HU210908B

HU210908B - Apparatus and method for producing ethylene polymer

Info

Publication number: HU210908B
Application number: HU913132A
Authority: HU
Inventors: John Douglas Hottovy; Frederick Christopher Lawrence; Barry W Lowe; James Stephen Fangmeier
Original assignee: Phillips Petroleum Co
Priority date: 1990-10-01
Filing date: 1991-10-01
Publication date: 1995-09-28
Also published as: NO178308C; ES2069162T3; GR3015891T3; NO913837L; HU913132D0; YU47815B; FI914601A0; US5565175A; MX9101193A; DK0479186T3; CN1060658A; NO178308B; HUT59620A; FI101710B1; BR9104000A; KR920008072A; DE69107757T2; PH31050A; EP0479186A2; EP0479186B1

Description

A találmány tárgya berendezés és eljárás etilén polimer előállítására hurokreaktorban.

A különféle olefin polimereket, például polietilént általában olyan hurokreaktorban állítják elő, amelyben monomert, katalizátort és oldószer keverék formában cirkuláltatnak. A polimerizációs reakció exoterm reakcióként megy végbe, így a reakció során jelentős mennyiségű hő képződik. Annak érdekében, hogy a reakció hőmérsékletét az előírt hőmérsékletszinten lehessen tartani, hűtőfolyadékot, például vizet cirkuláltatnak a hurokreaktort képező csövek legalább egy részének külső felülete mentén. Úgy, hogy ez a hűtőfolyadék a cső külső felületével érintkezik.

A GB 2 184 039 számú szabadalmi leírás olyan hurokreaktort ismertet például, amely tartalmazza az önmagában ismert hurokreaktor elrendezést szivattyúkat valamint a monomer fázis és a víz fázis betáplálásra illetőleg a keletkező termék elvezetésére kiképezett vezetékeket.

Ennek a berendezésnek az a lényege, hogy a szivattyú forgórésze és meghajtó eleme között van egy kamra, és lényegében ennek a kamrának a speciális kialakítása a berendezés lényege, amelynek segítségével a hurokreaktor folyamatos működése jobb hatásfokkal biztosítható. Hátránya, hogy a hőátadás a reakciókeverék és a külső közeg között a vastag csövek miatt nem megfelelő.

A hőelvonás mértékének megállapításánál figyelembe kell venni, hogy a reakció során milyen paraméterekre kell tekintettel lenni, azaz vagy a polimer gyártási sebességét kívánjuk maximalizálni, ehhez adott hőmérséklet tartozik, vagy speciális polimer gyártási sebességnél a reakció hőmérsékletét kell minimális értéken tartani. Ily módon lehet kis sűrűségű polimert gyártani.

A találmány célja olyan berendezés és eljárás kidolgozása a hurokreaktor továbbfejlesztésével, hogy hurokreaktorban etilén polimert lehessen úgy előállítani, hogy az ismert megoldásokhoz képest a hőelvezetés kedvezőbben és gazdaságosabban legyen megvalósítva.

Felismertük ugyanis, hogy ha a kereskedelemben kapható centrifugál öntéssel előállított csövek helyett megfelel anyag alkalmazása esetén sokkal vékonyabb falú csöveket lehet alkalmazni, ami a hővezetés szempontjából előnyös, ily módon ugyanis vagy a polimer termelékenységét lehet maximalizálni adott reakcióhmőérsékleten, vagy pedig a reakcióhőmérsékletet lehet minimális értéken tartani adott reakciósebesség mellett. Ily módon kis sűrűségű polimereket tudunk elállítani.

A találmány tehát berendezés etilén polimer előállítására, amely egymással összekapcsolt lényegében függőleges vezetékszakaszokból áll, ahol legalább egy függőleges vezetékszakasz olyan csőelrendezésként van kiképezve, amely egy belső csövet és ekörül koaxiálisán elrendezett hőcserélőt képező külső csövet tartalmaz, a berendezés el van látva a polimerizációban résztvevő anyagok valamint a hűtőfolyadék bevezetésére kiképezett bemenettel, és a polimerizáció során keletkező termék valamint a hűtőfolyadék elvezetésére kiképezett kimenettel valamint a vezetékekben áramlást fenntartó elemmel.

A berendezés lényege, hogy a függőleges vezetékszakaszok zárt hurokreaktort képezően vannak összekapcsolva, és legalább egy függőleges vezetékszakasz legalább egy olyan belső csövet tartalmaz, amely olyan hengerelt acéltartalmú lemezből van, amelynek két széle egymás felé hajtva varrattal van összekapcsolva.

Előnyös a találmány azon kiviteli alakja is, ahol az alkalmazott acéltartalmú anyag hővezetőképessége legalább 34 W/(mK), szakítószilárdsága pedig legalább 344 MPa, a hővezető-képesség előnyösen 4352 W/mK, a minimális szakítószilárdság pedig előnyösen 413-620 MPa, továbbá az acél 0,5 tömeg%-nál kevesebb szenet, 1,5 tömeg%-nál kevesebb mangánt, kevesebb mint 1 tömeg% szilíciumot, kevesebb, mint 2,5 tömeg% krómot, és kevesebb mint 1 tömeg% nikkelt tartalmaz, krómtartalma előnyösen 0,25 tömeg%nál, nikkeltartalma pedig 0,25 tömeg%-nál kisebb, és az acélt a 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 és A678 Gr C acélok közül választjuk ki, előnyösen pedig a A516 Gr 70 acélt választjuk.

