DE69932843T2

DE69932843T2 - Präpolymerisationsreaktor

Info

Publication number: DE69932843T2
Application number: DE69932843T
Authority: DE
Inventors: Fred Harald Bergmann; Borealis Polymers Oy Esa KORHONEN
Original assignee: Borealis Technology Oy
Current assignee: Borealis Technology Oy
Priority date: 1998-10-14
Filing date: 1999-10-14
Publication date: 2006-12-07
Anticipated expiration: 2019-10-15
Also published as: EP1133350B1; DE69932843D1; ATE336296T1; WO2000021656A1; EP1133350A1; AU6350299A; NO984786D0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Vorpolymerisationsreaktor und ein Verfahren für die katalysierte Vorpolymerisation von Olefinmonomeren in einem solchen Reaktor.
Die kommerzielle Herstellung von Polyolefinen umfaßt fast ausschließlich kontinuierliche Polymerisationsverfahren in Anlagen, in denen die Polymerisation in einem Suspensions- oder Gasphasenreaktor durchgeführt wird. Ein typisches kontinuierliches Suspensionsverfahren erfolgt in einem kontinuierlichen Rohrreaktor, der einen geschlossenen Kreis bildet. Ein Teil des erhaltenen Reaktionsgemischs, das das Polymer enthält, wird durch ein Ablaßventil kontinuierlich oder periodisch aus dem Reaktor mit geschlossenem Kreis entnommen und in einen Separator bzw. Abscheider eingeführt, in dem das Polymer aufgefangen wird. In einem Gasphasenreaktor wird die Polymerisation typischerweise in Wirbelbetten durchgeführt, die von polymerisierenden Polymerpartikeln gebildet werden. Dieses Bett wird im verwirbelten Zustand gehalten, indem ein Gasstrom von der Oberseite des Reaktors zu dessen Boden zirkuliert. Es ist auch bekannt, Polymere durch kontinuierliche Verfahren mit mehreren Phasen herzustellen, wobei Suspensionsreaktoren, wie Reaktoren mit geschlossenem Kreis, ein oder mehrere Gasphasenreaktoren folgen oder wobei zwei oder mehr Gasphasenreaktoren in Reihe verwendet werden.
Ein Problem bei kontinuierlichen Verfahren besteht darin, daß die Katalysatorpartikel unterschiedliche Verweilzeiten haben. Einige Katalysatorpartikel reagieren lange Zeit mit Monomeren, wohingegen andere Katalysatorpartikel gerade durch den Reaktor strömen und mehr oder weniger unreagiert entnommen werden. Das kann zu einer ungleichmäßigen Qualität des Produktes führen.
Wenn ein Polymerisationskatalysator für eine hohe Ausbeute direkt in den hauptsächlichen Olefinpolymerisationsreaktor eingeführt wird, der typischerweise bei etwa 70°C arbeitet, kann die Reaktion so schnell beginnen, daß die Katalysatorpartikel auseinanderbrechen, was zur Erzeugung von signifikanten Feinstoffmengen führt.
Das kann vermieden werden, wenn der Katalysator einer Vorpolymerisation in einem separaten Gefäß oder Reaktor unterzogen wird, bevor er in den hauptsächlichen Reaktor eingeführt wird. Vorpolymerisationsreaktoren sind gewöhnlich viel kleiner als der hauptsächliche Polymerisationsreaktor und arbeiten oft bei einer Temperatur von etwa 25°C. Einige Reaktoren arbeiten bei höheren Temperaturen, bis zu 70°C, jedoch bei geringen Monomerkonzentrationen, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu begrenzen. Bei solchen niedrigen Temperaturen und/oder geringen Monomerkonzentrationen ist die Reaktionsgeschwindigkeit gering, und die Katalysatorpartikel werden mit einer dünnen Polyolefinschicht "überzogen". Die Beschichtung auf dem vorpolymerisierten Katalysator verringert die Reaktionsgeschwindigkeit im hauptsächlichen Reaktor, somit brechen die Partikel nicht auseinander, und es werden weniger Feinstoffe erzeugt. Auf diese Weise wird die Morphologie des am Ende erhaltenen Polymers verbessert.
Ein Problem bei bekannten Vorpolymerisationsreaktoren besteht jedoch darin, daß eine Anzahl der Katalysatorpartikel im Vorpolymerisationsreaktor eine zu kurze Verweilzeit hat, um ausreichend beschichtet zu werden, und im hauptsächlichen Reaktor erzeugen diese dann Feinstoffmengen. Die Verweilzeit sollte jedoch nicht zu lang sein, da das zu einer ungleichmäßigen Polymerisation im hauptsächlichen Reaktor führen kann. Es besteht noch immer Bedarf, einen Vorpolymerisationsreaktor zu gestalten, der kurze Verweilzeiten erzeugen kann.
Die Vorpolymerisation erfolgt typischerweise durch den Kontakt einer festen Katalysatorkomponente mit einer geringen Menge eines reinen Olefinmonomers oder eines Olefinmonomers in einem geeigneten Verdünnungsmittel in einem Gefäß, das vom hauptsächlichen Polymerisationsreaktor getrennt ist.
