聚合釜不穩(wěn)定運(yùn)行的原因分析和改進(jìn)措施

趙省軍，馬建國，王 正（陜西北元化工集團(tuán)有限公司，陜西 榆林 719319）

聚合釜不穩(wěn)定運(yùn)行的原因分析和改進(jìn)措施

趙省軍，馬建國，王 正
（陜西北元化工集團(tuán)有限公司，陜西 榆林 719319）

聚合釜的穩(wěn)定運(yùn)行和工藝指標(biāo)的有效控制，對提高釜內(nèi)漿料質(zhì)量和產(chǎn)量尤為重要，同時可以保證聚合釜安全穩(wěn)定、高效運(yùn)行，所以穩(wěn)定控制聚合釜對整條生產(chǎn)線的平穩(wěn)運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。

聚合釜；漿料；釜溫；釜壓；釜頂冷凝器

陜西北元化工100萬t/a聚氯乙烯項目聚合釜工藝流程采用日本智索聚合釜工藝技術(shù)，中國天辰公司設(shè)計，由單條6臺聚合釜25萬t/a的4條生產(chǎn)線組成。一、二期50萬t/a 2條生產(chǎn)線分別在2010年11月和2012年3月全面建成投產(chǎn)。108 m3聚合釜由四川江源化工機(jī)械有限公司（以下簡稱江源化機(jī)）和日本智索公司技術(shù)人員相互溝通交流，根據(jù)懸浮法PVC樹脂生產(chǎn)工藝，并借鑒國內(nèi)外100 m3以上聚合釜的先進(jìn)技術(shù)而生產(chǎn)制造。總體技術(shù)達(dá)到了國際先進(jìn)水平，實現(xiàn)了生產(chǎn)全過程自動化控制。該工藝技術(shù)在初始控制階段由于崗位人員業(yè)務(wù)技能、工藝指標(biāo)控制差等原因，致使聚合釜運(yùn)行差和漿料變質(zhì)。經(jīng)過幾年來對聚合釜工藝參數(shù)的研究，不斷提高崗位人員業(yè)務(wù)技能和規(guī)范工藝控制操作，現(xiàn)在聚合釜的整體運(yùn)行情況較好，極大提高了聚合釜的穩(wěn)定運(yùn)行，產(chǎn)能大幅度提升，樹脂的質(zhì)量指標(biāo)也得到了很大的改善，減少了聚合釜清釜的次數(shù)，為后續(xù)汽提、干燥工序指標(biāo)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

1 設(shè)備簡介

1.1 釜傳熱結(jié)構(gòu)

100萬t/a的聚合釜工藝流程采用帶換熱面積為200 m2管殼式回流釜頂冷凝器的108 m3聚合釜，釜高6 438 mm，具體設(shè)備參數(shù)見表1。該聚合釜共有3組換熱系統(tǒng)：一是在聚合反應(yīng)45 ～60 min后投用的200 m2管殼式回流釜頂冷凝器，管程走VCM和蒸汽，殼程走循環(huán)冷卻水帶走釜熱量，這種回流冷凝器是以VCM蒸汽冷凝方式傳質(zhì)傳熱，傳熱系數(shù)高，傳熱面積不受釜容積限制；二是釜本體夾套采用盤管結(jié)構(gòu)來移走聚合大部分反應(yīng)熱量，從而提高夾套的傳熱面積和效率；三是釜內(nèi)設(shè)計6組內(nèi)冷管，分三進(jìn)三出移走聚合反應(yīng)的部分熱量，采用此3組換熱系統(tǒng)極大提高了釜的換熱效率并改善了PVC聚合過程的溫度恒定。

表1 聚合釜技術(shù)參數(shù)

