HDPE生產裝置中低壓溶劑回收關鍵設備國產化淺析

姚 鑫，桑逸飛

(浙江石油化工有限公司,浙江舟山 316200)

1 生產工藝簡述

高密度聚乙烯裝置采用 INEOS 公司的INNOVENE S 淤漿環管聚合工藝，通過兩臺環管反應器串聯操作運行,生產雙峰/單峰聚乙烯產品。

該工藝以異丁烷為溶劑，將乙烯溶解在其中送入環管反應器。由軸流泵提供反應循環動力，加入催化劑激發聚合反應生成聚乙烯粉末[1]。異丁烷攜帶聚乙烯粉末(下稱淤漿)經過淤漿加熱器后進入高壓閃蒸罐，由于高溫與壓力降低使溶劑異丁烷氣化，粉末經由分級降壓(SAS)系統進入低壓脫氣倉，脫氣倉壓力進一步降低再次對粉料中的異丁烷進行脫除，此部分的異丁烷由低壓溶劑回收(LPSR)風機進行回收，回收后的異丁烷可以再次進入反應器實現循環利用[2]。粉料則由風送系統送至粉料倉，再經擠壓造粒成為聚乙烯成品顆粒出廠。

溶劑異丁烷作為聚乙烯裝置物料循環的核心介質，對其進行回收的過程更加高效、節能乃重中之重，因此LPSR風機作為溶劑回收系統的心臟設備至關重要。

2 結構設計分析比較

2.1 干式無油螺桿壓縮機

國產壓縮機為干式無油螺桿壓縮機。內有一對相互嚙合轉子，由四凸齒的主動轉子(陽轉子)與截面為六個凹齒的從動轉子(陰轉子)組成。在壓縮機兩端分別沿軸向與徑向分布一定形狀和大小的吸氣、排氣口。轉子兩側伸出軸上依次布置著密封、軸承組件，同步齒輪與平衡盤等。啟動時通過聯軸器帶動陽轉子旋轉，通過同步齒輪帶動陰轉子旋轉。陰陽轉子互不接觸，同步齒輪的速比與螺桿轉子的速比相等。陰、陽螺桿轉子由軸承支撐與同步齒輪厚薄片的調整來保證陰陽轉子間的間隙。轉子與氣缸之間，螺桿轉子端面與氣缸壁之間均有較小的間隙，如圖1所示。

圖1 螺桿壓縮機結構示意圖1)徑向止推軸承；2)徑向軸承；3)殼體；4)陽轉子；5)陰轉子；6)密封組件；7)同步齒輪

螺桿轉子的齒頂與端面上均有精制的密封棱邊來保證轉子與殼體之間的微小間隙。轉子的型線基本決定了螺桿壓縮機性能的好壞，壓縮機使用的是SRM-D型線，能夠在轉子間實現“曲面對曲面”的密封，有助于動力潤滑油膜的形成，這樣可以降低通過接觸線的橫向泄漏，如圖2所示。

圖2 SRM-D型線

同步齒輪為小齒輪和大齒輪，分別安裝于壓縮機吸入端外側陰、陽轉子的軸頸上，以保證陰陽轉子的同步運轉。為了方便調整轉子嚙合間隙，或者當轉子出現反轉時保證型面背部不被擦碰，陰轉子上的被動同步齒輪由輪毅與薄、厚齒組成。通過調節薄、厚齒片來令陰陽轉子的嚙合間隙均勻，如圖3所示。螺桿轉子之間必須保持一定間隙，否則壓縮機會無法正常工作。

圖3 同步齒輪1)厚齒圈; 2)薄齒圈; 3)小齒輪

壓縮機的軸封是采用的迷宮密封與集裝式雙端面機械密封組合的復合密封。壓縮機的潤滑油系統與密封油系統是分開的，從而避免密封油受污染使潤滑油對軸承產生損害。

螺桿壓縮機的優點：

(1) 轉速高、質量輕、體積小，占地面積小。

(2) 動力平衡性能較好，基礎小。

(3) 結構簡單緊湊，易損件少，維修簡單。

(4) 對液擊不敏感，單級壓比高。

(5) 輸氣量幾乎不受排氣壓力的影響，在較寬的工作范圍內仍可以保持較高的效率。

缺點：

(1) 噪音大。

(2) 轉子需要設計加工，選用非標設備。

2.2 羅茨風機

進口羅茨風機轉子為兩個三葉漸開型葉輪，兩個轉子之間存在一定的間隙，非接觸式旋轉[3]。工作原理是當工藝氣到達排氣口時，借助轉子的嚙合，進氣瞬間對排氣側的增壓氣體加壓[4]。這種結構設計可以防止潤滑油混入排氣氣體當中。

轉子與轉子、箱體、墻板之間都存在微小的間隙，正常轉子旋轉時不產生摩擦，從而減少接觸式磨損。但日常檢修維護需要特別注意該間隙，一旦間隙過小產生摩擦可能會引發轉子抱死。電機的動力通過V形皮帶輪或者聯軸器傳遞到傳動軸上，并通過導向齒輪進一步往傳動軸上傳遞。導向齒輪存在一種結構，當其由于齒面磨損而產生偏差時可以通過一個可調齒輪進行補償。軸承采用的是滾珠與滾子軸承，通過這兩種軸承以維持高速、高載荷運行并準確保持齒輪和轉子之間的間隙。軸封部分采用特殊的非接觸式擋油環和單機械密封結構，使得齒輪箱和軸承的油不會滲入機殼。

