HDPE生产装置中低压溶剂回收关键设备国产化浅析

姚 鑫，桑逸飞

(浙江石油化工有限公司,浙江舟山 316200)

1 生产工艺简述

高密度聚乙烯装置采用 INEOS 公司的INNOVENE S 淤浆环管聚合工艺，通过两台环管反应器串联操作运行,生产双峰/单峰聚乙烯产品。

该工艺以异丁烷为溶剂，将乙烯溶解在其中送入环管反应器。由轴流泵提供反应循环动力，加入催化剂激发聚合反应生成聚乙烯粉末[1]。异丁烷携带聚乙烯粉末(下称淤浆)经过淤浆加热器后进入高压闪蒸罐，由于高温与压力降低使溶剂异丁烷气化，粉末经由分级降压(SAS)系统进入低压脱气仓，脱气仓压力进一步降低再次对粉料中的异丁烷进行脱除，此部分的异丁烷由低压溶剂回收(LPSR)风机进行回收，回收后的异丁烷可以再次进入反应器实现循环利用[2]。粉料则由风送系统送至粉料仓，再经挤压造粒成为聚乙烯成品颗粒出厂。

溶剂异丁烷作为聚乙烯装置物料循环的核心介质，对其进行回收的过程更加高效、节能乃重中之重，因此LPSR风机作为溶剂回收系统的心脏设备至关重要。

2 结构设计分析比较

2.1 干式无油螺杆压缩机

国产压缩机为干式无油螺杆压缩机。内有一对相互啮合转子，由四凸齿的主动转子(阳转子)与截面为六个凹齿的从动转子(阴转子)组成。在压缩机两端分别沿轴向与径向分布一定形状和大小的吸气、排气口。转子两侧伸出轴上依次布置着密封、轴承组件，同步齿轮与平衡盘等。启动时通过联轴器带动阳转子旋转，通过同步齿轮带动阴转子旋转。阴阳转子互不接触，同步齿轮的速比与螺杆转子的速比相等。阴、阳螺杆转子由轴承支撑与同步齿轮厚薄片的调整来保证阴阳转子间的间隙。转子与气缸之间，螺杆转子端面与气缸壁之间均有较小的间隙，如图1所示。

图1 螺杆压缩机结构示意图1)径向止推轴承；2)径向轴承；3)壳体；4)阳转子；5)阴转子；6)密封组件；7)同步齿轮

螺杆转子的齿顶与端面上均有精制的密封棱边来保证转子与壳体之间的微小间隙。转子的型线基本决定了螺杆压缩机性能的好坏，压缩机使用的是SRM-D型线，能够在转子间实现“曲面对曲面”的密封，有助于动力润滑油膜的形成，这样可以降低通过接触线的横向泄漏，如图2所示。

图2 SRM-D型线

同步齿轮为小齿轮和大齿轮，分别安装于压缩机吸入端外侧阴、阳转子的轴颈上，以保证阴阳转子的同步运转。为了方便调整转子啮合间隙，或者当转子出现反转时保证型面背部不被擦碰，阴转子上的被动同步齿轮由轮毅与薄、厚齿组成。通过调节薄、厚齿片来令阴阳转子的啮合间隙均匀，如图3所示。螺杆转子之间必须保持一定间隙，否则压缩机会无法正常工作。

图3 同步齿轮1)厚齿圈; 2)薄齿圈; 3)小齿轮

压缩机的轴封是采用的迷宫密封与集装式双端面机械密封组合的复合密封。压缩机的润滑油系统与密封油系统是分开的，从而避免密封油受污染使润滑油对轴承产生损害。

螺杆压缩机的优点：

(1) 转速高、质量轻、体积小，占地面积小。

(2) 动力平衡性能较好，基础小。

(3) 结构简单紧凑，易损件少，维修简单。

(4) 对液击不敏感，单级压比高。

(5) 输气量几乎不受排气压力的影响，在较宽的工作范围内仍可以保持较高的效率。

缺点：

(1) 噪音大。

(2) 转子需要设计加工，选用非标设备。

2.2 罗茨风机

进口罗茨风机转子为两个三叶渐开型叶轮，两个转子之间存在一定的间隙，非接触式旋转[3]。工作原理是当工艺气到达排气口时，借助转子的啮合，进气瞬间对排气侧的增压气体加压[4]。这种结构设计可以防止润滑油混入排气气体当中。

转子与转子、箱体、墙板之间都存在微小的间隙，正常转子旋转时不产生摩擦，从而减少接触式磨损。但日常检修维护需要特别注意该间隙，一旦间隙过小产生摩擦可能会引发转子抱死。电机的动力通过V形皮带轮或者联轴器传递到传动轴上，并通过导向齿轮进一步往传动轴上传递。导向齿轮存在一种结构，当其由于齿面磨损而产生偏差时可以通过一个可调齿轮进行补偿。轴承采用的是滚珠与滚子轴承，通过这两种轴承以维持高速、高载荷运行并准确保持齿轮和转子之间的间隙。轴封部分采用特殊的非接触式挡油环和单机械密封结构，使得齿轮箱和轴承的油不会渗入机壳。

