14.Секция 212/222 – полимеризация

ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Общее представление

Реактор представляет собой горизонтальную емкость, снабженную перемешивающим устройством, в которой производится непрерывная газофазная полимеризация пропилена. Газообразный пропилен и компоненты катализатора вступают во взаимодействие с образованием твердых частиц порошка полипропилена (ПП), которые затем выводятся из реактора в сецию 213/223 деактивации и дегазации порошка полипропилена. Пропилен подается из сепаратора V-21201, который служит уравнительной емкостью для насосов квенча P-21201A/B и сепаратором для компрессоров рециркулирующего газа K-21201A/B. Отходящий газ из реактора направляется в секцию 218 для отделения триэтилалюминия, после чего выводится за границы установки. Отвод газов производится для удаления инертного пропана из системы.

Производство гомополимера

Реакторная система

При нормальной эксплуатации реактор примерно наполовину заполнен ПП порошком, что составляет 30-35 тонн. Мешалка реактора AG-21201 снабжена лопастями имеющими Т-образное поперечное сечение, вращается со скоростью 15 об/мин, обеспечивая равномерное перемешивание слоя порошка. Порошок ПП выводится через шаровой клапан цикличного действия, и под давлением подается в секцию 213 (деактивация и дегазация). Компоненты катализатора подаются с неприводной стороны реактора и рассеиваются мешалкой с верхней части реактора на слой порошка. Жидкий пропилен распыляется на слой порошка из верхней части реактора. Испарение пропилена обеспечивает отвод тепла реакции. Рециркуляционный газ подается в нижнюю часть реактора под слой порошка. Расход рециркуляционного газа определяется расходом жидкого пропилена в соответствии с заданным отношением пар/жидкость. В поток рециркуляционного газа добавляется водород, чтобы поддерживать заданное соотношение водород/пропилен в отходящем газе реактора, которое требуется для обеспечения требуемого значения показателя текучести расплава для порошка.

Производительность процесса полимеризации контролируется скоростью подачи катализатора; уровень порошка в реакторе контролируется выгрузкой порошка через шаровые клапаны; температура в реакторе контролируется путем регулировки расхода жидкого пропилена; давление в реакторе контролируется путем регулировки температуры тепловатой воды в контуре с теплообменником E-21206; средняя молекулярная масса полимера, определяемая по показателю текучести расплава, контролируется путем регулировки подачи водорода в рециркуляционный газ.

Охлаждающий контур реактора

Отходящий из реактора газ содержит небольшое количество (~1,0% масс. от общего количества полимерного продукта) мелкодисперсных частиц полимера. Этот материал удаляется, чтобы не допустить засорения теплообменника Е-21206. Отходящий газ выходит через два купола, что поддерживает его скорость на низком уровне для минимизации увлечения мелких частиц полимерного порошка потоком газа. Практически все (99,9%) мелкие частицы из отходящего газа реактора отделяются в циклоне CY-21202 и направляются назад в реактор через эжектор твердых частиц реактора MI-21202. Затем отходящий газ частично конденсируется в E-21206. Важно отметить, что попадание любого количества порошка в этот обменный аппарат вероятнее всего приведет к его засорению и потере теплопередачи, что, конечно, нежелательно. Чтобы минимизировать возможность засорения трубок, теплообменник имеет наклон 3º к горизонту. Это способствует течению жидкости по стенкам трубок, а также вымыванию порошка, попавшего в трубки.

Количество газа, конденсирующегося в Е-21206, варьируется для управления давлением в реакторе. Для минимизации засорения межтрубного пространства поддерживается высокая скорость охлаждающей воды при помощи насоса подачи тепловатой воды P-21203. Насос Р-21203 циркулирует с постоянной скоростью (1200 т/ч) охлаждающую воду через Е-21206, а температура воды в контуре регулируется путем подмешивания свежей охлаждающей воды. Если насос подачи прохладной воды останавливается, то автоматически открывается нормально закрытый клапан 212-XV-072, что обеспечивает циркуляцию потока охлаждающей воды в обход насоса. Это позволяет продолжать эксплуатацию реактора; при этом давление регулируется ограничением расхода охлаждающей воды через теплообменник. Хотя это может привести к (очень) низкому расходу воды, проходящей через теплообменник, тем не менее, это приемлемо до тех пор, пока не будет отремонтирован насос.

Двухфазный поток из Е-21206 самотеком поступает в сепаратор V-21201, где газообразная и жидкая фазы разделяются. Жидкий пропилен из V-21201 подается в реактор одним из двух насосов P-21201 A/B через 16 распылительных форсунок, расположенных в верхней части реактора. Регулируя расход жидкого пропилена, можно управлять температурой слоя порошка за счет отвода тепла реакции полимеризации посредством испарения.

