CN103212346A - 喷动床反应器及其烯烃聚合的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种喷动床反应器及其烯烃聚合的方法。该喷动床反应器包括：喷动床反应器主体、循环气系统、固体颗粒输送装置。采用固体颗粒输送装置使得喷动流化床内的固体颗粒进行外循环，促进床层特别是环隙区内固体颗粒和气体的流动，增强反应器内颗粒混合，消除“滞留区”，提高传热效率和传质效率，减少粘壁结块发生的几率；在外循环管道上设置出料口与出料系统相连，可以提高出料效率；在反应器底部缩径段通入辅助气流，通过改变主气流和辅助气流的组成，可以调节产品性能。

Description

喷动床反应器及其烯烃聚合的方法

技术领域

 本发明涉及烯烃聚合领域，尤其涉及一种喷动床反应器及其烯烃聚合的方法。

技术背景

聚合物的粘壁结块是烯烃聚合生产中经常遇到的问题，但至今尚未得到很好的解决。以聚烯烃生产中广泛使用的气相聚合反应器为例，聚合物的粘壁结块严重影响了气相聚合反应器的长周期稳定运行，严重时甚至会堵塞管线，导致停车。特别是随着冷凝态操作技术的出现，通过向气相聚合反应器中注入冷凝液，加强反应器内的移热能力，从而达到大幅度提高反应器时空收率的目标。由于液体的存在，颗粒间的粘性力增强，会加剧结块的形成，而这些结块若不及时被破碎，将进一步破坏床层的流化质量，发生去流态化现象、床层塌落甚至是反应器停车等故障。如果能够防止结块的产生，将对聚烯烃的安全和稳定生产起到至关重要的作用。

喷动床技术是流态化技术的一个分支，它特别适用于粒径粗大（一般为150 μm~6 mm，最大可达30 mm），而且形状不规则的固体颗粒物料的气固加工。因为不规则的粗大颗粒在流化时易产生沟流和节涌现象，使得这类物料在传统的鼓泡流化床中不能很好地流化，而在喷动床中却可以形成规律的颗粒循环运动，操作十分稳定。但喷动床在工业应用中仍然存在颗粒分布不均匀、粘壁结块、气固传质效率低等问题。特别是在喷动床的环隙区，固体颗粒在喷动床上部下降速度最大，在下降过程中其下降速度逐步降低，大约在锥底与圆柱交界处下降速度最低，即存在一个“滞留区”，导致环隙区颗粒轴向混合不佳。

一种改进方法是在喷动床底部的缩径段通入辅助气流，构成所谓的喷动流化床，可以强化床层内颗粒的循环和混合，改善喷动流化床反应器轴向和径向的颗粒运动。相比喷动床和流化床反应器，喷动流化床使颗粒流化所需的气体量更少，操作范围更宽，能减少结块、节涌等不良流化现象。但是，喷动流化床中环隙区颗粒是从上向下运动，在底部缩径段通入辅助气流后，带动环隙区底部的颗粒向上运动。这种方式不能消除“滞留区”，只能使得“滞留区”的位置上移。

中国专利CN101455954A将喷动床反应器用于烯烃聚合，提出的改进方案包括：通过在圆筒上端设置封闭板，可以抑制被气体吹起的粒子的飞散；通过在喷动床侧壁设置排气孔，可以增大向喷动床的环状粒子床层中扩散的气体的量，从而增大气固传质效率。但是，向环状粒子层中扩散的气体量增大后，环状层中的固体颗粒向下流动速度减慢，使得固体颗粒的轴向流动混合恶化。这种方案同样不能消除“滞留区”。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种喷动床反应器及其烯烃聚合的方法。

一种喷动床反应器包括直圆筒、缩径段、气体导入口、封闭板、扩大段、扩大段上端的封闭板、锥形挡板、气体排出口、辅助气体导入口、固体颗粒引出口、催化剂加料口、排料口、旋风分离器、循环气压缩机、换热器、循环气管道、固体颗粒引出管、气固喷射泵、进气孔、固体颗粒循环管、下料管；反应器本体从上到下包括相连接的气体排出口、扩大段上端的封闭板、扩大段、直圆筒、封闭板，直圆筒下部设有辅助气体导入口，反应器本体内上部设有锥形挡板，反应器本体内下部设有缩径段、气体导入口，缩径段上设有固体颗粒引出口、排料口、进气孔，固体颗粒引出口、固体颗粒引出管、气固喷射泵、固体颗粒循环管、气体导入口相连，气体排出口、旋风分离器、循环气压缩机、换热器、循环气管道顺次相连，循环气管道再分成三路，其中第一路与辅助气体导入口相连，第二路与气固喷射泵相连，第三路与固体颗粒循环管相连，旋风分离器底部与反应器本体相连。

