线性低密度聚乙烯装置工艺特点及工艺原理分析

线性低密度聚乙烯装置工艺特点及工艺原理分析

王建平

大庆石化公司塑料厂，黑龙江省大庆市 16300 0

摘要：线性低密度聚乙烯装置采用采用UNIPOL工艺，其集散控制系统控制工艺操作条件，使用工艺过程计算机及相应软件系统，实现操作条件的最佳化。本文主要介绍了UNIPOL低压气相法流化床工艺技术特点及反应原理。

关键字：聚乙烯、UNIPOL、流化床、聚合

1.装置概况

塑料厂线性低密度聚乙烯装置采用UNIPOL低压气相法流化床工艺技术，是美国联碳公司专利。该装置以乙烯为原料，以1-己烯或1-丁烯为共聚单体，以氢气为分子量调节剂，采用铬系催化剂和钛系催化剂按照离子聚合机理，生产粉末状或颗粒状线性低密度聚乙烯树脂。线性低密度聚乙烯装置分6个系统，主要由原料净化、催化剂制备、聚合、树脂脱气和排放气回收、造粒、风送及贮存等部分组成。

2.UNIPOL低压气相法流化床工艺技术特点

(1) 自控系统特点

1）整个聚乙烯装置控制、公用工程和辅助设施采用一套现代化的基于最新技术的多功能处理器的集成控制系统（ICS）。该ICS集成控制系统由一个集散控制系统（DCS）、一个安全联锁系统（SIS）、一个过程计算机系统（PCS）和几个可编程逻辑控制系统（PLC）等组成。

2）联碳聚烯烃开发公司（UCPDC）提供了过程控制系统---UNIPOL软件。UNIPOL软件安装在一个过程计算机（PCS）上，PCS配有合适的工艺数据传送软件，实现 UNIPOL软件和DCS数据库之间的最佳传送。APC（先进过程控制）系统能提高装置运行效率，进行最大化生产、优化生产、降低次品产出、同系列催化剂内部自动转换、为催化剂系列之间的切换提供指导。

(2) 工艺特点

1）UNIPOL聚乙烯工艺成熟、可靠，产品牌号多样，能满足市场的需求。

2）反应在温和的条件下进行，反应压力约2.1MPa，反应温度约在85-92℃，在单一流化床反应器中进行，无需预聚，没有溶剂，完全返混，使用高效催化剂。

3）由于反应系统转动设备少，反应循环气体不需旋风分离，只需一台简单的换热器和循环气压缩机。

4）UNIPOL聚乙烯生产操作容易，可靠性好，维修量少，使UNIPOL工艺具有简单性。

5）UNIPOL聚乙烯装置能生产全密度系列聚乙烯产品，在保证产品性能不变的情况下，有很高的调节能力，且非常稳定。

6）由于反应的催化剂体系对毒物极其敏感，因此对原料的规格要求很高。绝大多数原料要经过精制处理后才能加入反应器。

(3) 设备特点

UNIPOL工艺无需特殊材料的设备，大部分为普通碳钢，仅造粒和风送系统的料仓和管线需用铝合金或不锈钢。由于工艺操作压力不高，所以设备的设计压力都较低。另外由于工艺流程短，转动设备少，仅有循环气压缩机、排放气回收压缩机、冷冻机、造粒机、旋转阀等，使设备操作和维修简单，对控制和维修人员的需求相应减少，使能耗降低。

(4) 安全性

UNIPOL低压气相法流化床工艺所需的原料相对无毒，操作条件适中，不存在处理大量可燃性液体带来的危险。流化床反应的动力学具有自限性，消除了在失控情况下设备超压的危险。

(5) 经济性

1）从工艺流程与控制方面来看，工艺操作简单、设备少，效益高。

2）从工程方面来看，占地少、布置紧凑、流程短、设备简单，建设工期缩短、开车容易，投资少，装置经济利益高。

3.聚合反应系统

1）反应循环系统

主要包括反应器，循环气冷却器，循环气压缩机，由循环气压缩机使气态反应物(乙烯、丁烯-1或己烯-1、氢气及氮气等混合气体)进行循环，聚合产生的热由循环气带出，送入循环冷却器冷却后再进入反应器。

