Novolen聚丙烯工藝循環(huán)氣冷凝器液位對熔指的影響

王 齊，唐建兵，姜如愿 ，劉舉慧

(1國家能源集團寧夏煤業(yè)有限責任公司煤炭化學工業(yè)技術(shù)研究院，寧夏銀川 750411；2國家能源集團寧夏煤業(yè)有限責任公司烯烴二分公司 ，寧夏銀川 750411）

1 概述

國家能源集團寧夏煤業(yè)有限責任公司共有三套裝置6條聚丙烯生產(chǎn)線，總設(shè)計生產(chǎn)能力為年產(chǎn)160萬噸，裝置均采用 Lummus的 Novolen氣相工藝技術(shù)[1-2]。在聚丙烯生產(chǎn)過程中，循環(huán)氣冷凝器是一個關(guān)鍵的設(shè)備，用于處理循環(huán)氣（丙烯、丙烷、乙烯和氫氣）的換熱設(shè)備，內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜特殊。該工藝中循環(huán)氣冷凝器均為立式U形管式，四管程換熱器，該設(shè)備有兩個作用：一是將氣化后未反應(yīng)的丙烯等重組分同氫氣、乙烯等輕組分進行分離；二是將反應(yīng)器的反應(yīng)熱在循環(huán)氣冷凝器撤除，維持穩(wěn)定的反應(yīng)溫度。因此，循環(huán)氣冷凝器在反應(yīng)過程中，起著至關(guān)重要的作用。通過長期對設(shè)備運行工況的監(jiān)控分析，發(fā)現(xiàn)循環(huán)氣冷凝器液位的控制對產(chǎn)品熔融指數(shù)的影響比較顯著。

Novolen工藝反應(yīng)器為立式氣相反應(yīng)器，采用螺帶式攪拌器，聚合反應(yīng)在氣相條件下連續(xù)進行，聚合反應(yīng)熱由加入反應(yīng)器的液態(tài)丙烯氣化撤除，氣化丙烯在循環(huán)氣冷凝器中冷凝后，由丙烯循環(huán)泵注入反應(yīng)器循環(huán)撤熱，未在循環(huán)氣冷凝器中冷凝下來的輕組分（氫氣、乙烯）再由循環(huán)氣壓縮機壓縮后返回反應(yīng)器循環(huán)利用。在循環(huán)丙烯撤熱過程中，必然會夾帶大量輕組分，從而使反應(yīng)系統(tǒng)中的輕組分含量發(fā)生時空變化，進而影響聚合物的產(chǎn)品性能。鑒于聚合反應(yīng)工藝特點，反應(yīng)器在開車前氫氣必須富集到一定濃度，循環(huán)氣冷凝器上部氣相空間是富集氫氣濃度的最高點，在之后的生產(chǎn)過程中，除了補充反應(yīng)失掉的少量氫氣，整個反應(yīng)器的氫氣濃度就是依靠循環(huán)氣冷凝器中的氫氣濃度來調(diào)控的。因此，循環(huán)氣冷凝器液位對產(chǎn)品熔融指數(shù)的調(diào)控，實質(zhì)上是循環(huán)氣冷凝器上部氣相空間中富集的氫氣濃度對產(chǎn)品熔融指數(shù)的調(diào)控。但是，循環(huán)氣冷凝器上部氣相空間中的氫氣濃度又受到循環(huán)氣冷凝器液位的直接影響，所以，直觀表現(xiàn)為循環(huán)氣冷凝器液位對產(chǎn)品熔融指數(shù)存在顯著的影響。

2 循環(huán)氣冷凝器液位的影響因素

循環(huán)氣冷凝器液位的影響因素有循環(huán)水溫度、循環(huán)水流量、反應(yīng)器溫度、反應(yīng)器壓力、液相丙烯外排量、氣相組分的含量和循環(huán)氣壓縮機入口吸入量，這些因素對循環(huán)氣冷凝器液位的影響作用各有不同（見表1）。

表1 循環(huán)氣冷凝器液位及其影響因素的對應(yīng)關(guān)系Table 1 The corresponding relationship between the liquid level of circulating gas condenser and its influencing factors

由表1可知，循環(huán)水流量和循環(huán)氣壓縮機入口吸入量是影響循環(huán)氣冷凝器液位的正相關(guān)因素，這主要是當循環(huán)水流量加大后，冷量供應(yīng)增加，丙烯液化量增多使得循環(huán)氣冷凝器液位上漲，反之，循環(huán)氣冷凝器液位下降；而循環(huán)氣壓縮機入口吸入量增大后，循環(huán)氣冷凝器氣相空間減小，相應(yīng)的液相空間補償使得循環(huán)氣冷凝器液位上漲，反之，循環(huán)氣冷凝器液位下降。其余循環(huán)水溫度、反應(yīng)器溫度、反應(yīng)器壓力、液相丙烯外排量和氣相組分含量則是影響循環(huán)氣冷凝器液位的負相關(guān)因素，其原因是當循環(huán)水溫度上升時，丙烯液化量減少，使得循環(huán)氣冷凝器液位下降，反之，循環(huán)氣冷凝器液位上漲；當反應(yīng)器溫度較高時，氣相丙烯溫度較高，在循環(huán)水工況不變的條件下，冷凝率下降，使得循環(huán)氣冷凝器液位下降，反之，循環(huán)氣冷凝器液位上漲；當反應(yīng)器壓力較高時，在反應(yīng)溫度穩(wěn)定的條件下，說明氣相組分中惰性氣體增多，相應(yīng)的丙烯含量下降，丙烯冷凝量下降，使得循環(huán)氣冷凝器液位下降，反之，循環(huán)氣冷凝器液位上漲；當液相丙烯外排量增大時，等于將循環(huán)氣冷凝器的液相丙烯外排至回收裝置，因此循環(huán)氣冷凝器液位下降，反之，循環(huán)氣冷凝器液位上漲；當氣相組分含量含量增大時，相應(yīng)的循環(huán)氣中丙烯占比下降，丙烯冷凝量下降，使得循環(huán)氣冷凝器液位下降，反之，循環(huán)氣冷凝器液位上漲。