另一种喷动床反应器包括直圆筒、缩径段、气体导入口、封闭板、扩大段、扩大段上端的封闭板、锥形挡板、气体排出口、辅助气体导入口、固体颗粒引出口、催化剂加料口、排料口、旋风分离器、循环气压缩机、换热器、循环气管道、固体颗粒引出管、气固喷射泵、进气孔、固体颗粒循环管，下料管；反应器本体从上到下包括相连接的扩大段上端的封闭板、扩大段、直圆筒、封闭板，扩大段上设有气体排出口，直圆筒下部设有辅助气体导入口，反应器本体内上部设有锥形挡板，反应器本体内下部设有缩径段、气体导入口，缩径段上设有进气孔，缩径段上方、圆筒内侧任意位置处设有固体颗粒引出口，固体颗粒引出口与固体颗粒引出管相连，固体颗粒引出管分为两路，其中一路固体颗粒引出口、固体颗粒引出管、气固喷射泵、固体颗粒循环管、气体导入口相连，另外一路固体颗粒引出管与下料管相连，气体排出口、旋风分离器、循环气压缩机、换热器、循环气管道顺次相连，循环气管道再分成三路，其中第一路与辅助气体导入口相连，第二路与气固喷射泵相连，第三路与固体颗粒循环管相连，旋风分离器底部与反应器本体相连。

所述固体颗粒引出口、固体颗粒引出管、气固喷射泵、固体颗粒循环管构成输送装置，所述的输送装置为1～16个。

喷动床反应器进行烯烃聚合的方法是：原料气分别经气体导入口和辅助气导入口进入喷动床反应器内，从气体排出口进入由旋风分离器、压缩机、换热器构成的循环气系统，在循环气系统中经分离，压缩、冷却后经固体颗粒循环管、气体导入口、辅助气导入口再度进入喷动床反应器内，并在固体颗粒循环管内补充新鲜的原料气；通过进入气固喷射泵的循环气量，控制固体颗粒引入固体颗粒引出管内的固体颗粒流量，从而调节控制喷动床反应器内固体颗粒运动的活跃程度和气固传质效率；调节通过缩径段上透孔进入喷动床反应器的气量与通过缩径段下端气体导入口进入喷动床反应器的气量的比例，进而改变喷动床反应器内固体颗粒运动的活跃程度和气固传质效率；根据需要，调节从通过缩径段上透孔进入喷动床反应器的气体与通过缩径段下端气体导入口进入喷动床反应器的气体组成。

本发明与现有技术相比具有的有益效果：

1）使用输送装置使得喷动流化床内的固体颗粒进行外循环，促进床层特别是环隙区内固体颗粒和气体的流动，消除“滞留区”，增强反应器内颗粒混合，提高传热效率和传质效率，减少粘壁结块发生的几率；

2）用气固喷射泵来进行固体颗粒的输送，可以降低能耗；

3）在外循环管道上设置出料口与出料系统相连，可以提高出料效率；

4）在喷动床反应器底部的缩径段通入辅助气流，可以改善环隙区底部的颗粒运动状况，防止粘壁结块，提高传质效率和传热效率；

5）通过改变主气流和辅助气流的组成，可以调节产品性能。

附图说明

图1是一种喷动床反应器结构示意图；

图2是另一种喷动床反应器结构示意图；

图中，直圆筒1、缩径段2、气体导入口3、封闭板4、扩大段5、扩大段上端的封闭板6、锥形挡板7、气体排出口8、辅助气体导入口9、固体颗粒引出口10、催化剂加料口11、排料口12、旋风分离器13、循环气压缩机14、换热器15、循环气管道16、固体颗粒引出管17、气固喷射泵18、进气孔19、固体颗粒循环管20、下料管21。

