釜式法高压聚乙烯装置简介和重点部位及设备
一、装置简介
(一)装置发展及类型
高压聚乙烯是目前世界上产量最大，价格较低，用途广泛的通用塑料之一。其薄膜制品，电器绝缘材料，注塑、吹塑制品，涂层，板材，管材在工农业生产和日常生活中得到普遍应用。并且由于生产技术不断发展以及共聚产品的不断出现，使之产品性能得到进一步的改善，用途日趋广泛。
高压聚乙烯是以乙烯单体在100-300MPa(表)的高压条件下，用有机过氧化物为催化剂经聚合而制得的。因其产品密度一般为0．910-0．935(高密度聚乙烯的密度则为0．940—O．970)，故又称低密度聚乙烯。高压聚乙烯从1939年开始工业化，至今已有六十多年的历史了。高压聚乙烯在聚乙烯生产中占优先地位，近些年来大型单线生产能力20X104t／a以上的装置还在继续大规模发展，其主要原因是：
1．产品具有优良的物理机械性能、电气绝缘性、耐化学腐蚀性、耐低温性和加工性能，因而用途广泛。
2．工艺过程简单，不需采用复杂的催化剂系统，即可得到高纯度聚乙烯产品，没有催化剂和溶剂回收等过程。
3．在高压条件下操作，反应设备小，能力大，催化剂用量少，技术经济指标较好，成本较低，它是塑料中价格较低的品种之一。
高压聚乙烯生产最显著的特点就是操作压力很高，不但有30MPa以上的高压系统，而且有iOOMPa以上的超高压系统。目前世界上高压聚乙烯的生产方法很多，不下十余种，按反应器形式划分，大致可分为管式反应器和釜式反应器两大类。一般的说管式法生产的聚乙烯因反应器压力梯度大和温度分布宽、反应时间短、所得聚合物的支链少、分子量分布宽，适宜制造薄膜和共聚物；单程转化率高，但存在器内粘壁、堵塞等问题。釜式法反应压力为100—250MPa，较管式法(200—350MPa)低，单程转化率较低，反应时间长，停留时间分布大，聚乙烯的长支链分子较多，分子量分布较狭窄，富于韧性，适宜于生产注塑、挤塑成型及涂层产品，尤其是多反应釜的釜式法聚乙烯，每个反应釜都可以进行多区的反应，生产的产品具有许多优良的性能。
近年来国外发展高压聚乙烯的一个动向是生产规模日趋大型化。新建高压聚乙烯规模基本都在20X104t／a以上，尤其是管式法聚乙烯。相应的设备也不断增大，如高压釜式反应器已达到750L，管式反应器长度增至2000m以上，超高压压缩机最大压缩量已达到80t／h以上，压力为350MPa；另一个发展动向是聚合反应器的高压化，不少厂家聚合压力达300~350MPa，甚至有高达500MPa者。从乙烯高压反应的机理来看，随着反应压力的提高，反应速度加快，同时可减少长支链分子的形成，提高结晶度和密度，对增大单位生产能力及提高产品质量是有利的。
燕化公司的釜式法高压聚乙烯是由日本住友化学株式会社引进的18X104t／a釜式法低密度聚乙烯成套装置，于1976年建成。目前装置的生产能力已经超过21X104t／a。另外，燕化公司化工一厂20X104t／a生产能力的高压管式法聚乙烯装置也于2001年建成投产，利用釜式法高压聚乙烯和管式法高压聚乙烯不同的产品，生产出性能优异和较高附加值的产品，进一步优化产品结构，是目前高压装置未来发展的趋势。
(二)单元组成与工艺流程
1．装置的主要单元构成
高压聚乙烯装置的基本组成单元为：压缩单元，聚合单元，分离造粒单元，混合空送单元。各单元作用介绍如下：
(1)压缩单元
压缩部分是将3．3MPa(表)、30℃的新鲜乙烯及高、低压分离系统分离的未反应乙烯经一次压缩机(C—1)，二次压缩机(C—2)加压至反应所需的压力，即130-250MPa(表)。
(2)聚合单元
二次压缩机送出的高压乙烯气进入反应器A、B聚合成聚乙烯；反应热由中间冷却器(E—15A)和反应器的水冷夹套导出，反应温度为180-270~C，由注入引发剂的多少来控制。
