高壓聚乙烯裝置聚合反應(yīng)運(yùn)行方式的優(yōu)化探索

李 超，樊安寧，馬文禮，徐 惠，盛艷花，呂海蛟

（1.神華新疆化工有限公司，新疆烏魯木齊 831400；2.中石油克拉瑪依石化有限責(zé)任公司，新疆克拉瑪依 834003）

0 引言

某低密度聚乙烯裝置引進(jìn)德國巴塞爾（Basell）公司Lupotech TS 高壓管式法工藝技術(shù)[1]，該技術(shù)以乙烯為原料，丙醛或丙烯作為分子量調(diào)節(jié)劑（即鏈轉(zhuǎn)移劑），以過氧化物為引發(fā)劑，反應(yīng)器采用乙烯單點進(jìn)料四段反應(yīng)的聚合方式，在240310 MPa 高壓狀態(tài)下生產(chǎn)低密度聚乙烯均聚產(chǎn)品，其產(chǎn)品密度為0.9170.934 g/cm3、熔融指數(shù)為0.250 g/10 min。由德國伍德（UHDE）工程公司承擔(dān)基礎(chǔ)設(shè)計和超高壓部分的詳細(xì)設(shè)計，中國昆侖工程公司大慶分公司（DPEC）負(fù)責(zé)詳細(xì)設(shè)計，于2016年10 月建成投產(chǎn)。設(shè)計年操作時間為7600 h，設(shè)計能力27 萬噸/年，平均產(chǎn)量為35.5 t/h，共引進(jìn)18 個牌號產(chǎn)品，包括通用膜、高透明膜、收縮膜、冷凍膜、農(nóng)膜、電纜料、注塑料、發(fā)泡料等。

1 聚合反應(yīng)運(yùn)行方式簡介

高壓聚乙烯裝置反應(yīng)器采用雙預(yù)熱器并聯(lián)設(shè)計，提高了加熱效率，管式反應(yīng)器總有效長度為2142 m，反應(yīng)器內(nèi)徑75 mm，分為4 個反應(yīng)區(qū)，反應(yīng)一區(qū)R1301R1、二區(qū)R1301R2、三區(qū)R1301R3、四區(qū)R1301R4，前3 個反應(yīng)區(qū)（簡稱“三峰”）運(yùn)行時負(fù)荷低，4 個反應(yīng)區(qū)（簡稱“四峰”）運(yùn)行時負(fù)荷高[2]。聚合反應(yīng)是自由基聚合反應(yīng)，過氧化物引發(fā)劑為混合引發(fā)劑，通過4 個過氧化物泵，按照一定配方配比分別注入4 個反應(yīng)區(qū)，實現(xiàn)聚合四峰運(yùn)行，聚合反應(yīng)從一區(qū)至四區(qū)，產(chǎn)品熔指逐漸升高、密度逐漸下降。沿著反應(yīng)器的管線上裝有若干個熱電偶，用于監(jiān)控流經(jīng)反應(yīng)器的反應(yīng)混合物的溫度，溫度曲線受工藝參數(shù)影響，如反應(yīng)器壓力、引發(fā)劑和調(diào)整劑的種類和注入量、引發(fā)劑的配方。反應(yīng)器后裝有脈沖閥PV13001，發(fā)生反焦耳—湯姆遜效應(yīng)，將后冷器入口的聚乙烯和乙烯的混合物壓力降低、溫度升高，在聚合物進(jìn)入高壓產(chǎn)品分離器前，后冷器通過中壓熱水和高壓熱水將其冷卻到220270。為了避免乙烯發(fā)生分解反應(yīng)，反應(yīng)器及后冷器設(shè)置有反應(yīng)溫度高聯(lián)鎖系統(tǒng)。

