KR20020034156A - 슬로팅 슬러리 테이크 오프 - Google Patents

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스튜어트존디.
시웰레이먼드지.
보머로버트더블유.
콜린스케이시티.
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린다 에스 잘리
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Abstract

배출구가 슬러리를 연속 제거하도록 변용된 도관의 배출구 영역에 채널을 특징으로 하는 도관내 슬러리의 유동 스트림으로부터 농축 슬러리를 제거하는 장치. 구체적 양태에서, 단량체, 희석제 및 촉매가 연속 파이프 루프 반응기에서 순환되고 산물 슬러리가 연속 산물 테이크 오프 수단에 의해 회수되는 올레핀 중합 장치가 개시된다. 파이프는 연속 산물 테이크 오프 수단까지 이르는 채널 또는 홈을 갖는다. 일 양태에서, 슬러리는 플래쉬 라인 히터에서 가열되어 고압 플래쉬로 보내지며, 여기에서 대부분의 희석제는 분리되고 이어서 간단한 열 교환에 의해 압축 없이 응축된 다음, 재순환되고, 고압 플래쉬로부터의 앙금은 저압 플래쉬로 보내지며 여기에서 중합체는 회수되고 포섭된 액체는 오버헤드로 플래쉬된다. 다른 양태에서, 플래쉬 라인은 단일 플래쉬 챔버를 공급한다.

Description

슬로팅 슬러리 테이크 오프{SLOTTED SLURRY TAKE OFF}
첨가 중합은 생성된 중합체에 대해 용매인 액체에서 빈번하게 수행된다. 고밀도 (선형) 에틸렌 중합체가 1950년대에 최초로 시판되었을 때 이러한 방법이 사용되었다. 이러한 중합체를 생성하는 데 좀더 효율적인 방법은 슬러리 조건하에 중합을 수행하는 것임을 곧이어 발견했다. 좀더 구체적으로 말하면, 선택된 중합 기술은 파이프 루프 반응기에서의 연속 슬러리 중합으로 변했으며 여기에서 산물은 산물을 회수하는 뱃치 원리로 작동하는 세틀링 레그에 의해 테이크 오프(take off)된다. 이러한 기술은 연간 수십 억 파운드의 에틸렌 중합체를 생산하면서 국제적인 성공을 향유하였다. 이러한 성공과 함께 정해진 플랜트 용량에 대한 보다 많은 수의 소형 반응기와는 대조적으로 보다 적은 수의 대형 반응기를 구축하는 바램이 생겨났다.
그러나, 세틀링 레그에는 두 가지 문제점이 존재한다. 첫째, 이는 기본적으로 연속 공정상에서 "뱃치" 기술을 이용하도록 되어 있다. 세틀링 레그가 축적된 중합체 슬러리를 "덤핑"하거나 "화이어링"시키는 단계에 이를 때마다, 루프 반응기상류와 회수 시스템 하류에서 슬러리의 유동을 방해한다. 또한 반응기 상류와 회수 시스템 하류로부터 주기적으로 세틀링 레그를 밀봉하는 데 필수적인 밸브 메커니즘이 레그를 철저히 밀봉하는 데 필요한 큰 직경의 밸브를 이용하여 견고한 밀봉을 유지하기 어렵기 때문에 빈번한 정비, 예를 들면 연간 이십 만 사이클을 요구한다.
둘째, 반응기가 클수록(예를 들면, 10억 lbs/연), 세틀링 레그에 의해 기호 논리학적 문제가 제기된다. 반응기의 용량이 클수록 좀더 큰 취출 능력이 필요하다. 그러나, 해당 밸브 메커니즘으로 인해, 세틀링 레그의 크기는 더 이상 쉽게 증가될 수 없다. 이로 인해 필요한 레그의 수는 활용가능한 물리적 공간을 초과하기 시작한다.
이러한 한계에도 불구하고, 세틀링 레그는 올레핀 중합체를 액체 희석제에서 슬러리 형태로 형성하는 경우에 꾸준히 이용되어 왔다. 그 이유는 60% 이상의 고체 농도가 일상적으로 수득되는 벌크 슬러리 중합(즉, 단량체가 희석제인 경우)과는 달리, 일반적으로 훨씬 낮은 고체 농도가 에틸렌 단독중합 및 에틸렌/고급 1-올레핀 공중합에서 가능하기 때문이다. 이로 인해 세틀링 레그는 세틀링 레그의 배출구에서 상업적으로 기능할 충분히 높은 고체 농도의 최종 슬러리 산물을 제공하는 데 필요한 것으로 여겨져 왔다. 그 이유는 명칭에서 알 수 있듯이 산물 슬러리로서 최종적으로 회수된 슬러리의 고체 농도를 증가시키기 위해 레그에서 세틀링이 일어나기 때문이다. 반응 지역으로 재순환을 위해 다량의 희석제를 압축 및/또는 냉각하는 것은 아주 상업적으로 적절치 못하다.
슬러리 유출물을 가열하여 희석제를 증발시키고 생성된 고체/증기 슬러리를고압 플래쉬 지역(여기에서, 대부분의 희석제가 고압에서 오버헤드 형태로 회수되어 응축됨)으로 보냄으로써 값비싼 희석제 압축을 감소시키는 것이 알려져 있다. 이러한 오버헤드는 냉각에 의해 응축된 다음 재순환된다. 고체 중합체 및 비말동반 액체를 포함하고 이러한 고압 플래쉬에서 나온 앙금은 저압 플래쉬 지역으로 보내진다. 이는 매우 효율적이지만 두 가지 별도의 플래쉬 작업을 요구하여 플랜트의 자본금을 상승시키고 두 가지 별도 플래쉬 시스템의 가외 공간의 신중한 고려 및 작업 비용을 가중시킨다.
