BRPI0714363A2 - processo e aparelho para a polimerizaÇço de olefinas - Google Patents

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Kenneth Alan Dooley
Bailey James Salmon
Mark Dwayne Lorenz
Paul Keith Scherrer
Robert Lin
David Lynn Meade
Wayne Scott Strasser
Dwayne Ray Leonard
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Abstract

PROCESSO E APARELHO PARA A POLIMERIZAÇçO DE OLEFINAS. É apresentado um processo e um aparelho para a polimerização em fase gasosa de olefinas em um reator de leito fluidizado. O processo e o aparelho utilizam um ejetor de finos orientado verticalmente para reduzir a incrustação e o tempo de parada do reator.

Description

"PROCESSO E APARELHO PARA A POLIMERIZAÇÃO DE OLEFINAS"
CAMPO DA INVENÇÃO A invenção refere-se genericamente a um processo e a um aparelho para a polimerização em fase gasosa de olefmas em um reator de leito fluidizado. O processo e o aparelho utilizam um ejetor de finos orientado verticalmente para reduzir a incrustação e o tempo de parada do reator.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO Em um processo de polimerização de olefmas em leito fluidizado, típico em fase gasosa, as partículas poliméricas finas são passadas sobre o reator e são removidas da corrente gasosa de reciclo utilizando-se separadores de ciclone ou centrífugos. Os finos coletados são retirados do fundo do separador utilizando um ejetor, e a partir do mesmo, são retornados para o reator. Tal sistema é descrito na patente americana de número 4.882.400, o teor integral da qual é incorporado aqui como referência.
Os ejetores utilizados atualmente e discutidos especificamente na patente '400 têm um desenho horizontal. Um ejetor de finos orientado horizontalmente é mostrado na figura 1. Em um ejetor de finos típico horizontal 10, uma corrente gasosa 11 entra no ejetor 10 horizontalmente conforme mostrado na figura 1. A corrente gasosa 11 fornece uma força motriz para a retirada dos finos e do gás 12 do separador (não mostrado), incorporando os mesmos na corrente gasosa 11, e direcionando os mesmos 13 para o reator (não mostrado) no qual eles são posteriormente re-injetados.
Em um processo de polimerização de poliolefinas em leito fluidizado, contínuo, em fase gasosa, é comum que o circuito de recirculação de gás e o equipamento sejam incrustados até o ponto em que é requerido periodicamente uma parada para limpeza. A incrustação é especialmente severa em ejetores horizontais de finos 10, porque a corrente gasosa polimérica contendo pó 12 dos separadores de finos (não mostrados) é forçada a mudar de direção, tipicamente 90°, dentro do ejetor 10. O pó e algumas vezes, mesmo chapas de polímeros, tendem a se acumular na área 14 e reduzir a eficiência ou mesmo entupir o ejetor 10.
A incrustação é tão severa no ejetor de desenho convencional que em média, é requerida limpeza para remover o acúmulo de polímero a cada dois meses, resultando em paradas freqüentes da planta, despesas excessivas de limpeza, e perda de produção inaceitável. Em casos extremos, a incrustação pesada nas partes internas do ejetor impede significativamente o desempenho do ejetor e tem resultado em bloqueios do fluxo e paradas não planejadas do reator.
Um dos objetivos desta invenção, portanto, é resolver os
problemas associados com os ejetores horizontais de finos e prolongar o tempo entre as limpezas dos ejetores.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO Em um aspecto, a invenção apresenta um processo para a polimerização de olefinas. O processo é composto de:
(a) contato de uma ou mais olefinas com um catalisador de em um reator de leito fluidizado sob condições de polimerização para formar uma corrente ascendente de gás compreende partículas poliméricas finas e olefinas não reagidas;
(b) a passagem da corrente gasosa ascendente para um
separador de finos para separar as partículas poliméricas finas das olefinas não reagidas;
(c) a passagem das partículas finas poliméricas do separador de finos para um ejetor de finos orientado verticalmente; e (d) a introdução de um gás impulsionador no ejetor de finos
orientado verticalmente para direcionar as partículas poliméricas finas de volta para o reator de leito fluidizado.
