Unipol气相法聚丙烯装置IRTS堵塞问题的研究与分析

2019-01-14王延一

当代化工 2019年12期

王延一

摘要：Unipol气相流化床工艺聚丙烯装置有两台反应器，第一反应系统单独运行，用于生产均聚产品和无规共聚产品;第一反应系统和第二反应系统串联运行，用于生产抗冲共聚产品。在生产抗冲共聚产品时，装置中间传输系统（IRTS）下料线经常出现周期性堵塞，导致第二反应系统无法长周期运行。结合理论研究与生产实际数据，通过分析IRTS管线吹扫气流量、产品橡胶含量、不同的助催化剂（给电子体）、第二反应器床层重量和床层高度控制等因素，探求造成中间传输系统下料线堵塞的根本原因，并通过工艺调整解决该问题，从而促进装置第二反应系统的长周期运行，抗冲共聚产品的长周期生产，为同类装置提供数据支持和理论依据。

关键词：中间传输系统; 抗冲共聚; 堵塞; 第二反应器床层重量

中图分类号：TQ320.6 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2019）12-2900-05

Abstract： The polypropylene plant with Unipol gas phase fluidization process has two reactors， which produces homopolymer and random copolymer with reactor 1 and produces impact copolymer with both reactors in service. During impact copolymerizing process， pipes in inter-reaction transfer system always get blocked periodically， causing reactor 2 cannot run in long periods. In this paper， main reasons of the feed line blockage in the intermediate transfer system were investigated by comparing technology theory and producing data and analyzing control parameters，such as blow gas flow in tubes， rubber content in product， different co-catalysts （donors） and so on. Some measures were taken to solve the problems by adjusting process parameters in order to prolong the operating period. This paper can provide data support and theoretical basis to the plants with the same process.

Key words： Inter-reactor transfer system （IRTS）; Impact copolymer; Blockage; Bed weight in reactor 2

Unipol氣相流化床工艺聚丙烯装置以两个反应器串联的方式生产熔融指数为11 g/10 min左右的中熔抗冲共聚聚丙烯专用料。催化剂采用第四代钛系催化剂体系，第二反应器不需要单独加催化剂，从第一反应器排出来的树脂残存的活性足够在第二反应器生成乙丙橡胶。[1]抗冲共聚聚丙烯的产品性能受到多方面因素（例如：熔融指数、等规度、相对分子量及其分布、乙烯含量、橡胶相含量、橡胶相粒子尺寸及其分布等）的共同制约[2]。

其中中间传输系统是连接第一反应器C-4001和C-4301的纽带，中间传输系统将第一反应器树脂通过复杂的气锁输送到第二反应器，其系统的稳定运行不仅关系到产品质量是否稳定，而且也影响装置能否长周期运行[3]。但在生产过程中，由于中间传输系统下料线频繁堵塞，本装置经常在生产6～7 d后切换至均聚牌号，无法实现抗冲共聚牌号的长周期生产。因此，本论文通过生产试验数据，旨在分析造成中间传输系统下料线堵塞的原因，以解决装置生产抗冲共聚产品的长周期运行问题，并为其他同类装置提供借鉴和理论依据。

1 背景介绍

1.1 中间传输系统简介

在抗冲共聚物生产过程中，中间传输系统将均聚颗粒树脂与夹带的反应气体通过密相方式从第一反应器输送至第二反应器。聚丙烯装置包括两套中间传输系统，每套中间传输系统由一个传输罐，一个传输罐过滤器，6个自动开关电磁阀。来自第一反应系统的聚丙烯粉料和夹带的气体进入至IRTS传输罐过滤器，气体从树脂中分离后排放至回收单元。聚丙烯粉料通过重力进料至IRTS传输罐。当

第一反应器产品单次出料结束，IRTS传输罐与传输罐过滤器隔离，传输罐通过第二反应器循环气压缩机加压，树脂通过重力以及循环气压缩机（K 4303）与反应器中间的压差输送至第二反应器，剩余气体排放至回收单元（图1-2）[4]。

1.2 中间传输系统管线堵塞介绍

在生产过程中，中间传输系统经常堵塞的位置是“AA”阀下部管线至第二反应器C-4301之间的管线，管线直径10”，长度约9 m。对内部挂壁、堵塞的聚丙烯树脂进行红外分析后，其数据如表1。

