HDPE生產(chǎn)裝置中低壓溶劑回收關(guān)鍵設(shè)備國(guó)產(chǎn)化淺析

姚 鑫，桑逸飛

(浙江石油化工有限公司,浙江舟山 316200)

1 生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)述

高密度聚乙烯裝置采用 INEOS 公司的INNOVENE S 淤漿環(huán)管聚合工藝，通過(guò)兩臺(tái)環(huán)管反應(yīng)器串聯(lián)操作運(yùn)行,生產(chǎn)雙峰/單峰聚乙烯產(chǎn)品。

該工藝以異丁烷為溶劑，將乙烯溶解在其中送入環(huán)管反應(yīng)器。由軸流泵提供反應(yīng)循環(huán)動(dòng)力，加入催化劑激發(fā)聚合反應(yīng)生成聚乙烯粉末[1]。異丁烷攜帶聚乙烯粉末(下稱淤漿)經(jīng)過(guò)淤漿加熱器后進(jìn)入高壓閃蒸罐，由于高溫與壓力降低使溶劑異丁烷氣化，粉末經(jīng)由分級(jí)降壓(SAS)系統(tǒng)進(jìn)入低壓脫氣倉(cāng)，脫氣倉(cāng)壓力進(jìn)一步降低再次對(duì)粉料中的異丁烷進(jìn)行脫除，此部分的異丁烷由低壓溶劑回收(LPSR)風(fēng)機(jī)進(jìn)行回收，回收后的異丁烷可以再次進(jìn)入反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用[2]。粉料則由風(fēng)送系統(tǒng)送至粉料倉(cāng)，再經(jīng)擠壓造粒成為聚乙烯成品顆粒出廠。

溶劑異丁烷作為聚乙烯裝置物料循環(huán)的核心介質(zhì)，對(duì)其進(jìn)行回收的過(guò)程更加高效、節(jié)能乃重中之重，因此LPSR風(fēng)機(jī)作為溶劑回收系統(tǒng)的心臟設(shè)備至關(guān)重要。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析比較

2.1 干式無(wú)油螺桿壓縮機(jī)

國(guó)產(chǎn)壓縮機(jī)為干式無(wú)油螺桿壓縮機(jī)。內(nèi)有一對(duì)相互嚙合轉(zhuǎn)子，由四凸齒的主動(dòng)轉(zhuǎn)子(陽(yáng)轉(zhuǎn)子)與截面為六個(gè)凹齒的從動(dòng)轉(zhuǎn)子(陰轉(zhuǎn)子)組成。在壓縮機(jī)兩端分別沿軸向與徑向分布一定形狀和大小的吸氣、排氣口。轉(zhuǎn)子兩側(cè)伸出軸上依次布置著密封、軸承組件，同步齒輪與平衡盤(pán)等。啟動(dòng)時(shí)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)陽(yáng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，通過(guò)同步齒輪帶動(dòng)陰轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子互不接觸，同步齒輪的速比與螺桿轉(zhuǎn)子的速比相等。陰、陽(yáng)螺桿轉(zhuǎn)子由軸承支撐與同步齒輪厚薄片的調(diào)整來(lái)保證陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子間的間隙。轉(zhuǎn)子與氣缸之間，螺桿轉(zhuǎn)子端面與氣缸壁之間均有較小的間隙，如圖1所示。

圖1 螺桿壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖1)徑向止推軸承；2)徑向軸承；3)殼體；4)陽(yáng)轉(zhuǎn)子；5)陰轉(zhuǎn)子；6)密封組件；7)同步齒輪

螺桿轉(zhuǎn)子的齒頂與端面上均有精制的密封棱邊來(lái)保證轉(zhuǎn)子與殼體之間的微小間隙。轉(zhuǎn)子的型線基本決定了螺桿壓縮機(jī)性能的好壞，壓縮機(jī)使用的是SRM-D型線，能夠在轉(zhuǎn)子間實(shí)現(xiàn)“曲面對(duì)曲面”的密封，有助于動(dòng)力潤(rùn)滑油膜的形成，這樣可以降低通過(guò)接觸線的橫向泄漏，如圖2所示。

