆積密度或單線能力較大的反應(yīng)器，也可增加PDS系統(tǒng)的套數(shù)。每套PDS包括1個產(chǎn)品罐（PC），1個產(chǎn)品吹出罐（PBT），12個自動控制閥和2個共用交叉閥。如下圖所示，其流程為反應(yīng)器內(nèi)密相輸送樹脂從反應(yīng)器底部在壓差的作用下排到產(chǎn)品室（PC），氣體返回進入反應(yīng)器樹脂床層的頂部。相同的，PC罐在壓差的作用下降粉料樹脂輸送至PBT罐，PBT罐再輸送至產(chǎn)品受槽或其它系統(tǒng)，單套運行時，PC和PBT罐中的氣體排放至產(chǎn)品受槽，兩套PDS交叉運行時，PC和PBT氣體先通過“W”和“X”交叉閥門互為升降壓，少量的氣體排放至接收倉。兩套PDS交叉運行效率降低，但氣體排出量較少，有利于降低產(chǎn)品單耗。

三、PDS系統(tǒng)的負(fù)荷影響因素及優(yōu)化改造方案

1、反應(yīng)器的冷凝量影響及優(yōu)化

高負(fù)荷運行下的聚烯烴反應(yīng)器通常在冷凝態(tài)下運行，即隨著反應(yīng)器的運行負(fù)荷升高，進入反應(yīng)器底部的循環(huán)氣溫度會越來越低，某一程度下，循環(huán)氣溫度會低于循環(huán)氣本身的露點溫度，從而使進入反應(yīng)器的循環(huán)氣內(nèi)產(chǎn)生小液滴，反應(yīng)器的負(fù)荷越高，循環(huán)氣內(nèi)產(chǎn)生的冷凝液體越多。在滿負(fù)荷運行情況下，冷凝量一般維持在8%～10%，冷凝量超過10%以上是，反應(yīng)器就進入了深度冷凝狀態(tài)，在深冷狀態(tài)時，反應(yīng)器的出料同時會帶入部分液相進入到PDS系統(tǒng)中。c隨著PDS系統(tǒng)壓力的逐步降低，氣體也會隨之氣化，導(dǎo)致PDS系統(tǒng)壓力升高，從而使得PDS交叉泄壓的時間增加，甚至?xí)?dǎo)致PDS超壓停運。PDS的運行效率就會下降，影響其出料負(fù)荷。反應(yīng)器的冷凝量不是一個直接可以控制的參數(shù)，通常的影響因素有反應(yīng)器負(fù)荷、反應(yīng)溫度、循環(huán)氣量、反應(yīng)器入口溫度、循環(huán)氣組成、組分的熱焓等。冷凝百分含量的技術(shù)如下：隨著反應(yīng)器負(fù)荷的提高，冷凝量會隨之升高，一般調(diào)整冷凝量的最簡單方法是略微提高床層溫度來保證冷凝量維持在一個合適范圍內(nèi)，從而保證PDS系統(tǒng)的出料效率及負(fù)荷。

2、粉料性質(zhì)的影響和優(yōu)化

作為PDS系統(tǒng)的輸送介質(zhì)，粉料的物料性質(zhì)是影響PDS出料效率的關(guān)鍵因素。粉料的性質(zhì)取決于催化劑本身的性質(zhì)及反應(yīng)器產(chǎn)品質(zhì)量控制。

聚烯烴粉料形成的過程是烯烴物料在催化劑表面聚合反應(yīng)的過程，那么催化劑顆粒的形狀就決定了粉料顆粒的形狀，依聚丙烯工藝為例，使用進口催化劑時生產(chǎn)出來的均聚產(chǎn)品堆積密度在0.28～0.30g/ml，粉料為不規(guī)則顆粒狀。在相同的接料時間和循環(huán)時間內(nèi)，隨著粉料堆積密度的增大，PDS出料效率會增加。目前，國產(chǎn)聚烯烴催化劑技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，其催化劑顆粒規(guī)則性要優(yōu)于進口催化劑，如國內(nèi)某些廠家生產(chǎn)的催化劑粒型較為規(guī)整，所生產(chǎn)的產(chǎn)品粉料堆積密度可以達到0.34～0.38g/ml，PDS的出料效率可以提高5%左右。

