INEOS氣相聚丙烯反應溫度控制

楊學超

摘要： 聚丙烯主要是由丙烯通過一系列加工與聚合形成的熱塑性樹脂，也可以添加乙烯生產價值和性能更高的共聚產品，當前國內外應用最廣泛的聚丙烯技術有本體工藝技術以及氣相法工藝技術，本文介紹的INEOS工藝的溫度控制目前世界上應用較廣的一種聚丙烯工藝之一。INEOS氣相聚丙烯是由丙烯在臥式反應器內通過一定的溫度和壓力下加工與聚合形成的熱塑性樹脂，其中對溫度的控制是相當關鍵的，要求也是相當嚴格的。本文重點研究了聚丙烯反應溫度控制及控制中的問題和解決方法。

關鍵詞： 氣相聚丙烯；溫度控制；熱量；急冷液。

前言

當前，在世界范圍內，聚丙烯是一項最重要的合成樹脂，其具有來源廣、密度小、易回收、質量輕、耐腐蝕、耐高溫、機械性能優越等多種優勢，因而想要生產出更優性能的聚丙烯樹脂，對聚丙烯的反應控制研究尤為重要，其中對溫度的控制研究更是重中之重。

1 INEOS氣相聚丙烯工藝簡介

神華榆林公司聚丙烯裝置采用INEOS公司Innovene氣相聚丙烯工藝，以丙烯為主要原料，生產聚丙烯產品。

Innovene氣相聚丙烯工藝是美國Amoco公司于二十世紀七十年代開發的一種臥式攪拌床聚丙烯工藝，后由英國BP公司購得專利，進一步發展，所以又稱為BP-Amoco技術，最后由INEOS公司獲得。INNOVENE聚丙烯生產工藝采用氣相反應器技術生產聚丙烯產品，特點是使用帶水平攪拌器的反應器和高性能的 CDi催化劑，能耗低、過渡料少、產量高、操作可靠性高、操作彈性大、產品均一性好、質量控制好、工藝步驟簡單、安全及環境友好。該工藝由聚合級丙烯經精餾塔和脫除器除雜后在兩個串聯反應器生產出粉狀聚丙烯再經樹脂脫氣系統到擠壓造粒造出易儲存、運輸和加工的較安全的聚丙烯成品。

2 反應溫度控制

1.1 反應溫度控制概況

要生產性能優良、穩定的聚丙烯產品，反應溫度的控制是相當重要的，控制聚合反應的溫度主要是控制反應器內粉料的溫度。該氣相反應器一般是由四個區域組成，設計產能更大的裝置可增加至五個區，每個區有三個溫度測點，每個區域也有循環氣和3股急冷液注入，每股急冷液與一個溫度控制器與流量控制閥投串級控制，在第一區還有主催化劑和改性劑、三乙基鋁的加入，貫穿于整個反應器的還有一個巨大的攪拌器。

1.2 熱量來源

在聚合反應的初期，反應溫度是靠進入反應器的循環氣加熱和攪拌器的機械熱來提供熱量、提升溫度的。聚合期，反應溫度是靠一區的催化劑加入到反應器內，使氣相丙烯聚合發生反應，而釋放出大量的熱，隨著攪拌器的不斷攪拌，熱量散發出來，而粉料也逐步向二、三、四區移動，反應不斷繼續，熱量源源不斷的產生出來。

1.3 撤熱機理

反應器撤熱機理表觀上為加入到每區的急冷液蒸發帶走反應熱，但粉床中的細節極為復雜，為保持反應溫度穩定，大量的聚合反應放熱必須及時撤出。以HP操作為例，聚合放熱為2417kJ/kgPP，若不撤出熱量，10～15分鐘內，溫度快速升高22℃，反應器內某處可達熔點。壓力2.25MPa（G）的液相丙烯汽化熱為276kJ/kg。熱量最終由E206撤出，部分尾氣在E206中冷凝，E206為管式換熱器，以循環水為冷卻介質，將由撤熱時氣化產生的大量尾氣在此冷卻，大部分冷卻為液相丙烯返回至D201中，由D201底部離心泵G201加壓后以急冷液方式進入反應器進行循環利用，小部分仍為氣相丙烯經離心式壓縮機C201加壓后以循環氣方式進入反應器來維持系統的壓力。

在聚合反應中，若不及時撤熱，粉料將熔融、結塊。過多的粉料熔融、結塊，就必須停車，除塊料。故必須設置合適的撤熱系統。

臥式氣相反應工藝中，沿反應器軸向、粉床對面的反應器壁上，排布數個噴嘴，將丙烯急冷液噴灑在粉床上，氣化撤出反應熱。

1.4 溫度控制要點

進入粉床內部的粉料，繼續反應，一段時間后，再回到表面并被急冷液再次噴灑。期間，保持一定量的液體蒸發來維持床層溫度。急冷液與粉料接觸后不會完全蒸發，粉床內保持一定量的急冷液，作為粒子的覆蓋層。攪拌有助于整個床層濕粉料的分布，保證溫度控制穩定。

