聚乙烯氣相流化床生產優化分析

張佰運 呂明 馮偉忠

摘 ?????要：某石化公司低密聚乙烯車間采用UNIVATION公司UNIPOL氣相流化床聚乙烯生產工藝，年設計生產能力45萬t，是國內單套生產能力較大的裝置之一。列舉了裝置開工至今氣相流化床反應器生產過程遇到的一些實際問題，提出處理措施。總結了一些與反應器操作相關過程優化調整的方法和經驗，為同類型裝置生產提供借鑒和參考。

關 ?鍵 ?詞：聚乙烯;流化床;聚合反應;優化控制

中圖分類號：TQ 325 ??????文獻標識碼： A ??????文章編號：1671-0460（2019）03-0609-04

Abstract： A petrochemical company's low-density polyethylene unit adopts UNIVATION's UNIPOL gas-phase fluidized bed polyethylene production process， with an annual designed production capacity of 450 000 tons. In this paper， some practical problems in the production process of gas phase fluidized bed reactors were listed， and treatment measures were proposed. Some methods and experiences of process optimization and adjustment related to reactor operation were summarized， which could provide some reference for the production of same type of equipments.

Key words： Polyethylene; Fluidized bed; Polymerization; Optimization control

UNIPOL氣相流化床生產工藝是目前廣泛采用的氣相法聚乙烯技術，具有流程短 、壓力低、操作條件溫和等優點。本裝置采用該生產工藝，生產能力高且開工生產時間長，在實際控制中注意各項操作條件的優化控制，使反應器穩定生產并不斷降低能耗、物耗，保證了產品質量的合格穩定[1]。

1 ?聚合反應溫度控制優化調整

是否有效的撤除聚合反應熱是制約氣相流化床反應器生產能力的主要因素，不能有效控制反應熱將帶來爆聚風險。環境高溫生產是一個較長的階段，應提前檢查調溫水換熱器、調溫水閥的工作狀態、分布板是否堵塞而需要清理的情況。空氣高濕度減弱了冷卻水的水汽脫熱效果，應同時注意環境高溫、高濕度疊加造成的水溫升高現象，提前做好反應的調整[2]。包括提前增加誘導冷凝劑注入量、增加冷卻水流量、提高循環氣壓縮機導葉開度和提高反應器壓力增強撤熱能力等方法。如調溫水冷水控制閥已處在較高開度，可小幅度提高反應溫度設定值，降低調整難度。如出現短時間的反應溫度較高波動情況，可手動調整反應溫度設定值并提前、正向跟進，縮短調溫水閥自動調整時間。調整過當的問題是過高的誘導冷凝劑濃度會加速分布板堵塞，過高的流化氣速會增加細分帶出量，過高的冷卻水量將為溫度進一步升高的調整帶來難度，因此優化調整應在合理范圍內進行。調整措施無法滿足撤熱，應降低生產負荷。對已出現溫度持續上升的情況，應降低催化劑量，使反應重新回到正常狀態而不是強行維持高負荷生產。以生產基礎樹脂DJM-1820為例，優化調整情況如表1所示。

2 ?原料雜質控制優化措施

氣相流化床單程轉化率低，反應器的體積要比其他工藝的體積大很多。對原料雜質含量的嚴苛要求是氣相流化床反應器的特點之一。超標的雜質會毒化催化劑，影響催化劑的效能，引發反應器內嚴重的靜電波動，惡化時引發的爆聚反應將給反應器的清理帶來難度，復工時間較長。因此控制原料中雜質的含量十分重要，技術要求對原料中常見雜質控制在0.1 ppm以下，實際控制則會更低（表1）[3]。

