专利名称：改进的用于环管反应器内淤浆聚合的泵送装置和方法
技术领域：
本发明涉及于液体介质中的淤浆聚合。更具体地，本发明涉及用于淤浆聚合的大容积环管反应器的泵送装置和方法。
背景技术：
聚烯烃如聚乙烯和聚丙烯可通过颗粒形式的聚合(也称为淤浆聚合)制备。该技术中，将进料如单体和催化剂供入环管反应器中，并从反应器中取出或排出包含在液体介质中的聚烯烃固体颗粒的产品淤浆。
在环管聚合操作中，用一或多台泵使流体淤浆在环管反应器中循环，一般通常为反应器内置有叶轮的轴流泵。这种泵为流体淤浆的循环提供原动力。随着反应器容积和流体淤浆的固体浓度增大，对泵的要求也提高。一般而言，选择和操作环管反应器泵时必须考虑流体淤浆的流速、压力、密度和粘度。
已证明在环管反应区中进行淤浆聚合在工业上是成功的。淤浆聚合技术在世界上已享有年产数十亿磅烯烃聚合物的成就。但仍然希望设计并建造更大的反应器。反应器的尺寸对泵的技术要求影响很大，特别是对泵的压头(泵叶轮两侧的压差，用英尺液柱表示)和流量(速度×管的截面积，用加仑/min或者GPM表示)影响很大。
迄今，烯烃聚合物于稀释剂中的流体淤浆一般限于较低的反应器固体浓度。沉降腿用来将欲取出的淤浆浓缩，因而在沉降腿的出口处，淤浆将具有较高的固体浓度。顾名思义，要在沉降腿中进行沉降来提高欲取出淤浆固体的浓度。
除淤浆浓度之外，影响反应器内固体浓度的另一因素是流体淤浆的循环速度。由于淤浆速度会影响诸如传热和聚合物在反应器内堆积所致反应器结垢等限制因素，所以对于给定的反应器直径而言，淤浆速度越高则允许固体浓度越高。
提高环管反应器循环泵的压头和流量，可使更高重量百分率的固体在反应器内循环。两台泵串联使用可使泵送压头加倍，从而使固体增多。这两台泵可位于反应器的不同管段，使每台泵都用于偶数个料腿可能是理想的。
发明内容
环管反应器装置可包括多个竖管段、多个上部竖管段和多个下部横管段。每个竖管段的上端与上部横管段之一相连，下端与下部横管段之一相连。这些竖管段和横管段形成适合输送流体淤浆的连续流路。环管反应器装置还包括至少两个给反应器内的流体淤浆提供原动力的泵。每台泵都与一个置于连续流路内的叶轮相连接。两叶轮彼此面对而且旋转反向相反，两叶轮的距离靠近到足以使其中一个叶轮可受益于另一叶轮的转动能。环管反应器装置还包括向连续流路中引入烯烃单体的设备，向连续流路中引入稀释剂的设备，向连续流路中引入聚合催化剂的设备和从连续流路中取出一部分流体淤浆的设备。
环管反应器装置可包多个主要管段和多个次要管段。每个次要管段将两个主要管段彼此连接起来，从而使主要管段和次要管段形成连续流路。环管反应器装置还包括连于一个管段的单体引入设备、连于一个管段的催化剂引入设备和连于一个管段的产物出料设备。环管反应器装置还包括上游泵和下游泵，其中每个泵都与一个置于连续流路内的叶轮连接。泵的布置方式是能使两个叶轮旋转方向相反，且靠近到足以使上游泵所提供的转动能有至少一部分被下游泵收回。叶轮放置在一个管段的至少一个加宽部分中。所述加宽部分和叶轮的直径大于管段的直径。
或者，这些环管反应器装置也可包括在同一横管段内放置两个叶轮。并且，可在至少一个叶轮上游的一部分连续流路中放置至少一个导流叶片来产生与叶轮旋转方向相反的旋转运动。
环管反应器装置可包括多个主要管段和多个次要管段。每个次要管段将两个主要管段彼此连接起来，从而使主要管段和次要管段能形成连续流路。环管反应器装置还包括连于一个管段的单体引入设备、连于一个管段的催化剂引入设备和连于一个管段的产物出料设备。环管反应器装置还包括至少一个置于连续流路内的导流叶片和一个位于导流叶片下游的泵。泵与一个置于流路内的叶轮连接，此叶轮也位于导流叶片的下游。导流叶片和叶轮在流路上产生相反方向的旋转运动，并且彼此靠近到足以使淤浆在接合下游泵时能产生旋转运动。
环管反应器装置可包括适用于进行烯烃聚合过程的环管反应器，所述烯烃聚合过程包括将至少一种在液体稀释剂中的烯烃单体进行聚合来生产出包含液体稀释剂和烯烃聚合物固体颗粒的流体淤浆。环管反应器装置还包括一个连接环管反应器的单体引入设备、一个连接环管反应器的催化剂引入设备、一个连接环管反应器的产品出料设备和至少一台置于环管反应器内的混流泵。
上述任一环管反应器装置可在一个下部横管段或次要管段的加宽部分中有一个叶轮。加宽部分和叶轮的直径大于下部横管段的直径。一般而言，每个叶轮的直径比所述管段的平均直径要大。
一种环管式淤浆聚合法可包括向环管反应器中引入单体、稀释剂和催化剂，使单体聚合生成包含稀释剂和聚烯烃固体颗粒的淤浆，用两个叶轮使淤浆循环，第一叶轮使淤浆产生第一旋转运动，第二叶轮使淤浆产生第二旋转运动。在改进的方法中，第二旋转运动与第一旋转运动方向相反。方法还可包括使第一叶轮上游的淤浆形成与第一叶轮第一旋转运动反向的前旋流。方法还可包括使第二泵下游的淤浆形成后旋流，以回收第二泵叶轮的旋流运动而使之转变成泵轴向的流动和压头。
一种环管式淤浆聚合法可包括向环管反应器中引入单体、稀释剂和催化剂，使单体聚合生成包含稀释剂和聚烯烃固体颗粒的淤浆，用至少一个叶轮将淤浆循环，在淤浆到达叶轮之前使淤浆产生第一旋转运动和用叶轮使淤浆产生第二旋转运动。在改进的方法中，所述第二旋转运动与所述第一旋转运动方向相反。最好是用前旋流叶片来产生第一旋转运动。
