Модульный блок перегородок для вертикальных ступенчатых полимеризационных реакторов

Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Модульный блок перегородок 10 содержит опорную конструкцию 12, имеющую множество боковых отверстий, выполненных с возможностью выпуска пара, высвобождаемого из полимерного расплава, подающее разделительное устройство для разделения потока полимера, и два или более вертикально расположенных ряда перегородок 24, 26, 28, 30, 32, 34, включающих наиболее высоко расположенный ряд 24, наиболее низко расположенный ряд 26 и один или более промежуточно расположенных ряда 28, 30, 32, 34. Каждый ряд 24, 26, 28, 30, 32, 34 включает множество перегородок, расположенных под углом и смещенных в одном направлении. Изобретение позволяет улучшить конструкцию модульного блока перегородок для вертикальных ступенчатых полимеризационных реакторов, 3 н. и 22 з.п. ф-лы, 15 ил.

 

1. Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к устройству для получения поликонденсационных продуктов, таких как линейные сложные полиэфиры и сополиэфиры. В частности, настоящее изобретение относится к улучшенным внутренним компонентам реактора, предназначенным для использования в вертикально ориентированных полимеризационных реакторах.

2. Уровень техники

Способы получения полимерных материалов, таких как сложные полиэфиры и сополиэфиры, посредством реакций поликонденсации включают высвобождение побочных продуктов, когда функциональные группы молекул полимеров взаимодействуют друг с другом с получением молекул с длинной молекулярной цепью. Обычно извлечение этих молекул высвобождаемых побочных продуктов из реакционной смеси необходимо для проведения молекулярного нарастания полимера. Если соединения побочных продуктов не удалены, химическое равновесие будет ингибировать рост образовавшейся полимерной цепи. Во многих указанных поликонденсационных реакционных системах предпочтительным способом извлечения высвобождаемого побочного продукта является выпаривание побочного продукта из реакционной смеси.

Различные конструкции реакторов и многоступенчатые реакционные системы разработаны и работают с облегчением выпаривания побочных продуктов и связанного получения поликонденсационных материалов. Наиболее экономичной конструкцией для таких реакций поликонденсации (по меньшей мере для получения низко- и среднемолекулярных полимерных материалов) является последовательный ряд реакторов с перемешиванием. В указанных реакторных системах могут быть получены большие количества материалов, которые используют механическое перемешивание, термосифонные ребойлеры и/или простое перемешивание барботированием для улучшения теплообмена и обновления площади поверхности жидкость-пар. К сожалению, вязкость полимерных расплавов резко возрастает, когда увеличивается степень полимеризации (СП). Соответственно, благодаря практическим ограничениям конструкций мешалок высокая вязкость указанных материалов резко снижает способность обновления поверхности жидкость-пар и поэтому снижает эффективность массопереноса реактора с перемешиванием.

Помимо характеристик, представленных выше, в способе полимеризации могут быть ограничены другие рабочие параметры. Например, высокие температуры могут быть желательны для увеличения кинетики реакции и летучести побочных продуктов реакции. Более высокая летучесть побочных продуктов снижает концентрацию побочного продукта в реакционной смеси, способствуя поэтому прохождению реакции полимеризации. Однако температурная чувствительность полимерного материала к деструктивным реакциям ограничивает использование более высокой температуры в качестве средства увеличения степени полимеризации. Аналогично летучесть побочных продуктов может быть дополнительно увеличена использованием низких рабочих давлений. Однако использование чрезмерно низких рабочих давлений ограничивается стоимостью достижения низких рабочих давлений и количеством парового пространства реактора, необходимого для предотвращения уноса полимера в источник вакуума. Кроме того, глубина полимерного резервуара может затруднить эффективное использование реакционного объема в полимеризационных реакторах низкого давления. В частности, чрезмерная глубина реакционной смеси увеличивает диффузионные и конвекционные пути, которые летучие побочные продукты должны пройти перед выходом. Кроме того, когда глубина полимерного резервуара увеличивается, более глубокие части резервуара подвергаются большему гидростатическому давлению. Более высокие местные давления в жидкости сдерживают образование пузырьков побочных продуктов, что мешает высвобождению побочных продуктов, а поэтому эффективности использования реакционного объема для проходящей полимеризации.

По причинам, приведенным выше, увеличение степени полимеризации требует замены простых реакторов с перемешиванием специализированным реакционным оборудованием. Такое специализированное оборудование должно преодолевать одно или более указанных выше рабочих ограничений для достижения желаемой степени полимеризации.

В настоящее время имеются два основных подхода к улучшенному обновлению поверхности жидкость-пар, которые лучше описываются как динамический подход и статический подход.

Первый подход может быть назван динамическим подходом, потому что он включает использование движущихся механических устройств для улучшения обновления поверхности жидкость-пар. Как отмечено выше, улучшенное обновление поверхности жидкость-пар облегчает высвобождение побочных продуктов. В случае динамического подхода вокруг вращающихся вала или валов, которые проходят через стенки реактора, необходимы уплотнения. Указанные уплотнения должны поддерживаться для предотвращения утечки воздуха в реактор. Также в случае динамического подхода, так как размер сосуда и вязкость продукта увеличиваются, размер механических компонентов должен увеличиваться для того, чтобы выдерживать увеличение нагрузки. Второй подход может быть назван статическим, потому что для обновления поверхности жидкость-пар движущиеся устройства не используются. Указанный последний подход использует силу тяжести в сочетании с вертикальным падением для создания тонких полимерных пленок. Обычно такие полимерные пленки текут между тарелками в процессе вертикального падения. Тонкие полимерные пленки в сочетании со сдвиговыми и поверхностными поворотными эффектами, создаваемыми вертикально падающими пленками, приводят к реакции полимеризации при улучшении высвобождения побочных продуктов.

