專利名稱：具有可變液體高度的液體噴嘴的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于注射液體的噴嘴及其在用來將冷凝液注入到在一流化層中的乙烯和/或丙稀氣相(共聚—)聚合反應(yīng)的反應(yīng)器之中的用途。
已知以高于大氣壓的壓力在一流化層反應(yīng)器中聚合一種或多種氣相單體，在所述反應(yīng)器中采用一種包含待聚合的單體多個單體并且在一向上的液流中流動的反應(yīng)氣體混合物生成的聚合物顆粒仍然保持流化狀態(tài)。如此生成的粉末狀聚合物通常從反應(yīng)器中取出以使流化層大致保持恒定的體積。在優(yōu)選的工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)過程中，使用一種流化格柵，它可輸送反應(yīng)氣體混合物流過該層，并且在當(dāng)上升氣流被切斷時，它可用作流化層的支撐體。從流化層反應(yīng)器上部離開的反應(yīng)氣體混合物通過配有壓縮器的外循環(huán)管循環(huán)進入到流化格柵的下面的流化層反應(yīng)氣的底部。
單體的聚合反應(yīng)是一種放熱反應(yīng)。因此就有必要提供一種適合的冷卻該流化層的設(shè)備，以便把聚合反應(yīng)中的熱量從中提取出來。對于在流化層中的乙烯和/或丙稀的聚合反應(yīng)，優(yōu)選的方法是將反應(yīng)氣體混合物在聚合反應(yīng)的溫度以下冷卻，這樣就能使得當(dāng)這種流態(tài)化的氣體流經(jīng)該流化層時，可以補償聚合反應(yīng)產(chǎn)生的過多熱量。因而反應(yīng)氣體混合物在其回程期間，通常借助于設(shè)置在外循環(huán)管中的至少一個熱交換器進行冷卻，來除去聚合反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，并使得聚合反應(yīng)的溫度保持在所期望的水平。
尤其是在近些年作出了許多努力來優(yōu)化氣相聚合反應(yīng)過程以提高在現(xiàn)有裝置上的聚合物產(chǎn)量。因此該方法采用聚合物的產(chǎn)量，也即每單位反應(yīng)器的體積、每單位時間生產(chǎn)的聚合物重量(kg/h/m3)進行分析。在上述提到的商業(yè)化的流化層反應(yīng)器中，已知的是產(chǎn)物的產(chǎn)量直接取決于反應(yīng)器中產(chǎn)生的熱量的排出速率。排出速率可以提高，比如通過增加流化態(tài)的氣體的流速和/或通過降低流化態(tài)的氣體的溫度和/或通過增加流化態(tài)的氣體的熱容。
例如，在專利申請WO94/28032中描述了氣相的烯烴聚合方法，其中循環(huán)的氣流被冷卻到足以形成氣液兩相，通過將液相從氣相中分離出并借助于噴嘴直接導(dǎo)入流化層中，就有可能增加引入到流化層中的液體的總量，從而通過蒸發(fā)可更好地冷卻床層，因此可以獲得更高的產(chǎn)率。已經(jīng)有許多方法用來往流化層中加入流體并且已經(jīng)描述過了多種噴嘴。
法國專利2215802描述了使用一個或多個噴嘴的方法，其中噴嘴的噴口帶有一個外設(shè)的單向閥。在噴嘴中使用這樣一種機械元件來噴射液體常常存在可靠性受限定方面的缺陷，其原因可歸于活動件連接處的疲勞、活動件可能會被卡住、活動件和噴嘴的實際結(jié)構(gòu)間的縫隙可能有滲漏。
