制造高壓聚乙烯聚合物和共聚物的裝置與方法
【專利說明】制造高壓聚乙烯聚合物和共聚物的裝置與方法
[0001]優(yōu)先權(quán)要求
[0002]本申請要求標(biāo)題為“制造高壓聚乙烯聚合物和共聚物的裝置與方法”，2012年9月24日提交的U.S.S.N.61/704, 601和2012年11月28日提交的歐洲申請N0.12194571.1的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益，其公開內(nèi)容在本文中通過參考全文引入。
發(fā)明領(lǐng)域
[0003]本文描述的實施方案一般地涉及制造高壓聚乙烯聚合物和共聚物的高壓聚乙烯反應(yīng)器和方法。更特別地，本文描述的實施方案涉及高壓聚乙烯反應(yīng)器和方法，其中其管狀反應(yīng)器包括內(nèi)部材料和外部材料，所述外部材料在操作條件下在水存在下基本上呈惰性。
[0004]發(fā)明背景
[0005]使用管狀反應(yīng)器，由乙烯，和任選地一種或多種共聚單體形成低密度乙烯-基聚合物，例如低密度聚乙烯(LDPE)是本領(lǐng)域熟知的方法?？偟姆椒ㄊ窃诤に嚵黧w的管狀反應(yīng)器內(nèi)的自由基聚合，其中該工藝流體部分由乙烯組成和在高度放熱反應(yīng)中乙烯轉(zhuǎn)化成乙烯-基聚合物。在湍流的工藝流體流動條件下，在約160°C -約360°C的最大溫度下，在高操作壓力(約1000巴-4000巴)下發(fā)生該反應(yīng)。反應(yīng)引發(fā)溫度，或者引發(fā)單體(和任選的共聚單體)轉(zhuǎn)化成聚合物(或者在其中沿著反應(yīng)管道存在多個反應(yīng)點的情況下，再引發(fā))的溫度為約120°C -約240°C。管狀反應(yīng)器的典型的單程轉(zhuǎn)化率值范圍為約20% -約40%。
[0006]通過注入引發(fā)劑到反應(yīng)器管道內(nèi)部的至少一個反應(yīng)區(qū)中，引發(fā)(和再引發(fā))反應(yīng)。混合引發(fā)劑與工藝流體，和在熱存在下(通常潛熱一該工藝流體通常已經(jīng)在充足的反應(yīng)溫度下)，引發(fā)劑形成自由基分解產(chǎn)物。該分解產(chǎn)物與乙烯(和任選的共聚單體)開始自由基聚合反應(yīng)，形成產(chǎn)物乙烯-基聚合物。
[0007]在反應(yīng)區(qū)中，反應(yīng)生成充足的熱量。在沒有合適地冷卻的情況下，在工藝流體(它現(xiàn)含有乙烯-基聚合物，即產(chǎn)物，它吸收并保留熱量)內(nèi)絕熱溫度上升最終導(dǎo)致不利且可能地不可控的反應(yīng)。這些不需要的反應(yīng)可包括乙烯分解(形成產(chǎn)物，例如碳、甲烷、乙炔和乙烷)，形成高分子量聚合物鏈，和通過結(jié)合與交聯(lián)而終止，這可導(dǎo)致分子量分布變寬。這種不需要的反應(yīng)的結(jié)果范圍從產(chǎn)品品質(zhì)和一致性問題中的變化到反應(yīng)體系停工、放空和清理。
[0008]為了降低不需要的反應(yīng)產(chǎn)物的水平，管狀反應(yīng)器通常帶夾套，使得水可循環(huán)，以提供反應(yīng)區(qū)冷卻。然而，由于反應(yīng)器內(nèi)苛刻的溫度和壓力條件，冷卻水可腐蝕反應(yīng)器管道的外表面，且進而可降低反應(yīng)器的壽命。因此，有用的是提供管狀反應(yīng)器和在管狀反應(yīng)器內(nèi)制造LDPE的方法，其中外表面的腐蝕減少，進而延長了反應(yīng)器的壽命。
[0009]發(fā)明概述
[0010]在一個方面中，本發(fā)明的實施方案提供制造聚乙烯和聚乙烯共聚物的裝置，該裝置包括管狀反應(yīng)器，該管狀反應(yīng)器包括一個或多個具有加熱/冷卻夾套的反應(yīng)區(qū)；該管狀反應(yīng)器包括內(nèi)部材料和外部材料，所述外部材料在操作條件下，在水存在下基本上呈惰性。優(yōu)選的實施方案進一步包括任選地與兩段式輔助壓縮機流體連通的主壓縮機，其中主壓縮機和輔助壓縮機的至少一個與加熱的導(dǎo)管流體連通，該加熱的導(dǎo)管與管狀反應(yīng)器流體連通。在特別的實施方案中，管狀反應(yīng)器與產(chǎn)物分離器流體連通。含主和輔助壓縮機的再進一步的實施方案進一步包括至少一個導(dǎo)管用以從產(chǎn)物分離器傳輸循環(huán)的乙烯到輔助壓縮機。
