提高聚丙烯高壓丙烯回收系統運行穩定性的優化方案

崔勇(中國石油大港石化公司，天津 300280)

0 引言

中國石油大港石化分公司聚丙烯裝置由中國寰球工程公司總承包，設計生產能力為100 000 t/a 聚丙烯顆粒，采用巴塞爾Spheripol-II 雙環管工藝技術。該裝置于2010 年10 月14 日首次開車成功，但在2012 年5 月后停產，又在2020 年10 月，啟動復工復產。經過一系列技術改進和準備，2021 年10 月13 日，聚丙烯裝置再次開車成功。針對前期運行過程中出現的高壓丙烯回收系統運行不穩定的問題，本文對系統波動的原因進行了全面的梳理和分析，并制定了相應的優化解決方案。

1 高壓丙烯回收系統工藝流程

如圖1 所示，從反應器排出的由液相丙烯和固相聚合物組成的淤漿，經閃蒸罐D301 脫氣后，D301 底部的固相粉料靠壓差排至低壓脫氣器袋濾器F301。經動力分離器分離細粉后的氣相丙烯進入高壓丙烯洗滌塔T301 頂部。向上的氣相丙烯與向下的液相丙烯在塔盤逆流接觸，丙烯氣中所夾帶的聚丙烯細粉被洗滌下來。這部分細粉與塔底液相丙烯形成淤漿，通過T301 底部出料閥FV3204 排出。該淤漿經T301 底部出料線(俗稱小閃線)閃蒸后送去低壓脫氣回收系統。T301 頂部氣相丙烯進入冷卻器E301 冷卻為液相后，少部分用于T301 回流洗滌，大部分輸送至丙烯進料罐D302 回收。T301 底部裝有再沸器E303，由來自汽蒸洗滌塔T501 的工藝熱水(95～98 ℃) 在此加熱丙烯淤漿、汽化底部丙烯，控制塔底液位[1]。

2 影響高壓丙烯回收系統穩定運行的主要因素

2.1 聚合物的粒徑分布

聚丙烯裝置使用的催化劑類型和工藝條件對聚合物的粒徑分布有著決定性的影響。當粒徑分布中<0.3 mm的聚合物所占百分比增加時，閃蒸后氣相丙烯夾帶入T301 的黏粉料也會相應增多。這種趨勢隨著運行時間的延長而變得更加明顯，最終導致聚合物細粉堵塞塔底再沸器E303、塔底出料閥FV3204 和小閃線。

2.2 T301 底部出料控制

從T301 塔底，液相丙烯與黏細粉組成的淤漿通過FV3204 小閃線出料閥排至低壓脫氣系統。原設計中的FV3204 與小閃線蒸汽流量FIC3204 共同組成控制回路。然而，這個設計存在一些問題。通過蒸汽流量的變化只能間接地影響FV3204 的開度變化，導致FV3204 的開度較小，并且其調整相對滯后和不夠靈活。這使得塔底的黏細粉不能及時被排出，進而在E303 列管管壁掛壁結塊并在T301 底部堆積。這種情況導致了E303 的換熱效率下降以及FV3204 出料不暢的問題。更嚴重的是，該裝置曾在2011 年因FV3204 堵塞而發生一次非計劃停工。

2.3 小閃線流量

T301 底部出料線，俗稱小閃線。這條管線特別之處在于它帶有一個夾套，其中流動的是液相丙烯和固相細粉混合的淤漿。夾套中通入蒸汽以加熱淤漿，促使液相丙烯氣化。氣化的丙烯攜帶黏細粉隨后排入袋式過濾器F301。原設計的小閃線氣相丙烯流量范圍為600～800 kg/h。然而，這個流量相對較低，流速也較慢。這導致黏細粉在小閃線內壁形成結塊。結塊問題輕時，夾套蒸汽的加熱效率會受到影響；重時，小閃線的出料會變得不順暢。

