CN101970094B - 应用于聚合反应的气-固分离的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于气固分离的方法和装置，包括一个具有固定在所述分离室顶壁处的旋转空心体的分离室。旋转空心体包括多个间隔开的叶片，限定了用于气体流通的开口，但排斥气体所夹带着的固体。装置也包括一个围绕着旋转空心体的圆筒挡板以进一步偏转进入分离室的混合相气体-固体流，和促进固体壳体的沉降。该气固分离方法可以用于分离在聚合工艺中产出的气-聚合物混合物。

Description

应用于聚合反应的气-固分离的方法和装置

技术领域

本申请涉及一种气-固分离的方法和装置，特别是一种在用于烯烃的聚合反应工艺中从混合相固体-气体流中分离出固体聚合物颗粒的方法和装置。本申请也涉及一种用于烯烃聚合的工艺方法，包括浆体聚合反应阶段和可选地一个或多个在气相中的聚合反应阶段，其中用于气-固分离的这些方法和装置被用以在所述浆体聚合反应阶段和所述可选的在气相中的聚合反应阶段之间处理一种混合相的固体-气体流。

背景技术

浆体聚合反应工艺已经被公知多年，其包括一个或多个浆体聚合反应器，其中烯烃单体在液体介质中聚合。这些方法包括用以在浆体回路式反应器中在包括(诸如异丁烷这样的)惰性稀释剂的液体介质中聚合乙烯的过程。从回路式反应器中排放出的聚合物浆体被加热和输送到一个或多个闪蒸容器(flashtank)中以从固体聚合物颗粒中蒸发出包括稀释剂与未反应单体的液体介质。每个闪蒸容器通常关联着一种从蒸汽中分离出所夹带着的聚合物固体的旋风分离器。在旋风分离器的底部处收集的固体聚合物颗粒最后被输送到干燥器系统。

混合聚合工艺已经被公开多年，其包括一个或两个浆体聚合反应器和一个或多个气相(gas-phase)反应器连续地互相连接以产生多种烯烃聚合物和/或共聚物。在这些工艺中，在浆体聚合阶段中形成的聚合物颗粒首先从液体介质中分离出来，随后传输到连续的气相聚合阶段。典型地，通过对聚合物浆体减压和加热，液相从固相中闪蒸出去。得到的气-固混合物随后在旋风分离器中通过离心作用分离。在旋风分离器底部处收集的固体聚合物颗粒被传输到气相反应器，并且在旋风分离器顶部处收集的气流被冷却、冷凝和循环回到浆体聚合阶段。可选地，从第一气相反应器中得到的聚合物产物被传输到第二气相反应器，并在不同的条件下继续进行聚合。

在液体丙烯中的丙烯聚合的情况下，聚丙烯(PP)/液体丙烯浆体在排出浆体聚合反应器的时候得以被减压，并且在允许回收经汽化单体的压力下闪蒸。

EP1080116B1披露了一种浆体工艺，用以在浆体回路式反应器中在惰性液体稀释剂存在的情况下聚合乙烯。聚合反应流出液在一个直线加热器中被加热，随后传输到从固体中分离出经汽化的液体介质的一种闪蒸容器。包括稀释剂和未反应单体的经汽化液体介质排出闪蒸容器，并且被传送到例如旋风分离器这样的分离器(第[0029]和[0030]段)。在已去除掉部分所夹带着的催化剂和聚合物固体之后，蒸汽通过热交换器系统并且被冷凝。尽管如此，部分所夹带着的催化剂和聚合物固体没有被旋风分离器去除掉。这些部分通常在尺寸上较小，和可能被称为“粉体或细粉(fines)”、“聚合物粉体”和/或“催化剂粉体”。这些粉体通常包含未反应的、和/或滞后反应的或者未作出应有反应(underreacted)的催化剂([0035]段)。

因为在聚合装备中累积，如在EP1080116B1中记载的，在从旋风分离器排出的气体或蒸汽流中存在粉体是不期望的，这会导致有所降低的效率、削弱的可操作性和装备故障。以上的问题使得消除或减少聚合物粉体对商业运营至关重要。