上述任一环管式淤浆聚合法中，可使至少一个叶轮与容纳该叶轮的环管反应器部分之间的间隙最小化。在改进方法中，淤浆中聚烯烃固体颗粒的最低浓度可有一个较理想值，例如至少约45wt％。淤浆可以约20,000加仑/min至约100,000加仑/min的流量循环。叶轮单独或一起可实现约120英尺至约600英尺的压头。
图1示出一种先有技术的环管反应器和聚合物回收系统。
图2是叶轮机构的剖视图。
图3示出一种布置了两个能使转动能的利用得以改进的泵的环管反应器。
图4是图3双泵布置的近视图。
图5示出有导流叶片的环管反应器。
图6是导流叶片的另一视图。
具体实施例方式
本发明方法和装置适用于任何环管反应区，该反应区包括一种聚合物固体于液体介质中的淤浆，包括烯烃聚合过程所用淤浆。特别地，本发明方法和装置可应用于循环有高固体浓度的流体淤浆的大容积环管反应器。
本文所用术语“淤浆”意指固体和液体存在于不同相的组合物。术语“流体淤浆”意指在环管反应区中循环的包括聚合物固体和液体介质的淤浆。固体可包括催化剂和烯烃聚合物如聚乙烯。液体介质可包括一种惰性稀释剂如异丁烷，并有溶于其中的单体、共聚单体、分子量控制剂诸如氢气、抗静电剂、防垢剂、清除剂和其它加工助剂。或者，液体介质可主要由未反应的单体组成，例如在一些丙烯聚合过程中。术语“产物淤浆”意指从环管反应区取出的用于回收聚烯烃产品的那部分淤浆。
设计和建造一种有能力提供用于淤浆聚合的大容积环管反应器所需压头和流量的单泵是不容易的，尤其是在淤浆固体浓度很高时的情况。泵的压头和流量越高越好，因为这样就能允许环管反应器在更高的固体浓度下操作。固体浓度高有许多好处。例如，反应器中固体浓度高通常意味着作为产物淤浆的一部分排出的稀释剂更少。另外，高固体浓度可使一定时间段的聚合物的收率提高(或者在产率相同的情况下可延长聚合物的停留时间，从而提高催化剂的效率)。
本发明的一些发明人在US6,239,235(引入本文供参考)中公开了一种方法和装置，其中的高固体浓度泵和连续出料附件能显著提高反应器内的固体浓度。按该方法和装置，固体浓度可超过40wt％。(该申请中，因为产率非常高，特别是使用氧化铬/氧化硅的情况下，故催化剂的重量忽略不计。)本发明方法和装置适用于循环最低固体浓度为至少45wt％、或至少46wt％、或至少47wt％、或至少48wt％、或至少49wt％、或至少50wt％、或至少51wt％、或至少52wt％、或至少53wt％、或至少54wt％、或至少55wt％、或至少56wt％、或至少57wt％、或至少58wt％、或至少59wt％、或至少60wt％的流体淤浆。本发明方法和装置还适用于循环最高固体浓度为至多75wt％、或至多74wt％、至多73wt％、至多72wt％、至多71wt％、至多70wt％、至多69％重、至多68wt％、至多67wt％、至多66wt％、至多65wt％、至多64wt％、至多63wt％、至多62wt％、至多61wt％的流体淤浆。上述最低浓度和最高浓度可以是绝对最低浓度或最高浓度，也可以是平均固体浓度的最低或最高值。可将如上文所定义的固体浓度任一最低值和任一最高值组合来划定固体浓度的范围，只要所选最低值低于所选最高值。某些情况下，上述重量百分率可以是近似值。
本发明方法和装置适用于乙烯的均聚和乙烯与高级1-烯烃如丁烯、1-戊烯、1-己烯、1-辛烯或1-癸烯的共聚。一种优选方法是乙烯与作为起始原料的量在0.01-10wt％、优选0.01-5wt％、更优选0.1-4wt％范围的共聚单体进行共聚，其中共聚单体选自上述高级1-烯烃，且重量百分数是基于乙烯和共聚单体的总重。或者，用足量的共聚单体作原料来得到共聚单体引入量为0.01-10wt％、优选0.01-5wt％、更优选0.1-4wt％的范围的聚烯烃产品。这类共聚物仍视为聚乙烯。
适合在本发明方法中用作液体介质的稀释剂为本领域公知，包括在淤浆聚合条件下惰性且为液态的烃。适合的烃包括异丁烷、丙烷、正戊烷、异戊烷、新戊烷和正己烷，特别优选异丁烷。
此外，本发明可用于未反应单体是用于聚合过程液体介质的情况。例如，本技术可用于丙烯的聚合，其中丙烯是液体介质而不存在任何明显量的惰性稀释剂。稀释剂仍可用于催化剂。为举例说明而非作为限制，在以下说明中将结合用惰性稀释剂作为液体介质的聚乙烯过程描述本发明，但应理解本发明也可用于单体代替稀释剂作为液体介质的情况。
适合的催化剂也是本领域公知的。特别适合的是在文献中广为公开的负载于载体如氧化硅的氧化铬催化剂，例如US2,825,721(引入本文供参考)中所公开的催化剂。本文所指氧化硅载体还涵盖任何已知的含氧化硅载体，例如氧化硅-氧化铝、氧化硅-氧化钛和氧化硅-氧化铝-氧化钛。也可使用任何已知的其它载体如磷酸铝。本发明还适用于使用有机金属催化剂的聚合过程，有机金属催化剂包括本领域常称为齐格勒催化剂和茂金属催化剂的那些催化剂。
有关环管反应器装置和聚合方法的其它详情可参见例如US4,674,290、5,183,866、5,455,314、5,565,174、6,045,661、6,051,631、6,114,501、和6,262,191，均引入本文供参考。
