高密度聚乙烯母液失活裝置開發

中圖分類號 TQ050.4+2 文獻標志碼 A 文章編號 0254-6094（2025）04-0660-06

高密度聚乙烯（HighDensityPolyethylene，HDPE）是一種由乙烯共聚工藝生成的熱塑性聚烯烴，是石油化工行業中一種重要的通用材料，是以乙烯為原料，以少量丁烯-1、己烯-1或丙烯等α-烯烴為共聚單體聚合得到的聚合物。HDPE無毒、價格低、密度小，具有較高的剛性、良好的加工性能、優異的耐濕性和優良的化學穩定性[12]。

某石化公司于20世紀80年代引進日本三井油化公司HDPE技術，該生產裝置排出的HDPE母液中主要含有己烷，并攜帶活性催化劑、烷基鋁等物質。生產過程中己烷通過精餾的方式回收后循環使用，低聚物通過冷卻結晶的方式制成片狀產品。由于低聚物中含有少量具有活性的催化劑、烷基鋁等物質，導致低聚物在冷卻結晶等后續加工工藝中易發生自燃。為確保低聚物二次加工的安全性，筆者開發一套相關的HDPE母液失活系統及設備，將母液中的活性催化劑進行滅活，從而達到去除烷基鋁等物質的目的。

1工藝原理及主要設計參數

1.1 工藝原理

已烷是無色黏稠液體，有微弱特殊氣味，密度 660kg/m³ ，不溶于水。根據相似相溶原理可知，己烷與水不互溶，可利用該原理進行分離作業。已烷蒸氣遇空氣在高溫、明火狀態下極易燃燒爆炸，化學反應方程式如下：

2C₆H₁₄+19O₂=12CO₂+14H₂O

在不完全燃燒的情況下，還會產生CO，污染環境，因此整套系統設計過程中，必須確保系統的密閉性。另外，上游來的HDPE母液溫度保持在65°C 左右，溫度降低會導致母液中的低聚物部分析出，進而影響后續分離操作。已知，已烷的沸點為 69^°C ，其母液溫度接近沸點溫度，為防止己烷隨氣相逸散，該系統設計操作壓力為 0.3MPa ，并在氣相設計己烷冷凝回收裝置，從而降低整個裝置的己烷消耗量。

烷基鋁在HDPE母液中占比很小，但后續裝置著火、自燃主要是由該物質引起。烷基鋁是由烷基與鋁直接結合而形成的一類金屬鋁有機化合物，又稱三烷基鋁，在室溫下是無色液體，標準大氣壓下沸點為 194^°C ，密度為 832kg/m³ ，極易被氧化，遇水即迅速反應，化學反應方程式如下：

RnAlX₃-n+H₂O?Al（OH）₃+RH

根據以上原理制定開發方案如下：

a.采用水或堿液作為失活介質，水極易與HDPE母液中殘留的催化劑和烷基鋁發生反應，使母液中的催化劑及烷基鋁失活，同時可以通過調整堿液的加入量來調整母液的pH值從而保證產品質量;

b.開發一種集混合和輸送于一體的設備，把失活介質和HDPE母液在設備內充分混合使催化劑失活的同時，將失活后的HDPE母液加壓送到液-液分離罐內進行分離；

c.失活介質水與HDPE母液不相溶，母液失活后通過重力分層的方法將母液及水分離，己烷密度小分離后在罐體上部，水密度大分離后在罐體下部，通過界面控制可將己烷和水分離。

1.2 主要設計參數

主要設計參數如下：

物料 HDPE母液

處理能力 65m³/h

混合器入口壓力 正常 0.3MPa 最大 1.2MPa

操作溫度 65^°C

設計溫度 160^°C

失活液 堿液/脫鹽水

揚程 （204 15m （204

停留時間 20s

2 HDPE母液混合器開發

2.1 混合器工作原理

HDPE母液混合器（圖1）的主要功能是將少量水或堿液與HDPE母液充分混合，使烷基鋁等物質分解失活，同時將失活后的母液送人后續分離裝置。圖1給出了混合循環腔體和離心泵送腔體結構及對應的軸流葉輪和離心葉輪位置，同時圖中箭頭方向即為流體流動方向。

