淺析氣相流化床聚丙烯反應(yīng)器內(nèi)丙烷濃度偏高的原因與控制

摘 要：本文闡述了氣相流化床工藝中丙烷濃度對反應(yīng)及相關(guān)系統(tǒng)的影響，并通過分析生產(chǎn)過程中丙烷濃度超出時(shí)帶來的危害現(xiàn)象，重點(diǎn)討論反應(yīng)器內(nèi)丙烷濃度偏高時(shí)如何判斷與控制，從而保證反應(yīng)及相關(guān)系統(tǒng)長周期平穩(wěn)運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：丙烷濃度;冷凝量;在線色譜;丙烯分壓;產(chǎn)品出料系統(tǒng);回收塔

1 概述

在氣相流化床聚丙烯工藝中，反應(yīng)器內(nèi)的丙烷由原料丙烯帶入，隨排放氣進(jìn)入回收系統(tǒng)后排出。丙烷在反應(yīng)器內(nèi)不參與化學(xué)反應(yīng)，其作用是與丙烯一起維持反應(yīng)器C3分壓和冷凝量的穩(wěn)定，與氮?dú)饨M成反應(yīng)器內(nèi)惰性組分的動態(tài)平衡。操作經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)丙烷濃度維持在正常范圍內(nèi)時(shí)，會有效增加反應(yīng)熱的移除能力，保證聚合反應(yīng)催化劑活性的相對穩(wěn)定，同時(shí)具有降低丙烯單耗和抑制靜電的作用。但如果反應(yīng)器內(nèi)的丙烷濃度偏高，特別是在生產(chǎn)負(fù)荷較高時(shí)，就會給產(chǎn)品出料以及回收系統(tǒng)帶來波動，影響反應(yīng)器內(nèi)丙烯分壓的正常維持，降低反應(yīng)器的產(chǎn)率和抗干擾能力，給生產(chǎn)長周期平穩(wěn)運(yùn)行帶來隱患。如果反應(yīng)器內(nèi)丙烷濃度偏高時(shí)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并調(diào)整，就會有效控制丙烷濃度在正常范圍內(nèi)。本文根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，闡述了引起反應(yīng)器內(nèi)丙烷濃度偏高的主要原因，并通過分析一些相關(guān)的實(shí)際現(xiàn)象，得出一些與之相關(guān)的監(jiān)控及調(diào)整措施，以使丙烷濃度維持在對生產(chǎn)最有利的范圍內(nèi)。

2 反應(yīng)器內(nèi)丙烷濃度偏高的主要原因

原料不純，儀表、閥門偏差大，回收塔分離效率低等是造成反應(yīng)器內(nèi)丙烷濃度偏高的主要原因。下面就引起反應(yīng)器內(nèi)丙烷濃度偏高的一些主要原因進(jìn)行分析：

2.1 原料丙烯中丙烷濃度超出

原料丙烯中含有約0.4%的丙烷，當(dāng)原料中丙烷濃度偏高時(shí)，就會導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)丙烷累積速度加大，若上游原料不能及時(shí)調(diào)整，本裝置丙烷處理能力受限就會導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)丙烷濃度偏高。

2.2 在線色譜不準(zhǔn)

反應(yīng)器循環(huán)氣在線氣相色譜以及回收塔底色譜是可以直接測量出對應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)丙烷濃度的在線分析儀表。反應(yīng)器在線色譜通過對快速回路的循環(huán)氣進(jìn)行分析而實(shí)現(xiàn)對反應(yīng)器內(nèi)各個(gè)組分的實(shí)時(shí)監(jiān)控，回收塔底色譜同樣具有對回收塔底組分實(shí)時(shí)監(jiān)控的作用。如果在線色譜在運(yùn)行過程中偏差大或不準(zhǔn)，就會誤導(dǎo)操作員不能及時(shí)了解系統(tǒng)內(nèi)實(shí)際丙烷的濃度，致使反應(yīng)器內(nèi)丙烷濃度偏高。

2.3 反應(yīng)器實(shí)際排放量偏低

在正常生產(chǎn)過程中，反應(yīng)器會保證一定的對回收排放量，以滿足回收系統(tǒng)正常運(yùn)行和平衡反應(yīng)器內(nèi)的惰性組分。當(dāng)實(shí)際控制的排放氣量不夠或因流量計(jì)、自動閥的偏差大造成實(shí)際排放量不足時(shí)，就會造成反應(yīng)器內(nèi)丙烷濃度不斷累積后偏高。

