CN219615514U - 一种聚烯烃弹性体的聚合反应装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种聚烯烃弹性体的聚合反应装置，包括：聚合进料冷却器(1)，聚合反应器(2)，聚合搅拌器(3)，反应气相冷凝器(4)，反应循环气分液罐(5)，反应循环气风机(6)，反应凝液泵(7)，反应外循环泵(8)，反应外循环冷却器(9)，采用三级冷却系统移除聚烯烃弹性体合成过程中的反应热。与现有技术相比，本实用新型具有反应温度和压力控制精确、反应物混合均匀、聚合反应充分、节能高效等优点。

Description

一种聚烯烃弹性体的聚合反应装置

技术领域

本实用新型属于烯烃聚合领域，涉及一种聚烯烃弹性体的聚合反应装置。

背景技术

聚烯烃即烯烃类聚合物，是由乙烯、丙烯、1-丁烯、1-己烯、1-辛烯等α-烯烃及环烯烃均聚或共聚得到的高分子材料，广泛应用于农业、机械、日化、电子电气等多个领域。聚烯烃弹性体通常是指乙烯/丙烯与高碳α-烯烃(1-丁烯、1-己烯、1-辛烯等)实现原位聚合的无规共聚物弹性体，共聚单体质量分数一般大于20％。近年来，也有报道采用“链行走”催化剂以乙烯作为单一聚合单体合成高支化聚乙烯弹性体的方法。聚烯烃弹性体具有结晶度低、相对分子量分布窄、密度较低等特点，因此产品透明度高，且具有优异的物理机械性能(高弹性、高冲击强度和高伸长率)和耐老化性、耐水汽性，在医用包装材料、汽车配件、电线电缆、日用制品、光伏胶膜等方面得到广泛的应用。

烯烃的聚合反应会产生很高的聚合热，例如，每生成1吨聚乙烯，其释放热约945kWh。为了维持聚合反应温度恒定，必须通过热交换等方式将其反应热从反应装置中移除。在工业规模应用中，聚合反应的生产率通常取决于反应装置的热交换能力。

聚合反应的热可以通过将供给反应器的进料冷却而被吸收，也可以通过冷却系统，例如通过反应器容器壁的外部冷却，或通过反应器内部冷却盘管，或通过反应器的物料外部连续循环冷却回路移除。

专利US 3,912,698描述了制备乙烯和C3～C7的α-烯烃的共聚物的聚合方法。所述方法使用液体再循环料流的换热器以容许提高反应器容量，同时减少多重闪蒸范围中的结垢以除去挥发物。专利CN 1796420 A描述了一种聚乙烯的淤浆外循环生产装置，将聚合反应器内的浆料由底部抽出，用泵打至冷却器内，冷却后返回聚合反应釜，可提高生产能力50％以上。专利EP 0,834,518 A1描述了一种聚合装置，包含反应器和外部冷却回路，该外部冷却回路具有低剪切泵和带有基本层流曲线的螺旋换热器。EP 2,106,849 A1涉及一种乳液聚合方法，其中反应混合物在外部板式热交换器中冷却。WO 2009/021930 A1描述了在具有至少两个串联连接的热交换器的级联中进行的连续聚合方法。指定为优选的热交换器是管式热交换器或壳管式热交换器。在WO 2009/027212 A1的方法中，聚合在带有外部冷却回路的搅拌釜中进行，该外部冷却回路带有静态混合器热交换器。专利CN 111164107 B描述了一种生产聚合物水分散体形式的聚合物的方法，其在配备有外部冷却回路的聚合反应器中通过自由基引发的聚合进行，该外部冷却回路具有泵并且具有至少一个管束式热交换器。

