聚乙烯反应器温度波动的控制方法

孙亚光,郭 彪

(国家能源集团宁夏煤业有限责任公司烯烃二分公司，宁夏 银川 750411)

1 装置简介

国家能源集团宁夏煤业有限责任公司烯烃二分公司聚乙烯装置，采用美国UNIVATION公司Unipol低压气相流化床聚乙烯技术[1-3]，采用冷凝态和超冷凝态聚合操作方式，以乙烯为主要原料，以丁烯-1或己烯-1作为共聚单体，在高活性催化剂的作用下发生聚合反应，生成聚乙烯产品[4-6]。

Unipol气相法PE技术，自1968年实现首套装置工业化以来，至今全球已有100多套生产装置，产能超过12000 kt·a-1。Unipol聚乙烯工艺流程如图1所示，工艺过程主要包括原料精制、聚合反应、产品脱气、排放气回收、挤压造粒、掺混以及配套的辅助设施[7-9]。该技术工艺流程简单，设备台数少，反应的各股进料能在气相色谱分析仪、APC的帮助下实现精准控制，技术指标先进，操作、维修及建设费用低，而且扩能改造容易[10]。

图1 Unipol聚乙烯工艺流程图Fig.1 Process flow diagram of Unipol polyethylene

2 反应温度控制系统

Unipol PE气相法聚乙烯工艺反应系统，主要由反应器、循环气冷却器和循环气压缩机组成，聚合反应在流化床反应器中进行。将催化剂和反应原料(乙烯、氢气、共聚单体、异戊烷等)连续加入反应器，在反应压力2.2～2.3MPa、反应温度85℃的条件下发生聚合反应，生成聚乙烯。聚合反应放出的热量由循环气带出，通过循环气压缩机升压，再经循环气冷却器冷却后，返回反应器。循环气还可以起到流化床层的作用。

反应器的调温水系统是一个由调温水泵建立的闭路循环系统，主要由调温水泵、调温水冷却器和膨胀罐组成。反应器内的聚合温度，通过调温水调节器的设定进行控制。调温水冷却器使用循环水作为冷却介质，膨胀罐可用于调温水的热膨胀及新鲜脱盐水的补充，调温水泵则用于调温水的循环。

3 运行中出现的问题

聚乙烯反应器长期在催化剂活性低的条件下高负荷运行，经常会发生反应器温度大幅波动的问题。反应器温度的波动范围为超出设定值±2℃，调温水控制阀的阀门开度波动范围为20%～100%(正常情况下，反应器温度的波动范围为±1℃，调温水控制阀的阀门开度波动范围为30%～70%)，如果不及时干预和控制，会造成反应器大幅波动，严重的情况下，会使反应器温度快速升高，可能触发高温跳车联锁，影响反应器的长周期高负荷运行。

4 导致反应器温度波动的因素

本聚乙烯装置采用Unipol PE气相法低密度聚乙烯流化床冷凝工艺，催化剂采用以MgCl2为载体的钛系催化剂，反应的聚合热，由循环气的温升(显热)和冷凝液体的蒸发(潜热)共同带出反应器，以提高反应的时空产率和循环气的热焓。冷凝介质一般为共聚单体和异戊烷。实际生产过程中，随着反应器产率增加，循环气冷却器的出口温度低于循环气的露点，下游产生冷凝液，进行有相变的对流传热，这时循环气的总传热系数相应提高，循环气冷却器移走的热量与聚合反应热保持热平衡状态。反应器温度发生波动的原因，就是这种热平衡状态被打破了。破坏反应器热平衡状态的因素主要有催化剂进料、乙烯进料、共聚单体进料、氢气进料波动、T3进料量波动、异戊烷浓度低、调温水冷阀长时间开度大等。

5 反应器温度波动的处理措施

5.1 不同原因相对应的措施

1)催化剂进料波动，可能是流量计堵塞或原浆储罐的压力波动导致的。处理方法：催化剂流量控制器打手动，反冲流量计，储罐压力手动控制以稳定压力。

2)乙烯分压波动，即乙烯进料量随温度变化发生大幅波动。处理方法：调节阀打手动控制，温度大幅波动时，适当降低乙烯分压。

3)共聚单体摩尔浓度波动，即大幅调节梯度密度时，共聚单体发生流量波动。处理方法：APC控制改为流量控制，少量多频次地调节流量，控制梯度密度。

4)T3还原比波动，即T3流量因夹气或单向阀卡涩而发生波动。处理方法：T3进料罐排气，或是清理单向阀。

5)异戊烷浓度低，即反应器入口的循环气温度低于平常值。处理方法：增加异戊烷进料量。

6)冷阀长时间开度大，有可能是调温水板式换热器发生堵塞，或循环气冷却器发生堵塞。处理方法：切换并清理调温水板式换热器，或停车切换清理循环气冷却器。

5.2 找准时机干预温度

当反应器的床层温度控制出现发散且大幅波动时，要找准时机进行人为的温度干预。反应器床层温度到达最低点(波谷)且开始上涨时，将温度控制值的设定值降低0.25℃，若温度上升的幅度过快，则继续降低设定值，但幅度一般不超过1℃。温度上涨至设定值以上时，可适当降低乙烯分压。当反应器的床层温度从最高点(波峰)开始下降时，应根据下降的幅度，升高设定值，目的是让控制器提前超调，以使下一次的波幅更小。一般经过1～2个周期的人为干预，反应器的床层温度即可趋于平稳。在调节温度设定值时，需要注意温差联锁(7℃)，防止触发Ⅰ型杀死。

6 结论

正常生产时，Unipol聚乙烯工艺反应器的温度通过调温水系统进行控制，温度相对稳定。导致温度波动的因素，主要有催化剂进料、T3还原情况、异戊烷浓度、共聚单体进料等。发生温度波动时，应根据具体的波动情况，准确判断导致温度波动的因素，及时采取措施进行调整，避免因温度波动太大而造成反应器飞温、爆聚等情况发生。