聚丙烯装置干燥系统优化运行分析

2015-03-15刘晓亮

河南化工 2015年6期

关键词：细粉聚丙烯优化

刘晓亮

(中国石化洛阳分公司，河南洛阳　471012)

聚丙烯装置干燥系统优化运行分析

刘晓亮

(中国石化洛阳分公司，河南洛阳471012)

摘要：洛阳石化140 kt/a聚丙烯装置于2013年1月31实现一次开车成功，开工后由于操作经验匮乏，干燥系统运行不平稳，旋风分离器分离效果差，细粉收集器D507满罐，分离池细粉排放量大，洗涤水换热器E502入口过滤器频繁堵塞。通过分析，优化干燥系统运行参数，解决了E502频繁堵塞问题，对国内同类装置初次开工、干燥系统的平稳运行具有一定的指导作用。

关键词：聚丙烯；细粉；优化；干燥系统

洛阳石化140 kt/a聚丙烯装置是洛阳分公司油品质量升级改造项目中的新建装置，采用中国石化工程建设公司(SEI)第二代国产环管聚丙烯工艺技术(ST技术)，是一种液相本体法的工艺技术，该工艺技术是国内外最先进和最主要的聚丙烯生产技术之一，具有投资少、原料消耗低、产品质量好、产品性能范围宽等优点。由一条聚合生产线、一条造粒生产线和两条包装线构成，采用两组串联的液相环管反应器生产聚丙烯均聚物。装置流程包括：原料丙烯精制、催化剂及助催化剂配置、聚合反应、丙烯与聚丙烯的闪蒸分离回收、聚丙烯粉料的汽蒸与干燥、粉料缓冲料仓、聚丙烯粉料造粒、成品包装和码垛、氢气纯化系统。其中环管反应部分分为两个单元，预聚合单元及聚合单元，在预聚合单元完成预聚合反应并保护催化剂，在聚合反应单元，丙烯与主催化剂作用生产聚丙烯。可用于高速BOPP专用料、聚丙烯管材料、透明聚丙烯专用料、流延聚丙烯薄膜料、纤维料的开发生产，共可生产25种牌号的均聚聚丙烯产品。挤压造粒机组由大连橡胶塑料机械股份有限公司设计制造，为国产第一台不带齿轮泵的造粒机组，具有国内先进水平。装置于2013年1月31日实现一次开车成功。

1干燥系统流程

聚丙烯粉料经闪蒸脱气后进去汽蒸罐D501进行残余催化剂活性中心失活，失活后粉料中含有少量水分，干燥工段主要将粉料中该部分微量水除去，采用热氮气循环干燥法。粉料由顶部进入，热氮气从底部连续流过流化床干燥器D502。流化床干燥器为一立式桶状容器，上部为扩径结构，底部安装孔筛板，即氮气分配器。当聚合物通过干燥器内的螺旋通道时，热氮气使聚合物产生流化，与粉料进行逆向接触，传递热量，将聚合物中的水分带走。容器内的螺旋钢板，使粉料呈活塞形式移动，D502内部构造图见1。T502为板式洗涤塔，洗涤介质为循环水，通过板式换热器E502降低循环水的温度至45 ℃，以除去循环氮气中的气态水。

图1　D502结构

粉料中冷凝水汽化所需要的大部分热量由聚合物本身从100～105 ℃冷却到75～80 ℃所释放的热量，少部分热量由干燥器底部的热氮气供给。循环氮气从干燥器顶部流入旋风分离器S502中，以除去氮气中夹带的聚合物细粉，从S502中分离出的细粉收集到细粉收集器D507中，通过粉料风送系统输送至造粒机。氮气离开旋风分离器后进入干燥器洗涤塔T502，以洗去氮气中的水分和夹带的微量聚合物细粉，洗涤塔T502顶部出来的氮气经除雾器D508后进入干燥器鼓风机C502A/B，经翅片式换热器E503用蒸汽加热至105～110 ℃后进入D502，氮气循环利用。

