专利名称：一种烯烃聚合反应器的制作方法
技术领域：
本发明涉及反应器领域，尤其涉及一种用于烯烃淤浆聚合的烯烃聚合反应器。
背景技术：
聚烯烃是合成树脂的一个重要分支，是现代石化工业最重要的产品。烯烃聚合的工艺主要有淤浆法、气相法、溶液法等。淤浆法由于其工业化时间早、工艺技术成熟、产品质量较好，因而得到了较广泛的应用。最具代表性的淤浆法乙烯聚合工艺是日本三井油化的搅拌釜式低压淤浆法生产高密度和中密度聚乙烯的工艺(简称CX工艺)。该工艺通过改变两个聚合釜的排列方式(并联或串联)、改变操作条件和添加共聚单体的方法，控制产品分子量、分子量分布和密度，生产熔融指数为0. 01 35g/10min、密度范围在0. 943 0. 970g/cm3的高密度聚乙烯(HDPE)。浆液的夹带是淤浆法聚乙烯生产中的一个棘手的问题，至今尚未得到很好的解决。淤浆法聚合釜中的浆液夹带指的是一些较小的浆液液滴(或聚合物颗粒)随着气体进入到了聚合釜上方管道。大量的浆液夹带会使得越来越多的固体进入釜顶换热器，从而导致换热器结构增多，换热能力下降，换热器的清洗周期变短，严重时将造成生产停车。近些年，随着聚烯烃需求量的不断增加，国内外聚合装置纷纷开始扩产改造。生产能力的增大要求更多的气体进料和气体循环，这将引起浆液夹带量的进一步增大。因此，如何消除浆液夹带现象是聚合装置扩产的一大关键。夹带问题的研究大多集中于精馏、流态化、流体力学等领域，研究的体系一般是气液两相或是气固两相体系，对气液固三相搅拌体系夹带的研究几乎没有。气液两相体系的夹带与气固两相体系的夹带机理类似。以气液两相夹带为例，一些研究者总结出两种引起夹带的原因一是由于气体鼓泡到达液层表面时发生气泡破裂， 气泡顶部液体洒向上方空间，导致液沫夹带；二是认为在剧烈鼓泡时，气液流呈明显的湍动，由于流动的气体和湍动的液体间的相互作用，有可能使液体中一部分足够小的涡流被气体带走。固体的夹带机理与之类似，也存在气泡破裂颗粒的喷出和气泡尾涡颗粒的喷出两种。这两种情况可能同时存在，特别是在搅拌体系中。对于气液固三相体系的夹带情况， 一般可以进行两种近似处理一是将液体夹带和固体夹带分开考虑；二是将液固相(浆液) 看成拟液相，对其拟液相的粘度、表面张力进行修正，三相体系的夹带情况可用气液两相时的规律很好地解释。影响夹带量的主要因素有气体的表观气速、浆液的物性(粘度、表面张力等)、浆液中固含率等。当浆液被夹带离开液面后，液滴在气流中运动受到气流曳力、自身重力及浮力作用，其中大液滴上升到某个高度时以一定沉降速度落回液面，而部分小液滴则由于气流向上的速度大于液滴沉降速度，被上升气流夹带至上方管道中。当大于一定高度时，大液滴全部折返，只剩下沉降速度小于气流速度的小液滴，这时的夹带量为饱和夹带量，这个高度称为分离高度(TDH)。TDH和饱和夹带量受气流速度的影响很大，两者均随着气体表观气速的增大而显著增大。另外，液体的密度和固体含量也对TDH和饱和夹带量有着一定的影响。因此，如何在不改变产量、时空收率的前提下，降低聚合搅拌釜内的浆液夹带量， 是该领域值得研究的课题。常见的手段是在釜内添加除沫部件，以减少夹带量。