高密度聚乙烯淤漿處理系統堵塞原因的分析

曲振輝

（中海石油煉化有限責任公司 惠州煉化分公司，廣東 惠州 516080）

高密度聚乙烯淤漿處理系統堵塞原因的分析

曲振輝

（中海石油煉化有限責任公司 惠州煉化分公司，廣東 惠州 516080）

對高密度聚乙烯（HDPE）裝置中旋液分離器和淤漿加熱器的堵塞原因進行了分析，并針對堵塞原因提出了處理措施。分析結果表明，旋液分離器堵塞的原因包括：底部濃度較高、產品黏度較大、生產負荷低及漿料組分等。優化措施包括：適當降低頂部回流量、適當增加入口的沖洗流量、適當增大底部出料閥的開度、保證內壁光滑度、保證反應器壓力和溫度的穩定控制。淤漿加熱器堵塞原因包括：低聚物含量高、產品支鏈化度高、反應器局部溫度過高、靜電效應、漿料中塊料及反應器內壁不光滑等。優化措施包括：提高相應的異丁烷沖洗量、優化反應器的參數控制、優化牌號切換方案、控制合適的催化劑及抗靜電劑的加入量等。

高密度聚乙烯；旋液分離器；淤漿加熱器；堵塞

中海石油煉化有限責任公司惠州煉化分公司在建高密度聚乙烯（HDPE）裝置采用了Ineos公司Innovene S專利技術和工藝包［1］。Innovene S淤漿環管聚合工藝利用兩臺環管反應器生產密度935～963 kg/m3的高密度雙峰/單峰聚乙烯產品，反應器單程轉化率可達97%～98%，反應循環量和能耗少，產品覆蓋注塑、吹塑、薄膜、管材、單絲及電纜等應用范圍。

Innovene S淤漿環管聚合工藝的操作溫度較高（80～105 ℃），產品牌號切換較頻繁，所以在生產過程中易產生結皮、管壁黏連［2］、細粉熔化、聚合物軟化和粉料結塊［3］等現象，均可能會在淤漿處理系統中造成堵塞，影響裝置的穩定長周期運行，嚴重時甚至造成裝置停工。在國內一些相同或類似工藝裝置上均發生過堵塞現象［4］。

本工作對HDPE裝置中旋液分離器和淤漿加熱器的堵塞原因進行了分析，并針對堵塞原因提出了處理措施，以期優化操作技術，確保HDPE裝置的長周期正常運行。

1 裝置概況

HDPE裝置流程的概況見圖1。

圖1 HDPE裝置流程的概況Fig.1 Process fow chart for high density polyethylene production.R3001，R3002：reactors；V3001A，V3001B：hydrocyclone separators；E-3001A，E-3001B：slurry heaters；V4001：high pressure fash tank；V4003：low pressure degassing tank；JWR：jacket water return； JWS：jacket water supply；VLS：very low pressure steam；VLC：very low pressure condensate.

從圖1可看出，反應器生成的聚合物粉料與異丁烷稀釋劑及其他少量單體的混合物以淤漿形式排出反應器，在旋液分離器進行濃縮；高濃度的淤漿進入淤漿加熱器加熱，使淤漿在進入閃蒸系統前達到飽和狀態；然后進入高壓閃蒸罐，使液相完全閃蒸從而與聚合物分離；聚合物粉料再通過低壓脫氣罐脫除吸附的氣相單體；最后，合格的聚合物粉料被輸送至擠壓造粒系統得到合格產品。

2 旋液分離器

旋液分離器是HDPE裝置的重要分離提濃設備，來自反應器的漿料以切線方向進入該設備，含少量固體顆粒的液相上升返回反應器，固相向下濃縮，然后從旋液分離器底部出料，漿料固體含量（w）由35%提高至46%左右。旋液分離器是決定整個裝置效率的關鍵設備，異丁烷的循環利用可有效降低淤漿加熱器及溶劑回收單元的負荷。

2.1 旋液分離器堵塞現象

旋液分離器在生產運行時，其頂部密度是表征其分離效果最直觀的參數。當分離效果好時，頂部密度與當前運行溫度下烴類混合物的密度（460～490 kg/m3）接近，對應反應器密度為535～575 kg/m3，兩者差值反映了旋液分離器的提濃效果。當旋液分離器出現堵塞現象、分離效果降低時，其頂部密度會出現逐漸上升趨勢，嚴重時接近反應器密度。

