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(dòng)化儀表有限公司，天津 300384）

上世紀(jì)70 年代，我國(guó)自行開(kāi)發(fā)了擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的間歇式液相本體法聚丙烯生產(chǎn)工藝技術(shù)。由于其具有投資少、運(yùn)轉(zhuǎn)成本低、經(jīng)濟(jì)效益高、產(chǎn)品靈活等特點(diǎn)，這項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)得到迅速發(fā)展。近十幾年來(lái)，在投入產(chǎn)出比優(yōu)勢(shì)明顯的驅(qū)動(dòng)下，這項(xiàng)技術(shù)不僅在國(guó)內(nèi)得到推廣，而且已經(jīng)在多個(gè)國(guó)家得到應(yīng)用[1]。

經(jīng)過(guò)技術(shù)人員幾十年不斷地研究與努力，伴隨著催化劑和生產(chǎn)自動(dòng)化水平的進(jìn)步，聚丙烯產(chǎn)品的品質(zhì)、產(chǎn)量及轉(zhuǎn)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(chǎn)能的不斷擴(kuò)大，并考慮到間歇式本體法操作的特殊性，各種并行設(shè)備同時(shí)運(yùn)行引發(fā)了操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度高、操作不規(guī)范等情況，從而給安全生產(chǎn)帶來(lái)巨大的安全隱患。尤其是閃蒸操作的噴料與置換過(guò)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(chǎn)品包裝時(shí)可燃?xì)獠怀瑯?biāo)。在這種生產(chǎn)訴求下，提高閃蒸過(guò)程自動(dòng)化控制水平、穩(wěn)定優(yōu)化操作、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、降低能耗物耗、保障安全生產(chǎn)已經(jīng)成了間歇式本體法聚丙烯行業(yè)的主要研究課題之一。

1 閃蒸過(guò)程工作原理

間歇式液相本體法聚丙烯生產(chǎn)的閃蒸過(guò)程分為噴料閃蒸過(guò)程和可燃?xì)庵脫Q過(guò)程2 個(gè)部分。

1.1 噴料閃蒸過(guò)程

噴料閃蒸過(guò)程實(shí)質(zhì)上是作為聚合反應(yīng)生成物的聚丙烯粉料從高壓側(cè)聚合釜向低壓側(cè)閃蒸釜的泄壓輸送過(guò)程。因?yàn)榫酆戏磻?yīng)結(jié)束之后，在聚合釜內(nèi)仍會(huì)存在部分液相丙烯和大量的氣相丙烯，所以在噴料過(guò)程中會(huì)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(nèi)的聚丙烯粉料全部輸送到閃蒸釜之后，再進(jìn)行下一階段的可燃?xì)庵脫Q過(guò)程[2]。

噴料過(guò)程存在以下幾個(gè)需要考慮的問(wèn)題：①閃蒸釜超壓影響安全生產(chǎn)；②丙烯氣內(nèi)氮?dú)夂扛咴斐杀p失；③回收丙烯中聚丙烯粉料夾帶過(guò)多影響布袋過(guò)濾器和換熱器的使用效果和丙烯泵的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 可燃?xì)庵脫Q過(guò)程

噴料過(guò)程完成之后，閃蒸釜內(nèi)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(nèi)部的丙烯分子。因?yàn)楸怏w的爆炸極限是2%～11%，所以在置換過(guò)程中，必須把閃蒸釜內(nèi)的總可燃?xì)夂靠刂圃?%以下。針對(duì)2 種形態(tài)的丙烯，在生產(chǎn)過(guò)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?dú)庀♂尩姆椒ㄟM(jìn)行多次充氮?dú)?、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。可以使用式（1）計(jì)算操作的次數(shù)（為了安全余量，置換結(jié)束的濃度值取1%）：

式中：N 為置換次數(shù)；Int 為取整計(jì)算；P1為抽真空過(guò)程的結(jié)束壓力（MPa）；P2為充氮?dú)膺^(guò)程的結(jié)束壓力（MPa）；log 為對(duì)數(shù)計(jì)算。

（2）吸附在聚丙烯粉料顆粒內(nèi)的丙烯，需要利用氮?dú)夥肿颖缺┓肿优c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(guò)程與時(shí)間相關(guān)，而時(shí)間又與聚丙烯粉料的溫度、閃蒸釜壓力和閃蒸釜內(nèi)的氮?dú)夂肯嚓P(guān)。上述關(guān)系用式（2）表示：

式中：t 為靜止置換時(shí)間（min）；f（）為函數(shù)計(jì)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(nèi)氮?dú)鉂舛龋?）；K 為粉料內(nèi)丙烯揮發(fā)速率（%）。

