устройство для получения этиленового полимера и способ получения этилового полимера

Формула изобретения

1. Устройство для получения этиленового полимера, содержащее трубопроводы, включая связанные вертикально установленные трубы, в котором по меньше мере часть, по меньшей мере одной из вертикально установленных труб имеет связанную с ней соосно установленную внешнюю трубу, образующую теплообменную рубашку, средства для введения реагентов полимеризации и хладоносителя, средства для выделения продуктов реакции полимеризации и хладоносителя и средства для создания потока в трубопроводах, отличающееся тем, что вертикально установленные трубы соединены для образования замкнутого контура и по меньшей мере одна часть по меньшей мере, одно вертикально установленной трубы имеет внешнюю поверхность, выполненную из прокатного листа, два края которого соединены с образованием шва.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что прокатный лист выполнен из стали с массовым содержанием 0,5% по углероду, менее 1,5% по марганцу, менее 1,0% по кремнию, менее 2,5% по хрому и менее 1,0% по никелю, имеющей теплопроводность по меньшей мере 34,6 Вт/м², минимальную прочность на разрыв по меньшей мере 344,5 Мн/м² или теплопроводность 43,25-51,9 Вт/м² и минимальную прочность на разрыв 413,4-620,1 Мн/².

3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что края прокатного листа соединены посредством сварки с образованием продольного шва.

4. Устройство по пп.1 - 3, отличающееся тем, что по меньшей мере одна вертикально установленная труба выполнена с диаметром 254-762 мм и толщиной стенки трубы из прокатного листа в пределах 12,7 - 19,06 мм.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что коаксиально установленная внешняя труба, образующая теплообменную рубашку, выполнена из прокатного листа.

6. Способ получения этиленового полимера, в соответствии с которым вводят в реакционный трубопровод по меньшей мере один мономер, вводят катализатор и разбавитель для образования реакционной смеси полимеризации, проходящей по трубопроводу, отличающийся тем, что процесс полимеризации осуществляют в замкнутом контуре трубопровода, причем по меньшей мере один мономер включает в себя в основном этилен или указанный, по меньшей мере один мономер содержит этилен и по массе менее 25% другой олефин.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что дополнительно пропускают охлаждающую жидкость в теплообменном контакте с по меньшей мере одной трубой в реакционном трубопроводе.

8. Способ по п.6 или 7, отличающийся тем, что процесс проводят по меньшей мере в одной трубе реакционного трубопровода при температуре 65,56 - 121,11^oС, при давлении 3,1-5,51 Мн/м² и при скорости получения этиленового полимера 13608 - 22680 кг/ч.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройству и способу получения этиленового полимера в реакторе с циркуляцией, который представляет собой трубопровод в форме замкнутой петли.

Реакция полимеризации является экзотермической реакцией, при протекании которой выделяется значительное количество тепла. Для поддержания температуры реакции на требуемом уровне желательно, чтобы охлаждающая среда, такая как вода, циркулировала, контактируя вокруг внешней поверхности некоторых трубных секций реактора с циркуляцией.

Весьма желательно, чтобы удаление тепла от содержимого реактора было оптимизировано либо по максимуму скорости образования полимера при некоторой определенной температуре, либо по минимуму температуры реакции при некоторой определенной скорости образования полимера с тем, чтобы обеспечивалось получение полимеров с низкими плотностями.

Известны устройство для получения этиленового полимера, содержащее трубопроводы, включающие связанные вертикально установленные трубы, в котором по меньшей мере часть одной из вертикально установленных труб имеет связанную с ней соосно установленную внешнюю трубу, образующую теплообменную рубашку, средства для введения реагентов полимеризации и хладоносителя, средства для создания потока в трубопроводах, и способ получения этиленового полимера, в соответствии с которым вводят в реакционный трубопровод по меньшей мере один мономер, вводят катализатор и разбавитель для образования реакционной смеси полимеризации, проходящей по трубопроводу.

Предложенные устройство и способ получения этиленового полимера в реакторе с циркуляцией и теплообменной рубашкой из прокатного листа эффективно осуществляют отвод тепла от содержимого реактора, что в значительной мере позволяет оптимизировать процесс получения полимера.

Сущность изобретения сводится к тому, что в устройстве для получения этиленового полимера, содержащем трубопроводы, включая связанные вертикально установленные трубы, в котором по меньшей мере часть одной из вертикально установленных труб имеет связанную с ней соосно установленную внешнюю трубу, образующую теплообменную рубашку, средства для введения реагентов полимеризации и хладоносителя, средства для выведения продуктов реакции полимеризации и хладоносителя и средства для создания потока в трубопроводах, вертикально установленные трубы соединены для образования замкнутого контура, и по меньшей мере одна часть одной вертикально установленной трубы имеет внешнюю поверхность, выполненную из прокатного листа, два края которого соединены с образованием шва.

