間歇本體法聚丙烯生產(chǎn)工藝自動(dòng)加劑的工程實(shí)踐

杜忠源，王年根

（1.中海石油中捷石化有限公司，滄州 061100；2.天津市集散自動(dòng)化儀表有限公司，天津 300384）

間歇本體法聚丙烯生產(chǎn)工藝是由中國在上世紀(jì)七十年代自主開發(fā)的一項(xiàng)聚丙烯生產(chǎn)工藝技術(shù)[1]。隨著加氫、聚合、閃蒸、置換、閃蒸氣在線分析、粉料輸送與產(chǎn)品包裝等單元自動(dòng)控制技術(shù)水平的持續(xù)進(jìn)步，間歇法與連續(xù)法聚丙烯工藝在生產(chǎn)工藝與自控方面的差距越來越小。雖然相關(guān)企業(yè)的自動(dòng)加劑技術(shù)已有多年儲(chǔ)備，但囿于種種原因，行業(yè)內(nèi)絕大多數(shù)企業(yè)在三劑（催化劑、活化劑與第三組分）的加入方式上依然維持手動(dòng)操作。

這種手動(dòng)操作方式存在很多弊端：①加劑量不準(zhǔn)，影響反應(yīng)穩(wěn)定和產(chǎn)品質(zhì)量；②人工操作繁瑣，勞動(dòng)強(qiáng)度大；③人工加劑過程中會(huì)有可燃?xì)馀欧?，甚至有活化劑串入放空系統(tǒng)造成冒煙、冒火現(xiàn)象的發(fā)生；④加劑操作都是由外操在裝置現(xiàn)場完成，這種情況對操作工的人身安全構(gòu)成極大威脅。

自動(dòng)加劑技術(shù)在向各企業(yè)推廣過程中存在的阻力主要有以下幾點(diǎn)：①企業(yè)技術(shù)改造與投資意愿不足；②三劑中尤其是活化劑（三乙基鋁）是?；?，危險(xiǎn)系數(shù)很高，不能因?yàn)楦脑炝钛b置的危險(xiǎn)性更大；③自動(dòng)加劑實(shí)現(xiàn)過程中需要解決的技術(shù)難點(diǎn)很多，很多企業(yè)都知難而退。

而自動(dòng)加劑技術(shù)推廣的動(dòng)力則來自國家對化工企業(yè)越來越嚴(yán)格的安全與環(huán)保要求：①裝置安全尤其是人身安全是硬指標(biāo)；②VOCs 排放是硬指標(biāo)。另外，加大聚丙烯產(chǎn)品專用料生產(chǎn)比例（前提是生產(chǎn)必須精準(zhǔn)、穩(wěn)定）和各企業(yè)人員流失嚴(yán)重也是迫使企業(yè)接受自控升級(jí)的重要因素。

1 自動(dòng)加劑系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)與設(shè)備選型原則

1.1 安全第一

企業(yè)可以根據(jù)自身需要選用兩劑自控法（活化劑+第三組分），或者三劑自控法（活化劑+第三組分+催化劑）。兩劑自控法的活化劑+第三組分為完全自動(dòng)加入，而催化劑為半自動(dòng)加入，外操需要到現(xiàn)場往加料斗中加入規(guī)定量的催化劑，但在現(xiàn)場的停留時(shí)間大大縮短；而三劑自控法則完全解放外操，外操不必參與現(xiàn)場操作，只參加巡檢?？偟膩碚f，工傷風(fēng)險(xiǎn)大幅度降低。

此外配套的清洗油沖洗系統(tǒng)和氮?dú)獯祾咧脫Q系統(tǒng)保證（活化劑系統(tǒng)）事故處理過程和大修開停車期間不再出現(xiàn)冒煙起火等情況。

1.2 降低勞動(dòng)強(qiáng)度

在裝置滿負(fù)荷操作狀態(tài)下，每臺(tái)聚合釜每天可投6 輪料，若采用人工加劑模式，每次需要開或關(guān)現(xiàn)場閥門多達(dá)20 臺(tái)·次，有些廠家還需要2 人配合完成操作。一般間歇本體法聚丙烯生產(chǎn)裝置每個(gè)外操需要負(fù)責(zé)6～12 臺(tái)聚合釜不等，所以勞動(dòng)強(qiáng)度之大可想而知，而且還不能出錯(cuò)。

1.3 提高加劑精度

受催化劑分裝水平、外操熟練程度等客觀因素影響，三劑手動(dòng)加入的精度極差，例如活化劑和催化劑一般每批次分別會(huì)有20～50 ml 和1～3 g 的誤差，而且催化劑的手動(dòng)加入還存在催化劑短時(shí)間接觸空氣而出現(xiàn)催化劑部分失活的情況，這會(huì)導(dǎo)致每批料之間的反應(yīng)波動(dòng)大，生產(chǎn)控制難度大；而采用自動(dòng)加劑系統(tǒng)后，加劑精度可達(dá)1%，具備生產(chǎn)各類專用料的基礎(chǔ)條件。

