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DISPOSITIF MELANGEUR POUR CUVE DE POLYMERISATION SOUS HAUTE PRESSION Tiszai Vegyi Kombinat, Leninvaros, UHGARN La présente invention concerne un dispositif mélangeur pour cuve de polymérisation sous haute pression qui présente un arbre mélangeur disposé verticalement dans la cuve de réaction et supporte, au moins a son extrémité inférieure, et un moteur électrique d'entraînement faisant tourner l'abre mélangeur, l'arbre d'entraînement du moteur d'entratnement étant colinéaire avec l'arbre mélangeur.
Une des matières plastiques les plus conramment utiliséee est le polyethylene à faible densité produit sous pression élevée. Au cours des dernières annees, la quantité relative du polyéthylène produit sous haute pression a, toutefois, diminue vu que l'on connalt maintenant des procédés de production de polyéthylène fonctionnant sous pression plus faible et qui nécessitent moins l'énergie spécifique et moins de capitaux d'investissement ; toutefois, il existe encore aujourd'hui un certain nombre de firmes productrices qui produisent du polyethylene sous haute pression.
Dans le cas de la production du polyethylene realise sous haute pression, la polymérisation de l'éthylène, dans un réacteur tubulaire ou dans une cuve de réaction pourvue d'un dispositif mélangeur, se déroule généralement sous une pression de 1500-3500 bar. Les deux types de réacteurs de polymérisation présentent leurs avantages et leurs inconvenient.
L'essentiel du second type de réacteur, c'est-à-dire la cuve de réaction équipée d'un dispositif mélangeur consiste en ce que le mélange d'éthylène et de polyéthylène obtenu
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sous haute pression sous l'effet des peroxydes doit être m e e e mélangé dans une cuve de réaction ayant des parois extraor- dinairement épaisses et un volume de 250-1500 litres,. à l'aide d'un dispositif mélangeur conçu à cet effet, de ma-
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niere a empêcher toute surchauffe locale dans la cuv de réaction.
L'ethylene est introduit dans la ove de réaction en continu, tandis que le mélange de produit de la réaction et d'éthylène est également évacué en continu.
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D Pour des motifs techniques en rapport, notamment, avec la. construction mécanique, le supportage et l'entra ! nement de l'arbre mélangeur de la plupart des cuves de reaction sous haute pression pourvues d'un dispositif mélangeur pour la production de polyethylene par polymerisation, sont con- us de façon à, ce que l'arbre mélangeur et le moteur électrique soient disposés à l'intérieur de la cuve de réaction sous haute pression, tout comme trois ou quatre paliers de support.
On connaît également d'autres solutions techniques, dans lesquelles l'arbre mélangeur traverse la cuve de réaction sous haute pression à travers un dispositif à bourrage spécial si bien que les paliers et la commande peuvent se trouver en-dehors de la cuve de réaction.
Les paliers de l'arbre mélangeur de la cuve de réaction et du moteur d'entraînement de l'arbre mélangeur sont des paliers à roulements conçus et dimensionnes spécialement pour ce but. Leur lubrification. s'effectue généralement au moyen je lubrifiants dissous dans l'éthylène qui sont, le plus souvent, des huiles blanches ou, plus precisement, des trages d'huile olanche, ou bien le ou les palier (s) ee trouvant lans la cuve de réaction est (sont) conçu(s) de manière à ce que sa Leur) lubrification soit assurée par le polyethylene fondu produit dans la cuve de réfaction.
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Cn connalt egalement certaines solutions cu tentatives, dans lesquelles de l'huile blanche est introduite directement dans le palier, afin d'augnenter la duree de vie de celuici.
Ces tentatives n'ont, toutefois, pas donne de resultat valable, vu que l'ethylene sous haute pression dissout très bien ces huiles lubrifiantes, ce qui empêche 1a formation d'une pellicule lubrifiante appropriée sur les paliers a roulements.
La durée de vie insuffisante des paliers du dispositif de
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mélange est due, d'une part, à la complexité de leur foncm e tionnement et, d'autre part, suitout au fait que de la poudre de polyéthylène fine se dépose sur les paliers à roule- mentsdu moteur, en provoquant une usure, tandis que l'efficacité de la lubrification est sensiblement limitée par le fait que l'on ne peut utiliser, pour lubrifier ces paliers, qu'un lubrifiant qui ne provoque aucune coloration du polyethylene et qui n'influence pas défavorablement ses caractéristiques.
