CN100366638C - 一种烯烃聚合反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种烯烃聚合反应器，包括环状反应管道、轴流泵或离心泵、进料装置、出料装置、换热装置，在上行直管中，接有至少一个带出料装置的扩大段，所述的扩大段的内径至少为环管内径的2倍。本发明装置适用于在环管反应器中进行的聚合物的生产，尤其是聚乙烯和聚丙烯的生产。本发明装置可以实现颗粒的分级沉降分离和分级出料，得到粒径分布更加单一的产品，进而提高管道中的循环浆液浓度，从而大大提高整个装置的时空收率；而且可以减少泵的消耗功率；并按照需求对产品的粒径分布进行设计，减少产品中的灰份含量，从而提高产品质量。

Description

一种烯烃聚合反应器

技术领域

本发明涉及一种反应器，尤其涉及一种烯烃聚合反应器。

背景技术

环管反应器是本世纪六十年代发展起来的一种封闭的环状管式反应器，它在聚烯烃尤其是聚乙烯和聚丙烯的生产工艺中有着广泛的应用，例如Montell公司的Spheripol工艺(液相本体环管工艺)、Phillips的淤浆环管工艺，Borstar超临界聚合生产双峰聚乙烯的工艺等。

自从环管反应器被用作生产以来，许多研究者试图提高它以及在它内部发生的聚合过程的经济性，特别是过程的时空收率。而过程的时空收率受到两个因素的限制：管壁的移热速率和反应悬浮液中聚合物的含量。增加反应器中的浆液浓度，可以使得聚合物的出料更加有效，以及增加聚合物在反应器中的平均停留时间。

如国际专利公布号为WO-01/18069、WO-01/17675、WO-01/17676、WO-01/90204的专利文献所述，通过选择合适的催化剂，可以得到很高的浆液浓度。

通过对操作条件，例如温度、压力、悬浮介质、循环速度等的改变；操作方式，例如出料方式、进料方式等的改进也可以达到提高浆液浓度、加快管壁的移热速率，进而提高时空收率的目的。

公布号为CN98116048.4的专利申请提供了一种在环管反应器中连续出料的烯烃聚合方法。产物的连续提取使得反应可以在很高浓度的循环淤浆中进行。循环速度是影响反应器中实际最高浓度的一个重要因素。在反应器直径一定的情况下，较高的循环速度可允许有较高的浆液浓度。如果循环速度较低，聚合物会在反应器中积累而结垢。因此，循环速度越大，环管中允许的浆液浓度就越大。该专利文献指出更加激烈的循环能使环管内的浆液浓度增加7～9个百分点。

美国菲利普斯石油公司在美国专利US4813484中提出了一种从环管反应器的淤浆混合物中分离出聚合物的装置和方法。该专利的出料装置设置在水平管段，通过在沉降管中加设吹扫循环装置，可以增加沉降管中的淤浆浓度；减少稀释剂的含量，从而减少被闪蒸后回收循环使用的稀释剂的量，降低能耗；也可以洗出一定的细粉或催化剂残余很多的颗粒，循环进入反应区继续反应，从而提高产品质量。

Basell公司在国际专利公布号为WO2005028098，WO2005028097的专利文献中提出了一种变管径的淤浆环管反应器，该专利中的出料口设在水平管段，而不是变管径段。当管径在主管径的基础上变化率超过10％时，可以实现高浓操作。这是因为管径的变化使得流动条件发生改变，形成非均匀流动，有两方面的作用：一是可以增强多相反应物流间的混合，例如聚合单体在反应混合物中的扩散速度和悬浮介质中的溶解速度都得以增加，聚合速率也随之增加；二是有助于传热，使反应热的移出速率加快，这是因为同均匀流动相比，流体垂直管壁方向的运动被加强。专利中还提到采用多点进料的方式，也可以增强聚合单体和反应物的混合，从而提高浆液浓度。

