INEOS聚丙烯生产工艺控制及运行问题的处置

2023-09-25李新昌范新枭牛天宇刘道勋

化工技术与开发 2023年9期

关键词：粉料床层丙烯

孙林，李新昌，范新枭，牛天宇，刘道勋

（中国石油广西石化，广西钦州535000）

1 INEOS气相法工艺简介

INEOS气相法聚丙烯装置采用液相进料、气态反应，用丙烯的气化带走反应热量，反应器无需夹套和内部撤热设备，可在近似于活塞流式的卧式搅拌床反应器内生产高橡胶含量的产品，反应器的压力较低，动设备少，流程短，因此产品单耗和能耗较低。

该工艺的一个重要特征，是可以通过停止催化剂和氧氮混合气体的注入而快速平稳地终止聚合反应，反应器系统的操作安全，装置的开停车和转产快速简便。采用2个反应器串联，可生产多种牌号的聚丙烯产品。

具体的工艺流程如下：精制后的丙烯加入第一反应器中，在主催化剂、助催化剂、改性剂的共同作用下，生成聚丙烯粉末。反应器顶部的气相丙烯经过旋风分离器后，进入第一反应器顶部的冷凝器进行部分冷凝。冷凝下来的丙烯与补充的新鲜丙烯由急冷液泵送回反应器，喷洒到PP粉末床层上，以撤去反应热。反应器未冷凝的气体被压缩并循环至第一反应器底部。第一反应器根据压力差，通过2条交替运行的气锁器程序控制系统，以脉冲的方式将粉料送入第二反应器。

第二反应器的操作系统和第一反应器基本相同。第二反应器中还要另外加入新鲜的原料（生产均聚物时加入丙烯，生产共聚物和抗冲物时加入丙烯和乙烯），这些原料与来自气锁器系统的粉末一起加入第二反应器中。第二反应器中无需加入催化剂，将氢气加入循环气流中，以控制最后生成粉末的MFR。同时还要加入O2/N2抑制剂，以控制第二反应器的负荷，进而控制最终产品中的橡胶含量。

粉末从二反末端排出，依靠压差，与丙烯气一同输送至气体膨胀袋滤器，经减压分离后，粉料依靠重力到脱气仓，脱气仓底部通入湿氮气以使聚合粉末失活。脱活的聚合物粉末被密闭的氮气输送系统输送至挤压造粒机，混入一定的添加剂后进行挤压造粒。分离后的气相返回尾气回收压缩机，被压缩后送入二反继续参与反应。工艺流程如图1所示。

图1 INEOS气相聚丙烯装置工艺简图

2 反应工艺的控制参数

2.1 反应器温度

INEOS气相法聚丙烯工艺的反应热经由丙烯的气化被带走。循环气从反应器底部进入，急冷液从上部的12个喷嘴向下喷洒雾状的丙烯，在反应器内形成不断流化的状态，使得催化剂能均匀分布。反应器的温度通常控制在66℃左右，反应器的温度与急冷液的进料流量构成串级控制，根据实际温度与设定温度的差别，计算出所需的急冷液用量，从而调节各区的丙烯进料量，进而维持反应器温度的稳定。当某一区的反应温度偏差太大、急冷液阀门持续增大、反应温度来回波动时，就需要内操人员多次小开度地进行手动干预。在干预的过程不能大幅度改变急冷液的流量，否则会导致爆聚或粉料床层湿床，进而产生条状料、块状料，堵塞下游的物料输送系统。若反应太过剧烈或反应无法控制时，通常使用4.5%mol的氧氮抑制剂进行氧杀，以减缓聚合反应的进行。

2.2 反应器压力

使用温水系统给循环气撤热时，温水系统通过循环气的部分冷凝来控制反应压力。随着反应的进行，反应器内的不凝气会聚集，影响产率且反应压力会波动，此时应开大OG线进行排放，根据冷凝线上的露点温度，控制OG的开度与排放时间，以此维持反应器压力的稳定。

2.3 反应器料位

反应器床层的料位通常控制在70%±5%，经验值一般在72%。床层料位太高，存留在粉料中的催化剂含量增加，反应活性会增强，反应产率会增大。床层料位上涨过快，若气锁器出现故障，DCS操作人员手动出料不及时，反应器床层会发生料位紊乱，造成粉末夹带，甚至导致反应器飞温，反应得不到有效控制，会造成严重后果。床层料位太低时，反应产率太低，反应物料在第一反应器的停留时间不够，未反应的催化剂得不到有效反应，到达第二反应器会继续参与反应，导致二反的负荷不易控制，负荷波动的同时，会影响乙烯与氢气的加入量，最终会影响产品质量。另外，若床层料位太低，门式搅拌器不能完全浸没在粉料中，急冷液会喷洒到搅拌器本体，长此以往会产生不利影响。在第二反应器中持续加入一定量的氧氮抑制剂，可维持二反的负荷稳定，进而维持床层料位的稳定，在生产抗冲共聚物的过程中，控制乙烯的加入量，可以将橡胶含量控制在合理的范围内。

2.4 反应器熔指

反应器熔指可通过H2/C3H6的比值来控制。氢气进料通过2个阀门控制，一个是大流量进料阀，一个是小流量进料阀。在开车阶段建立反应器气相组分的过程中，采用大流量进料，可使反应器内的氢气组分迅速达到经验值，投用主催化剂后，产品能更快更好地达到目标值，也能让操作人员更好地调整工艺参数，减少过渡料的生成。