具体实施方式

喷动床反应器中气体从底部的气体导入口进入床层，在床层中心轴附近形成颗粒浓度稀薄且粒子随气体一起向上流动的射流；另一方面，在重力的作用下，在其周围形成层状移动下降的环隙微粒层，从而引起固体颗粒的循环运动。本发明中，喷射区指床层中心轴处的向上运动的射流作用区域；环隙区指喷射区与反应器外壁之间的区域。

在竖直圆筒上端设置有扩大段，用于细粉沉降。竖直圆筒的直径为D，高度为H；扩大段的直径为1.5D～6D，高度为0.01H～H。此外，在竖直圆筒和/或扩大段设置具有向下逐渐增加的外径且在其顶端封闭、底端与所述圆筒内壁隔开的锥形挡板，用于减少细粉扬析。锥形挡板的底部直径为0.2D～0.9D，高度为0.01H～0.5H。扩大段和锥形挡板属于可选部件，优选的方案是同时采用扩大段和锥形挡板。为了保证锥形挡板的使用效果，喷动床反应器内的料位应该低于锥形挡板的下端。

气体排出口可以设置在喷动床反应器的侧壁，即竖直圆筒或扩大段上；也可以设置在扩大段上端的封闭板处。如果选用锥形挡板，气体排出口所在位置应该高于锥形挡板的下端。喷动床反应器中至少设置一个气体排出口，优选方案是在反应器侧壁设置多个气体排出口，且沿圆周均匀分布。这种设置方式在增强环隙区的气固传质的同时，可以保证气体分布的均匀性。

在喷动床反应器中设置固体颗粒输送装置。所述的输送装置包括固体颗粒引出口、气固喷射泵、设置在喷动床反应器外侧将固体颗粒引出口与气固喷射泵入口及气固喷射泵出口与缩径段下端气体导入口相连的管道。其中，固体颗粒引出口位于圆筒和/或缩径段和/或缩径段上方、圆筒内侧及扩大段下端所围成的区域内的任意位置。优选方案是引出口位于缩径段，且固体颗粒引出管竖直向下；更优选的方案是固体颗粒引出管穿过缩径段伸入反应器，使得固体颗粒引出口位于环隙区。固体颗粒引出管与竖直方向的夹角为0～90 ，优选0～45 。

所述的输送装置中使用循环气体或原料气体作为输送动力，在气固喷射泵的固体入口形成一个负压区，此区域的压力低于固体颗粒引出口的压力。环隙区的固体颗粒在重力和压差的作用下沿固体颗粒引出管进入气固喷射泵，在输送气的带动下通过缩径段下端的气体导入口返回喷动床反应器，形成一个循环。固体颗粒外循环的流量通过输送气的流量和压力进行调节。

环隙区的固体颗粒原来就是向下流动，增设输送装置后，使得环隙区颗粒整体向下运动的速度增加，颗粒的脉动也增大，消除了“滞留区”，减少粘壁结块发生的几率；同时，一部分气体也随之进行循环，加快了气体向环隙区的扩散，使得气固接触效率显著增强。

所述的输送装置的固体颗粒引出口尽可能的靠近壁面，以增强壁面附近颗粒运动的活跃程度；固体颗粒引出口优选位于“滞留区”，距离圆筒与缩径段交界处的距离为0～0.9H，优选0～0.2H。

定义固体颗粒循环流量与出料量之比为循环比。所述的输送装置循环比的范围为0.1～100，优选10～30。输送装置中固体颗粒的流动速度为0.1～20 m/s，优选0.5～10 m/s。输送装置中循环管的内径为0.001 D ～0.3D，优选0.01 D ～0.1D。

所述的输送装置至少有一个，优选2～16个，更优选2～4个，多个输送装置沿周向均匀分布，以减少对喷动床反应器的扰动。

所述的输送装置上设置与出料系统相连的固体颗粒排出口，用于出料。排出口位于循环管道上，优选位于固体颗粒引出口与气固喷射泵之间的管道上。

当固体颗粒引出管伸入到喷动床反应器的床层中时，引出管外侧可能会形成死区。为了防止此区域内固体颗粒的粘壁结块，在所述缩径段下端封闭板上设置气体导入口，在所述缩径段上设置多个透孔，和/或在透孔上方设置风帽，并通过缩径段上的透孔通入辅助气流，以进一步改善环隙区底部的颗粒运动状况，防止粘壁结块。其中，风帽可以采用任何已知的风帽型式。此外，辅助气的引入，使得喷动床反应器在具有喷动流化床反应器的固有优点的同时，通过输送装置解决了“滞留区”的问题，增强了喷动床反应器的操作弹性和稳定性。

