未能反应的丙烯气体通过冷凝的方式来进行回收，之后于反应器顶部喷洒液态丙烯作为急冷液，通过丙烯气化吸热来撤走反应系统所累计的大量热量，维持反应器温度在60～70 ℃的范围内。在反应器底部通入混有丙烯，乙烯和氢气的循环气，使得整个床层保持接近流化的松动状态。床层在具有特定结构搅拌桨叶的搅拌作用下缓慢地向反应器下游移动，在出口形成符合生产要求的聚丙烯颗粒。本文将就Innovene 公司开发的高效的气相聚丙烯反应装置即卧式搅拌反应器中影响实际生产效果的主要流体力学性质进行介绍。
1 流动特性
Innovene 气相法工艺最大的优势在于采用了流动模型接近于理想平推流的卧式搅拌反应器，其可以在节约设备制造成本，减小流程复杂程度的同时实现多级全混釜的串联[2]。
卧式搅拌反应器的停留时间分布(RTD)曲线比立式搅拌床(VSBR)窄，显示出HSBR 对比VSBR 的主要优势。HSBR 中停留时间非常短或非常长的催化剂颗粒的比例明显降低，因此催化剂颗粒尺寸和聚合物性质更加均匀[3]。
在实际生产过程中，反应器内的流体由于各种原因会出现不同程度的停留时间分布现象。一部分流体受到
外界影响发生反向运动并在流场横截面上混合的返混现象是引起停留时间分布的一大因素，但是停留时间分布并不能成为我们推断返混
0 引言
气相法聚丙烯工艺是迄今为止最为先进的聚丙烯生产工艺之一，由于其消除了脱气和挥发性液相转移过程，使得聚丙烯可以作为流动的颗粒来直接进行生产和输送，进一步简化了本体法聚合的流程。气相法工艺与传统的淤浆法与液相本体法相比，在调节产品性能来切换牌号、控制产物分子量和共聚单体含量、生产过程安全性和开停车操作简易程度等方面具有
相当大的优势[1]。
随着聚丙烯工艺的快速发展，不同形式的气相法聚合反应器被越来越多的应用在聚丙烯生产过程当中。Unipol 工艺采用了两台上部扩径的流化床反应器，丙烯气化后与循环气混合再从反应器底部通入，引入了气锁系统来防止原料随颗粒排出；Novolen 工艺通过两台双螺带搅拌的立式反应器来进行丙烯的聚合，液相丙烯与少量的气相丙烯从顶部和底部加入，聚丙烯颗粒借助压差来进入第二反应器；Spherizone 工艺的多区循环反应器使聚合物颗粒在上升区被原料气体流化上升，通过顶部旋风分离沉降到下降区，再循环至上升区，下降区排料；Innovene 工艺(又名BP-Amoco 工艺)采用两台具有特殊结构搅拌桨的卧式搅拌反应器，多点进料，循环气自底部均匀透过床层，达到所谓的“亚流化”状态。在Innov
ene 气相法工艺过程中，首先要在卧式搅拌床反应器(HSBR)的一端加入新鲜催化剂。反应过程在气相条件，压力2.3 MPa 下进行，丙烯单体发生反应，产生带有活性的固体床层。
Innovene 气相法聚丙烯卧式搅拌反应器运行分析
苏既同1,2，张彤辉3，张利军3，李彦鹏3，孙婧元1,2*
(1. 浙江大学化学工程联合国家重点实验室，浙江 杭州 310000； 2. 浙江大学化学工程与生物工程学院，
浙江 杭州 310000；3. 国能宁夏煤业集团有限责任公司，宁夏 银川 750011)
摘要：文章从流动特性和结块检测两个方面对Innovene 气相法聚丙烯生产工艺中的卧式搅拌反应器运行状态进行了分析。该反应器流动形式近似平推流，拥有较窄的停留时间分布。介绍了用来描述床层流动的多级全混釜串联模型和双参数返混模型，同时分析了影响反应器稳定运行的结块现象的产生原因以及检测方法。关键词：Innovene ；卧式搅拌反应器；流动特性；结块检测中图分类号：TQ32 
文献标志码：A
文章编号：1008-4800(2021)13-0136-02
DOI:10.19900/jki.ISSN1008-4800.2021.13.063
Operation Analysis of Innovene Gas Phase Process Polypropylene Horizontal
Stirred Reactor
SU Ji-tong 1,2, ZHANG Tong-hui 3, ZHANG Li-jun 3, LI Yan-peng 3, SUN Jing-yuan 1,2*
(1. National Key Laboratory of Chemical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310000, China;  2. School of Chemical Engineering and Biological Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310000, China;
3. China Energy Investment Ningxia Coal Industry Group Co., Ltd., Yinchuan 750011, China)
Abstract: This paper analyzes the operating status of the horizontal stirred reactor in the Innovene gas phase polypropylene production process from two aspects of flow characteristics and agglomeration detection. The flow form of this reactor is similar to flat plug flow, with a narrow residence time distribution. The series model of multi-stage perfectly mixed flow reactor and the two-parameter back-mixing model used to describe the bed flow are introduced. At the same time, the causes and detection methods of agglomeration that affect the stable operation of the reactor are analyzed.
