PP Z30S生產波動原因及對策

周軍義

（中石化北海煉化有限責任公司，廣西壯族自治區北海市 536000）

聚丙烯（PP）作為通用熱塑性樹脂，是重要的化工產品和原料。自1980年以來，世界PP的消耗量以每年9.5% 的速度增長。中石化北海煉化有限責任公司（以下簡稱北海煉化）200 kt/a PP裝置采用國產第二代環管法工藝技術，用兩組串聯的液相環管反應器生產均聚PP，產品牌號有注射、擠壓、薄膜、纖維級等。其中，Z30S產品主要用于生產高速紡絲、膨脹連續長絲等。該裝置的擠壓造粒系統采用德國WP公司的擠壓機，操作簡單、牌號切換靈活、產品質量穩定；控制系統采用浙江中控技術有限公司ECS700技術。在生產高熔體流動速率（MFR）的Z30S產品期間，裝置多次出現環管反應器溫度、高壓閃蒸罐頂部溫度、產品密度等波動情況，本工作針對裝置的這些波動進行分析并提出相應的對策，為以后裝置的平穩運行奠定基礎。

1 環管反應器溫度的波動

丙烯在環管反應器中反應生成PP時會產生聚合熱，撤熱常是生產中的關鍵問題之一。根據中國石化工程建設有限公司的設計，在第一環管反應器（R201）中反應完成約65%，在第二環管反應器（R202）中完成35%。兩環管反應器中生成的熱量大致與反應分配成正比，因此，平穩控制R201的撤熱尤其重要。本工藝采取熱對流的方式（即環管夾套水）撤熱。環管反應器溫度與很多因素[如反應是否均勻、環管中漿液循環是否均勻、環管夾套水流量是否平穩、夾套水溫度串級控制的比例（P）、積分時間（I）、微分時間（D）調節是否平穩等]有關。環管內部漿液循環由軸流泵控制，軸流泵轉速是恒定的，所以漿液循環可視為均勻；環管夾套水由離心泵控制，通過監控室內分散控制系統（DCS）對兩個環管夾套水泵的出口流量的監控可知，夾套水流量基本恒定（在長期使用過程中，由于循環水中存在雜質逐漸使離心泵入口過濾器與換熱器堵塞，影響泵的出口流量，可根據離心泵出口流量定期清理入口過濾器或者換熱器）；北海煉化DCS是聚烯烴行業中首家采用浙江中控技術股份有限公司軟件ECS700，該軟件的P，I，D調節特點為采用比例微分先行形式（P，D先行是只對測量值起比例微分作用的控制算法，在比例微分環節連通反饋通道中位于設定值與測量值的比較點之前。而在通常的P，D或P，I，D控制算法中，微分控制作用是與偏差的變化速度成正比的，不論設定值或測量值怎樣突變，微分控制作用都十分強烈。因此，必須緩慢調整設定值。為了不受這種限制，對此系統進行了優化，可以只對測量值進行微分，而測量值一般是不會突然變化的），這種調節不同于以往的線性調節，還缺乏實際經驗。開工初期，界區循環水溫度波動較大，需要將環管與夾套水溫度串級調節，這樣更具靈敏性、提前性，經過一段時間地摸索，環管溫度終于逐步穩定。圖1為串級調節控制環管與夾套水溫度的P，I，D優化前后對比。

圖1 串級調節控制環管與夾套水溫度的P，I，D優化前、后對比Fig.1 Contrast of PID of cascade regulation control loop and jacket water temperature before and after optimization

控制環管溫度對穩定催化劑反應活性，環管反應器中漿液密度、H2溶解度以及產品質量等非常重要，同時也有利于提高裝置操作運行平穩率。

2 環管反應器中漿液密度的波動

環管反應器中的漿液密度直接影響裝置的產量。以R201為例，假設丙烯進料量、漿液密度、裝置產量分別為F，D，Y，則R201中丙烯轉化率（X）為X=[（1-400/D）/500]×900（70 ℃ PP及液相丙烯的密度分別為900，400 kg/m3），Y=FX=[（1-400/D）/500]×900，根據以上計算，在漿液密度一定的情況下，R201的產量主要與其漿液密度成正比，密度越高，PP漿液在反應器中停留時間越長[1]，催化劑的利用率就越高，產量就越高。但漿液密度越高，產生的聚合熱越多，則會面臨來不及撤熱的難題。目前，基本控制漿液密度在540～560 kg/m3，這既能保證催化劑的效率和產量，又能保證環管反應器的熱量能夠及時撤出。

