聚乙烯氣相流化床生產(chǎn)優(yōu)化分析

張佰運(yùn) 呂明 馮偉忠

摘 ?????要：某石化公司低密聚乙烯車間采用UNIVATION公司UNIPOL氣相流化床聚乙烯生產(chǎn)工藝，年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力45萬t，是國(guó)內(nèi)單套生產(chǎn)能力較大的裝置之一。列舉了裝置開工至今氣相流化床反應(yīng)器生產(chǎn)過程遇到的一些實(shí)際問題，提出處理措施?？偨Y(jié)了一些與反應(yīng)器操作相關(guān)過程優(yōu)化調(diào)整的方法和經(jīng)驗(yàn)，為同類型裝置生產(chǎn)提供借鑒和參考。

關(guān) ?鍵 ?詞：聚乙烯;流化床;聚合反應(yīng);優(yōu)化控制

中圖分類號(hào)：TQ 325 ??????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ??????文章編號(hào)：1671-0460（2019）03-0609-04

Abstract： A petrochemical company's low-density polyethylene unit adopts UNIVATION's UNIPOL gas-phase fluidized bed polyethylene production process， with an annual designed production capacity of 450 000 tons. In this paper， some practical problems in the production process of gas phase fluidized bed reactors were listed， and treatment measures were proposed. Some methods and experiences of process optimization and adjustment related to reactor operation were summarized， which could provide some reference for the production of same type of equipments.

Key words： Polyethylene; Fluidized bed; Polymerization; Optimization control

UNIPOL氣相流化床生產(chǎn)工藝是目前廣泛采用的氣相法聚乙烯技術(shù)，具有流程短 、壓力低、操作條件溫和等優(yōu)點(diǎn)。本裝置采用該生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)能力高且開工生產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)，在實(shí)際控制中注意各項(xiàng)操作條件的優(yōu)化控制，使反應(yīng)器穩(wěn)定生產(chǎn)并不斷降低能耗、物耗，保證了產(chǎn)品質(zhì)量的合格穩(wěn)定[1]。

1 ?聚合反應(yīng)溫度控制優(yōu)化調(diào)整

是否有效的撤除聚合反應(yīng)熱是制約氣相流化床反應(yīng)器生產(chǎn)能力的主要因素，不能有效控制反應(yīng)熱將帶來爆聚風(fēng)險(xiǎn)。環(huán)境高溫生產(chǎn)是一個(gè)較長(zhǎng)的階段，應(yīng)提前檢查調(diào)溫水換熱器、調(diào)溫水閥的工作狀態(tài)、分布板是否堵塞而需要清理的情況。空氣高濕度減弱了冷卻水的水汽脫熱效果，應(yīng)同時(shí)注意環(huán)境高溫、高濕度疊加造成的水溫升高現(xiàn)象，提前做好反應(yīng)的調(diào)整[2]。包括提前增加誘導(dǎo)冷凝劑注入量、增加冷卻水流量、提高循環(huán)氣壓縮機(jī)導(dǎo)葉開度和提高反應(yīng)器壓力增強(qiáng)撤熱能力等方法。如調(diào)溫水冷水控制閥已處在較高開度，可小幅度提高反應(yīng)溫度設(shè)定值，降低調(diào)整難度。如出現(xiàn)短時(shí)間的反應(yīng)溫度較高波動(dòng)情況，可手動(dòng)調(diào)整反應(yīng)溫度設(shè)定值并提前、正向跟進(jìn)，縮短調(diào)溫水閥自動(dòng)調(diào)整時(shí)間。調(diào)整過當(dāng)?shù)膯栴}是過高的誘導(dǎo)冷凝劑濃度會(huì)加速分布板堵塞，過高的流化氣速會(huì)增加細(xì)分帶出量，過高的冷卻水量將為溫度進(jìn)一步升高的調(diào)整帶來難度，因此優(yōu)化調(diào)整應(yīng)在合理范圍內(nèi)進(jìn)行。調(diào)整措施無法滿足撤熱，應(yīng)降低生產(chǎn)負(fù)荷。對(duì)已出現(xiàn)溫度持續(xù)上升的情況，應(yīng)降低催化劑量，使反應(yīng)重新回到正常狀態(tài)而不是強(qiáng)行維持高負(fù)荷生產(chǎn)。以生產(chǎn)基礎(chǔ)樹脂DJM-1820為例，優(yōu)化調(diào)整情況如表1所示。

