聚丙烯裝置二閃線技術改造

劉 升，劉 星，楊積淵，高志爭

（延長中煤 榆林能化公司，陜西 靖邊718500 ）

中國對聚丙烯市場需求極其旺盛，2002～2012年中國聚丙烯需求保持快速增長，供需不平衡，出口很少而進口量持續(xù)增長，對外依存度在30%左右浮動。聚丙烯產品的主銷區(qū)域市場在華東、華北和華南，這3 個區(qū)域市場需求量占全國總需求量的82.5%[1]。多年來，中國在聚烯烴催化劑技術、聚合工藝技術、聚烯烴新產品開發(fā)方面取得長足進步[2]。近幾年國內投產的國產化聚丙烯新裝置較多，PP 自給率已有所提升，但PP 裝置生產能力仍無法滿足市場需求[3]。

為了適應PP 市場的需求，陜西延長中煤榆林能源化工有限公司于2014 年5 月建成投產聚丙烯一線裝置，同年6 月30 日投料試車并一次開車成功。該裝置采用中國石化第二代環(huán)管法聚丙烯工藝技術，生產能力3×105t·a-1，能夠生產均聚物、無規(guī)共聚物和抗沖共聚物全范圍的聚丙烯本色粒料產品，共計50 個產品牌號。裝置運行時未參加反應的丙烯單體經過丙烯洗滌塔T-301 進行回收，洗滌過的丙烯氣上升到塔頂，丙烯中所夾帶的聚丙烯粉末隨丙烯從塔底排出，經二閃線（二閃線是一段帶有蒸汽夾套的變徑管線）汽化后送至F-301。在二閃線中氣相丙烯攜帶著少量細粉經過變徑后，聚丙烯細粉顆粒容易在管路中發(fā)生噎塞，造成細粉堵塞管路或細粉在T-301 底部積聚而堵塞再沸器E-303，最終造成裝置非計劃停車。榆能化公司決定對二閃線進行技術改造，確保PP 裝置長周期平穩(wěn)運行。

1 二閃線堵塞之噎塞原理

1.1 噎塞的定義

在化工生產過程中，許多輸送物料是顆粒狀的，氣力輸送因其操作方便、節(jié)能、不易污染環(huán)境等特點已成為普遍接受的顆粒輸送方法，但不足之處是：垂直氣力輸送時如果設計、操作不當，生產過程中也易發(fā)生物料堵塞管路現(xiàn)象，即“噎塞”現(xiàn)象[4]。在氣固流態(tài)化系統(tǒng)中，噎塞是指隨著操作條件的變化，床層中的顆粒濃度突然增大或降低的現(xiàn)象。畢曉濤等根據(jù)觸發(fā)機制的不同將噎塞分為3 類，其中氣固流體動力學造成的噎塞主要是沉積型噎塞[5]。噎塞不僅使輸送過程中斷，嚴重時還會發(fā)生生產事故。要保持氣流能將固體顆粒連續(xù)不斷的送往目標設備，就要保證操作氣速不低于顆粒的噎塞速度。

在垂直管路中隨著氣速的降低，固體顆粒上升的速度減慢，固體顆粒在管路中不斷聚集，密度不斷增大，直至氣流不足以支持固體顆粒流動，最后造成管線突然堵塞，這時的氣體線速度叫做噎塞速度。

1.2 計算二閃線噎塞速度的關聯(lián)式

應用物理學方法研究二閃線中丙烯氣體的粘滯系數(shù)，作以下假設：

（1）分子向各個方向運動的幾率相同，其平均速率都為：

式中 m：單個丙烯分子質量，kg；k：玻爾茲曼常數(shù)，

k=1.38×10-23J/K。

（2）分子的平均自由程都為：

式中 n：分子密度;d：兩分子中心相隔的距離。

本文假設分子經過一次碰撞便將原有的動量喪失掉。

（3）氣體分子都是直徑為D 的光滑彈性球模型。則計算氣體粘滯系數(shù)的推導式為[6]流體力學中阿基米德數(shù)為：

式中 g：重力加速度，9.8m·s-2；ρe：流體的密度，kg·m-3；ρ：物體的密度，kg·m-3；μ：動粘滯系數(shù)，kg·ms-1；L：細粉顆粒直徑，m。

根據(jù)粒子的流動性質和熱力學性質，當3.35≤Ar≤130000 時，粒子為Ⅰ類或Ⅱ類A，將二閃線物料參數(shù)代入（4）式得Ar=240.35，此時采用的噎塞速度的計算式為Yousfi 和Gau 關聯(lián)式：

式中 Rep：顆粒雷諾數(shù)：；V：平均流速，m·s-1；D：管直徑，m；μ：粘滯系數(shù)，Pa·s;R=8.314J·（mol·K）-1，ρe：流體的密度，kg·m-3；R：固氣重量流量比；L：細粉顆粒直徑，m。

