DE69107757T2

DE69107757T2 - Apparatur und Methode zur Herstellung von Äthylenpolymeren.

Info

Publication number: DE69107757T2
Application number: DE69107757T
Authority: DE
Inventors: James Stephen Fangmeier; John Douglas Hottovy; Frederick Christopher Lawrence; Barry W Lowe
Original assignee: Phillips Petroleum Co
Current assignee: Phillips Petroleum Co
Priority date: 1990-10-01
Filing date: 1991-09-30
Publication date: 1995-06-29
Anticipated expiration: 2011-10-01
Also published as: MX9101193A; EP0479186B1; FI101710B; EP0479186A2; HU210908B; ATE119070T1; NO913837L; NO178308B; US5565175A; PH31050A; CA2044782A1; HU913132D0; DK0479186T3; JP2726179B2; GR3015891T3; NO178308C; NO913837D0; HUT59620A; EP0479186A3; ES2069162T3

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Ethylen-Polymeren in einem Schleifenreaktor, der durch eine Leitung in Form einer geschlossenen Schleife definiert ist.
Olefin-Polymere, wie Polyethylen, werden typischerweise durch Kreislaufführung eines Gemisches von Monomeren, Katalysator und Verdünnungsmitteln durch einen Schleifenreaktor hergestellt. Die Polymerisationsreaktion stellt eine exotherme Reaktion mit erheblicher Wärmeentwicklung dar. Um infolgedessen die Reaktionstemperatur auf einer gewünschten Höhe zu halten, wird vorzugsweise ein Kühlfluid, wie Wasser, um die Außenfläche bestimmter Rohrabschnitte des Schleifenreaktors und im Kontakt mit dieser Fläche im Kreislauf geführt.
Es ist besonders wünschenswert, die Wärmeabfuhr vom Reaktorinhalt so zu optimieren, daß entweder die Bildungsgeschwindigkeit des Polymeren bei einer speziellen Reaktionstemperatur auf einem Maximum gehalten wird oder die Reaktionstemperatur bei einer speziellen Bildungsgeschwindigkeit des Polymeren auf einem Minimum gehalten wird, um die Herstellung von Polymeren mit geringeren Dichten zu ermöglichen.
Die Patentveröffentlichung US-A-3 257 362 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Ethylen-Polymeren, indem man Monomeres, Katalysator und Verdünnungsmittel durch eine Leitung unter Wärmeabfuhr mit einem Kühlmittel führt.