최대 실제 반응기 고체에 영향을 미치는 또다른 요인은 순환 속도이며, 정해진 반응기 직경에 대해 보다 높은 속도는 보다 많은 고체을 만들어 낸다. 그러나 세틀링 레그 "화이어링"에 의해 야기된 주기적인 전도는 사용될 수 있는 속도를 제한한다.
발명의 요약
유동 스트림보다 상당히 높은 고체 농도에서 유동 스트림으로부터 슬러리를 연속적으로 테이크 오프함이 바람직하고;
희석제 회수 및 재순환을 단순화시킴이 바람직하며;
연속 테이크 오프 수단을 지닌 루프 반응기 장치를 제공함이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 슬러리는 연속 테이크 오프 수단에 대한 슬로팅 주입구에 의해 유동 스트림으로부터 연속적으로 취출된다.
본 발명의 좀더 구체적인 측면에 따르면, 올레핀 중합 공정에서 순환하는 슬러리의 일부는 슬로팅 배출구 지역에서 농축되고, 연속적으로 취출된 다음 플래쉬분리 지역으로 나아간다.
본 발명은 슬러리의 유동 스트림으로부터 액체내 고체 슬러리의 취출방법에 관한 것이다.
도면에서, 이의 일부를 형성하는, 도 1은 연속 테이크 오프 수단과 하류 중합체 회수 시스템을 지닌 루프 반응기의 개략적인 사시도이고; 도 2는 연속 테이크 오프 메커니즘을 보다 상세히 도시하고 있는 도 1의 반응기 루프의 측면도이며; 도 3은 슬로팅 영역(채널)을 보다 상세히 도시하고 있는 도 2의 라인 3-3을 따라 취한 단면도이며; 도 4는 하나의 슬롯 또는 채널 구조의 단면도이며; 도 5는 일 대안 채널 구조의 단면도이며; 도 6은 다중 평행 채널을 도시하고 있는 또다른 대안 채널 구조의 단면도이며; 도 7a-7d는 형상이 변하는 채널의 점진적인 단면도이며; 도 8a는 연속 테이크 오프 메커니즘의 테이크 오프 실린더에 대해 접선 위치의 단면도이며; 도 8b는 다중 테이크 오프 실린더를 도시하고 있는 도 8a와 유사한 단면도이며; 도 9는 세틀링 레그와 연속 테이크 오프 실린더 모두를 도시하고 있는 루프 반응기의 엘보우의 측면도이며; 도 10은 연속 테이크 오프 메커니즘에서 램 밸브 배열을 도시하고 있는 도 2의 라인 10-10을 따라 취한 단면도이며; 도 11은 순환 펌프에 내장된 임펠러 메커니즘의 단면도이며; 도 12는 상부 세그먼트(14a)가 직선 수평 세그먼트이고 수직 세그먼트가 수평 세그먼트보다 적어도 2배 긴 루프의 또다른 구조를 도시하고 있는 개략도이며 도 13은 수평으로 배치된 장축을 도시하고 있는 개략도이다.
산물 슬러리 유출물 스트림을 단순히 연속적으로 취함으로써, 반응기 고체농도의 작지만 의미있는 증가가 가능한데 그 이유는 뱃치 세틀링 레그의 주기적인 "화이어링"에 의해 야기된 유동 슬러리 스트림에서의 전도가 없기 때문이다. 이러한 전도가 없음으로 인해 보다 높은 순환 속도로 작업할 수 있게 되어 부가적인 소량이지만 의미있는 증가 반응기 고체 농도가 제공된다.
그러나 고체 농도의 현저한 증가는 연속 테이크 오프에 대한 슬로팅 주입구(채널)를 사용함으로써 가능하다.
세틀링 레그를 이용하여 이소부탄 희석제에서 주로 에틸렌 중합체의 상업적 생산은 역사적으로 극대화된 공정 향상으로 가능한 42-46 중량%만큼 높은 값을 지닌 0.936-0.970 (좀더 전형적으로 0.945-0.960)의 고밀도 에틸렌 중합체의 경우 반응기에서 37-40 중량%의 최대 고체 농도로 제한되어 왔다. 보다 낮은 (0.900-0.935, 좀더 전형적으로 0.920-0.935) 밀도 중합체의 경우, 36-39만큼 높은 값이 공정 향상(여전히 세틀링 레그 사용)을 이용하여 가능하다. 정해진 공정 조건이 아무리 최대이더라도, 고체 농도의 향상은 단순히 슬러리를 연속적으로 취함으로써 가능하다. 그러나, 본 발명에 따르면, 의미있는 추가 향상은 연속 테이크 오프에 대한 슬로팅 주입구를 이용함으로써 달성될 수 있다.
상업적인 공정에서는 고체 농도의 1% 정도의 적은 증가도 매우 유의미함이 강조되어야 한다. 그러나, 슬로팅 주입구를 이용하면 42-46 중량% 범위인 슬러리 밀도가 55-58%로 증가될 수 있다. 단순히 연속 테이크 오프 자체를 이용함으로써 가능한 모든 이점(예, 보다 높은 순환 속도)이 이용된다면, 65 중량% 정도로 높게도 가능하다. 따라서, 적어도 10%, 또는 심지어 20%의 증가도 가능하다. 출발점이반응기에서 36-39 중량% 고체인 저밀도 에틸렌 중합체의 경우, 유사한 증가(즉, 적어도 10%, 또는 심지어 15%)가 달성될 수 있다.