Газ из V-21201 поступает на всас одного из двух компрессоров K-21201 A/B и подается в реактор через форсунки, расположенные в нижней части реактора под слоем порошка. Расход рециркуляционного газа при подаче в реактор определяется по его отношению с расходом жидкого пропилена; типичным значением данного отношения является 0,12 (по массе). Следует обратить внимание, что часть потока газа рециркуляции используется как газ-движитель в эжекторе твердых частиц, а другая часть потока используется для продувки КИПиА и уплотнений мешалки реактора. На выходе из компрессоров в газ рециркуляции добавляется свежий водород, чтобы поддерживать необходимое соотношение водород/пропилен в отходящем газе реактора. Пусковой подогреватель реактора E-21203 используется для дополнительного нагрева газа в процессе пуска, так как рециркуляционный газ используется для прогрева системы.

По мере вступления пропилена в реакцию в реакторной системе накапливается пропан. На линии нагнетания компрессоров K-21201 A/B производится отвод газов в сецию отделения ТЭА для удаления пропана из системы и его утилизации за пределами установки. Расход этого потока контролируется, чтобы ограничить концентрацию пропана в отходящем газе из реактора. Если этот расход снижается, то концентрация пропана увеличивается, а активность катализатора снижается и наоборот. Также эта система используется при марочных переходах для удаления водорода из реактора, чтобы минимизировать производство некондиционной продукции.

ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА

СРЕДСТВА УПРАВЛЕНИЯ РЕАКТОРОМ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ

Общие сведения

С участками 212/222 связано несколько систем управления. В данных разделах содержатся описания следующих основных схем управления:

- Управление температурой реактора

- Управление отношением пар/жидкость в реакторе

- Управление уровнем в реакторе

- Управление производительностью реактора

- Управление давлением в реакторе

- Управление отношением водород/ пропилен

- Управление уровнем в сепараторе

- Отвод газа

- Система гашения реакции

- Управление активностью

- Отсечение реактора

- Сброс реактора

- Автоматическое отключение охлаждения

- Автоматическое отключение подачи алкила и модификатора

- Показатель текучести расплава

Управление температурой реактора

Испарение жидкого пропилена обеспечивает охлаждение, необходимое для управления температурой реактора. Температура реакции, соответствующая точке кипения охлаждающей жидкости, показывает, что она присутствует в реакторе как свободная жидкость. Избыток жидкости «смачивает» слой порошка, препятствует перемешиванию и ухудшает сыпучесть порошка. С другой стороны, чрезмерно высокие температуры реакции приводят к образованию комков расплавленного полимера. Эти комки могут забить выходные линии реактора, в результате чего возникнет необходимость остановки реактора.

Жидкость распыляется на слой порошка через 16 (шестнадцать) форсунок и обеспечивает охлаждение, а также подачу свежего пропилена в реактор. Благодаря работе мешалки поверхность слоя порошка не является горизонтальной, а вращается под углом к горизонтали. Распылительные форсунки жидкости и рециркуляционного газа расположены так, чтобы осуществлять подачу перпендикулярно к поверхности слоя порошка.

Когда жидкий пропилен поступает в реактор, он испаряется и охлаждает слой порошка, поглощая основную часть тепла, выделившегося в ходе реакции полимеризации. С целью контроля температуры реактор условно разделен на пять зон. В каждой зоне имеются три термопары (в последней зоне – четыре). Каждая термопара является главной обратной связью с отдельным термореле, которое управляет одним регулятором расхода жидкости. Ниже указаны зоны реактора и соответствующие термореле.

Зона 1	Зона 2	Зона 3	Зона 4	Зона 5
TIC-001	TIC-004	TIC-007	TIC-010	TIC-013
TIC-002	TIC-005	TIC-008	TIC-011	TIC-014
TIC-003	TIC-006	TIC-009	TIC-012	TIC-015
--	--	--	--	TIC-016

Типичным заданным значением для всех термореле в каждой зоне является 66°C.

Рис. 6.1 Упрощенные схемы управления температурой реактора и отношением пар/жидкость

Управление отношением пар/жидкость в реакторе

На рис. 6.1. приведен также упрощенный чертеж схемы управления отношением пар/жидкость в реакторе для зоны 2, которая является типичной для всех пяти зон. Отношение пар/жидкость определяет количество газа рециркуляции, поступающего в каждую зону реактора с компрессора рециркуляционного газа K-21201 A/B. Общее соотношение пар/жидкость определяется как общая масса рециркуляционного газа, поступающего в реактор, поделенная на общую массу жидкости, поступающей в реактор. Заданное значение отношения пар/жидкость FF-029 вводится оператором; типичным значением отношения для данного типа реактора является 0,12.