本发明提供的喷动床反应器能用于烯烃聚合，包括但不限于乙烯聚合、丙烯聚合；可以是乙烯或丙烯的均聚，也可以是乙烯或丙烯与共聚单体的共聚。其中，聚合单体为C1-C10的烯烃，优选乙烯或丙烯；而共聚单体包含乙烯、α-烯烃、二烯等，其中α-烯烃为选自丙烯、1-丁烯、1-戊烯、1-己烯、1-庚烯和1-辛烯中的至少一种。

参照附图对本发明的优选实施方案详细说明如下。

如图1所示，一种喷动床反应器包括直圆筒1、缩径段2、气体导入口3、封闭板4、扩大段5、扩大段上端的封闭板6、锥形挡板7、气体排出口8、辅助气体导入口9、固体颗粒引出口10、催化剂加料口11、排料口12、旋风分离器13、循环气压缩机14、换热器15、循环气管道16、固体颗粒引出管17、气固喷射泵18、进气孔19、固体颗粒循环管20、下料管21；反应器本体从上到下包括相连接的气体排出口8、扩大段上端的封闭板6、扩大段5、直圆筒1、封闭板4，直圆筒1下部设有辅助气体导入口9，反应器本体内上部设有锥形挡板7，反应器本体内下部设有缩径段2、气体导入口3，缩径段2上设有固体颗粒引出口10、排料口12、进气孔19，固体颗粒引出口10、固体颗粒引出管17、气固喷射泵18、固体颗粒循环管20、气体导入口3相连，气体排出口8、旋风分离器13、循环气压缩机14、换热器15、循环气管道16顺次相连，循环气管道16再分成三路，其中第一路与辅助气体导入口9相连，第二路与气固喷射泵18相连，第三路与固体颗粒循环管20相连，为了防止扬析的细粉堵塞后续的循环气压缩机和换热器，在气体排出口后设置旋风分离器将细粉分离出来后送回喷动床反应器。

所述固体颗粒引出口10、固体颗粒引出管17、气固喷射泵18、固体颗粒循环管20构成输送装置。

如图2所示，另一种喷动床反应器包括直圆筒1、缩径段2、气体导入口3、封闭板4、扩大段5、扩大段上端的封闭板6、锥形挡板7、气体排出口8、辅助气体导入口9、固体颗粒引出口10、催化剂加料口11、排料口12、旋风分离器13、循环气压缩机14、换热器15、循环气管道16、固体颗粒引出管17、气固喷射泵18、进气孔19、固体颗粒循环管20，下料管21；反应器本体从上到下包括相连接的扩大段上端的封闭板6、扩大段5、直圆筒1、封闭板4，扩大段5上设有气体排出口8，直圆筒1下部设有辅助气体导入口9，反应器本体内上部设有锥形挡板7，反应器本体内下部设有缩径段2、气体导入口3，缩径段2上设有进气孔19，缩径段2上方、圆筒1内侧任意位置处设有固体颗粒引出口10，固体颗粒引出口10与固体颗粒引出管17相连，固体颗粒引出管17分为两路，其中一路固体颗粒引出口10、固体颗粒引出管17、气固喷射泵18、固体颗粒循环管20、气体导入口3相连，另外一路固体颗粒引出管17与下料管21相连，气体排出口8、旋风分离器13、循环气压缩机14、换热器15、循环气管道16顺次相连，循环气管道16再分成三路，其中第一路与辅助气体导入口9相连，第二路与气固喷射泵18相连，第三路与固体颗粒循环管20相连，为了防止扬析的细粉堵塞后续的循环气压缩机和换热器，在气体排出口后设置旋风分离器将细粉分离出来后送回喷动床反应器。

所述固体颗粒引出口10、固体颗粒引出管17、气固喷射泵18、固体颗粒循环管20构成输送装置。

两种喷动床反应器的区别在于：（1）排气口位于扩大段的反应器侧壁，且高于锥形板的下端；（2）设置了两套固体颗粒外循环系统，对称布置；（3）设置了两套出料系统，其中一套与固体颗粒外循环系统相连，见图2；另一套与缩径段上的排料口相连，见图1，在图2中未画出；（3）固体颗粒引出管穿过缩径段伸入喷动床反应器，固体颗粒引出口位于环隙区。