2 噴料過(guò)程自動(dòng)控制

噴料過(guò)程的自動(dòng)控制需要實(shí)現(xiàn)下文所述的目的。

2.1 規(guī)范操作

由于閃蒸噴料需要進(jìn)行快速的、重復(fù)性的操作，所以采用人工操作時(shí)很難達(dá)到規(guī)范性操作的要求，例如粉塵沉降時(shí)間、閃蒸釜壓力的預(yù)判等。如果不能實(shí)現(xiàn)規(guī)范性操作，就會(huì)造成各種物耗能耗的增加。

2.2 采用真空噴料控制技術(shù)，降低丙烯氣體中的氮?dú)夂?/h3>

在噴料之前，閃蒸釜內(nèi)是純氮?dú)猸h(huán)境。如果直接噴料的話，第一次回收的丙烯氣體中就會(huì)含有大量的氮?dú)?，在后系統(tǒng)中處理這部分氮?dú)鈺r(shí)會(huì)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(shù)，就可以在噴料前先進(jìn)行抽真空操作，降低噴料前閃蒸釜內(nèi)的氮?dú)饨^對(duì)量，從而達(dá)到降低丙烯消耗的目的[3]。

2.3 增加保護(hù)措施，使生產(chǎn)裝置更加安全

（1）時(shí)間預(yù)判控制：由于噴料時(shí)閃蒸釜壓力上升太快，若閥門動(dòng)作出現(xiàn)延遲現(xiàn)象，非常容易引起超壓的問(wèn)題。鑒于此，會(huì)根據(jù)閥門的動(dòng)作時(shí)間和壓力上升趨勢(shì)，采用計(jì)時(shí)預(yù)判的方法，在壓力未達(dá)到設(shè)定值之前就進(jìn)行關(guān)閉閥門的控制，保證閃蒸釜的安全生產(chǎn)。預(yù)判時(shí)間用式（3）表示：

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

（2）二級(jí)超壓保護(hù)控制：在閃蒸釜超壓的情況下，可以打開(kāi)回收閥門進(jìn)行緊急泄壓控制。在實(shí)際生產(chǎn)工況中，當(dāng)出現(xiàn)因人為因素手動(dòng)關(guān)閉了回收閥時(shí)，即便閃蒸釜壓力超過(guò)了一級(jí)保護(hù)壓力設(shè)定值（較低值），也不會(huì)觸發(fā)泄壓操作。但在實(shí)現(xiàn)了二級(jí)超壓保護(hù)控制后，當(dāng)壓力超過(guò)二級(jí)保護(hù)壓力設(shè)定值（較高值）時(shí)，系統(tǒng)會(huì)強(qiáng)制（不受操作人員的手動(dòng)限制）打開(kāi)回收閥進(jìn)行泄壓，從而保護(hù)閃蒸釜的安全生產(chǎn)。

（3）兩個(gè)自控閥門聯(lián)合控制：在高壓側(cè)聚合釜與低壓側(cè)閃蒸釜之間采用2 個(gè)自控閥門共同保護(hù)閃蒸釜的安全。正常情況下，上閥門進(jìn)行安全保護(hù)、下閥門進(jìn)行噴料操作。當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，如關(guān)閉下閥門之后閃蒸釜壓力繼續(xù)升高，這時(shí)系統(tǒng)會(huì)在打開(kāi)回收閥泄壓的同時(shí)，自動(dòng)關(guān)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(xù)升高，進(jìn)而保障閃蒸釜的安全。

3 置換過(guò)程自動(dòng)控制

（1）根據(jù)上述可燃?xì)庵脫Q原理，參考生產(chǎn)裝置的設(shè)備工況及氮?dú)鈦?lái)源等因素，合理設(shè)置式（1）和式（2）中的參數(shù)。

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

（3）第一次抽真空時(shí)，閃蒸釜內(nèi)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(jìn)行壓縮液化再利用。持續(xù)抽真空，使閃蒸釜保持真空度至式（2）的時(shí)間結(jié)束，進(jìn)行充氮至式（1）中的P2壓力設(shè)定值結(jié)束。

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

（5）判斷抽真空次數(shù)是否達(dá)到式（1）計(jì)算的次數(shù)，如果不到則充氮?dú)庵潦剑?）中的P2壓力設(shè)定值結(jié)束，并繼續(xù)重復(fù)執(zhí)行“（4）”和“（5）”過(guò)程；如果已經(jīng)達(dá)到次數(shù)則充氮?dú)庵练治霾蓸訅毫υO(shè)定值結(jié)束，并結(jié)束本次置換過(guò)程。

