ТРУБЧАТЫЙ РЕАКТОР И СПОСОБ МНОГОФАЗНОЙ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ
TUBULAR REACTOR AND MULTI-PHASE POLYMERISATION METHOD

Данное изобретение относится к трубчатому реактору, при помощи которого может осуществляться многофазная полимеризация, а также к способу многофазной полимеризации. В частности, данное изобретение относится к трубчатому реактору, а также способу для производства бутилкаучука посредством полимеризации мономеров при помощи катализатора в жидком растворителе.
Из EP 1 591 459 A1 известно при помощи трубчатого реактора с контуром циркуляции ("петлевого реактора") осуществлять полимеризацию для производства полиолефинов. Для этого из циркуляционного реактора непрерывно отводится суспензия, которая содержит в растворителе твердые полимерные частицы. Отведенный поток подводится к гидроциклону, для того чтобы полимерные частицы концентрировать и затем в разделительном устройстве отделять и вычищать. Отделенный в разделительном устройстве растворитель, а также насыщенная растворителем фракция из гидроциклона, которая не была подведена к разделительному устройству, снова подается в циркуляционный реактор.
Недостатком у подобного реактора и подобного способа является то, что отдельные трубопроводы и, в частности, реактор могут легко закупориваться (засоряться). В частности, при производстве бутилкаучука, как правило, необходимо осуществлять полимеризацию при температурах от -70 до -100°C. Эта температура достаточно близка к температуре стеклования бутилкаучука, которая находится примерно в диапазоне от -75 до -67°C. Поэтому, в частности, при производстве бутилкаучука существует та опасность, что благодаря возникающему при полимеризации теплу реакции частицы бутилкаучука больше не являются стекловидными и в этом состоянии очень легко прилипают к поверхностям. Это приводит к закупорке трубопроводов и в частности трубчатого реактора, так что зачастую необходимо останавливать производство бутилкаучука и производить трудоемкую очистку трубопроводов, а также трубчатого реактора.
Задача изобретения предоставить трубчатый реактор, а также способ для многофазной полимеризации, в частности производства бутилкаучука, при которых опасность закупорки снижена.
Согласно изобретению задача решается с помощью трубчатого реактора, включающего в себя, по меньшей мере, отрезок трубы для радиального ограничения объема реактора между входом и выходом, мешалку для создания потока в осевом направлении отрезка трубы, причем мешалка предпочтительно имеет такие размеры и может эксплуатироваться таким образом, что потоку может придаваться центробежная сила, которая создает распределение концентрации в радиальном направлении внутри отрезка трубы, и выпускную линию для отвода радиально-внутренней части потока.
Кроме того, изобретение охватывает способ многофазной полимеризации, в частности производства бутилкаучука, включающий в себя, по меньшей мере, следующие шаги:
смешивание первого исходного продукта со вторым исходным продуктом и/или катализатором для проведения полимеризации с образованием продукта в растворителе при помощи мешалки, придание центробежной силы, по меньшей мере, продукту и растворителю при помощи той же мешалки и отбор концентрированной радиально внутренней части потока.
Соответствующий изобретению трубчатый реактор для многофазной полимеризации, который может использоваться, в частности, для производства бутилкаучука, имеет отрезок трубы для радиального ограничения объема реактора между входом и выходом. Трубчатый реактор имеет мешалку для создания потока в осевом направлении отрезка трубы, причем мешалка согласно изобретению имеет такие размеры и может эксплуатироваться таким образом, что потоку может придаваться центробежная сила, которая создает распределение концентрации в радиальном направлении внутри отрезка трубы. Кроме того, предусмотрена выпускная линия для отвода концентрированной радиально внутренней части потока.
