UNIPOL聚烯烴PDS系統的運行優化及改造

蔣志魁 （中國神華煤制油化工有限公司包頭煤化工分公司 內蒙古 包頭 014010）

一、概述

UNIPOL聚乙烯工藝在國內氣相法聚乙烯工藝中占據主導地位，目前，國內許多聚烯烴廠家也在逐漸采用UNIPOL聚丙烯工藝，該類型工藝技術具有轉動設備少、流程短、投資少、易操作和產率高等特點，具有很高的市場競爭優勢，國內投產的UNIPOL聚乙烯和UNIPOL聚丙烯的市場占有份額逐年提高。市場的競爭也必將隨著裝置的增多而愈加的劇烈，對于已經投產的裝置來說，在裝置現有設備基礎上提高裝置的運行負荷是提高裝置競爭力的最為有效的手段，通常對于聚烯烴裝置來說，聚烯烴流化床反應器的負荷可以提高至110%～115%，例如一套生產負荷37.5t/h的聚烯烴裝置，其負荷可以提高至42t/h～44t/h，造粒工段擠壓機的負荷一般也在聚合工段負荷的120%左右（45t/h～48t/h），那么產品出料系統的效率和負荷變成了制約裝置負荷提高的關鍵因素。

二、UNIPOL聚烯烴PDS系統簡介

聚烯烴裝置是以流化床反應器為核心的氣固相聚合技術。在流化床反應器中，循環氣壓縮機提供氣體循環的動力，所有原料以氣體（或液滴狀）形式與處于流化床中分散的固相狀態的催化劑相接觸，按照聚合反應機理，在催化劑表面形成聚烯烴長鏈分子。循環的氣體帶走反應床層的熱量，并最終通過循環回路上的換熱器帶走反應熱量。反應器內的樹脂數量通過床層重量和料位控制PDS系統間歇出料來維持，從而維持床層重量穩定，負荷穩定。通常每個反應器對應2套PDS系統，對于低堆積密度或單線能力較大的反應器，也可增加PDS系統的套數。每套PDS包括1個產品罐（PC），1個產品吹出罐（PBT），12個自動控制閥和2個共用交叉閥。如下圖所示，其流程為反應器內密相輸送樹脂從反應器底部在壓差的作用下排到產品室（PC），氣體返回進入反應器樹脂床層的頂部。相同的，PC罐在壓差的作用下降粉料樹脂輸送至PBT罐，PBT罐再輸送至產品受槽或其它系統，單套運行時，PC和PBT罐中的氣體排放至產品受槽，兩套PDS交叉運行時，PC和PBT氣體先通過“W”和“X”交叉閥門互為升降壓，少量的氣體排放至接收倉。兩套PDS交叉運行效率降低，但氣體排出量較少，有利于降低產品單耗。

三、PDS系統的負荷影響因素及優化改造方案

1、反應器的冷凝量影響及優化

高負荷運行下的聚烯烴反應器通常在冷凝態下運行，即隨著反應器的運行負荷升高，進入反應器底部的循環氣溫度會越來越低，某一程度下，循環氣溫度會低于循環氣本身的露點溫度，從而使進入反應器的循環氣內產生小液滴，反應器的負荷越高，循環氣內產生的冷凝液體越多。在滿負荷運行情況下，冷凝量一般維持在8%～10%，冷凝量超過10%以上是，反應器就進入了深度冷凝狀態，在深冷狀態時，反應器的出料同時會帶入部分液相進入到PDS系統中。c隨著PDS系統壓力的逐步降低，氣體也會隨之氣化，導致PDS系統壓力升高，從而使得PDS交叉泄壓的時間增加，甚至會導致PDS超壓停運。PDS的運行效率就會下降，影響其出料負荷。反應器的冷凝量不是一個直接可以控制的參數，通常的影響因素有反應器負荷、反應溫度、循環氣量、反應器入口溫度、循環氣組成、組分的熱焓等。冷凝百分含量的技術如下：隨著反應器負荷的提高，冷凝量會隨之升高，一般調整冷凝量的最簡單方法是略微提高床層溫度來保證冷凝量維持在一個合適范圍內，從而保證PDS系統的出料效率及負荷。

