环管反应器轴流泵功率波动原因分析及对策

摘要：陕西延长石油集团延安石化厂聚丙烯装置采用国产化第二代环管聚丙烯液相本体（Spheripol）工艺技术，年产本色聚丙烯粒料20万吨。在生产中出现环管反应器轴流泵功率波动太大现象，通过查找原因，适当调整操作，较好地解决了以上问题，确保装置长期稳定运行。

关键词：聚丙烯；环管反应器；轴流泵；波动

前言

 Y/聚丙烯（PP）是重要的热塑性材料之一，是重要的化工产品和化工原料。自1980年以来，世界聚丙烯的消耗以每年9.5%的速度增长，使得聚丙烯成为增长速度最快的热塑性树脂。在聚丙烯生产工艺的发展过程中，聚合工艺可分为溶液法、溶剂法（淤浆法）、液相本体法和气相法。其中溶液法因流程长、能耗高、投资大、产品质量差，已被淘汰，溶剂法也已属落后工艺，而本体法和气相法是目前聚丙烯装置广泛采用的工艺技术。在目前全世界的聚丙烯生产能力中，以Montell的本体环管反应器聚合工艺技术建成的装置最多。陕西延长石油集团炼化公司延安石化厂聚丙烯装置采用国产化第二代环管聚丙烯液相本体（Spheripol）工艺技术，设计年产本色聚丙烯粒料20万吨。该工艺的主要特点是采用环管式反应器，反应器循环泵（即轴流泵）使浆液在反应器中循环，具有反应器传热效果好，管内浆液流速高，单位容积生产能力强的优点。到目前为止，利用CS-2型催化剂，生产T30S产品约6万吨，产品质量均达到质量标准。

聚丙烯环管反应循环泵是聚丙烯装置聚合反应的关键设备，该泵为美国进口产品，价格昂贵。但在生产中，出现轴流泵功率波动太大，严重影响了工艺参数的调整和设备的正常运行。为此，将根据生产中的研究经验对轴流泵功率波动产生原因进行分析并进行适当操作调整。

2 主要原因分析

Spheripol环管反应器采用液相预聚合和液相本体聚合相结合的方式生产聚丙烯均聚物。其主要工艺流程可概括为：液相丙烯、催化剂、助催化剂进入预聚合反应器，在反应器内经过预聚合后，与原料丙烯、分子量调节剂氢气共同进入到环管反应器中，在循环泵的强制循环作用下，丙烯在环管反应器内发生聚合反应，聚合反应热通过反应器夹套冷却水撤走，丙烯在反应期内停留约1.5小时后与未反应的丙烯共同进入后续系统，经过分离、干燥后得到聚丙烯粉料。

为尽快找到轴流泵功率波动原因，主要围绕反应器体系查找原因。

p2.1 生产工艺0 l1 i! [5 N' [' g5 |
2.1.1( ]; f1 U/ g/ A: i( S: d
环管反应器中不凝气含量
丙烯和氢气原料中含有部分轻组分杂质，如CO、O2、乙烷、H2等。随着反应时间的加长，这些轻组分如不及时排出去，会使环管内积存更多的轻组分气体，导致环管轴流泵功率波动。为除去这些不凝气和不参加反应的丙烷组分，通过调节塔T701和T301顶部冷凝器即E701和E301顶部排放阀开度控制排放量。

2.1.2- _; [7 d& |2 d( g* g! B
反应条件2 p5 ^* ]( \( g3 ?* ~4 o: E. T$ t: b
     环管反应中，聚合反应温度和压力对反应影响比较大，正常反应温度为70℃，反应压力为3.4MPa。如果温度或压力控制不当，环管中就会有气相产生，影响环管反应和轴流泵的正常运行。