1.4 采用撬裝設(shè)計(jì)

為滿足老裝置現(xiàn)場改造快改快投的需要，工藝設(shè)計(jì)上盡量減少對既有工藝管路做大的拆改，故自動(dòng)加劑系統(tǒng)主推采用撬裝集成設(shè)計(jì)，核心設(shè)備及儀表均布置在撬裝內(nèi)；撬裝整體布局緊湊，占地少，便于維護(hù)，可在撬裝組裝廠完成組裝和出廠調(diào)試并可在現(xiàn)場管路改造完成后再進(jìn)場對接。

2 自動(dòng)加劑系統(tǒng)DCS 設(shè)計(jì)原則

（1）選擇精通間歇本體法聚丙烯生產(chǎn)工藝并可提供該工藝專用DCS 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)。這樣的團(tuán)隊(duì)可以確保設(shè)計(jì)出與原控制系統(tǒng)無縫銜接且完善、可靠的自動(dòng)加劑系統(tǒng)。

（2）自動(dòng)加劑系統(tǒng)的控制板卡繼續(xù)沿用間歇本體法聚丙烯生產(chǎn)工藝專用DCS 系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)，保證DCS 系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（3）選用變頻電機(jī)和適用的計(jì)量泵。在保證加劑精度的前提下，加劑量取決于加劑時(shí)間。需編制專用計(jì)算公式。正常生產(chǎn)狀態(tài)下鎖定沖程和輸出頻率；生產(chǎn)特種料時(shí)可調(diào)整至適當(dāng)?shù)臎_程和輸出頻率（需特殊標(biāo)定）。

（4）各廠在手動(dòng)操作模式下，三劑加入順序和加入節(jié)點(diǎn)未必相同。在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加劑后，系統(tǒng)可以滿足三劑加入節(jié)點(diǎn)和加劑順序可自由選擇和調(diào)整的需要，例如某個(gè)廠家希望在0.5 t 丙烯投料量時(shí)開始加入活化劑，而其他廠家可能選擇其他節(jié)點(diǎn)。

（5）選擇計(jì)量管作為加劑系統(tǒng)的輔助測量手段和驗(yàn)證工具，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)劑和準(zhǔn)確計(jì)量。

（6）具有豐富的工藝聯(lián)鎖保護(hù)功能，例如三劑加入欠量保護(hù)、計(jì)量泵與自控閥故障停車保護(hù)、系統(tǒng)泄漏故障保護(hù)、管路堵塞預(yù)警保護(hù)等[2]。

3 自動(dòng)加劑系統(tǒng)工藝簡介

自動(dòng)加劑系統(tǒng)工藝嵌入整體的聚合生產(chǎn)工藝之中，流程如圖1 所示。

（1）活化劑（三乙基鋁）是丙烯聚合反應(yīng)的助催化劑。用氮?dú)鈱⒒罨瘎倪\(yùn)輸罐（活化劑運(yùn)輸罐為活化劑源頭）中壓至中間罐?；罨瘎┑挠?jì)量、混合加入聚合釜的過程通過設(shè)在活化劑自動(dòng)加注單元內(nèi)的活化劑計(jì)量泵（精確計(jì)量）和混合管（與投料丙烯混合）完成。

（2）第三組分（硅烷）也是丙烯聚合反應(yīng)的助催化劑。利用齒輪油泵將第三組分從運(yùn)輸桶中打入中間罐。第三組分的計(jì)量、混合和加入聚合釜的過程通過設(shè)在第三組分自動(dòng)加注單元內(nèi)的第三組分計(jì)量泵（精確計(jì)量）和混合管（與投料丙烯混合）完成。

（3）使用催化劑干粉與白油配制而成的液體催化劑。液體催化劑采用專用鐵桶存儲(chǔ)，在倒入催化劑中間罐前須在搖桶機(jī)上充分搖勻。催化劑中間罐帶攪拌（攪拌轉(zhuǎn)速可調(diào)）和可控溫夾套。催化劑的計(jì)量和加入聚合釜在催化劑自動(dòng)加注單元內(nèi)完成。

4 自動(dòng)加劑系統(tǒng)的創(chuàng)新性

連續(xù)法聚丙烯生產(chǎn)工藝是目前主流的聚丙烯生產(chǎn)工藝，它早已實(shí)現(xiàn)了全過程的自動(dòng)化生產(chǎn)，當(dāng)然也包括自動(dòng)加劑單元，而間歇本體法聚丙烯生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)是按批生產(chǎn)[3]。不過手動(dòng)加劑并不是間歇本體法聚丙烯生產(chǎn)工藝的天然特征，而是應(yīng)該下大力氣消除這一工藝瓶頸，并且間歇本體法聚丙烯自動(dòng)加劑系統(tǒng)也不應(yīng)該是簡單的模仿甚至照搬。事實(shí)上，連續(xù)法聚丙烯的自動(dòng)加劑系統(tǒng)更像是一套迷你版的聚合系統(tǒng)，換句話說，是一套預(yù)聚系統(tǒng)，它在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的因素非常多，更多地是在力求解決分散聚合活性中心和減少三劑-聚合物漿料管道堵塞的問題，所以它的三劑配制與投料流程較為冗長、復(fù)雜。

