淺析聚丙烯酰胺裝置研磨機的升級改造

王紀文

（大慶煉化公司招標中心，黑龍江 大慶 163411）

隨著國民經濟的快速發展，對原油需求不斷增加，為提高石油資源利用率，國家確定穩定東部的開發戰略。大慶油田進入含水后期，如何保持高產成為影響經濟發展的重要因素。廣泛采用三次采油技術提高采收率成為石油工業的重要戰略決策，大慶等油田聚合物驅現場試驗取得良好效果，平均每注1t 聚合物可增油150t。隨著聚合物驅等三采技術的發展，為大慶油田保持高產找到可行的方法。現已建成的PAM 生產裝置每年提供5 萬噸分子量PAM 產品。大慶煉化公司聚丙烯酰胺裝置設計采用聚工藝生產陰離子型聚丙烯酰胺，研究研磨機設備為篩分包裝工序重要設備，經過干燥工序后物料通過雙層篩進行分離按粉徑分為不同尺寸規格，研磨機作用是將粉徑大于1mm 的大粒物料破碎。研磨機故障率是影響聚丙烯酰胺產量的重要因素，研究聚丙烯酰胺裝置研磨機技術升級改造非常必要。

1 聚丙烯酰胺裝置工藝技術

聚丙烯是丙烯單體在催化劑作用下聚合反應生成的通用熱塑性合成樹脂，具有無毒害抗沖擊強度大等優點，可加工成編制制品、管材等在家電包裝工業等領域廣泛應用。聚丙烯塑料在通用塑料制品中消費量僅次于聚乙烯，近年來，市場對聚丙烯樹脂需求推動行業的快速發展，隨著新聚合工藝的進步，大大拓展聚丙烯樹脂的應用領域。我國聚丙烯工業迅速發展但每年仍需大量進口，聚丙烯行業具有廣闊發展前景。積極跟蹤新工藝發展方向，開發生產高品質新產品對我國聚合物化工產業具有重大意義。

1.1 聚丙烯生產工藝發展

20 世紀50 年代，意大利科學家納塔合成高結晶性的聚丙烯，蒙特卡蒂尼公司實現工業化生產，聚丙烯樹脂生產方法分為溶液法，本體法與氣相結合法等，溶液法由于反應溫度高達140 溫度幅產大量無定形聚合物。漿液法工藝是最早的聚丙烯生產工藝，漿液法工藝是主要的聚丙烯生產工藝。漿液法聚合工藝采用攪拌釜反應器加入己烷在低溫90℃與丙烯壓力下聚合，包括Hercules 公司漿液法工藝，Amoco 公司漿液法工藝等。開發首代催化劑采用立式攪拌釜反應器，工藝流程與操作條件不同。漿液法聚合工藝生產中需要加入惰性溶劑增加溶劑回收等工序，由于工藝的局限性，導致聚合反應速度低。

60 年代Philips 公司開發比漿液法聚合工藝通過丙烯單體在反應釜進行液體相體聚合生產聚丙烯產品，隨著聚合條件優化聚合速率的加快，隨著聚丙烯生產工藝的發展，目前主要的液相本體法聚合工藝包括飛利浦公司工藝、Rexall 聚合工藝等。間歇法聚合工藝以煉氣丙烯為原料，生產彈性較大容易控制，自20 世紀70 年代開始在我國迅速發展。目前，我國間歇法聚合工藝催化劑生產實現國產化，間歇法聚合工藝使用催化劑包括絡合Ⅱ型，CS-1 型等類型。連續法聚合工藝是在間歇法聚合工藝基礎上發展，目前包括飛利浦本體結合工藝，Rexall 本體法聚合工藝等。采用本體法-氣相法組合工藝生產高性能聚烯烴樹脂是工藝主要發展方向，廣泛應用于多相聚丙烯產品開發中。氣相法聚丙烯工藝研究始于60 年代早期，具有可在寬范圍調節產品品種，適宜生產抗沖聚丙烯樹脂等優點。目前氣相法及氣液相組合法是具有競爭力的聚丙烯生產技術。

1.2 聚丙烯酰胺生產技術

我國聚丙烯工業生產始于20 世紀70 年代，目前形成間歇式液相本體法等多種生產工藝并舉的格局，90 年代后，我國聚丙烯生產消費進入快速發展時期，目前中國成為世界上最大的聚丙烯生產國家。我國大型聚丙烯生產裝置以引進技術為主。隨著技術的進步，我國聚丙烯行業進入快速發展階段。聚丙烯酰胺產品主要應用于油田三次采油、水處理等行業，全球聚丙烯酰胺生產能力超過100 萬噸/年，日美等國家是聚丙烯酰胺主要生產國家，生產廠家包括氣巴特種化學聘公司、賽特公司與日東化學公司等。國外在50 年代開始聚丙烯酰胺產品的開發生產，國外高分子量聚丙烯酰胺生產技術包括乳液聚合工藝等。