Согласно способу получения этиленового полимера, сущность которого сводится к тому, что в реакционный трубопровод, вводят по меньшей мере один мономер, катализатор и разбавитель для образования реакционной смеси полимеризации, проходящей по трубопроводу, процесс полимеризации осуществляют в замкнутом контуре трубопровода, причем по меньшей мере один мономер включает в себя в основном этилен или указанный по меньшей мере один мономер содержит этилен и по весу менее 25 другой олефин.

Применение прокатанного листа для изготовления упомянутой выше трубы (труб) обеспечивает возможность использования более тонкой стенки у трубы в сравнении с прежними трубами бесшовной конструкции, что и демонстрируется надлежащим примером. Минимизация толщины стенки ведет в этом отношении к повышению коэффициента теплопередачи, чем обеспечивается возможность ускоренного отвода тепла от содержимого реактора, что позволяет либо максимизировать скорость получения полимера при некоторой заданной температуре взаимодействия, либо минимизировать температуру взаимодействия при некоторой заданной скорости получения полимера, чем обеспечивается возможность получения полимеров с пониженными плотностями.

Изобретение относится к получению этиленового полимера путем пропускания по крайней мере одного мономера, который представляет собой этилен, катализатора и разбавителя в виде смеси через реактор с циркуляцией.

Мономерный питающий поток может включать в себя этилен как таковой или этилен в смеси с небольшим количеством (менее примерно 25 от общего количества подаваемого мономера) еще один олефин. Таким другим олефином может быть 1-олефин с числом атомов углерода от 3 до 8 на молекулу, такой как пропилен, 1-бутен, 1-пентен, 1-гексен, 1-октен, 4-метил-1-пентен, 4-этил-1-гексен и им подобные соединения, или сопряженный диолефин, такой как бутадиен или изопрен.

Катализатором может быть любой подходящий катализатор, пригодный для проведения полимеризации указанных выше мономеров, наиболее желательным катализатором является оксинохромовый катализатор, содержащий шестивалентный хром.

Разбавителем может быть, например, углеводород, такой как нормальный пентан, нормальный бутан, изобутан, нормальный гексан, нормальный декан, циклогексан, метилциклопентан, метилциклогексамн и им подобные вещества.

Получаемый этиленовый полимер находится в виде зерен и может, в соответствии с некоторыми особенностями изобретения, представлять собой либо гомополимер этилена, либо сополимер этилена и еще одного олефина, упомянутого выше. Под термином полимер этилена и этиленовый полимер подпадают как гомополимеры этилена, получаемые исключительно из этиленового мономера, так и сополимеры этилена и еще одного олефина, получаемые из этилена и еще одного олефина.

На фиг. 1 представлена схема устройства, предназначенного для получения этиленового полимера; на фиг. 2 то же, вид сбоку; на фиг. 3 разрез А-А на фиг. 2.

Реактор 1 с циркуляцией схематически изображается в виде замкнутого контура, представляет собой проход, образованный трубопроводными средствами, которые включают в себя множество в основном вертикально ориентированных секций 2, 3, 4, 5, а также множество в основном горизонтально ориентированных секций 6, 7, 8, 9. Секции 2 и 3 соединяются своими верхними концами посредством секции 6, секции 4 и 5 аналогично соединяются своими верхними концами посредством секции 7. Секции 3 и 4 соединяются своими нижними концами посредством секции 9, а секции 2 и 5 аналогично соединяются своими нижними концами посредством секции 8. Каждая из разных секций образуется трубами.

Конфигурация реактора 1 с циркуляцией является одним из возможных вариантов реализации изобретения, могут быть реализованы другие конфигурации и формы с разнообразным внутренним соединением секций, создающих замкнутый контур.

Устройство содержит средство 10 для введения мономера, средство 11 для ввода шлама из твердых частиц. Содержимое реактора перемещается в определенном направлении с помощью средства 12 с двигателем 13. Вывод полимера осуществляется с помощью средства 14 для выведения в виде осадительного колена с клапаном 15. Труба 16, по которой перемещается реакционная смесь, расположена коаксиально в трубе 17, имеющей расширенные участки, нижний из которых 18 снабжен средством 19 для ввода охлаждающей среды. Верхний конец трубы 17 также снабжен расширенным участком 20 с отводным средством 21, через которое выводится охлаждающая среда 22. Уширенные участки 18 и 20 соединены с концевыми кольцами 23 и 24. Труба 16 и концевые кольца 23 и 24 имеют ребра 25 и 26 жесткости и соединены с коленами 27 и 28 через фланцы 29. Трубы 16 и 17 расположены с кольцевым зазором 30. Труба 16 имеет шов 31, труба 17 также может иметь шов 32.