Il résulte de ce qui précède que les operations de polymersation de l'éthylène doivent etre arrêtées relativement fréquement et, en général, après environ 1200-1500 heures de fonctionnement, par suite des dommages encourus par l'arbre mélangeur ou par les paliers du moteur. La cuve de réaction est alors démontée, nettoyée et l'arbre mélangeur et le moteur d'entrainement sont remontés après avoir été pourvus de nouveaux paliers. La cuve de réaction est alors ventilée, chauffée et soumise à un estai sous pression et ce n'est qu'après que tout a été trouvé parfaitement en ordre que l'on peut effectuer la remise en service.
Ces arrêts de fonctionnement indésirables peuvent durer de 12 à 14 heures, en fonction des circonstances concrètes.
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Pour chaque installation de polymérisation, il taut remplacer, en-moyenne, 6 à 8 fois par an l'arbre melangeur, ce qui donne lieu, chaque fois, à une perte de production importante.
Dans les cas où deux cuves de reaction doivent fonctionner en parallèle ou en série afin d'augmenter la capacité unitaire, il faut envisager des temps d'arret encore plus importants.
Dans le cas des cuves de réaction ou les paliers du moteur d'entrainement et de l'arbre mélangeur sont disposés en dehors de la cuve à haute pression, on peut utiliser, pour la lubrification, des solutions plus efficaces-, vu que le . risque de contamination du polyéthylène par le lubrifiant n'existe pas, mais une programmation essentiellement plus avantageuse des remplacements d'arbres mélangeurs ne peut toutefois pas etre réalisée avec ces solutions, vu que la duree de vie des paliers à roulements est limitée par la com- pley. ité de 1eur sollicitation et par les vibrations qui se prodt.
isent temporairement dans l'arbre mélangeur, tandis que l'enlèvement de l'arbre mélangeur du réacteur donne lieu à des difficultés en, rapport avec les solutions techniques compliquées et coûteuses requises pour assurer l'é- tanchéité.
Si l'on considère l'état actuel de la technique, on peut affirmer qu'il n'y a pas de solution technique connue qui permette d'allonger significativement la durée du cycle d'u- tilisation, par suite des défauts fréquent5 aux paliers du dispositif mélangeur des cuves de réaction a haute pression pour la polymérisation de l'éthylène, ces défauts nécessitant le remplacement de l'arbre mélangeur et du moteur d'entra ! nement.
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Le résultat à atteindre, grâce à 1a présente invention, consiste donc à mettre au point un dispositif mélangeur pour cuve de réaction à haute pression pour la Polymerisation dont les paliers présentent une durée de vie sensiblement plus longue que ce n'est le cas actuellement, tout en permettant un fonctionnement de la cuve de réaction en continu pendant une période sensiblement plus longue.
Ce résultat est atteint, conformément à 1a présente invention, par le fait qu'au moins le palier inférieur de l'arbre mélangeur est constitué par un palier à glissement en métal dur, ou avec revêtement de metal dur.
Les essais effectués ont dérnontré que l'uti1isation de paliers à glissement en métal dur permettait d'augmenter nettement la durée de vie des crapaudines les plus sollici-
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tées et que les remplacements rendus nécessaires par leur défectuosité ou les mises à l'arret résultantes se trouvent pratiquement supprimés.
Du point de vue de la présente invention, 11 est avantageux que tous les paliers du dispositif mélangeur, c'est-à-dire également les paliers du moteur d'entrainement, soient des paliers à glissement en métal dur. On peut réaliser, de cette manière, une longue durée de vie en tous les points sensibles du dispositif mélangeur, ce qui garantit une longue durée de fonctionnement en continu de la cuve de réaction.
La lubrification des crapaudines de l'arbre mélangeur peut s'effectuer au moyen du polyéthylène liquide produit dans la cuve de réaction, tandis que la lubrification des autres paliers peut être assurée par un lubrifiant injecté au moyen d'éthylène gazeux ou grâce a'in autre système de lubrification indépendant à circulation forcée.
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Pour des motifs de sécurité technique et pour assurer la fiabilité du fcnctionnement, i1 est particulièrement avantageux, du point de vue de la présente invention, que les paliers du dispositif mélangeur soient connectés à un systeme de dosage de lubrifiant sous haute pression assurant l'alimentation directe d'huile blanche et/ou d'huile syn- thétiqnè ou de leur mélange, ce système étant pourvu d'-
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léments de lubrification à haute pression (ou d'un élément de lubrification a haute pression) qui est (sont) constitue (s) par une ou des pompes à huile à piston créant une pression de 1500-3500 bar dépassant la pression interne de la cuve de réaction, ces pompes étant connues en soi.