以上专利均从不同角度阐述了聚合反应器的物料外部冷却循环回路的应用方法。然而，由于物料外部冷却回路中含有较高浓度的聚合物(10％～25％)，传热效率较低；另外，为了防止物料外部冷却回路中的聚合物析出沉积，冷却介质的温度与反应温度之间的温差不宜过大，只能通过增加热交换面积来提高换热量，导致设备成本较高。因此，对于产生单位质量聚合物反应放热量大、或者反应温度较低的聚烯烃弹性体的聚合反应，需要采用更加高效、节能的换热方式来移除反应热。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种反应温度和压力控制精确、反应物混合均匀、聚合反应充分、节能高效的聚烯烃弹性体的聚合反应装置，该装置适合于采用本体法、溶液法或淤浆法生产聚烯烃弹性体，特别适合于产生单位质量聚合物反应放热量大、或者反应温度较低的聚烯烃弹性体的聚合反应。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：一种聚烯烃弹性体的聚合反应装置，包括：

聚合进料冷却器，用于将聚合进料冷却至适当的反应进料温度，通过冷进料的方式吸收一部分聚合反应热；

聚合反应器，用于发生聚合反应；该反应器上安装有温度传感器、压力传感器和液位传感器a，用于监控反应条件；

聚合搅拌器，安装于聚合反应器内，用于将聚合反应物料混合均匀，并增强反应器内温度均一性；

反应气相冷凝器，其冷凝器入口连接所述聚合反应器的蒸汽出口，冷凝器出口连接反应循环气分液罐，用于将聚合反应放热产生的蒸汽冷凝，是移除反应热的主要设备；所述的反应气相冷凝器一侧还设有旁路管道，该旁路管道两端分别连接聚合反应器的蒸汽出口管道和反应循环气分液罐，冷凝器入口管路和旁路管道上均设有调节阀，用于精确控制反应温度；

反应循环气分液罐，用于将反应气相冷凝器产生的冷凝液和不凝气分离；该分液罐上安装有液位传感器，用于维持液位稳定；不凝气管路上设有排气口，通过调节阀维持反应器内压力稳定；

反应循环气风机，其顶部气体出口连接反应循环气风机，并在该气体出口管道上设有排气支管，其底部出口连接反应凝液泵，用于将反应循环气分液罐下游的不凝气增压返回聚合反应器，为反应气相循环提供动力，同时可提高未反应单体的转化率；风机下游管路设置流量传感器，通过调节风机电机的频率维持流量稳定；

反应凝液泵，连接聚合反应器，用于将反应循环气分液罐下游的冷凝液增压返回聚合反应器，建立气相冷凝移除反应热的循环物流；

反应外循环泵，分别连接聚合反应器和反应外循环冷却器，用于将反应物料从聚合反应器中抽出，一部分作为反应产物输送到下游装置，另一部分经过反应外循环冷却器冷却后返回聚合反应器；反应产物输送管路上设有调节阀，用于维持反应器内液位稳定；

反应外循环冷却器，用于将从反应器抽出的部分反应物料冷却，是移除反应热的主要设备。

进一步地，所述聚合进料冷却器可以由一台或两台串联的换热器组成，换热器形式优选管壳式换热器。冷却介质优选循环冷却水、冷冻水或丙烯等冷凝剂的一种或两种；

进一步地，所述聚合反应器为立式压力容器，高径比为0.8:1～2:1，机械设计压力为0.8～12Mpa。反应器的压力通过反应循环气分液罐下游的不凝气排气量控制；反应器的温度通过进入反应气相冷凝器的气相量控制；反应器的液位通过反应产物输送流量控制。

进一步地，为了保证反应物料充分混合，同时保证反应器内温度均一性，所述聚合搅拌器为高强度搅拌器，单位体积反应物料的功率输入为5～20kW/m³，优选10～15kW/m³。所述聚合搅拌器由2～5层搅拌桨组成，每层有两对桨叶，搅拌转速为60～240rpm。