Подаваемый мономер в жидком виде поступает в секцию 3 по средству 10 для введения мономера, а шлам из твердых частиц катализатора и жидкий разбавитель поступают в секцию 9 с помощью средства 11. Хотя катализатор и разбавитель и изображаются поступающими в секцию 9 только в одной точке ввода, желательно, чтобы у промышленного реактора таких точек ввода было несколько (т. е. от 3 до 10).

Движение содержимого реактора устанавливается в предварительно выбранном направлении, таком как направление, указанное стрелками, что достигается использованием внутренней крыльчатки или аналогичных средств 12 для создания потока в трубопроводах с двигателем 13. У потока реакционной смеси желательно поддерживать скорость, достаточную для удержания твердого вещества в суспендированном состоянии.

Скорость течения среды, выражаемую через число Рейнольдса, желательно поддерживать в области чисел примерно от 1 000 000 и примерно до 35 000 000.

Касательно других условий проведения процесса следует сказать, что температуру содержимого реактора с циркуляцией обычно поддерживают в области примерно от 65^оС (150^оФ) и примерно до 121^оС (250^оФ). Относительное давление обычно поддерживают в области примерно от 32 кг/см² (450 фунт/кв.дюйм) и примерно до 56 кг/см² (800 фунт/кв.дюйм) (манометрическое давление среды, измеренное относительно атмосферного давления).

Этиленовый полимер соответственно получают в реакторе 1 с циркуляцией, он выводится посредством средства 14 в виде осадительного колена с клапаном 15. При течении содержимого реактора через секцию 8 полимер стремится осесть в осадительном колене 14 с последующим перемещением от клапана 15, находящегося в закрытом положении. Клапан 15 периодически открывают, используя надлежащие средства управления (не показаны), чем обеспечивается выпуск очень плотного шлама, состоящего из полимера и разбавителя. Считая, что различные трубы, задающие проход у реактора, характеризуются внешним диаметром в пределах примерно от 254 мм (10 дюймов) и примерно до 762 мм (30 дюймов) и номинальной толщиной стенки в пределах примерно от 12,7 мм (1/2 дюйма) и примерно до 19,05 мм (3/4 дюйма), находят, что скорости образования полимера оказываются обычно лежащими в области примерно от 13 608 кг/ч (30 000 фунт/ч) и примерно до 40 802 кг/ч (50 000 фунт/ч). Плотность полимера может находиться в области примерно от 0,89 и примерно до 0,97, что зависит от температуры взаимодействия использованных мономеров и скорости подачи мономеров. Понижение температуры взаимодействия при неизменной скорости подвода мономера ведет к получению полимера пониженной плотности.

На фиг. 2 показана секция 2 реактора с циркуляцией, а случае которой средняя часть секции удалена, секция 2 содержит трубу 16, через которую проходит поток мономера, разбавителя, катализатора и полимера и которая проходит через трубу 17, обычно расположенную коаксиально. Нижний конец трубы 17 присоединен к уширенному участку 18, на котором имеется вводное средство 19 для подачи охлаждающей среды. Верхний конец трубы 17 аналогичным образом присоединен к участку 20 с отводным средством 21, через который выводится охлаждающая среда 22. Охлаждающую среду вынуждают протекать в общем случае в кольцевом пространстве, заключенном между трубами 16 и 17, в результате чего поток обтекает и контактирует с внешней поверхностью трубы 16. За счет теплопередачи через стенку трубы 16 с теплообменом между охлаждающей средой и содержимым трубы 16 происходит удаление тепла от содержимого трубы 16.

Уширенные участки 18 и 20 соответственно соединены с концевыми кольцами 23 и 24, через которые проходит труба 16. Для дальнейшей стабилизации положения трубы 16 предусмотрены ребра 25 и 26 жесткости, обеспечивающие соответственно крепление колец 23 и 24 к трубе 16. Нижний и верхний концы трубы 16 через соответствующие фланцевые соединения присоединяются к надлежащим коленам 27 и 28. Колено 27 идет к секции 8, а колено 28 к секции 6 (фиг. 1). Фланец 29 (фиг. 2) располагается в том месте, где начинается в основном горизонтально ориентированная секция 6.

На фиг. 3 показаны вид в поперечном сечении труб 16 и 17, а также в общий кольцевой зазор 30, находящийся между внешней поверхностью трубы 16 и внутренней поверхностью трубы 17.

