浅析气相流化床聚丙烯反应器内丙烷浓度偏高的原因与控制

摘 要：本文阐述了气相流化床工艺中丙烷浓度对反应及相关系统的影响，并通过分析生产过程中丙烷浓度超出时带来的危害现象，重点讨论反应器内丙烷浓度偏高时如何判断与控制，从而保证反应及相关系统长周期平稳运行。

关键词：丙烷浓度;冷凝量;在线色谱;丙烯分压;产品出料系统;回收塔

1 概述

在气相流化床聚丙烯工艺中，反应器内的丙烷由原料丙烯带入，随排放气进入回收系统后排出。丙烷在反应器内不参与化学反应，其作用是与丙烯一起维持反应器C3分压和冷凝量的稳定，与氮气组成反应器内惰性组分的动态平衡。操作经验表明，当丙烷浓度维持在正常范围内时，会有效增加反应热的移除能力，保证聚合反应催化剂活性的相对稳定，同时具有降低丙烯单耗和抑制静电的作用。但如果反应器内的丙烷浓度偏高，特别是在生产负荷较高时，就会给产品出料以及回收系统带来波动，影响反应器内丙烯分压的正常维持，降低反应器的产率和抗干扰能力，给生产长周期平稳运行带来隐患。如果反应器内丙烷浓度偏高时能及时发现并调整，就会有效控制丙烷浓度在正常范围内。本文根据实际生产情况，阐述了引起反应器内丙烷浓度偏高的主要原因，并通过分析一些相关的实际现象，得出一些与之相关的监控及调整措施，以使丙烷浓度维持在对生产最有利的范围内。

2 反应器内丙烷浓度偏高的主要原因

原料不纯，仪表、阀门偏差大，回收塔分离效率低等是造成反应器内丙烷浓度偏高的主要原因。下面就引起反应器内丙烷浓度偏高的一些主要原因进行分析：

2.1 原料丙烯中丙烷浓度超出

原料丙烯中含有约0.4%的丙烷，当原料中丙烷浓度偏高时，就会导致反应器内丙烷累积速度加大，若上游原料不能及时调整，本装置丙烷处理能力受限就会导致反应器内丙烷浓度偏高。

2.2 在线色谱不准

反应器循环气在线气相色谱以及回收塔底色谱是可以直接测量出对应系统内丙烷浓度的在线分析仪表。反应器在线色谱通过对快速回路的循环气进行分析而实现对反应器内各个组分的实时监控，回收塔底色谱同样具有对回收塔底组分实时监控的作用。如果在线色谱在运行过程中偏差大或不准，就会误导操作员不能及时了解系统内实际丙烷的浓度，致使反应器内丙烷浓度偏高。

2.3 反应器实际排放量偏低

在正常生产过程中，反应器会保证一定的对回收排放量，以满足回收系统正常运行和平衡反应器内的惰性组分。当实际控制的排放气量不够或因流量计、自动阀的偏差大造成实际排放量不足时，就会造成反应器内丙烷浓度不断累积后偏高。

2.4 回收塔分离效率低

回收系统的平稳高效运行是确保反应系统正常运行节能减排的必要环节，当回收塔的操作参数控制不佳或因设备老化等原因造成的分离效果差时就会导致回收丙烯中丙烷浓度增大而使得反应器内丙烷浓度随之升高。操作经验表明，当回收塔的相关参数如进料量、塔底温度、塔顶温度、塔压、回流量等控制不佳就会造成塔的分离效率降低。同时当生产周期较长时，设备的老化特别是以循环水换热的塔顶冷却器会因结垢换热效率明显降低导致塔分离效果下降。如此一来不仅会导致反应器内丙烷浓度的偏高，还会造成装置丙烯单耗的增加。

2.5 后冷器底部因阀门内漏或仪表偏差造成的不计量液相返回

回收压缩机后冷器底部返回至反应器的液位控制阀门存在内漏或流量计偏差较大时，就会无形中有一股不计量的富丙烷流返回至反应器内，导致反应器内丙烷浓度偏高。

3 反应器内丙烷浓度偏高时的主要现象

在正常生产过程中，一些在线分析仪表可直接测量出该系统的丙烷浓度，同时当反应器内实际丙烷浓度偏高时就会引起反应、产品出料系统以及回收系统的相关参数发生变化。通过以上情况的结合判断则可确定反应器内丙烷浓度是否超出正常范围。

3.1 循环气在线气相色谱丙烷浓度偏高

循环气在线气相色谱作为日常对反应器监控的主要手段，通过以往操作经验，当循环气色谱检测出的反应器内丙烷浓度小于10%时，各系统相对稳定。在原始开工初期，丙烷浓度会比较低，此时通过控制较高的丙烯分压来维持C3分压而保证一定的冷凝量。当生产周期较长时，反应器内丙烷会逐渐累积后达到动态平衡，若循环气色谱分析出丙烷浓度超过10%，则说明反应器内丙烷浓度已偏高。