Более ранние патенты, которые рассматривают использование силы тяжести в комбинации с вертикальным падением, включают патенты США №№5464590 (патент '590), 5466419 (патент '419), 4196168 (патент '168), 3841836 (патент '836), 3250747 (патент '747) и 2645607 (патент '607). Ранние конструкции тарелки используют вертикально отстоящие круглые тарелки (сплошной круг в комбинации с полым кругом и сегментированным кругом), которые используют большую часть поперечного сечения сосуда. Указанные реакторы с круглыми тарелками используют большую часть доступного горизонтального поперечного сечения автоклава для поддержания жидкости. В некоторых конструкциях за круглой тарелкой следует полая круглая тарелка, образуя, таким образом, конструкцию диск-и-обойма. Таким образом, полимер течет поверх круглого торца, когда он проходит от тарелки к тарелке. Высвобождаемый газообразный побочный продукт, таким образом, проходит через круглое и кольцевое отверстия. В других конструкциях тарелки сегментируются с обеспечением прямого торца для перетекания полимера перед падением на следующую тарелку. Сегментированная конструкция тарелки также обеспечивает открытую зону между прямым торцом, поверх которого течет полимер, и стенкой сосуда, через которую может проходить газообразный побочный продукт. В обоих конструкциях, однако, испарившиеся побочные продукты с тарелок будут вынуждены течь через одинаковое пространство, когда течет полимерный расплав. При обращении к этому диаметр круглых тарелок выполняется несколько меньшим диаметра реакторного сосуда. Полученное кольцевое пространство используется для обеспечения выхода потока паров с каждой тарелки и перемещения к соплу сброса пара реакторного сосуда по пути, наружному к пути потока полимера. Недостатком простых конструкций круглых тарелок является существование очень медленного движения или застойных зон на тарелках. Полимер в указанных застойных зонах имеет тенденцию перевариваться, становиться чрезвычайно вязким, сшиваться и/или деструктировать и как результат медленно затвердевать. Итоговым результатом является потеря эффективного реакционного объема.

Следующее поколение конструкторов изменило форму тарелок с круглой на другие геометрические формы. Они исключили мертвые зоны, которые не являются полностью эффективными в качестве реакционного объема. Исключение мертвых зон также улучшает качество продукта, так как мертвые зоны являются зонами, которые дают высокие уровни продуктов деструкции в результате переваривания полимера. К сожалению указанные тарелки некруглой формы не увеличивают эффективное использование площади поперечного сечения цилиндрических сосудов под давлением.

Основой наиболее современных изобретений патента '590 и патента '419 является полая круглая тарелка, которая более эффективно использует площадь поперечного сечения цилиндрического сосуда под давлением при обеспечении путей течения полимерного расплава, что минимизирует мертвые зоны жидкости и предотвращает каналирование. Итоговым результатом является приблизительно 40% увеличение площади тарелки для удерживания жидкости по сравнению с тарелками некруглой формы. Центральное отверстие в тарелках обеспечивает вытяжку, через которое удаляются пары побочных продуктов.

Однако, как изложено выше, глубина полимеризационных реакторов может также затруднять эффективное использование реакционного объема при низких рабочих давлениях. При данном рабочем давлении (уровень вакуума) отрицательное воздействие большей глубины полимера увеличивается в пропорции к степени полимеризации. Это обусловлено снижением движущей силы химического равновесия для полимеризации, так как концентрация концевых групп полимера снижается в результате роста полимерных цепей. Однако для получения приемлемых результатов механизмы высвобождения побочных продуктов поликонденсации из полимерного расплава должны быть дополнительно улучшены. При высоких степенях полимеризации необходимо, чтобы в расплаве оставались достаточно низкие уровни побочных продуктов, позволяющие полимеризации протекать эффективно. Однако другим важным фактором является то, что вязкость увеличивается значительно, когда полимеризация протекает с высокими степенями полимеризации.

При достаточно высокой вязкости конструкции тарелок, которые, по существу, горизонтальные тарелки, не могут дать желаемую комбинацию как высокого выхода полимера, так и небольших глубин полимера. Конструкции в патенте '168 (Lewis et al.) достигают степени регулирования глубины полимера, имея наклонные тарелки для стекания полимера вниз. Наклоны последующих тарелок увеличиваются, являясь причиной ожидаемого возрастания вязкости полимера, когда он полимеризуется, в ходе этого. Изобретения, запатентованные в патенте '168, представляют собой распространение таких наклонных конструкций тарелок для полимерных систем с высокой производительностью, достаточно высокой вязкостью и/или меньшей рабочей глубиной.

Конструкция по патенту '168 (тарелки крыша-и-желоб) также обеспечивает некоторую степень регулирования глубины полимера при разделении потока полимера на два равных потока (с одним путем потока, являющимся зеркальным изображением другого пути потока), которые проходят от верха к низу реактора поверх наклонных тарелок. Новшеством конструкции патента '168 по сравнению с простыми наклонными тарелками является снижение объема реакторного сосуда, необходимого для заключения тарелок в вакуумную атмосферу. При разделении потока полимера вертикальный размер (вертикальное падение), требуемый для обеспечения желаемого наклона тарелки, а отсюда желаемой глубины полимера, снижается. Конфигурация крыша-и-желоб срезает горизонтальную длину тарелки, которую каждая половина потока полимера должна проходить перед падением на следующую тарелку. Поскольку каждая половина потока полимера проходит половину горизонтального расстояния, время пребывания каждой является приблизительно таким же, как для простой наклонной тарелки при использовании высоты меньшей общей вертикальной высоты.

