聚乙烯装置流化床反应器结块的原因及控制

名晓鹏

摘要：以线性低密度聚乙烯产品的生产设备为例，分析了聚乙烯装置中流化床反应器出现结块的原因，从聚合体系温度调节、催化剂分布、反应过程中发生聚合和结片的因素及判断进行了探讨。对于其控制措施进行了探讨，通过聚乙烯产品在反应器的位置和人工机械操作，以保证生产设备的平稳运行。

关键词：流化床;结块;原因

一、引言

近来，聚乙烯装置运用气相流化床技术完成了设备扩能技术改造，使设备的产能超过三十万吨每年。因为受静电、流化状况、催化剂活性的改变、管道堵塞等多种原因的共同影响，反应器都会出现了结块结片的状况。由于反应器结块结片问题会造成PDS控制系统出料问题，即出料控制系统堵塞、分布板堵塞、流化状况变坏、造粒停止等一系列问题，最后还会使整套系统的能耗物耗值上升，所以合理诊断结块结片原因和采取相应的安全措施，是确保聚乙烯装置长期安全稳定工作的关键因素。

二、结块判断

（一）反应器温度点判断

在化学反应器器壁有二十四个高温探头，部分探头测量化学反应器的体内高温，部分探头测量化学反应器器壁高温，如果有结块结片落入分布板上，最重要的高温表示为T44A、B、C、D这四种探头，这四种探头都设在化学反应器分布板上部约152mm处，依次处于化学反应器东、南、西、北的四种方位，其中T44C点设在两个排料口之间，如果有结块结片落入分布板上，在化学反应器中的粉料连续流出、热循环气连续冲刷的影响下块片在分布板上移动位置，有时候还会移到探头周围，探头显示值脱离其正常值范围，即表示有较大的块或结片停止在分布板上，引起热电偶工作温度波动。此外，当T44A、B、C、D温度波动时，相应的TDA44A、B、C、D温差同样会报警，反应器分布板压差TDA4001-36顯示异常[1]。

（二） PDS 故障

当化学反应器向产品罐中排料时，通常PC罐压力增大至与化学反应器的压力值相近，如压力显著地小于化学反应器压力，很可能会有小块或碎片堵塞在化学反应器的排放口或排放管中。同样当反应器结块会导致一些块料出至产品出料罐，一部分块料可以出至脱气仓，粉料振动筛Y-5012会排出大量块料，由于大小头的存在大一些的块料通常会卡在大小头附近，产品出料罐基本出不去粉料，对应在DCS画面上产品出料罐的压力会出现锯齿状趋势，PDS出料效率降低。

（三）反应器块料检测系统

在反应器分布板上部有RIA-4001-137A/C/D/E/F/G/H/I/J九个块料辐射检测器，通常其显示值在一个稳定的范围，当RIA-4001-137A/C/D/E/F/G/H/I/J九个点中的两个值同时超过原有值20kg每立方米，则表示反应器形成块料。

三、反应器中结块结片部位的原因分析

流化床反应器大致主要是由这样的几个部分所构成∶筒体是流化床反应器的最重要组成部分，还有扩大段和底座。流化床反应器气固相分离的基本原理，是指流化气在通过分布板、筒体等提高到扩大段后与树脂工艺粉末颗粒的碰撞气体流动速率就已开始出现降低，进而脱离纯化的目的。流化床反应器的优点之一是因为床层温度分布比较均匀，而且温度控制比较容易控制，但是也容易局部过热，因为整体温度控制分布比较平均，所以化学反应速度比较快，反应催化剂的消耗也比较小，而且方便更换。

（一）反应器器壁结片

因为聚乙烯的环氧树脂用量本身生产特性，在反应器壁上往往会形成一个环氧树脂层，而由于化学反应范围的差异，环氧树脂层的厚薄也不一样，一般在直筒段最厚，最大厚度可达1至5mm，在扩大段则略薄，一般为1至2mm，其形成因素主要是在循环系统气中形成偏流时，在循环系统气流动缓慢的侧面细粉与器壁碰撞，形成静电力的影响达到使粒子从器壁析出的拽推动力，此时，在壁上形成带有催化剂的环氧树脂细粉。但因为器壁周围流化气速太低，并没有带出聚合热，从而使得粒子迅速熔化并吸附在器壁，从而形成了薄片，而新的细粉则不断吸附在薄板上，直到尺寸逐渐长大并从器壁上的脱落物，轻则阻塞了大小头和造粒系统，重则引起分布板阻塞停车等事故[3]。