EP 0 279 153 offenbart einen Vorpolymerisationsreaktor, der einfach ein gerades Rohr mit einem Durchmesser von nicht mehr als 10 mm und einem Volumen von weniger als 1000 cm³ umfaßt. Die Katalysatorkomponenten und Propylen werden dem Rohr getrennt zugeführt, und das Gemisch strömt durch das Rohr direkt in den hauptsächlichen Polymerisationsreaktor. Dieser Vorpolymerisationsreaktor arbeitet typischerweise bei 30°C, und die Verweilzeit beträgt vorzugsweise weniger als 2 s. Der Polymerisationsgrad liegt vorzugsweise im Bereich von 2 bis 10/g, auf das Gewicht des Polymers pro Gewicht des Katalysators bezogen. Der Zweck der Vorpolymerisation besteht darin, die Wirksamkeit eines Katalysators vom Ziegler-Typ bei der Polymerisation von Olefinen zu erhöhen.
WO 97/33920 offenbart einen länglichen senkrechten Olefinpolymerisationsreaktor mit einem Wassermantel, der auch als Vorpolymerisationsreaktor verwendet werden kann. Der Reaktor ist mit einem mittleren rotierenden Schaft versehen, an den Platten angebracht sind, die den Reaktor in eine Anzahl von einzelnen Kammern unterteilen. Zwischen jeder Trennplatte und der Innenwand des Reaktors gibt es einen Schlitz von 1 bis 25 mm, durch den die reagierende Suspension im Inneren des Reaktors von einer Kammer zur nächsten gedrückt wird. Der rotierende Schaft trägt auch Mischelemente. Die hergestellte vorpolymerisierte Katalysatorsuspension wird dann dem hauptsächlichen Polymerisationsreaktor zugeführt.
WO 00/09264 beschreibt einen Gasphasen-Vorpolymerisationsreaktor für die Verwendung beim Beschichten von Polymerisationskatalysatoren in der Gasphase. Der Reaktor umfaßt keinerlei Prallflächen.
Es ist festgestellt worden, daß die Verwendung von Separatorplatten zu Verfahrensproblemen führt, die mit der Bildung von Pfropfen oder Blockierungen in den engen Zwischenräumen zwischen den Separatorplatten und der Innenwand des Reaktors verbunden sind. Das Vorhandensein von Blockierungen kann zur anschließenden Bildung von Klumpen in der Vorpolymerisationssuspension oder zur Bildung von heißen Stellen im Inneren des Reaktorgefäßes führen. Das Vorhandensein von Trennplatten führt zudem zu einem viel weiteren Verteilungsmuster der Verweilzeit, da – während bestimmte Katalysatorpartikel gleichmäßig durch jeden Reaktorabschnitt strömen können – andere Partikel während der Vorpolymerisation innerhalb der Segmente "eingefangen" werden können, und solche Partikel haben unvermeidlich eine längere Verweilzeit im Vorpolymerisationsreaktor.
Es hat sich nunmehr überraschend gezeigt, daß diese Probleme verringert werden können, wenn ein Vorpolymerisationsreaktor verwendet wird, der aus einer einzigen, nicht unterteilten Reaktionskammer gebildet ist, die in Längsrichtung mit Prallflächen ausgekleidet ist, um das Mischen zu unterstützen. Durch die Verwendung einer nicht unterteilten Reaktionskammer kann die Bildung von Klumpen oder Blockierungen vermieden werden und die Verweilzeit der Katalysatorpartikel im Inneren des Reaktors sorgfältiger gesteuert werden, was zu einem viel engeren Verteilungsmuster der Verweilzeit und folglich einer besseren Regelung der Feinstofferzeugung im hauptsächlichen Polymerreaktor führt.
Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung wird folglich ein Vorpolymerisationsreaktor für die Flüssigphasenpolymerisation von Olefinmo nomeren in Gegenwart eines Katalysators bereitgestellt, wie er in Anspruch 1 angegeben ist.
Nach einem weiteren Gesichtspunkt gibt die Erfindung ein Verfahren für die Flüssigphasenpolymerisation von Olefinmonomeren in Gegenwart eines Katalysators an, wie es in Anspruch 11 angegeben ist, wobei das Verfahren im Vorpolymerisationsreaktor durchgeführt wird, wie er hier vorstehend angegeben ist, wobei das Verfahren das Einführen von einem Monomer und Katalysator in die Reaktorkammer umfaßt.
Von den beigefügten Zeichnungen ist 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Vorpolymerisationsreaktors und 2 zeigt einen Längsschnitt einer Einrichtung zum Zuführen von Katalysator.
Der erfindungsgemäße Vorpolymerisationsreaktor ist nicht unterteilt; d.h. der Bereich innerhalb der Reaktionskammer ist frei von Separator- oder Trennplatten, die dazu dienen könnten, den Strom des Reaktionsgemischs durch die Reaktionskammer zu stören.
Das Verhältnis zwischen Länge und Durchmesser der Reaktorkammer beträgt 4:1 bis 15:1, vorzugsweise 6:1 bis 13:1, stärker bevorzugt 8:1 bis 11:1, insbesondere 10:1.
