聚乙烯制造系统和方法

本发明总体上涉及一种用于聚合乙烯的聚乙烯制造系统，并且具 体地涉及一种用于这种系统的骤冷系统和方法，其降低操作期间第一 压缩机上的负载。

高压聚乙烯反应器广泛地用于乙烯的聚合，并且包括在1220至 2000巴（122至200MPa）之间操作的高压釜反应器和在2500至3100 巴（250至310MPa）之间操作的管式反应器。在这两种类型的反应器 中，来自乙烯供应源的新鲜乙烯由第一压缩机和第二压缩机的组合压 缩至反应器压力，第一压缩机将乙烯加压至300巴（30MPa）量级的 中间压力，第二压缩机将新鲜乙烯连同回收乙烯从300巴（30MPa） 的中间压力加压直至最终反应器压力。这两种类型的反应器都形成主 要包括聚合物和未反应单体的产品混合物。混合物通过高压下泄阀离 开反应器，然后进入分离系统，在分离系统中未反应单体与聚合物分 离并且被回收返回至第二压缩机的吸入口。因此，由第二压缩机供应 至反应器的单体是由第一压缩机供应的进料或“配制”单体与来自分离 系统的被回收单体的组合。

乙烯的聚合是发热的放热过程。因而，需要在产品混合物已经离 开反应器后对其进一步冷却。在现有技术中，尤其是在管式反应器的 情况下，这种冷却已经通过在产品混合物进入分离系统之前将冷乙烯 注入产品混合物中作为“骤冷”而完成。冷乙烯的注入在产品混合物进 入分离系统时将产品混合物冷却，从而促进将产品流相分离为富含聚 合物的液相，以及富含单体的废气。特别地，富含乙烯流对产品流的 伴随稀释通过降低产品流中的浓度促进了分离系统中乙烯‑醋酸乙烯 共聚物（EVA）的相分离。

在冷乙烯能注入来自反应器的产品混合物流之前，冷乙烯必须首 先被压缩至允许这种注入的压力。过去，所需的压缩冷乙烯流已经从 第一压缩机供应至第二压缩机的配制乙烯流转向出来。然而，这种流 动方案需要第一压缩机提供必要的压缩以将冷乙烯注入来自反应器的 产品混合物流。

在常规系统中，在现有技术的聚乙烯制造系统中，为了第一压缩 机能有效地将配制乙烯供应至第二压缩机，第一压缩机的排出压力必 须设置在至少等于第二压缩机的吸入压力的水平。仅这个要求而言就 对第一压缩机提出了显著的要求。当这种系统包括其中来自第一压缩 机的配制乙烯相对于第二压缩机转向以骤冷产品混合物的骤冷系统 时，第一压缩机的排出压力必须设置在显著地高于第二压缩机的吸入 压力的水平。这种流动方案显著地增大了第一压缩机的能耗。于是， 需要一种用于乙烯聚合系统的骤冷系统以及方法，其有效地冷却进入 该聚合系统的分离系统的产品混合物而不增大第一压缩机上的负载。 理论上，这种骤冷技术将消除第一压缩机的排出压力等于第二压缩机 的吸入压力的需要，从而进一步降低负载并且因此降低第一压缩机的 动力需求、以及这种高负载最终导致的磨损和维护需求。

为此，本发明是一种具有骤冷系统的用于乙烯聚合的系统以及方 法，其在该系统的第一压缩机上的负载降低的情况下冷却进入分离系 统的产品混合物。该系统包括提供处于相对较低压力下的单体的第一 压缩机以及定位于第一压缩机下游并且与之流体相通的第二压缩机。 第二压缩机将单体压缩至相对较高压力。反应器定位于第二压缩机下 游并且与之流体相通。反应器使处在相对较高压力下的单体聚合以产 生产品混合物。分离系统定位于反应器下游并且与之流体相通。骤冷 系统包括定位于反应器下游并且与之流体相通的泵（例如喷射泵）以 冷却进入分离系统的产品混合物。泵具有吸入口，其接收来自第一压 缩机的处于相对较低压力下的至少一部分单体以使得来自第一压缩机 的处于相对较低压力下的单体的压力小于第二压缩机的吸入压力。