專利申請WO96/20780和EP0876202描述了用于把液體注入氣相聚合反應(yīng)器的噴嘴。這些噴嘴提供有吹掃氣體，它可在液體的注射中斷時防止被來自流化層的粉末阻塞。該技術(shù)的缺點在于其會導(dǎo)致液體的夾帶或部分霧化，尤其是在開始或中止液體噴射的瞬變階段。
現(xiàn)有技術(shù)，尤其是前面所述的專利中描述的注射液體的噴嘴通常不適合于瞬變、停止、起始階段以及整個停止噴射液體時的持續(xù)階段。究其原因在于瞬變態(tài)或穩(wěn)態(tài)階段會產(chǎn)生以下問題(I)固體顆粒阻塞排液的噴口，(II)固體顆粒，液體和/或氣體污染噴嘴的內(nèi)部，(III)吹掃氣體對液體的夾帶或霧化可能會產(chǎn)生上述問題，尤其在使用現(xiàn)有技術(shù)所述的噴嘴，把冷凝液注入到流化層中乙烯和/或丙稀氣相(共聚—)聚合反應(yīng)的反應(yīng)器中時。更可能產(chǎn)生問題的時候是在瞬變、停止、起始階段以及整個停止噴射液體的持續(xù)階段。上述問題可能會以下列方式產(chǎn)生(I)固體顆粒阻塞排液的噴口，當(dāng)這些顆粒具有活性并能粘在一起時，對噴嘴更加有害；(II)固體顆粒，液體和/或氣體污染噴嘴的內(nèi)部，可能會在噴嘴內(nèi)部產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，引起阻塞；(III)吹掃氣體對液體的夾帶或霧化可能會使噴嘴內(nèi)的液體部分或完全汽化，這樣就限制了對流化層的冷卻作用。另一個后果是增加了氣液之間的接觸面積，這樣液相中的活性顆?？赡軙c吹掃氣體(后者未必是惰性的)反應(yīng)并且該顆?？赡軙兇种敝吝_到噴嘴內(nèi)沉積或阻塞的極限。
現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)由一種噴射壓力液體的噴嘴構(gòu)成的裝置可使得下列情況成為可能
(1)防止固體、液體或氣體從液體注入的介質(zhì)回流到噴嘴內(nèi)部，(2)防止吹掃氣體對液體的夾帶或霧化，以及(3)保持高的可靠性。
因此本發(fā)明是一種用于噴射壓力液體的噴嘴，包含一根頂部套有一個中空頭部的垂直進料管，壓力液體沿垂直進料管的外壁和內(nèi)管間傳送，噴嘴的上部帶有至少一個排出壓力液體的側(cè)噴口，該噴嘴的特征在于其垂直進料管的內(nèi)管的上端高于側(cè)噴口，因而停止注射壓力液體時，就有可能通過垂直進料管的內(nèi)管通入壓力氣體，以使噴嘴前端產(chǎn)生過壓，以便一方面可使高度降至側(cè)噴口以下，另一方面可防止固體、液體或氣體從液體注入的介質(zhì)中回流到所述噴嘴內(nèi)部。
一個非限制性的本發(fā)明的設(shè)備的例子如附

圖1和附圖2所示。
根據(jù)本發(fā)明，噴嘴包含了一根垂直進料管，其用于把壓力液體從管底輸送至噴嘴上端。優(yōu)選的進料管為圓筒形。
此后，垂直進料管的“外壁”將指不考慮其內(nèi)部分的垂直進料管。優(yōu)選的垂直進料管是圓筒狀的，此時“外壁”將指該管的外管。
根據(jù)本發(fā)明，位于垂直進料管外壁內(nèi)的內(nèi)管就能把壓力氣體從管底輸送至其上端，相對于垂直進料管的外壁而言，優(yōu)選的內(nèi)管是圓筒狀的、同軸的。
根據(jù)本發(fā)明，噴嘴的垂直進料管套有一個中空頭部。該段位于噴嘴垂直進料管外壁的延長部分，其形狀可以是大致的圓錐形或半球形，優(yōu)選的是大致的圓錐形。
