间歇式本体法聚丙烯闪蒸过程智能调度控制技术

张世超，刘 群

（1.中海石油中捷石化有限公司，沧州 061100；2.天津市集散自动化仪表有限公司，天津 300384）

上世纪70 年代，我国自行开发了拥有自主知识产权的间歇式液相本体法聚丙烯生产工艺技术。由于其具有投资少、运转成本低、经济效益高、产品灵活等特点，这项技术在国内得到迅速发展。近十几年来，在投入产出比优势明显的驱动下，这项技术不仅在国内得到推广，而且已经在多个国家得到应用[1]。

经过技术人员几十年不断地研究与努力，伴随着催化剂和生产自动化水平的进步，聚丙烯产品的品质、产量及转化率都有了大幅度的提高，各种消耗大幅度下降。然而随着装置产能的不断扩大，并考虑到间歇式本体法操作的特殊性，各种并行设备同时运行引发了操作人员劳动强度高、操作不规范等情况，从而给安全生产带来巨大的安全隐患。尤其是闪蒸操作的喷料与置换过程，其前序需要保证从高压容器向低压容器安全地输送物料，后序需要保证产品包装时可燃气不超标。在这种生产诉求下，提高闪蒸过程自动化控制水平、稳定优化操作、降低工人劳动强度、降低能耗物耗、保障安全生产已经成了间歇式本体法聚丙烯行业的主要研究课题之一。

1 闪蒸过程工作原理

间歇式液相本体法聚丙烯生产的闪蒸过程分为喷料闪蒸过程和可燃气置换过程2 个部分。

1.1 喷料闪蒸过程

喷料闪蒸过程实质上是作为聚合反应生成物的聚丙烯粉料从高压侧聚合釜向低压侧闪蒸釜的泄压输送过程。因为聚合反应结束之后，在聚合釜内仍会存在部分液相丙烯和大量的气相丙烯，所以在喷料过程中会迅速把聚丙烯粉料中包含的液相丙烯汽化，并与气相丙烯（含少量丙烷气体）一起回收再利用。把聚合釜内的聚丙烯粉料全部输送到闪蒸釜之后，再进行下一阶段的可燃气置换过程[2]。

喷料过程存在以下几个需要考虑的问题：①闪蒸釜超压影响安全生产；②丙烯气内氮气含量高造成丙烯损失；③回收丙烯中聚丙烯粉料夹带过多影响布袋过滤器和换热器的使用效果和丙烯泵的长周期稳定运行。

1.2 可燃气置换过程

喷料过程完成之后，闪蒸釜内存在2 种形式的丙烯，一种是漂浮在闪蒸釜空间里的丙烯气体，另一种是吸附在聚丙烯颗粒内部的丙烯分子。因为丙烯气体的爆炸极限是2%～11%，所以在置换过程中，必须把闪蒸釜内的总可燃气含量控制在2%以下。针对2 种形态的丙烯，在生产过程中需要采取2 种方式置换处理。

（1）气体形式的丙烯采用氮气稀释的方法进行多次充氮气、抽真空处理，使这部分丙烯的浓度逐次降低，直至低于爆炸极限。可以使用式（1）计算操作的次数（为了安全余量，置换结束的浓度值取1%）：

式中：N 为置换次数；Int 为取整计算；P1为抽真空过程的结束压力（MPa）；P2为充氮气过程的结束压力（MPa）；log 为对数计算。

（2）吸附在聚丙烯粉料颗粒内的丙烯，需要利用氮气分子比丙烯分子与聚丙烯分子更有亲合力的原理使吸附的丙烯分子与聚丙烯分子分离。降低这部分丙烯浓度的过程与时间相关，而时间又与聚丙烯粉料的温度、闪蒸釜压力和闪蒸釜内的氮气含量相关。上述关系用式（2）表示：

式中：t 为静止置换时间（min）；f（）为函数计算；P为闪蒸釜压力（MPa）；T 为聚丙烯粉料温度（K）；C 为闪蒸釜内氮气浓度（%）；K 为粉料内丙烯挥发速率（%）。

2 喷料过程自动控制

喷料过程的自动控制需要实现下文所述的目的。

2.1 规范操作

由于闪蒸喷料需要进行快速的、重复性的操作，所以采用人工操作时很难达到规范性操作的要求，例如粉尘沉降时间、闪蒸釜压力的预判等。如果不能实现规范性操作，就会造成各种物耗能耗的增加。

2.2 采用真空喷料控制技术，降低丙烯气体中的氮气含量

在喷料之前，闪蒸釜内是纯氮气环境。如果直接喷料的话，第一次回收的丙烯气体中就会含有大量的氮气，在后系统中处理这部分氮气时会带走部分丙烯气，造成丙烯损失。如果采用真空喷料控制技术，就可以在喷料前先进行抽真空操作，降低喷料前闪蒸釜内的氮气绝对量，从而达到降低丙烯消耗的目的[3]。

2.3 增加保护措施，使生产装置更加安全

（1）时间预判控制：由于喷料时闪蒸釜压力上升太快，若阀门动作出现延迟现象，非常容易引起超压的问题。鉴于此，会根据阀门的动作时间和压力上升趋势，采用计时预判的方法，在压力未达到设定值之前就进行关闭阀门的控制，保证闪蒸釜的安全生产。预判时间用式（3）表示：

