用于烯烴聚合的反應(yīng)器裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于烯烴單體聚合的流化床反應(yīng)器裝置，且涉及一種包含至少一 個(gè)流化床反應(yīng)器的多反應(yīng)器裝置。此外，本發(fā)明涉及這種流化床反應(yīng)器裝置的操作方法和 用途。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于氣相反應(yīng)器能夠在聚合物設(shè)計(jì)中具有相對(duì)較高的靈活性并可采用不同的催 化劑體系，因此它們通常用于烯烴（如乙烯和丙烯）的聚合。一種常用的氣相反應(yīng)器變型 是流化床反應(yīng)器。在聚烯烴生產(chǎn)中，烯烴在聚合催化劑的存在下在向上運(yùn)動(dòng)的氣流中聚合。 從所述反應(yīng)器的頂部除去流化氣體，在冷卻器（典型地為熱交換器）中冷卻，重新加壓并送 回至所述反應(yīng)器的底部。所述反應(yīng)器典型地含有流化床，所述流化床包括包含位于用于隔 開(kāi)反應(yīng)器的底部和中間區(qū)的分布板上方的活性催化劑的生長(zhǎng)著的聚合物顆粒。調(diào)節(jié)流化氣 體的速度，從而維持準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，即：所述床維持在流化狀態(tài)。在這樣的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)中，氣體和顆粒流 是高度動(dòng)態(tài)的。所需的氣體速度主要取決于顆粒特性并且在一定規(guī)模的范圍內(nèi)是很好預(yù)測(cè) 的。需要注意的是氣體流并沒(méi)有從所述反應(yīng)器排放出太多的聚合材料。這通常通過(guò)所謂的 分離區(qū)（disengagementzone)完成。位于所述反應(yīng)器的上部區(qū)中的這個(gè)部分的特征在于 直徑增加，降低了氣體速度。因此，由流化氣體從所述床攜帶出來(lái)的顆粒大部分沉降回所述 床。另外，傳統(tǒng)流化床反應(yīng)器的另一個(gè)重大問(wèn)題是冷卻能力和因巨大氣泡的形成而引起的 夾帶的局限性。應(yīng)當(dāng)提及的是，氣泡的存在本身是合適的，理由是混合會(huì)因此而強(qiáng)化。但是， 氣泡的尺寸應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)小于反應(yīng)器的直徑。在傳統(tǒng)流化床反應(yīng)器中增加床高（bedlevel)用于 增加時(shí)空收率，這引起氣泡尺寸的增大以及不希望的從所述反應(yīng)器夾帶物料的現(xiàn)象。在傳 統(tǒng)的反應(yīng)器中沒(méi)有用于破碎氣泡的裝置。
[0003] 已經(jīng)提出了各種經(jīng)改造的氣相反應(yīng)器設(shè)計(jì)。例如，W0-A-01/87989已經(jīng)提出了一 種不含分布板的流化床反應(yīng)器以及不對(duì)稱的供應(yīng)反應(yīng)組分至反應(yīng)腔室。
[0004] 含有兩個(gè)反應(yīng)器的雙反應(yīng)器裝置也是已知的。W0 97/04015公開(kāi)了兩個(gè)相連的垂 直筒形反應(yīng)器，第一反應(yīng)器在快速流化條件下運(yùn)行。具有截頭錐形（frustoconical)底部 區(qū)和半球形上部區(qū)的第一反應(yīng)器與第二反應(yīng)器相連，所述第二反應(yīng)器為沉降床反應(yīng)器。所 述快速流化條件下的運(yùn)行在具有約為5或更大的長(zhǎng)度/當(dāng)量橫截面直徑之比的反應(yīng)器中進(jìn) 行。
[0005] W0-A-01/79306公開(kāi)了含有反應(yīng)器的氣相反應(yīng)器裝置，所述反應(yīng)器包含與用于分 離固體和氣態(tài)物料的旋風(fēng)分離器相連的分布柵。被分離的固體經(jīng)再循環(huán)返回至所述反應(yīng)器 中。
[0006] W0-A-2009/080660報(bào)道了如W0-A-97/04015中所描述的氣相反應(yīng)器裝置的用途， 該裝置包含兩個(gè)互聯(lián)的反應(yīng)器和一個(gè)分離單元，第一反應(yīng)器為所謂的上升管（riser)，第二 反應(yīng)器為所謂的下降管（downcomer)。所述第一反應(yīng)器在快速流化條件下運(yùn)行。
