專利名稱：用于加壓丙烯聚合反應器的設備和方法
技術領域：
本發明涉及用于聚合丙烯的系統、設備和方法，包括在超臨界條件下操作的丙烯加壓容器。
不對本發明范圍構成限制，可參考丙烯聚合和共聚反應器及系統描述本發明背景。常規的丙烯聚合反應在大大低于丙烯臨界區域的溫度(臨界溫度Tc，197.2°F)和壓力(臨界壓力655.4psig)下操作。例如在諸多的常規方法中，聚合反應系統通常在約140-180°F溫度和440-480psig壓力范圍下操作。然而，驚奇地發現用目前銷售的丙烯聚合反應催化劑，如果在前面采用的常規溫度和壓力范圍之外操作可以提高產率。
然而，為了利用在常規溫度和壓力范圍之外操作的意想不到的好處，發現必須提供能在丙烯臨界溫度和壓力范圍之上，如在超臨界狀態操作的丙烯加壓容器。因此，需要包括適合在常規參數之外操作的加壓容器的丙烯聚合反應系統。
本發明提供了用于加壓丙烯聚合反應系統的方法和設備，包括在超臨界條件下操作的加壓容器。該容器中含有在超臨界條件下的第一區域的丙烯和次臨界條件下的第二區域的丙烯。本發明的一個實施方案中，加壓容器中的壓力由超臨界區域的過熱丙烯的噴射速率控制。可通過控制過熱丙烯原料的溫度保持包含在可壓縮超臨界相中的丙烯溫度。過熱丙烯溫度宜在200-280°F范圍，更好的約為240°F。容器壓力宜在660-800psig范圍，更好的在700-730psig范圍，最好約為710psig。容器中低溫冷卻的稠密液態丙烯溫度通常在80-140°F范圍，90-100°F為宜，最好約為100°F。按照這種模式操作加壓容器可以使丙烯聚合反應系統加壓，并在常規聚合反應溫度和壓力之上，例如660-700psig壓力下操作。
為更完整地理解本發明的特征和優點，可結合附圖參考本發明的詳細描述，附圖中相同的數字表示相同的部件，附圖如下
圖1是用于測試包含超臨界條件丙烯和次臨界條件丙烯的容器的控制和操作的試驗裝置的示意圖。
圖2和圖3表示使用圖1裝置在不同條件下丙烯凝聚隨時間的變化；和圖4是使用本發明加壓系統的丙烯聚合反應系統的示意圖。
由下面詳細討論本發明不同實施方案的構成和使用，應該理解本發明提供了許多包括在很多具體內容中的能應用的發明概念。在此討論的這些具體實施方案僅說明構成和使用本發明的具體方式，對本發明范圍不構成限制。
實施例1為測試處于超臨界條件下是否能夠保持有效控制丙烯加壓容器，按圖1中說明組裝試驗裝置10。將丙烯裝入供料筒38，然后用氮氣加壓38。供料筒38和加壓容器12間的閥16打開，通過原料管14和熱交換器24將首批丙烯通入容器12。首批丙烯通入容器12后，關閉閥16，在供料筒38中重新加入丙烯。如圖所示，供料筒38安裝在稱盤18上，有用于監測料筒重量的重量指示器20以及用于監測料筒壓力的壓力監測器28。
閥22打開加入蒸汽，提供熱量，并使液面感應器，即差壓(“DP”)元件26平衡。DP元件26穩定后，打開丙烯控制閥16，使容器12達到操作壓力(710psig)。通過液面傳感器36將DP元件26的讀數傳送到記錄儀。將過熱丙烯噴入容器12的頂部以保持壓力恒定，同時通過放料閥46從下部排出過量液體，直到反應器液面達到要求。
為使容器12下部區域的溫度保持低于其上部區域34的溫度，通過冷卻水閥50和供水管52向冷卻盤管54供水。低于臨界壓力下，通過窺鏡48可明顯見到，在稠密(液體)區32和可壓縮(氣體)區34間的過渡區30。然而，當壓力增加到710psig，操作條件移到兩相范圍之外時，容器中汽液相間的界面(通過窺鏡觀察)消失。然而，由于容器中的溫度梯度，容器內仍存在稠密液體區和可壓縮氣體區。
