环管法聚丙烯装置细粉分析及对策

(整期优先)网络出版时间:2023-03-13
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环管法聚丙烯装置细粉分析及对策

蔡静

中国石油化工股份有限公司天津分公司  天津市 300270

摘要:本文主要阐述了环管聚丙烯装置中细粉的产生原因,并提出了优化操作环节、改善工艺流程的方法。在环管聚丙烯装置连续生产过程中,产生大量的细粉,严重影响聚丙烯装置的平稳运行,引起了极大的关注。针对于此,本文简要分析了目前环管聚丙烯装置产生细粉的原因,并提出了应对策略,以盼能为我国化工行业中,环管聚丙烯装置生产中的细粉问题提供解决思路。

关键词:细粉产生原因;影响;措施

在社会飞速发展过程中,对各种类型的化工产品需求量极大,其中聚丙烯作为主要的化工产品,广泛应用于纤维制品、医疗器械、食品包装、车辆零件、化工设备等领域。然而,在聚丙烯的工业生产中,环管聚丙烯装置生产过程中常出现细粉,对设备造成损害,干扰聚丙烯装置的正常运行。因此,环管法生产聚丙烯所产生的细粉问题备受从业人员关注,如何有效控制连续生产时产生的细粉成为当务之急。

一、环管聚丙烯的工艺介绍

聚丙烯材料一般通过液相法和气相本体法生产。液相环管反应器产生均聚和无规产物,而气相反应器一般生产共聚物产品。以液相双环管法生产聚丙烯为例,其主要工艺是精制后的原料丙烯单体与配制均匀的催化剂经过混合后进入预聚合反应器,在约20℃和3.8Mpa条件下进行预聚反应。在一定停留时间后,从小环管顶部出料,进入第一环管反应器,在约70℃和3.8Mpa的条件下进行聚合反应,由于反应大部分在第一环管中进行,会释放大量的反应热,需要格外关注环管水温的变化,以防出现“飞温”,造成装置“非计划”停车。第一环管底部出来的浆料经过带链接去往第二环管反应器继续反应,目的是为了提高丙烯转化率,消耗催化剂。从第二环管出来的浆料通过大闪线,进行聚合物高压闪蒸、低压丙烯回收、聚合物汽蒸、干燥、挤压造粒、均化、包装、运输等操作。

二、细粉产生的原因

1、预聚合效果差

预聚合反应温度控制在18~20℃,预聚合反应是为了在催化剂表面形成中等厚度的保护膜,从而提高催化剂颗粒的机械强度。一方面,可以极大的减少催化剂在环管内因高速流动、碰撞,导致催化剂破坏,另一方面,丙烯单体在催化剂颗粒内的扩散速率降低,减缓丙烯单体反应速率。同时,有利于催化剂颗粒在约70℃的双环管反应器中进行反应,防止颗粒破碎。

丙烯单体与活化的催化剂在预聚合反应器中反应,若催化剂配制不均匀,或催化剂的进料量突然增加,导致预聚合反应程度过于剧烈,在短时间内释放出大量热量,然而,反应热量不易分散在颗粒中,大量丙烯被气化,会导致催化剂颗粒被粉碎,产生大量细粉,进入下游系统。因此,预聚合反应在整个聚丙烯工艺中非常重要,并且催化剂活化程度、预聚合反应温度及原料在R200停留时间等都会影响预聚合反应的效果。

2、聚合反应过于剧烈

大多数丙烯单体在第一环管R201中聚合成聚丙烯树脂,一般,环管反应器的温度控制约70℃,此时,催化剂活性高,若反应器R201的局部温度突然升高,产生大量反应热,也会导致催化剂颗粒破碎,形成细粉。所以,控制环管反应器的温度至关重要。