2 ?原料雜質(zhì)控制優(yōu)化措施

氣相流化床單程轉(zhuǎn)化率低，反應(yīng)器的體積要比其他工藝的體積大很多。對(duì)原料雜質(zhì)含量的嚴(yán)苛要求是氣相流化床反應(yīng)器的特點(diǎn)之一。超標(biāo)的雜質(zhì)會(huì)毒化催化劑，影響催化劑的效能，引發(fā)反應(yīng)器內(nèi)嚴(yán)重的靜電波動(dòng)，惡化時(shí)引發(fā)的爆聚反應(yīng)將給反應(yīng)器的清理帶來難度，復(fù)工時(shí)間較長(zhǎng)。因此控制原料中雜質(zhì)的含量十分重要，技術(shù)要求對(duì)原料中常見雜質(zhì)控制在0.1 ppm以下，實(shí)際控制則會(huì)更低（表1）[3]。

2.1 ?原料精制床再生周期及再生時(shí)間優(yōu)化

裝置需要床層精制的物料包括乙烯、共聚單體、誘導(dǎo)冷凝劑和氮?dú)?，各?xiàng)功能精制床共計(jì)10個(gè)。實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)按照操作法對(duì)各精制床層定期再生，再生周期的確定要綜合以下幾個(gè)因素：原料雜質(zhì)濃度、原料流量累積值、專利商再生周期要求、床層填料廠商技術(shù)數(shù)據(jù)、反應(yīng)器靜電和催化劑活性變化情況并且要兼顧考慮生產(chǎn)能耗要求。反應(yīng)器的實(shí)際情況是所有因素中最重要的一項(xiàng)，即使床層還未到再生時(shí)間，如反應(yīng)出現(xiàn)由原料雜質(zhì)影響導(dǎo)致的異常情況時(shí)，應(yīng)立即切換床層。為避免忽然出現(xiàn)原料雜質(zhì)大量超標(biāo)無法處理的隱患，一般精制床實(shí)際再生周期要低于計(jì)算值和工藝專利要求，為應(yīng)對(duì)突發(fā)情況提供有效余量。但為了避免過頻的再生造成床層壽命縮短和高能耗問題，應(yīng)綜合考慮各因素，確定床層再生周期?，F(xiàn)以裝置最大精制床-乙烯干燥C-2112為例，數(shù)據(jù)如表2所示。

原料精制床再生涉及能耗增加的步驟包括冷吹掃、熱吹掃、加熱再生、恒溫和冷卻5個(gè)過程，消耗氮?dú)夂碗娔芫哂杏昧看蠛蜁r(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)。再生前的泄壓則引起物耗的增加。本裝置在床層泄壓完成后采取逐漸升溫的方式直接進(jìn)入熱吹掃，省去了冷吹掃步驟。精制床再生的節(jié)能降耗優(yōu)化主要通過優(yōu)化再生周期，另外一項(xiàng)內(nèi)容就是優(yōu)化再生時(shí)間。再生要求合格標(biāo)準(zhǔn)是以每一步的操作是否達(dá)到規(guī)定時(shí)間，但核心是以溫峰全部有效通過來確定。原設(shè)計(jì)熱吹掃和加熱再生過程加熱器設(shè)定溫度較低，由于管路長(zhǎng)度原因以及環(huán)境低溫引起的熱損失問題，使到達(dá)精制床層的加熱溫度不足，導(dǎo)致實(shí)際加熱時(shí)間遠(yuǎn)高于規(guī)定時(shí)間，造成氮?dú)獾睦速M(fèi)。以C-2112為例，進(jìn)行優(yōu)化的情況如表3所示。

2.2 ?生產(chǎn)過程對(duì)原料雜質(zhì)監(jiān)控及分析調(diào)整

原料精制控制不應(yīng)局限于對(duì)各項(xiàng)參數(shù)的分析，還應(yīng)對(duì)生產(chǎn)中的異常變化多查找原因。有些看似與雜質(zhì)控制不相關(guān)操作的分析、監(jiān)控和優(yōu)化調(diào)整手段對(duì)原料指標(biāo)的控制起到了非常關(guān)鍵的作用?？偨Y(jié)以下幾點(diǎn)：

（1）界區(qū)原料高溫導(dǎo)致的床層解析。界區(qū)原料波動(dòng)常見現(xiàn)象為流量、壓力、溫度和雜質(zhì)含量變化。其中原料溫度的升高會(huì)對(duì)裝置精制床產(chǎn)生一定的解吸附作用，床層使用時(shí)間越久，原料溫度越高則導(dǎo)致的解析作用越強(qiáng)也越容易發(fā)生反應(yīng)器雜質(zhì)含量超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。特別是干燥床脫附帶出的大量水進(jìn)入反應(yīng)器引起的負(fù)靜電波動(dòng)。對(duì)于這種問題，除及時(shí)聯(lián)系調(diào)整以外，還要將床層隔離出系統(tǒng)，待溫度正常后投用。