Труба 16 изготовлена из прокатанного листа, два края которого соединены продольно идущим швом 31. Трубу 16 делают, прокатывая лист до достижения требуемой формы трубы. Концы прокатанного листа желательно соединять посредством использования какого-либо приемлемого способа сварки, такого как электродуговая сварка, чем обеспечивается получение сварного шва.

Прокладочный металл, используемый для образования шва, в металлургическом отношении должен быть совместим и равноценен по прочности на растяжение металлу прокатанного листа, а также желательно, чтобы он проходил от внешней поверхности трубы 16 к внутренней поверхности трубы 16 с образованием совершенно гладкого шва. Такой совершенно гладкий шов может быть получен, например, в виде двухстороннего сварного стыковочного шва, который затем подвергают полному радиографическому обследованию. Этим достигается стыковочная эффективность (отношение допустимого напряжения в сварном шве к допустимому напряжению в прокатанном листе) в 100 что находится в согласии с Правилами для сосудов под давлением (часть VIII, раздел I) Американского общества инженеров механиков.

Прокатанный лист у трубы 16 желательно делать из стали с теплопроводностью по крайней мере примерно равной 34,6 Вт/м^оС (20 ВТЕ/ч^оФ.фут) и с минимальной прочностью на расстояние, по крайней мере примерно равной 344,5 Мн/м² (50 000 фунт/кв.дюйм).

Что касается состава стали у прокатанного листа трубы 16, то желательно, чтобы сталь по весу содержала менее примерно 0,5 мас. углерода, менее примерно 1,5 мас. марганца, менее примерно 1,0 мас. кремния, менее примерно 2,5 мас. хрома и менее примерно 1,0 мас. никеля.

При внешних диаметрах трубы 16, находящихся в области примерно от 254 мм (10 дюймов) и примерно до 762 мм (30 дюймов), желательно, чтобы прокатанный лист у такой трубы обладал номинальной толщиной стенки, находящейся в области примерно от 12,7 мм (1/2 дюйма) и примерно до 19,05 мм (3/4 дюйма), причем сказанное относится к типичным условиям проведения процесса полимеризации этилена; и при этом допуск на прокатку должен составлять менее 0,254 мм (0,01 дюйма) (колебание размера от листа к листу) или 6 (относительное колебание размера), что соответствует требованиям Правил для сосудов под давлением (часть VIII, раздел I) Американского общества инженеров механиков).

Труба 17 может быть также изготовлена из прокатанного листа с образованием продольного сварного шва 32 (фиг. 3). По производственным соображениям труба 17 может быть изготовлена из того же материала, что и труба 16.

Трубы у горизонтально ориентированных секций 6, 7, 8 и 9 (фиг. 1) могут быть бесшовной конструкции, а не изготовленными из прокатанного листа. У таких труб бесшовной конструкции конструктивная толщина должна быть больше в сравнении с трубами, изготовленными из прокатанного листа, поскольку в этом случае производственные допуски выше. Однако в случае горизонтально ориентированных секций, у которых отсутствует охлаждающая рубашка, повышенная конструктивная толщина и связанный с этим пониженный коэффициент теплопередачи являются менее существенными факторами.

Бесшовная реакторная труба обладает несколько более высокой теплопроводностью, чем реакторная труба из прокатанно- го листа, реакторная труба из прокатанного листа обладает значительно более высоким почти на 37 коэффициентом теплопередачи. Этот повышенный коэффициент теплопередачи h_r, использованный в тепловых расчетах в сочетании с коэффициентом теплопередачи через пленку шлама для содержимого реактора величиной порядка 0,284 Вт/см², ^оС (500 БТЕ/ч.фут.².^оФ) и коэффициентом теплопередачи через пленку охлаждающего вещества (воды) величиной порядка 0,54 Вт/см^2оС (950 БТЕ/ч.фут.².^оФ), ведет к повышению на 12,8 скорости образования полимера при температуре взаимодействия 103,33^оС (218^оФ) или к понижению на 3,7^оС (6,6^оФ) температуры взаимодействия при скорости получения величиной 17 373,58 кг/ч (38 270 фунт/ч), если считать, что происходит образование сополимера этилена с гексаном (при весовом содержании гексана менее 1) с плотностью 0,955 г/см³ при следующих технологических условиях: избыточное давление в реакторе примерно составляет 0,438 МН/м² (636 фунт/кв. дюйм); скорость содержимого реактора составляет 8,32 м/с (27,3 фут/с); скорость охлаждающей воды составляет 2,68 м/c (8,8 фут/с); температура охлаждающей воды на входе равна 70^оС (185^оФ) и содержимое реактора на 62 по объему состоит из твердых веществ, находящихся в изобутановом разбавителе.