国内外有不少公司进行了对除沫装置的研究，发明了多种类型的除沫装置，如英国多姆尼克亨特公司发明的去除气流中夹带物的组件(专利号W02006013333)、孟莫克化工成套设备(上海) 有限公司发明的同轴圆筒型除雾器(专利号CN2015M499U)、张家港市化工机械有限公司发明的筒壳式两级除雾装置(专利号CN101322884A)等。但是这些除雾沫装置适合一些特定的使用场合，均不适合于聚合反应釜中安装使用。在工业聚合装置中，普遍采用的是CX工艺使用的分液除沫盘。分液除沫盘的直径大约是釜径的2/3，可以阻挡上升气流中被夹带的一些浆液；另外，它将通入的己烷均勻洒向釜壁，上升气流经冲洗后，夹带的液滴中固体含量有所降低。分液除沫盘有一定的减少夹带量的效果，但随着工业装置不断扩产，通气量大大增加，分液除沫盘的除沫效率有了不少的下降。近年来，不少淤浆法HDPE生产车间均反应循环管道中夹带量较大，换热器清洗周期缩短。简单的分液除沫盘尺寸的改变，如改变分液除沫盘大小或是改变分液除沫盘安装高度，均不能很好地提高除沫效率。因此，开发新的高效的消除淤浆聚合釜内夹带量的方法已迫在眉睫。在气相法聚乙烯生产工艺中，通常会在流化床反应器的上部设置一段扩大段，以供颗粒沉降，减少气流中的颗粒夹带。由于扩大段具有较大的横截面积，大大降低了气流的表观气速，从而减少了聚合物颗粒的夹带。所有聚乙烯流化床反应器的扩大段高度都大于TDH，扩大段形式有直筒形、球形等。美国联合碳化物公司(UCC)的Unipol工艺中，使用球形扩大段，中心横截面积是床横截面积的3倍，连接段锥角为11. 1° (LLDPE流化床)或 12.5° (HDPE 流化床)。对于游菜法工艺，Basell公司在国际专利W02005028098和W02005028097中提出了一种变管径的淤浆环管反应器，该专利中的出料口设在水平管段。当管径在主管径的基础上变化率超过10%时，可以实现高浓操作。中国发明专利ZL200610049598. 9设计的淤浆环管反应器出料位置设在扩大段，增加扩大段主要有两方面作用一是实现颗粒的分级沉降和分级出料，得到粒径分布更加单一的产品；二是可以减少细颗粒的带出，进一步减少产品中灰份含量，提高产品质量。以上专利都是针对液固两相环管反应器，而对于广泛使用的气液固三相淤浆搅拌釜反应器的浆液夹带问题，目前还未见对变径釜、扩大段的研究。
发明内容
本发明提供了一种带有扩大段的搅拌釜式烯烃聚合反应器。一种烯烃聚合反应器，包括聚合釜釜体，由反应段、扩大段以及位于反应段和扩大段之间的连接段组成的；安装于聚合釜釜体内中央用于实现釜内气液固三相混合的搅拌装置，所述的搅拌装置由依次连接的传动装置、搅拌轴和搅拌涡轮组成；和位于聚合釜反应段侧壁上的用于加入溶剂和催化剂等的进料口和用于浆液出料并且控制釜内液位的溢流口。所述的扩大段和连接段均可以有一个或多个，可根据实际需要设置。
扩大段的内径愈大，水平截面的气流速度就愈小，对应的夹带量也就相应越少，因此扩大段的内径愈大愈好，为了节约成本所述的扩大段的最大内径优选是反应段内径的 1. 1倍 5倍，进一步优选为1. 5倍 2倍。从制造方便、节约成本角度考虑，所述的扩大段的形状优选为几何图形较为对称的竖直圆筒、倾斜锥筒或弯曲筒。所述的连接段作为扩大段与反应段之间的连接过渡段，为了尽量避免高活性细颗粒在连接段粘附而导致熔融结块，连接段优选为锥角较小的倒锥型面，锥角优选为10° 60°，进一步优选为35° 45°。如所述的扩大段使用弯曲筒，连接段应注意与扩大段弯曲面相切。