(3)分离及造粒单元由反应器(R—3B)出来的乙烯、聚乙烯混合物，经减压、冷却之后进入高压分离器(V—
2)。将未反应的乙烯与聚乙烯分离，气体经分离去低聚物并冷却后，绝大部分循环使用，少量经减压、加热后返回乙烯装置进行精制。
由高压分离器底部出来的聚乙烯减压后进入低压分离器(D—10)，气体经冷却后循环反应，底部聚乙烯进热进料挤压机(X—1)，经挤出，水下切粒、脱水、干燥得聚乙烯颗粒。
(4)混合与空送单元
造粒后的聚乙烯颗粒，用空气输送到混合部分，进行计量、检验、掺混、储存，之后送往包装储运。还有一些辅助系统，如引发剂配制系统、辅助油系统等。
2．工艺流程
釜式法高压聚乙烯工艺是以乙烯车间送来的3.3MPa(表)、30℃的乙烯为原料，经一次压缩机和二次压缩机压缩到反应所需压力(130—250MPa(表))，送人反应器内，以有机过氧化物作为引发剂，在高温高压条件下进行聚合，从反应器出来的物料在高压分离器内将未反应的乙烯和聚合物作一次分离；然后在低压分离器内将未反应的乙烯和聚合物作第二次分离，聚合物经切粒后进行计量、混合，如不需均化的产品即可装袋出厂。未反应的乙烯少部分返回乙烯装置，绝大部分根据压力不同分别返回本装置相应部分循环使用。
(三)化学反应过程
高压法聚乙烯的制造是通过自由基聚合反应进行的，它的反应历程和一般的乙烯基化合物聚合反应一样，可以用下列单元反应表示。
1．链引发反应
链引发即是乙烯分子在某种活性基团的作用下，打开双键成为活性分子的过程，也就是单体转变成自由基的过程。反应引发所必需的自由基是由链引发剂(即催化剂)的遇热分解生成的。引发剂一般使用氧、有机过氧化物及偶氮化合物等。
2．链增长反应
链增长反应是由引发剂引发后的活性乙烯分子与周围的单体乙烯分子进行链锁反应而成为链状大分子的过程。
3．链终止反应
活性链状游离基并非无限地增长下去，由于自由基之间的相互作用，使链增长反应终止。
(1)偶合终止反应：两个活性增长链自由基相互化合或链合而导致链终止。
(2)歧化终止反应：两个活性增长链之间，由于氢原子的转移而产生一个饱和分子，同时生成了含有不饱和端基的另一个分子：
4。链转移反应
在聚合反应过程中，除了正常的链增长反应外，增长中聚合物的活性可以传递到另一单元或大分子中，和氢原子作用而生成新的自由基，此为链转移反应。在乙烯的自由基聚合中，发生以下链转移反应：
(3)分子间的链转移
活性增长链和其他聚合物大分子发生链转移，生成新的自由基，如果乙烯分子与这种新的活性自由基价链继续结合，便形成大分子内的长链支化。这种长链支化若让任其发展下去，便生成一种超高分子量的所谓“微观凝胶’’效应。这应力求避免。因为这种微观凝胶(鱼眼产生的原因)能使该产品的光学性能下降。
(4)分子内部的链转移
活性增长链中氢原子为同一链所夺取(即自由基在分子内部转移)，如果乙烯分子与这种活性的自由价键继续结合，就发生分子内的短链支化，这种短链支化直接影响到了高分子集结态的紧密程度，即高分子树脂产品的密度和结晶度，以及产品的分子量和分子量分布大小，因此，在工艺制造过程中，利用短链支化，来控制产品性能，已成为重要手段之一。
链转移反应是聚合物自由基自身停止增长的一种终止反应，因为自由基活性中心向其他分子转移，总的自由基个数并没有减少。所以，不影。向聚合速度，这一点与链终止反应是不同的。
(四)主要操作条件及工艺技术特点
１．主要操作条件因不同的工艺操作条件不尽相同，表5—6列出常用生产牌号的主要操作条件。
2．工艺技术特点
高压聚乙烯装置采用750L大型釜式反应器，并采用双釜串联工艺生产低密度聚乙烯。其特点如下：