Keywords: Innovene; horizontal stirred reactor; flow characteristics; agglomeration detection
从反应器的混合角度来看，由于急冷液和催化剂在系统中
的分布不均，床层内部极易形成局部热点，在不及时采取干预措施的情况下，生成的聚合物会熔融进而生成结块。为了提高聚丙烯卧式搅拌反应器的时空生产效率，优化工业操作，对反应器内的结块进行实时检测的重要性不言而喻。早期用来对聚丙烯生产工艺中产生的结块进行检测的技术有：基于脉动信号的压力传感；实时温度传感；应用核物料辐射进行的射线传感。但以上几种传统的检测方法往往具有间接反映容易受干扰、参数需要随时间达到某种趋势而导致的检测结果不及时、对变化范围不够敏感、无法对所有类型结块进行检测、成本过高和安全性差等缺点[12]。
声发射技术以待检测对象发出的声信号为基础，通过分析信号的时间序列来获取相关的过程信息。作为非侵入式无损检测中比较有代表性的一种手段，已被用于诸多流程工业。例如，
Halstensen 等[13]
在半工业试验工厂中应用声化学过程分析技术对化肥产品流化床造粒过程中的结块堵塞问题成功建立并验
证了预测模型。Cao 等[14]从时域分析的方向出发，
借助吸引子比较法，通过与正常状态的声发射信号比较从而对当前状态进行判断，对气相法卧式搅拌反应器内的声信号建立了结块检测模型。但不论如何运用各种检测技术，控制反应系统维持在热量平衡的稳定状态，才是消除结块最有效的措施。
3 结语
Innovene 工艺法在近几十年的工业应用中得到逐步的优化，成为全球聚丙烯生产者关注的焦点，很大程度上依赖于卧式搅拌床反应器的优越性能。在未来，随着更深层次流动理论模型的建立、更高性能聚合催化剂的研发、集成控制水平的提高和设备检测手段的丰富，卧式搅拌床反应器必定会进一步扩大其在世界聚丙烯市场上的竞争优势。
参考文献：
[1] 陈思. 聚丙烯生产工艺及其市场应用的研究[D].大庆：东北石油大学，2013.
[2] Caracotsios M. Theoretical modelling of Amoco’s gas phase horizontal stirred bed reactor for the manufacturing of polypropylene resins[J]. Chemical engineering science, 1992, 47 (9-11): 2591-2596.
[3] Zacca J J, Debling J A, Ray W H. Reactor residence time distribution effects on the multistage polymerization of olef i ns —I. Basic principles and illustrative examples, polypropylene[J]. Chemical E
ngineering Science, 1996, 51(21): 4859-4886.
[4]陈甘棠.化学反应工程[M].北京：化学工业出版社，1990, 93-100.
[5] Khare N P, Lucas B, Seavey K C, et al. Steady-state and dynamic modeling of gas-phase polypropylene processes using stirred-bed reactors[J]. Industrial & engineering chemistry research, 2004, 43(4): 884-900.
[6]刘柱彬，邱彤，赵劲松.气相卧式搅拌釜聚丙烯反应器的模拟及多稳态分析[J].化工学报，2014, 65(11): 4451-4458.