2）催化剂加料器

催化剂以密相的形式由高纯度的氮气将催化剂贮仓送入加料器内，未用的催化剂也可以从加料器中返回到催化剂脱活罐或者送回催化剂贮仓。

3）终止系统

用于聚合反应停止时使用。

4）产品排料系统

反应器有两条排料线，两条排料线都以“独立交叉”程序方式操作 ，但是设计的每个系统都能处理正常产率生产的树脂，由于排料系统的设备需要定期维修，所以提供了这种过剩的排料能力，同样实用于在反应器或排料系统失调期间，形成的结块堵线或阀门检修时的操作。

每条产品排料线包括一个产品罐和一个产品吹出罐，树脂及反应气间断地从反应器排入产品罐，树脂和反应气在产品罐中分离，气体被返到反应器顶部，树脂靠重力排到产品吹出罐中，在产品吹出罐中树脂靠回收气或氮气送到产品脱气仓中。

4.工艺原理

（1）聚合反应原理简述

乙烯聚合反应方程式如下：

乙烯低压聚合成聚乙烯的聚合机理普遍认为是阴离子配位聚合机理，单体在催化剂中带部分负电荷（δ-）的烷基上进行连续增长而聚合。其聚合反应过程大致可分三步进行，即链引发、链增长和链终止。乙烯的阴离子配位聚合机理简述如下：

链引发：其过程可以概括为，扩散-吸附（包括络合极化）-插入。

链增长：与链引发相似，乙烯经过引发的活性中心Catδ+—CH2δ-—CH2-R相作用，经过扩散-吸附-插入等到步骤而在带部分阴电荷的碳链上接上乙烯单元，再经过多次继续增长，不断插入乙烯直至成为高分子量的活性聚乙烯链。

链终止：增长中的聚乙烯链会因各种原因失去活性而停止增长，在聚乙烯生产中，常常是专门加入氢气（称为氢解）来实现链终止。因为氢是有效的链转移剂，它与增长链作用，生成一个带催化剂——氢键的活性中心和一个带甲基端的饱和聚乙烯链。

（2）精制部分的反应原理

1) 脱乙炔反应

乙烯中乙炔脱除是利用乙炔加氢反应生成乙烯而实现目的。乙炔和氢气在具有选择性的钯催化剂（BC-1-037G/BC-1-HC40）作用下，发生加氢反应，生成乙烯。为防止过量的氢气与乙烯同样也会发生加氢反应生成乙烷，过量的氢气也被脱除。这种钯催化剂不需再生，使用寿命为三到五年。

2) 脱一氧化碳反应

乙烯中脱一氧化碳是利用氧化还原反应实现的。乙烯脱一氧化碳精制床中装填G-66D（有效成分是氧化铜）催化剂，一氧化碳与氧化铜发生反应，一氧化碳被氧化成二氧化碳，在下游的脱二氧化碳精制床中被吸附而脱除，氧化铜则被还原成铜。该催化剂需定期用含有空气的氮气进行再生。

3) 脱氧反应

乙烯中和氮气中脱氧是利用金属氧化反应实现的。乙烯和氮气脱氧精制床中装填PEE（有效成分是铜）催化剂，氧与铜发生氧化反应生成氧化亚铜或氧化铜而被脱除。该催化剂需定期用含有氢气的氮气进行再生。

5结论

该工艺采用高活性齐格勒型铬系和钛系催化剂，乙烯与共聚单体、氢气在气相流化床反应器中共聚生产，不需脱去产品中残留的催化剂。乙烯、共聚单体、干粉状固体催化剂连续进入流化床反应器中，乙烯穿过床层循环，经过一个膨胀段，在此部分，细粉与气体分开，气体从顶部返回，经过压缩、冷却后进行循环利用。聚乙烯粉末树脂在流化床中的平均停留时间2～5小时，从反应器中间歇排出，以保持一定的料位，反应压力通常在2.1MPa左右，反应温度85～95℃。分子量由 H2/C2=和聚合温度控制，分子量分布是由催化剂类型（M/F）和反应条件来控制。

从反应器出来的聚乙烯粉末经由排料系统排放到脱气仓中，经过减压和加热氮气吹扫，脱除粉末中吸附的烃类气体。

脱除烃类气体后的聚乙烯粉末通过破块器控制下料速度，进入振动筛脱块后,靠重力进入造粒系统，经混炼造粒后，产品经干燥器干燥、振动筛筛选后，被风送到掺混仓或过渡料仓，经掺混料仓混合之后送往产品料仓暂存。