Előnyös még a találmány azon kiviteli alakja is, ahol a hengerelt lemezből készült cső hegesztési varrata hosszirányban van kialakítva.

Ugyancsak előnyös a találmány azon kiviteli alakja, ahol a csőnek külső átmérője 25,4-76 cm, falvastagsága pedig 1,25-1,9 cm tartományban van.

Előnyös még az a kiviteli alak is, ahol a hűtőközeget továbbító elem legalább egy olyan külső csövet tartalmaz, amely legalább egy, a reakcióközeget áramoltató belső cső körül van elrendezve, és a két cső között körgyűrű alakú tér van, és a hűtőközeg ebben a térben a belső cső külső felületével érintkezőén van áramoltatva, továbbá a külső cső is hengerelt lemezből van kiképezve.

A találmány tárgya továbbá eljárás etilén polimer előállítására, ahol az eljárás során a polimerizációs reakcióhoz szükséges anyagokat, úgymint etilén polimert, katalizátort és oldószert egy vezetékrendszerbe bevezetjük, ott áramoltatjuk, majd a reakcióterméket elvezetjük.

Az eljárás lényege, hogy polimerizációs reakcióhoz szükséges anyagokat olyan zárt hurokban áramoltatjuk, amely zárt huroknak a vezetékrendszere legalább egy olyan csövet tartalmaz, amely hengerelt lemezből van kiképezve, és a lemeznek a szélei varrattal vannak egymáshoz csatlakoztatva, és amelynek külső felülete mentén azzal hőcserélő kapcsolatban álló hűtőközeget áramoltatunk, továbbá, hogy a monomer lényegében etilén.

A találmány szerinti megoldás lehetővé teszi, hogy vékonyabb falú csöveket használjunk, mint az ismert megoldásoknál alkalmazott csövek. A falvastagság minimalizálásával a hőátadási tényező megnő, ami a reaktorban lévő anyagból fokozottabb hőelvonást tesz lehetővé.

Ahogyan erre már a bevezetőben is utaltunk, a fokozott hőelvonási képesség vagy azt a célt szolgálja, hogy adott reakcióhőmérsékleten a polimer gyártási sebességét megnöveljük, vagy pedig azt a célt szolgál2

HU 210 908 Β ja, hogy a reakció hőmérsékletét egy adott gyártási sebességnél minimális értéken tartsuk és ily módon kis sűrűségű polimereket tudjunk elő állítani.

A találmányt a továbbiakban példakénti kiviteli alakjai segítségével a mellékelt ábrákon ismertetjük részletesebben. Az

1. ábra látható a találmány szerinti, etilén polimer előállítására szolgáló berendezés vázlatos rajza, a

2. ábrán látható az 1. ábrán bemutatott elrendezés egy részletének a részletesebb rajza, a

3. ábrán pedig a 2. ábrán a 3-3 vonal mentén vett metszete látható.

A találmány általában etilén polimer előállítására szolgáló berendezést és eljárást ismertet, arra az esetre, amikor az eljárás során legalább egy etilént tartalmazó monomert, katalizátort és oldószert keverékben áramoltatunk egy hurokreaktorban.

Maga a monomer lehet csak etilén is, de lehet különböző egyéb olefin keverékekből álló monomer is, ahol 25 tömeg%-nál kisebb a teljes monomerre vonatkoztatva az egyéb olefin tartalom. Ilyen egyéb olefin lehet például a molekulánként 3-8 szénatomot tartalmazó 1-olefin, például propilén 1-bután, 1-pentán, 1hexán, 1-oktán, 4-metil-l-pentán, 4-etil-l-hexán vagy hasonló propilének vagy konjugált diolefin, butadién vagy izoprén.

A katalizátor önmagában ismert bármilyen olyan katalizátor lehet, amelyeket monomerek polimerizálásánál alkalmaznak, leggyakrabban azonban krómoxid katalizátort alkalmaznak, amelyben hatvegyértékű króm van.

Az oldószer lehet például valamilyen szénhidrogén-oldószer, például normál pentén, normál butén, normál izobutén, normál hexán, normál dekán, ciklohexán, metilciklopentán, metilciklohexán, vagy egyéb.

Azok az etilén polimerek, amelyeket a találmány szerinti eljárással állítottunk elő, lehetnek az etilénnek homopolimeijei vagy etilén kopolimerek, vagy egyéb olefinek, ahogyan erre már az előzőekben utaltunk. A továbbiakban mind a leírásban mind az igénypontokban az etilének polimerje vagy etilén polimerek alatt mind a kizárólag etilén monomerekből képezett etilén homopolimerek mind pedig az etilén és egyéb olefinek kopolimeqei, amelyet etilénből vagy valamilyen más olefinből hoztak létre, értendők.

