聚合反应器的制作方法

专利名称：聚合反应器的制作方法
聚合反应器本发明一般性涉及聚合反应器，更具体地涉及环管反应器以及改进从这种反应器 除热的效率的装置。许多聚合反应器系统使用环管反应器，其具有连续管状结构，包括至少两个，例如 四个垂直截面和至少两个，例如四个水平截面。多反应器系统的各环管反应器的体积能够 变化，但典型地在10-200m3，更典型地50-120m3的范围内。通过该环管反应器的反应混合 物典型地为淤浆形式。聚合反应通常是放热的，并且聚合热典型地通过在同心地围绕至少一部分管状的 环管反应器的夹套中与冷却介质(优选水)间接交换而从反应器中除去。该除热的效率是 聚合反应器运行中的关键特征。在能够实现的最大冷却上的局限可以限制生产速率，或者 能够需要更大表面积的反应器，以便实现所需水平的除热。所需的小比例的冷却可以通过进入反应区的、温度低于反应温度的稀释剂和反应 剂进料直接提供给反应混合物。然而，主要的冷却通过反应器外表面的热交换来提供，该反 应器外表面被含有冷却流体的夹套包封。可以从反应混合物转移到夹套中的冷却流体的热 量与表面积、总传热系数和对数平均温差(LMTD)成正比。该总传热系数或它的耐热性倒数，基本上是三个部分的总和在反应浆料与反应 器内壁之间的界面的传热系数，加上与壁厚成正比的反应器壁本身的传热系数，再加上在 冷却剂流体与反应器外壁之间的界面的传热系数。除了这以外，在浆料侧和冷却剂侧的壁 上的结垢也可以减小传热系数。有许多现有技术集中于通过减小反应器壁的耐热性来提高 热传递。壁的耐热性是壁厚除以制造壁的金属的热导率。例如，US 5565175公开了通过使 用轧制钢板(rolled plate)以及更坚固的材料来制造反应器而获得减小的壁厚和因此使 较低的厚度公差成为可能的方式。影响壁的厚度要求的因素有多种，并且不仅取决于内部反应器压力和结构材料， 而且取决于由反应器的几何结构及其支撑体施加的各种应力以及冷却水回路的操作压力。 因此，对于能够减小多少壁厚存在限制，不管所使用的材料的拉伸强度如何。该反应器壁必 须设计成不仅能够承受反应混合物的压力(或反应混合物的压力与外部冷却流体的压力 之间的差)，而且能够承受当反应器未处于压力下的流体、尤其冷却流体的流体静压力，因 为反应器垂直地定向。众所周知，管式壁可以承受比外部压力显著更高的内部压力，因此， 它常常是作为厚度限制因素的夹套中的最大可能压力，即使夹套中的最大压力低于反应器 本身中的压力。即使在使用具有极高拉伸强度的材料时，由于由流体压头(head of fluid) 引起的该流体静压力，具有塑性变形和/或弹性弯曲的风险。事实上，由极高拉伸强度材料 制成的薄壁反应器与由较低强度材料制成的较厚壁反应器相比处于更高的这类破坏的风 险中。典型地，该环管反应器本身被设计成能够承受接近大气压到在反应器底部的大约 45-65barg的压力范围。该最高压力由在反应器任何部位将烃类和轻质组分如氢或乙烯的 混合物保持在液相中，以便确保稳定的反应器循环泵操作所需的操作条件，以及用于处理 压力失调(pressureupset)的附加余度(margin)来决定。
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该反应器冷却夹套通常设计成能够承受从完全真空到大约8-16巴的压力范围。 最大压力由确保夹套在启动、失调和停机条件期间保持充满液体以及能够处理冷却系统 故障的需要来决定。典型地，该反应器冷却回路具有很高的流速，这意味着例如在阀门 意外关闭的情况下，该回路可能不得不承受该一个或多个冷却剂循环泵的完全断流压头 (fullshut-off head)ο我们已经发现，通过设计反应器冷却系统，以便将夹套必须被设计成承受的最大 压力(“设计压力”)最小化，有可能进一步减小反应器壁的厚度。