Der Vorpolymerisationsreaktor ist mit einem Schaft versehen, der sich vorzugsweise durch die Mitte der Reaktionskammer erstreckt. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich der Schaft durch die Reaktorkammer und aus dieser nach außen. Der Schaft wird vorzugsweise gedreht, und das kann durch irgendeine geeignete Maßnahme, wie einen Elektromotor, erreicht werden. Eine andere geeignete Rotationseinrichtung ist für den Fachmann natürlich naheliegend.
An den Schaft sind Flügelräder angebracht, die sich mit dem Schaft drehen, und diese sind so gestaltet, daß die Wärmeübertragung durch die Reaktorwand verbessert wird und der Katalysator und die Polymerpartikel in den Reaktorkammer verteilt bleiben. Die Flügelräder dienen auch dazu, das Gemisch von der ersten Seitenwand zur zweiten Seitenwand der Reaktionskammer zu befördern und zu sichern, daß die Beschickungseinlässe offen bleiben. Durch sorgfältige Anordnung der Flügelräder in unterschiedlichen Winkeln können innerhalb der Reaktionskammer verschiedene Strömungsbilder erreicht werden.
Die Flügelräder im ersten Ende des Reaktors, die dem Einlaß für die Katalysatorbeschickung bzw. -zufuhr am nächsten sind, sind vorzugsweise so angeordnet, daß sie das Gemisch von der ersten Seitenwand zur zweiten Seitenwand der Reaktionskammer befördern und auch Schwankungen der Katalysatordosierung ausgleichen können. Diese Beförderung kann erreicht werden, indem die Flügelräder in einem solchen Winkel zur Längsachse des Reaktors angeordnet werden, daß das Reaktionsgemisch in Richtung der zweiten Seitenwand strömt. Diese Flügelräder fördern den Transport des Reaktionsgemischs entlang der Achse des Reaktors, folglich tragen sie dazu bei zu sichern, daß die Beschickungseinlässe offen bleiben. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind jene Flügelräder in der ersten Hälfte, insbesondere im ersten Drittel, insbesondere im ersten Achtel der Reaktorkammer, die dem Katalysatoreinlaß am nächsten sind, so angeordnet, daß sie das Gemisch von der ersten Seitenwand zur zweiten Seitenwand der Reaktionskammer befördern.
Innerhalb des Rests des Reaktors sind die Flügelräder vorzugsweise so angeordnet, daß sie versuchen, eine ideale Strömung durch die Reaktorkammer zu sichern, wodurch eine steuerbare und enge Verteilung der Verweilzeit gesichert wird. Diese Flügelräder sichern, daß die Reaktionssuspension gut gemischt wird und die Wärme in der Reaktionskammer verteilt wird.
Die Flügelräder können ungleichmäßig beabstandet sein, sind jedoch vorzugsweise gleichmäßig entlang des Schafts beabstandet und herkömmlich einander entgegengesetzt jeweils in Paaren angeordnet. Die Flügelräder können irgendeine geeignete Form, z.B. die Form einer Rührschaufel, haben.
In einer senkrechten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vorpolymerisationsreaktors wird der Inhalt der Reaktorkammer durch den positiven Massefluß und die Rotation der Flügelräder und gegebenenfalls aufgrund der Schwerkraft in Längsrichtung vorwärts durch die Reaktorkammer befördert.
Der erfindungsgemäße Reaktor sichert, daß alle Katalysatorpartikel eine ausreichende Verweilzeit im Reaktor haben, wodurch der Mindestpolymerisationsgrad von mindestens 10 Gew.-Teilen Polymer pro 1 Gew.-Teil Katalysator erreicht wird, der allgemein als ausreichend anerkannt ist. Bei den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen wird ein Polymerisationsgrad von 294 bis 385 erreicht.
Die Anzahl der am Schaft angebrachten Flügelräder hängt natürlich von den Abmessungen des Reaktorgefäßes ab, kann jedoch geeigneterweise zwischen 6 und 40 liegen. Die Größe des Blattes jedes Flügelrades kann variiert werden, wobei dies wiederum von den Abmessungen des Reaktorgefäßes abhängt, obwohl der Durchmesser des Flügelrades, d.h. der Teil des Gefäßdurchmessers, den das Flügelrad bei einer Umdrehung um die Achse abdeckt, geeigneterweise etwa 0,4 bis 0,75 beträgt. Dieser Abstand ist natürlich dem zweifachen Abstand vom Schaft zur Flügelradspitze äquivalent.
Die Flügelräder können andere Orientierungen oder Größen aufweisen, sofern die gewünschten Effekte in bezug auf Mischen und Verweilzeit erreicht werden. Eine solche Anpassung der Flügelräder wird der Fachmann leicht erreichen. Es ist bevorzugt, wenn die Katalysa torpartikel eine ausreichend lange Verweilzeit haben, um einen Polymerisationsgrad von nicht weniger als 10 zu erzielen. In der Praxis liegen geeignete Verweilzeiten zwischen 5 und 50 Minuten, insbesondere zwischen 10 und 20 Minuten.