當旋液分離器出現堵塞現象時，頂部回流的液相組分量相對減少，一定程度上會影響反應器內的固含量，進而使反應器異丁烷進料量異常增加。同時底部排出的漿料中液相異丁烷的含量增大，這將導致淤漿加熱器的負荷增加，加熱蒸汽閥門開度增大，增加生產能耗。

中韓石化武漢乙烯［5］HDPE裝置在生產牌號為HD5502XA的HDPE產品期間，旋液分離器的頂部密度正常在470～480 kg/m3之間，轉產PN049-030-122牌號一段時間后，頂部密度平均值在518 kg/ m3，由此判斷旋液分離器內部可能發生了一定程度的結垢。當頂部密度持續升高至552 kg/m3接近反應器內部漿料密度時，說明旋液分離器內部垢層越來越厚，堵塞現象越來越嚴重，已徹底失去分離提濃的作用。

2.2 旋液分離器堵塞原因分析

HDPE裝置在生產期間，如兩個旋液分離器同時投用，其底部出料閥開度可能會較小，細粉顆粒在旋液分離器中的停留時間延長，造成旋液分離器底部濃度較高，顆粒間相互摩擦產生靜電效應的幾率增大，容易引發顆粒黏連和結垢。

在生產如PN049-030-122牌號等黏度較大的粉料產品時，旋液分離器內部溫度也較高；殘存的催化劑和乙烯可能繼續反應形成局部熱點，也易造成旋液分離器內粉料黏結，使旋液分離器逐漸堵塞。

當生產負荷低、旋液分離器的頂部流量與底部出料量不匹配時，可能會導致旋液分離器頂部回流泵的流道堵塞，表現為泵電流升高，輸送能力下降，流量不能提高，最終導致旋液分離器頂部密度上升而發生堵塞現象。因此在生產負荷發生變化時，要選擇合適的頂部回流泵輸送流量控制方案。

反應器聚合產生的漿料組成也是造成旋液分離器發生堵塞的主要原因。在生產過程中因反應器進料、壓力、溫度等工藝波動，導致在反應器中形成低相對分子質量或密度較低的聚合物，這些聚合物進入旋液分離器后易相互黏連或在器壁上結垢。如催化劑活性高，活性中心分布不均勻，氫氣和共聚單體的響應不理想，則容易產生較多低聚物及細粉，從而引起結塊或在設備器壁結垢，造成后系統堵塞。若生產中加入反應器的催化劑流量較大，或濃度較高，則容易在反應器內形成局部熱點，可能導致粉料熔融結塊，從而造成后處理系統堵塞。另外反應器漿料循環不好，撤熱不均勻也會產生局部熱點，同時未完全反應或活性較高的催化劑在進入旋液分離器后，可能繼續反應且無法撤熱，導致粉料熔融結塊堵塞系統。

2.3 旋液分離器堵塞處理及優化控制措施

針對旋液分離器的堵塞，總結了以下幾點處理和優化控制措施。

1）適當降低旋液分離器的頂部回流量，控制底部固體濃度不要過高。頂部回流量靠泵的轉速控制，泵的出口流量越大，旋液分離器中的漩渦作用越明顯。當頂部回流量增加或降低時，底部的固相濃度就會相應增高或下降。因此降低旋液分離器頂部回流量可減緩底部結垢的發生，但可能會導致下游淤漿加熱器的負荷相應增加，蒸汽耗量增多，所以頂部回流量需控制在合理范圍內。

2）適當增加旋液分離器入口的沖洗流量。異丁烷沖洗主要可降低進入旋液分離器的淤漿的溫度，并稍微降低其固相含量，減緩粉料間的摩擦力及黏結效應。但沖洗量過大會導致淤漿加熱器負荷增加，故沖洗量不宜超過6 t/h。同時沖洗量增加也會使返回反應器的液相相應增多，間接減少了反應器的異丁烷主進料。

3）適當增大旋液分離器底部出料閥的開度，降低淤漿停留時間。當底部出料閥開度大時，漿料在旋液分離器停留時間較短，高濃度固相在底部不會長時間聚集，從而減緩內部結塊的發生。在負荷允許的情況下，即裝置負荷不高時，盡量只運行一臺旋液分離器，這樣可保持較大的出料閥開度，縮短停留時間。同時另一臺作為備用，在緊急情況下相互切換，保持裝置的穩定運行。當裝置高負荷運行，必須投用兩臺旋液分離器時，注意保持兩個底部出料閥的開度基本一致，避免一個開度大一個開度小。此時需要注意，如兩臺旋液分離器同時運行并出現堵塞現象時，應先將堵塞較嚴重的一臺切至旁路線，進行緊急處理，清理完成重新投用后再處理另一臺旋液分離器，處理期間適當降低反應器負荷并觀察淤漿加熱器的負荷增加情況。在正常操作期間，注意監控旋液分離器頂部的密度和流量以及底部出料閥的開度，如發現異常，應及時調整或處理，防止造成較為嚴重的后果。

