Novolen聚丙烯工藝循環氣冷凝器液位對熔指的影響

王 齊，唐建兵，姜如愿 ，劉舉慧

(1國家能源集團寧夏煤業有限責任公司煤炭化學工業技術研究院，寧夏銀川 750411；2國家能源集團寧夏煤業有限責任公司烯烴二分公司 ，寧夏銀川 750411）

1 概述

國家能源集團寧夏煤業有限責任公司共有三套裝置6條聚丙烯生產線，總設計生產能力為年產160萬噸，裝置均采用 Lummus的 Novolen氣相工藝技術[1-2]。在聚丙烯生產過程中，循環氣冷凝器是一個關鍵的設備，用于處理循環氣（丙烯、丙烷、乙烯和氫氣）的換熱設備，內部結構比較復雜特殊。該工藝中循環氣冷凝器均為立式U形管式，四管程換熱器，該設備有兩個作用：一是將氣化后未反應的丙烯等重組分同氫氣、乙烯等輕組分進行分離；二是將反應器的反應熱在循環氣冷凝器撤除，維持穩定的反應溫度。因此，循環氣冷凝器在反應過程中，起著至關重要的作用。通過長期對設備運行工況的監控分析，發現循環氣冷凝器液位的控制對產品熔融指數的影響比較顯著。

Novolen工藝反應器為立式氣相反應器，采用螺帶式攪拌器，聚合反應在氣相條件下連續進行，聚合反應熱由加入反應器的液態丙烯氣化撤除，氣化丙烯在循環氣冷凝器中冷凝后，由丙烯循環泵注入反應器循環撤熱，未在循環氣冷凝器中冷凝下來的輕組分（氫氣、乙烯）再由循環氣壓縮機壓縮后返回反應器循環利用。在循環丙烯撤熱過程中，必然會夾帶大量輕組分，從而使反應系統中的輕組分含量發生時空變化，進而影響聚合物的產品性能。鑒于聚合反應工藝特點，反應器在開車前氫氣必須富集到一定濃度，循環氣冷凝器上部氣相空間是富集氫氣濃度的最高點，在之后的生產過程中，除了補充反應失掉的少量氫氣，整個反應器的氫氣濃度就是依靠循環氣冷凝器中的氫氣濃度來調控的。因此，循環氣冷凝器液位對產品熔融指數的調控，實質上是循環氣冷凝器上部氣相空間中富集的氫氣濃度對產品熔融指數的調控。但是，循環氣冷凝器上部氣相空間中的氫氣濃度又受到循環氣冷凝器液位的直接影響，所以，直觀表現為循環氣冷凝器液位對產品熔融指數存在顯著的影響。

2 循環氣冷凝器液位的影響因素

循環氣冷凝器液位的影響因素有循環水溫度、循環水流量、反應器溫度、反應器壓力、液相丙烯外排量、氣相組分的含量和循環氣壓縮機入口吸入量，這些因素對循環氣冷凝器液位的影響作用各有不同（見表1）。

表1 循環氣冷凝器液位及其影響因素的對應關系Table 1 The corresponding relationship between the liquid level of circulating gas condenser and its influencing factors

由表1可知，循環水流量和循環氣壓縮機入口吸入量是影響循環氣冷凝器液位的正相關因素，這主要是當循環水流量加大后，冷量供應增加，丙烯液化量增多使得循環氣冷凝器液位上漲，反之，循環氣冷凝器液位下降；而循環氣壓縮機入口吸入量增大后，循環氣冷凝器氣相空間減小，相應的液相空間補償使得循環氣冷凝器液位上漲，反之，循環氣冷凝器液位下降。其余循環水溫度、反應器溫度、反應器壓力、液相丙烯外排量和氣相組分含量則是影響循環氣冷凝器液位的負相關因素，其原因是當循環水溫度上升時，丙烯液化量減少，使得循環氣冷凝器液位下降，反之，循環氣冷凝器液位上漲；當反應器溫度較高時，氣相丙烯溫度較高，在循環水工況不變的條件下，冷凝率下降，使得循環氣冷凝器液位下降，反之，循環氣冷凝器液位上漲；當反應器壓力較高時，在反應溫度穩定的條件下，說明氣相組分中惰性氣體增多，相應的丙烯含量下降，丙烯冷凝量下降，使得循環氣冷凝器液位下降，反之，循環氣冷凝器液位上漲；當液相丙烯外排量增大時，等于將循環氣冷凝器的液相丙烯外排至回收裝置，因此循環氣冷凝器液位下降，反之，循環氣冷凝器液位上漲；當氣相組分含量含量增大時，相應的循環氣中丙烯占比下降，丙烯冷凝量下降，使得循環氣冷凝器液位下降，反之，循環氣冷凝器液位上漲。