Когда производительность увеличивается, принцип конструкции крыша-и-желоб может быть расширен при разделении потоков полимера на большее число равных потоков, обычно, бинарным образом - два, четыре, восемь… Таким образом, хорошее использование объема реакторного сосуда поддерживается, когда сосуд увеличивается в размере в соответствии с выходом полимера.

Однако, даже с конструкцией тарелки крыша-и-желоб Льюиса использование объема реакторного сосуда снижается, т.к. желаемая степень полимеризации продвигается выше, и/или рабочее окно массоперенос - время удерживания сужается для достижения лучшего качества. Поскольку целевая степень полимеризации становится выше, вязкость полимера увеличивается. Таким образом, для сохранения одинаковых требований к глубине полимера, требуются более крутые наклоны тарелки. Аналогично, если массоперенос должен быть увеличен при задании небольших глубин полимера, тогда требуются более крутые тарелки. В определенный момент наклоны становятся значительно вертикальными (более 60° наклон от горизонтали), и заметно малые глубины для данного сочетания выхода и вязкости не могут быть достигнуты при дальнейшем изменении наклона. В данной области высокой производительности, целевых небольших глубин и высокой вязкости модульные блоки перегородок настоящего изобретения, описанные здесь, увеличивают число полимерных слоев в данной площади поперечного сечения реакторного сосуда с обеспечением в результате высокой производительности и лучшего массопереноса.

Следовательно имеется потребность в улучшенных конструкциях тарелок для полимеризационных реакторов, которые делают более эффективным использование пространства в вертикальных полимеризационных реакторах, использующих течение под действием силы тяжести, для комбинаций высокой вязкости, высокой производительности и небольших глубин полимера.

Краткое описание изобретения

Настоящее изобретение решает одну или более проблем прототипа обеспечением в одном варианте модульного блока перегородок неподвижных внутренних компонентов для вертикального полимеризационного реактора, использующего течение под действием силы тяжести, для комбинаций высокой вязкости, высокой производительности и тонких пленок полимерного расплава. Настоящее изобретение является улучшением более ранних конструкций, которые также используют принцип силы тяжести и вертикального падения для достижения желаемой степени полимеризации. Такие более ранние конструкции рассмотрены в патентах США №№5464590 (патент '590), 5466419 (патент '419), 4196168 (патент '168), 3841836 (патент '836), 3250747 (патент '747) и 2645607 (патент '607). Полные описания указанных патентов поэтому приводятся в качестве ссылки. Настоящее изобретение предусматривает увеличенные площади поверхности, поверх которых жидкость контактирует с атмосферой реактора, хотя еще имеет место достижение достаточного времени удерживания жидкости, с помощью нового размещения компонентов, содержащих модульный блок перегородок. Модульный блок перегородок настоящего изобретения включает стационарное подающее разделительное устройство и стационарные множества перегородок, или тарелок, смонтированных на опорной конструкции. Подающим разделительным устройством является любое устройство, которое подразделяет текущий полимерный поток на два или более независимо текущих потоков с итоговым увеличением свободных поверхностей. При разделении полимерного расплава он может быть более однородно подведен к множеству перегородок, расположенных ниже. Обычно перегородки (тарелки) во множестве расположены рядами с перегородками в ряду на постоянном возвышении (т.е. высоте).

Множество перегородок обеспечивает сплошные поверхности, по которым полимер течет из подающего разделительного устройства. Перегородки (тарелки) обычно ориентированы по меньшей мере на 10 градусов от горизонтальной плоскости. Ряд перегородок может быть образован монтированием на равной высоте множества горизонтально расположенных параллельных пластин. Для такого множества линейный или стандартный промежуток между смежными перегородками является, предпочтительно, постоянным.

Два или более рядов перегородок (тарелок) вертикально расположены в модульном блоке перегородок. Вертикально расположенные ряды перегородок в модульном блоке перегородок обычно имеют наиболее высоко расположенный ряд, наиболее низко расположенный ряд и необязательно один или более промежуточно расположенных рядов. В свою очередь каждый ряд включает одну или более перегородок, которые расположены так, что, когда полимерный расплав контактирует с перегородкой, полимерный расплав движется по направлению вниз под действием силы тяжести. Кроме того, перегородки в каждом ряду расположены параллельно. Расположение рядов перегородок в модульном блоке перегородок является таким, что каждый ряд (кроме самого нижнего ряда) перемещает полимерный расплав к нижнему вертикально расположенному последующему ряду перегородок. В соответствии с вертикальным расположением компонентов в модульном блоке перегородок и при наборе в пакет дополнительных модульных блоков перегородок, если требуется, в реакторе полимерный расплав стекает вниз каскадом по вертикальной длине внутренней части реакционного сосуда.

