CN102675495A - 烯烃聚合反应器和聚合方法 - Google Patents

Abstract

一种烯烃聚合反应器，包括聚合釜体，在所述釜体内设置有搅拌装置和气体分布装置，所述气体分布装置包括沿轴向均匀分布的多根进气管，其特征在于：在釜体内还设置有分隔装置，用于将釜体内的区域分成处于分隔装置内的第一区域和处于分隔装置与釜体之间的第二区域，其中第一区域的温度不同于所述第二区域的温度。本发明所提供的烯烃聚合反应器，可以通过单反应器实现多温区反应，流程简单，便于操作；所得聚烯烃具有较宽的分子量分布，性能良好。

Description

烯烃聚合反应器和聚合方法

技术领域

本发明涉及高分子材料合成领域，尤其涉及一种用于烯烃聚合的聚合反应器及使用这种聚合反应器的聚合方法。

背景技术

众所周知，烯烃的聚合反应与温度密切相关。一方面，聚合物分子量的高低受温度的影响，在较低的温度下聚合会形成分子量较高的聚合物，而在较高的温度下聚合会形成分子量较低的聚合物。另一方面，催化剂的活性与反应温度有关。如果在单一聚合反应器内通过调节温度来改变聚合物分子量，会导致聚合反应的速度不可控。因此，在实验室聚合以及工业化规模生产中，聚合反应器的温度必须相对稳定。然而，这种单一的催化剂在单一聚合反应器内稳定的温度下只能形成分子量分布较窄的聚合物。

在现有技术中，生产宽/双峰聚乙烯的方法主要有熔体混合法、串联反应器法、单反应器法。其中，熔体混合法成本较高，并且难以混合均匀。在串联反应器法中，两个或多个反应器串联起来，使得每个反应器在不同的反应温度下形成分子量大小不同的聚合物，导致分子量分布变宽。例如，专利WO2009/076733A1中公开了一种串联反应器，其中第一反应器在高的操作温度形成较低分子量的聚合物，而第二反应器在低的温度下形成较高的分子量聚合物。然而，串联反应器法的操作过程中前期投资大，物料转移过程复杂，可能造成催化剂部分失活。

单反应器法相比串联反应器法具有设备投资低、工艺操作简单、开停车方便、高低分子量聚合物混合比较均匀等优点。目前实现该技术有三种方案：多区循环反应器、新型催化剂、振荡操作。其中，采用多区循环反应器目前主要应用于气相烯烃聚合工艺。例如，中国专利CN1749286A公开了一种用于生产宽相对分子质量分布的聚烯烃反应器，它是一个气相流化床，包括至少两个反应区：慢速流化反应区和快速流化反应区。其中，慢速流化反应区内的聚合物和未反应单体通过连续或间歇方式传给快速流化反应区，通过控制两个反应区的聚合条件，制备双峰聚乙烯或抗冲聚丙烯。然而，这种反应器仍然存在结构复杂、分子量分布较窄的缺点。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种在单一聚合反应器内形成多温区的反应装置，即使烯烃在不同的区域内的不同条件下进行聚合反应的方法，目的是通过不同温度对烯烃聚合反应的影响，制备具有不同分子量聚合物的组合，以达到改进聚合物加工性能和物理性能的要求。

根据本发明的第一方面，提供了一种烯烃聚合反应器，其包括聚合釜体。在所述釜体内设置有搅拌装置和气体分布装置。所述气体分布装置包括沿周向均匀分布的多根进气管。其中，在釜体内还设置有分隔装置，用于将釜体内的区域分成处于分隔装置内的第一区域和处于分隔装置与釜体之间的第二区域。其中第一区域的温度不同于所述第二区域的温度。

根据本发明的一个实施例，所述第一区域与所述第二区域的温差为5℃以上，优选为5℃-20℃，更优选为10℃-15℃。

根据本发明的一个优选实施例，分隔装置形成一个圆柱体，其与所述气体分布装置所构成的假想圆柱体重合。优选地，分隔装置包括设置在相邻两根进气管之间的内冷管，各所述内冷管例如可以采用盘管的形式。

根据本发明的另一个实施例，分隔装置由圆筒体构成。

在一个实施例中，分隔装置形成的圆柱体的直径与釜体的直径之比为0.1-0.9，优选为0.6-0.75，更优选为0.75。圆柱体的高度与釜体直筒段的高度之比为0.1-0.9，优选为0.3-0.7，更优选为0.4。