Em outro aspecto, a invenção apresenta um aparelho para a polimerização de olefinas. O aparelho é composto de: (a) um reator de leito fluidizado para o contato de uma ou mais olefinas com um catalisador sob condições de polimerização para formar uma corrente ascendente gasosa composta de partículas poliméricas finas e de olefinas não reagidas;
(b) um separador de finos em comunicação fluida com o reator
de leito fluidizado para a separação das partículas poliméricas finas das olefinas não reagidas; e
(c) um ejetor de finos orientado verticalmente em comunicação fluida com o separador de finos para direcionar as partículas poliméricas finas de volta para o reator de leito fluidizado.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS A figura 1 é uma vista de seção em corte de um ejetor de finos convencional orientado horizontalmente.
A figura 2 é uma vista de seção em corte de um ejetor de finos orientado verticalmente de acordo com a invenção.
A figura 3 é uma vista de seção em corte de outro ejetor de finos orientado verticalmente de acordo com a invenção.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO Em um primeiro aspecto, a invenção apresenta um processo para a polimerização de olefinas. O processo é composto de:
(a) contato de uma ou mais olefinas com um catalisador em um reator de leito fluidizado sob condições de polimerização para formar uma corrente gasosa ascendente composta de partículas poliméricas finas e olefinas não reagidas; (b) a passagem da corrente gasosa ascendente para um
separador de finos, para separar as partículas poliméricas finas das olefinas não reagidas;
(c) a passagem das partículas poliméricas finas do separador de finos para um ejetor de finos orientado verticalmente; e (d) a introdução de um gás impulsionador para dentro do ejetor de finos orientado verticalmente para direcionar as partículas poliméricas finas de volta para o reator de leito fluidizado.
As olefmas adequadas para uso na invenção incluem, por exemplo, aquelas contendo dois a seis átomos de carbono. As olefmas podem ser polimerizadas para formarem homopolímeros, copolímeros, terpolímeros, e semelhantes. São especialmente preferidos para a preparação aqui os polietilenos. Tais polietilenos incluem homopolímeros de etileno e copolímeros de etileno e pelo menos uma alfa-olefina, onde o teor de etileno é pelo menos cerca de 50% em peso do total de monômeros envolvidos. Alfa- olefinas de exemplo que podem ser utilizadas são propileno, 1-buteno, 1- penteno, 1-hexeno, 1-hepteno, 1-octeno, 4-metil-l-penteno, 1-deceno, 1- dodeceno, 1-hexadeceno e semelhantes. São também utilizáveis aqui os polienos tais como 1,3-hexadieno, 1,4-hexadieno, 1,5-hexadieno, ciclopentadieno, diciclopentadieno, 4-vinilciclohex-l-eno, 1,5-ciclooctadieno, 5-vinilideno-2-norborneno, 5-vinil-2-norborneno, e olefmas formadas in situ no meio de polimerização. Quando as olefmas são formadas in situ no meio de polimerização, poderá ocorrer a formação de polietilenos contendo ramificações de cadeia longa.
Na presente invenção, poderá ser utilizado qualquer catalisador para a polimerização de olefinas. De preferência, o catalisador de polimerização de olefinas é composto pelo menos de um metal escolhido dos grupos 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 e 13 da Tabela Periódica de Elementos. Metais de exemplo são titânio, zircônio, vanádio, ferro, cromo, níquel e alumínio. O catalisador de polimerização de olefinas poderá ser neutro ou catiônico.
São exemplos de tais catalisadores de polimerização: 1. Qualquer composto contendo um elemento do grupo 6. São preferidos os compostos contendo cromo. São exemplos os catalisadores de óxido de cromo que polimerizam etileno até polietilenos de alta densidade e alto peso molecular (HDPE) tendo uma ampla distribuição de peso molecular. Estes catalisadores, tipicamente são baseados em Cr(6+) e são suportados sobre um veículo. Outros exemplos são catalisadores organo-cromo, tais como bis(trifenilsilil) cromatos suportados sobre sílica e ativados com compostos organo-alumínio, e bis(ciclopentadienil)cromo suportados sobre sílica.
2. Catalisadores Ziegbler-Natta que tipicamente contêm um componente de metal de transição e um co-catalisador organometálico, como um composto organo-alumínio.
3. Um catalisador de polimerização de olefinas que polimeriza olefinas para a produção de interpolímeros de olefinas tendo uma distribuição de peso molecular (MWD) de 1 a 2,5.
