CN101619112B - 一种防止气相流化床烯烃聚合反应器结块的方法及其设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种防止气相流化床烯烃聚合反应器结块的方法及其设备，涉及气相流化床烯烃聚合反应工艺。所述烯烃聚合反应在包括气相流化床聚合反应器、循环气体压缩机及循环气体冷却器的反应系统中进行。其还包括备用驱动系统，该驱动系统包括蓄电池及紧急电机。当聚合反应进程中遇到紧急停电使压缩机主电机不能运转时，单体和催化剂进料被自动切断，同时向反应器内注入终止剂终止反应的情况下，由备用驱动系统中蓄电池向紧急电机供电，并由紧急电机带动聚合反应系统中的循环气体压缩机在保障反应器床层处于流化状态下继续运转至足够的时间，使终止剂与反应器床层充分接触，有效终止聚合反应，从而防止反应器结块。

Description

一种防止气相流化床烯烃聚合反应器结块的方法及其设备

技术领域：

本发明涉及气相流化床烯烃聚合反应工艺，进一步地说，是涉及在紧急停电状况下终止聚合反应时防止反应器内聚合物结块的方法及其设备。

背景技术：

气相流化床烯烃聚合反应工艺是聚合单体(一种或一种以上烯烃)在以过渡金属为活性中心的催化剂(也称为齐格勒-纳塔催化剂)的作用下在较低压力下生成聚合物的一种方法。如美国专利US4302566公开了典型的流化床反应器，它目前已广泛应用于烯烃聚合物(例如聚乙烯)的工业化生产中。具体来说气相流化床烯烃聚合反应工艺中，聚合反应系统包括一个聚合反应器、一个循环气压缩机和一个循环气冷却器，聚合单体(一种或一种以上烯烃单体)和以过渡金属为活性中心的催化剂加入到聚合反应器中进行聚合反应生成聚合物，一定量的气体(循环气，含有烯烃单体、氢气和稀释剂等物质)从反应器出来经过循环气压缩机和循环气冷却器再返回反应器，其作用是保证反应器的床层处于流化状态并从反应器中带走大部分的聚合反应热。

正常情况下，循环气体压缩机由电机(可称为压缩机主电机)提供动力。该电机一般由外部电力系统提供电源，循环气体压缩机与该电机同轴，转速一致。在紧急停电的情况下，外部电源突然停止供应电力，如果不采取措施，循环气压缩机只能依靠其转子和电机转子的惯性维持很短时间的转动，且转速迅速降低。上述循环气将最终失去在反应系统中循环所需要的动力，反应器床层将失去流化状态，聚合反应所产生的热量无法撤除而造成反应器内的温度超过聚合物的熔结温度，即反应器内出现结块现象。其结果是即使电力恢复，聚合反应器也无法正常运转，通常需要打开反应器，清理出结块的聚合物。

现有技术中，如美国专利US4326048提供了向聚合反应器内注入终止剂来终止反应的方法，即提出可以用碳的氧化物(终止剂)注入反应器终止聚合反应。但由于没有循环气的“支撑”，反应床层将迅速沉降，终止剂将不能很好地分散到依然具有活性的聚合物中而不能达到有效终止反应防止结块地目的，对于大型反应器尤其如此。美国专利US4306044还指出排放烯烃聚合反应系统内的气体可以减缓聚合反应，同时提出了改善终止剂在反应器内的分布以减少终止反应时间的方法。但是反应物含有浓度很高的烯烃，因而在工业上通常需要专门的处理设施，例如火炬，不仅是增加了投资，同时还不可避免地向大气排放温室气体(反应物处理系统生成的二氧化碳)。

此外，中国专利CN 1074912A也提供了一种终止烯烃聚合反应的方法。该方法提出，当出现压缩机停电等情况时，可以用循环气或进料流驱动循环气压缩机的辅助设备-透平，从而带动循环气压缩机继续运转足够的时间，使终止剂在整个流化床中循环。此方法与美国专利US4306044相比，降低了在紧急情况下(停电)反应器向外快速排放气体的要求。该专利的实例指出，该方法可能将排放气体的速率降低到十分之一。但该专利提供的技术需要由多个设备(压缩机、透平、阀门等)在所要求的时间内或条件下，即停电后循环气压缩机尚没有降低到所要求的转速之下完成一定的协同动作，因而仍然可能存在一定的风险，且一旦没能完成所要求的动作，则不能通过重新启动所说的设备达到终止反应并防止反应器结块目的。

