专利名称：用于加压丙烯聚合反应器的设备和方法
技术领域：
本发明涉及用于聚合丙烯的系统、设备和方法，包括在超临界条件下操作的丙烯加压容器。
不对本发明范围构成限制，可参考丙烯聚合和共聚反应器及系统描述本发明背景。常规的丙烯聚合反应在大大低于丙烯临界区域的温度(临界温度Tc，197.2°F)和压力(临界压力655.4psig)下操作。例如在诸多的常规方法中，聚合反应系统通常在约140-180°F温度和440-480psig压力范围下操作。然而，惊奇地发现用目前销售的丙烯聚合反应催化剂，如果在前面采用的常规温度和压力范围之外操作可以提高产率。
然而，为了利用在常规温度和压力范围之外操作的意想不到的好处，发现必须提供能在丙烯临界温度和压力范围之上，如在超临界状态操作的丙烯加压容器。因此，需要包括适合在常规参数之外操作的加压容器的丙烯聚合反应系统。
本发明提供了用于加压丙烯聚合反应系统的方法和设备，包括在超临界条件下操作的加压容器。该容器中含有在超临界条件下的第一区域的丙烯和次临界条件下的第二区域的丙烯。本发明的一个实施方案中，加压容器中的压力由超临界区域的过热丙烯的喷射速率控制。可通过控制过热丙烯原料的温度保持包含在可压缩超临界相中的丙烯温度。过热丙烯温度宜在200-280°F范围，更好的约为240°F。容器压力宜在660-800psig范围，更好的在700-730psig范围，最好约为710psig。容器中低温冷却的稠密液态丙烯温度通常在80-140°F范围，90-100°F为宜，最好约为100°F。按照这种模式操作加压容器可以使丙烯聚合反应系统加压，并在常规聚合反应温度和压力之上，例如660-700psig压力下操作。
为更完整地理解本发明的特征和优点，可结合附图参考本发明的详细描述，附图中相同的数字表示相同的部件，附图如下
图1是用于测试包含超临界条件丙烯和次临界条件丙烯的容器的控制和操作的试验装置的示意图。
图2和图3表示使用图1装置在不同条件下丙烯凝聚随时间的变化；和图4是使用本发明加压系统的丙烯聚合反应系统的示意图。
由下面详细讨论本发明不同实施方案的构成和使用，应该理解本发明提供了许多包括在很多具体内容中的能应用的发明概念。在此讨论的这些具体实施方案仅说明构成和使用本发明的具体方式，对本发明范围不构成限制。
实施例1为测试处于超临界条件下是否能够保持有效控制丙烯加压容器，按图1中说明组装试验装置10。将丙烯装入供料筒38，然后用氮气加压38。供料筒38和加压容器12间的阀16打开，通过原料管14和热交换器24将首批丙烯通入容器12。首批丙烯通入容器12后，关闭阀16，在供料筒38中重新加入丙烯。如图所示，供料筒38安装在称盘18上，有用于监测料筒重量的重量指示器20以及用于监测料筒压力的压力监测器28。
阀22打开加入蒸汽，提供热量，并使液面感应器，即差压(“DP”)元件26平衡。DP元件26稳定后，打开丙烯控制阀16，使容器12达到操作压力(710psig)。通过液面传感器36将DP元件26的读数传送到记录仪。将过热丙烯喷入容器12的顶部以保持压力恒定，同时通过放料阀46从下部排出过量液体，直到反应器液面达到要求。
为使容器12下部区域的温度保持低于其上部区域34的温度，通过冷却水阀50和供水管52向冷却盘管54供水。低于临界压力下，通过窥镜48可明显见到，在稠密(液体)区32和可压缩(气体)区34间的过渡区30。然而，当压力增加到710psig，操作条件移到两相范围之外时，容器中汽液相间的界面(通过窥镜观察)消失。然而，由于容器中的温度梯度，容器内仍存在稠密液体区和可压缩气体区。
由于当丙烯凝聚时容器内压力下降，把过热丙烯周期地加到容器内壁或稠密(液体)区32和可压缩(蒸气)区34的界面上，以保持所要求的容器压力。
试验中采用两种不同的试验方法。第一种，以提高液面的模式操作该单元，如当容器中可压缩(蒸汽)区中的丙烯凝聚时使稠密(液体)区的液面升高。第二种，容器以恒定液面的模式操作。在恒定液面模式中，通过放料阀46从容器下部区域32排出液体，将容器中液体量保持在靠近容器中部的预定范围。
这两种情况下，以固定的时间间隔记录DP读数、液体和蒸气温度、以及供料筒重量，并列于表1和表2。
表 1710psig下随液面升高的凝聚速度<
<p>表2710psig下液面恒定下的凝聚速度
由上面的例子说明，设计的丙烯加压容器可以按照包含稠密(液体)相中丙烯和可压缩的超临界相中丙烯的各自区域进行控制和操作。要在加压容器中达到要求的压力，容器可以用过热丙烯加压。图2和图3的凝聚速度与时间的曲线用于进一步说明试验结果。
