Brevet FR2792853A1 — publié le 20001103

La présente invention concerne une buse d'injection de liquide et un procédé utilisant ladite buse pour l'introduction de liquide condensé dans un réacteur de (co-)polymérisation d'éthylène et/ou de propylène en phase gazeuse dans un lit fluidisé. Il est connu de polymériser un ou plusieurs monomères en phase gazeuse sous une pression supérieure à la pression atmosphérique dans un réacteur à lit fluidisé o des particules de polymère en cours de formation sont maintenues à l'état fluidisé grâce à un mélange gazeux réactionnel contenant le ou les monomères à polymériser et circulant selon un courant ascendant. Le polymère ainsi fabriqué sous forme de poudre est généralement soutiré du réacteur afin de maintenir le lit à un volume plus ou moins constant. Un procédé préféré à l'échelle industrielle utilise une grille de fluidisation qui distribue le mélange gazeux réactionnel au travers du lit et qui sert de support pour le lit en cas de coupure de débit du gaz ascendant. Le mélange gazeux réactionnel sortant par le sommet du réacteur à lit fluidisé est recyclé à la base de ce dernier sous la grille de fluidisation par l'intermédiaire d'une conduite externe de circulation munie d'un compresseur. La polymérisation des monomères est une réaction exothermique. Il est donc nécessaire de prévoir un moyen adapté au refroidissement du lit afin d'en extraire la chaleur de polymérisation. La méthode préférée pour la polymérisation de l'éthylène et/ou du propylène dans un lit fluidisé consiste à refroidir le mélange gazeux réactionnel en dessous de la température de polymérisation, ce qui permet lors du passage de ce gaz de fluidisation au travers du lit de compenser l'excédent de chaleur engendré par la polymérisation. Ainsi, au cours de son renvoi, le mélange gazeux réactionnel est généralement refroidi à l'aide d'au moins un échangeur thermique disposé sur la conduite externe de circulation de façon à éliminer la chaleur produite par la réaction de polymérisation et de maintenir la température de polymérisation au niveau désire. On a cherché, tout particulièrement au cours de ces dernières années, à optimiser le procédé de polymérisation en phase gazeuse de manière à augmenter la production de polymère dans les ateliers existants. On a dès lors raisonné en taux de production de polymère, à savoir en terme de rendement en poids de polymère produit par unité de volume du réacteur et par unité de temps (kg/h/m3). Dans les réacteurs à lit fluidisé commerciaux du type mentionné ci-dessus, on sait que le taux de production dépend directement du taux d'enlèvement de chaleur générée dans le réacteur. Ce taux d'enlèvement peut être augmenté, par exemple en accroissant la vitesse du gaz de fluidisation, et/ou en réduisant la température du gaz de fluidisation, et/ou en augmentant la capacité thermique du gaz de fluidisation. Par exemple, BP Chemicals Limited a proposé dans sa demande de brevet W094/28032 un procédé de polymérisation d'oléfine(s) en phase gazeuse dans lequel le courant gazeux de recyclage est refroidi à une température suffisante pour former un liquide et un gaz. En séparant le liquide du gaz et en introduisant le liquide directement dans le lit fluidisé, on peut augmenter la quantité totale de liquide introduite dans le réacteur à lit fluidisé ce qui permet de mieux refroidir le lit par évaporation et donc d'atteindre des niveaux supérieurs de productivité. De nombreuses méthodes pour introduire le liquide dans le lit fluidisé ont déjà été décrites. Il a été maintenant trouvé un appareillage constitué par une buse d'injection de liquide qui comporte un grand nombre d'avantages par rapport aux buses décrites dans l'art antérieur. L'invention concerne une buse pour l'injection d'un liquide comprenant une conduite d'alimentation (1) et un manchon (2) coulissant à l'intérieur et à l'extrémité de ladite conduite, la position dudit manchon (2) le long de la conduite d'alimentation (1) étant induite par la pression du liquide d'alimentation (3) et la force de rappel d'un ressort taré (4), ledit ressort ayant une extrémité fixée au manchon (2) et l'autre extrémité à la conduite d'alimentation (1), caractérisée en ce que i) le manchon (2) est muni d'une ou de