РЕАКТОР ПОЛИМЕРИЗАЦИИ

Область техники
Полезная модель относится к устройствам для проведения реакции полимеризации и может быть использована при получении полиальфаолефинов.
Уровень техники
Как известно, полиальфаолефины получают с использованием суспензионных катализаторов Циглера-Натта, в комплексе с активаторами полимеризации (со-катализаторами) - алюминийорганическими соединениями. Реакция полимеризации полиальфаолефинов сопровождается выделением большого количества тепла и отсутствие или неэффективный отвод выделяемого тепла может приводить к побочным эффектам, таким как снижение молекулярной массы и снижение качества получаемого полимера.
В связи с вышесказанным, в реакторах для полимеризации (далее по тексту - полимеризатор) альфаолефинов должна быть предусмотрена система равномерного отвода тепла. Для решения данной проблемы в реакторах может быть применен способ охлаждения стенок реактора хладагентом, либо в реакционную смесь могут быть введены охлаждающие добавки. Однако, оба способа имеют свои недостатки. Например, введение охлаждающих добавок может ухудшить качество полимера, а также увеличить расходы, связанные с получением полимера. Принудительное охлаждение стенок полимеризатора хладагентом является энергозатратным процессом, поскольку необходимо обеспечить циркуляцию хладагента через рубашку полимеризатора и теплообменный аппарат для поддержания температуры хладагента в заданном диапазоне. Кроме того, конструкция полимеризатора с рубашкой должна обеспечивать полную герметизацию пространства реакционной камеры, так как попадание даже микроколичества хладагента в реакционную смесь приводит к ингибированию полимеризации.
Еще одной проблемой при проведении процесса полимеризации в массе является адгезия поверхностного слоя полимера к стенкам реактора. Одним из решений данной проблемы является обработка стенок реактора антиадгезионными добавками.
Известен кожухотрубчатый реактор с внутренним теплообменом для селективной полимеризации олефинов (Адельсон С.В. Процессы и аппараты нефтепереработки и нефтехимии, 1963 г.). В трубках находится мономерно-каталитическая смесь, а по межтрубному пространству циркулирует теплоноситель - испаряющаяся вода, предназначенная для съема тепла экзотермической реакции. Регулирование температуры процесса осуществляется путем поддержания соответствующего давления в межтрубном пространстве.
Недостатками реакторов данного типа являются сложность загрузки и выгрузки смеси, высокая металлоемкость оборудования и необходимость циркулировать хладагент (теплоноситель).
Известен трубчатый реактор для полимеризации альфаолефинов под высоким давлением (см. US 4177240 от 04.12.1979), состоящий из трех коаксиально расположенных труб, расположенных друг от друга таким образом, чтобы создать пространство между ними. Через внешнюю трубу производится циркуляция охлаждающей жидкости, которая подается через впускное отверстие и отводится через выпускной канал. В промежуточной трубе, которая рассчитана на высокое давление, происходит экзотермическая реакция. Внутренняя труба, расположенная в центре, рассчитана на низкое давление, в нее подается рабочая жидкость, то есть свежий этилен. Этилен протекает через конец трубы при температуре от 35-100°С при очень высоком давлении более 2000 атм. Внутренняя труба имеет длину, превышающую половину промежуточной трубы. В конце внутренней трубы имеется зона начала реакции. В эту зону подают катализатор через впускное устройство. Температура контролируется по части этилена. Температура поддерживается стандартным устройством (temperature measuring-recording apparatus - TRC). Таким образом рабочая жидкость во внутренней трубе предварительно нагревается теплом, вырабатываемом в противотоке реакцией, которая протекает в промежуточной трубе.
К недостаткам данной системы можно отнести высокую металлоемкость оборудования, а также использование сверхвысоких давлений, что приводит к высоким энергозатратам на создание давления.
Известен реактор непрерывной полимеризации, раскрытый в патенте US 20050245696 А1 от 03.11.2005. Способ непрерывной полимеризации мономера включает добавление мономера и катализатора в кольцевое пространство внутри реактора - реакционную зону, в которой происходит образование полимеризационной смеси, где кольцевое пространство образуется между обечайкой реактора и внешней стенкой внутренней трубы; достаточное время пребывания полимеризационной смеси в реакционной зоне, которая используется для получения «живого» полимерного продукта; удаление полимерного продукта из кольцевого пространства. Время пребывания полимеризационной смеси регулируется скоростью ее подачи в реактор. Внутренняя труба, оснащена специальными выступами и узлами, обеспечивающими эффективное перемешивание полимеризационной смеси при вращении трубы вокруг продольной оси.