實驗表明聚合反應速度是隨反應溫度的升高而升高的，到達一定值以后會下降，而聚合反應速度既快、反應溫度又易控制的設定溫度為66℃。而實際生產中對反應溫度的影響因素又是多樣化的，所以在溫度的設定上又不是將每區溫度都設定為66℃，而是各區各個溫度點均略有不同。

由于催化劑是在反應一區加入，靠液相丙烯為載體，噴灑至反應器內部，所以反應一區的的反應更加劇烈，產生的熱量也就最多，該區域所需要撤熱的急冷液量也是最多的。通常為避免反應溫度有較大的波動，也是為避免聚合過程中產生塊料和片料，在對反應溫度控制時，并不是只考慮使反應達到最佳的反應速率，而是要綜合考慮反應的平穩度，故將一區溫度設定值降低，第一根溫度控制器設定在60～61℃，第二根溫度控制器設定在61℃，第三根溫度控制器設定在62℃。經過生產經驗得知，反應溫度達到58℃以下時，氣相丙烯會出現部分冷凝產生液態，使反應溫度波動劇烈，難以控制。伴隨著反應的繼續，反應越往后反應越弱，所需要維持反應來激發催化劑活性的溫度設定值越高，通常二區的溫度控制器設定值在63～64℃，三區的溫度控制器設定值在64～66℃，四區的溫度控制器設定值在65～67℃。

第二反應器是與第一反應器串聯起來進行生產的，不需要再次加入催化劑，靠第一反應器中催化劑的殘余活性來繼續生產，所以需要的溫度要較第一反應器高。第二反應器溫度的設定一般為一區設定在63～65℃，二區設定在64～66℃，三區設定在65～67℃，四區設定在66～68℃。如果某一區中的某一根急冷液量過多或過少，可能該區的溫度設定會臨時調整。

2 反應溫度控制中的異常情況

反應溫度出現波動或者出現異常情況經常會在反應中產生塊料或者片料，輸送到下游設備會堵塞閥門或者管線，嚴重時影響生產，停工檢修。

2.1 反應溫度波動原因

反應中經常會出現溫度波動或者是顯示故障的情況發生，該種情況可能引起的因素有以下幾種情況：

加入反應器中的催化劑流量突然變大，使一區溫度急劇升高；

反應器料位設定過高造成催化劑噴灑不勻產生局部熱點，使反應溫度升高；

反應器料位設定過低造成催化劑噴灑在攪拌軸上也會造成局部熱點，使反應產生波動；

急冷液噴嘴發生堵塞，造成撤熱的急冷液量不足以將反應產生的熱量轉移走使溫度產生波動；

2.2 反應溫度波動措施

反應溫度通常控制的波動范圍在設定值的±1℃之間，出現反應溫度異常波動時如不及時調整會導致溫度波動范圍越來越大，就像正弦余弦曲線似的一直波動，而且波峰越來越高，我們在正常生產中所能允許的溫度波動范圍最大是±3℃，否則可能就會產生嚴重的后果。所以在溫度出現上下波動時應及時調整，操作應采取的措施：

將反應溫度控制改為手動控制，將急冷液流量調整更快地滿足溫度調整所需要；

重新整定溫度控制的PID參數，使其調整起來更為合理。

2.3 反應溫度其它異常

如某一溫度控制點溫度長期低于或高于其設定值，則可能的原因為該區急冷液量過低或者過高，長期急冷液量低或者是沒有流量會導致急冷液噴嘴發生堵塞，長期急冷液量高可能為該噴嘴急冷液量已達上限。出現以上兩種情況任一種，均需對溫度設定值（亦即SP值）做出調整，通常為避免對同一根溫度點的設定調整幅度過大，我們亦會將其前后兩個溫度點設定值做出一定調整，來做到均衡控制，因為急冷液的噴灑也是發散型，不止會噴灑到自己的溫度探測點，也會噴灑到相鄰溫度探測點一部分。經生產實踐證明，調整某一溫度點的前溫度設定值較后溫度設定值更有效，也更能對后續系統影響最小，避免串連反應。

2.4 影響反應溫度的其他幾種因素

循環氣溫度的高低對反應溫度的高低有直接影響；

反應器中的惰性組分對提高反應溫度的有抑制效果；

反應中的雜質或者毒物影響反應速率，進而影響反應溫度的控制。