plusieurs cannelures (10) le long de sa surface de coulissement avec la conduite d'alimentation (1), ii) lesdites cannelures (10) débouchent dans une gorge (11)sur la circonférence du manchon (2) et en dessous d'une butée circulaire (8) solidaire du même manchon (2), iii) ladite butée (8) repose sur un rebord (9) de l'extrémité de la conduite d'alimentation (1) lorsque la pression du liquide d'alimentation (3) n'est pas suffisante pour déplacer le manchon (2), ce qui permet ainsi d'arrêter ou de maintenir arrêté l'injection dudit liquide (3), iv) ledit rebord (9), ainsi que la butée circulaire (8) du manchon étant chacun muni d'une surface d'appui (12) et (13) dont la surface de contact est minimisée pour permettre une bonne étanchéité, et, v) quand la pression du liquide d'alimentation (3) est suffisante pour déplacer le manchon (2), ledit liquide (3) est acheminé par les cannelures (10) jusqu'à la gorge (11) du manchon pour être injecté vers l'extérieur entre les surfaces d'appui du rebord (9) de l'extrémité de la conduite d'alimentation (1), d'une part, et de la butée (8) du manchon (2), d'autre part. Un exemple non limitatif du dispositif de l'invention est représenté schématiquement à la figure annexée. Selon la présente invention, la buse comprend une conduite d'alimentation et un manchon coulissant à l'intérieur et à l'extrémité de ladite conduite. La conduite d'alimentation peut permettre de conduire le liquide d'alimentation vers son extrémité. Les dimensions du manchon peuvent être quelconques mais doivent être choisies pour permettre son coulissement dans la conduite d'alimentation. La partie supérieure du manchon a de préférence une forme ogivale. Selon la présente invention, la position du manchon le long de la conduite d'alimentation peut être induite par la pression du liquide d'alimentation et la force de rappel d'un ressort taré. Le déplacement dudit manchon peut s'effectuer sur un axe sensiblement longitudinal le long de la conduite d'alimentation. Sous l'effet de la pression du liquide d'alimentation ledit manchon a tendance à être repoussé vers l'extérieur de la conduite. Quand la pression est suffisante, ledit manchon peut être effectivement repoussé et déplacé partiellement en dehors de la conduite d'alimentation. Par pression suffisante on entend la pression nécessaire pour que la force qui en découle soit supérieure à la force de rappel correspondant au tarage du ressort. Selon la présente invention, le ressort taré a une extrémité fixée au manchon et l'autre extrémité à la conduite d'alimentation. Le ressort taré peut être monté par n'importe quel moyen adapté, afin de produire son effet par un travail en compression ou en détente. Les extrémités du ressort taré peuvent être fixées au manchon et à la conduite d'alimentation soit directement ou bien à l'aide d'une ou plusieurs pièces mécaniques intermédiaires. Le mode de fixation peut être quelconque, tel que solidaire ou par un contact en butée. Par exemple, le ressort taré peut être fixé par son extrémité en aval de la conduite d'alimentation à cette même conduite par un contact en butée sur un rebord circulaire interne dans ladite conduite. L'autre extrémité peut être fixée par un contact en butée avec un écrou visé sur une tige solidaire du manchon. Dans cet exemple, l'écrou peut être vissé sur la tige solidaire du manchon en comprimant partiellement le ressort, de façon à maintenir une butée circulaire du manchon en appui avec le rebord de l'extrémité de la conduite. Dans ce cas, le ressort taré travaille en compression et son tarage correspond à la force de compression initiale du ressort taré induite par le serrage de l'écrou sur la tige. On peut définir la pression de tarage du ressort taré comme la pression minimum permettant un déplacement du manchon. Selon la présente invention, le manchon est muni d'une ou de plusieurs cannelures le long de sa surface de coulissement avec la conduite d'alimentation. Le manchon est de préférence muni de plusieurs cannelures réparties de manière uniforme autour de la circonférence du manchon. Le nombre de cannelures peut être compris entre 2 et 8, de préférence entre 4 et 6, par exemple 4. La surface de la section transversale des cannelures doit être suffisamment large