UNIPOL聚烯烃PDS系统的运行优化及改造

蒋志魁 （中国神华煤制油化工有限公司包头煤化工分公司 内蒙古 包头 014010）

一、概述

UNIPOL聚乙烯工艺在国内气相法聚乙烯工艺中占据主导地位，目前，国内许多聚烯烃厂家也在逐渐采用UNIPOL聚丙烯工艺，该类型工艺技术具有转动设备少、流程短、投资少、易操作和产率高等特点，具有很高的市场竞争优势，国内投产的UNIPOL聚乙烯和UNIPOL聚丙烯的市场占有份额逐年提高。市场的竞争也必将随着装置的增多而愈加的剧烈，对于已经投产的装置来说，在装置现有设备基础上提高装置的运行负荷是提高装置竞争力的最为有效的手段，通常对于聚烯烃装置来说，聚烯烃流化床反应器的负荷可以提高至110%～115%，例如一套生产负荷37.5t/h的聚烯烃装置，其负荷可以提高至42t/h～44t/h，造粒工段挤压机的负荷一般也在聚合工段负荷的120%左右（45t/h～48t/h），那么产品出料系统的效率和负荷变成了制约装置负荷提高的关键因素。

二、UNIPOL聚烯烃PDS系统简介

聚烯烃装置是以流化床反应器为核心的气固相聚合技术。在流化床反应器中，循环气压缩机提供气体循环的动力，所有原料以气体（或液滴状）形式与处于流化床中分散的固相状态的催化剂相接触，按照聚合反应机理，在催化剂表面形成聚烯烃长链分子。循环的气体带走反应床层的热量，并最终通过循环回路上的换热器带走反应热量。反应器内的树脂数量通过床层重量和料位控制PDS系统间歇出料来维持，从而维持床层重量稳定，负荷稳定。通常每个反应器对应2套PDS系统，对于低堆积密度或单线能力较大的反应器，也可增加PDS系统的套数。每套PDS包括1个产品罐（PC），1个产品吹出罐（PBT），12个自动控制阀和2个共用交叉阀。如下图所示，其流程为反应器内密相输送树脂从反应器底部在压差的作用下排到产品室（PC），气体返回进入反应器树脂床层的顶部。相同的，PC罐在压差的作用下降粉料树脂输送至PBT罐，PBT罐再输送至产品受槽或其它系统，单套运行时，PC和PBT罐中的气体排放至产品受槽，两套PDS交叉运行时，PC和PBT气体先通过“W”和“X”交叉阀门互为升降压，少量的气体排放至接收仓。两套PDS交叉运行效率降低，但气体排出量较少，有利于降低产品单耗。

三、PDS系统的负荷影响因素及优化改造方案

1、反应器的冷凝量影响及优化

高负荷运行下的聚烯烃反应器通常在冷凝态下运行，即随着反应器的运行负荷升高，进入反应器底部的循环气温度会越来越低，某一程度下，循环气温度会低于循环气本身的露点温度，从而使进入反应器的循环气内产生小液滴，反应器的负荷越高，循环气内产生的冷凝液体越多。在满负荷运行情况下，冷凝量一般维持在8%～10%，冷凝量超过10%以上是，反应器就进入了深度冷凝状态，在深冷状态时，反应器的出料同时会带入部分液相进入到PDS系统中。c随着PDS系统压力的逐步降低，气体也会随之气化，导致PDS系统压力升高，从而使得PDS交叉泄压的时间增加，甚至会导致PDS超压停运。PDS的运行效率就会下降，影响其出料负荷。反应器的冷凝量不是一个直接可以控制的参数，通常的影响因素有反应器负荷、反应温度、循环气量、反应器入口温度、循环气组成、组分的热焓等。冷凝百分含量的技术如下：随着反应器负荷的提高，冷凝量会随之升高，一般调整冷凝量的最简单方法是略微提高床层温度来保证冷凝量维持在一个合适范围内，从而保证PDS系统的出料效率及负荷。