（二）催化剂分布不均匀结块

设备目前使用的大多为固体催化剂，催化的加入方法一般是间卸均匀的添加方法。但如果催化活性中心分配不平衡或催化活性中心不足，则极易在化学反应器局部区域产生热点，如果短时期内化学反应热无法退出就会产生局部小结块，甚至更大的结块。因为设备所采用的大多数催化都是自配催化剂，且成品并未均一化，所以催化剂性能不平衡且温度差异很大，容易造成化学反应的不平衡。而且如果用催化加料器强行下料，则催化量会瞬间增加，反应热也没法有效抽出，产生大量结块[4]。

（三）流化床的床高控制

流化床床层料位控制偏低通常会导致反应结块，床层料位控制适宜与否，对生产过程有直接影响。料位太高，在扩大段分离不好，聚乙烯粉末被带出，夹带量增加，易堵塞过滤网，冷却器和分布板。如果料位过低，冲刷作用丧失，易在反应器扩大段造成粉末堆积，受热后成片脱落入床层中，轻者造成流化状态不好，重者造成反应器结块，同时在固定产量下过低料位易出现热点，甚至结块。

（四）种子料的保管储存

种子料在贮藏过程中由于床层中聚乙烯粉末长期不循环或者第一次种子床接受粉料后没有启功压缩机循环降温也会发生结块现象，该种物质结块后如不及时处置，或直接投放在流化床反应堆中，最易在分布板上阻塞，最后导致床层结块。

（五）反应器温度控制

反应器温度控制过高通常会引起反应器结块，反应器温度控制不合理是流化床反应器结块存在现状的另一种主要成因，假如流化回路温度控制过高，则直接吸附在化学反应器釜壁的沉淀粉在高温状况下易结块后剥落，掉到分布板上后产生阻塞，从而产生了沟流反应现象，成为流化床反映器的床层结块。假如环境温度过低，将反应温度控制在循环系统气的露点温度±3℃范围内，在这种状况下会使得部分循环系统气冷却一下，并引起分布板堵塞，结果就会引起流化床反应器的床层结块。

（六）循环气压缩机密封油泄漏

循环气压缩器的密闭油泄露，也会造成了流体床反应器的床层结块，其成因是由于密闭的泄露造成了循环气冷却器的阻塞，进而直接影响了流化床的流化状况，进而产生了床层结块[5]。

（七）流化床气相组成控制

流化床内气相组成比也是影响反应器结团的主要原因。如丁烯-1与乙炔的比例过高，直接造成其在流化床中分布不均衡，丁烯-1与乙炔的反应也不同。在流化床中，流化床内气相组成比差异过大也会导致反应器结块结片。

（八）原料杂质

流化床反应器中材料所进行的化学反应程度受许多方面的因素影响，从原料中不可避免的会引入杂质，杂质浓度的多少也直观危害了反应器中的化学反应过程和产物的品质，杂物的带入最直观的危害就是使反应催化剂中毒，从而没有了催化活力，也能形成静电效应，从而彻底改变了流化床反应器中的流体参数的流化特征，最后引起了流化床床层的收缩甚至是膨胀，从而使化学反应中物质颗粒凝聚结块。

在聚乙烯制造过程中，带有特定粒径分布方式的树脂微粒以粉体形态，散布或漂浮在流化气中。在相同的重力下，粉体表面积要比整个固体大得多，因此，聚乙烯颗粒表面与其他物体碰撞的概率大大增加，同时，流化床内的颗粒与地面保持绝缘。这些特性提高了流化床中静电形成和积聚的可行性。在聚乙烯流化床反应器中，静电的形成大致有如下几个因素∶粒子与颗粒间、微粒与设备、微粒与流化气相互之间的相互交流、撞击、而带有原料的流化气与反应催化剂的进料、助催化剂或活性催化剂与流化气中的微量杂质化学反应产生的化学物质所产生的静电电荷，会影响聚乙烯颗粒的表面特性，从而产生高静电电荷。结块主要包括热结和冷结。当反应催化剂或含有反应催化剂的细粉附着在壁上时，发生热结合。随着这些结的形成，反应热增加了侧壁的温度，并且随着结块变得更厚并且从壁移动到分布板，侧壁的温度开始降低。以及由于器壁对聚合物颗粒的吸引而由冷板产生的热量，而没有催化或含有催化的细粉。在被吸收的粒子里，聚合过程中慢慢地不断进行所释放的热能导致粒子温度上升，当粒子逐渐升温超过熔融温度时，熔融结片就会产生。化学反应器中过量静电荷的积累与化学反应器内壁密切相关。当带电粒子在侧壁方向产生的静电力被吸收时，就产生了阻力，将粒子推向流化床中的器壁，粒子附着在反应器壁上。结块和侧壁的脱离会形成静电驱动，结块的脱离会将聚合物颗粒引入结片处形成的静电驱动，从而促进新结片的形成。