[0011]在另一方面中，本發(fā)明的實施方案提供制造乙烯聚合物和共聚物的方法，該方法包括:引入含乙烯和任選地共聚單體的加熱的單體混合物到具有至少三個反應(yīng)區(qū)的管狀反應(yīng)器內(nèi)，每一個反應(yīng)區(qū)具有加熱/冷卻夾套。該管狀反應(yīng)器包括內(nèi)部材料和外部材料，和外部材料在操作條件下在水存在下基本上呈惰性。
[0012]在這種裝置和方法的特別實施方案中，外部材料包括銅，尤其磷含量為
0.005-0.050wt%，優(yōu)選 0.01-0.030wt%，和更優(yōu)選 0.015-0.025wt% 的銅。
[0013]本發(fā)明的實施方案提供制造聚乙烯和聚乙烯共聚物的裝置，該裝置包括管狀反應(yīng)器，所述管狀反應(yīng)器包括具有加熱/冷卻夾套的一個或多個反應(yīng)區(qū)。該管狀反應(yīng)器包括內(nèi)部材料和外部材料，和外部材料基本上由銅組成。
[0014]本發(fā)明的實施方案還提供制造乙烯聚合物和共聚物的方法，該方法包括:引入含乙烯和任選地共聚單體的加熱的單體混合物到具有至少三個反應(yīng)區(qū)的管狀反應(yīng)器內(nèi)，其中每一反應(yīng)區(qū)具有加熱/冷卻夾套。該管狀反應(yīng)器包括內(nèi)部材料和外部材料，和外部材料基本上由銅組成。
[0015]附圖簡述
[0016]所以通過參考實施方案(一些實施方案在附圖中闡述)可詳細地理解本發(fā)明的引述的特征，可獲得以上簡要地概述的本發(fā)明的更特別的描述。然而，要注意，附圖僅僅闡述本發(fā)明的典型實施方案，且因此不被視為限制本發(fā)明的范圍，因為本發(fā)明可容許其他同樣有效的實施方案。
[0017]圖1示意性地描述了適合于生產(chǎn)聚乙烯聚合物，其包括根據(jù)所描述的一個或多個實施方案的共聚物的說明性的高壓聚合系統(tǒng)。
[0018]本發(fā)明實施方案的說明
[0019]下文詳細地討論在大于300ktpa的規(guī)模上，通過具有主壓縮機和輔助壓縮機，在高的效率和可靠度下操作的管狀反應(yīng)器內(nèi)制造聚乙烯和聚乙烯共聚物的生產(chǎn)設(shè)施與方法，其中主壓縮機在至少55噸/hr的吞吐量(throughput)下操作，所述輔助壓縮機優(yōu)選具有至少14個汽缸且在至少120噸/hr的吞吐量下操作，以壓縮混合乙烯到至少2300巴的壓力。
[0020]主壓縮機的功能是將新鮮乙烯(補充(Make-up)乙烯)加壓到乙烯循環(huán)系統(tǒng)的壓力，以供進料到輔助壓縮機中。主壓縮機可以是單一壓縮機，它單獨加壓乙烯到循環(huán)物流的壓力，或者它可以是兩個或多個串聯(lián)或并聯(lián)的壓縮機，它們結(jié)合加壓新鮮乙烯到乙烯循環(huán)系統(tǒng)的壓力。在一些已有的管狀乙烯反應(yīng)器裝置中，從主壓縮機中排放的乙烯分成兩個物流，一個物流與循環(huán)乙烯結(jié)合并進料到輔助壓縮機的吸入口，和其他物流被注入到高壓泄料閥下游的乙烯/聚合物混合物內(nèi)，從而提供乙烯/聚合物混合物的快速冷卻，之后進入到產(chǎn)物分離單元。在本發(fā)明的方法中，優(yōu)選基本上主壓縮機的全部輸出物被進料到輔助壓縮機。
[0021]補充乙烯通常在約15巴-90巴的壓力下被供應(yīng)到管狀反應(yīng)器設(shè)施。與乙烯供應(yīng)壓力無關(guān)，在本發(fā)明的方法中，主壓縮機應(yīng)當(dāng)具有至少55噸/hr的乙烯氣體吞吐量。優(yōu)選地，主壓縮機在范圍為60噸/hr-120噸/hr，更優(yōu)選范圍為70-110噸/hr，和特別地范圍為80-100噸/hr的氣體吞吐量下操作。與新鮮補充乙烯一樣，主壓縮機也可接收從產(chǎn)物分離單元的低壓端循環(huán)的乙烯和從主與輔助壓縮機泄露系統(tǒng)循環(huán)的乙烯。
[0022]還優(yōu)選導(dǎo)引乙稀循環(huán)物流之一的小部分到吹掃物流(purge stream)，以限制惰性組分在反應(yīng)器系統(tǒng)內(nèi)累積。原則上，被輸送到吹掃物流中的總的反應(yīng)器氣體吞吐量的比例范圍通常為從低于I到15%。
