環管聚丙烯裝置催化劑系統常見問題的分析與優化①

李 翔

(中國石化海南煉油化工有限公司)

環管聚丙烯裝置催化劑系統常見問題的分析與優化①

李 翔

(中國石化海南煉油化工有限公司)

介紹環管聚丙烯裝置催化劑系統的工藝原理，對環管聚丙烯裝置催化劑系統常見的問題進行了分析，并總結相應的優化措施。

催化劑系統 環管聚丙烯裝置 問題分析 解決措施

在環管聚丙烯生產裝置中，催化劑系統是保證聚合反應正常進行的關鍵系統，主要包括主催化劑和三乙基鋁、給電子體助劑系統。主催化劑作為反應的引發劑，只有與助催化劑三乙基鋁相互作用才能形成活性中心，使聚合反應順利進行。給電子體用于調解聚合物等規度和催化劑對氫氣的敏感性，同時對催化劑的活性和聚丙烯的表觀密度也有一定的影響，決定了產品的質量。因此，保證催化劑系統的長期穩定運行，避免裝置出現生產波動甚至非計劃停車，是技術人員需要長期探索和解決的問題。筆者結合中國石化海南煉油化工有限公司環管聚丙烯裝置自開工以來的生產經驗，對催化劑系統運行中可能出現的問題進行分析，總結了相應的解決優化措施，為裝置后期出現類似問題提供參考和指導。

1 催化劑系統簡介

中國石化海南煉油化工有限公司聚丙烯裝置采用國產第二代環管工藝技術，設計負荷為200kt/a。該裝置由兩組串聯的滿液相環管反應器組成，以丙烯、氫氣為主要生產原料，在催化劑作用下生成聚丙烯粉料，再經過擠壓造粒成聚丙烯顆粒。催化劑系統中，主催化劑采用以MgCl2為載體的DQC系列鈦系球形高效催化劑，助催化劑由三乙基鋁和給電子體構成。

催化劑系統工藝簡圖如圖1所示，桶裝的固體主催化劑在裝置內用油脂按一定比例配制混合均勻后，由液壓系統PK101中的往復柱塞泵P108將它連續加入三劑(主催化劑、三乙基鋁和給電子體)預接觸罐D201中，助催化劑三乙基鋁和給電子體則分別由液壓隔膜計量泵連續加入D201中。三劑在D201內在磁力攪拌器A201的作用下充分攪拌混合均勻，再經過溢流線進入在線混合器Z203中，與低溫丙烯接觸后隨之一起進入反應器系統內進行聚合反應[1]。

圖1 催化劑系統工藝簡圖

2 主催化劑配置

催化劑罐D106在配置主催化劑時可能出現的問題有：在配置過程中加主催化劑時間過短、加劑過快、罐體升降溫過快及攪拌不均勻等導致催化劑出料不暢，極易堵塞出料管線；未對新配置的主催化劑進行氮氣鼓泡，導致水含量超標，影響催化劑活性，使反應系統不穩，影響產品質量，甚至裝置非計劃停車。

在生產過程中，曾出現主催化劑出料管線壓力PI142急劇上升，經外操現場處理發現，在線混合器Z203的A線路堵塞，切換B線也不通，迫使裝置停車，清理管線。查找原因發現是催化劑配制時出現的問題，導致催化劑分散效果不好，結成團，堵塞輸送管線。

針對主催化劑配置過程中易出現的問題，提出以下建議措施：

a. 目前充料、倒料為一條管線，即由D106底部出料再由出料線從D106底部重新倒回，致使倒料混合效果不佳。建議增加一條倒料線從D106上部進入，使主催化劑充分混合均勻。

b. 對于新配置的主催化劑，在使用前需進行多次倒料操作，充分混合均勻后再投入使用。

c. 規范主催化劑配置流程，加強加劑人員的理論培訓。

3 主催化劑進料

主催化劑的計量單元PK101系統采用機、電、液、氣共同控制的方式，程序邏輯復雜，操作難度大，極易出現操作失誤。輕則堵塞管線，引起反應波動，重則造成環管爆聚。

PK101系統(圖2)中D108A、B為活塞式注射器，上部由P108輸送液壓油推動活塞向下運動，活塞下部接收和輸送催化劑。D108接收來自催化劑分散罐D106的膏狀催化劑并進行充料，期間為防止催化劑沉降、催化劑顆粒分布不均的現象，需對D108進行多次倒料操作，然后充填、加壓備用。此系統控制閥較多，運行復雜，極易出現操作錯誤。

