Технология получения полиэтилена высокого и низкого давления. Полиэтилен низкого и высокого давления для упаковочных материалов

Промышленные трубчатые реакторы-полимеризаторы представляют собой последовательно соединённые теплообменники типа "труба в трубе". Трубки реактора имеют переменный диаметр (50 – 70 мм). Отдельные звенья "трубчатки" соединяют массивными полыми плитами-калачами. Трубы и калачи снабжены рубашками, последовательно соединёнными между собой. В качестве теплоносителя для подогрева этилена и отвода избыточного тепла применяют перегретую воду с температурой 190 – 230 0 С, которая поступает в рубашку трубчатого реактора противотоком к этилену и к потоку реакционной массы. Применение высоких температур необходимо для предотвращения образования плёнки полимера на стенках труб. Для поддержания постоянного температурного режима в реакторе и обеспечения эффективного теплосъёма производится дополнительный ввод этилена и инициатора в различные зоны по длине реактора. Многозонный реактор более производителен, чем однозонный. Однозонный реактор при максимальной температуре реакции (300 0 С) обеспечивае 15 – 17 % превращения этилена за один проход. Двухзонный реактор достигает при этой же температуре 21 – 24 % превращения. В трёхзонном реакторе степень превращения увеличивается до 26 – 30 %. Производительность четырёхзонного аппарата по сравнению с трёхзонным увеличивается незначительно.

Для получения постоянных показателей свойств полиэтилена необходимо поддерживать температуру в реакторе по зонам на одном уровне.

Производительность реактора зависит от его размеров, поэтому в настоящее время применяются с различной длиной труб и диаметром. Для реакторов большой мощности длина труб достигает 1000 м и более.

Технологический процесс производства полиэтилена высокого давления в трубчатом реакторе состоит из следующих стадий:

· смешение свежего этилена с возвратным газом и кислородом,

· двухкаскадное сжатия газа,

· полимеризация этилена в конденсированной фазе (плотность этилена 400 – 500 кг/м 3),

· разделение полиэтилена высокого давления и непрореагировавшего этилена, поступающего в рецикл,

· грануляция полиэтилена.

Для окрашивания, стабилизации и наполнения в полиэтилен высокого давления вводят соответствующие добавки, после чего его расплавляют и гранулируют.

На рис.1. представлена принципиальная схема получения полиэтилена высокого давления в трубчатом реакторе непрерывным способом.

Из цеха газоразделения свежий этилен под давлением 0,8 - 1,1 МПа поступает в коллектор 1 и затем в смеситель 2 , в котором с возвратным этиленом никого давления. Далее в поток вводят кислород и смесь поступает в трёхступенчатый компрессор первого каскада 3 , где сжимается до 25 МПа. После каждой ступени сжатия этилен охлаждается в холодильниках, отделяется от смазки в сепараторах, а затем поступает в смеситель 4 , в котором смешивается с возвратным этиленом высокого давления из отделителя 7 . Затем смесь направляется в двухступенчатый компрессор 5 второго каскада, где сжимается до 245 МПа. После первой ступени сжатия этилен охлаждается в холодильнике, очищается от смазки в сепараторах, а после второй ступени при температуре около 70 0 С без охлаждения по трём вводам поступает в трубчатый реактор 6 на полимеризацию.

Производство полиэтилена, наиболее востребованного полимера, основано на реакции полимеризации газа этилена. Это термопластичный полимер, класса органических полифенолов. Его популярность объясняется целым комплексом технологических свойств, позволяющих производить из него множество изделий бытового назначения и изделий для разных сфер промышленного производства. Немаловажным фактором востребованности данного материала является его низкая стоимость по сравнению с аналогами, использующимися в этих же сферах.

Краткий анализ бизнеса:
Затраты на организацию бизнеса: 150 — 250 тысяч долларов
Актуально для городов с населением: без ограничений
Ситуация в отрасли: низкая конкуренция
Сложность организации бизнеса: 4/5
Окупаемость: 12 — 14 месяцев

Основные виды полиэтилена

ПНД – полиэтилен низкого давления, или ПВП – высокой плотности;
ПВД – высокого давления, или ПНП – низкой плотности;
ПСД – среднего давления, или ПСП – средней плотности.

Кроме этих видов полимеров, есть и другие: сшитый – PEX, вспененный и хлорсульфированный (ХСП) полиэтилены.

Полиэтилен – один из самых широко применяемых современных материалов в производстве:

упаковочных, термоусадочных, сельскохозяйственных и других видов пленки;
водопроводных, газовых и других видов труб;
различных синтетических волокон;
емкостей для разного рода жидкостей;
большого ассортимента стройматериалов;
санитарно-технических изделий;
посуды и предметов домашнего обихода;
изоляционных материалов для электрических кабелей;
деталей для автомобилей, станков, различного оборудования, инструментов и другой техники;
протезов для стоматологии и других видов эндопротезирования;
пенополиэтилена.

Широкий спектр потребительских свойств полиэтилена обусловлен целым комплексом химических, физико-механических и диэлектрических характеристик этого материала. Поэтому он востребован в радиоэлектротехнической, кабельной, химической, строительной, медицинской и многих других отраслях.

Специальные разновидности этого материала, такие как вспененный полиэтилен, сшитый, сверхмолекулярный, хлорсульфированный – эффективно используются в производстве строительных материалов. Хотя сам полиэтилен не конструкционный по структуре, но армирование стекловолокном дает возможность использовать его в конструкционных композитных изделиях.