Реакционный сосуд предусматривает устройство регулирования как давления, так и температуры в пространстве, окружающем модульные блоки перегородок. Модульные блоки перегородок монтируются в сосуде с обеспечением удерживания расплава полимера, увеличивая поэтому время пребывания жидкости в реакторе и ее выдержку в реакционных условиях. Время пребывания жидкости требуется для обеспечения достаточного времени для поддержания кинетики полимеризации с повышенными скоростями высвобождения побочного продукта, достигнутыми при увеличении площади поверхности жидкость-пар и улучшении ее обновления. Данная конструкция не только обеспечивает большую свободную площадь поверхности для полимерного расплава, она также предусматривает больше параллельных путей потока, так что глубина полимера на перегородках снижается.

Присутствие подающего разделительного устройства наверху модульного блока перегородок облегчает изменение числа или ориентации перегородок (тарелок) от одного модуля к следующему нижнему модулю.

Блок содержит множество отверстий, выполненных с возможностью выпуска пара, высвобождаемого из полимерного расплава, являющееся смежным с интервалами между двумя соседними перегородками из множества перегородок.

Краткое описание чертежей

На фиг.1а представлено поперечное сечение одного варианта модульного блока перегородок настоящего изобретения, показывающее подающие разделительные устройства и последовательное множество параллельных перегородок на опорной конструкции;

на фиг.1b представлен вид сверху камеры разделительного устройства наверху модульного блока перегородок настоящего изобретения;

на фиг.2а представлен вид в перспективе модульного блока перегородок настоящего изобретения;

на фиг.2b представлен вид в перспективе модульного блока перегородок настоящего изобретения с одной стенкой опорной конструкции, удаленной для раскрытия внутреннего расположения перегородки;

на фиг.3а представлен вид сбоку сечения перегородки с полимерным расплавом, текущим по ней;

на фиг.3b схематически показано течение полимерного расплава через разделительное устройство и на последующие перегородки в блоке изобретения;

на фиг.4 представлена диаграмма, показывающая пространственное соотношение между перегородками, используемыми в модульном блоке перегородок данного изобретения;

на фиг.5а представлен рисунок, показывающий механизм, по которому поток полимерного расплава может проскочить перегородку;

на фигуре 5b представлен рисунок, показывающий использование удлинителей перегородки для предотвращения проскакивания полимерным потоком перегородки (как показано на фиг.5а);

на фиг.5 с представлен рисунок, показывающий несплошной поток полимерного расплава на перегородке;

на фиг.5d представлен рисунок, показывающий использование удлинителей перегородки для предотвращения несплошного полимерного потока (показанного на фиг.5с);

на фиг.5е представлен рисунок, показывающий снижение ширины полимерного слоя, когда он падает между перегородками;

на фиг.5f представлен рисунок, показывающий использование удлинителей перегородки для минимизации снижения ширины полимерного слоя (как показано на фиг.5е);

на фиг.6а представлен вид сбоку полимеризационного реактора, состоящего из корпуса, который заключает в себе модульный блок перегородок настоящего изобретения; и

на фиг.6b представлен вид сверху полимеризационного реактора, содержащего модульный блок перегородок настоящего изобретения, показывающий сопло впуска полимера и сопло выпуска полимера, а также сопло для удаления газа.

Подробное описание предпочтительного варианта (вариантов) осуществления изобретения

Теперь подробно описываются предпочтительные в настоящее время композиции или варианты и способы настоящего изобретения, которые представляет собой наилучшие варианты осуществления изобретения, известные в настоящее время авторам изобретения.

В варианте настоящего изобретения предусматривается блок, предназначенный для помещения в реактор для полимеризации полимерного расплава. При обращении к фиг.1а, 1b, 2а и 2b видно, что модульный блок перегородок 10 состоит из стационарного разделительного устройства и стационарных перегородок, смонтированных на опорной конструкции 12. Разделительное устройство и перегородки называются стационарными, потому что они не имеют движущихся частей или они не движутся во время работы.

Модульный блок перегородок 10 включает ряд перегородок 24, который представляет собой наиболее высоко вертикально расположенный ряд, и другой ряд перегородок 26, который представляет собой наиболее низко вертикально расположенный ряд. Модульный блок перегородок 10 также необязательно включает один или более промежуточно расположенных рядов перегородок 28, 30, 32, 34. Каждый ряд из вертикально расположенных рядов перегородок 24-34 включает множество перегородок 36, 38, 40, 42, 44, 46. Обычно каждый ряд имеет от примерно 8 до примерно 60 перегородок. Кроме того, каждая перегородка из множества перегородок 36-46 расположена под углом и смещена в одном направлении, так что когда полимерный расплав контактирует с перегородкой из множества перегородок 36-46, полимерный расплав движется по направлению вниз под действием силы тяжести. В данном контексте «смещенная в одном направлении» означает, что каждая перегородка из множества перегородок для данного ряда направляет поток полимерного расплава в одном направлении, т.е. при наблюдении перегородок с торцов течение для каждой перегородки в ряду происходит либо слева направо, либо справа налево. Альтернативно, перегородки в каждом ряду либо являются по существу параллельными, либо еще никакие две тарелки в ряду не имеют относительный угол между ними, который составляет более 90 градусов. Кроме того, каждый ряд из вертикально расположенных рядов 24-34, кроме наиболее низко расположенного ряда, перемещает полимерный расплав на нижний вертикально соседний ряд. Кроме того, имеется согласованный просвет между перегородками в ряду. «Согласованный просвет», как использовано в данном контексте, означает, что перегородки разделены достаточным расстоянием для предотвращения перекрытия полимерным расплавом 46 зазора между соседними перегородками в ряду.