3.2 C3分压上涨

C3分压是反应器内丙烯与丙烷所占分压之和，在正常生产过程中丙烯分压控制是相对稳定的，当发现C3分压上涨时则说明反应器内丙烷浓度正在上涨。

3.3 产品出料系统压力频繁报警，回收系统压力增大

产品出料系统的运行情况最能真实反映出反应器内实际冷凝量的多少，是作为正常生产时判断反应器运行工况及组分情况的重要手段之一。当丙烯分压稳定时，丙烷浓度的增加会使得反应器的冷凝量随之增大，造成产品出料系统带液，引起出料系统泄压時间变长、压力频繁报警甚至导致出料系统超压联锁停止。同时由于出料系统带到回收的排放气增加，回收压缩机入口压力增大，严重时会出现回收压缩机后冷器液位上涨而返液的现象。

3.4 丙烯分压控制较正常状态下偏低

当反应器内丙烷浓度偏高到一定程度时，反应器的冷凝量就会达到上限，此时想要确保反应器相对稳定，就必须降低丙烯分压的控制，以保证C3分压和冷凝量的稳定。

如图所示：当丙烷浓度在6%-10%时，丙烯分压控制比较稳定，当超过10%后，丙烯分压控制会随丙烷浓度的增加明显下降，很难控制到正常范围内。

3.5 反应器稳定性下降

在正常生产过程中，反应器的床层温度会受循环水温度的波动而波动，一般情况下，这种波动引起的冷凝量变化不会造成系统的较大波动，但如果反应器内丙烷浓度偏高时，这种温度波动引起的冷凝量变化就会更加明显，造成产品出料系统压力高、泄压时间变长、甚至联锁停止，以及回收压缩机后冷器液位上涨返液并引起新鲜丙烯进料波动的现象。

4 控制反应器内丙烷浓度偏高的相关措施

通过上述对反应器内丙烷浓度偏高的原因分析与现象总结，可以通过以下相关措施对反应器内丙烷浓度做好监控和调整，来控制反应器内丙烷浓度在正常范围内：

4.1 原料纯度的监控

上游原料纯度是本装置反应器内丙烷浓度维持在正常范围内的第一环节，当发现反应器内丙烷明显上涨，而本装置各系统未发现异常时，可及时联系上游装置进行检查分析，若确定为原料丙烯中丙烷浓度偏高，在上游装置进行相应调整时，本装置可根据情况对反应及回收等系统进行调整，待上游原料恢复后再逐渐恢复正常控制。

4.2 在线色谱及相关仪表阀门的维护与校验

在线色谱好比操作员的眼睛，对系统工况进行实时监控，要确保其准确稳定才能达到监控的目的，所以在线色谱的定期维护校验是非常重要的，同时可定期对反应器循环气以及回收塔底物料进行采样分析，与在线色谱进行比对，以确保在线色谱准确而达到监控的目的。对反应器排放及回收系统相关阀门和仪表应定期校验维护，防止因仪表阀门不准引起反应器内丙烷浓度偏高。

4.3 回收塔操作优化及维护

回收塔的高效运行是保证回收丙烯纯度控制反应器内丙烷浓度的重要环节。操作经验表明，当回收塔底再沸蒸汽控制量满足塔底温度达到60℃以上，塔顶冷却循环水控制顶温在42℃左右时，塔底色谱显示外排丙烷浓度可达到85%左右。所以当反应器内丙烷浓度偏高时，应及时对回收塔各参数进行优化，以提高塔的分离效率。针对设备老化等情况可定期对相关设备进行维护，操作经验表明，定期对塔顶冷却器除垢可有效降低设备老化结垢带来的冷却效率低的危害，从而保证回收塔的分离效果，若设备老化程度严重可考虑更新设备以满足生产需求。

4.4 反应参数优化

正常生产过程中应及时根据生产负荷和回收负荷优化反应器排放量以控制丙烷浓度。同时当反应器内丙烷浓度偏高冷凝量增大时，在调整期间，可对反应相关参数进行优化以降低因丙烷浓度偏高所带来的危害。根据操作经验，适当提高床温，降低丙烯分压等方式可有效降低反應器的冷凝量。

5 结束语

反应器丙烷浓度维持在正常范内对反应及各系统的平稳运行十分重要，通过以上分析，我们发现可以通过做好原料纯度的监控、在线色谱及相关仪表阀门的维护与校验、回收塔操作优化及维护、反应参数优化可有效控制反应器内丙烷浓度的偏高，保证生产长周期平稳运行。

参考文献：

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[2]邓凯，杜军驻，仇汝臣.丙烷丙烯分离塔操作优化研究[J].山东化工，2012，41（3）：91-94.

作者简介：

赵沛刚（1989- ），助理工程师，长期从事气相流化床聚丙烯工艺操作。