도면으로 돌아가, 도 1에서는 수직 파이프 세그먼트(12), 상부 파이프 세그먼트(14) 및 하부 파이프 세그먼트(16)를 지닌 루프 반응기(10)에 관해 도시되어 있다. 이러한 상부 및 하부 측면 파이프 세그먼트는 수평 또는 일반적으로 측면(정수직과 반대) 유동의 상부 및 하부 지역을 규정한다. 반응기는 파이프(12)와 재킷(18)에 의해 형성된 2-파이프 열 교환기에 의해 냉각된다. 각 세그먼트는 평활 벤드 또는 엘보우(20)에 의해 다음 세그먼트에 연결되어 실질적으로 내부 방해가 없는 연속 유로를 제공한다. 보이는 바와 같이, 모든 상부 세그먼트와 하부 두 세그먼트는 연속적으로 만곡되어 있고 남은 두 하부 세그먼트는 평활 벤드 또는 엘보우에 의해 각 단부에서 수직 세그먼트에 연결된 직선 파이프이다. 연속적으로 만곡된 세그먼트는 단순히 서로 연결된 두 개의 엘보우일 수 있다. 본원에서 측면 파이프 세그먼트는 서로 부착된 두 개의 90도 엘보우, 평활 만곡된 세그먼트 또는 엘보우에 의해 각 단부에서 수직 파이프에 연결된 직선 파이프를 포함하는 것으로 한다. 측면 파이프 세그먼트의 만곡된 "부위"에 중공 취출 부속물의 부착은 두 엘보우의 연결에서와 같이 전체 측면 세그먼트가 만곡된 상황과, 직선 파이프가 만곡된 엘보우에 의해 각 단부에서 수직 세그먼트에 연결되는 상황을 포함하는 것으로 한다. 중합 혼합물은 모터(24)에 의해 구동된 임펠러(22)(도 11에 도시)에 의해 순환된다. 단량체, 공단량체(존재시) 및 구성 희석제는 각각 라인(26,28)에 의해 도입되어 반응기의 일 위치 또는 복수 위치로 직접 들어가거나 도시된 응축 희석제 재순환 라인(30)에서 합쳐질 수 있다. 촉매는 촉매 도입을 위한 지역(위치)을 제공하는 촉매 도입 수단(32)에 의해 도입된다. 중간 산물 슬러리를 연속적으로 테이크 오프 하기 위한 세장형 중공 부속물은 부호(34)로써 도시되어 있다.
도 2는 연속 테이크 오프 부속물을 보다 상세히 도시하고 있고, 바람직한 위치인 연속적으로 만곡된 세그먼트에 위치하고 있음을 보여준다. 그러나, 연속 테이크 오프 부속물은 임의의 세그먼트 또는 임의의 엘보우에 위치할 수 있다.
도 3은 채널(슬롯)(63)을 도시하고 있는 도 2의 라인 3-3을 따라 취한 단면을 도시한다.
도 4는 슬롯 또는 채널(63)의 상대적 깊이(x) 및 폭(y)을 보여주고 있는 파이프 세그먼트(16)의 단면을 도시한다. 도면에서 알 수 있듯이, 슬롯은 만곡된 형상을 가지며, 수직 및 바닥 측벽은 반경 "R"에서 만난다. 수직 및 바닥 측벽이 직각(R이 0에 해당)으로 만날 수 있지만 이는 덜 바람직하다.
도 5는 슬롯의 바닥이 하나의 연속 만곡부인 도 4와 유사한 단면도이다. 수직벽과 파이프 내면의 연결 지점은 반경 "r"로 표현된다.
따라서, "R"은 일반적으로 0y 내지 0.5y, 바람직하게는 0.01y 내지 0.25y 범위의 값을 가진다. 수직벽과 파이프 내면의 연결 지점은 도 8에 도시된 바와 같이 직각이거나 도 9에 도시된 곡선일 수 있다. 반경 "r"은 "R"의 경우에 기재된 것과 동일한 범위의 값을 가질 수 있다. 그러나, "R"과는 달리, 이러한 연결 지점은 일반적으로 직각, 즉, "r"은 0이다.
y 값은 1-6 인치(2.5-15 cm), 바람직하게는 2 내지 3 인치(5-7.6 cm)로 다양할 수 있다. x 값은 0.1 내지 4y, 바람직하게는 0.5 내지 1y, 가장 바람직하게는 약 0.6 내지 0.7y로 다양할 수 있다. 일 양태에서 R은 0.5y이며, 즉, 슬롯(63)은 반원형이다(x가 적어도 0.5y인 것으로 가정). 슬롯(63)의 바닥벽의 만곡부는 실제 반경일 필요는 없지만, 간단히 평활 만곡면일 수 있다. 슬러리가 유동하는 파이프에 대해서는, y는 파이프 직경의 0.02-0.5, 바람직하게는 0.04-0.25, 좀더 바람직하게는 0.08-0.13배일 수 있다.
채널의 폭이 넓을수록, 채널이 제공할 수 있는 유동량 또는 용량은 커진다. 채널이 깊을수록 보다 가벼운 액체에 비해 고체에 가해진 압착 또는 분리력이 커진다.
도 6은 복수개, 본원에서는 두 개의 채널(63a,63b)이 제공되는 대안의 채널 배열을 기술하고 있다. 파이프 둘레에 반경각으로 배치된 다중 채널을 가지기 보다, 바람직하게는 도면에서 도시된 바와 같이 종방향 세그먼트의 중심면에 대해 0의 반경각으로 일반적으로 평탄한 섹션의 중앙선을 따라 파이프의 평탄한 섹션에 존재한다.
도 7a, 7b, 7c 및 7d는 채널(63)이 젠틀 스웨일(gentle swale)로서 시작되어(도 7a), 도 5에서와 유사한 채널로 점진적으로 진행된 다음(도 7b), 부분적으로 밀봉된 채널로 진행되는(도 7c) 또다른 채널 구조를 도시하고 있다. 마지막으로, 도 7d에 도시된 바와 같이, 채널(63)은 튜브형 취출 라인(테이크 오프 실린더)(52)이 된다.
도 8a는 엘보우(20)(또다른 엘보우(20)와 함께 만곡된 하부 파이프 세그먼트를 형성함)의 만곡부에 접선으로 부착되고 슬러리 유동이 위로 향하기 직전의 지점에 부착된 테이크 오프 실린더(52)를 도시한다. 슬롯(63)은 파이프가 굽어지기 시작하여 테이크 오프 실린더(52)에 접근하면서 점차 깊이를 증가시키거나 본원에 도시된 바와 같이 비교적 짧은 거리에 걸쳐서 깊이를 증가시킬 수 있을 때에만 생긴다.
