大型國產(chǎn)化聚丙烯環(huán)管反應(yīng)器發(fā)展現(xiàn)狀與展望

摘 要 介紹了聚丙烯的特性、應(yīng)用、發(fā)展?fàn)顩r、環(huán)管法聚丙烯工藝，以及大型國產(chǎn)化聚丙烯環(huán)管反應(yīng)器的工業(yè)應(yīng)用、特點(diǎn)、技術(shù)發(fā)展、創(chuàng)新與突破、結(jié)構(gòu)發(fā)展及原理與工作原理。同時(shí)展望了環(huán)管反應(yīng)器未來的研究與發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞 環(huán)管反應(yīng)器 環(huán)管法聚丙烯工藝 聚丙烯 國產(chǎn)化

中圖分類號(hào) TQ052.5" "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A" "文章編號(hào) 0254?6094（2023）01?0023?04

近幾年，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對各種化工原材料的需求越來越大，聚丙烯的用量達(dá)到了有史以來的最高值，我國聚丙烯的消耗量于2007年率先達(dá)到了1 000萬噸;2016年，漲至超

2 000萬噸;直至2022年，聚丙烯的消耗量更是超過了3 000萬噸，意味著我國將成為全球聚丙烯用量最大的國家[1]。在這種工業(yè)市場對聚丙烯產(chǎn)品強(qiáng)烈需求的大背景下，聚丙烯行業(yè)得到了前所未有的發(fā)展，各種工藝設(shè)施也得到了很大程度的開發(fā)與應(yīng)用。

我國于1962年開始對聚丙烯生產(chǎn)工藝進(jìn)行研究，并在20世紀(jì)80年代得到迅猛發(fā)展。由于我國聚丙烯原料供需缺口較大，使得不少大型石化企業(yè)，甚至不少中小型石化企業(yè)都爭先恐后搶占聚丙烯市場，擴(kuò)建或新建聚丙烯裝置。

天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司（以下簡稱天華院）研發(fā)制造出的一系列聚丙烯裝置，例如：汽蒸器、干燥器、氣相反應(yīng)器、旋風(fēng)分離器、精制單元、攪拌設(shè)備等，填補(bǔ)了我國聚丙烯裝置國產(chǎn)化的空白。但這些都是聚丙烯工藝中的中下游裝置，針對上游裝置一直都沒能有實(shí)質(zhì)性的創(chuàng)新與突破。直到2020年天華院成功研發(fā)制造了兩臺(tái)套年產(chǎn)量60萬噸的工業(yè)規(guī)模聚丙烯環(huán)管反應(yīng)器（簡稱大環(huán)管）與兩臺(tái)套預(yù)聚合反應(yīng)器（簡稱小環(huán)管），這項(xiàng)技術(shù)上的突破彌補(bǔ)了我國在聚丙烯上游裝置上研發(fā)與制造的不足，同時(shí)對于聚丙烯領(lǐng)域大型裝置國產(chǎn)化的開發(fā)起到了很好的帶頭作用。由天華院研發(fā)制造的內(nèi)筒體直徑為0.8 m、總長度約70 m、總重量約1 000 t的單臺(tái)套聚丙烯環(huán)管反應(yīng)器被利安德巴賽爾工業(yè)公司認(rèn)定為目前全世界最大的環(huán)管反應(yīng)器。

1 聚丙烯介紹

聚丙烯（PP）是一種無色、半透明的熱塑性合成樹脂，以丙烯為單體聚合而成[2]。聚丙烯產(chǎn)品具有無毒、無臭、耐熱、耐磨、易加工、化學(xué)穩(wěn)定性好、抗沖擊性好、電絕緣性好及抗擾曲性好等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于包裝、制造、吹膜、涂覆、改性、紡織及建筑等領(lǐng)域。如今已成為年產(chǎn)量僅次于聚乙烯（PE）和聚氯乙烯（PVC）的四大通用熱塑性合成樹脂之一[3，4]。

