CN1005836B - 配给装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种旋转式配量装置，以使配给难于处理的细小微粒构成的粒状物质成为可能。该装置由在有进出料口的壳体内绕水平轴旋转的球状芯子构成。球状芯子在其表面上做有至少一个开口的空腔，芯子内有侧壁和底面。该空腔有由两个回转体Ｖ1和Ｖ2所组成的形体，它的同轴并且相连，同时该轴与球状芯子旋转轴垂直。回转体Ｖ2是一回转截顶圆锥体或是一回转圆柱体。

Description

配给装置
本发明涉及一种旋转型的配量装置，这使得可靠地配给某种确定量的粒状物质成为可能。该装置特别适用于将某种带催化活性的粒状物质注入到一个α-烯烃聚合反应器中，在反应器中的聚合反应是在相对低压状态中完成的，更具体地说，则是注入一个气相α-烯烃聚合反应器中，例如是一个流化床状态下工作的聚合反应器。
在低压α-烯烃聚合反应工艺中所遇到的一个困难在于要能够可靠而有规律地向一个聚合反应器中注入确定数量的带催化活性的粒状物质。这种具有催化活性的粒状物质一般是以一种连续的方式被注入到不间断的聚合反应中的。当注入到该反应器中的粒状物质一次与下一次的量有明显不同时，就会发现所生成的聚合物的量是不均匀的，并且在该聚合反应介质中带催化活性的粒状物质的集中成为不均匀，至使一些区域中可能产生反应速度过快的情况而导致“热点”的形成，甚至生成融熔聚合物的附聚物，从而容易导致聚合反应的停止。
这种困难往往起源于所注入粒状物质的性质。这种粒状物质或是难于处理或是不易流动，特别是当它们是由很细小的微粒所组成时，比如说：其平均直径在10至500微米之间。尤其是在这种情况下，由齐格勒-纳塔型（The Ziegler-Natta type）催化系统或以氧化铬合物为基础的催化剂或是含有这些催化系统、催化剂的预聚合物而组成的在低压下α-烯烃聚合反应工艺中所采用的催化活性的粒状物质。当这些具有催化活性的粒状物质处于物理应力状态时，例如注入聚合反应器过程中受压、这些粒状物质的内聚力、还有它们与腔壁的粘结力，显著增加至使操作困难。另外，当这些粒状物质由预聚物构成时，这些困难还可能由于静电现象而加大。
更大的困难还基于以下事实。通常是把这些粒状物质注入一个管子或一个腔室，在那里的压力要比通常的大气压力大，例如是在0.5至5百万帕斯卡（Mpa）。因此，为了避免大量气体的损失或防止在阻塞危险下工作的配量装置引起的过早反应，用于配给粒状物质的配量装置则必须始终具有完善的总体密封性。
现在已知的所使用的一种旋转型配量装置由装在一个壳体中绕轴转动的一个旋塞所构成，该旋塞上做有一个带两个开口的内部空腔，空腔交替地填以粒状物质，例如来自一个储料腔，而后又在能将粒状物质带进所去腔室的管子中的载气压力作用下而卸空这些粒状物质。然而，这种装置的缺点是允许大量的载气通过该空腔，这是由于该空腔具有双开口造成的。
现在还有一种旋转型配量装置，其构成为，在一个壳体中绕水平轴旋转的一个圆柱形或圆锥形的一个阀。这种圆锥形旋塞上做有至少一个凹进的腔，当它旋转时，凹腔可交替地与该阀的进出口联通。该凹腔一般做成回转圆柱体形，或是做成其底部可以是类似球状的截圆锥形。但是由于机械方面的原因，这种装置通常不能配给以大量的粒状物质。另外，在所用粒状物质受到相对高压时，采用圆柱或圆锥旋塞的阀不宜具备令人满意的气体密封。已经观察到配给的粒状物质趋向于通过该装置壳体与该圆柱或圆锥旋塞间的间隙，这会引起该装置的运动部件的磨耗并降低其气封性。流进所说间隙处的粒状物质也可引起阻塞或胶粘住该装置。由于旋塞一般都是以水平方向被压配进装置的壳体中以增加气密性，而使现有的带圆锥旋塞的配量装置特别令人不满意。无论如何，这种水平方向的挤压增加了运动部件的磨耗并使阻塞，胶粘及气密问题更为严重。
