2021年第5期广东化工
第48卷总第439期 · 149 · Novolen聚丙烯工艺中反应器的发展历程
张荣1，蒋生祥1，叶天洲2,3，张利军1，王健1，黄正梁2,3，孙婧元2,3*，王靖岱2,3
(1．国能宁夏煤业集团有限责任公司，宁夏银川750011；
2．浙江大学化学工程联合国家重点实验室，浙江杭州310027；3．浙江大学化学工程与生物工程学院，浙江杭州310027) [摘要]本文从撤热方式和结构设计两方面介绍了Novolen聚丙烯工艺中反应器的发展历程。对于撤热方式，在从淤浆法到气相法聚丙烯工
艺的沿革中，其撤热方式均为利用单体作为撤热介质、不断在反应器与冷却系统之间循环。对于反应器结构设计，Novolen工艺始终采用搅拌反应器，但开发了不同型式的搅拌桨以使粉体和催化剂均匀混合，并设计了气体分布器防止死区产生。不再困惑
[关键词]Novolen聚丙烯工艺；反应器；撤热；结构
[中图分类号]TQ [文献标识码]A [文章编号]1007-1865(2021)05-0149-02
Development History of Reactors for the Novolen Polypropylene Process Zhang Rong1, Jiang Shengxiang1, Ye Tianzhou2,3, Zhang Lijun1, Wang Jian1, Huang Zhengliang2,3, Sun Jingyuan2,3*, Wang Jingdai2,3
抖音歌(1. Chn Energy Ningxia Coal Industry Co., Yinchuan 750011；
2. State Key Laboratory of Chemical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027；
3. College of Chemical and Biological Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)
Abstract: This review introduces the development history of reactors for the Novolen polypropylene process from two aspects, the heat removal and reactor
structure design. For the heat removal, the monomer is always utilized as heat transferring medium
both in slurry method and gas-pha
method polypropylene process, circulating between the reactor and the cooling system. For the reactor structure design, stirring reactors are continuously applied in the Novolen process. Different stirring paddles have been developed to make the powder and catalyst particles uniformly mixed, and a gas distributor has been designed for preventing dead zones.
Keywords: Novolen polypropylene process；reactor；heat removal；structure
1 引言
聚丙烯(PP)是一种性能优良的热塑性合成树脂，世界五大通
用合成树脂之一，是国民经济建设和生产生活的重要原材料，广
泛应用于农业、包装、电子、电气、汽车、机械、日用品等领域。
Novolen气相法聚丙烯工艺采用独特的单螺带搅拌反应器，在所
有的聚丙烯生产工艺中独具一格。本文从工业生产需求出发，分
析了Novolen工艺发展过程中所开发的反应器类型及操作方式。
2 撤热方式
反应器的撤热能力直接决定了装置的时空产率。丙烯聚合是
一类强放热反应，实现聚丙烯的工业化生产，需要解决的首要问
题是如何高效撤热。1956年，BASF公布了一种将过量单体溶解
在溶液中并在反应时单体蒸发吸热的撤热方法[1]，如图1所示。
在该方法中，使用压缩机C将压力为P0的单体送入压力为P1的
储罐A，并用泵E进行大流量循环使A内达到溶解平衡，溶解热
由换热管F移出。催化剂浆液通过泵B注入A。随后将饱和液体
送入压力为P2的反应器H，反应时多余的单体从溶液中蒸发吸
热，经过阀门K回到A，反应后的混合物从管线J排出。该撤热
宋词名句
方法虽用于淤浆法聚合，但将单体作为撤热介质的核心思路在后
来的气相聚合的撤热方法得到了延续。
(a)P1＜P2时单体通过泵G输送；(b)P1＞P2时单体通过减压阀L输送
图1 淤浆法单体蒸发撤热流程示意图[1]
Fig.1 Schematic diagram of heat removal by monomer evaporation in slurry polymerization
上述撤热方法很快就被弃用，原因在于用于溶解单体和分散
催化剂的溶剂在聚合时使反应混合物体系无法正常沸腾，导致撤
热出现困难。BASF提出的替代方法使用淤浆法聚合，仍利用反
形容精致的成语
应单体撤热，但不溶解在溶液中[2]。反应时将多余的单体从反应
器抽出，经压缩机压缩后通过换热器冷却，然后经过节流膨胀阀
重新进入反应器。该撤热方式特别适合于控制乙烯和丙烯的低压
聚合反应中的热量排放，从而获得很高的时空产率。
BASF在1960年首次公开的气相法聚烯烃方法的撤热方式为
上述方法的延续[3]，图2展示了该方法的流程与布局。气相法聚