3、原料丙烯含有杂质

原料丙烯中杂质如CO、H2O、O2和甲醇均为聚丙烯催化剂的毒物,尤其当丙烯中CO含量较高时,催化剂聚合活性降低,降低丙烯转化,对聚丙烯粒径产生影响,从而形成细粉。因此,装置正常运行时需严格把控原料丙烯纯度。此外,环管法生产聚丙烯装置也常常将CO作为紧急停车的阻聚剂,正是利用了CO进入反应器造成催化剂中毒后,反应终止这一特性。

4、催化剂的影响

4.1、催化剂在预接触罐中活化程度不够,比如活化时间短,从而导致聚丙烯装置所使用的催化剂活性较低,就会造成其在小环管R200、大环管R201、R202聚合反应器中很容易破碎,从而形成细粉。

4.2、催化剂在生产、运输和配置过程中可能导致催化剂载体颗粒破碎,或催化剂本身颗粒不均匀,颗粒相对较小,因此在聚丙烯树脂的反应中,粒径就会很不均匀,产生大量细粉。此外,在聚合反应过程中,一般球形催化剂参与聚合反应会产生球形颗粒产品,粉末催化剂复制产生细粉产品。因此,聚合物颗粒的形成与催化剂粒径分布密切相关。

4.3、催化剂在油脂混合物中混合不均匀,导致催化剂颗粒沉降或浓度不均匀,从而导致后续预聚合、聚合反应不平稳,反应时强时弱,对催化剂颗粒产生破坏,导致大量细粉。主要是因为非均相催化剂制备方法导致的,比如吊装、拆卸催化剂桶时少量空气进入导致催化剂失活、催化剂下料不均匀或者速度过快导致催化剂未均匀分散在悬浮物中、催化剂搅拌时间过长导致催化剂机械破碎等。

5、环管反应器内流体力学性质的影响

在环管反应器R201和R202中,反应物料依靠轴流泵的动力进行混流高速流动,避免粘稠的浆料附着于反应器内壁上,形成“挂料”。反应物料混合均匀,反应热量分布均匀,利于环管水温控制,防止催化剂破碎。此外,聚合物颗粒在高速旋转轴流泵的带动下,在环管内壁的连续碰撞也会导致颗粒破碎,形成细粉、超细粉。一定程度上,催化剂颗粒在小环管R200、大环管R201和R202内有不同的反应停留时间,所以相对应单个催化剂的收率不一致,势必形成一定分布规律的高分子颗粒和细粉。

6、其他原因

比如从第二环管反应器底部出来的浆料会经过大闪线,物料从高压至低压,在压力的作用下容易形成小分子聚合物,再加上大闪线中丙烯的闪蒸,会引起颗粒碎裂,形成细粉。上游系统的反应器与下游冲洗系统之间的压差越大,越易破碎,细粉越多。

三、细粉的危害

1、对聚合物闪蒸脱气的影响

在大闪蒸线和闪蒸罐D301中去除未反应的丙烯单体,粘稠的聚合物浆料从R202底部进入大闪蒸线,随着其直径逐渐增大,丙烯体积迅速膨胀,实现闪蒸分离。上游产生的细粉容易随着丙烯被带到高压丙烯洗涤塔T301里,装置长时间运行会导致换热器E301及小闪蒸线堵塞。同时,细粉也会进入压缩机PK301,导致PK301压缩机进气过滤堵塞,吸入口压力低低导致压缩机联锁停车,造成塔压波动。

2、对汽蒸干燥单元的影响

大量的细粉容易导致汽蒸单元中的旋风分离器底部短节堵塞,也会使洗涤塔C501的洗涤效果变差,汽蒸尾气压缩机PK501的入口过滤器被细粉堵塞,导致PK501进气压力低,联锁停机。同时,洗涤塔C501的回流泵P501及洗涤塔C502的回流泵P502的入口滤网易堵塞,需及时切换备泵,保证回流量。操作人员频繁进行水泵切换、滤网清理更换、打捞池子等操作,耗费大量的人力和物力资源,对设备的经济核算产生影响。过多细粉导致D508滤网堵塞,影响干燥氮气的洗涤和加热效果,影响聚丙烯粉末干燥,进而影响后续粉料输送系统的正常运行。

