Способы производства полиэтилена. Производство полиэтилена высокого давления в трубчатом реакторе
Основным промышленным методом производства ПЭВД является свободнорадикальная полимеризации этилена в массе при температуре 200-320 °С и давлениях 150-350 МПа. Полимеризация осуществляется на установках непрерывного действия различной производительности от 0,5 до 20 т/ч.
Технологический процесс производства ПЭВД включает следующие основные стадии: компримирование этилена до давления реакции; дозирование индикатора; дозирование модификатора; полимеризация этилена; разделение полиэтилена и непрореагировавшего этилена; охлаждение и очистка непрореагировавшего этилена (возвратного газа) ; грануляция расплавленного полиэтилена; конфекционирование, включающее обезвоживание и сушку гранул полиэтилена, распределение по анализным бункерам и определение качества полиэтилена, формирование партий в товарных бункерах, смешение, хранение; загрузку полиэтилена в цистерны и контейнера; расфасовку в мешки; дополнительная обработка - получение композиций полиэтилена со стабилизаторами, красителями, наполнителями и другими добавками.
2.1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ.
Производства ПЭВД состоят из установок синтеза и установок конфекционирования и дополнительной обработки.
Этилен с установки газоразделения или хранилища подается под давлением 1-2 МПа и при температуре 10-40 °С в ресивер, где в него вводится возвратный этилен низкого давления и кислород (при использовании его в качестве инициатора). Смесь сжимается компрессором промежуточного давления до 25-30 МПа. соединяется с потоком возвратного этилена промежуточного давления, сжимается компрессором реакционного давления до 150-350 МПа и направляется в реактор. Пероксидные инициаторы в случае использования их в процессе полимеризации вводятся с помощью насоса в реакционную смесь непосредственно перед реактором. В реакторе происходит полимеризация этилена при температуре 200-320 С. На данной схеме приведен реактор трубчатого типа, однако могут использоваться и автоклавные реакторы.
Образовавшийся в реакторе расплавленный полиэтилен вместе с непрореагировавшим этиленом (конверсия этилена в полимер 10-30%) непрерывно выводятся из реактора через дросселирующий клапан и поступает в отделитель промежуточного давления, где поддерживается давление 25-30 МПа и температура 220-270 °С. При этих условиях происходит разделение полиэтилена и непрореагировавшего этилена. Расплавленный полиэтилен из нижней части отделителя вместе с растворенным этиленом через дросселирующий клапан поступает в отделитель низкого давления. Этилен (возвратный газ промежуточного давления) из отделителя проходит систему охлаждения и очистки (холодильники, циклоны), где происходит ступенчатое охлаждение до 30 - 40 °С и выделение низкомолекулярного полиэтилена, и затем подается на всасывание компрессора реакционного давления. В отделителе низкого давления при давлении 0,1-0,5 МПа и температуре 200-250 °С из полиэтилена выделяется растворенный и унесенный механически этилен (возвратный газ низкого давления), который через систему охлаждения и очистки (холодильник, циклон) поступает в ресивер. Из ресивера сжатый бустерным компрессором возвратный газ низкого давления (с добавленным в него при необходимости модификатором) направляется на смешение со свежим этиленом.
Расплавленный полиэтилен из отделителя низкого давления поступает в экструдер, а из него в виде гранул пневмо- или гидротранспортом направляется на конфекционирование и дополнительную обработку.
Возможно получение некоторых композиций в экструдере первичной грануляции. В этом случае экструдер оборудуется дополнительными узлами для ввода жидких или твердых добавок.
Ряд дополнительных узлов по сравнению с технологической схемой синтеза традиционного ПЭВД имеет технологическая схема производства линейного полиэтилена высокого давления, представляющего собой сополимер этилена с высшим a-олефином (бутеном-1, гексеном-1, октеном-1) и получаемого сополимеризацией по анионно-координационному механизму под влиянием комплексных металлорганических катализаторов. Так, этилен, поступивший на установку, проходит дополнительную очистку. В возвратный газ промежуточного давления после его охлаждения и очистки вводится сомономер - a-олефин. После реактора добавляется дезактиватор, предотвращающий протекание полимеризации в системе разделения полимера и мономеров. Катализаторы подаются непосредственно в реактор.