US7098301B1披露了一种从包含固体粉体的聚合工艺排出液流中分离出未反应单体的方法。该方法包括使排出液流通过一个或多个布置在分离容器中的袋式过滤器。袋式过滤器避免固体粉体从分离容器的上部排出。在高于该分离容器的操作压力的操作压力下，使用一种净化系统来对袋式过滤器进行清洁和避免堵塞。在一个实施方案中，净化系统迫使清洁气体在大约一到五分钟的时间间隔中以脉冲模式通过袋式过滤器。尽管如此，对用以清洁过滤器的净化系统的需求是一个缺点，因为增加了运营成本。

发明内容

因此，需要一种用于气-固分离的方法和装置，其能够在烯烃聚合的工艺中从气相流中分离出粉体状的聚合物颗粒，而不明显增加运营费用。

同样地，需要一种用于烯烃聚合的工艺，其包括一个浆体聚合阶段和可选的一个或多个在气相中的聚合阶段，其中在所述浆状聚合阶段和所述可选的在气相中的聚合阶段之间实现有效的气-固分离。

因此，本申请涉及一种从混合相固体-气体流中分离出微粒固体的方法，其特征在于，通过将所述混合相固体-气体流朝着一种具备有多个开口和多个元件的旋转空心体来加以引导，在所述空心体旋转时，向所述固体-气体流暴露一个表面，由此防止或限制在所述空心体旋转时所述颗粒固体从所述空心体外部向内部的流通，和达成气体流通过所述的开口的流通，所述气体流被从所述旋转的空心体的内侧排出。

根据本申请的一个方面，所述混合相固体-气体流是一种包括未反应单体和聚合物颗粒的烯烃聚合工艺的流。本申请的另一方面涉及一种呈气-固分离室形式的装置，其包括一种具备有多个开口和多个元件的旋转空心体，在旋转时，暴露一个表面给固体-气体流，固体-气体流冲击着所述空心体的外面，所述旋转空心体被连接到一个由马达构件加以控制的驱动轴杆上，并且包括一个开口用以排出从所述固体-气体流中分离出的气体流。

根据本申请的一个实施方案，气-固分离室包括一种圆筒隔板，其以一种间隔开的方式围绕着所述旋转空心体，，所述隔板相对于所述空心体向下延伸、并且限定一个下部开口用于所述气相的流通通过。

本申请的另一个方面涉及一种烯烃聚合的工艺，包括一个浆体聚合阶段，可选的一个或多个在气相中的聚合阶段，以及一个在所述浆体聚合阶段与所述可选的在气相中聚合阶段之间的气-固分离阶段，其特征在于，所述气-固分离阶段根据本申请的方法和装置进行。

附图说明

在接下来的描述中，本申请也借助于附图进行说明，其中：

图1是简化的流程图，代表了根据本申请实施方案的烯烃聚合工艺；

图2是根据本申请的一个实施方案的装置的示意图；

图3是图2的装置的局部截面放大示意图；

具体实施方式

在图1的实施方案中，浆体聚合在一个夹套(jacketed)回路式反应器中进行，标记为10。示意性地，催化剂组分，催化助剂(co-catalyst)，和单体(例如丙烯)按箭头12所示方向引入回路式反应器。在包括有负载于活性MgCl₂上的固体成分的Ziegler/Natta催化剂被使用的情形下，固体成分可以如此或，优选地，以预聚合的形式而被馈送加入。

回路式反应器10可以是该工艺方法的第一聚合反应器，或可以有其它的聚合反应器在反应器10的上游。为了现有描述的目的，反应器10可以从管线12中接收在其它反应器制出的聚合物、或接收预聚物和/或聚合催化剂或催化剂组分。在图1的简化图中，用于催化剂、单体、分子量调节剂和其它可能的配料的进料管线已被省略，因为它们被本领域技术人员所熟知。

如果另一个浆体聚合反应器在反应器10上游使用，箭头12表示了从该上游反应器向回路式反应器10连续馈送聚合浆体。在回路式反应器10中浆体发生了湍流混合，其与高的表面积-体积比相结合，导致了高的热量排除能力并且使得高的聚合烯烃产出成为可能。