如上所述，夹套的设计压 力意图是确保在所有操作条件下，包括可能的故障，(垂直)夹套可以保持充满冷却剂，而 没有损伤或破坏的风险。设计压力是设计成在压力下操作的设备的任何零件的基本特征， 并且因此总是为了安全原因在反应器系统的所有相关部件上标记。它能够被定义为在正 常服务期间预期的同时发生的(coincident)内部或外部压力和温度的最严酷条件下的压 力。本发明是以以下认识为基础既定厚度的管可以承受相比于外部压力更高的内部 压力，当确定反应器壁的最小所需厚度时，外部夹套设计压力常常能够是限制因素，而不是 (更高的)内部反应器设计压力。因此，如果该夹套设计压力较低，反应器可能在任何时候 承受的最高外部压力较低，因此，可以减小壁的厚度。因此，不像US 5565175(其中所需壁 厚的减小通过用于反应器壁的不同制造方法和材料来实现)，本发明可以实现所需厚度的 减小，而不改变反应器壁结构。因此，在第一个方面，本发明提供了具有40-65barg的设计压力Pk的用于聚合反 应的管式反应器，该管式反应器的至少一部分垂直地取向，并且该垂直部分的至少一部分 被用于冷却流体通过的同心夹套所围绕，其中夹套的设计压力Pj(barg)低于0. 0018. Ρκ2 25。所谓“垂直取向”是指反应器的相关部分具有偏离垂直不超过30度，优选偏离垂 直不超过10度的纵轴。在另一个方面，本发明提供了具有40-65barg的设计压力Pk的用于聚合反应的 管式反应器，该管式反应器的至少一部分垂直地取向，并且该垂直部分的至少一部分被 用于冷却流体通过的同心夹套所围绕，其中反应器壁的实际厚度与下列至少一个厚度相 比大不超过2mm和/或不超过10% 耐受根据美国机械工程师协会锅炉和压力容器规范 (ASMEBoiler and Pressure Vessel code)所计算的设计压力Pk所需的最小壁厚，以及根 据关系式t = PE. R/(10S-0. 5PE)+C+tol所计算的壁设计厚度t (mm)，其中R是反应器管的 内部半径(mm)，S是设计温度下的设计应力强度(MPa)，C是反应器壁的内部腐蚀余度和外 部腐蚀余度的总和(mm)，以及tol是制造公差(mm)。该制造公差对于挤出管通常是厚度的12. 5%，以及对于由板制造的圆柱体(焊接 的或有缝的管)为0。美国机械工程师协会锅炉和压力容器规范是由美国机械工程师协会设计的国际 上公认的规范，并且包括用于制造压力容器的部分(部分VIII)。部分II包括材料技术规 格。它确定了安全管理锅炉及压力容器的设计、制造、维护和检查的规章，并且是本领域技 术人员所公知的。耐受根据美国机械工程师协会锅炉和压力容器规范规范计算的设计压 力Pk所需的最小壁厚确定为与通过关系式t = PE. R/(10S-0. 5PE)+C+tol定义的设计厚度 t相同。美国机械工程师协会锅炉和压力容器规范和该设计厚度均是本领域技术人员所熟知的，并且例如在上述US 5565175中有论述。虽然美国机械工程师协会锅炉和压力容器规范和相关公式允许计算反应器设计 压力Pk和夹套设计压力Pt所需的理论最小壁厚度，但本发明实际上是以下面的认识为基 石出。影响对于既定Pk的最小壁厚的计算的最重要的参数是在设计温度下的材料的允 许(设计)应力强度S。美国机械工程师协会锅炉和压力容器规范的表中公布了在不同设 计温度下的几种材料的应力强度值。当该材料不在表中时，提供了定律来计算该应力值。这 些定律是不同的，取决于该反应器是轧制钢板还是无缝管。在本发明的第一个方面，优选的是，反应器壁的实际厚度与下列至少一个厚度相 比大不超过2mm和/或不超过10% 耐受根据美国机械工程师协会锅炉和压力容器规范所 计算的设计压力Pk所需的最小壁厚，以及根据关系式t = PE. R/(10S-0. 