2.1 ?原料精制床再生周期及再生時間優化

裝置需要床層精制的物料包括乙烯、共聚單體、誘導冷凝劑和氮氣，各項功能精制床共計10個。實際生產中應按照操作法對各精制床層定期再生，再生周期的確定要綜合以下幾個因素：原料雜質濃度、原料流量累積值、專利商再生周期要求、床層填料廠商技術數據、反應器靜電和催化劑活性變化情況并且要兼顧考慮生產能耗要求。反應器的實際情況是所有因素中最重要的一項，即使床層還未到再生時間，如反應出現由原料雜質影響導致的異常情況時，應立即切換床層。為避免忽然出現原料雜質大量超標無法處理的隱患，一般精制床實際再生周期要低于計算值和工藝專利要求，為應對突發情況提供有效余量。但為了避免過頻的再生造成床層壽命縮短和高能耗問題，應綜合考慮各因素，確定床層再生周期。現以裝置最大精制床-乙烯干燥C-2112為例，數據如表2所示。

原料精制床再生涉及能耗增加的步驟包括冷吹掃、熱吹掃、加熱再生、恒溫和冷卻5個過程，消耗氮氣和電能具有用量大和時間長的特點。再生前的泄壓則引起物耗的增加。本裝置在床層泄壓完成后采取逐漸升溫的方式直接進入熱吹掃，省去了冷吹掃步驟。精制床再生的節能降耗優化主要通過優化再生周期，另外一項內容就是優化再生時間。再生要求合格標準是以每一步的操作是否達到規定時間，但核心是以溫峰全部有效通過來確定。原設計熱吹掃和加熱再生過程加熱器設定溫度較低，由于管路長度原因以及環境低溫引起的熱損失問題，使到達精制床層的加熱溫度不足，導致實際加熱時間遠高于規定時間，造成氮氣的浪費。以C-2112為例，進行優化的情況如表3所示。

2.2 ?生產過程對原料雜質監控及分析調整

原料精制控制不應局限于對各項參數的分析，還應對生產中的異常變化多查找原因。有些看似與雜質控制不相關操作的分析、監控和優化調整手段對原料指標的控制起到了非常關鍵的作用。總結以下幾點：

（1）界區原料高溫導致的床層解析。界區原料波動常見現象為流量、壓力、溫度和雜質含量變化。其中原料溫度的升高會對裝置精制床產生一定的解吸附作用，床層使用時間越久，原料溫度越高則導致的解析作用越強也越容易發生反應器雜質含量超標的風險。特別是干燥床脫附帶出的大量水進入反應器引起的負靜電波動。對于這種問題，除及時聯系調整以外，還要將床層隔離出系統，待溫度正常后投用。

（2）產品出料系統PDS大小頭清理和精制床調盲板期間，短節置換不合格引入的雜質。氣相流化床反應器常常因為產生結塊現象而堵塞PDS大小頭，管線打開前應做好閥門的關閉隔離。注意雨雪天氣對短節、墊片等部件的水分帶入影響，在大小頭復位過程中應對管線多次氮氣升降壓置換合格，保證氧氣和水不被帶入回收系統，進而重新進入反應器。精制床短節的復位也應該進行有效的置換操作。

（3）除對界區原料和在線儀表監護以外，還要經常對裝置內各關鍵點采樣分析監控。裝置生產的某一階段，發現反應靜電出現異常波動，同時反應器產生的塊料量異常增加，對共聚單體單元的采樣對比分析后發現脫氣單元出現水值增高的現象，經過全面排查，發現了脫氣塔塔頂冷卻器內漏問題。同時建立了對原料定期離線采樣分析的監控制度，先后發現了氮氣壓縮機冷卻器多處內漏、氮氣內竄油和壓縮機儀表風進入氮氣系統的問題，保證了原料的質量并及時發現儀表失靈問題。

（4）裝置生產發現每當擠壓造粒系統停車處理后，反應器都會產生正靜電波動現象。經過長時間的跟蹤分析發現是E1線問題引起該情況。E1線是裝置原工藝要求擠壓機停車后，為防止脫氣倉粉料板結而進行粉料循環的流程。流程中要通過不能有效密封的粉料振動篩，循環后攜帶的空氣進入回收系統，最后返回反應器，引起了反應器氧氣濃度增高和正靜電波動情況發生。裝置對E1采取停用措施，該問題得到解決。擠壓機停車后的粉料主要通過采種子床保證了脫氣倉粉料的流動性。