在环管反应器淤浆聚合过程中使用泵来为聚合物固体颗粒含于稀释剂中的流体淤浆提供循环的原动力。可使用叶轮置于反应器或反应区内的泵。此轴流泵可使流体淤浆以一定速度循环。随着淤浆循环速度的增加，反应器向冷却夹套(或其它冷却系统)间的传热得到改善，而且可循环更高含量的固体。但要提高淤浆速度则需要泵马达提供更大的功率、更高的压头且轴、轴承、密封和叶轮的强度要更高。因此最好是强化泵效率、构造细节和泵规格细节。很多技术可用来强化这些方面并有利于对大容积的高固体浓度聚合淤浆进行高速泵送首先，可采用双泵布置，其中泵布置成能使上游泵所产生的旋转能可至少部分被下游泵回收。例如，可将两台泵布置在一根横管段或一根次要管段上。可将两台泵放在环管反应器的相邻弯管处以使第一台泵(上游泵)给淤浆提供的旋转能可在叶轮转动方向相反的第二台泵(下游泵)中部分地被回收。如此布置改善了淤浆的压头和流量，从而改善了两台串联泵的泵送效率。图3和4示出此技术。在另一些情况中，叶轮不必布置在同一管段中，只要它们靠近的足以使下游叶轮得益于上游叶轮的转动能即可。在另一些情况中，通过以非对称布置方式放置泵与/或叶轮可获得明显的好处。
第二，可利用导流叶片(本文中也称为前旋流叶片或后旋流叶片)或其它从动旋转淤浆的设备来使淤浆产生旋转。所述前旋流叶片可使淤浆在到达叶轮之前产生旋转。导流叶片可产生与叶轮所提供的旋转方向相反的旋转，从而使所述泵的相对转速提高且使淤浆有更高的出料速度和流量。这使泵效率得到改善。后旋流叶片可使淤浆流经叶轮之后产生旋转。根据所期望的效果，后旋流叶片产生的旋转可与叶轮所提供的旋转方向相同或相反。后旋流叶片可结合到支撑泵轴的轴架或轴承密封外罩的设计上。而且，如果一个轴上有两或多个同向旋转的叶轮，则导流叶片可置于叶轮之间使旋转运动转变成轴向运动或反向旋转来提高效率、泵容量和泵的压头差。图5示出实施本技术的前旋流叶片或导流叶片相对于泵叶轮的放置方法。此前旋流叶片可使泵效率提高至少2％、或至少3％、或至少4％、或至少5％、或至少6％、或至少7％、或至少8％、或至少9％、或至少10％。在某些情况下，上述值是近似值。
第三，可使泵叶轮和叶轮外罩的反应器管之间的间隙最小化。在叶轮和叶轮位置的反应器壁之间会界定出一个间隙。使该间隙最小化能减少从泵出口(高压)至泵入口(低压)的反向循环。这样就可提高泵流量和压头。但这样将会使固体破碎成更小颗粒或细粒的倾向增加，必须在二者之间取得平衡。此间隙可为1/72英寸或更小、1/64英寸或更小、1/48英寸或更小、1/32英寸或更小、1/24英寸或更小、1/16英寸或更小、或1/8英寸或更小。某些情况下上述间隙值可能是近似值。
第四，可在一个计算机控制的6-轴铣床上采用机械加工技术由铝、钛或钢制造反应器泵叶轮。用已预先筛出砂眼的金属块加工出来。这样可防止因砂眼所致的叶轮薄弱部分，可精密地控制叶轮截面的厚度来获得所需的强度，以便能承受在较高固体浓度下操作的环管反应器所要求的高压头和流量。
第五，可采用直径大于环管反应器直径的泵叶轮(如本文的图2和US6,239,235的图8所示)。例如，对于直径24英寸的聚乙烯环管反应器，可采用直径为26英寸或更大的叶轮。或者，可采用直径为28英寸或更大的叶轮。或者，可采用直径为30英寸或更大的叶轮。也可使用转速(RPM)为180～18,000的聚乙烯环管反应器循环泵，在直径24英寸(标称)的聚乙烯环管反应器中使环管反应器循环泵达到120～600英尺的泵压头和20,000～100,000GPM。其它尺寸的环管反应器则有另一些适合范围。
第六，可采用径向泵或混流泵。在径向泵或混流泵中，叶轮片接触淤浆时向淤浆流提供了比常规轴流泵更高的速度和能量。因此，径向泵或混流泵能产生更高的流动压头和速度，从而更好地解决了大反应器的压力需求问题。这使轴流泵的特性变成了更像径向泵或典型的离心泵，其中流体流沿轴向进入泵后沿径向离开叶轮。在混流泵中，流体流以既有轴向分量又有径向分量的矢量离开叶轮。此矢量的角度可为0～90度，其中0度表示该矢量沿轴向离开泵，90度表示该矢量沿径向离开泵。
在新的或改进的环管式聚烯烃生产方法中，上述技术之任一或全部都可与采用连续出料、沉降腿、闪蒸管线加热器、通过蒸发使稀释剂与聚合物分离的闪蒸系统和使稀释剂直接循环回反应器的聚合过程联用。本发明装置和方法可采用连续出料以进一步提高反应器中固体浓度，如US6,239,235中所述，引入本文供参考。或者或增补地，本发明装置和方法可用沉降腿提高沉降效率。术语“沉降效率”定义为从沉降腿(或连续排出口)排出的聚合物量(lb/hr)除以同时从沉降腿(或连续排出口)排出的聚合物(lb/hr)加排出的异丁烷稀释剂(lb/hr)总量。
现在参看附图，图1示出一个有竖管段12、上部横管段14和下部横管段16的典型环管反应器10。这些上部和下部横管段14和16界定了水平流动的上部和下部区。环管反应器14中放置一个叶轮来使淤浆循环。每个竖管段12都通过相应的横管段14与另一竖管段相连。竖管段12可包括热交换夹套(或称冷却夹套)18。竖管段12和横管段14构成环路反应区。环路反应区可包括比图1所示出的更多或更少的竖管段12和相应的横管段14。并且，环路反应区可以是竖直或水平方向。另外，一些或所有与竖管段连接的横管段14可以是弯曲的。事实上，用来连接竖管段12的连接管段14可以是任意形状或形式且能使淤浆可在其间流动。
