Study of sorption, heat and mass transfer during condensed mode operation of gas phase ethylene polymerization on supported catalyst

La polymérisation de l'éthylène en phase gaz en présence d'un système catalytique supporté en réacteurs à lit fluidisés reste le procédé le plus utilisé pour la production de polyéthylène à basse densité linéaire. De plus, dans le cas du polyéthylène à haute densité, celui-ci représente également une part non négligeable des plants de production à travers le monde. Le procédé en phase gaz offre de nombreux avantages dont un coût d'exploitations inférieures et une flexibilité supérieure en termes de production des différents types de polymères comparé aux autres procédés conventionnels. Cependant, au regard de la nature exothermique de la réaction de polymérisation, la vitesse de la production du polymère dans ces réacteurs est limitée par la vitesse à laquelle la chaleur produite par la réaction peut être évacuée. Si le réacteur ne permet pas l'évacuation de cette chaleur, l'augmentation de la vitesse de production résulterait en une croissance dramatique de la température au sein du réacteur et, par conséquent, à la fusion et l'agglomération du polymère, et finalement à l'arrêt du réacteur. Dans ce cas, dans le but d'avoir une vitesse de production plus importante, il est possible d'utiliser le réacteur susnommé en tant que mode d'opération condensé. Dans le cas de ce mode d'opération, le flux d'alimentation de la phase gaz du réacteur contient non seulement de l'éthylène, de l'azote, de l'hydrogène, et éventuellement un comonomère, mais également un agent condensant inerte (ACI) tels que le pentane ou l'hexane. Dans cette configuration, le flux d'alimentation est en partie liquéfié dans un échangeur de chaleur externe en le refroidissant sous le point de rosée du gaz. Par vaporisation de la phase liquide dans le réacteur, une quantité plus importante de chaleur peut être retirée de l'environnement du réacteur grâce à la chaleur latente associée à la vaporisation. Cela permet d'obtenir un rendement plus élevé de l'espace pour ce réacteur et par conséquent une vitesse de production supérieureIn the current thesis study it is intended to investigate the potential effect of the inert condensing agent (ICA) of n-hexane used in condensed mode operation on the solubility of ethylene in produced polyethylene (PE) and consequently the quality and rate of gas phase ethylene polymerization on supported catalyst under reactive conditions. This is the first time for such a study. Performing the set of designed polymerization reaction experiments using a lab-scale stirred-bed gas phase reactor, it is observed that the instantaneous rate of ethylene polymerization increases in the presence of n-hexane, thus supporting the initial speculation of the effect of n-hexane on the enhancement of the ethylene solubility in polymer known as “cosolubility” phenomenon. In order to have a better picture and understanding, the averaged instantaneous rate of polymerization in presence of n-hexane is normalized with the one without any n-hexane. Consequently, this helps to see that while the effect of n-hexane increases proportionally to its partial pressure in the gas phase composition, this effect is more pronounced at the initial steps during the course of polymerization. In the current thesis study for the first time, the Sanchez-Lacombe EOS as one of the most widely applied thermodynamic models in polymer industry is adapted and developed in order to study not only the solubility but also concentration of ethylene in polyethylene in the absence and presence of an inert condensing agent in order to quantify the speculated cosorption phenomenon under the reactive polymerization condition. By incorporating this thermodynamic model to describe the solubility of ethylene in polymer into a single particle model like Polymer Flow Model (PFM) to estimate the concentration and temperature gradient through a growing polymer particle, it is ultimately attempted to predict the effect of change in the process operating condition by addition of n-hexane as the ICA to the gas phase composition. Finally in the current thesis study, it is demonstrated how the thermal effect associated with the heat of sorption of ICAs can have a positive effect in terms of avoiding particle over-heating under certain circumstances like its temporary exposition to the defluidized regions inside a fluidized reactor (FBR) as a possible undesirable operating condition for this type of reactor set-up