pour éviter une trop grande perte de charge lors du passage du liquide d'alimentation et pour permettre le passage de particules solides qui peuvent être dans ledit liquide. Cependant la surface de section transversale des cannelures doit être limitée pour maintenir une vitesse du liquide d'alimentation minimum afin d'éviter le dépôt et l'amoncellement de particules solides. Selon la présente invention, lesdites cannelures débouchent dans une gorge sur la circonférence du manchon et en dessous d'une butée circulaire solidaire du même manchon. Ladite gorge doit être suffisamment large et profonde pour permettre une bonne répartition du liquide d'alimentation autour de la circonférence du manchon et pour permettre aussi le passage de particules solides qui peuvent être dans ledit liquide. Selon la présente invention, la butée circulaire solidaire du manchon repose sur un rebord de l'extrémité de la conduite d'alimentation lorsque la pression du liquide d'alimentation n'est pas suffisante pour déplacer le manchon, ce qui permet ainsi d'arrêter ou de maintenir arrêté l'injection dudit liquide tout en évitant le passage de particules solides du réacteur dans la buse. La pression du liquide d'alimentation peut ne pas être suffisante pour déplacer le manchon si elle génère une force inférieure à la force de rappel du ressort correspondant au tarage de ce dernier. En dessous de cette limite, c'est à dire en dessous de la pression de tarage, et grâce à la force de rappel du ressort, la butée circulaire solidaire du manchon peut être maintenue en contact avec le rebord de l'extrémité de la conduite d'alimentation. Selon la présente invention, le rebord de l'extrémité de la conduite d'alimentation ainsi que la butée circulaire du manchon sont chacun muni d'une surface d'appui dont la surface de contact est minimisée pour permettre une bonne étanchéité. Les surfaces d'appui sont de préférence planes. Afin de minimiser ladite surface de contact, la surface d'appuis du rebord de l'extrémité de la conduite d'alimentation peut être chanfreinée vers l'intérieur dudit rebord. Selon la présente invention, quand la pression du liquide d'alimentation est suffisante pour déplacer le manchon, ledit liquide est acheminé par les cannelures jusqu'à la gorge du manchon pour être injecté vers l'extérieur entre les surfaces d'appui du rebord de l'extrémité de la conduite d'alimentation, d'une part, et de la butée du manchon, d'autre part. La pression du liquide d'alimentation peut être suffisante pour injecter ledit liquide vers l'extérieur quand elle génère une force supérieure à la force de rappel du ressort correspondant au tarage de ce dernier. Au dessus de cette limite, c'est à dire au dessus de la pression de tarage, le manchon peut être déplacé pour permettre l'injection du liquide d'alimentation entre les surfaces d'appui du rebord de l'extrémité de la conduite d'alimentation, d'une part, et de la butée du manchon, d'autre part. Les surfaces d'un côté et de l'autre des surfaces d'appui du rebord de l'extrémité de la conduite d'alimentation et de la butée du manchon peuvent avoir une forme permettant d'optimiser l'écoulement du liquide d'alimentation en terme de perte de charge, dispersion du jet de liquide produit à l'extérieur de la buse et pénétration dudit jet. Selon une variante de la présente invention, il est possible de limiter le déplacement du manchon par un dispositif de blocage. Ce dispositif peut être un anneau solidaire de la tige, qui est elle même solidaire du manchon, ledit anneau s'appuyant sur une butée de la conduite d'alimentation quand le manchon atteint son débattement maximum. Pour la conception d'une buse opérant dans une plage de débits donnée et dont la longueur des jets de liquide d'alimentation doit être limitée, on peut prendre en compte des paramètres tels que: le débattement maximal de l'ouverture entre les surfaces d'appui du rebord de l'extrémité de la conduite d'alimentation et de la butée du manchon, la raideur du ressort et le tarage de celui ci. Selon le procédé revendiqué dans la présente invention, la buse décrite précédemment est utilisé pour l'injection d'un liquide condensé dans un réacteur continu de polymérisation en phase gazeuse à lit fluidisé. La (co)polymérisation