BP-Amoco工艺聚丙烯装置反应釜的温度控制

BP-Amoco工艺聚丙烯装置反应釜的温度控制

仇康

中国石化扬子石油化工有限公司塑料厂 江苏南京 210048  

摘要：Amoco气相法聚丙烯工艺反应釜采用独具特色的卧式平推流反应器，物料在反应器内的流动反应相当于三台以上的串联返混式反应器的效果，反应釜内的气相反应剧烈，温度易发生波动。本文简述了气相法工艺的温度控制原理，分析了反应温度控制的影响因素，讨论了各参数与反应温度的关系及调整原则，并根据生产经验提出了一些温度控制过程中的注意事项。

关键词：聚丙烯装置 气相法 温度控制 工艺调整 反应

自1953年Z-N催化剂问世以来，聚丙烯的催化剂研发和工业化生产进入了飞速发展的阶段。聚丙烯生产工艺先后经历了溶液法、溶剂浆液法、本体法及气相法等不同的发展阶段，目前世界上主要采用的是较为先进的本体法和气相法生产工艺[1]。

BP-Amoco气相法聚丙烯工艺因其工艺流程简短，开停车迅速，产品牌号齐全且牌号切换较快，过渡料少等优点，是国内目前较为先进的聚丙烯生产工艺之一。Amoco工艺采用两个串联的独具特色的卧式平推流反应器，聚合粉料在反应釜内随着搅拌而不断向前推移并发生聚合反应，单个反应器即可达到类似于多个串联的返混式反应器（例如流化床或液相本体反应器）的反应效果[2]。

然而，由于单个的卧式搅拌床反应器的长度较长，粉料床层在反应器内的分布和反应情况也较难控制，在催化剂、急冷液、原料丙烯质量、粉料料位等条件改变的情况下，反应温度极易发生波动，导致反应负荷波动、产品质量下降等问题，甚至可能导致反应器内产生块料引起堵塞等严重事故。因此，稳定控制粉料床层温度是装置平稳生产的一个重要保证，通过对反应釜的温度控制原理及各相关工艺参数与反应温度间的作用关系进行研究和分析，进而总结出一些温度控制调整的原则及注意事项，对今后的工艺生产稳定运行具有重要意义。

1气相反应釜的温度控制原理

Amoco工艺的反应釜为卧式平推流反应器，反应釜的设计反应温度为66 ℃，压力为2.2 MPa。催化剂与气相丙烯在反应釜内发生聚合反应，释放出大量的聚合反应热。反应釜上部设计了12根急冷液喷嘴，液相丙烯通过急冷液喷嘴注入反应釜后发生瞬间的闪蒸气化，气相丙烯喷洒在粉料床层上，聚合反应热量通过急冷液的闪蒸汽化吸收。

由于反应釜的长度较长，为达到温度控制的目的，将反应釜划分为四个区，编号为1至4，每个区设置了三个温度测点和急冷液喷嘴。温度测点设置在反应釜底部，热电偶放置在底部中心线偏35°角处，斜向插入粉料床层之中。每一个温度测点都控制一路急冷液喷嘴，当温度升高或者降低时，急冷液喷嘴的控制阀相应的开大或者关小，使注入反应釜内的急冷液量也相应的增加或者减少，使粉料床层的温度稳定在设定值，以达到控制反应温度的效果。

2工艺参数对反应温度的影响及调整

2.1 温度设定

温度是聚合反应的关键控制参数之一，温度过高将使聚合反应过于剧烈，产生块料，甚至导致粉料在反应器内熔融，影响后续操作，温度过低则会导致丙烯在气相反应釜内发生液化，使粉料床层带液，影响搅拌效果，形成局部热点。催化剂从反应釜的1区注入，喷洒在粉料床层上并与气相丙烯发生聚合反应，带有聚合活性的聚丙烯粉料随着搅拌的推动而不断向反应釜的2~4区移动，随着催化剂活性的释放，反应釜各区的聚合反应情况也存在区别，且由于在同一反应釜内粉料床层的连续性，各区的粉料反应情况会对相邻区域的粉料产生影响。因此，反应釜4个区域的12个温度测点的设定存在一定的规律。

反应釜的1区是催化剂加入端，催化剂的浓度最高，活性最强，在反应釜压力稳定控制的情况下，应适当降低1区的反应温度设定值，减少催化剂活性释放，防止1区的粉料聚合反应过于剧烈，导致产生块料。4区为反应釜的出料端，粉料至此处已经释放了大部分的活性，应适当提高4区的温度设定值，使催化剂的活性得到进一步的释放。此外，提高4区的温度也有利于气相丙烯从粉料脱附，减少夹带至后流程，减少物耗。2区和3区的粉料分布较为均匀，催化剂活性适中，所以温度设定值通常在1区和4区的温度设定值之间。

2.2 急冷液注入量

聚合热是通过注入反应釜的急冷液瞬间闪蒸气化进行吸收，因此急冷液注入量是反应温度的直接影响因素。在稳定操作状态下，粉料床层的12个温度测点处的聚合反应热与急冷液气化吸热量平衡，保持温度在设定值。当温度设定值上升或下降时，急冷液调节阀控制急冷液注入量相应的减少或者增加。