（5）回收系統停車處理后，重新并入系統前需要對回收氣相和液相排火炬置換，不可以認為短時間的停機不影響雜質帶入[4]。

3 ?粉料樹脂排料系統PDS優化

本裝置有兩套PDS排料系統，每套包含兩個兩級產品排料系統，共4條出料線。正常情況下，兩個排料系統以交叉模式進行操作，氣體在PDS罐之間轉移以減少離開反應器的氣體量。排料時間的增加首先要防止PC出料罐滿進料對閥門的損壞。

依據PC填充率計算：

產品出料由反應器床高床重控制，所以當反應負荷提高以后，總出料次數相應也會增加，由公式可知：當堆積密度升高時，填充率下降，應適當提高出料時間;提高堆積密度會降低出料次數，降低設備的損耗;裝置設計時，過小的PC罐容積將限制反應負荷的進一步提高。

3.1 ?PDS出料時間調整優化

正常生產應盡可能增加PC罐出料時間，通過增加罐內粉料填充率來減少反應器內固定比例的原料氣進入回收系統，達到降低物耗的目的。另外一種增加出料時間的操作是當某一條出料線發生閥門或大小頭堵塞故障處理時，為了盡可能的滿足反應器的出料需求，需要將在用線出料時間延長同時摘除交叉平衡，雖然造成了原料的浪費但是保證了故障線處理時間和反應器的穩定運行[5]。

為了生產控制需要，對PDS出料設定時間也有很多減少的情況。例如反應器內出現很多塊料的情況，為了盡可能的將塊料多排出反應器，避免塊料長時間停留，造成流化狀態變差，需要降低出料設定時間，增加出料頻次。另外，當發生反應器壓力較高或需要置換反應器雜質時，一般通過降低出料時間來解決。除特殊情況并不會采用通過反應器直接向脫氣倉或低壓火炬泄放的形式來調節反應器壓力和控制反應器雜質濃度。因為直接排放的同時會造成排放閥的乙烯吹掃氣大量排放，引起物耗增加。反應器高負荷生產時，粉料、原料氣和催化劑在流化床內停留時間變短，引起反應器內催化劑活性的降低。進入PDS系統后，催化劑因保持較高活性而繼續發生反應，出料時間設定過長會導致出料系統內產生較多塊料。該階段形成的塊料與反應器內熱點形成的塊料有明顯區別，呈個體形狀大小均勻，施外加力容易破損，斷面為粉料顆粒狀。對比效果圖如圖1所示。

3.2 ?PDS系統閥門故障處理措施

單條排料系統包括A、E、G、H和J，以及兩條線間平衡線閥門W、X共10個閥門完成一次完整的排料過程，按照裝置設計生產能力56.25T/H時的統計，單條線閥門開關次數約為19～21次/h，其中平衡閥W、X動作次數增加一倍。高頻次的動作容易導致閥門經常出現故障，包括閥門執行機構損壞和儀表線路、限位開關故障。因此應該優化調整，同等負荷下增加排料時間，減少閥門動作次數來降低閥門故障率。各閥門故障中，E、W、X的故障處理較為關鍵，常出現關信號不到位引起的兩條線同時停止出料狀況，如正處在高負荷生產階段將快速引起高料位和高床重，引發反應器停車風險。出現這類問題應通過仿真或儀表處理，最先保證獲得閥門關閉信號，不影響另外一條線出料的前提下再進行現場的處理。

4 ?結 論

氣相流化床的撤熱情況影響負荷的高低和安全生產，尤其是環境高溫調整困難階段，更加應該重視優化操作。原料雜質的控制尤為關鍵，包括精制床和相關的操作控制和調整，對精制床的再生應進行有效的時間優化，降低裝置能耗、物耗水平。PDS出料時間的優化不但可以降低流化氣的損失，而且可以起到減少閥門的故障率和降低反應廢料產生的作用。對PDS系統特殊的閥門故障處理應該引起足夠重視，采取有效的方法調整，避免閥門故障導致更大的反應問題發生。需要特殊強調的是：由于氣相流化床的特殊性，當流化床已經出現了較明顯的惡化并進一步發展時，不應再爭取恢復正常的操作，而是應該考慮執行終止程序，將故障降低并徹底解決也是一種有效的應對事故狀態的優化手段。

參考文獻：

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