СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИОЛЕФИНОВ Советский патент 1973 года по МПК C08F10/00 C08F2/34 

1

Изобретение относится к производству полимеров или сополимеров а-олефипов газофазной полимеризацией мономеров.

Известен способ получения полиолефинов полимеризацией или сополимеризацией а-олефинов в вертикальной цилиндрической зоне в газовой фазе в присутствии твердого тонкодисперсного катализатора циглеровского типа при непрерывном механическом перемешивании реакционного слоя, содержащего твердые частицы катализатора и полимера, при помощи пропеллерпой мешалки обычного типа (при этом частицы перемешиваются в основном в горизонтальной плоскости) и введении мономера в нижнюю часть реакциопного слоя.

Однако по известному снособу будет происходить значительная агломерация частиц полимера, особенно у входного отверстия для ввода мономеров, что приведет к быстрой забивке технологического оборудования и невозможности непрерывного проведения процесса.

По предлагаемому способу обеспечивается полимеризация в газовой фазе а-олефина в контакте с катализатором в основном без жидкого диспергирующего агента, причем процесс протекает в следующих условиях:

1) твердая фаза, содержащая указанный катализатор и олефиновый полимер, относящийся к частице, посредством механического перемешивания подвергается циркзляции в направлении вверх-вниз в камере реакции, имеющей форму вертикального цилиндра.

Слой реакции создается циркулирующей твердой фазой;

2) а-олефин подается в камеру реакции в жидком состоянии из места над слоем реакции и испаряется в камере реакции.

Способ осуществляется циркуляцией в направлении вверх-вниз с механическим неремешиванием в камере реакции твердой фазы, содержащей катализатор полимеризации и олефиновый полимер, относящийся к частице.

Камера имеет форму цилиндра, позволяюшую олефину контактировать в газовой фазе. Камера имеет в основиом круглые поперечные сечения, нернендикулярные определенной оси, которая сама является вертикальной. Высота камеры не обязательно должна быть большой по отношению к диаметру.

Необходимо, чтобы камера способна была выдержать давления, создаваемые во время полимеризации сс-олефинов. Более того, она

долж;на иметь различные отверстия. для охлаждающего агента или среды нагревания должен находиться на внешней стороне камеры. «Олефиновый полимер, относящийся к частице обычно является полимером, приготовленным отдельно во время начала реакции полимеризации и действующий как носитель катализатора. По мере того, как проходит реакция, образованный олефиновый полимер занимает доминирующие части твердой фазы. В зависимости от необходимости эта тверд ая фаза может содержать, кроме необходимых компонентов, твердые частицы, которые растворимы (или нерастворимы), плавятся или не способны плавиться.

Твердая фаза циркулирует в камере реакции в форме потока, двигающегося вверх- вниз. Один из двух самых типичных форм потоков, который может использоваться, является нисходящий поток в районе около центральной оси камеры реакции в виде вертикального цилиндра и восходящий поток вдоль и окола внутренней поверхности цилиндрической боковой стены камеры (форма потока А). Другой типичной формой потока является восходящий поток в районе центральной оси и нисходящий поток вдоль и около боковой стены камеры (форма потока Б).

В каждой из этих форм потока убывающее движение твердой фазы вызывается свободным падением олефина в газовой фазе

Для установления такой формы потока может быть использована любая аппаратура, способная заставить вещества, относящиеся к частице, подииматься. Для получения формы потока А подходит аппаратура типа ленточной мещалки, в то время как аппаратура типа винтовой мещалки более подходит для создания формы потока Б. Циркуляция вверх - вниз твердой фазы может сопровождаться вращением потока относительно оси перемещивания.

Аппаратура для циркуляции «вверх-вниз спроектирована с продольной высотой и определенным пространством в верхней части камеры реакции. Это пространство предназначено для устройства введения исходного материала олефина, в то время как ограничение высоты аппаратуры циркуляции необходимо для сохранения условий, связанных с размером слоя реакции.

Твердая фаза, которая циркулирует таким образом, образует определенную массу-агломерат, т. е. когда твердая фаза в формах потока А и Б поднимается или опускается, она контактирует с поверхностью внутренней стены камеры реакции с образованием массы в основном в форме вертикального цилиндра с диаметром, равным внутреннему диаметру камеры реакции, и высотой, соответствующей высоте аппаратуры циркуляции твердой фазы. Далее, в том случае, когда в камере реакции имеется внутренний цилиндр, масса образуется в нем, причем внутренний диаметр внутреннего цилиндра становится диаметром массы. Эта масса в контакте с олефином в газовой фазе составляет в реакции полимеризации реагирующий слой, который имеет отношение диаметра к высоте 1 : 0,5 к 1:3, предпочтительно 1 : 0,8 к 1:2. Тот факт, что высота

слоя реакции в три раза .меньще диаметра, указывает, что этот слой реакции не является псевдоожиженным слоем.