共聚工藝采用丙烯酰胺聚合單體在較低引發溫度下進行共聚合反應，經切割造粒等過程得到粉狀陰離子聚丙烯酰胺產品，共聚工藝對第二單體丙烯酸產品質量要求較高，乳液聚合是將單體水溶液按比例加入油相中，乳液聚合產品濃度為25%，黏度為70MPa·s 以上。均聚后水解工藝在造粒后加入氫氧化鈉水解，產品分子量接近2000 萬，但存在水解度不均勻等問題。90 年代前，國內聚丙烯酰胺處于小規模工業化生產，隨著三次采油技術的推廣應用，大慶油田引進5 萬噸/年聚丙烯酰胺生產裝置投產，促進國內對三采油中分子量聚合物的研究。一些科研部門探索最佳工藝條件開發多元復合體系，國內建成4 套規模2000 噸/年的生產裝置，聚丙烯酰胺生產工藝技術開發應用得到蓬勃發展。國內生產高分子量聚丙烯酰胺為均聚技術，光引發后水解工藝采用箱式反應槽，反應后聚合物膠塊用片堿捏合水解，得到陰離子聚丙烯酰胺粉劑產品，工藝技術存在所用設備龐大占地多等問題。需要對現有工藝技術改造生產符合需要的產品。

2 聚丙烯酰胺生產裝置升級

2.1 聚丙烯酰胺生產裝置

油田開發經歷利用油層原油能量開采一次采油，人工增補油藏能量二次揩油與采用注水注氣新技術三次采油階段。聚丙烯酰胺產品主要應用于油田三次采油等工業，聚丙烯酰胺產品物理形態包括固體粉狀與乳液形式，三次采油聚合物通常為陰離子型部分水解聚丙烯酰胺。聚合物驅油機理是利用水溶性聚丙烯酰胺分子鏈黏度改善驅替液的流度比提高采收率。驅油用水溶性聚丙烯酰胺要求具有增黏性，過濾芯與黏彈性等性能。普通聚丙烯酰胺在高礦度下有效黏度迅速降低，聚合物驅應用中存在三次采油期地下水質為高礦化度水，只能靠注聚濃度保證驅油效果。需要研究合成新型抗鹽性聚丙烯酰胺，滲透率高的注聚地質區塊聚丙烯酰胺分子量大增黏效果好。

某化工廠10 萬噸/年聚丙烯裝置采用間歇液相本體聚合生產工藝，裝置包括原料精制、閃蒸去活等部分，間歇液相本體聚合生產聚丙烯工藝包括聚合反應，尾氣回收等部分。原料丙烯中含有少量的水氧與CO 等雜質導致催化劑中毒，裝置采用固堿脫二氧化碳與大量水，脫硫塔將有機硫脫除，氧化鋁干燥塔吸附原料中的水，分子篩干燥塔吸附原料中微量的水，丙烯原料經精制單元后雜質組分得到脫除。丙烯聚合過程包括鏈引發增長與終止，影響聚合反應因素包括反應溫度壓力與原料質量等，原料質量無法控制，可以調控參數包括操作溫度壓力與溫升速度。間歇液相本體聚合生產聚丙烯工藝包括聚合反應等部分。聚丙烯裝置建成為石化公司氣分聚丙烯車間的丙烯綜合利用，經濟效益提高起到重要作用。裝置采用SPG 工藝，經過脫水脫硫脫氧使原料丙烯達到聚合要求，在催化劑與溫度等作用下，采用臥式氣相結合法使丙烯發生聚合反應，工藝吸收液相法易于生產均聚物的特點，綜合能耗較低。裝置以氣體分餾裝置生產高純度丙烯為原料，在65 ～75℃下進行丙烯單體本體聚合。

丙烯精制系統裝置使用單體由公司氣體分餾裝置產出，原料丙烯中含有較多雜質，達不到聚合級丙烯的要求，原料丙烯經D001A/B 固堿脫水器粗脫水，D004A/B氧化鋁脫水等達到聚合級要求，精制系統采用AB 線并聯運行方式。裝置設計三套脫水系統達到聚合級丙烯含水量的要求。圖1 為丙烯氣相本體聚合系統流程圖。裝置催化劑包括CS-I 型高效催化劑為主A 催化劑，二苯基二甲氧基硅烷為外給電子體，三乙基鋁為助催化劑。SPG 工藝丙烯聚合系統包括丙烯預聚合與氣相本體聚合過程。原料丙烯由泵輸送到預聚釜，丙烯單體在ABC 催化劑作用下進行預聚反應，預聚壓力3 ～3.8MPa。經氣相反應釜D203 反應后聚丙烯粉料進入后處理系統進行氣固分離等工序得到粉料產品，聚合物離開第三反應器D203 進入旋風分離器D301,D302-2，丙烯氣相經油洗池T301 洗去低聚物，進行高壓丙烯洗滌塔T302，分離去除烷基鋁后丙烯送至氣分平衡系統內丙烯濃度。

