淤漿環管聚乙烯工藝反應器結皮原因分析及處理措施

楊 洋，姬生倫，王文杰

（中化泉州石化有限公司，福建泉州 362000）

中化泉州石化有限公司的高密度聚乙烯裝置，采用雪佛龍菲利普公司和道達爾公司合作共同開發的MarTECHTMADL淤漿環管聚合工藝，用以生產密度為920～963kg/m3的高密度雙峰/單峰聚乙烯產品。裝置規模為40萬t/a，年操作時間8 000h，平均小時產率50t/h，裝置操作彈性60%～110%。該工藝能使用鈦系、鉻系、茂系[1]三種類型的催化劑，在兩臺環管反應器分別生產單峰和雙峰的高密度聚乙烯產品，可用于注塑、中空、拉絲薄膜、管材等下游產品的制備。

高密度聚乙烯裝置正常運行一段時間后，按照排產計劃鉻系中空產品向鈦系注塑料轉產。Cr催化劑向ZN催化劑的切換，屬于不連續切換，在這種情況下，要將反應器內的聚合物和催化劑全部清除干凈，然后注入新的催化劑，反應器重新開車。但在轉產過程中出現了反應器器壁黏附大量聚乙烯的現象，針對此次反應器結皮現象進行了分析，并提出了相對應的處理措施和預防措施，保證生產裝置的平穩運行。

1 反應器結皮的危害

在正常生產時，部分聚合物會溶解在溶劑內，這些溶解的聚合物能夠轉移到反應器壁上，當與冷反應器壁接觸時便凝固在壁上，導致反應器壁上形成一層薄的聚合物層，會降低反應器熱傳遞效率和增加循環阻力。反應器結片產生的一個最嚴重的問題就是反應器冷卻性能受到影響，以及會增加反應器堵塞的風險。乙烯聚合反應是一個放熱反應，1kg的聚乙烯的生產能夠放出3 400kJ的熱量，當反應器結皮嚴重時，放出的熱量無法通過冷卻水循環出去，乙烯會在高溫下發生劇烈聚合反應，生產的聚乙烯樹脂會瞬間熔融成大塊的樹脂團，完全堵塞反應器，造成巨大損失。因此，在正常生產時要避免反應器結皮現象的發生。

2 反應器結皮原因分析

2.1 反應器結皮過程描述

由于不同催化劑間的轉產，在轉產前HDPE裝置執行停工轉產方案，停工當天10：45停乙烯進料，11：00反應器注入殺死劑，程序會自動關閉所有進料，停止聚合反應，接著開始異丁烷循環。第二天，7：00注入烷基鋁TEAL做開工前準備。7：14反應器軸流泵P4201功率由1 390kW上漲至1 520kW；軸流泵進出口壓差由0.22MPa上漲至0.33MPa；反應器循環量由8 500m3/h下降至5 400m3/h，如圖1所示。以上三種跡象表明反應器內部有結垢或塊料產生。經分析判斷后，采取停止第二反應器TEAL進料，并提高R4201的異丁烷進料量的方法將垢化的物質沖洗出反應器，但是，循環一段時間后軸流泵功率未見好轉，振動有所增加，于是將反應器軸流泵停止運行，并檢查反應器內部狀況。

圖1 烷基鋁注入前后趨勢圖

2.2 反應器結皮料組分分析

將反應器中的物料完全退完后，打開反應器檢查，發現反應器器壁有大量聚乙烯黏壁料。黏附的聚乙烯分為兩層，表層為粉狀疏松料，靠近反應器器壁處為片狀料，如圖2～圖4所示，將這兩種物料進行成分分析，如表1所示。

圖2 反應器器壁黏附的聚乙烯

圖3 內部表皮處疏松狀粉料

圖4 靠近反應器器壁的結皮料

表1 兩種物料組分分析

通過分析結果可看出：靠近器壁結垢的聚乙烯，含有大量的殘鈦和殘鋁，應為鈦系生產期間由于反應器器壁處的溫差造成的結垢[2]，為長時間形成。表面疏松狀聚乙烯內含有大量的殘鉻，熔融指數分析時，發現基本不具有流動性，該層聚乙烯為鉻系大分子量聚乙烯。

2.3 理論分析

在生產鈦系產品時，加入三乙基鋁是為了清除反應器中大部分的毒物，更是為了與鈦系催化劑形成一個有機金屬絡合物，該有機金屬絡合物是一個缺電子活性中心，可以與給電子體乙烯分子發生作用，插入金屬和引發鏈中，當乙烯插入后，活性中心經過重排仍然空出，以利于更進一步的反應。聚合物鏈隨著乙烯的插入而增長，每個催化劑顆粒包含許多活性中心，因而可以產生更多的聚合物鏈。