（2）產(chǎn)品出料系統(tǒng)PDS大小頭清理和精制床調(diào)盲板期間，短節(jié)置換不合格引入的雜質(zhì)。氣相流化床反應(yīng)器常常因?yàn)楫a(chǎn)生結(jié)塊現(xiàn)象而堵塞PDS大小頭，管線打開前應(yīng)做好閥門的關(guān)閉隔離。注意雨雪天氣對(duì)短節(jié)、墊片等部件的水分帶入影響，在大小頭復(fù)位過程中應(yīng)對(duì)管線多次氮?dú)馍祲褐脫Q合格，保證氧氣和水不被帶入回收系統(tǒng)，進(jìn)而重新進(jìn)入反應(yīng)器。精制床短節(jié)的復(fù)位也應(yīng)該進(jìn)行有效的置換操作。

（3）除對(duì)界區(qū)原料和在線儀表監(jiān)護(hù)以外，還要經(jīng)常對(duì)裝置內(nèi)各關(guān)鍵點(diǎn)采樣分析監(jiān)控。裝置生產(chǎn)的某一階段，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)靜電出現(xiàn)異常波動(dòng)，同時(shí)反應(yīng)器產(chǎn)生的塊料量異常增加，對(duì)共聚單體單元的采樣對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)脫氣單元出現(xiàn)水值增高的現(xiàn)象，經(jīng)過全面排查，發(fā)現(xiàn)了脫氣塔塔頂冷卻器內(nèi)漏問題。同時(shí)建立了對(duì)原料定期離線采樣分析的監(jiān)控制度，先后發(fā)現(xiàn)了氮?dú)鈮嚎s機(jī)冷卻器多處內(nèi)漏、氮?dú)鈨?nèi)竄油和壓縮機(jī)儀表風(fēng)進(jìn)入氮?dú)庀到y(tǒng)的問題，保證了原料的質(zhì)量并及時(shí)發(fā)現(xiàn)儀表失靈問題。

（4）裝置生產(chǎn)發(fā)現(xiàn)每當(dāng)擠壓造粒系統(tǒng)停車處理后，反應(yīng)器都會(huì)產(chǎn)生正靜電波動(dòng)現(xiàn)象。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的跟蹤分析發(fā)現(xiàn)是E1線問題引起該情況。E1線是裝置原工藝要求擠壓機(jī)停車后，為防止脫氣倉粉料板結(jié)而進(jìn)行粉料循環(huán)的流程。流程中要通過不能有效密封的粉料振動(dòng)篩，循環(huán)后攜帶的空氣進(jìn)入回收系統(tǒng)，最后返回反應(yīng)器，引起了反應(yīng)器氧氣濃度增高和正靜電波動(dòng)情況發(fā)生。裝置對(duì)E1采取停用措施，該問題得到解決。擠壓機(jī)停車后的粉料主要通過采種子床保證了脫氣倉粉料的流動(dòng)性。

（5）回收系統(tǒng)停車處理后，重新并入系統(tǒng)前需要對(duì)回收氣相和液相排火炬置換，不可以認(rèn)為短時(shí)間的停機(jī)不影響雜質(zhì)帶入[4]。

3 ?粉料樹脂排料系統(tǒng)PDS優(yōu)化

本裝置有兩套PDS排料系統(tǒng)，每套包含兩個(gè)兩級(jí)產(chǎn)品排料系統(tǒng)，共4條出料線。正常情況下，兩個(gè)排料系統(tǒng)以交叉模式進(jìn)行操作，氣體在PDS罐之間轉(zhuǎn)移以減少離開反應(yīng)器的氣體量。排料時(shí)間的增加首先要防止PC出料罐滿進(jìn)料對(duì)閥門的損壞。

依據(jù)PC填充率計(jì)算：

產(chǎn)品出料由反應(yīng)器床高床重控制，所以當(dāng)反應(yīng)負(fù)荷提高以后，總出料次數(shù)相應(yīng)也會(huì)增加，由公式可知：當(dāng)堆積密度升高時(shí)，填充率下降，應(yīng)適當(dāng)提高出料時(shí)間;提高堆積密度會(huì)降低出料次數(shù)，降低設(shè)備的損耗;裝置設(shè)計(jì)時(shí)，過小的PC罐容積將限制反應(yīng)負(fù)荷的進(jìn)一步提高。

3.1 ?PDS出料時(shí)間調(diào)整優(yōu)化

正常生產(chǎn)應(yīng)盡可能增加PC罐出料時(shí)間，通過增加罐內(nèi)粉料填充率來減少反應(yīng)器內(nèi)固定比例的原料氣進(jìn)入回收系統(tǒng)，達(dá)到降低物耗的目的。另外一種增加出料時(shí)間的操作是當(dāng)某一條出料線發(fā)生閥門或大小頭堵塞故障處理時(shí)，為了盡可能的滿足反應(yīng)器的出料需求，需要將在用線出料時(shí)間延長(zhǎng)同時(shí)摘除交叉平衡，雖然造成了原料的浪費(fèi)但是保證了故障線處理時(shí)間和反應(yīng)器的穩(wěn)定運(yùn)行[5]。