3、PDS運行方式及閥門設(shè)定時間的優(yōu)化

PDS系統(tǒng)的運行方式包括兩種，第一種運行方式為每套PDS獨立運行，也叫交替運行模式，即不投用兩套PDS系統(tǒng)之間的交叉閥門（如上圖，PC罐交叉閥門：W，PBT罐交叉閥門：X），每套PDS通過自身配置的泄壓或升壓閥門（泄壓閥門：L、M，升壓閥門：J、P閥組）來泄壓或升壓至聯(lián)鎖滿足壓力，該運行方式下PC罐和PBT罐均需要較長的升壓或降壓時間，第二種運行方式為兩套PDS交叉運行，該運行方式下，需將交叉閥門W和X投至“AUTO”模式下，兩套PDS的PC罐和PBT罐可以在運行過程中互為升降壓，此種方式略微降低了PDS的運行效率，但可以大大降低反應(yīng)器的氣體排出量。

PDS閥門的設(shè)定時間是PDS系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，也是影響PDS出料效率的關(guān)鍵參數(shù)之一，需要設(shè)定時間的閥門包括：控制PC罐接料時間的B閥，PC罐之間的氣相平衡閥W閥，PC出料至PBT的閥門D閥，PBT罐之間的氣相平衡閥X閥，下表是某套年產(chǎn)30萬噸聚丙烯裝置典型的閥門設(shè)定時間：

閥門B W D X閥門用途PC罐接料反應(yīng)器樹脂閥門PC罐之間氣相平衡閥門PC出料至PBT罐閥門PBT罐之間氣相平衡閥門典型的設(shè)定時間42s 33s 37s 33s

典型的設(shè)定時間多數(shù)不適合實際生產(chǎn)裝置的要求，過于寬松的時間設(shè)定可以滿足PDS系統(tǒng)的基本運轉(zhuǎn)，卻大大降低了PDS系統(tǒng)的效率和負(fù)荷。尤其是隨著PDS系統(tǒng)的長時間運行，閥門內(nèi)漏情況會逐步增加，PDS系統(tǒng)的效率和負(fù)荷很難滿足裝置正常負(fù)荷下的運行。在反應(yīng)器工況或PDS系統(tǒng)工況發(fā)生變化時，通常需對PDS系統(tǒng)的閥門設(shè)定時間進行重新的優(yōu)化來保證PDS系統(tǒng)的效率和負(fù)荷穩(wěn)定，

1.B閥的時間優(yōu)化，在PDS系統(tǒng)首次裝填時，可以通過現(xiàn)場敲擊的方式來判斷PC罐的裝填情況，通常PC罐的粉料要達到裝填體積的95%～100%為最佳。

2.W閥、X閥的時間優(yōu)化，PC罐或PBT罐壓力平衡是優(yōu)化W閥和X閥設(shè)定時間的唯一標(biāo)準(zhǔn)。

3.D閥的時間優(yōu)化，在一定的B閥接料時間下，D閥的時間不會變化太大，PC罐的核料位低低報警出現(xiàn)，D閥延遲5～10秒關(guān)閉。

4、閥門壽命的影響及閥座材質(zhì)的選擇

由于PDS系統(tǒng)工藝技術(shù)的特點，通常PDS閥門會面臨如下的挑戰(zhàn)：1.極高的動作頻率和循環(huán)次數(shù)。閥門由PDS控制系統(tǒng)控制每年動作次數(shù)約50萬次，頻繁的動作對閥門及所有附件需要極高的可靠性。2.大量聚合產(chǎn)品顆粒，對閥門密封面的極度磨損。3.高壓差，對閥門的沖刷嚴(yán)重。4.閥門開關(guān)時快速動作。要求6″口徑及以下的閥門，開關(guān)時間在1.5秒內(nèi)，6″口徑以上的閥門，開關(guān)時間在2.5秒內(nèi)。這樣可以在排料時減少對流化床反應(yīng)的影響。[1]針對閥門的這些特點，PDS閥門極易出現(xiàn)故障，閥門的壽命嚴(yán)重影響PDS系統(tǒng)的效率和負(fù)荷。因此PDS系統(tǒng)對閥門的要求極為嚴(yán)格。目前，世界上生產(chǎn)該種閥門的廠家有德國的ARGUS公司、美國的Neles-Jamesbury公司以及日本的KTM公司，其中德國的ARGUS公司和日本的KTM公司閥座采用軟閥座或金屬閥座，美國的Neles-Jamesbury公司的閥門均為金屬閥座。各公司閥門閥座的形式如下：