В последние годы ряд зарубежных фирм-производителей ПЭВД организовали выпуск ЛПЭВД на промышленных установках ПЭВД, оснастив их необходимым дополнительным оборудованием.
Гранулированный полиэтилен из установки синтеза в смеси с водой подастся на узел обезвоживания и сушки полиэтилена, состоящий из водоотделителя и центрифуги. Осушенный полиэтилен поступает в приемный бункер, а из него через автоматические весы в один из анализных бункеров. Анализные бункеры предназначены для хранения полиэтилена на время проведения анализа и заполняются поочередно. После определения свойств полиэтилен направляется с помощью пневмотранспорта в воздушный смеситель, в бункер некондиционного продукта или в бункеры товарного продукта.
В воздушном смесителе проводится усреднение полиэтилена с целью выравнивания его свойств в партии, составленной из продуктов из нескольких анализных бункеров.
Из смесителя полиэтилен направляется в бункеры товарного продукта, откуда поступает на отгрузку в железнодорожные цистерны, автоцистерны или контейнеры, а также на расфасовку в мешки. Все бункеры для предотвращения накопления этилена продуваются воздухом.
Для получения композиций полиэтилен из бункеров товарного продукта поступает в расходный бункер. В расходный бункер подаются стабилизаторы, красители или другие добавки, обычно в виде гранулированного концентрата в полиэтилене. Через дозаторы полиэтилен и добавки поступают в смеситель. Из смесителя смесь направляется в экструдер. После гранулирования в подводном грануляторе, отделения воды в водоотделителе и сушки в центрифуге композиция полиэтилена поступает в бункеры товарного продукта. Из бункеров продукт направляется на отгрузку или расфасовку.
Первый опыт полимеризации этилена в конце XIX века получил выходец из России – учёный Густавсон , проведя этот процесс с катализатором AlBr3. На протяжении долгих лет полиэтилен производился в небольших объемах, но в 1938 году процесс промышленного производства освоили англичане. В то время метод полимеризации был ещё не совершенен.
1952 год совершил прорыв в процессе промышленного производства . Немецкий химик Циглер изобрёл эффективный вариант полимеризации этилена под действием металл-органических катализаторов. Впрочем, настоящая технология производства полиэтилена основана именно на данном методе.
Сырье
Исходным материалом для получения является этен – простейший представитель ряда алкенов. Простота данного способа производства сильно зависит от наличия этилового спирта, который используется как сырьё. Современные промышленные линии для получения полимера разрабатывают с учётом их работы на нефтяных и попутных газах – легкодоступных фракций нефти.
Такие газы выделяются при пиролизе или крекинге нефтепродуктов при очень высоких температурах и содержат в себе примеси H2, CH4, C2H6 и другие газы. Попутный газ в свою очередь содержит такие компоненты как газы-парафины, поэтому при подвергании их термической обработке с высоким выходом получают этилен.
Технология производства полиэтилена высокого давления
Процесс получения ПЭ идёт по радикальному механизму. При проведении применяют разного рода инициаторы для снижения активационного порога молекулы. В качестве примера таковых можно привести перекись водорода, органические перекиси, О2, нитрилы. Радикальный механизм, в общем, не имеет отличий от обычной полимеризации:
- 1 стадия – инициирование;
- 2 стадия – увеличение цепи;
- 3 стадия – обрыв цепи.
Цепь инициируется посредством выделения свободных радикалов при термической обработке их источника. Этен реагирует с выделившимся радикалом, наделяется определённой Еакт, увеличивая тем самым число молекул мономера вокруг себя. В дальнейшем наблюдается нарастание цепи.
Технология процесса
Существует два варианта процесса полимеризации – либо полиэтилен образуется в массе, либо в суспензии. Первый получил и представляет собой совокупность процессов.
Газ этилен, являющийся смесью, а не чистым веществом, вначале проходит путь фильтрации через тканевый фильтр, задерживающий механические примеси. Далее к очищенному этену подводят инициатор в баллоне, объём которого рассчитывается исходя из условий процесса. Поправка делается на наибольший выход полимера.
После, смесь транспортируют, фильтруют и подвергают сжатию в две стадии. На выходе из реактора получают практически чистый полиэтилен с примесью этилена, от которого избавляются дросселированием смеси в приёмнике под низким давлением.