通过由竖管段12和冷却夹套18形成热交换器的方法使反应器冷却。正如上文所提及的，淤浆流经管段12时的速度越快，则热量从环管反应器10向冷却夹套18的传递就越好，这样流体淤浆中的固体浓度就能越高。每一管段都通过一个平滑的接头或弯头20与下一管段相连接，这样来提供一个基本畅通无阻的连续流路。电动机24驱动叶轮22(图2所示)，叶轮进而使淤浆循环。单体和补加稀释剂分别借助管线26和28引入，可由一或多个位置直接引入反应器10，或者如图所示与冷凝稀释剂循环管线30合并引入。也可通过这些管线将共聚单体引入反应器。可通过任一合适的技术将单体和共聚单体引入反应器10，例如简单的打开所述反应器、喷嘴、喷淋器或其它的分配设备。
催化剂借助一个能提供催化剂引入区(位置)的催化剂引入设备32引入。任何适合向环管反应器引入催化剂的方法都可采用。例如，美国专利No.6,262,191(并入本发明作为参考文件)所公开的制备催化剂浆液并将其引入环路反应(聚合)区的方法和装置就可用于本发明的方法和装置。
附图标记34粗略表明出用来连续取出中间产物淤浆的长空心附件。连续出料附件34位于或邻近一个底部横管段16的下游端且邻近或就在连接弯头20上。环管反应器可有一或多个连续出料附件。
在图1所示的装置中，产物淤浆经由导管36进入高压闪蒸罐38。导管36包括一个外围管40，外围管40内供有热流体，间接向闪蒸管线36内的淤浆供热。汽化的稀释剂经导管42从闪蒸罐38馏出，以供进一步处理，包括用回收冷凝器50经简单热交换进行冷凝，且不必经压缩就借助循环稀释剂管线30返回系统。回收冷凝器50可在本领域所熟知的任何条件下使用任何本领域所熟知的适当热交换流体。但是，通常使用的一种经济上易于提供一定温度的流体(如蒸汽)。此热交换流体的合适温度范围从40～130°F。
聚合物颗粒借助管线44从高压闪蒸罐38排出，以便用本领域所熟知的技术进一步处理。可将聚合物颗粒送到低压闪蒸罐46，之后作为聚合物成品借助管线48回收。可在高压闪蒸罐38和低压闪蒸罐46之间安装一个缓冲罐(图上未注明)以便于维持这两个闪蒸罐之间的压差。馏出的稀释剂经由压缩机47后进入管线42。在Hanson等人申请的美国专利No.4,424,341中详细地公开了这种两步闪蒸设计，纳入其内容以作参考。
除了图1所示的8个竖管段或“腿”的情况外，可采用任意数目的竖管段12或“腿”。预期一个十二腿反应器能从本发明所公开的技术中获益。环路反应区的流动长度通常超过900英尺，或者超过1000英尺，或者超过1100英尺，或者超过1200英尺，或者超过1300英尺，或者超过1400英尺，或者超过1500英尺，或者超过1600英尺，或者超过1700英尺，或者超过1800英尺，或者超过1900英尺，或者超过2000英尺。在某些情况下上述数据只是近似值。
本发明方法和装置因为能有效利用泵设备来产生优越的性能，因而特别适用于30,000加仑或更大的反应器，或者33,000加仑或更大的反应器，或者35,000加仑或更大的反应器，或者36,000加仑或更大的反应器，或者40,000加仑或更大的反应器，或者42,000加仑或更大的反应器，或者44,000加仑或更大的反应器，或者46,000加仑或更大的反应器，或者48,000加仑或更大的反应器，或者50,000加仑或更大的反应器，或者60,000加仑或更大的反应器，或者70,000加仑或更大的反应器，或者80,000加仑或更大的反应器，或者90,000加仑或更大的反应器，或者100,000加仑或更大的反应器。前面的容积数可以是近似值。本技术可将两个本来独立的环管反应器很好的连在一起。确实，只要相对少的投资，就可利用两台同样的泵将两个18,000加仑反应器组合成一个36,000加仑的反应器，而产率则超过2倍。
环管反应器10的操作方式是使标准直径24英寸反应器中的一或多台泵的进和出端产生至少18psig的压差，或者至少20、22、24、26、28、30psig的压差。通常环管反应器10的操作方式是能产生至少0.07(英尺淤浆压降/英尺标准直径24英寸反应器的反应器长度)的压头(表示每单位长度反应器的压力损失)。以标准直径2英尺(或24英寸)为参比，则意味着中等直径约为21.9英寸。对更大直径而言，每单位长度反应器就需要更高的淤浆流速和更大的压降。这里假定淤浆的密度通常约为0.5～0.6。
通过采用本发明所公开的技术可获得更高压差或压头。例如，通过控制泵叶轮的旋转速度、减少叶轮叶片和管内壁之间的间隙或采用更有效的叶轮设计的方法可提高压差。通过使用至少一台附加泵的方法也可提高压差或压头。
