聚丙烯裝置流程模擬模型的開發(fā)和應用

1、聚丙烯裝置流程模擬模型的開發(fā)和應用來源:中國化工學會信息技術應用專業(yè)委員會作者:張小京發(fā)布日期:2010-5-27 13:51:3110萬噸/年聚丙烯裝置流程模擬模型的開發(fā)和應用張小京武漢石化聚丙烯二車間摘要：文章介紹了武漢石化100kt/a液相環(huán)管法聚丙烯裝置采用Aspen Plus和Polymer plus開發(fā)PP裝置流程模擬模型的過程。關鍵詞：流程模擬、聚丙烯、模型1引言Aspen Plus和Polymer plus是美國Aspen Tech公司研制開發(fā)的流程模擬軟件。該軟件基于嚴格的聚合反應機理模型來建模，并采用序貫模塊法來求解，廣泛應用于化工過程 的研究開發(fā)、設計、生產(chǎn)操作的控制與優(yōu)

2、化、技術改造等2裝置工藝簡介武漢石化聚丙烯裝置采用Spheripol液相本體法工藝，于1998年6月建成投產(chǎn)，原設計能力為70kt/a，2004年3月經(jīng)技術改造擴能至100kt/a，實際生產(chǎn)量已經(jīng)超過120kt/a。 具體工藝流程簡述如下：催化劑在預接觸罐D(zhuǎn)201中經(jīng)助催化劑TEAL活化后進入預聚反應器R200與丙烯在較低的溫度下進行反應，使催化劑表面包裹一層聚合物保護膜，然后進入R201環(huán)管反應器。各 股原料以恒定流量和適當比例加入環(huán)管反應器，使聚合物產(chǎn)品達到所要求的各項性能指標。聚丙烯粉料隨同未反應的丙烯單體一起經(jīng)過閃蒸過濾脫除未反應的丙烯后，進入汽蒸罐D(zhuǎn)501 用蒸汽去活，再進入干燥罐D(zhuǎn)

3、502用熱氮干燥，干燥后的聚丙烯粉料通過粉料輸送系統(tǒng)PK801用氮氣送至粉擠壓造粒。未反應的丙烯單體經(jīng)過洗滌后回到丙烯進料罐循環(huán)。3、建模目標建模的主要目標是建立生產(chǎn)過程的流程模擬模型，并通過模型計算以滿足以下要求：設計最優(yōu)的工藝參數(shù)和操作條件，最大程度的提高各種牌號的聚丙烯產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本;開發(fā)新牌號和確定新催化劑的操作條件；預測產(chǎn)品質(zhì)量，有助于更好的監(jiān)測和控制裝置無法在線測定的產(chǎn)品質(zhì)量；尋找裝置瓶頸，為裝置擴容提供技術支持；進行工藝過程的能量和質(zhì)量平衡計算；預測物流的流率、組成和性質(zhì)；預測操作條件、設備尺寸；縮短裝置設計時間，允許設計者快速地測試各種裝置的配置方案；幫助改進當前工藝；4模

4、型的開發(fā)4.1基礎數(shù)據(jù)的采集建模前根據(jù)模型的需要我們對一些基礎參數(shù)進行了采集，具體采集數(shù)據(jù)如下：a,反應器丙烯進料溫度：25 C組分名稱質(zhì)量分率壓力：4.45MpagC3H60.9456質(zhì)量流量:27200kg/hrC3H80.0528b,三劑進料組分名稱質(zhì)量流量（Kg/hr）溫度（C）壓力(MPag)Cat0.6103.8TEAL3.0253.5DONOR0.08253.5c,氫氣進料溫度：20C壓力：4.8MPag質(zhì)量流量：0.5kg/hrd,反應器參數(shù)設備名稱直徑（mm）容積（m3）溫度（C）壓力(MPag)停留時間（min）R2001500.44203.328R201581.659.5