大多数的聚合浆体连续地循环，但是它的一部分连续地排出至通常用14表示的传输管。管14包括一个配备有加热构件18的部分16，例如一个蒸汽夹套围绕部分16。在从反应器10出料前，聚合浆体被减压；和在通过管14的部分16进行输送时，浆体被加热并达到一定温度，其高于在回路式反应器10中的温度。在这样的条件下，液态单体被蒸发并且建立起包括固体聚合物、液态单体和气态单体的三相湍流。优选地，反积垢试剂在位于回路式反应器10出料点的下游并位于传输管14的受热部分16上游的点15处被添加到聚合浆体。在部分16中建立的高湍流状况使反积垢试剂在聚合物颗粒中的结合非常有效。

在本说明书中使用的术语“反积垢试剂”意为能够防止、消除或可观地降低聚合物在聚合装置的任意部分(包括这些装置和它的任意部分的壁的护板(sheeting))上形成堵塞的任意物质，或在任意这些装置和它的部分上的聚合物凝聚沉降。因此，术语“反积垢试剂”包括：能够对聚合物颗粒的静电电荷进行中和的抗静电物质，和催化剂失活剂，其包括部分地使铝烷基催化助剂失活或减活化的组分，只要它们基本不会抑制总的聚合反应活性。

一种包括聚合物颗粒和经汽化单体的两相混合物在分离室20中闪蒸，在那里固体聚合物被从经汽化的单体中分离，以下它将被具体描述。在分离室20中，固体聚合物的颗粒由于重力向底部下落；并且从顶部排出的气相被通过管线21送至单体回收部分，其包括冷却器22、单体配制单元24和压缩机26。如箭头25所示方向进行供给的配制单体和来自室20的经回收单体通过管线28而馈送加入回路式聚合反应器10。

从分离室20出料的聚合物(以丙烯同聚物为例)通过管线29传输至流化床气相反应器30，在此丙烯共聚物，例如乙烯/丙烯橡胶共聚物，在同聚物颗粒上生成。示意性地，新的单体32通过管线34添加到反应器30，通过配备有压缩机35和位于压缩机35下游的热交换器37的管线36来回收未反应的单体，并且多相共聚物(heterophasic copolymer)从管线40排出。这样的产品可以是聚合工艺的最终产品，因此它被传送到装置的最后部分，或如本领域已知的，可被传输到第二气相反应器(未示出)用于共聚物组分的富集。

结合图2和图3描述根据本申请的分离方法和气-固分离室。该分离室20配备有位于它的上部区域中的、用于混合相固体-气体流的入口42，以及位于底部处的、用以排放从混合相固体-气体中所分离出的固体组分的出口44。室20的下部部位具有缩小的直径，和带有用于促进分离及固体沉降的陡峭壁的部分。因此，在这个实施方案中，室20基本上是一个旋风分离器。分离室的上部壁46具有一个开口48(图3)以排放从混合相气体-固体物中分离的气体部分。开口48被空心体50环绕，其借助于轴承52而旋转地安装在室的顶部壁46上。空心体50具有圆筒形状和包括多个间隔开的元件54以限定出多个开口6。图3是一个空心圆筒体50的示意图，其中只显示了少量元件54和开口6。空心圆筒体50具有一个底部平板58，其借助于支撑件68而刚性地连接到驱动轴杆60。驱动轴杆60由马达构件62加以控制，由此驱动该空心体50在一定速度下旋转，所述速度包括在800与2500rpm之间，优选地在1200与2000之间。

元件54是延长的矩形叶片或桨叶，其具有辐射性的指向，如图3所示，并且从底部平板58竖直地向空心体50的顶部部分延伸，其经由轴承52而固定在室20的顶部壁46上。空心体50的顶部具有开口48’，其基本上与室20的开口48相对应，通过它，使得基本上无固体的气相离开了室。

根据本申请的另一方面，气-固分离室包括一种具有管形状的圆筒挡板70，围绕着旋转空心体50且固定在室的上部壁46上。挡板70相对于空心体50向下延伸，并且在分离室的上部区域中，在位于用来引入气-固混合物的入口42的水平面下方的水平面处限定出一个下部的入口72。