在生產鉻系產品時，為了能夠發生聚合反應，六價Cr需要被還原成二價Cr，由于六價Cr的強氧化性，它將與聚合單體乙烯反應產生催化劑毒物，如乙醛、叔丁醇。當催化劑進入反應器時，催化劑并沒有立即表現出活性，而是經歷了一個休眠期（稱作誘導期），在這個時間段，觀察不到它的活性。當有三乙基鋁加入時，三乙基鋁與聚合單體乙烯與鉻中心競爭配位的關系，三乙基鋁能夠使六價Cr迅速還原成二價Cr而形成活性中心，消除了誘導期，這就使得在反應器中發生劇烈的聚合反應，放出大量的熱量，熱量無法得到有效撤出后，乙烯會在反應器中發生爆聚，產生嚴重后果。另外，三乙基鋁的加入會對活性中心過度還原，使催化劑失去活性[3]。

結合上述表征分析可以看出，在鉻系產品轉產鈦系產品時，鉻系催化劑與三乙基鋁發生了劇烈反應，并使聚合物黏附在反應器器壁上。鉻催化劑在聚合反應終止及異丁烷循環后仍然殘留在反應器中，是造成此次事故的發生主要原因。

2.4 鉻系催化劑在反應器中殘留的原因分析

此次造成軸流泵功率突然上升，反應器循環量下降應源于外層疏松狀聚乙烯的形成。殘留在反應器的鉻催化劑遇到烷基鋁，激活了鉻系催化劑的活性[4]，發生聚合反應。由于此時反應器中無氫氣，且反應器溫度較低，生成了大分子量的聚乙烯，并黏附在反應器器壁上，造成反應器內的流道變窄，軸流泵功率猛然上升，震動上升，反應器循環量下降。

此次鉻系催化劑在反應器中殘留的原因可以歸納為以下幾點：

（1）反應器器壁垢化后，形成了一個能夠黏附催化劑活性中心的溫床。當反應器注入殺死劑后，雖然催化劑終止注入，但異丁烷循環期間將催化劑活性中心沖刷至反應器的表面，當遇到注入的烷基鋁后，重新激活了活性中心，發生了聚合反應。

（2）反應器注入殺死劑后，催化劑管線內仍有催化劑，為了避免管線堵塞，需要繼續沖洗催化劑泵至反應器之間的管線，此時殘留在催化劑管線內的催化劑就被沖刷到反應器內。

（3）反應器的異丁烷循環量或循環時間不足，導致催化劑未被完全置換出去，并停留在反應器內。

（4）催化劑注入的自動閥內漏，可能會造成催化劑繼續進入反應器。

3 反應器結皮的處理措施

反應器結皮會造成反應器換熱不均，嚴重時會發生聚合物完全堵塞環管反應器，造成更嚴重的經濟損失。所以當發生類似現象時，可以采取以下處理措施：

1）立即停止反應器的烷基鋁進料，加大異丁烷的循環量至最大量進行置換。

2）立即注入殺死劑，終止可能存在的聚合反應。

3）調整反應器的壓力設定，通過上下重復設定反應器的壓力，使異丁烷沖刷反應器。

4）向反應器中引入大量的抗靜電劑，防止聚合物在靜電的作用下產生較大塊的物料，難以循環出來。

5）向反應器中引入氫氣，避免大分子量聚合物的產生。

6）反應終止后將催化劑罐出料手閥關閉，必要時盲板隔離。

4 反應器結皮的預防措施

通過該次事故的過程與原因分析，可以通過采取以下措施預防反應器結皮的發生：

1）在終止反應器前，要提前停止反應器催化劑的進料，減少催化劑在管線中的殘留。

2）在反應器注入殺死劑30min后，通過適度終止系統再次注入少量的殺死劑，確保催化劑徹底失活。

3）反應器注入殺死劑后，在確保高壓閃蒸系統不帶液的情況下，提高反應器的異丁烷進料量，將反應器中的固相徹底循環干凈。

4）催化劑停止注入后，立即關閉催化劑至催化劑泵的現場手閥，防止自動閥內漏，導致少量催化劑持續被帶入反應器。

5）在烷基鋁注入反應器前，先通入氫氣，防止超高分子量聚乙烯的形成。

6）在烷基鋁進入反應器前，進入適量的抗靜電劑，防止產生靜電，聚乙烯黏附在反應器器壁上。

5 結束語

通過分析反應器結皮現象發生的原因，提出了相應的處理措施和預防措施，有利于在裝置開停工及牌號轉產過程中更好地操作，更好地維持裝置的平穩生產。此外，在日常生產中裝置任何系統發生異常現象要及時判斷出原因，并及時進行處理，防止事故的進一步擴大。