另一种现已有的旋转型配量装置由绕水平轴旋转的球状旋塞阀组成，其球状旋塞阀具有圆柱形的凹腔，且与水平轴垂直，在空腔里有一个其直径接近于凹腔直径的运动部件（例如活塞或球形塞）在滑动，它们依靠着空腔交替地使给定量的粒状物质进入此空腔或排出它们。由经验可知，该装置在工厂以高频率反复使用时，凹腔里频繁的滑动由于在粒状物质里的细小微粒而引起阻塞，使配量装置不易操作。
现有一种旋转型配量装置能够克服上面提到的困难。具体地说，本发明涉及一种装置，一方面它提供了令人满意的气体密封，另一方面，能在相对高压状态下可靠地将一个预定量的粒状物质配给进一根管子或一个腔室而无需担心阻塞。特别是这种配量装置使得对不易流动，低压状态下比较容易滞留、以及由于存在于微粒间的内聚力而容易形成聚集的这些粒状物质的处理成为可能。
根据本发明的配量装置尤其适用于按照ASTM-D-1895-69-77的标准方法不能流过进料斗的各种粒状物质。
本发明提供的旋转型配量装置用以配给确定数量的粒状物质，其构成为：由一个沿水平方向轴上可旋转、大体如球状的芯子，它包容于一个静止的壳体之中，该球状芯子具有至少一个用以盛放粒状物质的空腔，空腔是由该球状芯子内的侧表面和底面所限定的，并在该芯子的表面上有一个圆形敞口，壳体的上部有一个供上料的进口，壳体的下部有一个供卸空粒状物质的出口，其特征在于该空腔或每个空腔具有两部分回转体V1和V2所限定的形状，两部分回转体有一根公共轴线，它垂直于该球状芯子的旋转轴线，
-所说的圆形敞口有一个直径D等于空腔的最大直径，该直径D小于或等于该壳体出口的直径，
-该体积V1由该空腔的底部表面和下侧面所限定并至少由一个截断的回转圆锥体组成，其假想圆锥顶角A1取10°至90°、亦即：10°≤A1≤90°，相对该空腔敞口其方向向内，并且包括形成该空腔底部的一个小圆形底面和一个直径为D1的大圆形底面。
-体积V2由该上侧表面及该空腔的敞口所限定，至少由一个截断的回转圆锥体构成，其假想圆锥顶角A2取0°至A1之间，亦即：0°≤A2＜A1，相对该空腔敞口其方向也向内，并由直径D1的小圆基面和相应于该空腔敞口的直径D的一个大圆基面所构成，
-直径D和回转体V1、V2各自的高度H、H2是这样的：H2+H1取0.1D至1.5D，亦即：0.1D≤（H1+H2）≤1.5D，并带有这样一个附加条件：回转体V2可由直径D1与D相等的一个回转圆柱体组成。
根据配量装置的球状芯子的尺寸大小及空腔的体积，该旋转型配量装置可以由一个或多于一个的空腔构成。该空腔的数量还取决于该配量装置工作所依据的方式，有关这点下面还会讲到。如果球状芯子上做有多个空腔，则这些空腔必须彼此间隔开，并当芯子旋转的任一时刻，该壳体上的进料口和出料口只能和一个单个的空腔相通。在这种情况下，最好这样：当一个空腔与其进料口连通之际另一个空腔与该出料口连通。
粒状物质的进口和出口最好是分别做在该壳体的顶部和底部，它们最好做成相对该球状芯子的中心径向相对并布置在一根铅垂轴线上，而且与该球状芯子的旋转轴线相垂直，以使作用在粒状物质上的重力帮助填充空腔和卸出空腔。壳体上的进料口和出料口最好是圆形并做成相同的直径。
空腔的直径D小于或最好等于该壳体上出料口直径。已观察到，当空腔开口直径D大于壳体上的出料口直径时，粒状物质从空腔中卸出就更为困难，因此，由配量装置配给的粒状物质的量不再以这样一种可靠而规律的方式进行了。
空腔的形状是该配量装置的基本特点之一，按照本发明使处理固有流动性很差的粒状物质成为可能。旋转体V1的截圆锥有一个角A1，使10°≤A1≤90°，最好是10°≤A1≤60°。事实上已经得知，当角A1小于10°时，粒状物质很难从空腔中卸出。特别要注意的是，当空腔的下部和底部不是由回转截顶圆锥构成时，而是以回转圆柱体构成，粒状物质则可能部分甚至全部粘塞在空腔内。当V1的假想顶点方向向外的情况下，（朝向该空腔的开口）那么，上述现象还会更严重，此刻，粒状物质不能容易地从空腔中卸出，往往部分地或全部地阻塞在空腔内。当截顶圆锥体V2的假想顶点指向于空腔开口方向时，也可出现类似的情况。
