Brevet FR2545544A1 — publié le 19841109

La présente invention se rapporte à un compresseur à mowement alternatif destiné aux très hautes pressions et à son application à un procédé de polymérisation d'éthylène et d'c(-oléfines. La présente invention vise à résoudre les problèmes techniques posés par la compression, sous une pression de refoulement supérieure ou égale à 150 bars, d'un fluide répondant à au moins l'une des trois conditions suivantes - le fluide contient des traces de particules abrasives. - le fluide n'est pas autolubrifiant et il lntervient dans un procédé n'acceptant pas de lubrifiant externe. - le fluide n'est pas autolubrifiant et il intervient dans un procédé acceptant des lubrifiants externes mais il est solvant des lubrifiants possibles. Le fluide concerné par le problème de la présente invention peut être à l'état liquide ou gazeux, sa température peut être comprise dans une gamme allant de -300 à + 2000C à tout étage de la machine de compression, et enfin il peut être de nature chimique très diverse, par exemple hélium, aninoniac, éthylène, mélange d'éthylène et d'au moins un composé choisi parmi les -oléfines, l'hydrogène, les hydrocarbures saturés tels que propane ou butane. La compression 4'un fluide sous une pression de refoulement supérieure ou égale à 150 bars s'effectue généralement dans une machine de compression à un ou plusieurs étages, à mouvement alternatif, dont chaque cylindre comprend d'une part un piston plongeur ou une chemise de cylindre et d'autre part un élément d'étanchéité pouvant être soit (dans le cas d'un piston plongeur) au moins une garniture statique en plusieurs parties soit (dans le cas d'une chemise de cylindre) au moins un segment mobile solidairement avec le piston. Dans le cas de garnitures, l'étanchéité dynamique s'effectue entre la ou les garnitures et le piston plongeur ; dans le cas de segments, l'étanchéité dynamique s'effectue entre la chemise de cylindre et le(s) segment(s). Lorsque le fluide destiné à être comprimé ne répond à aucune des trois conditions énumérées précédemment, notamment lorsque ledit fluide est autolubrifiant et/ou lorsqu'il ne contient pas de traces de particules abrasives, et/ou lorsque les surfaces en contact constitutives de l'étanché- ité dynamique sont lubrifiées, la machine de compression fonctionne de manière satisfaisante pendant une durée de quelques milliers d'heures sans perturbations, powant atteindre jusqu'à 7 000 heures, sans qu'il soit nécessaire de choisir avec une attention particulière les matériaux constituant les différentes parties de ladite machine.Par exemple lorsque l'on comprime de l'éthylène ou un mélange d'éthylène et de comonomères polaires jusqu'à une pression de refoulement souvent comprise entre 150 et 3000 bars, dans le cadre d'un procédé de polymérisation à haute température en présence d'initiateurs de radicaux libres tel que décrit notamment dans les brevets francais nO 1.584.529, 2.025.887, 2.099.267 et 2.313.399, il est commun d'utiliser un compresseur à mouvement alternatif dont le piston plongeur ou la chemise de cylindre sont constitués en acier traité ou en fonte ou en un matériau de la famille des carbures de métaux comme le tungstène et dont les éléments d'étanchéité sont réalisés en bronze tel que le bronze UE 9 P contenant 9 t-d'étain, 0,3 à 1 % de phosphore et le reste en cuivre.Ceci tient au fait que le flux d'6thylène à comprimer ne contient pas de traces de particules abrasives. Il a été constaté par contre que lorsque le fluide à comprimer répond à au moins l'une des trois conditions énumérées précédemment, un compresseur à mouvement alternatif dont les parties sont constituées des matériaux coitimmément utilisés ne peut plus fonctionner de manière satisfaisante, c'est-à-dire sans interruption, que pendant un nombre d'heures limité à quelques centaines, voire quelques dizaines, ce nombre étant fonction du manque de lubrification et/ou de la teneur des particules abrasives dans le fluide. L'analyse des causes de ce fonctionnement insatisfaisant a montré, notamment par examen au microscope optique et électronique des surfaces des éléments d'étanchéite, une usure excessivement rapide de ceux-ci conduisant inéluctablement au grippage des éléments d'étanchéité du compresseur.La présente invention a pour objectif d'apporter des solutions au problème technique ainsi exposa. Un premier objet de la présente invention consiste en un compresseur à mouvement alternatif destiné aux très hautes pressions comprenant d'une part au moins un piston plongeur ou une chemise de cylindre et d'autre part au moins un élément d'étanchéité, caractérisé en ce que d'une part chaque piston plongeur ou chemise de cylindre et d'autre part chaque élément d'étanchéité comprend au moins un matériau constitué de 80 à 99 % en poids d'au moins un composé choisi parmi