干燥系统流程图如图2所示。

图2　干燥系统流程图

2开工后干燥工段现状

投产以来，装置一直使用中国石化催化剂公司的第四代高效球型催化剂-DQC系列催化剂，催化剂活性高，达到40 000 gPP/gCat。预聚反应器R200工艺参数按照设计值进行控制，预聚合效果不好。操作人员缺乏参数调整经验，聚合反应产生较多的聚丙烯细粉。进入干燥、洗涤系统后，细粉分离、洗涤效果差，导致T502温度波动大；旋风分离器S502满罐，分离效果差，细粉收集器D507满罐；E502入口过滤器频繁堵塞，废料量大，丙烯单耗升高；D508雾沫分离器内滤网堵塞，需定期隔离清理。同时，带有细粉的气体进入加热器、洗涤塔冷却水，由于细粉附着在设备及管线的内壁上，使设备的换热能力降低。由于细粉的产生可造成阀门、管线堵塞或设备故障，轻则需要切换清理，重则装置停车，影响装置平稳、经济运行。干燥系统关键控制点见表1。

表1　干燥系统关键控制点

3影响系统平稳运行的原因及优化措施

3.1　预聚合效果

要降低T502洗涤水中细粉的含量，首先应降低装置细粉的产生。装置细粉主要是由丙烯单体和催化剂在第一、第二反应器中进行剧烈反应，释放大量热使球形催化剂破碎而产生的。为了减少催化剂的破碎，第二代国产环管聚丙烯工艺设计了预聚合反应器R200。主催化剂与丙烯在R200中进行较缓和的预聚合反应，在催化剂表面形成很薄的一层聚丙烯保护膜，以提高催化剂的强度，有效防止催化剂在主反应器R201、R202中进行剧烈反应时催化剂颗粒破裂，产生较多的细粉。

预聚合温度对催化剂活性有较大影响，聚合反应速率随温度上升而上升，反应温度过低不利于催化剂表面保护膜形成，会导致催化剂颗粒后路剧烈反应时破碎量增加，聚丙烯细粉量增加。反应温度过高使预聚合效果增强，催化剂表面保护膜变厚，机械稳定性增强，但在主反应器中催化剂的活性减弱，装置催化剂单耗升高。通过优化工艺参数，根据生产牌号的不同，控制不同预聚合温度，在保证催化剂活性的同时也改善聚丙烯颗粒的粒径分布，达到有效地减少产品细粉含量的目的。

预聚合反应温度对颗粒分布的影响见表2。

表2　预聚合反应温度对颗粒分布的影响

由表2可以看出，降低预聚合反应器温度，355 μm及以下的细粉含量明显减少，预聚合温度控制在18～22 ℃为宜。

3.2　循环热氮气量

D502循环热氮气量由罗茨风机C502出入口回流阀开度大小控制，开工初期，由于缺乏操作经验，操作人员将回流阀全关，循环氮气量达到10 000～12 000 kg/h。粉状及颗粒状聚丙烯进入D502后，未充分干燥即被氮气大量夹带至旋风分离器S502中，导致S502满罐，S502未设计高料位报警仪表，不能及时发现异常。细粉分离效果差，大量聚丙烯细粉进入T502，进而进入P502A/B入口管线，堵塞换热器E502，每天清理达12次之多，甚至堵塞罗茨风机C502A/B入口雾沫分离器D508内滤网。

循环氮气量的大小不但决定D502流化床的流化状态，而且决定聚丙烯粉料的干燥效果。D502干燥器内的圆筒形构件，使得聚丙烯粉末在干燥器内的移动具有一定的方向性，增加了物料在干燥器内的停留时间和干燥质量。循环氮气量太高容易使流化床出现“腾涌”，甚至变成输送床，聚丙烯粉料进入D502后不能沿特定方向流动，停留时间变短，颗粒分散在氮气中夹带走，装置开工初期D502流化床即属于该种现象。氮气量太低则容易使流化床出现“沟流”，甚至变成固定床，热氮气从粉料间的间隙通过，与粉料不能充分接触，传热面积小，传热速率低，干燥效果差，出口粉料中带水，影响造粒机运行及产品质量。

由于洛阳分公司丙烯产量限制，140 kt/a聚丙烯装置开工后生产负荷控制在13.5 t/h(设计负荷17.5 t/h)。根据装置工艺参数设计控制值，结合低负荷生产实际情况，先稳定控制D502料位在正常值，现场通过D502顶部及中部视窗观察D502流化效果，在保证流化平稳，床层温度70～80 ℃基础上，稳步调整循环氮气量，氮气量最终控制在3 000～4 000 m3/h，干燥系统运行平稳，粉料流动性好，水含量满足要求，D502粉料全分析数据见表3、表4。