圖1 丙烯氣相本體聚合系統流程圖

2.2 聚丙烯酰胺裝置系統升級

裝置主催化劑加料器原設計形式為互為備用立式攪拌式儲罐，通過電磁閥旋轉助催化劑帶入預聚釜中反應，主催化劑加料器由操作工每日定期加劑。Z102 容積為20L，催化劑只能維持一個班的時間，切劑中聚合釜反應溫度先降后升，主催化劑切劑中調節不及時導致大幅度生產波動。原催化劑加料系統存在反復加料器切換存在誤操作隱患加大，影響裝置的安全運行。主催化劑分裝中增加催化劑的損耗，加料器切換后置換等加大催化劑的損失。隨著裝置產能增加，現有主催化劑加劑形式制約裝置安全平穩生產。為減少主催化劑系統切換頻率，通過工藝改造增加主催化劑分裝中間控制。SPG 工藝主催化劑系統在原料加料器上增加中間罐，通過新鮮丙烯對中間罐升壓，中間罐催化劑通過自重沉降到加料器中。中間罐帶有冷凍鹽水為冷卻介質的夾套，隔斷閥門間設置為中間罐升壓丙烯升壓線，主催化劑加料器頂部有配套的丙烯升壓線。加料器主催化劑用完時，切斷連接閥門卸掉中間罐的壓力，向中間灌入主催化劑，將中間罐與主催化劑加料器貫通，解決以往反復切換主催化劑加料器的操作模式，主催化劑系統改造降低生產波動。

3 聚丙烯酰胺裝置研磨機技術改造

聚丙烯酰胺生產中通過均聚工藝制備陰離子聚丙烯酰胺，生產過程包括溶解、預研磨造粒等步驟，研磨篩流程中水量約10%的粗制聚丙烯酰胺經風機形成負壓，旋風分離器氣流粉塵收集在料斗中。雙層振中上層為顆粒較大產品送入研磨機，研磨后送入旋風分離器循環，風機形成負壓將其帶入成品料斗，用粉塵被袋過濾器收集。小顆粒產品經風機形成負壓帶入細分系統。粉塵由過濾器收集。聚丙烯酰胺是丙烯酰胺及衍生物統稱，工業上將單體聚合物含有50%以上稱為聚丙烯酰胺。通過干燥含有少量水分，完全干燥聚丙烯酰胺為白色。

聚丙烯酰胺具有較高親水性，生產中產品經干燥由負壓輸送到研磨機中產品溫度降低到35℃。聚丙烯酰胺研磨機為自動化設備制造公司生產KWE/1325-25A 雙輥式研磨機，目前研磨機存在研磨效率低等問題。磨輥表面技術特性是磨齒速比齒數與齒頂平面等參數決定研磨效率。研磨輥有一定轉速，速比大對物料研磨作用強。物料接受剝刮次數多增強粉碎程度。速比選用必須與工藝等適應。齒數是磨輥圓周長度內磨齒數目，根據物料性質及要求達到粉碎程度等決定。磨輥齒數少齒溝深適宜研磨顆粒大的物料。磨輥齒數多齒溝淺，適宜研磨小顆粒物料。斜度是同磨齒兩端在磨輥表面距離與磨輥長度比，輥磨齒在研磨區兩側相對物料形成交叉點，磨輥間軋距小于研磨物料在交叉點受到剪切作用。磨齒研磨時輥發生不穩定現象，磨輥產生振動影響研磨效果。齒頂寬是齒頂片面寬度，應根據磨齒大小留一定齒頂平面。保證磨輥拉絲后為精確圓柱形，提高磨輥使用壽命。

聚丙烯酰胺裝置研磨機改造主要進行皮帶輪重新設計選型，優化磨輥表面技術特性。對磨輥傳動比，齒形角度等參數進行優化改造，降低齒數增加前角度。原有皮帶為雙面窄V 帶BB90 具有摩擦損失大、安裝費時等缺點。生產線皮帶損壞制約連續平穩生產。改造后，采用雙面同步多楔帶一側為圓弧齒同步帶，傳動效率高使用壽命長安裝方便。非驅動端皮帶輪組改為三輪皮帶輪組，減少帶輪數量降低皮帶摩擦損失。原有研磨輥支撐定位軸承型號為調心滾子軸承22217CAMKE4，不能按照當前生產條件。結合改造后磨輥軸頭尺寸將荷載型號改為22315CAMKE4，改造后軸承寬度增加，基本額定動荷載提升至390000N，可大幅降低軸承故障導致維修次數。

4 結語

制備聚丙烯酰胺裝置因研磨機結塊現象不能平穩生產，清理研磨機結塊操作不規范對工作人員安全造成威脅。可以通過改造研磨機上料斗減緩結塊速度，使得生產流程更加平穩。目前完成聚丙烯酰胺裝置研磨機改造工作，皮帶輪改造效果顯著，磨輥表面技術特性參數調整取得良好效果，一次破碎率經核算提升至61%。研磨機改造所需材料包括皮帶輪組，研磨輥等費用約10.8萬元，合計改造成本約13.8 萬元/臺。改造后研磨機相同 工藝操作條件下單線生產每日可增加0.75t,單條線每年可創效約310 萬元。改造后研磨機故障率降低，減少故障停機導致停線維修時間約20 小時/年，創效約20.4 萬元。