堵塞的中间传输系统下料管线内部（见图3），树脂在管线内部呈层状分布，表面光滑，质地偏软，并且比较均匀地分布在管线周围。采样对树脂进行熔融指数和红外分析，熔融指数较目标值偏离较大，橡胶含量较目标值增加50%～60%，乙烯含量较目标值增加20%。从分析数据和外部结构可以确定树脂是在长时间生产过程中缓慢生成，而且表面树脂塑化，生成温度较高。

2 实验部分

2.1 探究吹扫气流量对中间传输系统下料线影响

中间传输系统至第二反应器C-4301之间的下料线有一条吹扫线（通过图1中CC阀控制），用于将附着在管壁上的细粉吹扫干净，防止细粉及催化剂在管壁上积聚，形成挂壁。该条吹扫线的吹扫流量由安装在CC阀前的一个限流孔板控制，该限流孔板的初始内径尺寸为77.50 mm（具体规格见表2），设计吹扫流量为19.10 t/h。[5]为了减少细粉和催化剂在该管线上的附着量，实验通过对限流孔板扩径，以提高管线的吹扫气流量，确认吹扫气流量对管线堵塞是否有决定性影响。

实验阶段，保证其他工艺条件及产品质量控制参数不变，在不影响第二反应器循环气气速及反应系统温度的情况下，该吹扫气限流孔板的直径由77.50 mm分别调整至80、90、100 mm，吹扫气流量由正常情况下19.10 t/h提高至最大31.80 t/h，但第二反应器的运行周期没有明显变化，吹扫气限流孔板直径不断扩大、吹扫气流量不断增加的情况下，中间传输系统下料线均在连续运行6 d后出现堵塞情况（图4）。

可见，在不调整其他参数的情况下，通过增加吹扫管线限流孔板直径以增大吹扫气流量，对装置在抗冲共聚产品时的运行周期没有影响，吹扫气流量控制对中间传输系统下料线的堵塞没有决定性的影响。

2.2 探究橡胶含量对中间传输系统下料线的影响

在抗冲共聚产品的生产过程中，使用第四代钛系催化剂作为主催化剂，使用不同给电子体（代号A和代号B）作为助催化剂，生产橡胶含量不同的产品，第二反应系统最长运行时间存在明显差异。使用A给电子体生产橡胶含量为18%～28%的产品时，装置能够稳定实现长周期运行（14至16 d）。而使用B给电子体生产橡胶含量为18%～28%的产品时，在低橡胶含量下，中间传输系统下料线在短时间内堵塞严重，装置无法实现长周期运行。随着橡胶含量的提高，第二反应系统连续运行时间逐渐增加，至橡胶含量达到26%以上时，使用A给电子体和使用B给电子体时，第二反应系统的连续运行时间已基本没有差别。

可见，在使用A给电子体时，生产不同橡胶含量的产品对IRTS系统下料线的堵塞情况影响不大。在使用B给电子体时，生产低橡胶含量的产品对IRTS系统下料线堵塞情况的影响明显大于其生产高橡胶含量的产品（图5）。

因此，产品的橡胶含量对第二反应系统的长周期运行有一定影响，但并不是造成中间传输系统下料线堵塞的决定性原因，需要继续分析使用不同给电子体对IRTS系统下料线堵塞情况的影响。

2.3 探究不同给电子体对中间传输系统下料线影响

给电子体作为Unipol气相流化床聚丙烯工艺的助催化剂，其作用主要有两点：

（1）调节聚丙烯树脂的等规度;

（2）控制反应活性、抑制反應系统产生静电、确保反应系统状态稳定[6]。

给电子体以上两点作用的调节能力由其内部组分所占比例所决定，并呈反向关系。[7]使用A给电子体时，其调节聚丙烯树脂等规度的作用较弱，但控制反应活性、抑制反应系统产生静电、确保反应系统状态稳定的作用较强。使用B给电子体时，其调节聚丙烯树脂等规度的作用较强，但控制反应活性、抑制反应系统产生静电、确保反应系统状态稳定的作用较弱。

通过2.2部分的论证可知，不论使用A给电子体还是B给电子体，在特定的橡胶含量要求下，均能保证中熔抗冲共聚产品的长周期生产，因此，给电子体种类的不同不是造成中间传输系统下料管线堵塞的直接原因，需要继续研究使用不同给电子体时反应系统主要参数的控制区别。

