Unipol工艺气相法聚乙烯流化床反应器回路压降的控制

祁 睿，张志文，倪兴强，贺玉存，邱莉莎

（中国石油天然气股份有限公司兰州石化分公司，甘肃 兰州 730000）

中国石油天然气股份有限公司兰州石化分公司300 kt/a全密度聚乙烯装置采用美国Univation公司的Unipol工艺气相法聚乙烯技术，反应系统由反应器、循环气冷却器和循环气压缩机组成。乙烯、1-丁烯或1-己烯、氢气等气体混合物和惰性气体通过循环气压缩机的推动，进入有少量催化剂的流化床反应器中进行反应，并连续循环。聚合产生的热量通过外部循环气冷却器撤出。循环回路压降的变化与循环气气体流量、循环气压缩机功耗、生产成本等息息相关，同时也会影响装置反应负荷，给装置的安全生产带来负面影响。降低循环回路的压降上升速率，优化流化床反应器及循环回路各工艺参数，对于保障全密度聚乙烯装置长周期高负荷生产尤为重要。本工作阐述循环回路压降对系统运行的影响，从循环回路压降的构成分析压降变化的原因，提出解决压降上升过快的措施。流化床反应器循环回路流程示意见图1。

图1 流化床反应器循环回路流程示意Fig.1 Flow diagram of circulating loop in fluidized bed reactor

1 循环回路主要设备及作用

反应器是一个带裙座的圆筒型容器，顶部的扩大段部分用于气固相分离。分布板用于支撑树脂粉料和均匀分布循环气体，被均匀分布的循环气体从床层底部进入，保持床层流化状态。循环气压缩机是单级、开式叶轮、恒速的离心压缩机。循环气压缩机的流量通过压缩机入口的导向叶片开度进行控制。压缩机流量由循环气管路的文丘里型流量计测量。循环气冷却器为固定管板式换热器，通过控制流经壳程调温水的温度来调整反应器入口循环气的温度，撤出反应器产生的热量，从而保持反应器内反应温度的稳定。循环回路连接管采用DN1050管线，循环回路管线合计约82 m；同时设有若干个用于抵消管路应力的膨胀节，防止块料进入循环气压缩机的格栅式过滤器等附件。

2 循环回路压降分析

循环气回路压降是循环回路各点压力降的总和，数值上等于循环气压缩机前后压差。通过对循环回路压降分析可以准确判断循环回路的运行状况，为合理安排循环回路及换热器的清理周期提供必要的依据。对该回路压降进行分析，对反应系统的操作和调整有非常重要的意义。

2.1 循环回路压降对系统运行的影响

在气相法反应器中，循环回路压降的大小会给系统稳定运行带来很大影响，并与后期反应部分工艺参数有很强的关联，主要影响以下工艺参数：（1）循环气气体流量。系统压降与循环气流量相互影响，当循环气流量上升时，循环回路压降上升。但当压降过大时，会极大减缓循环气流量的上升趋势，甚至会造成流量的降低，进而对反应热的撤出带来很大的影响。（2）循环回路压降过大会造成循环气压缩机功耗加大，无用功增多，增加生产成本，严重时会造成循环气流量不足，进而影响反应器流化状态的保持，导致循环过程中反应产生的热量无法及时带出，使反应负荷受到严重制约，并给装置的安全生产带来负面影响。（3）流化床流化状态。流化床层与分布板的压降对流化床的形成与状态有很大影响，在反应器开车初期，压降的异常波动甚至会导致反应无法建立，出现反应活性大幅波动。

2.2 循环回路压降构成分析

反应器循环回路压降主要分布在流化床层、换热器、循环气管路、反应器和循环气压缩机。循环回路压降分布见图2。

从图2可以看出：换热器与流化床层压降是循环回路压降的主要来源，特别是循环气在整个回路流动过程中，这种现象更为明显。影响换热器压降的主要因素有：换热器构造、换热器管束堵塞情况、循环气体黏度、循环气体流速等。在一定气速和相对稳定的循环气流量下，控制换热器压降的变量因素只有换热器管束堵塞情况，目前，此问题也是制约装置稳定运行的主要原因之一。循环气管路上设有文丘里型流量计、格栅式过滤器等管件，影响管路压降的主要因素有：循环气体黏度、循环气体流速、管路管件堵塞程度、管壁粗糙程度等。在一定气速和相对稳定的循环气流量下，减少管路管件堵塞程度和管壁粗糙程度是降低管路压降的主要手段。反应器由气室、分布板、直筒段、扩大段和球头等组成，影响反应器压降的主要因素有：循环气流速、循环气体黏度、流化床层质量、分布板堵塞情况等。在保证反应器正常循环气速和床层质量的条件下，减少分布板堵塞是降低反应器压降的主要手段。