5、569.53.472e,丙烯精鎦塔參數(shù)設備名塔板數(shù)回流比塔壓降（MPa）進料位置塔頂放空比塔釜采出（Kg/hr）T301210.450.1210.0051200f.采樣聚合物的GPC解析數(shù)據(jù)4.2建立操作流程圖應用Aspen Plus/Polymers Plus自帶的模型庫繪制出聚丙烯裝置操作流程圖，對部分不能詳細表達的復雜操作流程采取了簡化或變通，力爭模擬結(jié)果與實際相符。具體模擬流程 圖如圖1、2所示：圖1聚丙烯裝置反應系統(tǒng)模型流程圖圖2聚丙烯裝置分離系統(tǒng)模型流程圖4.3建立模型流程圖建立以后就要對模型進行定義，以及對模型運行所需的一些數(shù)據(jù)進行輸入，主要工作如下：1）組分的定義；定義整個模型

6、反應部分所涉及的各個組分，具體定義如下：其中C3-SEG為反應聚合鏈段，是聚丙烯反應的最基本單位，本身是不存在的，為虛擬組分；給電子體DONOR在純組分數(shù)據(jù)庫中沒有，請教ASPEN專家后用C9H20-1替代；其它組分均可在純組分數(shù)據(jù)庫中找到。2）物性方法的選擇：由于是模擬的聚合反應過程，所以過程方法選POLYMER；反應部分狀態(tài)方程選擇適合于聚烯烴的POLYPCSF方法；后續(xù)分離系統(tǒng)選擇適用于一般分離的RK-SOAVE方法。3）涉及反應如下：4）反應動力學參數(shù)的確定調(diào)整活性中心反應速率常數(shù)，然后運行模擬，查看各個活性中心上的聚合物產(chǎn)率與數(shù)均分子量是否與GPC解析的結(jié)果相同，如果誤差在允許范圍之

7、內(nèi)，則單牌號多活性中心的穩(wěn)態(tài)動 力學模型開發(fā)完成，否則繼續(xù)調(diào)整動力學參數(shù)，運行模型，查看結(jié)果，直到每個活性中心上的計算數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)之差均在誤差允許范圍之內(nèi)。5模型運算結(jié)果實際產(chǎn)量：15400kg/hr計算產(chǎn)量：15398.44kg/hr相對誤差：-0.01011%item解析MN計算MNError%解析MW計算MWError%1 site90811.5890953.460.156229181623.2181911.30.1586532 site313651.3313899.20.079043627302.4627782.90.076613 site16325.2516362.650.2290

8、6132650.532692.50.12863composite79994.9380194.280.249197347607.7347943.30.09655從計算結(jié)果來看，單一牌號的模型各活性中心數(shù)據(jù)和解析數(shù)據(jù)擬合的比較準確。但由于沒有擬合多牌號的模型數(shù)據(jù)，模型要定量準確反映裝置的生產(chǎn)情況還需進一步完善。由于aspen plus以及polymers plus數(shù)據(jù)庫模型中沒有氣固分離設備，本次反應后續(xù)分離以及干燥流程設備均選的是兩項閃蒸模型，因此這里聚丙烯作為液體處理，物料平衡數(shù)據(jù) 擬合得比較準確，模型是否能用于武漢石化聚丙烯裝置的生產(chǎn)指導，有待在實踐中驗證。6模型分析6.1改變反應器R201

9、溫度，分析對聚合物產(chǎn)量及產(chǎn)品質(zhì)量的影響反應器溫度對聚合反應至關重要，但反應溫度對聚合物產(chǎn)量及產(chǎn)品質(zhì)量的具體影響我們并不十分清楚，因此模型建立后我們做了一個靈敏度分析，以反應器R201的溫度為變量， 變化范圍從69.5到70C。讓模型計算該變化對聚合物產(chǎn)量及產(chǎn)品質(zhì)量的影響。計算結(jié)果如下表所示：反應器溫度（C）產(chǎn)量(Kg/hr)熔融指數(shù)（g/10min）等規(guī)度（%）69.515398.53.05409596.0421969.615421.623.06288796.0418569.715444.623.07169696.041569.815467.673.08056196.0411669.91549

