氣相法聚丙烯裝置產品質量工藝控制優化分析

劉恒寧

(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

隨著中國經濟持續快速發展，聚烯烴產品中的聚乙烯、聚丙烯以其優良的特性而得到廣泛應用。傳統的原油加工已不能滿足需求，而中國特有的“富煤、缺油、少氣”的資源特點及新技術煤制烯烴(MTO/MTP)、丙烷制烯烴(PDH)的發展和應用，一大批煤制烯烴生產裝置相繼建設，僅2017年建設和規劃中的煤制烯烴項目就近30 個，大部分為煤制烯烴一體化項目。由于大部分煤制烯烴項目集中在西部地區，鑒于運輸問題，最終產品都是固體顆粒狀聚乙烯和聚丙烯。丙烷脫氫制烯烴項目由于丙烷原料大多為進口而分布在沿海區域，最終產品也基本都是聚丙烯粒料。

目前聚乙烯、聚丙烯裝置經濟規模一般為0.3 Mt/a。在項目建設過程中的技術選擇階段，大多數企業都提出了產品差異化的需求，以期獲得高的市場利潤，但最終為追求項目投資效益最大化，大多數項目工藝技術選擇了流程短、投資低的氣相法工藝，加劇了聚烯烴產品的市場競爭，加之產品需求量因素，結果實際生產集中在了大宗牌號上，帶來了產品同質化問題。因此，要獲得高利潤、高收益，只有通過嚴格控制和提高產品質量，才能滿足市場需求，提高市場占有份額。

為此，本文從工程設計角度，對氣相法聚丙烯裝置通過優化主要工藝控制，提高控制水平，最終使產品質量得到嚴控，使企業的贏利模式由擴大產能和低價競爭，轉變為優化產能和價值最大化，建立有特色“可持續發展”的產品與市場發展策略。

1 聚丙烯工藝簡介

聚丙烯是一種優良的合成樹脂，由于其物理化學性質特殊，具有無味無毒等特性，成為通用熱塑性樹脂中應用最廣泛的高分子材料之一，是由烯烴聚合技術將丙烯聚合得到產品，包括丙烯均聚物及與少量乙烯、α-烯烴等共聚得到無規共聚物和抗沖共聚物。

聚丙烯工藝技術，根據聚合方式，可分為溶劑法、淤漿法和氣相法、本體法。而聚合催化劑的研究進展使得聚丙烯生產工藝不斷簡化、合理，節能、降耗的效果更加明顯，不僅大幅降低了生產成本，而且提高了產品的質量和性能。目前，傳統的溶劑法、淤漿法工藝的比例明顯下降，氣相法及本體-氣相組合工藝以其工藝流程簡單、單線生產能力大、投資省而備受青睞。本文以氣相法為基礎進行討論。

1.1 工藝流程簡述

聚丙烯裝置主工藝單元由原料精制、聚合反應、脫氣與回收、造粒等單元組成。主要原料丙烯通過數個催化劑(或分子篩)床層，脫除其中所含的微量一氧化碳、氧、水分、二氧化碳、炔烴、甲醇和其他二烯烴等雜質，進入聚合反應單元；在催化劑和助催化劑的作用下，聚合反應在核心設備反應器中進行。僅丙烯原料，可以生產均聚物產品，若有乙烯參與反應，則在第一反應器可以生產無規共聚物，粉料繼續送入第二反應器可以生產抗沖共聚物；粉料樹脂由反應系統的出料系統送到產品脫氣倉，將含有烴、氮氣混合物的氣體與樹脂分離，并在排放氣回收單元將烴類回收；脫氣后的粉料樹脂與添加劑混合后經擠壓造粒單元得到顆粒產品，在摻混料倉摻混為合格的產品送入包裝系統進行包裝、外運。聚丙烯裝置主工藝單元流程如圖1所示。

圖1 聚丙烯裝置主工藝單元流程示意

1.2 產品質量指標

產品質量控制是聚丙烯生產中至關重要的環節，產品質量的好壞直接影響產品的后續加工及應用。聚丙烯的質量指標比較多，與生產工藝和生產操作過程關系較為密切的有等規度、熔體流動速率、相對分子質量、灰份含量、氯含量、揮發份含量、表觀密度等，而密度、熱性能、電性能等是聚丙烯的固有特性，另外拉伸力學性能、沖擊強度、硬度等，則是介于產品質量指標和固有特性之間。

2 工藝控制優化及分析

目前聚丙烯生產工藝已非常成熟，反應系統的控制對產品的質量影響較大，筆者從所參與項目中，就所進行的設計優化實例做如下分析。

2.1 原料丙烯中雜質分析

聚合用單體丙烯中雜質的存在，會影響催化劑的活性，影響催化劑定向能力從而影響產品的等規度，有的雜質還會影響產品的熔體流動速率。在原料精制單元，通常都會根據原料丙烯的組成，對一氧化碳、硫化氫、羰基硫、水、二烯烴、炔烴、乙烯、各種烷烴、甲醇等雜質進行脫除。但少量雜質在反應器中長期積累，會產生消極影響。