2.4 探究第二反应器床重、床高对中间传输系统下料线影响

在保证在产品质量合格、生产状态稳定、生产负荷不变的条件下，使用A给电子体与使用B给电子体生产橡胶含量为23%的中熔抗冲共聚产品时，反应系统的床重和床高控制有明显变化，使用A给电子体时，第二反应器的床重控制值比使用B给电子体时高出了40%以上，与此同时，第二反应器的床高也高出了近30%。由于造成中间传输系统下料线堵塞的树脂其橡胶含量较高，而第一反应系统在生产过程中不会产生橡胶相，橡胶相均在第二反应系统生产，因此，需要继续探究第二反应系统床重、床高对管线堵塞的影响（图6）。

在使用不同给电子体时生产橡胶含量相同的产品时，第二反应器床重及床高差距明显。同为橡胶含量为23%的抗冲共聚产品，在使用A给电子体时，第二反应器二反床重设定值为45 t，在此状态下其床高为14.2 m;而在使用B给电子体时，第二反应器床重设定值仅为27 t，在此状态下，其床高显示为11.1 m（床高仪表量程下限为11 m），实际床高通过计算得出约为9.4 m。[8]为了判断第二反应器床重床高的控制是否是影响中间传输系统下料线堵塞的原因，实验人员通过工艺的调整和控制参数的变化，使装置在使用B给电子体生产橡胶含量为23%的抗冲共聚产品时，不断提高第二反应器的床重、床高，第二反应器长周期运行时间不断增加，当第二反应器床重升高至40 t以上时，第二反应器长周期运行时间已经由床重为26 t时的5 d增加到15 d以上（见图7）。

3 原因分析

通过研究发现，在第二反应器生产抗冲共聚产品的情况下，第二反应器床重与床高的关系如图8所示，床重可以调节，床高根据床重的变化成正比关系。中间传输系统出料线在进入第二反应器的管口处与第二反应器内分布板的距离为9 m。

当第二反应器床重控制过低时，其内部粉料处于气相的稀相段，导致反应器内的气相组分反窜入中间传输系统下料线，影响中间传输系统下料线的吹扫效率。[9]而当第二反应器床重控制较高时，其内部粉料流化的最高点在中间传输系统至第二反应器出料口之上，中间传输系统下料线处于密相段，并有料封保护，避免气体反窜入中间系统下料线，使下料线得到充分吹扫，避免管线上有残留的细粉或催化剂。

根据实际生产操作经验可知，在其他参数不变的情况下调整第二反应器床重、床高，会对第二反应系统的催化剂停留时间和活性有影响，此时会造成产品质量出现严重偏离。通过工艺调整，装置确保第二反应系统在床重、床高提高后，虽然催化剂停留时间增加，但催化剂活性降低，第二反应系统的反应产率与之前相同，以保证产品质量不受床重、床高调整影响的同时，解决IRTS出料线堵塞问题。

4 结论

Unipol气相流化床工艺聚丙烯装置在生产抗冲共聚产品时，第二反应器床重控制过低是导致中间传输系统下料线堵塞的根本原因。在正常生产中，应避免第二反应器床重控制过低，从而导致床层高度在中间传输系统下料线进料口之下或附近（如图9左图所示）。

正常控制时，要确保第二反应器内床层完全高于中间传输系统下料线进料口，形成料封保护（如图9右图所示），才能阻止气相反窜，保证管线吹扫效率，避免中间传输系统下料线挂壁结垢，提高第二反应系统长周期运行时间。

参考文献：

[1]Kuniii D， Levenspiel O. 流化工程[M]. 第二版. Butterworth- Heinemann， Boston， 1991： 26-52.

[2]彭占录，抗冲聚丙烯FC709M的开发与应用研究[J].当代化工，2017，46（8）：1619-1621.

[3] Burdett I D ， Eisinger， R S Cai P， Lee K H. 聚烯烃气相流化技术流化X[M].纽约：联合工程基金会，2001：39-52

[4]Zenz F A， Othmer D F.流化及流体-颗粒系统[M].紐约：Reinhold，1959：27-35.

[5]DOW Unipol聚丙烯工艺技术手册[M].休斯敦：DOW化学，1986.35-425.

[6]Jenkins J M， Jones R L. 流化床反应器系统：美国专利， 4543399 [P]. 1985-09-24.

[7] Jenkins J M， Jones R L， Jones T M， Beret S.流化床聚合反应方法：美国专利，4588790[P].1986-05-13.

[8]Rhee S， Simpson L L.流化床聚合反应器：美国专利， 49331490 [P]. 1990-06-12.