les carbures, nitrures, oxydes et borures de métaux choisis parmi le tungst8ne, le chrome et le titane et de 1 à 20 t en poids d'au moins un liant métallique choisi parmi le cobalt, le nickel, l'aluminium et leurs alliages, et en ce que la partie de l'élément d'étanchéité comprenant ledit matériau est au contact de la partie du piston plongeur ou de la chemise de cylindre comprenant le même dit matériau. Ainsi selon la présente invention les éléments d'étanchéité comprennent au moins un matériau identique ou analogue à celui constituant le piston plongeur ou la chemise du cylindre. Par matériau analogue on entend un matériau choisi dans la famille décrite ci-dessus. Les matériaux constitutifs des deux parties du compresseur selon l'invention peuvent le cas échéant différer par des caractéristiques secondaires telles que la forme cristallographique du liant métallique, les paramètres de son réseau atomique et/ou son point de fusion. Ainsi la forme cristallographique peut être choisie parmi la forme cubique à faces centrées et la forme hexagonale compacte, les parametres du réseau atomique sont compris entre 2,51 et 4,10A, le point de fusion est au moins égal à 1453"C. Le compresseur selon l'invention fonctionne de manière satisfaisante, c'est-à-dire sans perturbations, penchant une durée supérieure ou égale à 2 000 heures - lorsque le fluide à comprimer, liquide ou gazeux, est à tout étage dudit compresseur à une température comprise entre - 300 et + 2000C, - lorsque la pression de refoulement dudit fluide est supérieure ou égale à 150 bars, - lorsque le mouvement alternatif du compresseur est tel que la vitesse moyenne relative de glissement d'une partie par rapport à l'autre atteint jusqu'à 5 m/s, selon la pression de refoulement, - lorsque le fluide à comprimer contient des traces de particules abrasives en quantité telle que le coefficient de frottement puisse atteindre 0,5, - lorsque le fluide à comprimer nrest pas autolubrifiant et qu'on ne peut obtenir le secours d'un lubrifiant externe. Le compresseur à mouvement alternatif selon l'invention trouve de nombreuses applications dans l'industrie chimique et notamment pour la polymérisation de l'éthylène ou la copolymérisation de ltéthylène et des of-oléfines sous haute pression. En effet il est connu par le brevet fran çais nO 2.021.952 de polymériser l'éthylène sous une pression supérieure à 500 bars et à une température coflprise entre 1400 et 300 C, en présence d'un système catalytique du type Ziegler. De nombreux systèmes catalytiques de ce type se révèlent adaptés à la polymérisation de l'éthylène, ainsi qusà la copolymérisation de l'éthylène avec des -oléfines, sous pression et température élevées. Ces systmes ont en commun la présence d'une part d'au moins un composé halogéné de métal de transition et d'autre part d'au mains un activateur choisi parmi les hydrures et les composés organométalliques des métaux des groupes I à III de la Classification Périodique. Parmi les composés halogénés de métal de transition utilisables, bien qu'ils soient très nombreux, on peut citer les complexes X -allylique ou benzylique du chrome, du zirconium et du titane, les trichlorures de vanadium et de titane (ce dernier éventuellement syncristallisé avec le chlorure d'aluminium sous la forme TiC 13 3 Aloi3) éventuellement fixés sur un support comprenant par exemple un halogénure, un monohalogénure ou un hydrohalogénure de magnésium. Tous ces composés peuvent être utilisés en présence d'agents complexants tels que alcools lourds, alcoolates métalliques, silicates d'alkyle, aryl ou alkylsiloxanes, éthers ou amines. Parmi les activateurs utilisables on peut citer notamment les trialkylaluminiums, les halogénodialkylaluminiums et les alkysiloxalanes. Dans un tel procédé de polymérisation ou copolymérisation, le mélange issu du réacteur est envoyé vers un séparateur fonctionnant sous une pression de 50 à 500 bars, dans lequel le polymère est séparé des monomères n'ayant pas réagi, puis les monomères provenant du séparateur sont comprimés jusqu'à la pression de réaction et renvoyés dans le réacteur. On a constaté que des quantités non négligeables de bas polyrneres contenant des résidus catalytiques, en particulier des composés d'aluminium ou d'autres composés réducteurs, sont entraînés dans le flux de monomères non réagis à comprimer. A ltentree du compresseur, une fraction de bas polymères pouvant apparaître sous forme de particules de granulométrie comprise entre 1 et 250 microns, est l'une des causes d'abrasion des éléments d'étanchéité du compresseur, dès que la teneur en résidus catalytiques dans le fluide à recycler et comprimer dépasse 0,5 ppin (partie par million). Un second objet de la présente invention consiste en un procédé de polymérisation de l'éthylène dans un réacteur sous une pression supérieure à 200 bars et