圖1混合循環腔結構及工作原理

工作時，將少量的水或NaOH溶液加入HDPE母液管道內，同HDPE母液一起從混合器物料入口進入混合器。在混合器內傳動軸的轉動下，帶動軸流葉輪高速旋轉，產生快速、強力的剪切作用，攪動液體介質，使其快速、均勻混合，并推動流體介質向離心葉輪處運動。部分流體介質進入離心葉輪，在離心葉輪的高速旋轉作用下，流體介質獲得充分的動能，通過導液通道后泵送流體介質從物料出口高速流出。未進入離心葉輪的流體通過導液板的作用從外腔體與內腔體間的通道流回循環腔，再次進入內腔體參與混合和泵送。

混合循環腔為HDPE母液與 H₂O，NaOH 溶液混合反應的場所，流體介質在殼體內部軸流葉輪作用下實現混合，在內外筒體間流體可循環流動。流體在離心葉輪腔體中實現離心泵送，離心葉輪腔體內部設計有導流板，可以到達減小流體泵送阻力的目的。

2.2 混合器結構

HDPE母液混合器是將少量水均勻分散到HDPE母液中，使母液中的烷基鋁等自燃成分水解失活的高效混合輸送設備，其結構示意圖如圖2所示。

混合器攪拌腔體設有兩個內腔，一個腔體的作用是循環流動，另一個腔體的作用是將母液外排。循環流動腔是兩個同心圓柱筒體的中間部分，在其下部有一個外排口。外排腔位于靠近電機一側，有一個外排口。傳動軸上設有軸流葉輪與離心葉輪，分別起到混合作用和離心作用。軸流葉輪安裝在軸端，通過軸流葉輪的高速旋轉，流體介質在軸向方向上流進離心葉輪，未進入離心葉輪的流體介質則通過循環腔循環流動，進一步提高混合效率。流體介質在離心葉輪中通過離心作用并通過導液流道按照設計揚程泵送出機體，進入分離設備進行沉降分離。主軸由滾珠軸承支撐，并在與液體接觸的地方采用軸套保護。該設備集混合、泵送于一體，在功能不減的基礎上減少了設備數量，結構整體性強、占地面積小，工藝流程得到了大幅簡化，經濟實用。

混合腔包括通過8塊支撐板連接在一起的外腔體和內腔體，外腔體上部的前端設有物料人口，其后端設有物料出口，該外腔體下部分別設有排凈口1、排凈口Ⅱ；軸筒由連接在一起的軸筒一段和軸筒二段構成；軸筒一段與外腔體的一端相連，該外腔體的另一端與循環腔相連；軸筒一段上設有沖洗口；軸筒二段連有軸承座；混合腔與軸筒一段及軸筒二段中設有傳動軸，該傳動軸與傳動系統相連；外腔體內側靠近所述離心葉輪處設有導液板；內腔體內側靠近軸流葉輪處設有阻流板；離心葉輪通過導液通道與物料出口相連。軸筒一段中設計有機械密封腔體，能夠滿足機械密封組件的安裝尺寸及精度要求，并在腔體上下設計機械密封冷卻水流道及其流道管線。軸筒開設窗口，便于觀察設備運轉情況。軸筒二段包括軸筒段及兩個軸承箱體，并按照加工方便、操作方便原則設計加油油路。

圖2混合器一體機結構示意圖

1——循環腔；2——物料人口；3——外腔體；4——導液板；5——物料出口;6——軸筒一段；

7——軸筒二段；8——軸承座；9——傳動軸；10——支撐系統;11——沖洗口；12——排凈口Ⅰ；

13——離心葉輪;14——軸流葉輪;15——阻流板;16——排凈口Ⅱ;17——內腔體；18——支撐板

2.3 實驗研究

混合器實驗裝置配置圖及現場圖如圖3、4所示，由混合器、實驗水箱、壓力表、截止閥、轉子流量計、氣壓泵、配電柜、電流鉗及部分管線和電線等組成。介質從水箱內依靠重力流入混合器，在混合器中運動，并通過離心葉輪泵送回水箱，參與循環。在混合器出口監測壓力、流量，并通過調節出口閥門進行變工況研究實驗。

