氣相法聚丙烯裝置丙烯回收優化設計

張建華，王帆

（天津渤化工程有限公司，天津 300193）

聚丙烯樹脂是四大通用型熱塑性樹脂：聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（EPS）之一，因具有無毒、加工性能優良、抗沖擊等特點，而在餐飲包裝、兒童玩具、醫療器材等領域具有廣泛應用[1，2]。近十年來，隨著國家戰略調整和技術進步，各地建設了多套大型煉化一體化項目，我國聚丙烯生產能力和消費規模均高速發展。截至2019 年我國聚丙烯產能和產量分別為2703 萬t 和2320 萬t，且還有多套大型裝置正在設計和建設過程中。

聚丙烯生產技術經歷了溶劑法、液相本體-氣相法、氣相法的發展過程，工藝技術走向成熟，裝置規模逐步增大[3～5]。目前，單套裝置最大產能已達55 萬t/a。氣相法聚丙烯工藝是目前技術水平最高的生產方法，新建裝置普遍采用氣相法技術，具有投資、運行成本低，產品特色突出的特點，可生產高質量的均聚物、無規共聚物、抗沖共聚物和三元共聚物四大類產品。比較有代表性的氣相法技術包括Unipol 工藝、Novolen 工藝和Innovene 工藝。

1 氣相法聚丙烯工藝

氣相法聚丙烯工藝核心系統包括催化劑進料、聚合反應、粉料脫氣、尾氣壓縮、尾氣回收等[6，7]。

催化劑系統包括主催化劑、助催化劑和改性劑。催化劑經滾筒器搖勻后加入主催化劑罐中，利用螺桿泵加壓后打入反應器內。主催化劑、助催化劑和改性劑利用比值調節系統進行串級調節，嚴格控制三種介質的流量。聚合反應系統主要包括聚合反應器，將高純丙烯單體在高壓下聚合反應生成聚丙烯粉末。聚丙烯粉末在粉料脫氣系統中共完成兩級未反應丙烯單體的脫除。第一級采用自壓脫除，脫除后的未反應單體進入尾氣壓縮系統，經壓縮機加壓后循環利用。第二級采用脫氣倉經氮氣吹掃脫除，脫除后的含氮氣尾氣進入尾氣回收系統，對氮氣和丙烯單體進行回收。徹底脫除丙烯的粉料經氣力輸送進入下游裝置。

2 尾氣回收系統

氣相法聚丙烯裝置在生產過程中，會有相當數量的C2、C3混合物（主要為乙烯、丙烯、丙烷）從裝置中作為廢料排出，造成丙烯原料的浪費。現有尾氣回收系統見圖1。

圖1 氣相法聚丙烯工藝尾氣回收系統

2.1 反應器氣排

聚丙烯反應器系統隨著聚合反應的進行會副產丙烷，由于未反應丙烯單體經尾氣壓縮系統加壓后在裝置內循環，造成丙烷在反應器內累積。如果不加以限制，催化劑活性就會降低。為了降低反應器循環氣系統丙烷含量，在反應器氣排冷卻器出口排出部分氣相，經管線送至丙烯PSA 回收系統。

2.2 反應器液排

聚丙烯反應器的丙烷累積效應僅靠氣排不能達到很好的消除效果，還需要液排的配合，與氣排的連續排放不同，液排采用間歇操作。即定期從反應器急冷液泵出口排放一定量的液體，這些液態烴類混合物同樣送至罐區液化氣罐，作為燃料氣燒掉。排放頻率為3 次/周，每次6h。

2.3 脫氣倉尾氣

脫氣倉在氮氣吹掃過程中也會排出烴類和氮氣的混合氣，這部分氣體經管線送至丙烯PSA 回收系統，與反應器氣排混合。在丙烯PSA 回收系統，經除油、脫水、變壓吸附，將氮氣和烴類分離，回收氮氣返回脫氣倉循環利用，烴類混合物以液體形式送至罐區液化氣罐，作為燃料氣燒掉。