喷动床反应器进行烯烃聚合的方法是：原料气分别经气体导入口3和辅助气导入口9进入喷动床反应器内，从气体排出口8进入由旋风分离器13、循环气压缩机14、换热器15构成的循环气系统，在循环气系统中经分离，压缩、冷却后经固体颗粒循环管20、气体导入口3、辅助气导入口9再度进入喷动床反应器内，通过循环气压缩机和换热器，来自反应器顶部的循环气的压力和温度调节在适当的范围内。压缩机可以是往复式、离心式或者螺杆式压缩机，优选为螺杆式压缩机。换热器所使用的介质可以为水或者化学冷却剂，优选为水；在固体颗粒循环管20内补充新鲜的原料气；通过调节进入气固喷射泵18的循环气量，控制固体颗粒引入固体颗粒引出管17内的固体颗粒流量，从而调节控制喷动床反应器内固体颗粒运动的活跃程度和气固传质效率；调节通过缩径段2上透孔19进入喷动床反应器的气量与通过缩径段2下端气体导入口3进入喷动床反应器的气量的比例，进而改变喷动床反应器内固体颗粒运动的活跃程度和气固传质效率；根据需要，调节从通过缩径段2上透孔19进入喷动床反应器的气体与通过缩径段2下端气体导入口3进入喷动床反应器的气体组成。

在循环气管线16上可以根据工艺需要加入烯烃聚合单体、共聚单体或冷凝介质，冷凝介质可以是碳原子数大于4的直链或带支链的烷烃或环烷烃，如戊烷、己烷、庚烷、辛烷等。催化剂可间歇地或连续地从催化剂进料口11注入，使烯烃单体参与反应从而聚烯烃颗粒不断长大，聚合产物主要是间歇地或连续地从反应器底部，经出料管线21出料。

喷动床反应器环隙区的固体颗粒和部分气体，在重力和压差的作用下，从固体颗粒引出口经固体颗粒引出管进入气固喷射泵，在输送气的带动下通过气体导入口进入喷射区，继而在流化气的作用下从喷射区扩散运动到环隙区，完成循环。通过调节输送气的流量和压力，可以控制固体颗粒的外循环量，进而改变环隙区的固体颗粒下移速率。固体颗粒的连续外循环，使得环隙区颗粒整体向下运动的速度增加，颗粒的脉动也增强，消除了“滞留区”，减少粘壁结块发生的几率；同时，一部分气体也随之进行循环，加快了气体向环隙区的扩散，使得气固接触效率显著提高。

本发明中使用的烯烃聚合催化剂可以是在烯烃聚合中使用的公知的聚合催化剂，包括但不限于齐格勒-纳塔催化剂、茂金属催化剂、后过渡金属催化剂，也可以组合使用这些催化剂。催化剂的重均粒径通常为5～150μm。在喷动流化床反应器中，为了防止催化剂颗粒的扬析，优选的催化剂重均粒径大于15μm。催化剂可以含有流动化助剂、除静电添加剂等添加剂。聚合过程中为了调节聚合物的分子量，可以使用氢气等链转移剂。催化剂可以先经过预聚后再进入喷动床反应器。催化剂可以采用淤浆进料或固体进料。

本发明中的烯烃聚合反应可以在常规的烯烃聚合条件下进行。聚合压力通常为0.2～8MPa，优选0.5～5MPa。聚合温度由单体的种类、产品的分子量等确定，但是低于烯烃聚合物的熔点，优选低10℃以上。聚合温度通常为0～120℃，优选40～100℃。烯烃聚合反应优选在极低的水、氧含量环境下进行。如果存在水分、氧、一氧化碳、二氧化碳等，聚合活性会降低。物料在喷动床反应器中的平均停留时间会影响产量、产品性质等，通常为0.5～5h，优选1.5-3.5h。

反应开始前，需要装填种子床；对反应器进行气体置换，使得水、氧等含量满足聚合要求；将反应器的温度、压力调节到工艺要求值；向反应器中加入聚合单体、共聚单体、催化剂、氢气等；聚合单体和共聚单体在催化剂的作用下开始聚合，生成的聚烯烃颗粒在流化气的作用下在床内运动，最终从排料口12排出；由此，烯烃聚合反应系统开始稳定运转。