圖2 SRM-D型線

同步齒輪為小齒輪和大齒輪，分別安裝于壓縮機(jī)吸入端外側(cè)陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子的軸頸上，以保證陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子的同步運(yùn)轉(zhuǎn)。為了方便調(diào)整轉(zhuǎn)子嚙合間隙，或者當(dāng)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)反轉(zhuǎn)時(shí)保證型面背部不被擦碰，陰轉(zhuǎn)子上的被動(dòng)同步齒輪由輪毅與薄、厚齒組成。通過(guò)調(diào)節(jié)薄、厚齒片來(lái)令陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子的嚙合間隙均勻，如圖3所示。螺桿轉(zhuǎn)子之間必須保持一定間隙，否則壓縮機(jī)會(huì)無(wú)法正常工作。

圖3 同步齒輪1)厚齒圈; 2)薄齒圈; 3)小齒輪

壓縮機(jī)的軸封是采用的迷宮密封與集裝式雙端面機(jī)械密封組合的復(fù)合密封。壓縮機(jī)的潤(rùn)滑油系統(tǒng)與密封油系統(tǒng)是分開(kāi)的，從而避免密封油受污染使?jié)櫥蛯?duì)軸承產(chǎn)生損害。

螺桿壓縮機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：

(1) 轉(zhuǎn)速高、質(zhì)量輕、體積小，占地面積小。

(2) 動(dòng)力平衡性能較好，基礎(chǔ)小。

(3) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，易損件少，維修簡(jiǎn)單。

(4) 對(duì)液擊不敏感，單級(jí)壓比高。

(5) 輸氣量幾乎不受排氣壓力的影響，在較寬的工作范圍內(nèi)仍可以保持較高的效率。

缺點(diǎn)：

(1) 噪音大。

(2) 轉(zhuǎn)子需要設(shè)計(jì)加工，選用非標(biāo)設(shè)備。

2.2 羅茨風(fēng)機(jī)

進(jìn)口羅茨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子為兩個(gè)三葉漸開(kāi)型葉輪，兩個(gè)轉(zhuǎn)子之間存在一定的間隙，非接觸式旋轉(zhuǎn)[3]。工作原理是當(dāng)工藝氣到達(dá)排氣口時(shí)，借助轉(zhuǎn)子的嚙合，進(jìn)氣瞬間對(duì)排氣側(cè)的增壓氣體加壓[4]。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以防止?jié)櫥突烊肱艢鈿怏w當(dāng)中。

轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子、箱體、墻板之間都存在微小的間隙，正常轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)不產(chǎn)生摩擦，從而減少接觸式磨損。但日常檢修維護(hù)需要特別注意該間隙，一旦間隙過(guò)小產(chǎn)生摩擦可能會(huì)引發(fā)轉(zhuǎn)子抱死。電機(jī)的動(dòng)力通過(guò)V形皮帶輪或者聯(lián)軸器傳遞到傳動(dòng)軸上，并通過(guò)導(dǎo)向齒輪進(jìn)一步往傳動(dòng)軸上傳遞。導(dǎo)向齒輪存在一種結(jié)構(gòu)，當(dāng)其由于齒面磨損而產(chǎn)生偏差時(shí)可以通過(guò)一個(gè)可調(diào)齒輪進(jìn)行補(bǔ)償。軸承采用的是滾珠與滾子軸承，通過(guò)這兩種軸承以維持高速、高載荷運(yùn)行并準(zhǔn)確保持齒輪和轉(zhuǎn)子之間的間隙。軸封部分采用特殊的非接觸式擋油環(huán)和單機(jī)械密封結(jié)構(gòu)，使得齒輪箱和軸承的油不會(huì)滲入機(jī)殼。