由于气相反应剧烈和活塞流粉料床层温度测量的延时作用，在温度波动情况下，急冷液流量调节存在一定的滞后性，自动控制模式下的急冷液注入可能导致温度波动越来越剧烈，引起反应产率和产品质量大幅波动，影响生产的平稳运行。因此，在发生温度大幅波动DCS难以自行调节的情况，应及时手动干预控制急冷液注入量，稳定工艺状况。手动控制时，应根据平时稳定工况下的急冷液注入量进行调整，结合温度变化的趋势、速度等情况预判温度变化，提前改变急冷液注入量，使温度波动幅度逐渐缩小最后趋于平稳。反应釜的12个急冷液喷嘴中，1区的3个急冷液注入量调整尤为重要，因为此处催化剂浓度和活性最高，通常最先发生波动，波动幅度也相对较大，2~4区的粉料均是由1区而来，及时稳定住1区的波动，将使整个反应釜的波动更快恢复。

2.3 粉料料位

反应釜的料位通过核料位计测量，放射源放置于反应釜顶部，检测计测量出床层的高点和低点，取平均值作为粉料位的测量值。粉料的料位直接了影响粉料在反应釜内的停留时间，进而影响反应的活性和温度。通常粉料位升高将导致温度升高，反应速率增加，而反应产率增加又会使料位和温度进一步升高，最后使温度失控，导致飞温现象，此外，过高的粉料床层又将影响催化剂和急冷液在粉料床层上的喷洒效果，造成温度波动。料位降低则使温度下降，反应速率下降，这又使料位和温度进一步下降，过低的料位可能会使搅拌轴暴露，催化剂喷洒在搅拌轴上容易产生局部热点，生成大块料。

在发生温度波动时，反应产率的波动将会使粉料位也出现波动，导致聚合反应的逐渐失控。在温度调整过程中，应密切关注粉料位的变化情况，料位低时减少出料时间和延长出料周期，料位高增加出料时间和缩短出料周期，及时调整维持粉料位稳定，在料位稳定基础上温度波动往往可以更迅速得到稳定。

2.4 反应压力

反应釜的压力是判断气相反应程度的一个重要参考参数，反应压力通过丙烯分离系统进行控制，气相丙烯从反应釜穹顶离开反应釜，进行丙烯冷却器降温，气相丙烯在换热器中降温冷凝成液相丙烯进入丙烯分离罐中，使系统内的气相压力下降。当反应变好，温度上涨时，急冷液注入量增加，使气相丙烯增加，压力上涨，反应变差，温度下降时，急冷液量减少，压力下降。

在反应温度失控的情况下，可以通过调节反应压力使反应温度尽快得到控制。当反应釜内温度过高，甚至发生了飞温现象，无法控制温度时，可通过放空降低反应压力，使反应温度下降，防止发生爆聚。当反应温度过低并达到露点时，气相丙烯将液化并打湿粉料床层，使反应产率显著下降，搅拌效果变差，影响出料，可通过适当降低反应压力，使丙烯的露点降低，缓解粉料湿床现象。

2.5 循环气

离开反应釜穹顶的气相丙烯经过换热器降温后，进入丙烯分离罐的顶部，再由循环气压缩机升压后从反应釜底部的八个循环气喷嘴送入反应釜中，经过换热器降温的循环气对粉料床层具有一定的降温效果，且循环气使粉料床层保持流化床状态，保证粉料床层温度均匀，防止生成局部热点。

循环气流量对反应温度具有重要影响，流量过低或者过高都会导致粉料床层混合不均，形成局部热点，产生块料。通常循环气流量通过反应釜4个区的急冷液流量和气液比设定值控制，在实际的生产过程中，由于循环气带液、流量计失真、喷嘴堵塞等异常工况将导致循环气流量波动，进而使反应温度波动，因此，在温度波动的异常中，应结合各工艺参数变化及生产经验准确识别循环气状况，迅速找到问题根源并进行妥善处置。

3  结论

通过以上分析，可知气相法工艺中温度控制可以从以下几个方面进行考虑，在处理温度波动时可逐一分析并采取恰当手段进行调整。

（1）在催化活性最强的进料端应降低温度控制值，在出料端可适当设高温度控制值；

（2）根据稳定工况下各急冷液喷嘴流量去调整温度波动；

（3）料位的稳定对于反应温度的稳定极为重要，在处理温度波动时应特别关注维持料位稳定；

（4）反应温度失控情况下，应及时通过调整反应压力来控制反应；

（5）关注循环气对稳定控制反应温度的影响。

参考文献

[1] 洪定一. 聚丙烯:原理、工艺与技术(第2版)[M]. 北京：中国石化出版社, 2011

[2] 廖慧明. 聚丙烯装置挤压造粒机组稳定运行攻关[J].扬子石油化工, 2021, 36(3): 1-3