5PE)+C+tol所计算 的壁设计厚度t(mm)，其中R是反应器管的内部半径(mm)，S是设计温度下的设计应力强 度(MPa)，C是反应器壁的内部腐蚀余度和外部腐蚀余度的总和(mm)，以及tol是制造公差 (mm) ο在本发明的第二个方面，优选的是，夹套的设计压力Pt小于0. 0018. Ρκ2 25。在本发明的两个方面，优选的是，反应器壁的实际厚度与下列至少一个厚度相比 大不超过Imm和/或不超过5% 耐受根据美国机械工程师协会锅炉和压力容器规范所计 算的设计压力Pk所需的最小壁厚，以及根据关系式t = PE. R/(10S-0. 5PE)+C+tol所计算 的壁设计厚度t(mm)，其中R是反应器管的内部半径(mm)，S是设计温度下的设计应力强 度(MPa)，C是反应器壁的内部腐蚀余度和外部腐蚀余度的总和(mm)，以及tol是制造公差 (mm) ο显然，在本发明的所有方面，反应器壁的实际厚度必须至少与承受内部反应器设 计压力Pk以及夹套的设计压力。所需的最小值一样大。如前所述，管状壁可以承受与外部 压力相比显著更高的内部压力，这就是为什么夹套的设计压力Pt控制反应器壁的最小要求 厚度，而非反应器Ρκ。然而，在本发明的理论上优化的实施方案中，减低夹套的设计压力Pp 使得承受h所需的壁厚等于或低于承受内部反应器设计压力Pk所需的壁厚。在这种情况 下，该最小反应器壁厚反而受Pk支配，并且在本发明的最优化的实施方案中，反应器壁的实 际厚度等于承受Pk所需的最小壁厚。这当然是在不改变内部反应条件的情况下所能够实 现的最小壁厚。然而，虽然有可能使用这种布置，但通常选择稍厚于该最小值的壁，以便包 括安全余度。还优选的是，夹套P1的设计压力小于0. 0005. Ρκ2 52。在其中冷却流体是水的本发明的两个方面，夹套Pj的设计压力通常大于Η/10，其 中H是夹套的垂直取向部分的垂直高度(米)，以便确保该夹套在充满时能够承受冷却流体 的流体静压力。其中H足够小使得Η/10大于由本发明所要求的Pt的最高值的任何情况当 然是在本发明的范围之外，且这种系统仅仅能够通过增加反应器壁的厚度才可行。具有许多方式能够最小化夹套PJ的设计压力，它们的一些或全部可以在任何特 定情况下应用。分别地，这些在本领域中全部是众所周知的。它们包括通过优化其布局减小冷却剂回路的长度。通过优化其布局而使冷却剂回路简化和顺畅。
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通过使用改进设备减低通过控制阀和仪器的压降。减小通过夹套进口和夹套出口的压降。增加将冷却剂供给夹套的管道的直径。减小冷却剂流速(但注意，这还可以通过减低传热系数而降低冷却效率)。减小其中通过冷却剂被冷却的热交换器的压降。使冷却剂平衡罐中的氮气压力最小化，控制和超压防护所需的余度。使在正常水平以上的冷却剂的容积最小化，以限制由于可能的过度充满情况而导 致的过压。优化冷却剂泵，以便避免过大的操作压力。在本发明的另一个实施方案中，在反应器的最下部分的反应器壁的厚度大于在最 高部分的厚度。优选地，反应器的下部四分之一(按高度)的壁厚大于上部四分之一的厚度。优选地，该反应器壁由在设计温度下具有至少447MPa，更优选在451MPa以上的拉 伸强度的材料制成。本发明的另一个优点是，通过减小的反应器壁厚度实现的增加的热传递可以通过 增加反应器的直径来平衡。虽然这减少了热传递，但它具有益处，即，所得较低的淤浆速度 需要较低的功率消耗。因此，可以具有相同的热传递，但总体功率消耗更低。