表3　D502粉料全分析

表4　D502粉料筛分数据

3.3　S502细粉分离控制程序

S502细粉分离由I508程序自动控制，按照设定时间顺序控制HV530A、HV530B、HV530C、HV530D阀门开关，安全、平稳地将旋风分离出的细粉输送至PK801系统。程序中两个关键时间为S502分离、D507进料时间T1，D507下料至PK801时间T2。装置开工后，多次出现粒料输送系统PK801停运，联锁启动停运I508程序，HV530A、HV530B、HV530C、HV530D全部关闭。PK801启动正常后，操作人员监控不到位，未及时投用I508程序，HV530A长时间处于关闭位置，S502内分离出的细粉不能及时排空、满罐，大量细粉进入T502系统。

I508程序运行中发现，分离时间T1不能太长，太长容易使大量细粉积存于粉料缓冲罐D508内，一个循环周期内不能将D507内粉料排空。太短则使单位时间内程序运行次数增加，氮气、仪表风消耗量增加，影响装置能耗。根据装置生产负荷、D502筛分数据，将T1与T2充分结合起来进行时间调整，可使系统运行达到最优化。经过不断摸索，将T1由开工时的40 s增大到110 s，T2由30 s缩短至20 s，既能保证细粉充分分离，又能保证一个周期内D507粉料排空。操作人员现场通过HV530A关闭瞬间，打开导凝阀(1)确认，HV530B关闭瞬间，打开导凝阀(2)确认S502、D508均保持在空罐操作状态。

3.4　E503换热器换热效果

E503为翅片式换热器，循环氮气中夹带有细粉、微量水会使细粉不断黏附在翘片上，使换热器内列管淤堵，影响换热效果，造成热氮气温度达不到工艺要求，装置蒸汽消耗量大，能耗升高。随装置运行时间的增长，工况逐步恶化，最终造成聚丙烯粉料含水量高，影响造粒机的正常运行，切粒机切粒效果差，出现长尾粒，成品聚丙烯颗粒出现气泡多、颜色发白等。

国内同类装置多次出现因E503换热效果差、D502出口粉料中水含量超标、后路粉料输送困难等问题，装置被迫停工处理。为保证装置长周期平稳运行，聚丙烯装置计划检修期间增上一台翅片式换热器，并且增大换热面积。正常生产时候一用一备，换热器效果差时及时切换清理。新建装置在建设初期即考虑设计两台换热器，避免装置运行中进行停工改造。

3.5　T502循环洗涤水量

洗涤塔T502底部有一根立管来维持T502恒定的液位，当T502底部的页面高出该立管的顶部时，循环水溢流将分离出的细粉带出，排至细粉隔离池。循环洗涤水量的大小通过P502A/B出口阀开度控制，循环量过大，细粉在塔底未充分从洗涤水中分离出来，便随着洗涤水进入换热器E502，易造成E502入口过滤器堵塞。循环量太小，氮气中的细粉不能充分被洗涤干净。

T502循环洗涤水量设计为60 t/h，洗涤水在T502内停留时间约为7 min。在保证循环氮气中细粉洗涤效果基础上，兼顾考虑洗涤水停留时间、分离效果，逐步调整洗涤水循环量。经过一段时间的摸索，将洗涤水量由设计的60 t/h降低至45 t/h，洗涤水在T502内的停留时间由设计的7 min延长至12 min，聚丙烯细粉从洗涤水中充分分离出来，降低雾沫分离器D508内滤网堵塞次数。同时P502A/B出口洗涤水量降低，减少P502A/B电耗，直接降低装置能耗。

4结论

通过一系列优化措施实施，装置干燥系统运行平稳，聚丙烯细粉含量降低，粉料干燥效果良好，保证造粒机的平稳运行，洗涤水换热器E502入口过滤器清理次数由严重时8次/天降低至1次/周，降低维修人员劳动强度。细粉分离池、污水池清理的粉料，由开工初期的3 t/月降低至0.5 t/月，丙烯单耗由1 004.2 kg/t降低至1 003 kg/t。装置氮气消耗总量由500 m3/h降低至450 m3/h，E503蒸汽消耗减少100 kg/h。D508雾沫分离器清理次数由1次/2月降低至1次/4月。