浅析HYPOL聚丙烯工艺液相釜液位控制及其影响

马树山

摘要：HYPOL工艺液相釜液位是生产控制中极为重要的参数，需控制在一定范围内，不能过高也不能过低，过低会造成釜内浆液浓度高，影响液相釜出料，容易堵塞浆液管线，而液位过高会造成上部气相空间减小，对细粉的分离效果减弱，从而增加细粉夹带，缩短换热器使用周期。实际生产中液相釜的实际液位受诸多因素影响。通过分析提出一种通过液位判断浆液浓度的方法，实际操作中浆液浓度对搅拌电流影响较大。

关键词：液相釜；差压式液位计；失真；浆液密度；搅拌电流

扬子石化1PP装置采用日本三井油化公司（MPC）在20世纪80年代初期开发出的Hypol工艺，Hypol工艺采用第三代（第二阶段）高效、高立体定向 HY-HS-Ⅱ催化剂（TK-Ⅱ催化剂），是一种多级聚合工艺。它把本体法丙烯聚合工艺的优点同气相法聚合工艺的优点融为一体，是一种不脱灰、不脱无规物能生产多种牌号聚丙烯产品的组合式工艺技术[1]。装置主要由两条生产线组成，每条线生产能力10万吨/年，能生产均聚物、嵌段共聚物和无规共聚物等29种牌号，年操作时间8000小时。

装置采用四釜串联的工艺，其中前两个反应器为全混流的液相反应器，后两个反应器为气相流化床反应器。液相反应器液位与聚合反应的停留时间有关，因此其液位需严格控制在工艺指标内。

1液位测量原理

装置每个液相釜均有两个液位测点，分别为底部测点（L2211）和中部测点（L2210），液位测量采用双法兰差压式液位计，为避免聚丙烯细粉堵塞取压管，液位测点的正负压侧的引压管线中有液相的冲洗丙烯。

一般来说，压差ΔP与液位H存在对应着良好的线性关系，即：

ΔP=ρgH          （1）

这是不考虑迁移的情况，但是在实际的使用中，处于对设备安装位置和便于维护等方面考虑，测量仪表不一定都能与取压点在同一个水平面上，此时差压和液位的对应关系就发生了变化，需要进行零点迁移[2]。

本装置液相釜液位计压差变送器的安装高度低于正压侧取压，会产生一定的“负迁移”。液位计测量原理图如图1所示。

图1 液相釜液位测量原理

其中：

H：釜内实际液位；Δh：正压侧取压点高度差；

h1：负压侧高度；h2：变送器距底部高度；

ρ：釜内浆液密度；ρ0：冲洗丙烯密度；

ΔP1：底部测点对应压差；ΔP2：中部测点对应压差；

对于底部测点（L2211），根据静压力公式，变送器正压侧与负压侧压差为：

ΔP1=(P+ρgH+ρ0gh2) -(P+ρ0gh1) =ρgH-ρ0g(h1-h2)（2）

对于中部测点（L2210），变送器正压侧与负压侧压差为：

ΔP2= [P+ρg(H-Δh )+ρ0g(h2+Δh)]-(P+ρ0gh1) =ρg(H-Δh)-ρ0g(h1-Δh-h2) （3）

其中：-ρ0g(h1-h2)、-ρ0g(h1-Δh-h2)为“负迁移量”，为固定值，压差ΔP1和实际液位H成线性关系。当反应釜从最低液位到最高液位时，变送器测得的压差从ΔPmin~ΔPmax变化，输出电信号从4 -20 mA。其中ΔPmin、ΔPmax为压差变送器设定的最小、最大测量范围，由仪表人员设定。所以DCS液位指示值L、压差指示ΔP存在以下关系：

或 （4）

2影响液位指示的因素

在稳定生产时浆液密度ρ和冲洗丙烯密度ρ0保持不变，压差ΔP和真实液位H存在良好线性关系，但是一旦稳定打破，ΔP和H的线性关系将会被打破，ΔP将不能反应真实液位，因此有必要弄清影响反应釜实际液位的因素。由上述讨论可知：式（2）和式（3）中变送器所测压差除了与釜内液位高度有关，还与浆液密度ρ和冲洗丙烯密度ρ0有关。

2.1浆液密度

本装置液相釜采用本体法，即聚合生成的聚丙烯溶解于丙烯中，形成浆液。浆液浓度即每升浆液中溶解的聚丙烯的质量，本装置D2201设计浆液浓度为200g/L，D2202设计浆液浓度为350g/L.正常生产阶段浆液浓度不会发生变化，如遇反应波动或大循环后投催化剂开始建立反应的阶段，釜内浆液密度ρ变大，压差ΔP变大，DCS显示液位L211(PV)短时间内会变大，L211(OP)将开大，实际液位H偏小，造成液相反应器实际液位“缩减”。

