INEOS气相聚丙烯反应温度控制

杨学超

摘要： 聚丙烯主要是由丙烯通过一系列加工与聚合形成的热塑性树脂，也可以添加乙烯生产价值和性能更高的共聚产品，当前国内外应用最广泛的聚丙烯技术有本体工艺技术以及气相法工艺技术，本文介绍的INEOS工艺的温度控制目前世界上应用较广的一种聚丙烯工艺之一。INEOS氣相聚丙烯是由丙烯在卧式反应器内通过一定的温度和压力下加工与聚合形成的热塑性树脂，其中对温度的控制是相当关键的，要求也是相当严格的。本文重点研究了聚丙烯反应温度控制及控制中的问题和解决方法。

关键词： 气相聚丙烯；温度控制；热量；急冷液。

前言

当前，在世界范围内，聚丙烯是一项最重要的合成树脂，其具有来源广、密度小、易回收、质量轻、耐腐蚀、耐高温、机械性能优越等多种优势，因而想要生产出更优性能的聚丙烯树脂，对聚丙烯的反应控制研究尤为重要，其中对温度的控制研究更是重中之重。

1 INEOS气相聚丙烯工艺简介

神华榆林公司聚丙烯装置采用INEOS公司Innovene气相聚丙烯工艺，以丙烯为主要原料，生产聚丙烯产品。

Innovene气相聚丙烯工艺是美国Amoco公司于二十世纪七十年代开发的一种卧式搅拌床聚丙烯工艺，后由英国BP公司购得专利，进一步发展，所以又称为BP-Amoco技术，最后由INEOS公司获得。INNOVENE聚丙烯生产工艺采用气相反应器技术生产聚丙烯产品，特点是使用带水平搅拌器的反应器和高性能的 CDi催化剂，能耗低、过渡料少、产量高、操作可靠性高、操作弹性大、产品均一性好、质量控制好、工艺步骤简单、安全及环境友好。该工艺由聚合级丙烯经精馏塔和脱除器除杂后在两个串联反应器生产出粉状聚丙烯再经树脂脱气系统到挤压造粒造出易储存、运输和加工的较安全的聚丙烯成品。

2 反应温度控制

1.1 反应温度控制概况

要生产性能优良、稳定的聚丙烯产品，反应温度的控制是相当重要的，控制聚合反应的温度主要是控制反应器内粉料的温度。该气相反应器一般是由四个区域组成，设计产能更大的装置可增加至五个区，每个区有三个温度测点，每个区域也有循环气和3股急冷液注入，每股急冷液与一个温度控制器与流量控制阀投串级控制，在第一区还有主催化剂和改性剂、三乙基铝的加入，贯穿于整个反应器的还有一个巨大的搅拌器。

1.2 热量来源

在聚合反应的初期，反应温度是靠进入反应器的循环气加热和搅拌器的机械热来提供热量、提升温度的。聚合期，反应温度是靠一区的催化剂加入到反应器内，使气相丙烯聚合发生反应，而释放出大量的热，随着搅拌器的不断搅拌，热量散发出来，而粉料也逐步向二、三、四区移动，反应不断继续，热量源源不断的产生出来。

1.3 撤热机理

反应器撤热机理表观上为加入到每区的急冷液蒸发带走反应热，但粉床中的细节极为复杂，为保持反应温度稳定，大量的聚合反应放热必须及时撤出。以HP操作为例，聚合放热为2417kJ/kgPP，若不撤出热量，10～15分钟内，温度快速升高22℃，反应器内某处可达熔点。压力2.25MPa（G）的液相丙烯汽化热为276kJ/kg。热量最终由E206撤出，部分尾气在E206中冷凝，E206为管式换热器，以循环水为冷却介质，将由撤热时气化产生的大量尾气在此冷却，大部分冷却为液相丙烯返回至D201中，由D201底部离心泵G201加压后以急冷液方式进入反应器进行循环利用，小部分仍为气相丙烯经离心式压缩机C201加压后以循环气方式进入反应器来维持系统的压力。

在聚合反应中，若不及时撤热，粉料将熔融、结块。过多的粉料熔融、结块，就必须停车，除块料。故必须设置合适的撤热系统。

卧式气相反应工艺中，沿反应器轴向、粉床对面的反应器壁上，排布数个喷嘴，将丙烯急冷液喷洒在粉床上，气化撤出反应热。

1.4 温度控制要点

进入粉床内部的粉料，继续反应，一段时间后，再回到表面并被急冷液再次喷洒。期间，保持一定量的液体蒸发来维持床层温度。急冷液与粉料接触后不会完全蒸发，粉床内保持一定量的急冷液，作为粒子的覆盖层。搅拌有助于整个床层湿粉料的分布，保证温度控制稳定。

