浅析聚丙烯装置中流化床反应器

谢宇袅

[摘要]流化床反应器是UnipoITM聚丙烯流化床反应系统中的核心设备，流化床反应器是一种利用气体或液体通过颗粒状固体层而使固体颗粒处于悬浮运动状态，并进行气固相反应过程或液固相反应过程的反应器。

[关键词]流化床、Unipol、反应器

[中图分类号]F407.7 [文献标识码]A [文章编号]1672-5158（2013）06-0168-01

前言

目前，在化工、石油、冶金、核工业等部门流化床反应器已得到广泛应用。流化床反应器在现代工业中的早期应用为20世纪20年代出现的粉煤气化的温克勒炉，但现代流化反应技术的开拓，是以40年代石油催化裂化为代表的。

一、流化床反应器的分类及结构

按流化床反应器的应用可分为两类：一类的加工对象主要是固体，如矿石的焙烧，称为固相加工过程；另一类的加工对象主要是流体，如石油催化裂化、酶反应过程等催化反应过程，称为流体相加工过程。

流化床反应器的结构有两种形式：①有固体物料连续进料和出料装置，用于固相加工过程或催化剂迅速失活的流体相加工过程。例如催化裂化过程，催化剂在几分钟内即显著失活，须不断予以分离后进行再生。②无固体物料连续进料和出料装置，用于固体颗粒性状在相当长时间（如半年或一年）内，不发生明显变化的反应过程。

近年来，细颗粒和高气速的湍流流化床及高速流化床均已有工业应用。在气速高于颗粒夹带速度的条件下，通过固体的循环以维持床层，由于强化了气固两相间的接触，特别有利于相际传质阻力居重要地位的情况。但另一方面由于大量的固体颗粒被气体夹带而出，需要进行分离并再循环返回床层，因此，对气固分离的要求也就很高了。

二、UnipoITM聚丙烯流化床反应系统

某石化企业UnipoITM聚丙烯装置流化床反应系统主要是由4台工艺设备组成：A、流化床反应器。B、产品出料系统。C、循环气压缩机。D、冷却器。Unipol聚丙烯工艺是一套简单、精致的系统，其特点是使用气相流化床反应器。与一些竞争者使用的液相工艺不同的是，Unipol聚丙烯工艺设计更简单，并且不需要有处理、分离和回收溶剂的设备。Unipol聚丙烯工艺由一台或两台气相流化床反应器组成。反应器内部没有移动部件或机械气固分离系统。单台反应器可生产均聚物以及使用乙烯或丁烯生产无规共聚物。要想生产抗冲共聚物，则使用第二台反应器将关键的弹性体成分直接聚合到增长的树脂颗粒中。反应器内的充分混合特性决定了产品的高度均一性。

UnipoITM聚丙烯工艺已按最低限度的单元操作情况对聚合工艺进行了简化。在发生反应的树脂颗粒流化床中，气体单体为流化介质并用于：床层的充分混合；催化剂的快速及均匀分配；促进反应区的热量及物质传递、及将反应器内的反应热输送到外部换热器。在UnipoITM聚丙烯系统中，当气体以低速流经床层时，气体将通过颗粒物之间形成的空隙，床层也只是静止的填料床。UnipoITM聚丙烯反应器中的流化为密相气固聚集型流化。

三、流化床一般特性

流化床反应器是道公司低压气相法聚丙烯制造工艺（即，UnipoITM工艺）的核心。总起来讲，密相流化床表现特征与相同密度的液体相似。流化床的某些特性如下所述：①、流化固体易于通过反应器内部的开口；②、压降与深度的关系与液压情况相似并可用于测定床层高度及密度；③、床层的压降保持稳定且并不随气体流速的增加而升高；④、固体颗粒在气泡驱动下连续运动，这导致固体的迅速扩散及充分混合；⑤、由于床层内的导热及固体混合效果较好，流体床基本上在径向及轴向上保持等温状态；⑥、流化床与反应器壁或浸人流化床的任何表面之间的导热效果较好。