尽量减少反应物的排放量是技术改进的一个方向，但现有技术不能完全避免反应物的排放，仍然需要向反应系统外排出一定量的反应物才能达到有效终止反应防止反应器结块的目的。

发明内容：

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种在紧急停电情况下终止聚合反应时防止聚合物在反应器内熔化结块的方法。该方法避免了反应物的排放，因而不需要设置相应的处理措施，同时从根本上避免了向大气排放温室气体。

在本发明中所述的气相流化床烯烃聚合反应是在气相流化床反应器中进行，将烯烃单体进料流和催化剂分别引入该反应器中进行气相聚合反应生成聚合物。包括烯烃单体、氢气和稀释剂的循环气从反应器中排出，经过由压缩机主电机带动的循环气体压缩机输送，并通过循环气体冷却器冷却后，再返回反应器。此处所述的烯烃聚合反应包括乙烯聚合、丙烯聚合等现有技术中的烯烃聚合反应。当聚合反应进程中遇到紧急停电使压缩机主电机不能运转时，单体和催化剂进料被自动切断，同时向反应器内注入终止剂(如一氧化碳)来终止反应。通常加入终止剂后循环气压缩机只需保持一半转速继续运行较短的时间即可实现终止剂在聚合物催化剂中的良好分散(参见中国专利CN 1074912A，说明书第9页)。从而可以采用贮存少量电能的蓄电池，在外部电源突然停止时为循环气压缩机提供必要的动力。

因此在此情况下，本发明的防止气相流化床烯烃聚合反应器结块的方法，采用备用驱动系统带动循环气体压缩机在保障反应器床层处于流化状态下继续运转至足够的时间，使终止剂与反应器床层充分接触，从而与聚合物中的催化剂充分接触，有效终止聚合反应，从而防止反应器结块。其中所述备用驱动系统采用蓄电池向紧急电机供电，在紧急停电时，由紧急电机带动循环气体压缩机运转。

具体来说，以上所述备用驱动系统中，由离合器控制紧急电机与循环气体压缩机主电机的连接，并设置开关控制蓄电池输出电能。正常情况下，循环气体压缩机主电机由外部电源提供电力，循环气体压缩机由压缩机主电机带动，聚合反应正常进行。此时所述开关处于脱开的状态，蓄电池不输出电能；离合器也处于脱开状态，紧急电机与压缩机主电机不连接。当紧急停电情况下，所述开关闭合，蓄电池输出电能，由逆变器将蓄电池输出的直流电转换为交流电向紧急电机输入，紧急电机启动；所述离合器闭合，将紧急电机与压缩机主电机连接，从而带动循环气体压缩机运转。紧急电机可以带动循环气压缩机继续转动至足够的时间(此时间根据反应器规模不同而不同，通常规模的反应器此时间一般为2分钟)。在此期间，聚合反应器的床层能够一直维持在较好的流化状态，终止剂可以很好地分散到反应器的床层中，可以很好的与聚合物中的催化剂充分接触，聚合反应被有效地终止，其结果是聚合反应器内不会产生结块。

众所周知，当离合器闭合时如果循环气体压缩机的转速(即压缩机主电机的转速)远低于紧急电机的转速会造成突然加载，紧急电机的电流有可能增加至正常电流的数倍(例如4-7倍)，则蓄电池的额定电流需要达到正常电流的数倍才能满足要求，这样会大大增加蓄电池的投资。因而本发明中逆变器优选为具有调节电流频率功能的逆变器。因为在紧急电机突然加载时可以通过该逆变器调节电流频率而实现限制蓄电池向紧急电机输出的电流值，从而达到降低蓄电池投资的目的。

