技术领域
[0002] 本发明一般性涉及聚合反应器，更具体地涉及环管反应器以及改进从这种反应器除热的效率的装置。
相关背景技术
[0003] 许多聚合反应器系统使用环管反应器，其具有连续管状结构，包括至少两个，例如四个垂直截面和至少两个，例如四个水平截面。多反应器系统的各环管反应器的体积能够变化，但典型地在10-200m3，更典型地50-120m3的范围内。通过该环管反应器的反应混合物典型地为淤浆形式。
[0004] 聚合反应通常是放热的，并且聚合热典型地通过在同心地围绕至少一部分管状的环管反应器的夹套中与冷却介质(优选水)间接交换而从反应器中除去。该除热的效率是聚合反应器运行中的关键特征。在能够实现的最大冷却上的局限可以限制生产速率，或者能够需要更大表面积的反应器，以便实现所需水平的除热。
[0005] 所需的小比例的冷却可以通过进入反应区的、温度低于反应温度的稀释剂和反应剂进料直接提供给反应混合物。然而，主要的冷却通过反应器外表面的热交换来提供，该反应器外表面被含有冷却流体的夹套包封。可以从反应混合物转移到夹套中的冷却流体的热量与表面积、总传热系数和对数平均温差(LMTD)成正比。
[0006] 该总传热系数或它的耐热性倒数，基本上是三个部分的总和：在反应浆料与反应器内壁之间的界面的传热系数，加上与壁厚成正比的反应器壁本身的传热系数，再加上在冷却剂流体与反应器外壁之间的界面的传热系数。除了这以外，在浆料侧和冷却剂侧的壁上的结垢也可以减小传热系数。有许多现有技术集中于通过减小反应器壁的耐热性来提高热传递。壁的耐热性是壁厚除以制造壁的金属的热导率。例如，US 5565175公开了通过使用轧制钢板(rolled plate)以及更坚固的材料来制造反应器而获得减小的壁厚和因此使较低的厚度公差成为可能的方式。
[0007] 影响壁的厚度要求的因素有多种，并且不仅取决于内部反应器压力和结构材料，而且取决于由反应器的几何结构及其支撑体施加的各种应力以及冷却水回路的操作压力。因此，对于能够减小多少壁厚存在限制，不管所使用的材料的拉伸强度如何。该反应器壁必须设计成不仅能够承受反应混合物的压力(或反应混合物的压力与外部冷却流体的压力之间的差)，而且能够承受当反应器未处于压力下的流体、尤其冷却流体的流体静压力，因为反应器垂直地定向。众所周知，管式壁可以承受比外部压力显著更高的内部压力，因此，它常常是作为厚度限制因素的夹套中的最大可能压力，即使夹套中的最大压力低于反应器本身中的压力。即使在使用具有极高拉伸强度的材料时，由于由流体压头(head of fluid)引起的该流体静压力，具有塑性变形和/或弹性弯曲的风险。事实上，由极高拉伸强度材料制成的薄壁反应器与由较低强度材料制成的较厚壁反应器相比处于更高的这类破坏的风险中。
[0008] 典型地，该环管反应器本身被设计成能够承受接近大气压到在反应器底部的大约45-65barg的压力范围。该最高压力由在反应器任何部位将烃类和轻质组分如氢或乙烯的混合物保持在液相中，以便确保稳定的反应器循环泵操作所需的操作条件，以及用于处理压力失调(pressure upset)的附加余度(margin)来决定。
[0009] 该反应器冷却夹套通常设计成能够承受从完全真空到大约8-16巴的压力范围。最大压力由确保夹套在启动、失调和停机条件期间保持充满液体以及能够处理冷却系统故障的需要来决定。典型地，该反应器冷却回路具有很高的流速，这意味着例如在阀门意外关闭的情况下，该回路可能不得不承受该一个或多个冷却剂循环泵的完全断流压头(full shut-offhead)。
具体实施方式
[0039] 实施例
[0040] 以下实施例涉及具有40、50或60barg的设计压力PR并且由具有451MPa的拉伸强度(根据ASME部分IID、表2A计算，等于在200℃下150.3MPa的允许应力强度)的金属制造的28英寸(712mm)外径环管反应器。为了是在本发明的范围内，围绕这种反应器的夹套的设计压力必须小于0.0018.PR2.25，或者该反应器壁厚必须比耐受PR所需的最小厚度大低于2mm或者大低于10％。在这些实施例中计算的最小反应器壁厚允许2.25-3mm(12.5-17％)的制造公差，取决于所使用的设计压力PR和市场上可买到的管厚度。还适用1mm内部+1mm外部的腐蚀公差。