Zusammenfassende Darstellung der Erfindung

Eine Aufgabe der Erfindung ist es somit, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Ethylen-Polymeren in einem Schleifenreaktor bereitzustellen, wobei gegenüber dem Stand der Technik eine Verbesserung in Bezug auf die Abfuhr von Wärme aus dem Reaktorinhalt erreicht werden soll.
Die vorstehende Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Herstellung von Ethylen-Polymeren gelöst, die folgendes umfaßt:
eine Leitungseinrichtung zur Definition eines hindurchgehenden Strömungswegs unter Bildung einer geschlossenen Schleife, wobei mindestens ein Abschnitt der Leitungseinrichtung mindestens ein eine Außenfläche aufweisendes Rohr umfaßt, das aus Walzblech besteht, dessen beide Kanten entlang einer Naht verbunden sind; eine Kühleinrichtung zum Durchleiten eines Stroms eines Kühlmittelfluids, das in Wärmeaustauschbeziehung mit der Außenfläche des oder der Rohre steht; eine Einrichtung zur Einleitung von mindestens einem Monomeren, das Ethylen umfaßt, in den Strömungsweg; eine Einrichtung zur Einleitung eines Polymerisationskatalysators und eines Verdünnungsmittels in den Strömungsweg; eine Einrichtung zur Bereitstellung eines Stroms des Gemisches aus dem oder den Monomeren, dem Katalysator und dem Verdünnungsmittel durch den Strömungsweg und in der geschlossenen Schleife, wobei das Ethylen-Polymere im Strömungsweg gebildet wird; und eine Einrichtung zur Entfernung von Polymerem aus dem Strömungsweg.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Ethylen-Polymeren bereitgestellt, das sich der vorstehend beschriebenen Vorrichtung bedient und in den ein Kühlmittelfluid in Wärmeaustauschbeziehung mit der Außenfläche des oder der Rohre fließt, während der Rohrinhalt durch den vorstehend definierten Strömungsweg in der Rohreinrichtung fließt.
Wie nachstehend näher erörtert, ermöglicht es die Verwendung der Walzblechbauweise für das oder die vorerwähnten Rohre, eine im Vergleich zu herkömmlichen Rohren mit nahtloser Bauweise dünnere Rohrwand anzuwenden, wie nachstehend in einem Beispiel gezeigt wird. Durch Minimierung der Wanddicke wird deren Wärmeübertragungskoeffizient erhöht, was es möglich macht, eine erhöhte Wärmeabfuhr aus dem Reaktorinhalt zu gewährleisten. Wie vorstehend erwähnt, dient ein derartiges erhöhtes Wärmeabfuhrvermögen dazu, entweder die Produktionsrate eines Polymeren bei einer speziellen Reaktionstemperatur auf einem Maximum zu halten oder die Reaktionstemperatur bei einer speziellen Produktionsrate auf einem Minimum zu halten, so daß es möglich wird, Polymere mit geringeren Dichten herzustellen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 ist eine schematische und isometrische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung von Ethylen-Polymeren.
Fig. 2 ist eine Seitenansicht eines Abschnitts der Vorrichtung von Fig. 1.
Fig. 3 ist ein Querschnitt des Abschnitts von Fig. 2 entlang der Linie 3-3, aus dem die Walzstahlbauweise der erfindungsgemäßen Rohre hervorgeht.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist allgemein auf die Herstellung von Ethylen-Polymeren anwendbar, indem man mindestens ein Monomeres, das Ethylen umfaßt, einen Katalysator und ein Verdünnungsmittel im Gemisch durch einen Schleifenreaktor strömen läßt.
Die Monomerzufuhr kann Ethylen allein oder im Gemisch mit einem untergeordneten Anteil (weniger als 25 Gew.-% der gesamten Monomerzufuhr) eines weiteren Olefins enthalten. Bei einem derartigen weiteren Olefin kann es sich um ein 1-Olefin mit 3 bis 8 Kohlenstoffatomen pro Molekül, z.B. Propylen, 1-Buten, 1-Penten, 1-Hexen, 1-Octen, 4-Methyl-1-penten, 4- Ethyl-1-hexen und dergl. oder um ein konjugiertes Diolefin, wie Butadien oder Isopren, handeln.
Beim Katalysator kann es sich um einen beliebigen geeigneten Katalysator zur Polymerisation der vorerwähnten Monomeren handeln. Insbesondere handelt es sich um einen Chromoxid-Katalysator mit einem Gehalt an 6-wertigem Chrom.
Beim Verdünnungsmittel kann es sich beispielsweise um einen Kohlenwasserstoff, wie n-Pentan, n-Butan, Isobutan, n-Hexan, n-Dekan, Cyclohexan, Methylcyclopentan, Methylcyclohexan und dergl., handeln.
Das gebildete Ethylen-Polymere liegt in Teilchenform vor. Gemäß bestimmten Aspekten der Erfindung kann es sich entweder um ein Homopolymeres von Ethylen oder um ein Copolymeres von Ethylen und einem weiteren, vorstehend erwähnten Olefin handeln. Die in der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen verwendeten Ausdrücke "Polymeres von Ethylen" und "Ethylen-Polymeres" umfassen sowohl Homopolymere von Ethylen, die nur aus monomerem Ethylen allein gebildet worden sind, und Copolymere von Ethylen und einem weiteren Olefin, die aus Ethylen und aus einem weiteren, vorstehend beschriebenen Olefin gebildet worden sind.