聚合反应热通过循环气体温度升高，以显热的方式带走；也可以向反应器中喷入液体，通过液体的蒸发，以潜热的方式带走。液体选用碳原子数大于4的烷烃，如戊烷、己烷、庚烷、辛烷等，优选戊烷和己烷。

常规的聚合过程中，含有烯烃单体的气体从气体导入口3随主气流进入喷动床反应器，一部分形成喷射流穿过床层，剩余部分向环隙区扩散。含有烯烃单体的气体和催化剂接触后进行烯烃聚合反应生成聚烯烃颗粒。喷动床反应器中聚烯烃颗粒形成一个沿喷射区向上，再沿环隙区向下的主要循环。喷射区颗粒浓度低、速度快，环隙区颗粒浓度高、速度慢。而聚合反应又主要在环隙区进行，导致环隙区放热量大。如果环隙区的热量无法及时移走，就会导致温度升高，聚烯烃颗粒发生粘壁结块。

使用本发明提供的固体颗粒输送装置，形成一个固体颗粒从环隙区经气固喷射泵到喷射区的外循环，使得环隙区的颗粒下移速度增大，加快喷射区和环隙区之间的质量交换和热量交换，可以有效地提高气固传质效率及传热效率，消除环隙区的“滞留区”，防止颗粒粘壁结块。但是，固体颗粒的外循环并不是越快越好。外循环速率越大，对喷动床反应器的扰动也就越大，使得反应器的可操控性下降。因此，需要根据实际工况，选择合适的循环比。其中，循环比定义为固体颗粒循环流量与出料量之比。本发明中，通过调节输送气的流量和压力来调节固体颗粒循环量，通过调节出料系统的出料频率和出料效率来调节出料量，进而调节循环比。此外，固体引出管中的颗粒浓度高于喷动床反应器中的颗粒浓度。将固体引出管与出料系统相连，可以提高出料效率。以循环气作为输送介质，使用气固喷射泵来进行固体颗粒输送，与仅使用输送气来进行输送相比，能耗更低。

在缩径段通入辅助气流，可以强化床层内颗粒的循环和混合，改善轴向和径向的颗粒运动。这种操作方式使颗粒流化所需的气体量更少，能减少结块、节涌等不良流化现象，操作柔性更大。但是，环隙区中的“滞留区”仍然存在，只是位置上移。此时，采用图2所示的实施方案，将固体颗粒引出管伸入到“滞留区”下方，加快“滞留区”内固体颗粒的循环运动，消除“滞留区”。另外，通过改变辅助气流量与主气流量之比，可以对固体颗粒引出管下方区域的颗粒活跃性、喷射区和环隙区的传质速率和传热速率等进行调节。总而言之，采用固体颗粒外循环和喷动流化床相结合的形式，在保留喷动流化床诸多优点的同时，可以防止粘壁结块的产生。

通过在主气流和辅助气流中选择性地加入聚合单体、共聚单体、氢气等，使得主气流和辅助气流的组成不同，及喷动床反应器中环隙区底部和喷射区底部的单体浓度不同，加之环隙区和喷射区之间存在的温度差异，导致两个区域内所生产的聚合物的分子量分布等物性有所不同。调节喷动床反应器的操作参数可以加大这一差异，继而生产具有较宽分子量分布的聚烯烃产品，提高产品性能。

实施例1

实施例1和对比例1为实验室冷模实验结果，主要目的是通过与对比例1的比较，考察固体颗粒外循环对环隙区固体颗粒运动速度和反应器中轴向颗粒混合的影响。

喷动床反应器冷模实验装置的结构如图1所示。与图1不同的是，冷模实验装置没有气体外循环系统，从空气压缩机出来的压缩空气经玻璃转子流量计计量后，分成三股，一股作为主气流，另一股作为辅助气流，第三股作为气固喷射泵的输送气。冷模实验装置中喷动床反应器的直径为D=150 mm，圆筒高度H=1000 mm。喷动床反应器其它部件的尺寸参数和固体颗粒外循环系统的主要参数见表1。

表 1  冷模实验装置的主要参数

圆筒直径	D	锥形挡板底部直径	0.5D
				圆筒高度	H	锥形挡板高度	0.05H
扩大段直径	2D	固体颗粒输送系统数量	1
				扩大段高度	0.25H	固体颗粒循环管直径	0.05D
缩径段直径	D	缩径段高度	0.1H