2 環(huán)管法聚丙烯工藝介紹

筆者介紹的環(huán)管反應(yīng)器采用均聚液相本體雙環(huán)管法制聚丙烯。丙烯單體在催化劑的作用下發(fā)生聚合反應(yīng)生成聚丙烯的方式分為均聚與共聚，均聚是指由一種有機(jī)單體進(jìn)行的聚合反應(yīng)，共聚是在一定的條件下將兩種或多種化合物聚合成一種物質(zhì)的反應(yīng)[5]。環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)部的丙烯聚合反應(yīng)以均聚為主，共聚占比非常小（可忽略不計(jì)）。

在聚丙烯領(lǐng)域，液相本體法（含液相-氣相組合式，也稱環(huán)管法）是主流的聚丙烯生產(chǎn)工藝之一，該方法是聚丙烯自1957年開始工業(yè)化生產(chǎn)7年之后才問世的，屬于聚丙烯早、中期發(fā)展起來的工藝方法。工作時(shí)，將液態(tài)丙烯聚合成聚丙烯，反應(yīng)體系中不加任何其他溶劑，將催化劑直接分散在液相丙烯中進(jìn)行丙烯液相本體聚合反應(yīng)[6]。該方法的代表為利安德巴賽爾工業(yè)公司旗下開發(fā)的Spheripol工藝，也是目前國內(nèi)外在生產(chǎn)聚丙烯產(chǎn)品上應(yīng)用最成功且最廣泛的工藝方法[7]。根據(jù)環(huán)管反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)形式，又分為單環(huán)管法與雙環(huán)管法，單環(huán)管法中不存在第二反應(yīng)器，物料在環(huán)管中循環(huán)后，直接進(jìn)入下一道工序;而雙環(huán)管法是采用左右鏡像對稱的第一反應(yīng)器與第二反應(yīng)器串聯(lián)起來，物料在第一反應(yīng)器中經(jīng)過一個(gè)循環(huán)后，進(jìn)入第二反應(yīng)器進(jìn)行循環(huán)，再進(jìn)入到下一工序。目前采用環(huán)管法的裝置多為雙環(huán)管結(jié)構(gòu)，因具有反應(yīng)徹底、節(jié)省成本等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛使用。

3 聚丙烯環(huán)管反應(yīng)器介紹

3.1 工作原理及特點(diǎn)

環(huán)管反應(yīng)器多用于聚烯烴工業(yè)中，是生產(chǎn)聚乙烯（PE）、聚丙烯的主要設(shè)備之一，是環(huán)管法聚丙烯工藝裝置中的關(guān)鍵核心設(shè)備，其性能直接影響到整個(gè)裝置的正常運(yùn)行與產(chǎn)品的品質(zhì)。

工作過程中，設(shè)備內(nèi)部的丙烯漿料在環(huán)形管路中循環(huán)流動(dòng)，在流動(dòng)過程中實(shí)現(xiàn)傳質(zhì)傳熱，并在來自預(yù)聚合反應(yīng)器高效催化劑的作用下完成丙烯聚合反應(yīng)。所生產(chǎn)的聚丙烯產(chǎn)品占我國聚丙烯產(chǎn)能的40%以上，是聚丙烯生產(chǎn)加工中很重要的上游裝置。

聚丙烯環(huán)管反應(yīng)器的主要特點(diǎn)有[8～12]：

a. 結(jié)構(gòu)簡單、傳熱效率高、流場分布均勻、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制與連續(xù)化操作;

b. 空間裝配精度高，接口密封性能良好;

c. 物料停留時(shí)間少，更好地利用了反應(yīng)體積，提高了生產(chǎn)效率;

d. 可調(diào)節(jié)反應(yīng)器內(nèi)部的氫氣含量，改變?nèi)廴谥笖?shù)（MFR）的范圍;

e. 通過軸流泵的高速循環(huán)攪拌作用，使物料與催化劑的混合更加均勻;