In Fig. 1 ist ein Schleifenreaktor schematisch mit dem Bezugszeichen 10 dargestellt. Die dargestellte geschlossene Schleife stellt schematisch den Strömungsweg dar, der durch eine Leitungseinrichtung definiert wird, die eine Mehrzahl von im allgemeinen senkrecht ausgerichteten Abschnitten 12, 14, 16 und 18 und ferner eine Mehrzahl von im allgemeinen waagrecht ausgerichteten Abschnitten 20, 22, 24 und 26 umfaßt. Wie dargestellt, sind die Abschnitte 12 und 14 an ihren oberen Enden durch einen Abschnitt 20 verbunden, während die Abschnitte 16 und 18 in ähnlicher Weise an ihren oberen Enden durch einen Abschnitt 22 verbunden sind. Die Abschnitte 14 und 16 sind an ihren unteren Enden durch einen Abschnitt 26 und die Abschnitte 12 und 18 in ähnlicher Weise an ihren unteren Enden durch einen Abschnitt 24 verbunden. Die verschiedenen Abschnitte werden von Rohren definiert, die nachstehend in Bezug auf Fig. 2 näher erläutert werden.
Es ist darauf hinzuweisen, daß die Anordnung des Schleifenreaktors 10 gemäß der Darstellung in Fig. 1 nur eine mögliche Ausführungsform darstellt. Es kommen auch andere Konfigurationen und Formen in Frage, vorausgesetzt, daß die verschiedenen miteinander verbundenen Abschnitte eine geschlossene Schleife definieren.
Wie dargestellt, wird die Monomerzufuhr in flüssiger Form in den Abschnitt 14 der dargestellten Ausführungsform an der Stelle 28 zugeführt, während eine Aufschlämmung aus festem teilchenförmigem Katalysator und flüssigem Verdünnungsmittel in den Abschnitt 26 an der mit 30 angegebenen Stelle zugeführt wird. Obgleich gemäß der Darstellung Katalysator und Verdünnungsmittel nur an einer Injektionsstelle dem Abschnitt 26 zuführt werden, gibt es in einem großtechnischen Reaktor vorzugsweise mehrere (d.h. 3 bis 10) derartige Injektionsstellen.
Ein Strom des Reaktorinhalts wird in einer vorbestimmten Richtung, d.h. in den durch Pfeile angegebenen Richtung, mittels eines internen Propellers oder einer ähnlichen Einrichtung (nicht abgebildet), die durch ein mit einer geeigneten Antriebsquelle 34 verbundenes Antriebsglied 32 angetrieben wird, herbeigeführt. Der Strom des Reaktionsgemisches wird vorzugsweise mit einer ausreichenden Geschwindigkeit geführt, um die Feststoffe in Suspension zu halten. Die Fluidströmung, angegeben als Reynold-Zahl, liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 1.000.000 bis etwa 35.000.000.
Was die übrigen Verfahrensbedingungen betrifft, so wird die Temperatur des Inhalts des Schleifenreaktors im allgemeinen im Bereich von etwa 65,5ºC bis etwa 121ºC (etwa 150ºF bis 250ºF) gehalten. Der Druck wird im allgemeinen im Bereich von etwa 31 bis etwa 55 bar (etwa 450 bis etwa 800 psig (Fluidüberdruck, gemessen in Bezug auf atmosphärischen Druck) gehalten.
Ethylen-Polymeres wird somit im Schleifenreaktor 10 gebildet und mittels eines Absetzstranges 36 und eines Ventils 38 entnommen. Beim Strömen des Reaktorinhalts durch den Abschnitt 24 neigt das Polymere dazu, sich im Absetzstrang 36 stromaufwärts vom Ventil 38, das sich in geschlossener Stellung befindet, abzusetzen. Das Ventil 38 wird durch eine geeignete Steuereinrichtung (nicht abgebildet) periodisch geöffnet, um ein Austragen einer sehr dichten Aufschlämmung aus Polymerem und Verdünnungsmittel zu ermöglichen. Unter der Annahme, daß die verschiedenen Rohre, die den Reaktorströmungsweg bilden, einen Außendurchmesser von etwa 10 Zoll bis etwa 30 Zoll und eine nominale Wandstärke von etwa 1,27 cm bis etwa 1,9 cm (etwa 1/2 Zoll bis etwa 3/4 Zoll) aufweisen, liegen die Polymer-Bildungsgeschwindigkeiten im allgemeinen im Bereich von etwa 13608 kg/h bis etwa 22680 kg/h (etwa 30000 lb/h bis etwa 50000 lb/h) . Die Polymerdichte kann in Abhängigkeit von der Reaktionstemperatur, den verwendeten Monomeren und der Monomer-Zufuhrrate im Bereich von etwa 0,89 bis etwa 0,97 liegen. Allgemein ausgedrückt, führt eine Verringerung der Reaktionstemperatur bei konstanter Monomer-Zufuhrrate zu einem Polymeren von geringerer Dichte.
In Fig. 2 ist der Abschnitt 12 des Schleifenreaktors abgebildet, wobei zu Darstellungszwecken ein Mittelbereich dieses Abschnitts weggelassen ist. Der Abschnitt 12 umfaßt ein Rohr 40, das den durchgehenden Strom von Monomerem, Verdünnungsmittel, Katalysator und Polymerem aufnimmt und sich im Rohr 42 im allgemeinen koaxial zu diesem erstreckt. Das untere Ende des Rohrs 42 ist mit einem vergrößerten Bereich 44 verbunden, der einen Kühlfluid-Einlaß 46 aufweist, durch den ein Strom von Kühlfluid, wie Wasser, an der mit 48 angegebenen Stelle eintritt. Das obere Ende des Rohrs 42 ist in ähnlicher Weise mit einem vergrößerten Bereich 50 verbunden, der einen Auslaß 52 aufweist, durch den Kühlfluid an der mit 54 angegebenen Stelle austritt. Demgemäß kommt es zu einer Strömung des Kühlfluids in dem im allgemeinen ringförmigen Raum, der zwischen den Rohren 40 und 42 definiert ist, so daß es um die Außenfläche des Rohrs 40 strömt und mit diesem in Kontakt steht. Ein über die Wand des Rohrs 40 erfolgender Wärmeaustausch zwischen dem Kühlfluid und dem Inhalt des Rohrs 40 führt zu einer Abfuhr von Wärme aus dem Inhalt des Rohrs 40.
Vergrößerte Bereiche 44 und 50 sind mit Endringen 56 bzw. 58 verbunden, durch die sich das Rohr 40 erstreckt. Zur weiteren Stabilisierung des Rohrs 40 sind Verstrebungselemente 60 und 62 zur Verbindung der Ringe 56 bzw. 58 mit dem Rohr 40 vorgesehen. Schließlich sind die unteren und oberen Enden des Rohrs 40 mit entsprechenden Rohrkrümmern 64 und 66 über entsprechende Flanschanordnungen verbunden. Der Rohrkrümmer 64 erstreckt sich zum Abschnitt 24 (Fig. 1) und der Rohrkrümmer 66 zum Abschnitt 20 (Fig. 1). Ein Flansch 68 ist in Fig. 2 dargestellt, der an einer Zwischenposition entlang des im allgemeinen waagrecht ausgerichteten Abschnitts 20, der in Fig. 2 nicht zu sehen ist, angeordnet ist.