2.4 現有尾氣回收系統缺點

現有技術方案中，丙烯PSA 回收和反應器液排的組成見表1。由表1 可見，不管是丙烯PSA 回收還是反應器液排，組成中的主要物質均是丙烯，即丙烯直接跟丙烷一起，作為燃料被燒掉。裝置規模較小時，這兩股料的量也較小，作為昂貴原料的丙烯浪費不算嚴重，但隨著聚丙烯裝置規模越來越大，這兩股料中的丙烯的經濟價值顯得越來越重要，從廢料中回收丙烯的技術方案成為聚丙烯生產工藝的重要一環。

表1 氣相法聚丙烯工藝廢料組成

3 尾氣回收系統優化設計

針對目前氣相法聚丙烯尾氣回收系統存在的缺點，從工藝流程和控制方案入手，優化設計了一套新的尾氣回收系統，可以實現尾氣中丙烯的回收利用，實現丙烯和丙烷的分離，同時保證整體裝置的穩定運行，克服進料組成和流量波動的影響。

優化設計后的尾氣回收系統新增進料緩沖單元和分離回收單元，見圖2。

圖2 優化設計尾氣回收系統

3.1 進料緩沖單元

進料緩沖單元包括進料緩沖罐和進料泵及其連接管道、管件和閥門。反應器氣排和脫氣倉排氣經丙烯PSA 回收后排入新增的進料緩沖罐；反應器液排同樣排入進料緩沖罐。進料緩沖罐的作用是平衡各股物料流量的不均勻性，為丙烯丙烷的連續穩定分離提供足夠的操作彈性。進料緩沖罐的壓力控制采用分程控制，當罐的壓力低于設定值時用補壓氣體進行補壓，補壓氣體引自丙烯PSA 回收；當罐的壓力高于設定值時將多余氣體排至尾氣系統。

進料泵采用間歇操作。即，當反應器不液排時，自丙烯PSA 回收物料不進入進料緩沖罐，直接通過跨線03 進入精餾塔，進料泵不運行；當反應器液排時，自丙烯PSA 回收物料和反應器液排先進入進料緩沖罐，再利用進料泵加壓，進入脫丙烷塔。

3.2 分離回收單元

分離回收單元包括脫丙烷塔、再沸器，冷凝器、回流罐、回流泵和采出泵及其連接管道、管件和閥門。烴類混合物打入脫丙烷塔中部，精餾塔采用固閥板式精餾塔，共設置60 塊塔板，回流進料比取10。

塔頂氣相在冷凝器中用循環水冷卻，部分不凝氣排至尾氣系統，剩余氣相和全部液相流至回流罐，在回流罐中發生閃蒸，氣液分離，氣相從回流罐頂部引出，經管道送至尾氣壓縮機，供反應器循環使用，氣相流量約為進料量的29%。氣相主要為丙烯和乙烯，丙烷含量已降至允許范圍。同時，為了防止氣體帶液，影響壓縮機性能，在罐頂設置除沫器。

液相分兩股從回流罐底部引出，一股經回流泵返回塔內，另一股作為液相產品，經采出泵打入反應器頂部分離器，實現丙烯回收，循環使用，液相產品流量約為進料量的55%。

塔底液相主要為丙烷，流量約為進料量的16%，用管道送至液化氣罐，作為燃料氣使用。為了避免飽和烴類在壓力降低后產生氣相，塔底產品采出管道設置套管，使用循環水將飽和烴降溫至過冷態。塔底設置再沸器，使用低壓蒸汽為丙烯和丙烷分離提供動力。分離回收單元產品組成見表2。

同時，為了提高裝置的適應性和降低操作費用，進料緩沖單元和分離回收單元設置兩條跨線（03 和04）：一條從進料緩沖罐的進料線（01）跨接至進料泵出口（05）；另一條從精餾塔進料線跨接至塔底產品采出管道。當反應器沒有液排時，丙烯PSA 回收來的烴類不經進料緩沖罐和進料泵，經跨線03 直接自壓進入精餾塔，節省操作費用。當分離回收單元出現故障需要檢修時，烴類混合物經跨線04 流入液化氣罐，保證整個聚丙烯裝置的連續穩定運行。

控制方面，采用冷凝器排至尾氣系統的不凝氣量控制精餾塔壓力；再沸器通入蒸汽量控制塔底溫度，保證丙烯和丙烷分離精度，提高丙烯回收率；塔底采出至液化氣罐的流量控制塔釜液位。