圖2 PK101系統工藝簡圖

對PK101系統日常操作中常見的問題進行分析：

a. 在手動模式下，D108A、B進行切換操作時，誤操作將正在使用的D108突然泄壓，致使丙烯倒竄至PK101系統，整個催化劑管線堵塞。

b. 液壓油系統過濾器F107在首次投用或清理后再次投用過程中未進行排氣處理，導致計量出現問題。某次車間安排拆清計量油過濾器F107。過濾器清洗完畢后，當班班組在未完全排氣的情況下投用了F107。自當日11∶48開始，PI142壓力下降到3.76MPa，導致主催化劑加入量波動，聚合反應變差。在D108壓力表多次排氣后，12∶20主催化劑加入量恢復正常。

c. 在PK101系統停用后再次投用過程中，如果D108頂部、催化劑管、P108泵體內帶氣將導致催化劑出料波動或不上量，造成反應系統大幅波動甚至沒有反應被迫停車。因此，PK101系統再次投用前應對系統管線、泵出口和注射器頂部進行充料置換，選擇高點排氣，直至氣體全部排出。

d. 主催化劑計量泵P108沖程零點漂移、在切換或投用過程中沖程動力風源未正常投用，致使計量泵沖程不受控制，催化劑加入量過高或過低，導致反應劇烈不受控制或不反應。當班人員在事故處理過程中將P108A切換至P108B時，由于流程檢查不仔細，操作員沒有將儀表風進P108B 沖程調節系統的一道閥門打開，導致P108B實際沖程過高且不受控制，致使反應系統被迫停車。

針對上述故障，提出以下改進建議：

a. 增設計量泵出口流量計，中控人員可以在DCS系統上觀察流量情況，并設定流量偏差報警，可以隨時對主催化劑流量進行監控，避免計量泵在沖程漂移時引發流量變化，卻不能及時發現造成裝置反應大幅波動和爆聚的風險。

b. 規范操作流程，嚴格按照指定操作流程操作，在系統手動模式下合理安排人員，必要時先開Z203頂油，關主催化劑進D201前手閥，再進行D108A、B的切換操作。

4 助催化劑進料

助催化劑三乙基鋁和給電子體的計量泵均采用液力驅動式隔膜泵。該泵通過隔膜傳遞壓力，柱塞與隔膜片之間充滿液壓油，柱塞往復運動帶動隔膜片在限制板內前后運行，從而吸入和排出介質[2]。隔膜于沖程的前半周將被輸送流體吸入并于后半周將流體排出泵頭。所以，改變沖程的往復運動頻率或每一次往復運動的沖程長度即可達到調節流體輸送量的目的。

隔膜的隔離作用，在結構上真正實現了被計量流體與驅動潤滑機構之間的隔離。液力驅動式隔膜泵的液壓油均勻地驅動隔膜，克服了機械直接驅動方式下泵隔膜受力過分集中的缺點，提升了隔膜壽命和工作壓力上限。

隔膜泵運行過程中的常見問題及其解決措施如下：

a. 存在氣相，需要進行排氣。檢查進口管路是否有氣或者液壓油傳動部分是否有氣相夾雜。

b. 泵體泄漏或膜片損壞，檢查更換密封墊或膜片。為了克服單隔膜式計量泵可能出現的因隔膜破損而造成的工作故障問題，有的計量泵配備了隔膜破損傳感器，實現隔膜破裂時的自動聯鎖保護；采用具有雙隔膜結構的泵頭進行計量以進一步提高其安全性，適用于對安全保護特別敏感的應用場合。

c. 泵的行程不受控。檢查沖程控制風源是否正常投到自動控制、沖程風壓是否正常等。

d. 泵的沖程零點漂移，助催化劑加入量過多或過少。可通過出口流量觀察，重新進行檢查調整。

e. 泵出入口單向閥卡料，需拆開清理。

f. 入口過濾器是否需要清理，清理之后是否需要重新進行排氣。

g. 出入口風控閥故障。曾在裝置運行過程中三乙基鋁計量泵P101A出現多次流量波動現象，將A泵切換至B泵運行后，對A泵進行檢修，更換入口單向閥。試運A泵過程中發現，入口氣動閥HV114A閥芯斷裂無法打開，為保證A泵正常備用，從入口過濾器F101底部臨時配一根進料線至A泵入口。