式中：t 为预判时间（min）；T 为安全时间（min）；P为聚合釜压力（MPa）；Ps为闪蒸釜压力上限设定值（MPa）。

（2）二级超压保护控制：在闪蒸釜超压的情况下，可以打开回收阀门进行紧急泄压控制。在实际生产工况中，当出现因人为因素手动关闭了回收阀时，即便闪蒸釜压力超过了一级保护压力设定值（较低值），也不会触发泄压操作。但在实现了二级超压保护控制后，当压力超过二级保护压力设定值（较高值）时，系统会强制（不受操作人员的手动限制）打开回收阀进行泄压，从而保护闪蒸釜的安全生产。

（3）两个自控阀门联合控制：在高压侧聚合釜与低压侧闪蒸釜之间采用2 个自控阀门共同保护闪蒸釜的安全。正常情况下，上阀门进行安全保护、下阀门进行喷料操作。当出现异常情况时，如关闭下阀门之后闪蒸釜压力继续升高，这时系统会在打开回收阀泄压的同时，自动关闭上阀门，切断聚合釜与闪蒸釜的连通，防止闪蒸釜的压力继续升高，进而保障闪蒸釜的安全。

3 置换过程自动控制

（1）根据上述可燃气置换原理，参考生产装置的设备工况及氮气来源等因素，合理设置式（1）和式（2）中的参数。

（2）启动置换控制程序之后，首先检查闪蒸釜的所有阀门是否关闭到位，防止开始置换后与其他系统串压，互相影响。

（3）第一次抽真空时，闪蒸釜内气体中的丙烯气占95%以上。所以为了降低丙烯消耗，这部分气体可在回收到气柜后进行压缩液化再利用。持续抽真空，使闪蒸釜保持真空度至式（2）的时间结束，进行充氮至式（1）中的P2压力设定值结束。

（4）判断闪蒸釜压力是否高于真空系统入口上限，如果高则先泄压；如果低则开始抽真空，并把混合气体排放至火炬系统或者锅炉焚烧装置。持续抽真空，使闪蒸釜保持真空度直至式（2）的时间结束。

（5）判断抽真空次数是否达到式（1）计算的次数，如果不到则充氮气至式（1）中的P2压力设定值结束，并继续重复执行“（4）”和“（5）”过程；如果已经达到次数则充氮气至分析采样压力设定值结束，并结束本次置换过程。

4 置换过程智能调度

间歇式本体法聚丙烯生产装置都是由多个独立的单元式设备构成，大多数拥有8～16 台闪蒸釜，这些闪蒸釜都是使用共同的真空系统和回收系统。而各个闪蒸釜执行的是相互独立、并行的操作，它们经常会同时使用真空系统，通过互联的管道串压。轻者会影响置换效果，延迟置换时间，增加能耗物耗；严重的时候会造成产品的可燃气超标，从而带来一定的安全隐患。

通过研究开发，在置换过程自动控制基础上完成了一套闪蒸釜置换过程智能调度系统。当有多台闪蒸釜具备置换条件的时候，如果这些闪蒸釜同时进行置换就会存在置换次数少的闪蒸釜因为压力高而向置换次数多的闪蒸釜串压的现象，这是需要由调度程序解决的。调度算法如下：

（1）将具备置换条件的闪蒸釜分为2 个队列，一个是运行队列、另一个是等待队列。根据真空系统的处理能力，一般可以同时处理2～3 台闪蒸釜的抽真空过程，所以运行队列最多可以有3 台闪蒸釜同时运行。超过3 台的闪蒸釜，进入等待队列。运行队列如表1 所示，等待队列如表2 所示。

表1 运行队列Tab.1 Running queue

表2 等待队列Tab.2 Waiting queue

（2）在运行队列中的闪蒸釜，按照以下规则运行：①置换次数少的闪蒸釜先启动抽真空；②置换次数相同的闪蒸釜任意时间均可启动抽真空；③置换次数多的闪蒸釜与次数少的闪蒸釜之间压差足够大的时候启动抽真空。

（3）新增闪蒸釜进入队列：①当运行队列的闪蒸釜数量小于3 时，新闪蒸釜排在运行队列的队尾；②当运行队列的闪蒸釜数量达到3 时，新闪蒸釜排在等待队列的队尾。

（4）运行队列中的闪蒸釜结束置换之后，把等待队列队首的闪蒸釜移到运行队列的队尾。

（5）加急处理：如果某个闪蒸釜需要立即进行置换，可选择优先处理，直接进入运行队列的队首，队尾的闪蒸釜自动排到等待队列的队首。

5 结语

间歇式本体法聚丙烯闪蒸过程智能调度控制技术具有明显的创新性、针对性和实用性，解决了现有工艺操作存在的一系列问题。新技术实施后，氮气消耗由人工操作时的50 Nm3/tPP 降到25 Nm3/tPP；工人劳动强度大幅度降低，由原来每釜手动操作40 min 减少到1 min；装置的安全性大为改善，避免了闪蒸釜的超压现象，而且提高了一次置换过程的可燃气合格率。这项技术有助于提高聚丙烯生产工艺的全过程自动化控制水平，不过它只是实现了初步的智能化操作，还需要加快向专家控制系统方向转化。