Les lubrifiants utilisés assurent, grace a un faible coefficient de frottement, une faible usure et n'influencent donc pas défavorablement la qualité du produit. Ces lubrifiants ne sont pas toxiques et ne sont utilises qu'en faible quantité. D'autre part, ces lubrifiants sont autorisés pour la production de matériaux venant au contact des den- rees alimentaires.
Les lubrifiants a utiliser doivent toujours etre choisis en fonction du domaine d'utilisation du polyethylene, afin que les différentes propriétés du produit fini ne soient pas influencées défavorablement.
Compte tenu de l'expose ci-dessus, on peut utiliser, comme lubrifiants, les huiles blanches, les polybutenes, les polyisobutylènes,les polyalkylglycols, les silicones, les lubrifiants synthétiques halogénés ainsi que les mélanges des types précités miscibles les uns aux autres et les themes types modifies par des additifs.
La solution proposée par la présente invention paratt surprenante, à première vue, pour le spécialiste, fait que les
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paliers à glissement sous haute pression sont utilisés en presence d'une charge dangereuse et dans une vaste gamme de températures, alors que ces paliers à glissement doivent assurer une adaptation correcte ä ces conditions de fonctionnement tout en évacuant suffisamment la chaleur. Ces conditions sont, toutefois, parfaitement satisfaites grâce au dispositif mélangeur propre à la presente invention, en particulier grâce au raccordement à un système de dosage de lubrifiant sous haute pression.
L'utilisation du dispositif mélangeur propre a la presente invention offre toute une série d'avantages.
Ces avantages sont les suivants :
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- grace a l'augmentation de la durée du cycle de remplacement de - 9 ce a ee l'arbre mélangeur et du moteur d'entraînement, on peut augmenter la production de polyéthylène, - par suite de la suppression des arrêts, de la remise en service des installations de polymérisation ainsi que de la ventilation de la cuve de réaction et des dispositifs correspondants, on peut réaliser une économie en éthyle-
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ne, - le produit dit"de début" de mauvaise qualité obtenu à chaque nouvelle remise en service après le remplacement de l'arbre mélangeur et/ou du moteur, se trouve supprimé, - l'utilisation intensive des installations de polymérisa- tion se trouve améliorée, ce qui donne lieu à une réduc- tion spécifique des coûts fixes spécifiques (par exemple, salaires,
amortissementset frais d'entretien, etc. ) et à une diminution des frais propres a la production de poly- éthylène - la meilleure utilisation de la capacité des installations de polymérisation permet des économies de matière et d'é- nergie, ce qui permet aussi une meilleure reproductibili- té de la qualité du produit fini,
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- grace ä l'application de la solution technique proposée par la présente invention, 11 est possible de reduire le nombre des mises en service nécessaires après le rempla- cement de l'arbre mélangeur ou du moteur, ce qui peut di- minuer encore davantage les périodes d'arrêt qui peuvent se produire au cours de la mise en service des installa- tions de Polymerisation par suite de défectuosités de machines,
d'appareils et d'installations électriques quel- conques.
- l'utilisation de paliers a glissement en métal dur permet de ne devoir démonter les cuves de polymérisation qu'à l'occasion des contrôles techniques de sécurité, indispen- sables de toute façon, tandis que les paliers z glissement
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démontés peuvent être remontés à nouveau apres le contrôle.
4 On décrira ci-après l'invention a l'aide des exemples de réalisation et des exemples d'essal illustrés par. les figu- res.
Celles-ci représentent respectivement : La figure 1, une coupe longitudinale dans une cuve de réaction pour polymériser de l'ethylene et dans le dispositif
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mélangeur qui y est disposé, conformément à 11 invention. e m La figure 2, une coupe agrandie du palier inférieur de l'arbre mélangeur du dispositif mélangeur représenté à 1a figure 1.
La figure 3, une représentation schématique du système de dosage de lubrifiant sous haute pression du dispositif mé- langeur propre à la présente invention.
