浅析聚丙烯酰胺装置研磨机的升级改造

王纪文

（大庆炼化公司招标中心，黑龙江 大庆 163411）

随着国民经济的快速发展，对原油需求不断增加，为提高石油资源利用率，国家确定稳定东部的开发战略。大庆油田进入含水后期，如何保持高产成为影响经济发展的重要因素。广泛采用三次采油技术提高采收率成为石油工业的重要战略决策，大庆等油田聚合物驱现场试验取得良好效果，平均每注1t 聚合物可增油150t。随着聚合物驱等三采技术的发展，为大庆油田保持高产找到可行的方法。现已建成的PAM 生产装置每年提供5 万吨分子量PAM 产品。大庆炼化公司聚丙烯酰胺装置设计采用聚工艺生产阴离子型聚丙烯酰胺，研究研磨机设备为筛分包装工序重要设备，经过干燥工序后物料通过双层筛进行分离按粉径分为不同尺寸规格，研磨机作用是将粉径大于1mm 的大粒物料破碎。研磨机故障率是影响聚丙烯酰胺产量的重要因素，研究聚丙烯酰胺装置研磨机技术升级改造非常必要。

1 聚丙烯酰胺装置工艺技术

聚丙烯是丙烯单体在催化剂作用下聚合反应生成的通用热塑性合成树脂，具有无毒害抗冲击强度大等优点，可加工成编制制品、管材等在家电包装工业等领域广泛应用。聚丙烯塑料在通用塑料制品中消费量仅次于聚乙烯，近年来，市场对聚丙烯树脂需求推动行业的快速发展，随着新聚合工艺的进步，大大拓展聚丙烯树脂的应用领域。我国聚丙烯工业迅速发展但每年仍需大量进口，聚丙烯行业具有广阔发展前景。积极跟踪新工艺发展方向，开发生产高品质新产品对我国聚合物化工产业具有重大意义。

1.1 聚丙烯生产工艺发展

20 世纪50 年代，意大利科学家纳塔合成高结晶性的聚丙烯，蒙特卡蒂尼公司实现工业化生产，聚丙烯树脂生产方法分为溶液法，本体法与气相结合法等，溶液法由于反应温度高达140 温度幅产大量无定形聚合物。浆液法工艺是最早的聚丙烯生产工艺，浆液法工艺是主要的聚丙烯生产工艺。浆液法聚合工艺采用搅拌釜反应器加入己烷在低温90℃与丙烯压力下聚合，包括Hercules 公司浆液法工艺，Amoco 公司浆液法工艺等。开发首代催化剂采用立式搅拌釜反应器，工艺流程与操作条件不同。浆液法聚合工艺生产中需要加入惰性溶剂增加溶剂回收等工序，由于工艺的局限性，导致聚合反应速度低。

60 年代Philips 公司开发比浆液法聚合工艺通过丙烯单体在反应釜进行液体相体聚合生产聚丙烯产品，随着聚合条件优化聚合速率的加快，随着聚丙烯生产工艺的发展，目前主要的液相本体法聚合工艺包括飞利浦公司工艺、Rexall 聚合工艺等。间歇法聚合工艺以炼气丙烯为原料，生产弹性较大容易控制，自20 世纪70 年代开始在我国迅速发展。目前，我国间歇法聚合工艺催化剂生产实现国产化，间歇法聚合工艺使用催化剂包括络合Ⅱ型，CS-1 型等类型。连续法聚合工艺是在间歇法聚合工艺基础上发展，目前包括飞利浦本体结合工艺，Rexall 本体法聚合工艺等。采用本体法-气相法组合工艺生产高性能聚烯烃树脂是工艺主要发展方向，广泛应用于多相聚丙烯产品开发中。气相法聚丙烯工艺研究始于60 年代早期，具有可在宽范围调节产品品种，适宜生产抗冲聚丙烯树脂等优点。目前气相法及气液相组合法是具有竞争力的聚丙烯生产技术。

1.2 聚丙烯酰胺生产技术

我国聚丙烯工业生产始于20 世纪70 年代，目前形成间歇式液相本体法等多种生产工艺并举的格局，90 年代后，我国聚丙烯生产消费进入快速发展时期，目前中国成为世界上最大的聚丙烯生产国家。我国大型聚丙烯生产装置以引进技术为主。随着技术的进步，我国聚丙烯行业进入快速发展阶段。聚丙烯酰胺产品主要应用于油田三次采油、水处理等行业，全球聚丙烯酰胺生产能力超过100 万吨/年，日美等国家是聚丙烯酰胺主要生产国家，生产厂家包括气巴特种化学聘公司、赛特公司与日东化学公司等。国外在50 年代开始聚丙烯酰胺产品的开发生产，国外高分子量聚丙烯酰胺生产技术包括乳液聚合工艺等。

