聚合釜不稳定运行的原因分析和改进措施

赵省军，马建国，王 正（陕西北元化工集团有限公司，陕西 榆林 719319）

聚合釜不稳定运行的原因分析和改进措施

赵省军，马建国，王 正
（陕西北元化工集团有限公司，陕西 榆林 719319）

聚合釜的稳定运行和工艺指标的有效控制，对提高釜内浆料质量和产量尤为重要，同时可以保证聚合釜安全稳定、高效运行，所以稳定控制聚合釜对整条生产线的平稳运行起着至关重要的作用。

聚合釜；浆料；釜温；釜压；釜顶冷凝器

陕西北元化工100万t/a聚氯乙烯项目聚合釜工艺流程采用日本智索聚合釜工艺技术，中国天辰公司设计，由单条6台聚合釜25万t/a的4条生产线组成。一、二期50万t/a 2条生产线分别在2010年11月和2012年3月全面建成投产。108 m3聚合釜由四川江源化工机械有限公司（以下简称江源化机）和日本智索公司技术人员相互沟通交流，根据悬浮法PVC树脂生产工艺，并借鉴国内外100 m3以上聚合釜的先进技术而生产制造。总体技术达到了国际先进水平，实现了生产全过程自动化控制。该工艺技术在初始控制阶段由于岗位人员业务技能、工艺指标控制差等原因，致使聚合釜运行差和浆料变质。经过几年来对聚合釜工艺参数的研究，不断提高岗位人员业务技能和规范工艺控制操作，现在聚合釜的整体运行情况较好，极大提高了聚合釜的稳定运行，产能大幅度提升，树脂的质量指标也得到了很大的改善，减少了聚合釜清釜的次数，为后续汽提、干燥工序指标优化奠定了基础。

1 设备简介

1.1 釜传热结构

100万t/a的聚合釜工艺流程采用带换热面积为200 m2管壳式回流釜顶冷凝器的108 m3聚合釜，釜高6 438 mm，具体设备参数见表1。该聚合釜共有3组换热系统：一是在聚合反应45 ～60 min后投用的200 m2管壳式回流釜顶冷凝器，管程走VCM和蒸汽，壳程走循环冷却水带走釜热量，这种回流冷凝器是以VCM蒸汽冷凝方式传质传热，传热系数高，传热面积不受釜容积限制；二是釜本体夹套采用盘管结构来移走聚合大部分反应热量，从而提高夹套的传热面积和效率；三是釜内设计6组内冷管，分三进三出移走聚合反应的部分热量，采用此3组换热系统极大提高了釜的换热效率并改善了PVC聚合过程的温度恒定。

表1 聚合釜技术参数

1.2 搅拌装置

搅拌采用底伸式搅拌装置，搅拌器表面抛光粗糙度Ra0.03 ～0.08 μm，搅拌叶设计为双层三叶平浆式搅拌，具体设备结构见图1。不仅能降低搅拌轴的长度，同时有利于釜顶接管设计和釜顶涂釜、喷淋和清釜，聚合釜的搅拌控制采用双速电机控制的高低2种搅拌速率，分别是高搅125 r/min和低搅62.5 r/min，采用这2种搅拌转速可以在聚合釜工艺实际运用中改善釜的利用效果和控制好浆料的颗粒。釜减速机与机械密封间采用短轴相连，机械密封采用国外进口的双端面平衡型机械密封，机械密封采用液压油站进行强制冷却、润滑装置和高压注水保护系统，向机械密封注水既可以防止固态物质进入机械密封系统损坏机械密封，又可以通过控制流量提高釜的利用率。为了防止停电和搅拌电机故障导致聚合釜反应时釜压超高无法控制，在釜减速机下方安装有气动马达。当出现停电或电机故障等情况时，打开气动马达气源N2把气动马达下齿轮盘顶起与上齿轮盘咬合带动聚合釜搅拌轴缓慢旋转来采取相应控制措施见图1。

图1 108 m3PVC聚合釜结构简图

2 聚合釜工艺简介

首先，用高压蒸汽和涂釜液进行喷涂聚合釜，涂釜过程中用涂釜抽真空泵循环从釜底和釜顶抽，使涂釜液均匀的粘在釜壁上；然后将冷无离子水通过水泵从釜底加入釜内，在加水过程中，根据工艺配方将定量分散剂随加水管线加入釜内，加水完成后，引发剂经过称重罐计量后从釜顶加入釜内；随后按配方从釜顶加入氯乙烯单体（F-VCM和R-VCM）和釜底加入热无离子水。在搅拌的作用下，单体、无离子水、引发剂、分散剂等物料混合均匀，温度达到工艺要求开始聚合反应。当氯乙烯开始聚合反应放热时，用循环冷却水通过循环水泵采用低温差在釜夹套、内冷管、釜顶冷凝器进行循环移去聚合反应热，使反应温度控制在设定温度±0.5℃，直至反应结束。当单体转化率达85%时向釜内加入一定量终止剂（根据生产牌号选择性加入消泡剂）。当釜压降到规定工艺指标内把聚合釜内浆料经出料泵送入出料槽，开始下一工序。