(1)由于设备大型化使之实现生产系列大型化。在本装置中单系列生产能力已达到6X104t／a。使之建设费用大大降低，如用单系列6X104t／a的装置与两系列能力各为3X104t／a的装置比较，前者可节省投资25％左右。
(2)装置中聚合反应采用双釜串联，即把从第一台反应器(A)出来的未反应乙烯和聚乙烯的混合物经一中间冷却器冷却后(聚合物不用分离)直接进入第二台反应器(B)进一步反应，从而使单程转化率由单一反应器的17％提高到20％以上(最高可达24％)。由于单程转化率提高了，动力消耗及原材料消耗定额也有较大的降低，因而生产成本也降低。
(3)进行分区操作时，可得性能接近于管式法的产品。采用反应乙烯和催化剂多点进料的方式，变更各分区的反应温度，从而可得到具有分子量分布较宽的聚乙烯产品(适宜于制造薄膜)，此外由于在此工艺中不使用分区搅拌器，仍用单区搅拌器，不必更换搅拌轴和变更配管就能实现，因而提高了开工率。
(4)开车方式采用一开始就把95％以上的乙烯气体预热加入到反应器内，并且预先使反应器内的温度、压力达到开始时所需要的状态后，再加入催化剂。二次压缩机为定速运转，因而提高了操作的稳定性和安全性。
(5)成品聚乙烯熔融指数控制稳定、严格；从而降低了不合格晶率。
(6)采用了添加剂直接加料、事故停车联锁系统、高压循环气中低聚物连续分离、二次压缩机、均化挤压机的定速运转、加工包装空气输送系统时程序控制等技术，均有利于操作的稳定和安全。
(五)原料性质
原料性质列于表5-7。
二、重点部位及设备
从装置的平稳生产和安全角度进行分类：
1．重点部位
(1)压缩部分
压缩部分是将由乙烯装置来的新鲜乙烯升压至反应所需要的压力(100~250MPa)，并送人反应部分的装置。其单线核心部分由1台往复式对称平衡型六段压缩机(C-1)，1台往复式对置平衡型两段压缩机(C-2)组成。辅助部分由5套压缩机注油系统，1个高压和1个低；压受槽，3台列管式换热器，8台套管式换热器等组成。压缩机由于长期运转、设备老化、机、电、仪故障、高压及超高压备件质量问题、润滑油质量问题，会严重影响压缩机的正常运转。并且C-2出口压力在200MPal)i上，一旦出现运转问题，发生泄漏将非常危险，是装置核心部位，也是高危险部位。在日常生产中，若发生不影响压缩机运转的故障，处理得当，装置可继续运转；如涉及到压缩机运转故障，则必须单线停车检修处理，发生气体泄漏时要紧急停车处理。
(2)聚合部分
聚合部分(反应部分)是将催化剂加入由压缩部分送来的高压乙烯中，使乙烯气转化成聚乙烯的部分。其单线核心部分由2台反应器(R-3)，6台催化剂泵，2台超高压换热器组成。辅助部分由10台超高压换热器、1套紧急放空阀、2套油压系统等组成。聚合部分是高压装置反应的核心部分，其反应压力在130~200MPa以上。反应压力、温度、催化剂加入量的控制直接影响到产品的转化率和质量问题。如工艺指数给定、现场操作或机、电、仪等关键部位发生问题，将导致产品判级不合格、反应转化率下降等问题。如遇气体泄漏或温度无法控制将导致分解、爆破等重大事故，是装置的事故多发区。聚合部分的所有关键设备都在反应坝墙里面，反应坝墙是开放式的。
(3)切粒部分
切粒部分(分离造粒部分)是把由反应器送出的熔融聚乙烯和未反应的气体进行分离。未反应的气体经分离、冷却、除去低聚物后返回压缩工段再压缩，然后送回反应器的部分。其核心部分由高低压2台分离器、1台切粒机组成。辅助部分由4台换热器、6台分离器、1套油压系统、一套脱水、分离、送料系统等组成。切粒系统直接关系到高压产品质量、产量。生产中，如因操作失误、设备原因等导致切粒系统发生故障，短时间内尚可通过降负荷等手段继续生产，但这样的结果通常会影响到产品的质量。如发生大量块料、夹带等事故，则必须停车检修处理。另外，为了调整产品性能而注入的添加剂也在这部分进行，在切粒部分的分离部分中如分离器料面过高将导致夹带事故出现，也是装置的事故多发区。此部分的关键设备也是放置在坝墙以内。