共聚工艺采用丙烯酰胺聚合单体在较低引发温度下进行共聚合反应，经切割造粒等过程得到粉状阴离子聚丙烯酰胺产品，共聚工艺对第二单体丙烯酸产品质量要求较高，乳液聚合是将单体水溶液按比例加入油相中，乳液聚合产品浓度为25%，黏度为70MPa·s 以上。均聚后水解工艺在造粒后加入氢氧化钠水解，产品分子量接近2000 万，但存在水解度不均匀等问题。90 年代前，国内聚丙烯酰胺处于小规模工业化生产，随着三次采油技术的推广应用，大庆油田引进5 万吨/年聚丙烯酰胺生产装置投产，促进国内对三采油中分子量聚合物的研究。一些科研部门探索最佳工艺条件开发多元复合体系，国内建成4 套规模2000 吨/年的生产装置，聚丙烯酰胺生产工艺技术开发应用得到蓬勃发展。国内生产高分子量聚丙烯酰胺为均聚技术，光引发后水解工艺采用箱式反应槽，反应后聚合物胶块用片碱捏合水解，得到阴离子聚丙烯酰胺粉剂产品，工艺技术存在所用设备庞大占地多等问题。需要对现有工艺技术改造生产符合需要的产品。

2 聚丙烯酰胺生产装置升级

2.1 聚丙烯酰胺生产装置

油田开发经历利用油层原油能量开采一次采油，人工增补油藏能量二次揩油与采用注水注气新技术三次采油阶段。聚丙烯酰胺产品主要应用于油田三次采油等工业，聚丙烯酰胺产品物理形态包括固体粉状与乳液形式，三次采油聚合物通常为阴离子型部分水解聚丙烯酰胺。聚合物驱油机理是利用水溶性聚丙烯酰胺分子链黏度改善驱替液的流度比提高采收率。驱油用水溶性聚丙烯酰胺要求具有增黏性，过滤芯与黏弹性等性能。普通聚丙烯酰胺在高矿度下有效黏度迅速降低，聚合物驱应用中存在三次采油期地下水质为高矿化度水，只能靠注聚浓度保证驱油效果。需要研究合成新型抗盐性聚丙烯酰胺，渗透率高的注聚地质区块聚丙烯酰胺分子量大增黏效果好。

某化工厂10 万吨/年聚丙烯装置采用间歇液相本体聚合生产工艺，装置包括原料精制、闪蒸去活等部分，间歇液相本体聚合生产聚丙烯工艺包括聚合反应，尾气回收等部分。原料丙烯中含有少量的水氧与CO 等杂质导致催化剂中毒，装置采用固碱脱二氧化碳与大量水，脱硫塔将有机硫脱除，氧化铝干燥塔吸附原料中的水，分子筛干燥塔吸附原料中微量的水，丙烯原料经精制单元后杂质组分得到脱除。丙烯聚合过程包括链引发增长与终止，影响聚合反应因素包括反应温度压力与原料质量等，原料质量无法控制，可以调控参数包括操作温度压力与温升速度。间歇液相本体聚合生产聚丙烯工艺包括聚合反应等部分。聚丙烯装置建成为石化公司气分聚丙烯车间的丙烯综合利用，经济效益提高起到重要作用。装置采用SPG 工艺，经过脱水脱硫脱氧使原料丙烯达到聚合要求，在催化剂与温度等作用下，采用卧式气相结合法使丙烯发生聚合反应，工艺吸收液相法易于生产均聚物的特点，综合能耗较低。装置以气体分馏装置生产高纯度丙烯为原料，在65 ～75℃下进行丙烯单体本体聚合。

丙烯精制系统装置使用单体由公司气体分馏装置产出，原料丙烯中含有较多杂质，达不到聚合级丙烯的要求，原料丙烯经D001A/B 固碱脱水器粗脱水，D004A/B氧化铝脱水等达到聚合级要求，精制系统采用AB 线并联运行方式。装置设计三套脱水系统达到聚合级丙烯含水量的要求。图1 为丙烯气相本体聚合系统流程图。装置催化剂包括CS-I 型高效催化剂为主A 催化剂，二苯基二甲氧基硅烷为外给电子体，三乙基铝为助催化剂。SPG 工艺丙烯聚合系统包括丙烯预聚合与气相本体聚合过程。原料丙烯由泵输送到预聚釜，丙烯单体在ABC 催化剂作用下进行预聚反应，预聚压力3 ～3.8MPa。经气相反应釜D203 反应后聚丙烯粉料进入后处理系统进行气固分离等工序得到粉料产品，聚合物离开第三反应器D203 进入旋风分离器D301,D302-2，丙烯气相经油洗池T301 洗去低聚物，进行高压丙烯洗涤塔T302，分离去除烷基铝后丙烯送至气分平衡系统内丙烯浓度。