3 循環(huán)氣冷凝器液位對產(chǎn)品熔融指數(shù)的影響

熔融指數(shù)是一種塑料加工時的流動性特征值，也稱為熔體流動速率。聚丙烯的熔融指數(shù)是生產(chǎn)過程中最直觀有效的監(jiān)測項目，為其劃定不同牌號提供重要參考依據(jù)[3-4]。而循環(huán)氣冷凝器液位與產(chǎn)品熔融指數(shù)有著密切相關(guān)性，在長期生產(chǎn)過程中監(jiān)控發(fā)現(xiàn)，在同等量氫氣加入反應(yīng)器的條件下，循環(huán)氣冷凝器液位升高，產(chǎn)品的熔融指數(shù)升高；循環(huán)氣冷凝器液位下降，產(chǎn)品的熔融指數(shù)下降?，F(xiàn)以裝置正在生產(chǎn)的某一均聚牌號為例，選取一組循環(huán)氣冷凝器液位和聚丙烯產(chǎn)品熔融指數(shù)對應(yīng)關(guān)系代表性數(shù)據(jù)，加以分析說明（見表2）。

表2 循環(huán)氣冷凝器液位與產(chǎn)品熔融指數(shù)的對應(yīng)關(guān)系Table2 The relationship between liquid level of circulating gas condenser and melt index of the polypropylene

由表2可知，循環(huán)氣冷凝器液位與產(chǎn)品熔融指數(shù)呈現(xiàn)密切相關(guān)性，產(chǎn)品熔融指數(shù)隨著循環(huán)氣冷凝器液位的升高而升高，隨著循環(huán)氣冷凝器液位的下降而下降。循環(huán)氣冷凝器液位影響產(chǎn)品熔融指數(shù)的根本原因是其通過對反應(yīng)器中氫氣濃度的影響來實現(xiàn)的，由于循環(huán)氣冷凝器是反應(yīng)體統(tǒng)中的氣液分離點和溫度最低點，因此，氣相組分中的氫氣在循環(huán)氣冷凝器中得到有效富集，隨后高濃度的氫氣通過循環(huán)氣壓縮機和丙烯混合后注入反應(yīng)器，進而在聚合反應(yīng)過程中實現(xiàn)對產(chǎn)品熔融指數(shù)的調(diào)控。循環(huán)氣是在循環(huán)氣冷凝器殼程中實現(xiàn)氣液分離，由于循環(huán)氣冷凝器的殼程體積是一定的，所以當液相占據(jù)較大空間后，即液位上升后，氣相空間受到壓縮，則氫氣濃度增大；反之，當液相占據(jù)較小空間后，即液位下降后，氣相空間得到釋放，則氫氣濃度減小。由此可知，循環(huán)氣冷凝器液位是通過關(guān)聯(lián)循環(huán)氣冷凝器氣相空間中氫氣濃度的變化來最終影響產(chǎn)品熔融指數(shù)。

4 循環(huán)氣冷凝器液位穩(wěn)定后對應(yīng)的產(chǎn)品熔融指數(shù)

經(jīng)過對循環(huán)氣冷凝器液位的影響因素分析，并結(jié)合生產(chǎn)實際對相應(yīng)的工藝參數(shù)進行調(diào)整后，使得循環(huán)氣冷凝器液位穩(wěn)定在合理的操作范圍，最終保證產(chǎn)品熔融指數(shù)控制在更加穩(wěn)定的指標范圍內(nèi)。現(xiàn)以裝置正在生產(chǎn)的同一均聚牌號為例，選取一組循環(huán)氣冷凝器液位和聚丙烯產(chǎn)品熔融指數(shù)對應(yīng)關(guān)系代表性數(shù)據(jù)，加以分析說明（見表3）。

表3 循環(huán)氣冷凝器液位穩(wěn)定后對應(yīng)的產(chǎn)品熔融指數(shù)Table 3 The melting index of polypropylene after the stable liquid level of circulating gas condenser

由表3可知，經(jīng)過對循環(huán)氣冷凝器液位影響因素的分析調(diào)整后，循環(huán)氣冷凝器液位穩(wěn)定在80%左右，產(chǎn)品熔融指數(shù)穩(wěn)定在3.4g/10min左右，完全滿足該種產(chǎn)品熔融指數(shù)的目標控制范圍。

5 結(jié)論

綜上可知，循環(huán)氣冷凝器液位與產(chǎn)品熔融指數(shù)呈密切相關(guān)性，表現(xiàn)為同增同減的趨勢。通過對循環(huán)氣冷凝器液位影響因素的分析，生產(chǎn)裝置進行相應(yīng)工藝參數(shù)調(diào)控后，將循環(huán)氣冷凝器液位穩(wěn)定在合理的操作范圍，進而使產(chǎn)品熔融指數(shù)穩(wěn)定在指標控制范圍，最終保證了產(chǎn)品質(zhì)量合格和生產(chǎn)運行穩(wěn)定。