1.2 攪拌裝置

攪拌采用底伸式攪拌裝置，攪拌器表面拋光粗糙度Ra0.03 ～0.08 μm，攪拌葉設(shè)計為雙層三葉平漿式攪拌，具體設(shè)備結(jié)構(gòu)見圖1。不僅能降低攪拌軸的長度，同時有利于釜頂接管設(shè)計和釜頂涂釜、噴淋和清釜，聚合釜的攪拌控制采用雙速電機(jī)控制的高低2種攪拌速率，分別是高攪125 r/min和低攪62.5 r/min，采用這2種攪拌轉(zhuǎn)速可以在聚合釜工藝實際運(yùn)用中改善釜的利用效果和控制好漿料的顆粒。釜減速機(jī)與機(jī)械密封間采用短軸相連，機(jī)械密封采用國外進(jìn)口的雙端面平衡型機(jī)械密封，機(jī)械密封采用液壓油站進(jìn)行強(qiáng)制冷卻、潤滑裝置和高壓注水保護(hù)系統(tǒng)，向機(jī)械密封注水既可以防止固態(tài)物質(zhì)進(jìn)入機(jī)械密封系統(tǒng)損壞機(jī)械密封，又可以通過控制流量提高釜的利用率。為了防止停電和攪拌電機(jī)故障導(dǎo)致聚合釜反應(yīng)時釜壓超高無法控制，在釜減速機(jī)下方安裝有氣動馬達(dá)。當(dāng)出現(xiàn)停電或電機(jī)故障等情況時，打開氣動馬達(dá)氣源N2把氣動馬達(dá)下齒輪盤頂起與上齒輪盤咬合帶動聚合釜攪拌軸緩慢旋轉(zhuǎn)來采取相應(yīng)控制措施見圖1。

圖1 108 m3PVC聚合釜結(jié)構(gòu)簡圖

2 聚合釜工藝簡介

首先，用高壓蒸汽和涂釜液進(jìn)行噴涂聚合釜，涂釜過程中用涂釜抽真空泵循環(huán)從釜底和釜頂抽，使涂釜液均勻的粘在釜壁上；然后將冷無離子水通過水泵從釜底加入釜內(nèi)，在加水過程中，根據(jù)工藝配方將定量分散劑隨加水管線加入釜內(nèi)，加水完成后，引發(fā)劑經(jīng)過稱重罐計量后從釜頂加入釜內(nèi)；隨后按配方從釜頂加入氯乙烯單體（F-VCM和R-VCM）和釜底加入熱無離子水。在攪拌的作用下，單體、無離子水、引發(fā)劑、分散劑等物料混合均勻，溫度達(dá)到工藝要求開始聚合反應(yīng)。當(dāng)氯乙烯開始聚合反應(yīng)放熱時，用循環(huán)冷卻水通過循環(huán)水泵采用低溫差在釜夾套、內(nèi)冷管、釜頂冷凝器進(jìn)行循環(huán)移去聚合反應(yīng)熱，使反應(yīng)溫度控制在設(shè)定溫度±0.5℃，直至反應(yīng)結(jié)束。當(dāng)單體轉(zhuǎn)化率達(dá)85%時向釜內(nèi)加入一定量終止劑（根據(jù)生產(chǎn)牌號選擇性加入消泡劑）。當(dāng)釜壓降到規(guī)定工藝指標(biāo)內(nèi)把聚合釜內(nèi)漿料經(jīng)出料泵送入出料槽，開始下一工序。

3 聚合釜運(yùn)行不穩(wěn)定原因分析

3.1 配方不當(dāng)

聚合釜配方主要包括無離子水、單體、分散劑、引發(fā)劑等。

（1）水油比（水和單體的重量之比）配比不當(dāng)。在懸浮法生產(chǎn)疏松型的樹脂中，水油比的配比是關(guān)鍵一環(huán)。因為樹脂孔隙和表面會吸附相當(dāng)量的水，若選擇水油比過低，會造成體系黏數(shù)增大，VCM單體液滴數(shù)在聚合分散體內(nèi)相對增多，單體液滴間的碰撞頻率增加產(chǎn)生聚結(jié)，在反應(yīng)時顆粒會變粗，嚴(yán)重時導(dǎo)致釜內(nèi)爆聚，造成聚合反應(yīng)體系失衡和異常。

