应用Polymers Plus软件对双环管聚丙烯工艺的优化

郑雄高

（中国石化 海南炼油化工有限公司，海南 洋浦 578101）

工业技术

应用Polymers Plus软件对双环管聚丙烯工艺的优化

郑雄高

（中国石化 海南炼油化工有限公司，海南 洋浦 578101）

应用Polymers Plus软件建立了中国石化海南炼油化工有限公司双环管聚丙烯装置的模拟稳态模型。利用该模型分析了加氢量、产量、外给电子体用量和丙烷含量等操作参数对聚丙烯产品性能的影响。实验结果表明，模拟稳态模型能较好地反映聚丙烯装置的生产情况。在生产高熔体流动指数的聚丙烯时，适量调高给电子体用量可避免聚丙烯等规度下降；加氢量增大时应防止反应器飞温、加大系统尾气排放量、减少惰性组分丙烷在丙烯循环系统中的累积。装置负荷与设计偏差较大时，应跟踪调节反应器内浆料密度，尽量保证催化剂停留时间不变。聚丙烯等规度达要求后，应控制给电子体和三乙基铝的用量，减少氢气和三剂的消耗。严格控制回收丙烯中的丙烷含量。2011年海南炼化双环管聚丙烯装置通过优化操作措施减少三剂费用总计47.44万元。

Polymers Plus软件；双环管聚丙烯工艺；工艺优化

双环管聚丙烯工艺是典型的聚丙烯生产技术，可生产均聚物、无规共聚物、抗冲共聚物以及三元（乙烯-丙烯-丁烯）共聚物［1-2］。双环管工艺也是目前国内应用最广泛的聚丙烯生产工艺，通过对现有装置进行操作优化，保持平稳运行，充分挖掘产能潜力，降低辅材成本，可提高我国聚丙烯装置的经济效益和市场竞争力［3］。

Polymers Plus软件是为模拟高分子聚合过程而开发的产品，它结合了Aspen Plus稳态模拟软件与Aspen Dynamic和Aspen Custom Modeler动态模拟软件的功能，可对从单体进入反应器到单体回收以及聚合物分离的全过程进行稳态和动态模拟［4］。Polymers Plus软件中包含了不同的聚合反应机理以及各种聚合工艺［5-6］。目前已有许多公司应用Polymers Plus软件进行工业聚合过程的研究［7-12］。

本工作应用Polymers Plus软件，针对中国石化海南炼油化工有限公司（海南炼化）双环管聚丙烯装置建立了模拟稳态模型，并利用该模型分析了加氢量、产量、外给电子体用量和丙烷含量等操作参数对聚丙烯产品性能的影响，提出了操作优化的主要措施，以期提高聚丙烯装置的经济效益。

1 实验部分

优化对象：海南炼化200 kt/a双环管聚丙烯装置。该装置的模型流程见图1。自2006年投产以来，该装置生产总体平稳，每月可排产4～5个牌号产品，其主要流股的流量范围见表1。近年来，随装置负荷的不断加大，陆续出现三剂单耗偏高、牌号切换过程操作波动大和负荷瓶颈等问题。

图1 双环管聚丙烯装置的模型流程Fig.1 Flowsheet of dual-loop polypropylene unit.FIC-201，FIC-202，FIC-203，FIC-204，FIC-231，FI-322 are steam fl ows.

表1 主要流股的流量范围Table 1 Flowrates of main stream fl ows

2 稳态建模

用Polymers Plus软件建立的海南炼化双环管聚丙烯装置流程模拟稳态模型分反应和分离两部分。为使模拟稳态模型既能较好地反映实际情况又能在Polymers Plus软件中运算收敛，对部分复杂的操作流程采取了简化或变通处理，力求模拟结果与实际相符。在模拟稳态模型的热力学选择上，聚合物模拟部分选用适于中高压操作条件下的PC-SAFT状态方程［7］，分离回收部分采用RKSOAVE方法［13］。经模拟运行，模拟稳态模型计算值与实际值的比较见表2。

表2 模型计算值与实际值的比较Table 2 Comparison between the calculated values and the actual values

从表2可看出，计算值与实际值的偏差较小，模拟稳态模型有效收敛，能较好地反映聚丙烯装置的生产情况。

3 操作要素

利用模型对氢气、产量和反应器密度等操作要素作灵敏度分析，考察这些操作要素间的关联。

3.1 氢气的影响

在双环管聚丙烯工艺的生产过程中，氢气与液相丙烯混合后注入反应器参加聚合反应，利用聚丙烯活性链的氢转移控制产品的平均相对分子质量，平均相对分子质量越低，熔体流动指数（MI）越高。当生产牌号为V30G的注塑级聚丙烯时，保持丙烯总进料不变，加氢量对聚丙烯等规度和产量的影响见图2。由图2可见，聚丙烯等规度随加氢量的增大而降低；产量随加氢量的增大先增大后趋于平缓。

图2 加氢量对聚丙烯等规度和产量的影响Fig.2 Effects of hydrogen fl ow on the isotacticity and yield of the product polypropylene.Reaction conditions：70 ℃，3.65 MPa，product：V30G polypropylene，propylene 28 900 kg/h，catalyst 0.85 kg/h，triethyl alumina 4.5 kg/h，donor 0.287 kg/h.