冷模实验中，以空气作为流化气体，对聚丙烯颗粒进行流化，以绿豆作为示踪颗粒。实验开始前，向床层中加入3 kg聚丙烯颗粒，聚丙烯颗粒的平均粒径为2 mm。实验开始后，向床层中加入300 g绿豆，绿豆的平均粒径为2.2 mm。喷动床的表观气速为1m/s；固体颗粒外循环管内流速为6m/s，质量流量为100 g/s。

冷模实验中，在喷动床反应器冷模实验装置中不同轴向高度处的采样口进行取样，通过取样筛分法，测定示踪颗粒浓度沿轴向的分布。采用等速采样法测量不同轴向高度处的颗粒运动速度。等速采样法利用等速采样管测量颗粒的流率来计算固体颗粒的运动速度。实验结果见表2。示踪颗粒浓度定义为绿豆质量/（聚丙烯质量+绿豆质量）。

对比例1

对比例1所使用的实验装置和实验方法与实施例1完全相同，区别在于在对比例1中不使用固体颗粒外循环。在对比例1中，同样对不同轴向高度处的示踪颗粒浓度和固体颗粒运动速度进行测量，实验结果见表2。

表 2  冷模实验中有无固体颗粒外循环时不同轴向高度处固体颗粒速度和示踪颗粒浓度的对比

由表2可知，无外循环时环隙区的平均颗粒下移速度约为0.5 m/s轴向示踪颗粒浓度的标准差为0.125；有外循环时，环隙区的平均颗粒下移速度约为0.71 m/s，轴向示踪颗粒浓度的标准差为0.006。实验结果表明，颗粒外循环使得环隙区的颗粒下移速率显著增加；同时，改善了轴向颗粒混合，使得示踪颗粒沿轴向分布更加均匀。

实施例2

实施例2和对比例2为工业中试热模实验结果，主要目的是通过与对比例2的比较，考察固体颗粒外循环对颗粒团聚结块的影响。

工业试验装置的结构如图2所示。工业实验装置中，喷动床反应器的直径为D=420 mm，圆筒高度H=2500 mm。喷动床反应器其它部件的尺寸参数和固体颗粒外循环系统的主要参数见表3。

表 3  工业实验装置的主要参数

圆筒直径	D	锥形挡板底部直径	0.4D
				圆筒高度	H	锥形挡板高度	0.05H
扩大段直径	1.8D	固体颗粒输送系统数量	2
				扩大段高度	0.2H	固体颗粒循环管直径	0.1D
缩径段直径	D	缩径段高度	0.1H

工业试验中，在图2所示的喷动床反应器中使用齐格勒-纳塔催化剂生产聚丙烯，以乙烯作为共聚单体、氢气作为链转移剂。聚合反应温度为88℃，反应压力2MPa，反应器入口温度为58℃，物料的平均停留时间为2h，固体颗粒的循环比为15。

当中试装置稳定运行120 h后，对从出料系统排出的粉料进行筛分，将当量直径为2cm＜d＜5cm的颗粒视为小结块，而d＞5cm的颗粒视为大结块。对反应开始后第六天收集到的结块的数量和质量进行统计，试验结果见表4。

对比例2

对比例2所使用的试验装置和试验方法与实施例2完全相同，区别在于在对比例2中不使用固体颗粒外循环。在对比例2中，同样对从出料系统排出的粉料进行筛分，统计反应开始后第六天收集到的结块的数量和质量，试验结果见表4。

由表4可知，固体颗粒外循环使得喷动床反应器内的结块数量显著减少。试验结果表明，固体颗粒外循环可以减少粘壁结块发生的几率

表 4  工业试验中有无固体颗粒外循环时收集到的结块对比

	有外循环	无外循环
			小结块数量	2	30
大结块数量	0	5
			总的结块质量（g）	50	1200

Claims (4)