Visszatérve az 1. ábrára, az 1. ábrán látható a találmány szerinti 10 hurokreaktor vázlatos rajza, amely 10 hurokreaktor egy sor lényegében függőlegesen elrendezett 12, 14, 16 és 18 vezetékszakaszt, és egy sor lényegében vízszintesen elrendezett 20, 22, 24 és 26 vezetékszakaszt tartalmaz. A 12 és a 14 vezetékszakaszok felső része a lényegében vízszintes, itt kissé lejtős 20 vezetékszakasszal van összekapcsolva, a 16 és 18 vezetékszakaszok felső része pedig a lényegében vízszintes, itt most kissé lejtős 22 vezetékszakasszal van összekapcsolva. A 14 és 16 vezetékszakaszok alsó vége a vízszintes 26 vezetékszakasszal van összekapcsolva, a 12 és 18 vezetékszakaszok alsó vége pedig a vízszintes 24 vezetékszakasszal van összekapcsolva.

Mindegyik 12-26 vezetékszakasz lényegében hasonló módon alakítható ki, és pedig úgy, ahogy ezt részletesebben a 2. ábrán mutatjuk be. Az 1. ábrán bemutatott elrendezés természetesen csak egy példakénti kiviteli alak, más összekapcsolások illetőleg más elrendezés is lehetséges a találmány értelmében.

Visszatérve még az 1. ábrára a monomert a folyadékként vezetjük be 28 bemeneten keresztül a 14 vezetékszakaszba, míg a szilárd katalizátor részecskékből és az oldószerből képezett iszapot 30 bemeneten át vezetjük be a 26 vezetékszakaszba. A katalizátor illetőleg ez a folyékony oldószer a példakénti kiviteli alaknál egyetlen ponton, a 30 bemeneten van bevezetve a 26 vezetékszakaszba, a 30 bemenet azonban adott esetben lehet több egymás mellett elrendezett bevezetési helyből áll, az ismert reaktoroknál általában 3-10 bevezetési helyből áll a 30 bemenet.

A 10 hurokreaktorban az anyag áramlása előre meghatározott irányban kell végbemenjen, az áramlási irányt az 1. ábrán a nyíl jelzi, áramlás fenntartásáról pedig az egyik, itt a 14 vezetékszakaszba a 32 vezérlő bemeneten csatlakoztatott mozgatószerkezet, például egy 34 motor gondoskodik. Minden esetben úgy kell az adott reakciókeverék áramlásának megfelelő sebességet fenntartani, hogy a szilárd anyag megfelelően szuszpenzióban maradjon. A Reynolds számban kifejezett áramlási sebesség célszerűen 1 000 000-3 000 000 tartományba esik.

Az eljárás során figyelembe veendő egyéb paraméter például a hőmérséklet, amelyet a 10 hurokreaktorban általában 66-12 ’C tartományba kell fenntartani. Az a nyomás pedig, amelyet a 10 hurokreaktor belsejében biztosítani kell 413-620 MPa kell legyen.

A 10 hurokreaktorban előállított etilén polimer egy ülepítő 36 kimeneten majd egy 38 szelepen keresztül van elvezetve. Amikor a 10 hurokreaktor tartalma a 24 vezetékszakaszon keresztül áramlik, a polimer törekszik arra, hogy az ülepítő 36 kimenetnél lerakodjon, ha a 38 szelep zárva van. A 38 szelepet ezért célszerű olyan vezérlő berendezéssel ellátni, ezt az 1. ábrán nem tüntettük fel, amely a 38 szelepet periodikusan nyitja, ily módon biztosítható a polimerből és oldószerből képződött nagyon sűrű iszap kiürítése. Általánosságban elmondhatjuk a 10 hurokreaktorban alkalmazott csövekre, hogy célszerű, ha külső átmérőjük 25,476 cm tartományba, a falvastagságuk pedig 1,27— 1,9 cm tartományba esik. A polimer gyártási sebessége célszerűen 13 500 kg/óra-22 500 kg/óra tartományban van. A polimer sűrűsége 0,89-0,97 között változhat, ez az érték függ a reakció hőmérsékletétől, az alkalmazott monomertől és a monomer betáplálási sebességétől. Általánosságban elmondhatjuk, hogy a reakcióhőmérséklet csökkenése konstans monomer betáplálási sebesség esetén kisebb sűrűségű polimert eredményez.

A 2. ábrán látható a 12 vezetékszakasz egy részletesebb rajza. A 12 vezetékszakaszt a középső részén eltörtük, hogy a vezetékelrendezés jobban látszódjon. A 12 vezetékszakasz tartalmaz egy belső 40 csövet, amelyben a monomer, az oldószer, a katalizátor és a polimer áramlik. Ezt a belső 40 csövet egy külső 42 cső veszi kívülről körül. A külső 42 csőnek az alsó részén

HU 210 908 Β egy 44 kiszélesített rész van, amelyen egy 46 bemenet van a 48 hűtőfolyadék számára kiképezve. A külső 42 cső felső részén szintén ki van alakítva egy 50 kiszélesített rész, ezen van egy 52 kimenet amelyen az 54 hűtőfolyadék távozik. A 48 illetőleg 54 hűtőfolyadék a belső 40 cső és a külső 42 cső közötti körgyűrű alakú 70 térben áramlik, és mint ilyen a belső 40 cső külső felületével érintkezik. A hőcsere a hűtőfolyadék és a belső 40 cső tartalma között a belső 40 cső falán keresztül valósul meg, azaz a hűtőközeg hőt von el a belső 40 csőből.