本发明所述的防止气相流化床烯烃聚合反应器结块的方法中，当紧急停电情况下，所述离合器的闭合时间具体包括两种模式。其一当紧急电机启动后，循环气体压缩机的转速低于紧急电机转速时，所述备用驱动系统中的离合器闭合。其二是当循环气体压缩机完全停止运转后的一定时间内(此时间根据反应器规模不同而不同，通常规模的反应器此时间一般为10分钟)，所述备用驱动系统中的离合器闭合，以重新启动循环气压缩机，也同样可以达到避免反应器结块的目的。这是因为从循环气压缩机完全停机到重新启动的时间如果可以控制在一定时间内，聚合反应放出的热量还不能使聚合物达到其熔结温度，因而反应器的床层不会结块。例如，当紧急停电时，聚合单体和催化剂的进料已经切断，终止剂已经注入到反应器中，如果发现紧急电机没有启动，循环气压缩机已完全停机，只要循环气压缩机完全停机的时间还没有超过一定时间的话，此时可首先使离合器处于闭合状态，然后启动开关，紧急电机将启动并带动循环气压缩机达到一定的转速，维持一段时间的运转，终止剂在循环气的带动下均匀分布在床层中，聚合反应被有效地终止。

如前所述当遇紧急停电情况加入终止剂终止聚合反应后，循环气体压缩机只需保持一半转速继续运行较短的时间，即可实现终止剂在聚合物中的良好分散。因此作为一种优化的方式，本发明优选当紧急停电情况下，循环气体压缩机的转速降低到一半时，闭合所述备用驱动系统中的离合器，紧急电机开始对循环气体压缩机做功。此种情况下的紧急电机的设计转速优选设计为循环气体压缩机(也即循环气体压缩机主电机)转速的一半。此种当循环气体压缩机转速下降一半时闭合离合器的优选方式，既能留出一定时间让系统判断是否停电，同时紧急电机按一半转速设计可节省紧急电机及相关系统的投资成本。

本发明的防止气相流化床乙烯聚合反应器结块的方法中，所述备用驱动系统的离合器优选超越离合器。众所周知，离合器的功能是用于将机械装置的主动部分与从动部分连接或脱开的联接器。普通离合器需要一个“闭合”的动作，才能将主动与从动部分连接在一起。而超越离合器是指一种具有特殊机械结构的离合器，其是否闭合将取决于主动部分与从动部分的速度差：当超越离合器所连接的主动部分转速高于其所连接的从动部分转速时，超越离合器闭合，主动部分将对从动部分做功；当主动部分转速低于从动部分的转速时，超越离合器不闭合，从动部分不会对主动部分做功。对于本发明而言，紧急电机一端是主动部分，循环气体压缩机一端是从动部分。采用超越离合器代替普通离合器，在紧急停电情况下，当循环气体压缩机的转速高于紧急电机的转速时，超越离合器不闭合；当循环气体压缩机的转速低于紧急电机的转速时，超越离合器闭合。从而可以有效避免普通的离合器闭合时机不恰当引起的问题：闭合过早即压缩机的转速远高于紧急电机的转速时会产生压缩机对紧急电机做功“发电”而引起紧急电机电源的故障；闭合过迟即压缩机的转速远低于紧急电机的转速会产生突然加载现象。

根据以上所述本发明的一种防止气相流化床烯烃聚合反应器结块的方法，其所用的设备包括有在紧急停电情况下启动的备用驱动系统。所述备用驱动系统包括紧急电机和蓄电池，紧急电机通过离合器控制与聚合反应器的循环气体压缩机主电机的连接；蓄电池通过逆变器与紧急电机相连，蓄电池设置有开关以控制向紧急电机输出电能。当紧急停电情况下，所述开关闭合，蓄电池输出电能，由逆变器将蓄电池输出的直流电转换为交流电向紧急电机输入，紧急电机启动，所述离合器闭合，将紧急电机与循环气体压缩机主电机连接，从而带动循环气体压缩机运转。

以上所述设备的备用驱动系统中，用于连接紧急电机和循环气体压缩机主电机的离合器优选为超越离合器。在紧急停电情况下，当循环气体压缩机的转速高于紧急电机的转速时，超越离合器不闭合；当循环气体压缩机的转速低于紧急电机的转速时，超越离合器闭合。可以有效避免普通的离合器闭合时机不恰当引起的问题。

以上所述设备的备用驱动系统中，用于将蓄电池输出的直流电转换为交流电的逆变器优选为具有调节电流频率功能的逆变器。在紧急电机突然加载时可以通过该逆变器调节电流频率而实现限制蓄电池向紧急电机输出的电流值。