При вычислении этой пропорции термин «высота означает расстояние от нижнего окончания до верхнего слоя реакции, в то время как термин «диаметр означает величину диаметра истинного круга той же самой области и поперечное сечение слоя реакции в том случае, когда поперечное сечение не является истинным кругом. Высота слоя реакции составляет 60-80% высоты камеры реакции.

а-олефип вводится в слой реакции инъектированием в жидком состоянии из ввода, расположенного выще слоя. Этот ввод олефина преимущественно осуществляется посредством одного или более сопел с больщим количеством небольщих отверстий, направленных таким образом, что введенный олефин рассеивается и контактирует в основном в жидком состоянии со слоем реакции, особенно с его верхней поверхностью. Каждое сопло может иметь любую форму.

Желательно, чтобы расстояние между соплом (или соплами) и верхней поверхностью слоя реакции было таким, что часть или весь олефин в жидком состоянии контактировал со слоем реакции (с его поверхностью) в основном в его ЖИД1КОМ состоянии. Часть сс-олефина может подаваться неносредственно в реагирующий слой.

Контроль за температурой полимеризации осуществляется непрерывным и прерывным вводом жидкого а-олефина и испарением в слое реакции. Для высокой эффективности реактора операция проводится в условиях, когда количество олефина, необходимого для производства скрытой теплоты испарения и требующейся для удаления тепла полимеризации, обычно больше, чем подаваемое количество олефина, необходимого для продолжения реакции полимеризации. Для сохранения давления в камере реакции на постоянном уровне олефин в газовой фазе постоянно или периодически извлекается.

В то время, как олефин в газовой фазе отводится обычно через отверстие в верхней части сопла, можно осуществить частичный или полный отвод вместе с извлечением олефинового полимера. Желательно, чтобы отвод олефина в газовой фазе не сопровождался захватом олефинового полимера, или чтобы не ухудщалась механическая циркуляция твердой фазы вверх-вниз. Таким образом извлеченный олефин не может быть сжижен«ым и подаваться снова в камеру реакции.

Тепло полимеризации можно удалять использованием скрытого тепла испарения ожиженного олефина, а также установлением дополнительного охлаждающего устройства снаружи или внутри камеры реакции. Возможно, самым подходящим видом охлаждающего устройства для этой цели является колсух вокруг наружной стороны камеры реакции, снабженный проходами - отверстиями для потока охлаждающего агента.

При непрерывной реакции полимеризации необходимо выбирать продукт олефинового полимера, относящегося к частице, из камеры реакции непрерывно или периодически и аналогично вводить туда катализатор, полимеризации.

Извлечение продукта олефинового полимера, относящегося к частице, является относительно простой процедурой. Так как камера реакции находится под давлением, отверстие с клапаном находится рядом с зоной твердой фазы, вследствие чего, когда открывается клапан, олефиновый полимер, относящийся, к частице, выпускается вместе с олефином в газовой фазе.

В то время, как катализатор полимеризации может быть введен в виде заранее приготовленного катализатора, в том случае, когда катализатор состоит из нескольких компонентов (например, катализатор Циглера), компоненты вводятся в камеру реакции раздельно или объединяются в группы определенных компонентов для образования требуемой сиетемы катализатора в камере реакции.

В любом случае можно вводить катализатор или катализаторный компонент в камеру реакции путем рассеяния или растворения его в небольшом количестве неактивного растворителя (например, олефиновый мономер), или неорганическом веществе (например, двуокись кремния, окись титана или карбонат кальция).

При введении в слой реакции катализатор или катализаторный компонент рассеивается однородно механическим перемешиванием. Желательно, однако, чтобы катализатор или компонент были уже рассеяны в слое реакции через сопло в жидком, газообразном или взвешенном в газе состоянии.

Олефиновый полимер, введенный таким образом, находится в состоянии, относящемся к частице, причем диаметр частиц составляет 0,01-5 мм, предпочтительно 0,1-1 мм. Этот полимер может использоваться непосредственно, без удаления катализатора.

В зависимости от необходимости катализатор удаляется обычной процедурой и затем добавляется любой из различных дополнительных материалов такой, как стабилизатор (противокоагулятор), агент формования, смешивающий агент (целевой агент) и наполнитель, что зависит от того, для какой цели необходим полученный целевой продукт.