根據(jù)本發(fā)明，噴嘴的上端包括至少一個在壓力下排液的側(cè)噴口。在有一個以上側(cè)噴口時，它們可能聚集在噴嘴周圍，處于同一高度或不同的高度。高度的數(shù)目可能為1-4，優(yōu)選的數(shù)目是1-2。通常側(cè)噴口等距地分散在噴嘴的四周。每一高度的側(cè)噴口數(shù)大致在1-8，優(yōu)選4-8，側(cè)噴口的形狀可以設(shè)計成能使液體的噴射和噴射出噴嘴的射流的形狀達到最優(yōu)化。通過計算液體經(jīng)過側(cè)噴口的壓降，就有可能計算出液體的噴射速度，最終由側(cè)噴口的形狀確定出每單位體積流量的噴射體積。側(cè)噴口可能會有一個孔或一條縫，優(yōu)選為一個孔。側(cè)噴口的形狀可以是圓形、橢圓形或其它合適的形狀。優(yōu)選的側(cè)噴口是一個圓形的孔。橢圓形側(cè)噴口的長大約為8-50mm，寬為2.5-12mm，面積為26-580mm2。圓形噴口的直徑大約為5-25mm，面積為19.6-491mm2。對側(cè)噴口很重要的一點是要足夠?qū)捯允勾嬖谟趬毫σ后w中的固體細(xì)顆?？梢酝ㄟ^。
所述側(cè)噴口還可帶有機械組件以使液體在壓力下離開所述噴口時霧化，就如專利申請WO98/18548中所述。
根據(jù)本發(fā)明，噴嘴的側(cè)噴口位于其上端。它可以位于垂直進料管上，否則位于垂直進料管上端的中空頭部上。優(yōu)選的是側(cè)噴口位于垂直進料管上。
根據(jù)本發(fā)明，垂直進料管的內(nèi)管的上端高于側(cè)噴口，進料管上側(cè)噴口所在的不同高度的索引用字母“i”來標(biāo)識，從較低高度的1開始，Di表示進料管內(nèi)管的上端與高度i上的側(cè)噴口上端之間的距離。同樣，Do表示進料管內(nèi)管的上端與高度i上的側(cè)噴口下端之間的距離。顯然Di總是大于Do，在側(cè)噴口所在的高度只有一個時，Di和Do之間的差就等于所述側(cè)噴口的高度。距離Di和Do可以依據(jù)壓力氣體和壓力液體間的壓力波動來確定。距離Di和Do可能大于100mm，優(yōu)選大于500mm。
氣液之間的壓差被定義為壓力氣體和壓力液體的絕對或相對壓力之間的差，所述的壓力在垂直進料管或其上游的任意一點測量。假如氣體和液體的壓力在不同高度測量，就有必要從上述壓差中減去兩個高度之間的液柱壓力，通常稱為輸送壓頭。
本發(fā)明的一種改進方式是通過作用于吹掃氣體的壓力來保持氣液間的壓差DP不變。注射液體的壓力將依據(jù)其流速而變化。
通常，氣液間的所有壓差值都與噴嘴內(nèi)壓力液體的高度有關(guān)聯(lián)。通過改變壓差，就能改變噴嘴內(nèi)壓力下的高度，進而引發(fā)或中止液體的噴射。假如噴嘴的側(cè)噴口位于不同的高度，就有可能改變噴嘴中的液體高度以便啟動或停止噴射液體，如果該噴嘴具有多個水平位置的側(cè)噴口，可以改變用于噴射壓力液體的側(cè)噴口數(shù)量，來使得可以調(diào)整通過側(cè)噴口的噴射速度、液體的噴射進入到噴嘴的外部并因此調(diào)整由所述液體產(chǎn)生的噴射體積。
為了通過位于高度1至i的側(cè)噴口噴射壓力液體，氣液間的壓差必須保持在極限值Pi以下，該極限值對應(yīng)于噴嘴內(nèi)高于高度i上側(cè)噴口上端的一個壓力液體高度。極限值Pi可依據(jù)以下函數(shù)I)壓力液體的密度R，II)距離Di和III)噴嘴內(nèi)位于高度i側(cè)噴口的上端與壓力液體高度間期望的最小距離Hi，通過下列公式Pi＝R*g*(Di-Hi)計算。
為了停止噴射壓力液體，氣液間的壓差必須保持在極限值Po以上，該極限值對應(yīng)于最低高度上側(cè)噴口的底部下面的噴嘴中的壓力液體高度。極限值Po可依據(jù)以下函數(shù)I)噴射液體的密度R，II)距離Do和III)噴嘴內(nèi)所述側(cè)噴口的下端與該壓力液體高度間期望的最小距離Ho，通過下列公式Po＝R*g*(Do+Ho)計算。