合中，由于没有高粘溶剂，固体催化剂和生成的聚合物粉末会逐
渐填充在床层下部，不利于聚合反应，因此使用锚式搅拌桨使聚
合物粉体连续运动，防止聚合物粉末堆积产生热点。
1975年，BASF将上述气相聚合撤热方法进行了改进，公开
了一种特别适合于丙烯的聚合方法[4]。改进方法将循环单体完全
冷凝为液体并重新注入反应器进行高灵敏度的温度控制。反应器
内部的温度控制采用负反馈机制：温度测量控制着冷凝液注入量，
温度过高增加注入量，过低则减少注入量，因此温度控制变得十
分灵敏。图3展示了三种循环系统布局方式和冷凝液进料量控制
孝顺竹方式。
饺克力[收稿日期] 2021-01-18
[作者简介] 张荣(1982-)，男，宁夏人，本科，主要研究方向为聚丙烯生产工艺及质量技术。*为通讯作者。
广 东 化 工 2021年 第5期
· 150 · 第48卷 总第439期
图2 采用锚式搅拌桨的气相法撤热方式的流程布局[3]
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Fig.2 Process layout of heat removal in gas pha method using anchor agitator
(a)温度控制器控制泵转速调节循环冷凝液量；(b)温度控制器控制阀门开度调节循环冷凝液量；(c)重力差和阀门开度调节循环冷凝液量
图3 循环冷凝液量调控与冷凝系统布局方式[4]
Fig.3 Condensate circulating flux control and circulating system layout
随着聚丙烯产品的不断发展，共聚物展现出更为优良的特性。而生产共聚物则需要采用氢气调节熔指。1982年，BASF 对外部冷凝循环系统进行改进，增加了不凝气回流管线[5]。当利用氢气来调节熔指时，循环系统中必然有不凝气，因此增加了气相循环支路。
至此，有关Novolen 工艺的撤热方式改进基本完善，后续专利主要集中于聚丙烯产品的开发，比如无规共聚物，高抗冲聚丙烯等。
3 反应器
图4 单螺带搅拌反应器[7]
Fig.4 Single helical ribbon stirred reactor
BASF 首次应用的气相搅拌反应器采用顶伸式搅拌桨[3]。该搅拌桨的特点为循环单体进料口安装在锚式桨的轴上，与锚式桨一同旋转。进料口为一射流喷嘴，当搅拌桨旋转时，高速气体或液体射流进入反应器，射流方向与搅拌轴成锐角，保证单体射流倾斜向上。1970年，BASF 提出了一种改进的锚式桨[6]。
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此外，BASF 在工业反应器中采用带有气体分布器的单螺带搅拌桨完成整个粉末床层的恒定循环以确保催化剂和气相单体有效分配，避免局部过热[7]，如图4所示。从轮毂到螺带第一圈之间的过渡段，安装气体分配螺旋器6，改变进料气流的方向。气体从搅拌轴4和搅拌轴孔之间的间隙进入后沿着螺旋器6立即被分散到反应器的整个横截面上。由于螺带的输送作用，固体颗粒沿壁面向上运动，在床层中间向下运动，形成大流量循环。轮毂上的不对称偏心圆锥体7防止了颗粒堆积，因此螺带和轮毂之间的背风侧不会形成滞留区。螺带顶端逐渐变窄，类似楔形，避免料位面颗粒在螺带尾端沉积。
4 结语
Novolen 工艺工业应用时间早，是现在全球范围内广泛使用的聚丙烯工艺中历史最悠久的工艺。从开始应用至撤热方式和反应器的定型，经历了近20年的发展，可见其技术积累之深厚。但20世纪90年代以前Novolen 工艺长期使用第二代Ziegler-Natta 催化剂，导致发展缓慢，直至BASF 引进高效催化剂后才提升了反应器生产能力。随着国产催化剂的进一步发展，Novolen 工艺有望实现全范围聚丙烯产品牌号的开发，特别在打破国外垄断的高端牌号领域，具有极大的发展潜能。
参考文献
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[2]Karl Wisroth ，Walter Pietsch ，Ernst-Guenther Kastning ．Method of carrying out polymerization process[P]．US3350376，1967
[3]Karl Wisroth ，Hans-Georg Trieschmann ，Heinrich Weber ．Method for carrying out polymerization process[P]．US3256263，1966．
[4]Hans-Georg Trieschmann ，Karl-Heinz Ambil ，Wolfgang Rau ，Karl Wisroth ．Method of removing heat from polymerization reactions of monomers in the gas pha[P]．US4012573，1977．
[5]Wolfgang Rau ，Helmut Klamann ，Peter Hennenberger ．Preparation of propylene homopolymers or copolymers[P]．US4442271，1984．
[6]Karl Wisroth ，Richars Scholl ．Anchor-agitator[P]．US3545729，1970． [7]Wolfgang Lenart ，Wolfgang Rau ，Hubertus Baron ．Spiral stirrer unsupported at one end[P]．US4188132，1980
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(本文文献格式：张荣，蒋生祥，叶天洲，等．Novolen 聚丙烯工艺中反应器的发展历程[J]．广东化工，2021，48(5)：149-150)
