高密度聚乙烯裝置流化床干燥器運行周期短的原因分析及建議

葛傳龍

摘? ? ? 要：高密度聚乙烯裝置在運行過程中頻繁因流化床干燥器內(nèi)塊狀樹脂的堆積及分布板堵塞，造成流化床壓差過高而被迫停工檢修。本文分析了流化床干燥器運行周期短的原因，指出粉料中的塊狀樹脂是影響流化床干燥器運行周期的重要因素，粉料中的蠟等低聚物在一定條件會導(dǎo)致分布板堵塞。塊料樹脂主要來源于聚合反應(yīng)系統(tǒng)，聚合反應(yīng)溫度不均勻，出現(xiàn)局部溫度過高時易形成塊狀物料。最后，結(jié)合生產(chǎn)實際提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，優(yōu)化聚合反應(yīng)器工藝條件減少流化床進(jìn)料中夾帶的塊狀樹脂、提高離心機(jī)溢流堰高度、提高流化床干燥器氮氣循環(huán)量，可延長流化床干燥器的運行周期。

關(guān)? 鍵? 詞：高密度聚乙烯;流化床干燥器;堵塞

中圖分類號：TQ 052? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ?文章編號： 1671-0460（2020）09-2075-04

Abstract： The high density polyethylene （HDPE） plant was frequently shut down for maintenance due to the accumulation of lumpy resin in the fluidized bed dryer and the blockage of distribution plate. In this paper， the reason of short operation cycle of fluidized bed dryer was analyzed， it was pointed out that the lumpy resin in powder was the important factor that affected the running period of fluidized bed dryer， the wax and other oligomers in powder led to the blockage of distribution plate under certain conditions. The bulk resin mainly came from the polymerization reaction system. The polymerization reaction temperature was not uniform， and it was easy to form bulk materials when the local temperature was too high. Based on the actual production， the corresponding improvement measures were put forward to prolong the operating cycle of the fluidized bed dryer， such as optimizing the technological conditions of the polymerization reactor to reduce the bulk resin in the fluidized bed feed， increasing the height of the centrifuge overflow weir， increasing the nitrogen circulation of the fluidized bed dryer.

Key words： High-density polyethylene; Fluidized bed dryer; Blockage

某高密度聚乙烯裝置自開工以來，因流化床干燥器流道內(nèi)粉料的頻繁堆積及分布板堵塞等問題，造成流化床壓差過高而導(dǎo)致被迫停工檢修，大大縮短了裝置運行周期。尤其是生產(chǎn)管材等串聯(lián)牌號時，平均運行周期僅在一個月左右，遠(yuǎn)低于其設(shè)計運行周期。裝置開停工次數(shù)的增加，不僅對裝置產(chǎn)量、能耗、物耗等指標(biāo)及經(jīng)濟(jì)效益造成了極為不利的影響，而且對裝置安全生產(chǎn)帶來一定隱患。如何解決裝置這一生產(chǎn)瓶頸成為企業(yè)面臨的重要課題。在此以裝置生產(chǎn)過程中的實際情況為基礎(chǔ)，結(jié)合其原始設(shè)計數(shù)據(jù)，對流化床運行周期過短的原因進(jìn)行了分析。同時根據(jù)裝置現(xiàn)有的設(shè)備條件，參考同類裝置的干燥系統(tǒng)，提出了相應(yīng)的建議。

1? 裝置簡介

本裝置采用德國Basell公司Hostalen低壓淤漿工藝技術(shù)，該工藝的兩個反應(yīng)器在運行過程中可以有兩種不同組合。采用反應(yīng)器串聯(lián)技術(shù)，能夠生產(chǎn)高性能的雙峰高密度聚乙烯產(chǎn)品;將反應(yīng)器并聯(lián)操作可生產(chǎn)單峰高密度聚乙烯。裝置在兩種模式下可達(dá)到相同的生產(chǎn)能力，并可快速進(jìn)行產(chǎn)品牌號的切換。