圖3實驗裝置配置圖

圖4實驗裝置現場圖

分別在 100，120m³/h 處理量工況下開車運行，監測兩軸承位置處的溫度變化和設備運行的電流變化（用于計算功耗），結果如圖5、6所示，圖中軸承1、2分別是深溝球軸承和背靠背安裝的角接觸球軸承。由圖56可以看出，隨著運行時間的增加，深溝球軸承溫度從室溫逐漸升高到 50^°C 后維持穩定不再上升；角接觸球軸承溫度從室溫逐漸升高到約 70^°C 后維持穩定不再上升。兩個軸承運行溫度均在軸承溫升許可范圍內。設備運行電流一直維持在65A左右，計算得到設備運行功率為 34.2kW ，小于電機額定功率。

圖5 100m³/h 工況下設備實驗運行數據變化曲線

圖6 120m³/h 工況下設備實驗運行數據變化曲線

為了研究不同處理量下設備的運行狀況，通過調節設備出口截止閥，改變設備處理量，通過轉子流量計可以顯示處理量的瞬時值，并記錄不同處理量下設備出口壓力和設備運行電流（表1）。由表1可以看出，設備處理量從 80m³/h 變化到120m³/h 的過程中，設備出口壓力從 0.182MPa 降低到 10.168MPa 。通常，設備處理量要求為 65m³/h ，揚程為 15m ，實驗結果表明該設備可達到運行要求，建議工業化設備運行處理量按照 80～120m³/h 范圍內調節，在混合器進出口設置循環管線大于65m³/h 的部分液體通過循環線進入混合器入口，以便調節混合器流量。電流從64.0A增加到 65.2A ，小于電機額定電流 103A ，且變化幅度不大，計算得到電機平均功耗約 34.2kW/h 。

表1不同處理量下設備運行參數記錄表

3 己烷水分離系統開發

當混合器內的催化劑失活后，為防正將水帶入后續系統影響后續系統的運行，需要對己烷和水進行分離。分離系統主要是利用己烷和水互不相溶的原理進行，如圖7所示。在正常運行溫度65^°C 下，水的密度為 984kg/m³ ，正己烷的密度為618kg/m³"，來自混合器的失活母液從分離罐中間進入。由于水和正己烷互不相溶，且水的密度較大，因此在足夠的停留時間下，水向分離罐底部聚集，正己烷向分離罐頂部聚集，在分離罐中間某一位置會形成水和正己烷共存的交界面。利用此原理采用差壓式液位計即可實現水和正己烷的連續分離。

圖7 己烷水分離系統工藝原理

假設分離罐N1到N2管口之間的距離長度為2000mm ，N2到N3之間的管口距離為 3000mm 。以正己烷的密度為基準，當分離罐內全部為正己烷時，采用差壓式液位計測量，N1到N2為正己烷的實際液位，N2到N3為 3000mm ；當N2到N3之間全部為水時，計算得到N2到N3的液位為 3000=4777mm 。

通過調節LV101和LV102的開度，使水和正己烷的交界面處于N2到N3之間，此時N1到N2為正己烷的實際液位，N2到N3的液位在 3 000～ 4777mm 之間，需根據液位控制要求在 3000～ 4777mm 之間選擇一個合適的數值作為N2到N3的液位控制值，通過調節LV102的開度即可實現水和正己烷的分離。

4 工藝系統設計

針對HDPE母液物料特性、HDPE母液中殘留活性催化劑和低聚物的特性以及HDPE生產工藝進行自主創新，在某石化公司現有HDPE生產裝置基礎上進行升級改造，開發并完成 65m³/h 的HDPE母液失活裝置建設，解決由于聚合物中催化劑活性較高而引起的后續聚合物處理過程自燃問題。圖8為HDPE母液回收處理工藝流程簡圖。