四、聚乙烯防止结片的控制

结块结片是化学气相流化床反应堆的一种困难杂症，实现全部不生成结块结片是相当艰难的，但可以通过某些办法防止结块结片的生成。

（一）控制适宜的反应温度，采取适当步骤消除反应静电

在整个聚乙烯装置生产过程中，反应温度无疑是最为重要的参数，流化床反应温度的调控是很关键的，因为如果工作温度超高，就可以导致反应催化剂的失活，而如果反应温度降低催化剂的催化活性也就不是充分展示，所以，流化床反应温度的調控必须要准确。要确保反应温度正常，就需要保证调温水系统运转正常，当出现小块料时，可以适当降低反应器温度控制器TIC4001-26的设定值。同时当反应器内出现正静电时，通过RSC系统向反应器内注入适当的水，当反应器内出现负静电时，通过RSC系统向反应器内注入适当的醇。

（二）控制适宜循环气流量，降低生产负荷

当反应器内出现结块，可以通过适当提高导向叶片开度，适当提高循环气流量，减少流化床内存在的死点，同时需要定期清洗分布板，以预防分布板阻塞以致因循环气偏流而结块结片，同时在高负荷下反应器会加大结块接片风险，适当降低生产负荷。

（三）控制流化床床高和PDS出料时间

流化床床层过高和过低都不利化学反应的完成，而过高和过低都易产生的夹带量过大，最后造成分布板的堵塞，所以，一定要调节好流化床的床高。同时在反应器初始形成块料时，可以适当降低PDS出料时间，比如将B阀时间由26秒降至22秒，可以及时将反应器内初始形成的小块料抽出，避免形成大块料导致情况进一步恶化。

（四）控制好原料的杂质

化学反应器中过量静电荷的积累与化学反应器内壁及原料中杂质密切相关。当带电粒子在侧壁方向产生的静电力被吸收时，就产生了阻力，将粒子推向流化床中的壁，粒子附着在反应器壁上。结和侧壁的脱离会形成静电驱动，结的脱离会将聚合物颗粒引入结处形成的静电驱动，从而促进新结片的形成。首先可以对原料床进行监测，定期进行再生，防止原料中杂质浓度超标。同时，冷却运行后静电冲击不强，但静电结片现象依然保留;其次还可以稳定催化剂活性，如果催化剂活性均匀，无高活性点，则聚合流程将会保持稳定推进;除此之外，定时检测催化进料系统，保证催化剂质量稳定，与此同时，保持冷剂异戊烷的添加数量，以防止瞬时巨量添加冷剂，一般异戊炔的加入方法为时间性少数量加入，并依据计量出的装置异戊烷单耗，选择持续性微量的添加方法;最后，调节排料系统反吹气流速，以预防由于反吹气流速降低所出现的AA阀GG阀附近结块现象。

五、结论

综上所述，流化床反应器结块问题始终困惑着研发技术人员和运行管理人员，文章中首先介绍了流化床反应器的基础结构与特性，然后剖析了流化床反应器结块的主要成因，结尾又给出了相关对策。本文准确判定了反应器中结块结片生成的部位，以及结块结片的成因，之后适时制定有针对性的预防措施来降低反应中结块结片产生，这是具有关键意义的长期稳定运行设备和材料消耗和能源的减少，但更重要的是预防和控制结块，因为只有通过良好的预防和控制工作可以使结块的概率降低，确保设备能够长期平稳运转，减少设备能源物耗，从而降低设备污染，也才能达到清洁生产要求。流化床反应器粒度结块的成因很清楚，而改进对策又易于进行，因此只有仔细分析因素，即可有效降低流化床反应器结块。

参考文献：

[1]聚乙烯装置工艺技术规程[J]. 赵飞，于波.

[2]高性能气相聚乙烯催化剂的研究[J].范斌.中小企业管理与科技（下旬刊）. 2017（11）.

[3]中国聚乙烯市场发展前景分析[J].宋倩倩，王红秋，王春娇，慕彦君，侯雨璇，郑轶丹.  合成树脂及塑料. 2021（02）.

[4]进口聚乙烯都从哪国来[J]. 史宏星.中国石油和化工产业观察. 2020（11）.

[5]华东师范大学开发出聚乙烯中重金属检测新方法[J]. 燕丰.合成树脂及塑料. 2020（01）.