도 8b는 평활 만곡 하부 파이프 세그먼트(16)가 두 인접 엘보우(20)에 의해 형성되는 도 8a와 유사하다. 이 도면에 다중 연속 테이크 오프 메커니즘을 위한 다중 테이크 오프 실린더(52,52b,52c), 벤드의 바닥을 통과하여 연장하고 제 1 연속 테이크 오프 메커니즘의 바로 상류에 깊이가 다시 점진적으로 테이퍼링되는 슬롯(63)이 도시되었다.
도 9는 세 가지를 도시하였다. 첫째, 즉 (1)하부 파이프 세그먼트의 중앙선에 대해 수직이고 (2)직선이면 파이프 세그먼트(16)의 하단부에 또는 연속 만곡 파이프 세그먼트(16)일 경우에는 만곡의 최저점에 위치하는 평면에 대해 배치 각도(알파)로 있는 테이크 오프 실린더(52c)가 도시되었다. 이 평면과의 각도는 평면으로부터 하류 방향으로 취해진다. 각도의 꼭지점은 엘보우 반경의 중심점이다. 평면은 수평 또는 측면 세그먼트 단면의 평면으로 설명될 수 있다. 여기에서 묘사된 각도는 약 24도이다. 둘째, 하부 파이프 세그먼트(16)의 수직 중앙선 평면에 배향된 이 테이크 오프 실린더(52c)가 도시되었다. 최종적으로, 필요시, 뱃치 제거를 위한 연속 테이크 오프 메커니즘과 통상의 세틀링 레그(64)의 병합을 도시한다. 바람직하게는 이러한 배열에서 연속 테이크 오프 메커니즘은 세틀링 레그가 연속 테이크오프 메커니즘까지 이르는 채널에서 난류를 일으키지 않도록 세틀링 레그의 상류에 위치한다.
상대적인 크기로부터 알 수 있는 바와 같이, 연속 테이크 오프 실린더는 통상의 세틀링 레그보다 훨씬 작다. 그러나 3개의 5 cm(2 인치) ID 연속 테이크 오프 부속물은 6개의 20.3 cm(8 인치) ID 세틀링 레그보다 더 많은 산물 슬러리를 제거할 수 있다. 이러한 점은 56,700-68,040 리터(15,000-18,000 갤론) 용량(또는 심지어 120,960(32,000) 이상)의 현재 시판되고 있는 대형 루프의 반응기로는, 6개의 20.3 cm(8 인치) 세틀링 레그가 필요하기 때문에 중요하다. 더 큰 직경을 위해 신뢰할 수 있는 밸브를 제조하는 데 있어서의 어려움 때문에 세틀링 레그의 크기를 증가시키는 것은 바람직하지 않다. 앞서 언급한 바와 같이, 파이프 직경의 두배 증가는 용적을 4배 증가시키며 간단히 말하면 용이하게 배치될 여러 세틀링 레그의 4배를 위한 충분한 공간도 없다. 따라서 본 발명은 더 크고, 효율적인 반응기의 작동을 가능하게 한다. 113,400 리터(30,000 갤론) 이상의 반응기가 본 발명에 의해 가능해진다. 일반적으로 연속 테이크 오프 실린더는 2.5 cm(1 인치) 내지 20.3 cm(8 인치) 이하 범위의 공칭 내경을 가질 것이다. 바람직하게는 이는 약 5-7.6 cm(약 2-3 인치)의 내경일 것이다.
여기에서 세 가지 배향 개념이 존재함이 주목된다. 첫째는 부착 각도, 즉 도 1, 2, 8a, 8b 및 10에서와 같이 접선되거나 도 9에서와 같이 수직이거나 0 내지 90도의 두 한계 사이의 임의의 각도이다.
둘째는 배치 각도 알파(도 9)로 표시되는 바와 같이 테이크 오프가 위치하는파이프 세그먼트 만곡을 따라 떨어져 있는 정도에 대한 배치 각도이다. 이는 약 -30 내지 +90도의 임의 각도일 수 있지만 바람직하게는 0 내지 +90도이다. 하나의 연속 테이크 오프 메커니즘만이 특정 만곡 세그먼트에 이용되면, 각도는 바람직하게는 도 8b의 테이크 오프 실린더(52,52b,52c)에 의해 도시된 바와 같이 약 0 내지 +90도이다. 다중 연속 테이크 오프 메커니즘이 특정 180도 엘보우에 이용되면 하나는 바람직하게는 도 8b에 테이크 오프 실린더(52)에 의해 도시된 바와 같이 약 0의 배치 각도로 있고 나머지는 도 8b의 테이크 오프 실린더(52b 및/또는 52c)에 의해 표시되는 바와 같이 +20 내지 +90도의 각도로 있다. 3개 이하가 일반적으로 바람직하지만 3개 이상의 테이크 오프 메커니즘이 존재할 수도 있다. 그럼에도 불구하고, 6개 이상도 존재할 수 있다.
세 번째는 종방향 세그먼트의 중앙 평면으로부터의 반경 각도(베타)이다. 이 각도는 바람직하게는 0이거나 약 0이다. 특정 만곡 세그먼트 상에 동일한 배향 각도(알파)로 있는 다중 연속 테이크 오프 메커니즘을 사용하는 것이 바람직하지만, 채널 영역은 바람직하게는 도 6에 도시된 바와 같이 형성될 것이다. 즉, 채널은 만곡 세그먼트의 편평한 최외각(일반적으로 바닥) 영역을 따라 평행으로 진행될 것이다. 따라서 평행 채널 영역(또는 단일 채널 경우에는 채널) 중앙의 반경 각도는 바람직하게는 0일 것이다.