peut être effectuée à partir d'un monomère oléfinique choisit parmi (a) l'ethylène, (b) le propylène, (c) leur mélange, et une ou plusieurs autres alpha-oléfines en combinaison avec (a), (b) ou (c). La phase gazeuse supportant le lit fluidisé et circulant à travers celui ci, étant chauffée au contact du catalyseur de polymérisation dans des conditions réactives et des grains de polymère en formation, est recyclé en continu et refroidi à une température à laquelle du liquide se condense. Ledit liquide condensé est de préférence séparé de la phase gazeuse et introduit directement dans le réacteur à lit fluidisé au moyen d'une ou plusieurs buses précédemment décrites. La (co-)polymérisation est généralement réalisée par addition continue ou semi-continue d'un catalyseur de type Ziegler-Natta comprenant au moins un métal de transition, associé avec un cocatalyseur comprenant un composé organométallique, par exemple un composé organoaluminique. Le catalyseur comporte essentiellement un atome d'un métal de transition choisi parmi les métaux des groupes IV à VI de la Classification Périodique des éléments, tels que le titane, le vanadium, le chrome, le zirconium ou l'hafnium, éventuellement un atome de magnésium et un atome d'halogène. Il est aussi possible d'utiliser un catalyseur Ziegler-Natta de type métallocène. Le catalyseur peut être supporté sur un oxyde réfractaire poreux tel que la silice ou l'alumine, ou être combiné avec à un composé solide de magnésium, tel que le chlorure, l'oxyde, l'hydroxychlorure ou un alcoolate de magnésium. On peut aussi utiliser un catalyseur complexé par du fer et/ou du cobalt, tel que par exemple ceux décrits dans la demande de brevet W098/27124 ou W098/2638. Il est possible aussi, d'utiliser un catalyseur essentiellement constitué d'un oxyde de chrome activé par traitement thermique et associé à un support granulaire basé sur un oxyde réfractaire. Le catalyseur peut être utilisé sous la forme d'une poudre de prépolymère préparée à l'avance durant une étape de prépolymérisation à partir des catalyseurs décrits précédemment. La prépolymérisation peut être effectuée par tout procédé, par exemple, une prépolymérisation dans un hydrocarbure liquide ou en phase gazeuse selon un procédé discontinu, semi-continu ou continu. Le catalyseur ou le prépolymère peut être introduit dans le réacteur d'une façon continue ou discontinue. La ou les buses peuvent être disposées à n'importe quel endroit du réacteur à lit fluidisé et peuvent être alimentées séparément, en série ou en parallèle par des dispositifs classiques. La ou les buses peuvent être orientées dans n'importe quelle direction. Le réacteur comprend de 2 à 8, de préférence de 4 à 6 buses. Ces buses peuvent, par exemple être orientées en position verticale, auquel cas elles traversent la grille de fluidisation et/ou en position horizontale, auquel cas elles traversent la paroi verticale du réacteur, de telle sorte que les orifices se trouvent bien au sein du lit fluidisé, de préférence dans la partie inférieure du lit fluidisé. A titre d'exemple, pour un réacteur commercial qui possède un lit fluidisé d'une hauteur allant de 10 à 20 m au dessus de la grille, les orifices des buses se situeront au dessus de ladite grille et en dessous d'une hauteur allant de 3 à 7 m au dessus de ladite grille. Le procédé et le dispositif de l'invention décrits ci-avant présentent de multiples avantages. Un des avantages est d'avoir une dispersion du liquide à l'extérieur de la buse qui est maximale (360 degrés) et qui permet de couvrir plus largement la section transversale du lit fluidisé. Ceci est particulièrement avantageux pour le procédé de la présente invention afin de favoriser la vaporisation du liquide condensé à l'intérieur du réacteur. Un autre avantages est de pouvoir adapter l'ouverture entre les surfaces d'appui du rebord de l'extrémité de la conduite d'alimentation et de la butée du manchon en fonction du débit de liquide d'alimentation désirée, ce qui permet de limiter la longueur du jet dudit liquide à l'extérieur de la buse. Ceci permet de faire fonctionner la buse d'une manière efficace et optimale dans une large gamme de débits, sans la nécessité d'avoir un débit minimum, tout en contrôlant la longueur des