143 m3聚合釜PVC生產(chǎn)效率的提高

常喜斌，王江波

(青海省礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司，青海 西寧 810000)

青海鹽湖海納化工有限公司(以下簡(jiǎn)稱海納化工)懸浮法PVC裝置設(shè)計(jì)產(chǎn)能為20.5萬t/a，采用從法國(guó)阿科瑪公司引進(jìn)的3臺(tái)143 m3聚合釜。投入生產(chǎn)以來，嚴(yán)格按照法國(guó)阿科瑪公司PVC生產(chǎn)工藝進(jìn)行控制，但也只能勉強(qiáng)達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)能，生產(chǎn)過程稍有波動(dòng)就很難完成產(chǎn)量要求。在目前的市場(chǎng)環(huán)境和嚴(yán)峻的經(jīng)營(yíng)狀況下，裝置改造勢(shì)在必行，改造目的是通過研究聚合反應(yīng)過程縮短聚合時(shí)間；控制投料和出料操作，縮短單臺(tái)聚合釜生產(chǎn)周期，擴(kuò)大產(chǎn)能。

1 現(xiàn)狀分析

海納化工懸浮法PVC生產(chǎn)不穩(wěn)定，單釜生產(chǎn)時(shí)間波動(dòng)大，聚合時(shí)間長(zhǎng)，投料、出料時(shí)間未作精細(xì)化控制，氯乙烯轉(zhuǎn)化率波動(dòng)大。統(tǒng)計(jì)了2015年8月下旬3臺(tái)聚合釜近40釜的聚合時(shí)間，發(fā)現(xiàn)3臺(tái)聚合釜的聚合時(shí)間在220～265 min，波動(dòng)均比較大，對(duì)其進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。

由表1可見：3臺(tái)聚合釜的平均反應(yīng)時(shí)間在250 min左右，按照該時(shí)間計(jì)算，在生產(chǎn)不出現(xiàn)任何意外情況下，產(chǎn)能只能達(dá)到208 139 t/a，勉強(qiáng)達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)能；而且3臺(tái)聚合釜反應(yīng)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)偏差較大，說明反應(yīng)時(shí)間波動(dòng)大，反應(yīng)重復(fù)性低，不可控因素多。這說明海納化工143 m3聚合釜PVC生產(chǎn)效率與國(guó)內(nèi)外先進(jìn)水平存在一定差距，主要原因?yàn)榉磻?yīng)過程控制不夠精準(zhǔn)。要解決上述問題，就需要探索影響反應(yīng)過程的原因，提高批次一致性并縮短反應(yīng)時(shí)間。

表1 各聚合釜聚合時(shí)間統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of polymerization time in different polymerizers

2 設(shè)定目標(biāo)

按目標(biāo)產(chǎn)能23萬t/a,年生產(chǎn)時(shí)間8 000 h計(jì)，目標(biāo)日均產(chǎn)量為230 000×24÷8 000=690(t/d)。

143 m3聚合釜每釜投料52 t VCM,轉(zhuǎn)化率為88.46%，則每釜PVC產(chǎn)量為52×88.46%=46(t),每天單臺(tái)聚合釜生產(chǎn)釜次為690÷(46×3)=5，則單臺(tái)釜的反應(yīng)周期為24×60÷5=288(min)。

所以，必須將單臺(tái)釜的反應(yīng)周期控制在288 min以內(nèi)，其中包括投料、聚合、出料的所有時(shí)間。由于投料和出料時(shí)間基本固定，只能作精細(xì)化處理，故反應(yīng)周期的縮短基本上依賴于聚合時(shí)間的縮短。按照2016年8月120批次反應(yīng)周期的統(tǒng)計(jì)，投料、出料時(shí)間固定為52 min，因此必須控制聚合時(shí)間在236 min以內(nèi)(包括壓降時(shí)間)。相比之前的251 min，須縮短15 min。同時(shí)，還需要保證聚合轉(zhuǎn)化率在88.6%以上。

3 過程分析

聚合反應(yīng)周期由3部分組成：準(zhǔn)備及投料、聚合反應(yīng)、出料。準(zhǔn)備及投料階段依賴于設(shè)備的完好率和操作人員對(duì)系統(tǒng)的熟悉程度，調(diào)整余地甚小，只要設(shè)備完好、操作人員熟悉工藝，這一時(shí)間基本保持穩(wěn)定。聚合時(shí)間影響因素眾多，可分為以下3個(gè)部分。