2.4 回收塔分離效率低

回收系統(tǒng)的平穩(wěn)高效運(yùn)行是確保反應(yīng)系統(tǒng)正常運(yùn)行節(jié)能減排的必要環(huán)節(jié)，當(dāng)回收塔的操作參數(shù)控制不佳或因設(shè)備老化等原因造成的分離效果差時(shí)就會導(dǎo)致回收丙烯中丙烷濃度增大而使得反應(yīng)器內(nèi)丙烷濃度隨之升高。操作經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)回收塔的相關(guān)參數(shù)如進(jìn)料量、塔底溫度、塔頂溫度、塔壓、回流量等控制不佳就會造成塔的分離效率降低。同時(shí)當(dāng)生產(chǎn)周期較長時(shí)，設(shè)備的老化特別是以循環(huán)水換熱的塔頂冷卻器會因結(jié)垢換熱效率明顯降低導(dǎo)致塔分離效果下降。如此一來不僅會導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)丙烷濃度的偏高，還會造成裝置丙烯單耗的增加。

2.5 后冷器底部因閥門內(nèi)漏或儀表偏差造成的不計(jì)量液相返回

回收壓縮機(jī)后冷器底部返回至反應(yīng)器的液位控制閥門存在內(nèi)漏或流量計(jì)偏差較大時(shí)，就會無形中有一股不計(jì)量的富丙烷流返回至反應(yīng)器內(nèi)，導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)丙烷濃度偏高。

3 反應(yīng)器內(nèi)丙烷濃度偏高時(shí)的主要現(xiàn)象

在正常生產(chǎn)過程中，一些在線分析儀表可直接測量出該系統(tǒng)的丙烷濃度，同時(shí)當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)實(shí)際丙烷濃度偏高時(shí)就會引起反應(yīng)、產(chǎn)品出料系統(tǒng)以及回收系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)發(fā)生變化。通過以上情況的結(jié)合判斷則可確定反應(yīng)器內(nèi)丙烷濃度是否超出正常范圍。

3.1 循環(huán)氣在線氣相色譜丙烷濃度偏高

循環(huán)氣在線氣相色譜作為日常對反應(yīng)器監(jiān)控的主要手段，通過以往操作經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)循環(huán)氣色譜檢測出的反應(yīng)器內(nèi)丙烷濃度小于10%時(shí)，各系統(tǒng)相對穩(wěn)定。在原始開工初期，丙烷濃度會比較低，此時(shí)通過控制較高的丙烯分壓來維持C3分壓而保證一定的冷凝量。當(dāng)生產(chǎn)周期較長時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)丙烷會逐漸累積后達(dá)到動態(tài)平衡，若循環(huán)氣色譜分析出丙烷濃度超過10%，則說明反應(yīng)器內(nèi)丙烷濃度已偏高。

3.2 C3分壓上漲

C3分壓是反應(yīng)器內(nèi)丙烯與丙烷所占分壓之和，在正常生產(chǎn)過程中丙烯分壓控制是相對穩(wěn)定的，當(dāng)發(fā)現(xiàn)C3分壓上漲時(shí)則說明反應(yīng)器內(nèi)丙烷濃度正在上漲。

3.3 產(chǎn)品出料系統(tǒng)壓力頻繁報(bào)警，回收系統(tǒng)壓力增大

產(chǎn)品出料系統(tǒng)的運(yùn)行情況最能真實(shí)反映出反應(yīng)器內(nèi)實(shí)際冷凝量的多少，是作為正常生產(chǎn)時(shí)判斷反應(yīng)器運(yùn)行工況及組分情況的重要手段之一。當(dāng)丙烯分壓穩(wěn)定時(shí)，丙烷濃度的增加會使得反應(yīng)器的冷凝量隨之增大，造成產(chǎn)品出料系統(tǒng)帶液，引起出料系統(tǒng)泄壓時(shí)間變長、壓力頻繁報(bào)警甚至導(dǎo)致出料系統(tǒng)超壓聯(lián)鎖停止。同時(shí)由于出料系統(tǒng)帶到回收的排放氣增加，回收壓縮機(jī)入口壓力增大，嚴(yán)重時(shí)會出現(xiàn)回收壓縮機(jī)后冷器液位上漲而返液的現(xiàn)象。

3.4 丙烯分壓控制較正常狀態(tài)下偏低

當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)丙烷濃度偏高到一定程度時(shí)，反應(yīng)器的冷凝量就會達(dá)到上限，此時(shí)想要確保反應(yīng)器相對穩(wěn)定，就必須降低丙烯分壓的控制，以保證C3分壓和冷凝量的穩(wěn)定。

如圖所示：當(dāng)丙烷濃度在6%-10%時(shí)，丙烯分壓控制比較穩(wěn)定，當(dāng)超過10%后，丙烯分壓控制會隨丙烷濃度的增加明顯下降，很難控制到正常范圍內(nèi)。