f. 可生產(chǎn)出“雙峰”產(chǎn)品，且產(chǎn)品質(zhì)量均一、不容易產(chǎn)生熱點(diǎn)等。

3.2 技術(shù)發(fā)展

1957年，聚丙烯首次實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)不久后，世界各大石化公司都相繼對聚丙烯進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。而環(huán)管反應(yīng)器因操作簡單、產(chǎn)量高、產(chǎn)品品質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是聚丙烯最理想的生產(chǎn)方法之一，在當(dāng)時(shí)被廣泛使用。早期的聚丙烯工業(yè)，產(chǎn)量較低，年產(chǎn)量在幾萬噸左右，但隨著工藝技術(shù)的不斷發(fā)展和生產(chǎn)需求量的不斷增加，聚丙烯裝置的年產(chǎn)量也在逐年遞增，因此聚丙烯裝置也在逐漸趨于大型化。

1995年，中國石化集團(tuán)公司成功開發(fā)出了

7萬噸/年第1代環(huán)管法聚丙烯成套技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，上海石化、中國石化工程建設(shè)公司和北京化工研究院三家單位于2002年共同成功開發(fā)了20萬噸/年第2代環(huán)管聚丙烯成套技術(shù)。2012年，20萬噸/年第3代環(huán)管聚丙烯工藝包也開發(fā)成功。在近20年的時(shí)間里，我國先后完成了三代環(huán)管法聚丙烯技術(shù)的研發(fā)與國產(chǎn)化應(yīng)用。

在環(huán)管法聚丙烯技術(shù)被國產(chǎn)化不久后，于1997年，我國也打破了環(huán)管反應(yīng)器長期進(jìn)口的局面，茂名重力公司首次對環(huán)管反應(yīng)器完成了國產(chǎn)化制造，并成功應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。直到2020年天華院經(jīng)過多年的技術(shù)儲(chǔ)備與研發(fā)工作，完成了全球最大年產(chǎn)量60萬噸環(huán)管反應(yīng)器的國產(chǎn)化制造，目前也成功投產(chǎn)應(yīng)用。

3.3 結(jié)構(gòu)發(fā)展

自19世紀(jì)60年代，環(huán)管反應(yīng)器成功應(yīng)用于聚丙烯工業(yè)生產(chǎn)后，環(huán)管反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)隨著工藝的更新?lián)Q代而不斷變化，由起初的兩腿（兩根直管段）環(huán)管反應(yīng)器，變?yōu)樗耐?，再發(fā)展為八腿，近些年甚至達(dá)到十二腿環(huán)管反應(yīng)器，但就長期的使用數(shù)據(jù)來看，主流結(jié)構(gòu)還為八腿環(huán)管反應(yīng)器。

筆者介紹的即為聚丙烯八腿環(huán)管反應(yīng)器（圖1），由左右鏡像對稱的2個(gè)四腿環(huán)管反應(yīng)器組成（即第一反應(yīng)器、第二反應(yīng)器），在由預(yù)聚合反應(yīng)器不斷往環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)提供催化劑的作用下，丙烯聚合反應(yīng)在第一反應(yīng)器中完成65%，在第二反應(yīng)器中完成35%[13]。它是一個(gè)封閉的、獨(dú)特的環(huán)狀管式組合結(jié)構(gòu)，由閉合環(huán)形管路和反應(yīng)器的進(jìn)出口組成，屬于低溫壓力容器范疇。