进一步地，所述反应气相冷凝器，形式优选管壳式换热器。冷却介质优选冷冻水。

进一步地，所述反应循环气分液罐，优选切线进料，优选顶部设置丝网除沫器，增强气液分离效果。

进一步地，所述反应循环气风机，可根据处理量和反应流量选择离心式、往复式或隔膜式压缩机，压头为0.1～0.2MPa；

进一步地，所述反应外循环冷却器，形式可根据反应物料性质选用套管式换热器、管壳式换热器或螺旋板式换热器。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1.本实用新型采用三级冷却系统移除聚烯烃弹性体合成过程中的反应热：a)聚合物料(包括共聚单体和惰性溶剂等液相进料)经冷却后进入反应器，通过进料与反应器内物料的温差移除一部分反应热；b)反应热使反应物料中的一部分轻组分蒸发，经气相外循环冷凝成液相后返回反应器，可移除一部分反应热；c)通过聚合反应器的液相物料外部冷却循环回路移除一部分反应热。该三级冷却系统移除热量的比例取决于反应物组分、反应条件、聚合物物性(分子量、粘度等)、聚合物在溶剂中浓度、各单体转化率等因素。聚合搅拌器、反应循环气风机、反应外循环泵的设置可以强化传热及移除反应热的效率。

2.本实用新型装置能精确控制反应温度和压力，反应物混合均匀、聚合反应充分、节能高效。

3.本实用新型装适合于采用本体法、溶液法或淤浆法生产聚烯烃弹性体，特别适合于产生单位质量聚合物反应放热量大、或者反应温度较低的聚烯烃弹性体的聚合反应。

附图说明

图1为本实用新型聚烯烃弹性体的聚合反应装置的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本实用新型进行详细说明。所述实施例仅是本实用新型内容的示范而非限制范围。在不冲突的情况下，本实用新型中各个实施方式的技术特征均可进行相应组合。

实施例1

如图1所示，一种聚烯烃弹性体的聚合反应装置，包括：聚合进料冷却器1、聚合反应器2、聚合搅拌器3、反应气相冷凝器4、反应循环气分液罐5、反应循环气风机6、反应凝液泵7、反应外循环泵8、反应外循环冷却器9；

所述的聚合进料冷却器1连接聚合反应器2物料入口，聚合进料A经聚合进料冷却器1冷却至聚合进料温度后与一定比例的催化剂B混合，从底部加入聚合反应器2。聚合反应器2内设置高强度搅拌器3，保证反应物与催化剂的充分混合，同时保证反应器顶部和底部温度差尽量小。

聚合反应器2安装有温度传感器21、压力传感器22和液位传感器a23；聚合反应器2顶部通过气相排出管路11与反应气相冷凝器4相连，反应气相冷凝器4冷凝器入口连接所述聚合反应器2的蒸汽出口，冷凝器出口连接反应循环气分液罐5，所述的反应气相冷凝器4一侧还设有旁路管道，该旁路管道两端分别连接聚合反应器2的蒸汽出口管道和反应循环气分液罐5；反应气相冷凝器4的冷凝器入口管路上设有调节阀a24，旁路管道上均设有调节阀b25。经反应气相冷凝器4产生的冷凝液和不凝气与聚合反应的气相进料C混合后进入反应循环气分液罐5中进行气液分离。

反应循环气分液罐5顶部气体出口连接反应循环气风机6，并在该气体出口管道上设有排气支管，该排气支管上设有排气口调节阀c26，反应循环气分液罐5底部出口连接反应凝液泵7；反应循环气风机6连接聚合反应器2，将反应循环气分液罐5下游的不凝气增压返回聚合反应器2；反应凝液泵7通过凝液回流管路13连接聚合反应器2，并在凝液回流管路上设有调节阀d28，将反应循环气分液罐5下游的冷凝液增压返回聚合反应器2；反应外循环泵8分别连接聚合反应器2和反应外循环冷却器9，将反应物料从聚合反应器2中抽出，一部分作为反应产物输送到下游装置，并在反应产物输送管路上设置调节阀e30，另一部分经过反应外循环冷却器9冷却后返回聚合反应器2；反应外循环冷却器9将从聚合反应器2抽出的部分反应物料冷却。