Der erfindungsgemäße Vorpolymerisationsreaktor umfaßt Prallflächen, die an den längs verlaufenden Innenwänden des Reaktors angebracht sind. Die Prallflächen sind im wesentlichen parallel zur Längsrichtung der Reaktorkammer installiert und vorzugsweise entlang des Umfangs im gleichen Abstand angeordnet und erstrecken sich vorzugsweise im wesentlichen über die gesamte Länge der Innenseite der Reaktorkammer. Die Anzahl der Prallflächen kann geändert werden, es muß jedoch mindestens eine Prallfläche, vorzugsweise mindestens zwei, stärker bevorzugt 3 oder mehr Prallflächen vorhanden sein. Jede Prallfläche deckt einen bestimmten Anteil des Umfangs der Reaktorkammer ab. Wenn z.B. drei Prallflächen vorliegen, kann sich jede Prallfläche über etwa 120° entlang des Umfangs des Reaktors erstrecken.
Die Prallflächen haben vorzugsweise eine Höhe von etwa D/12, wobei D der Innendurchmesser der Reaktorkammer ist. Zwischen der Innenseite der Reaktorwände und den Prallflächen (abgesehen von den Befestigungspunkten) existiert ein bestimmter Abstand, der typischerweise im Bereich von 5 bis 20 mm liegen kann. In der besonders bevorzugten Ausführungsform gibt es vier Prallflächen.
Der Vorpolymerisationsreaktor hat vorzugsweise getrennte Einlässe für die Katalysator- und Monomerzufuhr. Obwohl es möglich ist, diese Einlässe zu kombinieren, ist es einfacher, die Beschickungen zu steuern, wenn die Zufuhr von Katalysator und Monomer getrennt gehalten wird. Mindestens ein Einlaß für die Monomerzufuhr befindet sich vorzugsweise in der ersten Seitenwand der Reaktionskammer. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann jedoch Monomer an unterschiedlichen Punkten entlang der längs verlaufenden Reaktor wände in die Reaktionskammer eingeführt werden. Die Anzahl der Zuführungsstellen des Monomers entlang der Längswand hängt von den Abmessungen des Reaktorgefäßes ab, kann jedoch geeigneterweise drei betragen. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird Monomer durch Monomerzuführungsstellen in der ersten Seitenwand und der Längswand in den Reaktor eingeführt. Wenn Monomer durch in Längsrichtung angeordnete Zuführungsstellen in den Reaktor eingeführt wird, kann die Temperatursteuerung im Inneren des Reaktors verbessert werden.
Zu geeigneten Monomeren gehören Ethylen, Propen und andere Olefine, und diese sind dem Fachmann natürlich allgemein bekannt. Die dem erfindungsgemäßen Vorpolymerisationsreaktor zuzuführenden Monomere können gegebenenfalls mit einem Verdünnungsmittel vorgemischt werden.
Der Einlaß für die Katalysatorbeschickung befindet sich vorzugsweise in der ersten Seitenwand des Reaktorgefäßes. Die bei der Polymerisation der vorstehend genannten Arten von Monomeren, insbesondere Ethylen und Propylen, gegebenenfalls in Gemischen mit anderen Olefinen, verwendeten Katalysatoren schließen herkömmliche Katalysatoren, wie Katalysatoren vom Ziegler-Natta-Typ, Metallocene usw., ein.
Die Katalysatorbeschickung umfaßt alle Katalysatorspezies, die beim Polymerisationsverfahren aktiv sind und dem Reaktor gewöhnlich in Form einer Lösung oder Suspension in einer geeigneten inerten Flüssigkeit zugeführt werden. Die Katalysatorbeschickung kann mit Monomer und/oder einem Verdünnungsmittel gemischt werden und dann durch eine separate Einlaßöffnung für den Katalysator im ersten Ende der Reaktorkammer in den Vorpolymerisationsreaktor eingeführt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich in der Einlaßöffnung für die Katalysatorbeschickung eine Dosierungseinrichtung für den Katalysator. Diese Einrichtung kann aus zwei konzentrischen Rohren, einem äußeren Rohr und einem kleineren Rohr, bestehen. Der Katalysator wird durch das innere Rohr zugeführt, wohingegen ein Verdünnungsmittel, ein Monomer oder eine Kombination davon durch das Rohr in das ringförmige Volumen zwischen den beiden Rohren eingeführt wird.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Einrichtung für die Katalysatorzufuhr hat das äußere Rohr einen Durchmesser D2 = 10 mm und das innere Rohr einen Durchmesser D1 = 5 mm. Diese Abmessungen haben sich für verschiedene Zuführungskapazitäten von 0,3 bis 1, vorzugsweise von 0,4 bis 0,8 kg/h Katalysator, der mit etwa 320 kg/h Propan zum Reaktor befördert wird, als geeignet gezeigt. Es ist jedoch allgemein möglich, 0,3 bis 20, vorzugsweise 0,4 bis 15 kg/h Katalysator in den Vorpolymerisationsreaktor einzuführen. Es ist klar, daß bei einer Katalysatorbeschickung von mehr als 1 kg/h eine größere Einrichtung für die Katalysatorzufuhr als vorstehend beschriebene verwendet werden muß. Die Zuführungsrate des Katalysators sollte während stabiler Verfahren konstant gehalten werden.
