間歇式本體法聚丙烯閃蒸過程智能調度控制技術

張世超，劉 群

（1.中海石油中捷石化有限公司，滄州 061100；2.天津市集散自動化儀表有限公司，天津 300384）

上世紀70 年代，我國自行開發了擁有自主知識產權的間歇式液相本體法聚丙烯生產工藝技術。由于其具有投資少、運轉成本低、經濟效益高、產品靈活等特點，這項技術在國內得到迅速發展。近十幾年來，在投入產出比優勢明顯的驅動下，這項技術不僅在國內得到推廣，而且已經在多個國家得到應用[1]。

經過技術人員幾十年不斷地研究與努力，伴隨著催化劑和生產自動化水平的進步，聚丙烯產品的品質、產量及轉化率都有了大幅度的提高，各種消耗大幅度下降。然而隨著裝置產能的不斷擴大，并考慮到間歇式本體法操作的特殊性，各種并行設備同時運行引發了操作人員勞動強度高、操作不規范等情況，從而給安全生產帶來巨大的安全隱患。尤其是閃蒸操作的噴料與置換過程，其前序需要保證從高壓容器向低壓容器安全地輸送物料，后序需要保證產品包裝時可燃氣不超標。在這種生產訴求下，提高閃蒸過程自動化控制水平、穩定優化操作、降低工人勞動強度、降低能耗物耗、保障安全生產已經成了間歇式本體法聚丙烯行業的主要研究課題之一。

1 閃蒸過程工作原理

間歇式液相本體法聚丙烯生產的閃蒸過程分為噴料閃蒸過程和可燃氣置換過程2 個部分。

1.1 噴料閃蒸過程

噴料閃蒸過程實質上是作為聚合反應生成物的聚丙烯粉料從高壓側聚合釜向低壓側閃蒸釜的泄壓輸送過程。因為聚合反應結束之后，在聚合釜內仍會存在部分液相丙烯和大量的氣相丙烯，所以在噴料過程中會迅速把聚丙烯粉料中包含的液相丙烯汽化，并與氣相丙烯（含少量丙烷氣體）一起回收再利用。把聚合釜內的聚丙烯粉料全部輸送到閃蒸釜之后，再進行下一階段的可燃氣置換過程[2]。

噴料過程存在以下幾個需要考慮的問題：①閃蒸釜超壓影響安全生產；②丙烯氣內氮氣含量高造成丙烯損失；③回收丙烯中聚丙烯粉料夾帶過多影響布袋過濾器和換熱器的使用效果和丙烯泵的長周期穩定運行。

1.2 可燃氣置換過程

噴料過程完成之后，閃蒸釜內存在2 種形式的丙烯，一種是漂浮在閃蒸釜空間里的丙烯氣體，另一種是吸附在聚丙烯顆粒內部的丙烯分子。因為丙烯氣體的爆炸極限是2%～11%，所以在置換過程中，必須把閃蒸釜內的總可燃氣含量控制在2%以下。針對2 種形態的丙烯，在生產過程中需要采取2 種方式置換處理。

（1）氣體形式的丙烯采用氮氣稀釋的方法進行多次充氮氣、抽真空處理，使這部分丙烯的濃度逐次降低，直至低于爆炸極限?？梢允褂檬剑?）計算操作的次數（為了安全余量，置換結束的濃度值取1%）：

式中：N 為置換次數；Int 為取整計算；P1為抽真空過程的結束壓力（MPa）；P2為充氮氣過程的結束壓力（MPa）；log 為對數計算。

（2）吸附在聚丙烯粉料顆粒內的丙烯，需要利用氮氣分子比丙烯分子與聚丙烯分子更有親合力的原理使吸附的丙烯分子與聚丙烯分子分離。降低這部分丙烯濃度的過程與時間相關，而時間又與聚丙烯粉料的溫度、閃蒸釜壓力和閃蒸釜內的氮氣含量相關。上述關系用式（2）表示：

式中：t 為靜止置換時間（min）；f（）為函數計算；P為閃蒸釜壓力（MPa）；T 為聚丙烯粉料溫度（K）；C 為閃蒸釜內氮氣濃度（%）；K 為粉料內丙烯揮發速率（%）。

2 噴料過程自動控制

噴料過程的自動控制需要實現下文所述的目的。

2.1 規范操作

由于閃蒸噴料需要進行快速的、重復性的操作，所以采用人工操作時很難達到規范性操作的要求，例如粉塵沉降時間、閃蒸釜壓力的預判等。如果不能實現規范性操作，就會造成各種物耗能耗的增加。

2.2 采用真空噴料控制技術，降低丙烯氣體中的氮氣含量

在噴料之前，閃蒸釜內是純氮氣環境。如果直接噴料的話，第一次回收的丙烯氣體中就會含有大量的氮氣，在后系統中處理這部分氮氣時會帶走部分丙烯氣，造成丙烯損失。如果采用真空噴料控制技術，就可以在噴料前先進行抽真空操作，降低噴料前閃蒸釜內的氮氣絕對量，從而達到降低丙烯消耗的目的[3]。

2.3 增加保護措施，使生產裝置更加安全

（1）時間預判控制：由于噴料時閃蒸釜壓力上升太快，若閥門動作出現延遲現象，非常容易引起超壓的問題。鑒于此，會根據閥門的動作時間和壓力上升趨勢，采用計時預判的方法，在壓力未達到設定值之前就進行關閉閥門的控制，保證閃蒸釜的安全生產。預判時間用式（3）表示：