（2）配方中分散劑加入量偏多或偏少。聚合反應(yīng)中分散劑主要起保膠和分散作用，分散劑用量過多會增加體系粘度，造成懸浮液泡沫多，氣相粘釜嚴(yán)重，VCM回收泡沫夾帶增加，樹脂顆粒變細(xì)，堵塞釜頂冷凝器，長期的惡性循環(huán)會造成釜頂冷凝器自聚，冷凝器換熱量下降，釜溫釜壓不易控制；而用量少則體系穩(wěn)定性差，容易產(chǎn)生粗料，攪拌負(fù)荷加大，造成聚合反應(yīng)異常。

（3）配方中引發(fā)劑加入不當(dāng)。在聚合反應(yīng)中，引發(fā)劑主要引起聚合反應(yīng)。引發(fā)劑配比不均勻，一般會出現(xiàn)2種情況：a.前期反應(yīng)快，后期慢，形成局部過熱；b.前期反應(yīng)慢，后期快，就會出現(xiàn)經(jīng)常說的“翹尾巴”。對于前期反應(yīng)快或者是后期所謂的“翹尾巴”，都會造成聚合反應(yīng)溫度驟升，反應(yīng)熱量難以釋放，釜溫釜壓急劇升高，造成聚合反應(yīng)異常。

3.2 循環(huán)水溫度和流量控制不當(dāng)

聚合反應(yīng)放出的熱量，大部分反應(yīng)熱量用循環(huán)水移走，若循環(huán)水溫度偏高和循環(huán)水流量偏低，會造成聚合反應(yīng)釋放的熱量難以移走，釜溫和釜壓不斷升高，或者反應(yīng)時循環(huán)水流量偏大造成聚合釜溫和釜壓偏低，也會導(dǎo)致聚合反應(yīng)異常。

3.3 釜底閥內(nèi)漏

108 m3聚合釜加水和分散劑都是從聚合釜底加入，從投產(chǎn)以來，加水三通閥不時發(fā)生內(nèi)漏，導(dǎo)致水和分散劑加入量比設(shè)定值偏少，反應(yīng)體系中水油比和分散劑的分散、保膠作用降低，致使聚合反應(yīng)異常。

3.4 pH值選擇不當(dāng)

pH值偏低或偏高即體系偏酸或偏堿，都會改變分散劑的表面張力，導(dǎo)致分散劑的分散能力變?nèi)酰ゴ蟛糠直Ｗo(hù)分散能力，使聚合分散體系失衡，聚合顆粒相互聚結(jié)，PVC顆粒變粗，造成聚合反應(yīng)異常。

3.5 攪拌故障

聚合反應(yīng)中，攪拌可以分散體系液滴和保證聚合反應(yīng)熱量獲得均勻等，在反應(yīng)中，若電機(jī)故障、攪拌皮帶脫落和減速機(jī)故障等，都會造成反應(yīng)時釜溫釜壓急劇升高而使聚合反應(yīng)異常。

3.6 釜頂冷凝器控制不當(dāng)

釜頂冷凝器在聚合反應(yīng)時移走部分反應(yīng)熱量，對調(diào)節(jié)釜溫至關(guān)重要，如果提前使用，會使冷凝下來的液滴回流至釜內(nèi)參與聚合反應(yīng)，形成的PVC顆粒不穩(wěn)定，粘結(jié)性強(qiáng)，造成聚合體系不穩(wěn)定。或者釜頂冷凝器管程自聚換熱效果差，聚合反應(yīng)熱量難以移走，也會使聚合反應(yīng)異常。