4）保證旋液分離器內壁光滑度。受聚合物漿料特性的影響，當旋液分離器內壁不光滑時，會破壞流體在內部的流動狀態，降低流體的沉降速率，使固體被夾帶進入頂部溢流流道中。同時內壁不光滑會造成聚合物在粗糙表面掛壁，隨著流體的通過垢層越結越厚，直至造成旋液分離器完全堵塞。一般旋液分離器需要2～3個月檢修1次，一次2～3 d，切換檢修時會損失一些異丁烷等烴類。在每次檢修時，加強內部拋光處理措施，清理泵的內部流道，確保設備檢修效果以延長設備運行時間。

5）保證反應器壓力和溫度的穩定控制，避免較大波動和牌號的頻繁切換。注意控制較高活性催化劑的加入量，同時確保反應器的軸流泵運轉狀況，使漿料循環均勻，溫度均勻。控制反應器乙烯濃度、共聚單體與乙烯的比值等工藝參數，保持工藝參數在較小范圍內波動，減少細粉含量。反應器工藝穩定是確保后續系統運行正常的前提保障，可通過優化反應器工藝改善旋液分離器等后續系統的運行狀態。

3 淤漿加熱器

淤漿加熱器為套管加熱器，淤漿在套管最里層流動，低壓蒸汽減溫減壓得到的次低壓蒸汽（0.1 MPa，120 ℃）從上至下通過管道夾套給淤漿加熱。淤漿加熱器主要作用是為來自旋液分離器或反應器的漿料提高熱量，使漿料達到可完全閃蒸的程度。淤漿加熱器出口溫度應維持在80～95 ℃，漿料進入高壓閃蒸罐后，液相被完全閃蒸氣化從而分離出固相粉料。

3.1 淤漿加熱器堵塞現象

淤漿加熱器發生堵塞的重要依據是淤漿加熱器入口壓力異常升高，還可通過淤漿加熱器出口溫度和加熱蒸汽量輔助判斷。中沙天津石化有限公司HDPE裝置在某次停工期間，對反應器進行倒空，然后隔離淤漿加熱器并保持異丁烷持續沖洗。在第一反應器倒空過程中，淤漿加熱器入口壓力呈逐漸升高的趨勢，而下游高壓閃蒸罐的壓力卻無明顯變化。在第一反應器退料結束后，淤漿加熱器壓力已異常升至很高，可維持的異丁烷沖洗量已很低。通過以上現象可判斷淤漿加熱器在第一反應器倒空過程中已發生堵塞，但又可維持一定的異丁烷沖洗量，表明此時還未完全堵死，但較低的異丁烷沖洗量導致物料流速不足，淤漿加熱器內的粉料和塊料無法被沖洗完全排出，最終導致淤漿加熱器嚴重堵塞。

3.2 淤漿加熱器堵塞原因分析

一般情況下，淤漿加熱器不會發生堵塞，反應器內垢層脫落或生產過程中產生的塊料進入淤漿加熱器是引發堵塞的主要原因。

反應器產生塊料或結垢的原因為：1）反應初期，反應器內可能會形成低相對分子質量聚合物［6］附著在反應器內壁上，局部催化劑活性越高、反應時間越短形成的低聚物就越多，低聚物在反應器內壁形成垢層，垢層脫落影響下游設備；2）Ziegler-Natta催化劑生產含丁烯的聚合物產品時，產品的支鏈含量較高，分子鏈支化度越大，支鏈長度越長，越易造成HDPE黏壁；3）反應器局部溫度過高，不僅使反應活性高，還會使聚合物顆粒接近或超過熔體流動溫度，聚合物顆粒處于熔融或半熔融溫度，更易發生黏壁，或聚合物相互黏連形成塊料；4）采用鉻系催化劑時，容易產生靜電和反應器壁結皮現象；5）催化劑活性較高時，生產期間容易產生塊料；6）產品牌號頻繁切換也易產生塊料，且垢層易脫落進入下游設備；7）在反應器檢修或清理內壁時，留在表面的劃痕容易使聚合物在此形成黏壁中心，并在這些中心進一步聚合，使黏壁現象不斷加重，檢修時應特別注意內壁拋光。

