DD255089A5 - Mischvorrichtung fuer hochdruck-polymerisationstankreaktoren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Mischvorrichtung für Hochdruck-Polymerationstankreaktoren, insbesondere für Reaktoren zur Polymerisierung von Äthalen. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass mindestens das Spurlager 10 der Mischwelle 8, jedoch vorzugsweise alle Lager 10,14,15 des Antriebsmotors 13 und der Mischwelle 8 der Mischvorrichtung als Hartmetall-Gleitlager oder als hartmetallbeschichtetes Gleitlager ausgebildet sind. Die Schmierung der Lager wird vorzugsweise durch ein Hochdruck-Schmiermitteldosiersystem gesichert. Fig. 1.{Äthylen, Hochdruckpolymerisation, Polymerisationsreaktor, Mischvorrichtung, Mischwelle, Mischwellenlagerung, Antriebsmotorlager, Lagerstandzeit, Hartmetalllager, Hochdruckschmiersystem}

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Mischvorrichtung für Hochdruck-Polymerisationstankreaktoren, welche eine im Reaktor senkrecht angeordnete, zumindest an ihrem unteren Ende gelagerte Mischwelle und einen die Mischwelle drehenden elektrischen Antriebsmotor aufweist, wobei die Antriebswelle des Antriebsmotors mit der Mischwelle in einer Linie liegen.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Eines der am weitesten verbreiteten Kunststoffe ist das unter Hochdruck hergestellte Polyäthylen mit geringer Dichte. In letzten Jahren verringerten sich zwar die prozentualen Anteile von Hochdruckpolyäthylen, da Verfahren zur Herstellung von Polyäthylen unter Verwendung von Niederdruck mit geringem spezifischem Energieverbrauch und geringeren Investitionskosten entwickelt wurden. Trotzdem bestehen auch noch heute eine Reihe von Firmen, die Polyäthylen unter Hochdruck herstellen.

Bei der Herstellung von Hochdruckpolyäthylen wird die Polymerisation von Äthylen in einem Rohrreaktor bzw. in einem mit einer Mischvorrichtung versehenen Tankreaktor im allgemeinen unter einem Druck von 1 500—3500 bar durchgeführt. Beide Reaktortypen zur Polymerisation sind mit Vor- und Nachteilen behaftet.

Das Wesen des zuletzt genannten Reaktortyps, d.h. des mit einer Mischvorrichtung versehenen Tankreaktors, besteht darin, daß in einem Reaktor mit einer außerordentlich dicken Wandung und einem Volumen von 250—1 500 Liter das Äthylengemisch und das unter Einwirkung von Peroxyden unter Hochdruck entstehenden Polyäthylen mit einer zu diesem Zweck ausgebildeten Mischvorrichtung intensiv so gemischt werden, daß eine örtliche Übererwärmung im Reaktor verhindert wird. Das Äthylen wird kontinuierlich in den Reaktor eingeführt, während das Gemisch von Reaktionsprodukt und Äthylen kontinuierlich abgeleitet

Aus technischen, insbesondere maschinenbautechnischen Gründenjst die Lagerung und der Antrieb der Mischwelle der meisten mit Mischvorrichtung versehenen Hochdruckreaktoren so ausgebildet, daß die Mischwelle und der Elektromotor zusammen mit den insgesamt drei oder vier Lagerstellen innerhalb des Hochdruckreaktors angeordnet sind.

Es sind weiterhin solche technischen Lösungen bekannt, bei denen die Mischwelle über ein spezielles Stopfbüchsensystem aus dem Hochdruckreaktor herausgeführt ist. Somit ist auch deren Lagerung und der Antrieb außerhalb des Reaktors angeordnet.

