NO170336B - Utskillingssystem for roerreaktorer eller autoklaver - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelsen vedrører et utskillingssystem for rørreaktorer eller autoklaver som anvendes for polymerisering av etylen eller kopolymerisering av etylenet med etylensk umettede komonomerer i nærvær av tennere ved trykk av 500-4000 bar og temperaturer av 150-350°C, for minsking av faststoffemisjonen under avlastingsprosesser i blandingen i reaktoren eller autoklavene.

Polymerisering av etylen eller kopolymeriseringen av etylenet med andre polymeriserbare etylenmonomerer gjennom-føres i rørreaktorer eller autoklaver ved trykk opptil 4000 bar og temperturer av 150-350°C, i nærvær av tennere (radikaldannere) og eventuelle moderatorer (regulatorer).

Ved den eksoterme polymeriseringsreaksjon blir det for hvert kilo frembragt polymerisat frigitt reaksjonsvarme i en mengde av ca. 800 Kcal, og denne varme må avledes hurtigst mulig. Dette er nødvendig for å unngå at reaksjonsblandingen utsettes for en overoppheting som kan medføre at etylenet og eventuelt polyetylenet nedbrytes til karbon, hydrogen og metan. Nedbrytingsreaksjonene er likeledes sterkt eksoterme, og forløper som angitt i nedenstående ligninger:

1) C2H4 C+CH4 +30 Kcal/Mol

2) C2H4 2C+2H2+ 11 Kcal/Mol

3) l/n (C2H4)n - C+CH4+8 Kcal/Mol

Fortrinnsvis (85-95%) nedbrytes etylenet som angitt i ligning 1), under dannelse av metan og karbon og ved temperaturer opptil 1550°C, og ved etylennedbryting dannes en liten mengde (10-15%) av hydrogen og karbon. I sistnevnte tilfelle kan temperaturen oppgå til 680°C.

Det er derfor meget viktig, ved drift av en rørreaktor eller autoklaver, at polymeriseringen foregår kontrollert,

dvs. at det er sørget for tilstrekkelig avleding av reaksjons-varmen. Dette lykkes ikke alltid i praksis. Grunnet tekniske mangler og sviktende regulator- eller måleranordninger kan det oppstå situasjoner hvor den nødvendige varmeavleding ikke blir opprettholdt, med derav følgende nedbryting av reaksjons-

blandingen i reaktoren. I et slikt tilfelle innledes et såkalt hjelpeprogram ved bruk av konvensjonell automatikk: Beskikkingen av reaktoren med etylen, eventuelt komonomerer, tennere og regulatorer, avbrytes og ventiler ved reaktoren åpnes, slik at reaksjonsblandingen i reaktoren kan avlastes til atmosfæren. Det er kjent at den varme gass-/produktblandingen kan antennes når reaksjonsblandingen avlastes til ytterluften.

De resulterende eksplosjoner er i litteraturen betegnet som "aerials". En metode til forebygging av "aerials" er angitt i US-patentskrift 3.781.256. En reaksjonsblanding under nedbryting skal derved, etter å ha forlatt reaktoren, innføres i en rørledning som inneholder vannfylte plastsekker. Grunnet temperaturen og det trykk som utvides når reaksjonsblandingen innstrømmer i såkalte overdekningsrør, vil plast-sekkene ødelegges, og det utstrømmende vannet forutsettes derved å avkjøle reaksjonsblandingen i tilstrekkelig grad til å hindre at gassene antennes ved utstrømmingen til ytterluften.

Denne kjente metode vil riktignok minske faren for ekspolosjoner når reaksjonsblandingen avlastes i det fri, men emisjonen av hydrokarbon og tørrstoffpartikler, såsom sot samt fin- og grovkornet polyetylenpulver, kan ikke forhindres. Alt etter størrelsen av den anvendte reaktor kan det avgis opptil 2 00 kg tørrstoff, og dette utgjør en meget stor belastning for miljøet.

