提高聚丙烯高压丙烯回收系统运行稳定性的优化方案

崔勇(中国石油大港石化公司，天津 300280)

0 引言

中国石油大港石化分公司聚丙烯装置由中国寰球工程公司总承包，设计生产能力为100 000 t/a 聚丙烯颗粒，采用巴塞尔Spheripol-II 双环管工艺技术。该装置于2010 年10 月14 日首次开车成功，但在2012 年5 月后停产，又在2020 年10 月，启动复工复产。经过一系列技术改进和准备，2021 年10 月13 日，聚丙烯装置再次开车成功。针对前期运行过程中出现的高压丙烯回收系统运行不稳定的问题，本文对系统波动的原因进行了全面的梳理和分析，并制定了相应的优化解决方案。

1 高压丙烯回收系统工艺流程

如图1 所示，从反应器排出的由液相丙烯和固相聚合物组成的淤浆，经闪蒸罐D301 脱气后，D301 底部的固相粉料靠压差排至低压脱气器袋滤器F301。经动力分离器分离细粉后的气相丙烯进入高压丙烯洗涤塔T301 顶部。向上的气相丙烯与向下的液相丙烯在塔盘逆流接触，丙烯气中所夹带的聚丙烯细粉被洗涤下来。这部分细粉与塔底液相丙烯形成淤浆，通过T301 底部出料阀FV3204 排出。该淤浆经T301 底部出料线(俗称小闪线)闪蒸后送去低压脱气回收系统。T301 顶部气相丙烯进入冷却器E301 冷却为液相后，少部分用于T301 回流洗涤，大部分输送至丙烯进料罐D302 回收。T301 底部装有再沸器E303，由来自汽蒸洗涤塔T501 的工艺热水(95～98 ℃) 在此加热丙烯淤浆、汽化底部丙烯，控制塔底液位[1]。

2 影响高压丙烯回收系统稳定运行的主要因素

2.1 聚合物的粒径分布

聚丙烯装置使用的催化剂类型和工艺条件对聚合物的粒径分布有着决定性的影响。当粒径分布中<0.3 mm的聚合物所占百分比增加时，闪蒸后气相丙烯夹带入T301 的黏粉料也会相应增多。这种趋势随着运行时间的延长而变得更加明显，最终导致聚合物细粉堵塞塔底再沸器E303、塔底出料阀FV3204 和小闪线。

2.2 T301 底部出料控制

从T301 塔底，液相丙烯与黏细粉组成的淤浆通过FV3204 小闪线出料阀排至低压脱气系统。原设计中的FV3204 与小闪线蒸汽流量FIC3204 共同组成控制回路。然而，这个设计存在一些问题。通过蒸汽流量的变化只能间接地影响FV3204 的开度变化，导致FV3204 的开度较小，并且其调整相对滞后和不够灵活。这使得塔底的黏细粉不能及时被排出，进而在E303 列管管壁挂壁结块并在T301 底部堆积。这种情况导致了E303 的换热效率下降以及FV3204 出料不畅的问题。更严重的是，该装置曾在2011 年因FV3204 堵塞而发生一次非计划停工。

2.3 小闪线流量

T301 底部出料线，俗称小闪线。这条管线特别之处在于它带有一个夹套，其中流动的是液相丙烯和固相细粉混合的淤浆。夹套中通入蒸汽以加热淤浆，促使液相丙烯气化。气化的丙烯携带黏细粉随后排入袋式过滤器F301。原设计的小闪线气相丙烯流量范围为600～800 kg/h。然而，这个流量相对较低，流速也较慢。这导致黏细粉在小闪线内壁形成结块。结块问题轻时，夹套蒸汽的加热效率会受到影响；重时，小闪线的出料会变得不顺畅。

2.4 T301 液位控制

T301 液位控制原始设计采用一套串级控制方案，其中T301 底部液位LIC3201 通过PID 控制器进行主调控制，而E303 热水流量FIC3202 则通过某种方式进行副调调节。在实际运行中，由于T301 液位具有较大的二阶滞后特性，PID 控制无法确保其稳定，因此塔底液位呈现周期性振荡波形。同时，T501 工艺热水的加热方式是采用蒸汽加热，蒸汽流量保持不变。然而，由于这种加热方式，热水温度的波动很大。这导致了E303 的取热量不稳定，进一步引发了T301液位的波动。

2.5 T301 丙烯回流量

T301 丙烯回流量由差压式流量计FT3201 进行计量。由于回流丙烯的实际运行温度与差压式流量计的设计温度存在较大偏差，导致两者的密度差异加大。在46.50 ℃的设计温度下，丙烯的密度为465 kg/m3，而在29.02 ℃的实际运行温度下，丙烯的密度为499.42 kg/m3。温度的偏差对实际的质量流量产生了显著的影响，尤其是冬季和环境温度骤变时尤为显著。这导致实际回流量比FIC3201 的表显流量高出约10%，从而引发了T301 的液位和压力波动[2]。

2.6 小闪线温度控制

原设计中小闪线的温度TI3201 仅作为测量点，并未参与控制过程。当小闪线的出料和夹套蒸汽发生波动时，会导致液相丙烯在小闪线内不能完全气化，这会导致小闪线的温度发生大幅波动，严重时可能导致液相丙烯窜入F301。

3 针对高压丙烯回收系统波动的优化控制方案

针对高压丙烯回收系统波动的优化控制方案，其工艺流程如图2 所示。

3.1 改善聚丙烯粉料粒径分布

如果聚丙烯粉料粒径分布中<0.3 mm 的聚合物所占百分比越大，那么进入T301 的气相丙烯所携带的黏细粉就会越多。这增加了黏细粉在E303 列管管壁、T301 底部和小闪线处挂壁结块的风险。