2.3 压降变化的原因分析

循环回路压降上升的主要原因是流化床内粉料带出和发生黏结。少量粉料的带出可以通过分布板返回到反应器内，但粉料大量带出会造成粉料在循环气管路和换热器管束沉积，发生塑化，继而造成循环回路的压降增大。影响粉料从流化床带出的主要因素有：粉料形态、粉料粒径、流化气速、流化床层高度、循环气体中粉料的夹带程度等。（1）在流化床中，细小颗粒和未成形晶须粉料更易被循环气体带出反应器。粉料形态与平均粒径主要受催化剂平均粒径、粒径分布和起始活性的影响。（2）反应器表观流化气速通常为初始流化气速的2.0～5.0倍，流化气速偏低会造成流化状态不充分，使部分床层成为死区，从而产生较多的块料；循环气速偏高会造成粉料的带出量加大。（3）流化床层高度越高越有利于反应速率的提高，会增大粉料被循环气夹带出反应器的概率；床层高度偏低一方面会影响反应速率，同时也会使反应器上部扩大段的冲刷作用降低。（4）气体黏料现象是循环气固有的特性，循环气体由乙烯、氮气、氢气、1-丁烯、异戊烷、乙烷等混合而成，当混合气体内各部分之间有相对运动时，接触面存在内摩擦力，摩擦力越大，产生的静电导致粉料随着混合气体的带出量越大，即混合气体黏料性越大。（5）循环流率对流化床循环回路压降的影响。循环流率是指单位体积单位时间内循环回路中的循环气中粉料的夹带量。循环流率对流化床循环回路压降影响尤其明显，循环流率过高会导致循环气中热量无法及时撤出，循环回路压降的波动无法保证生产稳定运行［1］。

循环回路系统压力需满足自平衡的特性，循环流率和循环回路的压力平衡有直接联系。流动状态可以通过改变孔隙率和压差梯度，利用较低的料封（即粉料孔隙体积与自然状态下总体积之比）实现较高的压头。自动吸收其他部件的压降波动，避免因不同牌号产品生产切换时产生波动，特别是密度变化过大的牌号切换，维持系统平衡。

3 解决压降上升过快的措施

1）控制好粉料的平均粒径和形态，在生产中必须保证所用催化剂的平均粒径、粒径分布和初始活性满足要求，且重复性好。反应系统控制平稳是粉料进入挤压机挤出后显示颗粒形态完整的前提，助催化剂按比例稳定加入可保证催化剂的初始活性。

2）在实际操作中，将循环气表观流化气速严格控制在0.61～0.73 m/s，可以有效控制粉料的带出量，同时也有利于反应热的及时撤出。

3）在实际操作中，流化床床层高度严格控制在14.0 m±0.5 m，设定合理出料时间以满足较高的填充率，精心维护聚合反应稳定，避免反应器块料的产生，利于两套粉料出料系统（PDS）交替出料。对于故障PDS应及时处理，避免长时间单套PDS出料。一方面要保证PDS出料系统的运行正常，另一方面要保证反应器差压指示正常，实际床层高度与指示值的偏离程度降至最低，才可以有效控制粉料的带出量。

4）重组分气体浓度的上升是循环气黏度增大的主要条件，循环气中异戊烷浓度越高，循环气的黏料性越强。因此，控制适当的异戊烷浓度一方面可以保证反应热量的撤出，另一方面也可以控制循环气的黏料性，从而减少粉料的带出量。

5）避免工艺条件发生大的变化，减少产品牌号的频率切换，特别是密度变化过大的牌号切换，也是减缓循环回路压降上升的基础条件。同时可靠的仪表保障、分析仪表的正确指示和设备可靠保障是稳定循环回路必不可少的条件。

4 结论

a）反应器循环回路压降主要分布在流化床层、换热器、循环气管路、反应器和循环气压缩机，各压降的波动都会导致反应器异常波动，影响生产稳定运行。

b）采取合理出料时间、优化异戊烷浓度、调节循环气表观流化气速以及控制粉料的质量等措施都是降低循环回路压降上升速率的可靠保障。