氣相流化床聚丙烯生產(chǎn)裝置中細(xì)粉的工業(yè)化防治對(duì)策

劉磊 張繼明

中國(guó)石油化工股份有限公司北京燕山分公司合成樹(shù)脂廠 北京 102500

1 概述

聚丙烯作為熱塑性合成樹(shù)脂，具有耐高溫、耐化學(xué)腐蝕、抗蠕變，剛韌平衡性好等性能，在化工、建筑、食品、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)聚丙烯生產(chǎn)工藝發(fā)展迅速，從淤漿法到溶液法，再到本體法和氣相法的發(fā)展過(guò)程，其中氣相法工藝是應(yīng)用最廣泛的聚丙烯生產(chǎn)工藝之一[1]。例如，廣西石化公司利用Unipol氣相法流化床工藝進(jìn)行200kt/a的聚丙烯生產(chǎn)[2]。氣相法工藝反應(yīng)器有立式攪拌床、臥式攪拌床或流化床，然而無(wú)論采用何種工藝，何種催化劑，生產(chǎn)過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生大量細(xì)粉[3]。細(xì)粉的主要危害就是所到之處易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，進(jìn)而影響裝置的穩(wěn)定運(yùn)行和長(zhǎng)周期運(yùn)轉(zhuǎn)。例如，細(xì)粉堵塞反應(yīng)系統(tǒng)的換熱器，聚合反應(yīng)撤熱效果差，反應(yīng)溫度容易升高，出現(xiàn)結(jié)片現(xiàn)象；細(xì)粉堵塞風(fēng)送系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)前過(guò)濾器，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)過(guò)載燒皮帶無(wú)法輸送粉料，裝置停車(chē)；此外，細(xì)粉增多還會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞，丙烯回收率降低等問(wèn)題。因此，聚丙烯細(xì)粉問(wèn)題是影響生產(chǎn)的嚴(yán)重問(wèn)題，解決細(xì)粉問(wèn)題是廣大聚丙烯生產(chǎn)者普遍關(guān)心的，具有十分重要的意義。

2 減少細(xì)粉產(chǎn)生的防止對(duì)策及實(shí)施效果

某化工廠聚丙烯生產(chǎn)裝置的生產(chǎn)設(shè)計(jì)為280kt/a，聚丙烯粉料的粒徑集中在100-1000μm之間，細(xì)粉一般指粒徑小于100μm的粉料。通過(guò)對(duì)改進(jìn)前生產(chǎn)的聚丙烯粉料進(jìn)行篩分處理（見(jiàn)圖1）。由圖可知，改進(jìn)前粒料分布范圍較廣，粒徑大于800μm的粉料占全部聚合物的28.3%，小于100μm的細(xì)粉較多，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)全部聚合物的2.9%。細(xì)粉主要是在配制、反應(yīng)、輸送過(guò)程中催化劑粒子、較大粒徑聚合物、不規(guī)則片狀聚合物等的磨損產(chǎn)生的。研究表明，聚合物顆粒的形態(tài)、粒徑分布、堆積密度等性能受催化劑顆粒的形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響[5]。聚合物顆粒生成的實(shí)質(zhì)就是將催化劑顆粒進(jìn)行反復(fù)復(fù)制與擴(kuò)大的過(guò)程。在聚合反應(yīng)發(fā)生的過(guò)程中，顆粒的形態(tài)并不會(huì)出現(xiàn)過(guò)大的變化，即球形催化劑依舊是球形顆粒，粉狀催化劑依舊是細(xì)粉。當(dāng)催化劑內(nèi)部含有較多的細(xì)粉時(shí)，其形成的聚丙烯粉料中也會(huì)存在大量的細(xì)粉。催化劑粒徑的實(shí)際分布情況能有效判定聚丙烯的粒徑分布情況，要對(duì)其粒徑進(jìn)行集中控制，減少粒徑較小的聚丙烯，避免細(xì)粉出現(xiàn)[6]。因此，優(yōu)化催化劑粒徑是一種減少細(xì)粉產(chǎn)生的對(duì)策，見(jiàn)圖1。