发明内容

本发明提供一种烯烃聚合反应器，通过带有出料装置的扩大段和环管组成复合反应器，可以实现不同尺寸聚合物颗粒的分离，即大尺寸颗粒在扩大段内运动，以准备出料，高活性的小尺寸颗粒在环管内高速流动，继续反应，以满足传热的需要。

本发明的聚合反应器包括环状反应管道、轴流泵或离心泵、进料装置、出料装置、换热装置，在上行直管(管道中的流体向上流动)中，接有至少一个带出料装置的扩大段，所述的扩大段的内径至少为环管内径的2倍。

扩大段的内径可以根据生产要求进行调整。例如，希望得到粒径大于d_p的颗粒，已知管内流速u₀，管道内径为d，则扩大段的内径D可以根据下式进行估算：

$u_t=1.74\sqrt{\frac{d_p({\mathrm{\ρ}}_p-\mathrm{\ρ})g}{\mathrm{\ρ}}}$

$\frac{1}{4}{\mathrm{\πd}}^2{u}_0=\frac{1}{4}{\mathrm{\πD}}^2{u}_t$

其中，ρ_p是颗粒密度，ρ是介质密度，u_t是粒径为d_p的颗粒在扩大段内的最大自由沉降速度。

以聚丙烯的生产为例，工业环管反应器中的浆液循环速度一般在7～8m·s^-1，当扩大段的内径取环管内径的2倍时，根据上式可以计算出扩大段内浆液的流速为1.75～2m·s^-1。当扩大段的内径小于环管内径的2倍时，大部分颗粒都被夹带出扩大段，在环管中循环运动，而不能在扩大段中沉降。因此，扩大段的内径至少取环管内径的2倍。

扩大段的内径取环管内径的2～50倍，优选取2～20倍。扩大段与主管道连接处的锥角取15°～75°，优选取30°～60°。

环状反应管道包括两根或多于两根的竖直管，两根或多于两根的弯管，在上行直管中，所述的多个扩大段的内径可以相同也可以不同。多个扩大段既可以放置在同一个上行直管中，也可以放置在不同的上行直管中。扩大段之间可以串联、并联或混联。

进料装置可以放在环管区，也可以放在扩大段。优选是放在环管区。进料点可以有一个或多个。

出料装置优选的是放在扩大段底部。出料方式既可以是连续的，也可以是间歇的。

聚合反应主要在环管中进行，因而环管中的换热很重要。扩大段中也会有一定的聚合反应。换热装置既要放在环管区，也要放在扩大段。

在重力的作用下，浆液在扩大段中实现离析，大颗粒在扩大段中循环运动，而小颗粒则在环管中循环运动。不同内径的扩大段中可以对不同大小的颗粒实现沉降分离。沿着流体运动的方向设置内径逐渐变大的扩大段，可以对颗粒从大到小的实现分级沉降分离。在扩大段底部设有沉降管，即出料装置，把反应基本完成的大颗粒导出，可以在一套装置中得到不同粒径的、粒径分布更窄的聚烯烃。

颗粒的离析使得管道中循环运动主要是小颗粒，在反应器的表观浓度很高的情况下，管道中的循环浆液的浓度却不是很高。这样一来可以减少泵的消耗功率；二来可以提高管道中的循环浆液浓度，从而提高整个装置的时空收率；三来可以减少细颗粒的带出，进一步减少产品中的灰份，从而提高产品质量。

本发明适用于聚烯烃，尤其是聚乙烯和聚丙烯的生产。本发明也适用于其它在环管反应器中进行的聚合物的生产。

本发明使得反应器中大颗粒与小颗粒分区运动，既可以显著提高反应器中的浆液浓度，又可以大幅度地减少泵的功率消耗，具有很强的现实意义和较高的应用价值。本发明反应器，具有如下显著特点：