Für die Lager der Mischwelle des Reaktors und des Antriebsmotors der Mischwelle werden speziell ausgebildete und dimensionierte Wälzlager eingesetzt. Die Schmierung wird im allgemeinen durch in Äthylen gelöste Schmierstoffe, in der Regel Weißöle, genauer Weißölspuren, gesichert. Alternativ hierzu sind die im Reaktorkörper befindlichen Lager derart ausgebildet, daß diese mittels der im Reaktor entstehenden Polyäthylen-Schmelze geschmiert werden.

Es sind einige Lösungen bzw. Experimente bekannt, bei denen zur Erreichung einer größeren Lebensdauer der Lager Weißöl direkt in die Lager eingeführt wird. Diese Experimente ergaben kein nennenswertes Resultat, da das Hochdruckäthylen diese Schmieröle sehr schnell löst und sich infolgedessen kein entsprechender Schmierfilm in den Wälzlagern ausbilden kann. ' Die unbefriedigende Lebensdauer der Lager der Mischvorrichtung ergibt sich neben ihrer komplexen Inanspruchnahme in erster Linie daraus, daß sich an den Wälzlagern des Motors feines Polyäthylenpulver ablagert, das einen zusätzlichen Verschleiß hervorruft. Daneben wird die Effektivität der Schmierung durch den Umstand stark eingeschränkt, daß zur Schmierung dieser Lager nur solche Schmiermittel verwendet werden können, die keine Verfärbung des Polyäthylens hervorruft oder dessen Eigenschaften nachteilig beeinflussen.

Daraus ergibt sich, daß die Äthylenpolymerisationsbetriebe verhältnismäßig häufig, im allgemeinen nach etwa 1 200 bis 1 500 Betriebsstunden infolge des Schadhaftwerdens der Mischwelle oder der Motorlager zum Stillstand kommen. Dann wird der Reaktor auseinandermontiert, gesäubert und eine mit neuen Lagern versehene Mischwelle und ein neuer Antriebsmotor eingebaut. Danach wird der Reaktor gelüftet, aufgewärmt und einer Druckprobe unterworfen. Werden alle geprüften Parameter erreicht, wird der Reaktor erneut in Betrieb gesetzt.

Dieser unerwünschte Betriebsstillstand kann in Abhängigkeit von den konkreten Umständen 12-14 Stunden andauern.

Durchschnittlich wird die Mischwelle je Polymerisationskolonne sechs- bis achtmal gewechselt. Was jedesmal mit einem bedeutenden Produktionsausfall verbunden ist.

In den Fällen, in denen zur Steigerung der Kapazitätseinheiten zwei Reaktoren parallel oder in Reihe betrieben werden, ist mit noch höheren Ausfallzeiten zu rechnen.

Bei Reaktoren, bei denen die Lagerung des Antriebsmotors und der Mischwelle außerhalb des Hochdruckreaktors angeordnet ist, sind bessere Lösungen zur Schmierung verwendbar, da die Gefahr der Verunreinigung des Polyäthylens durch das Schmiermittel nicht besteht. Eine wesentlich vorteilhaftere Zykluszeit für den Mischwellenaustausch kann jedoch auch bei diesen Lösungen nicht erreicht werden, da sich die Lebensdauer der Wälzlager infolge der komplexen Beanspruchung und der bei der Mischwelle zeitweise auftretenden Vibrationen nicht erhöht. Gleichzeitig erfordern die sich aus der Herausführung der Mischwelle aus dem Reaktor ergebenden Probleme zur Gewährleistung der Dichtigkeit komplizierte uM kostenaufwendige technische Lösungen.

Unter Berücksichtigung des aktuellen Standes der Technik kann festgestellt werden, daß zur Zeit keine technische Lösung bekannt ist, mit der die Zyklusdauer für die notwendigen Auswechselungen der Mischwelle und des Antriebsmotors bedeutend verlängert werden können.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, durch Erhöhung der Lagerstandzeiten einen wesentlich längeren, kontinuierlichen Reaktorbetrieb zu erreichen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Lagerung für die Mischwelle und den Antriebsmotor in einen Hochdruck-Polymerisationstankreaktor anzugeben.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zumindest das untere Lager der Mischwelle ein Hartmetall-Gleitlager

oder ein Gleitlager mit Hartmetallbeschichtung ist. ·

Durchgeführte Experimente haben ergeben, daß durch den Einsatz von Hartmetall-Gleitlagern die Lebensdauer der am stärksten beanspruchten Spurlager sprunghaft ansteigt und dadurch ein Austausch schadhafter Lagerund die damit verbundene Betriebsstillsetzung praktisch wegfallen.