在室20内，筒状挡板70和旋转空心体50的组合具有旋风分离器的形状和功能，提供了对混合相固体-气体流中的固体颗粒的最佳分离，包括粉体颗粒的最佳分离，就像结合图2和3而描述的一样。

混合相固体-气体流中的固体颗粒经由入口42进入分离室20，通常是切向进入的，该固体颗粒受到离心力和重力的作用，这导致它们按照箭头B在底部处沉降。混合相固体-气体流围绕筒状挡板70流动，其导致了所述流依照着曲折的路径流动，并进一步促成了固体部分从混合相中分离。随后气相螺旋向上并且可夹带着一定量的粉体颗粒。气体的向上流和所夹带着的粉体颗粒沿着箭头C进入入口72，并且这样的流的一部分撞击空心旋转体50的底板58，并且由此发生更进一步的偏转。这个曲折的路径使固体颗粒从气相中进一步分离。气体随后达到体50的圆筒状壁，其具有多个元件54，且在每对元件间具有开口6。气体可以进入开口；但通过轴杆60和马达64来驱动的朝向箭头A方向的体50的旋转，使得元件54的表面撞击和排斥粉体固体颗粒，而同时允许气体通过。这保证了有效地从经由开口48从空心体中离开的气相中移除掉粉体。具有减少的固体含量的、或基本上无固体的气相流经上部空间64并朝着出口管66流去，以箭头D表示。

依据图2和3，入口42可接收两相气体/固体流、或一种还包含着一特定量液体的混合物。分离室20优选在12至24bar的压力下操作，优选为从16至20bar。如上所述，使得经由管66离开分离室20的气体进入管线21，其传输气相到单体回收部分。

本申请的方法和装置允许有效地和高效地从循环至单体回收部分的气相中移除粉体颗粒，而不会增加分离室的体积并且没有可观的操作费用。与在分离室中使用过滤器不同，使用根据本申请的旋转空心体50不需要清洁、更换或频繁的保养。

本申请的方法和装置可以包括或不包括挡板70，但最佳的操作是利用挡板70和具有动态排斥开固体颗粒的元件54表面的空心旋转体50两者来共同达到的。

根据本申请的分离方法和气-固分离室可以成功地在烯烃聚合的工艺中使用。

因此，本申请的另一个目的是一种烯烃聚合的工艺，包括一系列浆体聚合步骤，用以蒸发液态聚合介质的加热步骤，气-固分离步骤，和可选的一个或多个下游气相聚合步骤，其特征在于，所述气-固分离阶段包括根据上述方法和装置执行的气-固分离步骤。

本申请的上游聚合步骤进行了一种或多种烯烃的液相聚合，从而产出了聚合物浆体。液态聚合介质包括一种或多种烯烃单体，作为分子量调节剂的氢气和可选的作为聚合反应稀释剂的惰性烃。作为聚合介质的液体单体的使用允许通过提供高的单体浓度来最大化聚合反应的速率，并通过不使用必须经净化和回收的溶剂或稀释剂来简化了工艺。这样的聚合可以在具有夹套壁的搅拌容器或湍流槽(stirred tank)中进行以移除聚合热，或在一个夹套回路式反应器中，其提供了冷却面积与反应体积之间的高比率。

上游的聚合反应器优选为回路式反应器，其可在22至50bar的压力下操作，优选为从30至45bar。聚合温度范围从60至90℃，优选从70至85℃。

关于聚合催化剂，有可能使用所有已知类型的适用于烯烃聚合的催化剂。特别提到的可以是由Ziegler/Natta催化剂，铬基Phillips催化剂和单活性中心或单点位催化剂(single-site catalyst)制成，特别是茂金属催化剂，但没有局限于此。

