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        氣相法聚丙烯裝置產(chǎn)品質(zhì)量工藝控制優(yōu)化分析

        2018-04-26 05:40:21劉恒寧
        石油化工自動化 2018年2期
        關(guān)鍵詞:催化劑優(yōu)化產(chǎn)品

        劉恒寧

        (中石化寧波工程有限公司,浙江 寧波 315103)

        隨著中國經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展,聚烯烴產(chǎn)品中的聚乙烯、聚丙烯以其優(yōu)良的特性而得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的原油加工已不能滿足需求,而中國特有的“富煤、缺油、少氣”的資源特點及新技術(shù)煤制烯烴(MTO/MTP)、丙烷制烯烴(PDH)的發(fā)展和應(yīng)用,一大批煤制烯烴生產(chǎn)裝置相繼建設(shè),僅2017年建設(shè)和規(guī)劃中的煤制烯烴項目就近30 個,大部分為煤制烯烴一體化項目。由于大部分煤制烯烴項目集中在西部地區(qū),鑒于運輸問題,最終產(chǎn)品都是固體顆粒狀聚乙烯和聚丙烯。丙烷脫氫制烯烴項目由于丙烷原料大多為進(jìn)口而分布在沿海區(qū)域,最終產(chǎn)品也基本都是聚丙烯粒料。

        目前聚乙烯、聚丙烯裝置經(jīng)濟(jì)規(guī)模一般為0.3 Mt/a。在項目建設(shè)過程中的技術(shù)選擇階段,大多數(shù)企業(yè)都提出了產(chǎn)品差異化的需求,以期獲得高的市場利潤,但最終為追求項目投資效益最大化,大多數(shù)項目工藝技術(shù)選擇了流程短、投資低的氣相法工藝,加劇了聚烯烴產(chǎn)品的市場競爭,加之產(chǎn)品需求量因素,結(jié)果實際生產(chǎn)集中在了大宗牌號上,帶來了產(chǎn)品同質(zhì)化問題。因此,要獲得高利潤、高收益,只有通過嚴(yán)格控制和提高產(chǎn)品質(zhì)量,才能滿足市場需求,提高市場占有份額。

        為此,本文從工程設(shè)計角度,對氣相法聚丙烯裝置通過優(yōu)化主要工藝控制,提高控制水平,最終使產(chǎn)品質(zhì)量得到嚴(yán)控,使企業(yè)的贏利模式由擴(kuò)大產(chǎn)能和低價競爭,轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)化產(chǎn)能和價值最大化,建立有特色“可持續(xù)發(fā)展”的產(chǎn)品與市場發(fā)展策略。

        1 聚丙烯工藝簡介

        聚丙烯是一種優(yōu)良的合成樹脂,由于其物理化學(xué)性質(zhì)特殊,具有無味無毒等特性,成為通用熱塑性樹脂中應(yīng)用最廣泛的高分子材料之一,是由烯烴聚合技術(shù)將丙烯聚合得到產(chǎn)品,包括丙烯均聚物及與少量乙烯、α-烯烴等共聚得到無規(guī)共聚物和抗沖共聚物。

        聚丙烯工藝技術(shù),根據(jù)聚合方式,可分為溶劑法、淤漿法和氣相法、本體法。而聚合催化劑的研究進(jìn)展使得聚丙烯生產(chǎn)工藝不斷簡化、合理,節(jié)能、降耗的效果更加明顯,不僅大幅降低了生產(chǎn)成本,而且提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。目前,傳統(tǒng)的溶劑法、淤漿法工藝的比例明顯下降,氣相法及本體-氣相組合工藝以其工藝流程簡單、單線生產(chǎn)能力大、投資省而備受青睞。本文以氣相法為基礎(chǔ)進(jìn)行討論。

        1.1 工藝流程簡述

        聚丙烯裝置主工藝單元由原料精制、聚合反應(yīng)、脫氣與回收、造粒等單元組成。主要原料丙烯通過數(shù)個催化劑(或分子篩)床層,脫除其中所含的微量一氧化碳、氧、水分、二氧化碳、炔烴、甲醇和其他二烯烴等雜質(zhì),進(jìn)入聚合反應(yīng)單元;在催化劑和助催化劑的作用下,聚合反應(yīng)在核心設(shè)備反應(yīng)器中進(jìn)行。僅丙烯原料,可以生產(chǎn)均聚物產(chǎn)品,若有乙烯參與反應(yīng),則在第一反應(yīng)器可以生產(chǎn)無規(guī)共聚物,粉料繼續(xù)送入第二反應(yīng)器可以生產(chǎn)抗沖共聚物;粉料樹脂由反應(yīng)系統(tǒng)的出料系統(tǒng)送到產(chǎn)品脫氣倉,將含有烴、氮氣混合物的氣體與樹脂分離,并在排放氣回收單元將烴類回收;脫氣后的粉料樹脂與添加劑混合后經(jīng)擠壓造粒單元得到顆粒產(chǎn)品,在摻混料倉摻混為合格的產(chǎn)品送入包裝系統(tǒng)進(jìn)行包裝、外運。聚丙烯裝置主工藝單元流程如圖1所示。

