减少高压聚乙烯装置反应分解、降低系统污染的对策

来源 :中国化工贸易 | 被引量 : 0次 | 上传用户:nimashabi2009
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  摘 要:高压聚乙烯装置经常因为聚合反应分解,造成装置停车,对环境污染有一定的影响,经过经验摸索,总结了反应分解的原因,针对反应分解制定了对策,使反应分解的发生率得到降低。
  关键词:分解 原因 措施
  采用德国Basell公司的LUPO TECHTR管式法反应器技术的装置,以乙烯为主要原料,醋酸乙烯(VA)为共聚单体,以过氧化物为引发剂,丙烯和丙醛为分子量调节剂,该技术采用乙烯单点进料,过氧化物由四点注入脉冲式反应器,反应单程转化率最高可以达到35%。装置反应压力最高可达到300MPa,反应温度最高可以达到310℃,产品密度范围在0.915-0.927g/cm3。它可以生产低密度的产品,以及醋酸乙烯含量在10%以下的EVA共聚物。
  但是此类装置在高温高压下进行的聚合反应极易发生分解反应,从大庆石化公司8万吨、20万吨高压聚乙烯装置生产线,以及BASELL在法国马赛的AUBBET生产线的运行统计上看,发生分解反应的次数是相当多的。对于高压聚乙烯装置,反应分解所造成的损失是巨大的,发生分解反应后,各系统必须泄压,然后对系统进行吹扫、置換才能进行重新开车。吹扫、置换处理不好的话,还可能污染反应器、高压分离器,使以后生产的聚乙烯产品长时间不合格。因此,有必要对发生分解的原因进行探讨,采取具体的针对措施,避免装置分解事故发生,造成环境的污染,保证装置安全平稳长周期的运行。
  一、装置的生产工艺
  来自界区的新鲜乙烯经过滤后与低压循环气、分子量调节剂混合,一起进入一次压缩机,一次压缩机将混合气由2.5MPa升压至26.0MPa,一次机出来的气体和高压循环气混合进入二次压缩机,两级压缩后升压到260MPa,经过预热器升温后进入反应器,引发剂过氧化物分为四点注入反应器,引发聚合反应。不同的牌号和不同的注入点,过氧化物的配方也是不同的。反应器内聚合反应所产生的热量被反应器夹套内的热水换热走,副产0.3MPa和1.0MPa蒸汽。聚合物经过脉冲阀进入高压分离器,在这里进行气体和聚合物的分离,气体从高压分离器顶部出来进入高循系统,进行冷却、脱蜡,然后返回二次机入口。
  高压分离器底部的聚合物进入到低压分离器,在低分内进一步分离,乙烯经过低压循环系统返回辅助压缩机,进行循环再利用。从低压分离器出来的熔融聚合物进入挤压机,经过水下切粒,被颗粒水输送到干燥器脱水,振动筛筛分,然后经过风机输送到脱气料仓,脱气12个小时,化验合格后进入成品料仓,最后包装出厂。流程工艺简图如图1所示:
  二、乙烯发生分解的反应机理
  反应式1)和2)产生自由基。反应1)、3)和4)代表正常的聚合反应次序,N代表动力学链长。在典型的条件下,因为反应热需要较高由裂解反应2)产生的自由基是很少的,如果让聚合反应或其他的热源造成太高的温度,反应2)就会取代反应1)作为自由基的主要来源。反应2)提供的物质大量存在,那么就不需要补充过氧化物进行反应1)。这样聚合反应就会在过氧化物消耗完后继续进行。在这种条件下,乙烯直接分解反应5)和6)能以足够快的速率进行并完成分解反应,而反应5)和6)提供了大量的热量又会促进反应2)。分解反应一旦发生,由于会产生大量的热量,温度会快速上升,这就加快了分解反应的速度。因此,为了避免发生分解反应,就必须避免任何可能导致高温或过高浓度的自由基存在的运行工况的出现。
  三、分析发生分解的原因
  1.存在局部高温可能发生分解反应
  在装置运行过程中,反应器内物料是近似活塞流运动,压缩机打气量、引发剂注入波动后,局部浓度过高,局部就可能出现高温点,在有热点存在的情况下,分解反应发生的起始压力、温度就比乙烯气体在系统均一温度下分解的温度要低得多。局部热点的热量越高,发生分解反应的起始温度就越低。
  2.反应器换热不好可能导致分解反应
