中心喷射管
阅读说明：本技术 中心喷射管 (Central injection pipe ) 是由 赫尔曼·格布哈特 弗朗茨·朗豪泽 奥利弗·鲁尔 奥利·托玛 于 2019-01-24 设计创作，主要内容包括：公开了一种中心喷射管设备。中心喷射管包括设计为向容器提供全面覆盖的液体喷射的多个喷嘴。(A center jet stack apparatus is disclosed. The central spout includes a plurality of nozzles designed to provide a full coverage liquid spray to the container.)
技术领域
本文公开的实施例大体上涉及一种中心喷射管，该中心喷射管可以为测量装置提供遮蔽，并且还可以提供在容器内的液体分配。本文公开的实施例总体上还涉及一种在聚合反应器内使用中心喷射的方法。
背景技术
丙烯聚合物的生产可以在适用于烯烃聚合的任何普通反应器中进行，分批或(优选)连续进行，即在溶液中作为包括液态单体中的本体聚合的悬浮聚合进行，或作为气相聚合进行。合适反应器的示例包括连续运行的搅拌反应器、环路反应器、流体床反应器、或水平或竖直搅拌粉末床反应器。
可以通过添加聚合技术中常用的聚合物链转移剂或终止剂(如氢)，在广泛范围中控制和调整所产生聚合物的分子量。此外，可以添加惰性溶剂(例如甲苯或己烷)或惰性气体(例如氮气或氩气)以及少量粉末状聚合物(例如聚丙烯粉末)。
竖直搅拌气相反应器可以使用安装有螺旋搅拌器、或具有由安装在中心轴上的径向弯曲叶片组成的搅拌系统的底部。在使用上述搅拌器的一些反应器中，悬浮在液态单体中的催化剂被注入反应器的顶部或侧部，并且粉末受到重力和在聚合物颗粒生长时膨胀的影响而向下流动。来自反应器的热量可以通过循环气体(RG)流移除，该循环气体(RG)流在反应器中蒸发，在外部冷凝器中冷凝，并且连续地循环回至反应器。反应器中的温度可以保持在回流气体的露点以上，以防止液态单体在反应器底部聚集。液体聚集可能导致不受控制的聚合，形成块状物和大块个体，它们堵塞反应器的出口。液态单体可以用于通过冷凝模式冷却吸收反应的热量。
在聚烯烃反应系统中，高放热反应的热量移除过程通常决定整个装置运行的稳定性和完整性。液态单体可以通过一个或两个全锥形喷嘴被供给到反应器的顶部。这些喷嘴仅将液态单体施加到整个粉末表面的一部分。冷却剂需求的变化会导致流动的波动，并且从而影响冷却剂的分配。冷却剂分配不均匀会降低反应器控制的有效性。
发明内容
在一方面，本文公开的实施例涉及一种用于在聚合反应器中测量物位并提供用于蒸发冷却的液体的设备。在另一方面中，本文公开的实施例涉及一种冷却聚合反应器的方法。
在另一方面中，本文公开的实施例涉及一种设备，其包括分配器和导管。分配器可以包括具有多个喷嘴的上部第一区段；以及下部第二区段。导管可以布置在分配器内并且穿过分配器的长度。一个或更多个测量装置布置在导管的设置在第二区段内的一部分内。
多个喷嘴可以包括：第一层喷嘴，其位于沿上部第一区段的第一高度处；第二层喷嘴，其位于沿上部第一区段的第二高度处；以及第三层喷嘴，其位于沿上部第一区段的第三高度处。
在一些实施例中，第一层喷嘴可以包括多个第一喷嘴，多个第一喷嘴围绕上部第一区段的周向等距间隔开，并且单层地布置在上部第一区段的第一高度处。例如，第一层喷嘴可以是扇形喷嘴。进一步地，在一些实施例中，第一层喷嘴与分配器的纵向轴线成一定角度，该角度在约60°至约80°的范围中。