2.5 三剂进料

INEOS气相法工艺通常是将SPG催化剂与CDI催化剂按一定比例加入反应器。加入SPG催化剂后，反应较只加入CDI催化剂时更平稳，活性略低且流动性好，无块料生成。SPG催化剂的抗杂质干扰能力差，收率略低[2]。按催化剂泵的流量设定值，对烷基铝泵的流量进行控制，按烷基铝泵的流量设定值对改性剂泵的流量进行控制，对确保产品性能的良好非常重要。

由于催化剂浆液的黏度较大，易堵塞往复式正排量泵中的止回阀，因此主催化剂使用九级旋进式空腔泵进行输送。该泵可产生非常高的压力，能使催化剂和缓运动而不会造成颗粒破碎，催化剂储存罐得以在相对低的氮封压力下进行操作。

3 出现的问题及解决措施

3.1 入口换热器内漏引起气体膨胀袋滤器联锁

国内同类生产装置曾经出现过因气体膨胀袋滤器的压力持续升高直至达到联锁值，尾气循环气压缩机的入口压力不稳定，引起装置反复停车，无法长周期运行的情况。打开气体膨胀袋滤器后发现无堵塞，反复清理压缩机入口的过滤器滤袋、更换孔径更小的滤袋后问题仍未得到解决。停车仔细观察后发现，压缩机入口的锥形滤网壁粘附了一层黏稠物质，且压缩机入口的冷却器有轻微渗漏的铁锈痕迹。分析化验后发现，入口滤网上的黏稠物为Al2O3，确认是未反应完的残余三乙基铝随着气相返回到压缩机中，与E309渗漏的雾状水发生反应，生成了Al2O3并粘附于入口锥形滤网，影响了压缩机的入口压力，导致气体膨胀袋滤器始终处于泄压不畅的状态，进而影响了装置的正常运行。

为此，在日常生产中要定期检查冷却器有无泄漏。要利用停车窗口期进行封漏堵漏，对换热器特别是顶部冷凝器要定期检查。根据经验，换热器的运行寿命一般为6年，因此要提早做好配品备件的采购，避免影响装置的长周期运行。

3.2 气锁器跳停

气锁器将第一反应器的粉料通过顺序控制器输送到第二反应器，在生产抗冲共聚物时，可防止2个反应器的气相组分发生互串，避免气锁器的料位增高。若气锁器的出料不稳，二反生产负荷的波动大，会加大二反的氢气丙烯比、产率比等参数的控制难度。产率比的变化大时，会引起乙烯含量和二反中橡胶含量的变化，最终影响产品的刚性和耐冲击性。

在运行的过程中，气锁器常会因阀门卡涩、仪表故障等原因跳停。一旦气锁器出现跳停，就要按照程序步骤立刻手动出料，为此DCS操作人员必须熟练掌握气锁器手动出料的操作细节，在维持一反料位的同时，要确保二反负荷的稳定。

3.3 一反料位高引起急冷液泵堵塞

国内同类装置在装置联锁停车的过程中，因未能有效控制氧氮抑制剂的注入量，仪表人员提前关闭了测量粉料床层的核源，残余在粉料床层中的催化剂继续反应，引起床层料位持续升高，在循环气的夹带下，大量粉料进入顶部冷凝器，继而进入顶部分离器，堵塞了急冷液泵的入口过滤器，损坏了急冷液泵的机封，造成装置停车数日。

因此在遇到突发情况需要紧急停车时，一定要向反应器中大量注入氧氮抑制剂，以将反应完全杀死，同时要将反应器内的床层料位和反应器压力尽可能地降低至安全值。

3.4 三剂注入喷嘴堵塞

三剂喷嘴堵塞是同类装置普遍存在的问题，堵塞的喷嘴只能待停车后再处理。在生产高熔指抗冲聚丙烯的过程中，曾出现过三剂喷嘴突然失去流量的情况，反复加大冲洗丙烯的流量仍无法恢复三剂进料，挤压缓冲料仓的料位低至接近联锁值。若挤压机联锁停车，高熔指的产品会导致挤压机的开车相当困难。万分紧急的情况下，现场人员打开注入喷嘴处的导淋，利用反应器内的压力反冲击喷嘴，才疏通了三剂喷嘴，避免了装置的非计划停车。

喷嘴堵塞的主要原因是加入催化剂的过程中不慎带入了杂质，所以三剂装填人员一定要做好过程管控，在连接催化剂桶与法兰结口前，先用干净的抹布清理掉法兰和阀门处的油污、四氟带等杂质，再将干净的2~2.5mm滤网安装在桶与法兰的连接处，以起到过滤作用。另外停车后要加大催化剂注入管线的矿物油冲洗量，以将残余在管线内的催化剂全部冲入反应器，防止催化剂在停车后沉积于管线的一些死角，在下次开车时堵塞喷嘴。停车时要尽快对反应器进行泄压，确保反应器内的压力低于界区丙烯的压力，以防止循环气和粉末倒串而堵塞三剂喷嘴。日常工作中，要利用停车窗口期，对三剂喷嘴进行检查、疏通、更换。

另外在寒冷的北方，若催化剂房间的暖通设施不够，放在滚筒器上的桶装催化剂得不到充分混合，会影响催化剂注入罐的搅拌效果，不仅会引起产率波动，也会导致注入喷嘴处的流量不畅甚至堵塞，因此夜间巡检人员一定要注意房间的温度情况。