一旦从上游反应器排出，聚合烯烃浆体被减压并在一个具有蒸汽夹套的管线中被加热到一定温度，从而用以蒸发液体聚合介质。离开夹套管线的排出流基本上是混合相固体-气体流，其被输送至气-固分离步骤：具体地，所述流体被馈送到分离室的上部部分以实施本申请的分离方法。根据结合图2和3描述的实施方案，所述分离室具有固定到它顶壁的旋转空心体50。因此，在本申请的聚合工艺中，分离阶段在至少一个分离室中进行，其包括设置在所述分离室内的一个旋转空心体，其中混合相固体-气体流通过离心作用进行固体的第一次分离，使得从所述第一次分离中得到的具有有所降低的固体含量的固体-气体流流向所述空心旋转体以进行固体的第二次分离。

在分离室中的两相流的入口设置为与分离室的壁相切，从而使得离心作用促进固体/气体在分离室里分离。聚合物颗粒由于重力而趋于下落，而气相趋于向上流动。从分离室顶部获得的气态流包含少于大约0.5重量百分比的粉体，优选少于大约0.1重量百分比的粉体。所述气态流通常用换热器加以冷凝，并且经冷凝的流被循环回上游浆体反应器。

分离室的下部部分优选地设计为有助于包含着固体粉体的固体聚合物颗粒的质量流。在一个实施方案中，分离室的下部部分由抛光金属表面制成，具有与水平面成大约55°至大约90°角度的陡峭倾斜侧边，优选与水平面成大约65°至大约90°。此外，分离室的下部部分优选具有较小的直径：一个高度测量计优选安装在分离室的下部部分中以允许进行固体高度控制。

根据一个优选的实施方案，固-气分离步骤依次在一个高压分离室和一个低压分离室中进行，两者都包含有位于其中的旋转空心体。高压分离室内的压力可以为10至28bar，优选为14至24bar，而低压分离室在一个接近大气压的压力下操作，范围为从1.1ba至4.0bar，优选从1.3至2.5bar。因而，从高压分离室底部排出的固体聚合物被采用切向入口馈送入低压分离室的上部部分，在该处完成了从气相中分离固体。

从气-固分离步骤中退出的聚合物颗粒可以可选地馈送到下游气相反应器以进行多级聚合反应工艺。可选地下游气相反应器可以是任意类型的气相反应器，例如气相流化床反应器或搅拌床反应器，其中聚合物床在存在着聚合反应催化剂的情况下形成。具有两个不同的、内部连接的聚合反应区的气相聚合反应器，如EP782587和EP1012195所述，也能适用于本申请的工艺。优选的下游气相反应器为流化床反应器。

通过本申请的工艺而得以聚合的烯烃单体具有化学式CH₂＝CHR，其中R是氢或具有1至12个碳原子的烃基。可以获得的聚烯烃的实例为：

高密度聚乙烯(具有高于0.940的相对密度的HDPE)，包括乙烯均聚物和具有3至12个碳原子的α-烯烃的乙烯共聚物；

低密度的(具有低于0.940的相对密度的LLDPE)和极低密度的及超低密度(具有低于0.920至0.880的相对密度的VLDPE和ULDPE)的线性聚乙烯，包含着具有一个或多个具有3至12个碳原子的α-烯烃的乙烯共聚物；

具有最小二烯比例的丙烯和乙烯的弹性体三聚物，或具有源自以重量计大约30至70％的乙烯含量单元的丙烯和乙烯的弹性体共聚物。

全同(isotactic)聚丙烯和乙烯和丙烯的结晶共聚物和/或其他具有源自以重量计大于85％的丙烯含量单元的α-烯烃；

丙烯和α-烯烃的全同共聚物，如1-丁烯，具有以重量计高达30％的α-烯烃含量；

耐冲击的丙烯聚合物，通过丙烯和具有乙烯的以乙烯重量计高达30％的丙烯混合物的顺序聚合而获得。

丙烯和乙烯的非结晶或无定形(amorphous)共聚物和无规聚合物，和/或包含以重量计大于70％的源自丙烯单元的其他α-烯烃。

从以上记载中明显得出，根据本申请的装置和工艺的、属于如所附权利要求加以限定的同一发明构思范围内的其他实施方案是有可能实现的。

Claims (17)