Es ist vorteilhaft, alle Lager der Mischvorrichtung, d. h. auch die Lager des Antriebsmotors als Hartmetall-Gleitlager auszubilden.

Dadurch kann an allen empfindlichen Lagerstellen der Mischvorrichtung eine lange Lebensdauer gewährleistet werden, wodurch auch für eine große Zeitdauer der kontinuierliche Betrieb des Reaktors gesichert wird.

Die Schmierung der Spurlager der Mischwelle erfolgt mit der im Reaktor hergestellten Polyäthylen-Flüssigkeit. Die übrigen Lager werden durch ein mittels Äthylengas eingeführtes Schmiermittel oder durch ein anderes unabhängiges, zirkulierendes Zwangsschmierölsystem geschmiert.

Aus sicherheitstechnischen Gründen und aus Gründen der Betriebszuverlässigkeit ist es im Sinne der Erfindung besonders vorteilhaft, wenn die Lager der Mischvorrichtung mit einem Hochdruck-Schmiermitteldosierersystem zur unmittelbaren Zuführung von Weißöl und/oder synthetischem Öl oder deren Gemische verbunden sind. Das Schmiersystem ist vorzugsweise mit Hochdruckschmierelementen, beispielsweise einer Kolbenölpumpe ausgerüstet, die einen den inneren Druck des Reaktors überschreitenden Druck von 1 500-3500 bar erzeugt.

Die verwendeten Schmiermittel sichern dank eines geringen Reibungskoeffizienten einen geringen Verschleiß und beeinflussen darüber hinaus die Qualität des Produktes nicht nachteilig. Sie sind nicht giftig und werden nur in geringen Mengen verwendet.

Diese Schmierstoffe sind weiterhin bei der Herstellung von mit Nahrungsmitteln in Berührung kommenden Produkten zugelassen.

Die zu verwendenden Schmiermittel sind in Abhängigkeit von dem Verwendungsgebiet des Polyäthylens immer so auszuwählen, daß die einzelnen Eigenschaften des Fertigproduktes nicht nachteilig beeinflußt werden.

Unter Berücksichtigung der obigen Ausführungen können als Schmiermittel Weißöl'e, Polybuthäne, Polyisobuthyläne, Polyalkylglykole, Silikone, halogenierte synthetische Schmierstoffe, die Gemische der obigen, miteinander mischbaren Stoffe und deren mit Zusatzstoffen versehene Modifizierungen verwendet werden.

Die erfindungsgemäße Lösung ist in erster Linie deswegen für den Fachmann überraschend, da Gleitlager unter Hochdruckbedingungen, bei Vorhandensein von gefährlichen Gütern und in einem weiten Temperaturbereich eingesetzt werden. Unter diesen Bedingungen muß das Gleitlager eine entsprechende Anpassung besitzen und für eine ausreichende Wärmeableitung gesorgt werden. Diese Forderungen sind bei der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung, insbesondere durch den Anschluß an ein Hochdruck-Schmiermitteldosiersystem vollständig erfüllt.

Die Verwendung der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung ist mit einer Reihe von Vorteilen verbunden.

Durch die Erhöhung der Zykiusdauer für den Austausch der Mischwelle und des Antriebsmotors wird eine Mehrproduktion an Polyäthylen erreicht.

Infolge des Wegfalls der Stillsetzung, der erneuten Inbetriebsetzung der Polymerisationskolonnen, sowie der Lüftung des Reaktors und der dazugehörigen Vorrichtungen kann eine Einsparung an Äthylen erreicht werden.