在骤冷系统中使用喷射泵通过借助于由第二压缩机排出的产品混 合物所提供的能量增大由第一压缩机排出的配制单体的压力，有利地 降低了第一压缩机上的负载。因此与增大第一压缩机上的负载的常规 技术相比，没有外部能量成本。

本发明的方法通常包括以下步骤：在如前所述的用于乙烯聚合的 系统中在来自下泄阀的产品混合物流和分离系统之间提供喷射泵，以 及将来自第一压缩机的处于相对较低压力下的基本上所有单体导向至 喷射泵的吸入口。该方法优选地还包括操作第一压缩机以使得第一压 缩机的排出压力小于第二压缩机的吸入压力以节能的步骤。最后，该 方法还可包括监控第二压缩机的吸入压力以及基于吸入压力调制来自 第一压缩机的处于相对较低压力下的单体的步骤。这种调制可通过控 制第一压缩机的溢回阀、调制第一压缩机的速度或调制第一压缩机的 排出压力来实施。

图1是根据本发明的包括管式反应器的系统的示意图。

图2是用于本发明的骤冷系统中的喷射泵的示意图。

图3是图1的一部分的放大图，示出了第一压缩机和第二压缩机 及其相关控制系统。

图1示意性地示出聚合系统1，其具有本发明的骤冷系统。系统1 包括在70巴（7MPa）的压力下将单体供应至第一压缩机5的单体进 料源3，第一压缩机5又将单体加压至相对低压。优选地，“相对低压” 能通常意味着大约150‑200巴（15‑20MPa），或者大约200‑300巴 （20‑30MPa），或大约300‑350巴（30‑35MPa）的压力。在正常操作条 件下，从第一压缩机5的出口排出的所有或基本上所有单体经由管道 8导向至喷射泵7。系统1还包括定位于第一压缩机5下游并与第一压 缩机流体相通的第二压缩机10。第二压缩机10提供相对高压的单体。 优选地，“相对高压”能通常意味着大于或等于大约1500巴（150MPa）， 或者大于或等于2000巴（200MPa），或大于或等于2500巴（250MPa） 的压力。

除非从文中清楚地看出其它含义，这里使用的术语“下游”和“上 游”参照单体和聚合物穿过系统的流动方向来使用，开始于单体源并穿 过并到达成品聚合物存储设施。

这里使用的术语“单体”指的是乙烯以及乙烯与一种或更多种共聚 单体的任何混合物。适合于在高压下与乙烯共聚的共聚单体包括乙烯 醚（比如乙烯基甲基醚和乙烯基苯基醚）、烯烃（比如丙烯、1‑丁烯、 1‑辛烯和苯乙烯）、乙烯酯（比如醋酸乙烯酯、丁酸乙烯和三甲基醋酸 乙烯）、卤代烯烃（比如氟化乙烯和偏二氟乙烯）、丙烯酸酯（比如丙 烯酸甲酯、丙烯酸乙酯和甲基丙烯酸酯）、其他丙烯酸或甲基丙烯酸化 合物（比如丙烯酸、甲基丙烯酸、顺丁烯二酸、丙烯腈和丙烯酰胺）、 以及其他化合物（比如烯丙醇、乙烯基硅烷和其他可共聚乙烯化合物）。