1)可以提高管道中的循环浆液浓度，从而大大提高整个装置的时空收率；

2)可以实现颗粒的分级沉降分离和分级出料，得到粒径分布更加单一的产品；

3)可以按照需求对产品的粒径分布进行设计；

4)可以减少泵的消耗功率；

5)可以减少细颗粒的带出，进一步减少产品中的灰份含量，从而提高产品质量。

附图说明

图1为本发明由三根直管、两根弯管、一个扩大段顺序连接而成的一种实施方式结构示意图；

图2为本发明由七根直管、四根弯管、三个扩大段顺序连接而成的另一种实施方式结构示意图；

图3为本发明由四根直管、四根弯管、一个扩大段顺序连接而成的又一种实施方式结构示意图；

图4为本发明由三根直管、两根弯管、两个扩大段顺序连接而成的再一种实施方式结构示意图。

具体实施方式

实施例1：

一个用于聚乙烯(PE)生产的聚合反应器，如图1所示。反应器由三根直管、两根弯管、一个扩大段顺序连接而成，在上行管的下端设有轴流泵或离心泵2，在轴流泵或离心泵的作用下，浆液在管道1内作高速循环，流动方向如图中箭头所示。反应物料4采用多点进料的方式从图示位置加入。在第一根上行管中设有扩大段3，在扩大段3的底部设有出料装置5，出料装置采用沉降管，物料在沉降管中沉积，然后采用间歇或连续的方式排出。环管区和扩大段均设有换热装置。

扩大段的相关参数如下表所示：

表1聚合反应器中扩大段的相关参数

	扩大段内径/主环管内径	锥角	沉降管数
				扩大段	6	15°	2

采用二氧化硅负载的铬系催化剂，用异丁烷作稀释剂，进行乙烯和丁烯的共聚，聚合压力3.8MPa，聚合温度100℃，管内流速8m·s^-1，间歇出料。泵的功耗、淤浆的固含量和聚乙烯灰份含量见表5。

实施例2：

一个用于聚丙烯(PP)生产的聚合反应器，如图2所示。反应器由七根直管、四根弯管、三个扩大段顺序连接而成，在第一根上行管的下端设有轴流泵或离心泵2，在轴流泵或离心泵的作用下，浆液在管道1内作高速循环，流动方向如图中箭头所示。反应物料6采用多点进料的方式从图示的两个位置加入。在第一根上行管中设有两个扩大段3和4，在第二根上行管中设有一个扩大段5。在三个扩大段3、4、5的底部设有三个沉降管7、8、9，物料在沉降管中沉积，然后采用间歇或连续的方式排出。沿着流体运动的方向，三个扩大段的内径依次增大。环管区和扩大段均设有换热装置。

三个扩大段的相关参数如下表所示：

表2聚合反应器中扩大段的相关参数

扩大段	扩大段内径/主环管内径	锥角	沉降管数
				345	22050	15°45°75°	321

采用钛系络合催化剂，用正己烷作稀释剂，进行无规聚丙烯的生产，聚合压力3.3MPa，聚合温度70℃，管内流速7m·s^-1，连续出料。泵的功耗、淤浆的固含量和聚丙烯的灰份含量见表5。

实施例3：

一个用于聚乙烯生产的聚合反应器，如图3所示。反应器由四根直管、四根弯管、一个扩大段顺序连接而成，在两根下行管的下端设有轴流泵或离心泵5、6，在轴流泵或离心泵的作用下，浆液在管道1、2内作高速循环，流动方向如图中箭头所示。反应物料4从图示的两个位置加入。在上行管中设有一个扩大段3，扩大段的底部设有三个沉降管7、8、9，物料在沉降管中沉积，然后采用间歇或连续的方式排出。环管区和扩大段均设有换热装置。

扩大段的相关参数如下表所示：

表3聚合反应器中扩大段的相关参数

	扩大段内径/主环管内径	倒角	沉降管数
				扩大段	6	60°	2

采用二氧化硅负载的铬系催化剂，用异丁烷作稀释剂，进行乙烯和丁烯的共聚，聚合压力3.8MPa，聚合温度100℃，管内流速8m·s^-1，间歇出料。泵的功耗、淤浆的固含量和聚乙烯灰份含量见表5。

