HORIZONE工藝聚丙烯裝置反應器結塊淺析

O 周祚東

（中韓（武漢）石油化工有限公司 湖北 430000）

HORIZONE工藝聚丙烯裝置反應器結塊淺析

O 周祚東

（中韓（武漢）石油化工有限公司 湖北 430000）

中韓乙烯JPP聚丙烯裝置采用日本HORIZONE氣相法聚丙烯工藝技術生產抗沖共聚物時，因穹頂粉料結塊，多處嚴重堵塞導致裝置停工。本文分析了氣相反應器結塊的原因，并據結塊原因對相關參數作了適當的調整，對相關操作進行了優化。

氣相法聚丙烯；HORIZONE工藝；結塊；降低細粉活性

前言

中韓乙烯聚丙烯JPP裝置采用日本HORIZONE氣相法工藝技術，即由氣相臥式攪拌反應器和高效催化劑，在近似活塞流的氣相釜中聚合，該工藝可生產均聚、無規、一般抗沖和高抗沖牌號。

聚丙烯的很多應用領域要求其具有較高的韌性，抗沖聚丙烯是通過在均聚聚丙烯中加入橡膠制備的，丙烯均聚后再使丙烯與乙烯共聚而生成乙丙橡膠，中韓乙烯JPP裝置生產的抗沖共聚物的總乙烯質量分數在10%左右，橡膠相的量控制在20%～50%，橡膠相中乙烯含量控制在35%～50%，抗沖聚丙烯是在氣相反應器中加入乙烯，由橡膠相的多少來調節聚丙烯產品的抗沖性能，但乙烯的加入同樣會使產品黏度增加，給生產操作帶來一定的風險和難度，本文主要對本裝置曾出現的第二反應器穹頂嚴重堵塞而造成停工問題的分析和總結，以便在后續生產中有效地降低這些情況帶來的停工風險，保證裝置穩定運行及產品質量提升。

一、HORIZONE工藝簡介

本裝置以丙烯為原料，乙烯為共聚單體，H2為分子量調節劑，HORIZONE氣相法工藝的主要特點：反應器是一臥式帶攪拌反應釜，反應器中的丙烯在氣相狀態下連續聚合，反應器部分填充聚合物粉末，由攪拌器進行攪拌。催化劑漿液送至反應器的上游區域并分散至粉料層。噴射到反應器粉末層表面的循環液體丙烯（急冷液）蒸發后撤走聚合反應熱。蒸發的丙烯蒸汽（尾氣）離開反應器，在旋風分離器中分離聚合物粉末和氣體，分離出的粉末由循環氣噴射器送回反應器。尾氣則在循環氣冷凝器中部分冷凝，未冷凝循環氣從反應器底部進入到粉料層。

從反應器出來的粉料利用壓差輸送至袋式過濾器內，其壓力是20kPaG，袋式過濾器內的較低壓力有助于除去粉料中的易揮發成分，粉料從袋式過濾器旋轉加料器進入到脫氣倉內。脫氣倉的設計基于粉料的停留時間是三個小時，然后輸送至粉料進料罐內。粉料進料罐出來的聚合物粉料通過加料器計量后，通過送混合器送至擠壓造粒單元。添加劑根據重量進料速率設定的比值直接加入到粉料加料器內。

二、反應器內粉料易結塊的原因

中韓石化聚丙烯JPP裝置發生穹頂結塊問題后經技術人員多次分析后判斷由于粉料活性過高引起的。

假定，含兩種單體Mi和Mj的二元聚合體系存在以下4種鏈增長的穩態反應；

式中，kii為末端鏈節為Mi*的增長鏈與單體Mi的增長反映常數；kij為末端鏈節為Mi*的增長鏈與Mj單體的增長反映常數；kji為末端鏈節為Mj*的增長鏈與單體Mi的增長反映常數；kjj為末端鏈節為Mj*的增長鏈與單體Mj的增長反映常數。

單體Mi、Mj的消耗速率可用下式表示；

從穩態假設可知：

進而得到：

式中，競聚率γi表示單體Mi和Mj分別與末端為Mi*的增長鏈反應的相對活性；競聚率γj表示單體Mj和Mi分別與末端為Mj*的增長鏈反應的相對活性。因為乙烯雙鍵附近的空間位阻比丙烯的小，所以乙烯競聚率高于丙烯，當反應器中粉料活性過高或活性波動大時，過高的活性中心將使乙丙橡膠趨向于乙乙橡膠，而乙乙橡膠會增加聚合物的粘度，在短時間內大量帶活性的細粉堆積聚合，發生粘連結塊，造成穹頂結塊，并不斷堆積加厚，大量還有活性的細粉被帶入后續系統，造成系統堵塞，結塊的根本原因主要是催化劑在反應器中的破碎，由于細粉較多時，聚合反應放出的熱量無法及時撤出，而且循環氣氣速過高，夾帶細粉量大，最后被夾帶的細粉粘在內壁粉繼續反應，產生結塊，本文從怎么以上三個原因去分析和制定對策。

三、減少反應器內結塊的措施

1.提高催化劑顆粒的抗破碎性能

聚合物是在多孔催化劑顆粒的內外表面生成的，數量不斷增加的聚合物壓迫催化劑孔道，造成催化劑顆粒的破碎，破碎過程與催化劑顆粒的機械強度有關，最終受催化劑的配方和制備方法的影響，催化劑的破碎不但會對聚合過程以及產品質量產生重要的影響，而且會導致反應器細粉的增加，過多的帶有活性的細粉，在氣相反應器中反應加劇。產生的局部熱不能及時擴散到氣相中而使物料熔融結塊。同時，細粉容易吸附于反應器壁上，在反應器壁熔融結塊粘在器壁。我們對JPP裝置結塊物料物性進行分析。