圖1 聚丙烯細(xì)粉粒徑分布圖

為保證裝置能夠正常生產(chǎn)，工業(yè)上一方面是從源頭上減少細(xì)粉產(chǎn)生。從優(yōu)化催化劑入手，減少甚至杜絕細(xì)粉產(chǎn)生。在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，改性劑硅烷的加入量對(duì)細(xì)粉的產(chǎn)生也有一定影響，作為等規(guī)指數(shù)調(diào)節(jié)劑與催化劑配合使用，加入量越低，等規(guī)指數(shù)越低，聚合物越不易結(jié)晶，無(wú)規(guī)物含量越高，韌性越好，不易崩裂產(chǎn)生粉末。在優(yōu)化硅烷的配比，不改變催化劑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將催化劑粒徑由原來(lái)的23（v，0.5）/um調(diào)整至19（v，0.5）/um，增強(qiáng)其機(jī)械強(qiáng)度，減少催化劑破碎的可能性，進(jìn)而減少細(xì)粉產(chǎn)出。如圖1所示，改進(jìn)后聚丙烯粉料的粒徑集中在200～900μm，粒料分布范圍變窄，粒徑大于800μm的粉料降至全部聚合物的12.5%，小于200μm的細(xì)粉明顯減少，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)全部聚合物的1.2%。改進(jìn)后細(xì)粉每月的產(chǎn)量減少了3.9t左右，不僅能保證長(zhǎng)周期運(yùn)行，還能降低物料消耗。

3 適應(yīng)細(xì)粉的治理對(duì)策及實(shí)施效果

細(xì)粉的另一種形式是在造粒系統(tǒng)產(chǎn)生，由于高速運(yùn)動(dòng)的聚合物之間及其與裝置內(nèi)壁、軸流泵之間出現(xiàn)碰撞或摩擦，顆粒將不可避免地破碎成細(xì)粉，因此工業(yè)上還可以從適應(yīng)細(xì)粉的角度進(jìn)行裝置改造，以保證生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行。適應(yīng)性治理需要結(jié)合具體問(wèn)題，更新改造裝置條件。

風(fēng)送系統(tǒng)是聚丙烯造粒裝置的核心。聚合反應(yīng)之后，粉料在袋濾器中與氣體分離，在脫氣倉(cāng)中脫活和干燥，然后進(jìn)入混煉機(jī)/齒輪泵系統(tǒng)，加入穩(wěn)定劑，進(jìn)行混煉和造粒。由于細(xì)粉顆粒較小，容易導(dǎo)致風(fēng)機(jī)前過(guò)濾器、風(fēng)機(jī)進(jìn)出口換熱器等設(shè)備堵塞。改進(jìn)前裝置正常生產(chǎn)聚丙烯過(guò)程中，由于細(xì)粉堵塞風(fēng)機(jī)進(jìn)出口換熱器、過(guò)濾器，導(dǎo)致風(fēng)送系統(tǒng)的壓力升高。將原有過(guò)濾器濾芯拆卸下后，濾芯內(nèi)部觀察到有大量白色粉末狀雜志，粒徑甚至小于5μm。這種通過(guò)切換濾芯以適應(yīng)細(xì)粉的方式不僅產(chǎn)品單耗增加，人工成本也會(huì)增高。然而原有過(guò)濾器為金屬網(wǎng)狀過(guò)濾桶形式，過(guò)濾面積偏小，只能進(jìn)行備臺(tái)切換，無(wú)法“在線”清除。針對(duì)過(guò)濾器堵塞問(wèn)題，見(jiàn)圖2所示，在原有輸送風(fēng)機(jī)C303前過(guò)濾器H303A/B并聯(lián)增加立式旋風(fēng)式過(guò)濾器H303C，旋風(fēng)過(guò)濾器主要借助離心力使細(xì)粉落入下部錐斗中，設(shè)計(jì)入口在正切方向，減少撞擊的程度，較少細(xì)粉產(chǎn)生，同時(shí)增加過(guò)濾面積，延長(zhǎng)了切換周期。新增過(guò)濾器為濾袋式，可通過(guò)反吹氮?dú)鈱V袋細(xì)粉沉積至底部，可在線排放清理。為了提高換熱器的細(xì)粉適應(yīng)性，同時(shí)分析了換熱器結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)原有輸送氣夾帶細(xì)粉走殼程，冷卻水走管程，導(dǎo)致粉塵堆積堵塞換熱器殼程，出現(xiàn)輸送困難情況。針對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)出口換熱器堵塞問(wèn)題，將換熱器進(jìn)行更換，將原有輸送氣夾帶細(xì)粉走殼程，冷卻水走管程，粉塵堆積堵塞換熱器不易輸送情況，根據(jù)計(jì)算更換換熱器將冷卻水走程，輸送氣夾帶細(xì)粉走管程，管程不易堵塞易于清理，見(jiàn)圖3。