4. Catalisadores de metaloceno que contêm um componente de metal de transição tendo pelo menos um radical escolhido de ciclopentadienil substituído ou não substituído, pentadienil substituído ou não substituído, pirrol substituído ou não substituído, fosfol substituído ou não substituído, arsol substituído ou não substituído, borata-benzeno substituído ou não substituído, e carborano substituído ou não substituído e um co-catalisador organometálico que tipicamente é alquil aluminoxano, como metil aluminoxano, ou um composto de boro aril substituído.
5. Qualquer composto contendo um elemento do grupo 13. São preferidos os compostos contendo alumínio. São exemplos os catalisadores do tipo descrito na patente americana de número 5.777.120, como os complexos catiônicos de alquil amidinato de alumínio com um co-catalisador organometálico que tipicamente é alquil aluminoxano, como metil aluminoxano, ou um composto contendo boro aril substituído.
6. Qualquer composto contendo um elemento do grupo 10. São preferidos os compostos contendo níquel. São exemplos os catalisadores do tipo descrito na patente americana de número 5.866.663, como os complexos catiônicos de alquil diimina de níquel com um co-catalisador organometálico que tipicamente é o alquil aluminoxano, como metil aluminoxano, ou um composto contendo boro aril substituído. Outros exemplos são catalisadores do tipo descrito em Organometallics, 1998, volume 17, páginas 3149 -3151, como complexos neutros de alquil saliciladiminato de níquel.
7. Qualquer composto contendo um elemento do grupo 8. São preferidos os compostos contendo ferro. São exemplos os catalisadores do tipo descrito em "Journal of the American Chemical Society", 1998, volume
120, páginas 7143 -7144, tais como os complexos catiônicos de ferro alquil piridinabisimina com um co-catalisador organometálico que tipicamente é um alquil aluminoxano, como metil aluminoxano, ou um composto contendo um boro aril substituído.
8. Qualquer composto contendo um elemento do grupo 4. São preferidos os compostos contendo titânio e zircônio. São exemplos os
catalisadores do tipo descrito no "Journal of the American Chemical Society", 1996, volume 118, páginas 10.008 -10.009, tais como os complexos catiônicos de titânio alquil diamida com um co-catalisador organometálico que tipicamente é um alquil aluminoxano, como metil aluminoxano, ou um composto contendo boro aril substituído.
Os catalisadores acima são, ou podem ser, suportados sobre veículos de particulados porosos inertes, conhecidos na técnica.
Qualquer reator de leito fluidizado para a polimerização de olefinas poderá ser utilizado no processo da presente invenção. Tipicamente, tal reator de leito fluidizado é composto de uma zona de reação e uma assim chamada zona de redução de velocidade. A zona de reação é composta de um leito de partículas poliméricas em crescimento, formado por partículas poliméricas, e uma pequena quantidade de partículas do catalisador fluidizado por um fluxo contínuo de monômero gasoso e diluente para a remoção de calor de polimerização da zona de reação. Uma quantidade adequada de fluxo de gás poderá ser determinada rapidamente através de experiência simples.
A polimerização geralmente é executada em uma pressão em torno de 0,5 a cerca de 5 MPa, e em uma temperatura de cerca de 30°C a cerca de 150°C. A mistura gasosa passando através do reator de polimerização de leito fluidizado poderá conter, entre as olefinas a serem polimerizadas, dienos, hidrogênio, e um gás que é inerte em relação ao catalisador, como nitrogênio, metano, etano e/ou propano. A mistura gasosa passa através do leito fluidizado como uma corrente ascendente, com uma velocidade de fluidização que geralmente está entre 2 e 8 vezes a velocidade mínima de fluidização, por exemplo, entre 0,2 e 0,8 m/s.
Uma corrente gasosa ascendente, que é composta de partículas poliméricas arrastadas e olefinas não reagidas, que deixam a zona de reação, é passada para a zona de redução de velocidade onde são removidas as partículas arrastadas. As partículas poliméricas arrastadas mais finas e a corrente gasosa ascendente são passadas para um separador de finos, como um ciclone e/ou um filtro de finos, para a separação das partículas poliméricas das olefinas não reagidas. O gás contendo olefinas não reagidas do separador de finos pode então ser passado através de um trocador de calor, onde o calor de polimerização é removido, é comprimido em um compressor, e então é retornado para a zona de reação em um circuito de recirculação. Opcionalmente, parte dos gases recirculados poderá ser resfriada e comprimida para formar líquidos que aumentam a capacidade de remoção de calor da corrente de gás circulante quando readmitida na zona de reação.