Подающим разделительным устройством может быть любое устройство, которое может использоваться для равномерного последовательного разделения потока полимера на перегородки. Разделительное устройство может быть образовано из пластины при образовании подходяще расположенных отверстий. Кроме того, ряды стержней, брусков, труб, полутруб и уголков могут быть легко установлены с образованием подающего разделительного устройства.

Модульный блок перегородок 10 включает камеру разделительного устройства, которое разделяет поток с использованием перфорированной плиты. После прохождения через ряды окон, разделяющих поток, 14, 16, 18 и 20 полимерный расплав ударяется о дополнительные разделители потока 48, 50, 52, 54. Эти дополнительные разделители потока 48, 50, 52 и 54 требуются, когда число рядов разделяющих окон 14, 16, 18 и 20 равняется половине числа перегородок в ряду. Разделители потока 48, 50, 52 и 54, как показано, выполнены из полукруглой пластины (полутрубы). Должно быть отмечено, однако, что могут использоваться другие формы, такие как изогнутая пластина (т.е. «уголок»). Опорная конструкция 12 обычно включает первую пару противоположных стенок 60, 62 и вторую пару противоположных стенок 64, 66. Ряды перегородок 24-34 расположены между первой парой противоположных стенок 60, 62, и каждая перегородка из рядов перегородок 24-34 расположена между второй парой противоположных стенок 64, 66. Кроме того, вторая пара противоположных стенок 64, 66 имеет множество отверстий 22, предназначенных для обеспечения выхода пара, высвобождаемого из полимерного расплава.

Что касается фиг.3, на ней схематически показан поток полимерного расплава в модульном блоке перегородок настоящего изобретения. Полимерный расплав 70 вводится в верхней части модульного блока перегородок 10 с поступлением через окно 72. Полимер течет вниз на плиту 74. Полимерный расплав 70 затем течет через ряд разделяющих окон 14, 16, 18 и 20, которые расположены в плите 74. Прохождение через ряды разделяющих окон 14, 16, 18 и 20 делит поток полимерного расплава 70. Полимерный расплав 70 затем ударяется о разделители потока 48, 50, 52, 54, которые дополнительно подразделяют поток на потоки 76, 78, 80, 82, 84, 86, 88, 90, которые текут на каждую из перегородок 36 самого верхнего ряда 24. Полимерный расплав 70 затем стекает вниз с перегородок 36 и затем на перегородки 38 с каждым из потоков 76-90, текущим на ближайшую перегородку из перегородок 38. Указанный процесс повторяется для каждого ряда перегородок до достижения самого нижнего ряда перегородок 46. Перегородки 36-46 в каждом из рядов 24-34 расположены под углом α, как измерено от горизонтальной плоскости при рассмотрении сбоку. Обычно угол α составляет от примерно 10 градусов до примерно 80 градусов, как измерено от горизонтальной плоскости. Кроме того, при рассмотрении сбоку данный ряд перегородок направляет поток полимерного расплава 70 вниз либо слева направо, либо справа налево. Кроме того, в каждом ряду направление прохождения слева направо или справа налево будет чередоваться между соседними рядами. Другим достойным аспектом конструкции перегородки (тарелки) является то, что она сохраняет аспекты поворота полимера конструкции тарелки «крыша-и-желоб». Когда полимер течет от перегородки к перегородке, две стороны потока полимера в ламинарном течении попеременно оказываются наружными к поверхности раздела пар-жидкость. Полимер, который находится наверху полимерного потока на одной перегородке, находится внизу резервуара против пола следующей перегородки, и наоборот полимер, который находится внизу потока, находится наверху текущего потока и подвергается воздействию пара на следующей перегородке. Однако каждая перегородка из данного ряда 24-34 направляет поток в том же направлении. Поэтому обычно каждая перегородка из данного ряда из рядов 24-34 является по существу параллельной. Непараллельные перегородки также входят в объем настоящего изобретения, поскольку направление всех перегородок в одном ряду является одинаковым.

Соотношение толщины текущих потоков 76-90 с размерами перегородки (или тарелки) и физическими свойствами жидкости приблизительно выражается уравнением I:

где F представляет собой общий поток массы через реактор, g представляет собой ускорение благодаря действию силы тяжести, d представляет собой толщину полимерного расплава, как показано на фиг.3а, µ представляет собой динамическую вязкость полимерного расплава, ρ представляет собой плотность полимерного расплава, W представляет собой ширину перегородок, N представляет собой число перегородок в ряду, и α представляет собой угол, определяющий наклон перегородок к горизонтальной плоскости. Обычно угол α составляет от примерно 10 градусов до примерно 80 градусов по отношению к горизонтальной плоскости.