        圖1 聚丙烯裝置主工藝單元流程示意

        1.2 產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)

        產(chǎn)品質(zhì)量控制是聚丙烯生產(chǎn)中至關(guān)重要的環(huán)節(jié),產(chǎn)品質(zhì)量的好壞直接影響產(chǎn)品的后續(xù)加工及應(yīng)用。聚丙烯的質(zhì)量指標(biāo)比較多,與生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)操作過程關(guān)系較為密切的有等規(guī)度、熔體流動速率、相對分子質(zhì)量、灰份含量、氯含量、揮發(fā)份含量、表觀密度等,而密度、熱性能、電性能等是聚丙烯的固有特性,另外拉伸力學(xué)性能、沖擊強(qiáng)度、硬度等,則是介于產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)和固有特性之間。

        2 工藝控制優(yōu)化及分析

        目前聚丙烯生產(chǎn)工藝已非常成熟,反應(yīng)系統(tǒng)的控制對產(chǎn)品的質(zhì)量影響較大,筆者從所參與項目中,就所進(jìn)行的設(shè)計優(yōu)化實例做如下分析。

        2.1 原料丙烯中雜質(zhì)分析

        聚合用單體丙烯中雜質(zhì)的存在,會影響催化劑的活性,影響催化劑定向能力從而影響產(chǎn)品的等規(guī)度,有的雜質(zhì)還會影響產(chǎn)品的熔體流動速率。在原料精制單元,通常都會根據(jù)原料丙烯的組成,對一氧化碳、硫化氫、羰基硫、水、二烯烴、炔烴、乙烯、各種烷烴、甲醇等雜質(zhì)進(jìn)行脫除。但少量雜質(zhì)在反應(yīng)器中長期積累,會產(chǎn)生消極影響。

        該設(shè)計優(yōu)化是針對原料丙烯中的丙烷含量的影響所進(jìn)行的控制優(yōu)化,丙烷分析優(yōu)化如圖2所示。工藝流程中,反應(yīng)器出口氣體經(jīng)循環(huán)氣壓縮機(jī)增壓,返回反應(yīng)器。為隨時監(jiān)測反應(yīng)氣的組成,在此設(shè)置了在線分析儀,對一氧化碳、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯、氫等組分進(jìn)行在線分析,并與主反應(yīng)原料丙烯進(jìn)行分析運算。以往裝置僅設(shè)置了氫與丙烯、乙烯與丙烯的運算,該設(shè)計優(yōu)化增加了丙烷與丙烯的運算,如圖2中AY-3所示,并將結(jié)果送到反應(yīng)器頂部壓力控制邏輯中,確保其中來自反應(yīng)器未反應(yīng)的丙烷不會在循環(huán)氣中長期積累,回到反應(yīng)器后降低丙烯分壓,從而降低聚合速率和丙烯的轉(zhuǎn)化率,最終影響產(chǎn)品的等規(guī)度,增加丙烯單耗。

        2.2 活化劑的加入保護(hù)

        在聚丙烯的生產(chǎn)過程中,活化劑三乙基鋁能與主催化劑形成活性中心,在反應(yīng)過程中增大反應(yīng)物的烷基化,同時消除原料及系統(tǒng)中的有害雜質(zhì),保護(hù)主催化劑,提高催化劑的定向能力,因而加入量不僅對產(chǎn)品等規(guī)度有明顯的影響,還對催化劑的得率也有一定的影響,在一定的添加量范圍內(nèi),聚丙烯產(chǎn)品的等規(guī)度會隨著活化劑的添加量的增大而提高。但活化劑通常由于加入量小,通過注入管件注入反應(yīng)器時可能發(fā)生堵管,故加入少量原料液相丙烯混合,以防止流量小堵塞管口,導(dǎo)致反應(yīng)器中活化劑量減少。

        圖2 丙烷分析優(yōu)化示意

        該設(shè)計優(yōu)化增加了丙烯流量指示報警,如圖3所示,并參與反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)料的聯(lián)鎖邏輯,若發(fā)生報警、聯(lián)鎖,立刻采取相應(yīng)措施,避免添加量過大,活化劑自身的特性使粉料黏度增大,生產(chǎn)不流暢,甚至導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量不合格。