由于當丙烯凝聚時容器內壓力下降，把過熱丙烯周期地加到容器內壁或稠密(液體)區32和可壓縮(蒸氣)區34的界面上，以保持所要求的容器壓力。
試驗中采用兩種不同的試驗方法。第一種，以提高液面的模式操作該單元，如當容器中可壓縮(蒸汽)區中的丙烯凝聚時使稠密(液體)區的液面升高。第二種，容器以恒定液面的模式操作。在恒定液面模式中，通過放料閥46從容器下部區域32排出液體，將容器中液體量保持在靠近容器中部的預定范圍。
這兩種情況下，以固定的時間間隔記錄DP讀數、液體和蒸氣溫度、以及供料筒重量，并列于表1和表2。
表 1710psig下隨液面升高的凝聚速度<
<p>表2710psig下液面恒定下的凝聚速度
由上面的例子說明，設計的丙烯加壓容器可以按照包含稠密(液體)相中丙烯和可壓縮的超臨界相中丙烯的各自區域進行控制和操作。要在加壓容器中達到要求的壓力，容器可以用過熱丙烯加壓。圖2和圖3的凝聚速度與時間的曲線用于進一步說明試驗結果。
本發明的一個實施方案中，容器壓力可通過噴射在超臨界區的完全氣化的過熱丙烯來控制。通過控制過熱丙烯的溫度來保持包含在可壓縮超臨界相區域中的丙烯溫度。過熱丙烯溫度宜在200-280°F范圍，過熱丙烯溫度約為240°F更好。容器壓力宜在660-800psig范圍，700-730psig更好，最好約為710psig。容器中低溫冷卻的稠密液態丙烯溫度通常在80-140°F范圍，90-100°F為宜，最好約為100°F。加壓容器按照這種模式在常規聚合反應溫度和壓力范圍之外，如660-700psig下，可以使丙烯聚合反應系統加壓和操作。
參考圖4，示意說明了包括本發明的丙烯聚合反應系統或設備。如圖所說明的，該系統包括第一環路反應器110、通過管160與第一環路反應器連接的第二環路反應器120、以及專門設計的丙烯加壓系統100。環路反應器110和120配備了攪拌器170以促進混合。盡管在雙環路反應器系統中已經說明，但是加壓系統應當能應用于單反應器系統以及除環路型反應器外的其它反應器。
丙烯通過原料管135供給系統，原料管135將丙烯供給環路反應器和加壓系統100。丙烯通過熱交換器116輸送到加壓系統。熱交換器116配備有蒸汽管112和控制閥114。加壓系統100包括加壓容器130，在該容器下部配備內冷卻盤管146。通過供水管140向盤管提供冷卻水，由閥142調節冷卻水流量。第一環路反應器110和第二環路反應器120通過管132和134與加壓容器130連接。
加壓容器130配備了位于容器130上部的上層溫度感應器/控制器118。或者，溫度感應器118可以位于熱交換器116和加壓容器130之間的丙烯原料管172上。感應器118的信號傳送到蒸汽管112上的控制閥114，調節蒸汽到熱交換器116的流量。
加壓容器裝有DP元件150，它向液面控制器152提供信號。來自液面控制器152的信號傳送到控制閥154，154調節從第二環路反應器120排出的聚丙烯和聚合物的量。因此，如果加壓反應物130中液體液面上升到高于要求的量，控制閥154打開，從系統排放丙烯和聚合物。或者，如果容器130中液面下降到低于要求量，液面控制器152將信號傳送到控制閥154來關閉該閥。