10、0.593.08944496.040817015513.373.09833996.04047從上表我們可以看到，隨著R201溫度的提高等規(guī)度基本不受影響，聚合物產(chǎn)量和熔融指數(shù)略有提高。6.2改變DONOR注入量，分析對聚合物產(chǎn)量及產(chǎn)品質(zhì)量的影響。等規(guī)度是表征聚丙烯質(zhì)量的一個重要指標，也是我們要嚴格控制的一個指標。我們以前都只能定性的分析DONOR對反應的影響，具體能有多大的影響并不十分確定。模型建立 后我們很想對DONOR的影響進行定量的分析。因此我們又做了一個靈敏度分析，以DONOR注入量為變量，變化范圍從0.06 Kg/hr到0.12 Kg/hr，讓模型計算該變化對聚合物產(chǎn)量及 產(chǎn)品質(zhì)量的

11、影響。計算結(jié)果如下表所示：DONOR注入量產(chǎn)量(Kg/hr)熔融指數(shù)(g/10min)等規(guī)度(%)0.0615441.683.29562194.80860.0715420.273.15825495.513480.0815398.693.05413496.042190.0915376.62.97210996.453450.115355.432.90581196.782480.1115334.032.85077797.051710.1215312.692.80424397.27611從上表我們可以看到，隨著DONOR注入量的提高除了產(chǎn)品等規(guī)度上升外聚合物產(chǎn)量及熔融指數(shù)都有所下降。6.3改變H2注入

12、量，分析對聚合物產(chǎn)量及產(chǎn)品質(zhì)量的影響熔融指數(shù)也是表征聚丙烯質(zhì)量的一個重要指標，而影響熔融指數(shù)的主要因素就是反應器丙稀進料中的h2注入量，因此我們做了一個靈敏度分析來定量分析h2注入量對聚丙烯熔 融指數(shù)及聚合反應的影響。模型計算結(jié)果如下表所示：H注入量產(chǎn)量(Kg/hr)熔融指數(shù)(g/10min)等規(guī)度(%)0.415404.241.99202896.0836660.515401.652.29999496.0716420.615400.422.65322196.0578480.715398.593.05411396.042190.815396.553.50522996.0245680.915394

13、.664.00913596.004883115392.734.5682295.983039從上表我們可以看到，H2注入量只對熔融指數(shù)有較大影響，對聚合物產(chǎn)量和等規(guī)度影響不大。6.4改變反應器密度，分析對聚合物產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量以及后續(xù)分離部分熱負荷的影響反應器密度是我們實際生產(chǎn)中主要的控制指標， 因此我們對其進行了分析。由于反應器密度是模型計算出來的，不能直接加以控制，故我們采取調(diào)節(jié)反應器丙稀進料FI332 的量來達到間接控制反應器密度。分析其對聚合物產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量以及后續(xù)分離部分熱負荷的影響。模型計算結(jié)果如下表所示：FI332 (Kg/Hr)產(chǎn)量(Kg/Hr )熔融指數(shù)(g/10min)等規(guī)度(

14、%)閃蒸熱負荷(KCAL/HR)E301冷負荷(KCAL/HR)反應器密度(Kg/M3 )2700015391.43.23634396.03507893274.8-1354389564.7412760015398.613.08724896.0409936782.4-1415397560.49412820015393.22.95387996.04611981313.1-1477723556.31572880015375.652.83420796.050781026823-1541260552.21012940015346.732.72654196.054981073248-1605987548.

15、18383000015305.832.62924996.058781120629-1671952544.2266從上表我們可以看到，密度控制高對等規(guī)度沒什么影響，產(chǎn)量和熔融指數(shù)都略有提高，而且閃蒸線熱負荷及E301冷負荷都有所下降。6.5改變TEAL注入量，分析對聚合物產(chǎn)量及產(chǎn)品質(zhì)量的影響我們知道聚合反應要靠TEAL來活化，但并不是加入的越多越好，加入過多不僅增加產(chǎn)品的灰分和生產(chǎn)成本，還會一定程度的影響反應。因此我們借助模型來定量分析TEAL注 入量對聚合物產(chǎn)量及產(chǎn)品質(zhì)量的影響，以期望得到最佳的TEAL注入量，模型計算結(jié)果如下表所示：TEAL 注入（Kg/Hr ）產(chǎn)量（Kg/Hr ）熔融指數(shù)（