環管反應器中的漿液密度主要與環管溫度、丙烯進料量有關（見圖2）。通常，丙烯進料量與催化劑加入量在短時間內是穩定的，因此，環管反應器中的漿液密度主要與環管溫度有關。由圖2可以看出：丙烯進料量一定時，環管反應器中的漿液密度、環管溫度都比較平穩，但將環管反應器中的漿液密度與丙烯進料量串級控制后漿液密度的波動就比較大。因此對漿液密度-丙烯進料量串級的P、I、D參數還有待于進一步優化。

圖2 環管反應器中漿液密度與溫度、丙烯進料量的關系Fig.2 Relation of the slurry density， temperature and amount of propylene feed in the loop reactor

3 產品熔體流動速率（MFR）的波動

PP的MFR主要靠H2調節。理論上，H2濃度一定，產品PP粉料的MFR則比較穩定。H2可作為PP分子鏈的終止劑，它產生的游離基（·H）與PP分子鏈具有活性的一端相結合，使之失去活性，這樣就阻止了PP大分子鏈的增長，從而達到控制PP相對分子質量（與MFR相關）的目的。北海煉化采用變壓吸附原理提純進入PP裝置之前的H2，然后將H2加壓至5.5 MPa后，通過流量控制閥定量加入到環管反應器中。在實際使用中發現H2變壓吸附單元（PSA）出口的壓力每隔一段時間就會波動，仔細觀察后發現，在切換另一個吸附塔時（PSA有5個吸附塔輪流提純H2），均升閥的關閉速度慢于出口閥的打開速度，由于均升閥與其他低壓塔相連，因此該吸附塔會泄壓，導致H2壓縮機入、出口壓力不平穩。在裝置開車生產Z30S初期，H2流量調節控制閥未與環管進料丙烯的H2濃度投串級控制，采用自動控制H2加入量來間接調節環管丙烯進料中的H2濃度，由于H2壓縮機出口壓力頻繁波動，不能保證H2供料平穩，從而導致加入到環管中的H2流量產生波動，進而導致環管丙烯進料中的H2濃度產生波動，最終導致PP粉料MFR產生波動。為了消除H2提純時PSA出口壓力波動，建議通過程序使切換吸附塔時先關閉均升閥，然后再打開出口閥，或者加快關閉均升閥的速度。

圖3 PSA出口壓力與加入環管反應器中H2量的關系Fig.3 Relation between the PSA outlet pressure and the amount of hydrogen added in the loop reactor

4 環管出料量波動

在生產Z30S期間，環管出料閥頻繁出現波動的原因大致有：1）生產高MFR產品需要加入的H2量較多，易在高壓洗滌塔中產生大量的不凝氣，導致環管出料的背壓波動，在環管出料閥不變的情況下，由于出料前后的壓差（環管壓力與其背壓的壓差）不同而產生出料量波動；2）生產Z30S初期，控制環管反應器中液相密度較高（約560 kg/m3），比環管出料管線容易出現輕微的堵塞，后期降低環管反應器中液相密度的效果比較明顯（見圖4）。

圖4 環管出料控制閥與背壓的關系Fig.4 Relation between the loop discharge valve and its back pressure

由圖4可知：裝置負荷在11 t/h時，環管的出料閥開度在28% 左右屬于正常，但在環管出料背壓由1.80 MPa降至1.68 MPa時導致壓力降較大，因此出料量大幅上升，從而導致環管出料閃蒸管線短時間內來不及將液態丙烯氣化，進而使閃蒸罐頂部溫度降至連鎖值（55 ℃）以下。出現這種情況時，建議改用手動控制，待環管壓力及出料量穩定后再改自動控制。

5 結語

對PP生產裝置來說，環管反應器的溫度控制非常嚴格，因此，優化其P，I，D極為重要。北海煉化是國內首家采用國產的中控控制系統，P，I，D的優化還有待于在實踐中繼續摸索。

產品MFR的平穩性直接關系到裝置的經濟效益， H2加入量必須非常精確。因此，應盡可能地降低H2壓力及加入量的波動，增加裝置優等品的比例，使經濟效益最大化。

環管出料量的穩定直接影響到裝置后續系統的平穩性。在生產Z30S期間，由于H2加入量增加，導致環管反應器中不凝氣增多，所以要加大高壓丙烯洗滌塔中的不凝氣排放，保證環管出料量的穩定，使裝置平穩運行。

[1] 中國石油化工集團公司人事部，中國石油天然氣集團公司人事服務中心. 聚丙烯裝置操作工[M].北京：中國石化出版社,2011：76-77.