大型國產化聚丙烯環管反應器發展現狀與展望

摘 要 介紹了聚丙烯的特性、應用、發展狀況、環管法聚丙烯工藝，以及大型國產化聚丙烯環管反應器的工業應用、特點、技術發展、創新與突破、結構發展及原理與工作原理。同時展望了環管反應器未來的研究與發展方向。

關鍵詞 環管反應器 環管法聚丙烯工藝 聚丙烯 國產化

中圖分類號 TQ052.5" "文獻標識碼 A" "文章編號 0254?6094（2023）01?0023?04

近幾年，隨著我國經濟的快速發展，對各種化工原材料的需求越來越大，聚丙烯的用量達到了有史以來的最高值，我國聚丙烯的消耗量于2007年率先達到了1 000萬噸;2016年，漲至超

2 000萬噸;直至2022年，聚丙烯的消耗量更是超過了3 000萬噸，意味著我國將成為全球聚丙烯用量最大的國家[1]。在這種工業市場對聚丙烯產品強烈需求的大背景下，聚丙烯行業得到了前所未有的發展，各種工藝設施也得到了很大程度的開發與應用。

我國于1962年開始對聚丙烯生產工藝進行研究，并在20世紀80年代得到迅猛發展。由于我國聚丙烯原料供需缺口較大，使得不少大型石化企業，甚至不少中小型石化企業都爭先恐后搶占聚丙烯市場，擴建或新建聚丙烯裝置。

天華化工機械及自動化研究設計院有限公司（以下簡稱天華院）研發制造出的一系列聚丙烯裝置，例如：汽蒸器、干燥器、氣相反應器、旋風分離器、精制單元、攪拌設備等，填補了我國聚丙烯裝置國產化的空白。但這些都是聚丙烯工藝中的中下游裝置，針對上游裝置一直都沒能有實質性的創新與突破。直到2020年天華院成功研發制造了兩臺套年產量60萬噸的工業規模聚丙烯環管反應器（簡稱大環管）與兩臺套預聚合反應器（簡稱小環管），這項技術上的突破彌補了我國在聚丙烯上游裝置上研發與制造的不足，同時對于聚丙烯領域大型裝置國產化的開發起到了很好的帶頭作用。由天華院研發制造的內筒體直徑為0.8 m、總長度約70 m、總重量約1 000 t的單臺套聚丙烯環管反應器被利安德巴賽爾工業公司認定為目前全世界最大的環管反應器。

1 聚丙烯介紹

聚丙烯（PP）是一種無色、半透明的熱塑性合成樹脂，以丙烯為單體聚合而成[2]。聚丙烯產品具有無毒、無臭、耐熱、耐磨、易加工、化學穩定性好、抗沖擊性好、電絕緣性好及抗擾曲性好等優點。廣泛應用于包裝、制造、吹膜、涂覆、改性、紡織及建筑等領域。如今已成為年產量僅次于聚乙烯（PE）和聚氯乙烯（PVC）的四大通用熱塑性合成樹脂之一[3，4]。

2 環管法聚丙烯工藝介紹

筆者介紹的環管反應器采用均聚液相本體雙環管法制聚丙烯。丙烯單體在催化劑的作用下發生聚合反應生成聚丙烯的方式分為均聚與共聚，均聚是指由一種有機單體進行的聚合反應，共聚是在一定的條件下將兩種或多種化合物聚合成一種物質的反應[5]。環管反應器內部的丙烯聚合反應以均聚為主，共聚占比非常小（可忽略不計）。

在聚丙烯領域，液相本體法（含液相-氣相組合式，也稱環管法）是主流的聚丙烯生產工藝之一，該方法是聚丙烯自1957年開始工業化生產7年之后才問世的，屬于聚丙烯早、中期發展起來的工藝方法。工作時，將液態丙烯聚合成聚丙烯，反應體系中不加任何其他溶劑，將催化劑直接分散在液相丙烯中進行丙烯液相本體聚合反應[6]。該方法的代表為利安德巴賽爾工業公司旗下開發的Spheripol工藝，也是目前國內外在生產聚丙烯產品上應用最成功且最廣泛的工藝方法[7]。根據環管反應器的結構形式，又分為單環管法與雙環管法，單環管法中不存在第二反應器，物料在環管中循環后，直接進入下一道工序;而雙環管法是采用左右鏡像對稱的第一反應器與第二反應器串聯起來，物料在第一反應器中經過一個循環后，進入第二反應器進行循環，再進入到下一工序。目前采用環管法的裝置多為雙環管結構，因具有反應徹底、節省成本等優點，被廣泛使用。