Av flere grunner blir reaksjonsblandingen fra reaksjons-apparatur (autoklaver eller rørreaktorer) avlastet eller må avlastes, og utløsingen av et såkalt nødprogram foregår enten ved betjening (manuelt) av en trykknapp, eller som oftest gjennom en automatikk-krets. Sistnevnte kan bestå av et handelsført målings- og reguleringssystem (f.eks. AEG-Logistat). Ved oppnåelse av ett av de øvre grenseverdimerker for trykk- og temperaturovervåkingen av reaktoren, vil reaksjonsblandingen avlastes automatisk ved åpning av flere ventiler ved reaktoren. Dette kan forekomme f.eks. dersom reaksjonsblandingen nedbrytes, men også i tilfelle av feilmåling eller annen, teknisk svikt. I de to sistnevnte tilfeller er det tale om såkalte feilutløsninger. Reaksjonsblandingen som befinner seg i reaktoren og som i realiteten ikke er utsatt for nedbryting, blir derved avlastet fra reaktoren til det fri. Det avgis ikke sot, men polyetylenpartikler sammen med etylen og eventuelt andre hydrokarbonstoffer til ytterluften.

Oppfinnelsen har derfor som formål å frembringe et utskillingssystem som vil muliggjøre minsking eller effektiv eliminering av den faststoffemisjon som opptrer under avlastingsprosesser ved rørreaktorer eller autoklaver som anvendes for polymerisering av etylen.

Dette er ifølge oppfinnelsen oppnådd ved hjelp av et utskillingssystem av den innledningsvis angitte art, med de nye og særegne trekk som er angitt i den karakteriserende del av det etterfølgende krav 1, idet en fordelaktig utføringsform av systemet er angitt i krav 2. Ved at reaksjonsblandingen fra reaktoren eller autoklaven bringes til å gjennomstrømme utskillingssystemet ifølge oppfinnelsen unngår man således de ovenfor omtalte ulemper ved kjent teknikk.

Oppfinnelsen er nærmere beskrevet i det etterfølgende under henvisning til de medfølgende tegninger, hvori: Figur 1 viser et sideriss av utskillingssystemet med to utskillingsbeholdere. Figur 2 viser et riss av installasjonene foran utløps-røret fra den andre utskillingsbeholder.

Utskillingssystemet 1-11 består av en utskillingsbeholder 1 hvis nedre fjerdedel er fylt med vann og som gjennom relativt vide rørledninger er innkoplet foran ytterligere utskillingsbeholdere. Fortrinnsvis er utskillingssystemet utstyrt med to eller tre utskillingsbeholdere. Utskillingsbeholderne IA som er innkoplet bak utskillingsbeholderen 1, innbefatter installasjoner som motvirker direkte utstrømming av faststoff-partikler til ytterluften.

Hver av utblåsingsledningene fra avlastingsventilene ved den ikke viste reaktor er forbundet med utskillingsbeholderen 1. Alt etter reaktorens størrelse er det anordnet to eller flere avlastingsventiler og/eller bruddskiver. Hvis reaktoren er forsynt med bruddskiver, er de tilhørende utblåsingslednin-ger likeledes forbundet med utskillingsbeholderne 1. Innfø-ringen av utblåsingsledningene i utskillingsbeholderen 1 er ved hjelp av tangensialt forløpende trykkrør slik anordnet at disse er rettet nedad mot vannoverflaten i beholderen og ender ovenfor vannspeilet. Beholderen fylles til ca. en fjerdedel. For at vannstanden i utskillingsbeholderen 1 skal kunne inn-stilles regelmessig, er beholderen utstyrt med et vannoverløp (4-5). I overløpsrøret er det innmontert en klaff 4 som lukkes ved overtrykk i beholderen og forebygger utstrømming av gass gjennom vannoverløpet.

Som sikkerhetsanordning er det ved beholderytterveggen, ovenfor vannstanden, installert en radioaktiv vannstandsindikator 6 for angivelse av eventuelt tilstedeværende produktansamlinger i beholderen eller gjentetninger i vann-over løpet, men denne vannstandsindikator 6 som er fordelaktig for driften av utskillingssystemet, er imidlertid ikke vesent-lig for en effektiv faststoffutskilling.