根据本发明的一个优选实施例，所述搅拌装置包括多层搅拌桨，其中所述圆柱体的顶面与最上层桨的中心水平线齐平，而底面与最下层桨所在平面齐平。

优选地是，搅拌装置为多层组合桨，由推进式搅拌桨、斜叶桨、直叶搅拌桨、斜叶圆盘桨中的一种或几种组合而成。

更优选地是，搅拌装置包括四层搅拌桨。从上至下依次为推进式搅拌桨、斜叶桨和两层斜叶圆盘桨。圆柱体的顶面与最上层推进式搅拌桨的中心水平线齐平，而底面与最下层斜叶圆盘桨所在平面齐平。

在一个优选实施例中，釜体外设置有夹套，所述夹套优选为分段式结构。

在另一个优选实施例中，所述进气管的出口设置成使得进入第一区域内的气相含量与进入第二区域的气相含量不同。优选地，进气管包括两组分别与第一区域和第二区域连通的出口，这两组出口的数量例如可以不同。

根据本发明的第二方面，提供了一种烯烃聚合反应方法，其使用了根据本发明第一方面所述的烯烃聚合反应器。

在一个实施例中，气相进料在两个区域呈不均匀分布，第一区域A内的气相占气相进料总量的0.1-0.9，优选为0.5-0.8。

在另一个实施例中，回流冷凝的液相材料在两个区域呈不均匀分布，第二区域B的量占总量比例的0.1-0.9，优选为0.4-0.8。

根据一个优选实施例，聚合过程设有外循环取热装置。外循环取热装置对第一区域或第二区域撤热，将第一区域或第二区域的浆液从釜底抽出，经换热器冷却后再送回第一区域或第二区域中。

本发明的有益效果：1）通过在聚合釜内设置分隔装置，形成第一区域和第二区域，控制两个区域内的气相进入量和回流冷凝液相（例如己烷）的进入量，进而控制热量移取，使两个区域存在温差，最终在设有分隔装置的单反应器内实现多温区聚合，得到宽分子量聚烯烃，相比于多反应器串联工艺，投资大为减少；2）使用相同原料及催化剂，没有增加额外投资；3）流程简单，便于操作管理；4）产品具有较宽的分子量分布，性能良好。

附图说明

以下结合附图来对本发明进行详细的描述。然而应当理解，附图的提供仅为于更好地理解本发明，它们不应被理解成对本发明的限制。

在图中：

图1显示了现有技术中的淤浆聚合反应器的结构示意图。

图2显示了本发明的第一个实施例的聚合反应器的结构示意图。

图3显示了本发明的第一个实施例的聚合反应器的俯视图。

图4显示了本发明的第二个实施例的聚合反应器的结构示意图。

图5显示了本发明的第二个实施例的聚合反应器的俯视图。

图6显示了本发明的第三个实施例的聚合反应器的结构示意图。

图7显示了本发明的第四个实施例的聚合反应器的结构示意图。

具体实施方式

图1显示了现有技术中的聚合反应器的典型的结构示意图。如图所示，该聚合反应器40的反应器釜体1为圆柱形的立式搅拌釜，两头使用椭球封头封闭。在釜体1的外侧设有夹套5，用于撤去一部分反应热。在釜壁上设有固相进料口6、溢流口7、夹套冷却水入口11和夹套冷却水出口12。优选地还可以在夹套5和釜体1之间设置螺旋导流板，以加强夹套内冷却水的测流程度。在反应器釜体1的椭球封头上端设有液相进料管9，用于供给液相原料、如己烷。

反应器还包括搅拌装置2，其包括设置在釜外的驱动机构2a、与驱动机构2a相连并在釜内沿纵向中心轴线设置的搅拌轴2b，以及设置在搅拌轴2b上的搅拌桨2c。搅拌桨2c包括三层直叶搅拌桨。此外，在搅拌装置2的釜内上部还例如可设有除沫盘8，其用于消除浆液夹带，防止浆液被蒸发的气体带出反应器。

反应气体（例如氢气、乙烯等）通过气体分布装置3通入釜内。气体分布装置3包括若干沿周向均匀布置在釜体1内的进气管31，在图示实施例中设有8根进气管31。各进气管31均包括垂直延伸的直线段31a，以及在下端处逐渐径向缩窄的窄口段31b。这8根进气管31从出口截面看相当于一个8孔环形分布器，起到一定的档板作用。此外，各个进气管31离壁式安装，从而不会产生沉积固体的死角。为改善釜体1内的流型，在其中4根进气管、即每隔一根进气管上安装了指形挡板4。指形挡板4朝向下端倾斜，其倾斜角例如可以选择为60°。

