淺析氣相流化床聚丙烯反應器內丙烷濃度偏高的原因與控制

摘 要：本文闡述了氣相流化床工藝中丙烷濃度對反應及相關系統的影響，并通過分析生產過程中丙烷濃度超出時帶來的危害現象，重點討論反應器內丙烷濃度偏高時如何判斷與控制，從而保證反應及相關系統長周期平穩運行。

關鍵詞：丙烷濃度;冷凝量;在線色譜;丙烯分壓;產品出料系統;回收塔

1 概述

在氣相流化床聚丙烯工藝中，反應器內的丙烷由原料丙烯帶入，隨排放氣進入回收系統后排出。丙烷在反應器內不參與化學反應，其作用是與丙烯一起維持反應器C3分壓和冷凝量的穩定，與氮氣組成反應器內惰性組分的動態平衡。操作經驗表明，當丙烷濃度維持在正常范圍內時，會有效增加反應熱的移除能力，保證聚合反應催化劑活性的相對穩定，同時具有降低丙烯單耗和抑制靜電的作用。但如果反應器內的丙烷濃度偏高，特別是在生產負荷較高時，就會給產品出料以及回收系統帶來波動，影響反應器內丙烯分壓的正常維持，降低反應器的產率和抗干擾能力，給生產長周期平穩運行帶來隱患。如果反應器內丙烷濃度偏高時能及時發現并調整，就會有效控制丙烷濃度在正常范圍內。本文根據實際生產情況，闡述了引起反應器內丙烷濃度偏高的主要原因，并通過分析一些相關的實際現象，得出一些與之相關的監控及調整措施，以使丙烷濃度維持在對生產最有利的范圍內。

2 反應器內丙烷濃度偏高的主要原因

原料不純，儀表、閥門偏差大，回收塔分離效率低等是造成反應器內丙烷濃度偏高的主要原因。下面就引起反應器內丙烷濃度偏高的一些主要原因進行分析：

2.1 原料丙烯中丙烷濃度超出

原料丙烯中含有約0.4%的丙烷，當原料中丙烷濃度偏高時，就會導致反應器內丙烷累積速度加大，若上游原料不能及時調整，本裝置丙烷處理能力受限就會導致反應器內丙烷濃度偏高。

2.2 在線色譜不準

反應器循環氣在線氣相色譜以及回收塔底色譜是可以直接測量出對應系統內丙烷濃度的在線分析儀表。反應器在線色譜通過對快速回路的循環氣進行分析而實現對反應器內各個組分的實時監控，回收塔底色譜同樣具有對回收塔底組分實時監控的作用。如果在線色譜在運行過程中偏差大或不準，就會誤導操作員不能及時了解系統內實際丙烷的濃度，致使反應器內丙烷濃度偏高。

2.3 反應器實際排放量偏低

在正常生產過程中，反應器會保證一定的對回收排放量，以滿足回收系統正常運行和平衡反應器內的惰性組分。當實際控制的排放氣量不夠或因流量計、自動閥的偏差大造成實際排放量不足時，就會造成反應器內丙烷濃度不斷累積后偏高。

2.4 回收塔分離效率低

回收系統的平穩高效運行是確保反應系統正常運行節能減排的必要環節，當回收塔的操作參數控制不佳或因設備老化等原因造成的分離效果差時就會導致回收丙烯中丙烷濃度增大而使得反應器內丙烷濃度隨之升高。操作經驗表明，當回收塔的相關參數如進料量、塔底溫度、塔頂溫度、塔壓、回流量等控制不佳就會造成塔的分離效率降低。同時當生產周期較長時，設備的老化特別是以循環水換熱的塔頂冷卻器會因結垢換熱效率明顯降低導致塔分離效果下降。如此一來不僅會導致反應器內丙烷濃度的偏高，還會造成裝置丙烯單耗的增加。

2.5 后冷器底部因閥門內漏或儀表偏差造成的不計量液相返回

回收壓縮機后冷器底部返回至反應器的液位控制閥門存在內漏或流量計偏差較大時，就會無形中有一股不計量的富丙烷流返回至反應器內，導致反應器內丙烷濃度偏高。

3 反應器內丙烷濃度偏高時的主要現象

在正常生產過程中，一些在線分析儀表可直接測量出該系統的丙烷濃度，同時當反應器內實際丙烷濃度偏高時就會引起反應、產品出料系統以及回收系統的相關參數發生變化。通過以上情況的結合判斷則可確定反應器內丙烷濃度是否超出正常范圍。

3.1 循環氣在線氣相色譜丙烷濃度偏高

循環氣在線氣相色譜作為日常對反應器監控的主要手段，通過以往操作經驗，當循環氣色譜檢測出的反應器內丙烷濃度小于10%時，各系統相對穩定。在原始開工初期，丙烷濃度會比較低，此時通過控制較高的丙烯分壓來維持C3分壓而保證一定的冷凝量。當生產周期較長時，反應器內丙烷會逐漸累積后達到動態平衡，若循環氣色譜分析出丙烷濃度超過10%，則說明反應器內丙烷濃度已偏高。