在反應器倒空或旋液分離器過度濃縮時，淤漿加熱器的異丁烷沖洗量不足，高濃度物料進入淤漿加熱器后流速較低，粉料、塊料在淤漿加熱器內沉積堵塞。出口溫度較高時，異丁烷流量不足會造成淤漿加熱器局部溫度高，粉料熔融黏壁結塊。因此，異丁烷沖洗量低是淤漿加熱器堵塞的根本原因。在處理天津中沙HDPE裝置淤漿加熱器堵塞事故時，發現其中一根堵塞有大量粉料和塊料的淤漿加熱器為堵塞最嚴重部位。堵塞的物料是由塊料和粉料結團形成的疏松塊料。在異丁烷流量逐漸變小時，垢層會阻礙塊料粉料流動，使塊料粉料相互結團，最終形成較大團塊，完全堵塞淤漿加熱器。

淤漿加熱器在長時間運行期間，尤其是在淤漿加熱器內壁不光滑部位，聚合物容易掛壁并逐漸形成垢層，導致淤漿加熱器內徑縮小，塊料粉料流動受阻，大塊料甚至無法通過從而造成堵塞。在處理天津中沙HDPE裝置淤漿加熱器堵塞事故時，發現其余6根直管均為管壁掛料，結垢程度不一，部分管段的致密垢層較厚，表明這是在長期生產過程中形成的。

3.3 淤漿加熱器優化控制措施

根據淤漿加熱器的換熱效果和入口壓力趨勢制定淤漿加熱器的切換計劃，定期檢查淤漿加熱器內部狀況，當掛壁結垢較嚴重時需使用高壓水清洗，防止造成嚴重的堵塞事故，影響裝置正常生產。

完善異丁烷沖洗量的規定，在反應器異常結塊退料或粉料濃度較高時，應相應提高沖洗量。提供合適的異丁烷沖洗量以及控制適當的出口溫度（即加熱蒸汽量），確保物料有足夠的流速將粉料或塊料沖洗出淤漿加熱器，減輕堵塞風險。

優化反應器參數控制，保證反應器的壓力和溫度穩定，無頻繁的較大波動。嚴格監控反應器的軸流泵運轉狀況，使漿料均勻循環，溫度均勻無局部熱點。

優化產品牌號的切換方案，避免頻繁切換牌號，控制好HDPE裝置開停車時的參數變化。根據產品牌號及反應器負荷控制合適的催化劑及抗靜電劑的加入量，減緩黏壁結皮現象。

通過上述措施合理控制淤漿加熱器和旋液分離器的運行，確保HDPE裝置的長周期穩定運行。

4 結論

1）旋液分離器堵塞的原因包括：旋液分離器底部濃度較高、產品黏度較大、生產負荷低、漿料組成中存在低相對分子質量或密度較低的聚合物等。優化措施包括：降低旋液分離器的頂部回流量、適當增加旋液分離器入口的沖洗流量、適當增大旋液分離器底部出料閥的開度、保證旋液分離器內壁光滑度、保證反應器壓力和溫度的穩定控制。

2）淤漿加熱器堵塞的原因包括：低聚物含量高、產品支化度高、反應器局部溫度過高、靜電、產物中有快料、反應器內壁不光滑等。優化措施包括：提高相應異丁烷沖洗量，優化反應器的參數控制、保證反應器無頻繁的較大波動，優化牌號切換方案、避免頻繁切換牌號，控制合適的催化劑及抗靜電劑的加入量等。

3）通過各種措施合理控制淤漿加熱器及旋液分離器的運行，并在HDPE裝置的生產過程中總結積累經驗，不斷優化操作和制定合理的檢修計劃，確保HDPE裝置的長周期穩定運行。

［1］張蘭，吳江，暮雪梅，等. HDPE生產工藝進展［J］. 合成樹脂及塑料，2012，29（2）：80.

［2］陳順利，王健，劉志軍，等. Hostalen高密度聚乙烯合工藝粘壁物結構剖析及原因分析［J］. 石油化工，2009，38（10）：111.

［3］劉興旺，王奎元. 高密度聚乙烯聚合反應中雜質的影響及消除辦法［J］. 石油煉制與化工，1995，26（1）：17 - 20.

［4］辛麟. 高密度聚乙烯裝置反應器飛溫原因分析及對策［J］. 廣州化工，2014，42（7）：147.

［5］宋珍珍. 高密度聚乙烯裝置旋液分離器堵塞原因分析及對策分析［J］. 廣東化工，2014，41（13）：223 - 224.