A 44 és 50 kiszélesített részekhez egy-egy 56 illetőleg 58 zárógyűrű van csatlakoztatva, amelyeken a belső 40 cső túlnyúlik. A belső 40 cső helyzetének további stabilizálását szolgálja az 56 és 58 zárógyűrűket a belső 40 csőhöz rögzítő, a 40 cső alsó és felső végén kiképezett 60 illetőleg 62 merevítőelem. A belső 40 cső alsó és felső végén 64 és 66 könyökelemek vannak, amelyeken megfelelő peremek vannak kiképezve. A 64 könyökelem az 1. ábrán látható 24 vezetékszakaszhoz van csatlakoztatva, míg a 66 könyökelem az 1. ábrán látható 20 vezetékszakaszhoz van csatlakoztatva. A 2. ábrán látható egy 68 perem is, amely a 20 vezetékszakasz és a 66 könyökelem között van mint közbülső illesztőelem elhelyezve.

A 3. ábrán látható a 2. ábra 3-3 vonal mentén vett metszete, ahol jól megfigyelhető a két belső 40 és külső 42 cső, valamint a közöttük lévő körgyűrű alakú 70 tér, továbbá látható 72 varrat, amely a belső 40 cső falán van, általában annak hosszirányában kiképezve, valamint látható 74 varrat, amely a külső 42 cső falán van hosszirányban kiképezve.

A belső 40 cső előnyösen hengerelt lemezből van kialakítva úgy, hogy a lemezt meghajlítjuk és az egymáshoz kapcsolódó hosszirányú peremei képezik a 72 varratot. Maga a belső 40 cső önmagában ismert módon hozható létre a lemeznek tetszőleges cső alakra történő feltekercselésével. A feltekercselt lemeznek a peremei azután szintén önmagában ismert hegesztési technológiával, például ívhegesztéssel csatlakoztathatók egymáshoz és így alakul ki ponthegesztéssel a 72 varrat. Előnyös lehet az is, ha a hegesztésnél a belső 40 csövet képez anyag szilárdságával megegyező szilárdságú fém töltőanyagot használunk a 72 varrathoz, amely töltőanyag a belső 40 cső hegesztési 72 varratánál teljes egészében kitölti azt. Ily módon nagyon jó csatlakozás és jó minőségű 72 varrat valósítható meg. A jó minőségű csatlakozás lehet például kettősen hegesztett 72, ill. 74 varrat is, amelyet a felhasználás előtt radiográfiás vizsgálatnak is alávetnek és ily módon ellenőrzik a 72, illetőleg a 74 varrat minőségét. így gyakorlatilag 100%-os csatlakozási hatásfok valósítható meg. Ez az arány a hegesztésnél megengedhető feszültség és a hengerelt lemeznél megengedhető feszültség aránya, és a 100%-os arány az ASME Pressure Véssél Code Section VHI. Div. 1 előírásainak megfelel.

A belső 40 cső készítésénél felhasznált lemez előnyösen olyan acéllemez, amelynek a hővezetőképessége legalább 34 W/mK, és amelynek a szakítószilárdsága legalább 344 MPa. Néhány speciális szén vagy kisötvözésű acél az, amely igen jól használható erre a célra. Az alábbi I. táblázatban megadjuk a találmány szerinti 10 hurokreaktorhoz alkalmazható acélanyagoknak a típusát, hővezetőképességét illetőleg minimális húzószilárdságát.

1. Táblázat

Acél	Termikus vezetőképesség (W/mk)	Min. szakítószilárdság (MPa)
A516Gr70	48,1	482,3
A537 Cl 2	46,36	551,1
A202GrB	41,34	. 585,6
A2MB5GrC	52,1	344,5
A514GrB	47,4	757,9
A515Gr70	47,06	482,3
A517GrA	41,7	792,3
A517Gr B	47,57	792,3
A533TyAC13	47,75	689,3
A542TyAC12	37,2	792,3
A678GrC	44,46	654

Az I. táblázatban megadott vezetőképességre vonatkozó adatok minden acél esetében érvényesek az 57-100 °C tartományra. Az itt megadott hővezetőképességek az igénypontokban megadott hőmérséklettartományra is igazak. A minimális szakítószilárdságot, „Lukens 1988-89 Plate Steel Specification Guide”, kiadványból vettük, ez Pennsylvániában jelent meg 1988-ban. Itt jegyezzük meg azt is, hogy annak érdekében, hogy a 10 hurokreaktor az ASME-kódnak megfelelő legyen, az itt alkalmazott acélok mind olyanok kell legyenek, amelyek a ASME Pressure Véssél kódnak a UGS-23 táblázatában is föl vannak sorolva.