高壓聚乙烯裝置聚合四峰運(yùn)行時，因上游乙烯供料不足而導(dǎo)致經(jīng)常性停車待料，單次待料約4.5 d，2 個月計劃停車3 次左右，每次開停車會使乙烯放空約30 t，并且停車待料會產(chǎn)生1.01.5 萬元的檢修費用。長期頻繁開停工不僅帶來大量的檢修任務(wù)，增加了生產(chǎn)成本，而且還加快了設(shè)備老化、縮短設(shè)備使用壽命，不利于裝置的長周期穩(wěn)定生產(chǎn)。

2 聚合反應(yīng)四峰轉(zhuǎn)三峰的操作優(yōu)化

與四峰相比，聚合反應(yīng)三峰運(yùn)行時裝置乙烯進(jìn)料量減少了3.5 t/h，低壓循環(huán)氣流量減少1 t/h，低循氣及一次機(jī)一段入口溫度下降，低循排蠟次數(shù)、一次機(jī)段間緩沖罐排油次數(shù)減少，一次機(jī)返回閥開度較四峰時有所增大。聚合前三區(qū)溫峰上漲，為保持溫峰不變，減少了過氧化物泵沖程；由于聚合反應(yīng)從一區(qū)至四區(qū)熔融指數(shù)逐漸增大，聚合四峰停運(yùn)后產(chǎn)品熔融指數(shù)降低，故調(diào)整劑丙醛注入量增加，確保生產(chǎn)產(chǎn)品熔融指數(shù)合格。但是，R1301R1～R1301R3 撤熱熱水溫差增大，R1301R4 和后冷器E1302 撤熱熱水溫差減小，脈沖閥后溫度下降約40，導(dǎo)致后冷器和高壓產(chǎn)品分離器溫度降低[3]。

聚合四峰轉(zhuǎn)三峰操作方法：

（1）在DCS 畫面上通過啟動過氧化物注入泵停止順控停反應(yīng)四區(qū)后，根據(jù)一次機(jī)出口及二次機(jī)入口壓力變化及時調(diào)節(jié)4個返回閥，使一次機(jī)出口壓力穩(wěn)定在28 MPa。

（2）聚合三峰運(yùn)行，裝置負(fù)荷下降，低壓循環(huán)氣流量減少，低循氣返回至一次機(jī)一段入口溫度有所下降。將E1601 撤熱熱水回V1804 手閥關(guān)小，降低熱水流量，提高E1601 出口溫度；低循換熱器E1602 循環(huán)水跨線關(guān)小，溫控閥TV16003 開度關(guān)小，以此來提高一次機(jī)一段入口溫度。

（3）停運(yùn)高壓熱水系統(tǒng)空冷E1820，將百葉窗關(guān)閉，根據(jù)V1820 及高分溫度下降情況，緩慢開大現(xiàn)場HPS 手閥，注意管線及罐體振動情況，最終維持高分溫度在230左右；

（4）根據(jù)反應(yīng)前三區(qū)溫峰上漲情況，及時降低過氧化物注入泵沖程，維持溫峰穩(wěn)定。

（5）反應(yīng)四區(qū)與前三區(qū)比較，生產(chǎn)高熔指產(chǎn)品，四區(qū)停運(yùn)后，調(diào)整劑丙醛注入量應(yīng)提高，同時由于三峰運(yùn)行乙烯進(jìn)料減少了3.5 t/h 左右，綜合考慮高分溫度等因素，根據(jù)模頭、模板壓力調(diào)節(jié)丙醛加入量，并結(jié)合分析檢測結(jié)果，快速調(diào)節(jié)產(chǎn)品熔融指數(shù)至合格。表1 為四峰轉(zhuǎn)三峰模頭壓力的變化。

據(jù)裝置前期生產(chǎn)數(shù)據(jù)，聚合四峰轉(zhuǎn)三峰時產(chǎn)生過渡料120 t左右，按照上述數(shù)據(jù)和操作調(diào)節(jié)產(chǎn)生過渡料60 t 左右，每次過渡料少產(chǎn)生60 t，合格料和過渡料相差500 元/t。按每年開停車8 次計算，可多得利潤24 萬元。