3 聚丙烯環管反應器介紹

3.1 工作原理及特點

環管反應器多用于聚烯烴工業中，是生產聚乙烯（PE）、聚丙烯的主要設備之一，是環管法聚丙烯工藝裝置中的關鍵核心設備，其性能直接影響到整個裝置的正常運行與產品的品質。

工作過程中，設備內部的丙烯漿料在環形管路中循環流動，在流動過程中實現傳質傳熱，并在來自預聚合反應器高效催化劑的作用下完成丙烯聚合反應。所生產的聚丙烯產品占我國聚丙烯產能的40%以上，是聚丙烯生產加工中很重要的上游裝置。

聚丙烯環管反應器的主要特點有[8～12]：

a. 結構簡單、傳熱效率高、流場分布均勻、易于實現自動控制與連續化操作;

b. 空間裝配精度高，接口密封性能良好;

c. 物料停留時間少，更好地利用了反應體積，提高了生產效率;

d. 可調節反應器內部的氫氣含量，改變熔融指數（MFR）的范圍;

e. 通過軸流泵的高速循環攪拌作用，使物料與催化劑的混合更加均勻;

f. 可生產出“雙峰”產品，且產品質量均一、不容易產生熱點等。

3.2 技術發展

1957年，聚丙烯首次實現工業化生產不久后，世界各大石化公司都相繼對聚丙烯進行大規模工業化生產。而環管反應器因操作簡單、產量高、產品品質好等優點，被認為是聚丙烯最理想的生產方法之一，在當時被廣泛使用。早期的聚丙烯工業，產量較低，年產量在幾萬噸左右，但隨著工藝技術的不斷發展和生產需求量的不斷增加，聚丙烯裝置的年產量也在逐年遞增，因此聚丙烯裝置也在逐漸趨于大型化。

1995年，中國石化集團公司成功開發出了

7萬噸/年第1代環管法聚丙烯成套技術。在此基礎上，上海石化、中國石化工程建設公司和北京化工研究院三家單位于2002年共同成功開發了20萬噸/年第2代環管聚丙烯成套技術。2012年，20萬噸/年第3代環管聚丙烯工藝包也開發成功。在近20年的時間里，我國先后完成了三代環管法聚丙烯技術的研發與國產化應用。

在環管法聚丙烯技術被國產化不久后，于1997年，我國也打破了環管反應器長期進口的局面，茂名重力公司首次對環管反應器完成了國產化制造，并成功應用于工業生產中。直到2020年天華院經過多年的技術儲備與研發工作，完成了全球最大年產量60萬噸環管反應器的國產化制造，目前也成功投產應用。

3.3 結構發展

自19世紀60年代，環管反應器成功應用于聚丙烯工業生產后，環管反應器的結構隨著工藝的更新換代而不斷變化，由起初的兩腿（兩根直管段）環管反應器，變為四腿，再發展為八腿，近些年甚至達到十二腿環管反應器，但就長期的使用數據來看，主流結構還為八腿環管反應器。

筆者介紹的即為聚丙烯八腿環管反應器（圖1），由左右鏡像對稱的2個四腿環管反應器組成（即第一反應器、第二反應器），在由預聚合反應器不斷往環管反應器內提供催化劑的作用下，丙烯聚合反應在第一反應器中完成65%，在第二反應器中完成35%[13]。它是一個封閉的、獨特的環狀管式組合結構，由閉合環形管路和反應器的進出口組成，屬于低溫壓力容器范疇。

環管反應器本身既是反應器，同時又是反應框架與梯子平臺的支持鋼柱，超長的直管段（換熱夾套與內筒體）還要保持一定的同心度。其下端連接段處設有軸流泵，目的是使反應物料在反應器內能夠循環流動并起到對反應物料的攪拌作用。反應器的內筒體內壁采用半精拋處理至粗糙度Ra2.5，以防止反應物料粘壁而產生爆聚現象。另外，反應器工作時丙烯聚合反應為強放熱反應，存在大量的熱傳遞，為了使丙烯聚合反應能在恒溫下進行，需要移除反應熱，因此在實際生產中通常將內筒體外設置換熱夾套，并將換熱夾套與內筒體之間通循環水進行冷卻。為了緩解換熱夾套所受的熱應力，通常在換熱夾套上設置膨脹節，起到對換熱夾套熱膨脹的補償作用。