实验表明聚合反应速度是随反应温度的升高而升高的，到达一定值以后会下降，而聚合反应速度既快、反应温度又易控制的设定温度为66℃。而实际生产中对反应温度的影响因素又是多样化的，所以在温度的设定上又不是将每区温度都设定为66℃，而是各区各个温度点均略有不同。

由于催化剂是在反应一区加入，靠液相丙烯为载体，喷洒至反应器内部，所以反应一区的的反应更加剧烈，产生的热量也就最多，该区域所需要撤热的急冷液量也是最多的。通常为避免反应温度有较大的波动，也是为避免聚合过程中产生块料和片料，在对反应温度控制时，并不是只考虑使反应达到最佳的反应速率，而是要综合考虑反应的平稳度，故将一区温度设定值降低，第一根温度控制器设定在60～61℃，第二根温度控制器设定在61℃，第三根温度控制器设定在62℃。经过生产经验得知，反应温度达到58℃以下时，气相丙烯会出现部分冷凝产生液态，使反应温度波动剧烈，难以控制。伴随着反应的继续，反应越往后反应越弱，所需要维持反应来激发催化剂活性的温度设定值越高，通常二区的温度控制器设定值在63～64℃，三区的温度控制器设定值在64～66℃，四区的温度控制器设定值在65～67℃。

第二反应器是与第一反应器串联起来进行生产的，不需要再次加入催化剂，靠第一反应器中催化剂的残余活性来继续生产，所以需要的温度要较第一反应器高。第二反应器温度的设定一般为一区设定在63～65℃，二区设定在64～66℃，三区设定在65～67℃，四区设定在66～68℃。如果某一区中的某一根急冷液量过多或过少，可能该区的温度设定会临时调整。

2 反应温度控制中的异常情况

反应温度出现波动或者出现异常情况经常会在反应中产生块料或者片料，输送到下游设备会堵塞阀门或者管线，严重时影响生产，停工检修。

2.1 反应温度波动原因

反应中经常会出现温度波动或者是显示故障的情况发生，该种情况可能引起的因素有以下几种情况：

加入反应器中的催化剂流量突然变大，使一区温度急剧升高；

反应器料位设定过高造成催化剂喷洒不匀产生局部热点，使反应温度升高；

反应器料位设定过低造成催化剂喷洒在搅拌轴上也会造成局部热点，使反应产生波动；

急冷液喷嘴发生堵塞，造成撤热的急冷液量不足以将反应产生的热量转移走使温度产生波动；

2.2 反应温度波动措施

反应温度通常控制的波动范围在设定值的±1℃之间，出现反应温度异常波动时如不及时调整会导致温度波动范围越来越大，就像正弦余弦曲线似的一直波动，而且波峰越来越高，我们在正常生产中所能允许的温度波动范围最大是±3℃，否则可能就会产生严重的后果。所以在温度出现上下波动时应及时调整，操作应采取的措施：

将反应温度控制改为手动控制，将急冷液流量调整更快地满足温度调整所需要；

重新整定温度控制的PID参数，使其调整起来更为合理。

2.3 反应温度其它异常

如某一温度控制点温度长期低于或高于其设定值，则可能的原因为该区急冷液量过低或者过高，长期急冷液量低或者是没有流量会导致急冷液喷嘴发生堵塞，长期急冷液量高可能为该喷嘴急冷液量已达上限。出现以上兩种情况任一种，均需对温度设定值（亦即SP值）做出调整，通常为避免对同一根温度点的设定调整幅度过大，我们亦会将其前后两个温度点设定值做出一定调整，来做到均衡控制，因为急冷液的喷洒也是发散型，不止会喷洒到自己的温度探测点，也会喷洒到相邻温度探测点一部分。经生产实践证明，调整某一温度点的前温度设定值较后温度设定值更有效，也更能对后续系统影响最小，避免串连反应。

2.4 影响反应温度的其他几种因素

循环气温度的高低对反应温度的高低有直接影响；

反应器中的惰性组分对提高反应温度的有抑制效果；

反应中的杂质或者毒物影响反应速率，进而影响反应温度的控制。