jets de liquide d'alimentation. Ceci est particulièrement avantageux pour le procédé de la présente invention o il est très important de s'assurer que les jets de liquide condensé n'atteignent pas les parois du réacteur de polymérisation. Un autre avantage réside dans le fait que tout en opérant dans une très large gamme de débits, on évite le retour de la poudre du réacteur à lit fluidisé dans la buse. L'utilisation d'un gaz de balayage pour éviter que des particules solides du réacteur n'entrent dans la buse est inutile et superflu. Encore un autre avantage réside dans le fait que les fluctuations de pression du liquide d'alimentation entraînent un mouvement oscillatoire et de faible amplitude du manchon dans la conduite d'alimentation. Ces fluctuations inhérentes au système de pompage utilisé permettent ainsi de limiter les risques de blocage du manchon dans la conduite d'alimentation. Le procédé de l'invention est particulièrement intéressant lorsque l'on désire mettre provisoirement hors service une ou plusieurs buses. Cette opération ne peut être envisagée avec d'autres buses qui doivent toujours être maintenus en service pour éviter le retour de la poudre. Le procédé revendiqué appliqué à la polymérisation en lit fluidisé offre un intérêt technique et économique considérable par le fait qu'il permet un contrôle efficace de la réaction de polymérisation tant du point de vue thermique que des conditions de polymérisation. Grâce à ce procédé, on peut utiliser au stade industriel, des réacteurs de grande taille. A titre d'exemple, on a réalisé la polymérisation en lit fluidisé de l'éthylène à l'aide de quatre buses telles que décrites ci avant et représentées schématiquement à la figure annexée. Les conditions générales de la polymérisation sont celles décrites ci dessous: Qualité du polymère: HDPE 1 HDPE 2 Température du réacteur à lit fluidisé: 91 C 104 C Pression du réacteur à lit fluidisé: 23.5 bara 23.5 bara Composition de la phase gazeuse dudit réacteur: % massique d'éthylène: 31% 29.7% % massique d'hydrogène: 20% 13.4% % massique de butène-1: 0.3 % 0% % massique de pentane: 5.7 % 8.8% % massique d'azote: 43 % 48.1% Température de la phase gazeuse à l'entrée du réacteur: 36 C 46 C Vitesse de fluidisation: 65 cm/s 64 cm/s Production massique de polyéthylène: 28.5 T/h 25 T/h Débit massique de liquide condensé par buse: 17.6 T/h 11.5 T/h En fin d'essai, après démontage de la buse, on remarque que celle-ci ne contient aucune trace du solide de fluidisation, ni de croûtage. La figure annexée constitue un exemple non limitatif du dispositif de l'invention revendiqué dans la présente invention. Ce dispositif est une buse pour l'injection d'un liquide qui comprend une conduite d'alimentation (1), un manchon (2) coulissant à l'intérieur et à l'extrémité de ladite conduite (1). La position dudit manchon le long de la conduite d'alimentation (1) est induite par la pression du liquide d'alimentation (3) et la force de rappel d'un ressort taré (4). Le ressort taré (4) peut être fixé par son extrémité en aval de la conduite d'alimentation à cette même conduite (1) par un contact en buté, par l'intermédiaire d'une pièce circulaire creuse (18), sur un rebord circulaire (5) interne dans ladite conduite. L'autre extrémité peut être fixé par un contact en butée avec une autre pièce circulaire (19) maintenue par un écrou (6) visé sur une tige (7) solidaire du manchon. Dans cet exemple, l'écrou (6) peut être vissé sur la tige (7) solidaire du manchon en comprimant partiellement le ressort (4), de façon à maintenir une butée circulaire (8) du manchon en appui avec le rebord (9) de l'extrémité de la conduite (1). Dans ce cas, le ressort (4) travaille en compression et son tarage correspond à la force de compression initiale du ressort (4) induit par le serrage de l'écrou (6) sur la tige. Le manchon (2) est muni de cannelures (10) le long de sa surface de coulissement avec la conduite d'alimentation (1). Lesdites cannelures (10) débouchent dans une gorge (11) sur la circonférence du manchon et en dessous d'une butée circulaire (8) solidaire du même manchon. Quand la buse est hors service, la butée circulaire (8) repose sur le rebord (9) de l'extrémité de la conduite d'alimentation. Ledit rebord (9), ainsi