1.一种从混合相固体-气体流中分离出颗粒固体的方法，其特征在于，指引所述混合相固体-气体流朝着向所述固体-气体流暴露出表面的具有多个开口和多个元件的旋转空心体而流动，由此避免或限制在其旋转期间所述颗粒固体从所述旋转空心体的外部侧到内部侧的流通，并且实现气体流的流通通过所述开口，所述气体流是从所述旋转空心体的内部侧排出的，所述混合相固体-气体流是一种烯烃聚合工艺的流，包括未反应的单体和聚合物颗粒。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述旋转空心体以800至2500rpm的速度旋转。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述旋转空心体布置在气固分离室中，其中所述混合相固体-气体流通过离心作用进行固体的第一次分离，并使得从所述第一次分离中得到的具有有所减少的固体含量的固体-气体流流向所述旋转空心体以进行固体的第二次分离。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，具有有所减少的固体含量的、流向所述旋转空心体的所述固体-气体流行进一条曲折路径，曲折路径绕过圆筒挡板，围绕着所述旋转空心体。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，具有有所减少的固体含量的所述固体-气体流与所述旋转空心体的底板相接触，由此实现固体的进一步分离。

6.一种气固分离室，包括一种具有多个开口(6)和多个元件(54)的旋转空心体(50)，旋转空心体(50)在旋转期间向冲击着所述旋转空心体外部的固体-气体流暴露表面，所述旋转空心体(50)连接至由马达构件(62)加以控制的驱动轴杆(60)；所述气固分离室还包括一种圆筒挡板(70)，其以一种间隔开的关系围绕着所述旋转空心体(50)，所述圆筒挡板(70)相对于所述旋转空心体(50)向下延伸、并且限定一种下部入口，所述气固分离室用于从混合相固体-气体流中分离出颗粒固体，所述混合相固体-气体流是一种烯烃聚合工艺的流，包括未反应的单体和聚合物颗粒。

7.根据权利要求6所述的分离室，其包括：用于混合相固体-气体流的入口(42)，在其底部处用以排出从所述固体-气体流中分离的固体成分的出口(44)，和用以排出从所述固体-气体流中分离出的气体成分的开口(48)。

8.根据权利要求6所述的分离室，其特征在于，所述旋转空心体(50)借助于轴承(52)而旋转地安装到所述气固分离室的顶壁(46)上。

9.根据权利要求6所述的分离室，其特征在于，所述旋转空心体(50)具有圆筒形状且具备有底板(58)。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的分离室，其特征在于，所述元件(54)是拉长的矩形叶片，为辐射状指向的，并且从所述底板(58)竖直地延伸到所述旋转空心体(50)的顶部。

11.根据权利要求6至9任一项所述的分离室，其还包括圆筒挡板(70)，围绕着所述旋转空心体(50)并固定在所述顶壁(46)上，所述圆筒挡板(70)限定出下部入口(72)用于固体-气体流向所述分离室的上部区域的流通。

12.根据权利要求11所述的分离室，其特征在于，所述圆筒挡板(70)相对于所述旋转空心体(50)向下延伸，并在所述分离室中位于低于用于所述固体-气体流的所述入口(42)水平面的水平面处。

13.一种烯烃聚合的工艺，其包括一系列的：浆体聚合步骤，用以蒸发液体聚合介质的加热步骤，气固分离步骤，其特征在于，所述气固分离阶段包括根据权利要求1至5中的任一项的方法进行的气固分离。

14.根据权利要求13所述的工艺，其中所述加热步骤在一种蒸汽夹套管中进行，以获得将要被馈送至所述气固分离步骤的混合相固体-气体流。

15.根据权利要求13至14任一项所述的聚合工艺，其中所述分离阶段在至少一个分离室中进行，所述分离室包含着置于其中的旋转空心体，其中混合相固体-气体流通过离心作用进行了固体的第一次分离，并使得从所述第一个分离中得到的具有有所降低的固体含量的固体-气体流流向所述旋转空心体进行固体的第二次分离。

16.根据权利要求13的工艺，其中所述分离阶段依次在高压分离室和低压分离室中进行，两者都包括旋转空心体。

17.根据权利要求13的工艺，还包括一个或多个的下游气相聚合步骤。