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聚丙烯工艺技术进展及其国内应用情况

来源:世旅网
第34卷第4期 化学工业与工程技术 Vo1.34 No.4 2013年8月 Journal of Chemical Industry&Engineering Aug.,2013 聚丙烯工艺技术进展及其国内应用情况 胡廷芳 (中国石油独山子石化分公司乙烯厂,新疆独山子833600) 摘要:介绍了世界聚丙烯工艺技术和聚丙烯工业的主要专利特点,简述了气相法和本体法工艺以及 国产聚丙烯催化剂在气相法聚丙烯工艺上的应用情况,并介绍了这些工艺在国内大型新建聚丙烯装置 上的应用。 关键词:聚丙烯气相法本体法催化剂 中图分类号:TQ325.1 4文献标识码:A文章编号:1006—7906(2013)04—0021—06 Progress and application on process technology of polypropylene HU Ting ̄ang (Ethylene Factory of Dushanzi Petroleum Co.,Ltd.,PetroChina,Dushanzi 833600,China) Abstract:The characteristics of patents for polypropylene(PP)production technology in the world are presented.The processes of gas phase and bulk polymerization for producing PP are briefly introduced and the application status of domestic cataXyst in gas phase PP production is reviewed.The application of these processes in large—scale PP unit at home is expounded. Key words:Polypropylene;Gas—phase;Liquid—phase;Catalyst; 聚丙烯(PP)因具有原料来源丰富、生产成本 司的Sphefipol液相环管工艺,主要特点在于采用单 低、密度小、产品透明度高、化学稳定性和电绝缘性 一多区循环反应器代替Sphefipol工艺的环管反应 好、易加工等特点,在汽车、家电、建筑、包装和农业 器,属气相聚合反应。多区循环反应器分为上升段 等领域得到广泛应用,已成为五大通用树脂中发展 和下降段2个反应区,聚合物粒子在2个反应区内 速度最快的产品…。目前聚丙烯的生产工艺主要 多次循环。上升段反应区内聚丙烯粒子在循环气体 有淤浆法、液相本体法和气相法工艺。自20世纪 带动下快速流化,进入下降段顶部旋风分离器内进 90年代以来,随着聚丙烯工艺技术的不断发展,淤 行气固分离。在下降段顶部设有阻隔区,分离反应 浆法已逐步被淘汰,目前以液相本体法和气相法工 气体和聚合物粒子,粒子向下运动到下降段底部后 艺为主。本文对目前国际先进的聚丙烯生产工艺及 进入上升段完成一个循环。阻隔区的使用,可实现 其特点进行综述。 上升段和下降段不同的反应条件,形成2个不同的 1气相聚合工艺 反应区域。均聚、二元及三元无规共聚产品可在多 气相聚合生产聚丙烯主要有Basell公司的 区循环反应器内生产,抗冲共聚物需配有气相反应 Spherizone工艺、Dow公司的Unipol工艺、Ineos公司 器。根据多区循环反应器及气相反应器的不同操作 的Innovene艺、Japan Polypropylene公司(JPP公司) 模式,除传统均聚、无规及抗冲产品外,Spheifzone 的Horizone工艺、ABB公司的Novolen工艺及住友 工艺可进行一些新类型产品的生产,如双子无规产 化学公司的Sumitomo工艺 等。 