Der Polymerisationsreaktor hat vorzugsweise eine Auslaßöffnung, die sich in der zweiten Seitenwand der Reaktorkammer befindet, um die Reaktionssuspension abzugeben.
Der erfindungsgemäße Vorpolymerisationsreaktor ist mit einem Mantel für die Temperatursteuerung versehen, der die Reaktorkammer über deren gesamte Länge umgibt. Durch diesen Mantel zirkuliert ein Medium mit geregelter Temperatur, um die Temperatur des Inhalts der Reaktorkammer zu steuern. Die Temperatur innerhalb des Reaktors wird gesteuert, indem die Temperatur des Kühlmediums, die Temperatur der Monomerzufuhr und die Beschickungsmenge für die unter schiedlichen Dosierungspunkte reguliert werden. Auf diese Weise ermöglicht der erfindungsgemäße Reaktor eine gute Temperatursteuerung. Es können Temperaturen in der Reaktionsmasse von typischerweise –20 bis +80°C erreicht werden. Die Temperatur in der Reaktionskammer kann auch gesteuert werden, indem die Temperatur der Monomer- und der wahlfreien Verdünnungsmittelbeschickung gesteuert werden, und dies bildet einen weiteren Gesichtspunkt der Erfindung. Die Monomerbeschickung bzw. -zufuhr kann vor dem Einführen in die Reaktorkammer in einem Wärmeaustauscher auf eine geeignete Temperatur, z.B. 10 bis 60°C, abgekühlt oder erwärmt werden.
Der erfindungsgemäße Reaktor ist besonders für die Suspensionsvorpolymerisation von Olefinmonomeren in Gegenwart eines Katalysators gestaltet und vorzugsweise waagerecht orientiert. Im allgemeinen befindet sich der Vorpolymerisationsreaktor stromaufwärts des hauptsächlichen Polymerisationsreaktors und ist direkt damit integriert. Das erhaltene vorpolymerisierte Reaktionsgemisch, das aktive Katalysatorpartikel enthält, die mit Polymer überzogen sind, wird daraus direkt in den hauptsächlichen Reaktor eingeführt und erfüllt gewöhnlich den gesamten Bedarf nach Katalysatoren im hauptsächlichen Polymerisationsreaktor. Der erfindungsgemäße Vorpolymerisationsreaktor ist für alle Arten von Olefinen gleich gut geeignet und ist auch für die Verwendung zusammen mit allen Reaktoren mit kommerziellen Maßen geeignet, die für die katalytische Polymerisation von Olefinen in einer Suspension geeignet sind.
Der Zweck der Durchführung einer Vorpolymerisation besteht darin, die Katalysatorpartikel mit einer Polymerbeschichtung zu versehen. Diese Beschichtung muß nicht notwendigerweise vollständig aus den Olefinen erzeugt worden sein, die im hauptsächlichen Reaktor polymerisiert werden. Folglich kann der erfindungsgemäße Reaktor als separate Einheit unabhängig von den stromabwärtigen hauptsächlichen Polymerisationsreaktoren betrieben werden.
Die kommerziellen Polyolefine mit dem größeren Volumen sind jene, die durch katalytische Polymerisationen von Olefinen erzeugt werden, die 2 bis 8 Kohlenstoffatome enthalten. Zu Beispielen solcher Polyolefine gehören Polyethylen hoher Dichte (HDPE), lineares Polyethylen niedriger Dichte (LLDPE), Polypropylen (PP), Ethylen-Propylen-Dien-Monomere (EPDM) und Copolymere von Ethylen oder Propylen mit höheren Olefinen. Der erfindungsgemäße Vorpolymerisationsreaktor kann vorteilhaft in Verbindung mit all diesen Polymerisationen verwendet werden.
Die Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlicher erläutert. In 1 hat die mit der Bezugsziffer 1 bezeichnete Polymerisationsreaktorkammer eine längliche zylindrische Form, die durch die Innenseiten 2 und Seitenwände 3 definiert wird. Die Seitenwandplatten haben wie dargestellt eine sphärische Form, können jedoch irgendeine geeignete Gestalt, z.B. eine flache, erhalten. Der Reaktor hat ein Verhältnis von Länge/Durchmesser von 4:1 bis 15:1, vorzugsweise von etwa 10:1. Der Reaktor ist mit einem mittleren Schaft 4 ausgestattet, der aus der Reaktorkammer 1 ragt. Der Schaft wird von irgendeiner geeigneten Einrichtung 5, wie einem Elektromotor, gedreht. An den Schaft ist eine Anzahl von Flügelrädern 6 angebracht, damit sie sich mit dem Schaft 4 drehen. Prallflächen 7 sind an den längs verlaufenden Innenwänden 2 des Reaktors 1 angebracht.