高压装置重点设备机组为压缩机、反应釜、超高压换热器、催化剂泵、切粒机，此外，还有许多的特殊阀门，如控制反应压力的超高压调节阀(PCV—5)、控制反应压差的柱塞式遥控操作阀(HCV—33)，紧急放空阀(HCV—31)，这些阀门出现问题会使装置部分停工或单线装置停工，处理不当也有可能导致恶性事故发生。
2．重点设备
(1)一次压缩机(C—1)
一次压缩机为高压压缩机，是用功率为1300kW的同步无刷励磁电机驱动，系六级五缸卧式对称平衡型活塞式压缩机。一次压缩机(C—1)分为高、低压两组，低压段(1、2、3段)是把由低压受槽(D—8)来的0．03—0．04MPa的低压循环乙烯气体压缩到3．5MPa，并送人4段入口。高压段(4、5、6段)是把从高压受槽(D—7)以及前段来的约3．5MPa的乙烯气体压缩到25MPa并送人混合器(V—1)。一次压缩机(C—1)作为本装置的第一级压缩部分，其一旦因故障突然停机，后系统将无法维持正常压力而造成装置单线停车。一次压缩机的低压段相当于低压循环气的压缩机，国内其他的高压聚乙烯装置有的是作为一台独立的压缩机来工作的，称为增压机。一次压缩机设有油压联锁保护回路及温度报警等。保护回路如表5—8所示。
(2)二次压缩机(C—2)
二次压缩机为超高压压缩机，由功率为6400kW的同步无刷励磁电机驱动，排气量为38．1t／h，转速为200r／min，系两级八缸卧式对置平衡型大型压缩机。二次压缩机(C—2)作用为把由混合器(V—1)来的约22—25MPa的乙烯气压缩到反应压力，送聚合反应器(R—3)。二次压缩机作为本装置的心脏设备，若出现问题不能运转，装置只能停工。为保证压缩机安全，在二次压缩机(C—2)一段、二段出口设有油压式安全阀，安全阀所需的油压，由Z—4系统提供。动作压力设定为：一段144MPa；二段270MPa另外，设有13点保护回路(如表5—9)及温度报警，以确保在异常情况下，压缩机、电机的安全。
(3)反应釜(R—3A／B)
反应器是一直立厚壁圆筒超高压容器，为本装置的关键设备。器内有一搅拌器，筒体内上部装有搅拌电机，中部两侧装有防爆安全装置，在内压超过允许压力时，爆破板首先爆破将压力释放。筒体外壁设有夹套，通入水或蒸汽作冷却或加热用。反应釜(R—3)主要作用是将经二次压缩机(C—2)压缩的原料乙烯气，在高温高压下，一面注入催化剂，一面由搅拌器充分搅拌，以利于传热，同时防止局部过热分解反应，使乙烯连续地聚合为聚乙烯。本装置反应器为750L大型釜式反应器，采用双釜串联生产工艺。从而达到节约建设费用、提高转化率、降低能耗、物耗等目的。实际生产中，如发生搅拌电机电流过高、反应釜泄露、温度、压力失控、催化剂泵注入不良等问题时，原则上考虑以停车处理。另外，为保护搅拌器电机和搅拌的两个轴承，防止搅拌电流过高烧毁电机及出现其他事故，从安全角度考虑，操作法规定，搅拌器每运转4000—5000h，进行中修工作，更换搅拌桨及搅拌电机，保证装置的正常运转。搅拌是釜式法高压聚乙烯区别管式法高压聚乙烯最明显的标志之一，是装置的非常关键的设备，如果搅拌电流发生异常，不到搅拌更刻时间的时候也必须停车处理更换搅拌桨。
(4)高压换热器(E—15A／B)