3 聚合釜运行不稳定原因分析

3.1 配方不当

聚合釜配方主要包括无离子水、单体、分散剂、引发剂等。

（1）水油比（水和单体的重量之比）配比不当。在悬浮法生产疏松型的树脂中，水油比的配比是关键一环。因为树脂孔隙和表面会吸附相当量的水，若选择水油比过低，会造成体系黏数增大，VCM单体液滴数在聚合分散体内相对增多，单体液滴间的碰撞频率增加产生聚结，在反应时颗粒会变粗，严重时导致釜内爆聚，造成聚合反应体系失衡和异常。

（2）配方中分散剂加入量偏多或偏少。聚合反应中分散剂主要起保胶和分散作用，分散剂用量过多会增加体系粘度，造成悬浮液泡沫多，气相粘釜严重，VCM回收泡沫夹带增加，树脂颗粒变细，堵塞釜顶冷凝器，长期的恶性循环会造成釜顶冷凝器自聚，冷凝器换热量下降，釜温釜压不易控制；而用量少则体系稳定性差，容易产生粗料，搅拌负荷加大，造成聚合反应异常。

（3）配方中引发剂加入不当。在聚合反应中，引发剂主要引起聚合反应。引发剂配比不均匀，一般会出现2种情况：a.前期反应快，后期慢，形成局部过热；b.前期反应慢，后期快，就会出现经常说的“翘尾巴”。对于前期反应快或者是后期所谓的“翘尾巴”，都会造成聚合反应温度骤升，反应热量难以释放，釜温釜压急剧升高，造成聚合反应异常。

3.2 循环水温度和流量控制不当

聚合反应放出的热量，大部分反应热量用循环水移走，若循环水温度偏高和循环水流量偏低，会造成聚合反应释放的热量难以移走，釜温和釜压不断升高，或者反应时循环水流量偏大造成聚合釜温和釜压偏低，也会导致聚合反应异常。

3.3 釜底阀内漏

108 m3聚合釜加水和分散剂都是从聚合釜底加入，从投产以来，加水三通阀不时发生内漏，导致水和分散剂加入量比设定值偏少，反应体系中水油比和分散剂的分散、保胶作用降低，致使聚合反应异常。

3.4 pH值选择不当

pH值偏低或偏高即体系偏酸或偏碱，都会改变分散剂的表面张力，导致分散剂的分散能力变弱，失去大部分保护分散能力，使聚合分散体系失衡，聚合颗粒相互聚结，PVC颗粒变粗，造成聚合反应异常。

3.5 搅拌故障

聚合反应中，搅拌可以分散体系液滴和保证聚合反应热量获得均匀等，在反应中，若电机故障、搅拌皮带脱落和减速机故障等，都会造成反应时釜温釜压急剧升高而使聚合反应异常。

3.6 釜顶冷凝器控制不当

釜顶冷凝器在聚合反应时移走部分反应热量，对调节釜温至关重要，如果提前使用，会使冷凝下来的液滴回流至釜内参与聚合反应，形成的PVC颗粒不稳定，粘结性强，造成聚合体系不稳定。或者釜顶冷凝器管程自聚换热效果差，聚合反应热量难以移走，也会使聚合反应异常。

3.7 其他原因

在实际操作过程，由于操作人员业务技能差、操作不认真和设备故障等，都会造成聚合反应异常。例如：DCS人员把终止剂误加入正在反应的釜内；流量计故障造成入料时水、分散剂和引发剂加多或加少等。在聚合正常反应时温度等曲线是规则平稳的，反之，曲线杂乱无章。

4 聚合反应异常典型事故案例

案例1：流量计故障造成聚合反应异常

2013年12月，A线5号釜反应时，DCS人员发现搅拌曲线有异常，待反应结束取样发现浆料颗粒较粗。随后对入料配方检查确认无误后，又对聚合釜加水三通阀检查发现阀门内漏较大，导致加入釜内水量不足，聚合反应时水油比的综合效果下降，最终形成粗料。

案例2：操作失误

2011年5月，某班DCS人员给待出料的B线3#釜加终止剂时，误将操作画面翻至正在反应的5#釜后将终止剂加入该釜，导致5#釜反应时间延长了150 min左右。

5 改进方法与措施

5.1 严格控制聚合配方

（1）优化水油比。根据该公司聚合釜设计，把聚合釜配方中水油比控制在0.9左右，结合装料系数和釜结构，合理调节釜上注水流量，最大限度保证水油配比，从而稳定了聚合反应体系