表1 聚合四峰轉(zhuǎn)三峰模頭壓力的變化

3 采取聚合三峰運(yùn)行時的優(yōu)勢

3.1 減少乙烯損耗

通過計算一段時間內(nèi)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，高壓聚乙烯裝置每停車一次需要待料時間為4.5 d，MTO 負(fù)荷240 t/h，OCU 負(fù)荷115 t/h，停車一天乙烯罐存增加760 t，4.5 d 庫存可達(dá)3420 t，聚乙烯裝置聚合四峰運(yùn)行時以39.5 t/h 負(fù)荷可持續(xù)運(yùn)行18.2 d，除去大檢修天數(shù)以335 d 生產(chǎn)日計算，一次啟停周期約為22.7 d，一年開停次數(shù)約為14.76 次?？紤]到高壓聚乙烯裝置的反應(yīng)溫度、壓力較高、裝置系統(tǒng)聯(lián)鎖點多的特點，無法保證每次開停車一次性成功。結(jié)合近兩年的開停車記錄臺賬，聚乙烯裝置共開停84 次，其中在開停車過程中因機(jī)組或儀表臨時故障不得不再次停車進(jìn)行系統(tǒng)置換的次數(shù)約為29.6%，所以實際聚合四峰運(yùn)行每年開停次數(shù)約為19 次（14.76+14.7629.6%19 次）。

聚合三峰運(yùn)行，實際單次乙烯罐存為3000 t 時開始運(yùn)行，即停車待料4.5 d 時間不變的情況下，需要先四峰運(yùn)行2.23 d后再三峰運(yùn)行37.5 d，即三峰運(yùn)行周期為44.3 d。以335 d 計算，年運(yùn)行日需要停車7.6 次，則三峰較四峰每年少停車11.4次，單次停車乙烯放空量約為30 t，全年乙烯放空量減少約為342 t，乙烯單價按照7000 t 算，一年可節(jié)約成本239.4 萬元。

3.2 減少開工料的產(chǎn)生

開、停車產(chǎn)生的開工料為不合格料，產(chǎn)品熔融指數(shù)分布廣，較2426H 合格聚乙烯粒料便宜約500 元/t，每次開停車大概產(chǎn)生150 t 開工料。如果聚合三峰運(yùn)行，則一年開工料產(chǎn)生減少1740 t，可節(jié)約85.5 萬元。

3.3 減少對二次機(jī)柱塞桿的磨損

因超高壓壓縮機(jī)二次機(jī)停運(yùn)后，高壓填料、低壓填料、組合閥內(nèi)集聚的粉料溫度低、硬度大，導(dǎo)致填料泄漏，泄漏氣管線結(jié)霜嚴(yán)重，就開停車機(jī)組運(yùn)行工況而言，正常生產(chǎn)時填料泄漏氣很小，一般為0 kg/h 或低于20 kg/h，而開停車初期填料泄漏量高達(dá)400 kg/h。二次機(jī)在運(yùn)行時柱塞桿采用潤滑油強(qiáng)制潤滑，內(nèi)部油經(jīng)過油泵注入機(jī)組，油在柱塞和填料之間形成12m 厚的油膜，在開車工況時大量的泄漏氣將帶走潤滑油，油膜厚度無法得到保證，造成機(jī)組潤滑不良，不能保證機(jī)組的潤滑效果[5]。

裝置大檢修拆下的組合閥、高低壓填料集聚粉料較多，柱塞桿磨損比較嚴(yán)重，其中2C 段柱塞桿出現(xiàn)較大劃痕并有坑槽，更換備件1 件，拆除2E 中心閥時粉料聚集太多無法拆除，導(dǎo)致組合閥斷裂。結(jié)合大慶石化二次機(jī)長周期運(yùn)行情況看，柱塞桿運(yùn)行10 年磨掉0.010.02 mm，因此可以推測頻繁開停車會導(dǎo)致填料、柱塞桿壽命降低。柱塞桿需要定期檢查拋光，單根柱塞桿拋光費用5 萬元，柱塞桿單價300 萬元。以大慶石化二次機(jī)運(yùn)行10 年拋光一次，12 年更換備件一次計算，拋光費用分解至每年約為5 萬元，更換費用每年約為250 萬元。