3.2 C3分壓上漲

C3分壓是反應器內丙烯與丙烷所占分壓之和，在正常生產過程中丙烯分壓控制是相對穩定的，當發現C3分壓上漲時則說明反應器內丙烷濃度正在上漲。

3.3 產品出料系統壓力頻繁報警，回收系統壓力增大

產品出料系統的運行情況最能真實反映出反應器內實際冷凝量的多少，是作為正常生產時判斷反應器運行工況及組分情況的重要手段之一。當丙烯分壓穩定時，丙烷濃度的增加會使得反應器的冷凝量隨之增大，造成產品出料系統帶液，引起出料系統泄壓時間變長、壓力頻繁報警甚至導致出料系統超壓聯鎖停止。同時由于出料系統帶到回收的排放氣增加，回收壓縮機入口壓力增大，嚴重時會出現回收壓縮機后冷器液位上漲而返液的現象。

3.4 丙烯分壓控制較正常狀態下偏低

當反應器內丙烷濃度偏高到一定程度時，反應器的冷凝量就會達到上限，此時想要確保反應器相對穩定，就必須降低丙烯分壓的控制，以保證C3分壓和冷凝量的穩定。

如圖所示：當丙烷濃度在6%-10%時，丙烯分壓控制比較穩定，當超過10%后，丙烯分壓控制會隨丙烷濃度的增加明顯下降，很難控制到正常范圍內。

3.5 反應器穩定性下降

在正常生產過程中，反應器的床層溫度會受循環水溫度的波動而波動，一般情況下，這種波動引起的冷凝量變化不會造成系統的較大波動，但如果反應器內丙烷濃度偏高時，這種溫度波動引起的冷凝量變化就會更加明顯，造成產品出料系統壓力高、泄壓時間變長、甚至聯鎖停止，以及回收壓縮機后冷器液位上漲返液并引起新鮮丙烯進料波動的現象。

4 控制反應器內丙烷濃度偏高的相關措施

通過上述對反應器內丙烷濃度偏高的原因分析與現象總結，可以通過以下相關措施對反應器內丙烷濃度做好監控和調整，來控制反應器內丙烷濃度在正常范圍內：

4.1 原料純度的監控

上游原料純度是本裝置反應器內丙烷濃度維持在正常范圍內的第一環節，當發現反應器內丙烷明顯上漲，而本裝置各系統未發現異常時，可及時聯系上游裝置進行檢查分析，若確定為原料丙烯中丙烷濃度偏高，在上游裝置進行相應調整時，本裝置可根據情況對反應及回收等系統進行調整，待上游原料恢復后再逐漸恢復正常控制。

4.2 在線色譜及相關儀表閥門的維護與校驗

在線色譜好比操作員的眼睛，對系統工況進行實時監控，要確保其準確穩定才能達到監控的目的，所以在線色譜的定期維護校驗是非常重要的，同時可定期對反應器循環氣以及回收塔底物料進行采樣分析，與在線色譜進行比對，以確保在線色譜準確而達到監控的目的。對反應器排放及回收系統相關閥門和儀表應定期校驗維護，防止因儀表閥門不準引起反應器內丙烷濃度偏高。

4.3 回收塔操作優化及維護

回收塔的高效運行是保證回收丙烯純度控制反應器內丙烷濃度的重要環節。操作經驗表明，當回收塔底再沸蒸汽控制量滿足塔底溫度達到60℃以上，塔頂冷卻循環水控制頂溫在42℃左右時，塔底色譜顯示外排丙烷濃度可達到85%左右。所以當反應器內丙烷濃度偏高時，應及時對回收塔各參數進行優化，以提高塔的分離效率。針對設備老化等情況可定期對相關設備進行維護，操作經驗表明，定期對塔頂冷卻器除垢可有效降低設備老化結垢帶來的冷卻效率低的危害，從而保證回收塔的分離效果，若設備老化程度嚴重可考慮更新設備以滿足生產需求。

4.4 反應參數優化

正常生產過程中應及時根據生產負荷和回收負荷優化反應器排放量以控制丙烷濃度。同時當反應器內丙烷濃度偏高冷凝量增大時，在調整期間，可對反應相關參數進行優化以降低因丙烷濃度偏高所帶來的危害。根據操作經驗，適當提高床溫，降低丙烯分壓等方式可有效降低反應器的冷凝量。

5 結束語

反應器丙烷濃度維持在正常范內對反應及各系統的平穩運行十分重要，通過以上分析，我們發現可以通過做好原料純度的監控、在線色譜及相關儀表閥門的維護與校驗、回收塔操作優化及維護、反應參數優化可有效控制反應器內丙烷濃度的偏高，保證生產長周期平穩運行。

參考文獻：

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[2]鄧凱，杜軍駐，仇汝臣.丙烷丙烯分離塔操作優化研究[J].山東化工，2012，41（3）：91-94.

作者簡介：

趙沛剛（1989- ），助理工程師，長期從事氣相流化床聚丙烯工藝操作。