2、粉料性质的影响和优化

作为PDS系统的输送介质，粉料的物料性质是影响PDS出料效率的关键因素。粉料的性质取决于催化剂本身的性质及反应器产品质量控制。

聚烯烃粉料形成的过程是烯烃物料在催化剂表面聚合反应的过程，那么催化剂颗粒的形状就决定了粉料颗粒的形状，依聚丙烯工艺为例，使用进口催化剂时生产出来的均聚产品堆积密度在0.28～0.30g/ml，粉料为不规则颗粒状。在相同的接料时间和循环时间内，随着粉料堆积密度的增大，PDS出料效率会增加。目前，国产聚烯烃催化剂技术已经相当成熟，其催化剂颗粒规则性要优于进口催化剂，如国内某些厂家生产的催化剂粒型较为规整，所生产的产品粉料堆积密度可以达到0.34～0.38g/ml，PDS的出料效率可以提高5%左右。

3、PDS运行方式及阀门设定时间的优化

PDS系统的运行方式包括两种，第一种运行方式为每套PDS独立运行，也叫交替运行模式，即不投用两套PDS系统之间的交叉阀门（如上图，PC罐交叉阀门：W，PBT罐交叉阀门：X），每套PDS通过自身配置的泄压或升压阀门（泄压阀门：L、M，升压阀门：J、P阀组）来泄压或升压至联锁满足压力，该运行方式下PC罐和PBT罐均需要较长的升压或降压时间，第二种运行方式为两套PDS交叉运行，该运行方式下，需将交叉阀门W和X投至“AUTO”模式下，两套PDS的PC罐和PBT罐可以在运行过程中互为升降压，此种方式略微降低了PDS的运行效率，但可以大大降低反应器的气体排出量。

PDS阀门的设定时间是PDS系统的关键参数，也是影响PDS出料效率的关键参数之一，需要设定时间的阀门包括：控制PC罐接料时间的B阀，PC罐之间的气相平衡阀W阀，PC出料至PBT的阀门D阀，PBT罐之间的气相平衡阀X阀，下表是某套年产30万吨聚丙烯装置典型的阀门设定时间：

阀门B W D X阀门用途PC罐接料反应器树脂阀门PC罐之间气相平衡阀门PC出料至PBT罐阀门PBT罐之间气相平衡阀门典型的设定时间42s 33s 37s 33s

典型的设定时间多数不适合实际生产装置的要求，过于宽松的时间设定可以满足PDS系统的基本运转，却大大降低了PDS系统的效率和负荷。尤其是随着PDS系统的长时间运行，阀门内漏情况会逐步增加，PDS系统的效率和负荷很难满足装置正常负荷下的运行。在反应器工况或PDS系统工况发生变化时，通常需对PDS系统的阀门设定时间进行重新的优化来保证PDS系统的效率和负荷稳定，

