淺析聚丙烯裝置中流化床反應器

謝宇裊

[摘要]流化床反應器是UnipoITM聚丙烯流化床反應系統中的核心設備，流化床反應器是一種利用氣體或液體通過顆粒狀固體層而使固體顆粒處于懸浮運動狀態，并進行氣固相反應過程或液固相反應過程的反應器。

[關鍵詞]流化床、Unipol、反應器

[中圖分類號]F407.7 [文獻標識碼]A [文章編號]1672-5158（2013）06-0168-01

前言

目前，在化工、石油、冶金、核工業等部門流化床反應器已得到廣泛應用。流化床反應器在現代工業中的早期應用為20世紀20年代出現的粉煤氣化的溫克勒爐，但現代流化反應技術的開拓，是以40年代石油催化裂化為代表的。

一、流化床反應器的分類及結構

按流化床反應器的應用可分為兩類：一類的加工對象主要是固體，如礦石的焙燒，稱為固相加工過程；另一類的加工對象主要是流體，如石油催化裂化、酶反應過程等催化反應過程，稱為流體相加工過程。

流化床反應器的結構有兩種形式：①有固體物料連續進料和出料裝置，用于固相加工過程或催化劑迅速失活的流體相加工過程。例如催化裂化過程，催化劑在幾分鐘內即顯著失活，須不斷予以分離后進行再生。②無固體物料連續進料和出料裝置，用于固體顆粒性狀在相當長時間（如半年或一年）內，不發生明顯變化的反應過程。

近年來，細顆粒和高氣速的湍流流化床及高速流化床均已有工業應用。在氣速高于顆粒夾帶速度的條件下，通過固體的循環以維持床層，由于強化了氣固兩相間的接觸，特別有利于相際傳質阻力居重要地位的情況。但另一方面由于大量的固體顆粒被氣體夾帶而出，需要進行分離并再循環返回床層，因此，對氣固分離的要求也就很高了。

二、UnipoITM聚丙烯流化床反應系統

某石化企業UnipoITM聚丙烯裝置流化床反應系統主要是由4臺工藝設備組成：A、流化床反應器。B、產品出料系統。C、循環氣壓縮機。D、冷卻器。Unipol聚丙烯工藝是一套簡單、精致的系統，其特點是使用氣相流化床反應器。與一些競爭者使用的液相工藝不同的是，Unipol聚丙烯工藝設計更簡單，并且不需要有處理、分離和回收溶劑的設備。Unipol聚丙烯工藝由一臺或兩臺氣相流化床反應器組成。反應器內部沒有移動部件或機械氣固分離系統。單臺反應器可生產均聚物以及使用乙烯或丁烯生產無規共聚物。要想生產抗沖共聚物，則使用第二臺反應器將關鍵的彈性體成分直接聚合到增長的樹脂顆粒中。反應器內的充分混合特性決定了產品的高度均一性。

UnipoITM聚丙烯工藝已按最低限度的單元操作情況對聚合工藝進行了簡化。在發生反應的樹脂顆粒流化床中，氣體單體為流化介質并用于：床層的充分混合；催化劑的快速及均勻分配；促進反應區的熱量及物質傳遞、及將反應器內的反應熱輸送到外部換熱器。在UnipoITM聚丙烯系統中，當氣體以低速流經床層時，氣體將通過顆粒物之間形成的空隙，床層也只是靜止的填料床。UnipoITM聚丙烯反應器中的流化為密相氣固聚集型流化。

三、流化床一般特性

流化床反應器是道公司低壓氣相法聚丙烯制造工藝（即，UnipoITM工藝）的核心?？偲饋碇v，密相流化床表現特征與相同密度的液體相似。流化床的某些特性如下所述：①、流化固體易于通過反應器內部的開口；②、壓降與深度的關系與液壓情況相似并可用于測定床層高度及密度；③、床層的壓降保持穩定且并不隨氣體流速的增加而升高；④、固體顆粒在氣泡驅動下連續運動，這導致固體的迅速擴散及充分混合；⑤、由于床層內的導熱及固體混合效果較好，流體床基本上在徑向及軸向上保持等溫狀態；⑥、流化床與反應器壁或浸人流化床的任何表面之間的導熱效果較好。