Fig. 3 zeigt eine Querschnittansicht der Rohre 40 und 42 sowie des im allgemeinen ringförmigen Raums 70, der zwischen der Außenfläche des Rohrs 40 und der Innenfläche des Rohrs 42 definiert ist.
Das Rohr 40 besteht aus Walzblech, dessen beide Kanten entlang einer in Längsrichtung verlaufenden Naht 72 miteinander verbunden sind. Das Rohr 40 wird unter Anwendung bekannter und herkömmlicher Verfahrensweisen hergestellt, wobei ein Blech zur gewünschten Rohrform gewalzt wird. Die Kanten des gewalzten Blechs werden vorzugsweise durch beliebige geeignete Schweißtechniken, z.B. durch Elektroschweißen, unter Bildung einer Schweißnaht miteinander verbunden. Vorzugsweise ist das zur Bildung der Naht verwendete Zusatzmaterial metallurgisch mit dem Walzblech verträglich und bezüglich der Zugfestigkeit mit diesem gleichwertig. Vorzugsweise erstreckt es sich von der äußeren Oberfläche des Rohrs 40 bis zur inneren Oberfläche des Rohrs 40, so daß eine "vollständige" stumpfe Verbindung entsteht. Eine derartige "vollständige" stumpfe Verbindung kann beispielsweise in Form einer doppelt verschweißten stumpfen Verbindung vorliegen, die einer vollständigen röntgenographischen Prüfung unterzogen wird. Dadurch wird ein Verbindungswirkungsgrad (Verhältnis der zulässigen Beanspruchung in der Schweißnaht zur zulässigen Beanspruchung für das Walzblech) von 100 % erreicht, was in Übereinstimmung mit ASME Pressure Vessel Code Section VIII, Div. 1 steht.
Das Walzblech des Rohrs 40 umfaßt vorzugsweise Stahl mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens etwa 29,76 Kcal/(h) (ºC) (m) (20 Btu/(h) (ºF) (ft)) und einer Mindestzugfestigkeit von mindestens 345 x 10&sup6; N/m² (50000 psi). Als Beispiele sind einige spezielle Kohlenstoffstähle und niedriglegierte Stähle, die derartige Eigenschaften aufweisen und sich für die erfindungsgemäße Anwendung eignen, in Tabelle I zusammen mit den entsprechenden Werten für die Wärmeleitfähigkeit und die Mindestzugfestigkeit aufgeführt. Tabelle I Stahl Wärmeleitfähigkeit Kcal/(h) (ºC) (m) (Btu/(h) (ºF) (ft)) Mindestzugfestigkeit N/m² (psi)
Die in Tabelle I angegebene Wärmeleitfähigkeit wurde für die einzelnen Stähle gemäß der im nachstehenden Beispiel ausführlich beschriebenen Vorgehensweise berechnet. Die Werte entsprechen einem Temperaturbereich von etwa 57ºC bis etwa 112ºC (134ºF bis etwa 233ºF) . Für sämtliche in der Beschreibung und in den beigefügten Ansprüchen angegebenen Werte für die Wärmeleitfähigkeit gilt, daß sie einem derartigen Temperaturbereich entsprechen. Die Werte für die Mindestzugfestigkeit sind aus "Lukens 1988-89 Plate Steel Specification Guide", Lukens Steel Company, Coatesville, Pennsylvania, 1988, entnommen. Es ist darauf hinzuweisen, daß es bei einem Schleifenreaktor für die Abnahme gemäß ASME Code erforderlich ist, daß der verwendete Stahl in der Tabelle UCS-23 des ASME Pressure Vessel Code aufgeführt ist.
Was die Zusammensetzung des Stahls, der für das Walzblech des Rohres 40 verwendet wird, betrifft, ist es bevorzugt, daß der Stahl durch weniger als etwa 0,5 Gew.-% Kohlenstoff, weniger als etwa 1,5 Gew.-% Mangan, weniger als etwa 1,0 Gew.-% Silicium, weniger als etwa 2,5 Gew.-% Chrom und weniger als etwa 1,0 Gew.-% Nickel gekennzeichnet ist. Die einzelnen in Tabelle I aufgeführten Stähle weisen derartige Zusammensetzungscharakteristika auf. Es wurde festgestellt, daß die einzelnen vorerwähnten Elemente im allgemeinen die Wärmeleitfähigkeit des Stahls verringern. Umgekehrt wurde festgestellt, daß Kobalt, Molybdän, Kupfer, Schwefel und Phosphor in einem Stahl dessen Wärmeleitfähigkeit erhöhen. Ein besonders bevorzugtes Gleichgewicht aus Wärmeleitfähigkeit, Mindestzugfestigkeit, Schweißbarkeit und Kosten läßt sich bei Stählen mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 37,2 bis etwa 44,6 Kcal/(h) (ºC) (m) (etwa 25-30 Btu/(h) (ºF) (ft) und einer Mindestzugfestigkeit von 414 bis etwa 620 x 10&sup6; N/m² (etwa 60000 bis etwa 90000 psi) erreichen, wobei die Stähle ferner durch die vorerwähnten Grenzwerte der Bestandteile Kohlenstoff, Mangan und Silicium, sowie weniger als etwa 0,25 Gew.-% Chrom und weniger als etwa 0,25 Gew.-% Nickel gekennzeichnet sind. Von den in Tabelle I aufgeführten Stählen handelt es sich bei AS16 Gr 70 um einen besonders bevorzugten Stahl, der diese Kriterien erfüllt.