  乙烯聚合反应是放热的反应,反应所产生的热量需要及时撤出。BASELL技术的反应热主要是通过反应器夹套内的水冷却带走(DSM技术和伊姆豪逊技术是通过反应器夹套内的水和冷流注入撤热)。在正常生产时,反应温度控制在300℃左右,如果反应器物料粘壁降低传热系数后,或者撤热的热水系统出现故障,都容易导致系统温度失控,使物流温度超过临界温度,也就是说, 一旦某反应区温度超过临界温度350℃, 反应就不能再得到控制, 反应区的压力和温度的增长将十分迅速可能使系统反应失控。
  3.系统存在杂质
  杂质的存在会引起不可预计的聚合反应。乙炔有干扰聚合反应的作用,它使反应变得无规律并促进分解;含水量较高就会急剧地降低反应速度,并可能最终导致聚合反应速度全面下降,如果加大了注氧量,就可能局部高温,导致分解;氧在低温时能够抑制乙烯的聚合反应,但是在高温时又会引发乙烯的聚合反应,实验表明乙烯中含有氧在100PPm以上,聚合反应就可能在160℃的条件下和240MPa下进行。榆林PE装置中采用了在一次机入口加入技术气(空气)防止乙烯提前聚合的技术,这就加大了分解反应的可能性,所以技术气的注入控制必须非常严格。此外,金属颗粒、润滑油分解物均对分解反应起到催化的作用,很容易造成反应失控,使聚合发生的起始温度远低于新鲜乙烯发生反应的起始温度。
  4.物料流速达不到设计最小要求
  湍流能提高热传递效率,要想形成湍流,其雷诺系数必须达到10000以上,这对于物流的最小流速有所要求。如果在工艺管道内物流流速达不到设计要求,那样就会形成滞流,甚至在管道内发生滞留和存在死角,使传热系数降低,引起热量的累积,形成局部的过热,发生分解反应。
  四、正常生产时防止分解的措施
  1.防止聚合反应的引发剂注入过量
  聚合反应的温峰由过氧化物注入量来调节,引发剂的注入量过大时,会导致聚合反应放出的热量增加,使温峰超过控制温度,因此要尽量避免这种现象发生。   引发剂注入量过多有以下几个原因:
  一、引发剂注入管嘴堵塞,突然通开,造成瞬间流量过大
  二、反应温峰的控制点信号故障
  三、过氧化物泵流量控制出现故障
  针对上述原因,在日常操作中,要密切注意反应温度的变化,尤其是每一个反应段的温峰值,防止由于反应温峰的控制点信号故障使控制系统失灵。在每次开车前、停车后进行过氧化物注入管嘴的异十二烷冲洗,防止注入管嘴堵塞,防止管嘴在顶通后,过氧化物的瞬时流量过大,造成反应温度过高。大庆的装置中,冲洗采用的是同一台过氧化物泵,即先启动过氧化物使用异十二烷冲洗管线,然后切换到过氧化物,在启动一次冲洗管路后才能开车。在榆林公司的PE项目中,我们特意要求设置了专门的冲洗泵,使管嘴冲洗和过氧化物泵内的冲洗同时进行,省掉了大量等待的时间,有效的避免管嘴的堵塞问题。另外过氧化物泵的日常检查很有必要,泵入口压力、出口压力变化、泵的工作状态需要操作人员密切注意。
  2.避免反应器超压
  在超高压条件下,乙烯被压缩为气密相状态,乙烯分子之间的距离大大缩短。实际上压力上升即相应地增加了乙烯的浓度,增加了游离基与乙烯分子或活性增长链与乙烯分子的碰撞机会,使聚合反应加剧。因此必须保证反应器压力控制稳定。
  反应器超压主要有以下几个原因:
  一、脈冲阀故障
  二、二次机、反应器引压点故障
  针对上述原因,在日常操作中,要密切注意脉冲阀动作的曲线发现偏离及时切除脉冲。二次机、反应器引压点最常见的故障是乙烯提前聚合,物料堵塞了引压管,使测量值偏低,造成反应器超压。榆林公司PE装置中采用了在一次机入口加入技术气(空气)理论上能够降低乙烯提前聚合。但在日常操作中,还是要严密监视二次机各段出口压力、反应器入口压力并定期比对,发现各点偏差使反应压力不能稳定控制时应及时计划停车。
  为了避免分解反应,当反应压力与工艺设定偏差达到10.0MPa时,工艺控制必须进行手动降压20.0MPa。当采取降压操作后,反应压力、温度继续升高,操作人员应立即手动触发紧急停车按钮,确认反应器紧急放空阀开,确保快速泄压。在进行放空泄压时,确认引发剂过氧化物的注入已经停止,原料乙烯已经切断,脉冲阀关闭,没有从高分到反应器倒流现象。
  3.最大限度的减少系统杂质的含量
  3.1 严格控制系统内氧气的含量