下面结合图2到7来对本发明进行详细的描述。为节约篇幅起见，与图1中所示相同的部件未做详细说明。

图2和图3显示了根据本发明的第一实施例的聚合反应器50的结构。根据本发明，在釜体1的内部设有分隔装置10，用于将釜内的聚合区域分成两个部分，即处于分隔装置10内的第一区域A和处于分隔装置10与釜体1之间的第二区域B，如图3更清楚地示出。

在该第一实施例中，分隔装置10围成一个圆柱体。如图3所示，该圆柱体优选地与所述气体分布装置3的进气管31所构成的环形分布器的假想圆柱体重合。在该实施例中，分隔装置10为紧密排列在一起的内冷管10a。内冷管10a可以采用盘管的形式分布。在每两根进气管31之间设有一组内冷管，其包括8根蜿蜒式布置的内冷管10a。每组内冷管10a有一组冷却水进、出口，供冷却水进入内冷管并在其中流动，从而带走热量，实现降温。在图3所示实施例中总共布置了8组内冷管10a，它们与进气管31共同构成了一个完整的圆截面。

由于内冷管10a的冷却作用，分隔装置10就能够使第一区域A和第二区域B处于不同的温度。在一个优选的实施例中，保持气相分布与回流冷凝己烷不变的情况下，第一区域A的温度高于第二区域B的温度，这是因为第二区域B受到了夹套5和分隔装置10的共同降温作用，而第一区域A仅受到分隔装置10的降温作用，导致第二区域B温度比第一区域A下降得更多。此外，也可以通过适当地选择分隔装置10的位置以使第一区域A的体积显著大于第二区域B的体积来强化这一温差。该温度的差异使得氢气、乙烯等气体在两个区域的溶解度不同。这样，烯烃在第二区域B内聚合形成分子量较高的聚合物，而在第一区域A内聚合形成分子量较低的聚合物，从而提高了聚合产物的分子量分布指数。

在一个具体的实施例中，内冷管10a所围圆柱体的直径与聚合釜体1的釜径之比为0.1～0.9，优选为0.6～0.75，进一步优选为0.75。高度与釜高之比为0.1～0.8，优选为0.3～0.7，进一步优选为0.4。

由于直叶桨2c主要产生径向流，而沿径向排出的流体会被分隔装置10阻挡。同时，在直叶桨2c中没有轴向流产生，从而无法使两个区域之间的流体混合。为此，本发明的搅拌桨可采用推进式搅拌桨与斜叶桨相组合的形式。其中推进式搅拌桨用于产生轴向流，而斜叶桨能够同时产生径向流与轴向流。这种新型的组合桨能够使流体在轴向上更好地运动，从而有效地混合两个区域之间的流体。其中，斜叶桨采用下流式桨。这样，可以在区域A内形成循环，同时在区域A、B之间形成流动，从而使物料混合。在图2所示的实施例中，在搅拌轴上设置有四层搅拌桨，依从上至下的顺序分别为推进式搅拌桨、斜叶桨和两层斜叶圆盘桨。

优选地是，分隔装置10的上边界选择成与最上层的桨（如推进式搅拌桨）的中心水平线持平，而其下边界与最下层的桨所处的平面（如斜叶圆盘桨的圆盘）持平。这种布置能够实现更优良的搅拌混合的作用。这是因为，如果上边界过高，搅拌桨产生的径向流体会被阻挡，则区域A的流体无法进入区域B中，导致两个区域之间的混合效果不好。如果上边界过低，分隔装置便起不了分隔的作用。对于下边界的确定也是出于如上的考虑。

以下说明利用根据本发明第一实施例的聚合反应器来进行烯烃聚合的工艺。该聚合工艺为气液固三相聚合。其中，气相单体通过进气管31鼓泡进入釜体1，液相的己烷由液相进料口9通入，用于溶解原料、蒸发撤热，而固相催化剂（如Z-N催化剂）由固相进料口6加入。气相乙烯、丁烯、氢气的进料量分别为4448kg/hr、58kg/hr和2.0kg/hr，液相己烷的进料量为4270kg/hr，催化剂的进料量为0.25kg/hr。气相在釜体1中的分布不均匀，第一区域A含气相60%，第二区域B含气相40％。两个区域均产生聚合热。