que la butée circulaire (8) du manchon sont muni d'une surface d'appui (12) et (13) dont la surface de contact est minimisée pour permettre une bonne étanchéité. Quand la pression, représentée par la flèche (16), du liquide d'alimentation (3) est suffisante pour déplacer le manchon (2), ledit liquide est acheminé par les cannelures (10) jusqu'à la gorge (11) du manchon pour être injecté vers l'extérieur entre les surfaces d'appui (12) et (13) du rebord (9) de l'extrémité de la conduite d'alimentation, d'une part, et de la butée (8) du manchon, d'autre part. Le déplacement du manchon (2) est limité par un dispositif de blocage. Ce dispositif peut être un anneau (14) solidaire de la tige (7), qui est elle même solidaire du manchon (2), ledit anneau (14) s'appuyant sur une butée (15) de la conduite d'alimentation (1) quand le manchon (2) atteint son débattement maximum, représenté par la double flèche (17). REVENDICATIONS 1. Buse pour l'injection d'un liquide comprenant une conduite d'alimentation (1) et un manchon (2) coulissant à l'intérieur et à l'extrémité de ladite conduite, la position dudit manchon (2) le long de la conduite d'alimentation (1) étant induite par la pression du liquide d'alimentation (3) et la force de rappel d'un ressort taré (4), ledit ressort ayant une extrémité fixée au manchon (2) et l'autre extrémité à la conduite d'alimentation (1), caractérisée en ce que i) le manchon (2) est muni d'une ou de plusieurs cannelures (10) le long de sa surface de coulissement avec la conduite d'alimentation (1), ii) lesdites cannelures (10) débouchent dans une gorge (1 1)sur la circonférence du manchon (2) et en dessous d'une butée circulaire (8) solidaire du même manchon (2), iii) ladite butée (8) repose sur un rebord (9) de l'extrémité de la conduite d'alimentation (1) lorsque la pression du liquide d'alimentation (3) n'est pas suffisante pour déplacer le manchon (2), ce qui permet ainsi d'arrêter ou de maintenir arrêté l'injection dudit liquide (3), iv) ledit rebord (9), ainsi que la butée circulaire (8) du manchon étant chacun muni d'une surface d'appui (12) et (13) dont la surface de contact est minimisée pour permettre une bonne étanchéité, et, v) quand la pression du liquide d'alimentation (3) est suffisante pour déplacer le manchon (2), ledit liquide (3) est acheminé par les cannelures (10) jusqu'à la gorge (11) du manchon pour être injecté vers l'extérieur entre les surfaces d'appui du rebord (9) de l'extrémité de la conduite d'alimentation (1), d'une part, et de la butée (8) du manchon (2), d'autre part. 2. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le nombre de cannelures (10) est compris entre 2 et 8, de préférence entre 4 et 6, par exemple 4. 3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface de contact des surfaces d'appui (12) et (13) du rebord (9) de l'extrémité de la conduite d'alimentation (1) et de la butée (8) du manchon (2) est minimisées grâce à un chanfrein à l'intérieur dudit rebord (9). 4. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le déplacement du manchon est limité par un dispositif de blocage. 5. Procédé pour l'introduction de liquide condensé dans un procédé continu de polymérisation en phase gazeuse d'un monomère oléfinique choisi parmi (a) l'éthylène, (b) le propylène, (c) leur mélange, et une ou plusieurs autres alpha-oléfines en combinaison avec (a), (b) ou (c), dans un réacteur à lit fluidisé, en recyclant en continu la phase gazeuse supportant le lit fluidisé et circulant à travers celui ci, ladite phase gazeuse ayant été chauffée au contact du catalyseur de polymérisation dans des conditions réactives et des grains de polymère en formation, en refroidissant ladite phase gazeuse recyclée à une température à laquelle du liquide se condense, en séparant le dit liquide condensé de la phase gazeuse et en l'introduisant directement dans le lit fluidisé, le procédé étant caractérisé en ce que l'injection du liquide condensé se fait au moyen d'un ou plusieurs dispositifs selon les revendications précédentes. 6. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le réacteur de polymérisation comprend de 2 à 8 buses. 7. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les buses sont orientées dans une position verticale.