Технология производства полиэтилена низкого давления
Источниками сырья для получения данного вида полиэтилена служат чистый, без примесей этилен и катализатор – триэтилат алюминия и тетрахлорид Ti. Заменой Al(C2H5)3 может послужить как хлорид диэтилалюминия, так и дихлорид этилата алюминия. Катализатор получается в 2 стадии.
Технология процесса
Для данного процесса получения ПЭ низкого давления характерна как периодичность, так и непрерывность. От выбора технологии зависит и схема процесса, каждая их которых различна по конструкции оборудования, объёму реакторов, методу очистки полиэтилена от примесей и др.
Самая распространённая схема получения полимера включает три непрерывных стадии: полимеризация сырья, очистка продукта от остатков катализатора и его высушивание. Аппараты для катализаторной подачи выделяют в мерники пятипроцентный раствор смешанного катализатора, после чего он поступает в бак, в котором смешивается с органическим растворителем до необходимой концентрации в 0.2%. Из бака готовая смесь катализатора отводится в реактор, где поддерживается при необходимом давлении.
Этилен подводится в реактор снизу, где впоследствии перемешиваясь с катализатором, образует рабочую смесь. Для производства полиэтилена при пониженном давлении характерно загрязнение продукта остатками катализаторной смеси, которые изменяют его окраску на коричневую. Очистка основного продукта производится нагреванием смеси, в результате чего происходит разрушение катализатора, дальнейшее отделение примесей и их прямая фильтрация от полиэтилена.
Увлажнённый продукт поступает на сушку в сушильные камеры бункера, где полностью очищается на кипящем слое азота (T = 373 K). Сухой порошок высыпается из бункера на пневмолинию, где отправляется на гранулирование. На эту же линию отправляется пыль с частицами полиэтилена, оставшаяся после очистки азота.
Производство полимерной пленки сопровождается опасными выбросами в атмосферу и классифицируется как вредное. И при его организации следует учитывать специальные требования.
Основные требования
Предприятие следует располагать в промышленной зоне. Помещение должно отапливаться и иметь принудительную систему вентиляции. Водоснабжение обязательно, его потребление может возрасти при использовании специальных устройств переработки.
Для бесперебойной работы линии понадобится трехфазное электроподключение (380 В) и заземление всех элементов цепи. Обязательно наличие системы пожарной безопасности и плана эвакуации. Расстановка оборудования и организация рабочих мест должны соответствовать нормативам ГОСТ .
Характеристика цеха
Общая площадь цеха должна составлять не менее 300 квадратных метров , а высота потолков – минимум 8 м. Для внутренней отделки необходимо использовать негорючие материалы.
Помещение следует разделить на 3 отсека:
- производственный цех;
- складские помещения, которые должны быть паро- и гидроизолированы;
- выставочный зал.
Оборудование для производства полиэтиленовой пленки
Налаживая полиэтиленовое производство, необходимо приобрести ( указана в долларах):
- Экструдер 60000-300000
- Флексопечатную машину 30000-50000
- Специальный станок для изготовления упаковочных зажимов 20000-40000
- Пакетоделательную многофункциональную машину 8000-10000
Как можно сократить расходы
Покупка Б/У линии поможет сэкономить на вложениях до 50%. В таком случае затраты в долларах будут следующими:
- Экструдер 6000-8000
- Флексопечатная машина 3000-6000
- Станок для изготовления пластиковых зажимов для упаковки 10000-20000
- Пакетоделательная машина 4000
Какое оборудование выбрать — Б/У или новое
Новое оборудование обладает рядом достоинств:
- гарантия производителя;
- долговечность;
- реализация в будущем.
Но его главный недостаток – высокая цена, которую начинающий бизнесмен не готов заплатить. В таком случае приобретение оборудования Б/У является оптимальным вариантом.
Но выбор такой линии необходимо перепоручить опытному специалисту , чтобы не купить сильно изношенную или некачественную технику.
Сырье для производства полиэтиленовой пленки
Производят из гранул полимера, используя 2 вида полиэтилена с разным давлением:
- высоким (ПВД) для фасовки и хранения пищевой продукции;
- низким (ПНД) для сыпучих товаров.
Выгоднее всего покупать южнокорейский гранулят , стоимость тонны вещества составляет 340 евро. Но можно использовать и отечественное сырье, его цена колеблется в диапазоне 420-750 дол. Чтобы еще удешевить производство, можно перейти на вторичный гранулят.