Оператор также может задействовать «смещение» для каждой зоны, чтобы увеличить или уменьшить поток газа через конкретную зону (например, изменить отношение пар/жидкость для конкретной зоны, оставив общее отношение пар/жидкость реактора неизменным). Отношение пар/жидкость зоны определяется как общая масса рециркуляционного газа, поступающего в зону, деленная на общую массу жидкого пропилена, поступающего в ту же зону. При нормальной эксплуатации для каждой из пяти зон вводится смещение 1,0, т.е. отношение пар/жидкость для каждой отдельной зоны равно общему отношению пар/жидкость для всего реактора. Если смещение для одной из зон увеличивается или уменьшается, компьютер соответствующим образом изменяет поток газа в эту зону и одновременно уменьшает или увеличивает поток газа в другие четыре зоны, чтобы оставить неизменным отношение пар/жидкость всего реактора. Ниже указаны номера КИП секции 212/222 для индивидуальных отношений пар/жидкость, суммарных значений потока охлаждающей жидкости через зону и регуляторов расхода газа рециркуляции.

	Зона 1	Зона 2	Зона 3	Зона 4	Зона 5
Фактическое значение отношения пар/жидкость для зоны	FY-001	FY-009	FY-017	FY-016	FY-023
Суммарный расход жидкости для зоны	FY-002	FY-010	FY-018	FY-015	FY-024
Регулятор расхода газа рециркуляции	FIC-001A/B	FIC-009	FIC-017	FIC-016	FIC-023
Смещение отношения пар/жидкость для зоны	FF-001	FF-009	FF-017	FF-016	FF-023
Заданное значение отношения пар/жидкость для зоны	FY-001A/B	FY-009A	FY-017A	FY-016A	FY-023A

Поскольку главным предназначением рециркуляционного газа является подача водорода в реактор, его количество, поступающее в каждую зону, непосредственно влияет на свойства конечного полимерного продукта, особенно на показатель текучести расплава.

Таким образом, заданное значение отношения пар/жидкость следует поддерживать постоянным при производстве конкретной марки продукта, иначе показатель текучести расплава для этого продукта изменится. Регулировка смещения является единственным способом вносить небольшие изменения в концентрацию водорода в реакторе. Иногда она снижается в зоне подачи катализатора для ограничения начальной активности катализатора.

Управление уровнем слоя порошка в реакторе

Уровень слоя порошка играет важную роль в общем управлении работой реактора. При низком уровне снижается эффективность катализатора из-за малого времени нахождения в реакторе или возможного образования нитей и комков в результате плохого перемешивания и, как следствие, плохого распределения охладителя. При чрезмерно высоком уровне происходит избыточный перенос порошка в купол и в циклон. Устойчивый уровень слоя порошка имеет критически важное значение для обеспечения свойств продукта и для общего управления реактором. Заданное значение регулятора уровня определяется при вводе реактора в эксплуатацию; однако, уровень всегда должен быть выше вала мешалки реактора, чтобы минимизировать образование нитей и комков.

Определение уровня

На рис. 6.2 показана схема измерения уровня слоя порошка в реакторе. Устройство с источником гамма-излучения служит средством бесконтактного детектирования уровня слоя порошка. Луч от источника гамма-излучения, расположенного в верхней части реактора, направляется к детекторам, закрепленным снаружи реактора. Интенсивность излучения, поступающего на детекторы, зависит от количества порошка в реакторе (чем больше порошка, тем менее интенсивное излучение поступает на детектор).

Рис. 6.2 Детекторы уровня слоя порошка в реакторе

При повышении давления в реакторе плотность газа возрастает, и поглощение излучения усиливается. Поэтому, когда реактор находится под давлением, показания уровня могут быть выше истинных значений. Однако после ввода коррекции на повышенное давление показываемый уровень будет значительно ниже фактического, если давление будет ниже нормального эксплуатационного давления. Необходимо соблюдать осторожность, чтобы не допустить переполнения реактора при низком давлении или при отсутствии давления в реакторе.

Как видно на рис. 6.2, слой порошка не является горизонтальным. Поэтому, для описания слоя требуются два показания: уровень «высокой» стороны (LI-001C) и уровень «низкой» стороны (LI-001A + LI-001B). Хотя детекторы радиоактивного излучения и являются главным средством измерения уровня слоя порошка, в качестве альтернативы можно использовать потребление тока электродвигателем мешалки (измеряемое в амперах). Однако, недостатком этого средства является зависимость измерений от объемной плотности и сыпучести порошка, количества рециркуляционного газа. Из-за этих недостатков схема контроля потребления тока не используется для управления уровнем порошка.

Управление уровнем

Рис. 6.3 Упрощенная схема управления уровнем слоя порошка в реакторе