（2）选择合适的分散体系。经过对树脂质量分析和反应时聚合釜温度、压力观察，以及釜利用时间长短，最终选择日本生产的不同醇解度的聚乙烯醇分散剂，分别为KH-17（78.5% ～81%）、PVA-624（95% ～ 96%）、L-11（71.5% ～73.5%）和 LM-10HD（38% ～ 42%），确保聚合体系液滴分散和保胶能力，提高了聚合反应的稳定运行。

（3）选择合适的引发剂。根据该公司地域特点和聚合釜的反应情况，合理调配前后期活性不同的引发剂，保证聚合前后期反应速率均匀，提高了聚合反应的稳定运行。

5.2 严格控制循环水温度和流量

严格把循环水温度控制在13 ～18℃（夏季一般不超20℃），压力≥0.6 MPa，并定期让仪表人员检查循环水调节阀和流量计，发现问题立即处理，有效提高了聚合釜的稳定运行。

5.3 及时更换聚合加水三通阀

针对加水三通阀内漏造成的聚合反应产生粗料的事故，该公司立即对内漏阀门更换，并在加热水时定期检查加水三通，若发现有内漏阀门及时更换，确保不因阀门内漏造成聚合反应异常而导致粗料事故发生。

5.4 严格控制体系pH值

为了控制聚合体系pH值，该公司严格要求入料无离子水pH值6 ～9，氧含量＜1×10-6，同时要求操作人员每2 h排回收单体储槽的水，从源头上控制了物料偏酸或偏碱，确保聚合pH值体系恒定，有效控制了聚合反应不因体系偏酸或偏碱造成反应异常。

5.5 加强搅拌系统维护和保养

针对搅拌动力系统，在每次清釜时安排检修人员对搅拌皮带及减速机检查，定期润滑电机，并每天安排检修人员按时点检，发现异常及时计划检修，确保搅拌系统正常（并要求气动马达时刻备用，防止意外情况时聚合釜压高，无法控制），同时加强DCS人员对搅拌功率曲线观察，有效保证了搅拌系统高效运转，提升了聚合稳定运行。

5.6 釜顶冷凝器合理投用

刚开车由于经验不足和投运不合理，导致釜顶冷凝器管程自聚、回收慢、换热差等。该公司联系清洗厂家对自聚的釜顶冷凝器管程进行清洗。随后做出要求：（1）在每次清完釜和运行20釜手动对釜顶冷凝器喷涂。（2）在聚合反应完回收前加入消泡剂，并控制回收流量不超过2 000 m3/h。（3）聚合反应45 ～60 min后串联调节投用釜顶冷凝器。经过不断的改进，降低了釜顶冷凝器的自聚，提高了换热效果，控制了不因釜顶冷凝器投用效果差而影响聚合反应。

5.7 加强设备管控和提高操作工业务技能

对先进的聚合工艺、岗位人员业务水平差和设备原因而导致的聚合反应异常事故的发生。北元化工首先对配方进行调配，并优化DCS程序。定期对各物料流量计进行标定对比，对运行较长的釜及时清釜清洗。

组织岗位人员对误操作事故培训，加强学习和交流，并对发生过的事故制定相应的防范措施，制做聚合反应正常和异常曲线的对比警示牌粘贴在醒目位置提醒操作人员参考和学习等，通过以上一些措施提高了操作工的业务技能，降低了人员误操作和经验不足等造成聚合反应异常事故发生。

6 结语

北元化工100万t/a的聚氯乙烯项目自开车投产以来，经过对工艺指标不断优化，加强管理水平，提高人员业务技能等措施以后，聚合釜运行水平得到了很大提高，树脂的产品质量也不断提升，从刚开车50 ～60万t/a的水平提高到了2015年的100万t/a以上，从进120多釜就需要清1次釜到现在可以进240 ～260釜才清1次釜，这在开车之初是达不到的，相信在生产运行中的不断总结和研究下，聚合釜的稳定运行还会进一步提高，产能也会得到进一步增加。

Analysis and improvement measures of polymerization kettle cause unstable operation

ZHAO Sheng-jun，MA Jian-guo，WANG Zheng
（Shaanxi Beiyuan Chemical Industry Group Co.Ltd.,Yulin719319，China）

The effective control of polymerization reactor of stable operation and process indicators，it is very important for improving the pulp quality and yield in the kettle，and can ensure the safe and stable operation，high polymerization kettle，so the stability control of polymerization kettle run for the smooth operation of production line plays an important role.

polymerization reactor；slurry；autoclave；temperature；autoclave pressure kettle top condenser

TQ052.5

B

1009－1785(2017)01-0018-04

2016-08-12