Was die Abmessungen des Rohrs 40 betrifft, so weist das Walzblech eines derartigen Rohrs, das einen Außendurchmesser von etwa 25,4 bis etwa 76,2 cm (etwa 10 Zoll bis etwa 30 Zoll) besitzt, vorzugsweise eine nominale Wandstärke von etwa 1,27 bis etwa 1,9 cm (etwa 1/2 Zoll bis etwa 3/4 Zoll) unter Annahme von typischen Bedingungen des Ethylen-Polymerisationsverfahrens und eine damit verbundene Walztoleranz auf, die den kleineren Wert von 0,0254 cm (0,01 Zoll) (Dimensionsvariation) oder 6 % (Fraktionsvariation) gemäß ASME Pressure Vessel Code Section VIII, Div. 1 ist. Eine derartige Walztoleranz für Walzblech ist ausreichend gering, so daß sie als 0 gemäß ASME Code zum Zweck der Berechnung der Konstruktionsdicke (minimale zulässige Dicke) angenommen werden kann. Der in der Beschreibung und in den beigefügten Ansprüchen verwendete Ausdruck "nominale Dicke" bedeutet die Wanddicke des Walzblechs, auf dessen Herstellung das Verfahren abgestellt ist. Der ferner in der Beschreibung und in den beigefügten Ansprüchen verwendete Ausdruck "Walztoleranz" bedeutet die maximale Variation der tatsächlichen Wanddicke im Vergleich zur nominalen Dicke. Der Ausdruck "Konstruktionsdicke" bedeutet gemäß der näheren Erläuterung in einem späteren Beispiel den Wert für die Dicke, der gemäß der Berechnung für einen vorbestimmten Auslegungsdruck erforderlich ist. Das Rohr 42 kann ebenfalls aus Walzblech bestehen, das eine in Längsrichtung verlaufende Schweißnaht 74 aufweist, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Im Hinblick auf eine zweckmäßige Herstellung kann das Rohr 42 aus dem gleichen Material wie das Rohr 40 gefertigt werden.
Die Rohre, die die waagrecht ausgerichteten Bereiche 20, 22, 24 und 26 bilden (Fig. 1), können anstelle einer Walzblechbauweise eine nahtlose Bauweise aufweisen. Eine derartige nahtlose Bauweise erfordert eine größere Konstruktionsdicke als die Walzblechbauweise, was auf große Walztoleranzen zurückzuführen ist, wie aus den nachstehenden Beispielen ersichtlich ist. Jedoch stellt in den waagrecht ausgerichteten Abschnitten, die keine damit verbundenen Kühlmäntel aufweisen, eine größere Konstruktionsdicke und ein damit verbundener geringerer Wärmeübertragungskoeffizient einen weniger wichtigen Gesichtspunkt dar.
Nachstehend wird ein berechnetes Beispiel vorgelegt, um die Erfindung näher zu erläutern und um deren Vorteile gegenüber einem herkömmlichen Schleifenreaktor, der sich eines nahtlosen Rohrs bedient, darzulegen. Dieses Beispiel soll jedoch in keiner Weise eine Beschränkung der Erfindung darstellen.
Die Konstruktionsdicke der Wand eines zylindrischen Reaktorrohrs ergibt sich aus folgender Gleichung:
worin t die Konstruktionsdicke in Zoll bedeutet, P den Auslegungsdruck (Innendruck) in psia (absoluter Fluiddruck, gemessen in Bezug auf den Nulldruck) bedeutet, R den Innenradius des Rohrs in Zoll bedeutet, S die zulässige Beanspruchung in psi bedeutet, E den Faktor des Verbindungswirkungsgrads (ohne Einheit) bedeutet, Ci die Innenkorrosionstoleranz in Zoll für die Innenfläche des Rohrs bedeutet, C die gesamte Korrosionstoleranz in Zoll (somit die Summe der inneren Korrosionstoleranz Ci und der äußeren Korrosionstoleranz Co, wobei Co die Korrosionstoleranz für die Außenfläche des Rohrs ist) bedeutet und M die Walztoleranz bedeutet, die in dieser Gleichung einen Bruch darstellt und ohne Einheit ist.
In Tabelle II sind die angenommenen Werte für die Variablen der Gleichung (1) und der berechnete Wert für t in Bezug auf ein herkömmliches Reaktorrohr aus A106 Gr B-Stahl mit nahtloser Bauweise (als "Stand der Technik" bezeichnet) und in Bezug auf ein Reaktorrohr aus A516 Gr 70- Stahl mit einer erfindungsgemäßen Bauweise aus verschweißtem Walzblech (mit "Erfindung" bezeichnet) angegeben. Ferner ist in der Tabelle II die nächste verfügbare nominale Dicke Tn des Rohrs aus Walzblech oder des nahtlosen Rohrs oberhalb der Konstruktionsdicke t angegeben. Tabelle II Rohrtyp Stand der Technik (nahtlos) Erfindung (Walzblech)
In den einzelnen Fällen wird angenommen, daß der Auslegungsdruck P wesentlich oberhalb des maximalen Betriebsdrucks für einen Ethylen-Polymerisationsreaktor liegt und den hydrostatischen Druck und den Pumpendifferentialdruck berücksichtigt. Für die zulässige Beanspruchung S wird angenommen, daß sie ¼ der minimalen Zugfestigkeit für die einzelnen Stahltypen beträgt. Für den Verbindungswirkungsgrad E für das nahtlose Rohr wird selbstverständlich der Wert 1 (oder 100 %) angenommen, da keine Verbindung vorliegt. Für den Wert E des Walzblechrohrs wird der Wert 1 (100 %) auf der Grundlage einer vollständig stumpf anstoßenden Verschweißung, die einer vollständigen röntgenologischen Prüfung unterworfen worden ist, angenommen. Die Walztoleranz M von 0,125 (12,5 %) für das nahtlose Rohr steht in Übereinstimmung mit ASME Pressure Vessel Code Section VIII, Div. 1. Diese große Walztoleranz für das nahtlose Rohr ist auf das Produktionsverfahren zur Herstellung eines derartigen nahtlosen Rohrs, beispielsweise durch Extrusion, zurückzuführen. Das Walzblechrohr wird aus einem ebenen, rechteckigen Blech hergestellt, das unter sehr geringer Variation der Dicke erzeugt werden kann, wobei gemäß dem vorstehend erörterten ASME Pressure Vessel Code der Wert für die Walztoleranz für das Walzblechrohr als 0 angenommen werden kann. Die gesamte Korrosionstoleranz C wurde in den einzelnen Fällen abgeleitet, indem man einen korrosionsbedingten Dickenverlust an der Außenseite von 0,079 cm (1/32 Zoll) (Co = 1/32 Zoll) einen korrosionsbedingten Dickenverlust an der Innenseite von 0,079 cm (1/32 Zoll) aufgrund einer periodischen Reinigung (Ci = 0,59 cm) (1/16 Zoll) zuließ, woraus sich ein Gesamtverlust von 0,238 cm (3/32 Zoll) (0,0938 Zoll) ergab.