2 二閃線技術改造前的情況

2.1 丙烯洗滌系統(tǒng)中二閃線工藝流程

丙烯洗滌塔T-301 為折流板式塔，內裝23 層塔盤。閃蒸罐D-301 來的氣相丙烯由T-301 第一層塔盤下進入，向上的丙烯氣流與回流的液相丙烯在各層塔盤上逆向接觸，這個過程中，丙烯氣中所夾帶的聚丙烯粉末被洗滌下來，并且分離出較重組份，這部分聚丙烯粉末隨丙烯從塔底排出，經二閃線汽化后送至F-301。洗滌過的丙烯氣上升到塔頂，其中一小部分作為反吹氣送到F-301 中，絕大部分丙烯氣進入丙烯冷凝器E-301，在E-301 中氣相丙烯被冷凝為液相，冷凝后的液相丙烯被送到丙烯進料罐D-302 加以回收。丙烯回收系統(tǒng)操作壓力為

1.8×106Pa。

在F-301 中聚合物和單體進一步分離，聚合物進入汽蒸罐，而丙烯氣體從袋式過濾器頂部排出，經安全過濾器過濾掉粉末后進入低壓丙烯洗滌塔，經循環(huán)氣壓縮機壓縮至1.8×106Pa 以上進行回收。

二閃線流程：25mm- 504D→40mm-504D-JR→

50mm- 504D- JR→80mm- 504D-P→100mm-504D-P→200mm- 504D-P。其中“25mm”表示管徑；“504D”表示管道材料等級；“JR”表示管夾套；“P”表示防燙。

丙烯洗滌系統(tǒng)中二閃線改造前工藝流程見圖1。

T-301: 丙烯洗滌塔; E-301: 丙烯冷凝器;E-303:T-301 再沸器;F-301:袋式過濾器;

P-302A/B:T-301 回流泵;D-302:丙烯進料罐;D-301:閃蒸罐;R-401:共聚反應器;

D-601/D-602:排放罐;HV-302/HV-311: 三通閥;PWW:工藝水

2.2 存在的問題

圖1 丙烯洗滌系統(tǒng)中二閃線改造前工藝流程圖Fig.1 Flowsheet of the second flash pipeline in Propylene washing system before revamp

T-301 底部出料丙烯和聚丙烯粉末經過二閃線：80mm→100mm→200mm→F-301。

在生產均聚物和無規(guī)共聚物時，丙烯及聚丙烯在二閃線中的流量較低，經過上述路徑的過程中，二閃線的管徑為80mm 時，液相丙烯閃蒸為氣相丙烯，氣相丙烯攜帶著少量細粉經過變徑后，丙烯粉末被壓送的氣速急劇下降，垂直管單位管長壓降隨氣速下降而減小，當氣速下降造成壓降正好等于固體靜壓頭的增加時，單位管長壓降就會出現(xiàn)最小值，此時的氣速為最小能量輸送速度。二閃線的200mm 管線垂直上升進入F-301，這個垂直高度是35m，丙烯氣攜帶著聚丙烯細粉在經過此垂直管路的過程中，當氣速下降至不足以使粉體保持懸浮狀態(tài)時，局部管路截面內將聚集固體，即管路被固體所噎塞。在垂直管實際的氣力輸送過程中，操作氣速應保持大于噎塞速度才能避免管路被堵塞。

二閃線因輸送氣速小而出現(xiàn)噎塞現(xiàn)象，造成管線被堵塞，嚴重時導致細粉在T-301 底部積聚而堵塞再沸器E-303。裝置在開、停車期間，二閃線已因此原因堵塞了3 次。為了防止二閃線堵塞，需要增大二閃線流量，導致大量丙烯進入火炬系統(tǒng)，造成資源浪費，單耗增大。將二閃線管道及物料參數(shù)代入噎塞速度關聯(lián)式計算出噎塞速度，與實際參數(shù)進行對比，丙烯及聚丙烯粉末在二閃線中的實際速度與噎塞速度的對比值見表1。

表1 二閃線中流體實際速度與噎塞速度對照表Tab.1 Actual velocity and choking velocity of the fluidin the second flash pipeline

由表1 數(shù)據(jù)得出：（1）管線尺寸越大，噎塞速度越大，而實際速度卻越小，當管線實際速度小于噎塞速度時就會發(fā)生堵塞，這就是堵塞總發(fā)生在200mm 管線前端的原因。（2）當管線中丙烯及聚丙烯細粉的質量流量越小，噎塞速度越大；質量流量越大，實際速度也越大，這就是堵塞總發(fā)生在開、停車過程中的原因。在裝置開、停車時為了減小丙烯去火炬的排放量，盡量降低二閃線的丙烯流量，實際線速度降至與噎塞速度一樣大小時，管線就會被堵塞。