Hostalen低壓淤漿工藝以己烷為分散劑，乙烯、共聚單體、氫氣、活化劑、催化劑及回收的母液根據(jù)不同牌號的配方要求，按比例連續(xù)由底部進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行聚合反應(yīng)，聚合反應(yīng)的單程轉(zhuǎn)化率高于99%，乙烯無須再循環(huán)[1]。聚合反應(yīng)得到的漿液通過并聯(lián)的沉降式離心機(jī)將固相粉料和母液進(jìn)行初步分離，大部分分離出的母液經(jīng)母液收集罐循環(huán)回反應(yīng)器。含30%左右己烷HDPE濕粉料進(jìn)入兩級流化床干燥器，流化床干燥器是粉料脫除己烷的場所，為雙腔式結(jié)構(gòu)，第一腔采用返混模式，第二腔采用往復(fù)流模式。流化床干燥器底部帶有分布板（篩板），其作用是使熱氮氣能夠均勻地分布在干燥器整個橫截面上，并且支撐干燥器中的粉料[2]。濕料在干燥器一腔中被從二腔來的熱氮以及低壓蒸汽加熱板進(jìn)行加熱，蒸發(fā)大量己烷后，含有己烷的氮氣從干燥器一腔中出來，溫度為65～68 ℃，通過旋風(fēng)分離器分離回收細(xì)小的HDPE粉料。氮氣經(jīng)過氮氣洗滌塔，脫除己烷，不含己烷的氮氣離開氮氣洗滌塔通過氮氣循環(huán)鼓風(fēng)機(jī)，經(jīng)加熱至75～95 ℃，返回到流化干燥床二腔，進(jìn)一步降低來自第一干燥室的粉料己烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)到1%。干燥合格的HDPE粉料經(jīng)過篩濾后用氮氣輸送到粉料處理倉進(jìn)行進(jìn)一步處理，再經(jīng)擠壓、造粒、均化，最后進(jìn)行產(chǎn)品包裝。粉料干燥系統(tǒng)工藝流程圖見圖1。

該工藝的特點是：通過改變催化劑及工藝過程，可容易地將產(chǎn)品的分子量分布控制在所需范圍。加入共聚單體可顯著影響聚合物密度，并提高產(chǎn)品性能[3]。采用低沸點己烷作稀釋劑，部分稀釋劑可直接循環(huán)使用，除降低稀釋劑回收處理費用外，可使工藝更經(jīng)濟(jì)。由于采用雙反應(yīng)器，裝置調(diào)整靈活，可生產(chǎn)出滿足市場及用戶特殊需求的產(chǎn)品，使企業(yè)具有更強(qiáng)的市場適應(yīng)能力和競爭力[4]。

2? 存在問題

2.1? 流化床分布板局部堵塞

由圖2檢修時流化床分布板篩孔情況可知，流化床干燥器在運行過程中，分布板部分篩孔會出現(xiàn)堵塞的情況，這使得氮氣通過部分篩孔時的阻力增加或只能通過未堵塞的通道上行，導(dǎo)致熱氮氣不能均勻通過整個橫截面，在流化床內(nèi)形成偏流[5]。這不僅會惡化粉料在流化床內(nèi)的流化狀態(tài)，而且還會增加粉料結(jié)塊的可能性。

2.2? 干燥器流道粉料堆積

由圖3和圖4可知，當(dāng)流化床干燥器內(nèi)存在塊狀樹脂時，熱氮氣無法將其吹動，會在流化床內(nèi)長時間停留，累積到一定程度后就會導(dǎo)致干燥器流道堵塞[6]，使流化床壓差升高;尤其是生產(chǎn)管材等串聯(lián)牌號時，大量塊狀樹脂的存在，嚴(yán)重影響了床層的流化效果，造成粉料無法排出床層，最終致使裝置停車檢修。

上述問題的存在使裝置自投產(chǎn)以來，多次因流化床干燥器造成裝置全線停車檢修。經(jīng)統(tǒng)計，2014年為4次;2015年3次。平均運行周期在3個月左右，最長運行周期為5個月。當(dāng)生產(chǎn)管材等串聯(lián)牌號時，運行周期僅為1個月。

3? 原因分析

通過流化床干燥器檢修情況可知，導(dǎo)致流化床干燥器運行周期短的主要原因是分布板篩孔堵塞和干燥器粉料堆積。在此，從裝置運行的實際情況出發(fā)，結(jié)合裝置工藝特點，同時與同類企業(yè)流化床的運行參數(shù)進(jìn)行對比，分析原因。

3.1? 分布板篩孔堵塞的原因分析

原料在反應(yīng)釜內(nèi)聚合過程中不可避免的會產(chǎn)生部分低聚物蠟。它們隨母液進(jìn)入離心機(jī)進(jìn)料罐后，部分蠟會沉積在HDPE粉料上。同時，粉料經(jīng)離心機(jī)分離后仍含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%左右的母液，這些母液中的蠟（母液中蠟的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為1.5%）也會同粉料一起進(jìn)入流化床干燥器內(nèi)，在干燥過程中己烷蒸發(fā)，而蠟則吸附在粉料上。蠟的熔點在80～110 ℃之間，而流化床一腔及二腔的操作溫度分別為85 ℃和95 ℃。在該溫度下，少量吸附在粉料表面的蠟會被熔融，使得粉料具有一定的黏性。因此，在一定條件下粉料會被黏附在分布板篩孔上，并不斷累積直至堵塞。

