聚乙烯反應(yīng)器溫度波動(dòng)的控制方法

孫亞光,郭 彪

(國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司烯烴二分公司，寧夏 銀川 750411)

1 裝置簡(jiǎn)介

國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司烯烴二分公司聚乙烯裝置，采用美國(guó)UNIVATION公司Unipol低壓氣相流化床聚乙烯技術(shù)[1-3]，采用冷凝態(tài)和超冷凝態(tài)聚合操作方式，以乙烯為主要原料，以丁烯-1或己烯-1作為共聚單體，在高活性催化劑的作用下發(fā)生聚合反應(yīng)，生成聚乙烯產(chǎn)品[4-6]。

Unipol氣相法PE技術(shù)，自1968年實(shí)現(xiàn)首套裝置工業(yè)化以來，至今全球已有100多套生產(chǎn)裝置，產(chǎn)能超過12000 kt·a-1。Unipol聚乙烯工藝流程如圖1所示，工藝過程主要包括原料精制、聚合反應(yīng)、產(chǎn)品脫氣、排放氣回收、擠壓造粒、摻混以及配套的輔助設(shè)施[7-9]。該技術(shù)工藝流程簡(jiǎn)單，設(shè)備臺(tái)數(shù)少，反應(yīng)的各股進(jìn)料能在氣相色譜分析儀、APC的幫助下實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)，操作、維修及建設(shè)費(fèi)用低，而且擴(kuò)能改造容易[10]。

圖1 Unipol聚乙烯工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of Unipol polyethylene

2 反應(yīng)溫度控制系統(tǒng)

Unipol PE氣相法聚乙烯工藝反應(yīng)系統(tǒng)，主要由反應(yīng)器、循環(huán)氣冷卻器和循環(huán)氣壓縮機(jī)組成，聚合反應(yīng)在流化床反應(yīng)器中進(jìn)行。將催化劑和反應(yīng)原料(乙烯、氫氣、共聚單體、異戊烷等)連續(xù)加入反應(yīng)器，在反應(yīng)壓力2.2～2.3MPa、反應(yīng)溫度85℃的條件下發(fā)生聚合反應(yīng)，生成聚乙烯。聚合反應(yīng)放出的熱量由循環(huán)氣帶出，通過循環(huán)氣壓縮機(jī)升壓，再經(jīng)循環(huán)氣冷卻器冷卻后，返回反應(yīng)器。循環(huán)氣還可以起到流化床層的作用。

反應(yīng)器的調(diào)溫水系統(tǒng)是一個(gè)由調(diào)溫水泵建立的閉路循環(huán)系統(tǒng)，主要由調(diào)溫水泵、調(diào)溫水冷卻器和膨脹罐組成。反應(yīng)器內(nèi)的聚合溫度，通過調(diào)溫水調(diào)節(jié)器的設(shè)定進(jìn)行控制。調(diào)溫水冷卻器使用循環(huán)水作為冷卻介質(zhì)，膨脹罐可用于調(diào)溫水的熱膨脹及新鮮脫鹽水的補(bǔ)充，調(diào)溫水泵則用于調(diào)溫水的循環(huán)。

3 運(yùn)行中出現(xiàn)的問題

聚乙烯反應(yīng)器長(zhǎng)期在催化劑活性低的條件下高負(fù)荷運(yùn)行，經(jīng)常會(huì)發(fā)生反應(yīng)器溫度大幅波動(dòng)的問題。反應(yīng)器溫度的波動(dòng)范圍為超出設(shè)定值±2℃，調(diào)溫水控制閥的閥門開度波動(dòng)范圍為20%～100%(正常情況下，反應(yīng)器溫度的波動(dòng)范圍為±1℃，調(diào)溫水控制閥的閥門開度波動(dòng)范圍為30%～70%)，如果不及時(shí)干預(yù)和控制，會(huì)造成反應(yīng)器大幅波動(dòng)，嚴(yán)重的情況下，會(huì)使反應(yīng)器溫度快速升高，可能觸發(fā)高溫跳車聯(lián)鎖，影響反應(yīng)器的長(zhǎng)周期高負(fù)荷運(yùn)行。