本发明的一个实施方案中，容器压力可通过喷射在超临界区的完全气化的过热丙烯来控制。通过控制过热丙烯的温度来保持包含在可压缩超临界相区域中的丙烯温度。过热丙烯温度宜在200-280°F范围，过热丙烯温度约为240°F更好。容器压力宜在660-800psig范围，700-730psig更好，最好约为710psig。容器中低温冷却的稠密液态丙烯温度通常在80-140°F范围，90-100°F为宜，最好约为100°F。加压容器按照这种模式在常规聚合反应温度和压力范围之外，如660-700psig下，可以使丙烯聚合反应系统加压和操作。
参考图4，示意说明了包括本发明的丙烯聚合反应系统或设备。如图所说明的，该系统包括第一环路反应器110、通过管160与第一环路反应器连接的第二环路反应器120、以及专门设计的丙烯加压系统100。环路反应器110和120配备了搅拌器170以促进混合。尽管在双环路反应器系统中已经说明，但是加压系统应当能应用于单反应器系统以及除环路型反应器外的其它反应器。
丙烯通过原料管135供给系统，原料管135将丙烯供给环路反应器和加压系统100。丙烯通过热交换器116输送到加压系统。热交换器116配备有蒸汽管112和控制阀114。加压系统100包括加压容器130，在该容器下部配备内冷却盘管146。通过供水管140向盘管提供冷却水，由阀142调节冷却水流量。第一环路反应器110和第二环路反应器120通过管132和134与加压容器130连接。
加压容器130配备了位于容器130上部的上层温度感应器/控制器118。或者，温度感应器118可以位于热交换器116和加压容器130之间的丙烯原料管172上。感应器118的信号传送到蒸汽管112上的控制阀114，调节蒸汽到热交换器116的流量。
加压容器装有DP元件150，它向液面控制器152提供信号。来自液面控制器152的信号传送到控制阀154，154调节从第二环路反应器120排出的聚丙烯和聚合物的量。因此，如果加压反应物130中液体液面上升到高于要求的量，控制阀154打开，从系统排放丙烯和聚合物。或者，如果容器130中液面下降到低于要求量，液面控制器152将信号传送到控制阀154来关闭该阀。
容器130中的压力可通过加入过热丙烯蒸气调节。加压容器配备有压力控制器124，它连接到控制阀126。操作中，当容器130的压力下降时，压力控制器124将信号传送到控制阀126。控制阀126根据信号打开，向热交换器116提供丙烯，丙烯在通入容器130之前在热交换器中过热。操作期间，容器中压力宜在660-800psig，700-730psig更好，最好约为710psig。
操作中，丙烯以两个不同相存在于加压容器130中，过热可压缩(蒸气)相，对应于容器上部区域131，已经低温冷却的稠密(液体)相，对应于容器下部区域133。通常，上部区域131温度保持在200-280°F范围。上部区域131中的过热丙烯温度约为240°F。加压容器下部区域133中的低温冷却稠密液态丙烯的温度通常在80-140°F范围，90-110°F为宜，最好约为100°F。本文中，术语“低温冷却”指低于在相关压力下的丙烯临界温度。
加压容器下部区域133温度由内冷却盘管146保持。加压容器130在对应于容器下部区域133的位置配备了温度感应器144。到盘管的冷却水流量可由控制阀142控制，它可以根据感应器144的信号打开和关闭。本领域的技术人员可以理解其它冷却介质，如输入第二反应器120的丙烯可用作冷却介质。
本发明的重要特征是组合内冷却加压容器130和差压元件150来控制容器中低温冷却的稠密液态丙烯的液面。尽管在加压容器中丙烯以两种相存在，如过热的可压缩相和低温冷却的稠密相，但是，在超临界条件下，这两相之间的界面变得用肉眼不能监测。因此，常规的液面监测装置，例如窥镜，不能用于控制加压容器中稠密的、或流体相的液面。因此需要另一种液面监测装置，如差压液面监测装置来监测容器中流体相量。然而，为能使差压元件可用作液面监测装置，容器130上部区域131中的过热丙烯和其下部区域的低温冷却的稠密丙烯之间的密度梯度必须足以使DP元件能检测到由于浓度梯度产生的压差。使用内冷却盘管146来冷却容器下部区域133中的稠密液相丙烯至低于临界温度，提供要求的密度梯度，从而使DP元件可用作液面监测装置。
例如，本发明的一个实施方案中，容器第一区域或上部区域131，对应于可压缩的超临界丙烯的温度可保持在约240°F，而容器130下部区域或第二区域133中的稠密液相丙烯，尽管使用了内冷却盘管146，被冷却至约100°F。由于丙烯在710psig和100°F下的比容为0.033英尺3/磅，在710psig和240°F下的比容为0.145英尺3/磅，上面区域131中的过热丙烯与下部区域中低温冷却的液态丙烯间的密度比值为1∶4.39。这一密度梯度足以使DP元件用作容器130的液面指示装置。
本发明的一些实施方案用于说明本说明书的目的，本领域的技术人员可对本文提出的生产中的组成、方法和制品进行各种改进，这样的改进包含在由权利要求书定义的本发明的范围和精神中。
权利要求