Bezüglich der Konstruktionsdicke t des nahtlosen Rohrs ist aus Tabelle II ersichtlich, daß sie erheblich über der Konstruktionsdicke des Walzblechrohrs liegt, woraus sich eine nominale Dicke tn ergibt, die ebenfalls erheblich größer als die nominale Dicke des Walzblechrohrs ist. Obgleich ein Teil des Unterschieds in der Konstruktionsdicke auf den Unterschied der zulässigen Beanspruchungswerte zurückzuführen ist, ist doch der Großteil dieser Differenz auf den höheren Walztoleranzwert des nahtlosen Rohrs zurückzuführen.
Der folgende Ausdruck stellt eine gute Näherung für den Wärmeübertragungskoeffizienten der Reaktorrohrwand unter der Annahme dar, daß der Durchmesser des Rohrs im Vergleich zu seiner Dicke groß ist, wie es in diesem speziellen Beispiel der Fall ist:
hr = K/tn (2)
worin hr den Wärmeübertragungskoeffizienten der Reaktorrohrwand in Btu/h(ft²) (ºF) bedeutet, K die Wärmeleitfähigkeit der Reaktorrohrwand in Btu/h(ft) (ºF) bedeutet und tn die nominale Dicke der Reaktorrohrwand in ft bedeutet.
Um den Wert hr für die einzelnen Typen der vorstehend erörterten Reaktorrohre zu berechnen, war es erforderlich, die Wärmeleitfähigkeit K zu bestimmen. Dies wurde durch Ableitung einer Gleichung für K, die eine Funktion der Zusammensetzung des verwendeten speziellen Stahls ist, erreicht:
K = f(C, Mn, Cr, Ni, Si, CoMo, PS), (3)
worin C das prozentuale Kohlenstoff-Gewicht bedeutet, Mn das prozentuale Mangangewicht bedeutet, Cr das prozentuale Chromgewicht bedeutet, Ni das prozentuale Nickelgewicht bedeutet, Si das prozentuale Siliciumgewicht bedeutet, CoMo die Summe der prozentualen Gewichte von Cobalt und Molybdän bedeutet und PS die Summe der prozentualen Gewichte von Phosphor und Schwefel bedeutet.
Insgesamt 71 Datenpunkte wurden aus H.E. Bayer und T.L.Gall, Herausgeber, ASM Metals Handbook, American Society for Metals, Metals Park, Ohio, 1984, und Touloukian, Y. S. et al., "Thermal Conductivity-Metallic Elements and Alloys", Vol. 1 von Thermophysical Properties of Matter, IFI/Plenum, 1970, entnommen, wobei die einzelnen Datenpunkte einen Wärmeleitfähigkeitswert in Watt/(cm) (ºK) und gewichtsprozentuale Werte jeweils für C, Mn, Cr, Ni, Si, CoMo und PS umfaßten. Die entnommenen Datenpunkte galten vorwiegend für Kohlenstoffstähle und niedriglegierte Stähle unter Ausschluß von jeglichen Stählen, die unter Abschrecken oder unter Niedertemperatur-Anlassen hergestellt worden waren. Ferner galten sämtliche Wärmeleitfähigkeitswerte der Datenpunkte für Temperaturen zwischen 134ºF (330ºK) und 233ºF (385ºK) . Eine Gleichung wurde durch Anpassung an diese Datenpunkte aufgestellt. Ein Umwandlungsfaktor von 57,7789 wurde angewandt, um eine Umrechnung von Watt/(cm) (ºK) auf Btu/h(ft) (ºF) vorzunehmen. Es ergibt sich folgende Gleichung:
K = 57,7789 (- 0,184145 C + 0,103058 C² - 0,090918 Mn + 0,00465 Mn² - 0,019635 C/Mn - 0,080988 Cr - 0,040108 Ni + 0,029689 CoMo + 0,083686 CuC/Mn - 0,118106 Si + 0,136711 PS + 0,640509), (4)
worin K in Btu/(h) (ft) (ºF) angegeben wird.
Die Wärmeleitfähigkeitswerte K wurden aus der Gleichung (4) für die einzelnen Typen der vorstehend erörterten Reaktorrohre (A106 Gr B und A516 Gr 70) unter Anwendung der gewichtsprozentualen Werte für die Zusammensetzung gemäß Lukens (vgl. oben) berechnet. Ein durchschnittlicher gewichtsprozentualer Wert wurde herangezogen, wenn bei Lukens ein Bereich angegeben war. Ein Wert von 75% des maximalen Werts wurde bei Angabe eines maximalen Werts herangezogen. Die berechneten K-Werte und die Werte für die nominale Dicke tn der einzelnen Typen von Reaktorrohren wurden sodann in die Gleichung (2) eingesetzt, um die Werte für den Wärmeübertragungskoeffizienten hr zu erhalten. Die Werte K, tn und hr für die einzelnen Typen von Reaktorrohren sind in Tabelle III zusammengestellt. Tabelle III Rohrtyp Stand der Technik (nahtlos) Erfindung (Walzblech)
Aus der Tabelle III ist ersichtlich, daß zwar das nahtlose Reaktorrohr eine geringfügig höhere Wärmeleitfähigkeit als das Reaktorrohr aus Walzblech aufweist, daß aber das Reaktorrohr aus Walzblech einen erheblich höheren (nahezu 37%) Wärmeübertragungskoeffizienten besitzt. Dieser höhere Wärmeübertragungskoeffizient hr, der in die Wärmeübertragungsberechnungen in Verbindung mit einem Aufschlämmungsfilm-Wärmeübertragungskoeffizient für den Reaktorinhalt von etwa 4943 Kcal/(h) (m²) (ºC) (500 Btu/(h) (ft²) (ºF)) und einem Kühlmittel (Wasser)-Film-Wärmeübertragungskoeffizienten von etwa 4636 Kcal/(h) (m²) (ºC) (950 Btu/(h) (ft²) (ºF)) eingeht, drückt sich aus in einem geschätzten prozentualen Anstieg der Polymer-Produktionsrate von 12,8% bei einer Reaktionstemperatur von 103ºC (218ºF) oder in einer geschätzten Abnahme der Reaktionstemperatur von 3,7ºC (6,6ºF) bei einer Produktionsrate von 17,22 kg/h (38,270 lb/h) gemäß der Erfindung, unter der Annahme, daß die Herstellung eines Ethylen- Hexen-Copolymeren (weniger als 1 Gew.-% Hexen) mit einer Dichte von 0,955 g/cm³ unter den folgenden Verfahrensbedingungen erfolgt: Reaktordruck von etwa 43,73 bar (636 psig); Geschwindigkeit des Reaktorinhalts von 578 cm/sec (27,3 ft/sec) Wasser-Kühlmittelgeschwindigkeit von 268 cm/sec (8,8 ft/sec); Wasser-Kühlmittel-Einlaßtemperatur von 70ºC (158ºF); und Reaktorinhalt mit einem Feststoffgehalt von 62 Volumen-% in einem Isobutan-Verdünnungsmittel.
Offensichtlich sind im Rahmen der vorstehenden Lehre zahlreiche Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung möglich.