De acordo com a invenção, as partículas poliméricas finas separadas das olefinas não reagidas são passadas para um ejetor de finos orientado verticalmente. O "ejetor de finos orientado verticalmente" refere-se a um ejetor de finos que não força a corrente de finos que escoa através do mesmo a mudar de direção, por exemplo, 90°. Em uma realização preferida, o fluxo de finos é substancialmente vertical para dentro do ejetor de finos orientado verticalmente e continua a escoar substancialmente verticalmente após sair do ejetor.
Um gás impulsionador é introduzido no ejetor de finos orientado verticalmente para direcionar as partículas poliméricas finas de volta para o reator de leito fluidizado. O gás impulsionador poderá conter um gás que é inerte em relação ao catalisador utilizado durante a reação de polimerização, como o nitrogênio. O gás impulsionador poderá também conter as olefinas que são introduzidas no reator. De preferência, uma fração do gás do circuito de reciclagem contendo olefinas não reagidas que foi resfriada e comprimida, é utilizada como parte ou como todo o gás impulsionador.
Tendo em mente o fato de que as partículas poliméricas finas reintroduzidas no reator de leito fluidizado podem conter um catalisador de atividade elevada, é preferível utilizar-se um gás impulsionador cuja temperatura seja pelo menos de 150C menor do que a temperatura de polimerização no reator de leito fluidizado. Isto é especialmente preferido quando o gás impulsionador contém pelo menos uma olefina, para evitar uma reação prematura de polimerização no ejetor de finos orientado verticalmente ou na tubulação de reintrodução, que poderia provocar o bloqueio do ejetor ou da tubulação.
Em uma realização da invenção, o ejetor de finos orientado verticalmente tem a configuração mostrada na figura 2. Na figura 2, as partículas poliméricas finas e o gás 22 que sai do separador de finos (não mostrado) entram no ejetor de finos orientado verticalmente 20 em uma direção substancialmente vertical. O gás impulsionador 21 é introduzido no ejetor de finos 20 como uma corrente anular 24, que envolve a corrente de partículas poliméricas finas 22 que entram no ejetor 20 e empurra as partículas 23 em uma direção substancialmente vertical de volta para o reator de leito fluidizado. No ejetor 20, ambas as partículas poliméricas finas que entram 22 e as partículas que saem 23 se deslocam substancialmente na mesma direção geral e assim sendo, existe uma área superficial interna mínima ou nenhuma para que as partículas poliméricas finas se concentrem e se acumulem para provocar uma incrustação não desejada ou o entupimento do ejetor 20. Adicionalmente, como o gás carregado de pó 22 que entra na seção convergente do ejetor é direcionado em um envelope anular do gás impulsionador 24, há um contato mínimo entre as partículas poliméricas e as superfícies internas do ejetor.
Em outra realização da invenção, o ejetor de finos orientado verticalmente tem a configuração mostrada na figura 3. Na figura 3, as partículas poliméricas finas e o gás 32 que sai do separador de finos (não mostrado) entram no ejetor de finos orientado verticalmente 30 em uma direção substancialmente vertical. O gás impulsionador 31 é introduzido no ejetor de finos 30 através do orifício 34 como uma corrente dentro da corrente de partículas poliméricas finas em escoamento 32 que entram no ejetor 30. O gás impulsionador 31 desloca as partículas 33 em uma direção substancialmente vertical de volta para o reator de leito fluidizado. No ejetor 30, ambas as partículas poliméricas finas que entram 32 e as partículas que saem 33 se deslocam substancialmente na mesma direção geral e assim sendo, existe uma área mínima ou nenhuma área para que as partículas poliméricas finas se concentrem e se acumulam para provocar uma incrustação indesejável e o entupimento do ejetor 30.
O gás impulsionador é fornecido em uma quantidade suficiente para produzir a compressão requerida para puxar as correntes 12, 22, ou 32 do separador de finos e para liberar as correntes 13, 23, e 33 para o reator. A quantidade exata depende das condições específicas de processo e do equipamento utilizado, mas poderão ser determinadas pelas pessoas adestradas na técnica.