回转体V1的截圆锥体其特点还表现为有两个圆形底面。两个中较小的一个相当于该空腔的底部表面。该底部表明最好由一个平面或是扁平状的圆顶构成。
直径D及回转体V1、V2各自的高H1、H2满足下式：
0.1D≤H2+H1≤1.5D
并且最好是作成：
0.5D≤H1+H2≤1.2D
两高度之比H2/H1最好是小于或等于2，再好一点，则小于或等于1.5，以便易于粒状物质从空腔中卸出。
作为本发明的一个实施方案，形成该配量装置空腔的旋转体可由确定的体积量V1而多于一个截圆锥和/或确定的体积量V2而多于一个截圆锥所构成。
该确定的回转体的体积量V1的一系列回转截圆锥体是这样布置的：在空腔的底部与D1间形成的两个圆形底面之间，它们被连续地一个挨一个地摆列，而且截圆锥台中每个较大的圆形底面作为该空腔从底部向开口方向上紧挨在它后面一个截圆锥体较小的那个底面。这些回转截顶锥体各自假想顶点的角A1的值，按着该空腔由底向开口的方向依次递减。
以相同的方式，确定的体积量V2的一系列截顶圆锥体，在其极值D1和D所组成的圆形底面之间彼此邻接地布置，按着空腔由底向开口的方向上，每一个截顶圆锥体较大的底面作为紧邻着下一个截顶圆锥体的一个较小底面。构成这些体积V2的截顶圆锥台的每个假想顶点处的角A2的值沿着旋转截圆锥体向敞口方向上依次递减。
不过，考虑到要以实际方式在该配量装置的球状芯子上加工这种类型的空腔，根据确定体积量V1和V2的回转截顶圆锥台的数量最好各自为小于或等于3。
为减小粒状物质粘到空腔壁上的情况发生空腔壁最好能做得平整。
为确保球状芯子与在其中旋转的壳体间的密封，壳体上最好装有密封装置如密封件或垫圈。这些密封装置可采用环状或更好的喇叭型密封体，例如“0”型圈，被放置在装置的壳体之中保证球状芯子能在其中转动。最好能在壳体的上部围绕着进料口处水平地装上一个环状或喇叭状密封件并在壳体下部出料口周围也安上一个类似的密封件。在此实施例中已经观察到空腔敞口与上密封接触并很容易滑动通过，上密封轻轻地将装在空腔中的粒状物质压实。采用这种类型的密封，使在球状芯子与壳体间可能提供一定的间隙，因此减少了芯子的磨损和胶粘的问题。尽管粒状物质被密封圈轻轻地压着，具有上面描述过的空腔形状在出料口的卸出过程中使该粒状物质能很好地流动。当在实体中垂直方向上安装两个环形或喇叭型的密封件时，这些密封件安置在基本上是平行于该芯子旋转轴的垂直平面内，此时可获得相类似的效果。
本发明的这种配量装置可用以配给相当细小微粒所组成的粒状物质，例如其粒子的平均直径在10至500微米之间的微粒，更好的还可以是在50至300微米之间。这些粒状物质可以是由带催化活性的物质组成，例如在齐格勒-纳塔型（tho Ziegler-Natta type）的α-烯烃聚合催化剂，例如它以钛化物为基体，或以氧化铬合物为基体的催化剂，或可组成以载体催化物系统，其中载体可具体由硅、铝或镁化物，比如氯化镁等组成。用于本发明的配量装置中的粒状物质还可由α-烯烃的预聚物组成。
适用于该配量装置的粒状物质可包含用以增加该颗粒之间聚集能力的液态化合物，对于这些液态化合物，其重量含量在0.1%至10%之间是可能的。用该配量装置配量由催化剂、或催化剂系统构成的粒状物质和液态化合物例如金属有机化合物象铝有机化合物是可能的。
该配量装置适用以可靠的方式配给其静态体积密度可能是特别低的粒状物质，如密度在0.20到0.60克/厘米3，更好的是在0.25到0.40克/厘米3。这种配置装置特别适用于向大容量工业反应器注入粒状物质。以此方式，能可靠地配给确定数量的粒状物质，例如每次注入量3000克，而一般注入量为500至2000克。使之可能向工业反应器注入确定数量的粒状物质的这种操作可以重复频数进行，最高可到每分钟6次，而一般为每分钟一至三次。具体地说，该配量装置适于粒状物质的送进率一般在每小时30至1000千克。