在该工艺中，己烷蒸发带走大部分聚合热，气相进入第一区域A移取聚合热。37℃的冷凝己烷液回流至釜体1移取热量，流量为26192kg/hr。60%的冷凝液进入第二区域B，40%的冷凝液进入区域A。母液回流量为4130kg/hr，移取第二区域B的热量。夹套5移取第二区域B的热量。在内冷管中流动的冷却水的进口温度为30℃，内冷管移取两个区域的热量。由此，在两个区域之间形成了温差，第一区域A温度为87℃，第二区域B温度为74℃。

在搅拌桨的作用下，气、液、固三相混合。聚合压力为0.5MPa，共聚单体与乙烯单体摩尔比为1.111×10^-2。氢气与乙烯的摩尔比为0.60。浆液在搅拌桨的作用下流动，温度的差异使得氢气、乙烯等气体在两个区域的溶解度不同，烯烃在较低的温度下聚合会形成分子量较高的聚合物，在较高温度下形成分子量低的聚合物。反应结果显示于表1中。

容易理解，本领域的技术人员可根据实际情况的需要对分隔装置10和其他装置的具体结构做出适当的调整或变化。

图4和图5显示了根据本发明的第二实施例的聚合反应器。该聚合反应器60的结构与第一实施例中的聚合反应器50的结构基本上相同。不同点在于，在第二实施例中，分隔装置10中的以盘管形式分布的内冷管10a由圆筒体10b代替。此外，第二实施例中的夹套5采用两段式换热的方式。具体地说，在釜壁的上部区域和下部区域分别设置有一组冷却水进出口5a、5c以及5b、5d。

分隔装置10由圆筒体10b构成，同样用于将釜内的聚合区域分成两个部分，即处于圆筒体10b内的第一区域A和处于圆筒体10b与釜体1之间的第二区域B。与第一实施例相比，其具有结构简单、易于操作的优点。夹套5设置成两段式换热后，可以在各段中通入不同温度的冷却水，分别进行控制，同时提高了换热效率。

下面介绍根据本发明第二个实施例的聚合反应器来进行烯烃聚合的工艺，其中与第一实施例中所述工艺相同的部分略去或未详细说明。

反应方式和撤热方式与第一个实施例基本相同，不同之处在于37℃的冷凝己烷液回流至釜体1移取热量，其中，40%的冷凝液进入第二区域B，60%的冷凝液进入区域A。同时，夹套5移取区域b热量，其中具有冷却水进出口5a、5c的上方换热夹套内通30℃冷却水，具有冷却水进出口5b、5d的下方换热夹套内通20℃冷却水，两个区域形成温差。区域A的温度为70℃，区域B的温度为88℃。反应结果显示于表1中。

图6显示了根据本发明的第三实施例的聚合反应器。该聚合反应器70的结构与根据本发明的第一实施例中的聚合反应器50结构基本相同，不同结构在于进气管31有两个出口。其中，进气管出口3a通入第二区域B，而进气管出口3b通入第一区域A内。进气管的出口3a、3b设置成使得进入第一区域A内的气相含量与进入第二区域B的气相含量不同。容易理解，通入两个区域的进气管出口的数量也可以设置成不同。

根据本发明的第三实施例的聚合反应器来进行烯烃聚合的工艺与第一实施例中所述的工艺基本相同。其中，37℃的冷凝己烷液回流至釜体1移取热量，70%的冷凝液进入第二区域B，30%的冷凝液进入区域A。

气体由进气管出口3b进入第一区域A，由进气管出口3a进入第二区域B。第一区域A含气相58%，第二区域B含气相42%。两个区域均产生聚合热。区域a的温度为89℃，区域b的温度为75℃。反应结果显示于表1中。

图7显示了根据本发明的第四实施例的聚合反应器。该聚合反应器80的结构与根据本发明的第一实施例中的结构基本相同，不同之处在于增设有淤浆外循环装置13，用于将淤浆从釜底抽出经冷却后由泵返回釜内。外循环装置13对第一区域A撤热，将第一区域A的浆液从釜底抽出，经换热器冷却后再送回第一区域A中。其中，外循环量例如可为7×10⁴kg/hr，经换热之后温度降低。由此，外循环装置13进一步有利于温差的形成。