I utskillingsbeholderen 1 sammenføres den varme reaksjonsblanding med vannet i den nedre fjerdedel av beholderen. Den varme gass-/produksjonsblanding avkjøles, hvorved en stor mengde av vannet fordamper. Størstedelen av faststoffene som stammer fra avlastingsprosessen i reaktoren, blir derved tilbakeholdt i utskillingsbeholderen 1. Ca. 20-40% av faststoffene medføres imidlertid av massestrømmen som forlater utskillingsbeholderen 1. Foruten faststoffene inneholder massestrømmen det avlastede etylen og eventuelt andre hydrokarbonstoffer, damp og medført vann. Fra den øvre ende av utskillingsbeholderen 1 blir denne produktblanding innført gjennom en relativt vid rørledning 2 til en utskillingsbeholder IA. Rørledningen 2 mellom de to beholdere bør ved inngangen til utskillingsbeholderen IA ha en diameter av 200-1000 mm og fortrinnsvis 40-500 mm.

Rørledningsinnføringen til utskillingsbeholderen IA er anordnet på siden og likeledes tangensialt. Utskillingsbeholderen IA er ikke fylt med vann, og på beholderlokket er det montert et utløpsrør 2A av diameter 2 00-400 mm.

Innvendig i utskillingsbeholderen IA, ved undersiden av beholderlokket, er det foran utløpsrøret 2A og i relativt liten avstand fra lokket eller fra beholderinnerveggen innmontert en avlederskjerm 7.

Fortrinnsvis anbringes avlederskjermen 7 i en avstand av 100-200 mm, hvilket innebærer at det velges en skjermdiameter som er 200-400 mm mindre enn diameteren av utskillingsbeholderen IA.

Den innmonterte avlederskjerm 7 forhindrer direkte ut-strømming av den avlastede reaksjonsblanding fra beholderen. Massestrømmen blir isteden bremset og omledet til den relativt trange passasje mellom kanten av skjermen 7 og beholderinnerveggen eller lokkveggen. Gjennom beholderlokket er det innført fire ledninger 9 som forløper i samme innbyrdes avstander og utgår fra en ringledning 8 som strekker seg utvendig rundt utløpsrøret 2A.

Ved enden av hver av disse ledninger 9 er det installert en spesialdyse 10. Innmontering av ytterligere dyser er abso-lutt mulig og vil vise seg fordelaktig ved bruk av utskillingsbeholdere av store diametre. De innmonterte spesialdyser 10 er kommersielt tilgjengelig og de aksialt helkoniske dyser fra firma Lechler, Gelsenkirchen, av type SZ 5 - SZ 14 med spredevinkel av 60-90° har vist seg egnet. Dysene 10 fylles med trykkvann eller kondensat og trykket i ringledningen 8 må på forhånd være minst 3 bar høyere enn det maksimale trykk som utvikles i utskillingsbeholderen 1 under avlasting av reaktoren. Dysene 10 fylles med trykkvann eller kondensat ved hjelp av en reguleringsventil 11. Reguleringsventilen 11 åpnes derved samtidig med utløsingen av de såkalte nødprogram ved reaktoren, dvs. umiddelbart ved innledningen av avlastingsprosessen. Mengden av trykkvann eller kondensat som utstrøm-mer fra dysene, justeres slik at det over hele tverrsnittet av rommet mellom beholderlokket og oversiden av avlederskjermen 7 dannes et tett vannslør som motvirker massestrømmen som drives mot utløpsrøret 2A.

Ved bruk av utskillingssystemet ifølge oppfinnelsen vil det lykkes å tilbakeholde faststoffene i den avlastede reaksjonsblanding praktisk talt fullstendig i utskillingssystemet 1-11. Fra utløpsrøret 2A vil det til ytterluften verken ut-strømme sot eller polyetylenpartikler, men utelukkende etylen og eventuelt andre gassformede hydrokarbonstoffer som er til-ført fra reaktoren under avlastingen.

Varigheten av utstrømmingen av forstøvet trykkvann eller kondensat fra dysene velges slik at utstrømmingen først opp-hører når trykket i utskillingsbeholderen IA er sunket til under 1 bar i løpet av avlastingsprosessen.

Ved reaktorer av vanlig forekommende størrelser vil utstrømmingen generelt vare i 10-3 00 og fortrinnsvis 15-90 sekunder, og det behøves derved vannmengder av 3-20, fortrinnsvis 5-10 liter pr. sekund og dyse for opprettelse av vannsløret. Den nødvendige vannmengde for optimal utskil-lingsvirkning og tidsrommet for forstøving av denne vannmengde må anpasses til det angjeldende utskillingsvolum. Sistnevnte må igjen tilpasses den reaksjonsblandingsmengde som tilføres fra reaktoren. Utskillere med volum av 2-25 m<3> har hevdet seg i praksis, men med henblikk på en tilfredsstillende utskil-lingsvirkning er det ikke ugunstig å benytte beholdere av ennu større volum.