一個噴射壓力液體的噴嘴的更完善的方式在于，把側(cè)噴口設(shè)置在垂直進料管的上端，低于中空頭部的距離為E，實際上由一個縱向中空的圓柱形浮筒確定了噴嘴內(nèi)壓力液體的液表面，所述浮筒在垂直進料管的外壁內(nèi)沿該進料管的內(nèi)管滑動，浮在壓力液體高度上，其厚度小于E。為了易于浮筒的移動，該浮筒的外徑必須稍小于圓柱形外壁的內(nèi)徑，孔徑稍大于垂直進料管內(nèi)管的外徑，同時其間隙必須足以產(chǎn)生滑動，并能確保當(dāng)停止或重新噴射壓力液體時壓力液體和壓力氣體之間良好的密封。
浮筒的外徑Dfe和所述浮筒的孔徑Dfi，可以通過噴嘴圓柱形外壁的內(nèi)徑Dei和垂直進料管內(nèi)管的外徑Dte，以下式計算(I)Dfe＝Dei-x，x為0.1-5mm，優(yōu)選0.5-1mm，和(II)Dfi＝Dte+y，y為0.1-5mm，優(yōu)選0.5-1mm。
根據(jù)本發(fā)明，一個噴射壓力液體的噴嘴可用于噴射任何壓力液體，只要在噴嘴使用時的溫度和壓力條件下，液體的粘度足夠低，可保證持續(xù)的流動。噴射壓力液體的噴嘴可用于任意介質(zhì)中，包含至少為固體、液體或氣體中的一相，并能使液體注入所述介質(zhì)中。
按照本發(fā)明描述的方法，上述的噴嘴用于把冷凝液注入到流化層聚合反應(yīng)反應(yīng)器之中。烯烴單體的聚合反應(yīng)是在一個流化層反應(yīng)器中的一個連續(xù)過程，單體可選自(a)乙烯、(b)丙稀、(d)兩者的混合物，或者和多種其它的α-烯烴與(a)，(b)，(c)的組合中的一種。在反應(yīng)條件下，通過具有聚合反應(yīng)用的催化劑的流化層，氣相連續(xù)循環(huán)，所述循環(huán)的氣相被冷卻到液體冷凝的溫度，所述的冷凝液從氣相中分離出，并使用一個或多個上述的噴嘴把冷凝液直接注入流化層中。
噴嘴可設(shè)置在流化層的任意位置，并可采用傳統(tǒng)裝置，如直線形或環(huán)形歧管實現(xiàn)單獨、連續(xù)、并行進料。
反應(yīng)器最好包含4個或6個噴嘴，例如這些噴嘴可穿過流化格柵以使側(cè)噴口位于流化層內(nèi)，優(yōu)選的位置是在流化層的下部。按照該例子所舉的方法，一個帶有流化層的商業(yè)用反應(yīng)器，該流化層的高度范圍在格柵以上的高度10-20m之間，噴嘴的噴口的位置在格柵以上3-7m之間。
包含了本發(fā)明所述的噴射壓力液體的噴嘴的裝置，具有許多優(yōu)點。
一個優(yōu)點在于可防止固體、液體或氣體從液體注入的介質(zhì)向噴嘴內(nèi)部的回流，因而側(cè)噴口或噴嘴內(nèi)被阻塞的風(fēng)險就降低了。同樣地，由固體、液體、氣體對壓力液體污染的風(fēng)險也大大降低了。
使用這種噴嘴，把冷凝液注入用于乙烯和/或丙稀氣相(共聚—)聚合反應(yīng)流化層反應(yīng)器也具有許多優(yōu)點。
一個優(yōu)點在于避免了壓力氣體對冷凝液的夾帶或霧化。發(fā)生在噴嘴外的冷凝液的霧化使得對流化層冷卻進行優(yōu)化成為可能。與存在壓力氣體對冷凝液夾帶或霧化趨勢的技術(shù)相比，上述的氣體與冷凝液的接觸面積減少了，這就使冷凝液中的活性顆粒與壓力氣體(后者未必是惰性的)反應(yīng)降低了，以便對于噴嘴的沉積或阻塞來說粗化達到限制。
另一個優(yōu)點在于防止流化層中的活性固體顆粒在側(cè)噴口或噴嘴中相互反應(yīng)。