第二压缩机10具有与连接至回收气体系统12的管道相通的吸入 口11。第一压缩机5和第二压缩机10都是往复容积式压缩机，其输 出可经由类型为现有技术已知的悬点载荷控制器（未示出）来调制。 第二压缩机10是两级往复压缩机，其将从回收气体系统接收的乙烯加 压至大约3000巴（300MPa）的压力。如图1所示，其他反应组分也 可连同乙烯一起注入第二压缩机10的吸入口11，该其他反应组分包 括来自共聚物进料14的用以制成共聚物的醋酸乙烯酯共聚物，比如 EVA，以及改性剂（也已知为链转移剂），比如来自改性剂进料16的 丙烯、1‑丁烯、四氯化碳和丙醛，它们有助于控制聚合物在反应器18 中的熔化指数。离开第二压缩机10的被压缩的乙烯和改性剂流被分成 两个流，其中一个流在进入管式反应器18的入口端之前流过加热器 20并且另一个流被分成在沿着管式反应器18的长度的多个地点进入 管式反应器之前流过冷却器22a、22b的一个或更多个侧流。管式反应 器18还沿着其长度设置有数个从引发剂注射系统24进料的引发剂注 射点。引发剂系统24包括引发剂源26、引发剂存储容器28、以及引 发剂混合和充装系统30。有机过氧化物是优选级的引发剂。通常，使 用具有不同分解温度的数种引发剂的混合物以在反应混合物的温度升 高时提供自由基的不断产生。

离开管式反应器18，聚合物的混合物（单独地或与未反应单体组 合地）（也称之为“产品流”）经过具有高压下泄阀32的管道31。高压 下泄阀32的位置被控制用以维持管式反应器18中3000巴（300MPa） 的压力。离开高压下泄阀32，产品流继续流动经过管道31进入喷射 泵7（下面描述并在图3中更详细地示出）并且然后进入分离系统34。 系统34包括串联地连接至低压分离容器38的高压分离容器36。如图 1所示，高压分离容器36具有大致圆筒形的中央部分、在其上端处用 于排出来自产品流的乙烯废气（ethylene off gas）的出口管道37、以 及用于收集从产品流分离的液体的盘形下部部分。来自喷射泵7的产 品混合物通过设置于容器上部的圆筒形壁中的入口进入高压分离容器 36，并且一旦在容器内部就快速地分离为未反应单体气体流和富含聚 合物的液相。分离的单体气体作为废气经由出口管道37离开高压分离 容器36，出口管道37然后将该废气导向至回收气体系统12。回收气 体系统12包括废热锅炉、用于冷却单体气体的冷却器、以及用于脱蜡 的分离罐。已冷却和脱蜡的单体气体离开回收系统12并流回至第二压 缩机10的吸入口11。高压分离容器36在等于或稍高于第二压缩机10 的吸入口11处的300巴（30MPa）压力的压力下操作，因此无需在来 自容器的废气到达第二压缩机10之前对其进行压缩。

浓缩的液体聚合物/单体聚合物收集于第一分离容器36的盘形下 部部分中并且流过其中的出口并经过带阀的管道进入低压分离容器 38的上部。低压分离容器38的形状类似于高压分离容器36并且在从 0.5至1.0巴（50至100kPa）范围内的压力下操作。熔化聚合物经由 低压分离容器底部中的出口离开低压分离容器38并经过短管道进入 热熔挤出机40的进口。挤出机40连接至可用来对挤出聚合物性质进 行改性的母料添加剂源42。挤出机40将聚合物挤出为串，这些串被 切碎、冷却并且然后经由干燥器44干燥，并传送至混合器46。

几乎所有的剩余单体作为废气被分离出来，其经由设置于低压分 离容器上部中的出口离开低压分离容器38。来自低压分离容器38的 大多数废气经由装备有热交换器（图1中未示出）的管道流动至净化 气体压缩机48，并且从压缩机48通到第一压缩机5（图1中未示出）。 净化气体压缩机48用来将废气的压力增大至第一压缩机的入口压力， 即70巴（7MPa）。来自低压分离容器38的其余废气从净化气体压缩 机48导向至外部存储点49a和49b。