Comme on le voit à 1a figure 1, le dispositif mélangeur ccn-
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forme a'la pre'sente invention est monte verticalement dans une cuve de réfaction 1, permettant la polymérisation sous haute pression. La cuve de reaction sous haute pression 1 est constituee de quatre elements principaux : une cuve de réac- tion cylindrique 2 à parois épaisses, un bo ! tier de mcteur 3 dispose au-dessus de celle-ci ainsi qu'un couvercle superieur
4 fermant vers le dessus la cuve de réaction à haute pression
1, ainsi qu'un couvercle inférieur 5, fermant par le dessous la cuve de réaction à haute pression 1.
La cuve de réaction
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1 ou le boltier de inoteur 3 est pourvued'au moins une tubulu- re 6 pour l'adduction d'éthylène gazeux, tandis que la cuve de réaction 2 est entourée d'une enveloppe de refroidissement 7. D'autre part, la cuve de réaction à haute pression 1 est équipée, éventuellement, de toute une série d'autres é- léments constructifs (tubulures, accessoires, etc.
) qui n'ont pas été représentés pour raison de simplicité et de clarté, en particulier, parce que ces elements ne sont pas en rapport avec le principe de la presente invention. A 1'intérieur de la cuve de réaction 2 et, essentiellement, dans l'axe central de celle-ci, est disposé un arbre mélangeur 8 du dispositif mélangeur qui est realise éventuellement avec une surface à entailles et avec des palettes de mélange 9 disposées à certains endroits. L'arbre mélangeur 8 repose, dans le bas, sur une crapaudine 10, qui est constituée, conformément a l'invention, par un palier a glissement en metal dur, eventuellement, par un palier à glissement avec un revêtement de metal dur.
La lubrification de la crapaudine 10 s'effectue au moyen d'un système de dosage de lubrifiant sous haute pression qui sera décrit plus en détail ci-après et est assuré, de préférence, en même temps que le passage sur le palier du po- 1yéthylène fondu qui sort ensuite de la cuve de réaction par une tubulure de sortie inférieure 11.
L'arbre mélangeur 8 est entraine par un moteur électrique d'entrainement 13, par l'intermediaire d'un arbre rainure 12,
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l'arbre du moteur étant colinéaire avec l'arbre mélangeur 8.
Le supportage du mcteur d'entrafnement 13 est assuré par un palier superieur 14 et un palier inferieur 15. Ces paliers 14,15, peuvent être des paliers à roulementsspéciaux, qui garantissent une longue durée de vie mais peuvent également être, toutefois, des paliers à glissement réalisés en métal dur. La durée de vie des paliers 14,15, peut encore etre augmentée en assurant leur lubrification non seulement au moyen d'éthylène gazeux mais, également, au moyen d'un système de dosage de lubrifiant sous haute pression, dont la tu bulure d'injection 16 est disposée dans le couvercle supérieur 4.
La figure 2 représente la crapaudine 10 constituée par un pa IJer à glissement en metal dur et ses environs d'une maniere détaillée et agrandie.
Cette figure permet de voir que la crapaudine 10 supportant l'extrémité inférieure de l'arbre mélangeur 8, est disposée dans un boltier de palier 17, constitue de plusieurs pioces et fixé en dessous du couvercle 5. Le rotor 16 de la crapau-
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dine 10 est relie a l'arbre melangeur 8 par une vis i tête noyée 19 et glisse le long d'une surface horizontale 20 ou d'une surface verticale 21 sur la partie fixe 22. Pour lu- brifier la crapaudine 10, un alésage 23 est pratiqué dans le couvercle inférieur 5, cet alésage se raccordant par un joint 24 à un alésage 25 pratique dans le bottier de palier 17.
L'alésage 25 est relié par un assemblage à embottement 26 pourvu d'une bague d'étanchéité conique, à une conduite 27 qui amène le lubrifiant au jeu de paliers 28 situé entre
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le rotor 18 et la partie fixe 22, ä l'endroit où l'cuvertu- re de passage 29 pour le polyethylene fondu est pratiquee dans le corps de palier 17. A cet endroit vient se raccorder un alésage de passage 30, pratique dans la pièce fixe 22 et qui permet au produit d'arriver a la tubulure d'eva-
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cuation 11.
La lubrification peut, toutefois, être également réalisée de façon à ce que le lubrifiant soit amené directement aux surfaces 20 et 21 en mouvement de rotation relatif, par les alésages pratiques dans le corps de palier 17 et dans la pièce mobile 22.