К недостаткам такого реактора можно отнести энергозатраты, связанные с необходимостью обеспечивать вращение перемешивающего устройства (внутренняя труба), а также применение дорогостоящих торцевых уплотнений в зоне стыка перемешивающего устройства (внутренней трубы) и обечайки реактора для герметизации реакционной зоны.
Известен реактор для полимеризации олефинов (см. РФ №2297877 от 27.04.2007), имеющий плоское днище и, по крайней мере, четыре боковые стенки, образующие внутреннюю часть резервуара, а также имеющий, по крайней мере, одну пластину теплообменника, соединенную посредством жидкости с источником охладителя; при этом каждая (по крайней мере, одна) из пластин теплообменника размещается на крышке. В предпочтительном исполнении каждая пластина теплообменника имеет съемную пленку, то есть пластиковую оболочку, предотвращающую прилипание полимера, образующегося в резервуаре, к каждой пластине теплообменника. Подходящими съемными пленками являются пластиковые листы, пластиковые оболочки и наносимые путем распыления неклейкие вещества, которые не полимеризуются реакционной смесью для полимеризации, например, наносимые путем распыления неклейкие вещества, имеющие температуру плавления выше температуры реакционной смеси для полимеризации.
Основным недостатком данного реактора является его высокая металлоемкость и сложность изготовления.
Наиболее близким по своей сущности и достигаемому техническому результату является реактор полимеризации с теплообменником для производства противотурбулентных присадок (см. US 6906150 В2 от 14.06.2005). Метод получения полимера заключается в выдержке полимеризационной смеси в течении определенного времени с целью проведения полимеризации как минимум в одной замкнутой реакционной камере, стенки которой имеют продольную конфигурацию определенного сечения с нижним и верхним торцами, создающими таким образом определенный внутренний реакционный объем (пространство). Стенки реакционной камеры разделяют аппарат полимеризации на внутреннее реакционное пространство и внешнее теплообменное, в которое предусматривается подача охлаждающей жидкости (хладагента, теплоносителя). Открытие (демонтаж) торцов реакционной камеры позволяет полностью извлечь полученный полимер из внутреннего пространства камеры. Для извлечения полимера первоначально полностью сливают охлаждающую жидкость из внешнего теплообменного пространства, демонтируется верхнее и нижнее днище, затем при помощи специальной плунжерной головки со специальными стержнями полимерная масса перемещается («выдавливается») вдоль продольного сечения реакционной зоны по направлению от верхнего торца к нижнему и извлекается в специальный лоток, предназначенный для сбора готового продукта, после чего направляется на дальнейшую обработку (измельчение). Стержни головки действуют как плунжеры и выталкивают полимер из цилиндрических труб (реакционных камер). После извлечения полимера может быть проведена дополнительная процедура очистки. Устройство для этой процедуры будет схожим с выталкивающим плунжером, но с меньшими зазорами. Во время работы на внутренние поверхности камер рекомендуется наносить полимерный антиадгезионный реагент, выбранный из группы на основе силиконов, силиконовых эмульсий, полиэтиленгликолей, полиэтиленовых восков, политетрафторэтиленовых дисперсий и полиэтиленовых рукавов.
К недостаткам данной системы относятся высокая металлоемкость реактора, необходимость использования антиадгезионных реагентов, дополнительная система (выталкивающий плунжер) для извлечения готового полимера и необходимость дополнительной очистки каждой реакционной камеры специальными чистящими плунжерами.
Раскрытие сущности полезной модели
Задача, на решение которой направлена полезная модель состоит в создании реактора полимеризации, обладающего необходимыми характеристиками для проведения реакции полимеризации полиальфаолефинов, с эффективной выгрузкой полученного полимера после проведенной полимеризации и с минимальными энергозатратами.
Техническим результатом является упрощение конструкции реактора полимеризации и эффективная выгрузка полученного полимера после проведенной полимеризации.