再一個優(yōu)點在于防止反應(yīng)器中的反應(yīng)混合物污染噴嘴內(nèi)部，否則就有可能會與冷凝液中仍有活性的細(xì)顆粒反應(yīng)，進而引起側(cè)噴口上游的阻塞。
還有一個優(yōu)點是該噴嘴能提供數(shù)個噴嘴高度，通過變化吹掃氣體與噴射液體的壓差，可以改變用于噴液的噴口數(shù)量。這就有可能在給定冷凝液的流速時，控制側(cè)噴口的噴射速度，液體射流進入噴嘴外部，以及噴射體積。這在需要保持流態(tài)化時尤為有利。
包含有噴射壓力液體的噴嘴的裝置，在應(yīng)用于流化層中的聚合反應(yīng)時，產(chǎn)生了顯著的技術(shù)和經(jīng)濟優(yōu)勢。因為不管是從熱量的角度看，還是從聚合反應(yīng)的條件看，它都可以對聚合反應(yīng)進行有效的控制。
聚合反應(yīng)通常的反應(yīng)條件如專利WO99/00430的實施例1所述，本發(fā)明例外之處是使用了所述噴嘴。
附圖1和2表示了使用本發(fā)明裝置的例子，但本發(fā)明并非局限于此。附圖1表示使用兩個高度的側(cè)噴口進行液體噴射。附圖2表示停止噴射時的同樣的噴嘴。
圖1和2表示的是相同的噴嘴，包含一根頂部套有中空頭部2的垂直進料管1，液體3在壓力下沿垂直進料管1的外壁4和內(nèi)管5間傳送，噴嘴的上部帶有位于兩個高度的排放壓力液體3的側(cè)噴口6和7。垂直進料管1的內(nèi)管5的上端高于側(cè)噴口7，因此能在停止噴射壓力液體3時，通過垂直進料管1的內(nèi)管5導(dǎo)入壓力氣體8，在噴嘴上端產(chǎn)生過壓，以便一方面把壓力高度9降至下高度上的側(cè)噴口6以下，另一方面，可防止固體、液體或氣體從壓力液體注入的介質(zhì)回流到噴嘴內(nèi)部。
在上面的例子中，處于上高度的側(cè)噴口7位于噴嘴的垂直進料管1的上部，低于中空頭部2的距離為E。由一個縱向中空的圓柱形浮筒(10)確定了噴嘴內(nèi)的壓力液表面9，浮筒在垂直進料管的外壁4內(nèi)沿該進料管的內(nèi)管5滑動，浮在高度9上，其厚度小于E。
圖1表示使用了存在于兩個高度的側(cè)噴口6和7噴射壓力液體的噴嘴。氣液間的壓差必須保持在極限值P2以下，其對應(yīng)于噴嘴內(nèi)高于上高度索引2上噴口7上端的一個壓力液體高度。極限值P2可依據(jù)以下函數(shù)I)壓力液體的密度R，II)距離D2和III)噴嘴內(nèi)位于上高度(2所示)的噴口的上端與壓力高度間期望的最小距離H2，通過下列公式P2＝R*g*(D2-H2)計算。
圖2表示停止噴射時的同一噴嘴，也就是說此時沒有噴射液體。氣液間的壓差必須保持在極限值Po以上，其對應(yīng)于噴嘴內(nèi)低于下高度的側(cè)噴口6下部下面的一個壓力液體高度。極限值Po可依據(jù)以下函數(shù)I)壓力液體的密度R，II)距離Do和III)噴嘴內(nèi)位于下高度的噴口的下部與壓力液體高度間期望的最小距離Ho，通過下列公式Po＝R*g*(Do+Ho)計算。
權(quán)利要求
1.一種噴射壓力液體的噴嘴，包含一根頂部套有中空頭部的垂直進料管，壓力液體沿垂直進料管的外壁和內(nèi)管間傳送，噴嘴的上部帶有至少一個排出壓力液體的側(cè)噴口，其特征在于，垂直進料管的內(nèi)管的上端高于側(cè)噴口，因而能在停止噴射壓力液體時，通過垂直進料管的內(nèi)管導(dǎo)入壓力氣體，在噴嘴上端產(chǎn)生過壓，以便一方面把壓力液體的高度降至側(cè)噴口以下，另一方面，可防止固體、液體和/或氣體從壓力液體注入的介質(zhì)回流到噴嘴內(nèi)部。