图1 丙烯气相本体聚合系统流程图

2.2 聚丙烯酰胺装置系统升级

装置主催化剂加料器原设计形式为互为备用立式搅拌式储罐，通过电磁阀旋转助催化剂带入预聚釜中反应，主催化剂加料器由操作工每日定期加剂。Z102 容积为20L，催化剂只能维持一个班的时间，切剂中聚合釜反应温度先降后升，主催化剂切剂中调节不及时导致大幅度生产波动。原催化剂加料系统存在反复加料器切换存在误操作隐患加大，影响装置的安全运行。主催化剂分装中增加催化剂的损耗，加料器切换后置换等加大催化剂的损失。随着装置产能增加，现有主催化剂加剂形式制约装置安全平稳生产。为减少主催化剂系统切换频率，通过工艺改造增加主催化剂分装中间控制。SPG 工艺主催化剂系统在原料加料器上增加中间罐，通过新鲜丙烯对中间罐升压，中间罐催化剂通过自重沉降到加料器中。中间罐带有冷冻盐水为冷却介质的夹套，隔断阀门间设置为中间罐升压丙烯升压线，主催化剂加料器顶部有配套的丙烯升压线。加料器主催化剂用完时，切断连接阀门卸掉中间罐的压力，向中间灌入主催化剂，将中间罐与主催化剂加料器贯通，解决以往反复切换主催化剂加料器的操作模式，主催化剂系统改造降低生产波动。

3 聚丙烯酰胺装置研磨机技术改造

聚丙烯酰胺生产中通过均聚工艺制备阴离子聚丙烯酰胺，生产过程包括溶解、预研磨造粒等步骤，研磨筛流程中水量约10%的粗制聚丙烯酰胺经风机形成负压，旋风分离器气流粉尘收集在料斗中。双层振中上层为颗粒较大产品送入研磨机，研磨后送入旋风分离器循环，风机形成负压将其带入成品料斗，用粉尘被袋过滤器收集。小颗粒产品经风机形成负压带入细分系统。粉尘由过滤器收集。聚丙烯酰胺是丙烯酰胺及衍生物统称，工业上将单体聚合物含有50%以上称为聚丙烯酰胺。通过干燥含有少量水分，完全干燥聚丙烯酰胺为白色。

聚丙烯酰胺具有较高亲水性，生产中产品经干燥由负压输送到研磨机中产品温度降低到35℃。聚丙烯酰胺研磨机为自动化设备制造公司生产KWE/1325-25A 双辊式研磨机，目前研磨机存在研磨效率低等问题。磨辊表面技术特性是磨齿速比齿数与齿顶平面等参数决定研磨效率。研磨辊有一定转速，速比大对物料研磨作用强。物料接受剥刮次数多增强粉碎程度。速比选用必须与工艺等适应。齿数是磨辊圆周长度内磨齿数目，根据物料性质及要求达到粉碎程度等决定。磨辊齿数少齿沟深适宜研磨颗粒大的物料。磨辊齿数多齿沟浅，适宜研磨小颗粒物料。斜度是同磨齿两端在磨辊表面距离与磨辊长度比，辊磨齿在研磨区两侧相对物料形成交叉点，磨辊间轧距小于研磨物料在交叉点受到剪切作用。磨齿研磨时辊发生不稳定现象，磨辊产生振动影响研磨效果。齿顶宽是齿顶片面宽度，应根据磨齿大小留一定齿顶平面。保证磨辊拉丝后为精确圆柱形，提高磨辊使用寿命。

聚丙烯酰胺装置研磨机改造主要进行皮带轮重新设计选型，优化磨辊表面技术特性。对磨辊传动比，齿形角度等参数进行优化改造，降低齿数增加前角度。原有皮带为双面窄V 带BB90 具有摩擦损失大、安装费时等缺点。生产线皮带损坏制约连续平稳生产。改造后，采用双面同步多楔带一侧为圆弧齿同步带，传动效率高使用寿命长安装方便。非驱动端皮带轮组改为三轮皮带轮组，减少带轮数量降低皮带摩擦损失。原有研磨辊支撑定位轴承型号为调心滚子轴承22217CAMKE4，不能按照当前生产条件。结合改造后磨辊轴头尺寸将荷载型号改为22315CAMKE4，改造后轴承宽度增加，基本额定动荷载提升至390000N，可大幅降低轴承故障导致维修次数。

4 结语

制备聚丙烯酰胺装置因研磨机结块现象不能平稳生产，清理研磨机结块操作不规范对工作人员安全造成威胁。可以通过改造研磨机上料斗减缓结块速度，使得生产流程更加平稳。目前完成聚丙烯酰胺装置研磨机改造工作，皮带轮改造效果显著，磨辊表面技术特性参数调整取得良好效果，一次破碎率经核算提升至61%。研磨机改造所需材料包括皮带轮组，研磨辊等费用约10.8万元，合计改造成本约13.8 万元/台。改造后研磨机相同 工艺操作条件下单线生产每日可增加0.75t,单条线每年可创效约310 万元。改造后研磨机故障率降低，减少故障停机导致停线维修时间约20 小时/年，创效约20.4 万元。