4 置換過(guò)程智能調(diào)度

間歇式本體法聚丙烯生產(chǎn)裝置都是由多個(gè)獨(dú)立的單元式設(shè)備構(gòu)成，大多數(shù)擁有8～16 臺(tái)閃蒸釜，這些閃蒸釜都是使用共同的真空系統(tǒng)和回收系統(tǒng)。而各個(gè)閃蒸釜執(zhí)行的是相互獨(dú)立、并行的操作，它們經(jīng)常會(huì)同時(shí)使用真空系統(tǒng)，通過(guò)互聯(lián)的管道串壓。輕者會(huì)影響置換效果，延遲置換時(shí)間，增加能耗物耗；嚴(yán)重的時(shí)候會(huì)造成產(chǎn)品的可燃?xì)獬瑯?biāo)，從而帶來(lái)一定的安全隱患。

通過(guò)研究開(kāi)發(fā)，在置換過(guò)程自動(dòng)控制基礎(chǔ)上完成了一套閃蒸釜置換過(guò)程智能調(diào)度系統(tǒng)。當(dāng)有多臺(tái)閃蒸釜具備置換條件的時(shí)候，如果這些閃蒸釜同時(shí)進(jìn)行置換就會(huì)存在置換次數(shù)少的閃蒸釜因?yàn)閴毫Ω叨蛑脫Q次數(shù)多的閃蒸釜串壓的現(xiàn)象，這是需要由調(diào)度程序解決的。調(diào)度算法如下：

（1）將具備置換條件的閃蒸釜分為2 個(gè)隊(duì)列，一個(gè)是運(yùn)行隊(duì)列、另一個(gè)是等待隊(duì)列。根據(jù)真空系統(tǒng)的處理能力，一般可以同時(shí)處理2～3 臺(tái)閃蒸釜的抽真空過(guò)程，所以運(yùn)行隊(duì)列最多可以有3 臺(tái)閃蒸釜同時(shí)運(yùn)行。超過(guò)3 臺(tái)的閃蒸釜，進(jìn)入等待隊(duì)列。運(yùn)行隊(duì)列如表1 所示，等待隊(duì)列如表2 所示。

表1 運(yùn)行隊(duì)列Tab.1 Running queue

表2 等待隊(duì)列Tab.2 Waiting queue

（2）在運(yùn)行隊(duì)列中的閃蒸釜，按照以下規(guī)則運(yùn)行：①置換次數(shù)少的閃蒸釜先啟動(dòng)抽真空；②置換次數(shù)相同的閃蒸釜任意時(shí)間均可啟動(dòng)抽真空；③置換次數(shù)多的閃蒸釜與次數(shù)少的閃蒸釜之間壓差足夠大的時(shí)候啟動(dòng)抽真空。

（3）新增閃蒸釜進(jìn)入隊(duì)列：①當(dāng)運(yùn)行隊(duì)列的閃蒸釜數(shù)量小于3 時(shí)，新閃蒸釜排在運(yùn)行隊(duì)列的隊(duì)尾；②當(dāng)運(yùn)行隊(duì)列的閃蒸釜數(shù)量達(dá)到3 時(shí)，新閃蒸釜排在等待隊(duì)列的隊(duì)尾。

（4）運(yùn)行隊(duì)列中的閃蒸釜結(jié)束置換之后，把等待隊(duì)列隊(duì)首的閃蒸釜移到運(yùn)行隊(duì)列的隊(duì)尾。

（5）加急處理：如果某個(gè)閃蒸釜需要立即進(jìn)行置換，可選擇優(yōu)先處理，直接進(jìn)入運(yùn)行隊(duì)列的隊(duì)首，隊(duì)尾的閃蒸釜自動(dòng)排到等待隊(duì)列的隊(duì)首。

5 結(jié)語(yǔ)

間歇式本體法聚丙烯閃蒸過(guò)程智能調(diào)度控制技術(shù)具有明顯的創(chuàng)新性、針對(duì)性和實(shí)用性，解決了現(xiàn)有工藝操作存在的一系列問(wèn)題。新技術(shù)實(shí)施后，氮?dú)庀挠扇斯げ僮鲿r(shí)的50 Nm3/tPP 降到25 Nm3/tPP；工人勞動(dòng)強(qiáng)度大幅度降低，由原來(lái)每釜手動(dòng)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(xiàn)象，而且提高了一次置換過(guò)程的可燃?xì)夂细衤省＿@項(xiàng)技術(shù)有助于提高聚丙烯生產(chǎn)工藝的全過(guò)程自動(dòng)化控制水平，不過(guò)它只是實(shí)現(xiàn)了初步的智能化操作，還需要加快向?qū)＜铱刂葡到y(tǒng)方向轉(zhuǎn)化。