2.1.3# e:环管中淤浆密度
环管反应器中聚合物的操作浓度仅受浆液循环所需量的能量限制。工业应验表明：反应温度下，反应器能在浆液密度560~565kg/m3（约含50%wt固体）以下操作良好。超过这个浓度，泵的吸收功率可能急剧上升，使操作不稳定。但为了保持催化剂收率和装置负荷尽可能的高，又要求浆液密度尽可能的高。为解决这一矛盾，应根据实际生产状况做适当的调整。
2.1.4# o# X; E( 丙烯进料

    环管反应器进料中，丙烯量采用调节阀自动控制，如果PID参数设置不当，丙烯进料量波动会很大。一个稳定的反应需要稳定的进料量和出料量，因此丙烯进料量波动较大，使反应波动大，可能会导致环管轴流泵功率波动较大。

2.1.5 氢气进料

    在环管反应中，利用聚丙烯活性链的氢转移反应，工艺上通过向反应体系中加入氢气，来控制产品的分子量，反应体系中氢气浓度增加，聚丙烯产品的平均分子量降低，熔体指数提高。同时聚丙烯活性链的氢转移反应会使催化剂活性提高，随着丙烯中氢气浓度的增加，聚合反应会加剧。在正常反应过程中，氢浓度控制波动大，反应强度也会随之波动。另外，氢气量加入过大时，可能会有部分氢气在约3.4MPa反应压力下不能充分溶入到丙烯中，使得环管反应器中存在部分气相空间，导致轴流泵功率稍许波动。

:2.1.6! R反应负荷

目前，市场上聚丙烯的需求量越来越大，使得很多聚丙烯生产企业都保持装置的高负荷生产，以降低产品的单耗。但是由于生产负荷太高，反应器的停留时间减小，催化剂的过量加入造成催化剂活性激增，致使催化剂颗粒或聚丙烯内部的反应热来不及传递到表面进行换热，使得内部丙烯受热气化而产生气相空间，导致轴流泵功率波动。

2.2 设备

2.2.1由于各种原因造成聚丙烯装置多次停工，在环管反应器稀释的过程中可能有小块料生成，卡住运行叶轮上而造成轴流泵功率波动。

2.2.2
机械密封损坏、润滑油系统和冷却系统故障都会造成轴流泵功率波动。" A1 B' r- t  L- F# g! I
如果由于设备本身故障应作停工处理，待设备检修完毕后重新投用。5 C6 a- c  N% e" g! r' K- |. V7 \0 d
0 l- z0 o, w" n0 T4 u
31 c, E% 解决对策; t% y/

3.1/ B8 g(T701和T301系统工艺调整- h'

为使整个环管反应器中的不凝气含量减少，对能排放丙烯原料中轻组分的T701和T301系统工艺进行调整。首先提高T701进料丙烯的温度，由原来控制的45℃提高到52℃左右。压力也随之相应提高，由1.95MPa提高到2.1MPa。在调整温度和压力的时遵循一原则，T701系统温度低于此压力下丙烯的饱和温度，否则造成大量的丙烯气化，系统压力不容易控制，影响轻组分的正常排放。另外，造成大量气相丙烯排放，原料浪费极其严重。

反应原料丙烯中，丙烷含量相对较高。由于丙烷不参与反应，随着生产时间的延长，如不及时排放使得反应中原料中的丙烷含量增加，影响原料丙烯纯度，致使反应器中的催化剂活性相对不均匀，反应不均衡，浆液密度大小分布不均。最终导致轴流泵受力不均匀，功率波动。因此在T301系统中，对工艺做了相应调整，开大E301顶部排放量，减少丙烯原料中丙烷含量。

3.2 反应条件的改变

环管反应器的反应条件根据SEI设计正常为70℃、3.4MPa。据文献资料报道，反应温度在65℃～70℃时，聚合物等规度随着反应温度的升高而提高，但当温度在70℃～75℃时，聚合物等规度反而随着反应温度的升高而有所降低。另外，反应温度的提高，聚合反应能力急剧上升，当温度高于73℃时，反应剧烈不易控制，容易造成环管暴聚。综合考虑以上因素，反应温度仍维持70℃，反应压力由原来的3.4MPa提高到约3.56MPa，在反应压力提高的条件下，氢气可尽可能的完全溶入到液相丙烯中，其它较轻组分也能被压缩成液态，减少气相空间。