2.如前述權(quán)利要求所述的噴嘴，其特征在于，噴嘴內(nèi)包含一根圓筒狀的垂直進料管，垂直進料管的內(nèi)管是圓筒狀的并且與外壁同軸，能導(dǎo)入壓力氣體。
3.如前述權(quán)利要求所述的噴嘴，其特征在于，中空頭部大致呈圓錐形。
4.如上述權(quán)利要求中任一項所述的噴嘴，其特征在于，噴嘴包含聚集在1-4個高度上的側(cè)噴口，優(yōu)選1-2個高度。
5.如上述權(quán)利要求中任一項所述的噴嘴，其特征在于，側(cè)噴口等距地分散在噴嘴的四周，每一高度的側(cè)噴口數(shù)為1-8，優(yōu)選4-8。
6.如上述權(quán)利要求中任一項所述的噴嘴，其特征在于，側(cè)噴口是圓孔，直徑為5-25mm。
7.如權(quán)利要求5所述的噴嘴，其特征在于，側(cè)噴口帶有機械組件以使壓力液體霧化，就如專利申請WO98/18548中所述。
8.如上述權(quán)利要求中任一項所述的噴嘴，其特征在于，側(cè)噴口位于垂直進料管的上端，低于中空頭部的距離為E，并且由一個縱向中空的圓柱形浮筒確定了噴嘴內(nèi)的壓力液表面，浮筒在垂直進料管的外壁內(nèi)沿該垂直進料管的內(nèi)管滑動，浮在壓力液體表面上，其厚度小于E。
9.如上述權(quán)利要求中任一項所述的噴嘴，其特征在于，浮筒的外徑Dfe、其孔徑Dfi，可以通過噴嘴圓柱形外壁的內(nèi)徑Dei、垂直進料管內(nèi)管的外徑Dte，以下式計算(I)Dfe＝Dei-x，x為0.1-5mm，優(yōu)選0.5-1mm，和(II)Dfi＝Dte+y，y為0.1-5mm，優(yōu)選0.5-1mm。
10.一種在流化層反應(yīng)器中進行烯烴單體的連續(xù)的聚合反應(yīng)方法，烯烴單體可選自(a)乙烯、(b)丙稀、(c)以上兩者的混合物，或者和多種其它的α-烯烴與(a)，(b)，(c)的組合中的一種，通過使用聚合反應(yīng)用的催化劑，在反應(yīng)條件下，氣相連續(xù)循環(huán)，所述氣相被冷卻到液體冷凝的溫度，冷凝液從氣相中分離出并直接注入流化層中，其特征在于，使用了一個或多個如上述權(quán)利要求中任一項所述的噴嘴把冷凝液注入流化層中。
11.如權(quán)利要求10中所述的方法，其特征在于，該聚合反應(yīng)器中包含了4個或6個噴嘴。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種噴射壓力液體(3)的噴嘴，包含一根頂部套有中空頭部(2)的垂直進料管(1)，壓力液體沿垂直進料管(1)的外壁(4)和內(nèi)管(5)間傳送，噴嘴的上部帶有至少一個排出壓力液體(3)的側(cè)噴口(6)。該噴嘴的特征在于其垂直進料管(1)的內(nèi)管(5)的上端高于側(cè)噴口(6)，因此就能在壓力下停止噴射液體(3)時，通過垂直進料管(1)的內(nèi)管(5)導(dǎo)入壓力氣體(8)，該壓力氣體在噴嘴上端產(chǎn)生過壓，一方面可以使壓力液體(3)的高度(9)降至側(cè)噴口(6)以下，另一方面，可防止固體，液體和/或氣體從壓力液體(3)噴向的介質(zhì)向噴嘴內(nèi)部回流。
文檔編號B05B1/02GK1418125SQ01806689
公開日2003年5月14日 申請日期2001年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月17日
發(fā)明者J·－L·查馬尤, J·－C·欽 申請人:英國石油化學(xué)品有限公司