图2示出用来将淤浆沿流路连续移动的叶轮22。所述叶轮22有叶片74，并安装到一个与电动机24相连的轴78上。管线21有一个竖管段12和一个下部横管段16，在弯头20处相互连接起来。电动机24驱动轴78，进而驱动叶片74，这样叶轮22推动淤浆沿箭头A方向流入弯头20，进而向上流入竖管段12。从图可看出，叶轮22位于管线21的加宽部分66中，作为推动区70。管线21加宽部分66的直径比管线21其它部分的直径大。仅作为举例，管线21的直径是24英寸。仅作为举例，加宽部分66的直径要大于24英寸。因此，按叶片74对径所测的叶轮22直径要比管线21的直径大。仅作为举例，按叶片74对径所测的叶轮22直径要超过24英寸。由于加宽部分66允许在管线21中采用更大的叶轮，则叶轮22能以更高的速度推动淤浆流经管线21。大叶轮22同样也能通过增加淤浆在出料口的压力而提高压头。仅作为举例，对一个直径24英寸反应器而言，大叶轮22能产生20,000～100,000加仑淤浆/分钟的流量和120～600英尺的压头。因此，大叶轮22还能在冷却夹套18(图1)产生更多的传热，使环管反应器10(图1)所产出的固体浓度更高。
或者，不是用加大叶轮22直径的方法，而是在直径24英寸(标准)的环管反应器中，用较小叶轮22以180～18,000RPM的转速进行操作来产生120～240英尺的压头和20,000～50,000GPM的流量。
图3示出两台泵100和102，两台泵对放在管线21下部横管段16的两端。为便于清楚，在图1中的所示的其它装置被省略了，但在一个运行的聚合系统中要用到这些装置。如图所示，泵100和102使淤浆沿箭头A方向通过环管反应器10。
图4更详细地示出两个泵100和102及管线21。泵100包括带有叶片74a的叶轮22a，并安装到与电动机24a相连的轴78a上。泵102包括带有叶片74b的叶轮22b，并安装到与电动机24b相连的轴78b上。管线21有两根平行的竖管段12a和12b，和一根下部横管段16，在20a和20b弯头处分别将竖管段12a和12b相互连接起来。电动机转动24a轴78a，从而使叶轮22a上的叶片74a以第一旋转方向进行转动。电动机24b转动轴78b，从而使叶轮22b上的叶片74b以第二相反的旋转方向进行转动。仅作为举例，叶轮22a沿顺时针方向旋转，叶轮24b则是沿逆时针方向旋转。淤浆沿箭头A方向先经泵102然后再经泵100通过管线21。
淤浆通常以平行轴78b的方向迎面地流入叶轮22b。当淤浆流过叶轮22b的叶片74b时，叶片74b将淤浆沿轴78b的切线角度并朝着管线21内壁方向排出。淤浆以何角度何方向从叶片排出取决于叶轮22b的旋转方向。叶轮22a和叶轮22b的位置要靠近足以使淤浆在接近叶轮22a时仍以该切线角度流动。淤浆接合叶轮22a的叶片74a，因为叶轮22a的旋转方向和叶轮22b的旋转方向相反，叶片74a将淤浆转向，使淤浆从叶轮22b排出，以基本与轴78a平行的方向沿箭头A前行。这样，叶轮22a“理直”了淤浆的流向路线，将淤浆以基本与轴78a平行的轴线方向排出，然后淤浆流向弯头20a，接着沿竖管段12a向上流。另外，由于淤浆是以一定的角度接合叶片74a，故能以较小阻力滑过偏角叶片74a。
由于淤浆由叶轮22a排出时通常是以平行轴78a的轴向排列方式流动，所以淤浆通过泵100后的运动速度要比其仅从泵102流过的速度要快。从泵102流出的淤浆运动速度较慢是因为淤浆会沿朝向管线21内壁的角度流动，这样管内壁会使其转向并使流速降低。另外，由于淤浆以较小阻力滑过叶片74a，叶轮22推动淤浆所需的功率更小。因此，将位置靠近的两个反向转动泵100和102串联置放，由泵102提供给淤浆的动能就可部分由泵100回收，使淤浆更有效地流过管线21并以更高速度离开泵100。这样，两个泵100和102就可达到提高固体浓度的效果。
可用一台二段泵来替代两个分开的泵100和102。二段泵包括依次排列在同一泵中旋转方向相反的两个叶轮。
图5示出泵100和管线21中的导流叶片114。当淤浆沿箭头方向A流过管线21时，导流叶片114位于泵100的上游。这样，这些导流叶片就是前旋流叶片。导流叶片114从管线21的内壁向泵100延伸。导流叶片114全部以同一个角度从内壁向心式地弯曲。淤浆沿箭头A方向大致是平行轴78直行到达导流叶片114。当淤浆与导流叶片114接合时，导流叶片114提供给淤浆一定角度的旋转或旋流，使淤浆与轴78成一定角度流向管线21的内壁。导流叶片114使淤浆顺时针还是逆时针方向旋转，要取决于导流叶片114从管线21内壁弯曲的方向。仅作为举例，导流叶片114的方向是使淤浆逆时针旋转。
淤浆离开导流叶片114，以与轴78成一定角度流动接触叶轮22。优选叶轮22的旋转方向与导流叶片114所造成的淤浆旋转方向相反。叶轮的旋转方向可与导流叶片所造成的淤浆旋转方向相同。仅作为举例，叶轮22顺时针方向旋转。由于淤浆以一定的角度与叶片74接合且和叶片74的旋转方向相反，淤浆滑过偏角叶片74，其阻力要比淤浆直接迎面流向叶片74时减小。这样，流过叶轮22时的淤浆速度较少受到叶片74的阻抗，且叶轮22的旋转速度较少被淤浆阻抗。因此，当淤浆离开叶轮22时，只需要较少的动力来提高淤浆的速度，叶轮22从电动机24获得接合和推动淤浆所需的动力更少。
另外，当叶轮22的旋转方向淤浆与流过导流叶片114后的旋转方向相反时，叶片74会使淤浆转向，使淤浆从叶轮22排出，沿箭头A以基本平行轴78的方向前行。这样，叶轮22“理直”了淤浆的流向路线，将淤浆以基本与轴78a平行的轴线方向排出。当淤浆以平行轴78的方向排出时，其流动速度要比淤浆以与轴78有一定角度向向管线21内壁方向排出时要快，因为内壁阻碍并偏转了淤浆的流动。
图6提供了导流叶片110的另一视图，此图中，所示的导流叶片110自未与反应器其余部分连接的管线21露出。