Die Temperatur des Reaktionsmediums im Inneren der Reaktorkammer 1 kann durch einen Kühlmantel 8 gesteuert werden, der die Längswände 2 der Reaktorkammer 1 vorzugsweise vollständig umgibt. Kühlmittel wird dem Mantel 8 durch eine Leitung 9 aus einem Reservoir zugeführt, wobei es durch ein Ventil 10 strömt und von einer Pumpe 11 zur Leitung 12 weiterbefördert wird und den Kühlmantel 8 durch die Leitung 13 verläßt. Das Kühlmittel kann durch die Leitung 14 aus dem System entfernt werden oder durch die Pumpe 11 zur Leitung 12 rezir kuliert werden. Der Kühlkreis schließt die Umwälzpumpe 11 und gegebenenfalls einen oder mehrere Wärmeaustauscher (nicht gezeigt) ein, um das Mittel abzukühlen, bevor es wieder in den Kühlmantel 8 gelangt. Falls erwünscht kann der Kühlkreis in zwei oder mehr getrennte Kühlkreise unterteilt werden, die gemeinsam oder einzeln arbeiten. Eine Leitung 15, die von der Leitung 9 abzweigt, führt dem Wärmeaustauscher 16 Kühlmittel zu, um die Monomerbeschickung 33 abzukühlen. Gegebenenfalls kann der Wärmeaustauscher 16 mit Dampf oder irgendeinem anderen erwärmenden Medium 32 erwärmt werden, um die Beschickung 33 zu erhitzen.
Das Monomer wird durch die Leitung 33 aus einem Reservoir zugeführt, wobei es durch den Wärmeaustauscher 16 zur Leitung 17 für die Monomerbeschickung und zum Einlaßpunkt 26 in der Reaktorwand strömt. Gegebenenfalls kann eine Leitung 18 von der Leitung 33 abzweigen, die Teile der Monomerbeschickung zu den Leitungen 19, 20 und 21 befördert, die an bestimmten Einlaßpunkten 27, 28 und 29 entlang der Länge des Reaktors in den Reaktor eingeführt werden sollen. Die Strömungsraten der Monomerbeschickung in den Leitungen 17, 19, 20 und 21 werden mit Regelventilen 22 bis 25 geregelt. Im all-gemeinen wird der größte Teil der Monomerbeschickung durch die Leitung 17 über die hauptsächliche Einlaßöffnung 26 für das Monomer in den Reaktor eingeführt.
Der Katalysator wird durch die Leitung 30 über die Einlaßöffnung 31 in die Reaktorkammer eingeführt, und Polymersuspension wird durch den Auslaß 34 abgezogen. Eine Dosierungseinrichtung für den Katalysator, die in der Einlaßöffnung 31 für die Katalysatorbeschickung angeordnet ist, ist in 2 gezeigt. Diese Einrichtung 100 besteht aus zwei konzentrischen Rohren, einem äußeren Rohr 102 und einem kleineren Rohr 101. Der Katalysator wird durch das innere Rohr 101 zugeführt, während ein Verdünnungsmittel, ein Monomer oder eine Kombi nation davon durch das Rohr 102 in das ringförmige Volumen zwischen den beiden Rohren eingeführt wird.
Die Vorpolymerisationssuspension wird direkt in einen kommerziellen Polymerisationsreaktor eingeführt und kann kontinuierlich die erforderliche Gesamtmenge des vorpolymerisierten Katalysators zuführen. Folglich muß die Kapazität des Vorpolymerisationsreaktors der Kapazität des kommerziellen Reaktors angepaßt werden, und auf der Basis der vorstehenden allgemeinen Beschreibung kann er je nach Bedarf maßstäblich verändert werden.
Der erfindungsgemäße Vorpolymerisationsreaktors wird nunmehr anhand von Ausführungsformen vom Vorpolymerisationsreaktoren weiter erläutert und erklärt, die der Kapazität verschiedener kommerzieller Polymerisationsreaktoren angepaßt sind. Als ein Beispiel verwenden wir die Suspensionspolymerisation von Propylen zu Homopolymeren unter Verwendung eines üblichen Ziegler-Natta-Katalysators.
Selbst wenn alle beschriebenen Ausführungsformen von Vorpolymerisationsreaktoren auf ein waagerecht angeordnetes Gefäß bezogen sind, gelten die gleichen Prinzipien auch für den Vorpolymerisationsreaktor in einer senkrechten Position oder in irgendeiner geneigten Position.
Beispiele
Beispiel 1: Reaktor für die Vorpolymerisation von Polypropylen, der 235 kg/h produziert
Es wird ein Vorpolymerisationsreaktor mit einer Länge von 5 m und einem Innendurchmesser von 0,5 m verwendet. Die Monomerbeschickung umfaßt 95 % Propylen und 5 % Propan. Die Beschickungsrate beträgt 2750 kg/h. Die Beschickung wird im Wärmeaustauscher 16 auf etwa 10°C abgekühlt. Um über die Reaktorlänge eine ausgegliche ne Polymerisationsgeschwindigkeit zu erreichen, wird ein wesentlicher Teil der Beschickung (2000 kg/h) dem Reaktor durch die Leitung 17 zugeführt, wohingegen geringfügige Mengen von 250 kg/h jeweils durch die Beschickungsleitungen 19, 20 und 21 in den Reaktor eingeführt werden.