温度传感器21探测温度，并通过分程控制冷凝器入口管路的调节阀a24和旁路上的调节阀b25来精确控制反应温度。压力传感器22探测压力，并通过控制不凝气管路上的排气口调节阀c26来控制反应压力。液位传感器a23探测液位，通过控制反应产物输送管路的调节阀e30来维持反应器内液位稳定。反应循环气分液罐5上安装有用于维持液位稳定的液位传感器b27，通过控制凝液回流管路上的调节阀d28来维持分液罐内液位稳定。反应循环气分液罐5顶部的不凝气经反应循环气风机6增压后通过气相回流管路12返回聚合反应器中。气相回流管路上设有流量传感器29，通过调节风机电机的频率维持流量稳定。反应循环气分液罐5底部的液相物料经反应凝液泵7增压后通过凝液回流管路13返回聚合反应器中。聚合反应器2底部通过反应物料排出管路14与反应外循环泵8相连，抽出的反应物料一部分作为反应产物D输送到下游装置，一部分经过反应外循环冷却器9冷却后，通过液相外循环管路15返回聚合反应器中。

上述聚合进料冷却器1可以由一台或两台串联的换热器组成，换热器选用管壳式换热器，冷却介质为循环冷却水、冷冻水或丙烯中的一种或两种。在本实施例中聚合进料冷却器1选用1台管壳式换热器，冷却介质为循环冷却水。

所述的聚合反应器2为立式压力容器，高径比为0.8:1～2:1，机械设计压力为0.8～12Mpa。在本实施例中选用高径比为1:1。

所述的聚合搅拌器3为高强度搅拌器，单位体积反应物料的功率输入为5～20kW/m³；所述聚合搅拌器3设有2～5层搅拌桨，每层有两对桨叶，搅拌转速为60～240rpm。在本实施例中聚合搅拌器3设有3层搅拌桨。

所述的反应循环气分液罐5为切线进料，顶部设置丝网除沫器。

所述的反应循环气风机6选用离心式、往复式或隔膜式压缩机，压头为0.1～0.2MPa。在本实施例中选用隔膜式压缩机。

所述的反应外循环冷却器9选用套管式换热器、管壳式换热器或螺旋板式换热器。在本实施例中选用套管式换热器。

应用实例1

采用实施例1所述装置，以乙烯、丙烯和乙叉降冰片烯为共聚单体，以正己烷为惰性溶剂，采用溶液聚合方法生产三元乙丙橡胶。将一定比例的丙烯、乙叉降冰片烯和正己烷混合均匀后除去杂质，经聚合进料冷却器冷却至15℃后进入聚合反应器中。同时，向反应器中注入经正己烷稀释的催化剂溶液。聚合搅拌器转速调节为150rpm。反应器温度控制在120℃，反应压力设定为2MPa，反应器中液位控制在60％。一定量的乙烯从反应循环气分液罐上游加入系统。聚合进料冷却器的冷却负荷为13.3kW。反应气相冷凝器的冷凝负荷为68.3kW。反应外循环冷却器的冷却负荷为21.8kW。反应一个小时后，得到聚合物152.5kg。

应用实例2

采用实施例1所述装置，以乙烯和1-丁烯为共聚单体，以正己烷为惰性溶剂，采用溶液聚合方法生产乙烯基聚烯烃弹性体。将一定比例的1-丁烯和正己烷混合均匀后除去杂质，经聚合进料冷却器冷却至15℃后进入聚合反应器中。同时，向反应器中注入经正己烷稀释的催化剂溶液。聚合搅拌器转速调节为180rpm。反应器温度控制在145℃，反应压力设定为4.5MPa，反应器中液位控制在60％。一定量的乙烯从反应循环气分液罐上游加入系统。聚合进料冷却器的冷却负荷为12.2kW。反应气相冷凝器的冷凝负荷为70.7kW。反应外循环冷却器的冷却负荷为28.2kW。反应一个小时后，得到聚合物131.2kg。

应用实例3

采用实施例1所述装置，以乙烯为单一聚合单体，以正己烷为惰性溶剂，采用溶液聚合方法生产高支化聚乙烯弹性体。将正己烷除去杂质后，经聚合进料冷却器冷却至12℃后进入聚合反应器中。同时，向反应器中注入经正己烷稀释的催化剂溶液。聚合搅拌器转速调节为为200rpm。反应器温度控制在80℃，反应压力设定为1.0MPa，反应器中液位控制在60％。一定量的乙烯从反应循环气分液罐上游加入系统。聚合进料冷却器的冷却负荷为6.5kW。反应气相冷凝器的冷凝负荷为5.5kW。反应外循环冷却器的冷却负荷为39.9kW。反应一个小时后，得到聚合物52.8kg。