3.7 其他原因

在實際操作過程，由于操作人員業(yè)務(wù)技能差、操作不認(rèn)真和設(shè)備故障等，都會造成聚合反應(yīng)異常。例如：DCS人員把終止劑誤加入正在反應(yīng)的釜內(nèi)；流量計故障造成入料時水、分散劑和引發(fā)劑加多或加少等。在聚合正常反應(yīng)時溫度等曲線是規(guī)則平穩(wěn)的，反之，曲線雜亂無章。

4 聚合反應(yīng)異常典型事故案例

案例1：流量計故障造成聚合反應(yīng)異常

2013年12月，A線5號釜反應(yīng)時，DCS人員發(fā)現(xiàn)攪拌曲線有異常，待反應(yīng)結(jié)束取樣發(fā)現(xiàn)漿料顆粒較粗。隨后對入料配方檢查確認(rèn)無誤后，又對聚合釜加水三通閥檢查發(fā)現(xiàn)閥門內(nèi)漏較大，導(dǎo)致加入釜內(nèi)水量不足，聚合反應(yīng)時水油比的綜合效果下降，最終形成粗料。

案例2：操作失誤

2011年5月，某班DCS人員給待出料的B線3#釜加終止劑時，誤將操作畫面翻至正在反應(yīng)的5#釜后將終止劑加入該釜，導(dǎo)致5#釜反應(yīng)時間延長了150 min左右。

5 改進(jìn)方法與措施

5.1 嚴(yán)格控制聚合配方

（1）優(yōu)化水油比。根據(jù)該公司聚合釜設(shè)計，把聚合釜配方中水油比控制在0.9左右，結(jié)合裝料系數(shù)和釜結(jié)構(gòu)，合理調(diào)節(jié)釜上注水流量，最大限度保證水油配比，從而穩(wěn)定了聚合反應(yīng)體系

（2）選擇合適的分散體系。經(jīng)過對樹脂質(zhì)量分析和反應(yīng)時聚合釜溫度、壓力觀察，以及釜利用時間長短，最終選擇日本生產(chǎn)的不同醇解度的聚乙烯醇分散劑，分別為KH-17（78.5% ～81%）、PVA-624（95% ～ 96%）、L-11（71.5% ～73.5%）和 LM-10HD（38% ～ 42%），確保聚合體系液滴分散和保膠能力，提高了聚合反應(yīng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）選擇合適的引發(fā)劑。根據(jù)該公司地域特點和聚合釜的反應(yīng)情況，合理調(diào)配前后期活性不同的引發(fā)劑，保證聚合前后期反應(yīng)速率均勻，提高了聚合反應(yīng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

5.2 嚴(yán)格控制循環(huán)水溫度和流量

嚴(yán)格把循環(huán)水溫度控制在13 ～18℃（夏季一般不超20℃），壓力≥0.6 MPa，并定期讓儀表人員檢查循環(huán)水調(diào)節(jié)閥和流量計，發(fā)現(xiàn)問題立即處理，有效提高了聚合釜的穩(wěn)定運(yùn)行。

5.3 及時更換聚合加水三通閥

針對加水三通閥內(nèi)漏造成的聚合反應(yīng)產(chǎn)生粗料的事故，該公司立即對內(nèi)漏閥門更換，并在加熱水時定期檢查加水三通，若發(fā)現(xiàn)有內(nèi)漏閥門及時更換，確保不因閥門內(nèi)漏造成聚合反應(yīng)異常而導(dǎo)致粗料事故發(fā)生。

5.4 嚴(yán)格控制體系pH值

為了控制聚合體系pH值，該公司嚴(yán)格要求入料無離子水pH值6 ～9，氧含量＜1×10-6，同時要求操作人員每2 h排回收單體儲槽的水，從源頭上控制了物料偏酸或偏堿，確保聚合pH值體系恒定，有效控制了聚合反應(yīng)不因體系偏酸或偏堿造成反應(yīng)異常。

5.5 加強(qiáng)攪拌系統(tǒng)維護(hù)和保養(yǎng)