丙烯聚合过程会生成少量丙烷并消耗一定量的氢气，一般在丙烯洗涤塔底丙烷含量较高，选取此处流股分析加氢量对丙烷生成量的影响（见图3）。从图3可看出，随加氢总量的增大，丙烯洗涤塔底丙烷含量逐渐增大，这与实际生产情况吻合。对比图2～3可知：1）在生产高MI的聚丙烯时，适量调高给电子体的用量可避免聚丙烯等规度下降；2）随加氢量的增大，产量提高，但反应热也相应增大，操作时应注意防止反应器飞温；3）由于丙烷不参与聚合反应，在加氢量较大时应加大系统尾气排放量，减少丙烷惰性组分在丙烯循环系统中的累积。

图3 加氢量对丙烷生成量的影响Fig.3 Effect of hydrogen fl ow on the propane production.Reaction conditions referred to Fig.2.

3.2 产量的影响

装置产量不同，进入反应器的丙烯流量也不同。当生产牌号为PPH-T03的拉丝级聚丙烯时，产量对催化剂停留时间和聚丙烯MI的影响见图4。由图4可知，随产量的提升，催化剂停留时间缩短，聚丙烯MI略微下降。这说明当产量超出设计值后，部分催化剂还未充分发挥活性即被带出反应器，这与装置近年来产量高、催化剂单耗居高不下的情况吻合。

图4 产量对催化剂停留时间和聚丙烯MI的影响Fig.4 Effects of the polypropylene yield on the residence time of catalyst and MI of the product polypropylene.Reaction conditions：70 ℃，3.65 MPa，product：PPH-T03 polypropylene，propylene 30 000 kg/h，catalyst 0.97 kg/h，triethyl alumina feed 3.8 kg/h，donor 0.195 kg/h.

在相同的产量下，浆料密度越大催化剂的停留时间越长。因此在装置负荷偏大或偏小时，应跟踪调节反应器内浆料的密度，在控制指标范围内尽量保证催化剂的停留时间不变，以降低催化剂的单耗并保持聚丙烯MI稳定。浆料密度的设计值为400～700 kg/m3，装置操作规程的参数范围是543～577 kg/m3。而实际操作中为了安全和便利，一般控制在（560±10） kg/m3范围之内，故有一定的优化空间。

3.3 外给电子体用量的影响

生产牌号V30G聚丙烯时，外给电子体用量对聚丙烯的等规度和MI的影响见图5。从图5可看出，随外给电子体用量的增加，聚丙烯等规度呈逐渐增大，MI呈逐渐减小的趋势，到达一定用量后两者均趋于平缓。说明通过调节外给电子体用量可改变聚丙烯的等规度和MI，但并非线形关系。通常聚丙烯等规度要求不低于96%即可，但由于外给电子体的总用量较少，操作不易控制，因此产品等规度通常大于97%。海南炼化聚丙烯装置所用的催化剂中由于含内给电子体，定向能力较高，因此加入过多的外给电子体会造成聚丙烯MI降低，增加氢气消耗。结合图2和图5可知，在聚丙烯等规度达到要求后，应控制给电子体和三乙基铝的用量，避免等规度和灰分含量过高，减少氢气和三剂的消耗。

图5 给电子体用量对产品的MI和等规度的影响Fig.5 Effects of donor dosage on the MI and isotacticity the polymer（V30G）.Reaction conditions：70 ℃，3.65 MPa，product：V30G polypropylene，propylene 28 900 kg/h，catalyst 0.85 kg/h，triethyl alumina 4.5 kg/h.

3.4 系统中丙烷含量对装置产量和催化剂单耗的影响

生产牌号V30G聚丙烯时，选取丙烯回收泵出口流股考察丙烯回收系统中丙烷含量对装置产量的影响（见图6）。从图6可看出，随丙烯回收泵出口丙烷含量的增加，产量逐步下降。当丙烷含量（w）从2.2%增至18.0%时，产量平均下降3 000 kg/h。

在保持产量不变的条件下，丙烯回收系统中丙烷含量对催化剂单耗的影响见图7。从图7可看出，随丙烯回收泵出口丙烷含量的增加，催化剂单耗逐步上升。当丙烷含量（w）从2.2%增至18.0%时，催化剂单耗增加了5.2 g（基于每t聚丙烯）。因而在实际生产中，有必要严格控制回收丙烯中的丙烷含量。

图6 丙烷含量对产量的影响Fig.6 Effect of propane content in the propylene recovery system on the polymer yield.Reaction conditions referred to Fig.2.