实施例以下实施例涉及具有40、50或60barg的设计压力Pk并且由具有451MPa的拉伸强 度(根据ASME部分IID、表2A计算，等于在200°C下150. 3MPa的允许应力强度)的金属制造 的28英寸(712mm)外径环管反应器。为了是在本发明的范围内，围绕这种反应器的夹套的 设计压力必须小于0. 0018. Pe2'25,或者该反应器壁厚必须比耐受Pk所需的最小厚度大低于 2mm或者大低于10%。在这些实施例中计算的最小反应器壁厚允许2. 25-3mm(12. 5-17% ) 的制造公差，取决于所使用的设计压力Pk和市场上可买到的管厚度。还适用Imm内部+Imm 外部的腐蚀公差。所有计算使用美国机械工程师协会锅炉和压力容器规范VIII部分第2分部进行。 细节在以下表1中总结。在实施例1-4中，反应器的设计压力50barg，获得了 12. 0的0. 0018. Pk2 25值。 耐受这种设计压力所需的最小反应器壁厚是15. 98mm，允许制造公差和腐蚀。实施例1 (对比)在本实施例中，夹套的设计压力P:为13. Obarg。壁厚为19. 4mm，等于13. 3barg的 最大允许IV因此，反应器壁比Pk所需的厚度厚3. 4mm或者21.4%。在13. Obarg下，Pj也 大于0.0018. Ρκ2 25。因此，该配置是在本发明的两个方面以外。这表明，设计压力和壁厚虽 然是可接受的，但没有根据本发明进行优化。实施例2这可以被认为是实施例1的改进。该夹套设计压力Pj已经从13. Obarg减低到 8. 8barg，允许反应器壁厚减小至17. 6mm(等于8. 9巴的最大允许Pj。因此，该壁刚好比Pk 所需的厚度厚1. 6mm/10%，并且Pt小于0. 0018. Pe2'25,意味着本实施例是在本发明的范围内。与实施例1相比，本实施例的益处是，反应器壁仅仅为17. 6mm而非19. 4mm厚，导致了 更好的热传递。实施例3这是实施例2的改进。夹套设计压力Pt已经从8. 8barg减小至8. Obarg,允许反 应器壁厚进一步减小至17. 2mm (等于8. Ibarg的最大允许Pt)。因此，该壁刚好比Pk所需 的厚度厚1. 2mm/7. 6%，并且Pt小于0. 0018. Pe2'25,意味着本实施例再次是在本发明的范围 内，并且以比实施例2更薄的壁获得了甚至更好的热传递。实施例4本实施例是实施例1-3的最优化型式。该夹套设计压力Pt已经减小至5. Sbarg, 允许该反应器壁厚减少到16. 0mm, 50barg的Pk所允许的最小值。这应该与对比例1中的 19. 4mm的壁厚比较。实施例5本实施例用于具有60barg的设计压力Pk的反应器，获得了 18. 0的0. 0018. Pe2'25 值。耐受这种设计压力所需的最小反应器壁厚是18. 68mm，允许制造公差和腐蚀。在该实 施例中，夹套的设计压力是13. Obargo该壁厚是20. 6mm，等于15. Obarg的最大允许P”因 此，该壁比Pk所需的厚度厚1. WlO%，并且Pt小于0. 0018. Pe2'25，意味着本实施例符合本 发明。实施例6本实施例是实施例5的优化型式。该夹套设计压力Pt已经减小至10. Obarg,允许 该反应器壁厚减少到18. 7mm,60barg的Pk所允许的最小值。实施例7本实施例用于具有40barg的设计压力Pk的反应器，获得了 7. 2的0. 0018. Pe2'25 值。耐受这种设计压力所需的最小反应器壁厚是13. 45mm，允许制造公差和腐蚀。在该实 施例中，夹套的设计压力是10. Obargo该壁厚是18. 0mm，等于10. 4barg的最大允许1^。因 此，该壁比Pk所需的厚度厚4. 5mm/33. 8 %，且Pt超过0. 0018. Pe2' 25，意味着本实施例是在本 发明的范围外。实施例8本实施例是根据本发明的实施例7的改进形式。该夹套设计压力。已经减小至 5. Obarg,允许该反应器壁厚减少到15. 2mm。因此，该壁比Pk所需的厚1. 7mm/13%,且Pj小 于0. 0018. Pe2'25,意味着本实施例是在本发明的范围内。表 1