为有效防止聚合反应器在停电情况下出现结块现象，现有的技术需要向反应系统外排出一定量的反应物，此反应物含有浓度很高的烯烃。以中国专利CN1074912A中提出的实例一为例：对于气体总体积为19400立方英尺的反应系统而言，采用以往的技术需要以300000～400000磅/小时的流速向外排放含烃气体，排放时间不少于2分钟。采用中国专利CN 1074912A中提出的方法虽然可将向外排放含烃气体的流速降低到25000磅/小时，排放时间可降低到1分钟，但仍然需要向外排放含烃气体。

本发明的防止聚合反应器在停电情况下出现结块的方法，采用了蓄电池为压缩机提供动力，使压缩机继续运转至终止剂在反应器床层良好分散，可以与聚合物中的催化剂充分接触，从而有效终止反应，所以不需要向反应系统外排放含烃气体。由此即不需要设置相应的处理措施，也同时从根本上避免了向大气排放温室气体。而且即使循环气压缩机转速降为零，也可以重新启动，实现有效终止聚合反应而不使反应器结块的目的。

附图说明

附图1是本发明的一种防止气相流化床烯烃聚合反应器结块的方法的流程示意图。

具体实施方式：

下面结合实施例，进一步说明本发明。

实施例1：

聚合反应系统采用常规气相流化床烯烃聚合反应系统(如美国专利US5270408在其实施例1中所公开的气相流化床烯烃聚合反应系统)，该系统主要包括聚合反应器1、循环气体压缩机2、压缩机主电机12、循环气体冷却器3以及连接管道等。聚合单体5(一种或一种以上烯烃单体)和以过渡金属为活性中心的催化剂4加入到聚合反应器1中进行气相聚合反应生成聚合物，一定量的循环气体(含有烯烃单体、氢气和稀释剂等物质)从聚合反应器1出来，经过由压缩机主电机12带动的循环气体压缩机2输送，并通过循环气冷却器3(其通过冷却剂8交换热量)冷却后，再返回聚合反应器1。聚合反应系统包含的气体总体积约为685立方米。反应器的操作温度大约在89℃，所生产的聚合物的熔结温度约为102℃。反应器的表观气速控制在0.6米/秒左右，此时循环气压缩机的转速为36000RPM。

在此气相流化床烯烃聚合反应系统基础上，设置一个备用启动系统。所述备用驱动系统包括紧急电机9和储好电能的蓄电池7。所述紧急电机9通过离合器14控制与聚合反应系统中循环气体压缩机2的压缩机主电机12连接，其中离合器14选用超越离合器；所述蓄电池7通过逆变器10与紧急电机9相连，蓄电池7设置有开关11以控制向紧急电机9输出电能，其中逆变器10选用具有调节电流频率功能的逆变器，其可根据紧急电机9的负载调整输出频率以限制输出电流。紧急电机9的设计转速为循环气体压缩机主电机12转速的一半，其功率仅约为循环气压缩机主电机12的12.5％。

当紧急停电情况下，由相应的监测设备监测到停电信号时，烯烃聚合单体5的进料流和催化剂4进料被迅速切断，终止剂6(一氧化碳)注入阀13自动打开，终止剂6注入聚合反应器1；所述备用驱动系统中开关11自动闭合，蓄电池7输出电能，由逆变器10将蓄电池7输出的直流电转换为交流电向紧急电机9输入，紧急电机9启动；当循环气体压缩机2的转速低于紧急电机9的转速时，离合器14(超越离合器)闭合，将紧急电机9与循环气体压缩机主电机12连接，从而带动循环气体压缩机继续运转至足够的时间(至少为2分钟)。从而使终止剂与聚合物中的催化剂充分接触，全部反应停止。最终床层各部分达到的最高温度约96℃，不会产生反应器结块现象。而且在此期间，反应系统无需向系统外排放任何含有烃类物质的气体。

对比例1：

采用中国专利CN 1074912A中所公开的方法，设置了在停电状态下驱动压缩机的透平。如果气体总体积为549立方米的反应系统，反应器的操作温度大约在89℃，所生产的聚合物的熔结温度约为102℃。反应器的表观气速控制在0.6米/秒左右。停电时终止剂一氧化碳注入反应器，同时含烃浓度约为50％(重量)的反应物以约11350千克/小时的速度通过透平，驱动循环气压缩机以其正常转速的一半运转，然后送至废气处理系统将烃类物质氧化为二氧化碳后排放至大气中。

