低壓聚乙烯裝置反應終止系統(tǒng)的探討

劉逸飛

(中海油石化工程有限公司，山東 濟南 250101)

1 終止系統(tǒng)的意義

低壓聚乙烯生產(chǎn)過程中，乙烯聚合反應所釋放的熱量被循環(huán)氣帶走，并由水冷式的循環(huán)氣冷卻器移除。如果循環(huán)氣或冷卻水流量停止，反應熱則會在反應系統(tǒng)中累積，導致樹脂熔融乃至結(jié)塊。雖然床層溫度過高不會造成反應器超壓，且熔融和結(jié)塊會將催化劑包裹從而降低了反應速率，對于整個生產(chǎn)裝置是安全的。但是任由其發(fā)展下去，會使得結(jié)塊逐漸長大，導致流態(tài)化中斷。這時就需要停車清理結(jié)塊，造成較大的經(jīng)濟損失和潛在的人身傷害。

為解決這個問題，在工藝流程中設置終止系統(tǒng)，當發(fā)生特定情況時啟動終止系統(tǒng)，可以幫助減緩乃至停止反應。如果未能在終止過程中向反應器中注入終止劑并使之分布在床層中，將再無其他替代方法阻止聚合物結(jié)塊。

2 終止系統(tǒng)的作用類型

終止系統(tǒng)作用類型有以下幾種：

2.1 Ⅰ型終止

圖1 Ⅰ型終止流程

當反應器床層溫度超過預設值時，Ⅰ型終止會自動啟動。此時，系統(tǒng)停止向反應系統(tǒng)中加入反應原料和催化劑，終止劑被注入循環(huán)氣冷卻器下游的循環(huán)氣管道中。循環(huán)氣由循環(huán)氣壓縮機驅(qū)動，使得終止劑分布到整個床層中，令催化劑失活。循環(huán)氣在反應系統(tǒng)中每分鐘循環(huán)一次，可迅速實現(xiàn)反應的終止。Ⅰ型終止可以自動或手動啟動。由床層溫度超高引發(fā)的Ⅰ型終止，可在終止過程中隨時解除。Ⅰ型終止流程見圖1。

2.2 Ⅲ型終止

當循環(huán)氣流量驟降或循環(huán)氣壓縮機斷電時，Ⅲ型終止會自動啟動。此時，系統(tǒng)切斷循環(huán)氣壓縮機電源，開啟透平機進出管線閥門，使用透平驅(qū)動循環(huán)氣繼續(xù)流動；自動停止向反應系統(tǒng)中加入反應原料和催化劑，終止劑被注入循環(huán)氣管道中。隨著循環(huán)氣不斷由透平機排放到火炬總管，整個反應系統(tǒng)的壓力持續(xù)緩慢下降。Ⅲ型終止可以自動或手動啟動。Ⅲ型終止一旦啟動，將持續(xù)規(guī)定時間，期間不能停止。Ⅲ型終止流程見圖2。

圖2 Ⅲ型終止流程

2.3 Ⅱ型終止

在Ⅲ型終止期間，如果出現(xiàn)極嚴重的機械故障、透平機超速或排氣溫度過低等情況，無法實現(xiàn)透平機驅(qū)動循環(huán)氣流動，則會自動啟動Ⅱ型終止。此時，循環(huán)氣管道閥門關閉，循環(huán)氣排放閥門開啟，循環(huán)氣快速排放至火炬總管。由壓差帶動終止劑擴散到床層中，使反應終止。Ⅱ型終止只能自動啟動，且可在終止過程中隨時解除。在Ⅱ型終止時可嘗試重啟循環(huán)氣壓縮機。Ⅱ型終止流程見圖3。

圖3 Ⅱ型終止流程

2.4 小型終止

因反應溫度過高、反應器床層過高或其他生產(chǎn)控制的需要，可以啟動小型終止。小型終止時向反應系統(tǒng)中注入少量的終止劑，注入時間由不同的催化劑特性決定。小型終止僅用于減緩反應而不會改變反應條件。小型終止可以自動或手動啟動。

自動小型終止的流量控制，由壓力調(diào)節(jié)閥和限流孔板實現(xiàn)。自動加入反應系統(tǒng)的終止劑的數(shù)量，由調(diào)定時器控制。對于不同的催化劑系列，小型終止所需的終止劑的要求差別很大。為了滿足需要，必須同時做到流量(通過改變壓力調(diào)節(jié)閥的設定值)和持續(xù)時間(通過修改定時器設置)都與產(chǎn)品樹脂牌號相匹配。自動小型終止流程見圖4。

圖4 自動小型終止流程

手動小型終止時，依靠AA、BB和CC三個閥門之間管路的容積，控制注入反應系統(tǒng)中的終止劑用量。手動小型終止流程見圖5。

圖5 手動小型終止流程

3 終止系統(tǒng)的設計和安裝

終止系統(tǒng)的設計和安裝過程中應注意以下幾個方面。

3.1 合理確定終止劑的用量

在反應終止時注入終止劑(一氧化碳)的實際數(shù)量必須遠大于理論值。根據(jù)經(jīng)驗，注入量為最低用量的40至80倍。進行一次Ⅰ型終止需要1瓶(50 L)終止劑，進行一次Ⅱ型終止和Ⅲ型終止則需要不少于2瓶終止劑。