品,可达到共聚单体含量的双峰分布;无规与抗冲组 1.1 Basell公司的Sphenzone工艺 Basell公司的Spherizone工艺 是目前世界 收稿日期:2013—05—18。 上最新颖、最先进的聚丙烯生产工艺之一,为气相、 作者简介:胡廷芳(1979一),女,四川成都人,工学硕士,工程师,现 从事聚烯烃联合聚丙烯装置工艺技术工作。 非茂金属工艺。该工艺来源于美国利安德巴塞尔公 Email:hutingfang@petrochina.con.cn。 ・22・ 化学工业与工程技术 2013年第34卷第4期 合产品,结合了无规物的光学特点及抗冲共聚物的 学性能的同时,具有良好的加工性;无规共聚产品共 韧性;均聚与无规组合产品,结合了无规物及均聚物 的综合性能,使产品的加工性及力学性能得到平衡。 通过多区循环反应器的使用,使树脂的微观均一性 优于多级串联反应器的产品,如生产薄膜产品时鱼 眼及凝胶减少。Spherizone工艺生产的产品特点突 出,应用范围广;树脂结晶度高,刚性好;单反应器可 聚单体含量高,光学、力学及热力学性能佳;抗冲共 聚物优化了冲击性能与刚性的平衡 。因此,可以 在一个反应器中生产双峰甚至多峰聚丙烯,正在增 长的聚合物粒子重复地在2个反应区循环,可以提 高粒子的均匀性 表1。 。 国内采用Spherizone工艺建设的主要装置见 生产双峰产品,相对分子质量分布宽;树脂在保持力 表1 国内采用Spherizone工艺的主要装置 国内一些装置采用DQ一Ⅲ催化剂,但一些反应器 出现压力偏高、产品抗冲击性能不好的情况;采用北 京奥达公司新一代DQ—V一01催化剂后,由于该催化 剂比表面积和孔体积更大,改变了聚合动力学行为, 提高了有效聚合,因此产品的综合陛能更加优良。 1.2 Dow公司的Unipol气相法聚丙烯工艺 Unipol工艺的显著优点是:①能配合超冷凝态操作, 即所谓超冷凝态气相流化床工艺(SCM),由于超冷 凝操作能够最有效地移走反应热,因此在不增加反 应器体积的情况下提高生产能力,如通过将反应器 内液相比例提高到45%,使现有生产能力提高 200%;②用一台沸腾床主反应器就可生产均聚物、 无规共聚物,操作弹性较大;③该工艺流程较短,对 材质没有特殊要求,装置占地面积少,生产潜力大, 产品成本低、性能好,具有较强的竞争力 2。”J。 国内采用Unipol工艺建设的主要装置见表2。 Dow公司的Unipol气相法聚丙烯工艺生产技 术也是世界上最先进的聚丙烯工艺技术之一, Unipol气相法将应用在聚乙烯生产装置中的流化床 工艺移植到聚丙烯工艺生产中,并获得成功。 表2国内采用Unipol工艺的主要装置 国产催化剂在Unipol气相法聚丙烯工艺生产 上也逐步进行了工业应用试验。如国产CS—G催化 剂和进口LYNX1010催化剂在Unipol气相法聚丙烯 装置上进行了对比。结果表明:2种催化剂的物性 较接近;在基本相同的工艺条件下,2种催化剂的催 化效率接近,耗氢量接近;使用2种催化剂生产的树 脂颗粒及产品性能相当。CS—G催化剂生产的产品 性能达到指标要求,而生产成本降低。表3为2种 胡廷芳 聚丙烯工艺技术进展及其国内应用情况 ・23・ 催化剂的物性对比。 表3 国产CS-G和进口催化剂的物性对比 1.3 Ineos公司的lnnovene聚丙烯工艺 一种催化剂可以生产均聚、无规共聚和抗冲共聚所 Ineos公司的Innovene气相法聚丙烯工艺采用 有范围内的聚丙烯产品。该工艺的主催化剂钛系催 化剂和助催化剂单独进料,利用丙烯液体单体作为 急冷液撤走反应热 表4。 。 国内采用Innovene工艺建设的主要装置见 2个串联的卧式反应器,可生产从高挠曲模量到低 温应用的抗冲聚丙烯。该工艺采用卧式反应器,接 近柱塞流型,有折流板和特殊的搅拌器系统,在1个 反应器内形成一定的粉料停留时间分布(RTD),相 当于3个全混流反应器串联的效果。工艺特点是用 表4 国内采用Innovene工艺的主要装置 目前,Ineos公司的Innovene气相法聚丙烯工艺 已比较成熟,工艺改进着重于催化剂的研发。从In— 成与进口催化剂相近,但微观结构与进口催化剂有 一定的差异,孔体积和孔径略大。