Eine Menge von 0,8 kg/h eines üblichen Ziegler-Natta-Katalysators, der in einer geringen Menge eines Lösungsmittels (z.B. Heptan, Propan oder ein Mineralöl) suspendiert ist, wird der Dosierungseinrichtung für den Katalysator im inneren Rohr 101 zugeführt. Im äußeren Rohr 102 wird eine Menge von 320 kg/h Propan eingeführt und das Gemisch aus Katalysator und Propan wird dem Vorpolymerisationsreaktor durch die Einlaßöffnung 31 für die Katalysatorbeschickung zugeführt. Der Schaft 4 mit den Flügelrädern 6 wird mit einer angemessenen Geschwindigkeit gedreht, damit die Feststoffe in Suspension bleiben und die Wärmeübertragung auf den Kühlmantel 8 auf einen Höchstwert gebracht wird. Die durchschnittliche Verweilzeit des Katalysators beträgt bei den gewählten Bedingungen 11,4 Minuten. Der Ausstoß von Polypropylen beträgt 235 kg/h. Der Polymerisationsgrad beträgt dann 235/0,8 = 294, was etwa 1 Gew.-% der Polymerisationskapazität des stromabwärtigen hauptsächlichen Reaktors entspricht. Die erhaltene Vorpolymerisationssuspension, die den Katalysator, der mit Polypropylen überzogen ist, sowie auch unreagiertes Propylen und inertes Propan enthält, wird kontinuierlich direkt in den hauptsächlichen Reaktor eingeführt, der etwa 24 t/h produziert.
Die Temperatur des Reaktionsmediums im Inneren der Vorpolymerisationsreaktorkammer wird in einem Temperaturbereich von 10 ± 1°C gehalten, indem im Mantel 8 ein Kühlmittel zirkuliert, womit die Temperatur des Kühlmantels bei 5,6°C gehalten wird. Die Temperatur der eingeführten Monomerbeschickung beträgt 10°C, und die entstandene Polymerisationssuspension, die durch die Auslaßöffnung 28 aus der Reaktorkammer abgegeben wird, wird ohne weitere Abkühlung direkt dem hauptsächlichen Reaktor zugeführt.
Beispiel 2: Reaktor für die Vorpolymerisation von Polypropylen, der 154 kg/h produziert
Es wird ein Vorpolymerisationsreaktor mit einer Länge von 5 m und einem Verhältnis von Länge/Durchmesser von 10 verwendet. In diesem Fall umfaßt die Monomerbeschickung 80 % Propylen und 20 % Propan mit einer Temperatur von 10°C. Die Beschickungsrate durch die Leitung 17 zum Einlaßpunkt 26 für die hauptsächliche Monomerbeschickung beträgt 1000 kg/h und 133 kg/h bei jeder der Leitungen 19, 20 und 21 an den Einlaßstellen 27, 28 bzw. 29, insgesamt 1400 kg/h. Ein üblicher Ziegler-Natta-Katalysator wird in einer Menge von 0,4 kg/h, gemischt mit 320 kg/h Propan, in den Reaktor eingeführt, wie es in Beispiel A beschrieben ist. Der Schaft 4 wird mit einer angemessenen Geschwindigkeit gedreht, damit die Feststoffe in Suspension bleiben und die Wärmeübertragung auf den Kühlmantel 8 auf einen Höchstwert gebracht wird. Die durchschnittliche Verweilzeit des Katalysators beträgt bei den ausgewählten Bedingungen 20 min. Der Ausstoß des vorpolymerisierten Polypropylens beträgt 154 kg/h, dies entspricht einem Polymerisationsgrad von 385 (154/0,4). Die entstandene Suspension mit einer wie vorstehend angegebenen Zusammensetzung wird kontinuierlich direkt in den hauptsächlichen Reaktor eingeführt, der etwa 15 t/h erzeugt. Die Temperaturbedingungen sind wie in Beispiel 1 erläutert.
Beispiel 3: Reaktor für die Vorpolymerisation von Polypropylen, der 135 kg/h produziert
Es wird ein Vorpolymerisationsreaktor mit einer Länge von 5 m und einem Innendurchmesser von 0,5 m verwendet. Die Monomerbeschickung umfaßt 20 % Propylen und 80 % Propan. Die Beschickungs rate beträgt 4000 kg/h. Die Beschickung wird im Wärmeaustauscher 16 auf etwa 60°C erwärmt. Um eine ausgeglichene Polymerisationsgeschwindigkeit entlang der Länge des Reaktors zu erreichen, wird der größte Teil der Beschickung (3000 kg/h) durch die Leitung 17 in den Reaktor eingeführt, wohingegen geringfügige Mengen von 333 kg/h jeweils durch die Beschickungsleitungen 19, 20 und 21 in den Reaktor eingeführt werden.