環(huán)管反應(yīng)器本身既是反應(yīng)器，同時(shí)又是反應(yīng)框架與梯子平臺(tái)的支持鋼柱，超長的直管段（換熱夾套與內(nèi)筒體）還要保持一定的同心度。其下端連接段處設(shè)有軸流泵，目的是使反應(yīng)物料在反應(yīng)器內(nèi)能夠循環(huán)流動(dòng)并起到對反應(yīng)物料的攪拌作用。反應(yīng)器的內(nèi)筒體內(nèi)壁采用半精拋處理至粗糙度Ra2.5，以防止反應(yīng)物料粘壁而產(chǎn)生爆聚現(xiàn)象。另外，反應(yīng)器工作時(shí)丙烯聚合反應(yīng)為強(qiáng)放熱反應(yīng)，存在大量的熱傳遞，為了使丙烯聚合反應(yīng)能在恒溫下進(jìn)行，需要移除反應(yīng)熱，因此在實(shí)際生產(chǎn)中通常將內(nèi)筒體外設(shè)置換熱夾套，并將換熱夾套與內(nèi)筒體之間通循環(huán)水進(jìn)行冷卻。為了緩解換熱夾套所受的熱應(yīng)力，通常在換熱夾套上設(shè)置膨脹節(jié)，起到對換熱夾套熱膨脹的補(bǔ)償作用。

天華院研發(fā)的環(huán)管反應(yīng)器換熱夾套長約70 m，只在換熱夾套上端設(shè)置膨脹節(jié)無法有效緩解換熱夾套下端部分熱應(yīng)力，因此經(jīng)過仿真計(jì)算與分析，在換熱夾套下端也設(shè)置了膨脹節(jié)。兩個(gè)換熱夾套之間用換熱夾套連接管相連，同時(shí)也考慮了換熱夾套連接管因受溫度影響而發(fā)生熱膨脹的情況，因此在換熱夾套連接管上設(shè)置了換熱夾套連接管膨脹節(jié)，以消除兩端換熱夾套因受溫差作用發(fā)生的橫向膨脹位移和換熱夾套連接管因受溫差作用自身發(fā)生的軸向膨脹位移。

4 結(jié)束語

聚丙烯領(lǐng)域大型國產(chǎn)化環(huán)管反應(yīng)器的發(fā)展與成功應(yīng)用，離不開國內(nèi)諸多不同領(lǐng)域?qū)＜遗c學(xué)者對環(huán)管反應(yīng)器展開的課題研究。但由于環(huán)管反應(yīng)器內(nèi)部流態(tài)復(fù)雜多樣并伴有化學(xué)反應(yīng)，使得物料的聚合過程與非均勻流動(dòng)過程的研究一直都沒有實(shí)質(zhì)性的成果與突破，未來對于環(huán)管反應(yīng)器的國產(chǎn)化發(fā)展還需展開更加深入的研究。

參 考 文 獻(xiàn)

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（收稿日期：2022-05-11，修回日期：2023-01-16）

Development Status and Prospect of Large?scale Domestically?

produced Loop Reactor for Polypropylenes

WANG Zheng?wen1， ZHANG Wan?yao1， LU Juan2， GE Yang3， ZHU Ze?bin4

（1. National Research Center for Drying Technology and Equipment Engineering Technology， Tianhua Chemical

Machinery and Automation Institute Co.， Ltd.; 2. China Special Equipment Inspection amp; Research Institute;

3. Hualu Engineering amp; Technology Co.， Ltd.; 4. Fujian Zhongjing Petrochemical Co.， Ltd. ）

Abstract" "In this paper， the characteristics， application and the development status of the loop reactor?based polypropylene process were introduced， including the industrial application， characteristics， technical development， innovation and breakthrough， structural development， principle and working principle of the large domestically?produced loop reactor for the polypropylene production; meanwhile， this reactor’s future research and development direction were prospected.

Key words" " loop reactor， loop reactor?based polypropylene process， polypropylene， domestication

作者簡介：王政文（1997-），碩士研究生，從事石化領(lǐng)域大型干燥設(shè)備與壓力容器的研發(fā)與設(shè)計(jì)工作，thkjwzw@163.com。

引用本文：王政文，張萬堯，盧娟，等.大型國產(chǎn)化聚丙烯環(huán)管反應(yīng)器發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].化工機(jī)械，2023，50（1）：23-25;91.