根据本发明的配量装置的特殊优点为配给可靠、规律，并且适用于在长周期时间里配给大量难处理的粒状物质。易于在高压状态下进入管子或腔室，同时在该管子和腔室中无气体的泄漏。
本发明的配量装置和它的操作方法，结合有关附图，下面还有更详细地说明，其中：
-图一表示该旋转式配量装置的简图，由一个壳体和在其中旋转的一个球状芯子组成。
-图2、3、4表示球状芯子上空腔各种形式的实施例。
-图5和图6表示的是对该旋转型配量装置的改进。
图1是该旋转型配量装置的简图，其中：一个球状芯子（1）在壳体（3）内围绕一根水平轴（2）旋转，
-一个空腔（4）由两个回转截顶圆锥体V1和V2连接体所组成，
-（5）表示该空腔的敞口，
-（6）表示该空腔的底部，
-（7）表示粒状物质的进料口，位置在该壳体（3）的顶部。
-（8）表示位置在壳体（3）底部的出料口，
-提供气体密封的密封圈（9）、（10）在壳体（3）的顶点和底部之间。
图2表示了图1中的球状芯子（1），其中的空腔（4）是由两个回转截顶圆锥体V1和V2的连接体组成，其中角度A2小于A1。回转体V2的截顶圆锥体形成了一个直径为D的大圆底面，它限定了空腔的敞口（5），一个直径为D1的小圆底面限定了V1和V2之间的边界（17），并且一个截顶圆锥体表面（15）限定了空腔（4）的上部侧面。该回转截顶圆锥体V1形成了直径为D1的、相当于边界（17）的一个大圆底面，也形成了该空腔底部的、相当于该平表面（6）的一个小圆底面，和限定了该空腔（4）的下侧面的截顶圆锥体表面（16）。
图3是球状芯子（1）的简图，除了以一个扁平的圆顶所组成该空腔底部（6）这一点外，由与图2所描述的相同的空腔（4）组成。
图4为球状芯子（1）的简图，由连接体V1和V2构成空腔（4），体积V2由回转圆柱体构成。
图5为球状芯子（1）的简图，表示连接体V1和V2组成的空腔（4）;空腔（4）包括了一个固定到空腔（4）底部（6）的位置（12）上的螺旋弹簧（11）。
图6为球状芯子（1）的简图，表示连接体V1和V2组成的空腔（4）;空腔（4）包括了一个弯曲的弹性薄片（13），它固定于空腔（4）的底部（6）。
根据图1，本发明也涉及到已描述过的旋转型配给装置的工艺方法。用作配给一定量的粒状物质的每次操作之始，空腔敞口（5）被置于正对进料口（7），进料口的上方安装有一个进料斗（未作显示）。然后，粒状物质注入空腔（4）。球状芯子（1）绕其旋转轴（2）转动，使空腔开口（5）对准出料口（8）。然后，装在空腔（4）中的粒状物质注入到出料口（8）。该操作可重复进行，或是以预先确定的固定频率，或是以按需要制定的某种方式进行。球状芯子（1）的旋转可按照近似的匀速度连续进行，并可转得足够地慢以使每个空腔（4）能完全地填充和依次地排空。这种旋转也可以是一种连续的方式但以一种可变的速度进行，当每个空腔开口（5）与该进料口（7）或出料口（8）相通时，这种速度是较低的，以便于空腔（4）的填充和排空。该球状芯子（1）的这种旋转还可以间歇形式进行，至使当每个空腔处于填充和排空位置时，球状芯子（1）暂停一段适当长的时间。
在一定情况下，粒状物质的微粒的内聚力和这些微粒粘到该空腔（4）壁上的粘结力加在一起并达到一个值，至使当空腔敞口（5）面向出料口（8）时，粒状物质不再能从空腔（4）轻易流出。
这种结果在一定情况下可以妨碍盛放于空腔（4）中的粒状物质全部地或部分地注入出料口（8），并由此造成该配量装置操作失常，当旋转的球状芯子慢而连续时，这种困难可能会增加。
由图5和图6中所描述的改进方案，对解决上面提到的困难是有益处的。