［6］李倩倩，于強，王展望，等. 聚合釜黏壁原因分析及減緩措施［J］. 工業技術，2011，28（4）：45.

（編輯 鄧曉音）

敬告讀者：從2016年第7期開始，本刊“專題報道”欄目將連續刊出華東理工大學化學工程聯合國家重點實驗室的系列專題報道。該專題主要報道化學工程聯合國家重點實驗室催化與反應工程的最新成果。敬請廣大讀者給予關注。

專題報道：本期報道了魚骨式納米碳纖維中單元石墨錐之間的連接方式及其結構參數對其結構穩定性能的影響。對于采用螺旋錐型和疊杯型兩種幾何模型的魚骨式納米碳纖維，其勢能隨中空尺寸的變化規律基本一致；魚骨式納米碳纖維的結構參數對其穩定性的影響十分顯著，其中,大外徑的魚骨式納米碳纖維可形成能量較低、結構較穩定的結構；而內徑的增大在一定程度上有利于魚骨式納米碳纖維穩定存在，但是過大的內徑可能會導致其結構坍塌。見本期1037-1042頁。

華東理工大學化學工程聯合國家重點實驗室簡介：化學工程聯合國家重點實驗室于1987年被批準籌建，1991年建成并正式開放運行，分別由清華大學、天津大學、華東理工大學和浙江大學承擔化工分離工程和化學反應工程方面的應用基礎研究。

華東理工大學化學工程聯合國家重點實驗室自成立以來，主要以化學反應工程為主要學科方向，在反應動力學、多相流動與傳遞、分子熱力學與傳遞等研究領域有鮮明的特色和突出的優勢，創立了反應器開發與放大的思想與方法，成功開發了聚酯、苯乙烯、甲醇、醋酸乙烯等大型與特大型反應器，是國內知名的化學反應工程研究與開發單位。近年來，華東理工大學化學工程聯合國家重點實驗室重點研究化工過程強化、化工系統工程和材料產品工程。在鹽湖資源綜合利用，乙烯和PTA等大型工業石油化工過程控制與優化，液/液和液/固旋流分離、傳熱過程強化，反應精餾，微流體反應系統，膜分離技術，超臨界流體技術，聚合物加工，聚烯烴催化，高性能碳材料等領域的研究與開發有雄厚的實力和突出優勢。

實驗室現有高級研究人員20名，其中，包括中國工程院院士2名，“長江學者”特聘教授3名，國家杰出青年基金獲得者3名，新世紀百千萬人才工程國家級人選3名，教育部跨/新世紀優秀人才6名，上海市各類人才計劃獲得者12名。

經211重點學科和985優勢學科創新平臺建設，華東理工大學化學工程聯合國家重點實驗室目前擁有先進的實驗與計算設施，包括大型冷模實驗平臺、材料結構與性能表征平臺和高性能計算平臺等公共平臺。

Aanalysis of the blockage of high density polyethylene slurry treatment system

Qu Zhenhui
（Huizhou Ref nery Branch，CNOOC Ref nery Co. Ltd.，Huizou Guangdong 516080，China）

The causes of the blockage of both hydrocyclone separator and slurry heater in a high density polyethylene(HDPE) plant were analyzed and some measures for solving the problems were proposed. The causes of the hydrocyclone separator blockage included：the high concentration of materials at the bottom of the hydrocyclone separator，high product viscosity，low production load and the slurry composition. The modification measures included：reducing the top back flow，increasing the inlet f ush f ow，suitably increasing the opening of the discharge valve at the bottom，keeping the smoothness of the inner surface，and controlling the reactor pressure and temperature stably. The causes of the slurry heater blockage included：high oligomer content，high degree of branching of the products，high local temperature of the reactor，electrostatic ef ect，lump materials in the slurry and the unsmooth inner wall of the reactor. The corresponding optimization measures included：increasing the isobutane flush flow，optimizing the operating parameters of the reactor，optimizing the brand switching scheme，and adding appropriate amounts of catalyst and antistatic agent.［

］high density polyethylene；hydrocyclone separator；slurry heater；blockage

1000 - 8144（2016）09 - 1123 - 05

TQ 062

A

10.3969/j.issn.1000-8144.2016.09.017

2016 - 03 - 03；［修改稿日期］2016 - 05 - 18。

曲振輝（1988—），男，山東省臨沂市人，大學，助理工程師，電話 13516695660，電郵 qzhuiicnooc@163.com。