4 導(dǎo)致反應(yīng)器溫度波動(dòng)的因素

本聚乙烯裝置采用Unipol PE氣相法低密度聚乙烯流化床冷凝工藝，催化劑采用以MgCl2為載體的鈦系催化劑，反應(yīng)的聚合熱，由循環(huán)氣的溫升(顯熱)和冷凝液體的蒸發(fā)(潛熱)共同帶出反應(yīng)器，以提高反應(yīng)的時(shí)空產(chǎn)率和循環(huán)氣的熱焓。冷凝介質(zhì)一般為共聚單體和異戊烷。實(shí)際生產(chǎn)過程中，隨著反應(yīng)器產(chǎn)率增加，循環(huán)氣冷卻器的出口溫度低于循環(huán)氣的露點(diǎn)，下游產(chǎn)生冷凝液，進(jìn)行有相變的對(duì)流傳熱，這時(shí)循環(huán)氣的總傳熱系數(shù)相應(yīng)提高，循環(huán)氣冷卻器移走的熱量與聚合反應(yīng)熱保持熱平衡狀態(tài)。反應(yīng)器溫度發(fā)生波動(dòng)的原因，就是這種熱平衡狀態(tài)被打破了。破壞反應(yīng)器熱平衡狀態(tài)的因素主要有催化劑進(jìn)料、乙烯進(jìn)料、共聚單體進(jìn)料、氫氣進(jìn)料波動(dòng)、T3進(jìn)料量波動(dòng)、異戊烷濃度低、調(diào)溫水冷閥長(zhǎng)時(shí)間開度大等。

5 反應(yīng)器溫度波動(dòng)的處理措施

5.1 不同原因相對(duì)應(yīng)的措施

1)催化劑進(jìn)料波動(dòng)，可能是流量計(jì)堵塞或原漿儲(chǔ)罐的壓力波動(dòng)導(dǎo)致的。處理方法：催化劑流量控制器打手動(dòng)，反沖流量計(jì)，儲(chǔ)罐壓力手動(dòng)控制以穩(wěn)定壓力。

2)乙烯分壓波動(dòng)，即乙烯進(jìn)料量隨溫度變化發(fā)生大幅波動(dòng)。處理方法：調(diào)節(jié)閥打手動(dòng)控制，溫度大幅波動(dòng)時(shí)，適當(dāng)降低乙烯分壓。

3)共聚單體摩爾濃度波動(dòng)，即大幅調(diào)節(jié)梯度密度時(shí)，共聚單體發(fā)生流量波動(dòng)。處理方法：APC控制改為流量控制，少量多頻次地調(diào)節(jié)流量，控制梯度密度。

4)T3還原比波動(dòng)，即T3流量因夾氣或單向閥卡澀而發(fā)生波動(dòng)。處理方法：T3進(jìn)料罐排氣，或是清理單向閥。

5)異戊烷濃度低，即反應(yīng)器入口的循環(huán)氣溫度低于平常值。處理方法：增加異戊烷進(jìn)料量。

6)冷閥長(zhǎng)時(shí)間開度大，有可能是調(diào)溫水板式換熱器發(fā)生堵塞，或循環(huán)氣冷卻器發(fā)生堵塞。處理方法：切換并清理調(diào)溫水板式換熱器，或停車切換清理循環(huán)氣冷卻器。

5.2 找準(zhǔn)時(shí)機(jī)干預(yù)溫度

當(dāng)反應(yīng)器的床層溫度控制出現(xiàn)發(fā)散且大幅波動(dòng)時(shí)，要找準(zhǔn)時(shí)機(jī)進(jìn)行人為的溫度干預(yù)。反應(yīng)器床層溫度到達(dá)最低點(diǎn)(波谷)且開始上漲時(shí)，將溫度控制值的設(shè)定值降低0.25℃，若溫度上升的幅度過快，則繼續(xù)降低設(shè)定值，但幅度一般不超過1℃。溫度上漲至設(shè)定值以上時(shí)，可適當(dāng)降低乙烯分壓。當(dāng)反應(yīng)器的床層溫度從最高點(diǎn)(波峰)開始下降時(shí)，應(yīng)根據(jù)下降的幅度，升高設(shè)定值，目的是讓控制器提前超調(diào)，以使下一次的波幅更小。一般經(jīng)過1～2個(gè)周期的人為干預(yù)，反應(yīng)器的床層溫度即可趨于平穩(wěn)。在調(diào)節(jié)溫度設(shè)定值時(shí)，需要注意溫差聯(lián)鎖(7℃)，防止觸發(fā)Ⅰ型殺死。

6 結(jié)論

正常生產(chǎn)時(shí)，Unipol聚乙烯工藝反應(yīng)器的溫度通過調(diào)溫水系統(tǒng)進(jìn)行控制，溫度相對(duì)穩(wěn)定。導(dǎo)致溫度波動(dòng)的因素，主要有催化劑進(jìn)料、T3還原情況、異戊烷濃度、共聚單體進(jìn)料等。發(fā)生溫度波動(dòng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體的波動(dòng)情況，準(zhǔn)確判斷導(dǎo)致溫度波動(dòng)的因素，及時(shí)采取措施進(jìn)行調(diào)整，避免因溫度波動(dòng)太大而造成反應(yīng)器飛溫、爆聚等情況發(fā)生。