[0007] 但是，現(xiàn)有技術(shù)中所描述的流化床反應(yīng)器和含有流化床反應(yīng)器的雙反應(yīng)器裝置仍 然具有一些缺陷。
[0008] 第一個(gè)問(wèn)題涉及由循環(huán)氣所攜帶的細(xì)粉的夾帶而引起的分布板下側(cè)的阻塞。該效 應(yīng)降低了操作穩(wěn)定性和聚合物的質(zhì)量穩(wěn)定性。該問(wèn)題可通過(guò)較低的流化氣體速度部分地解 決。然而，相對(duì)低的流化氣體速度限制了生產(chǎn)率且可能導(dǎo)致在聚烯烴的生產(chǎn)過(guò)程中形成片 狀物、塊狀物和團(tuán)狀物。上述目的之間的沖突通常通過(guò)引入分離區(qū)來(lái)解決。但是，由于在運(yùn) 行過(guò)程中流化床的最頂部的上方需要額外的頂部空間，因此分離區(qū)又限制了固定尺寸的氣 相反應(yīng)器的生產(chǎn)率。在工業(yè)規(guī)模中，所述分離區(qū)的體積通常相當(dāng)于所述反應(yīng)器的總體積的 40%以上且由此需要構(gòu)建不必要的巨大的反應(yīng)器。
[0009] 第二個(gè)問(wèn)題與鼓泡有關(guān)。傳統(tǒng)的流化床反應(yīng)器典型地在鼓泡狀態(tài)下運(yùn)行。所述流 化氣體的一部分以氣體和固體相互接觸的乳相通過(guò)所述床。所述流化氣體的剩余部分以氣 泡形式通過(guò)所述床。所述氣泡中的氣體速度高于所述乳相中的氣體速度。另外，在乳相和 氣泡之間的質(zhì)量和熱量傳遞是有限的，對(duì)于具有高的體積對(duì)表面積之比的大氣泡而言尤為 如此。盡管存在氣泡對(duì)粉體混合有積極貢獻(xiàn)的事實(shí)，但是因?yàn)橐詺馀莸男问搅鹘?jīng)所述床的 氣體并不按照與乳相中的氣體相同的方式對(duì)從床中移除熱量起作用，而且因?yàn)闅馀菡紦?jù)的 體積對(duì)聚合反應(yīng)沒(méi)有貢獻(xiàn)，所以不希望形成過(guò)大的氣泡。
[0010] 又一問(wèn)題涉及當(dāng)從所述反應(yīng)器的頂部移除所述流化氣體時(shí)夾帶含有細(xì)粉的固體。 特別是當(dāng)對(duì)床高接近反應(yīng)器的頂蓋的流化床反應(yīng)器進(jìn)行操作時(shí)，發(fā)生顯著的固體夾帶。然 而，流化氣體中固體的存在不利地影響下游單元，如壓縮機(jī)，熱交換器等。因此，使用多種方 式來(lái)將固體從所述流化氣體例如氣旋（cyclone)中分離。通過(guò)利用固體相對(duì)于氣體的更高 質(zhì)量控制氣旋。因此，旋風(fēng)分離器的分離效率隨固體質(zhì)量的降低而變差。換言之，從反應(yīng)器 夾帶的細(xì)粉（即具有小質(zhì)量的小固體顆粒）的量增加使旋風(fēng)分離器效率變差，因?yàn)橥ㄟ^(guò)旋 風(fēng)分離器除去它們不如除去所述夾帶固體的較大部分那么有效。
[0011] 因此，對(duì)于改善的反應(yīng)器設(shè)計(jì)和操作仍然有需求。本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)中已 知的反應(yīng)器設(shè)計(jì)的缺陷，特別旨在避免高生產(chǎn)率下細(xì)粉的分離。本發(fā)明還旨在提高從氣體 中分離固體的效率。本發(fā)明還旨在消除反應(yīng)器中的低生產(chǎn)率區(qū)。另外，本發(fā)明涉及提供一 種可操作穩(wěn)定性高且同時(shí)可生產(chǎn)出具有最高質(zhì)量的聚合物的反應(yīng)器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明基于以下發(fā)現(xiàn)：上述這些問(wèn)題可通過(guò)一種流化床反應(yīng)器裝置來(lái)克服，所述 流化床反應(yīng)器裝置允許不同量的含有細(xì)粉的固體被再循環(huán)至所述流化床反應(yīng)器和/或改 變所述反應(yīng)器的操作條件。