旨在便于粒状物质由配量装置排出的一种改进，由固定于空腔（4）中的一个弹性元件构成，在球状芯子（1）旋转过程中，它能储存受到空腔（4）内容物作用的压缩能。以图5所示的改进的实施方案的方式，空腔（4）的底部（6）上固定一个螺旋弹簧（11），装填物质在它的自由端方向。当空腔开口（5）朝上、位置与进料口（7）连通之际，其上部低于开口（5）的螺旋弹簧（11）在其自重和充填进空腔（4）的粒状物质的重量及装于配量装置上部（图1中没有显示）的进料斗里盛放的粒状物质所产生的静压力作用下而被压缩。当空腔开口（5）方向向下并与出料口（8）相通时，螺旋弹簧弹回，从而产生一个抵抗空腔（4）的壁与粒状物质间的粘合力作用的剪力，至使粒状物质由空腔（4）的卸出变得容易。
图6表示了这种改进的另一个实施方案，用弹性材料作的弯曲薄片（13），比如一种薄的金属膜片，固定于空腔（4）的底部（6）。在粒状物质压力作用下，在空腔（4）填充过程中该膜片朝空腔（4）底部（6）方向变形。当空腔开口（5）与出料口（8）联通时，该膜片又恢复其原有形状以利于盛放于空腔（4）中的粒状物质卸出。按照膜片能作充分的变形以获得有效的作用来选择膜片的形状和弹性性能。
该配量装置的球状芯子设计成在其球状芯子旋转的任何时候，进出料口之间都不允许有直接联通的通道。这样，在进出口之间，使该配量装置在一个相当大的压力差比如5百万帕斯卡（MPa）下操作是可能的。

Claims (14)

1、一种用于配给确定粒状物质数量的旋转型配量装置，包括沿水平轴线可旋转的基本上为球状的并包容在一个静止的壳体内的一个芯子，该球状芯子具有至少一个供容纳粒状物质的空腔，空腔由在该球状芯子内的侧面和底表面所限定并在芯子的表面上有一圆形敞口，该壳体的上部有一个用以供料的进料口、而其下部有一个用以卸出该粒状物质的一个出料口，其特征在于该空腔或每个空腔具有由两部分回转体V1和V2所限定的一个形状、V1和V2具有一个公共轴线，它与该球状芯子的旋转轴线相垂直。
-所说圆形敞口有一直径D等于该空腔的最大直径，它小于或等于该壳体的出料口直径。
-由该空腔的底面和下侧面限定的体积V1由至少一个回转截顶圆锥体构成，其假想顶点处的一个角度A1取质为10°至90°，即10°≤A1≤90°，相对于空腔敞口向内，并且V1的一个小圆底面形成了该空腔的底面，V1的一个大圆底面直径为D1。
-由上侧面和该空腔的敞口所限定的体积V2由至少一个回转截顶圆锥体构成，其假想顶点处的一个角度A2取值为0°至A1，即：0°≤A2＜A1，相对该空腔敞口也向内，V2构成了一个小圆形底面直径D1及相当于该空腔敞口的一个大圆底面直径D。
-所说直径D和回转体V1和V2相对应的高度H1和H2满足（H1+H2）取值0.1D至1.5D，即：0.1D≤（H1+H2）≤1.5D，并附带条件为该回转体V2在直径D1和D相等情况下，可由一个回转圆柱体构成。
2、根据权利要求1所说的装置，其特征在于回转体V2是一个回转圆柱体并且其高度比H2/H1小于或等于2。
3、根据权利要求1所说的装置，其特征在于该空腔的进料口和出料口相对于该球状芯子的中心是径向相对的。
4、根据权利要求1所说的装置，其特征在于该壳体的进料口和出料口被布置在一根与该球状芯子回转轴线相垂直的铅垂线上。
5、根据权利要求1所说的装置，其特征在于该壳体的进料口和出料口是圆形的并且直径相等。
6、根据权利要求1所说的装置，其特征在于在所说空腔内装有一个弹性元件以协助粒状物质的卸出。
7、根据权利要求6所说的装置，其特征在于所说弹性元件是一个螺旋弹簧或金属薄片并固定于该空腔底部。
8、根据权利要求1所说的装置，其特征在于在该球状芯子与壳体之间布置有两个环状或喇叭状密封，这些密封放置于围绕进料口和出料口的水平平面内，或是放置于平行于该球状芯子回转轴线的铅垂平面内。
9、采用根据权利要求1至8中任一项所说的使用配量装置配给一定量粒状物质的工艺方法。其特征在于使该球状芯子以连续匀速地旋转，它慢得足以使空腔能连续地被填充和完全地卸空。
10、根据权利要求9所说的工艺方法，其特征在于使该球状芯子以间歇形式地旋转，至使当每个空腔在填充和卸出位置时该球状芯子暂停。
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