도 2의 라인 10-10을 따라 취한 도 10에는, 더욱 상세히 도시된 연속 테이크 오프 메커니즘(34)과 연합된 하부 파이프 세그먼트(16)의 평활 만곡부가 도시되었다. 도시된 바와 같이, 메커니즘은 이 경우에, 만곡 파이프 세그먼트(16)의 외면에접선으로 부착되는 테이크 오프 실린더(52)를 포함한다. 실린더(52) 다음에는 슬러리 취출 라인(54)이 있다. 테이크 오프 실린더(52) 내에 두 가지 목적으로 소용되는 램 밸브(62)가 배치되어 있다. 첫째, 이는 중합체로 오염될 경우 테이크 오프 실린더를 위한 간단하고 신뢰할 수 있는 소제 메커니즘을 제공한다. 둘째, 전체 연속 테이크 오프 조립체를 위한 간단하고 신뢰할 수 있는 차단 밸브로 작용할 수 있다. 이 도면은 채널(63)을 형성하는 하부 파이프 섹션(16)에서 벌지(bulge)의 단면(65)이 보이도록 충분하게 확대된 하부 파이프 세그먼트(16)를 도시한다. 또한 채널(63) 벽과 하부 파이프 섹션(16) 바닥면의 일반적인 윤곽의 연결 지점의 섀도우 라인(67)이 도시되었다.
도 11은 슬러리를 이의 유로를 따라 연속적으로 이동시키기 위한 반응기 순환 펌프 수단을 상세히 도시한다. 이 양태에서 알 수 있는 바와 같이, 임펠러(22)는 순환하는 반응물을 위한 추진 지역으로 작용하는 파이프의 약간 확장된 섹션에 있다. 바람직하게는 시스템은 주로 에틸렌 중합체를 제조하기 위해 이소부탄을 사용하는 약 289 m(약 950 ft)의 전체 유로 길이를 가지는 공칭 61 cm(2 ft) 직경의 반응기에서 추진 지역의 상단부 및 하단부 사이에서 적어도 225 kPa(18 psig), 바람직하게는 적어도 239 kPa(20 psig), 더 바람직하게는 적어도 253 kPa(22 psig)의 압력차를 발생하도록 작동된다. 446 kPa(50 psig) 이상 만큼이나 큰 압력차도 가능하다. 이는 임펠러와 펌프 하우징의 내벽 사이에 틈새를 감소시키는, 임펠러의 회전 속도를 조절하거나 당업계에 알려져 있는 바와 같이 더욱 공격적인 임펠러 설계를 사용함으로써 수행될 수 있다. 이렇게 큰 압력차는 또한 적어도 하나의 부가 펌프의 사용으로 초래될 수 있다.
또한, 세틀링 레그를 사용하는 시스템과 비교하여 더욱 공격적인 순환 및/또는 더 큰 직경의 반응기가 이용될 수 있다. 일반적으로 시스템은 공칭 61 cm(24 인치) 직경의 반응기 경우 반응기 길이 ft당 적어도 0.07, 일반적으로는 0.07 내지 0.15 ft 압력 강하의 압력차(반응기 단위 길이당 압력 손실로 표시)를 초래하도록 작동된다. 바람직하게는, 단위 길이당 이러한 압력 강하는 61 cm(24 인치) 직경의 반응기 경우 0.09 내지 0.11이다. 더 큰 직경을 위해, 빠른 슬러리 속도 및 반응기의 단위 길이당 더 큰 압력 강하가 필요하다. 압력 단위는 서로 약분되는 ft/ft이다. 이는 일반적으로 약 0.45-0.6 g/cc인 슬러리의 밀도를 가정한다.
도 12에는 상부 세그먼트가 엘보우(20)에 의해 수직 세그먼트에 연결된 직선 수평 세그먼트(14a)으로 도시되었다. 수직 세그먼트는 수평 세그먼트 길이의 적어도 2배, 일반적으로 약 7 내지 8배이다. 예를 들면, 수직 유로는 57.7 m-68.4m(190-225 ft)일 수 있고 수평(또는 일반적으로 측면) 세그먼트 유로 길이는 7.6 m-9.1 m(25-30 ft)이다. 여기에 서술된 4개 및 도 1에 서술된 8개 외에도 임의 개수의 루프가 이용될 수 있지만, 일반적으로 4개 또는 6개가 사용된다. 공칭 61 cm(2 ft) 직경이란 약 55.6 cm(약 21.9 인치)의 내경을 의미한다. 유동 길이는 일반적으로 152 m(500 ft) 이상, 일반적으로 274 m(900 ft) 이상이고, 약 286 m 내지 410 m(약 940 내지 1,350 ft)가 매우 만족스럽다.
도 13은 수평 배치된 장축의 대안을 도시한다.
본 명세서 전반에 걸쳐서 파이프 세그먼트을 언급함에 있어서 "수직"과 반대되는 용어인 "측면"은 개괄적으로 수직 세그먼트을 연결하는 상부 또는 하부 직선 수평 세그먼트 또는 상부 또는 하부 만곡 세그먼트를 포함하는 것으로 의미된다.
폐쇄된 루프 반응기에서 반응물을 순환시키는 것과 같은 이용을 위한 시판 펌프는 일상적으로 제조업자에 의해 시험되고 공동 현상을 피하기 위한 필요한 압력은 용이하게 일상적으로 결정된다.