Das nach der erneuten Inbetriebsetzung nach Austausch der Mischwelle und/oder des Motors entstehende, sogenannte Anfangsprodukt schlechter Qualität entfällt.

Die intensive Ausnutzung der Polymerisationskolonnen wird verbessert, was zu einer spezifischen Verringerung der festen Kosten (wie z. B. Arbeitslohn, Amortisations- und Instandhaltungskosten usw.) und einer Verringerung der Selbstkosten der Polyäthylenproduktion führt.

Die bessere Ausnutzung der Kapazität der Polymerisationskolonnen führt zu einer Material- und Energieeinsparung und ermöglicht eine bessere Reproduzierbarkeit der Qualität des Fertigproduktes.

Durch die erfindungsgemäße Lösung verringert sich die Anzahl der nach dem Austausch der Mischwelle bzw. des Motors erforderlichen Inbetriebsetzungen, wodurch die Stillstandszeit, die während der Inbetriebsetzung der Polymerisationskolonnen durch Defekte an sonstigen maschinellen, gerätetechnischen und elektrischen Einrichtungen vorkommen kann, weiter verringert werden.

Der Einsatz von Hartmetall-Gleitlagern ermöglicht, daß die Polymerisationsreaktoren nur für sicherheitstechnische Überprüfungen anmontiert werden müssen, und das demontierte Gleitlager nach der Kontrolle erneut eingebaut werden kann.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: den Längsschnitt durch einen Tankreaktor zur Polymerisation von Äthylen mit der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung,

Fig.2: den Schnitt durch die untere Lagerung der Mischwelle in vergrößerter Darstellung, Fig. 3: den Aufbau des Hochdruck-Schmiermitteldosiersystems der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist die erfindungsgemäße Mischvorrichtung senkrecht in einem Hochdrucktankreaktor 1 für die Polymerisation eingebaut. Der Hochdrucktankreaktor 1 besteht aus vier Hauptteilen. Einem zylinderförmigen Reaktorkörper 2 mit dicker Wandung, einem darüber angeordneten Motorgehäuse 3 und einem, den Hochdrucktankreaktor 1 nach oben abschließenden oberen Deckel 4 bzw. den Hochdrucktankreaktor 1 nach unten abschließenden unteren Deckel 5. Der Reaktorkörper 1 bzw. das Motorgehäuse 3 ist mit mindestens einem Stutzen 6 zur Zuführung von Äthylengas versehen. Der Reaktorkörper 2 ist von einem Kühlmantel 7 umgeben. Darüber hinaus verfügt der Hochdrucktankreaktor 1 natürlich über eine Reihe weiterer Konstruktionselemente (Stutzen, Armatur usw.), die zum Zwecke einer besseren Übersicht nicht dargestellt sind und auch nicht zum Wesen der Erfindung gehören. In der Mittelachse des Reaktorkörpers 2 ist die Mischwelle 8 der Mischvorrichtung angeordnet, welche gegebenenfalls mit einer gekerbten Oberfläche und an einigen Stellen mit Mischschaufeln 9 versehen ist. Die Mischwelle 8 ist unten auf einem Spurlager 10 gelagert, das erfindungsgemäß ein Hartmetall-Gleitlager, gegebenenfalls ein Gleitlager mit Hartmetallbeschichtung ist. Das Spurlager 10 wird durch ein Hochdruck-Schmiermitteldosiersystem geschmiert, das nachstehend näher beschrieben wird. Als Schmiermittel wird die über dem Lager vorhandene Polyäthylen-Schmelze eingesetzt, die unten durch den Auslaßstutzen 11 aus dem Reaktor entweicht. Die Mischwelle 8 wird über eine Keilwelle 12 von einem elektrischen Antriebsmotor 13 angetrieben, dessen Welle mit der Mischwelle 8 in einer Achslinie liegt. Der Antriebsmotor 13 besitzt ein oberes Lager 14 und ein unteres Lager 15. Diese Lager 14, 15 können spezielle Wälzlager sein."Eine längere Lebensdauer wird jedoch auch hierdurch ein aus Hartmetall gefertigtes Gleitlager erzielt. Die Lebensdauer der Lager 14,15 kann dadurch weiter erhöht werden, wenn die Schmierung nicht nur durch ein mittels Äthylengas eingeführtes Schmiermittel, sondern ebenfalls durch das Hochdruck-Schmiermitteldosiersystem erfolgt, dessen Einlaßstutzen 16 im oberen Deckel 4 angeordnet ist.