因此，使用导流叶片与泵100，通过提高淤浆离开泵100的速度，并减小旋转叶轮22所需动力，来改善了淤浆移过环管反应器10(图1)的效率。这样，使用导流叶片和叶轮22来使淤浆固体浓度得以提高。
在反应器所用的传统轴流泵中，其叶轮叶片的斜度或是说相对轴的角度范围受限。因此，从轴流泵叶片排出的淤浆主要沿着与叶轮的轴大致平行的方向运动。但是，由于叶片限定斜度，所以叶片妨碍了淤浆的流动，淤浆与叶片接合时流速会降低。这样，轴流泵就需要相当大的能量来提高淤浆的流速。
图7示出位于管线21中的混流泵200。泵200安装在管线21中一个直径大于管线21的拱形泵壳204内。泵200有一个叶轮228，接到一个延伸于管线21的轴212上。叶轮228具有与轴212成一定的角度放置的叶片208。叶片208的方向与轴212的角度为0～90度。泵200包括一个凸起部分216，位置在泵壳204内的轴212的附近，凸起部分216和泵壳204的内壁224之间界定出一个弯曲或弧形流道220。
在如图7所示的混流泵中，淤浆流过管线21沿箭头B流向泵200并与叶片208接合。因为叶片208以不同斜度排列(相对轴212的角度)，当叶轮228转动时，淤浆以较小阻力流过叶片208，且只需要较小的能量来提高淤浆的流动速度。因此，混流泵比轴流泵能更有效地提高淤浆的流动速度。离开叶片208时淤浆在与轴212垂直和平行两个方向的速度分量都很大。淤浆的流速分量都捕集于通道220内，且流道的拱形内壁224逐渐改变了淤浆速度分量的方向，使淤浆在离开泵壳204时是以平行轴212的方向流进管线21。因此，混流泵比传统轴流泵能产生更高的压头和淤浆流速，之后在其离开叶轮228时有效改变淤浆的流向，使提高的流速和压头不会损失。这样，混流泵就有效产生了满足大反应器压力要求所必须的流动压头和速度。
应指出的是，轴流泵也可用在图7的结构中。轴流泵的操作和混流泵相似，也能提供混流泵的很多优点，但是，轴流泵更多是以垂直轴212的方向将淤浆从叶轮叶片排出的。
另外，也可沿流道220安装后旋流导流叶片来改变淤浆的旋流方向和流速。从叶轮228排出的淤浆旋流方向通常与叶轮228的旋转方向相同，这样淤浆就不是直接面向流道220的出口。后旋流导流叶片改变并转向了淤浆的速度、能量和流动，使导流叶片排出的淤浆更多是以平行轴212的方向前行。这样，后旋流导流叶片提高了淤浆流动压头和泵效率。这些导流叶片也可是我们所熟知的分散器、定子或支杆。它们也可在流道200中提供机械支撑的作用。
混流泵或轴流泵可与本发明所公开的用于环管反应器技术的其它方面联用，包括双泵的布置、导流叶片、叶轮叶片和管之间的最小间隙、生产技术、直径大于管线直径的叶轮。
再回到图2，叶轮22的叶片74叶尖处88到靠近加宽部分66的内壁，但实际上没有接触内壁。叶尖88和内壁之间的距离有一定间隙。操作过程中，一些已流到叶轮22下游的淤浆又会越过叶片74的叶尖88返回到叶轮22上游处，这样，叶轮22通常不得不再次接合其已接合一次的淤浆。反复处理淤浆需要叶轮22有更多的动力并会减慢泵送过程。因此，反复循环的淤浆会导致随着环管反应器因淤浆流速降低而效率下降。
二者间隙越小，已流到叶轮22下游的淤浆越过叶片的叶尖88返回到叶轮22上游处的可能性就越小。图2中优选的间隙为1/64英寸或更小。通过使叶片74的叶尖88与管线21内壁的间隙达到1/64英寸或更小的方法使叶轮22减少再循环，提高了淤浆排出时的速度和压力，从而提高的流量和压头。淤浆过叶轮22的压头、速度和流量方面的改进能使产物淤浆中固体浓度得以提高。
最后一点，用铝、钛、或钢制造的叶轮22更耐用，寿命更长。例如循环闭合环路反应器中反应物所用的工业泵常规是由生产厂商来检测，且应当检测所必须的压力以避免砂眼。在计算机控制的6-轴铣床上加工叶轮22，该铣床能够由已筛出会威胁叶轮22结构整体性的铸造砂眼的金属块加工成叶轮22。另外，计算机控制的6-轴铣床可用来精确控制叶轮22的厚度，并确保叶轮22有承受较高速度、压力和流量要求所必须的整体强度，因此改善了环管反应器10(图1)的生产效率和固体产量。
运用上述技术提高淤浆的压头、流速和流量使所生产的固体浓度得以提高。淤浆在环管反应器流动速度的提高将使淤浆向冷却夹套的传热更多。传热的提高将使聚合过程更有效且在生产淤浆过程中有更高的固体收率。
尽管已参考一些具体方案对本发明进行了说明，但本领域的技术人员应明白，在不脱离本发明范围的前提下可以做出许多改变或替换成一些等价方案。此外，在不脱离本发明范围的前提下，为使一些特殊情况或材料适用于本发明内容，可以做出许多改进。因此实际上本发明并不局限于所公开的特定实施例，本发明将包括所有属于所附权利要求范围内的方案。
权利要求
1.一种环管反应器装置，包括多个主要管段；多个次要管段；其中，每个主要管段的第一端都和一个次要管段连接，且第二端和另一个次要管段连接，这样，主要管段和次要管段形成了一个适合输送流体淤浆的连续流路；在反应器中至少用两台泵给淤浆提供动力，每台泵都与一个位于连续流路中的叶轮连接；其中，这两个叶轮相互面对，反向旋转，并且这两个叶轮的距离靠近到足以使两叶轮之一可从另一叶轮的转动能受益；向连续流路中引入烯烃单体的设备；向连续流路中引入稀释剂的设备；向连续流路中引入聚合催化剂的设备；和从连续流路中取出一部分流体淤浆的设备；