四、流化床反应器的优缺点及适用过程

含有流化床的UnipoITM聚丙烯反应器设计结构简单，该反应器为一筒形塔，壁厚与反应器操作压力对应，且在维持某一纵横比的同时其直径及高度设计符合单元的处理能力要求。

流化床与反应器壁之间的导热效率极高。UnipoITM聚丙烯反应器是按分配板上方无浸人物质情况设计的。所有导热均在外部换热器中进行、且离开反应器的气体均通过冷却水冷却。此后，这部分冷却的气体及所包含的未反应的单体、共聚单体及其它惰性组分和补充单体及共聚单体将循环回到流化床反应器底部。反应器的生产速度将由进入及离开流化床的流体之间的热函差在减去非保温反应器壁上的热量损失后决定。

流化床内的固体粒子像流体一样运动，由于流态化的特殊运动形式，使这种反应器具有如下优点：①、由于可采用细粉颗粒，并在悬浮状态下与流体接触，流固相界面积大，有利于非均相反应的进行，提高了催化剂的利用率。②、由于颗粒在床内混合激烈，使颗粒在全床内的温度和浓度均匀一致，床层与内浸换热表面间的传热系数很高全床热容量大，热稳定性高，这些都有利于强放热反应的等温操作。这是许多工艺过程的反应装置选择流化床的重要原因之一。③、流化床内的颗粒群有类似流体的性质，可以大量地从装置中移出、引入，并可以在两个流化床之间大量循环。这使得一些反应再生、吸热放热、正反应—逆反应等反应耦合过程和反应—分离耦合过程得以实现。使得易失活催化剂能在工程中使用。④、流体与颗粒之间传热、传质速率也较其它接触方式为高。⑤、由于流固体系中孔隙率的变化可以引起颗粒曳力系数的大幅度变化，以致在很宽的范围内均能形成较浓密的床层。所以流态化技术的操作弹性范围宽，单位设备生产能力大，设备结构简单、造价低，符合现代化大生产的需要。

流化床反应器的缺点：①、气体流动状态与活塞流偏离较大，气流与床层颗粒发生返混，以致在床层轴向没有温度差及浓度差。加之气体可能成大气泡状态通过床层，使气固接触不良，使反应的转化率降低。因此流化床一般达不到固定床的转化率。②、催化剂颗粒间相互剧烈碰撞，造成催化剂的损失和除尘的困难。③、由于固体颗粒的磨蚀作用管子和容器的磨损严重。

虽然流化床反应器存在着上述缺点，但优点是主要的。流态化操作总的经济效果是有利的，特别是传热和传质速率快、床层温度均匀、操作稳定的突出优点对于热效应很大的大规模生产过程特别有利。

流化床反应器比较适用于下述过程：热效应很大的放热或吸热过程要求有均一的催化剂温度和需要精确控制温度的反应，催化剂寿命比较短，操作较短时间就需更换（或活化）的反应；有爆炸危险的反应，某些能够比较安全地在高浓度下操作的氧化反应，可以提高生产能力，减少分离和精制的负担。

流化床反应器一般不适用如下情况：要求高转化率的反应，要求催化剂层有温度分布的反应。对于一般的工业流化床反应器，需要控制和测量的参数主要有颗粒粒度、颗粒组成、床层压力和温度、流量等。这些参数的控制除了受所进行的化学反应的限制外，还要受到流态化要求的影响。实际操作中是通过安装在反应器上的各种测量仪表了解流化床中的各项指标，以便采取正确的控制步骤达到反应器的正常工作。在UnipoITM聚丙烯反应器壁上设置有较多的取压点，通过变送器可以测定床层高度、床层不同段上的FBD及分配板和床层上的压降情况。利用变送器的测量信息可以监控流化性能及对反应器性能进行控制。

参考文献

[1]肖志英，流化床反应器设备设计计算[M]，河南化工，2004（4）

[2]朱宝轩，化工工艺基础[M]，化学工业出版社，2005