3.5 反應(yīng)器穩(wěn)定性下降

在正常生產(chǎn)過程中，反應(yīng)器的床層溫度會受循環(huán)水溫度的波動而波動，一般情況下，這種波動引起的冷凝量變化不會造成系統(tǒng)的較大波動，但如果反應(yīng)器內(nèi)丙烷濃度偏高時(shí)，這種溫度波動引起的冷凝量變化就會更加明顯，造成產(chǎn)品出料系統(tǒng)壓力高、泄壓時(shí)間變長、甚至聯(lián)鎖停止，以及回收壓縮機(jī)后冷器液位上漲返液并引起新鮮丙烯進(jìn)料波動的現(xiàn)象。

4 控制反應(yīng)器內(nèi)丙烷濃度偏高的相關(guān)措施

通過上述對反應(yīng)器內(nèi)丙烷濃度偏高的原因分析與現(xiàn)象總結(jié)，可以通過以下相關(guān)措施對反應(yīng)器內(nèi)丙烷濃度做好監(jiān)控和調(diào)整，來控制反應(yīng)器內(nèi)丙烷濃度在正常范圍內(nèi)：

4.1 原料純度的監(jiān)控

上游原料純度是本裝置反應(yīng)器內(nèi)丙烷濃度維持在正常范圍內(nèi)的第一環(huán)節(jié)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)丙烷明顯上漲，而本裝置各系統(tǒng)未發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，可及時(shí)聯(lián)系上游裝置進(jìn)行檢查分析，若確定為原料丙烯中丙烷濃度偏高，在上游裝置進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整時(shí)，本裝置可根據(jù)情況對反應(yīng)及回收等系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，待上游原料恢復(fù)后再逐漸恢復(fù)正?？刂?。

4.2 在線色譜及相關(guān)儀表閥門的維護(hù)與校驗(yàn)

在線色譜好比操作員的眼睛，對系統(tǒng)工況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，要確保其準(zhǔn)確穩(wěn)定才能達(dá)到監(jiān)控的目的，所以在線色譜的定期維護(hù)校驗(yàn)是非常重要的，同時(shí)可定期對反應(yīng)器循環(huán)氣以及回收塔底物料進(jìn)行采樣分析，與在線色譜進(jìn)行比對，以確保在線色譜準(zhǔn)確而達(dá)到監(jiān)控的目的。對反應(yīng)器排放及回收系統(tǒng)相關(guān)閥門和儀表應(yīng)定期校驗(yàn)維護(hù)，防止因儀表閥門不準(zhǔn)引起反應(yīng)器內(nèi)丙烷濃度偏高。

4.3 回收塔操作優(yōu)化及維護(hù)

回收塔的高效運(yùn)行是保證回收丙烯純度控制反應(yīng)器內(nèi)丙烷濃度的重要環(huán)節(jié)。操作經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)回收塔底再沸蒸汽控制量滿足塔底溫度達(dá)到60℃以上，塔頂冷卻循環(huán)水控制頂溫在42℃左右時(shí)，塔底色譜顯示外排丙烷濃度可達(dá)到85%左右。所以當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)丙烷濃度偏高時(shí)，應(yīng)及時(shí)對回收塔各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以提高塔的分離效率。針對設(shè)備老化等情況可定期對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，操作經(jīng)驗(yàn)表明，定期對塔頂冷卻器除垢可有效降低設(shè)備老化結(jié)垢帶來的冷卻效率低的危害，從而保證回收塔的分離效果，若設(shè)備老化程度嚴(yán)重可考慮更新設(shè)備以滿足生產(chǎn)需求。

4.4 反應(yīng)參數(shù)優(yōu)化

正常生產(chǎn)過程中應(yīng)及時(shí)根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷和回收負(fù)荷優(yōu)化反應(yīng)器排放量以控制丙烷濃度。同時(shí)當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)丙烷濃度偏高冷凝量增大時(shí)，在調(diào)整期間，可對反應(yīng)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化以降低因丙烷濃度偏高所帶來的危害。根據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)，適當(dāng)提高床溫，降低丙烯分壓等方式可有效降低反應(yīng)器的冷凝量。

5 結(jié)束語

反應(yīng)器丙烷濃度維持在正常范內(nèi)對反應(yīng)及各系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行十分重要，通過以上分析，我們發(fā)現(xiàn)可以通過做好原料純度的監(jiān)控、在線色譜及相關(guān)儀表閥門的維護(hù)與校驗(yàn)、回收塔操作優(yōu)化及維護(hù)、反應(yīng)參數(shù)優(yōu)化可有效控制反應(yīng)器內(nèi)丙烷濃度的偏高，保證生產(chǎn)長周期平穩(wěn)運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]李康.淺析UNIPOL聚丙烯工藝片塊料產(chǎn)生的原因與控制[J].商品與質(zhì)量，2016（32）：136-137.

[2]鄧凱，杜軍駐，仇汝臣.丙烷丙烯分離塔操作優(yōu)化研究[J].山東化工，2012，41（3）：91-94.

作者簡介：

趙沛剛（1989- ），助理工程師，長期從事氣相流化床聚丙烯工藝操作。