在一些实施例中，第二层喷嘴可以包括多个第二喷嘴，多个第二喷嘴围绕上部第一区段的周向等距间隔开。例如，多个第二喷嘴可以沿上部第一区段的第二高度的轴向长度等距间隔开地布置在多个高度处。进一步地，在一些实施例中，多个第二喷嘴可以包括第一层第二喷嘴，其位于沿上部第一区段的第一高度处；第二层第二喷嘴，其位于沿上部第一区段的第二高度处；以及第三层第二喷嘴，其位于沿上部第一区段的第三高度处。第一层第二喷嘴、第二层第二喷嘴和第三层第二喷嘴可以彼此偏置。在一些实施例中，第二层喷嘴包括直喷喷嘴。进一步地，第二层中的多个直喷喷嘴与分配器的纵向轴线成一定角度，该角度的范围例如为约30°至约60°。
在一些实施例中，第三层喷嘴可以包括多个第三喷嘴，多个第三喷嘴围绕上部第一区段的周向等距间隔开。在一些实施例中，多个第三喷嘴可以沿上部第一区段的第三高度的轴向长度等距间隔开地布置在多个高度处。进一步地，多个第三喷嘴可以包括第一层第三喷嘴，其位于沿上部第一区段的第一高度处；第二层第三喷嘴，其位于沿上部第一区段的第二高度处；以及第三层第三喷嘴，其位于沿上部第一区段的第三高度处。在一些实施例中，第三第一层喷嘴、第三第二层喷嘴和第三第三层喷嘴彼此偏置。第三层喷嘴可以是直喷喷嘴，并且在一些实施例中，第三层中的多个直喷喷嘴可以与分配器的纵向轴线成一定角度，该角度的范围为约30°至约60°。
在一些实施例中，上部第一区段与下部第二区段流体隔离。可以设置隔板，隔板还可以包括用于使导管穿过的孔。可以设置一个或更多个密封件，以密封导管8周围，以防止流体从上部腔室流向下部腔室。在一些实施例中，通风孔可以设置在导管的布置在第二区段内的部分中。
在另一方面中，本文公开的实施例涉及一种聚合系统。聚合系统可以包括聚合反应器，聚合反应器包括反应器头部中的中心喷嘴。设备包括分配器和导管，如上所述，设备可以布置在中心喷嘴内并且可以延伸到聚合反应器中。在一些实施例中，辐射源可以位于测量导管内。
在另一方面中，本文公开的实施例涉及一种固体-蒸汽聚合工艺。该工艺可以包括向反应器供给单体以及使单体反应以产生聚合物。该工艺还可以包括通过如上所述的包括分配器和导管的设备向反应器供给循环气体，其中，循环气体渗透聚合物。在一些实施例中，循环气体通过来自第一层喷嘴的第一同心喷射圆、通过来自第二层喷嘴的第二同心喷射圆，以及通过来自第三层喷嘴的第三同心喷射圆进行分配。
其他方面和优点将从以下描述和所附权利要求中显而易见。
附图说明
图1A是包括根据本文实施例的中心喷射管的容器的示意图。
图1B是包括根据图1A的中心喷射管的容器的细节放大横截面图。
图2A是根据图1A的中心喷射管的细节放大示意图。
图2B是根据图1A的中心喷射管的第一腔室的细节放大横截面图。
图3是在聚丙烯反应器中的来自根据图1A的中心喷射管的流动图案的示意图。
图4是具有根据本文实施例的中心喷射管的聚合物反应器的温度控制图。
图5A是具有根据本文实施例的中心喷射管的聚合物反应器的温度控制图。
图5B是具有标准喷嘴的聚合物反应器的温度控制图。
具体实施方式
中心喷射装置的实施例旨在从反应器容器的顶部分配液体，并且在容器的整个横截面上提供全面覆盖。特别地，中心喷射装置的实施例可以将循环气体从竖直搅拌气相反应器的顶部均匀地分配到聚合物粉末中。
在一个方面中，本文公开的实施例总体上涉及一种中心喷射管和一种用于在聚合反应器中使用中心喷射管的方法。更具体地，本文公开的实施例总体上涉及可以使用中心喷射管冷却以提高整个装置反应的稳定性和完整性的聚合反应器。