A tekercselt lemezből készített belső 40 cső minden esetben acélból van, előnyösen alkalmazható az az acél, amelyben 0,5 tömeg%-nál kisebb a széntartalom, 1,5 tömeg%-nál kisebb a mangántartalom, 1 tömeg%nál kisebb a szilíciumtartalom, és 2,5 tömeg%-nál kisebb a krómtartalom illetőleg 1 tömeg%-nál kisebb nikkel van benne. Az I. táblázatban felsorolt mindegyik acélra jellemzek ezek a paraméterek. Tapasztalataink szerint a fent felsorolt elemek közül mindegyik csökkenti az acél hővezető képességét. Ugyanakkor azt is tapasztaltuk, hogy a kobalt, a molibdén, a réz, a kén és foszfor olyan adalékanyagok amelyek az acél hővezetőképességét növelik.

Ahhoz tehát, hogy a hővezetőképesség és a minimális szakítószilárdság valamint a hegeszthetőség biztosítva legyen, és a 40 és 42 cső ne legyen durva, olyan acélokat célszerű alkalmazni, amelynek hővezetőképessége 43-52 W/mK, a minimális szakítószilárdsága pedig 413,4-620,1 MPa, ami a szén, magnézium tartalmat illeti, azok értéke azon határok között lehet, ahogy az előzőekben megadtuk, a krómtartalom pedig legyen kisebb mint 0,25 tömeg%, és 0,25 tömeg%-nál keve4

HU 210 908 Β sebb legyen a nikkeltartalom is. Az I. táblázatban a A516 Gr 70 anyag például ezeknek a feltételeknek mind eleget tesz.

Ami a belső 40 cső méreteit illeti, előnyös, ha külső átmérője 25,4-76 cm tartományba esik, és olyan le- 5 mezből van hajlítva illetőleg tekercselve, amelynek névleges vastagsága 1,25-1,9 cm, hengerelési pontossága pedig 0,025 cm vagy 6%. Ez az érték is a ASME Pressure, Code Section VIII. Div. 1 részében van meghatározva. Hengerelt lemezek esetében ez a kis henge- 10 relési tűréshatár elegendően kicsi ahhoz, amely az ASME kód szerint a 0-hoz is közelíthet, ha a tervezett illetőleg a minimális megengedhető vastagság előre figyelembe van véve. A továbbiakban a névleges vastagságon a hengerelt lemeznek a névleges gyártási vas- 15 tagságát értjük. A leírásban az igénypontokban tehát a hengerlési pontosság, a pillanatnyi falvastagság maximális eltérése a névleges értékhez képest. A tervezési vastagságra a továbbiakban a példák ismertetésénél még visszatérünk, mivel a vastagság értékét úgy hatá- 20 rozzák meg, hogy ahhoz, hogy a megfelelő vastagság létrejöjjön, előre megadott nyomással kell a hengerelést elvégezni.

A külső 42 cső szintén kialakítható hengerelt lemezből, amely két oldalán van összehegesztve a hegesztési 74 varratok mentén, ahogy ez a 3. ábrán látható. Adott esetben a belső 40 cső és a külső 42 cső készülhet ugyanolyan anyagból is ugyanolyan eljárással.

A 10 hurokreaktomak a 20, 22, 24, 26 vezetékszakaszai lényegében vízszintesen vannak elrendezve, ezeket célszerű inkább varratmentes csövekből kialakítani, mint a hengerelt lemezből. A varratmentes konstrukciónál nagyobb a falvastagság, mint a hengerelt lemezből készült konstrukciónál, mivel itt nagyobb a hengerelési tűrés. Ezt a továbbiakban a példákon szintén bemutatjuk. A vízszintes 20, 22, 24 és 26 vezetékszakaszok nincsenek ellátva hűtőköpennyel, ezekre a tervezésnél nagyobb vastagság engedhető meg, és a hővezetőképességük is kisebb lehet, hiszen itt nincs akkora jelentsége a hővezetőképességnek, mint a burkolt elrendezésnél.

A találmányt a továbbiakban példák segítségével is bemutatjuk. Példákon mutatjuk be az ismert hurokreaktoroknál alkalmazott csöveknek és a találmány szerint elrendezett 40 és 42 csövek közötti különbséget. Az ismert hurokreaktorokban általában varratnélküli csöveket alkalmaznak. A példák természetesen csak egy-egy kiviteli alakra vonatkoznak, a találmány szerinti 10 hurokreaktor többféleképpen is kialakítható.

A hengeres reaktorcső falának tervezett vastagságát a következő képlet alapján tudjuk meghatározni:

_t_P(R + Ci)/(SE-.6P) _{t c}1 ~M ahol t a tervezési vastagság cm-ben,

P a belső előírt nyomás Pa-ban,

R a csőnek a belső átmérője cm-ben,

S a megengedhető feszültség Pa-ban,

E a csatolásnak a hatásfoka, ennek nincs dimenziója, Ci a cső belső felületén megengedett korrózió cm-ben C a teljes megengedett korrózió cm-ben. Ezalatt a Ci belső korrózió és a Co külső korrózió összessége értendő, ahol

Co a cső külső felületén megengedett korrózió mértéke M a hengerelési tűrés, amely szintén dimenziónélküli.