(1)原料。

①引發(fā)劑。氯乙烯懸浮聚合是放熱反應(yīng)，但其所需吉布斯自由能很高，無法在通常溫度條件下進(jìn)行。引發(fā)劑可以在較低的溫度下釋放自由基，是聚合反應(yīng)過程中初始自由基的唯一來源。引發(fā)劑的半衰期及過氧基團(tuán)的活性是決定聚合反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)時(shí)間的重要因素。但是根據(jù)聚合反應(yīng)的特性，在現(xiàn)有傳熱條件下過度提高引發(fā)劑用量具有較大危險(xiǎn)。

②氯乙烯。氯乙烯單體中往往含有其他不利于聚合反應(yīng)的成分，如乙炔具有阻聚作用，酸堿成分會(huì)破壞分散劑體系等，所以氯乙烯質(zhì)量要符合標(biāo)準(zhǔn)。

③分散劑。分散劑的作用是在聚合反應(yīng)開始前，將氯乙烯液滴包裹保護(hù)起來，避免生成粗料甚至發(fā)生爆聚。對(duì)于分散劑，首先要確定其性能符合要求，其次要保證一定的加入量且體系不被破壞。

相機(jī)位點(diǎn)根據(jù)調(diào)查樣地布置，通常選擇植被條件相對(duì)好、人跡罕至、動(dòng)物痕跡較多的鳥獸道或溪流水邊作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，布設(shè)相機(jī)視角沿鳥獸道水平方向，根據(jù)保護(hù)區(qū)實(shí)際地形特征，相機(jī)距地面高度在20～100 cm。一般將紅外相機(jī)固定于樹干上，紅外相機(jī)之間的水平間距大于200 m。紅外相機(jī)(Ltl ACORN 6210)拍攝照片為500萬像素，設(shè)置為觸發(fā)后拍攝1張照片和錄制20 s視頻，觸發(fā)間隔為 10 s(布設(shè)后記錄相機(jī)位點(diǎn)的經(jīng)、緯度、海拔、生境類型、距樣線垂直距離等信息)。在監(jiān)測(cè)過程中，定期檢查與更新紅外相機(jī)的SD卡和電池，保證監(jiān)測(cè)的連續(xù)性。

(2)過程控制。

對(duì)于聚合反應(yīng)來講，其過程控制就是對(duì)反應(yīng)過程中溫度的控制。在聚合反應(yīng)開始后，聚合溫度決定著氯乙烯聚合反應(yīng)的激烈程度，也就是聚合反應(yīng)的速度，同時(shí)也決定著產(chǎn)品的分子質(zhì)量。阿科瑪公司技術(shù)中對(duì)溫度分兩部分控制：冷凝器撤熱的控制和聚合釜夾套撤熱的控制。對(duì)于這兩部分，從以下3個(gè)方面著手控制：①夾套撤熱的PID調(diào)節(jié)，②冷凝器功率的計(jì)算調(diào)節(jié)，③聚合釜公用循環(huán)水系統(tǒng)的撤熱能力。

(3)出料階段。

在設(shè)備正常的情況下，出料時(shí)間是固定的。且出于保護(hù)設(shè)備及工藝管道方面的考慮，不宜縮短出料時(shí)間。

4 各影響要素研究

(1)氯乙烯質(zhì)量。統(tǒng)計(jì)了海納化工2015年12月—2016年2月的氯乙烯質(zhì)量，各項(xiàng)性能均合格。

(2)引發(fā)劑用量。對(duì)Arkema223EN50引發(fā)劑用量進(jìn)行了單因素投料試驗(yàn)，結(jié)果見表2。

表2 Arkema223EN50引發(fā)劑用量試驗(yàn)Table 2 Test of dosage of initiator Arkema223EN50

由表2可見：引發(fā)劑的用量對(duì)聚合反應(yīng)的影響較大。

(3)設(shè)備輸送能力。對(duì)各輸送泵的輸送能力進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表3。

表3 輸送泵輸送能力統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of transport capacity of pumps

(5)循環(huán)水溫度。統(tǒng)計(jì)了循環(huán)水溫度，發(fā)現(xiàn)其符合要求，滿足撤熱能力。

根據(jù)以上分析，認(rèn)為導(dǎo)致聚合時(shí)間延長(zhǎng)且批次質(zhì)量不一致的主要原因有兩點(diǎn)：①引發(fā)劑的用量或種類不能滿足反應(yīng)要求；②反應(yīng)溫度波動(dòng)大。分析認(rèn)為引發(fā)劑是導(dǎo)致反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)且批次性不一致的根本原因，反應(yīng)溫度波動(dòng)大是后續(xù)表現(xiàn)。