Em um segundo aspecto, a invenção apresenta um aparelho para a polimerização de olefinas. O aparelho é composto de: (a) um reator de leito fluidizado para o contato de uma ou mais olefmas com um catalisador sob condições de polimerização para formar uma corrente gasosa ascendente composta de partículas poliméricas finas e olefínas não reagidas;
(b) um separador de finos em comunicação fluida com o reator de leito fluidizado para a separação das partículas poliméricas finas e das olefmas não reagidas;
(c) um ejetor de finos orientado verticalmente em comunicação fluida com o separador de finos para direcionar as partículas poliméricas finas de volta para o reator de leito fluidizado.
O aparelho pode ser ainda composto de um trocador de calor para o resfriamento das olefmas não reagidas do separador de finos, um compressor para a compressão das olefínas não reagidas resfriadas, e um duto para a reciclagem das olefínas não reagidas comprimidas e resfriadas de volta para o reator de leito fluidizado.
O aparelho também pode ser ainda composto de um duto para o direcionamento pelo menos de uma porção das olefínas não reagidas resfriadas e comprimidas para o ejetor de finos orientado verticalmente.
Em uma realização, conforme visto na figura 2, o ejetor de finos orientado verticalmente 20 é composto de um anel 24 para a introdução de uma corrente anular de um gás impulsionador 21 ao redor de uma corrente das partículas poliméricas finas 22.
Em outra realização, conforme visto na figura 3, o ejetor de finos orientado verticalmente 30 é composto de um orifício 34 para a introdução de um gás impulsionador 31 para dentro de uma corrente de partículas poliméricas finas 32.
A invenção foi descrita em detalhes, com referência específica às realizações preferidas da mesma, mas será entendido que podem ser feitas variações e modificações na mesma, dentro do espírito e do escopo da invenção.

Claims (10)

1. Processo para a polimerização de olefmas, caracterizado pelo fato de compreender: (a) contato de uma ou mais olefmas com um catalisador em um reator de leito fluidizado, sob condições de polimerização, para formar uma corrente ascendente de gás compreende partículas poliméricas finas e olefinas não reagidas; (b) a passagem da corrente gasosa ascendente para um separador de finos para separar as partículas poliméricas finas das olefinas não reagidas; (b) a passagem das partículas poliméricas finas do separador de finos para um ejetor de finos verticalmente orientados; (c) a introdução de um gás impulsionador para dentro do ejetor orientado verticalmente para direcionar as partículas poliméricas finas de volta para o reator de leito fluidizado.
2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do gás impulsionador ser introduzido para dentro de uma corrente de partículas poliméricas finas.
3. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do gás impulsionador ser introduzido como uma corrente anular que escoa por fora de uma corrente das partículas poliméricas finas.
4. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente a passagem das olefinas não reagidas do separador de finos para um trocador de calor para o resfriamento das olefinas não reagidas, passando as olefinas não reagidas resfriadas para um compressor, para a compressão das olefinas não reagidas resfriadas, e a introdução das olefinas não reagidas resfriadas e comprimidas de volta para o reator de leito fluidizado.
5. Processo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato do gás impulsionador compreender pelo menos de uma porção das olefinas não reagidas resfriadas e comprimidas.
6. Aparelho para a polimerização de olefinas, caracterizado pelo fato de compreender: (a) um reator de leito fluidizado para o contato de uma ou mais olefinas com um catalisador, sob condições de polimerização, para formar uma corrente gasosa ascendente que compreende partículas poliméricas finas e olefinas não reagidas; (b) um separador de finos em comunicação fluida com o reator de leito fluidizado para a separação das partículas poliméricas finas das olefinas não reagidas; e (c) um ejetor de finos orientado verticalmente em comunicação fluida com o separador de finos, para direcionar as partículas poliméricas finas de volta para o reator de leito fluidizado.
7. Aparelho de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato do ejetor de finos orientado verticalmente compreender um orifício para a introdução de um gás impulsionador para dentro de uma corrente de partículas poliméricas finas.
8. Aparelho de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato do ejetor de finos orientado verticalmente compreender um anel para a introdução de uma corrente anular de um gás impulsionador ao redor de uma corrente das partículas poliméricas finas.
9. Aparelho de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de ser compreender um trocador de calor para o resfriamento das olefinas não reagidas do separador de finos, um compressor para a compressão das olefinas não reagidas resfriadas, e um duto para a reciclagem das olefinas não reagidas resfriadas e comprimidas de volta para o reator de leito fluidizado.
10. Aparelho de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente um duto para o direcionamento pelo menos de uma porção das olefinas não reagidas resfriadas e comprimidas para o ejetor de finos orientado verticalmente.
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