該設計優化是針對原料丙烯中的丙烷含量的影響所進行的控制優化，丙烷分析優化如圖2所示。工藝流程中，反應器出口氣體經循環氣壓縮機增壓，返回反應器。為隨時監測反應氣的組成，在此設置了在線分析儀，對一氧化碳、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、氫等組分進行在線分析，并與主反應原料丙烯進行分析運算。以往裝置僅設置了氫與丙烯、乙烯與丙烯的運算，該設計優化增加了丙烷與丙烯的運算，如圖2中AY-3所示，并將結果送到反應器頂部壓力控制邏輯中，確保其中來自反應器未反應的丙烷不會在循環氣中長期積累，回到反應器后降低丙烯分壓，從而降低聚合速率和丙烯的轉化率，最終影響產品的等規度，增加丙烯單耗。

2.2 活化劑的加入保護

在聚丙烯的生產過程中，活化劑三乙基鋁能與主催化劑形成活性中心，在反應過程中增大反應物的烷基化，同時消除原料及系統中的有害雜質，保護主催化劑，提高催化劑的定向能力，因而加入量不僅對產品等規度有明顯的影響，還對催化劑的得率也有一定的影響，在一定的添加量范圍內，聚丙烯產品的等規度會隨著活化劑的添加量的增大而提高。但活化劑通常由于加入量小，通過注入管件注入反應器時可能發生堵管，故加入少量原料液相丙烯混合，以防止流量小堵塞管口，導致反應器中活化劑量減少。

圖2 丙烷分析優化示意

該設計優化增加了丙烯流量指示報警，如圖3所示，并參與反應系統進料的聯鎖邏輯，若發生報警、聯鎖，立刻采取相應措施，避免添加量過大，活化劑自身的特性使粉料黏度增大，生產不流暢，甚至導致產品質量不合格。

圖3 丙烯流量指示報警示意

2.3 反應溫度的影響

反應溫度對丙烯聚合有很大影響，一般升高溫度，可以加快反應速度，但反應溫度高于產品牌號所用催化劑確定的反應溫度時，反應不易控制，容易爆聚，且等規度及反應速度不再增加，相對分子質量也隨溫度升高而下降，產品熔體流動速率受到直接影響。

該設計優化對以往的循環氣冷卻器冷卻水溫度調節環節增加了反應器溫度做為其設定值用于串級控制，從而控溫更加準確、穩定，反應器溫度變化小。

2.4 氫調的影響

在聚丙烯生產中，采用加氫的方法來調節聚合物的相對分子質量以控制產品的熔體流動速率，該控制過程又稱“氫調”。氫氣在聚合反應過程中起到了高能鏈的轉移的作用，有效地控制分子鏈的長度，即聚合物的相對分子質量。隨著聚合反應時加氫量的增加或氫調效果的改善，聚合物相對分子質量的減小，產品熔體流動速率增大，但同時等規度會下降。因此，針對不同的牌號需要嚴格控制氫氣的加入量，在提高熔體流動速率的同時也應考慮對產品等規度的影響。

該設計優化中將氫氣進入反應器的調節閥分為兩程，如圖4所示。針對不同牌號反應器氫氣濃度差別較大的情況，高流量需求時采用FV-3A調節閥控制，低流量需求時采用FV-3B調節閥控制，從而解決了以往單一調節閥因調節范圍過大而造成調節精度過低的問題，所需牌號產品的質量也得到了精準控制。

2.5 催化劑濃度的影響

在聚丙烯反應體系中，催化劑的加入不僅對反應速度產生影響，同時對產品的等規度也有一定作用，通常來說，催化劑濃度越高，產品的等規度越高。當因原料雜質或操作原因使催化劑的活性下降時，可適當提高催化劑的濃度及多投活化劑來消除原料中有害雜質對催化劑的破壞作用，以提高產品等規度，但催化劑添加過量，很容易導致催化劑組分在高溫環境下被分解，殘渣的濃度增大會加大聚丙烯的灰份，不僅對粉粒產品的外觀有一定的影響，還會嚴重影響產品的穩定性。

該設計優化通過增加活化劑與催化劑的比值計算，對加入到反應器中的催化劑及活化劑進行精確計量，在保證催化劑、活化劑活性的前提下，滿足聚合反應的需求，減少催化劑的用量，同時確保催化劑在反應器中的濃度可控及響應及時，降低產品中的灰份含量。

3 結束語

近些年來聚丙烯產品因其優良的特性，越來越廣泛的應用于汽車、家電、包裝、電子、建筑材料等多個領域，生產企業對產品的質量控制越來越嚴格，以提高企業的綜合競爭力。作者對生產工藝中影響產品質量的等規度、熔體流動速率、分子量、灰份含量的原料雜質分析、反應溫度控制、活化劑加入保護、氫調控制、催化劑濃度控制進行了設計優化實例分析，實際應用中達到了加強產品質量控制的目的。

圖4 氫氣多程調節示意

本文所分析實例，是工藝控制源頭，加之與先進過程控制結合應用，將會大幅提高控制精準度，降低過渡料的產量，加快牌號切換時間，有益于企業依市場所需，建立有特色“可持續發展”的產品與市場發展策略，擴大“差異化”產品量，減低“無差異”產品量和生產成本的利潤最大化目標。

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