1.B阀的时间优化，在PDS系统首次装填时，可以通过现场敲击的方式来判断PC罐的装填情况，通常PC罐的粉料要达到装填体积的95%～100%为最佳。

2.W阀、X阀的时间优化，PC罐或PBT罐压力平衡是优化W阀和X阀设定时间的唯一标准。

3.D阀的时间优化，在一定的B阀接料时间下，D阀的时间不会变化太大，PC罐的核料位低低报警出现，D阀延迟5～10秒关闭。

4、阀门寿命的影响及阀座材质的选择

由于PDS系统工艺技术的特点，通常PDS阀门会面临如下的挑战：1.极高的动作频率和循环次数。阀门由PDS控制系统控制每年动作次数约50万次，频繁的动作对阀门及所有附件需要极高的可靠性。2.大量聚合产品颗粒，对阀门密封面的极度磨损。3.高压差，对阀门的冲刷严重。4.阀门开关时快速动作。要求6″口径及以下的阀门，开关时间在1.5秒内，6″口径以上的阀门，开关时间在2.5秒内。这样可以在排料时减少对流化床反应的影响。[1]针对阀门的这些特点，PDS阀门极易出现故障，阀门的寿命严重影响PDS系统的效率和负荷。因此PDS系统对阀门的要求极为严格。目前，世界上生产该种阀门的厂家有德国的ARGUS公司、美国的Neles-Jamesbury公司以及日本的KTM公司，其中德国的ARGUS公司和日本的KTM公司阀座采用软阀座或金属阀座，美国的Neles-Jamesbury公司的阀门均为金属阀座。各公司阀门阀座的形式如下：

阀门AA A B C D E G G G H J M W X ARGUS公司Metal Soft Metal Soft Metal Metal Metal Metal Soft Metal Metal Metal Metal KTM公司metal Soft Metal Soft Metal Metal Metal Metal Soft Metal Metal Metal Metal Neles-Jamesbury公司Metal Metal Metal Metal Metal Metal Metal Metal Metal Metal Metal Metal Metal

通常情况下，使用PEEK或lyton材料的软阀座也是可以接受的，只是其使用寿命要小于金属阀座阀门。金属阀座的阀门寿命一般在2～3年，软阀座阀门的寿命一般不超过2年。无论何种材质的阀座，超过其使用寿命时，一定要对阀门进行检修，来保证阀门的正常运行，保证PDS系统的效率和负荷稳定。

5、PDS系统的改造及运行周期的优化

PDS的运行周期包括PDS工作时间和等待时间，PDS系统的等待时间是PDS系统作为疲劳容器的安全要求，如何有效的降低PDS的工作时间是提高PDS运行效率和负荷的关键点，通过以下PDS系统的改造来有效的降低PDS工作时间，提高PDS效率和负荷。

1.增大输送协助气的流量，减少粉料输送时间。增加瞬时输送气的流量至原来的2倍，提高输送粉料树脂至下游设备的流量，减少输送时间。

2.减少输送管线的弯头数量，加快粉料输送。三个弯头足够满足粉料输送线的布置，一个弯头布置在PBT罐下方，一个弯头连接输送管线至产品接受仓框架，一个弯头进入产品接受仓。

3.取消PC/PBT交叉阀管线的限流孔板，可控的打开交叉阀门（W、X），减少交叉升降压时间。将交叉管线的限流孔板取消，设定在进行交叉升降压操作时，交叉阀W、X初始开度15～20%，并维持几秒钟的时间，之后以一定的斜率全开至100%。预计PC罐压力平衡时，W阀的设定时间可以降至15秒左右，PBT罐压力平衡时，X的设定时间可以降至10秒左右。

通常经过上述的改造与优化，PDS的运行周期可以减少30～40秒，PDS的效率和负荷可以提高20%左右。

四、结论

随着煤化工行业和催化剂技术的发展，聚烯烃市场的竞争愈来愈剧烈，装置的生产负荷也随之而扩大，从原来的不足10万吨/年，到现在国内单套最大负荷装置已达45万吨/年，催化剂国产化的种类也多种多样，且需要频繁切换生产多种牌号的聚烯烃产品来及时适应市场的需求，这些都要求装置稳定高负荷运行才能多创效益，PDS系统作为反应器的“后路”，其效率和负荷尤为关键。

通过合理的调控反应器的参数，减少对PDS系统的影响；改进催化剂的性质，生产出优良性质的粉料；选择合理的PDS运行方式，根据生产工况及时的优化PDS阀门时间；选择长寿命的PDS阀门，并制定合理的维护和检修措施来延长阀门的寿命；对PDS系统进行适当的改造，减少PDS的运行周期，有效的提高催化剂的效率和负荷。通过这些优化和改造，可以将装置PDS系统的效率和负荷提高至130%，来确保装置的稳定高负荷运行。

[1]陈星赏.聚烯烃装置产品排料阀的特性及长周期运行的对策[J].科技与企业 2011，（7）。