5 改進(jìn)措施

針對(duì)以上的原因分析，將技改分兩步進(jìn)行，先調(diào)試引發(fā)劑，再以引發(fā)劑為固定因素進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。

(1)引發(fā)劑的調(diào)節(jié)。

由表2可以看到，Arkema223EN50引發(fā)劑在使用過程中出現(xiàn)了前期反應(yīng)速率高、后期引發(fā)能力不足的問題，說明引發(fā)劑效率低，半衰期短。為此，采用國(guó)產(chǎn)ZH引發(fā)劑替代Arkema223EN50進(jìn)行了單因素試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。由表4可見：采用ZH引發(fā)劑后，聚合時(shí)間明顯縮短，聚合反應(yīng)壓降時(shí)間延長(zhǎng)，同時(shí)聚合反應(yīng)不再出現(xiàn)前期劇烈后期乏力的情況。

更換引發(fā)劑前后PVC產(chǎn)品質(zhì)量情況見表5。由表5可見：ZH引發(fā)劑在半衰期和引發(fā)效率等特性上適合海納化工143 m3聚合釜的反應(yīng)條件，產(chǎn)品質(zhì)量未出現(xiàn)明顯變化。

表4 國(guó)產(chǎn)引發(fā)劑替代試驗(yàn)Table 4 Test on substitution of domestic initiator

表5 更換引發(fā)劑前后PVC產(chǎn)品質(zhì)量情況Table 5 PVC product qualities respectively before and after initiator is replaced

(2)溫度控制調(diào)節(jié)。

①針對(duì)反應(yīng)初期夾套水溫度波動(dòng)較大的情況，在不同PID下，通過閥門的自動(dòng)調(diào)節(jié)，使反應(yīng)溫度波動(dòng)降低。該工作采用正交試驗(yàn)法進(jìn)行，結(jié)果見表6。

表6 夾套水溫度控制PID正交試驗(yàn)Table 6 Orthogonal test of PID of jacket water temperature control

經(jīng)過正交試驗(yàn)，確定試驗(yàn)序號(hào)5為夾套水溫度控制的最佳PID參數(shù)。

②反應(yīng)中后期溫度波動(dòng)大的根本原因?yàn)楦斃淠鞒窡崮芰Σ蛔?，夾套傳熱量高，導(dǎo)致夾套溫度調(diào)節(jié)偏差大。通過統(tǒng)計(jì)不同冷凝方案反應(yīng)過程中各個(gè)時(shí)間段的放熱量計(jì)算釜頂冷凝器的功率及利用率，結(jié)果見表7。

表7 冷凝器功率及利用率Table 7 Power of condenser and use ratio

根據(jù)釜頂冷凝器的使用規(guī)范和實(shí)際需求，采用方案2。

6 改造效果

改造實(shí)施近4個(gè)月，取得了階段性成果，聚合時(shí)間大大縮短，2016年11月3臺(tái)聚合釜120批次的平均聚合時(shí)間統(tǒng)計(jì)見表8。

表8 改進(jìn)后的聚合時(shí)間Table 8 Polymerization time after improvement

由表8可見：3臺(tái)釜的平均聚合時(shí)間為213 min，比改造前縮短了38 min。每釜的反應(yīng)周期縮短到213+52=265(min)。

按照目前的反應(yīng)周期，每釜可節(jié)約反應(yīng)時(shí)間:38÷(250+52)=12.58%。PVC產(chǎn)能可達(dá)到：8 000×3×46×60÷265=249 962(t/a)。

7 結(jié)論

(1)通過試驗(yàn)論證，阿科瑪公司工藝包中的引發(fā)劑(Arkema223EN50)半衰期和引發(fā)劑效率不適合海納化工143 m3聚合釜PVC生產(chǎn)。根據(jù)調(diào)研和生產(chǎn)試驗(yàn)，更改了工藝包數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了助劑的國(guó)產(chǎn)化，每年可節(jié)約成本200余萬元。

(2)通過研究，將聚合反應(yīng)周期縮短到265 min，提高了聚合生產(chǎn)效率，使海納化工PVC裝置產(chǎn)能提升到近25萬t/a，增加了產(chǎn)值,創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。