  氧在高压(240 MPa)、高温(160℃)能够分解成自由基,引发乙烯进行聚合反应。榆林公司PE装置向系统内加入空气抑制乙烯提前聚合,因此必须要严格控制系统内氧气的含量。尤其是在装置大检修之后,对于装置内各个系统的置换必须彻底,特别是压缩机系统、反应器系统、高低循系统,避免氧残留与技术气累加使系统内氧量浓度超高造成分解。
  在正常生产中, 必须要对原料乙烯连续进行氧含量分析,及时调整技术气的加入量。
  3.2 确保系统中杂质含量不超标
  当原料中含有乙炔、水、一氧化碳等杂质时都会使聚合不稳定。在正常生产中, 要定期检测原料乙烯指标。发现系统内杂质含量超标可以加大辅助压缩机出口驰放气返回量。
  过氧化物中的DTBP也能起到高温引发的作用,而过氧化物会缓慢降解出DEBP。将过氧化物的储存温度控制较低、保证过氧化物生产时间在3个月内都能有效保证过氧化物的降解。为降低这种降解榆林公司聚乙烯装置中将过氧化物注入线增加了夹套降温。
  3.3 避免颗粒杂质
  金属颗粒杂质对于分解反应起到催化的作用,因此要防止金属颗粒进入反应器中。系统在开车前及检修后,必须对反应器进行氮气吹扫工作。大检修后,对于二次机入口应加开车过滤器,防止反应器进入杂质。
  4.保证反应器内物料的最小流速
  为了避免工艺管道内物流流速达不到设计要求,形成滞流,在管道内发生滞留和存在死角,使传热系数降低。因此,在反应管道内必须保证乙烯的流速,使反应热不被积聚,避免分解反应的发生。
  为了保证物料反应器的流速,一是在二次压缩机运转中,保证压缩机的打气量,维持二次机入口压力稳定在25.0~26.0MPa,入口温度控制在37~40℃,二次机段间温度控制在35~40℃。二是在不影响反应的前提下将脉冲阀的脉冲深度尽量大、脉冲时间尽量短。
  另外提高反应器管壁的光洁度也是提高物料反应器流速的有效手段。大庆高压装置最初的光洁度为0.8,经过几次改进后在反应器一段,达到了0.4。在榆林公司的项目中,我们的技术要求就是0.1,能够有效的提高物料的流速。
  5.热水流量、温度的稳定控制
  反应器内聚合反应所产生的热量被反应器夹套内的热水换热走。热水经过反应器换热前后温差也是重要参数,温差低说明通过反应器夹套的热水流量过大、温度低,可造成反应器内物料降温过快,降低了物料流动性形成滞留;温差大说明通过反应器夹套的热水流量过低、温度过高,会使热量来不及带走。一般换热前后温差控制在10-12℃之间。
  热水返回热水罐进行闪蒸副产蒸汽,因为当压力控制不稳定时,可能导致热水水温的变化,进而影响撤热,所以热水罐的压力也要保持关注。
  6.防止操作中出现滞流
  由于工艺设计上不可避免的出现局部系统被隔离的情况,因此在这种情况下,绝对禁止对该系统进行加热。针对反应器预热器的加热操作,当停车以后,一定要停止对预热器的加热。计划停车,还应该关闭加热器的手阀。聚合主操在开车期间要严密监视预热器的各点温度,避免因为蒸汽泄漏对该段反应器进行升温,当反应器引入乙烯后,因为温度失控发生分解反应。
  五、发生超温超压的处理
  因为分解反应发生的原因很多,装置在运行中发生分解反应是时有发生的。当发生超温分解时,操作人员应该迅速采取措施进行相应处理。在榆林公司的项目中,我们设计了自动降温控制程序,反应器温度超过315℃时,对应的过氧化物泵冲程自动降低10%,反应器温度超过320℃时,对应的过氧化物泵冲程再降低10%,超过330℃时停止过氧化物泵。
  当装置发生分解反应以后,重新开车前,必须对反应器进行彻底的置换,通过打开反应器放空阀重复放空,将分解的残余产物带走。重新开车过程中,如果某一反应区温峰的过氧化物注入量超出正常操作的范围很多,必须立即停止过氧化物注入,整个系统放空重新进行置换。
  六、结论
  1.高压聚乙烯装置的工艺特点决定了发生分解反应是不可避免的。
  2.装置运行中存在的局部高温、反应器撤热不好,系统中存在杂质,反应器中气体的流速达不到设计最小要求,均可导致反应分解概率增加。
  3.通过对引发剂注入的合理调整,避免反应器超压,减少系统中杂质含量、保证反应器内气体最小流速,防止反应器滞流现象等措施,能有效减少分解反应的发生。
  4.发生分解反应,正确进行隔离、降压、紧急放空、吹扫和置换处理,减少分解对系统的污染。
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