本发明的骤冷系统50包括喷射泵7、将从第一压缩机5排出的所 有低压乙烯流导通至喷射泵7的管道构造、以及第一压缩机5和第二 压缩机10的控制系统70。

喷射泵7在图2中更详细地示出。产品混合物沿着管道31在箭头 A的方向上流过高压下泄阀32（图2中未示出）进入喷射泵7。喷射 泵7由高强度钢构造并且包括管道31进入其一端的大致圆筒形外体 52。一旦在外体52内，管道31渐细为形成喷嘴56的锥形部分，该锥 形部分也已知为喷射喷管。产品混合物的流速在管道54的锥形部分中 增大并且其以高速射流（参见箭头B）离开喷嘴56，该高速射流伸入 与喷嘴56同轴但直径稍大的管状部分58。在延伸一短距离后，管状 部分58开始在锥形部分60中向外渐变（称之为“扩散器”）直到其直 径与管道31类似。产品混合物然后离开喷射泵7并经由管道31流动 至高压分离容器36（图2中未示出）。

如能从图2看到的，包围喷嘴56的是短的环状腔62，其与喷嘴 56同轴并且通入管状部分58。喷嘴56延伸穿过该腔62并正好终止于 管状部分58的进口处，从而在喷嘴56的边缘和管状部分58之间限定 窄的环状间隙64。来自第一压缩机5（图2中未示出）的低压乙烯沿 着管道8在箭头方向上流动并穿过入口66进入腔62。从喷嘴或喷射 喷管56发出的产品混合物射流的速度足以将低压乙烯经由文丘里效 应从第一压缩机5抽吸穿过管道8并抽入环状腔62，在腔62处乙烯 通过环状间隙64排出以与产品混合物相混合、冷却并稀释产品混合 物。喷射泵7没有活动部件并且因此维护很少。而且，喷射泵7由来 自产品流的流动的能量所驱动并且因此来自第一压缩机5的冷乙烯在 不使用来自外部源的任何能量的情况下被泵送入产品流。

骤冷系统可还包括控制系统，其通过调制在相对低压下的从第一 压缩机至喷射泵的单体来将第二压缩机的吸入压力控制在期望设置 点。这种控制系统可包括可操作地连接至第一和第二压缩机并彼此连 接的多个数字控制器。控制系统可还包括温度和压力传感器，所述传 感器持续地将第二压缩机的吸入温度和压力中继至第二压缩机的数字 控制器。当骤冷系统在从第一压缩机排出的所有低压单体被导入喷射 泵的优选模式下操作时，通过发信号至第一压缩机的数字控制器以调 节第一压缩机的溢回阀从而控制流至喷射泵的单体的量，用于第二压 缩机的数字控制器维持基本上恒定的吸入压力。这提供了简单、稳定 且可靠的方式来在系统的操作期间控制第一和第二压缩机。

第一和第二压缩机控制系统70在图3中更详细地示出。控制系统
70包括第一压缩机控制器72，其可由诸多市售数字控制器中的任何一
种来实施，比如霍尼韦尔知识控制系统。控制器72连接
至电控阀74、76和78。阀74控制从第一压缩机5的出口至喷射泵7
的配制乙烯的流动，而阀76是第一压缩机5的溢回阀并且因此控制离
开第一压缩机的乙烯的净流出。阀78是进口阀，其在临时起动条件下
可用来将配制乙烯从第一压缩机5导向至第二压缩机10的吸入口11
（图3中未示出）。第一压缩机控制器72还可将压缩机5的活塞杆上的
悬点载荷维持于期望设置点。控制系统70还包括第二压缩机控制器
80，（其也可由若干市售数字控制器中的任何一种实施）、以及将吸入
口11的温度和压力条件持续地中继至控制器80的吸入口温度和压力
传感器82a和82b。如虚线所示，第二压缩机控制器80也能将压缩机
10的活塞杆上的悬点载荷维持于期望设置点。如虚线控制线所进一步
示出，第二压缩机控制器80有效地控制第一压缩机控制器72，如下
更详细描述的。