2.根据权利要求1的环管反应器装置，其中两叶轮安装在同一管段中。
3.根据权利要求1的环管反应器装置，其中至少一个叶轮上游的连续流路中装有至少一个布置成用来产生与叶轮旋转方向相反的旋转运动的导流叶片。
4.根据权利要求1的环管反应器装置，其中至少一个叶轮位于一个管段的加宽部分，并且加宽部分与至少一个叶轮的直径都比管段直径大。
5.根据权利要求1的环管反应器装置，其中叶轮和容纳叶轮的管段间有一间隙，所述间隙是1/16英寸或更小。
6.根据权利要求5的环管反应器装置，其中间隙是1/64英寸或更小。
7.根据权利要求1的环管反应器装置，其中每一叶轮的直径都比管段的平均直径大。
8.根据权利要求1的环管反应器装置，其中每一叶轮由选自钛、铝和钢的物质构成。
9.根据权利要求1的环管反应器装置，其中每一叶轮都是基本无砂眼的金属固体物。
10.根据权利要求1的环管反应器装置，环管反应器装置界定了反应器的容积，所述反应器的容积是30,000加仑或更多。
11.根据权利要求1的环管反应器装置，环管反应器装置界定了反应器的容积，所述反应器的容积是33,000加仑或更多。
12.根据权利要求1的环管反应器装置，环管反应器装置界定了反应器的容积，所述反应器的容积是35,000加仑或更多。
13.根据权利要求1所述的环管反应器装置，其中主要管段是竖管。
14.根据权利要求1的环管反应器装置，其中主要管段是横管。
15.一种环管反应器装置，包括多个主要管段；多个次要管段，每个次要管段都和两个主要管段连接，从而使主要管段和次要管段形成一个连续流路；连接到一个管段的单体引入设备；连接到一个管段的催化剂引入设备；连接到一个管段的产物出料设备；一台上游泵和一台下游泵，其中每台泵都和位于连续流路中的一个叶轮相连，泵布置成能使两叶轮反向旋转，且靠近到足以使下游泵可至少部分回收上游泵的转动能；其中叶轮位于一个管段的至少一个加宽部分，所述加宽部分和叶轮的直径都比所述管段的直径大。
16.根据权利要求15的环管反应器装置，其中两个叶轮安装在同一管段中。
17.根据权利要求15的环管反应器装置，其中至少一个叶轮上游的连续流路中装有至少一个布置成用来产生与叶轮旋转方向相反的旋转运动的导流叶片。
18.根据权利要求15的环管反应器装置，其中至少一个叶轮位于一个管段的加宽段内，并且所述加宽段和至少一个叶轮的直径都比所述管段的直径大。
19.根据权利要求15的环管反应器装置，其中叶轮和容纳叶轮的管段间有一间隙，所述间隙是1/16英寸或更小。
20.根据权利要求19的环管反应器装置，其中间隙是1/64英寸或更小。
21.根据权利要求15的环管反应器装置，其中每一叶轮的直径都比管段的平均直径大。
22.根据权利要求15的环管反应器装置，其中每一叶轮由选自钛、铝和钢的物质构成。
23.根据权利要求15的环管反应器装置，其中每一叶轮都是基本无砂眼的金属固体物。
24.根据权利要求15的环管反应器装置，环管反应器装置界定了反应器的容积，所述反应器的容积是30,000加仑或更多。
25.根据权利要求15的环管反应器装置，环管反应器装置界定了反应器的容积，所述反应器的容积是33,000加仑或更多。
26.根据权利要求15的环管反应器装置，环管反应器装置界定了反应器的容积，所述反应器的容积是35,000加仑或更多。
27.环管反应器装置包括多个主要管段；多个次要管段，每个次要管段都和两个主要管段连接，从而使主要管段和次要管段形成一个连续流路；连接到一个管段的单体引入设备；连接到一个管段的催化剂引入设备；连接到一个管段的产物出料设备；至少一个位于连续流路中的导流叶片；和一台泵，其中泵与一个位于导流叶片下游流路内的叶轮连接，叶轮和导流叶片在流路上提供相反方向的旋转运动，并且叶轮与导流叶片靠近到足以以使淤浆在接合下游泵时产生旋转运动。
28.根据权利要求27的环管反应器装置，其中至少一个叶轮位于一个管段的加宽部分，并且加宽部分与至少一个叶轮的直径都比管段直径大。
29.根据权利要求27的环管反应器装置，其中叶轮和容纳叶轮的管段间有一间隙，所述间隙是1/16英寸或更小。
30.根据权利要求7的环管反应器装置，其中间隙是1/64英寸或更小。
31.根据权利要求27的环管反应器装置，其中每一叶轮的直径都比所述管段的平均直径大。
32.根据权利要求27的环管反应器装置，其中每一叶轮由选自钛、铝和钢的物质构成。
33.根据权利要求27的环管反应器装置，其中每一叶轮都是基本无砂眼的金属固体物。
34.根据权利要求27的环管反应器装置，环管反应器装置界定了反应器的容积，所述反应器的容积是30,000加仑或更多。
35.根据权利要求27的环管反应器装置，环管反应器装置界定了反应器的容积，所述反应器的容积是33,000加仑或更多。
36.根据权利要求27的环管反应器装置，环管反应器装置界定了反应器的容积，所述反应器的容积是35,000加仑或更多。
37.根据权利要求27的环管反应器装置，其中环管反应器的主要管段是竖管。
38.根据权利要求27的环管反应器装置，其中环管反应器的主要管段是横管。