图1示出了容器100的实施例，容器100包括顶部头部2，顶部头部2具有位于顶部头部中的中心喷射管4。中心喷射管4可以位于顶部头部2的近似中心中的喷嘴6内。中心喷射管4可以是内径在约1英寸至约18英寸(例如约1.5英寸至约12英寸，或者4英寸至约10英寸)的范围中的管。在一些实施例中，中心喷射管4的厚度足以应对在反应器内移动粉末的作用力。在一些实施例中，中心喷射管4的长度可以在约0.5英尺至约20英尺(例如约1英尺至约18英尺，约2英尺至约16英尺，或约4或6英尺至约12英尺)的范围中。本领域的普通技术人员将能够基于容器100的尺寸和用途来确定所需的管特性。
导管8可以布置在中心喷射管4内，并且可以沿中心喷射管4的长度而穿过。因为布置在中心喷射管4内，导管8与容器100的内容物隔离。导管8可以穿过中心喷射管4的整个长度，或仅穿过中心喷射管4的一部分。此外，导管8可以在喷管4内居中，或可以偏置。
在一些实施例中，导管8可以包括用于测量的一个或更多个传感器42。在一些实施例中，传感器42可以用于物位测量、温度测量或用于监控容器100中产品的质量。在一些实施例中，传感器42可以是或可以包括多个辐射源或检测器。例如，辐射源或检测器可以布置在管内，例如通过光纤连接到测量系统的闪烁晶体，其中检测器和/或源可以沿导管8的一部分间隔开，以在容器运行期间提供容器100中的固体或粉末的物位的测量。在一些实施例中，导管8可以相对容器100和中心喷射管4被密封。
中心喷射管4可以具有沿中心喷射管4的长度或选定部分布置的多个喷嘴22、24、26。例如，如图1所示，中心喷射管4可以包括上部52和下部54。在一些实施例中，喷嘴22、24、26可以仅沿中心喷射管的一部分定位，例如位于上部52和下部44之间。类似地，传感器42可以沿中心喷射管4的长度布置在导管8内，或者在一些实施例中，可以仅沿一部分定位，例如在喷嘴22、24、26的水平高度上方和/或下方。
在一些实施例中，中心喷射管4可以具有距离中心喷射管4的顶部第一高度处的多个喷嘴22，距离中心喷射管4的顶部第二高度处的多个喷嘴24，以及距离中心喷射管4的顶部第三高度处的多个喷嘴26。冷凝循环气体(RG)或另一液体可以通过中心管4被供给到容器100中，以便通过喷嘴22、24、26在容器100内进行分配。距离中心喷射管4的顶部第一高度处的多个喷嘴22可以产生液体的圆形分配，用A标记。距离中心喷射管4的顶部第二高度处的多个喷嘴24可以产生液体的圆形分配，用B标记。距离中心喷射管4的顶部第三高度处的多个喷嘴26也可以产生液体的圆形分配，用C标记。液体的分配或影响区域或面积可以取决于容器100内的固体或粉末的物位。例如，对于喷嘴下方的粉末的给定物位，来自喷嘴22、24和26的喷射可以分别导致同心环A、B、C的液体分配，例如图1B所示。喷嘴的构造可以使得这些同心环重叠或不重叠。
在一些实施例中，容器100为竖直搅拌气相反应器。这种类型的容器100特别是可以用于生产均匀的混合物、用于进行固体和/或液体和/或气态物质之间的反应、用于加热或冷却、用于涂覆颗粒和类似用途。当然，容器的简单的结构也允许在高压或高温下执行的工艺流程。
在一些实施例中，中心喷射管4可以包括第一腔室12和第二腔室14。图2A示出了第一腔室12和第二腔室14的横截面示意图，图2B示出了第一腔室12的示意图。在一些实施例中，第一腔室12和第二腔室14可以由单根管形成。在其他实施例中，第一腔室12和第二腔室14可以是单独的管并且通过任何联接方法联接在一起，例如但不限于焊接、螺纹连接端以及本领域技术人员已知的其他方法，如图2B所示，将下部腔室14(图2B中未示出)附接到第一腔室12的底部连接件60。