天華院研發的環管反應器換熱夾套長約70 m，只在換熱夾套上端設置膨脹節無法有效緩解換熱夾套下端部分熱應力，因此經過仿真計算與分析，在換熱夾套下端也設置了膨脹節。兩個換熱夾套之間用換熱夾套連接管相連，同時也考慮了換熱夾套連接管因受溫度影響而發生熱膨脹的情況，因此在換熱夾套連接管上設置了換熱夾套連接管膨脹節，以消除兩端換熱夾套因受溫差作用發生的橫向膨脹位移和換熱夾套連接管因受溫差作用自身發生的軸向膨脹位移。

4 結束語

聚丙烯領域大型國產化環管反應器的發展與成功應用，離不開國內諸多不同領域專家與學者對環管反應器展開的課題研究。但由于環管反應器內部流態復雜多樣并伴有化學反應，使得物料的聚合過程與非均勻流動過程的研究一直都沒有實質性的成果與突破，未來對于環管反應器的國產化發展還需展開更加深入的研究。

參 考 文 獻

[1] 唐青松.國內聚丙烯行業發展現狀與市場分析[J].現代經濟信息，2018（18）：360-361.

[2] 唐銘.環管反應器內非均勻流動特性的CFD模擬研究[D].杭州：浙江大學，2017.

[3] 許力以，周誼.百科知識數據辭典[M].青島：青島出版社，2008：267.

[4] 譚捷，田月，李威.國內聚丙烯生產工藝技術現狀及市場分析[J].彈性體，2016，26（1）：65-70.

[5] 紀維維.PANI-無機納米復合材料的制備及其在環氧涂料中的防腐作用研究[D].廣州：華南理工大學，2019.

[6] 李瑋.聚丙烯生產工藝簡介[J].江西化工，2015（3）：10-12.

[7] 楊學超.聚丙烯技術現狀分析[J].化工管理，2017（18）：120-121.

[8] 李大平.分析聚丙烯生產工藝及市場應用[J].中國科技投資，2016（17）：256.

[9] 王楠.聚丙烯環管反應器的三維有限元分析[D].北京：北京化工大學，2002.

[10] 崔同祥.聚丙烯中絲狀塑化物的產生原因及應對措施[D].大連：大連理工大學，2014.

[11] 董學軍.大慶30萬噸聚丙烯工程項目質量成本管理研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2009.

[12] 婁海川.環管式丙烯本體聚合反應過程建模、控制與優化研究[D].杭州：浙江大學，2013.

[13] 沈倩.聚丙烯生產過程的建模與運行監控研究[D].杭州：浙江大學，2006.

（收稿日期：2022-05-11，修回日期：2023-01-16）

Development Status and Prospect of Large?scale Domestically?

produced Loop Reactor for Polypropylenes

WANG Zheng?wen1， ZHANG Wan?yao1， LU Juan2， GE Yang3， ZHU Ze?bin4

（1. National Research Center for Drying Technology and Equipment Engineering Technology， Tianhua Chemical

Machinery and Automation Institute Co.， Ltd.; 2. China Special Equipment Inspection amp; Research Institute;

3. Hualu Engineering amp; Technology Co.， Ltd.; 4. Fujian Zhongjing Petrochemical Co.， Ltd. ）

Abstract" "In this paper， the characteristics， application and the development status of the loop reactor?based polypropylene process were introduced， including the industrial application， characteristics， technical development， innovation and breakthrough， structural development， principle and working principle of the large domestically?produced loop reactor for the polypropylene production; meanwhile， this reactor’s future research and development direction were prospected.

Key words" " loop reactor， loop reactor?based polypropylene process， polypropylene， domestication

作者簡介：王政文（1997-），碩士研究生，從事石化領域大型干燥設備與壓力容器的研發與設計工作，thkjwzw@163.com。

引用本文：王政文，張萬堯，盧娟，等.大型國產化聚丙烯環管反應器發展現狀與展望[J].化工機械，2023，50（1）：23-25;91.