PP Z30S生产波动原因及对策

周军义

（中石化北海炼化有限责任公司，广西壮族自治区北海市 536000）

聚丙烯（PP）作为通用热塑性树脂，是重要的化工产品和原料。自1980年以来，世界PP的消耗量以每年9.5% 的速度增长。中石化北海炼化有限责任公司（以下简称北海炼化）200 kt/a PP装置采用国产第二代环管法工艺技术，用两组串联的液相环管反应器生产均聚PP，产品牌号有注射、挤压、薄膜、纤维级等。其中，Z30S产品主要用于生产高速纺丝、膨胀连续长丝等。该装置的挤压造粒系统采用德国WP公司的挤压机，操作简单、牌号切换灵活、产品质量稳定；控制系统采用浙江中控技术有限公司ECS700技术。在生产高熔体流动速率（MFR）的Z30S产品期间，装置多次出现环管反应器温度、高压闪蒸罐顶部温度、产品密度等波动情况，本工作针对装置的这些波动进行分析并提出相应的对策，为以后装置的平稳运行奠定基础。

1 环管反应器温度的波动

丙烯在环管反应器中反应生成PP时会产生聚合热，撤热常是生产中的关键问题之一。根据中国石化工程建设有限公司的设计，在第一环管反应器（R201）中反应完成约65%，在第二环管反应器（R202）中完成35%。两环管反应器中生成的热量大致与反应分配成正比，因此，平稳控制R201的撤热尤其重要。本工艺采取热对流的方式（即环管夹套水）撤热。环管反应器温度与很多因素[如反应是否均匀、环管中浆液循环是否均匀、环管夹套水流量是否平稳、夹套水温度串级控制的比例（P）、积分时间（I）、微分时间（D）调节是否平稳等]有关。环管内部浆液循环由轴流泵控制，轴流泵转速是恒定的，所以浆液循环可视为均匀；环管夹套水由离心泵控制，通过监控室内分散控制系统（DCS）对两个环管夹套水泵的出口流量的监控可知，夹套水流量基本恒定（在长期使用过程中，由于循环水中存在杂质逐渐使离心泵入口过滤器与换热器堵塞，影响泵的出口流量，可根据离心泵出口流量定期清理入口过滤器或者换热器）；北海炼化DCS是聚烯烃行业中首家采用浙江中控技术股份有限公司软件ECS700，该软件的P，I，D调节特点为采用比例微分先行形式（P，D先行是只对测量值起比例微分作用的控制算法，在比例微分环节连通反馈通道中位于设定值与测量值的比较点之前。而在通常的P，D或P，I，D控制算法中，微分控制作用是与偏差的变化速度成正比的，不论设定值或测量值怎样突变，微分控制作用都十分强烈。因此，必须缓慢调整设定值。为了不受这种限制，对此系统进行了优化，可以只对测量值进行微分，而测量值一般是不会突然变化的），这种调节不同于以往的线性调节，还缺乏实际经验。开工初期，界区循环水温度波动较大，需要将环管与夹套水温度串级调节，这样更具灵敏性、提前性，经过一段时间地摸索，环管温度终于逐步稳定。图1为串级调节控制环管与夹套水温度的P，I，D优化前后对比。

图1 串级调节控制环管与夹套水温度的P，I，D优化前、后对比Fig.1 Contrast of PID of cascade regulation control loop and jacket water temperature before and after optimization

控制环管温度对稳定催化剂反应活性，环管反应器中浆液密度、H2溶解度以及产品质量等非常重要，同时也有利于提高装置操作运行平稳率。

2 环管反应器中浆液密度的波动

环管反应器中的浆液密度直接影响装置的产量。以R201为例，假设丙烯进料量、浆液密度、装置产量分别为F，D，Y，则R201中丙烯转化率（X）为X=[（1-400/D）/500]×900（70 ℃ PP及液相丙烯的密度分别为900，400 kg/m3），Y=FX=[（1-400/D）/500]×900，根据以上计算，在浆液密度一定的情况下，R201的产量主要与其浆液密度成正比，密度越高，PP浆液在反应器中停留时间越长[1]，催化剂的利用率就越高，产量就越高。但浆液密度越高，产生的聚合热越多，则会面临来不及撤热的难题。目前，基本控制浆液密度在540～560 kg/m3，这既能保证催化剂的效率和产量，又能保证环管反应器的热量能够及时撤出。