图7 丙烷含量对催化剂单耗的影响Fig.7 Effect of propane content in the propylene recovery system on the catalyst consumption.Reaction conditions referred to Fig.2.

4 操作优化

4.1 主要措施

应用Polymers Plus软件对各操作要素分析后，应采取的主要措施有：1）针对三剂单耗较高和聚丙烯中灰分含量高，应加大牌号切换初期采样分析的频率。在满足聚丙烯的等规度和MI的前提下，尽量降低外丙烯中给电子体和三乙基铝的含量，以降低三剂的单耗及聚丙烯中灰分的含量。2）高负荷生产时，在装置参数允许的范围内提高反应器内浆液密度，延长催化剂在反应器的停留时间，以挖掘装置产能并降低催化剂单耗。3）针对牌号切换波动大的情况，利用模型分析曲线并结合实际数据，每月校准氢气浓度与各牌号聚丙烯MI的关联曲线，供切换牌号时参考。另外制定渐进式排产计划，在满足配置计划的前提下根据不同牌号聚丙烯MI的不同，按低→中→高→中→低的顺序逐步过渡生产，以避免不同牌号转产时反应温度大幅波动。4）针对生产高MI聚丙烯时系统中丙烷含量高的问题，适当加大丙烯冷凝器、丙烯气压缩机等处的排放流量和频次，确保回收丙烯的纯度。

4.2 效果分析

2010年开始实施操作优化措施后，海南炼化双环管聚丙烯装置的三剂单耗明显下降，牌号切换过程更平稳。2011年该装置总产量238.3 kt，降低三剂的经济效益见表3。从表3可看出，操作优化后，三剂费用总计减少47.44万元。

表3 2011年降低三剂的经济效益Table 3 Economic benefi t for the reduction of the catalyst and cocatalyst in 2011

5 结论

1）用Polymers Plus软件可建立海南炼化双环管聚丙烯装置流程的模拟稳态模型，计算值与实际值的偏差较小，该模型有效收敛，能较好地反映聚丙烯装置的生产情况。

2）在生产高MI的聚丙烯时，适量调高给电子体的用量可避免聚丙烯等规度下降；随加氢量的增大，应注意防止反应器飞温，加大系统尾气排放量，减少惰性组分丙烷在丙烯循环系统中的累积。

3）在装置产量与设计产量偏差较大时，应跟踪调节反应器内浆料密度，尽量保证催化剂停留时间不变，以降低催化剂单耗并保持聚丙烯MI的稳定。

4）聚丙烯等规度达到要求后，应控制给电子体和三乙基铝的用量，避免等规度和灰分含量过高，减少氢气和三剂的消耗。实际生产中，应严格控制回收丙烯中的丙烷含量。

5）采取优化的操作措施后，海南炼化双环管聚丙烯装置的三剂单耗明显下降，牌号切换过程更平稳。2011年三剂费用总计减少47.44万元。

［1］ 洪定一. 聚丙烯：原理、工艺与技术［M］. 北京：中国石化出版社，2002：370 - 379.

［2］ 孙阁. 聚丙烯装置三元共聚产品生产可行性分析及展望［J］.当代化工，2011，40（7）：754 - 755.

［3］ 郑雄高. 双环管聚丙烯工艺建模及仿真优化［D］. 广州：华南

（编辑 邓晓音）

Operation Optimization of Dual-Loop Polypropylene Process by Polymers Plus Software

Zheng Xionggao
（SINOPEC Hainan Petrochemical Co. Ltd.，Yangpu Hainan 578101，China）

A steady state model for the dual-loop polypropylene process in Sinopec Hainan Petrochemical Corporation was established by means of the Polymers Plus software. The effects of hydrogen concentration，polypropylene yield，external donor dosage and propane content in the propylene circulatory system on the properties of polypropylene products were investigated by means of the model. The results indicated that，the model can reveal the production situation well. In the production of polypropylene with high melt flow index，the fall of the product isotacticity can be avoided by the adjustment of the external donor dosage. When the hydrogen amount increased，the reactor temperature runaway should be prevented and exhaust emission should be increased to reduce the accumulation of inert components in the propylene circulatory system. When the deviation between actual and designed yields was large，the slurry density in the reactors should be adjusted and the catalyst residence time should be ensured unvaried. After the product isotacticity met the requirements，the consumption of the hydrogen and catalyst should be reduced by controlling the dosages of the external donor and triethyl aluminium. The propane content in propylene should be controlled. By optimizing the operation，Hainan Petrochemical polypropylene unit decrease the cost of catalyst 474 400 ￥ in 2011.

Polymers Plus software；dual-loop polypropylene process；process optimization

1000 - 8144（2015）05 - 0612 - 05

TQ 018

A

2014 - 12 - 14；［修改稿日期］ 2015 - 01 - 27。

郑雄高（1981—），男，海南省儋州市人，硕士，工程师，电话 0898 - 28820602，电邮 zhengxg.hnlh@sinopec.com。