工业应用结果表 eos公司进口的CD催化剂成本较高,国内Innovene 气相法聚丙烯工艺开始试用国产催化剂。 明:SAL催化剂聚合活性高、氢调性好,生产的PP粉 料粒径分布窄、粒形好、无超细粉、流动性好,工业装 北京燕山石化公司聚丙烯装置自2002年开工 后,已连续7年大批量持续稳定使用国产NG催化 剂,但随着装置负荷的提高,采用国产催化剂时聚合 温度出现波动,生产控制难度增大,产品质量下降。 此后,燕山石化在气相法聚丙烯装置上使用国产 SAL催化剂。试验结果表明:SAL催化剂的主要组 置运行平稳¨ 。用核磁共振、示差扫描量热、凝胶 渗透色谱等手段对用2种催化剂生产的聚丙烯的结 构和性能进行表征,结果显示:2种催化剂生产的聚 丙烯的机械性能相当,微观结构也基本一致。表5 列出了国产催化剂和进口催化剂的组成及物理结构 参数,可以看出差别不大。 表5 国产SAL和进口催化剂的主要组成及物理结构参数 独山子石化公司聚丙烯装置于2012年相继使 用了国产SPG催化剂和国产TEAL助剂。SPG与 CD催化剂相比,具有活性高、氢调性好、温度稳定 及PP粉料性能稳定等优点,可节约大量成本;国产 ・24・ 化学工业与工程技术 2013年第34卷第4期 TEAL助剂在聚丙烯装置上的应用较稳定,和进口 TEAL助剂性能差别较小。SPG与进口催化剂的物 性比较见表6;独山子石化公司应用国产SPG催化 剂和国产TEAL助剂后,其反应器温度和负荷的变 化见表7。 表6国产SPG和进口催化剂的主要成分比较 催化剂 催化剂进料量/(kg・h ) 第一反应器负荷/(t・h ) 第一反应器一区温度/℃耗氢量/(kg・h ) 由表7可见:对于相同的催化剂进料量,使用国 产SPG催化剂得到的第一反应器负荷较高,耗氢量 较低;反应器一区即催化剂进料区的温度波动较大, 的日臻成熟,国产催化剂因性能好、成本低,必将代 替进口催化剂而得到广泛应用。 进口TEAL和国产TEAL助剂对反应的影响见 表8。 但在可控范围(55~75℃)。因此,随着催化剂技术 表8进口TEAL和国产TEAL助剂对反应的影响 由表8可见:进口TEAL助剂对反应器温度和 调整未达到最佳值,因此需要对参数进行调整。 进口TEAL和国产TEAL助剂对第二反应器粉 末性能的影响见表9。 脱气仓耗低压蒸汽量的影响不大,反应器负荷略有 下降。可能在首次使用国产TEAL助剂时,按照进 口TEAL助剂的参数来操作,A1/Mg和A1/Si参数的 表9进口TEAL和国产TEAL助剂对粉末SC301性能的影响 由表9可见:进口TEAL助剂对主催化剂激活 1.4 ABB公司的Novolen工艺 性更好,粉末中含钛量少,但粉末直径小,大粒径的 粉末少,细粉多;使用国产TEAL助剂,粉末中细粉 量大大减少,随丙烯气到换热器的细粉减少明显,从 而减少换热器的结垢,延长了聚合反应换热器的使 用周期,节约了成本。因此,国产TEAL助剂具有很 大的优越性。 ABB公司Novolen工艺的主要特点是采用2个 并联/串联立式搅拌床反应器,最佳反应温度70~ 80℃,最佳反应压力2.2~3.2 MPa;聚合反应热靠 循环的液相冷凝丙烯蒸发带走;可生产均聚、无规共 聚和抗冲共聚的多个牌号产品。Novolen工艺新的 研究方向主要是中心催化剂的研发,消除过程中用 胡廷芳 聚丙烯工艺技术进展及其国内应用情况 ・25・ 于催化剂淤浆进料的庚烷溶剂,改进反应器的循环 剂相比,在生产的PP产品牌号为1102K、负荷18.5 t/h的工况下,BCND一1I催化剂活性可达26.9 t/kg 冷却系统,使小颗粒能重新返回聚合釜,从而减少催 化剂消耗,同时降低产品中的灰分。此外,改进聚合 釜的搅拌形式,使搅拌更有效节能;采用更加有效的 气体膜回收系统也是该工艺的改进方向 ”J。 汤豪等采用BCND一1I催化剂在225 kt/a Novo— len工艺聚丙烯装置上进行了工业应用试验,考察了 (基于每kg催化剂的PP产量),较参比催化剂约高 49%;工业装置运行平稳,聚合反应器温度控制稳定 (温度标准偏差仅0.79,而参比催化剂的温度标准 偏差1.59);生产的PP产品符合用户优级品的质量 要求,说明BCND一Ⅱ催化剂在Novolen工艺PP装置 上进行工业应用是可行的。 