双级三叶罗茨风机的优点[5]：

(1) 容积较大，供气的量也较大，运行稳定，工作效率较高。

(2) 叶轮和轴承之间为整体结构，对于叶轮的损伤较小。

(3) 转子与壳体之间存在间隙，可以输送含有一定粉尘的气体。

罗茨风机的缺点：

(1) 噪声比较大。

(2) 占地面积较大，机组大，电机功率更高。

3 实际工况分析比较

3.1 实际工况对比数据

表1为罗茨风机与螺杆压缩机的操作工艺参数。

表1 罗茨风机与螺杆压缩机的操作工艺参数

3.2 实际工况对比分析

由表1的对比数据可以算出，在近似的工况下，进口罗茨风机的压比为6.88，国产螺杆压缩机压比为7.41。与此同时，国产压缩机的电机功率为227.5 kW，比进口风机265 kW更低，处理量更高一些。在工艺气冷却方面螺杆压缩机在出入口共设计了两台换热器，无温度调控能力。罗茨风机只在级间设计了一台换热器，通过中间缓冲罐的温度调整循环水的流量达到控温效果。根据表1中的数据与专利商工艺设计参数对比可以得出，螺杆压缩机的出口压力、温度、处理量均是满足工艺需求。

相比进口罗茨风机机组，国产螺杆压缩机机组在如下几点存在更优的设计：

(1) 在压缩机的入口与出口设置集液管，因为正常生产时会有C6以上的重组分累积，最终产生凝液。当凝液产生时可以直接通过集液管集液排放从而节省了一个分离罐。

(2) 在压缩机出口增设停车泄荷阀。当压缩机停止运行时逻辑联锁会自动将停车卸荷阀打开将压缩机出口的压力泄放至火炬防止出口憋压。在出现生产异常紧急停车时可以更好的保护压缩机，从而能提高生产安全性。

(3) 在压力控制上罗茨风机一二级均存在回流阀调节入口压力，一级的回流是从中间罐顶部出口管线回流至一级风机入口，二级的回流是从二级风机出口回流至一级风机出口的换热器前，两级回流存在一个交替，这会导致一台风机的波动影响另一台的控制，最后对两级控制均产生影响。

(4) 螺杆压缩机的转子间隙设计比罗茨风机略大，更能适应压缩介质含细粉和少量三乙基铝结晶物的工况。

(5) 从设备选型来看，用单级的螺杆压缩机替代两级的罗茨风机，可靠性更高。

在正常的工艺生产时由于生产不同牌号的产品对低压溶剂回收风机也会产生不同的影响。当生产钛系牌号时使用助催化剂三乙基铝。少量的三乙基铝会被低压溶剂回收风机的入口过滤器所阻挡，导致入口过滤器进出端的压差会不断缓慢上升最终堵塞过滤器。正常罗茨风机机组设计的入口过滤器只有一个，没有备台切换，一旦堵塞必须停下低压溶剂回收风机对过滤器进行清理，期间会将脱气仓顶部回收的异丁烷全部排放至火炬导致异丁烷单耗增加。螺杆压缩机机组现已将入口过滤器设计改为一备一用的形式，能够实现在线无扰动切换，减少异丁烷的损耗从而达到节省能源、节约成本、降低干扰、提高生产稳定性的目的。

4 螺杆压缩机的实际投用后的数据

经与供应商和同行技术交流，对进口罗茨风机和国产螺杆压缩机(上海711所设计)在压比、出口压力、转子间隙等工艺参数、结构及性能进行反复研究比较，我公司选用了国产的螺杆压缩机，较进口罗茨风机投资成本节约60%以上，目前该压缩机已成功稳定运行了一年半多，如表2所示。

表2 不同牌号聚乙烯的生产数据

表2中列举的是最具代表性的三种牌号，分别是钛系单峰牌号T60-800、钛系双峰PN049以及铬单峰HD5502S。PN049只生产了一个月，在这期间进行了装置开停车过程，使得异丁烷单耗略微超出设定值，正常平稳生产时无论是用哪一种模式进行生产，通过螺杆压缩机的回收工况，均可以将异丁烷单耗降至专利商的设计值之内。

5 结 论

a) 从经济方面看，国产螺杆压缩机的一次投资较进口罗茨风机低约60%，同时运行功率更低。

b) 从实际运行状况来看，国产螺杆压缩机的异丁烷、乙烯回收率等工艺指标均达到了工艺包要求，并且在粉尘和三乙基铝介质工况下运行良好。国产螺杆压缩机完全可以替代进口罗茨风机。