在終止系統(tǒng)啟動時，終止劑鋼瓶壓力應不低于8.28MPa，在終止系統(tǒng)啟動25s內(nèi)，鋼瓶壓力不應低于4.14MPa。

裝置現(xiàn)場一般布置8個鋼瓶，4個在線連接，另外4個滿瓶離線備用。

3.2 配備可靠的電源和儀表空氣氣源

終止系統(tǒng)相關的重要儀表閥門應配備可靠的電源和儀表空氣氣源。通常使用電池備用電源系統(tǒng)。如果主電源斷電，這些系統(tǒng)需要提供至少一個半小時的后備電源。終止系統(tǒng)的電源應與其他非安全聯(lián)鎖系統(tǒng)隔離。后備儀表空氣通常由儀表氣源線中帶有止回閥的緩沖罐提供。

表1中所示儀表閥門對終止系統(tǒng)至關重要，這些閥門都應該配備備用電源和儀表空氣。后備電源和儀表空氣必須有足夠的容量，保證能支持所有閥門至少動作兩次。電磁閥的設計應使閥門在斷電時進入所需的故障位置。

表1 需要備用電源和氣源的儀表

3.3 合理規(guī)劃終止劑鋼瓶和管道布置

終止系統(tǒng)使用一氧化碳作為終止劑。一氧化碳是一種無色、無臭、無刺激性，但是可燃、高毒的氣體，能使人窒息乃至死亡。在造成火災危險之前，應注意其毒性對人員造成的傷害。一氧化碳的短時間接觸容許濃度(PC-STEL)僅為30 mg/m3。因此一氧化碳鋼瓶和管道的布置應格外注意防范泄漏危險。

(1)一氧化碳鋼瓶應該放在通風良好的室外，周圍不能有圍墻，可布置在反應器循環(huán)氣入口附近，借助反應框架避免陽光直射，避免雨水和雪冰的堆積。

(2)鋼瓶組和閥組所在位置不能擋住重型設備維護通道，以免發(fā)生意外造成一氧化碳泄漏。鋼瓶組需要安全可靠的支架，并始終固定成直立狀態(tài)。

(3)移動一氧化碳鋼瓶時，應戴好鋼瓶瓶帽；使用鋼瓶專用手推車搬運時，要用鐵鏈固定好鋼瓶，確保不損壞氣瓶閥門組件。

(4)備用的鋼瓶要加金屬蓋，并標識“滿瓶”標簽。

(5)鋼瓶出口管線上要安裝壓力表，且應保證其根部閥為鉛封開。在鋼瓶旁應能夠看到壓力表讀數(shù)。

(6)鋼瓶出口管線應設置安全閥，以防超壓。

(7)一氧化碳的排放管線應接至火炬。

(8)一氧化碳管道系統(tǒng)設計時，應選擇可靠的管道和閥門材料，盡量少使用接頭，確保其密封可靠。管道應進行布線和支撐，以盡量減少破損的可能性。管道安裝后應進行嚴格的壓力試驗。

(9)一氧化碳管線應盡量短而緊湊。A閥盡量靠近鋼瓶組，減少泄漏的可能。

(10)用于手動小型終止的管線上，AA、BB和CC閥之間的容積應滿足要求，該管線長度固定，但允許彎曲或盤繞，以節(jié)省空間。

(11)A/B/C閥應集中布置，可將閥門及其附件集成安裝在一個不大于1.5 m×1.5 m的面板上，并在其附近安裝其專用的儀表空氣緩沖罐。

(12)在有潛在危險發(fā)生的地方應使用警告和檢測設備。在鋼瓶組和閥組附近，應設置一氧化碳有毒氣體報警儀，還應提供呼吸設備。

4 終止系統(tǒng)的維護

應做好終止系統(tǒng)的日常維護保養(yǎng)工作，以保證在需要時能夠正常啟動、運行可靠。具體應注意以下方面：

(1)應定期檢查循環(huán)氣管道上的氣體管嘴和吹掃氣注入口流量。如果發(fā)現(xiàn)堵塞，應及時鉆孔清理。

(2)定期檢查鋼瓶壓力。如果鋼瓶因使用過度而壓力過低，應及時更換鋼瓶。

(3)確保終止系統(tǒng)管道進行合理的支撐和固定，最大限度地減少泄漏的可能性。終止劑管線在使用過程中，應定期檢查確保系統(tǒng)保持無泄漏。一旦發(fā)現(xiàn)鋼瓶供氣壓力非正常損失，則需及時進行皂水試驗，找到并緊固泄漏點。而且要盡快更換已經(jīng)啟用的鋼瓶。

(4)還應經(jīng)常對終止系統(tǒng)進行運行測試。每次關閉反應器時，應進行Ⅰ型終止系統(tǒng)邏輯測試。在開車過程中，使用氮氣循環(huán)時，進行Ⅱ型終止系統(tǒng)邏輯測試。Ⅲ型終止系統(tǒng)邏輯測試可以在正常生產(chǎn)過程中每月進行一次。

(5)在鋼瓶更換期間處理閥門、儀表等，仍有泄漏中毒的風險。因此，必須編寫詳細的操作程序并嚴格執(zhí)行。要求對所有的更換鋼瓶工作，除非操作人員結(jié)成“伙伴系統(tǒng)”，否則不應隨意進入潛在的一氧化碳危險區(qū)域。

(6)應配備一氧化碳安全裝置，如實時氧氣監(jiān)測器、一氧化碳報警儀、檢測試劑盒或呼吸器，并定期校準更新。

5 結(jié)語

終止系統(tǒng)是低壓聚乙烯裝置平穩(wěn)運行和減少損失的有力保障，但同時也是不可忽視的危險源，故而在設計、施工和操作過程中，務必嚴格遵守上述注意事項，以保障人身健康和生產(chǎn)安全，為同類聚乙烯裝置終止系統(tǒng)的設計提供了思路和參考。

參考文獻

[1]謝家敏，強發(fā)紅，王榮英．全密度聚乙烯裝置反應終止系統(tǒng)[J]．石油化工自動化，2006(1)：18-21.