Claims

1. Vorrichtung zur Herstellung eines Ethylen-Polymeren, umfassend:

a) eine Leitungseinrichtung zur Definition eines durchgehenden Strömungswegs unter Bildung von

a1) einer geschlossenen Schleife, worin mindestens ein Bereich der Leitungseinrichtung

a2) mindestens ein Rohr mit einer äußeren Fläche umfaßt, wobei das Rohr aus Walzblech mit zwei entlang einer Naht verbundenen Kanten hergestellt ist, wobei das Walzblech insbesondere einen Stahl umfaßt;

b) eine Kühleinrichtung zum Durchleiten eines Stroms eines Kühlmittelfluids in Wärmeaustauschbeziehung mit der äußeren Fläche des mindestens einen Rohrs;

c) eine Einrichtung zur Einleitung von mindestens einem Ethylen umfassenden Monomeren in den Strömungsweg;

d) eine Einrichtung zur Einleitung eines Polymerisationskatalysators und eines Verdünnungsmittels in den Strömungsweg;

e) eine Einrichtung zur Herbeiführung einer Strömung des Gemisches aus mindestens einem Monomeren, des Katalysators und des Verdünnungsmittels durch den Strömungsweg und im Kreislauf in der geschlossenen Schleife, wobei das Ethylen-Polymere im Strömungsweg gebildet wird; und

f) eine Einrichtung zur Entnahme von Polymerem aus dem Strömungsweg.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Stahl eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften aufweist:

a) eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens etwa 29,76 Kcal/(h) (ºC) (m) (20 Btu/(h) (ºF) (ft)) und eine minimale Zugfestigkeit von mindestens etwa 345 x 10&sup6; N/m² (50000 psi),

b) eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 37,2 (25) bis etwa 44,6 Kcal/(h) (ºC) (m) (30 Btu/(h) (ºF) (ft)) und eine minimale Zugfestigkeit von etwa 414 x 10&sup6; N/m² (60000) bis etwa 620 x 10&sup6; N/m² (90000 psi),

c) einen Gehalt an weniger als etwa 0,5 Gew.-% Kohlenstoff, weniger als etwa 1,5 Gew.-% Mangan, weniger als etwa 1,0 Gew.-% Silicium, weniger als etwa 2,5 Gew.-% Chrom und weniger als etwa 1,0 Gew.-% Nickel,

d) einen Gehalt an weniger als etwa 0,25 Gew.-% Chrom und weniger als etwa 0,25 Gew.-% Nickel, und