现象必然存在的依据，以现在的实验方法和理论水平还不足以
从停留时间分布推得返混是否存在及其程度的大小[4]。
返混程度的大小很难通过实验直接进行测量，通常采用模型来对停留时间的分布和返混之间的关系进行定量描述。
多级全混釜(CSTR)串联模型是应用较多的模型之一，该模型把实际存在的生产装置用几个体积相同且串联排布的全混流反应器来进行等效替换，借此描述反应过程中的返混程度与停留时间分布。Khare 等[5]
在考虑了Ziegler-Natta 聚合动力学、聚合物性质、热力学模型和催化剂表征的基础上，假设每釜持料重量相等且保持稳态，采用该模型对卧式搅拌床反应器中的聚丙烯气相聚合过程进行了分析，以此来达到预测大规模商业化生产的聚合物产率、分子量、多分散性指数以及不同牌号均聚物和抗冲共聚物产品的组成。刘柱彬等[6]采用Khare 等调整后的PC-SAFT 方程参数，建立了更符合生产实际且适用于系统稳定性分析的卧式搅拌釜反应器模型，模拟结果与多套生产数据相吻合。
Dittrich 等[7]提出卧式搅拌床反应器中的粉体混合包含两种流动形式：由于颗粒的生长而导致的反应器下游净粉体流量的不断增加，以及由搅拌作用导致的轴向流动即返混，两者同时作用才引起了反应过程的催化剂颗粒在介于全混流和平推流之间的停留时间分布。该法为双参数模型，比传统的多釜串联模型更准确，更灵活，而且相较于通常在聚合实验条件下获得的多釜串联停留时间分布数据，可以根据冷模实验的结果来计算反应条件下的停留时间分布。
因为沿轴水平排布的搅拌叶片对聚合物颗粒产生了向前与向后的对流作用，而两者抵消为零，所以从严格意义上来讲搅拌过程对固体床层并没有输送作用。床层整体由反应器上游向下游移动的根本原因是聚合反应的发生使得固体颗粒自身体积逐渐增大，在与其他颗粒作用的过程中彼此挤压向反应器出口流动。据此也可以初步判断各全混区分别的停留时间单调递减。在卧式搅拌床反应中，净输送沿反应器轴向增加，而搅拌桨叶产生的返混程度基本上保持不变，这意味着净输送与返混的比值在反应器中不恒定。该比值在聚合反应开始发生的反应器上游比在下游低，因此返混在前端比后端起着更大的作用。
2 结块检测
目前影响Innovene 气相法卧式聚合反应器稳定安全运行
以及产品质量的一大因素即为聚合反应过程中的粉体结块。开始生成的体积不大的条状结块不容易从反应器中排出，会被搅拌桨叶不断撕扯形成带状料，进而造成脱气仓下料不畅；如果这种情况持续发生，体积更大的片状料和块状料会直接使出料阀门堵塞、反应器浮动段密封头和温度探头损坏，严重时装置
不得不停车[8]
。
从进入反应器物料的角度来看，如果原料丙烯中的杂质通过内扩散进入催化剂活性中心，将使催化剂活性降低，在硫化物存在的情况下甚至会触发聚合反应链终止，直接
导致产品质量的下降[9]。
如果催化剂活性降低，反应速率下降，相对过量的急冷液会使床层过度润湿，进而引发粉料的混合和
流动性问题，同样会发生结块[10]。
此外用来调节聚丙烯等规度的外改性剂如果流量不稳定或者总量不足以满足需求，会造成产品中的无规聚合物含量的升高，同样会引起结块[11]。
(下转第162页)
两端拉长，验证悬挂器是否丢手成功，
记录结果；
(8)拆卸试验管串，试验结束。
图8 柔性筛管多分支悬挂器功能试验示意图
经测试，柔性筛管多分支悬挂器丢手可靠，可实现倒扣和液压双丢手方式。
4 结语
(1)超短半径水平井在开采近井地带剩余油，增大泄油面积，挖掘老油田潜力方面具有重要意义。
(2)超短半径水平井需要采用特殊的柔性完井工具来进行
完井作业。完井工具不仅要承受流体压差、轴向力和扭矩的作用，还需要有一定的弯曲能力。(3)设计的柔性引鞋、柔性盲管、柔性筛管、柔性管外封隔器等配套完井工具通过相关测试可进行现场应用。
参考文献：
[1] 王超逸.超短半径水平井技术在薄差油层中的运用［J ］.西部探矿工程，2020 (3): 105-106.