Таким образом, посредством мешалки трубчатого реактора не только достигается осевое течение и смешивание первого исходного продукта со вторым исходным продуктом и/или дальнейшими исходными продуктами и/или катализатором, но и дополнительно придается центробежная сила. В частности, доля центробежных сил превышает при этом долю инерционных сил и сил тяжести в осевом направлении, а также долю сил трения. Благодаря приданной центробежной силе происходит внутри трубчатого реактора распределение концентрации, так что уже внутри трубчатого реактора имеет место, по меньшей мере, частичное отделение продукта от не вступивших в реакцию исходных продуктов и/или катализатора. Кроме того, продукт может концентрироваться, так что содержание продукта в отношении смеси продукт/растворитель увеличивается. Наиболее предпочтительно продукт имеет меньшую плотность, чем растворитель, так что продукт концентрируется во внутренней части трубчатого реактора. Вследствие этого предотвращается то, что продукт, например, бутилкаучук, входит в соприкосновение с отрезком трубы трубчатого реактора, так что частицы продукта не могут прилипать к внутренней стороне трубчатого реактора.
Риск закупорки трубчатого реактора вследствие этого сокращается. Кроме того, не требуется подводить содержимое трубчатого реактора дополнительно к гидроциклону, так как действие гидроциклона может достигаться уже внутри трубчатого реактора. Это может достигаться при помощи той же мешалки, которая и без того предусмотрена для достижения осевой подачи и смешивания. При этом используется познание, что также при числах оборотов мешалки, которые необходимы, для того чтобы достигать достаточно большого концентрирования продукта, образуется в непосредственном окружении мешалки достаточно турбулентное течение, которое приводит к хорошему смешиванию использованных исходных продуктов/катализатора. В частности, при производстве бутилкаучука скорость реакции настолько высока, что времени пребывания в турбулентной и смешанной области хватает, для того чтобы достигать высокой степени превращения и хорошего выхода пространство/время. Отслоение и концентрирование продукта происходят, в частности, при производстве бутилкаучука лишь в том случае, если смесь уже находится недалеко от химического равновесия. Геометрия отрезка трубы, а также мешалки может выбираться таким образом, что могут достигаться, по меньшей мере, 60 процентов по весу, в частности, по меньшей мере, 80 процентов по весу теоретически возможной весовой доли продукта, которая была рассчитана на основе химического равновесия.
Предпочтительно мешалкой в согласованной с выходом области разделения внутри отрезка трубы может создаваться двухфазный слоистый вращающийся поток, по меньшей мере, с двумя слоями различной концентрации. Мешалка может иметь такие размеры и эксплуатироваться таким образом, что внутри отрезка трубы может возникать слоистый вращающийся поток. Например, внутри отрезка трубы может возникать вихрь Рэнкина. Слои вращающегося потока отделены друг от друга, в частности, границей раздела фаз и могут в каждом случае иметь различные угловые скорости. Вследствие этого возникают визуально отделимые друг от друга частичные объемы различных концентраций. Геометрия выпускной линии адаптирована, в частности, к ожидаемой геометрии внутреннего слоя вращающегося потока. Выпускная линия может иметь, например, внутренний диаметр, который соответствует внешнему диаметру внутреннего слоя, или меньший диаметр. Вследствие этого обеспечивается то, что через выпускную линию может отводиться массовый поток с наиболее высокой концентрацией продукта.
Предпочтительно мешалка расположена рядом с входом. Кроме того, может быть предусмотрена первая подающая линия для введения первого исходного продукта и вторая подающая линия для введения второго исходного продукта и/или катализатора, причем первая подающая линия и вторая подающая линия входят в отрезок трубы, в частности, рядом с мешалкой. Могут быть также предусмотрены дальнейшие подающие линии для того же исходного продукта и/или дальнейшие подающие линии для дополнительных исходных продуктов. Вследствие этого уже на входе отрезка трубы может производиться мешалкой смешивание исходных продуктов/катализатора друг с другом, так что вся длина трубчатого реактора может эффективно использоваться. Преждевременная полимеризация в подающих линиях предотвращается, так что могут предотвращаться слишком большие размеры частиц продукта. Вместо этого посредством выбора размеров отрезка трубы и мешалки можно устанавливать время пребывания смешанных исходных продуктов/катализатора, для того чтобы можно было достигать наиболее узкого распределения молекулярных весов. Это облегчает в частности последующие операции разделения.
Наиболее предпочтительно выпускная линия погружена внутри отрезка трубы в концентрированную радиально внутреннюю часть потока. Выпускная линия выполнена, например, в виде погружной трубы, входное отверстие которой расположено в пределах концентрированной радиально внутренней части потока. Вследствие этого может предотвращаться то, что за входом отрезка трубы трубчатого реактора имеет место, например, ввиду изменения поперечного сечения, поперечное смешивание концентрированного продукта с остальными составными частями потока.
