聚丙烯装置气相反应釜温控体系分析

(中国石化洛阳分公司，河南洛阳 471012)

洛阳石化总厂聚丙烯公司聚丙烯装置，是引进日本三井油化公司的HYPOL工艺技术。HYPOL工艺是一种本体法聚合、液相—气相组合式工艺流程，装置含有两个反应釜，一个为液相反应釜D201，反应原料丙烯、氢气在催化剂的参与下在D201进行本体聚合。第二反应釜为气相反应釜D203，利用循环风机C203建立流化床进行均相反应，气相丙烯聚合。反应产生的聚丙烯粉料(PP)送到后续工段，进行气－固分离、干燥、去活，而后送到造粒工段，添加助剂，生产出符合要求的聚丙烯产品。

HYPOL工艺中气相反应釜D203采用流化床反应器工艺，主要是通过冷却循环流化气体的显热除去聚合反应热，部分冷凝态进料或进料中的液体丙烯的气化也带走了部分反应热。由于丙烯气体的显热较小，冷丙烯气体的用量就很大，气体的流量同时影响反应的流化状态和除热过程。气相反应釜的温度是控制反应及产品质量的重要参数，因此对D203温控体系的研究具有重要的意义。

1 D203温度控制原理

D203的温度控制是由循环气冷却器E－203和间接水冷却器E－941来控制。E203采用间接冷却水系统，其中反应釜温度T233与E203温控阀T945采用串级调节，T945A/B采用分程控制，在正常生产及大循环时控制的是间接冷却水的温度，通过T945A/B阀的作用使冷却水加热或冷却，从而控制D203的温度。

2 D203反应釜热量分析

D203温度控制还取决于进入反应器内液相丙烯的量，液相丙烯在气相反应器D203中会迅速汽化，汽化过程中吸收大量的反应热，可以降低D203温度。D203的液相丙烯主要来自浆料线，一部分是D201内的循环丙烯，由LV211控制。另一部分来自冲洗丙烯，D201到D203浆料输送采用P209的液相新鲜丙烯进行冲洗，目的是降低浆料管线的浆料密度，防止浆料线堵塞。

当丙烯聚合成聚合物时，聚合反应放出热量。为了使两釜的反应更加平衡，根据实际工况，D201与D203的反应负荷比率一般为3∶2［1］，聚合装置现在运行负荷 9.5 t/h，D203 负荷为 3.8 t/h，根据D203温度控制的原理，反应产生的热量被E203和浆料线冲洗丙烯吸收并排除，同时下料线PP粉料也会带走一部分热量。按照能量转化与能量守恒定律，进行气相反应釜D203的热量衡算式为:

式中:Q反应热——是原料丙烯聚合反应所产生的反应热;

Q冲洗——进入D203冲洗丙烯气化吸收的热量;

QE203——循环气冷却器 E－203撤出的反应热;

Qpp——聚丙烯粉料PP输出带走的热量;

Q损——反应整个工艺流程产生的热损失。

3 D203反应釜热量衡算

丙烯聚合是一个强放热反应，D203为气相反应釜，假定釜内丙烯以液态小颗粒状态参与反应。反应产生的聚合热量对于单位丙烯聚合热来说是一固有的聚合热给定量，当液态丙烯聚合成聚合物时，大约每千克PP产生2 100 kJ/kg的热量［2］。

进入第二反应釜D203的冲洗丙烯气化需要大量的热量，会撤去部分丙烯反应热。经计算，液相丙烯在p=1 650 kPa时，汽化潜热γ=563.3 kJ/kg。因此冲洗丙烯带走的热量计算如下:

其中:F291——P209A/B出口高压丙烯流量，t/h;

F285——P209A/B 提供 D208 丙烯量，t/h;

F213——P209A/B－D201 深冷丙烯，t/h。

T946——E203间接冷却水入口温度;

T945——E203间接冷却水出口温度;

T946——E203间接冷却水出口流量。

由上述计算可得出，气相反应釜D203的热量撤出 Q冲洗占 39.1%，QE203占 53.7%，Qpp占 0.9%，Q损占6.3%。即气相反应产生的热量39.1%由冲洗丙烯气化吸热撤除，53.7%由换热器E203通过间接水冷却撤除，聚丙烯粉料带走的热量仅占整个反应产生热量的0.9%，D203作为体积83.4 m3的反应器，内部温度控制在80℃，与环境温度会有大量的热交换，产生热损失，经计算这部分热损失占反应热的6.3%。

4 计算结果分析

经过计算，得出反应釜D203的反应热撤除各部分所占比例 QE203＞Q冲洗＞Q损＞Qpp。D203产生反应热主要靠换热器E203进行撤除，因此在日常平稳生产中，当反应温度出现波动时，首要要考虑调节TV945，即间接冷却水的出口流量，通过控制间接冷却水的流量来调节换热器的换热能力，实现对反应釜D203的温度控制。

换热器E203主要是靠冷却水与循环气的热交换实现控温，对温度的控制具有滞后性。间接冷却水的阀开度具有局限性，只能在一定温度范围内实现调节，聚合反应作为活性很强的化学反应，一旦配料比控制不当，容易引起温度骤升。换热器E203的滞后性和局限性不能短时间内实现温度的有效控制。

冲洗液态丙烯汽化会撤走大量热量，仅次于换热器。丙烯汽化相变发生在瞬间，瞬间吸热对紧急状况下降低D203的温度具有明显的效果，可以实现短时间内的温度控制，具有较强的时效性。聚合反应一旦遇到停水、停电、搅拌故障时，容易挂壁和堵塞，造成局部过热或反应釜飞温，发生爆聚。冲洗丙烯气化可以短时间内降低反应温度，有效防止爆聚的发生，因此冲洗丙烯流量的精确控制对于控制D203的温度具有重要的作用。建议在冲洗管线上安装仪表和程控阀，实现冲洗流量的精确控制，从而实现在紧急状况下对D203温度的有效控制。