容器130中的壓力可通過加入過熱丙烯蒸氣調節。加壓容器配備有壓力控制器124，它連接到控制閥126。操作中，當容器130的壓力下降時，壓力控制器124將信號傳送到控制閥126。控制閥126根據信號打開，向熱交換器116提供丙烯，丙烯在通入容器130之前在熱交換器中過熱。操作期間，容器中壓力宜在660-800psig，700-730psig更好，最好約為710psig。
操作中，丙烯以兩個不同相存在于加壓容器130中，過熱可壓縮(蒸氣)相，對應于容器上部區域131，已經低溫冷卻的稠密(液體)相，對應于容器下部區域133。通常，上部區域131溫度保持在200-280°F范圍。上部區域131中的過熱丙烯溫度約為240°F。加壓容器下部區域133中的低溫冷卻稠密液態丙烯的溫度通常在80-140°F范圍，90-110°F為宜，最好約為100°F。本文中，術語“低溫冷卻”指低于在相關壓力下的丙烯臨界溫度。
加壓容器下部區域133溫度由內冷卻盤管146保持。加壓容器130在對應于容器下部區域133的位置配備了溫度感應器144。到盤管的冷卻水流量可由控制閥142控制，它可以根據感應器144的信號打開和關閉。本領域的技術人員可以理解其它冷卻介質，如輸入第二反應器120的丙烯可用作冷卻介質。
本發明的重要特征是組合內冷卻加壓容器130和差壓元件150來控制容器中低溫冷卻的稠密液態丙烯的液面。盡管在加壓容器中丙烯以兩種相存在，如過熱的可壓縮相和低溫冷卻的稠密相，但是，在超臨界條件下，這兩相之間的界面變得用肉眼不能監測。因此，常規的液面監測裝置，例如窺鏡，不能用于控制加壓容器中稠密的、或流體相的液面。因此需要另一種液面監測裝置，如差壓液面監測裝置來監測容器中流體相量。然而，為能使差壓元件可用作液面監測裝置，容器130上部區域131中的過熱丙烯和其下部區域的低溫冷卻的稠密丙烯之間的密度梯度必須足以使DP元件能檢測到由于濃度梯度產生的壓差。使用內冷卻盤管146來冷卻容器下部區域133中的稠密液相丙烯至低于臨界溫度，提供要求的密度梯度，從而使DP元件可用作液面監測裝置。
例如，本發明的一個實施方案中，容器第一區域或上部區域131，對應于可壓縮的超臨界丙烯的溫度可保持在約240°F，而容器130下部區域或第二區域133中的稠密液相丙烯，盡管使用了內冷卻盤管146，被冷卻至約100°F。由于丙烯在710psig和100°F下的比容為0.033英尺3/磅，在710psig和240°F下的比容為0.145英尺3/磅，上面區域131中的過熱丙烯與下部區域中低溫冷卻的液態丙烯間的密度比值為1∶4.39。這一密度梯度足以使DP元件用作容器130的液面指示裝置。
本發明的一些實施方案用于說明本說明書的目的，本領域的技術人員可對本文提出的生產中的組成、方法和制品進行各種改進，這樣的改進包含在由權利要求書定義的本發明的范圍和精神中。
權利要求
1.一種丙烯聚合反應系統；包括至少一個加壓容器的丙烯聚合反應系統；包含溫度和壓力處于丙烯臨界溫度和壓力之上的丙烯的加壓容器；和其中的加壓容器包含低于丙烯臨界溫度的丙烯。
2.權利要求1所述的系統，其特征在于通過加入超臨界條件下的聚丙烯來控制所述加壓容器的壓力。
3.如權利要求1所述的系統，其特征在于通過加入惰性氣體來控制所述的加壓容器的壓力。
4.如權利要求1所述的系統，其特征在于所述加壓容器包括用于將丙烯液體冷卻至低于臨界溫度的內部熱交換器。
5.如權利要求2所述的系統，其特征在于加壓容器中低于丙烯臨界溫度的丙烯液面由差壓感應裝置監測。
6.如權利要求1所述的系統，其特征在于所述加壓容器的壓力在660-800psig之間，其中的加壓容器包含其溫度高于對應的丙烯臨界溫度的丙烯；和其中丙烯加壓容器包含其溫度低于對應的丙烯臨界溫度的丙烯。