為了生產(chǎn)控制需要，對(duì)PDS出料設(shè)定時(shí)間也有很多減少的情況。例如反應(yīng)器內(nèi)出現(xiàn)很多塊料的情況，為了盡可能的將塊料多排出反應(yīng)器，避免塊料長(zhǎng)時(shí)間停留，造成流化狀態(tài)變差，需要降低出料設(shè)定時(shí)間，增加出料頻次。另外，當(dāng)發(fā)生反應(yīng)器壓力較高或需要置換反應(yīng)器雜質(zhì)時(shí)，一般通過降低出料時(shí)間來解決。除特殊情況并不會(huì)采用通過反應(yīng)器直接向脫氣倉或低壓火炬泄放的形式來調(diào)節(jié)反應(yīng)器壓力和控制反應(yīng)器雜質(zhì)濃度。因?yàn)橹苯优欧诺耐瑫r(shí)會(huì)造成排放閥的乙烯吹掃氣大量排放，引起物耗增加。反應(yīng)器高負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)，粉料、原料氣和催化劑在流化床內(nèi)停留時(shí)間變短，引起反應(yīng)器內(nèi)催化劑活性的降低。進(jìn)入PDS系統(tǒng)后，催化劑因保持較高活性而繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)，出料時(shí)間設(shè)定過長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致出料系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生較多塊料。該階段形成的塊料與反應(yīng)器內(nèi)熱點(diǎn)形成的塊料有明顯區(qū)別，呈個(gè)體形狀大小均勻，施外加力容易破損，斷面為粉料顆粒狀。對(duì)比效果圖如圖1所示。

3.2 ?PDS系統(tǒng)閥門故障處理措施

單條排料系統(tǒng)包括A、E、G、H和J，以及兩條線間平衡線閥門W、X共10個(gè)閥門完成一次完整的排料過程，按照裝置設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力56.25T/H時(shí)的統(tǒng)計(jì)，單條線閥門開關(guān)次數(shù)約為19～21次/h，其中平衡閥W、X動(dòng)作次數(shù)增加一倍。高頻次的動(dòng)作容易導(dǎo)致閥門經(jīng)常出現(xiàn)故障，包括閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)損壞和儀表線路、限位開關(guān)故障。因此應(yīng)該優(yōu)化調(diào)整，同等負(fù)荷下增加排料時(shí)間，減少閥門動(dòng)作次數(shù)來降低閥門故障率。各閥門故障中，E、W、X的故障處理較為關(guān)鍵，常出現(xiàn)關(guān)信號(hào)不到位引起的兩條線同時(shí)停止出料狀況，如正處在高負(fù)荷生產(chǎn)階段將快速引起高料位和高床重，引發(fā)反應(yīng)器停車風(fēng)險(xiǎn)。出現(xiàn)這類問題應(yīng)通過仿真或儀表處理，最先保證獲得閥門關(guān)閉信號(hào)，不影響另外一條線出料的前提下再進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的處理。

4 ?結(jié) 論

氣相流化床的撤熱情況影響負(fù)荷的高低和安全生產(chǎn)，尤其是環(huán)境高溫調(diào)整困難階段，更加應(yīng)該重視優(yōu)化操作。原料雜質(zhì)的控制尤為關(guān)鍵，包括精制床和相關(guān)的操作控制和調(diào)整，對(duì)精制床的再生應(yīng)進(jìn)行有效的時(shí)間優(yōu)化，降低裝置能耗、物耗水平。PDS出料時(shí)間的優(yōu)化不但可以降低流化氣的損失，而且可以起到減少閥門的故障率和降低反應(yīng)廢料產(chǎn)生的作用。對(duì)PDS系統(tǒng)特殊的閥門故障處理應(yīng)該引起足夠重視，采取有效的方法調(diào)整，避免閥門故障導(dǎo)致更大的反應(yīng)問題發(fā)生。需要特殊強(qiáng)調(diào)的是：由于氣相流化床的特殊性，當(dāng)流化床已經(jīng)出現(xiàn)了較明顯的惡化并進(jìn)一步發(fā)展時(shí)，不應(yīng)再爭(zhēng)取恢復(fù)正常的操作，而是應(yīng)該考慮執(zhí)行終止程序，將故障降低并徹底解決也是一種有效的應(yīng)對(duì)事故狀態(tài)的優(yōu)化手段。

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