圖2 改進(jìn)前后粉料輸送系統(tǒng)示意圖

圖3 造粒細(xì)分回收系統(tǒng)改造示意圖圖

造粒系統(tǒng)細(xì)粉收集也是工業(yè)上適應(yīng)細(xì)粉的一種常見(jiàn)策略。改進(jìn)前主要通過(guò)粉塵收集器（M409）收集，收集的細(xì)粉主要為聚丙烯細(xì)粉和助劑細(xì)粉。由于這些細(xì)粉不易處理，直接排放不僅增加物耗還容易影響環(huán)境。針對(duì)上述問(wèn)題，將原有粉塵收集系統(tǒng)進(jìn)行改造，新增儲(chǔ)罐，并在粉塵收集器（M409）下方增加旋轉(zhuǎn)下料系統(tǒng)，如圖3所示，實(shí)現(xiàn)細(xì)粉實(shí)時(shí)返回混煉機(jī)進(jìn)行回收，新加的儲(chǔ)罐裝有高低兩個(gè)料位開(kāi)關(guān)，觸發(fā)高料位開(kāi)關(guān)時(shí)將粉料返回。

從降低堵塞的角度對(duì)裝置進(jìn)行改進(jìn)后，細(xì)粉的適應(yīng)性明顯提高。如4所示，改進(jìn)前風(fēng)送機(jī)前過(guò)濾器H303壓差持續(xù)上漲，經(jīng)過(guò)2小時(shí)后，由2KPa上漲到10KPa達(dá)到滿量程，此時(shí)需要對(duì)過(guò)濾器進(jìn)行切換以減少壓差，保證粉料正常輸送。生產(chǎn)期間過(guò)濾器清洗次數(shù)最高可達(dá)12次每天。改進(jìn)后過(guò)濾器H303濾芯的更換頻率明顯下降，如圖4所示，2021年10月裝置正常生產(chǎn)過(guò)程中，風(fēng)送系統(tǒng)的風(fēng)送機(jī)前過(guò)濾器H303壓力由2KPa上漲到10KPa，經(jīng)過(guò)12h，切換次數(shù)減少了六分之一。節(jié)省濾芯更換成本，降低人工作業(yè)成本。換熱器走程改進(jìn)后，粉料輸送風(fēng)機(jī)出口壓力穩(wěn)定降低2KPa，保證了持續(xù)運(yùn)行。直排處理改進(jìn)為密閉回收后，細(xì)粉回收效率提升了15%，這種增加細(xì)粉適應(yīng)性的回收改進(jìn)不僅可以降低物耗，又能避免固廢處理，還能減少粉塵對(duì)環(huán)境的污染。由此可見(jiàn)，從減少堵塞、增加回收兩個(gè)方面進(jìn)行裝置改進(jìn)能夠提高聚丙烯生產(chǎn)過(guò)程中的細(xì)粉適應(yīng)性，確保裝置得以穩(wěn)定、長(zhǎng)效、安全地運(yùn)行，見(jiàn)圖4。

圖4 改造前后粉料輸送過(guò)濾器H303壓差圖

4 結(jié)論

催化劑顆粒分布均勻有利于提高催化劑產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，有利于反應(yīng)系統(tǒng)工藝的穩(wěn)定控制，從源頭上減少細(xì)粉。在聚丙烯生產(chǎn)的過(guò)程中一定會(huì)產(chǎn)生大量的細(xì)粉，但是可以通過(guò)生產(chǎn)技術(shù)的優(yōu)化及催化劑的選擇來(lái)進(jìn)行改善。在實(shí)際生產(chǎn)的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)對(duì)催化劑的配料比及聚合反應(yīng)發(fā)生的條件進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，在完成生產(chǎn)之后，可以對(duì)處理系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)化，避免因細(xì)粉問(wèn)題而導(dǎo)致管線受堵及設(shè)備受損，確保裝置得以穩(wěn)定、長(zhǎng)效、安全地運(yùn)行。