Что касается фиг.4, на ней представлена диаграмма, показывающая расположение перегородок. Для данного угла α d₁ представляет собой перпендикулярное расстояние между каждой перегородкой в одном ряду, d₂ представляет собой расстояние горизонтального смещения между вертикально соседними рядами перегородок, d₃ представляет собой вертикальное смещение, или зазор, между соседними рядами перегородок, d₄ представляет собой горизонтальный интервал каждой перегородки, и d₅ представляет собой вертикальное падение для каждой перегородки. Расстояние d₁ составляет обычно от примерно 2,54 см (1 дюйма) до примерно 25,4 см (10 дюймов). В других вариантах d₁ составляет от примерно 5,08 см (2 дюймов) до примерно 20,32 см (8 дюймов). Еще в других вариантах d₁ составляет от примерно 10,16 см (4 дюйм) до примерно 12,7 см (5 дюйм). Обычно расстояние между каждой перегородкой из множества перегородок является таким, что, когда полимерный расплав течет через модульный блок перегородок в процессе работы в установившемся режиме, полимерный расплав имеет толщину, составляющую, по меньшей мере, 10% расстояния между соседними перегородками в ряду. Обычно d₂ составляет от примерно 2,54 см (1 дюйма) до примерно 12,7 см (5 дюйм), d₃ составляет от примерно 0 дюйма до примерно 15,23 см (6 дюймов), d₄ составляет от примерно 10,16 см (4 дюймов) до примерно 121,92 см (48 дюймов), и d₅ составляет от примерно 10,16 см (4 дюймов) до примерно 121,92 см (48 дюймов). В других вариантах d₂ составляет от примерно 5,08 см (2 дюймов) до примерно 10,16 см (4 дюймов), d₃ составляет от примерно 2,54 см (1 дюйма) до примерно 7,62 см (3 дюймов), d₄ составляет от примерно 15,23 см (6 дюймов) до примерно 30,48 см (12 дюймов), и d₅ составляет от примерно 20,32 см (8 дюймов) до примерно 60,96 см (24 дюймов). В других вариантах в процессе работы в установившемся режиме, полимерный расплав имеет толщину, составляющую, по меньшей мере, 20% расстояния между соседними перегородками в ряду. В других вариантах в процессе работы в установившемся режиме полимерный расплав имеет толщину, составляющую, по меньшей мере, 40% расстояния между соседними перегородками в ряду.

В варианте настоящего изобретения один или более удлинителей перегородки присоединяются к нижнему краю каждой перегородки, которая перемещает полимерный расплав на следующую вертикально расположенную перегородку. Что касается фиг.5a-5f, на них схематически показано действие удлинителей перегородок на поток полимерного расплава. На фиг.5а перегородка 100 предназначена для перемещения полимерного расплава 102 на перегородку 104. Однако в некоторых случаях без каких-либо удлинителей перегородки на краю перегородки 100 имеется возможность того, что полимерный расплав 102 может проскочить перегородку 104. Это обусловлено тем, что, когда полимер стекает вниз с перегородки, жидкость на наружной верхней поверхности движется быстрей, чем полимер, текущий по полу, образованному перегородкой. Соответственно, когда полимерный поток достигает днища перегородки, он стремится изогнуться обратно к полу перегородки, с которой полимер стекает. Обычно это не дает в результате чрезмерного количества горизонтального движения. Однако поскольку перегородка ниже наклонена в том же направлении под крутым углом, полимер может сталкиваться с этой нижней перегородкой на некотором расстоянии ниже по длине перегородки или полностью проскочить перегородку. На фиг.5b перегородка 100 имеет один или более удлинителей 106 перегородки, которые способствуют направлению потока на перегородку 104, как показано. Таким образом, удлинители перегородки, состоящие из стержней или пальцев, идущих от нижнего края перегородок (тарелок), представляет собой улучшение данного изобретения. Размещение стержней, или штифтов, зависит от ожидаемой вязкости и скорости потока полимера. Штифты идут вниз вертикально от перегородки, к которой они присоединены, но останавливаются примерно на ожидаемой высоте глубины полимера на следующей нижней перегородке. Указанными штифтами полимерный слой с перегородки направляется на следующую перегородку с использованием большей площади поверхности следующей перегородки.

Что касается фиг.5с, на ней показан другой неоптимальный поток полимерного расплава, который может иметь место без удлинения перегородки. В данном случае наблюдается, что полимерный расплав 102 течет прерывистым образом («снежный ком») в прохождении ниже перегородки 100 и затем от перегородки 100 к перегородке 104. В месте, где падающий материал 102 контактирует с перегородкой 104, имеется некоторое складывание материала поверх себя. Степень указанного складывания в сочетании с наклоном перегородки 104 может дать показанный несплошной поток. На фиг.5d показано, как удлинители перегородки 106 исправляют данную ситуацию снижением степени, в которой имеет место складывание.

Что касается фиг.5е, на ней представлен вид с торца полимерного расплава 102, текущего с перегородки 100. В отсутствие удлинителей перегородки ширина падающей пленки снижается, так как полимерный расплав 102 растягивается к середине перегородки 100. Как показано на фиг.5f, удлинители перегородки 106 имеют тенденцию ослаблять указанный эффект. Обычно один или более удлинителей перегородки содержат множество стержнеобразных выступов, идущих от нижнего края каждой перегородки.

В другом варианте настоящего изобретения предусмотрен полимеризационный реактор, который использует один или более модульных блоков перегородок, представленных выше. Что касается фиг.1 и 6, полимеризационный реактор 120 включает модульный блок перегородок 10 и вертикально расположенный корпус 122. Впуск полимерного расплава 124 присоединен вблизи верхней части 126 наружного кожуха 122, а выпуск полимерного расплава 128 присоединен вблизи днища 130 наружного кожуха 122. Кроме того, полимеризационный реактор 120 также включает выпуск пара 132, присоединенный к наружному кожуху 122. В конечном счете полимеризационный реактор 120 включает модульный блок перегородок 10, который получает полимерный расплав от впуска полимерного расплава и перемещает полимерный расплав к выпуску полимерного расплава 128, как представлено выше. В другой разновидности данного варианта в полимеризационном реакторе 120 могут присутствовать дополнительные блоки перегородок. Указанные дополнительные блоки перегородок могут быть размещены бок о бок с модулем блока перегородки 10 и/или в пакет ниже модульного блока перегородок 10. Полимеризационный реактор 120 также включает нагреватель (не показано) для поддержания полимерного расплава в жидком состоянии и вакуумный насос (не показано) для снижения давления в полимеризационном реакторе. Вакуумный насос обычно действует через выпуск пара 132. В частности, модульный блок перегородок 10 включает два или более вертикально расположенных ряда перегородок 24-34. Вертикально расположенные ряды имеют наиболее высоко расположенный ряд 24, наиболее низко расположенный ряд 26 и, необязательно, один или более промежуточно расположенных рядов 28-34. Кроме того, каждый ряд из вертикально расположенных рядов 24-34 включает множество перегородок, которые расположены под углом так, что, когда полимерный расплав контактирует с перегородкой из множества перегородок, полимерный расплав движется в направлении вниз под действием силы тяжести. В конечном счете, каждый из рядов, кроме наиболее низко расположенного ряда 26, предназначен для перемещения полимерного расплава на нижний вертикально соседний ряд.