JPP裝置催化劑在進入反應器內發生主聚合反應之前實際需要進行預處理，HORIZONE氣相法聚丙烯的催化劑預聚合倍數是在2克（聚合物）/克催化劑的收率上進行設計的，為降低粉料活性，一方面可依據催化劑破碎特點，適當的增加丙烯加入量，確保催化劑表面和孔道被包裹的更加充分，另一方面控制催化劑預處理罐的溫度恒定，防止催化劑在預處理的時候溫度隨環境溫度波動而影響活性，這樣既保證了催化劑在進入反應器時因反應劇烈而破碎產生大量的細粉，又可以保證預聚后的催化劑活性穩定。

2.增加空氣即活性抑制劑

JPP裝置發生穹頂結塊問題后，通過分析結塊的原因，發現返回第二反應器的帶活性的細粉，被循環氣夾帶進入穹頂，粘附在內壁上，發生聚合反應造成的，結合R-251穹頂溫度從5月份后波動增大，最高時超過正常溫度50℃，增加一定量的活性抑制劑到穹頂內，生產高橡膠相和高融指產品時，當穹頂溫度飛升時，快速打開調節閥引一股抑制劑，將此處粉料活性殺死，防止聚集結塊，也可以給一定量的抑制劑持續加入到反應器內，防止細粉在穹頂處聚合結塊，降低在穹頂內發生反應的幾率及反應強度，同時保證了反應器內反應穩定。

3.適當減少第二反應器循環氣流量和降低第二反應器料位

為保證催化劑和丙烯在反應器中發生充分的聚合反應，同時撤走反應熱，因此急冷液的加入是過量的。液相丙烯在反應器內床層表面氣化后，從反應器的兩個穹頂上升，經過沉降，大粒徑的粉料會沉積到反應釜中，但是細小的顆粒會夾帶在循環氣中。反應器穹頂的功能是避免循環氣中夾帶直徑大于55m的聚合物粉料。循環氣旋風分離器可以進一步的將循環氣中的細粉分離出來，經過噴射器送回反應器。料位過高會減小穹頂的相對沉降高度，從而導致更多細粉被夾帶，加重穹頂負擔，這樣就不難理解降低第二反應器料位的重要性了。

對于臥式攪拌床反應器而言，床層物料的混合通常是借助攪拌槳的作用來實現，這與傳統的立式流化床反應器借助底部大量通氣而產生氣泡實現床層混合的情況有很大的區別。臥式攪拌床反應器底部通氣量一般比流化床反應器的通氣量要小得多，這種較小的通氣量本身不足以使床層明顯膨脹，而只是為了改善某些不凝氣體與床層的混合，例如共聚生產時從底部通入的乙烯氣體以及調節聚合物分子量分布的氫氣。實驗中，以門型葉片槳為例，著重考察了底部循環氣對功率的影響。不通氣/通氣時臥式攪拌床反應器攪拌功率的比較(Po不通氣時功率，Pg通氣時功率)，循環氣量為16 m3/h(共有4個管路，每管路流量為4m3/h)。

通氣時攪拌功率減小，但是變化不大，相對偏差不超過10%。原因在于臥式攪拌床底部通氣量一般比流化床反應器的通氣量要小很多。這種較小的通氣量僅使釜內物料處于亞流化狀態，而且僅有底部吹氣口附近物料的空隙率增大，該部分粉料對整個床層攪拌功率的影響不大。因此，在臥式攪拌床反應器底部通氣速率的正常范圍內，底部循環氣變化對攪拌功率的影響一般可不予以考慮，另外，第二反應器中的負荷遠低于第一反應器，為減少循環氣中夾帶的細粉，可適當降低第二反應器中的循環氣流量。

四、結論

本文分析了聚丙烯JPP裝置發生穹頂結塊的原因，即由于反應器穹頂處的循環氣攜帶的細粉過多，而且大量仍有活性，加上時間的積累，造成細粉沉積結塊。通過上述分析，提出了三個處理對策：

1.優化催化劑的配制過程，保護催化劑粒子形態完整；

2.增加抑制劑加入點，對細粉易結塊處進行“點剎”降低粉料的活性；

3.降低第二反應器的循環氣量和降低料位來降低循環氣中細粉的夾帶。

通過對工藝參數調整后，可以幫助裝置運行平穩，保證設備發揮出最大的效益，使產品質量達標，增強聚丙烯JPP裝置產品的市場競爭力和占有率，并對節能降耗有一定的意義。

[1]PP-JPP裝置原理及技術，中國石化武漢80萬噸/年乙烯工程項目管理部.

[2]洪定一主編.聚丙烯——原理、工藝與技術.北京：中國石化出版社.

[3]應圣康.余豐年.共聚合原理.北京：化學工業出版社，1984.

[4]JPP技術手冊，日本聚丙烯公司（JPP）2010.

[5]劉偉.聚丙烯臥式攪拌床若干反應工程問題的研究[D].浙江:浙江大學化學工程與生物工程學.

Analysis on the Reactor Agglomeration of HORIZONE Technology Polypropylene Unit

Zhou Zuodong
（China and South Korea (Wuhan) Petrochemical co., LTD,Hubei,430000）

China and South Korea ethylene JPP polypropylene plant using the Japanese HORIZONE gas phase polypropylene process technology to produce anti impact copolymer, due to the dome powder agglomerate, a number of serious blockage leading to device downtime. In this paper, the reasons for the agglomeration of the gas phase reactor are analyzed, and the relevant parameters are adjusted appropriately according to the cause of the agglomeration.

Gas phase polypropylene；HORIZONE process；agglomeration；reducing the activity of fine powder

T

A

周祚東（1987～），男，中韓（武漢）石油化工有限公司，研究方向：高分子聚合。