聚合四峰運(yùn)行時，結(jié)合大檢修柱塞桿檢查情況，假設(shè)該聚乙烯裝置柱塞桿每4 年需要拋光維修一次，每年費用需要12.5 萬元，假設(shè)聚乙烯裝置四峰運(yùn)行時每8 年更換一次柱塞桿，活塞桿年損耗費用為375 萬元，柱塞桿損耗費用分解至每年為375-250=125 萬元。

二次機(jī)一段填料使用壽命為16 000 h，二段填料使用壽命僅為10 000 h，更換填料必須更換組合閥。頻繁開停車對填料和組合閥損害十分嚴(yán)重，結(jié)合前文得知，聚合三峰運(yùn)行周期長，開停車次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于聚合四峰運(yùn)行，結(jié)合生產(chǎn)，可以假設(shè)三峰運(yùn)行填料壽命是四峰運(yùn)行填料壽命的140%，則一段節(jié)約費用為（12.540%衣1.6）4+（5.740%衣1.6）4=18.2 元/h；二段節(jié)約費用為（12.9940%衣1）6+（5.840%衣1）6=45.1 元/h；所以每套可節(jié)約63.3 元/h，每年可節(jié)約費用63.324304=40.18 萬元。

由此估算聚合三峰長周期運(yùn)行時，在不考慮拆解檢維修費用、因拆解機(jī)組更換其他備件的情況下，二次機(jī)僅更換10 根柱塞桿和填料的維修損耗費用，每年可節(jié)約172.69 萬元。

3.4 減少切刀更換頻次

高壓聚乙烯裝置反應(yīng)四峰運(yùn)行，每月停車2 次，平均2 個月更換1 套進(jìn)口切刀，按照兩年備件合同價每套切刀19.6 萬元，年換刀6 套；如果聚合三峰運(yùn)行，每2 個月停車一次，平均4 個月更換1 套切刀，每年可以節(jié)約2 套切刀，節(jié)約備件費用39.2萬元。

3.5 減少其他檢修費用

根據(jù)停車檢修費用核算統(tǒng)計，聚乙烯裝置每次停車檢修會產(chǎn)生1.01.5 萬元的檢修費用，其中包括清理過濾器、搭拆腳手架、拆裝保溫、更換常規(guī)備件等費用。裝置聚合三峰運(yùn)行，檢修費用以每次1.2 萬元計算，每年可節(jié)約8.6 萬元。

4 結(jié)束語

高壓聚乙烯裝置采取聚合四峰運(yùn)行時，雖然生產(chǎn)負(fù)荷高，能耗物耗消耗低，但是開停工次數(shù)頻繁，造成檢修費用、乙烯物料損耗高，機(jī)組運(yùn)行工況變差等問題。通過對比分析兩種聚合運(yùn)行方式，優(yōu)化聚合三峰運(yùn)行不僅提高了裝置運(yùn)行周期、減少裝置開停車次數(shù)，而且還有效延長了一次機(jī)氣閥、二次機(jī)柱塞填料的使用壽命，降低了大機(jī)組部件的更換和檢修次數(shù)。此外，開工料、乙烯損耗、擠壓機(jī)切刀更換頻次等均有所減少，也在一定程度上減少了設(shè)備檢修費用。因此，采取聚合三峰運(yùn)行不僅能降低生產(chǎn)成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著，而且對裝置安全高效平穩(wěn)的運(yùn)行具有重要意義，也為國內(nèi)相關(guān)聚乙烯生產(chǎn)裝置優(yōu)化操作提供了借鑒與參考。