В еще другом варианте настоящего изобретения предусмотрен способ увеличения степени полимеризации в полимерном расплаве с использованием модульного блока перегородок, представленного выше. Способ настоящего изобретения содержит введение полимерного расплава в модульный блок перегородок при достаточной температуре и давлении. Детали блока представлены выше. Способ данного варианта содержит разделение потока полимерного расплава перед контактированием наиболее высоко расположенного ряда перегородок с полимерным расплавом. Затем необязательные промежуточные ряды перегородок контактируют с полимерным расплавом. Наконец, наиболее низко расположенный ряд перегородок контактирует с полимерным расплавом. После прохождения через наиболее низко расположенный ряд перегородок полимерный расплав вытекает из модульного блока перегородок. Полимерный расплав, вышедший из модульного блока перегородок, преимущественно имеет более высокую степень полимеризации, чем когда полимерный расплав был введен в блок. В одной разновидности данного варианта температура реакции составляет от примерно 250°C до примерно 320°C, а давление реакции составляет от примерно 0,2 торр до примерно 30 торр.

Для того чтобы достигнуть эффективного использования пространства, горизонтальный интервал в ряду перегородок может быть приспособлен к вязкости расплава жидкости (т.е. полимерного расплава). Таким образом, когда вязкость увеличивается от верхней части к нижней части реактора, может увеличиться минимальный горизонтальный интервал между соседними перегородками в ряду. В результате число перегородок в ряду может быть меньше для последующих нижних модульных блоков перегородок. Конструкция разделительного устройства, используемая в каждом модуле, должна поэтому учитывать любые изменения в числе перегородок в ряду. Также конструкция с разделительным устройством в каждом модуле облегчает изменение ориентации перегородок, например, имея перегородки в последующих модулях, повернутые на 90 градусов относительно центральной линии реактора.

Должно быть также отмечено, что ряд модульных блоков перегородок может быть установлен в пакет с обеспечением длинного пути потока полимерного расплава. Хотя настоящее изобретение показывает использование одного модуля блока, может использоваться произвольное число модульных блоков. Фактическое число необходимых модульных блоков зависит от ряда факторов.

Хотя варианты данного изобретения показаны и описаны, не подразумевается, что указанные варианты показывают и описывают все возможные формы изобретения. Точнее выражения, используемые в описании, являются выражениями в большей степени описания, чем ограничения, и понятно, что различные изменения могут быть сделаны без отступления от сути и объема данного изобретения.

1. Модульный блок для вертикального полимеризационного реактора, использующего течение под действием силы тяжести, для полимеризации полимерного расплава, имеющего высокую вязкость, содержащий:
опорную конструкцию, имеющую множество боковых отверстий, выполненных с возможностью выпуска пара, высвобождаемого из полимерного расплава; и
подающее разделительное устройство для разделения потока полимера; и
два или более вертикально расположенных ряда перегородок, расположенных на опорной конструкции, причем два или более вертикально расположенных ряда имеют наиболее высоко расположенный ряд, наиболее низко расположенный ряд и, необязательно, один или более промежуточно расположенных ряда,
при этом каждый ряд из двух или более вертикально расположенных рядов включает множество перегородок, причем множество перегородок расположены под углом и смещены в одном направлении, так, что когда полимерный расплав контактирует с перегородкой из множества перегородок, полимерный расплав движется по направлению вниз под действием силы тяжести, и при этом каждый ряд из двух или более вертикально расположенных рядов, кроме наиболее низко расположенного ряда, выполнен с возможностью для перемещения полимерного расплава на нижний вертикально соседний ряд.

2. Блок по п.1, в котором каждый ряд из двух или более вертикально расположенных рядов содержит множество, по существу, параллельных перегородок.

3. Блок по п.1, в котором расстояние между каждой перегородкой из множества перегородок в одном ряду является таким, что когда полимерный расплав течет через блок в процессе работы в установившемся режиме, полимерный расплав имеет толщину, составляющую, по меньшей мере, 10% расстояния между горизонтально соседними перегородками.

4. Блок по п.1, в котором каждая перегородка из множества перегородок расположена под углом от примерно 10° до примерно 80° по отношению к горизонтальной плоскости.

5. Блок по п.1, в котором каждый ряд из двух или более вертикально расположенных рядов содержит от примерно 8 до примерно 60 перегородок.

6. Блок по п.1, в котором вертикально расположенные ряды содержат множество перегородок, разделенных минимальным расстоянием от примерно 2,54 см (1 дюйма) до примерно 25,4 см (10 дюймов).