Мешалка предпочтительно является осуществляющей подачу в осевом направлении мешалкой, которая может придавать потоку центробежную силу. Для этого мешалка выполнена, например, таким образом, что она может приводить поданный поток во вращение. Мешалка имеет, например пропеллер, в частности, ровно один пропеллер, который по аналогии с гребным винтом корабля может создавать осевой поток и одновременно вращающийся поток. Через вращающуюся составляющую потока мешалка накладывает достаточно большую тангенциальную силу на поток, так что потоку придается центробежная сила, которая в последующей области трубчатого реактора может приводить к расслоению составных частей потока.
В частности, мешалка соединена с валом, в частности, с перфорированным полым валом, причем предпочтительно вал может вводиться в трубчатый реактор через ввод вала, и ввод вала может промываться, в частности, растворителем. Через полый вал в трубчатый реактор может подаваться исходный продукт и/или катализатор. Кроме того, через полый вал может проводиться обратно отведенная часть потока, например, концентрированный растворитель. Благодаря перфорации в полом валу поданный через полый вал поток может уже перед достижением мешалки взаимодействовать и смешиваться с потоком за переделами полого вала. Вследствие этого в трубчатый реактор исходный продукт и/или катализатор и/или растворитель может подаваться и в радиальном направлении изнутри, и в радиальном направлении снаружи. Вследствие того, что предпочтительно растворитель подается через ввод вала, отложения предотвращаются и/или вымываются.
Наиболее предпочтительно внутренний диаметр D отрезка трубы адаптирован к внешнему диаметру d мешалки. Вследствие этого зазор между отрезком трубы и мешалкой может сохраняться минимально возможным без риска заклинивания мешалки в отрезке труды. Для этого для соотношения внутреннего диаметра D отрезка трубы к внешнему диаметру d мешалки справедливо следующее 1,0001≤D/d≤1,300, в частности 1,0005≤D/d≤1,100 и предпочтительно 1,001≤D/d≤1,010. Например, соотношение D/d составляет 1,005±0,001.
Наиболее предпочтительно выпускная линия может перемещаться в осевом направлении по отношению к отрезку трубы. Вследствие этого выпускную линию возможно адаптировать к различным характеристиками течения внутри отрезка трубы, например, если мешалка должна эксплуатироваться с различными числами оборотов и/или различным потреблением мощности, и концентрирование продукта смещается в осевом направлении отрезка трубы. Одновременно вследствие этого упрощается монтаж трубчатого реактора, а также монтаж трубчатого реактора в другом аппарате, так как выпускная линия не может сталкиваться с отрезком трубы при монтаже. Кроме того, вследствие этого могут подаваться различные типы продукта.
Далее изобретение относится к теплообменнику, который имеет трубчатый реактор, который может быть выполнен и усовершенствован, как описано выше. Трубчатый реактор расположен по существу концентрически внутри теплообменника, причем теплообменник в радиальном направлении за пределами трубчатого реактора имеет, по меньшей мере, один теплообменный элемент для теплосъема. Мешалкой трубчатого реактора может создаваться петлеобразный поток внутри теплообменника. Вследствие этого при помощи лишь одной мешалки возможно смешивать исходные продукты/катализатор, концентрировать продукт и обеспечивать внутри теплообменника петлеобразный поток. Благодаря петлеобразному потоку, например, не выведенный через выпускную линию растворитель может подаваться на теплообменные элементы, для того чтобы охлаждать растворитель. Так как уже большая часть концентрированного продукта была удалена через выпускную линию, поданный к теплообменным элементам поток практически не содержит полимерные частицы, которые могли бы прилипать к теплообменным элементам. Вследствие этого предотвращается ухудшение теплообмена на теплообменных элементах. Замена теплообменных элементов и/или очистка теплообменных элементов может вследствие этого исключаться или, по меньшей мере, осуществляться в значительно больших промежутках времени. Вследствие этого дополнительно повышается производительность. Кроме того, предотвращается закупорка переходов между различными теплообменными элементами. Благодаря предпочтительному отделению более крупных частиц предотвращается закупорка самих теплообменных элементов.