A továbbiakban ismertetünk majd egy Π. táblázatot is, amely a (1) egyenlethez tartozó egyes paraméterek határértékeit adja meg, és megadja az ezekből számított t értékeket. Az összehasonlítás alapja egy ismert, A106 Gr B acélból készült varratmentes reaktorcső. A találmány szerint kialakított cső pedig a találmány értelmében hengerelt és hegesztett A516 Gr 70 acélból készült cső. A II. táblázatból látható, hogy a tn érték a technika állása szerint még a legkedvezőbb esetben is jóval nagyobb, mint a találmány szerinti megoldásnál.

II. táblázat

Csőtípus	P MPa	R cm	S KPa	E	M	Ci cm	c cm	t cm	cm
Technika állása	6,24	27,9	0,1	1	0,125	0,15	0,23	2,25	2,46
Találmány szerinti	6,24	27,9	0,12	1	0,00	0,15	0,23	1,74	1,746

Mindegyik esetben a P nyomás lényegesen alacsonyabb az etilén polimerizálásnál alkalmazott nyomásnál, és figyelembe veszi a hidrosztatikai és a szivattyú nyomáskülönbségét. A megengedhető S feszültség az egyes acélok minimális szakítószilárdságának körülbelül egynegyede. A varratmentes cső esetében a csőfal csatolási hatásfoka (E) természetesen 1 vagyis 100%, hiszen itt nincs szükség semmiféle különleges csatolásra, hengerelt lemez esetében a E hatásfok szintén 1 (100%), ezt radiográfiás ellenőrzés során vizsgálják, ilyen módon lehet ugyanis a hegesztési varratokat ellenőrizni. A M hengerelési tűrés varratmentes csövek esetében 0,125 (12,5%), amely összhangban van a ASME Pressure Véssél Code Section VID. Div. 1-ben foglaltakkal. Ez a nagy hengerelési tolerancia varratmentes csövek esetében a gyártási eljárás következtében lép fel, mivel a varratmentes csöveket általában extrudálással állítják elő. Hengerelt lemezekből készített cső esetében, mivel a csövet sík lemezből hajlítják, és a sík lemez igen kis vastagságban és kis eltéréssel készíthető, a hengerelési törés gyakorlatilag nulla, ami megint csak összhangban van ASME Pressure Véssél Code előbb említett részével. A C teljes korrózió megengedett értéke mindegyik esetben . 0,08 cm, a külső falvastagság vonatkozásában, azaz Co = 0,08 cm. Ugyancsak 0,08 cm vastagság veszteséget engedünk

HU 210 908 B meg korrózió következtében a cső belső falánál is, ami a periodikus tisztítás következtében jelentkezik, így tehát a Ci = 0,14 cm, a teljes korrózió következtében fellépő vastagság változása 0,24 cm lesz.

Varratmentes cső esetében a tervezett t vastagság a II. táblázatban látható, és itt figyelhető meg az is, hogy a vastagság lényegesen nagyobb kell legyen, mint a hengerelt lemezből készült csövek esetében, a különbség egy része a megengedhető feszültségkülönbségből adódik, a másik része, és ez a jelentősebb rész, pedig abból, hogy varratmentes csövek esetében a hengerelési tűrés lényegesen nagyobb.

A továbbiakban megvizsgáljuk a hőátadási tényező értékét reaktorcsövek fala esetén. Az alább megadásra kerülő képlet igen jó közelítéssel adja meg a hőátadási tényezőt, feltételezve azt, hogy a csőnek az átmérője lényegesen nagyobb, mint a cső falának a vastagsága. Ebben az esetben a hr© (2) ahol:

hr a hőátadási tényező a reaktorcső falára vonatkoztatva, dimenziója W/(m² K),

K a reaktorcső falának a hővezetőképessége dimenziója W/ (m²K), tn a reaktorcső hossza cm-ben.

Annak érdekében, hogy a hr értéket minden egyes típusú reaktorcsőnél megfelelően tudjuk meghatározni, szükség van a K hővezetőképességének igen pontos meghatározására. A K hővezető-képesség függ az acélnál gyártásánál alkalmazott különböző szennyezőanyagoktól, tehát

K = f(C, Mn, Cr, Ni, Si, Co Mo, PS), (3) ahol:

Ca szén tömegszázaléka, Mn a mangán tömegszázaléka, Cr a króm tömegszázaléka, Ni, a nikkel tömegszázaléka, Si a szilícium tömegszázaléka, Co Mo a kobalt és a molibdén együttes tömegszázaléka, PS pedig a foszfor és a kén együttes tömegszázaléka.