7.如權利要求1所述的系統，其特征在于所述加壓容器的壓力在700-730psig之間，其中的加壓容器包含其溫度高于對應的丙烯臨界溫度的丙烯；和其中加壓容器包含其溫度低于對應的丙烯臨界溫度的丙烯。
8.如權利要求1所述的系統，其特征在于丙烯加壓容器在其上部區域含有溫度和壓力處于丙烯臨界溫度和壓力之上的丙烯；和其中的丙烯加壓容器在其下部區域含有低于丙烯臨界溫度的丙烯。
9.如權利要求8所述的系統，其特征在于所述加壓容器上部區域的溫度保持在200-280°F范圍。
10.如權利要求8所述的系統，其特征在于所述加壓容器上部區域的溫度保持在約240°F。
11.如權利要求8所述的系統，其特征在于所述加壓容器下部區域的溫度保持在80-140°F范圍。
12.如權利要求8所述的系統，其特征在于所述加壓容器下面區域的溫度保持在約100°F。
13.如權利要求1所述的系統，其特征在于所述加壓容器連接到丙烯聚合反應器，以加壓該丙烯聚合反應器，其中，在加壓容器壓力下低于丙烯臨界溫度的丙烯液面通過從丙烯聚合反應器放料來控制。
14.如權利要求13所述的系統，其特征在于加壓容器包括一個液面控制器，丙烯反應器包括一個連接到液面控制器的排放閥，以控制丙烯由反應器排放。
15.一種聚合丙烯的方法，該方法包括下列步驟將加熱的氣體噴入加壓容器，在加壓容器的第一區域保持一定量的丙烯處于超臨界溫度和壓力范圍；冷卻該容器的第二區域，在加壓容器壓力下保持第二區域的丙烯溫度低于其臨界溫度。
16.如權利要求15所述的方法，其特征在于所述方法還包括使加壓容器第一區域的丙烯溫度保持在200-280°F范圍的步驟。
17.如權利要求15所述的方法，其特征在于所述方法還包括將所述加壓容器第一區域溫度保持在約240°F的步驟。
18.如權利要求15所述的方法，其特征在于所述加壓容器的第二區域的溫度保持在80-140°F范圍。
19.如權利要求15所述的方法，其特征在于所述加壓容器第二區域的溫度保持在約100°F。
20.一種用于加壓丙烯聚合反應器的系統，該系統包括包括一個內部熱交換器的加壓容器；用于監測容器內壓力的壓力傳感器，所述壓力傳感器提供指示容器內壓力的信號；用于根據壓力傳感器信號向容器第一區域提供加熱氣體的控制閥，容器第一區域保持在高于丙烯臨界溫度和壓力；用于監測加壓容器第二區域溫度的溫度傳感器，該溫度傳感器提供指示容器第二區域中溫度的信號；和用于向內部熱交換器提供冷卻介質的控制閥，以使第二區域的丙烯冷卻至低于加壓容器壓力下的丙烯臨界溫度。
21.如權利要求20所述的系統，其特征在于所述系統還包括用于監測所述加壓容器第二區域中丙烯液面的差壓元件。
全文摘要
一種用于加壓丙烯聚合反應器的系統,包括:包含內部熱交換器的加壓容器;監測容器壓力的壓力傳感器,它提供指示容器壓力的信號;根據壓力傳感器信號在容器第一區域提供加熱的氣體的控制閥,容器第一區域保持在高于丙烯臨界溫度和臨界壓力;監測加壓容器第二區域溫度的溫度感應器,它提供指示容器第二區域溫度的信號;向內部熱交換器提供冷卻介質的控制閥,將第二區域的丙烯冷卻至低于加壓容器壓力下的丙烯臨界溫度。
文檔編號C08F2/01GK1265399SQ00101970
公開日2000年9月6日 申請日期2000年2月2日 優先權日1999年2月2日
發明者T·恩古延, W·帕克, D·A·達格爾, A·格里菲斯 申請人:弗納技術股份有限公司