1.一种丙烯聚合反应系统；包括至少一个加压容器的丙烯聚合反应系统；包含温度和压力处于丙烯临界温度和压力之上的丙烯的加压容器；和其中的加压容器包含低于丙烯临界温度的丙烯。
2.权利要求1所述的系统，其特征在于通过加入超临界条件下的聚丙烯来控制所述加压容器的压力。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于通过加入惰性气体来控制所述的加压容器的压力。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述加压容器包括用于将丙烯液体冷却至低于临界温度的内部热交换器。
5.如权利要求2所述的系统，其特征在于加压容器中低于丙烯临界温度的丙烯液面由差压感应装置监测。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述加压容器的压力在660-800psig之间，其中的加压容器包含其温度高于对应的丙烯临界温度的丙烯；和其中丙烯加压容器包含其温度低于对应的丙烯临界温度的丙烯。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述加压容器的压力在700-730psig之间，其中的加压容器包含其温度高于对应的丙烯临界温度的丙烯；和其中加压容器包含其温度低于对应的丙烯临界温度的丙烯。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于丙烯加压容器在其上部区域含有温度和压力处于丙烯临界温度和压力之上的丙烯；和其中的丙烯加压容器在其下部区域含有低于丙烯临界温度的丙烯。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于所述加压容器上部区域的温度保持在200-280°F范围。
10.如权利要求8所述的系统，其特征在于所述加压容器上部区域的温度保持在约240°F。
11.如权利要求8所述的系统，其特征在于所述加压容器下部区域的温度保持在80-140°F范围。
12.如权利要求8所述的系统，其特征在于所述加压容器下面区域的温度保持在约100°F。
13.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述加压容器连接到丙烯聚合反应器，以加压该丙烯聚合反应器，其中，在加压容器压力下低于丙烯临界温度的丙烯液面通过从丙烯聚合反应器放料来控制。
14.如权利要求13所述的系统，其特征在于加压容器包括一个液面控制器，丙烯反应器包括一个连接到液面控制器的排放阀，以控制丙烯由反应器排放。
15.一种聚合丙烯的方法，该方法包括下列步骤将加热的气体喷入加压容器，在加压容器的第一区域保持一定量的丙烯处于超临界温度和压力范围；冷却该容器的第二区域，在加压容器压力下保持第二区域的丙烯温度低于其临界温度。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于所述方法还包括使加压容器第一区域的丙烯温度保持在200-280°F范围的步骤。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于所述方法还包括将所述加压容器第一区域温度保持在约240°F的步骤。
18.如权利要求15所述的方法，其特征在于所述加压容器的第二区域的温度保持在80-140°F范围。
19.如权利要求15所述的方法，其特征在于所述加压容器第二区域的温度保持在约100°F。
20.一种用于加压丙烯聚合反应器的系统，该系统包括包括一个内部热交换器的加压容器；用于监测容器内压力的压力传感器，所述压力传感器提供指示容器内压力的信号；用于根据压力传感器信号向容器第一区域提供加热气体的控制阀，容器第一区域保持在高于丙烯临界温度和压力；用于监测加压容器第二区域温度的温度传感器，该温度传感器提供指示容器第二区域中温度的信号；和用于向内部热交换器提供冷却介质的控制阀，以使第二区域的丙烯冷却至低于加压容器压力下的丙烯临界温度。
21.如权利要求20所述的系统，其特征在于所述系统还包括用于监测所述加压容器第二区域中丙烯液面的差压元件。
全文摘要
一种用于加压丙烯聚合反应器的系统,包括:包含内部热交换器的加压容器;监测容器压力的压力传感器,它提供指示容器压力的信号;根据压力传感器信号在容器第一区域提供加热的气体的控制阀,容器第一区域保持在高于丙烯临界温度和临界压力;监测加压容器第二区域温度的温度感应器,它提供指示容器第二区域温度的信号;向内部热交换器提供冷却介质的控制阀,将第二区域的丙烯冷却至低于加压容器压力下的丙烯临界温度。
文档编号C08F2/01GK1265399SQ00101970
公开日2000年9月6日 申请日期2000年2月2日 优先权日1999年2月2日
发明者T·恩古延, W·帕克, D·A·达格尔, A·格里菲斯 申请人:弗纳技术股份有限公司