Az ASM Metals Handbook-ban Boyer, Η. E. és Gall által ismertetett adatok valamint a Thermophysical Properties of Matter 1970-i IFI/Plenumán ismertetett „Hővezetőképesség különböző fémeknél” című előadásban ismertetett adatok közül 71 -et hasonlítottunk össze és vettünk alapul, ahol mindegyik adat tartalmazta a hővezető képesség értékét Watt/cmK-ben és az egyes C, Mn, Cr, Ni, Si, Co Mo és PS szennyezőanyagok tömegszázalékát. Az adatokat elsősorban szénacélok és kisötvözésű acélok esetére vizsgáltuk meg, és minden olyan acélt, amely edzéssel vagy lágyítással készül a vizsgálatokból kizártuk. Az Összes hővezetőképességre vonatkozó adat az 55-100 °C tartományra lett csak figyelembe véve. Az előbb említett K hővezetőképességre vonatkozó egyenletet is ezekhez az adatokhoz illesztettük, figyelembe véve egy 57,7789-es tényezőt is, amelynek segítségével a Watt/cmK-ben megadott értékek Btu/hr/ft/'T-ra számolható át. Végül is az előbbiekben említett (3) egyenlet a következőképpen alakult.

K = 57.7789(-. 184145CC+. 103058C2-.090918 Mn +.004656 Mn-.019635C/Nm-.080988 Cr-.040108

Ni +.029689 Co Mo+.083686 Cu C/m N-.1181O65Í +.136711PP5+.640509), (4) ahol K dimenziója Btu/hr.ft.a F.

A K hővezető képességet a (4) egyenlet alapján minden, reaktorcsőként alkalmazott anyagra (A106 Gr B és A516 Gr 70) megvizsgáltuk, figyelembevéve a Lukens által javasolt összetételi arányokat is. A számításnál a Lukens által javasolt tartomány esetében mindig a tartomány középértékét vettük figyelembe, ha maximális érték volt valamire megadva, úgy a maximumnak a 75%-át. Az így kiszámított K értékek valamint a tn névleges vastagság értékeket azután a (2) egyenletbe helyettesítettük be, és ily módon megkaptuk az adott anyagra vonatkozó hr hőátadási tényezőt. Az egyes csövekre vonatkozó K, tn és hr értékeket az alábbi ΙΠ. táblázat mutatja.

III. táblázat

Csőtípus	K (W/mK)	tn (cm)	hr (MW/²K)
Technika állása	49,55	2,46	7,25
Találmány	48,1	1,74	9,91

A III. táblázatból látható, hogy jóllehet a varratmentes reaktorcsőnek lényegesen nagyobb a hővezetőképessége, mint a hengerelt lemezből készült reaktorcsőnek, mégis a hengerelt lemezből készült csőnek lényegesen, közel 37%-kal nagyobb lett a hőátadási tényezője. Ez a viszonylag nagy hr hőátadási tényező a 2840 W/(m² K) hőátadási tényezőjű iszapos filmmel, amely a reaktorban van, valamint az 5800 W/(m² K) hőátadási tényezőjű fűtőközeggel együtt lehetővé tette, hogy ha a polimer előállítási sebessége 102 °C-on 19 000 kg/óra teljesítmény, azaz a reakcióhőmérséklet 14 °C-kal csökkenthető olyan etilén-hexén kopolimer előállításánál, amelyben 1 tömeg%-nál kisebb hexén van, és amelynek sűrűsége 0,955 gr/cm3.

A polimerizációs eljárás során a következő paramétereket alkalmaztuk:

a reaktomyomásnál a túlnyomás 690 Pa, a reaktortartalom sebessége 8,4 m/sec., a hűtővíz sebessége 2,6 m/sec, hűtővíz bemeneti hőmérséklete 70 °C.

A reaktortartalom izobután oldószerben 62 térfogat% szilárd tartalmazott.

A találmány szerinti hurokreaktor természetesen a találmány értelmében többféleképpen is kialakítható, a leírásban egy-egy példát mutattunk csak be.

Claims

1. Berendezés etilén polimer előállítására, amely egymással összekapcsolt lényegében függőleges vezetékszakaszokból áll, ahol legalább egy függőleges vezetékszakasz olyan cselrendezésként van kiképezve, amely egy belső csövet és ekörül koaxiálisán elrende6

HU 210 908 Β zett hőcserélőt képező külső csövet tartalmaz, a berendezés el van látva a polimerizációban résztvevő anyagok valamint a hűtőfolyadék bevezetésére kiképezett bemenettel, és a polimerizáció során keletkező termék valamint a hűtőfolyadék elvezetésére kiképezett kimenettel valamint a vezetékekben áramlást fenntartó elemmel, azzal jellemezve, hogy a függőleges vezetékszakaszok (12, 14, 16, 18) zárt hurokreaktort (10) képezően vannak összekapcsolva, és legalább egy függőleges vezetékszakasz (12) legalább egy olyan belső csövet (40) tartalmaz, amely olyan hengerelt acéltartalmú lemezből van, amelynek két széle egymás felé hajtva varrattal (72) van összekapcsolva.