Das Spurlager 10 — Fig. 2—, in dem das untere Ende der Mischwelle 8 gelagert ist, ist in einem am unteren Deckel 5 befestigten und aus mehreren Teilen bestehendem Lagergehäuse 17 untergebracht. Der Rotor 18 des Spurlagers 10 ist mittels einer Senkschraube 19 mit der Mischwelle 8 verbunden und gleitet auf der waagerechten Fläche 20 bzw. an der senkrechten Fläche 21 des festen Lagerteiles 22. Zur Schmierung des Spurlagers 10 ist im unteren Deckel 5 eine Bohrung 23 ausgebildet, an die sich über eine Dichtung 24 eine im Lagergehäuse 17 ausgebildete Bohrung 25 anschließt. Die Bohrung 25 ist über eine mit einem Dichtungskegelring versehene Holländerverbindung 26 mit einer Leitung 27 verbunden, die das Schmiermittel in das Lagerspiel zwischen dem Rotor 18 und dem unbeweglichen Teil 22 leitet, und zwar dorthin, wo die im Lagergehäuse 17 ausgebildete Durchströmungsöffnung 29 für die Polyäthylenschmelze ausgebildet ist. An die Öffnung 29 schließt sieh eine im unbeweglichen Teil 22 ausgebildete Bohrung 30 an, über die das Produkt zum Auslaßstutzen 11 gelangt.

Die Schmiermittelzuführung kann auch so gelöst werden, daß das Schmiermittel über entsprechende Bohrungen im Lagergehäuse 17 und im beweglichen Teil 27 direkt zu den Lagerflächen 20 und 21 geleitet wird.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, sichert das Hochdruck-Schmiermitteldosiersystem die Schmierung des Spurlagers 10 und des im Motorgehäuse 3 befindlichen oberen Lagers 14 über Hochdruckschmierleitungen 31 bzw. 32. Der wichtigste Teil des Hochdruck-Schmiermitteldosiersystems ist eine Kolbenölpumpe 33, die einen den inneren Druck des Reaktors überschreitenden Druck erzeugt. Derartige Kolbenölpumpen 33 sind aus Schmiersystemen für Hochdruckkompressoren bereits bekannt. In dem Hochdruck-Schmiermitteldosiersystem wird eine der Anzahl der zu schmierenden Lager entsprechende Anzahl von Kolbenölpumpen 33 verwendet. Die Kolbenölpumpe 33 erhält das Öl aus dem Ölbehälter 34 und wird über ein nicht dargestelltes Getriebe von einem elektrischen Antriebsmotor 35 angetrieben. In den Hochdruckschmierleitungen 31,32 sind mindestens ein, vorzugsweise jedoch zwei Fußventile 36 eingebaut, welche zur Sicherung des gefüllten Zustandes der Leitungen bzw. zur Verhinderung von eventuellen Verstopfungen dienen. Darüber hinaus sind natürlich in dem System noch Verschlußventile 37 und Druckmesser 38 eingebaut

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung werden anhand der nachstehenden Beispiele verdeutlicht.