[2] 杨刚，鲜保安，毕延森，等.煤层气超短半径水平井筛管完井技术研究[J].煤炭科学技术，2019, 47(3): 175-180.
[3] 宫华，郑瑞强，范存.大庆油田超短半径水平井钻井技术［J ］.石油钻探技术，2011, 39(5): 19-22.
[4] 辛长青.超短半径侧钻水平井工艺技术[J].油气田地面工程，2013, 32(4): 108-109.
作者简介：张彬奇(1979-)，男，高级工程师，2005 年毕业于西安石油大学石油工程专业，现从事海洋石油钻完井及管理工作。
(2)将试验管串上下连接至工装夹具，并安装至扭矩试验仪；(3)逐步提高扭矩试验仪输出扭矩，最高至20 kN ·m ，记录工具状态，若发生结构破坏则停止试验；
(4)拆卸试验管串，检查测试工具是否存在破损；(5)记录试验数据，试验结束。
经测试，扭矩达到20 kN ·
m 时，试验管串未发生破坏，满足设计要求。
图7 抗扭试验示意图
3.3 柔性筛管多分支悬挂器功能试验
为了测试柔性筛管多分支悬挂器打压悬挂、机械丢手、液
压丢手动作是否可以按照设计完成，验证工具可靠性，进行如下试验方案，试验示意图如图8所示：(1)将柔性筛管多分支悬挂器底部安装打压堵头，预置在177.8 mm 套管短节内，形成试验管串，悬挂器提升短节露出；(2)将试验管串夹紧在扭矩试验仪上，扭矩试验仪一端夹紧提升短节，一端夹紧套管短节，并连接打压管线；(3)进行打压，使悬挂器工作，控制扭矩试验仪两端收缩，验证悬挂器是否完成坐挂，记录结果；(4)继续提高压力，至设计悬挂器液压丢手压力，控制扭矩试验仪两端拉长，验证悬挂器是否丢手成功，记录结果；
(5)拆卸试验管串；(6)重复步骤(1)～(3)；
(7)泄压，正转提升短节至机械丢手圈数，控制扭矩试验仪
[7] Dittrich C J, Mutsers S M P. On the residence time distribution in reactors with non-uniform velocity prof i les: The horizontal stirred bed reactor for polypropylene production[J]. Chemical engineering science, 2007, 62(21): 5777-5793.
[8]陶龙. Innovene 工艺聚丙烯装置反应器结块原因分析与控制[J].合成树脂及塑料，2020, 37(2): 41-44.
reactor4[9]逯云峰，孙国文，蒋荣. 聚丙烯原料杂质对聚合的影响及净化技术的发展[J]. 四川化工，2005 (6): 24-27, 30.
[10]付梅莉，葛国成. 影响气相丙烯聚合反应的因素及改进措施[J].云南化工，2014, 41(6): 39-42.
[11]程敏，马占亮. Innovene 工艺聚丙烯块料产生的原因及解决措施[J].化工管理，2020 (25): 161-162.
(上接第137页)
[12]曹翌佳，刘伟，王靖岱，等.基于吸引子比较法的卧式搅拌床反应器声发射故障诊断[J]. 化工学报，2009, 60(3): 585-592.
[13] Halstensen M, de Bakker P, Esbensen K H. Acoustic chemometric monitoring of an industrial granulation production process-a PAT feasibility study [J]. Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems, 2006, 84(1-2): 88-97.
[14] Cao Y, Wang J, He Y, et al. Agglomeration detection based on attractor comparison in horizontal stirred bed reactors by acoustic emission sensors[J]. AIChE Journal, 2009, 55(12): 3099-3108.
作者简介：①苏既同(1999-)，男，河北沧州人，浙江大学硕士，研究方向：聚合反应器设计。
②孙婧元(1987-)，女，内蒙古人，硕士生导师，研究方向：烯烃聚合及多相流反应工程(通讯作者)。

版权声明：本站内容均来自互联网，仅供演示用，请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系QQ:729038198，我们将在24小时内删除。