在一些实施例中，第一腔室12和第二腔室14可以由板40隔开，如图2A所示。第二腔室14可以是中空的，并且例如通过包括盖或塞19相对于容器100密封。板40和/或盖或塞19可以迫使流体流出喷嘴22、24和26，而不是流出中心喷射管4的底部，即阻力最小的路径。在一些实施例中，通风孔(未示出)可以位于第二腔室中，以平衡第二腔室14和反应器之间的压力。
第一腔室12可以包括第一喷嘴区段16、第二喷嘴区段18和第三喷嘴区段20。第一喷嘴区段16、第二喷嘴区段18和第三喷嘴区段20可以针对容器内的固体的给定物位提供在容器100的整个横截面上的同心圆A、B和C的喷射，如图1B所示。
第一喷嘴区段16可以包括距离第一腔室12的顶部第一高度处的多个喷嘴22。多个喷嘴22的中心可以位于距第一腔室12的顶部一定距离处，该距离例如在约2英尺至约8英尺的范围中，并且可以取决于喷嘴和容器(喷嘴待布置在其中)的尺寸。在一些实施例中，多个喷嘴22可以围绕第一腔室12的周向单层地等距间隔开。多个喷嘴22可以围绕第一喷嘴区段16的周向间隔开(这由本领域普通技术人员确定)，以提供圆形喷射图案A，如图3所示。多个喷嘴22设计为提供圆形喷射图案A，其范围为容器100的横截面直径的80％至100％。多个喷嘴22可以是扇形喷嘴或由本领域普通技术人员确定的任何类型的喷嘴。多个喷嘴22的直径例如可以在约0.05英寸至约0.5英寸的范围中，但是喷嘴直径和构造可以由所需的喷射图案、流速和压降确定。多个喷嘴22可以全部具有相同的直径，或多个喷嘴22的直径可以不同。在一些实施例中，多个喷嘴22可以被定向为以与中心喷射管4的纵向轴线所成的一定角度远离顶部头部2，该角度在约15度至约85度的范围内，例如与分配器的纵向轴线成范围在约60°至约80°的角度。可以选择直径、角度和其他变量的构造和组合，以在容器100内提供所期望的液体覆盖和分配。
第二喷嘴区段18可以包括多个喷嘴24，多个喷嘴24围绕第一腔室12的周向等距间隔开。在一些实施例中，多个喷嘴24可以在多个水平面中等距间隔开。在一些实施例中，水平面的数量可以是三个，然而，水平面的数量可以由本领域的普通技术人员确定。多个喷嘴24可以围绕第二喷嘴区段18的周向间隔开(这由本领域普通技术人员确定)，以提供圆形喷射图案B，如图3所示。多个喷嘴24可以设计为提供圆形喷射图案B，其范围为容器100的横截面直径的20％至80％。多个喷嘴24可以沿腔室的长度布置，使得喷嘴的一部分24a位于距第一腔室12的顶部第一距离处，喷嘴的第二部分24b可以布置在距第一腔室12的顶部第二距离处，并且喷嘴的第三部分24c可以布置在距第一腔室的顶部第三距离处，使得喷嘴24a布置在喷嘴24b上方，喷嘴24b又位于喷嘴24c上方。多个喷嘴24可以是直喷喷嘴或由本领域普通技术人员确定的任何类型的喷嘴，如上文所述，以提供所期望的喷射图案、流动和压降特性。例如，多个喷嘴24的直径可以在约0.05英寸至约0.5英寸的范围中。多个喷嘴24可以全部具有相同的直径，或者多个喷嘴24的直径可以根据喷嘴24的位置而变化。
在一些实施例中，第一层喷嘴24a可以被定向为以与中心喷射管4的纵向轴线所成的一定角度远离顶部头部2，该角度在约30°至约60°的范围内。在一些实施例中，第二层喷嘴24b可以被定向为以与中心喷射管4的纵向轴线所成的一定角度远离顶部头部2，该角度在约30°至约60°的范围内。在一些实施例中，第三层喷嘴24c可以被定向为以与中心喷射管4的纵向轴线所成的一定角度远离顶部头部2，该角度在约30°至约60°的范围内。在一些实施例中，第一层24a、第二层24b和第三层24c的角度可以相同、不同或其某种组合。在一些实施例中，第一层24a、第二层24b和第三层24c在周向上偏置，使得可以实现对容器100的完全覆盖。在一些实施例中，第一层喷嘴24a的中心和第二层喷嘴24b的中心之间的偏置可以例如在0.35英寸至约2英寸的范围中。第二层喷嘴24b的中心和第三层喷嘴24c的中心之间的偏置也可以例如在约0.35英寸至约2英寸的范围中。