e) wobei der Stahl aus folgender Gruppe ausgewählt ist: A516 Gr 70, A537 Cl 2, A202 Gr B, A285 Gr C, A514 Gr B, A515 Gr 70, A517 Gr A, A517 Gr B, A533 Ty A Cl 3, A542 Ty A Cl 2 und A678 Gr C, wobei es sich beim Stahl insbesondere um A516 Gr 70 handelt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kanten des Walzbleches entlang der Naht durch Verschweißen miteinander verbunden sind, wobei sich insbesondere die Naht in Längsrichtung entlang von mindestens einem Rohr erstreckt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das mindestens eine Rohr einen Außendurchmesser von etwa 25,4 cm (10 Zoll) bis etwa 76,2 cm (30 Zoll) aufweist, wobei insbesondere das Walzblech des mindestens einen Rohrs eine nominale Wandstärke von etwa 1,27 cm (½ Zoll) bis etwa 1,9 cm (3/4 Zoll) aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kühleinrichtung folgendes umfaßt: mindestens ein Rohr, das im allgemeinen axial in Bezug zu dem mindestens einen Rohr der Leitungseinrichtung angeordnet ist und dieses umgibt, so daß ein im allgemeinen ringförmiger Raum dazwischen definiert wird; und eine Einrichtung zum Durchleiten des Kühlmittelfluids durch den ringförmigen Raum, so daß dieses um die Außenfläche des mindestens einen Rohrs der Leitungseinrichtung und in Kontakt mit dieser fließt, wobei insbesondere das mindestens eine Rohr der Kühleinrichtung ebenfalls aus einem Walzblech hergestellt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Rohr der Leitungseinrichtung senkrecht ausgerichtet ist, wobei insbesondere das mindestens eine Rohr der Leitungseinrichtung eine Mehrzahl von senkrecht ausgerichteten Rohren umfaßt.

7. Verfahren zur Herstellung von Ethylen-Polymeren, das folgende Schritte umfaßt:

a) Bereitstellen einer Leitungseinrichtung, die einen durchgehenden Strömungsweg definiert, unter Bildung

a1) einer geschlossenen Schleife, wobei mindestens ein Teil dieser Leitungseinrichtung

a2) mindestens ein aus Walzblech gefertigtes Rohr umfaßt, das zwei entlang einer Naht miteinander verbundene Kanten aufweist;

b) Zuführen von mindestens einem Monomeren, das Ethylen umfaßt, in den Strömungsweg;

c) Zuführen eines Polymerisationskatalysators und eines Verdünnungsmittels in den Strömungsweg;

d) Herbeiführen eines Stroms des Gemisches aus dem mindestens einen Monomeren, dem Katalysator und dem Verdünnungsmittel durch den Strömungsweg und im Kreislauf in der geschlossenen Schleife, um dadurch im Strömungsweg ein Ethylen-Polymeres zu bilden;

e) Durchleiten eines Kühlfluidstroms während der Stufe (d) in Wärmeaustauschbeziehung mit der Außenfläche des mindestens einen Rohrs der Leitungseinrichtung; und

f) Entnehmen von Polymeren aus dem Strömungsweg.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das mindestens eine Monomere im wesentlichen aus Ethylen besteht.

9. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das mindestens eine Monomere Ethylen und ein weiteres Olefin in einer Menge von weniger als etwa 25 Gew.-% umfaßt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7-10, wobei der Inhalt des mindestens einen Rohrs in der Stufe (d) auf einer Temperatur von etwa 65,5ºC (150ºF) bis etwa 121ºC (250ºF) gehalten wird, wobei insbesondere der Inhalt des mindestens einen Rohrs in Stufe (d) auf einem Druck von etwa 31 bar (450 psig) bis etwa 55 bar (800 psig) gehalten wird und wobei insbesondere die Produktionsrate des Ethylen-Polymeren in Stufe (d) etwa 13608 Kg/h (30000 lbs/h) bis etwa 22680 Kg/h (50000 lbs/h) beträgt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7-10, wobei das Walzblech einen Stahl mit einer oder mehreren der folgenden Eigenschaften umfaßt:

a) eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens etwa 29,76 Kcal/(h) (ºC) (m) (20 Btu/(h) (ºF) (ft) und eine minimale Zugfestigkeit von mindestens etwa 345 x 10&sup6; N/m² (50000 psi),

12. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das mindestens eine Rohr einen Außendurchmesser von etwa 25,4 cm (10 Zoll) bis etwa 76,2 cm (30 Zoll) aufweist, wobei insbesondere das Walzblech des mindestens einen Rohrs eine nominale Wandstärke von etwa 1,27 cm (½ Zoll) bis etwa 1,9 cm (3/4 Zoll) aufweist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei ferner mindestens ein Rohr vorgesehen ist, das im allgemeinen koaxial zu dem mindestens einen Rohr der Leitungseinrichtung angeordnet ist und dieses umgibt, so daß ein im allgemeinen ringförmiger Raum dazwischen definiert wird; und wobei in Stufe (e) das Kühlfluid so durch den ringförmigen Raum geleitet wird, daß es um die Außenfläche des mindestens einen Rohrs der Leitungseinrichtung und in Kontakt mit dieser strömt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das mindestens eine Rohr der Leitungseinrichtung im allgemeinen senkrecht ausgerichtet ist, so daß der Inhalt darin in im allgemeinen senkrechter Richtung strömt.