国内采用Novolen工艺的主要装置见表10。 该催化剂的各项性能及装置运行的平稳性、经济性 及PP产品的质量 。试验结果表明:与参比催化 表l0 国内采用Novolen工艺的主要装置 中国石油锦西石化分公司聚丙烯装置采用No- volen气相连续法生产工艺,使用国产CS一1一G丙烯 聚合高效催化剂。在工业生产应用中与进口催化剂 对比,CS一1一G催化剂达到了国产化的目的。表11 为2种催化剂的物性对比。 表11 国产CS一1一G和进口催化剂物性对比 2本体聚合工艺 生产抗冲共聚物则需要再串联1个气相反应器¨ 。 Sheripol工艺需用2步复合工艺来生产嵌段聚丙烯: 第一步采用环管反应器进行丙烯液相均聚反应;第 本体聚合工艺中,丙烯的聚合在液相丙烯中进 行,而不是在其他如己烷和庚烷的惰性溶剂中进行。 由于乙烯溶解度问题,所有的本体聚合工艺都要再 加1个气相聚合釜生产抗冲共聚物(再加上10%~ 25%的乙烯)。 2.1 Basell公司的Spheripol工艺 二步采用气相全混流流化床反应器进行丙烯均聚物 与乙烯单体气相共聚反应,即在气相反应器中,利用 来自环管反应器中的均聚物的残余催化剂活性,加 入乙烯和补充的丙烯及氢气,实现生产乙一丙共聚 Spheripol工艺的主要特点是采用1组或2组串 橡胶物。共聚物的生成使最终产品的抗冲性能大大 提高,尤其是低温下的抗冲性能。但该工艺生产负 荷低,开停工需要时间长,现已被逐步淘汰。国内采 用该工艺的装置生产能力较低,但为了平衡丙烯库 存能力,仍在使用中。 国内采用Spheripol工艺的主要装置见表12。 联的环管反应器生产聚丙烯均聚物和无规共聚物, 再串联1个或2个气相反应器生产抗冲共聚物,整 个工艺由催化剂进料、反应、单体闪蒸、循环、汽提、 挤出和混合单元组成。该工艺能用单环管反应器生 产几乎所有范围内的产品,但装置常用2个环管反 应器串联生产双峰产品来提高产品的机械性能,若 表12 国内采用Spheripol工艺的主要装置 ・26・ 化学工业与工程技术 2013年第34卷第4期 r}1 ]j2 2.2 Prime Polymer公司的Hypolu工艺 反应器组成。气相反应器主要用于生产抗冲无规共 聚物,反应操作条件因生产不同的产品而不同。该 工艺的另一个特点是不用挤出造粒,直接生产均一 的球形粒子。 国内采用Hypolu工艺建设的主要装置见 表131 Prime Polymer公司由Mitsui Chemicals公司和 Idemitsu Kosan公司于2005年合资组成,Hypolu工 艺即为原Mitsui Chemicals公司的Hypot lI工艺。 该工艺主要由催化剂进料、反应系统、单体闪蒸、循 环、汽提和聚合物处理单元组成。反应系统主要采 用1个或2个环管反应器,再串联1个气相流化床 表13国内采用Hypolu工艺的主要装置 3结语 [9]洪定一.聚丙烯原理工艺与技术[M].北京:中国石 化出版社,2002:97. 目前我国的大型聚丙烯生产装置以引进技术为 主,中型和小型聚丙烯生产装置以国产化技术为主。 [1O] MEI G,BECCARINI E,CAPUTO T,et a1.Recent techni— eal advances in polypropylene[J].Journal of Plastic Film and Sheeting,2009,25(2):95-113. 因此,国内聚丙烯研发机构应该在以下几方面重点 研究:①关注关键设备的大型化研究,提高装置的生 产能力,进一步降低聚丙烯产品的能耗和单耗;②与 催化剂研究单位合作,使生产工艺与新催化剂研发 相结合,开发高性能、高附加值的聚丙烯产品;③加 强对国外工艺技术的消化吸收应用和技术改进 工作。 参考文献: 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