2、粉料性質的影響和優化

作為PDS系統的輸送介質，粉料的物料性質是影響PDS出料效率的關鍵因素。粉料的性質取決于催化劑本身的性質及反應器產品質量控制。

聚烯烴粉料形成的過程是烯烴物料在催化劑表面聚合反應的過程，那么催化劑顆粒的形狀就決定了粉料顆粒的形狀，依聚丙烯工藝為例，使用進口催化劑時生產出來的均聚產品堆積密度在0.28～0.30g/ml，粉料為不規則顆粒狀。在相同的接料時間和循環時間內，隨著粉料堆積密度的增大，PDS出料效率會增加。目前，國產聚烯烴催化劑技術已經相當成熟，其催化劑顆粒規則性要優于進口催化劑，如國內某些廠家生產的催化劑粒型較為規整，所生產的產品粉料堆積密度可以達到0.34～0.38g/ml，PDS的出料效率可以提高5%左右。

3、PDS運行方式及閥門設定時間的優化

PDS系統的運行方式包括兩種，第一種運行方式為每套PDS獨立運行，也叫交替運行模式，即不投用兩套PDS系統之間的交叉閥門（如上圖，PC罐交叉閥門：W，PBT罐交叉閥門：X），每套PDS通過自身配置的泄壓或升壓閥門（泄壓閥門：L、M，升壓閥門：J、P閥組）來泄壓或升壓至聯鎖滿足壓力，該運行方式下PC罐和PBT罐均需要較長的升壓或降壓時間，第二種運行方式為兩套PDS交叉運行，該運行方式下，需將交叉閥門W和X投至“AUTO”模式下，兩套PDS的PC罐和PBT罐可以在運行過程中互為升降壓，此種方式略微降低了PDS的運行效率，但可以大大降低反應器的氣體排出量。

PDS閥門的設定時間是PDS系統的關鍵參數，也是影響PDS出料效率的關鍵參數之一，需要設定時間的閥門包括：控制PC罐接料時間的B閥，PC罐之間的氣相平衡閥W閥，PC出料至PBT的閥門D閥，PBT罐之間的氣相平衡閥X閥，下表是某套年產30萬噸聚丙烯裝置典型的閥門設定時間：

閥門B W D X閥門用途PC罐接料反應器樹脂閥門PC罐之間氣相平衡閥門PC出料至PBT罐閥門PBT罐之間氣相平衡閥門典型的設定時間42s 33s 37s 33s

典型的設定時間多數不適合實際生產裝置的要求，過于寬松的時間設定可以滿足PDS系統的基本運轉，卻大大降低了PDS系統的效率和負荷。尤其是隨著PDS系統的長時間運行，閥門內漏情況會逐步增加，PDS系統的效率和負荷很難滿足裝置正常負荷下的運行。在反應器工況或PDS系統工況發生變化時，通常需對PDS系統的閥門設定時間進行重新的優化來保證PDS系統的效率和負荷穩定，