В предпочтительном варианте осуществления выпускная линия имеет устройство охлаждения для охлаждения выпускной линии.
В частности, устройство охлаждения имеет предпочтительно двустенную оболочковую трубу для проведения охлаждающей среды. Например, охлаждающая среда может протекать в противотоке вдоль выпускной линии, поворачиваться наружу на входном отверстии впускной линии и протекать в прямотоке обратно. Благодаря охлажденной выпускной линии может предотвращаться то, что продукт нагревается. В частности, при производстве бутилкаучука предотвращается вследствие этого то, что концентрированный благодаря выпускной линии бутилкаучук не остается больше стекловидным и приклеивается к выпускной линии. Вследствие этого предотвращается закупорка выпускной линии.
Далее изобретение относится к установке для многофазной полимеризации, которая может использоваться, в частности, для производства бутилкаучука. Установка имеет теплообменник для охлаждения текучей среды. Кроме того, установка имеет разделительное устройство для отделения продукта. С выходом разделительного устройства и с теплообменником соединена линия рециклирования. Теплообменник и/или линия рециклирования имеет трубчатый реактор, который может быть выполнен и усовершенствован, как описано выше. Выпускная линия трубчатого реактора соединена с входом разделительного устройства. Теплообменник может быть выполнен и усовершенствован, в частности, как описано выше. Благодаря трубчатому реактору предотвращается то, что полимерные частицы прилипают к линии рециклирования и/или к элементам теплообменника и закупоривают их. Риск закупорки вследствие этого сокращен, так что установка может эксплуатироваться более продуктивно. В частности, возможно непрерывно эксплуатировать установку в течение более длительного промежутка времени, без того чтобы была необходимость выполнять очистные работы. Далее возможно предусматривать более чем один теплообменник, причем теплообменники подключены последовательно и/или параллельно, для того чтобы, например, разделять охлаждаемый массовый поток на несколько имеющих меньшие размеры теплообменников и/или выполнять многоступенчатое охлаждение, для того чтобы достигать наиболее большого перепада температуры при охлаждении. Кроме того, возможно предусматривать несколько подключенных последовательно и/или параллельно разделительных устройств, для того чтобы разделять массовый поток продукта на несколько имеющих меньшие размеры разделительных устройств и/или выполнять многоступенчатое отделение с наиболее высокой степенью очистки. Разделительное устройство может иметь, в частности, блок сверхбыстрого выпаривания, колонну отгонки легких фракций и/или дистилляционную колонну. Далее может быть предусмотрена линия продувки, которая соединена в частности с теплообменником, для того чтобы предотвращать концентрирование вредных примесей в растворителе.
Далее изобретение относится к способу многофазной полимеризации, в частности, для производства бутилкаучука, включающему в себя шаги: смешивание первого исходного продукта со вторым исходным продуктом и/или катализатором для проведения полимеризации с образованием продукта в растворителе при помощи мешалки, придание центробежной силы, по меньшей мере, продукту и растворителю при помощи той же мешалки и отбор концентрированной радиально внутренней части потока. Вследствие того, что мешалка используется не только для смешивания, но и для придания центробежной силы, образуется концентрированная радиально внутренняя часть потока, из которой может извлекаться концентрированный продукт. Так как продукт имеет в частности меньшую плотность, чем растворитель, возникающие во время полимеризации полимерные частицы могут концентрироваться во внутренней части потока, так что они не могут прилипать к конструктивным элементам, которые ограничивают поток в радиальном направлении. Вследствие этого сокращается риск закупорки, в частности, трубообразных конструктивных элементов. Тем самым способ может непрерывно исполняться в течение более длительного промежутка времени, без того чтобы были необходимы работы по очистке и техническому обслуживанию. Это приводит к более высокой производительности способа.
Предпочтительно при наложении центробежной силы создается вращающийся поток, причем вращающийся поток является, в частности, двухфазным слоистым вращающимся потоком, по меньшей мере, с двумя слоями различной концентрации. Благодаря вращающемуся потоку может облегчаться концентрирование продукта, вследствие чего, в частности, возможно создавать два отделенных друг от друга границей раздела фаз слоя внутри потока. Это облегчает отбор концентрированного продукта.