通过使用立构规整性更好的催化剂、下调预聚合反应温度(18.50～17.50 ℃)、适当延长预聚合停留时间(控制在10～12 min) 等措施，可以降低<0.3 mm 聚合物占比，使聚合物粒径分布更均匀，减少黏细粉。

3.2 优化T301 底部出料控制

针对原设计T301 底部出料阀FV3204 调节相对滞后的问题，将T301 底部出料控制由小闪线夹套蒸汽流量FIC3204 改为由下游低压丙烯回收系统气相丙烯总量FIC3102 来控制。

FIC3102 由小闪线的出料量FI3205 和D301 底部的气相丙烯量两部分组成，这两部分的流量具有正反作用。当上游反应器出现波动导致D301 底部的气相丙烯量减少时，小闪线的出料阀FV3204 会相应地开大，这样会增加小闪线的流量和流速，及时将反应器出料波动带入T301 的黏细粉从塔底排出，从而降低T301 底部堵塞的风险。

此外，采取了强制干预小闪线出料的措施，将E303、T301 底部和小闪线堆积、挂壁的黏细粉及时排走，防止黏细粉结块和堵塞。具体措施包括：一是规定每周四对FV3204 进行固定冲洗，每次冲洗时间为1 小时；二是根据T301 出料阀FV3204 和小闪线蒸汽阀PV3203 的开度变化情况(当小闪线流量FI3205 无明显变化但开度持续变大，或PV3203 持续开大至90%以上时)，对FV3204 进行不定期的手动晃阀操作。

3.3 提高小闪线流量

考虑到低压丙烯回收压缩机PK301 的流量裕度，将小闪线的流量FI3205 由600～800 kg/h 增加至1 200～1 300 kg/h，以提高小闪线的线速。这样能够及时将T301 洗涤下来的黏细粉从塔底和小闪线排出，从而降低T301 底部堵塞和小闪线内壁挂壁结块的风险。

3.4 优化T301 液位控制

首先，为了解决T301 底部液位滞后较大的问题，引入塔底液位控制回路LIC3201X。该回路将与T301顶部液相回流丙烯进行串级控制，从而将塔顶回流丙烯的流量控制从静态变为动态。这一改变将与原设计的串级控制(即原设计的LIC3201 与FIC3202 的串级控制)相互配合，共同调控T301 底部的液位。在LIC3201 与LIC3201X 的控制特性中，正、反作用共同发挥作用。当T301 底部液位高于设定值时，LIC3201的串级控制将增加去E303 的热水流量，以提高塔底丙烯的蒸发量；同时，LIC3201X 的串级控制将减少塔顶丙烯的回流量，以补偿塔底液位的正偏差。相反，当T301 底部液位低于设定值时，LIC3201 串级控制将减少去E303 的热水流量，降低塔底丙烯蒸发量；与此同时，LIC3201X 的串级控制将增加塔顶丙烯的回流量，以补偿塔底液位的负偏差。

其次，将去E303 换热的T501 工艺热水流程增加温控回路TIC5008。根据设定的水温，TIC5008 可以自动调整通入T501 工艺热水的蒸汽量，从而将T501 工艺热水温度稳定在95～98 ℃的范围内，为E303 提供稳定的热源。

3.5 T301 回流丙烯密度补偿

由液相丙烯物性参数表可知，高压液相丙烯的温度与密度之间存在近似线性关系。在DCS(分布式控制系统)组态中，使用编程语言对T301 丙烯回流量FIC3201建立温度与密度的折线函数。通过密度补偿法，可以折算出当前温度下丙烯的实际质量流量进行控制。

在46.50 ℃的设计温度下，液相丙烯的密度是465 kg/m3。当温度补偿点TI3302 的温度为29.02 ℃时，液相丙烯的密度变为499.42 kg/m3。当T301 在46.50 ℃设计温度下的回流丙烯流量FIC3201 显示为8 000 kg/h 时，经过密度补偿计算后的实际丙烯流量是8 554.356 kg/h。为了使实际流量回归到8 000 kg/h，反推出FIC3201 在设计温度下的表显丙烯流量应修正为7 448.644 kg/h。这导致了9.3%的流量偏差。通过采用密度补偿的方法来消除这一偏差，以稳定T301的液位和塔压。

在T301 回流丙烯流程上增加温度测点TI3200，实施温度-密度-流量动态补偿的方案。此方案以远传测温回路故障时确保装置正常运行为基础，嵌入了回路故障的逻辑判断和投退功能。当出现如断路、短路、跳变等异常时，系统能自动切除温度补偿，并“退守”至原始设计方案。同时，系统会在屏幕上提示相应的报警信息。

3.6 增加小闪线温度控制回路

增加了小闪线温度TIC3201 与小闪线夹套蒸汽压力调节阀PV3203 的控制回路。当小闪线的温度TI3201 下降，液相丙烯的气化效果不佳时，这个控制系统能自动调节夹套蒸汽压力调节阀PV3203 的开度，确保液相丙烯完全气化。这样，可以提高小闪线的流速，降低小闪线挂壁、结块、堵塞的风险。同时，也能避免液相丙烯窜入F301。

4 结语

影响高压丙烯回收系统稳定运行的关键因素包括聚合物的粒径分布、T301 塔底出料控制、小闪线流量、T301 塔底液位控制、T301 丙烯回流量以及小闪线温度控制等。为提高高压丙烯回收系统的稳定性，制定了以下措施：优化聚丙烯粉料的粒径分布、改进T301塔底出料控制、增加小闪线流量、完善T301 液位控制、通过密度补偿调整T301 回流丙烯以及增加小闪线温度控制回路等。自上述措施投入应用以来，效果显著，针对性解决了高压丙烯回收系统运行不稳定的瓶颈问题，对装置的长周期稳定运行具有重要意义。