在以上实施例中，均获得了符合质量要求的聚烯烃弹性体产品。且本聚合反应装置操作灵活，切换便利，易于控制，可有效降低生产成本，适合大规模生产。

Claims (10)

1.一种聚烯烃弹性体的聚合反应装置，其特征在于，包括：

聚合进料冷却器(1)，聚合进料A聚合进料冷却器(1)冷却后进入聚合反应器(2)；

聚合反应器(2)，安装有温度传感器(21)、压力传感器(22)和液位传感器a(23)；

聚合搅拌器(3)，安装于聚合反应器(2)内；

反应气相冷凝器(4)，其冷凝器入口连接所述聚合反应器(2)的蒸汽出口，冷凝器出口连接反应循环气分液罐(5)，所述的反应气相冷凝器(4)一侧还设有旁路管道，该旁路管道两端分别连接聚合反应器(2)的蒸汽出口管道和反应循环气分液罐(5)；

反应循环气分液罐(5)，其顶部气体出口连接反应循环气风机(6)，并在该气体出口管道上设有排气支管，其底部出口连接反应凝液泵(7)；

反应循环气风机(6)，连接聚合反应器(2)，将反应循环气分液罐(5)下游的不凝气增压返回聚合反应器(2)；

反应凝液泵(7)，连接聚合反应器(2)，将反应循环气分液罐(5)下游的冷凝液增压返回聚合反应器(2)；

反应外循环泵(8)，分别连接聚合反应器(2)和反应外循环冷却器(9)，将反应物料从聚合反应器(2)中抽出，一部分作为反应产物输送到下游装置，另一部分经过反应外循环冷却器(9)冷却后返回聚合反应器(2)；

反应外循环冷却器(9)，将从聚合反应器(2)抽出的部分反应物料冷却。

2.根据权利要求1所述的一种聚烯烃弹性体的聚合反应装置，其特征在于，所述的聚合进料冷却器(1)由一台或两台串联的换热器组成，换热器选用管壳式换热器。

3.根据权利要求1所述的一种聚烯烃弹性体的聚合反应装置，其特征在于，所述的聚合反应器(2)为立式压力容器，高径比为0.8:1～2:1，机械设计压力为0.8～12Mpa。

4.根据权利要求1所述的一种聚烯烃弹性体的聚合反应装置，其特征在于，所述的聚合搅拌器(3)为高强度搅拌器，单位体积反应物料的功率输入为5～20kW/m³；

所述聚合搅拌器(3)设有2～5层搅拌桨，每层有两对桨叶，搅拌转速为60～240rpm。

5.根据权利要求1所述的一种聚烯烃弹性体的聚合反应装置，其特征在于，所述的反应气相冷凝器(4)的冷凝器入口管路以及其一侧设置的旁路管道上均设有调节阀。

6.根据权利要求1所述的一种聚烯烃弹性体的聚合反应装置，其特征在于，所述的反应循环气分液罐(5)上安装有用于维持液位稳定的液位传感器b(27)。

7.根据权利要求1所述的一种聚烯烃弹性体的聚合反应装置，其特征在于，所述的反应循环气分液罐(5)为切线进料，顶部设置丝网除沫器。

8.根据权利要求1所述的一种聚烯烃弹性体的聚合反应装置，其特征在于，所述的反应循环气风机(6)选用离心式、往复式或隔膜式压缩机，压头为0.1～0.2MPa。

9.根据权利要求1所述的一种聚烯烃弹性体的聚合反应装置，其特征在于，所述的反应循环气风机(6)下游设有流量传感器。

10.根据权利要求1所述的一种聚烯烃弹性体的聚合反应装置，其特征在于，所述的反应外循环冷却器(9)选用套管式换热器、管壳式换热器或螺旋板式换热器。