圖8 HDPE母液回收處理工藝流程簡圖

D-1101- -堿液儲罐；P-1101A- -計量泵；Z-1101- 混合器；D-1102 -分離塔；D-1103- 一已烷儲罐；E-1101- -一級冷卻器；E-1102- —二級冷卻器

堿液或水經計量泵精確計量后加人HDPE母液管道內，來自上游的HDPE液體和工藝水或堿液在混合器內軸流葉輪的作用下充分混合，使催化劑失活，在混合器離心葉輪作用下加壓輸送到分離罐內進行分離，其分離原理是利用己烷與堿液或水不相溶的特性進行沉降分離。分離后的己烷在分離罐上層通過聚合物輸送泵加壓后輸送至后續系統，分離罐下層的堿液或水在分離罐底部通過液位調節裝置排到污水處理系統做進一步處理。分離罐底部設有pH值檢測裝置，可通過分離罐底部的pH值，控制或選擇失活液采用堿液或水。

分離罐頂部會揮發出部分已烷氣體，已烷氣體通過一級冷卻器、二級冷卻器冷卻回收后，匯集在己烷儲罐內，通過溢流的方式回流至分離罐內，實現少量氣相己烷的回收，降低工藝過程己烷的消耗量。為保證分離罐內壓力降低后正已烷的汽化量，在分離罐頂部通入少量的氮氣，控制分離罐內壓力在 0.3MPa 。為防止分離罐內母液溫度過低造成低聚物析出，分離罐外部設置蒸汽或熱水伴熱，保證分離罐內母液溫度在 65^°C O

該系統還設計一套加藥裝置。該堿液加入裝置用于添加堿液，將堿液添加進入堿液儲罐，經計量泵精確計量后，加入到HDPE母液中，一起進入混合器進行均勻混合和化學反應。計量泵采用液壓隔膜式計量泵，計量精度 ±1% ，隔膜材質PTFE，具有零泄漏、不污染介質的特點。

5結束語

筆者結合實際工程中遇到的HDPE母液高附加值成分己烷的回收及未失活催化劑著火隱患的問題，開發了一種HDPE母液失活技術及系統中關鍵設備混合器。裝置關鍵設備集混合和泵送功能于一體，并為未失活催化劑提供反應場所，以特殊的結構設計延長停留時間。失活后母液利用水和正己烷互不相溶的原理，通過兩個差壓式液位計進行分離。HDPE母液失活技術裝置建成投運后，低聚物冷卻結晶等后續加工工藝中再未發生過著火、自燃等現象，確保了低聚物二次加工的安全性。整個裝置工藝流程短，占地小，投資少，運行穩定，效果良好，具有一定的現實意義。

參考文獻

[1]徐素蘭，王濤.國內高密度聚乙烯生產現狀及市場分析[J].齊魯石油化工，2013，41（2）：151-155.

[2] 郭鑫博.探討高密度聚乙烯工藝及催化劑的研究應用[J].中國石油石化，2017（5）：87-88.（收稿日期：2024-11-29，修回日期：2025-07-14）

Development of Deactivation Unit for HDPE Process Liquor

ZHAN Zhong-fu， LI Ya-xiang， SHEN Yan-shun， QIN Yun-long （TianhuaChemical MachineryandAutomation InstituteCo.，Ltd.；National Engineering Technology Research CenterofDrying Technologyamp;Equipment）

AbstractA high density polyethylene （HDPE）mother liquor treatment system was developed to recover high value-added component hexane and eliminate the hidden danger of spontaneous combustion in the secondary processing of oligomers.The system can inactivate the catalyst in HDPE mother liquor by prolonging the substance's residence time.Based on the principle that water and hexane are incompatible with each other，the system can remove alkyl aluminum and ensure safety of secondary processing of oligomers. Key wordsHDPE，mixer， separation system，process liquor deactivation，hexane recovery