Поставленная задача и технический результат достигается за счет того, что создают реактор полимеризации для получения полиальфаолефинов, в котором в качестве реакционной зоны используют цилиндрический аппарат с обечайкой, плоским днищем и плоской крышкой с быстросъемными креплениями, оснащенный специальными штуцером для подачи мономерно-каталитической смеси, штуцером для продувки инертным газом и штуцером для установки контрольно-аналитического прибора. При этом цилиндрический аппарат с обечайкой, плоским приварным днищем и откидной крышкой может иметь круглое, квадратное или прямоугольное сечение в зависимости от выбранной конфигурации. Для отвода тепла, образующегося в процессе реакции полимеризации, реактор помещают в принудительно охлаждаемом помещении (например, в рефрижераторной камере) и благодаря упрощенной конструкции реактора, в котором не менее 90% поверхности реакционной зоны является теплообменной, обеспечивается более эффективный отвод тепла с пристеночного слоя мономерно-каталитической смеси, что позволяет обеспечить синтез высокомолекулярной фракции в пристеночном слое полимера, обладающей низкоадгезионными свойствами по отношению к стенкам обечайки и днища реактора. Внутренняя поверхность обечайки и днища реактора должна быть гладкой, по желанию полированной. Таким образом практически полностью решается проблема адгезии полимера к металлу, что позволяет исключить из схемы использование выталкивающего плунжера, антиадгезионного покрытия и механической обработки реакционной зоны перед повторным использованием реактора. После завершения синтеза полимер механически извлекают из реактора и направляют на дальнейшую переработку.
Конструкция реактора полимеризации упрощается за счет следующего:
1) В реакторе отсутствует система принудительного охлаждения. Проблема отвода тепла решается за счет конвективного теплообмена реакционной массы с охлажденным газом рефрижераторной камеры через металлические стенку и днище аппарата, обеспечивающими эффективный:
1) теплообмен. За счет того, что реактор имеет компактные размеры, то его размещение в охлаждающую камеру является достаточным для эффективного отвода тепла.
2) Реактор состоит только из одной реакционной зоны, что упрощает как конструкцию, так и предварительную подготовку реактора и выгрузку полимера.
3) Исключается необходимость использования антиадгезионной обработки поверхности реакционной зоны и предварительной механической обработки за счет более эффективного теплообмена между пристеночным слоем полимера и стенками реактора, который позволяет синтезировать высокомолекулярный слой полимера, снижающий адгезию полимера к металлу до уровня, позволяющего свободно извлекать полимер из реактора. Благодаря этому также пропадает необходимость использования выталкивающего плунжера для извлечения готового полимера и чистящего плунжера для дополнительной очистки реакционной зоны.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 представлено изображение внешнего вида реактора в поперечном сечении, на котором изображены основные составные части реактора: 1 - обечайка; 2 - крышка; 3 - днище; 4 - быстросъемные крепежи; 5 - подъемно-транспортировочные устройства; 6 - штуцер для загрузки мономерно-каталитической смеси; 7 - штуцер для установки аналитического прибора; 8 - штуцер для продувки инертным газом; 9 - реакционная зона; 10 - фланцевые соединения; 11 - прокладка, инертная к компонентам мономерно-каталитической смеси.
На Фиг. 2 представлен вид сверху реактора, на котором изображено расположение штуцеров 6, 7, 8, быстросъемных крепежей 4 и подъемно-транспортировочных устройств 5.
Осуществление полезной модели
Реактор, изображенный на фиг. 1 представляет собой цилиндрический аппарат с обечайкой 1 круглого сечения (квадратного или прямоугольного в зависимости от выбранной конфигурации) и плоским приварным днищем 3, которые в совокупности образуют реакционную зону 9. Откидная крышка 2 с быстросъемными креплениями 4 обеспечивает полную герметизацию реакционной зоны 9 от внешней среды. На откидной крышке 2, как правило, устанавливают: штуцер 6 для загрузки мономерно-каталитической смеси в реакционную зону 9, штуцер 8 для предварительной продувки реакционной зоны 9 инертным газом и штуцер 7 для установки контрольно-аналитического прибора (термометра) с целью контроля температуры внутри реакционной зоны 9. Следует понимать, что количество и типоразмер устанавливаемых на откидную крышку 2 штуцеров не ограничиваются описываемой конфигурацией аппарата и могут варьироваться в зависимости от решаемых технических задач. На внешнюю сторону обечайки 1 реактора устанавливают подъемно-транспортировочные устройства 5, обеспечивающие транспортировку реактора в охлаждаемое помещение.
