浅析聚丙烯装置特殊仪表及阀门的设计及应用

张峰 汪璟

中国寰球工程公司北京分公司

摘要：

自20世纪80年代以来，国内大型聚丙烯装置采用的专利主要以液相本体聚合法和气相法为主。本文挑选这两类工艺中具有代表性的工艺专利：液相本体法的BASEL SPHERIPOL/SPHERIZONE工艺和气相法的INEOS工艺，通过对其具有代表性的特殊仪表的应用工况需求、仪表自身特点及设计过程中需要注意的问题进行分析，对聚丙烯装置中各类特殊仪表及阀门的设计和应用进行总结。

关键词：

聚丙烯装置; 放射性料位计; 气相色谱分析仪; PDS阀;

作者简介：张峰（1987-），男，北京人，本科，工程师，从事石油化工自控设计工作。;

自聚丙烯生产工业化以来，聚丙烯生产工艺不断发展。目前，根据介质相态不同，聚丙烯工艺主要有以下3类：

浆液法工艺：20世纪90年代后已基本不再使用，目前主要用来生产特殊牌号产品。

液相本体法工艺：液相本体法工艺是在反应体系中不加任何溶剂，将催化剂直接分散在液相丙烯中，进行液相本体聚合反应。聚合物在液相丙烯中析出，以细颗粒状悬浮在液相丙烯中，随着时间增加，聚合物浓度不断提高。当丙烯转换率达到一定程度时，经过闪蒸回收丙烯单体，随后即得到粉料聚丙烯产品。液相本体法的代表工艺有：Spheripol/Spherizone工艺、Hypol工艺。

气相法工艺：该类工艺是气相丙烯在催化剂作用下直接聚合生成粉料聚合物产品。气相法的代表工艺有：流化床Unipol、住友工艺；立式搅拌床Novolen工艺；卧式搅拌床反应器：INEOS工艺等。

1 聚丙烯装置仪表阀门选型的特殊性

聚丙烯装置的介质种类多（丙烯、乙烯、丁烯、氢气、三乙基铝、催化剂），相态杂（气相、液相、浆料、粉料、粒料），其特点决定了相应仪表阀门选型的特殊性及复杂性。针对目前主流的聚丙烯专利，本文通过对气相法的INEOS专利及液相本体法的BASEL SPHERIPOL/SPHERIZONE专利的特殊仪表阀门设计及应用情况进行总结,选取具有代表性的放射性料位计、气相色谱分析仪、PDS阀、偏心旋转阀、微小流量调节阀分类介绍。

表1 放射源种类及特性 Table 1 Types and characteristics of radioactive sources

表2 不同使用场所对检测仪表外围辐射的剂量控制要求 Table 2 Dose control requirements for the peripheral radiation of the test instrument in different places of use 下载原表

1.1 放射性料位计

1.1.1 设置目的及应用

聚丙烯装置在正常生产过程中，需要对反应器、气锁器、袋滤器、脱气仓等多个关键设备的料位进行测量控制。设备内的介质往往是气相丙烯中夹带聚丙烯粉末，一些设备还带有搅拌器，使用常规料位测量仪表往往精度太差，难以实现精确测量。因此，采用非接触式的放射性料位计往往是此种工况的首选。

1.1.2 放射性料位计构成

放射性料位计一般由放射源、检测器和变送器3部分组成。

1）放射源：放射源种类及特性见表1。Cs-137由于它的能量较低，主要用于设备壁厚较小的工况，比Co-60更好的测量效果，屏蔽容易，成为目前聚丙烯装置中最常用的同位素。Co-60具有相对高的能量，主要用于设备壁厚较大的工况。

放射源需配置防护容器，同时根据现场操作安装的实际需要，可将放射源做成点源、多点源、棒状源等。放射源的强度则需要考虑设备尺寸、壁厚、材质、伴热护套/盘管、设备是否带有搅拌器等因素，同时应考虑在一定距离内，人体所吸收的放射源射线剂量是否满足国家标准规范GBZ125-2009《含密封源仪表的放射卫生防护要求》的具体要求[2]，详见表2。

2）检测器：检测器的种类有电离式型、GM计数管型、闪烁晶体型、柔性光纤型。电离式型由于价格贵、体积大等劣势应用较少，主要用于现场温度、振动较为恶劣的场合；GM计数管型体积小、价格低，但易受温度、振动影响；闪烁晶体型灵敏度高，但对振动很敏感；柔性光纤型的特点是柔性材质，适用于复杂外形的设备，便于现场安装[3]。各类检测器的特点比较详见表3。

3）变送器：变送器主要由4部分组成，一般包括电源、脉冲放大器、补偿电路和转换单元。由于检测器输出电流非常小，需要脉冲放大器转换为标准的4mA～20mA输出信号。随着仪表技术的发展，目前市场上主流的放射性料位计已经把检测器和变送器集成一体化。

1.1.3 需要注意的问题

放射性料位计在料位测量的过程中，会受到多种因素的影响，造成测量误差，进而影响装置生产的可靠性和安全性。主要包括以下几个方面：

1）相近放射源之间互相干扰：在INEOS的聚丙烯工艺中，一般两条下料线的气锁器平行布置，距离很近。如果未充分考虑放射源与检测器布置方位，会造成射线的相互干扰，造成检测器的虚假信号。对于这种辐射干扰，一方面在设计阶段要充分考虑合理布置检测器的位置；另一方面可以考虑在两台设备之间增加铅板隔离，从物理上隔绝射线干扰。