2.4 T301 液位控制

T301 液位控制原始設計采用一套串級控制方案，其中T301 底部液位LIC3201 通過PID 控制器進行主調控制，而E303 熱水流量FIC3202 則通過某種方式進行副調調節。在實際運行中，由于T301 液位具有較大的二階滯后特性，PID 控制無法確保其穩定，因此塔底液位呈現周期性振蕩波形。同時，T501 工藝熱水的加熱方式是采用蒸汽加熱，蒸汽流量保持不變。然而，由于這種加熱方式，熱水溫度的波動很大。這導致了E303 的取熱量不穩定，進一步引發了T301液位的波動。

2.5 T301 丙烯回流量

T301 丙烯回流量由差壓式流量計FT3201 進行計量。由于回流丙烯的實際運行溫度與差壓式流量計的設計溫度存在較大偏差，導致兩者的密度差異加大。在46.50 ℃的設計溫度下，丙烯的密度為465 kg/m3，而在29.02 ℃的實際運行溫度下，丙烯的密度為499.42 kg/m3。溫度的偏差對實際的質量流量產生了顯著的影響，尤其是冬季和環境溫度驟變時尤為顯著。這導致實際回流量比FIC3201 的表顯流量高出約10%，從而引發了T301 的液位和壓力波動[2]。

2.6 小閃線溫度控制

原設計中小閃線的溫度TI3201 僅作為測量點，并未參與控制過程。當小閃線的出料和夾套蒸汽發生波動時，會導致液相丙烯在小閃線內不能完全氣化，這會導致小閃線的溫度發生大幅波動，嚴重時可能導致液相丙烯竄入F301。

3 針對高壓丙烯回收系統波動的優化控制方案

針對高壓丙烯回收系統波動的優化控制方案，其工藝流程如圖2 所示。

3.1 改善聚丙烯粉料粒徑分布

如果聚丙烯粉料粒徑分布中<0.3 mm 的聚合物所占百分比越大，那么進入T301 的氣相丙烯所攜帶的黏細粉就會越多。這增加了黏細粉在E303 列管管壁、T301 底部和小閃線處掛壁結塊的風險。

通過使用立構規整性更好的催化劑、下調預聚合反應溫度(18.50～17.50 ℃)、適當延長預聚合停留時間(控制在10～12 min) 等措施，可以降低<0.3 mm 聚合物占比，使聚合物粒徑分布更均勻，減少黏細粉。

3.2 優化T301 底部出料控制

針對原設計T301 底部出料閥FV3204 調節相對滯后的問題，將T301 底部出料控制由小閃線夾套蒸汽流量FIC3204 改為由下游低壓丙烯回收系統氣相丙烯總量FIC3102 來控制。

FIC3102 由小閃線的出料量FI3205 和D301 底部的氣相丙烯量兩部分組成，這兩部分的流量具有正反作用。當上游反應器出現波動導致D301 底部的氣相丙烯量減少時，小閃線的出料閥FV3204 會相應地開大，這樣會增加小閃線的流量和流速，及時將反應器出料波動帶入T301 的黏細粉從塔底排出，從而降低T301 底部堵塞的風險。

此外，采取了強制干預小閃線出料的措施，將E303、T301 底部和小閃線堆積、掛壁的黏細粉及時排走，防止黏細粉結塊和堵塞。具體措施包括：一是規定每周四對FV3204 進行固定沖洗，每次沖洗時間為1 小時；二是根據T301 出料閥FV3204 和小閃線蒸汽閥PV3203 的開度變化情況(當小閃線流量FI3205 無明顯變化但開度持續變大，或PV3203 持續開大至90%以上時)，對FV3204 進行不定期的手動晃閥操作。

3.3 提高小閃線流量

考慮到低壓丙烯回收壓縮機PK301 的流量裕度，將小閃線的流量FI3205 由600～800 kg/h 增加至1 200～1 300 kg/h，以提高小閃線的線速。這樣能夠及時將T301 洗滌下來的黏細粉從塔底和小閃線排出，從而降低T301 底部堵塞和小閃線內壁掛壁結塊的風險。