[0023]主壓縮機的排放壓力與高壓乙烯循環(huán)系統(tǒng)的壓力匹配，且可以是例如范圍為270巴-350巴，和優(yōu)選范圍為280巴-320巴。此外，在從主壓縮機離開之后和在進入到輔助壓縮機之前，優(yōu)選冷卻乙烯。
[0024]主壓縮機的精確設(shè)計不是關(guān)鍵的。然而，在有利的實施方案中，主壓縮機是具有至少8個汽缸，優(yōu)選8至12個汽缸的往復(fù)式壓縮機。
[0025]輔助壓縮機壓縮乙烯到至少2300巴的壓力以供應(yīng)到管狀反應(yīng)器。正如對于主壓縮機的討論，輔助壓縮機優(yōu)選是通過單一電動機驅(qū)動的單元，但可以供選擇地包括通過分別的電動機驅(qū)動的兩個或更多個串聯(lián)或并聯(lián)的壓縮機。壓縮機的任何構(gòu)造，包括在下文中更加詳細地描述的構(gòu)造，意欲在本發(fā)明公開內(nèi)容的范圍內(nèi)，只要所述構(gòu)造適合于壓縮乙烯從(當(dāng)乙烯離開主壓縮機時，乙烯的)中間壓力到所需的反應(yīng)器壓力，2300巴-3100巴。輔助壓縮機在機械上是復(fù)雜的，且經(jīng)受非常高的機械力，但是被用于在高吞吐量下可靠且安全地在壽命期間(它可以是數(shù)十年)內(nèi)操作。成功的設(shè)計和操作輔助壓縮機將改進工藝的可行性。然而，當(dāng)所需的吞吐量增加時，對輔助壓縮機的機械需求，尤其通過傳動系統(tǒng)施加的負載增加。
[0026]與管狀聚合反應(yīng)器一起使用的輔助壓縮機通常是兩段往復(fù)式壓縮機，它例如具有在壓縮機底座內(nèi)布置的6或8個汽缸且具有通過在壓縮機底座的一端處直立的電動機驅(qū)動的共同的機軸。通常優(yōu)選安裝壓縮機在特別地適合于最小化振動的底座上。為了提供所需的吞吐量，應(yīng)當(dāng)使用能移動大體積材料通過該系統(tǒng)的輔助壓縮機?？墒褂幂^大汽缸移動較大體積，條件是汽缸組件(例如活塞和連接棒(rods))適合于這種負載。通過在合適的汽缸座(cylinder frame)內(nèi)增加汽缸數(shù)量來增加吞吐量。提供所需吞吐量的另一方式是如果可能的話，在電動機的其他側(cè)上添加第二壓縮機底座。優(yōu)選地，通過使用兩段往復(fù)式輔助壓縮機，其優(yōu)選具有至少十四(14)個汽缸，優(yōu)選在至少120噸/hr的吞吐量下能壓縮乙烯到至少2300巴的壓力，獲得所需的吞吐量。
[0027]在一個實施方案中，輔助壓縮機包括電動機和通過該電動機驅(qū)動的單一壓縮機底座。在該實施方案中，優(yōu)選汽缸相對大，以便每一汽缸實現(xiàn)相對高的吞吐量。然而，較大的汽缸(不管尺寸增加是由于沖程長度增加還是活塞直徑增加抑或二者的組合)相應(yīng)地在傳動系統(tǒng)端上和在高壓管道支持件上產(chǎn)生較大的負載，和因此，優(yōu)選單一壓縮機底座包括不超過16個汽缸，以便限制機軸的長度。在該實施方案中，輔助壓縮機優(yōu)選在150-200rpm的速度下操作。
[0028]在優(yōu)選的實施方案中，輔助壓縮機包括電動機和在該電動機的相對側(cè)上布置的兩個汽缸座。在這一實施方案中，該汽缸可以小于其中針對相當(dāng)吞吐量所使用的單一底座的情形。在這一實施方案中，輔助壓縮機優(yōu)選具有16、18、20、22或24個汽缸，但可具有最多32個汽缸(每一汽缸座上16個)。有利地，每一汽缸座可具有不大于12個汽缸。有利地，第一汽缸座可具有與第二汽缸座相等數(shù)量的汽缸。兩-底座壓縮機的操作速度優(yōu)選在180_250rpm 范圍內(nèi)。
[0029]在其中輔助壓縮機具有兩個汽缸座的情況下，典型地優(yōu)選借助撓性接頭，連接至少一個汽缸座到電動機上。盡管兩個底座各自借助撓性接頭連接到電動機上在本發(fā)明的范圍內(nèi)，但優(yōu)選僅僅一個與撓性接頭連接。其他壓縮機底座然后可借助硬質(zhì)接頭連接到電動機上，硬質(zhì)接頭比撓性接頭的成本更低且更結(jié)實。撓性接頭可以是包括兩組金屬膜的類型，每一膜相對薄(例如，厚度小于2mm)且通過軸向布置的硬質(zhì)金屬部件連接。一個膜組可連接到電動機的傳動軸上和另一組連接到