在也反应本发明方法的优选操作模式中，第一压缩机控制器72 打开喷射泵阀74并且完全地闭合进口阀78以使得由第一压缩机5排 出的所有的大约300巴（30MPa）的配制乙烯导通至喷射泵7以给进 入分离器系统34的产品流（图3中未示出）提供冷的骤冷流。这种操 作有利地允许第一压缩机5操作以使得其出口压力不取决于第二压缩 机10的吸入压力。于是，第一压缩机5优选地操作为使得其出口压力 小于第二压缩机的吸入压力，从而节省操作第一压缩机5所需的能量。 第一压缩机5上的这种降低的负载（与其中第一压缩机的排出压力必 须高于第二压缩机的吸入压力的现有技术构造相比）降低了压缩机的 长期维护成本并且提高了其可靠性。另外，这种流动构造允许简单、 稳定且可靠的操作模式，如下将详细描述的。

当由第一压缩机5排出的所有配制乙烯导向至喷射泵7时，第二 压缩机10的吸入压力由控制器80维持于期望水平。控制器80持续地 监控从吸入口温度和压力传感器82a和82b所接收到的信号，并且通 过将信号中继至第一压缩机控制器72以调制溢回阀76以使得第一压 缩机5的净输出（其影响引入第二压缩机10的吸入口11的回收乙烯 的量）将所述吸入压力维持于期望水平，从而将第二压缩机10的悬点 载荷维持于与期望吸入压力相对应的水平。在稳态生产条件期间，由 第一压缩机5泵送的配制乙烯的量将随时间保持在补偿转变为聚合物 的乙烯量的基本恒定水平。更具体地，第一压缩机排出压力将“浮动” 至这样的值，在该值下，最终回收至第二压缩机吸入口的配制乙烯的 喷射泵吸入流补偿转变为聚合物的乙烯的量。虽然第一和第二压缩机 控制系统70的操作已经就控制器80调制第一压缩机的溢回阀76而言 进行了描述，应当注意到，能有多种可选方式使得控制器80获得相同 结果。例如，控制器80能通过控制压缩机速度或压缩机排出压力来调 制第一压缩机5排出的配制乙烯。所有这些可选操作模式被涵盖于本 发明内。

在起动期间，骤冷系统50（图3中未示出）暂时以不同的模式操 作，在该模式下由第一压缩机排出的一些配制乙烯直接导通至第二压 缩机10的吸入口11。在起动时采用这种不同操作模式是因为在起动 时将所有配制乙烯导通至离开压力下泄阀32（图3中未示出）的产品 流将会使产品流过冷并且妨碍生产。在这种情形下，第一压缩机控制 器70部分地打开进口阀78并且部分地闭合吸入阀74。这种操作模式 要求第一压缩机5操作为使得其排出压力稍微超过第二压缩机10的吸 入压力，但是即便如此也实现了一些能量节省，原因是喷射泵7的存 在释放了通常由第一压缩机5承受的一些负载。在起动后，当生产进 入稳态时，阀78闭合并且吸入阀74完成打开以允许来自第一压缩机 的所有配制乙烯被导通至喷射泵7。在本申请的内容中，当第一压缩 机5的排出压力稍微超过第二压缩机10的吸入压力时，第一压缩机5 的排出压力被认为“基本上等于”第二压缩机10的吸入压力。

尽管这里已经详细地示出和描述了优选实施例，但是对于相关领 域的技术人员而言很显然，各种变型、增加、替代等能在不背离本发 明精神下做出并且因此这些被认为落入本发明如以下权利要求所限定 的范围内。虽然本发明已经就使用高压管式反应器的聚乙烯系统进行 了描述，但是本发明可应用于利用任何类型高压反应器的系统，比如 高压釜型反应器。因此，就描述的具体程度，仅是为了示出本发明优 选实施例的目的并且不应当用来将本发明限制于这个具体实施例。描 述中小标题的使用意在帮助，而不是要以任何方式限制本发明的范围。