3.3环管中淤浆密度
3.3.1密度大小

   根据实际情况发现，环管淤浆密度控制大小和轴流泵功率波动关系很大，为更好地发现其变化规律，采集了一些数据，仅供参考。其波动规律如表1所示。

表10

淤浆密度大小与轴流泵功率波动之间的关系

从表中可以看出，密度控制越高，轴流泵功率波动越大，因为反应淤浆密度控制高，单位催化剂利用率高，丙烯循环速率相对慢，轻组分不能尽快的排出装置；密度高，泵的运载能力也相应提高，使得泵功率不易达到稳定状态。因此，为降低轴流泵功率波动范围，淤浆密度一般控制在520kg/ m3~540 kg/m3。

3.3.2密度升降快慢

  反应波动大也能导致轴流泵功率不稳定，如果在短时间内密度突增或突降，都将导致功率波动急剧增大，甚至导致泵由于电流瞬间激增而停车的事故。因此，在操作中作了很多调整，尤其在开工和停工过程中，密度升降不能过激，力求平稳缓慢。

3.4 稳定丙烯进料!

针对聚丙烯工艺过程的特点，大部分的控制回路采用PID控制算法。PID控制器的参数随着被控过程的不同而不一样，并且PID调节回路均具有测量值跟踪的特性，串级回路具有反向跟踪能力，以实现无扰动的切换。每一个参数的PID数值应根据使用过程中的实际情况进行有关的调整。一环丙烯进料量中FIC203是自动控制的，由于原来的PID参数设定不合理，致使FIC203的量上下波动达到1000kg，波动范围太大，为此，根据实际情况对其PID参数进行调整，调整后的FIC203的流量波动约300kg，极大地稳定了环管进料量，进而稳定反应，也稳定了环管反应器后续系统。

3.5 氢气量的调节

氢气作为分子量调节剂，用来控制产品的MFR。氢气计量后加入环管反应器，其进料量的多少要根据产品牌号、浆液密度、丙烯流量、催化剂产率等不同条件而改变。由于氢气是高效催化剂的一种重要活性剂，因此降低反应器中氢气的浓度会使产量降低。在上述3.2中，提高反应压力，已经减轻了氢气作为轻组分对环管的影响。为了探讨氢气量的大小对环管轴流泵功率波动的影响，作了以下试验，通过观察聚丙烯粉料AC25熔融指数来控制氢气加入量，通过试验发现，MFR范围控制在2.2~4.0之间时，对功率波动的影响相差不大，但考虑到氢气对催化剂活性的影响，为使反应平稳，氢气浓度应稳定。因此在控制氢气加入量时应严格按照产品牌号的要求。

3.6 负荷的调节

在环管反应器中，轴流泵功率是一重要的调整操作的参考对象，如果功率波动太大，密度和轴功率之间不再是线性关系，操作工很难把握反应的强弱，如果反应负荷高，反应强烈时稀释环管的丙烯量缺少，很容易造成大事故的发生。另一方面，负荷高，丙烯循环量大，反应器内很容易短时间内积存大量的不凝气，或由于反应热来不及撤走导致部分丙烯气化而产生气相空间，最终导致轴流泵功率波动加剧。为此本装置降低了反应负荷，由原来的25T/h降到22T/h左右。

4 结论

为防止轴流泵功率波动大，采取以下措施是切实可行的。

（1）密切注意原料质量检测结果，尽可能早、快地排出原料中轻组分和丙烷；:

（2）环管反应器压力适当提高；

（3）环管浆液密度升降平稳缓慢，正常生产中密度大小保持稳定；

（4）稳定装置生产负荷，稳定丙烯、氢气、催化剂进料量。

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