7. Блок по п.1, в котором вертикально расположенные ряды содержат множество перегородок, разделенных минимальным расстоянием от примерно 5,08 см (2 дюйма) до примерно 20,32 см (8 дюймов).

8. Блок по п.1, в котором каждый ряд из двух или более вертикально расположенных рядов, кроме наиболее низко расположенного ряда, выполнен с возможностью перемещения полимерного расплава на нижний вертикально соседний ряд, так что каждая перегородка перемещает полимерный расплав на ближайшую нижнюю вертикально расположенную перегородку.

9. Блок по п.8, в котором каждая перегородка, которая перемещает полимерный расплав на ближайшую нижнюю вертикально расположенную перегородку, дополнительно содержит один или более удлинителей перегородки.

10. Блок по п.9, в котором один или более удлинителей перегородки содержит множество стержнеобразных выступов, проходящих от нижнего края каждой перегородки, причем выступы выполнены с возможностью перемещения полимерного расплава на ближайшую нижнюю вертикально расположенную перегородку.

11. Блок по п.1, в котором опорная конструкция содержит первую пару противоположных стенок и вторую пару противоположных стенок с двумя или более вертикально расположенными рядами перегородок, расположенных между первой парой противоположных стенок, и каждая перегородка из множества перегородок расположена между второй парой противоположных стенок.

12. Блок по п.11, в котором вторая пара противоположных стенок включает множество отверстий, выполненных с возможностью выпуска пара, высвобождаемого из полимерного расплава.

13. Блок по п.12, в котором множество отверстий, выполненных с возможностью выпуска пара, высвобождаемого из полимерного расплава, является смежным с интервалами между двумя соседними перегородками из множества перегородок.

14. Блок по п.1, дополнительно содержащий один или более разделителей потока полимерного расплава, выполненных с возможностью разделения полимерного расплава, текущего из подающего разделительного устройства или из одного или более впусков полимера.

15. Полимеризационный реактор, содержащий блок по п.1, помещенный в вертикально расположенный корпус.

16. Способ увеличения степени полимеризации в полимерном расплаве, включающий:
a) введение полимерного расплава в блок при температуре и давлении, достаточных для увеличения степени полимеризации полимерного расплава, причем блок содержит:
подающее разделительное устройство и два или более вертикально расположенных ряда перегородок, причем два или более вертикально расположенных ряда имеют наиболее высоко расположенный ряд перегородок, наиболее низко расположенный ряд перегородок и один или более необязательных промежуточно расположенных рядов перегородок, причем каждый ряд из двух или более вертикально расположенных рядов включает множество перегородок, множество параллельных перегородок расположены под углом и смещены в одном направлении, так, что когда полимерный расплав контактирует с перегородкой из множества перегородок, полимерный расплав движется по направлению вниз под действием силы тяжести, и при этом каждый ряд из двух или более вертикально расположенных рядов, кроме наиболее низко расположенного ряда, выполнен с возможностью перемещения полимерного расплава на нижний вертикально соседний ряд;
b) контактирование наиболее высоко расположенного ряда перегородок с полимерным расплавом;
c) контактирование необязательных промежуточных рядов перегородок с полимерным расплавом;
d) контактирование наиболее низко расположенного ряда перегородок с полимерным расплавом;
e) удаление полимерного расплава из блока, где полимерный расплав, удаляемый из блока, имеет более высокую степень полимеризации, чем когда полимерный расплав вводился в блок.

17. Способ по п.16, в котором температура составляет от примерно 250°C до примерно 320°C.

18. Способ по п.16, в котором давление составляет от примерно 0,2 торр до примерно 30 торр.

19. Способ по п.16, в котором каждый ряд из двух или более вертикально расположенных рядов содержит множество, по существу, параллельных перегородок.

20. Способ по п.16, в котором расстояние между каждой перегородкой из множества перегородок является таким, что когда полимерный расплав течет через блок в процессе работы в установившемся режиме, полимерный расплав имеет толщину, составляющую, по меньшей мере, 10% расстояния между горизонтально соседними перегородками.

21. Способ по п.16, в котором каждый ряд из двух или более вертикально расположенных рядов, кроме наиболее низко расположенного ряда, выполнен с возможностью перемещения полимерного расплава на нижний вертикально соседний ряд, так, что каждая перегородка перемещает полимерный расплав на ближайшую нижнюю вертикально расположенную перегородку.

22. Способ по п.21, в котором каждая перегородка, которая перемещает полимерный расплав на ближайшую нижнюю вертикально расположенную перегородку, дополнительно содержит один или более удлинителей перегородки.

23. Способ по п.22, в котором один или более удлинителей перегородки содержит множество стержнеобразных выступов, проходящих от нижнего края каждой перегородки, причем выступы предназначены для перемещения полимерного расплава на ближайшую нижнюю вертикально расположенную перегородку.

24. Способ по п.16, в котором используют блок, имеющий опорную конструкцию, содержащую корпус, который включает первую пару противоположных стенок и вторую пару противоположных стенок с двумя или более вертикально расположенными рядами перегородок, расположенных между первой парой противоположных стенок, и каждая перегородка из множества перегородок расположена между второй парой противоположных стенок, и при этом вторая пара противоположных стенок включает множество отверстий, выполненных с возможностью выпуска пара, высвобождаемого из полимерного расплава.

25. Способ по п.24, в котором множество отверстий, выполненных с возможностью выпуска пара, высвобождаемого из полимерного расплава, являются смежными с интервалами между двумя соседними перегородками из множества перегородок.