2.2冲洗丙烯密度

正常生产时浆液密度值变化水平有限，基本可认为是定值。然而原料丙烯温度受外界环境温度和丙烯换罐等因素影响较大，短时间内温度波动幅度可达20-30℃。液位计引压管中充以密度不同于浆液的新鲜丙烯，起到冲洗管线和传递压力的作用，因此在计算压差时这部分丙烯液柱产生的压力也要考虑。冲洗丙烯必须是引自界区的新鲜丙烯，不含任何细粉。

当界区丙烯低温时，冲洗丙烯密度ρ0会变大，压差ΔP变小，即DCS显示L211(PV)短时间内会变小，因反应器液位自动控制，故L211(OP)将关小，此时实际液位H偏大，当丙烯温度回升时反之。

2.3

液位计冲洗流量

F1、F2分别为液位计压力变送器正压侧和负压侧的冲洗流量。理想工况下正压侧和负压侧的冲洗流量F1、F2需保持一致，以保证液位指示反应釜内真实液位。正常生产时F1、F2一般控制在15kg/h左右。根据伯努利方程可知，如某一引压管堵塞，冲洗丙烯流量波动会造成变送器正负压侧的压力值发生变化，造成液位假指示。具体表现为：

当F1 >F2 时，液位测量值小于液位真实值；

当F1

3液相釜液位-搅拌电流-浆液浓度的关系

液位发生波动时要格外注意浆液浓度的变化情况，避免浆液过浓造成出料不畅，同时浆液浓度过高反应剧烈容易造成反应釜飞温，造成很严重的生产事故。因此液位波动时需格外注意浆液浓度的变化。

3.1液位-搅拌电流

本装置液相釜搅拌电机在釜顶，通过轴连接到下部的搅拌桨叶，且桨叶为多层结构[3]。搅拌转速为130r/min固定。图2反应了三种不同的液位高度H1、H2、H3，在液位从H1→H2变化时，当液位在H2时，上层桨叶没入浆液，搅拌阻力增加，故搅拌电流增加。而液位从H2→H3变化时，搅拌阻力并无明显增加，搅拌电流不会有明显变化。液位高度对搅拌电流的影响只限于在液位大幅升降，液面以下的搅拌桨叶数量发生变化时的情况。

（a）液位高度H1        （b）液位高度H2        （c）液位高度H3

图2几种不同的液位高度

摘取了2020年1-12月D2201、D2202搅拌电流和液位的数据得到散点图，如图3所示，由图可知在操作条件下的液位升降对搅拌电流影响不明显，二者相关性不强，也说明液位升降情况不能通过搅拌电流判断。

(a) D2201液位-搅拌电流    (b) D2202液位-搅拌电流

图3 D2201/D2202液位和搅拌电流关系散点图

3.2浆液浓度-搅拌电流

当釜内浆液浓度发生变化时，搅拌阻力发生变化，会影响搅拌电流。然而浆液浓度的大小无法通过仪表直接测得，但可以通过液位计算得到：

ΔP1-ΔP2=ρgΔh-ρ0gΔh=(ρ-ρ0)gΔh（5）

由此可知：ΔP1、ΔP2的差值只与浆液密度ρ冲洗丙烯密度ρ0有关，与釜内实际液位高度无关。由于DCS并不能直接读出变送器ΔP1、ΔP2的值，采用L2210、L2211的指示值代替。

DL(D2201)=L2211-L2210；DL(D2202)=L2221-L2220   （6）

DL(D2201)和DL(D2202)可以反应D2201和D2202的浆液浓度大小。摘取2020年1-12月D2201、D2202液位和搅拌电流的数据并绘制浆液浓度-搅拌电流的散点图。如图4所示：

(a) D2201浆液浓度-搅拌电流(b) D2202浆液浓度-搅拌电流

图4 D2201/D2202浆液浓度和搅拌电流关系散点图

由散点图可知：随着浆液浓度的增加，搅拌电流也随之增加，二者具有较强的相关性。

4结论

（1）压差式液位计指示值与釜内浆液密度、冲洗丙烯密度、仪表量程的给定有关，日常生产时需注意外界条件变化对液位指示的影响。避免液位失真导致实际液位过高或过低。

（2）液位计的校正通常是在开车时一次性完成的，后续难免会出现液位计“漂移”，因此仪表需经常对差压变送器进行校正，避免液位失真，对中控调整产生干扰。

（3）液相釜搅拌桨叶为多层桨叶结构，搅拌电流一般只在液位大幅升降的情况下才会发生变化。浆液浓度对搅拌电流影响较为明显。

参考文献

[1] 中国石油化工集团公司职工技能鉴定指导中心. 聚丙烯装置操作工[M]. 中国石化出版社, 2006.

[2] 丁健. 聚丙烯浆液浓度的测定及其影响因素的探讨[J]. 合成树脂及塑料, 2000, 17(001):32-34.

[3] 宋尧本. 浅析聚丙烯液相聚合釜的搅拌电流[J]. 扬子石油化工, 1990(3):6.