比较以上实施例和对比例，可见本发明的防止聚合反应器在停电情况下出现结块的方法，采用了蓄电池为循环气体压缩机提供动力，使循环气体压缩机继续运转至终止剂在反应器床层良好分散，实现有效终止聚合反应而不使反应器结块的目的。并且不需要向外排放含烃气体，从根本上避免了向大气排放温室气体；不需要设置相应的处理措施，降低了处理成本。

Claims (9)

1.一种防止气相流化床烯烃聚合反应器结块的方法，其中所述烯烃聚合反应是在气相流化床反应器中进行，将烯烃单体进料流和催化剂分别引入反应器中进行气相聚合反应生成聚合物，包括烯烃单体、氢气和稀释剂的循环气从反应器中排出，经过由压缩机主电机带动的循环气体压缩机输送，并通过循环气体冷却器冷却后，再返回反应器；其特征在于包括备用驱动系统，当聚合反应进程中遇到紧急停电使压缩机主电机不能运转时，单体和催化剂进料被自动切断，同时向反应器内注入终止剂终止反应的情况下，由所述备用驱动系统带动循环气体压缩机在保障反应器床层处于流化状态下继续运转至足够的时间，使终止剂与聚合物中的催化剂充分接触，有效终止聚合反应，从而防止反应器结块；其中所述备用驱动系统采用蓄电池向紧急电机供电，在紧急停电时，由紧急电机带动循环气体压缩机运转。

2.根据权利要求1所述的防止气相流化床烯烃聚合反应器结块的方法，其特征在于所述备用驱动系统中，由离合器控制紧急电机与压缩机主电机连接，并设置开关控制蓄电池输出电能；当聚合反应正常进行时，开关处于脱开的状态，蓄电池不输出电能，离合器处于脱开状态，紧急电机与压缩机主电机不连接；当紧急停电情况下，所述开关闭合，蓄电池输出电能，由逆变器将蓄电池输出的直流电转换为交流电向紧急电机输入，紧急电机启动，所述离合器闭合，将紧急电机与压缩机主电机连接，从而带动循环气体压缩机运转。

3.根据权利要求2所述的防止气相流化床烯烃聚合反应器结块的方法，其特征在于所述备用驱动系统中，所述逆变器为具有调节电流频率功能的逆变器，以限制蓄电池向紧急电机输出的电流。

4.根据权利要求2所述的防止气相流化床烯烃聚合反应器结块的方法，其特征在于当紧急停电情况下，循环气体压缩机的转速低于紧急电机时，所述备用驱动系统中的离合器闭合；或者循环气体压缩机完全停止运转后的一定时间内，所述备用驱动系统中的离合器闭合。

5.根据权利要求4所述的防止气相流化床烯烃聚合反应器结块的方法，其特征在于所述紧急电机的设计转速为循环气体压缩机转速的一半，当紧急停电情况下，循环气体压缩机的转速降低到一半时，所述备用驱动系统中的离合器闭合。

6.根据权利要求2～5之一所述的防止气相流化床烯烃聚合反应器结块的方法，其特征在于所述备用驱动系统中的离合器采用超越离合器，在紧急停电情况下，当循环气体压缩机的转速高于紧急电机的转速时，超越离合器不闭合；当循环气体压缩机的转速低于紧急电机的转速时，超越离合器闭合。

7.根据权利要求1～6之一所述的一种防止气相流化床烯烃聚合反应器结块的方法所用的设备，其特征在于包括有在紧急停电情况下启动的备用驱动系统，所述备用驱动系统包括紧急电机和蓄电池，紧急电机通过离合器控制与压缩机主电机的连接；蓄电池通过逆变器与紧急电机相连，蓄电池设置有开关以控制向紧急电机输出电能；当紧急停电情况下，所述开关闭合，蓄电池输出电能，由逆变器将蓄电池输出的直流电转换为交流电向紧急电机输入，紧急电机启动，所述离合器闭合，将紧急电机与压缩机主电机连接，从而带动循环气体压缩机运转。

8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于所述离合器为超越离合器。

9.根据权利要求7所述的设备，其特征在于所述逆变器为具有调节电流频率功能的逆变器。

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