所述的搅拌涡轮是一层或多层，涡轮形式是直叶圆盘涡轮、斜叶圆盘涡轮、半管叶圆盘涡轮或者它们中两者以上的组合。所述的烯烃聚合反应器还包括位于聚合釜釜体内用于分散通入釜内原料气体的气体分布装置。所述的气体分布装置是安装在釜顶通至釜底的4根或8根进气管或者是安装在搅拌涡轮下方的多孔环形气体分布器。所述的烯烃聚合反应器还包括位于聚合釜反应段内壁面附近用于增强釜内混合效果的挡板。所述的挡板是平直挡板或指形挡板，数量优选为2 8个，进一步优选为4个或8 个，安装方式为离壁安装，如通过支架连接挡板与反应段内壁以避免挡板贴在反应段内壁。所述的聚合釜反应段外壁上设有淤浆外循环撤热的淤浆外循环系统，所述的淤浆外循环系统由通过淤浆外循环管道串联的淤浆输送泵和外循环换热器组成。所述的淤浆外循环管道的入口与聚合釜反应段底部连通，出口与反应段中部或上部连通，用于使外循环浆液从聚合釜反应段底部流出，再从反应段中部或上部流入。所述的淤浆外循环管道的数量为一条或多条，可根据实际需要设置。所述的溢流口设置在反应段上端靠近连接段处，保证较高的液面以冲刷连接段上沉降的浆液与颗粒，进一步防止颗粒在连接段上沉积。本发明与现有的装置(CX工艺的聚合釜等搅拌釜反应器)相比具有如下优点1)采用了扩大段减少浆液的夹带，大幅度提高聚合釜控制浆液夹带的能力；2)减少了浆液进入换热器引起的换热器结垢，换热器有较长的使用周期；3)装置生产能力大，可以在较高的通气量下安全生产；4)引入了一条或多条浆液外循环管路，显著提高了装置的撤热能力；5)省去了除雾沫盘、喷淋装置等构件，装置的制造成本大大降低；6)较小的搅拌功率，降低了一定的操作费用。
图1是本发明烯烃聚合反应器的结构示意图；图2是实施例2中1#搅拌釜的结构示意图；图3是实施例2中姊 4#搅拌釜以及实施例3中3#搅拌釜(带有竖直圆筒形扩大段的搅拌釜)的结构示意图4是实施例3中5#搅拌釜(带有球形扩大段的搅拌釜)的结构示意图；图5是实施例4中烯烃聚合反应器的结构示意图；图6是实施例4中传统的CX工艺聚合釜的结构示意图。
具体实施例方式在实验室设计了多种形式的带有扩大段的搅拌釜，进行冷模实验，与传统的搅拌釜比较浆液夹带量。冷模实验时以空气、水、离子交换树脂(密度为1. 29kg/m3)模拟气、液、 固三相。另外，建立了带有扩大段的乙烯聚合釜工业装置，进行HDPE的生产，对比传统的 CX工艺，比较两者消除浆液夹带的能力。实施例1如附图1所示，一种烯烃聚合反应器，包括聚合釜釜体1，由反应段la、扩大段Ic以及位于反应段Ia和扩大段Ic之间的连接段Ib组成的；安装于聚合釜釜体1内中央用于实现釜内气液固三相混合的搅拌装置2，搅拌装置2由依次连接的传动装置2a、搅拌轴2b和搅拌涡轮2c组成；位于聚合釜釜体1内用于分散通入釜内原料气体的气体分布装置3 ；位于聚合釜反应段Ia内壁面附近用于增强釜内混合效果的挡板4 ；位于聚合釜反应段Ia外用于淤浆外循环撤热的淤浆外循环系统5，淤浆外循环系统5由通过淤浆外循环管道fe串联的淤浆输送泵恥和外循环换热器5c组成；和位于聚合釜反应段Ia侧壁上的进料口 6和用于浆液出料并且控制釜内液位的溢流口 7。扩大段Ic和连接段Ib均可以有一个或多个，可根据实际需要设置。