雙級(jí)三葉羅茨風(fēng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)[5]：

(1) 容積較大，供氣的量也較大，運(yùn)行穩(wěn)定，工作效率較高。

(2) 葉輪和軸承之間為整體結(jié)構(gòu)，對(duì)于葉輪的損傷較小。

(3) 轉(zhuǎn)子與殼體之間存在間隙，可以輸送含有一定粉塵的氣體。

羅茨風(fēng)機(jī)的缺點(diǎn)：

(1) 噪聲比較大。

(2) 占地面積較大，機(jī)組大，電機(jī)功率更高。

3 實(shí)際工況分析比較

3.1 實(shí)際工況對(duì)比數(shù)據(jù)

表1為羅茨風(fēng)機(jī)與螺桿壓縮機(jī)的操作工藝參數(shù)。

表1 羅茨風(fēng)機(jī)與螺桿壓縮機(jī)的操作工藝參數(shù)

3.2 實(shí)際工況對(duì)比分析

由表1的對(duì)比數(shù)據(jù)可以算出，在近似的工況下，進(jìn)口羅茨風(fēng)機(jī)的壓比為6.88，國(guó)產(chǎn)螺桿壓縮機(jī)壓比為7.41。與此同時(shí)，國(guó)產(chǎn)壓縮機(jī)的電機(jī)功率為227.5 kW，比進(jìn)口風(fēng)機(jī)265 kW更低，處理量更高一些。在工藝氣冷卻方面螺桿壓縮機(jī)在出入口共設(shè)計(jì)了兩臺(tái)換熱器，無(wú)溫度調(diào)控能力。羅茨風(fēng)機(jī)只在級(jí)間設(shè)計(jì)了一臺(tái)換熱器，通過(guò)中間緩沖罐的溫度調(diào)整循環(huán)水的流量達(dá)到控溫效果。根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)與專利商工藝設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比可以得出，螺桿壓縮機(jī)的出口壓力、溫度、處理量均是滿足工藝需求。

相比進(jìn)口羅茨風(fēng)機(jī)機(jī)組，國(guó)產(chǎn)螺桿壓縮機(jī)機(jī)組在如下幾點(diǎn)存在更優(yōu)的設(shè)計(jì)：

(1) 在壓縮機(jī)的入口與出口設(shè)置集液管，因?yàn)檎Ｉa(chǎn)時(shí)會(huì)有C6以上的重組分累積，最終產(chǎn)生凝液。當(dāng)凝液產(chǎn)生時(shí)可以直接通過(guò)集液管集液排放從而節(jié)省了一個(gè)分離罐。

(2) 在壓縮機(jī)出口增設(shè)停車泄荷閥。當(dāng)壓縮機(jī)停止運(yùn)行時(shí)邏輯聯(lián)鎖會(huì)自動(dòng)將停車卸荷閥打開(kāi)將壓縮機(jī)出口的壓力泄放至火炬防止出口憋壓。在出現(xiàn)生產(chǎn)異常緊急停車時(shí)可以更好的保護(hù)壓縮機(jī)，從而能提高生產(chǎn)安全性。

(3) 在壓力控制上羅茨風(fēng)機(jī)一二級(jí)均存在回流閥調(diào)節(jié)入口壓力，一級(jí)的回流是從中間罐頂部出口管線回流至一級(jí)風(fēng)機(jī)入口，二級(jí)的回流是從二級(jí)風(fēng)機(jī)出口回流至一級(jí)風(fēng)機(jī)出口的換熱器前，兩級(jí)回流存在一個(gè)交替，這會(huì)導(dǎo)致一臺(tái)風(fēng)機(jī)的波動(dòng)影響另一臺(tái)的控制，最后對(duì)兩級(jí)控制均產(chǎn)生影響。

(4) 螺桿壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子間隙設(shè)計(jì)比羅茨風(fēng)機(jī)略大，更能適應(yīng)壓縮介質(zhì)含細(xì)粉和少量三乙基鋁結(jié)晶物的工況。