La figure 3 représente un Schema de principe d'un mode de réalisation possible du système de dosage de lubrifiant sous haute pression. Dans ce mode de réalisation, le système de dosage de lubrifiant sous haute pression assure la lubrification de la crapaudine 10 et du palier supérieur 14, situé dans le boîtier de moteur 3 par les conduites de lubrification sous haute pression 31 et 32. La partie principale du
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système de dosage de lubrifiant sous haute pression est constituée par une pompe à huile à piston 33, qui crée une pres- sion depassant la pression interne dans la cuve de réaction.
Cette pompe à huile à piston 33 constitue un élément de lubrification deja connu dans la technique des compresseurs à haute pression. Le système de dosage de lubrifiant sous haute pression fait appel à un certain nombre de pompes à huile ä piston 33, correspondant au nombre de paliers à lubri-
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fier. La pompe à huile a piston 33 contient l'huile prove- nant d'un reservoir d'huile 34 et est entrainée par un moteur électrique d'entraînement 35, par l'intermédiaire d'une transmission non représentée. Dans les conduites de lubri- fication sous haute pression 31,32, sont incorporées au moins une. et, de préférence, deux vannes de pied, qui assurent le rempJissage permanent des conduites et empêchent les obstructions éventuelles.
D'autre part, le système comporte évidemment encore des vannes d'arrêt 37 et un manomètre 38. L'importance de la solution conforme à 1a présente invention sera démontrée ci-après, à l'aide d'exemples d'essais.
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Exemple 1 Dans trois cuves de réaction à haute pression pour la poly-
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nerisation de l'éthylène, on a dû remplacer, cn moyenne, cha- que année 20 arbres mélangeurs et moteur5 électriques d'en- trainement au cours des cinq dernières années dans la firme hongroise Tiszai Vegyi Kombinat. La durée de service moyenne d'un arbre mélangeur a été de 1184 heures de fonctionnement.
Pendant cette période de service, la valeur la plus faible a été 123 heures, tandis que la valeur la plus grande a ete de 2736 heures. Les temps d'arrêt provoqués par le remplacement de l'arbre mélangeur et du moteur d'entrainement ont atteint, en moyenne, 15, 3 heures. Sans modifier les paliers, on a ajouté un système de dosage de lubrifiant sous haute pression et. on a créé les conditions pour que le palier de l'arbre mélangeur et du moteur electrique d'entralnement puisse être lubrifié directement.
Suivant le type de lubrifiant, on a pu réaliser un doublement, voire un triplement, de la durée de vie des paliers.
Exemple 2 La solution technique décrite ? l'exemple 1 a été modifiée de manière Åa ce que la crapaudine/palier de l'arbre mélangour de la cuve de réaction soit remplacée par un palier glissement en métal dur. Pour lubrifier le palier du moteur et de l'arbre mélangeur, on a utilisé un melange d'huile blanche et de polybutane.
Après 6200 heures de fonctionnement, le moteur d'entra ! ne- ment a dû être remplacé à cause d'un défaut au palier. Après 1050 heures de fonctionnement, le palier à glissement en me- tal dur a été démonté en vue de sa vérification. Après cette vérification, le palier à glissement en metal dur ayant déjà fonctionné pendant 10. 500 heures, a été monté à nouveau.
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La cuve de raction a fonctionne ensuite pendant une periode e 6500 heuros, avec lubrification des paliers du moteur assurée en continu par une pompe d'huile de lubrification sous
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haute pression, le palier à glissement en métal dur de l'ar- bre mélangeur de la cuve de réaction étant exclu du dosage de lubrifiant et sa lubrification propre étant assurée par le polYéthylnc fondu pro.'it dans la cuve de réaction. Pendant cette période, le moteur du mélangeur a dû être remplacé après 5950 heures, a cause d'une défectuosité des paliers du moteur.
Exemple 3 Dans la cuve de polymerisation, on a monté un palier de crapaudine en métal dur, tandis que le moteur était conto avec des paliers à roulement ordinaires. Les trois paliers ont été lubrifiés au moyen d'un lubrifiant à base de polyalcoolglycol. Après 23. 623 heures de fonctionnement, le palier à glissement en metal dur a été démonté aux fins de vérification. Ceci a permis de constater que son état technique était encore satisfaisant. Au cours de la période de fcnctionnement précitée du palier à glissement en métal dur, 12 moteur d'entraînement a dû être remplac@ quatre fois.