扩大段Ic的内径愈大，水平截面的气流速度就愈小，对应的夹带量也就相应越少，因此扩大段Ic的内径愈大愈好，为了节约成本扩大段Ic的最大内径优选是反应段Ia 内径的1. 1倍 5倍，进一步优选为1. 5倍 2倍。反应段Ia和扩大段Ic的形状均为竖直圆筒，扩大段Ic的内径大于反应段Ia的内径。连接段Ib作为扩大段Ic与反应段Ia之间的连接过渡段，为了尽量避免高活性细颗粒在连接段Ib粘附而导致熔融结块，连接段Ib优选为锥角较小的倒锥型面，锥角优选为 10° 60°，进一步优选为35° 45°。如扩大段Ic使用弯曲筒，连接段Ib应注意与扩大段Ic弯曲面相切。搅拌涡轮2c是一层或多层，涡轮形式是直叶圆盘涡轮、斜叶圆盘涡轮、半管叶圆盘涡轮或者它们中两者以上的组合。气体分布装置3是安装在釜顶通至釜底的4根或8根进气管或者是安装在搅拌涡轮2c下方的多孔环形气体分布器(如图3和图4)。挡板4是平直挡板或指形挡板，数量为2 8个，安装方式为离壁安装，如通过支架连接挡板4与反应段Ia内壁以避免挡板4贴在反应段Ia内壁。 淤浆外循环管道fe的入口与聚合釜反应段Ia底部连通，出口与反应段Ia中部或上部连通，用于使外循环浆液从聚合釜反应段底部流出，再从反应段中部或上部流入。淤浆外循环管道fe的数量为一条或多条，可根据实际需要设置。溢流口 7设置在反应段Ia上端靠近连接段Ib处，保证较高的液面以冲刷连接段 Ib上沉降的浆液与颗粒，进一步防止颗粒在连接段Ib上沉积。实施例2在实验室建立冷模装置，在不同扩大段直径的四个搅拌釜中进行气液固三相的浆液夹带冷模实验。1#搅拌釜为无扩大段和连接段的普通搅拌釜，其结构如附图2所示，包括竖直圆筒形聚合釜釜体1，安装于聚合釜釜体1内中央用于实现釜内气液固三相混合的搅拌装置 2，搅拌装置2由依次连接的传动装置加、搅拌轴2b和搅拌涡轮2c组成；位于聚合釜釜体1 内用于分散通入釜内原料气体的气体分布装置3 ；和位于聚合釜釜体1中下部内壁面附近用于增强釜内混合效果的挡板4 ；挡板4为平直挡板。竖直圆筒形聚合釜釜体1的内径为 500mm，高为780mm，溢流口(图中省略)高度为490mm。2#、3#、4#搅拌釜均为有竖直圆筒形扩大段Ic和倒锥面连接段Ib的新型搅拌釜， 其主要结构如附图3所示，包括聚合釜釜体1，由反应段la、扩大段Ic以及位于反应段Ia和扩大段Ic之间的连接段Ib组成的；安装于聚合釜釜体1内中央用于实现釜内气液固三相混合的搅拌装置2，搅拌装置2由依次连接的传动装置2a、搅拌轴2b和搅拌涡轮2c组成；位于聚合釜釜体1内用于分散通入釜内原料气体的气体分布装置3 ；和位于聚合釜反应段Ia内壁面附近用于增强釜内混合效果的挡板4。由于是实验室实验，可不设置进料口 6，直接加入适量的原料即可。扩大段Ic和连接段Ib均有一个。反应段Ia和扩大段Ic的形状均为竖直圆筒，连接段Ib为倒锥面，扩大段Ic的内径大于反应段Ia的内径。搅拌涡轮2c是一层相同的6个直叶圆盘涡轮。气体分布装置3是安装在搅拌涡轮2c下方的多孔环形气体分布器。挡板4是相同的4块离壁安装的标准平直挡板。溢流口(图中省略)设置在反应段Ia上端靠近连接段Ib处，即溢流口高度为 490mm，保证较高的液面以冲刷连接段Ib上沉降的浆液与颗粒，进一步防止颗粒在连接段 Ib上沉积。反应段Ia内径均为500mm，扩大段Ic内径分别为710mm、870mm、1000mm,釜体高度均为1000mm。各个搅拌釜详细尺寸见表1。表1实施例2中四个搅拌釜结构尺寸