39.一种环管式淤浆聚合方法，包括向环管反应器中引入单体和催化剂；在一种液体介质中使单体聚合以生成包含聚烯烃固体颗粒的淤浆；用两个叶轮使淤浆循环；用第一叶轮使淤浆产生第一旋转运动用第二叶轮使淤浆产生第二旋转运动，第二旋转运动与第一旋转运动的方向相反；
40.权利要求39的环管式淤浆聚合过程，进一步包括使第一叶轮上游的淤浆产生与第一叶轮所提供旋转运动方向相反的前旋流，。
41.根据权利要求39的环管式淤浆聚合方法，还包括在第二泵下游使淤浆形成与第二泵的叶轮所产生的旋转运动同向的后旋流。
42.根据权利要求39的环管式淤浆聚合方法，进一步包括使至少一个叶轮与容纳叶轮的环管反应器的部分之间的间隙最小化。
43.根据权利要求39的环管式淤浆聚合方法，其中淤浆的聚烯烃固体颗粒浓度至少约是45wt％，并且最多约是75wt％。
44.根据权利要求39的环管式淤浆聚合方法，其中淤浆以约20,000～50,000加仑/分钟的流量循环。
45.根据权利要求39的环管式淤浆聚合方法，其中叶轮达到约120～240英尺的压头。
46.一种环管式淤浆聚合方法，包括向环管反应器中引入单体、稀释剂和催化剂；使单体聚合以形成含有稀释剂和聚烯烃固体颗粒的淤浆；用至少一个叶轮使淤浆循环；在淤浆到达至少一个叶轮前先使淤浆产生第一旋转运动。用至少一个叶轮给淤浆提供第二旋转运动，第二旋转运动的方向和第一旋转运动的方向相反。
47.根据权利要求46的环管式淤浆聚合方法，其中第一旋转运动是由前旋流叶片所提供的。
48.根据权利要求46的环管式淤浆聚合方法，进一步包括使至少一个叶轮与容纳叶轮的环管反应器部分之间的间隙最小化。
49.根据权利要求48的环管反应器装置，其中间隙是1/64英寸或更小。
50.根据权利要求46的环管式淤浆聚合过程，其中淤浆中的聚烯烃固体颗粒浓度至少约是45wt％，并且最多约是75wt％。
51.根据权利要求46的环管式淤浆聚合过程，其中淤浆以约20,000～50,000加仑/分钟的流量循环。
52.根据权利要求46的环管式淤浆聚合过程，其中叶轮达到约120～240英尺的压头。
53.环管反应器装置，包括多个主要管段；多个次要管段，每个次要管段都和两个主要管段连接，从而使主要管段和次要管段形成一个淤浆连续流路；连接到一个管段的单体引入设备；连接到一个管段的催化剂引入设备；连接到一个管段的产物出料设备；一台位于一个拱形泵壳内的泵，泵壳位于一个管段中，泵至少有一个叶轮装在一个轴上，叶轮的叶片与轴的角度在0～90度之间，所述泵沿着轴靠近至少一个叶轮处有一凸出部分，因此所述凸出部分和泵壳之间界定出一弧形流道，流道布置成能使淤浆由叶片推动流动并用该流道在流出泵壳后改变淤浆的流向。
54.根据权利要求53的环管反应器装置，进一步包括沿流路放置的导流叶片，以改变淤浆旋转流离开叶轮时的方向。
55.根据权利要求53的环管反应器装置，进一步包括在所述泵的对面放置第二台有叶轮的泵，这两台泵的叶轮互相面对，反向旋转，并且两个叶轮靠近的足以使其中一个叶轮可从另一叶轮的转动能获利。
56.根据权利要求55中所述环管反应器装置，其中至少一个叶轮位于一个管段的至少一个加宽部分，并且所述加宽部分和位于其中的叶轮直径比所述管段的直径大。
57.根据权利要求53的环管反应器装置，其中泵是至少有两个叶轮的混流泵。
58.根据权利要求53的环管反应器装置，其中一个叶轮上游的连续流路部分装有至少一个用于产生与叶轮旋转方向相反旋转运动的导流叶片。
59.根据权利要求53的环管反应器装置，其中叶轮和容纳叶轮的管段之间有一间隙，所述间隙是1/16英寸或更小。
60.根据权利要求53的环管反应器装置，其中叶轮的直径比管段的平均直径大。
61.根据权利要求53的环管反应器装置，其中叶轮由选自钛、铝和钢的物质构成。
62.根据权利要求53的环管反应器装置，其中叶轮是基本无砂眼的金属固体物。
63.根据权利要求53的环管反应器装置，其中环管反应器装置界定了反应器的容积，该反应器的容积是50,000加仑或更多。
64.根据权利要求53的环管反应器装置，其中主要管段是竖管。
65.根据权利要求53的环管反应器装置，其中主要管段是横管。
66.环管反应器装置，包括一种适合进行烯烃聚合工艺的环管式反应器，所述聚合工艺包括使至少一种烯烃单体聚合生成一种在液体介质中含有聚烯烃固体颗粒的流体淤浆；一个连接环管式反应器的单体引入设备；一个连接环管式反应器的催化剂引入设备；一个连接环管式反应器产物出料设备；和至少一台位于环管反应器中的混流泵。
全文摘要
本发明公开了一种烯烃聚合方法和装置，其中流体淤浆含有单体，稀释剂和催化剂，采用两台或更多台泵使连续环管反应器中的流体淤浆循环。本方法和装置能使反应在固体浓度相当高的循环流体淤浆中进行。在一个优选方案中，流体淤浆在两台布置成能使下游叶轮回收上游叶轮所提供旋转能的泵作用下进行循环。因循环速度加快的优点使烯烃聚合过程可在反应固体浓度更高的条件下操作，提高了效率，特别是在大容积反应器中。
文档编号C08F2/00GK1688610SQ03824391
公开日2005年10月26日 申请日期2003年9月16日 优先权日2002年9月17日
发明者J·D·霍托维, D·A·泽勒斯, R·K·富兰克林 申请人:切夫里昂菲利普化学有限责任公司