3.4 優化T301 液位控制

首先，為了解決T301 底部液位滯后較大的問題，引入塔底液位控制回路LIC3201X。該回路將與T301頂部液相回流丙烯進行串級控制，從而將塔頂回流丙烯的流量控制從靜態變為動態。這一改變將與原設計的串級控制(即原設計的LIC3201 與FIC3202 的串級控制)相互配合，共同調控T301 底部的液位。在LIC3201 與LIC3201X 的控制特性中，正、反作用共同發揮作用。當T301 底部液位高于設定值時，LIC3201的串級控制將增加去E303 的熱水流量，以提高塔底丙烯的蒸發量；同時，LIC3201X 的串級控制將減少塔頂丙烯的回流量，以補償塔底液位的正偏差。相反，當T301 底部液位低于設定值時，LIC3201 串級控制將減少去E303 的熱水流量，降低塔底丙烯蒸發量；與此同時，LIC3201X 的串級控制將增加塔頂丙烯的回流量，以補償塔底液位的負偏差。

其次，將去E303 換熱的T501 工藝熱水流程增加溫控回路TIC5008。根據設定的水溫，TIC5008 可以自動調整通入T501 工藝熱水的蒸汽量，從而將T501 工藝熱水溫度穩定在95～98 ℃的范圍內，為E303 提供穩定的熱源。

3.5 T301 回流丙烯密度補償

由液相丙烯物性參數表可知，高壓液相丙烯的溫度與密度之間存在近似線性關系。在DCS(分布式控制系統)組態中，使用編程語言對T301 丙烯回流量FIC3201建立溫度與密度的折線函數。通過密度補償法，可以折算出當前溫度下丙烯的實際質量流量進行控制。

在46.50 ℃的設計溫度下，液相丙烯的密度是465 kg/m3。當溫度補償點TI3302 的溫度為29.02 ℃時，液相丙烯的密度變為499.42 kg/m3。當T301 在46.50 ℃設計溫度下的回流丙烯流量FIC3201 顯示為8 000 kg/h 時，經過密度補償計算后的實際丙烯流量是8 554.356 kg/h。為了使實際流量回歸到8 000 kg/h，反推出FIC3201 在設計溫度下的表顯丙烯流量應修正為7 448.644 kg/h。這導致了9.3%的流量偏差。通過采用密度補償的方法來消除這一偏差，以穩定T301的液位和塔壓。

在T301 回流丙烯流程上增加溫度測點TI3200，實施溫度-密度-流量動態補償的方案。此方案以遠傳測溫回路故障時確保裝置正常運行為基礎，嵌入了回路故障的邏輯判斷和投退功能。當出現如斷路、短路、跳變等異常時，系統能自動切除溫度補償，并“退守”至原始設計方案。同時，系統會在屏幕上提示相應的報警信息。

3.6 增加小閃線溫度控制回路

增加了小閃線溫度TIC3201 與小閃線夾套蒸汽壓力調節閥PV3203 的控制回路。當小閃線的溫度TI3201 下降，液相丙烯的氣化效果不佳時，這個控制系統能自動調節夾套蒸汽壓力調節閥PV3203 的開度，確保液相丙烯完全氣化。這樣，可以提高小閃線的流速，降低小閃線掛壁、結塊、堵塞的風險。同時，也能避免液相丙烯竄入F301。

4 結語

影響高壓丙烯回收系統穩定運行的關鍵因素包括聚合物的粒徑分布、T301 塔底出料控制、小閃線流量、T301 塔底液位控制、T301 丙烯回流量以及小閃線溫度控制等。為提高高壓丙烯回收系統的穩定性，制定了以下措施：優化聚丙烯粉料的粒徑分布、改進T301塔底出料控制、增加小閃線流量、完善T301 液位控制、通過密度補償調整T301 回流丙烯以及增加小閃線溫度控制回路等。自上述措施投入應用以來，效果顯著，針對性解決了高壓丙烯回收系統運行不穩定的瓶頸問題，對裝置的長周期穩定運行具有重要意義。