Оптимальная циркуляция может быть получена с использованием устройства циркуляции типа ленточной мешалки. Она обычно имеет одну или две ленточные лопасти, неподвижно укрепленные на вращающемся валу. Так как ленточные лопатки продвигают твердую фазу вверх, то мешалка расположена по направлению снизу-вверх. При необходимости лопастн могут иметь форму, расщепленную в промежуточных частях. Эти лопастн

должны иметь такой размер, чтобы пространство между их наружными окружными частями и поверхностью внутренней стены камеры реакции было минимальным.

При использовании устройства циркуляции типа ленточной мешалки твердая фаза долж-, на иметь форму потока А. Необходимо, чтобы твердая фаза, относящаяся к частице, которая падает около нижней части вала мешалки, попадала на ленточную лопасть, расположенную около поверхности внутренней стенки камеры реакции. Для этого необходимо нижнюю конечную часть каждой ленточной лопатки вытянуть в соответствии с контуром дна камеры реакции до места около вала мешалки, обеспечить конусность лопасти якорной мешалки в нижней части ленточных лонастей или внутри, вследствие чего опускающаяся твердая фаза будет перемещаться к внутренней поверхности стенки камеры реакции.

Темнература полимеризации не подвергается какому-либо ограничению кроме того, что она должна быть ниже, чем температура размягчения а-олефинового полимера, который должен образоваться, и составляет 30-150°С, предпочтительно 50-120°С. Давление полимеризации может быть любым в пределах диапазона, при котором а-олефин в камере реакции может существовать в газовой форме. Практически давление поддерживается от атмосферного до 100 атм, предпочтительно 20- 80 атм.

Катализатор полимеризации должен вызывать полимеризацию а-олефина в газовой фазе при температуре полимеризации ниже точки размягчения образующегося а-олефинового полимера и превращения а-олефина в кристаллический полимер.

Из этих катализаторов подходящими являются так называемые катализаторы типа Циглера, особенно твердые катализаторы, содержащие комбинации соединений алкилалюминия и соединений титана.

Для улучшения активности полимеризации возможны различные модификации этих катализаторов, обеспечивающие стереоспецифичность и другие качества и/или изменяющие форму образованных полимеров.

Предпочтительно следующее введение катализатора в камеру реакции. Катализаторный компонент или приготовленный катализатор рассеивается или растворяется в небольшом количестве жидкого инертного органического раствора (например, углеводород-пропан, бутан, пентан, циклогексан,, бензол и гептан) или в жидком а-олефпне. Полученная диспер- . сия или раствор вводится непрерывно в камеру реакции одной пли несколькими частями нагнетательным насосом таким образом, что катализаторный компонент или приготовленная система катализатора мгновенно рассеивается в слое реакции через загрузочное отверстие.

В начале операции мож.но систему катализатора нанести на олефиновый полимер, относящийся к частице, для образования слоя реакции.

а-олефинами, которые могут использоваться в описываемом способе, являются этилен, иропилен и бутен-1 как в отдельности, так и в смеси. Для регулирования молекулярного веса можно к сс-олефину добавлять небольшое количество известного агента для регулирования молекулярных весов газов, таких, как водород, хлористый водород и низкие углеводородные галиды.

Пример 1. Нецрерывная полимеризация нропилена в газовой фазе проводилась с использованием катализатора, содержащего треххлористое соединение.титана и триэтилалюминий в весовой пропорции 1 : 4 при давлении 35 атм и темнературе ракции 85°. Использован реактор с соотношением его диаметра к высоте 1 : 2,4, а отношение высоты слоя реакции полипропилена к диаметру реактора 1,2:2. Реактор снабжен крыльчатой мешалкой типа сдвоенной ленты диаметром, равным 0,98 диаметра реактора. Ширина ленты составляет 0,1 диаметра реактора, а спиральный шаг - 0,75 диаметра реактора. Для придания полипропилену в реакторе в осевых направлениях движения вверх-вниз мешалка имеет скорость 50 об/мин.

Температура реакции сохраняется извлечением части газа реакции из верхней части реактора с последующим охлаждением и ожижением этого газа в теплообменнике с водой комнатной температуры, а затем распределением ожиженного нронилена равномерно со скоростью приблизительно 700 мм/сек на свободной поверхности слоя реакции полипропилена через сопло. Количество циркулированного для контроля температуры пропилена составляет 5,6 ч. относительно 1 ч. образованного пропилена, т. е. 5,6: 1. Благодаря этому можно легко распределять температуру в слое реакции в пределах 2°С. По отношению к 1 ч. титанового треххлоридного соединения получено 14000-160000 ч. полипропилена. Фракция, нерастворимая в кипящем гептане этого полипропилена, составляет 78-83% веса.