Внутренняя поверхность реакционной зоны 9 должна быть гладкой, по желанию полированной, для обеспечения минимальной адгезии поверхностного слоя полимера к металлу.
До загрузки мономерно-каталитической смеси в реакционную зону 9 реактора осуществляют монтаж крышки 2 к аппарату с помощью быстросъемных креплений 4. Герметичность обеспечивается за счет прижимной силы крышки 2 реактора к обечайке 1 с помощью фланцевых соединений 10 и специальной прокладки 11, инертной к компонентам мономерно-каталитической смеси. После монтажа крышки 2 в пустое пространство реакционной зоны 9 через штуцер 7 в автоматическом режиме подают инертный газ (в одном неограничивающем варианте исполнения - азот или любой другой общедоступный газ, инертный к данной реакции полимеризации) для предварительной продувки в течении заданного количества времени для полного вытеснения кислорода и остаточной воды, которые являются губительными для применяемых катализаторов и приводят к преждевременному прекращению реакции. В зависимости от конкретного типа полимеризации в качестве очищающей среды может применяться жидкость. Далее, перед заполнением реакционной зоны 9 мономерно-каталитической смесью, реактор охлаждают до необходимой температуры.
Мономерно-каталитическую смесь загружают через штуцер 6, герметично установленный на крышке 2, в реакционную зону 9 в автоматизированном режиме в количестве, обеспечивающим необходимую толщину слоя мономерно-каталитической смеси. Важно понимать, что реакционную зону 9 заполняют не более чем на 80% от своего объема с целью обеспечения пространства между крышкой 2 реактора и верхним слоем мономерно-каталитической смеси. Такое решение позволяет обеспечить необходимое пространство между мономерно-каталитической смесью и крышкой 2 реактора для создания подушки из инертного газа. Подушка инертного газа предотвращает попадание кислорода и воды в реакционную зону 9 и сохраняет активность катализатора на исходном уровне. После загрузки мономерно-каталитической смеси штуцер 6 и штуцер 7 перекрывают.
Температура охлаждающего газа регулируют в зависимости от количества и интенсивности выделяемого в ходе полимеризации тепла, фиксируемого установленным на штуцер 7 контрольно-аналитическим прибором.
Для извлечения полимера из реактора необходимо открыть штуцер 8 для снижения давления подушки инертного газа и демонтировать крышку 2, отсоединив быстросъемные крепежи 4. После чего производят выгрузку полимера механическим путем.
Конфигурация реактора полимеризации, описанного в данной полезной модели, позволяет решить одновременно проблему высокой металлоемкости типовых реакторов полимеризации и обеспечить простоту загрузки мономерно-каталитической смеси и выгрузки готового продукта после полимеризации с получением полимера с заданными свойствами и высокой конверсией до 99%.
Поскольку данная полезная модель позволяет обеспечить эффективный теплосъем выделяющегося при полимеризации тепла, то можно свести к минимуму или избежать получение полимерного продукта низкого качества или с плохими характеристиками.
В предложенной полезной модели полимеризация происходит в реакционной зоне 9, в которой не менее 90% внутренней поверхности зоны составляет теплообменная поверхность, которая может быть изготовлена из любого подходящего материала, сочетающего достаточную износоустойчивость в течение времени контакта с мономерно-каталитической смесью и относительно высокую теплопроводность. Например, подходят нержавеющая сталь, медь, латунь, алюминий, их сочетание, и т.д. Предпочтительно чтобы теплопроводность составляла не менее 15 Вт/(мК). Теплообменная поверхность может быть полированная или неполированная, но полированные материалы способствуют более легкому удалению отвержденных полимеров, соприкасающихся с теплообменной поверхностью.
По имеющимся у заявителя сведениям, совокупность существенных признаков заявляемой полезной модели не известна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого объекта критерию "новизна".
Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность полезной модели, может быть использована в производстве полиальфаолефинов с получением технического результата, заключающегося в упрощении конструкции используемого реактора и эффективной выгрузкой полученного полимера после проведенной полимеризации, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого объекта критерию "промышленная применимость".