3.2? 流化床干燥器流道內(nèi)粉料堆積的原因分析

3.2.1? 粉料在流道內(nèi)堆積的原因分析

流化床干燥器分布板有很多不同開口方向的篩孔，當(dāng)熱氮氣通過分布板時使粉料處于流化狀態(tài)在流化床內(nèi)進(jìn)行干燥。同時從篩孔噴出的氮氣使粉料受到沿流化床流道方向的作用力，在該力的驅(qū)動下粉料經(jīng)流道出口進(jìn)入流動方向相反流道。在流道進(jìn)出口處篩孔方向發(fā)生改變，使得原本在整個流道篩孔噴出的氮氣作用下的粉料在流道進(jìn)出口處僅受到附近篩孔噴出的氮氣作用。因此，在流道進(jìn)出口處物料受到的作用力最小，當(dāng)床層有塊狀樹脂進(jìn)入時，會首先在此處累積，且堆積的塊狀樹脂在高溫下還會進(jìn)一步黏附粉料或塊料而進(jìn)一步變大，致使床層粉料堆積，出料困難。因此，塊狀樹脂的存在是影響流化床干燥器運行周期的重要因素。

3.2.2? 流化床內(nèi)塊料樹脂的產(chǎn)生

由表1、圖5和圖6可知，在生產(chǎn)并聯(lián)牌號時，流化床可運行3個月，在檢修時流化床的床層上僅有少量的塊狀樹脂。而在生產(chǎn)串聯(lián)牌號時在短短1個月的時間內(nèi)床層就累積了大量的塊狀物料。并由此引起大量粉料堆積，流化床流道堵塞。鑒于在生產(chǎn)串聯(lián)牌號的過程中反應(yīng)器出料線及泵時常會發(fā)生因塊料樹脂引起堵塞的情況，而在并聯(lián)牌號的生產(chǎn)過程中并沒有類似的事件發(fā)生。因此，可以推斷流化床塊料樹脂主要來源是聚合反應(yīng)系統(tǒng)。此外，在流化床內(nèi)熔融的低聚物蠟，由于增加了粉料的黏度，也會在一定程度上增加塊狀樹脂數(shù)量。

塊狀樹脂是因為熔融或其他原因，聚合物在反應(yīng)釜內(nèi)相互黏結(jié)在一起形成的。HDPE淤漿聚合工藝中存在不同程度的結(jié)塊及黏壁現(xiàn)象，嚴(yán)重時會影響企業(yè)的正常生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)效益。造成塊狀樹脂產(chǎn)生的因素復(fù)雜，與聚合物本身性質(zhì)、聚合反應(yīng)溫度、淤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)、催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)等工藝參數(shù)有關(guān)。

在生產(chǎn)過程中，聚合物本身性質(zhì)是影響聚合物結(jié)塊最重要的因素，分子量分布寬、低聚物蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，都會加劇聚合物的結(jié)塊[7]。因此，在實際生產(chǎn)過程中生產(chǎn)串聯(lián)牌號時，聚合反應(yīng)會產(chǎn)生更多的塊狀樹脂，導(dǎo)致流化床干燥器運行周期較生產(chǎn)并聯(lián)牌號時短。溫度是造成塊狀樹脂的重要因素，反應(yīng)釜因控制不當(dāng)導(dǎo)致聚合反應(yīng)溫度不均勻，出現(xiàn)局部溫度過高的現(xiàn)象尤其是長時間局部過熱，會導(dǎo)致聚合物顆粒處于熔融或半熔融狀態(tài)，此時易形成塊狀物料[8]。聚合反應(yīng)所需催化劑由隔膜計量泵供給，由于催化劑顆粒易堵塞閥室或墊住閥球，導(dǎo)致該泵在運行時不上量的問題時有發(fā)生，造成反應(yīng)器壓力和溫度波動，在調(diào)整過程中若控制不當(dāng)，出現(xiàn)催化劑補(bǔ)加量過高時，較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)與活性的催化劑進(jìn)入反應(yīng)釜后，附著在凹凸不平的反應(yīng)釜壁上催化乙烯聚合，使反應(yīng)熱不能及時撤出，反應(yīng)溫度局部過高，部分細(xì)粉間發(fā)生粘連，一部分聚合物粘在釜壁上，影響傳熱。另一部分脫離釜壁成為大顆?；蛘咚芑瘔K[9]。另外，反應(yīng)釜內(nèi)淤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高可造成黏度增加，反應(yīng)器撤熱熱阻增加，同樣會引起聚合物結(jié)塊[10]。