5 預接觸罐D201至在線混合器Z203系統

D201至Z203系統(圖3)較復雜，管線細且密，操作難度大，極易發生事故。D201容積僅0.003m3，為滿罐操作，三劑在磁力耦合式攪拌器A201攪拌混合均勻后通過D201頂部溢流線溢流而出，以防產生氣泡。混合均勻的三劑經溢流線流入在線混合器Z203A、B，由經E201冷卻到10℃的丙烯分散并夾帶混合物經熱彎管Z211A、B流入預聚合反應器R200進行預聚合。

圖3 D201至Z203系統工藝簡圖

該系統操作過程中的常見問題分析如下：

a. 三劑進D201時突然中斷或流量不足，造成D201壓力低，進Z203的丙烯發生倒竄，D201堵塞。

格柵壩是攔擋壩的一種特殊形式，它可以采用圬工壩上留窄縫孔洞等形式，也可用鋼桿件或混凝土桿件組裝或安置。在圬工墩臺間亦可采用樁式或A字形三腳架式的樁林壩，還可采用鋼索網狀壩，它的主要作用是攔住大石塊或林木，而將洪水或泥流排出。

b. 進在線混合器Z203的丙烯量過少、流速過低或壓力較低，致使三劑在Z203中的停留時間過長，發生聚合反應，Z203堵塞。

c. 丙烯經過E201冷卻器時未得到充分冷卻，溫度過高，致使丙烯與三劑在Z203接觸時發生反應，堵塞管線。

d. 切換操作時出現失誤，未按照操作步驟進行。如在打開D201溢流閥前，D201壓力較低，導致丙烯倒竄堵塞管線。

e. 切換D108時，備用罐未加壓備用，切換后催化劑管線壓力不足，致使D201壓力降低，丙烯倒竄。

f. I201聯鎖動作，三劑泵沖程歸零，D201壓力下降，操作人員不能在第一時間進入現場打開頂油閥，致使丙烯倒竄至D201內發生反應，D201聚堵嚴重。

g. 預接觸罐攪拌器A201故障。曾發生過A201轉速降低，造成裝置停車的事故，對A201進行檢修發現，密封墊片卷入軸內，造成轉動阻力大于磁力耦合力進而發生打滑，更換密封墊片和石墨環軸承后開機正常。后來，又有A201皮帶老化問題，短時間停三劑進行更換，未對反應造成影響。還有一回，A201轉速回零，檢查發現是磁力座皮帶輪磨斷，停三劑更換后正常。

針對上述問題，提出的建議措施如下：

a. 加強技術人員的理論學習，日常操作嚴格按照操作規程執行；

b. 加強日常關鍵部位的巡檢，增強崗位安全意識，日常巡檢必須走到、看到、想到、做到；

c. 內操加強盯表，積極開展有針對性的事故演練，多總結事故經驗、多想多動腦，進行操作優化；

d. 建議在D201至Z203系統頂油線上增設程序控制閥，在I201聯鎖動作結果中增加打開頂油程序控制閥的動作，縮短反應處理時間，保證丙烯無法倒竄堵塞D201。

6 結束語

催化劑系統是聚丙烯裝置的關鍵部位，也是運行中比較敏感薄弱的環節，極易出現故障，如若不能及時發現，將影響整個裝置的安全生產，嚴重時會造成裝置非計劃緊急停車。因此，加強日常操作管理，強化安全操作意識，培養員工事故的應急處理能力是保證裝置正常運行的基本前提。在連續生產過程中要不斷進行工藝操作優化，例如增設主催化劑泵P108出口流量計、增加I201聯鎖內容及遠程控制頂油閥等，簡化裝置問題解決途徑，避免人為操作失誤帶來的裝置聚合反應不可控因素，保障裝置的“安、穩、長、滿、優”運行。

[1] 洪定一.聚丙烯——原理、工藝與技術[M].北京:中國石化出版社,2007:374～376.

[2] 張艷紅.隔膜式計量泵補油系統的改進[J].化工機械,2001,28(1):38.

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od and improves the reconstruction precision. Comparing the classic soft and hard threshold algorithms with the improved algorithm shows that this improved algorithm has better de-noising effect, higher SNR and lower RMSE.

wavelet threshold de-noising, magnetic memory testing, weighted average method, soft and hard thresholds

李翔(1990-)，助理工程師，從事聚丙烯生產工作，790371576@qq.com。

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