[0041] 所有计算使用美国机械工程师协会锅炉和压力容器规范VIII部分第2分部进行。细节在以下表1中总结。
[0042] 在实施例1-4中，反应器的设计压力PR为50barg，获得了12.0的0.0018.PR2.25值。耐受这种设计压力所需的最小反应器壁厚是15.98mm，允许制造公差和腐蚀。
[0043] 实施例1(对比)
[0044] 在本实施例中，夹套的设计压力PJ为13.0barg。壁厚为19.4mm，等于13.3barg的最大允许PJ。因此，反应器壁比PR所需的厚度厚3.4mm或者21.4％。在13.0barg下，PJ也大于0.0018.PR2.25。因此，该配置是在本发明的两个方面以外。这表明，设计压力和壁厚虽然是可接受的，但没有根据本发明进行优化。
[0045] 实施例2
[0046] 这可以被认为是实施例1的改进。该夹套设计压力PJ已经从13.0barg减低到8.8barg，允许反应器壁厚减小至17.6mm(等于8.9巴的最大允许PJ)。因此，该壁刚好比PR所需的厚度厚1.6mm/10％，并且PJ小于0.0018.PR2.25，意味着本实施例是在本发明的范围内。
与实施例1相比，本实施例的益处是，反应器壁仅仅为17.6mm而非19.4mm厚，导致了更好的热传递。
[0047] 实施例3
[0048] 这是实施例2的改进。夹套设计压力PJ已经从8.8barg减小至8.0barg，允许反应器壁厚进一步减小至17.2mm(等于8.1barg的最大允许PJ)。因此，该壁刚好比PR所需的厚度厚1.2mm/7.6％，并且PJ小于0.0018.PR2.25，意味着本实施例再次是在本发明的范围内，并且以比实施例2更薄的壁获得了甚至更好的热传递。
[0049] 实施例4
[0050] 本实施例是实施例1-3的最优化型式。该夹套设计压力PJ已经减小至5.8barg，允许该反应器壁厚减少到16.0mm，50barg的PR所允许的最小值。这应该与对比例1中的19.4mm的壁厚比较。
[0051] 实施例5
[0052] 本实施例用于具有60barg的设计压力PR的反应器，获得了18.0的0.0018.PR2.25值。耐受这种设计压力所需的最小反应器壁厚是18.68mm，允许制造公差和腐蚀。在该实施例中，夹套的设计压力是13.0barg。该壁厚是20.6mm，等于15.0barg的最大允许PJ。因此，该壁比PR所需的厚度厚1.9mm/10％，并且PJ小于0.0018.PR2.25，意味着本实施例符合本发明。
[0053] 实施例6
[0054] 本实施例是实施例5的优化型式。该夹套设计压力PJ已经减小至10.0barg，允许该反应器壁厚减少到18.7mm，60barg的PR所允许的最小值。
[0055] 实施例7
[0056] 本实施例用于具有40barg的设计压力PR的反应器，获得了7.2的0.0018.PR2.25值。耐受这种设计压力所需的最小反应器壁厚是13.45mm，允许制造公差和腐蚀。在该实施例中，夹套的设计压力是10.0barg。该壁厚是18.0mm，等于10.4barg的最大允许PJ。因此，该壁比PR所需的厚度厚4.5mm/33.8％，且PJ超过0.0018.PR2.25，意味着本实施例是在本发明的范围外。
[0057] 实施例8
[0058] 本实施例是根据本发明的实施例7的改进形式。该夹套设计压力PJ已经减小至5.0barg，允许该反应器壁厚减少到15.2mm。因此，该壁比PR所需的厚1.7mm/13％，且PJ小于
2.25
0.0018.PR ，意味着本实施例是在本发明的范围内。
[0059] 表1