間歇法聚丙烯自動(dòng)加劑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)為實(shí)現(xiàn)三劑“自動(dòng)加入”，間歇式、小批量的三劑加入控制過程是這套系統(tǒng)的精髓。在三劑的整個(gè)加入過程中，原則上不會(huì)出現(xiàn)3 種物料同時(shí)存在于加劑管道中的情況，從而杜絕了在輸送過程中發(fā)生聚合反應(yīng)的可能性，所以正常情況下連續(xù)法自動(dòng)加劑系統(tǒng)經(jīng)常堵塞管道的情況在這套系統(tǒng)中會(huì)降至很低。

為了保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，間歇法聚丙烯自動(dòng)加劑系統(tǒng)借鑒并采用了連續(xù)法自動(dòng)加劑系統(tǒng)成熟的、行業(yè)選用比例最高的核心加劑設(shè)備—計(jì)量泵，但根據(jù)間歇法聚丙烯工藝投料階段（間歇投料）的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了不同于連續(xù)法工藝的豐富的系統(tǒng)監(jiān)控手段。所以，間歇法聚丙烯自動(dòng)加劑系統(tǒng)具有和連續(xù)法聚丙烯工藝自動(dòng)加劑系統(tǒng)同樣的穩(wěn)定性、可靠性，并有自己的獨(dú)特性和創(chuàng)新性。

5 自動(dòng)加劑系統(tǒng)投用過程的注意事項(xiàng)

（1）根據(jù)技術(shù)方提供的《間歇本體法聚丙烯裝置自動(dòng)加劑系統(tǒng)單元開工指南》和《間歇本體法聚丙烯裝置聚丙烯裝置改造后操作指南》[4]以及裝置的具體情況編制的《自動(dòng)加劑系統(tǒng)試生產(chǎn)方案》[5]組織技術(shù)人員和操作人員的系統(tǒng)培訓(xùn)和考核。

（2）開車前必須做好系統(tǒng)管路吹掃、油運(yùn)和系統(tǒng)排氣，任何顆粒物都有可能堵塞計(jì)量泵的單向閥腔或?qū)蜗蜷y球墊起，使其失去計(jì)量打料功能。

（3）開車前需要按照設(shè)備使用說明書的要求檢查設(shè)備各部件安裝是否就位、潤滑油、傳動(dòng)油、液壓油是否已加注到位。

（4）認(rèn)真做好計(jì)量泵的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。

（5）加劑節(jié)點(diǎn)的確定與工藝要求有關(guān)，但不要忽視加劑撬裝與最遠(yuǎn)端聚合釜的距離以及丙烯投料線的管徑，以免出現(xiàn)未在規(guī)定時(shí)段內(nèi)將三劑完全沖入聚合釜內(nèi)的情況。

（6）自動(dòng)加劑系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)聯(lián)校與白油模擬運(yùn)行至關(guān)重要，它一方面令操作人員提前熟悉新系統(tǒng)的使用特點(diǎn)，另一方面也有利于查找DCS 設(shè)計(jì)缺陷，避免正式投料時(shí)出現(xiàn)問題。

（7）嚴(yán)格執(zhí)行《間歇本體法聚丙烯裝置聚丙烯裝置改造后操作指南》中對于新增設(shè)備巡檢的要求，尤其是活化劑系統(tǒng)管路的各密封點(diǎn)是重點(diǎn)檢查對象，以確保新系統(tǒng)安全運(yùn)行。

6 結(jié)語

間歇本體法聚丙烯生產(chǎn)工藝實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加劑是這套工藝走向完全自動(dòng)化的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，它具有提高安全水平和加劑精度以及降低操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度的多重作用。間歇本體法聚丙烯生產(chǎn)工藝自動(dòng)加劑系統(tǒng)在設(shè)備上實(shí)現(xiàn)了撬裝化，在控制上可以完全嵌入裝置既有的DCS。目前這套系統(tǒng)已在行業(yè)內(nèi)多家企業(yè)投入正式使用，使用狀態(tài)良好。后續(xù)工作是借助這套自動(dòng)加劑系統(tǒng)的獨(dú)特優(yōu)勢開發(fā)聚丙烯新品，豐富間歇本體法聚丙烯生產(chǎn)的產(chǎn)品線，增強(qiáng)生存能力。