채널(63)은 중합 반응기 파이프 세그먼트(16) 또는 개괄적으로는 이송 파이프와 같은 대형 유동 지역에서 유동하는 슬러리의 고체 농축을 위한 소형 측면 농축 지역으로 가시화될 수 있다. 세틀링 레그에서 간단한 측면 유동 또는 정적 상태로 더 가벼운 액체로부터 더 무거운 고체를 분리하는 힘 1 g이 존재할 것이다. 그러나, 이러한 분리는 정적 시스템으로 통상 수행되지만, 신속하게 유동하는 스트림은 고체의 농축을 허용할 시간이 거의 없고 난류 현탁을 극복해야 한다. 하지만 주요 지역이 경사지고 일반적으로 측면 방향으로 만곡되었으며, 이어서 다시 상향 만곡되기 때문에 만곡부에 또는 만곡부에 인접하여 테이크 오프를 배치함으로써, 구심력의 결과로서 5 g 이상도 수득될 수 있다. 따라서 고속 유속은 분리를 제한하기 보다는 향상시킨다. 공칭 200℉(93℃)에서 0.94-0.95 밀도의 에틸렌 중합체(ASTM D 1505-68에 의해 측정된 중합체 밀도)로 이소부탄 액체는 단지 약 0.45 g/cc의 밀도를 가진다. 생성될 수 있는 힘 수 g이 곱해진 이러한 차이는 우수한 고체 농축을 초래한다. 이 농축 지역은 일반적으로 주요 유동 지역이 만곡되기 시작하는 지점부터 연장하여, 도 8a 및 8b에서 도시된 바와 같이 배출 지역까지 연장한다. 이 지역은 출발점으로부터 매우 점진적으로 배출 지역의 지점까지 또는 도 8b에 도시된 바와 같이 1개 이상의 배출 지역이 있으면 최고 깊이에 이르는 제 1 배출 지역까지 테이퍼링될 수 있다. 폭도 테이퍼링될 수 있지만(하류 방향으로 더 넓어짐), 일반적으로 폭은 일정하게 또는 본질적으로 일정하게 유지된다. 이와 달리 지역이 급속히 최종 깊이, 예를 들면 폭의 0.5 내지 5배 거리에 걸쳐서 테이퍼링될 수 있다. 이 지역의 길이는 도 8b에서와 같이 농축 지역 반경의 pi배 내지 도 8a에서와 같이 반경의 0.5 pi배 만큼이나 길 수 있다. 개괄적으로 길이는 반경의 0.01 내지 1 pi배일 수 있다.
이 농축 지역은 일반적으로 0.076 내지 18.9 리터(0.02 내지 5 갤론), 바람직하게는 1.9 내지 3.78 리터(0.5 내지 1 갤론)의 총 용적을 가지는, 전체 반응기에 비해 상당히 작다. 반응 지역 용적에 대해 설명된 농축 지역 용적은 반응 지역 용적의 단지 약 0.00005 내지 0.05, 바람직하게는 0.0001 내지 0.025%일 것이다. 일반적으로 반응기 순환량의 약 0.5 내지 10, 바람직하게는 1 내지 2 용적%만이 반응 지역을 통한 슬러리의 일 순환 중에 연속 테이크 오프 지역을 통해 취출된다.
반응기 슬러리 유속은 일반적으로 37,800 내지 151,200, 바람직하게는 94,500 내지 132,300 리터/분(10,000 내지 40,000, 바람직하게는 25,000 내지 35,000 갤론/분)의 범위 내에 있다. 반응 지역을 통해 통과하는 슬러리의 평균 시간은 일반적으로 20 내지 90, 바람직하게는 30 내지 60초의 범위 내에 있다.
도 1에서, 연속 취출된 중간 산물 슬러리는 도관(36)을 통해 고압 플래쉬 챔버(38)로 통과한다. 도관(36)은 플래쉬 라인 도관(36) 내의 슬러리 물질을 간접 가열하는 가열된 유체가 공급되는 둘러싸고 있는 도관(40)을 포함한다. 고압 플래쉬챔버 지역은 100-1500 psia(7-105 kg/㎠), 바람직하게는 100-275 psia(7-19 kg/㎠), 더 바람직하게는 125-200 psia(8.8-14 kg/㎠) 범위 내의 압력에서 작동될 수 있다. 고압 플래쉬 챔버 지역은 100-250℉(37.8-121℃), 바람직하게는 130-230℉(54.4-110℃), 더 바람직하게는 150-210℉(65.6-98.9℃) 범위 내의 온도에서 작동될 수 있다. 더 좁은 범위는 1-헥센 공단량체 및 이소부탄 희석제를 사용하는 중합에 특히 적당하고, 더 넓은 범위는 일반적으로 고급 1-올레핀 공단량체 및 탄화수소 희석제에 적당하다.
저압 플래쉬 챔버 지역은 1-50 psia(0.07-3.5 kg/㎠), 바람직하게는 5-40 psia(0.35-2.8 kg/㎠), 더 바람직하게는 15-20 psia(1.1-1.4 kg/㎠) 범위 내의 압력에서 작동될 수 있다. 저압 플래쉬 탱크 지역은 100-250℉(37.8-121℃), 바람직하게는 130-230℉(54.4-110℃), 더 바람직하게는 150-210℉(65.6-98.9℃) 범위 내의 온도에서 작동될 수 있다. 일반적으로 저압 플래쉬 챔버 지역에서의 온도는 고온에서의 작업이 가능하지만 고압 플래쉬 챔버 지역의 온도와 동일하거나 1-20℉(0.6-11℃) 이하일 것이다. 더 좁은 범위는 1-헥센 공단량체 및 이소부탄 희석제를 사용하는 중합에 특히 적당하고, 더 넓은 범위는 일반적으로 고급 1-올레핀 공단량체 및 탄화수소 희석제에 적당하다.