Технология производства полиэтиленовой пленки
Полученный пласт охлаждается, раскатывается валиком и с помощью автомата разрезается на равные части.
Нанесение рисунка происходит с помощью валиков, к которым через специальный дозатор подается краска.
Готовое полотно поступает в пакетоделочную машину, где формируется шаблон изделия. Пресс делает отверстия под ручки, а специальный станок запаивает края. Далее происходит расфасовка изделий и контроль качества.
Подбор персонала
Для продуктивной работы достаточно принять в штат 6 человек: директора, бухгалтера, технолога и 3 рабочих.
Технология производства пленки достаточно проста , обслуживать машины несложно. Поэтому изготовление полиэтилена можно поручить и новичкам, предварительно обучив их всему.
Рентабельность предприятия
Начальные вложения составят около 38000 дол. на покупку Б/У оборудования и оформление документов. А ежемесячные расходы в долларах будут следующими:
- аренда помещение 600;
- отопление, электроэнергия 200;
- коммунальные услуги 160;
- зарплата сотрудников 2700;
- налоги 450.
Общая сумма составит 3810 долларов.
Производственная мощность линии позволяет производить 70 пакетов в 60 секунд. Что при оптовой цене товара в 0,01 дол. позволит получить ежемесячный доход в 6000 дол.
А чистая прибыль составит около 2200 долларов. С учетом первоначальных вложений предприятие должно окупить себя за 1,5 года.
Производство полиэтилена – весьма . Но представленные расчеты основывались на идеальных условиях спроса.
В действительности прибыль будет зависеть от возможностей сбыта и инфляции.
Сырьем для изготовления полиэтиленовых пленок служат гранулы полиэтилена, получаемые путем полимеризации этилена. Для получения полиэтилена высокого и низкого давления используются две технологии, предполагающие прохождение процесса при разных условиях полимеризации. ПНД и ПВД производят при разных температуре и давлении. В результате материалы приобретают разные физические и химические свойства.
Немного о технологии производства
Гранулы, полученные под высоким давлением (1000-3000 кг/см 2) обладают меньшей собственной плотностью, составляющей 0,925 г/см 3 . Полученная таким образом пленка на ощупь более «маслянистая». Она относительно прозрачна и хорошо растягивается без раздиров. Материал отличается более короткими полимерными цепям. Он менее кристалличен и плавится при температуре более 100 С. Данные характеристики относятся к полиэтилену высокого давления, который довольно часто обозначается как ПВД.
Полиэтилен низкого давления или ПНД полимеризуется при давлении-1-5 кг/см 2 и достигает плотности 0,945 г/см 3 . Такой вид полиэтиленовой пленки более кристалличен, полимерные цепи в нем длиннее, а прозрачность меньше. Для плавления пленки из ПНД требуется более высокая температура — от 120С, поэтому энергетические затраты на ее производство выше. Зато и в процессе эксплуатации такой вид полиэтиленовой пленки может выдерживать более высокие температуры.
Популярные факты
На глаз отличить ПВД от ПНД очень легко: полиэтиленовая пленка из материала низкого давления при смятии всегда «шуршит». Отечественные аббревиатуры отличны от зарубежных ПВД соответствует LDPE (Low Density PolyEthylene,) а ПНД — HDPE (High Density PolyEthylene). Это обусловлено тем, что в России за основу классификации взято давление при полимеризации полиэтилена, а за ее пределами — плотность используемых гранул. У материала, изготовленного при высоком давлении плотность низкая, а при низком давлении, наоборот, — высокая.
Где мы чаще всего видим изделия из полиэтиленовой пленки? Конечно в магазинах. Вспомните шуршащие матовые фасовочные пакеты и пакеты-майки и знайте, что они изготовлены из полиэтилена низкого давления высокой плотности. В то время как гладкие фасовочные пакеты и пакеты с приварными и вырубными ручками сделаны из полиэтилена высокого давления низкой плотности. Изделия из ПВД имеют более эстетичный внешний вид и позволяют наносить на свою поверхность яркие, красочные рисунки.
В заключение стоит сказать о том, что в настоящее время полиэтилен стал самым массовым видом полимерного материала, применяемого в упаковочной отрасли. Он был изобретен первым, но до сих пор его популярность в упаковке остается одной из самых высоких.