閥門AA A B C D E G G G H J M W X ARGUS公司Metal Soft Metal Soft Metal Metal Metal Metal Soft Metal Metal Metal Metal KTM公司metal Soft Metal Soft Metal Metal Metal Metal Soft Metal Metal Metal Metal Neles-Jamesbury公司Metal Metal Metal Metal Metal Metal Metal Metal Metal Metal Metal Metal Metal

通常情況下，使用PEEK或lyton材料的軟閥座也是可以接受的，只是其使用壽命要小于金屬閥座閥門。金屬閥座的閥門壽命一般在2～3年，軟閥座閥門的壽命一般不超過2年。無論何種材質(zhì)的閥座，超過其使用壽命時，一定要對閥門進行檢修，來保證閥門的正常運行，保證PDS系統(tǒng)的效率和負(fù)荷穩(wěn)定。

5、PDS系統(tǒng)的改造及運行周期的優(yōu)化

PDS的運行周期包括PDS工作時間和等待時間，PDS系統(tǒng)的等待時間是PDS系統(tǒng)作為疲勞容器的安全要求，如何有效的降低PDS的工作時間是提高PDS運行效率和負(fù)荷的關(guān)鍵點，通過以下PDS系統(tǒng)的改造來有效的降低PDS工作時間，提高PDS效率和負(fù)荷。

1.增大輸送協(xié)助氣的流量，減少粉料輸送時間。增加瞬時輸送氣的流量至原來的2倍，提高輸送粉料樹脂至下游設(shè)備的流量，減少輸送時間。

2.減少輸送管線的彎頭數(shù)量，加快粉料輸送。三個彎頭足夠滿足粉料輸送線的布置，一個彎頭布置在PBT罐下方，一個彎頭連接輸送管線至產(chǎn)品接受倉框架，一個彎頭進入產(chǎn)品接受倉。

3.取消PC/PBT交叉閥管線的限流孔板，可控的打開交叉閥門（W、X），減少交叉升降壓時間。將交叉管線的限流孔板取消，設(shè)定在進行交叉升降壓操作時，交叉閥W、X初始開度15～20%，并維持幾秒鐘的時間，之后以一定的斜率全開至100%。預(yù)計PC罐壓力平衡時，W閥的設(shè)定時間可以降至15秒左右，PBT罐壓力平衡時，X的設(shè)定時間可以降至10秒左右。

通常經(jīng)過上述的改造與優(yōu)化，PDS的運行周期可以減少30～40秒，PDS的效率和負(fù)荷可以提高20%左右。

四、結(jié)論

隨著煤化工行業(yè)和催化劑技術(shù)的發(fā)展，聚烯烴市場的競爭愈來愈劇烈，裝置的生產(chǎn)負(fù)荷也隨之而擴大，從原來的不足10萬噸/年，到現(xiàn)在國內(nèi)單套最大負(fù)荷裝置已達45萬噸/年，催化劑國產(chǎn)化的種類也多種多樣，且需要頻繁切換生產(chǎn)多種牌號的聚烯烴產(chǎn)品來及時適應(yīng)市場的需求，這些都要求裝置穩(wěn)定高負(fù)荷運行才能多創(chuàng)效益，PDS系統(tǒng)作為反應(yīng)器的“后路”，其效率和負(fù)荷尤為關(guān)鍵。

通過合理的調(diào)控反應(yīng)器的參數(shù)，減少對PDS系統(tǒng)的影響；改進催化劑的性質(zhì)，生產(chǎn)出優(yōu)良性質(zhì)的粉料；選擇合理的PDS運行方式，根據(jù)生產(chǎn)工況及時的優(yōu)化PDS閥門時間；選擇長壽命的PDS閥門，并制定合理的維護和檢修措施來延長閥門的壽命；對PDS系統(tǒng)進行適當(dāng)?shù)母脑欤瑴p少PDS的運行周期，有效的提高催化劑的效率和負(fù)荷。通過這些優(yōu)化和改造，可以將裝置PDS系統(tǒng)的效率和負(fù)荷提高至130%，來確保裝置的穩(wěn)定高負(fù)荷運行。

[1]陳星賞.聚烯烴裝置產(chǎn)品排料閥的特性及長周期運行的對策[J].科技與企業(yè) 2011，（7）。