表3 各类检测器特点比较 Table 3 Comparison of various detector characteristics 下载原表

2）气相介质密度变化的影响：在INEOS的聚丙烯工艺中，液相丙烯进入反应器吸热后汽化，气相密度随温度压力的变化而变化。一般情况下，气相介质密度变化不大，对放射性料位计的影响忽略不计。但当这种变化达到一定程度时，会造成脉冲强度的衰减，使料位测量的准确性降低。在实际应用中可以考虑增加一台密度计，将密度信号引入DCS系统进行补偿计算。

1.2 气相色谱分析仪

1.2.1 应用工况

在液相本体法工艺中，气相色谱分析仪主要用于原料组分监控及H2的注入流量控制，要求相对简单。然而在气相法工艺中，反应器顶部气相色谱的分析结果所得的H2/C3=,C2=/C3=比例，直接串级控制H2及乙烯的进料控制阀，用于精确控制反应器各组分进料量，对数据的时效性和精确性提出了很高的要求。整个分析回路的循环时间要求小于3min，需要对取样点及分析小屋的布置。

1.2.2 需要注意的问题

1）取样点及分析小屋的布置：由于对循环时间的要求，分析小屋要靠近取样点布置，同时也需要兼顾两台反应器，一般需要放置在两台反应器之间的钢结构平台上。

2）过滤器的设置：在取样过程中，介质仍在继续反应，不断生成聚丙烯粉末，所以需要在整个回路中设置多级过滤，防止取样回路堵塞。常用配置是在前处理箱中设置一用一备旋风分离过滤器和一用一备金属烧结过滤器。在预处理箱进口设置一个金属烧结过滤器，在色谱分析仪入口设置一个金属烧结过滤器。

1.3 高频开关阀（PDS阀）

1.3.1 应用工况

在INEOS工艺中，产品下料系统以间歇方式将聚丙烯粉末从第一反应器经气锁器后送入第二反应器，再由第二反应器送入袋式过滤器。整套系统由顺控逻辑控制，由PDS阀门实现。PDS阀门运行的好坏，直接影响装置的稳定运行。

由于工艺的技术特点和要求，PDS阀面临非常严苛的条件：极高的动作频率和循环次数；大量聚丙烯粉末对密封面的极度磨损；高压差、冲刷严重；阀门的快速动作，严格的密封等级要求。因此，须对阀门的选型、结构设计等方面进行充分地考虑，以满足各种技术要求。

1.3.2 PDS阀特点

1）阀体、阀球、阀座等部件均采用锻造设计，提高阀体强度；同时阀门内件都采用表面硬化处理，硬化层厚度在研磨后不低于500μm，满足高频、耐磨、抗冲刷要求，延长了免维护周期。

2）阀杆设计有两层轴套，保证阀杆严密对中，执行机构扭矩平稳；同时采用摩擦系数较小的PEEK材料，减小阀门扭矩。

3）阀座后采用蝶形合金弹簧助力，在弹簧两侧采用防尘圈保护，确保密封性的同时能避免弹簧前后聚积聚丙烯粉末，也避免了柱状弹簧由于腐蚀或进入颗粒后发生推力不均匀，造成阀门泄漏。

4）阀座密封面两侧采用刮刀式结构设计，可将阀门空隙中的粉末及时清除，满足自清洁功能。

5）阀体重型设计。阀体中法兰的螺栓数量是ANSI标准数量的两倍，增加阀门强度。

6）采用扇形执行机构。扇形执行机构体积小，便于在现场密集管线中安装，结构简单，密封材料耐磨性高，满足高频开关的要求。

1.3.3 需要注意的问题

阀门选型时建议选择硬密封及选用扇形执行机构。早期的PDS阀产品很多采用的是软密封和齿轮齿条结构的执行机构，软密封无法抵抗聚丙烯粉末长期冲刷，齿轮齿条执行机构无法应对高频开关工况，均会造成阀门故障，无法满足长周期正常生产。

2 现状与思考

从目前国内大型聚丙烯装置仪表阀门的实际使用情况来看，现有国内中低档仪表阀门大部分可替代进口产品，但上文中提到的4种关键仪表阀门的进口品牌使用率仍在90%以上，价格十分高昂。从近期中美贸易战和华为事件可以看出，关键核心设备的自主可控至关重要，国产仪表替代方案迫在眉睫。作为仪器仪表行业从业者，扩大国产仪表阀门使用率是我们义不容辞的责任。给那些优秀的国产自主产品使用的机会，使国产仪表阀门企业形成创新—研发—销售的闭环，逐渐完善产品，形成厂家的产品越用越好，业主用起来越好越用的良性循环。

3 结束语

聚丙烯装置一般作为全厂的产品装置，是否平稳运行对整个工厂的经济效益至关重要。放射性料位计、气相色谱分析仪、PDS阀以及偏心旋转阀均是聚丙烯装置的核心监测控制点，是聚丙烯装置仪表设计的重点和难点。本文通过对各类特殊仪表阀门的工况需求、仪表自身特点，及设计过程中需要注意的问题进行分析，为今后类似装置提供设计依据。