1.一种喷动床反应器，其特征在于包括直圆筒（1）、缩径段（2）、气体导入口（3）、封闭板（4）、扩大段（5）、扩大段上端的封闭板（6）、锥形挡板（7）、气体排出口（8）、辅助气体导入口（9）、固体颗粒引出口(10)、催化剂加料口（11）、排料口（12）、旋风分离器（13）、循环气压缩机（14）、换热器（15）、循环气管道（16）、固体颗粒引出管（17）、气固喷射泵（18）、透孔（19）、固体颗粒循环管（20）、下料管（21）；反应器本体从上到下包括相连接的气体排出口（8）、扩大段上端的封闭板（6）、扩大段（5）、直圆筒（1）、封闭板（4），直圆筒（1）下部设有辅助气体导入口（9），反应器本体内上部设有锥形挡板（7），反应器本体内下部设有缩径段（2）、气体导入口（3），缩径段（2）上设有固体颗粒引出口（10）、排料口（12）、进气孔（19），固体颗粒引出口（10）、固体颗粒引出管（17）、气固喷射泵（18）、固体颗粒循环管（20）、气体导入口（3）相连，气体排出口（8）、旋风分离器(13)、循环气压缩机(14)、换热器(15)、循环气管道(16)顺次相连，循环气管道（16）再分成三路，其中第一路与辅助气体导入口(9)相连，第二路与气固喷射泵(18)相连，第三路与固体颗粒循环管(20)相连，旋风分离器(13)底部与反应器本体相连。

2.一种喷动床反应器，其特征在于包括直圆筒(1)、缩径段(2)、气体导入口(3)、封闭板(4)、扩大段(5)、扩大段上端的封闭板(6)、锥形挡板(7)、气体排出口（8）、辅助气体导入口（9）、固体颗粒引出口（10）、催化剂加料口（11）、排料口（12）、旋风分离器（13）、循环气压缩机（14）、换热器（15）、循环气管道（16）、固体颗粒引出管（17）、气固喷射泵（18）、透孔（19）、固体颗粒循环管（20），下料管(21)；反应器本体从上到下包括相连接的扩大段上端的封闭板(6)、扩大段(5)、直圆筒(1)、封闭板(4)，扩大段(5)上设有气体排出口(8)，直圆筒1下部设有辅助气体导入口(9)，反应器本体内上部设有锥形挡板(7)，反应器本体内下部设有缩径段(2)、气体导入口(3)，缩径段(2)上设有进气孔(19)，缩径段(2)上方、圆筒(1)内侧任意位置处设有固体颗粒引出口(10)，固体颗粒引出口(10)与固体颗粒引出管(17)相连，固体颗粒引出管(17)分为两路，其中一路固体颗粒引出口(10)、固体颗粒引出管(17)、气固喷射泵(18)、固体颗粒循环管(20)、气体导入口(3)相连，另外一路固体颗粒引出管(17)与下料管(21)相连，气体排出口(8)、旋风分离器(13)、循环气压缩机(14)、换热器(15)、循环气管道(16)顺次相连，循环气管道(16)再分成三路，其中第一路与辅助气体导入口(9)相连，第二路与气固喷射泵(18)相连，第三路与固体颗粒循环管(20)相连，旋风分离器(13)底部与反应器本体相连。

3.如权利要求1或2所述的一种喷动床反应器，其特征在于：在所述固体颗粒引出口(10)、固体颗粒引出管(17)、气固喷射泵(18)、固体颗粒循环管（20）构成输送装置，所述的输送装置为1～16个。

4.一种使用如权利要求1或2所述喷动床反应器进行烯烃聚合的方法，其特征在于：原料气分别经气体导入口(3)和辅助气导入口(9)进入喷动床反应器内，从气体排出口(8)进入由旋风分离器(13)、压缩机（14）、换热器（15）构成的循环气系统，在循环气系统中经分离，压缩、冷却后经固体颗粒循环管（20）、气体导入口（3）、辅助气导入口(9)再度进入喷动床反应器内，并在固体颗粒循环管(20)内补充新鲜的原料气；通过进入气固喷射泵(18)的循环气量，控制固体颗粒引入固体颗粒引出管（17）内的固体颗粒流量，从而调节控制喷动床反应器内固体颗粒运动的活跃程度和气固传质效率；调节通过缩径段（2）上透孔(19)进入喷动床反应器的气量与通过缩径段(2)下端气体导入口(3)进入喷动床反应器的气量的比例，进而改变喷动床反应器内固体颗粒运动的活跃程度和气固传质效率；根据需要，调节从通过缩径段(2)上透孔(19)进入喷动床反应器的气体与通过缩径段(2)下端气体导入口(3)进入喷动床反应器的气体组成。

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