3 二閃線技術改造方案

聚丙烯裝置生產均聚和無規(guī)共聚物時，丙烯回收系統(tǒng)中二閃線出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，通過分析聚丙烯裝置二閃線發(fā)生堵塞的原因后，對二閃線進行了技術改造：二閃線在變徑前增加一個三通閥，在生產均聚和無規(guī)共聚物時，采用將80mm 管線不變徑，直接進入F-301，在生產抗沖共聚時，三通閥切向變徑管線。丙烯洗滌系統(tǒng)中二閃線技改后的工藝流程見圖2。

圖2 丙烯洗滌系統(tǒng)中二閃線改造后工藝流程圖Fig.2 Flowsheet of the second flash pipeline in Propylene washing system after revamp

T-301: 丙烯洗滌塔; E-301: 丙烯冷凝器;E-303:T-301 再沸器;F-301:袋式過濾器;

P-302A/B:T-301 回流泵;D-302:丙烯進料罐;D-301:閃蒸罐;R-401:共聚反應器;D-601/D-602: 排放罐; HV-302/HV-311: 三通閥;HV-313:新增三通閥;PWW:工藝水。

從二閃線堵塞的原因分析及表1 數(shù)據(jù)可知，技改選擇在80mm 管線或者100mm 管線不變徑的方案都可行，可是如果選擇在100mm 管線后不變徑，一方面增加投資，另一方面100mm 管線位置不方便三通閥安裝和巡檢；選擇在80mm 管線后不變徑，能將來自T-301 的丙烯在管線中完全汽化后送入低壓丙烯洗滌系統(tǒng)進行回收，也能利用汽化后的丙烯氣將聚丙烯細粉順利的送入F-301。

4 二閃線技術改造后的情況

4.1 改造效果

2014 年12 月初對二閃線進行技術改造，達到了預期效果。在生產均聚和無規(guī)共聚物時，裝置開、停車或者正常運行過程中，二閃線中物料質量流量≥0.0972kg·s-1時均未出現(xiàn)過堵塞現(xiàn)象。技改前，為了保證二閃線不被堵塞，每隔30min 對二閃線沖洗一次，沖洗二閃線的質量流量范圍為（0.833～1.39）kg·s-1，每次沖洗（3～5）s。這樣對下游低壓丙烯回收系統(tǒng)造成沖擊，使得低壓丙烯回收系統(tǒng)操作不平穩(wěn)，甚至使下游系統(tǒng)停車，影響裝置長周期運行。技改后，二閃線不但未發(fā)生堵塞現(xiàn)象，而且也無需頻繁對其進行沖洗，下游系統(tǒng)運行平穩(wěn)。

二閃線技改后，在生產抗沖共聚物時，裝置負荷每小時增至41t。二閃線的流量增加，80mm 管線將不能滿足將所有丙烯汽化后進行回收，一方面對管線造成沖擊，另一方面若是液相丙烯被帶入袋濾器F-301，則會給F-301 帶來危險。因此要將新增三通閥切向變徑方向，以保證二閃線中大量的丙烯被完全汽化后進行回收。

4.2 改造的環(huán)境及經濟評價

裝置開車過程中，若二閃線流量大，則有大量丙烯進入火炬系統(tǒng)進行燃燒；若二閃線流量小，易造成二閃線堵塞，裝置要進行緊急停車處理，停車期間所有丙烯無法回收，只能排入火炬系統(tǒng)進行燃燒，火炬燃燒產生CO2，雖然CO2不污染環(huán)境，但是它會引起溫室效應，導致全球變暖，北極冰川融化，海平面上升等一系列環(huán)境問題，不利于“節(jié)能、降耗、環(huán)?！?。技改后二閃線未發(fā)生堵塞，裝置沒有因此而向火炬系統(tǒng)排放丙烯，向“綠色化學”又邁進了一步。

二閃線技改后，未出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，保證了裝置的平穩(wěn)運行，明顯降低了丙烯單耗，提高了裝置利用效率。由于市場需求，聚丙烯裝置每年生產抗沖共聚物的時間只有20d 左右，其余時間生產均聚物。若二閃線堵塞，每次大約生產不合格產品40t，每次直接經濟損失達30 萬元；二閃線堵塞或者因二閃線堵塞而導致E-303 的堵塞，都要進行停車清理，2014 年技改前聚丙烯裝置二閃線堵塞3 次，停車清理時間總計12d，停產期間少生產聚丙烯約750t/d，共計造成利潤損失約980 萬元。本次二閃線技術改造總投資65 萬元，由此可見二閃線技改的經濟效益十分可觀。

5 結語

陜西延長中煤榆能化公司聚丙烯裝置丙烯回收系統(tǒng)二閃線技術改造后，丙烯回收系統(tǒng)運行平穩(wěn)，二閃線未出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，也未因此原因造成裝置非計劃停、開車，降低了丙烯單耗。技改符合環(huán)保要求，提高裝置盈利能力，增加經濟效益。

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