1.B閥的時間優化，在PDS系統首次裝填時，可以通過現場敲擊的方式來判斷PC罐的裝填情況，通常PC罐的粉料要達到裝填體積的95%～100%為最佳。

2.W閥、X閥的時間優化，PC罐或PBT罐壓力平衡是優化W閥和X閥設定時間的唯一標準。

3.D閥的時間優化，在一定的B閥接料時間下，D閥的時間不會變化太大，PC罐的核料位低低報警出現，D閥延遲5～10秒關閉。

4、閥門壽命的影響及閥座材質的選擇

由于PDS系統工藝技術的特點，通常PDS閥門會面臨如下的挑戰：1.極高的動作頻率和循環次數。閥門由PDS控制系統控制每年動作次數約50萬次，頻繁的動作對閥門及所有附件需要極高的可靠性。2.大量聚合產品顆粒，對閥門密封面的極度磨損。3.高壓差，對閥門的沖刷嚴重。4.閥門開關時快速動作。要求6″口徑及以下的閥門，開關時間在1.5秒內，6″口徑以上的閥門，開關時間在2.5秒內。這樣可以在排料時減少對流化床反應的影響。[1]針對閥門的這些特點，PDS閥門極易出現故障，閥門的壽命嚴重影響PDS系統的效率和負荷。因此PDS系統對閥門的要求極為嚴格。目前，世界上生產該種閥門的廠家有德國的ARGUS公司、美國的Neles-Jamesbury公司以及日本的KTM公司，其中德國的ARGUS公司和日本的KTM公司閥座采用軟閥座或金屬閥座，美國的Neles-Jamesbury公司的閥門均為金屬閥座。各公司閥門閥座的形式如下：

閥門AA A B C D E G G G H J M W X ARGUS公司Metal Soft Metal Soft Metal Metal Metal Metal Soft Metal Metal Metal Metal KTM公司metal Soft Metal Soft Metal Metal Metal Metal Soft Metal Metal Metal Metal Neles-Jamesbury公司Metal Metal Metal Metal Metal Metal Metal Metal Metal Metal Metal Metal Metal

通常情況下，使用PEEK或lyton材料的軟閥座也是可以接受的，只是其使用壽命要小于金屬閥座閥門。金屬閥座的閥門壽命一般在2～3年，軟閥座閥門的壽命一般不超過2年。無論何種材質的閥座，超過其使用壽命時，一定要對閥門進行檢修，來保證閥門的正常運行，保證PDS系統的效率和負荷穩定。

5、PDS系統的改造及運行周期的優化

PDS的運行周期包括PDS工作時間和等待時間，PDS系統的等待時間是PDS系統作為疲勞容器的安全要求，如何有效的降低PDS的工作時間是提高PDS運行效率和負荷的關鍵點，通過以下PDS系統的改造來有效的降低PDS工作時間，提高PDS效率和負荷。

1.增大輸送協助氣的流量，減少粉料輸送時間。增加瞬時輸送氣的流量至原來的2倍，提高輸送粉料樹脂至下游設備的流量，減少輸送時間。

2.減少輸送管線的彎頭數量，加快粉料輸送。三個彎頭足夠滿足粉料輸送線的布置，一個彎頭布置在PBT罐下方，一個彎頭連接輸送管線至產品接受倉框架，一個彎頭進入產品接受倉。

3.取消PC/PBT交叉閥管線的限流孔板，可控的打開交叉閥門（W、X），減少交叉升降壓時間。將交叉管線的限流孔板取消，設定在進行交叉升降壓操作時，交叉閥W、X初始開度15～20%，并維持幾秒鐘的時間，之后以一定的斜率全開至100%。預計PC罐壓力平衡時，W閥的設定時間可以降至15秒左右，PBT罐壓力平衡時，X的設定時間可以降至10秒左右。

通常經過上述的改造與優化，PDS的運行周期可以減少30～40秒，PDS的效率和負荷可以提高20%左右。

四、結論

隨著煤化工行業和催化劑技術的發展，聚烯烴市場的競爭愈來愈劇烈，裝置的生產負荷也隨之而擴大，從原來的不足10萬噸/年，到現在國內單套最大負荷裝置已達45萬噸/年，催化劑國產化的種類也多種多樣，且需要頻繁切換生產多種牌號的聚烯烴產品來及時適應市場的需求，這些都要求裝置穩定高負荷運行才能多創效益，PDS系統作為反應器的“后路”，其效率和負荷尤為關鍵。

通過合理的調控反應器的參數，減少對PDS系統的影響；改進催化劑的性質，生產出優良性質的粉料；選擇合理的PDS運行方式，根據生產工況及時的優化PDS閥門時間；選擇長壽命的PDS閥門，并制定合理的維護和檢修措施來延長閥門的壽命；對PDS系統進行適當的改造，減少PDS的運行周期，有效的提高催化劑的效率和負荷。通過這些優化和改造，可以將裝置PDS系統的效率和負荷提高至130%，來確保裝置的穩定高負荷運行。

[1]陳星賞.聚烯烴裝置產品排料閥的特性及長周期運行的對策[J].科技與企業 2011，（7）。