实施例4：

一个用于聚丙烯生产的聚合反应器，如图4所示。反应器由三根直管、两根弯管、两个扩大段顺序连接而成，在上行管的下端设有轴流泵或离心泵4。在轴流泵或离心泵的作用下，浆液在管道1内作高速循环，流动方向如图中箭头所示。反应物料5从图示的位置加入。在上行管中并联设有两个扩大段2、3，扩大段的底部设有沉降管6、7，物料在沉降管中沉积，然后采用间歇或连续的方式排出。环管区和扩大段均设有换热装置。

扩大段的相关参数如下表所示：

表4聚合反应器中扩大段的相关参数

扩大段	扩大段内径/主环管内径	倒角	沉降管数
				12	810	20°30°	11

采用钛系络合催化剂，用正己烷作稀释剂，进行无规聚丙烯的生产，聚合压力3.3MPa，聚合温度70℃，管内流速7m·s^-1，连续出料。泵的功耗、淤浆的固含量和聚丙烯灰份含量见表5。

对照实施例1：

一个用于聚乙烯(PE)生产的普通工业环管反应器，采用二氧化硅负载的铬系催化剂，用异丁烷作稀释剂，进行乙烯和丁烯的共聚，聚合压力3.8MPa，聚合温度100℃，管内流速8m·s^-1，间歇出料。泵的功耗、淤浆的固含量和聚丙烯的灰份含量见表5。

对照实施例2：

一个用于聚丙烯(PP)生产的普通工业环管反应器，采用钛系络合催化剂，用正己烷作稀释剂，进行无规聚丙烯的生产，聚合压力3.3MPa，聚合温度70℃，管内流速7m·s^-1，连续出料。泵的功耗、淤浆的固含量和聚丙烯的灰份含量见表5。

四个实施例及二个对照实施例中反应器中的固含量(重量比)、泵的功耗、产品中的灰份含量如下表所示：

表5四个实施例中的相关参数的比较

实施例		固含量(％)	泵的功耗(kw)	产品中的灰份含量(％)
					对照实施例113	PEPEPE	～455550	～200～170～160	0.02～0.033＜0.001＜0.001
对照实施例224	PPPPPP	～536558	180～200～150～160	～0.004＜0.0001＜0.0001

从表5中可以看出，使用本发明所述的聚合反应器生产聚乙烯后，反应器中的平均固含量从约45％提高到55％，泵的功耗从约200kw下降到160kw，产品中的灰份含量从0.02～0.033％减少到不到0.001％；使用本发明所述的聚合反应器生产聚丙烯后，反应器中的平均固含量从约53％提高到65％，泵的功耗从约200kw下降到150kw，产品中的灰份含量从0.004％减少到不到0.0001％。由此可见，本发明涉及的聚合反应器能有效地提高反应器中的浆液浓度，降低泵的功耗，减少反应器中的灰份含量。

Claims (8)

1.一种烯烃聚合反应器，包括环状反应管道、轴流泵或离心泵、进料装置、出料装置、换热装置，其特征在于：在上行直管中，接有至少一个底部带有出料装置的扩大段，所述的扩大段的内径至少为环管内径的2倍。

2.根据权利要求1所述的烯烃聚合反应器，其特征在于：扩大段的内径是环管内径的2～50倍。

3.根据权利要求2所述的烯烃聚合反应器，其特征在于：扩大段的内径是环管内径的2～20倍。

4.根据权利要求1所述的烯烃聚合反应器，其特征在于：扩大段与环管道连接处的锥角为15°～75°。

5.根据权利要求4所述的烯烃聚合反应器，其特征在于：扩大段与环管道连接处的锥角为30°～60°。

6.根据权利要求1所述的烯烃聚合反应器，其特征在于：环状反应管道包括两根或多于两根的竖直管，两根或多于两根的弯管，在上行直管中，所述的多个扩大段的内径可以相同也可以不同。

7.根据权利要求1所述的烯烃聚合反应器，其特征在于：多个扩大段既可以放置在同一个上行直管中，也可以放置在不同的上行直管中，扩大段之间可以串联、并联或混联。

8.根据权利要求1所述的烯烃聚合反应器，其特征在于：进料装置设置在环管区，进料点可以有一个或多个。

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