超高压换热器是本装置的主要换热设备之一。本装置的超高压换热器均为套管式，为刚少结垢，提高传热效果，对水质要求很高，并采用超声波除垢器进行日常除垢工作。因本刻热器在超高压条件下工作，所以在材料、制造、加工、装配上要求较高而且严格。本换热器的轴端密封，按温度压力不同，采用热套式。E—15A为套管式热交换器，分为四组，可以按照必要的冷却量进行冷却。其作用为冷却从R—3A送来的乙烯气和聚乙烯的混合物，降低R—3B进料温度，以期提高转化率，减少次品的发生。但R—3A与R—3B的产率比发生变化，会影响产品质量。因此，在不影响产品质量的条件范围内，控制E—15A的出口温度尽可能的低，是保证转化率和产品质量的重要控制手段。在实际生产中，往往出现E—15A再生时间不够、管壁结垢过厚导致产品转化率下降，影响产量；或者在停车过程中，残存的聚乙烯固化堵塞换热器，导致无法正常开车等现象出现。因此设置有高压蒸汽与冷却水切换阀，遇见上述问题时，切换至高压蒸汽进行加热和吹扫工作。E—15B为套管式热交换器，分为两组。是为了防止由于R—3B出口阀PCV—5的减压，造成混合物的温度上升，使生成的聚乙烯的质量恶化而设置的冷却器。由于超高压的减压为放热反应，并且反应压力越高，温升越大。聚乙烯一达到这样的高温，很容易分解产生染色品，低聚物增多。因此，减压后必须尽快地降低温度。但是，树脂温度的变化对高、低压分离器及挤压切粒机(X—1)的操作影响很大。因此，要根据不同的熔融指数(M1)产品来进行冷却情况的更改。
(5)催化剂泵(Cat—P)
催化剂泵是将催化剂送人反应器，以引发乙烯聚合反应，为本装置重点设备之一。反应器的反应温度控制很严格，它是由单位时间内注射催化剂量来控制。催化剂量的多少直接影响到高压聚乙烯反应温度和产品的应用及质量。为了满足催化剂注射量的变化，采用油压变量泵来调节。催化剂泵的超高压产生是由大截面的低压活塞推动小截面的高压柱塞来实现的。低压气缸是双作用的，两端轮换进油推动低压活塞作往复运动，从而使高压气缸吸人催化剂和排出超高压力的催化剂。
乙烯的聚合反应是一个强烈的放热反应，催化剂泵轻微的故障会导致注入量的波动，将引起反应温度波动较大，甚至造成反应温度失控或超温联锁，导致停车。因此，在实际生产过程中催化剂泵的备用流程是一个很重要的问题。目前，高压催化剂泵备用流程为两备四流程。通过适当切换手动阀的开关和DCS中的软开关，保证备用泵能将催化剂送到所需要的任何一点。
(6)切粒机(X—1)
本装置切粒机由一台750kW的直流电机带动，转速为950—95r／min，通过速比为1／8．64的二级减速机带动，可挤压7．5-9．5t／h聚乙烯料。水中切粒装置转动部分的驱动电机功率为45kW，由滑差电机控制转速，并由皮带传动传给切刀轴，切刀转速为1300-130r／min。为保护切粒机、电机安全，切粒机自身设有13保护点联锁，一旦符合联锁条件，切粒机将自行停止。联锁动作时，控制室指示灯亮并报警，不影响其他岗位正常生产，
3．特殊阀门
(1)超高压调节阀(PCV—5)：本压力调节阀为气动费歇阀，采用气缸执行机构，设于反应器B釜下部物料的出口管线上，通过该阀将聚乙烯和来反应的乙烯物料从反应压力减压到25MPa左右，再去分离器使聚乙烯与乙烯分离。故该阀对保证物料的畅通和稳定反应器的操作起到重要的作用。同时该阀还是保证反应压力的最关键阀门，目前该阀的控制及执行机构老化比较严重，先进的油压阀是将来改造此阀门的首选。
(2)柱塞式遥控操作阀(HCV—33)：本压力调节阀为费歇阀，采用气动薄膜式执行机构，设于反应器A釜下部物料的出口管线上，日常生产中由手动调整开度来调节反应器A釜、B釜压差，来进行反应釜的压力控制。
(3)紧急放空阀(HCV—31)：是油压紧急放空阀，在反应压力达到设定的高限时自动打开，将反应器及系统内的乙烯和聚乙烯紧急放空，保证装置的正常生产。