針對攪拌動力系統(tǒng)，在每次清釜時安排檢修人員對攪拌皮帶及減速機(jī)檢查，定期潤滑電機(jī)，并每天安排檢修人員按時點檢，發(fā)現(xiàn)異常及時計劃檢修，確保攪拌系統(tǒng)正常（并要求氣動馬達(dá)時刻備用，防止意外情況時聚合釜壓高，無法控制），同時加強(qiáng)DCS人員對攪拌功率曲線觀察，有效保證了攪拌系統(tǒng)高效運(yùn)轉(zhuǎn)，提升了聚合穩(wěn)定運(yùn)行。

5.6 釜頂冷凝器合理投用

剛開車由于經(jīng)驗不足和投運(yùn)不合理，導(dǎo)致釜頂冷凝器管程自聚、回收慢、換熱差等。該公司聯(lián)系清洗廠家對自聚的釜頂冷凝器管程進(jìn)行清洗。隨后做出要求：（1）在每次清完釜和運(yùn)行20釜手動對釜頂冷凝器噴涂。（2）在聚合反應(yīng)完回收前加入消泡劑，并控制回收流量不超過2 000 m3/h。（3）聚合反應(yīng)45 ～60 min后串聯(lián)調(diào)節(jié)投用釜頂冷凝器。經(jīng)過不斷的改進(jìn)，降低了釜頂冷凝器的自聚，提高了換熱效果，控制了不因釜頂冷凝器投用效果差而影響聚合反應(yīng)。

5.7 加強(qiáng)設(shè)備管控和提高操作工業(yè)務(wù)技能

對先進(jìn)的聚合工藝、崗位人員業(yè)務(wù)水平差和設(shè)備原因而導(dǎo)致的聚合反應(yīng)異常事故的發(fā)生。北元化工首先對配方進(jìn)行調(diào)配，并優(yōu)化DCS程序。定期對各物料流量計進(jìn)行標(biāo)定對比，對運(yùn)行較長的釜及時清釜清洗。

組織崗位人員對誤操作事故培訓(xùn)，加強(qiáng)學(xué)習(xí)和交流，并對發(fā)生過的事故制定相應(yīng)的防范措施，制做聚合反應(yīng)正常和異常曲線的對比警示牌粘貼在醒目位置提醒操作人員參考和學(xué)習(xí)等，通過以上一些措施提高了操作工的業(yè)務(wù)技能，降低了人員誤操作和經(jīng)驗不足等造成聚合反應(yīng)異常事故發(fā)生。

6 結(jié)語

北元化工100萬t/a的聚氯乙烯項目自開車投產(chǎn)以來，經(jīng)過對工藝指標(biāo)不斷優(yōu)化，加強(qiáng)管理水平，提高人員業(yè)務(wù)技能等措施以后，聚合釜運(yùn)行水平得到了很大提高，樹脂的產(chǎn)品質(zhì)量也不斷提升，從剛開車50 ～60萬t/a的水平提高到了2015年的100萬t/a以上，從進(jìn)120多釜就需要清1次釜到現(xiàn)在可以進(jìn)240 ～260釜才清1次釜，這在開車之初是達(dá)不到的，相信在生產(chǎn)運(yùn)行中的不斷總結(jié)和研究下，聚合釜的穩(wěn)定運(yùn)行還會進(jìn)一步提高，產(chǎn)能也會得到進(jìn)一步增加。

Analysis and improvement measures of polymerization kettle cause unstable operation

ZHAO Sheng-jun，MA Jian-guo，WANG Zheng
（Shaanxi Beiyuan Chemical Industry Group Co.Ltd.,Yulin719319，China）

The effective control of polymerization reactor of stable operation and process indicators，it is very important for improving the pulp quality and yield in the kettle，and can ensure the safe and stable operation，high polymerization kettle，so the stability control of polymerization kettle run for the smooth operation of production line plays an important role.

polymerization reactor；slurry；autoclave；temperature；autoclave pressure kettle top condenser

TQ052.5

B

1009－1785(2017)01-0018-04

2016-08-12