3、对环境和设备的影响

细粉过多不仅会损坏轴承和密封系统,甚至会堵塞管道和阀门。比如,细粉过多可造成袋滤器的滤袋堵塞,细粉可在汽蒸罐、干燥器及料仓产生挂料,导致高料位误报警,触发联锁,影响装置的长周期稳定运行。细粉的产生也会对厂区环境造成不良影响,需定期进行面貌整治。

4、改进措施

1.改进预接触D201的反应条件

首先,控制预接触罐D201的温度。D201的温度由D201的夹套水温间接控制。预聚合温度是影响催化剂活性的主要因素,活化效果会直接影响到粉料的粒径分布。因此,保持适宜的活化温度至关重要。若D201罐温度过低,在催化剂表面形成的保护膜强度不够,导致催化剂颗粒进入R200预聚合反应器时破碎,产生大量细粉,进入下游系统。D201温度过高,同样也会导致催化剂颗粒破碎。一般在约10℃下,悬浮在油和脂混合物中的催化剂、给电字体和TEAL会在催化剂预接触罐D201中被较好活化。

其次,控制催化剂在D201罐中的停留时间,配置不同浓度的给电子体和主催化剂,使催化剂在预接触D201中得到充分活化,亦能有效抑制细粉的产生。

2.改进预聚合R200的反应条件

首先,适当降低FIC204进料量,进而保证催化剂在预聚合反应器内充分预聚合。其次,调整预聚合反应器的反应温度,防止催化剂在反应过程中造成破碎,产生大量细粉。

3.稳定反应器及后续系统的操作

为保证生产负荷稳定,将丙烯进料量、双环管浆料密度控制在适当的范围内。尽量减少因频繁调整生产负荷,以防止反应器内聚丙烯浆料因摩擦碰撞产生细粉。提高操作人员的操作水平,加强工艺纪律管理,尽量减少因工艺控制偏差导致细粉含量增加。

4.保证丙烯原料的质量

在装置生产过程中,操作人员应严格控制丙烯原料纯度,实时监测丙烯中杂质含量,防止原料杂质含量超标,引起催化剂中毒,降低催化剂收率,从而影响聚合物质量,将H2O、CO、H2S等有害杂质去除。其次,精制塔中的分子筛在使用一段时间后,需进行再生。

5.催化剂的选择、配制、储运

选择不易发生破碎、粒径大小可控的优质聚丙烯催化剂至关重要,在反应中,该催化剂活性均匀,防止聚合物颗粒破碎,能够减少细粉的生成,生产的聚合物性能较好。从源头规避因催化剂本身原因造成催化剂易发生破碎,最后导致环管聚丙烯装置生成大量细粉。其次,改进催化剂配制方法和催化剂配制浓度,使催化剂在油脂中分散更均匀,防止催化剂团块积聚。此外,催化剂在贮藏和运输过程中应轻拿轻放,避免频繁移动。

聚合产品性能主要由催化剂本身决定,催化剂的使用条件对最终产品的性能没有明显影响。因此,从根本上解决细粉含量的关键在于催化剂的开发制备,在现有催化剂下,聚合工艺条件的调整只能一定程度减少细粉的产生。

五、结束语

在聚丙烯工业生产中,“细粉”对设备稳定和聚合物性能造成严重的影响。因此,本文对装置运行产生细粉的现象进行了简要分析和探讨。细粉的产生无法完全避免,但选择合适的催化剂和优化工艺参数可以有效降低细粉的产生。因此,从业人员应对催化剂的组成和聚合工艺不断改进,同时加强聚合反应后细粉的操作处理,有效防止细粉对设备、管道造成损坏,确保聚丙烯前后工段的稳定高效运行。

参考文献:

[1]刘自良.聚丙烯细粉产生的原因影响及措施[J].石油化工应用,2009,01.

[2]周浪屿.聚丙烯装置细粉产生的原因分析[J].化工生产与技术2010,02.G