雙級三葉羅茨風機的優點[5]：

(1) 容積較大，供氣的量也較大，運行穩定，工作效率較高。

(2) 葉輪和軸承之間為整體結構，對于葉輪的損傷較小。

(3) 轉子與殼體之間存在間隙，可以輸送含有一定粉塵的氣體。

羅茨風機的缺點：

(1) 噪聲比較大。

(2) 占地面積較大，機組大，電機功率更高。

3 實際工況分析比較

3.1 實際工況對比數據

表1為羅茨風機與螺桿壓縮機的操作工藝參數。

表1 羅茨風機與螺桿壓縮機的操作工藝參數

3.2 實際工況對比分析

由表1的對比數據可以算出，在近似的工況下，進口羅茨風機的壓比為6.88，國產螺桿壓縮機壓比為7.41。與此同時，國產壓縮機的電機功率為227.5 kW，比進口風機265 kW更低，處理量更高一些。在工藝氣冷卻方面螺桿壓縮機在出入口共設計了兩臺換熱器，無溫度調控能力。羅茨風機只在級間設計了一臺換熱器，通過中間緩沖罐的溫度調整循環水的流量達到控溫效果。根據表1中的數據與專利商工藝設計參數對比可以得出，螺桿壓縮機的出口壓力、溫度、處理量均是滿足工藝需求。

相比進口羅茨風機機組，國產螺桿壓縮機機組在如下幾點存在更優的設計：

(1) 在壓縮機的入口與出口設置集液管，因為正常生產時會有C6以上的重組分累積，最終產生凝液。當凝液產生時可以直接通過集液管集液排放從而節省了一個分離罐。

(2) 在壓縮機出口增設停車泄荷閥。當壓縮機停止運行時邏輯聯鎖會自動將停車卸荷閥打開將壓縮機出口的壓力泄放至火炬防止出口憋壓。在出現生產異常緊急停車時可以更好的保護壓縮機，從而能提高生產安全性。

(3) 在壓力控制上羅茨風機一二級均存在回流閥調節入口壓力，一級的回流是從中間罐頂部出口管線回流至一級風機入口，二級的回流是從二級風機出口回流至一級風機出口的換熱器前，兩級回流存在一個交替，這會導致一臺風機的波動影響另一臺的控制，最后對兩級控制均產生影響。

(4) 螺桿壓縮機的轉子間隙設計比羅茨風機略大，更能適應壓縮介質含細粉和少量三乙基鋁結晶物的工況。

(5) 從設備選型來看，用單級的螺桿壓縮機替代兩級的羅茨風機，可靠性更高。

在正常的工藝生產時由于生產不同牌號的產品對低壓溶劑回收風機也會產生不同的影響。當生產鈦系牌號時使用助催化劑三乙基鋁。少量的三乙基鋁會被低壓溶劑回收風機的入口過濾器所阻擋，導致入口過濾器進出端的壓差會不斷緩慢上升最終堵塞過濾器。正常羅茨風機機組設計的入口過濾器只有一個，沒有備臺切換，一旦堵塞必須停下低壓溶劑回收風機對過濾器進行清理，期間會將脫氣倉頂部回收的異丁烷全部排放至火炬導致異丁烷單耗增加。螺桿壓縮機機組現已將入口過濾器設計改為一備一用的形式，能夠實現在線無擾動切換，減少異丁烷的損耗從而達到節省能源、節約成本、降低干擾、提高生產穩定性的目的。

4 螺桿壓縮機的實際投用后的數據

經與供應商和同行技術交流，對進口羅茨風機和國產螺桿壓縮機(上海711所設計)在壓比、出口壓力、轉子間隙等工藝參數、結構及性能進行反復研究比較，我公司選用了國產的螺桿壓縮機，較進口羅茨風機投資成本節約60%以上，目前該壓縮機已成功穩定運行了一年半多，如表2所示。

表2 不同牌號聚乙烯的生產數據

表2中列舉的是最具代表性的三種牌號，分別是鈦系單峰牌號T60-800、鈦系雙峰PN049以及鉻單峰HD5502S。PN049只生產了一個月，在這期間進行了裝置開停車過程，使得異丁烷單耗略微超出設定值，正常平穩生產時無論是用哪一種模式進行生產，通過螺桿壓縮機的回收工況，均可以將異丁烷單耗降至專利商的設計值之內。

5 結 論

a) 從經濟方面看，國產螺桿壓縮機的一次投資較進口羅茨風機低約60%，同時運行功率更低。

b) 從實際運行狀況來看，國產螺桿壓縮機的異丁烷、乙烯回收率等工藝指標均達到了工藝包要求，并且在粉塵和三乙基鋁介質工況下運行良好。國產螺桿壓縮機完全可以替代進口羅茨風機。