环管反应器中的浆液密度主要与环管温度、丙烯进料量有关（见图2）。通常，丙烯进料量与催化剂加入量在短时间内是稳定的，因此，环管反应器中的浆液密度主要与环管温度有关。由图2可以看出：丙烯进料量一定时，环管反应器中的浆液密度、环管温度都比较平稳，但将环管反应器中的浆液密度与丙烯进料量串级控制后浆液密度的波动就比较大。因此对浆液密度-丙烯进料量串级的P、I、D参数还有待于进一步优化。

图2 环管反应器中浆液密度与温度、丙烯进料量的关系Fig.2 Relation of the slurry density， temperature and amount of propylene feed in the loop reactor

3 产品熔体流动速率（MFR）的波动

PP的MFR主要靠H2调节。理论上，H2浓度一定，产品PP粉料的MFR则比较稳定。H2可作为PP分子链的终止剂，它产生的游离基（·H）与PP分子链具有活性的一端相结合，使之失去活性，这样就阻止了PP大分子链的增长，从而达到控制PP相对分子质量（与MFR相关）的目的。北海炼化采用变压吸附原理提纯进入PP装置之前的H2，然后将H2加压至5.5 MPa后，通过流量控制阀定量加入到环管反应器中。在实际使用中发现H2变压吸附单元（PSA）出口的压力每隔一段时间就会波动，仔细观察后发现，在切换另一个吸附塔时（PSA有5个吸附塔轮流提纯H2），均升阀的关闭速度慢于出口阀的打开速度，由于均升阀与其他低压塔相连，因此该吸附塔会泄压，导致H2压缩机入、出口压力不平稳。在装置开车生产Z30S初期，H2流量调节控制阀未与环管进料丙烯的H2浓度投串级控制，采用自动控制H2加入量来间接调节环管丙烯进料中的H2浓度，由于H2压缩机出口压力频繁波动，不能保证H2供料平稳，从而导致加入到环管中的H2流量产生波动，进而导致环管丙烯进料中的H2浓度产生波动，最终导致PP粉料MFR产生波动。为了消除H2提纯时PSA出口压力波动，建议通过程序使切换吸附塔时先关闭均升阀，然后再打开出口阀，或者加快关闭均升阀的速度。

图3 PSA出口压力与加入环管反应器中H2量的关系Fig.3 Relation between the PSA outlet pressure and the amount of hydrogen added in the loop reactor

4 环管出料量波动

在生产Z30S期间，环管出料阀频繁出现波动的原因大致有：1）生产高MFR产品需要加入的H2量较多，易在高压洗涤塔中产生大量的不凝气，导致环管出料的背压波动，在环管出料阀不变的情况下，由于出料前后的压差（环管压力与其背压的压差）不同而产生出料量波动；2）生产Z30S初期，控制环管反应器中液相密度较高（约560 kg/m3），比环管出料管线容易出现轻微的堵塞，后期降低环管反应器中液相密度的效果比较明显（见图4）。

图4 环管出料控制阀与背压的关系Fig.4 Relation between the loop discharge valve and its back pressure

由图4可知：装置负荷在11 t/h时，环管的出料阀开度在28% 左右属于正常，但在环管出料背压由1.80 MPa降至1.68 MPa时导致压力降较大，因此出料量大幅上升，从而导致环管出料闪蒸管线短时间内来不及将液态丙烯气化，进而使闪蒸罐顶部温度降至连锁值（55 ℃）以下。出现这种情况时，建议改用手动控制，待环管压力及出料量稳定后再改自动控制。

5 结语

对PP生产装置来说，环管反应器的温度控制非常严格，因此，优化其P，I，D极为重要。北海炼化是国内首家采用国产的中控控制系统，P，I，D的优化还有待于在实践中继续摸索。

产品MFR的平稳性直接关系到装置的经济效益， H2加入量必须非常精确。因此，应尽可能地降低H2压力及加入量的波动，增加装置优等品的比例，使经济效益最大化。

环管出料量的稳定直接影响到装置后续系统的平稳性。在生产Z30S期间，由于H2加入量增加，导致环管反应器中不凝气增多，所以要加大高压丙烯洗涤塔中的不凝气排放，保证环管出料量的稳定，使装置平稳运行。

[1] 中国石油化工集团公司人事部，中国石油天然气集团公司人事服务中心. 聚丙烯装置操作工[M].北京：中国石化出版社,2011：76-77.