В частности, по меньшей мере, растворитель охлаждается. Растворитель охлаждается предпочтительно после наложения центробежной силы и наиболее предпочтительно после отбора концентрированной радиально внутренней части потока. Вследствие этого возможно охлаждать как можно меньше образовавшихся во время полимеризации полимерных частиц. Так как переход тепла в растворитель лучше, чем переход тепла в полимерные частицы, вследствие этого может достигаться более эффективное охлаждение. Кроме того, отведенный охлажденный растворитель может полностью омывать возникающие при полимеризации полимерные частицы, так что отведение возникающего при полимеризации тепла реакции от образовавшихся полимерных частиц является наиболее простым и эффективным. Наиболее предпочтительно растворитель подается в петлеобразном потоке, по меньшей мере, к одному теплообменному элементу для теплосъема, причем петлеобразный поток создается предпочтительно при помощи той же самой мешалки. Вследствие этого требуется лишь одна мешалка, для того чтобы обеспечивать необходимый для охлаждения растворителя петлеобразный поток. Дополнительное средство подачи не требуется.
tan
tan
2
Наиболее предпочтительно мешалка эксплуатируется таким образом, что для соотношения c=w/((d/2)⋅g), где w - это тангенциальная скорость на внешнем краю мешалки, d - это внешний диаметр мешалки, и g - это ускорение свободного падения, справедливо следующее c≥10, в частности c≥100 и предпочтительно c≥1000. Предпочтительно c≤10000. При таком режиме эксплуатации мешалки может обеспечиваться то, что посредством мешалки достигается не только смешивание, но и концентрирование в радиально внутренней части созданного мешалкой потока.
Наиболее предпочтительно в способе используется трубчатый реактор, который может быть выполнен и усовершенствован, как описано выше. Альтернативно или дополнительно в способе может использоваться теплообменник, который может быть выполнен и усовершенствован, как описано выше. Альтернативно или дополнительно в способе может использоваться установка, которая может быть выполнена и усовершенствована, как описано выше. Посредством использованного при этом трубчатого реактора, который расположен, в частности, внутри теплообменника, при помощи приведенной в действие соответствующим образом мешалки может принудительно вызываться подходящее течение внутри отрезка трубы трубчатого реактора, которое после полимеризации автоматически приводит к концентрированию образовавшегося продукта.
Далее изобретение разъясняется в качестве примера со ссылкой на приложенный чертеж при помощи предпочтительных примеров осуществления.
На чертежах показаны:
фиг.1 - схематичный вид сбоку теплообменника с соответствующим изобретению трубчатым реактором;
фиг.2 - схематичный вид сбоку соответствующего изобретению трубчатого реактора в дальнейшем варианте осуществления; и
фиг.3 - схематичный вид сбоку установки для многофазной полимеризации с теплообменником согласно фиг.1.
Изображенный на фиг.1 теплообменник 10 имеет расположенный концентрично средней оси 12 трубчатый реактор 14. Трубчатый реактор 14 имеет отрезок 16 трубы, который проходит от входа 18 до выхода 20. Трубчатый реактор 14 имеет мешалку 22, говоря о которой, речь идет в изображенном примере осуществления о пропеллере. Мешалка 22 приводится в движение валом 24, который выступает из дна 26 теплообменника 10 вниз. Вал 24 вводится в теплообменник 10 через ввод 25 вала, причем через ввод 25 вала подается в частности растворитель, для того чтобы предотвращать и вымывать отложения. При помощи вала 24 мешалка 22 нагружается числом оборотов, которого достаточно создавать не только осевой поток 27, но и вращающийся поток 28. При помощи вращающегося потока 28 осевому потоку 27 придается центробежная сила, благодаря которой возникает распределение концентрации в радиальном направлении внутри отрезка 16 трубы. Это распределение концентрации приводит в верхней области трубчатого реактора 14, то есть рядом с выходом 20, к слоистому вращающемуся потоку 28, который имеет внутреннюю часть 30, в которой сконцентрировался продукт, в частности, бутилкаучук. Через выпускную линию 32, которая погружена во внутреннюю часть 30, концентрированный продукт может извлекаться.