式中：t 為預判時間（min）；T 為安全時間（min）；P為聚合釜壓力（MPa）；Ps為閃蒸釜壓力上限設定值（MPa）。

（2）二級超壓保護控制：在閃蒸釜超壓的情況下，可以打開回收閥門進行緊急泄壓控制。在實際生產工況中，當出現因人為因素手動關閉了回收閥時，即便閃蒸釜壓力超過了一級保護壓力設定值（較低值），也不會觸發泄壓操作。但在實現了二級超壓保護控制后，當壓力超過二級保護壓力設定值（較高值）時，系統會強制（不受操作人員的手動限制）打開回收閥進行泄壓，從而保護閃蒸釜的安全生產。

（3）兩個自控閥門聯合控制：在高壓側聚合釜與低壓側閃蒸釜之間采用2 個自控閥門共同保護閃蒸釜的安全。正常情況下，上閥門進行安全保護、下閥門進行噴料操作。當出現異常情況時，如關閉下閥門之后閃蒸釜壓力繼續升高，這時系統會在打開回收閥泄壓的同時，自動關閉上閥門，切斷聚合釜與閃蒸釜的連通，防止閃蒸釜的壓力繼續升高，進而保障閃蒸釜的安全。

3 置換過程自動控制

（1）根據上述可燃氣置換原理，參考生產裝置的設備工況及氮氣來源等因素，合理設置式（1）和式（2）中的參數。

（2）啟動置換控制程序之后，首先檢查閃蒸釜的所有閥門是否關閉到位，防止開始置換后與其他系統串壓，互相影響。

（3）第一次抽真空時，閃蒸釜內氣體中的丙烯氣占95%以上。所以為了降低丙烯消耗，這部分氣體可在回收到氣柜后進行壓縮液化再利用。持續抽真空，使閃蒸釜保持真空度至式（2）的時間結束，進行充氮至式（1）中的P2壓力設定值結束。

（4）判斷閃蒸釜壓力是否高于真空系統入口上限，如果高則先泄壓；如果低則開始抽真空，并把混合氣體排放至火炬系統或者鍋爐焚燒裝置。持續抽真空，使閃蒸釜保持真空度直至式（2）的時間結束。

（5）判斷抽真空次數是否達到式（1）計算的次數，如果不到則充氮氣至式（1）中的P2壓力設定值結束，并繼續重復執行“（4）”和“（5）”過程；如果已經達到次數則充氮氣至分析采樣壓力設定值結束，并結束本次置換過程。

4 置換過程智能調度

間歇式本體法聚丙烯生產裝置都是由多個獨立的單元式設備構成，大多數擁有8～16 臺閃蒸釜，這些閃蒸釜都是使用共同的真空系統和回收系統。而各個閃蒸釜執行的是相互獨立、并行的操作，它們經常會同時使用真空系統，通過互聯的管道串壓。輕者會影響置換效果，延遲置換時間，增加能耗物耗；嚴重的時候會造成產品的可燃氣超標，從而帶來一定的安全隱患。

通過研究開發，在置換過程自動控制基礎上完成了一套閃蒸釜置換過程智能調度系統。當有多臺閃蒸釜具備置換條件的時候，如果這些閃蒸釜同時進行置換就會存在置換次數少的閃蒸釜因為壓力高而向置換次數多的閃蒸釜串壓的現象，這是需要由調度程序解決的。調度算法如下：

（1）將具備置換條件的閃蒸釜分為2 個隊列，一個是運行隊列、另一個是等待隊列。根據真空系統的處理能力，一般可以同時處理2～3 臺閃蒸釜的抽真空過程，所以運行隊列最多可以有3 臺閃蒸釜同時運行。超過3 臺的閃蒸釜，進入等待隊列。運行隊列如表1 所示，等待隊列如表2 所示。

表1 運行隊列Tab.1 Running queue

表2 等待隊列Tab.2 Waiting queue

（2）在運行隊列中的閃蒸釜，按照以下規則運行：①置換次數少的閃蒸釜先啟動抽真空；②置換次數相同的閃蒸釜任意時間均可啟動抽真空；③置換次數多的閃蒸釜與次數少的閃蒸釜之間壓差足夠大的時候啟動抽真空。

（3）新增閃蒸釜進入隊列：①當運行隊列的閃蒸釜數量小于3 時，新閃蒸釜排在運行隊列的隊尾；②當運行隊列的閃蒸釜數量達到3 時，新閃蒸釜排在等待隊列的隊尾。

（4）運行隊列中的閃蒸釜結束置換之后，把等待隊列隊首的閃蒸釜移到運行隊列的隊尾。

（5）加急處理：如果某個閃蒸釜需要立即進行置換，可選擇優先處理，直接進入運行隊列的隊首，隊尾的閃蒸釜自動排到等待隊列的隊首。

5 結語

間歇式本體法聚丙烯閃蒸過程智能調度控制技術具有明顯的創新性、針對性和實用性，解決了現有工藝操作存在的一系列問題。新技術實施后，氮氣消耗由人工操作時的50 Nm3/tPP 降到25 Nm3/tPP；工人勞動強度大幅度降低，由原來每釜手動操作40 min 減少到1 min；裝置的安全性大為改善，避免了閃蒸釜的超壓現象，而且提高了一次置換過程的可燃氣合格率。這項技術有助于提高聚丙烯生產工藝的全過程自動化控制水平，不過它只是實現了初步的智能化操作，還需要加快向專家控制系統方向轉化。