        圖3 丙烯流量指示報警示意

        2.3 反應(yīng)溫度的影響

        反應(yīng)溫度對丙烯聚合有很大影響,一般升高溫度,可以加快反應(yīng)速度,但反應(yīng)溫度高于產(chǎn)品牌號所用催化劑確定的反應(yīng)溫度時,反應(yīng)不易控制,容易爆聚,且等規(guī)度及反應(yīng)速度不再增加,相對分子質(zhì)量也隨溫度升高而下降,產(chǎn)品熔體流動速率受到直接影響。

        該設(shè)計優(yōu)化對以往的循環(huán)氣冷卻器冷卻水溫度調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)增加了反應(yīng)器溫度做為其設(shè)定值用于串級控制,從而控溫更加準(zhǔn)確、穩(wěn)定,反應(yīng)器溫度變化小。

        2.4 氫調(diào)的影響

        在聚丙烯生產(chǎn)中,采用加氫的方法來調(diào)節(jié)聚合物的相對分子質(zhì)量以控制產(chǎn)品的熔體流動速率,該控制過程又稱“氫調(diào)”。氫氣在聚合反應(yīng)過程中起到了高能鏈的轉(zhuǎn)移的作用,有效地控制分子鏈的長度,即聚合物的相對分子質(zhì)量。隨著聚合反應(yīng)時加氫量的增加或氫調(diào)效果的改善,聚合物相對分子質(zhì)量的減小,產(chǎn)品熔體流動速率增大,但同時等規(guī)度會下降。因此,針對不同的牌號需要嚴(yán)格控制氫氣的加入量,在提高熔體流動速率的同時也應(yīng)考慮對產(chǎn)品等規(guī)度的影響。

        該設(shè)計優(yōu)化中將氫氣進(jìn)入反應(yīng)器的調(diào)節(jié)閥分為兩程,如圖4所示。針對不同牌號反應(yīng)器氫氣濃度差別較大的情況,高流量需求時采用FV-3A調(diào)節(jié)閥控制,低流量需求時采用FV-3B調(diào)節(jié)閥控制,從而解決了以往單一調(diào)節(jié)閥因調(diào)節(jié)范圍過大而造成調(diào)節(jié)精度過低的問題,所需牌號產(chǎn)品的質(zhì)量也得到了精準(zhǔn)控制。

        2.5 催化劑濃度的影響

        在聚丙烯反應(yīng)體系中,催化劑的加入不僅對反應(yīng)速度產(chǎn)生影響,同時對產(chǎn)品的等規(guī)度也有一定作用,通常來說,催化劑濃度越高,產(chǎn)品的等規(guī)度越高。當(dāng)因原料雜質(zhì)或操作原因使催化劑的活性下降時,可適當(dāng)提高催化劑的濃度及多投活化劑來消除原料中有害雜質(zhì)對催化劑的破壞作用,以提高產(chǎn)品等規(guī)度,但催化劑添加過量,很容易導(dǎo)致催化劑組分在高溫環(huán)境下被分解,殘渣的濃度增大會加大聚丙烯的灰份,不僅對粉粒產(chǎn)品的外觀有一定的影響,還會嚴(yán)重影響產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

        該設(shè)計優(yōu)化通過增加活化劑與催化劑的比值計算,對加入到反應(yīng)器中的催化劑及活化劑進(jìn)行精確計量,在保證催化劑、活化劑活性的前提下,滿足聚合反應(yīng)的需求,減少催化劑的用量,同時確保催化劑在反應(yīng)器中的濃度可控及響應(yīng)及時,降低產(chǎn)品中的灰份含量。

        3 結(jié)束語

        近些年來聚丙烯產(chǎn)品因其優(yōu)良的特性,越來越廣泛的應(yīng)用于汽車、家電、包裝、電子、建筑材料等多個領(lǐng)域,生產(chǎn)企業(yè)對產(chǎn)品的質(zhì)量控制越來越嚴(yán)格,以提高企業(yè)的綜合競爭力。作者對生產(chǎn)工藝中影響產(chǎn)品質(zhì)量的等規(guī)度、熔體流動速率、分子量、灰份含量的原料雜質(zhì)分析、反應(yīng)溫度控制、活化劑加入保護(hù)、氫調(diào)控制、催化劑濃度控制進(jìn)行了設(shè)計優(yōu)化實例分析,實際應(yīng)用中達(dá)到了加強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量控制的目的。

        圖4 氫氣多程調(diào)節(jié)示意

        本文所分析實例,是工藝控制源頭,加之與先進(jìn)過程控制結(jié)合應(yīng)用,將會大幅提高控制精準(zhǔn)度,降低過渡料的產(chǎn)量,加快牌號切換時間,有益于企業(yè)依市場所需,建立有特色“可持續(xù)發(fā)展”的產(chǎn)品與市場發(fā)展策略,擴(kuò)大“差異化”產(chǎn)品量,減低“無差異”產(chǎn)品量和生產(chǎn)成本的利潤最大化目標(biāo)。

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