[0013]目前而言，本發(fā)明提供了一種用于生產(chǎn)聚合物的反應(yīng)器裝置，其包括流化床反應(yīng) 器（1)，所述流化床反應(yīng)器（1)包括底部區(qū)（5)、中間區(qū)（6)和上部區(qū)（7)、位于所述上部區(qū) (7)中對(duì)于流化氣體流（34)的一個(gè)或多個(gè)出口（9)、氣體/固體分離裝置（2)、流通設(shè)備 (29)、固體再循環(huán)線（35)、固體再循環(huán)入口（37)、氣體循環(huán)線（38)、位于所述底部區(qū)（5)中 流化氣體的入口（8);
[0014]所述流化氣體流（34)的出口（9)通過(guò)氣體/固體分離裝置（2)、氣體循環(huán)線（38) 和入口（8)與流化床反應(yīng)器（1)連接，以及通過(guò)固體再循環(huán)線（35)、氣體/固體分離裝置 (2)和固體再循環(huán)入口（37)與流化床反應(yīng)器（1)連接；
[0015] 所述底部區(qū)（5)的當(dāng)量橫截面直徑相對(duì)于流經(jīng)所述流化床反應(yīng)器的流化氣體的 流動(dòng)方向?yàn)閱握{(diào)增加；
[0016] 所述上部區(qū)（7)的當(dāng)量橫截面直徑相對(duì)于流經(jīng)所述流化床反應(yīng)器的流化氣體的 流動(dòng)方向?yàn)閱握{(diào)減少；并且
[0017] 其中，在所述流化氣體穿過(guò)所述流化床反應(yīng)器從所述底部區(qū)（5)流至所述上部區(qū) (7)的方向上存在無(wú)阻礙通道，
[0018] 其特征在于，所述固體再循環(huán)線（35)包括所述流通設(shè)備（29)。
[0019] 本發(fā)明還提供了：
[0020] 一種操作用于生產(chǎn)聚合物的反應(yīng)器裝置的方法，所述反應(yīng)器裝置包括流化床反應(yīng) 器，所述流化床反應(yīng)器包括底部區(qū)（5)、中間區(qū)（6)和上部區(qū)（7)、位于所述上部區(qū)（7)中對(duì) 于流化氣體流（34)的一個(gè)或多個(gè)出口（9)、氣體/固體分離裝置（2)、流通設(shè)備（29)、固體 再循環(huán)線（35)、固體再循環(huán)入口（37)、氣體循環(huán)線（38)、位于所述底部區(qū)（5)中流化氣體的 入口（8)和控制器（31)，所述方法包括以下步驟：
[0021]a)測(cè)量來(lái)自所述流化床反應(yīng)器（1)的流化氣體流（34)的平均顆粒尺寸和/或顆 粒尺寸分布和/或所有固體的濃度；
[0022] b)分析所述流化床反應(yīng)器（1)中的操作條件；
[0023]c)將步驟a)和b)中所獲得的數(shù)據(jù)（30)發(fā)送至控制器（31);
[0024]d)通過(guò)所述控制器（31)處理所述數(shù)據(jù)（30);以及
[0025]e)通過(guò)所述控制器（31)調(diào)整所述流通設(shè)備（29);
[0026] 由此，所述流通設(shè)備（29)改變通過(guò)固體再循環(huán)線（35)返回至所述流化床反應(yīng)器 (1)的所述固體再循環(huán)流（36)。
[0027] 通常地，在所述氣體/固體分離裝置之前確定來(lái)自所述流化氣體流（34)的平均顆 粒尺寸和/或顆粒尺寸分布和/或所有固體的濃度。
[0028] 本發(fā)明還涉及：
[0029] 一種在流化床反應(yīng)器（1)中聚合烯烴的方法，其中，所述流化床是由上升流 化氣體中的聚合物顆粒組成的，所述上升流化氣體在所述中間區(qū)（6)中的表觀速度為 0. 05-0. 8m/s，所述方法包括以下步驟：
[0030] (i)在高于所述流化床反應(yīng)器（1)的總高的90%高度處從所述流化床反應(yīng)器（1) 通過(guò)出口（9)將流化氣體流（34)抽出；
[0031] (ii)將所述聚合物顆粒從所述流化氣體流（34)中分離以產(chǎn)生頂部物流（42)和固 體再循環(huán)流（36);
[0032] (iii)從所述固體再循環(huán)流（36)中分支出至下游處理階段的物流（40);
[0033] (iv)將所述至下游處理階段的物流（40)引導(dǎo)至下游處理階段；以及
[0034] (v)將所述固體再循環(huán)流（36)再循環(huán)至所述流化床反應(yīng)器（1)之中；