根据本发明的第四实施例的聚合反应器来进行烯烃聚合的工艺与第一实施例中所述的工艺基本相同。其中，37℃的冷凝己烷液回流至釜体1移取热量，70%的冷凝液进入第二区域B，30%的冷凝液进入区域A。第一区域A含气相60%，第二区域B含气相40％。两个区域均产生聚合热。两区域形成温差，第一区域A的温度为85℃，第二区域B的温度为70℃。反应结果显示于表1中。

此外，采用根据图1所示的聚合反应器40，并以与第一实施例中所述相同的工艺来进行烯烃聚合反应，作为对比例。反应结果显示于表1中。

表1

实施例	1	2	3	4	对比例
						进入A的气相（﹪）	60	60	58	60	-
进入B的气相（﹪）	40	40	42	40	-
						进入A的回流冷凝己烷（﹪）	40	60	30	30	-
进入B的回流冷凝己烷（﹪）	60	40	70	70	-
						A的温度（℃）	87	70	89	85	85
B的温度（℃）	74	88	75	70	85
						产物数均分子量	21557	34560	17137	18357	80170
产物重均分子量	457489	625673	442550	450297	260584
						产物分子量分布指数	21.22	18.10	25.82	24.53	3.25

从表1中可以看出，分隔装置10将聚合区域分成两个不同的区域，即第一区域A和第二区域B。由于进入两个区域的气相和回流冷凝己烷的比例不同，加之内冷管10a（例如第一个实施例中）对第一区域A和第二区域B的冷却作用，夹套5（例如第二个实施例中）对第二区域B的冷却作用，使得第一区域A和第二区域B存在温差。烯烃在较低的温度下聚合形成分子量较高的聚合物，在较高温度下形成分子量低的聚合物。因此，聚合产物呈明显的宽分子量特性。相对于传统单一搅拌釜反应器工艺，在相同工艺参数下，聚合产物的分子量分布指数为3.25，该发明能够明显地提高聚合物性能。

容易理解，虽然在上文中是以将聚合区域分成两个温度不同的区域为例来介绍本发明的，然而本发明也涵括了聚合区域包括两个以上温度不同的区域的情况。也就是说，将聚合区域分成三个或三个以上温度不同的区域同样落入到本发明的保护范围内。

虽然在上文中已经参考一些实施例对本发明进行了描述，然而在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本发明所披露的各个实施例中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种烯烃聚合反应器，包括聚合釜体（1），在所述釜体内设置有搅拌装置（2）和气体分布装置（3），所述气体分布装置（3）包括沿周向均匀分布的多根进气管（31），

其特征在于：在釜体内还设置有分隔装置（10），用于将釜体内的区域分成处于分隔装置（10）内的第一区域和处于分隔装置（10）与釜体（1）之间的第二区域，其中第一区域的温度不同于所述第二区域的温度。

2.根据权利要求1所述的烯烃聚合反应器，其特征在于，所述分隔装置（10）形成了一个圆柱体，其与所述气体分布装置（3）所构成的假想圆柱体重合。

3.根据权利要求2所述的烯烃聚合反应器，其特征在于，所述分隔装置（10）包括分布在相邻两根进气管（31）之间的内冷管（10a），各所述内冷管采用盘管的形式设置。

4.根据权利要求2所述的烯烃聚合反应器，其特征在于，所述分隔装置（10）由圆筒体（10b）构成。

5.根据上述权利要求任一项所述的烯烃聚合反应器，其特征在于，在所述釜体（1）外设置有夹套（5），所述夹套（5）优选为分段式结构。

6.根据权利要求1到5中任一项所述的烯烃聚合反应器，其特征在于，所述搅拌装置包括多层搅拌桨，其中所述圆柱体的顶面与最上层桨的中心水平线齐平，而底面与最下层桨所在平面齐平。

7.根据权利要求6所述的烯烃聚合反应器，其特征在于，所述搅拌装置由推进式搅拌桨、斜叶桨、直叶搅拌桨、斜叶圆盘桨中的一种或几种组合而成。

8.根据上述权利要求任一项所述的烯烃聚合反应器，其特征在于，所述进气管包括两组分别与第一区域和第二区域连通的出口。

9.根据上述权利要求任一项所述的烯烃聚合反应器，其特征在于，所述第一区域与所述第二区域的温差为5℃以上。

10.一种使用根据权利要求1～9任一项所述烯烃聚合反应器的烯烃聚合反应方法。

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