Eine Menge von 0,8 kg/h eines üblichen Ziegler-Natta-Katalysators, der in einer geringen Menge eines Lösungsmittels (z.B. Heptan, Propan oder ein Mineralöl) suspendiert ist, wird der Dosierungseinrichtung für den Katalysator im inneren Rohr 101 zugeführt. Im äußeren Rohr 102 wird eine Menge von 250 kg/h Propan eingeführt, und das Gemisch aus Katalysator und Propan wird dem Vorpolymerisationsreaktor durch die Einlaßöffnung 31 für die Katalysatorbeschickung zugeführt. Der Schaft 4 mit den Flügelrädern 6 wird mit einer angemessenen Geschwindigkeit gedreht, damit die Feststoffe in Suspension bleiben und die Wärmeübertragung auf den Kühlmantel 8 auf einen Höchstwert gebracht wird. Die durchschnittliche Verweilzeit des Katalysators beträgt bei den ausgewählten Bedingungen 8,1 Minuten. Der Ausstoß von Polypropylen beträgt 135 kg/h. Der Polymerisationsgrad beträgt dann 135/08 = 169, was etwa 0,7 Gew.-% der Polymerisationskapazität des stromabwärtigen hauptsächlichen Reaktors entspricht. Die erhaltene Polymerisationssuspension, die den Katalysator, der mit Polypropylen überzogen ist, sowie auch unreagiertes Propylen und inertes Propan enthält, wird kontinuierlich direkt in den hauptsächlichen Reaktor eingeführt, der etwa 25 t/h produziert.
Die Temperatur des Reaktionsmediums im Inneren der Vorpolymerisationsreaktorkammer wird innerhalb eines Temperaturbereichs von 60 ± 1°C gehalten, indem im Mantel 8 ein Kühlmittel zirkuliert, womit die Temperatur des Kühlmantels bei 50°C gehalten wird. Die Temperatur der eingeführten Monomerbeschickung beträgt 6°C, und die entstan dene Polymerisationssuspension, die durch die Auslaßöffnung 28 aus der Reaktorkammer abgegeben wird, wird ohne weitere Kühlung direkt zum hauptsächlichen Reaktor geleitet.

Claims

Vorpolymerisationsreaktor für die Flüssigphasenpolymerisation von Olefinmonomeren in Gegenwart eines Katalysators, umfassend: eine im wesentlichen zylindrische Reaktorkammer mit einer Reaktorlängswand entlang des Umfangs, einer ersten Seitenwand und einer zweitem Seitenwand, wobei das Verhältnis zwischen Länge und Durchmesser der Reaktorkammer 4:1 bis 15:1 beträgt, wobei die Kammer frei von Separator- oder Trennplatten ist, die dazu dienen würden, den Strom des Reaktionsgemischs durch die Reaktorkammer zu behindern; einen Mantel für die Temperatursteuerung, wobei dieser Mantel die Längswand des Reaktors im wesentlichen umhüllt; einen Schaft, der sich in der Reaktorkammer befindet, wobei dieser Schaft mit Flügelrädern versehen ist; eine Einlaßöffnung für die Monomerzufuhr; eine Einlaßöffnung für die Katalysatorzufuhr; eine Auslaßöffnung; und zumindest eine Prallfläche, die im wesentlichen in Längsrichtung in der Reaktorkammer angeordnet ist.
Vorpolymerisationsreaktor nach Anspruch 1, wobei sich die Einlässe für die Monomer- und Katalysatorzufuhr in der ersten Seitenwand befinden.
Vorpolymerisationsreaktor nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich die Auslaßöffnung in der zweiten Seitenwand befindet.
Vorpolymerisationsreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Flügelräder in einem ersten Drittel dieser Reaktorkammer, das der Einlaßöffnung für die Katalysatorzufuhr am nächsten ist, so gestaltet sind, daß sie das Reaktionsgemisch von der ersten Seitenwand zur zweiten Seitenwand befördern.
Vorpolymerisationsreaktor nach Anspruch 4, wobei die Flügelräder in den restlichen zwei Dritteln dieser Reaktorkammer so angeordnet sind, daß sie das Reaktionsgemisch vermengen.
Vorpolymerisationsreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Reaktorkammer mindestens zwei Prallflächen aufweist, die entlang des Umfangs im wesentlichen im gleichen Abstand sind.
Vorpolymerisationsreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die zumindest eine Prallfläche in einem Abstand von 5 bis 20 mm zur Längswand des Reaktors vorgesehen ist.
Vorpolymerisationsreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, der ein Verhältnis von Länge/Durchmesser von 10:1 hat.
Vorpolymerisationsreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, der ferner zumindest eine zusätzliche Einlaßöffnung für die Monomerzufuhr in der Längswand des Reaktors aufweist.
Vorpolymerisationsreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, der waagerecht angeordnet ist.
Verfahren zum Vorpolymerisieren von Olefinen in einem Vorpolymerisationsreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, das den Schritt umfaßt, bei dem Olefinmonomer durch die Einlaßöffnung für die Monomerzufuhr in den Reaktor eingeführt wird, wobei die Temperatur der Monomerzufuhr eingestellt wird, um die Temperatur in der Reaktorkammer zu ändern.