Volumforholdet mellom utskillingsbeholderne og reaktoren bør, av hensyn til effektiv utskilling av faststoffene, velges større enn 2:1, og det foretrekkes volumforhold som ligger mellom 4:1 og 10:1.

Eksempel 1

Begge beholdere i utskillingsystemet 1-11 har et volum av 4,3 m<3> ved en diameter av 1200 mm. I utskillingsbeholderen 1 er det ifylt 950 1 vann. Forbindelsesledningen 2 mellom be-holderne har en diameter av 400 mm. I utskillingsbeholderen IA er det, foran utløpsrøret 2A som har en diameter av 400 mm, og i en avstand av 100 mm fra undersiden av beholderlokket, innmontert en avlederskjerm 7 med en diameter av 1000 mm. I rommet mellom undersiden av lokket og oversiden av avlederskjermen 7 er det installert fire spesialdyser 10 (firma Lechler, type SZ 6/461.286) som mottar kondensat gjennom ringledningen 8. Fortrykket i ringledningen 8 utgjør 30 bar, og innmatingen av kondensatet foregår gjennom reguleringsventilen 11 samtidig med åpningen av avlastingsventilen ved reaktoren. Fra reaktoren avlastes 0,6 tonn reaksjonsblanding.

De maksimale trykk som opptrer under avlastingsprosessen, ligger på 6,9 bar i utskillingsbeholderen 1 og 6,4 bar i utskillingsbeholderen IA, og oppnås etter ca. 1,5 sekunder. Kondensatinnmatingen foregår i 2 0 sekunder hvorved det for hver dyse blir tilført 5,8 liter kondensat i løpet av ett sekund, som bidrag til opprettelsen av vannsløret. Etter avsluttet kondensatforstøving var trykket i utskillingsbeholderen IA sunket til under 0,3 bar.

Det ble utskilt 95 kg faststoff i utskillingsbeholderen 1 og 35 kg i utskillingsbeholderen IA.

Det forekom ingen emisjon av faststoffet til atmosfæren.

Ved avspenning av samme reaktorer som i eksempel 1, med 0,6 tonn reaksjonsblanding i det fri og uten utskillingssystem, ble det avgitt ca. 130 kg faststoffer.

Hvis avlastingen av den ovennevnte reaktor foregår i en beholder som har et volum av 4,3 m3 og ikke er utstyrt med installasjoner og dyser for opprettelse av et vannslør, vil også utskillingsvirkningen bli mangelfull.

I beholderen ble det etterlatt 95 kg faststoff, hvilket tyder på at det i dette tilfelle ble avgitt 35 kg fin- og grovkornede polyetylenpartikler til ytterluften.

Claims (2)

1. Utskillingssystem (1-11) for rørreaktorer eller autoklaver som anvendes for polymerisering av etylen eller kopolymerisering av etylenet med etylenisk umettede komonomerer i nærvær av initiatorer og ved trykk av 500-4000 bar og temperaturer av 150-350°C, for minsking av faststoffemisjonen ved avspenningsprosesser hos reaksjonsblandingen i reaktoren eller i autoklavene, karakterisert ved at systemet omfatter minst to seriekoplede utskillingsbeholdere (1, IA) som den avlastete reaksjonsblanding må gjennomløpe innen den når ytterluften, videre at utskillingsbeholderen (1) er fylt med vann til en fjerdedel av sitt volum og utskillingsbeholderen (IA) er utstyrt på siden med et produkt-innløpsrør (2) av diameter 200-1000 mm, fortrinnsvis 400-500 mm, og er ikke fylt med vann, og at utskillingsbeholderen (IA) er utstyrt, foran sitt utløpsrør (2A), med installasjoner (7, 10) som bevirker at den avlastede reaksjonsblanding avledes og passerer gjennom et vannslør innen den når utløpsrøret (2A).

2. Utskillingssystem (1-11) ifølge krav 1, karakterisert ved at volumforholdet mellom utskillingsbeholderne (1, IA) og reaktoren utgjør 2:1-20:1 og fortrinnsvis 4:1-10:1.