à une température supérieure à 1 700C, en présence d'un système catalytique de type Ziegler, le mélange issu du réacteur étant envoyé vers un séparateur sous pression comprise entre 50 et 500 bars dans lequel le polymère est séparé de l'éthylène n'ayant pas réagi, l'éthylène issu du séparateur étant comprime jusqu a la pression du réacteur et renvoyé dans celui-ci, caractén.se en ce que ladite compression de l'éthy- ne issu du séparateur est effectuée au moyen d'un compresseur à mouvement alternatif selon l'invention tel que décrit précédemment. Un tel procédé présente, du fait du fonctionnement satisfaisant du compresseur, une fiabilité améliorée. Le procédé selon l'invention peut être mis en oeuvre en polymérisant ltéthylèns en présence de 1 à 50 t en poids d'un hydrocarbure inerte tel que propane ou butane par exemple, etXou en présence de jusqu'à 2 t en moles d'hydrogène. Le procédé de l'invention est mis en oeuvre de manière continue et peut être effectué en utilisant deswréacteurs soit autoclaves soit tubulaires ou bien en utilisant un réacteur de chaque type. Lesdits réacteurs pourront comporter chacun une ou plusieurs zones réactionnelles. L'invention est également applicable à la copolymérisation de l'éthylène avec des Oc -oléfines telles que propylène et butene-1 par exemple, ainsi qu'à la terpolymérisation de l'éthylène avec une-oléfine telle que le propylène et avec une dioléfine non conjuguée. REVENDICATIONS 1. Compresseur à mouvement alternatif destiné aux très hautes pressions comprenant d'une part au moins un piston plongeur ou une chemise de cylindre et d'autre part au moins un élément d'étanchéité, caractérisé en ce que d'une part chaque piston plongeur ou chemise de cylindre et d'autre part chaque élément d'étanchéité comprend au moins un matériau constitué de 80 à 99 % en poids d'au moins un composé choisi parmi les carbures, nitrures, oxydes et borures de métaux choisis parmi le tungstène, le chrome et le titane et de 1 à 20 t en poids d'au moins un liant métallique choisi parmi le cobalt, le nickel, l'aluminium et leurs alliages, et en ce que la partie de l'élément d'étanchéité comprenant ledit matériau est au contact de la partie du piston plongeur ou de la chemise de cylindre comprenant le même dit matériau. 2. Compresseur à mouvement alternatif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la forme cristallographique du liant métallique est choisie parmi la forme cubique à faces centrées et la forme hexagonale compacte. 3. Campresseur à mouvement alternatif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérise en ce que les paramètres du réseau métallique du liant métallique sont compris entre 2,51 et 4,10 A. 4. Compresseur à mouvement alternatif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le point de fusion du liant métallique est au moins égal à 14530C. 5. Compresseur à mouvement alternatif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le mouvement alternatif du compresseur est tel que la vitesse moyenne relative de glissement d'une partie par rapport à l'autre atteint jusqu'd 5 m/s. 6. Application d'un compresseur à mouvement alternatif selon l'une des revendications 1 à 5 à la compression d'un fluide sous une pression de refoulement supérieure QU égale à 150 bars. 7. Application selon la revendication 6, caractérisée en ce que la température dudit fluide est comprise entre 300 et +2000C à tout étage dudit compresseur. 8. Application selon lune des revendications 6 et 7, caractérisée en ce que ledit fluide contient des traces de particules abrasives. 9. Application selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisée en ce que ledit fluide n'est pas autolubrifiant et intervient dans un procédé n'acceptant pas de lubrifiant externe. 10. Application selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisée en ce que ledit fluide n'est pas autolubrifiant et intervient dans un procédé acceptant des lubrifiants externes mais est solvant des lubrifiants possibles. 11. Applications selon l'une des revendications 6 à 10, caracterisée en ce que ledit fluide est l'éthylène, éventuellement en mélange avec au moins un composé choisi parmi les -oléfines, l'hydrogène et les hydrocarbures saturés. 12. Application selon la revendication 11 à un procédé de polymérisation de l'éthylène dans un réacteur sous une pression supérieure à 200 bars et à une température supérieure à 17QOC, en présence d'un système catalytique de type Ziegler, le mélange issu du réacteur étant envoyé vers un séparateur sous pression comprise entre 50 et 500 bars dans lequel le polymère est séparé de ltéthylène n'ayant pas réagi, l'éthylène issu du. séparateur étant comprimé jusqu'à la pression du réacteur et renvoyé dans celui-ci, caractérisée en ce que l'éthylène issu du séparateur contient au moins 0,5 ppm de résidus dudit système catalytique.