16、g/10min）等規(guī)度（%）2.615387.372.92125996.7359672.815391.112.96554196.504708315394.83.00981696.2734493.215398.53.05409596.0421913.415402.223.09837995.8109323.615405.853.14264695.5796733.815409.13.18683795.348418415413.133.23118995.117156從上表我們可以看到，TEAL注入量多少對產(chǎn)量的影響并不大，相反對產(chǎn)品質(zhì)量影響較大，因此在保證產(chǎn)量的情況下應盡量少加TEAL。6.6改變T3

17、01壓力，分析對E301及E303熱負荷的影響現(xiàn)階段在努力提高裝置生產(chǎn)能力的同時我們還要注重節(jié)能降耗，通過優(yōu)化操作參數(shù)最大限度的降低生產(chǎn)能耗，因此我們對T301做了一個靈敏度分析，以塔壓為變量，分析其變化 對塔釜再沸器及塔頂冷凝器熱負荷的影響，以期找到T301的最佳控制點。模型計算結(jié)果如下表所示：從上表我們可以看到，T301壓力越7模型應用經(jīng)過對模型進行分析討論我們總結(jié)出提高R201控制溫度，如果由現(xiàn) 情況下每小時提高產(chǎn)量約在設備允許的情況下盡量將反 和催化劑效率，還能降低后續(xù)閃T301 壓力（MPa）塔頂冷凝器冷負荷（KCAL/Hr）塔釜再沸器熱負荷（KCAL/Hr）1.6-14623181

18、66707.91.64-1449435165493.11.68-1436576164188.21.72-1423713162787.71.76-1410863161294.91.8-1398015159713.1高塔釜再沸器及塔頂冷凝器熱負荷都降低。以下幾點，并在實際生產(chǎn)中得到很好的驗證: 在的69.5 C提高至70 C .可在保證產(chǎn)品質(zhì)量的 110KG。應器密度控制高一點，這樣不但可提高產(chǎn)量 蒸與分離系統(tǒng)的負荷。實際生產(chǎn)中我們將環(huán)管密度DIC241的控制值由555Kg/M3提高到565 Kg/M3，催化劑活性提高了 1KgPP/gCat,閃蒸與分離系統(tǒng)的負荷各降低了百分之十。適當提高T301

19、控制壓力，這樣可同時降低塔釜再沸器及塔頂冷凝器負荷。實際生產(chǎn)中我們將T301控制壓力由1.65Mpa提高到1.8Mpa。節(jié)能效果明顯。優(yōu)化TEAL注入量。TEAL注入量不需要太高，太高了不僅催化劑活性不會增加，反而會影響產(chǎn)品質(zhì)量。8經(jīng)濟效益計算雖然目前的聚丙烯模型還不具備定性、準確分析本裝置生產(chǎn)實際的功能，但利用其對裝置進行定性分析，對裝置操作參數(shù)進行優(yōu)化還是非常有效的，以產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟效益， 以下是直接經(jīng)濟效益測算：6.1提高催化劑效率，降低催化劑用量通過提高R201控制溫度每小時可增加聚丙烯產(chǎn)量110Kg,裝置按一年運行8000小時計算，共增產(chǎn)聚丙烯8000X110=880噸，催化劑活性按28KgPP/gCat，價格按160萬元/噸計算， 可節(jié)省催化劑成本8800.0281000000X160=5.03萬元。通過提高反應器密度控制值可提高催化劑活性1 KgPP/gCat，裝置年產(chǎn)量按12.5萬噸計算，共可節(jié)省催化劑成本(125000!27000-12500!28000)X 160=26.45萬元。6.2優(yōu)化T301操作，減少尾氣排放由于裝置E301冷卻能力不足，導致FV323長期有200Kg/hr的丙烯排放，通過