(5) 從設(shè)備選型來(lái)看，用單級(jí)的螺桿壓縮機(jī)替代兩級(jí)的羅茨風(fēng)機(jī)，可靠性更高。

在正常的工藝生產(chǎn)時(shí)由于生產(chǎn)不同牌號(hào)的產(chǎn)品對(duì)低壓溶劑回收風(fēng)機(jī)也會(huì)產(chǎn)生不同的影響。當(dāng)生產(chǎn)鈦系牌號(hào)時(shí)使用助催化劑三乙基鋁。少量的三乙基鋁會(huì)被低壓溶劑回收風(fēng)機(jī)的入口過(guò)濾器所阻擋，導(dǎo)致入口過(guò)濾器進(jìn)出端的壓差會(huì)不斷緩慢上升最終堵塞過(guò)濾器。正常羅茨風(fēng)機(jī)機(jī)組設(shè)計(jì)的入口過(guò)濾器只有一個(gè)，沒(méi)有備臺(tái)切換，一旦堵塞必須停下低壓溶劑回收風(fēng)機(jī)對(duì)過(guò)濾器進(jìn)行清理，期間會(huì)將脫氣倉(cāng)頂部回收的異丁烷全部排放至火炬導(dǎo)致異丁烷單耗增加。螺桿壓縮機(jī)機(jī)組現(xiàn)已將入口過(guò)濾器設(shè)計(jì)改為一備一用的形式，能夠?qū)崿F(xiàn)在線無(wú)擾動(dòng)切換，減少異丁烷的損耗從而達(dá)到節(jié)省能源、節(jié)約成本、降低干擾、提高生產(chǎn)穩(wěn)定性的目的。

4 螺桿壓縮機(jī)的實(shí)際投用后的數(shù)據(jù)

經(jīng)與供應(yīng)商和同行技術(shù)交流，對(duì)進(jìn)口羅茨風(fēng)機(jī)和國(guó)產(chǎn)螺桿壓縮機(jī)(上海711所設(shè)計(jì))在壓比、出口壓力、轉(zhuǎn)子間隙等工藝參數(shù)、結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行反復(fù)研究比較，我公司選用了國(guó)產(chǎn)的螺桿壓縮機(jī)，較進(jìn)口羅茨風(fēng)機(jī)投資成本節(jié)約60%以上，目前該壓縮機(jī)已成功穩(wěn)定運(yùn)行了一年半多，如表2所示。

表2 不同牌號(hào)聚乙烯的生產(chǎn)數(shù)據(jù)

表2中列舉的是最具代表性的三種牌號(hào)，分別是鈦系單峰牌號(hào)T60-800、鈦系雙峰PN049以及鉻單峰HD5502S。PN049只生產(chǎn)了一個(gè)月，在這期間進(jìn)行了裝置開(kāi)停車過(guò)程，使得異丁烷單耗略微超出設(shè)定值，正常平穩(wěn)生產(chǎn)時(shí)無(wú)論是用哪一種模式進(jìn)行生產(chǎn)，通過(guò)螺桿壓縮機(jī)的回收工況，均可以將異丁烷單耗降至專利商的設(shè)計(jì)值之內(nèi)。

5 結(jié) 論

a) 從經(jīng)濟(jì)方面看，國(guó)產(chǎn)螺桿壓縮機(jī)的一次投資較進(jìn)口羅茨風(fēng)機(jī)低約60%，同時(shí)運(yùn)行功率更低。

b) 從實(shí)際運(yùn)行狀況來(lái)看，國(guó)產(chǎn)螺桿壓縮機(jī)的異丁烷、乙烯回收率等工藝指標(biāo)均達(dá)到了工藝包要求，并且在粉塵和三乙基鋁介質(zhì)工況下運(yùn)行良好。國(guó)產(chǎn)螺桿壓縮機(jī)完全可以替代進(jìn)口羅茨風(fēng)機(jī)。