증발된 희석제는 재순환 응축기(50)를 사용하는 간단한 열 교환에 의한 응축, 및 재순환 희석제 라인(30)을 통한 시스템으로의 회귀(압축 불필요)를 포함하는 추가 처리를 위해 도관(42)을 통해 플래쉬 챔버(38)에서 배출된다. 재순환 응축기(50)는 당업계에 알려진 임의의 조건하에서 당업계에 알려진 임의의 적당한 열교환 유체를 이용할 수 있다. 그러나 바람직하게는 저비용으로 제공될 수 있는 온도에서의 유체가 사용된다. 이 유체에 대한 적당한 온도 범위는 4.4℃ 내지 54.4℃(40℉ 내지 130℉)이다. 중합체 입자 및 비말동반 액체는 당업계에 알려진 기술을 사용하는 추가 처리를 위해 고압 플래쉬 챔버(38)로부터 라인(44)을 통해 취출된다. 바람직하게는 이들은 저압 플래쉬 챔버(46)로 통과하고 이후에 라인(48)을 통해 중합체 산물로 회수된다. 비말동반 액체(주로 희석제)는 오버헤드를 플래싱하고 압축기(47)를 통해 라인(42)으로 통과하여 병합 라인(49)을 형성한다. 이 고압/저압 플래쉬 설계는 개괄적으로 Hanson and Sherk, U.S. 4,424,341(1984년 1월 3일)에 기술되어 있고, 이 특허기술은 본원에 참조로 인용된다.
따라서 본 발명의 일 양태에 따라, 연속 테이크 오프로의 슬로팅 주입구는 고압/저압 플래쉬 시스템과 함께 작동된다. 연속 테이크 오프는 반응기내 더 높은 고체 농도를 허용할 뿐만 아니라, 고압 플래쉬의 더 양호한 작동을 허용하여, 취출된 희석제의 대부분을 플래쉬시켜 압축 없이 재순환시킨다. 이러한 이유는 몇몇 요인에 기인한다. 우선, 유동이 단속적이 아니라 연속적이기 때문에, 플래쉬 라인 히터가 더 잘 작동한다. 또한, 연속 유동으로 인해 후속 압력 강하가 더욱 효율적이어서 더 양호한 냉각을 부여한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 반응기 유출액은 라인(45)을 통해 저압 플래쉬 챔버(46)로 직접 보내진다. 두 플래쉬 챔버 모두로 작동될 때, 밸브(37)는 폐쇄되고 밸브(41,43,51)는 개방된다. 그러나 본 발명의 이러한 대안의 양태에 따르면, 밸브(41,43,51)는 폐쇄되고 밸브(37)는 개방되거나 또는 고압 플래쉬 챔버는 전혀존재하지 않는다. 연속 테이크 오프에 대한 슬로팅 주입구는 저압 플래쉬만을 사용하고 존재하는 소량의 희석제를 압축할 수 있도록 하는 높은 고체 농도를 허용한다. 이러한 단일 플래쉬 양태에서, 도관(40)에 의해 형성된 플래쉬 라인 히터는 제거될 수 있고; 그러나, 필요에 따라서는 플래쉬 라인 히터는 반응기 압력에서 또는 저압 지역에 대한 통상의 압력에서 작동될 수 있는 단일 플래쉬 챔버(즉, 플래쉬 챔버 46)와 함께 사용될 수 있다.
도 2에는 좀더 자세하게 묘사된 연속 테이크 오프 메커니즘(34)을 갖춘 파이프의 평활 만곡 섹션이 도시되어 있다. 연속 테이크 오프 메커니즘은 테이크 오프 실린더(52), 슬러리 취출 라인(54), 비상 차단 밸브(55), 유동 조절을 위한 비례 모토 밸브(58) 및 플러쉬 라인(60)을 포함한다. 반응기는 "액체"가 가득한 상태로 가동된다. 용해된 단량체로 인해 액체는 약간의 압축성을 지녀, 액체가 가득한 시스템의 밸브에 의한 압력 조절이 허용된다. 희석제 주입은 일반적으로 일정하게 유지되고, 비례 모토 밸브(58)는 전체 반응기 압력을 지정된 셋 포인트 내에서 유지시키기 위하여 연속 취출 속도 제어에 사용된다.
본 명세서 전역에 걸쳐서, 촉매의 중량은 무시되는데 이유는 특히 실리카 상 크롬 옥사이드에 의한 생산성이 극히 높기 때문이다.
본 발명은 예를 들면 미네럴 슬러리 농축에서와 같이, 고체가 액체보다 더 무거운 아크를 통해 유동하는 슬러리 스트림으로부터 고체의 제거에 적용될 수 있다. "아크"란 용어는 본원에서는 원호 뿐만 아니라 "궁형" 만곡로를 포함하도록 가장 광범위한 의미로 사용된다.
그러나, 본 발명은 중합체와 희석제의 산물 슬러리를 생산하기 위한, 희석제를 사용하는 루프 반응기에서의 올레핀 중합에 주로 이용된다. 적당한 올레핀 단량체는 분자당 탄소수 8개 이하를 갖고 4 위치보다 이중 결합 더 가까이에 측쇄가 없는 1-올레핀이다. 본 발명은 에틸렌의 단독중합 및 에틸렌과 고급 1-올레핀, 예를 들면 부텐, 1-펜텐, 1-헥센, 1-옥텐 또는 1-데센의 공중합에 특히 적합하다. 특히 바람직한 것은 에틸렌과 공단량체의 총량을 기준으로 에틸렌 및 0.01 내지 20, 바람직하게는 0.01 내지 5, 가장 바람직하게는 0.1 내지 4 중량% 고급 올레핀이다. 또한, 중합체에 상기량의 공단량체 혼입을 위해 충분량의 공단량체가 사용될 수 있다.
(용매 또는 단량체와는 반대로) 적당한 희석제는 당업계에 잘 알려져 있으며 불활성이거나 적어도 본질적으로 불활성이고 반응 조건에서 액체인 탄화수소가 포함된다. 적당한 탄화수소로는 이소부탄, n-부탄, 프로판, n-펜탄, i-펜탄, 네오펜탄 및 n-헥산이 포함되며, 이소부탄이 특히 바람직하다.
적당한 촉매는 당업계에 잘 알려져 있다. 예를 들면 본원에서 참조로 인용되는 Hogan and Banks, U.S. 2,285,721(1958년 3월)에 광범위하게 기재된 바와 같이 실리카와 같은 지지체상의 크롬 옥사이드가 특히 바람직하다. 또한, "지글러" 또는 "지글러-나타" 촉매와 같이 당업계에 공지된 것들을 포함한 유기 금속 촉매도 적합하다.