[0035]其中，所述流化床反應(yīng)器（1)包括底部區(qū)（5)、中間區(qū)（6)和上部區(qū)（7)，所述底部 區(qū)（5)的當(dāng)量橫截面直徑相對(duì)于流經(jīng)所述流化床反應(yīng)器的流化氣體的流動(dòng)方向?yàn)閱握{(diào)增 加，所述上部區(qū)（7)的當(dāng)量橫截面直徑相對(duì)于流經(jīng)所述流化床反應(yīng)器的流化氣體的流動(dòng)方 向?yàn)閱握{(diào)減少；并且，其中，在所述流化氣體穿過(guò)所述流化床反應(yīng)器從所述底部區(qū)（5)流至 所述上部區(qū)（7)的方向上存在無(wú)阻礙通道。
[0036] 優(yōu)選地，所述流化床反應(yīng)器是根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)器裝置的一部分。
[0037] 本發(fā)明還涉及控制器（31)、流通設(shè)備（29)和固體再循環(huán)線（35)在用于生產(chǎn)聚合 物反應(yīng)器裝置中用于使所述流化氣體流（34)中含有的細(xì)粉相對(duì)于固體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小化 的用途，所述反應(yīng)器裝置包括流化床反應(yīng)器（1)，所述流化床反應(yīng)器（1)包括底部區(qū)（5)、 中間區(qū)（6)和上部區(qū)（7)、位于所述上部區(qū)（7)中對(duì)于流化氣體流（34)的一個(gè)或多個(gè)出 口（9)、氣體/固體分離裝置（2)、固體再循環(huán)線（35)、固體再循環(huán)入口（37)、氣體循環(huán)線
[38] 、位于所述底部區(qū)（5)中用于流化氣體的入口（8)和聚合物出口（14)。
[0038] 本發(fā)明還涉及在生產(chǎn)聚合物的反應(yīng)器裝置中控制器（31)、流通設(shè)備（29)和固體 再循環(huán)線（35)用于使所述流化床反應(yīng)器（1)產(chǎn)生的細(xì)粉的量最小化的用途，所述反應(yīng)器裝 置包括流化床反應(yīng)器，所述流化床反應(yīng)器包括底部區(qū)（5)、中間區(qū)（6)和上部區(qū)（7)、位于所 述上部區(qū)（7)中對(duì)于流化氣體流（34)的一個(gè)或多個(gè)出口（9)、氣體/固體分離裝置（2)、流 通設(shè)備（29)、固體再循環(huán)線（35)、固體再循環(huán)入口（37)、氣體循環(huán)線（38)、位于所述底部區(qū) (5)中對(duì)于流化氣體的入口⑶和控制器（31)。
[0039] 根據(jù)本發(fā)明的方法的描述應(yīng)用于本發(fā)明的所有實(shí)施方案。
[0040] 所述反應(yīng)器裝置優(yōu)選還包括控制器（31)。
[0041] 發(fā)明詳沐
[0042] 定義
[0043] 不同類型的流化和不同流化方案的綜述于例如《佩里的化學(xué)工程師手冊(cè)（Perry's ChemicalEngineers'Handbook)》的第 8 卷第 17 部分（麥格勞?希爾（McGraw-Hill)出 版社，2008)中提供。佩里手冊(cè)的圖17-3表明傳統(tǒng)鼓泡流化床典型地在介于最低流化速度 和終端速度之間的表觀氣速下運(yùn)行。湍動(dòng)床在接近于終端速度的氣速下運(yùn)行。傳送反應(yīng)器 和循環(huán)床在顯著高于終端速度的氣速下運(yùn)行。鼓泡床、湍動(dòng)床和快速流化床是明顯不同的 并且它們于佩里手冊(cè)的第17-9至17-11頁(yè)被詳細(xì)地解釋，上述內(nèi)容引入本文作為參考。最 低流化速度和輸送速度的計(jì)算被進(jìn)一步討論于J.Wiley&SonsLtd的Geldart.在1986年 的"氣體流化技術(shù)"(GasFluidizationTechnology)的第155頁(yè)及以下各頁(yè)中。該文獻(xiàn)以 引作參考。
[0044] 流化床反應(yīng)器是現(xiàn)有技術(shù)中眾所周知的。在流化床反應(yīng)器中，流化氣體在一定的 表觀速度內(nèi)流經(jīng)流化床。所述流化氣體的表觀速度必須高于流化床中所含顆粒的流化速 度，否則不會(huì)產(chǎn)生流化。但是，所述表觀速度應(yīng)實(shí)質(zhì)上低于氣