四、流化床反應器的優缺點及適用過程

含有流化床的UnipoITM聚丙烯反應器設計結構簡單，該反應器為一筒形塔，壁厚與反應器操作壓力對應，且在維持某一縱橫比的同時其直徑及高度設計符合單元的處理能力要求。

流化床與反應器壁之間的導熱效率極高。UnipoITM聚丙烯反應器是按分配板上方無浸人物質情況設計的。所有導熱均在外部換熱器中進行、且離開反應器的氣體均通過冷卻水冷卻。此后，這部分冷卻的氣體及所包含的未反應的單體、共聚單體及其它惰性組分和補充單體及共聚單體將循環回到流化床反應器底部。反應器的生產速度將由進入及離開流化床的流體之間的熱函差在減去非保溫反應器壁上的熱量損失后決定。

流化床內的固體粒子像流體一樣運動，由于流態化的特殊運動形式，使這種反應器具有如下優點：①、由于可采用細粉顆粒，并在懸浮狀態下與流體接觸，流固相界面積大，有利于非均相反應的進行，提高了催化劑的利用率。②、由于顆粒在床內混合激烈，使顆粒在全床內的溫度和濃度均勻一致，床層與內浸換熱表面間的傳熱系數很高全床熱容量大，熱穩定性高，這些都有利于強放熱反應的等溫操作。這是許多工藝過程的反應裝置選擇流化床的重要原因之一。③、流化床內的顆粒群有類似流體的性質，可以大量地從裝置中移出、引入，并可以在兩個流化床之間大量循環。這使得一些反應再生、吸熱放熱、正反應—逆反應等反應耦合過程和反應—分離耦合過程得以實現。使得易失活催化劑能在工程中使用。④、流體與顆粒之間傳熱、傳質速率也較其它接觸方式為高。⑤、由于流固體系中孔隙率的變化可以引起顆粒曳力系數的大幅度變化，以致在很寬的范圍內均能形成較濃密的床層。所以流態化技術的操作彈性范圍寬，單位設備生產能力大，設備結構簡單、造價低，符合現代化大生產的需要。

流化床反應器的缺點：①、氣體流動狀態與活塞流偏離較大，氣流與床層顆粒發生返混，以致在床層軸向沒有溫度差及濃度差。加之氣體可能成大氣泡狀態通過床層，使氣固接觸不良，使反應的轉化率降低。因此流化床一般達不到固定床的轉化率。②、催化劑顆粒間相互劇烈碰撞，造成催化劑的損失和除塵的困難。③、由于固體顆粒的磨蝕作用管子和容器的磨損嚴重。

雖然流化床反應器存在著上述缺點，但優點是主要的。流態化操作總的經濟效果是有利的，特別是傳熱和傳質速率快、床層溫度均勻、操作穩定的突出優點對于熱效應很大的大規模生產過程特別有利。

流化床反應器比較適用于下述過程：熱效應很大的放熱或吸熱過程要求有均一的催化劑溫度和需要精確控制溫度的反應，催化劑壽命比較短，操作較短時間就需更換（或活化）的反應；有爆炸危險的反應，某些能夠比較安全地在高濃度下操作的氧化反應，可以提高生產能力，減少分離和精制的負擔。

流化床反應器一般不適用如下情況：要求高轉化率的反應，要求催化劑層有溫度分布的反應。對于一般的工業流化床反應器，需要控制和測量的參數主要有顆粒粒度、顆粒組成、床層壓力和溫度、流量等。這些參數的控制除了受所進行的化學反應的限制外，還要受到流態化要求的影響。實際操作中是通過安裝在反應器上的各種測量儀表了解流化床中的各項指標，以便采取正確的控制步驟達到反應器的正常工作。在UnipoITM聚丙烯反應器壁上設置有較多的取壓點，通過變送器可以測定床層高度、床層不同段上的FBD及分配板和床層上的壓降情況。利用變送器的測量信息可以監控流化性能及對反應器性能進行控制。

參考文獻

[1]肖志英，流化床反應器設備設計計算[M]，河南化工，2004（4）

[2]朱寶軒，化工工藝基礎[M]，化學工業出版社，2005