3 循環氣冷凝器液位對產品熔融指數的影響

熔融指數是一種塑料加工時的流動性特征值，也稱為熔體流動速率。聚丙烯的熔融指數是生產過程中最直觀有效的監測項目，為其劃定不同牌號提供重要參考依據[3-4]。而循環氣冷凝器液位與產品熔融指數有著密切相關性，在長期生產過程中監控發現，在同等量氫氣加入反應器的條件下，循環氣冷凝器液位升高，產品的熔融指數升高；循環氣冷凝器液位下降，產品的熔融指數下降。現以裝置正在生產的某一均聚牌號為例，選取一組循環氣冷凝器液位和聚丙烯產品熔融指數對應關系代表性數據，加以分析說明（見表2）。

表2 循環氣冷凝器液位與產品熔融指數的對應關系Table2 The relationship between liquid level of circulating gas condenser and melt index of the polypropylene

由表2可知，循環氣冷凝器液位與產品熔融指數呈現密切相關性，產品熔融指數隨著循環氣冷凝器液位的升高而升高，隨著循環氣冷凝器液位的下降而下降。循環氣冷凝器液位影響產品熔融指數的根本原因是其通過對反應器中氫氣濃度的影響來實現的，由于循環氣冷凝器是反應體統中的氣液分離點和溫度最低點，因此，氣相組分中的氫氣在循環氣冷凝器中得到有效富集，隨后高濃度的氫氣通過循環氣壓縮機和丙烯混合后注入反應器，進而在聚合反應過程中實現對產品熔融指數的調控。循環氣是在循環氣冷凝器殼程中實現氣液分離，由于循環氣冷凝器的殼程體積是一定的，所以當液相占據較大空間后，即液位上升后，氣相空間受到壓縮，則氫氣濃度增大；反之，當液相占據較小空間后，即液位下降后，氣相空間得到釋放，則氫氣濃度減小。由此可知，循環氣冷凝器液位是通過關聯循環氣冷凝器氣相空間中氫氣濃度的變化來最終影響產品熔融指數。

4 循環氣冷凝器液位穩定后對應的產品熔融指數

經過對循環氣冷凝器液位的影響因素分析，并結合生產實際對相應的工藝參數進行調整后，使得循環氣冷凝器液位穩定在合理的操作范圍，最終保證產品熔融指數控制在更加穩定的指標范圍內。現以裝置正在生產的同一均聚牌號為例，選取一組循環氣冷凝器液位和聚丙烯產品熔融指數對應關系代表性數據，加以分析說明（見表3）。

表3 循環氣冷凝器液位穩定后對應的產品熔融指數Table 3 The melting index of polypropylene after the stable liquid level of circulating gas condenser

由表3可知，經過對循環氣冷凝器液位影響因素的分析調整后，循環氣冷凝器液位穩定在80%左右，產品熔融指數穩定在3.4g/10min左右，完全滿足該種產品熔融指數的目標控制范圍。

5 結論

綜上可知，循環氣冷凝器液位與產品熔融指數呈密切相關性，表現為同增同減的趨勢。通過對循環氣冷凝器液位影響因素的分析，生產裝置進行相應工藝參數調控后，將循環氣冷凝器液位穩定在合理的操作范圍，進而使產品熔融指數穩定在指標控制范圍，最終保證了產品質量合格和生產運行穩定。