第三喷嘴区段20可以包括多个喷嘴26，多个喷嘴26围绕第一腔室12的周向等距间隔开。在一些实施例中，多个喷嘴26可以在多个水平面中等距间隔开。在一些实施例中，水平面的数量可以是三个，然而，水平面的数量可以由本领域的普通技术人员确定。多个喷嘴26可以围绕第三喷嘴区段20的周向间隔开(这由本领域普通技术人员确定)，以提供圆形喷射图案C，如图3所示。第一层喷嘴26a可以具有距第一腔室12的顶部一定距离的喷嘴26a的中心，该距离在约6英尺至约12英尺的范围中。第二层喷嘴26b可以具有距第一腔室12的顶部一定距离的喷嘴26b的中心，该距离在约6英尺至约12英尺的范围中。第三层喷嘴26c可以具有距第一腔室12的顶部一定距离的喷嘴24c的中心，该距离在约6英尺至约12英尺的范围中。多个喷嘴26可以是直喷喷嘴或本领域普通技术人员确定的任何类型的喷嘴。例如，多个喷嘴26的直径可以在约0.05英寸至约0.5英寸的范围中。多个喷嘴26可以全部具有相同的直径，或者多个喷嘴26的直径可以不同。多个喷嘴26可以全部具有相同的直径，或多个喷嘴26的直径可以根据喷嘴26的位置而变化。
在一些实施例中，第三层喷嘴26a可以被定向为以与中心喷射管4的纵向轴线所成的一定角度远离顶部头部2，该角度在约30°至约60°的范围内。在一些实施例中，第二层喷嘴26b可以被定向为以与中心喷射管4的纵向轴线所成的一定角度远离顶部头部2，该角度在约30°至约60°的范围内。在一些实施例中，第三层喷嘴26c可以被定向为以与中心喷射管4的纵向轴线所成的一定角度远离顶部头部2，该角度在约30°至约60°的范围内。在一些实施例中，第一层26a、第二层26b和第三层26c的角度可以相同、不同或其某种组合。通常，喷嘴的角度可以使得产生的气流不会交叉或碰撞，并且可以取决于容器直径。第一层喷嘴26a的中心和第二层喷嘴26b的中心之间的偏置可以例如在约0.35英寸至约2英寸的范围中。第二层喷嘴26b的中心和第二层喷嘴26c的中心之间的偏置可以例如在约0.35英寸至约2英寸的范围中。
在一些实施例中，多个喷嘴22、24和26沿着并且围绕中心喷射管4均匀间隔开，使得当介质被迫从多个喷嘴22、24和26到喷射圆A、B和C中时，可以实现对容器100的横截面的完全或基本完全的覆盖，如图1A所示。
中心喷射管4可以用于聚烯烃反应系统，诸如图3所示的聚丙烯反应器100。在一些实施例中，聚丙烯反应器100可以是底部安装有搅拌器的的搅拌床反应器。聚丙烯反应器100包括从容器底部向上延伸至水平面L的固体床，水平面L可以对应于围绕下部区段14的喷射圆A、B和C中的一个或更多个。在一些实施例中，中心喷射管4可以将冷凝的循环气体从反应器的顶部均匀地分配到粉末中。
如图3所示，导管8可以布置在中心管4内，并且穿过板40延伸到下部第二腔室14中。在一些实施例中，通风孔(未示出)可以位于第一腔室12的底部，例如穿过板40，以平衡第一腔室12和第二腔室14之间的压力，从而在第二腔室14中提供停滞的液体以便进行连续的物位测量。在其他实施例中，可以提供密封件(未示出)以密封导管8周围，防止流体从第一腔室12过度流向下部腔室14。例如，传感器42可以包括用于物位测量的辐射源，对于连续的物位测量而言，辐射源应该被第二腔室14内的停滞液体包围。因此，将中心管4分为相对于下部腔室14密封的第一腔室12可以保护物位测量设备免受容器中固体的影响，同时将液体有效地分配到容器100中。在一些实施例中，导管8相对于容器100和中心管4的内容物密封。在其他实施例中，导管8可以相对于第一腔室12密封，但是可以包括允许下部腔室14和导管8内的压力平衡的通风孔(未示出)。通风孔可以位于例如导管8的底部，或导管8可以是在下部腔室14内终止的端部敞开的管。