Часть осевого потока 27, которая не извлекается через выпускную линию 32, протекает мимо выпускной линии 32 и отклоняется вдоль петлеобразного потока 34. Отклоненный петлеобразный поток 34, который насыщен в частности растворителем и катализатором, протекает мимо теплообменных элементов 36, которые охлаждают петлеобразный поток 34.
Далее на дне 26 через первую подающую линию 38 подается первый исходный продукт, например, мономер. Через вторую подающую линию 40 подается второй исходный продукт и/или катализатор. Исходные продукты и/или катализатор растворяются, в частности, в жидком растворителе. Посредством мешалки 22 поданные через первую подающую линию 38 и вторую подающую линию 40 исходные продукты/катализатор смешиваются в зоне 42 смешивания, так что они могут вступать друг с другом в реакцию в зоне 42 смешивания. После этого смесь из продукта (реакции), исходных продуктов и/или катализатора поступает в промежуточную зону 44, в которой смесь может дополнительно вступать в реакцию, но здесь уже начинается расслаивание с распределением концентрации в радиальном направлении. В зоне 46 завихрения устанавливается вращающийся поток, который имеет, в частности, внутренний слой с внутренней концентрированной частью 30 и насыщенной растворителем частью 48.
К потоку 27 через дальнейшую не изображенную подающую линию может подводиться рециркуляционный поток, который был отделен при очистке извлеченного через выпускную линию 32 концентрированного продукта. Кроме того, рециркуляционный поток может подводиться через первую подающую линию 38 и/или вторую подающую линию 40. Далее возможно выполнять вал 24 в виде полого вала и подводить рециркуляционный поток и/или исходный продукт и/или катализатор через выполненный в виде полого вала вал 24. Предпочтительно растворитель подводится через ввод 25 вала 24, для того чтобы предотвращать и/или вымывать отложения.
Далее теплообменник 10 имеет головную часть 50, с которой соединена очистная линия 52. Через очистную линию 52 может отводиться насыщенный растворителем поток, для того чтобы предотвращать концентрирование содержимого теплообменника 10, а также трубчатого реактора 14 с вредными примесями или побочными продуктами.
В изображенном на фиг.2 варианте осуществления трубчатый реактор 14 расположен по сравнению с изображенным на фиг.1 вариантом осуществления за пределами теплообменника 10. При этом проведенный мимо выпускной линии 32 поток подводится через подающую линию 54 к теплообменнику 10, где поток охлаждается теплообменными элементами 36. В этом случае поток может проходить через теплообменник 10 в частности линейно и подводиться через обратную линию 56 снова к трубчатому реактору 14, для того чтобы воспринимать возникающее тело реакции. Равным образом растворитель, который отделен в разделительном устройстве 58 (фиг. 3) из отобранного через выпускную линию 32 потока продукта, может снова подводиться через линию 60 рециклирования к трубчатому реактору 14. В изображенном на фиг.2 примере осуществления трубчатый реактор 14 расположен в линии 60 рециклирования, причем часть линии 60 рециклирования образует отрезок 16 трубы трубчатого реактора 14.
У изображенной на фиг.3 установки 62 изображенный на фиг.1 теплообменник 10, который имеет трубчатый реактор 14, соединен с разделительным устройством 58. Альтернативно теплообменник 10 может заменяться изображенной на фиг.2 системой. Выпускная линия 32 трубчатого реактора 14 соединена через отделительную линию 64 с разделительным устройством 58. В разделительном устройстве 58 поданный через отделительную линию 64 продукт очищается, например, при помощи дистилляции и разделяется, по меньшей мере, на два частичных потока. Очищенный продукт покидает разделительное устройство 58 через линию 66 готового продукта, для того чтобы складировать продукт и/или далее облагораживать и/или упаковывать. Отделенные компоненты, которые насыщены в частности растворителем и имеют катализатор и/или не вступившие в реакцию исходные продукты, через линию 60 рециклирования и теплообменник 10 подводятся к трубчатому реактору 14.