权利要求
具有40 65barg的设计压力PR的用于聚合反应的管式反应器，该管式反应器的至少一部分垂直地取向，并且该垂直部分的至少一部分被用于冷却流体通过的同心夹套所围绕，其中按barg计的夹套的设计压力PJ低于0.0018.PR2.25。
2.根据权利要求1所述的反应器，其中反应器壁的实际厚度与耐受根据美国机械工程 师协会锅炉和压力容器规范所计算的设计压力&所需的最小壁厚相比大不超过2mm和/或 不超过10%。
3.具有40-65barg的设计压力Pk的用于聚合反应的管式反应器，该管式反应器的至 少一部分垂直地取向，并且该垂直部分的至少一部分被用于冷却流体通过的同心夹套所围 绕，其中反应器壁的实际厚度与下列至少一个厚度相比大不超过2mm和/或不超过10% 耐受根据美国机械工程师协会锅炉和压力容器规范所计算的设计压力Pk所需的最小壁厚， 或者根据关系式t = PE. R/(10S-0. 5PE)+C+tol所计算的壁设计厚度t (mm)，其中R是反应 器管的内部半径(mm)，S是设计温度下的设计应力强度(MPa)，C是反应器壁的内部腐蚀余 度和外部腐蚀余度的总和(mm)，以及tol是制造公差(mm)。
4.根据权利要求3所述的反应器，其中夹套&的设计压力小于0.0018. Ρκ2 25。
5.根据前述权利要求的任一项所述的反应器，其中夹套&的设计压力小于0.0005.ρ 2. 52
6.根据前述权利要求的任一项所述的反应器，其中反应器壁的实际厚度与下列至少一 个厚度相比大不超过Imm和/或不超过5%:耐受根据美国机械工程师协会锅炉和压力容器 规范所计算的设计压力Pk所需的最小壁厚，以及根据关系式t = PE. R/(10S-0. 5PE)+C+tol 所计算的壁设计厚度t(mm)，其中R是反应器管的内部半径(mm)，S是设计温度下的设计应 力强度(MPa)，C是反应器壁的内部腐蚀余度和外部腐蚀余度的总和(mm)，以及tol是制造 公差(mm) ο
7.根据前述权利要求的任一项所述的反应器，其中夹套的设计压力Pj大于H/10，其中 H是夹套的垂直取向部分的垂直高度(米)。
8.根据前述权利要求的任一项所述的反应器，其中夹套的设计压力Pt应使得耐受压力 Pj所需的壁厚等于或小于耐受内部反应器设计压力Pk所需的壁厚。
9.根据前述权利要求的任一项所述的反应器，其中反应器最下部分的反应器壁厚大于 反应器最高部分的反应器壁厚。
10.根据前述权利要求的任一项所述的反应器，其中反应器壁由具有至少447MPa，优 选在451MPa以上的拉伸强度的材料制造。
全文摘要
本发明涉及聚合反应器。本发明公开了具有40-65barg的设计压力PR的用于聚合反应的管式反应器，该管式反应器的至少一部分垂直地取向，并且该垂直部分的至少一部分被用于冷却流体通过的同心夹套所围绕，其中夹套的设计压力PJ(barg)小于0.0018.PR2.25。本发明的另一个方面涉及具有40-65barg的设计压力PR的用于聚合反应的管式反应器，该管式反应器的至少一部分垂直地取向，并且该垂直部分的至少一部分被用于冷却流体通过的同心夹套所围绕，其中反应器壁的实际厚度与耐受根据美国机械工程师协会锅炉和压力容器规范所计算的设计压力PR所需的最小壁厚相比大不超过2mm和/或不超过10％。
文档编号B01J19/24GK101952027SQ200980105060
公开日2011年1月19日 申请日期2009年2月4日 优先权日2008年2月12日
发明者B·沃尔沃思, M·帕里塞尔 申请人:英尼奥斯制造业比利时有限公司