2. Az 1. igénypont szerinti berendezés azzal jellemezve, hogy az alkalmazott acéltartalmú anyag hővezetőképessége legalább 34 W/(mK), szakítószilárdsága pedig legalább 344 MPa, a hővezető képesség előnyösen 43-52 W/mK, a minimális szakítószilárdság pedig előnyösen 413-620 MPa, továbbá az acél 0,5 tömeg%nál kevesebb szenet, 1,5 tömeg%-nál kevesebb mangánt, kevesebb mint 1 tömeg% szilíciumot, kevesebb, mint 2,5 tömeg% krómot, és kevesebb mint 1 tömeg% nikkelt tartalmaz, krómtartalma előnyösen 0,25 tömeg%-nál, nikkeltartalma pedig 0,25 tömeg%-nál kisebb, és az acélt a A516 Gr 70, A537 Cl 2, A202 Gr B, A285 Gr C, A514 Gr Β, A515 Gr 70, A517 Gr A, A517 Gr Β, A533 Ty A Cl 3, A542 Ty A Cl 2 és A678 Gr C acélok közül választjuk ki, előnyösen pedig a A516 Gr 70 acélt választjuk.

3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti berendezés azzal jellemezve, hogy a hengerelt lemezből készült cső (40) hegesztési varrata (72) hosszirányban van kialakítva.

4. A 3. igénypont szerinti berendezés azzal jellemezve, hogy a csőnek (40) külső átmérője 25,4-76 cm, falvastagsága pedig 1,25-1,9 cm tartományban van.

5. Az 1-4. igénypontok bármelyike szerinti berendezés azzal jellemezve, hogy a hűtőközeget továbbító elem legalább egy olyan külső csövet (42) tartalmaz, amely legalább egy, a reakcióközeget áramoltató belső cső (40) körül van elrendezve, és a két cső (40 és 42) között körgyűrű alakú tér (70) van, és a hűtő közeg ebben a térben (70) a belső cső (40) külső felületével érintkezőén van áramoltatva, továbbá a külső cső (42) is hengerelt lemezből van kiképezve.

6. Az 1. igénypont szerinti berendezés azzal jellemezve, hogy a legalább egy függőleges cső (40) több egymással párhuzamos szintén függőleges csövet foglal magába.

7. A 6. igénypont szerinti berendezés azzal jellemezve, hogy a lényegében vízszintes vezetékszakaszok (20, 22,24,25) varratmentes csövekként vannak kiképezve.

8. Eljárás etilén polimer előállítására, ahol az eljárás során a polimerizációs reakcióhoz szükséges anyagokat, úgymint etilén polimert, katalizátort és oldószert egy vezetékrendszerbe bevezetjük, ott áramoltatjuk, majd a reakcióterméket elvezetjük: azzal jellemezve, hogy polimerizációs reakcióhoz szükséges anyagokat olyan zárt hurokban áramoltatunk, amely zárt huroknak a vezetékrendszere legalább egy olyan csövet tartalmaz, amely hengerelt lemezből van kiképezve, és a lemeznek a szélei varrattal vannak egymáshoz csatlakoztatva, és amelynek külső felülete mentén azzal hőcserélő kapcsolatban álló hűtőközeget áramoltatunk.

9. A 8. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a monomer etilén.

10. A 8. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a legalább egy monomer etilént és valamilyen más olefint tartalmaz 25 tömeg%-nál kisebb mennyiségben.

11. A 8. vagy 10. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a polimerizáció során a hőmérsékletet 70-110 °C tartományban, a nyomást 3,1 MPa tartományban tartjuk, az etilén polimer előállítási sebessége pedig 50 000-100 000 kg/óra.

12. A 8. vagy 10. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az acéltartalmú hengerelt lemeznek a hővezető képessége legalább 34 W/mK, a minimális szakítószilárdsága legalább 344 MPa, a hővezető képesség előnyösen 43-52 W/mK, a minimális szakítószilárdság pedig előnyösen 413-620 MPa, továbbá az acélban 0,5 tömeg%-nál kevesebb szén, 1,5 tömeg%-nál kevesebb mangán, 1 tömeg%-nál kevesebb szilícium, 2,5 tömeg%-nál kevesebb króm és 1 tömeg%-nál kevesebb nikkel van, előnyösen a króm tömeg%-a kisebb mint 0,25, a nikkel tömeg% pedig szintén kisebb mint 0,25 tömeg%, az acélt a A516 Gr 70, A537 Cl 2, A202 Gr Β, 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 és A678 Gr C acélok közül választjuk ki, előnyösen pedig a A516 Gr 70 acélt alkalmazzuk.

13. A 8. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a legalább egy cső (40) külső átmérőjét 25,476 cm-re, falvastagságát pedig 1,25-1,9 cm-re választjuk meg.

14. A 13. igénypont szerinti azzal jellemezve, hogy legalább egy csővel (40) koaxiálisán egy további csövet (42) helyezünk el úgy, hogy közöttük körgyűrű alakú teret (70) képezünk, és a hűtőközeget ezen a körgyűrű alakú téren (70) áramoltatjuk a polimerizáció során.

15. A14. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a legalább egy csövet (40) függőlegesen rendezzük el, és ebben az áramlás is függőleges irányú.