如图1A和图3所示，在一些实施例中，循环气体(RG)可以通过中心喷射管4按圆形喷射图案A、B和C被供给和分配。中心喷射管4可以使用现有容器喷嘴6并且替换其中的内部构件。多个喷嘴22、24和26可以将循环气体从容器100的中心向外喷射，以在容器100的粉末床105中形成冷却剂的具有半径(R)的圆A、B和C。冷却剂的圆可以“喷淋”并且冷却从叶轮上升和下降到容器100的核心区域的最大数量的粉末105。多个喷嘴22、24和26可以设计为允许喷射的循环气体渗透并且湿润从床表面向下至表面下方的期望深度(D)的粉末，并且因此使液体冷却介质直接接触到循环粉末的较大部分。在一些实施例中，渗透的深度可以在约50mm至约500mm的范围中，例如100mm至300mm，或在其他实施例中为约200mm。在一些实施例中，中心喷射管4提供了更好的冷却覆盖率，这可以提供持续稳定的反应器温度和冷却剂流动控制，从而可以改善反应器整体性能。
示例
在将中心喷射管安装到聚合物反应器中后，温度的标准偏差可以约1.6℃降至约0.7℃。图4示出了在23t/h聚合物生产率下的商业反应器的改进的温度控制。物位测量的方差约7.7％降至约1.1％。
下面示出的是各种喷嘴的温度和压力的标准偏差的比较，这些喷嘴产生：由全锥形喷嘴提供的单个喷射、由两个偏心喷射件提供的半对称喷射和由中心喷射管4提供的对称喷射。
如图5A和图5B所示，可以减少容器100冷却过程中的波动。中心喷射管实现冷却工作保持在总图的约20％范围中，见图5A。不对称的冷却剂分配可能导致在总冷却量的约50％范围内的波动，见图5B。基于连续的冷却工作，反应器中的中心喷射管的生产率可以提高约15％。
中心喷射管4可以用于受益于液体在粉末、液体或悬浮液表面上圆形分配的应用。在一些实施例中，中心喷射管可以设计(流动和喷嘴角度)为将液体施加到容器壁上。中心喷射管4集成了液体分配和测量装置(例如温度计套管、物位测量、质量传感器等)。
如本领域的普通技术人员也将认识到的，中心喷射管在容器的整个宽度上提供了广泛的覆盖。中心喷射管还可以包括测量导管，由于为测量导管内的传感器提供了保护，测量导管可以提供连续的测量读数。
如上所述，在用于聚合时，喷嘴可从反应器容器的中心向外喷射循环气体，以在下方的粉末床中形成冷却剂的圆。冷却剂的圆旨在喷淋和冷却从叶轮上升和下降到反应器的核心区域的最大量的粉末。所选择的喷嘴设计为允许喷射的循环气体渗透并且湿润从床表面向下至表面下方的所期望深度的粉末床，并且因此使液体冷却介质直接接触到循环粉末的较大部分。渗透的深度可以例如在200mm至500mm之间。在改善冷却覆盖的情况下，反应器温度和冷却剂流动的可控性更加持续和稳定，从而改善反应器整体性能。
除了循环气体供给功能外，中心供给管还可以容纳和保护辐射水平源和导管。新导管能够承受反应器运行/设计压力，并且能够将循环气体和反应器内容物密封在外，防止其进入导管。
有利的是，本发明人发现，通过在容器的整个宽度上提供广泛的覆盖，液体在粉末床中的渗透性可以随着更有效的温度控制而增强。本发明人还发现，当辐射源位于中心喷射管内时，物位读取能力得到改善。
虽然本公开包括有限数量的实施例，但是基于本公开，本领域技术人员将理解，可以设计不脱离本公开范围的其他实施例。因此，范围应该仅受权利要求限制。