Beispiel 1

Bei drei Hochdrucktankreaktoren für die Polymerisierung von Äthylen mußten in den letzten fünf Jahren im Durchschnitt zwanzig Mischwellen und elektrische Antriebsmotoren pro Jahr ausgetauscht werden. Die durchschnittliche Betriebszeit der Mischwelle betrug 1184 Betriebsstunden. Innerhalb dieser durchschnittlichen Betriebszeit war der kleinste Wert 128 Betriebsstunden, während der größte Wert 2736 Betriebsstunden betrug. Die sich infolge des Austausches von Mischwelle und Antriebsmotor ergebende Stillstandszeit betrug im Durchschnitt 15,3 Stunden.

Bei unveränderter Lagerung wurde ein Hochdruck-Schmiermitteldosiersystem eingebaut und die Voraussetzungen dafür geschaffen, daß die Lager der Mischwelle und des elektrischen Antriebsmotors direkt geschmiert werden.

In Abhängigkeit von dem verwendeten Schmiermittel konnte eine zwei- bis dreifache Lebensdauer der Lager erreicht werden.

Beispiel 2

Die in Beispiel 1 beschriebene technische Lösung wurde derart modifiziert, daß das Wälzspurlager der Mischwelle des Reaktors durch ein Hartmetall-Gleitlager ersetzt wurde. Zur Schmierung der Motorlagerund der Mischwelle wurde ein Gemisch von Weißöl und Polybutan verwendet.

Nach 6200 Betriebsstunden mußte der Antriebsmotor wegen schadhafter Lager ausgetauscht werden. Nach 10500 Betriebsstunden wurde das Hartmetall-Gleitlager zur Überprüfung ausgebaut. Nach Überprüfung konnte das bereits 10500 Stunden gelaufene Hartmetall-Gleitlager erneut eingebaut werden.

Danach wurde der Reaktor für eine Zeitdauer von 6500 Stunden so betrieben, daß die Motorlager mit Hilfe der Hochdruck-Schmierölpumpe kontinuierlich geschmiert wurden, während zurSchmierung des Hartmetall-Gleitlagers der Mischwelle die im Reaktor entstehende Polyäthylen-Schmelze eingesetzt wurde. Nach 5950 Betriebsstunden mußte der Antriebsmotor für die Mischwelle auf Grund schadhafter Lager erneut ausgetauscht werden.

Beispiel 3

In den Polymerisationsreaktor wurde ein Hartmetall-Spurgleitlager für die Mischwelle und ein Antriebsmotor mit herkömmlichen Wälzlagern eingebaut.

Alle drei Lagerungsstellen wurden mit einem Polyalkolglykol-Schmiermittel geschmiert. Nach 23623 Betriebsstunden wurde das Hartmetall-Gleitlager zur Kontrolle herausmontiert. Dabei konnte festgestellt werden, daß dessen technischer Zustand befriedigend war. Während der obigen Laufzeit des Hartmetall-Gleitlagers mußte der Antriebsmotor viermal ausgetauscht werden.

Claims (3)

1. Mischvorrichtung für Hochdruck-Polymerisationstankreaktoren mit einer im Reaktor senkrecht angeordneten, zumindest an ihrem unteren Ende gelagerten Mischwelle und einem die Mischwelle drehenden elektrischen Antriebsmotor, wobei die Antriebswelle des Antriebsmotors und die Mischwelle in einer Achslinie angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens das untere Lager (10) der Mischwelle (8) als Hartmetall-Gleitlager oder als hartmetallbeschichtetes Gleitlager ausgebildet ist.

2. Mischvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Lager (10,14,15) der Mischwelle (8) und des elektrischen Antriebsmotors (13) als Hartmetall-Gleitlager oder hartmetallbeschichtete Gleitlager ausgebildet sind.

3. Mischvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lager (10,14,15) der Mischvorrichtung mit einem Weißöl und/oder einem synthetischen Öl oder deren Gemische geschmiert und zur Zuführung des Schmiermittels mit einem Hochdruck-Schmiermitteldosiersystem verbunden sind, das mit einer oder mehreren Kolbenölpumpen (33), die einen den inneren Druck des Reaktors überschreitenden Druck erzeugen, ausgestattet ist.