Novolen工藝聚丙烯裝置循環(huán)氣冷凝器超溫問題分析及改進

楊加義，李瑞龍，田廣華，唐建兵，吳榮煒，王俊杰，李建偉

（1.國家能源集團寧夏煤業(yè)烯烴二分公司，寧夏 銀川750411；2.國家能源集團寧夏煤業(yè)煤炭化學工業(yè)技術研究院，寧夏 銀川750411）

引 言

國家能源集團寧夏煤業(yè)烯烴二分公司（簡稱烯烴二分公司）采用Novolen工藝生產的聚丙烯產品，以400萬t/a煤炭間接液化項目生產的石腦油為原料，經石腦油裂解、烯烴轉化（OCU）等工序生產原料丙烯，共有60萬t/a產能，兩條生產線：第一條生產線聚丙烯產能24萬t/a，由兩臺聚合反應器串聯(lián)操作，生產抗沖共聚物、無規(guī)共聚物和均聚物；第二條生產線聚丙烯產能36萬t/a，由兩臺聚合反應器并聯(lián)操作，生產均聚物和無規(guī)共聚物。丙烯聚合為聚丙烯工藝包括原料精制、聚合反應、粉料凈化、擠壓造粒、成品包裝等工序。循環(huán)氣冷凝器位于聚合反應工序，反應過程中，通過循環(huán)氣冷凝器對反應器內部釋放的反應熱進行撤熱[1]。

在生產聚丙烯牌號為1 100 N產品過程中，發(fā)現(xiàn)循環(huán)氣冷凝器保溫層局部被燒焦，器壁局部嚴重超溫。對Novolen工藝裝置在生產運行過程中遇到的循環(huán)氣冷凝器超溫問題進行原因分析，并進行了相應的改進，現(xiàn)介紹如下。

1 循環(huán)氣冷凝工藝及存在的問題

1.1 循環(huán)氣冷凝工藝

循環(huán)氣冷凝工藝流程示意圖見圖1。來自反應器的循環(huán)氣，于68℃進入循環(huán)氣冷凝器殼程，在2.9 MPa壓力和管束冷卻水的作用下，大部分丙烯被冷卻為液相，通過液位控制，自底部循環(huán)丙烯泵被送回反應器繼續(xù)參與反應，頂部氣相進入緩沖罐后，緩沖罐液相部分與循環(huán)氣冷凝器底部液相共同送回反應器，頂部氣相通過壓縮機壓縮后，返回反應器進料線。

圖1循環(huán)氣冷凝工藝流程示意圖

1.2 存在問題

在生產過程中，循環(huán)氣冷凝器出口側器壁表面溫度高，器壁出現(xiàn)約2 m2的局部燒焦區(qū)域，使用測溫槍檢測，溫度最高達267℃（正常運行溫度為20℃～30℃）。通過調整循環(huán)氣壓縮機出口流量，提高冷凝器液位等措施，溫度降低到200℃以下，但對比正常工況，依然處于超溫狀態(tài)，并且高溫點位置不斷變化，問題沒有徹底解決，為保證生產安全，隨即對聚合反應器進行停車處理。

2 循環(huán)氣冷凝器超溫原因分析

為明確循環(huán)氣冷凝器內部物料變化，對循環(huán)氣冷凝器進出口物料進行了組分分析，結果如表1所示。

表1循環(huán)氣冷凝器進出口物料組分分布%

從表1可以看出，循環(huán)氣冷凝器出口丙烷體積分數(shù)由進口的5.19%提高到16.02%。由于丙烷的沸點為-42.09℃，丙烯的沸點為-47.04℃，丙烷在冷凝器中的冷凝率高于丙烯，因此從氣相中丙烷濃度大幅提高可知，在循環(huán)氣冷凝器中生成了大量的丙烷。

由于冷凝后氣相出口部位丙烯體積分數(shù)為43.07%，氫氣體積分數(shù)為40.49%，循環(huán)氣冷凝器氣相中丙烯及氫氣濃度在整個反應回路系統(tǒng)中最高、溫度最低，壓力2.9 MPa。循環(huán)氣進入冷凝器后，隨著丙烯不斷冷凝，從進口到出口，氣相丙烯濃度逐漸降低，氫氣濃度逐漸升高。循環(huán)氣冷凝器橫截面示意圖見圖2（根據(jù)工藝包并簡化得到的橫截面示意圖）。

從圖2可以看出，冷凝器內部折流板間的物料通道從進口到出口逐漸變窄。在靠近冷凝器氣相出口處為氫氣濃度最高點，此處也是壁溫超溫的集中分布區(qū)域。

圖2循環(huán)氣冷凝器橫截面示意圖

循環(huán)氣冷凝器殼體材質為09MnNiDR，鈀、鎳、錳、鐵等金屬或金屬氧化物均可作為加氫反應催化劑[2-6]，同時系統(tǒng)循環(huán)氣還攜帶三乙基鋁。在長期高濃度氫氣的作用下，循環(huán)氣冷凝器內壁生成了還原態(tài)的金屬及金屬氧化物。因此，在循環(huán)氣冷凝器出口位置發(fā)生了丙烯加氫反應，生成丙烷并放出大量反應熱，反應式見式（1）。

3 解決措施

為阻止加氫反應繼續(xù)進行，裝置停車后采用強制通入空氣氧化、使還原態(tài)金屬失活的措施，對冷凝器進行處理。冷凝器退料過程中，由底部導淋排出的部分雜質與空氣劇烈反應，產生火花，說明高濃度氫氣還原氛圍下的活性物質遇氧氣后，發(fā)生劇烈反應放熱，并且與循環(huán)氣冷凝器中的鋁引發(fā)鋁熱反應，產生火花。經空氣氧化處理后系統(tǒng)恢復，生產運行正常，問題得到解決。

還可以將循環(huán)氣冷凝器進行退料、泄壓，完成工藝交出，對設備內壁進行酸洗鈍化處理。首先，對工藝介質接觸面（設備內壁）用水進行清洗，加入酸液浸泡，直至酸液中的鐵離子濃度穩(wěn)定，并對系統(tǒng)進行清洗，使設備內表面的活性物質得以去除。其次，使用氧化劑對設備內表面進行鈍化，使設備內表面形成穩(wěn)定、致密的鈍化膜，從而提高設備殼體內表面的穩(wěn)定性，避免發(fā)生加氫反應。

4 結 語

烯烴二分公司Novolen工藝聚丙烯裝置循環(huán)氣冷凝器壁溫超溫的問題，主要是由于冷凝器內部氣相組分中存在高濃度的氫氣和丙烯，在運行壓力溫度下，通過器壁上的鐵、鎳等金屬的催化作用，發(fā)生加氫放熱反應，釋放的熱量導致器壁超溫，該問題可以通過對系統(tǒng)強制通空氣、使催化劑氧化失活的方式有效解決，還可以通過酸洗鈍化對系統(tǒng)進行徹底處理。