После 700-час. непрерывного действия реактор был открыт и проверен. В рез льтате проверки не было обнаружено сцепления и кускования полипропилена-на стене реактора, лопасти мешалки и на загрззочном отверстии пропилена.

Полипропиленовый порощок в отверстии для пропиленового газа не рассеился.

Сравнительный пример 1. Полимеризацию пропилена в газовой фазе проводили при давлении 35 атм и температуре реакции 85°С с использованием катализатора, содержащего треххлористое соединение титана и триэтилалюминий в пропорции 1 : 4. Этот пример отличается от примера 1 тем, то пропилен для участия в реакции и жидкий поопилен для удаления тепла были загружены в реактор через сопло на его дне. Благодаря этому распределение температуры в слсе реакции превысило 10°С и в реакторе были обнаружены комки. Более того, нолипронилен сцеплялся в загрузочном отверстии для пропилена и после 100-час. непрерывного дейстВИЯ дальнейшая работа становится невозможной.

Сравнительный пример 2. Полимеризацию пропилена непрерывно проводили в газовой фазе при давлении 35 атм и температуре 85°С с использованием катализатора, содержащего треххлористое соединение титана и триэтилалюминий в весовой пропорции 1 : 4. В этом примере была использована лопастная мешалка якорного типа диаметром, равным

0,98 диаметра реактора, с шириной лопасти, равной 0,1 диаметра реактора, и высотой, равной 1,5 диаметра реактора. Для придания полипропилену кругового вращения в реакторе мешалка имела скорость 60 об/мин. Благодаря этому распределение температуры в слое реакции достигло величины выше 20°С и изза сцепления, агломерации и комкования полипропилена дальнейшая работа после 12-час. полимеризации была невозможна.

Пример 2. Полимеризация пропилена в газовой фазе осуществлена с использованием катализатора, содержащего треххлористое соединение титана в весовой пропорции 1 :3 при давлении 35 атм и температуре реакции

95°С. Аппаратура и реактор те же, что и в примере 1. Для регулирования молекулярного веса полимерного продукта в пропилен, введенный в реактор, было добавлено 1,2% объема водорода. Благодаря этому можно было

легко управлять распределением температуры в слое реакции в пределах 2°С. Получено 3200-3800 ч. полипропилена, относяш,егося к частице, по отношению к I ч. треххлористого соединения титана. Фракция, нерастворимая

в кипящем гептане полипропилена, составила 92-94% от веса. После 700-час. непрерывного действия реактор был открыт и проверен. Сцепление или комкование полипропилена на стене реактора, лопасти мешалки и па загрузочном отверстии пропилена не обнаружены. Полипропиленовый порошок в отверстии пропиленового газа не рассеился.

Пример 3. Полимеризация этилена в газовой фазе была осуществлена при давлении

40 атм и температуре реакции 80°С с использованием катализатора, состоящего из треххлористого соединения титана и триэтилалюминия в весовой пропорции 1 :4. Реактор и аппаратура те же, что и в примере 1. Циркулирующий этилен для удаления тепла охлаждали рефрижератором, а газовый этилен охлаждали и ожижали при -15°С с помощью теплообменника. Благодаря этому можно легко зшравлять распределением температуры в

слое реакции в пределах 2°С. Получено 18000-22000 ч. полиэтилена, относящегося к частице, по отношению к 1 ч. треххлористого соединения титана. После 700-час. непрерывного действия реактор был открыт и проверегт. Сцепление или комкование полиэтилена

на стене реактора, лопасти мешалки и нагрузочном отверстии этилена не обнаружены. Полипропиленовый порошок в отверстии этиленового газа не рассеился.

Предмет изобретения

1. Способ получения полиолефинов полимеризацией или сополимеризацией а-олефинов в вертикальной цилиндрической зоне в газовой фазе в присутствии твердого тонкодисперсного катализатора, например, циглеровского типа, при непрерывном механическом перемешивании реакционного слоя, содержаш,его твердые частицы катализатора и полимера, отличающийся тем, что, с целью предотвраш;ения агломерации частиц полимера и

забивки палимером технического оборудования, а также улучшения теплосъема, мономеры подают в реакционную зону путем их испарения над реакционным слоем, а механическое перемешивание последнего проводят таким образом, что твердые частицы катализатора и полимера в нем циркулируют в направлении вверх-вниз.

2.Способ по п. 1, отличающийся тем, что часть исходных а-олефинов вводят в жидком состоянии непосредственно в реакционный слой.

3.Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что катализатор подают в реакционную зону путем распыления его суспензии в исходных жидких а-олефинах или инертных органических растворителях.