3.3 參數優化

為了提高新設計進料緩沖單元和分離回收單元的運行效率和操作靈活性，對一些操作參數進行了詳細優化。

脫丙烷塔采用60 塊固閥塔板，塔底再沸器使用低壓蒸汽作為熱源，塔頂冷凝器使用循環水作為冷源，經過精餾分離后，塔頂丙烯產品返回聚丙烯反應器，丙烯回收率可達94%。按年產30 萬t 聚丙烯裝置計算，每年回收丙烯8000t左右，聚丙烯裝置丙烯利用率提高2.6%，實現丙烯低成本的高效回收，綜合經濟效益顯著。

脫丙烷塔操作壓力設計：丙烯丙烷精餾分離時，塔頂壓力是一個關鍵參數。壓力過高，丙烯丙烷的相對揮發度降低，同樣分離精度下回流比增大，造成設備投資和生產操作費用增加；壓力過低，塔頂氣相物料的溫度隨之降低，塔頂需要使用低溫水作為冷卻介質，公用工程成本大大增加。經過反復核算，脫丙烷塔操作壓力確定為1500kPaG，在此壓力下，相對揮發度沒有降低過多，塔頂溫度約為44.5℃，塔頂氣相能使用循環水冷卻，不需使用冷凍水，降低分離能耗。

進料緩沖罐容積設計：進料緩沖罐采用裙座支撐的立式儲罐，其容積設計主要考慮反應器液排的頻次、流量和精餾塔的操作彈性，起到脫丙烷塔進料的緩沖穩流作用。進料緩沖罐的容積應大于每次反應器液排物料的總容積，這樣可以保證精餾塔的進料流量波動范圍在固閥塔板的允許范圍內。

進料緩沖罐由于進料組成波動較大，同時具有間歇大流量進料的特點，介質又是液化烴類，給緩沖罐壓力控制帶來很大困難。因此，進料緩沖罐壓力采用分程控制：壓力低于設定值時，引自丙烯PSA 回收的高壓氣態烴類給緩沖罐補壓；壓力高于設定值時，緩沖罐內多余氣體排至尾氣系統。

脫丙烷塔塔底物料為飽和液態烴類，由于從精餾塔流至液化氣罐的過程不需要加壓泵，自壓流動就可以滿足要求，為避免物料流動過程中產生氣液兩相，給管道運行帶來危險，塔底物料采出后需要略微降溫。經核算降溫6℃可滿足要求。經計算比較夾套管和管殼式換熱器后，精餾塔塔底采出管線在靠近塔釜處設置2m 長的夾套管，用來冷卻飽和烴類，避免在管道中產生氣液兩相，提高管道運行的安全可靠性。夾套管相比管殼式換熱器具有投資省、占地少的優點。夾套管采用循環水作為冷卻介質，內管每隔3m 設置三角支撐，保證內管在運行過程中具有足夠的強度。

經冷凝器冷凝后，塔頂氣相變為氣液兩相，進入回流罐，在罐內實現氣液分離，頂部飽和氣相接入尾氣壓縮機循環使用。在回流罐內氣液分離的過程中，氣相難免夾帶微小液滴；飽和氣相在冬季運行時也容易在管道內液化，這些因素都給壓縮機的安全運行造成隱患。為解決上述問題，優化設計采取在回流罐上封頭頂部設置DN100 管口，內置絲網除沫器，保證氣液分離效果。同時，回流罐頂部至尾氣壓縮機管道設置電伴熱，保證氣體不液化。

4 結論

1）尾氣回收系統優化設計包括新增進料緩沖單元和分離回收單元，利用進料緩沖罐和脫丙烷塔，實現丙烯和丙烷分離，避免昂貴丙烯浪費。

2）氣相法聚丙烯工藝尾氣回收系統經優化設計后，聚丙烯裝置丙烯利用率可提高約2.6%，經濟效益大幅提高。

3）脫丙烷塔操作壓力設置為1500kPaG，實現節能降耗；塔底飽和液態烴類，使用夾套管降溫，降低投資成本。