3.3? 與同類裝置流化床運行參數(shù)對比及分析

盡管本裝置與某高密度聚乙烯裝置的流化床干燥器設(shè)備的生產(chǎn)廠家不同，但在流化床干燥器前的工藝流程相同，設(shè)備選型相近。故與其裝置的流化床運行參數(shù)進(jìn)行對比分析，對探索流化床運行周期過短問題的原因及下一步技術(shù)改造方案仍具有重要指導(dǎo)意義。

同類裝置流化床二腔未設(shè)置折流板，粉料前進(jìn)阻力小，而本裝置流化床二腔設(shè)有折流板，粉料停留時間長，前進(jìn)阻力較大。同時，鼓風(fēng)機(jī)出口壓力低于某石化裝置，對進(jìn)入流化床的物料產(chǎn)生的推動力就小得多，對粉料中塊狀樹脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)反應(yīng)更加敏感，床層因塊狀樹脂而導(dǎo)致堵塞的風(fēng)險大大提高，分布板篩孔被表面呈熔融態(tài)蠟堵塞的可能性也相應(yīng)增加?？梢?，鼓風(fēng)機(jī)出口壓力對流化床的運行周期有至關(guān)重要的影響，提高流化床鼓風(fēng)機(jī)出口壓力有利于延長流化床的運行周期。

綜上所述，造成我裝置流化床運行周期短的原因主要有：

1）流化床進(jìn)料中含有的蠟在流化床內(nèi)熔融，粉料的黏度增加，在一定條件下引起分布板堵塞。

2）流化床進(jìn)料夾帶的塊狀樹脂是造成流化床運行過程中周期過短的主要原因。

3）塊狀樹脂在流化床流道進(jìn)出口處受到氮氣的作用力下降，故極易在此處累積導(dǎo)致床層流化狀態(tài)下降，并使得局部分布板篩孔堵塞，進(jìn)一步加劇粉料堆積。

4）熱氮鼓風(fēng)機(jī)出口壓力低是引起流化床運行周期過短的重要因素。

5）分布板的堵塞程度與流化床內(nèi)的塊狀樹脂堆積相互影響。當(dāng)出現(xiàn)樹脂堆積時，篩孔的透氣性變差，黏粉料更易引起分布板的堵塞。而分布板堵塞又會使氣體分布不均勻，可在流化床的局部形成死床，加快塊狀樹脂在床層內(nèi)的累積。

4? 建 議

1）提高離心機(jī)溢流堰高度，降低粉料中的濕含量。同時嚴(yán)格控制母液中的蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)，特別是生產(chǎn)密度較低的牌號，可適當(dāng)降低母液的循環(huán)量。

2）不斷優(yōu)化聚合反應(yīng)器操作，尤其是生產(chǎn)管材等串聯(lián)時，要穩(wěn)定催化劑供給，嚴(yán)格控制聚合反應(yīng)溫度，避免出現(xiàn)局部過熱現(xiàn)象，減少塊狀樹脂的生成。在離心機(jī)進(jìn)料泵前加大孔徑過濾器，減少流化床進(jìn)料中夾帶的塊狀樹脂。

3）加大熱氮循環(huán)量，適當(dāng)提高流化床系統(tǒng)鼓風(fēng)機(jī)出口壓力。盡管理論上提高鼓風(fēng)機(jī)壓力會對延長流化床干燥器運行周期起到一定積極作用，但鼓風(fēng)機(jī)出口壓力的提高受到床層高度和旋風(fēng)分離器的分離能力這兩個因素限制，故優(yōu)化空間有限。

4）建立完善的流化床出空操作方案。由于當(dāng)流化床壓差高報或大幅上漲時，內(nèi)部的塊料樹脂已經(jīng)有一定量的堆積，同時分布板堵塞的情況已經(jīng)發(fā)生。此時對流化床進(jìn)行出空操作，盡管可以將部分塊狀樹脂排出，但無法改善分布板的堵塞狀況，投用后流化床壓差很快會再次升高。因此，應(yīng)在流化床壓差出現(xiàn)大幅上漲前對其進(jìn)行出空，防止塊狀物料的累積和分布板堵塞程度進(jìn)一步加劇。

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