본 발명이 설명을 위해 상세히 설명되었지만, 이에 제한되지는 않으며, 본 발명의 취지와 범위내에서 모든 변화를 포함시키고자 한다.

Claims (20)

  1. 복수개의 수직 파이프 세그먼트;
    복수개의 상부 측면 파이프 세그먼트;
    복수개의 하부 측면 파이프 세그먼트;
    단량체 반응물, 중합 촉매 및 희석제를 반응기 중으로 도입하는 수단;
    슬러리를 유로를 따라 연속 이동시키는 수단;
    산물 슬러리의 연속 취출을 위한 적어도 하나의 세장형 중공 부속물; 및
    적어도 하나의 세장형 중공 부속물과 유체 소통하는, 적어도 하나의 파이프 섹션내 채널 수단을 포함하고;
    상기 수직 파이프 세그먼트 각각이 이의 상단부에서 상부 측면 파이프 세그먼트 중 하나에 연결되고, 이의 하단부에서 하부 측면 파이프 세그먼트 중 하나에 연결되어, 유체 슬러리를 운반하도록 변용된 연속 유로를 규정하며, 반응기가 실질적으로 내부 방해가 없는 루프 반응기 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 적어도 하나의 세장형 중공 부속물이 하부 측면 파이프 세그먼트 중 하나의 만곡부에 부착되어, 만곡된 부속물-운반 하부 파이프 세그먼트를 부여하는 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 세장형 중공 부속물이 만곡된 부속물-운반 하부 파이프세그먼트에 0 내지 90도의 부착 각도로 부착되는 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 부착 각도가 0도인 장치.
  5. 제 2 항에 있어서, 세장형 중공 부속물이 만곡된 부속물-운반 하부 파이프 세그먼트에 0도의 반경 각도 및 90도의 부착 각도로 부착되는 장치.
  6. 제 2 항에 있어서, 채널 수단이 부속물 운반 하부 파이프 세그먼트 직경의 0.04 내지 0.25배 범위내의 폭, 폭의 0.5 내지 1배 범위내의 깊이, 폭의 0.01 내지 0.25배 범위내의 값을 갖는 반경 R, 및 0의 값을 갖는 반경 r을 지닌 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 배치 각도가 0 내지 +90도인 장치.
  8. 제 2 항에 있어서, 적어도 하나의 부속물이 복수개의 부속물인 장치.
  9. 제 2 항에 있어서, 산물 슬러리를 부속물에서 플래쉬 수단으로 이송하는 적어도 하나의 세장형 중공 부속물과 유체 소통되는 세장형 플래쉬 라인을 추가로 포함하는 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 플래쉬 라인이 이와 연합된 히터를 구비하고, 플래쉬 라인이 오버헤드 배출구 및 앙금 배출구를 갖는 제 1 플래쉬 지역과 유체 소통되고, 장치가 제 2 플래쉬 지역을 추가로 포함하고, 제 2 플래쉬 지역이 제 1 플래쉬 지역의 앙금 배출구와 유체 소통되는 장치.
  11. 제 9 항에 있어서, 플래쉬 수단이 단일 플래쉬 챔버로 이루어지는 장치.
  12. 파이프에서 유동하는 슬러리의 일부를 연속 제거하는 테이크 오프 수단을 구비한 파이프를 포함하고, 파이프가 이의 섹션에 테이크 오프 수단까지 이르러 이와 개방 소통되는 채널을 갖추고 있으며, 적어도 파이프 섹션의 일부가 아크 형상인 장치.
  13. 루프 반응기 지역에서, 액체 희석제 중의 적어도 하나의 올레핀 단량체를 중합하여 액체 희석제와 고체 올레핀 중합체 입자를 포함하는 유체 슬러리를 생성하고;
    슬러리를 아크를 통해 소형 측면 농축 지역으로 순환시켜 농축 슬러리를 생성시키며;
    농축 지역내 적어도 한 영역에서, 상기 공정의 중간 산물로서 취출된 액체 희석제와 취출된 고체 중합체 입자를 포함하는 농축 슬러리를 연속 취출하는 단계를 포함하는 중합 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 올레핀 단량체가 에틸렌과 헥센의 총량을 기준으로 에틸렌 및 0.01 내지 5 중량 헥센을 포함하고, 액체 희석제가 사이클로헥산인 방법.
  15. 제 13 항에 있어서, 반응 지역이 액체가 가득한 상태로 유지되는 방법.
  16. 제 13 항에 있어서, 반응 지역이 75,600 리터(20,000 갤론) 이상의 용적을 갖고, 농축 지역이 0.076 내지 11.3 리터(0.02 내지 3 갤론)의 용적을 갖는 방법.
  17. 제 13 항에 있어서, 공정의 중간 산물이 단일 플래쉬 지역으로 보내지고 여기에서 대부분의 액체 희석제가 증발되어 취출된 고체 입자로부터 분리되며, 이에 따라 분리된 희석제가 재순환되는 방법.
  18. 제 13 항에 있어서, 공정의 중간 산물이 가열 지역을 통해 연속적으로 통과하고 여기에서 중간 산물은 가열되어 가열된 중간 산물을 생성하며 이어서 가열된 중간 산물이 고압 플래쉬 지역에서 압력 강하에 노출되며, 가열된 중간 산물은 취출된 액체 희석제의 대부분이 증발되어 취출된 고체 중합체 입자로부터 분리되게 하는 정도로 가열되며, 이에 따라 분리되고 취출된 액체 희석제가 압축 없이 열 교환에 의해 재순환을 위해 응축되는 방법.
  19. 제 13 항에 있어서, 적어도 하나의 영역이 정확하게 1 영역인 방법.
  20. 제 13 항에 있어서, 적어도 하나의 영역이 복수개의 영역인 방법.
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