权利要求
1.一种烯烃聚合反应器，其特征在于，包括聚合釜釜体(1)，由反应段(la)、扩大段(Ic)以及位于反应段(Ia)和扩大段(Ic)之间的连接段(Ib)组成的；安装于聚合釜釜体(1)内中央用于实现釜内原料混合的搅拌装置O)，所述的搅拌装置O)由依次连接的传动装置(加)、搅拌轴Ob)和搅拌涡轮Qc)组成；和位于聚合釜反应段(Ia)侧壁上的进料口(6)和用于浆液出料并且控制釜内液位的溢流口(7)。
2.根据权利要求1所述的烯烃聚合反应器，其特征在于，所述的烯烃聚合反应器包括位于聚合釜釜体(1)内用于分散通入釜内原料气体的气体分布装置(3)。
3.根据权利要求2所述的烯烃聚合反应器，其特征在于，所述的气体分布装置(3)是安装在釜顶通至釜底的4根或8根进气管或者是安装在搅拌涡轮Qc)下方的多孔环形气体分布器。
4.根据权利要求1、2或3所述的烯烃聚合反应器，其特征在于，所述的烯烃聚合反应器包括位于聚合釜反应段(Ia)内壁面附近用于增强釜内混合效果的挡板G)。
5.根据权利要求4所述的烯烃聚合反应器，其特征在于，所述的挡板(4)是平直挡板或指形挡板，数量为2 8个，安装方式为离壁安装。
6.根据权利要求1所述的烯烃聚合反应器，其特征在于，所述的扩大段(Ic)和连接段 (Ib)均有一个或多个；或者，所述的扩大段(Ic)的最大内径是反应段(Ia)内径的1.1倍 5倍；或者，所述的扩大段(Ic)的形状为竖直圆筒、倾斜锥筒或弯曲筒；或者，所述的连接段(Ib)为倒锥型，锥角为10° 60°。
7.根据权利要求1所述的烯烃聚合反应器，其特征在于，所述的搅拌涡轮Oc)是一层或多层，涡轮形式是直叶圆盘涡轮、斜叶圆盘涡轮、半管叶圆盘涡轮或者它们中两者以上的组合。
8.根据权利要求1所述的烯烃聚合反应器，其特征在于，所述的聚合釜反应段(Ia)上设有用于淤浆外循环撤热的淤浆外循环系统(5)，所述的淤浆外循环系统(5)由通过淤浆外循环管道(5a)串联的淤浆输送泵(5b)和外循环换热器(5c)组成。
9.根据权利要求8所述的烯烃聚合反应器，其特征在于，所述的淤浆外循环管道(5a) 的入口与聚合釜反应段(Ia)底部连通，出口与反应段(Ia)中部或上部连通；所述的淤浆外循环管道(5a)的数量为一条或多条。
10.根据权利要求1所述的烯烃聚合反应器，其特征在于，所述的溢流口(7)设置在反应段(Ia)上端靠近连接段(Ib)处。
全文摘要
本发明公开了一种烯烃聚合反应器，包括聚合釜釜体，由反应段、扩大段以及位于反应段和扩大段之间的连接段组成的；安装于聚合釜釜体内中央用于实现釜内原料混合的搅拌装置，所述的搅拌装置由依次连接的传动装置、搅拌轴和搅拌涡轮组成；和位于聚合釜反应段侧壁上的用于加入溶剂和催化剂等的进料口和用于浆液出料并且控制釜内液位的溢流口。该反应器能有效降低雾沫夹带。
文档编号C08F10/00GK102336849SQ201110187469
公开日2012年2月1日 申请日期2011年7月5日 优先权日2011年7月5日
发明者何乐路, 吴德荣, 张擎, 张斌, 朱宇飞, 李勇, 殷大斌, 王江义, 王靖岱, 胡雨晨, 蒋云涛, 蒋斌波, 贾中明, 阳永荣, 黄正梁 申请人:中国石油化工股份有限公司, 浙江大学