Полиэтилен используется и как вторсырье. Его отходы отлично перерабатываются для дальнейшего применения.

Технология производства полиэтилена

Полиэтиленовый полимер получают в результате химической реакции полимеризации этилена в различно созданных условиях и в присутствии определенных катализаторов. В зависимости от условий протекания реакции – температуры, давления и катализаторов, полиэтилен приобретает кардинально отличающиеся характеристики.

Чаще всего практическую ценность имеют три вида полиэтилена – низкого, среднего и высокого давления. Поэтому стоит рассмотреть технологию получения именно этих материалов. Надо заметить, что полиэтилен среднего давления считается всего лишь разновидностью ПНД и технология их производства ничем не отличается.

Производство полиэтилена низкого давления

ПНД производится из очищенного газа этилена. Процесс идет при температуре 100-150°C при давлении до 4 МПа. В реакции полимеризации обязательно должен присутствовать катализатор: или триэтилаллюминий или четыреххлористый титан. Процесс может быть непрерывным или кратковременным, с перерывами.

Существует ряд технологий производства полиэтилена, отличающихся по типу используемых конструкций, размеру реактора, способу очистки полимера от катализатора. Весь технологический процесс разбит на три этапа:

полимеризация полиэтилена;
очистка его от катализатора;
просушка.

Необходимое условие для нормального протекания реакции полимеризации – постоянная температура, которая поддерживается с помощью подаваемого этилена и его объемов. Процесс полимеризации с участием катализатора имеет свои недостатки – происходит неизбежное загрязнение полученного продукта остатками катализатора.

Он не только окрашивает полиэтилен в неприемлемый коричневый цвет, но и ухудшает его химические свойства. Для устранения этого недостатка катализатор разрушается, а потом растворяется и отфильтровывается. Отмывается полученный полимер в специальной центрифуге, в которую добавляют метиловый спирт.

После промывки он отжимается, к нему добавляют вещества, повышающие его прочность и внешний вид. Для улучшения внешних качеств добавляют воск, который придает полиэтилену блеск. Далее продукт полимеризации попадает в сушильные аппараты и в цеха грануляции. Основные марки полиэтилена производятся в порошкообразном виде, композиционные марки – в виде гранул.

Производство полиэтилена высокого давления

ПВД производится при температуре не менее 200 °C, при давлении от 150 до 300 МПа, в качестве активатора реакции выступает кислород. Оборудование для получения полимера – автоклавные и трубчатые реакторы.

Трубчатый реактор – это длинный резервуар в виде трубы, в котором и происходит реакция полимеризации под высоким давлением. Полимер, в виде расплава выводится из реактора и поступает в отделитель промежуточного давления, где он изолируется от непрореагировавшего этилена. Затем, согласно технологической схеме он поступает на экструдер и выходит из него в виде гранул, и направляется на дополнительную обработку. Эта технология является наиболее востребованной среди производителей.

Автоклавные реакторы – цилиндрические, вертикально расположенные агрегаты, в которых идет реакция полимеризации этилена с инициатором реакции. Реакторы отличаются условиями протекания реакций, в том числе условиями теплоотвода. Концентрации инициаторов и параметров реакционной массы.

Различия протекания химических реакций. Разные виды оборудования и другие различия обусловливают структурные особенности получаемого продукта полимеризации.

Несмотря на тип реактора, схема производства ПВД для них одинаковая:

подача в приемник реактора сырья и инициатора;
разогрев ингредиентов и повышение параметров давления;
промежуточная подача сырья и инициатора;
изоляция непрореагировавшего этилена и его сбор для повторного использования;
охлаждение полученного полимера, сброс давления;
грануляция конечного продукта, промывка, сушка, упаковка.

Вспененный полиэтилен, или ППЭ – это полимер, отличающийся пористой структурой и имеющий высокие эксплуатационные и технические характеристики. Он широко используется как термоизоляционный материал в строительстве и в приборостроительном машиностроении, а также как упаковочный материал и в других сферах.

Технология производства этого полимера отличается определенной сложностью. Для ее полного цикла необходимо специальное оборудование: смесители, загрузчики, охлаждающие устройства, насосы высокого давления. Но самым главным оборудованием в производстве вспененного полиэтилена являются экструдеры. В качестве сырья используется ПВД, в качестве вспенивающих агентов – фреоны и алкановые смеси, например, бутан.

В зависимости от особенностей технологии производства, различают два вида ППЭ – сшитый и несшитый. Процесс вспенивания идет под определенным давлением и с высокой температурой. Этапы технологического процесса:

смешивание;

продавливание смеси через экструдер;

сшивание пленок;

вспенивание;

получение заготовок в виде плит, пленки и других полуфабрикатов.

Для того, чтобы избежать затрат на крупномасштабное производство полимеров, можно воспользоваться их вторичной переработкой. Из вторсырья производится высококачественный гранулированный полимерный продукт, который по своим характеристикам ничем не уступающий первично полученному полимерному продукту.

Сырье подвергается дроблению. Затем, оно моется и сушится в центрифуге. Очищенная сырьевая масса проходит операцию агломерации и идет на гранулирование. Это – конечный продукт вторичной переработки полиэтилена.

Оборудование для производства полиэтилена различается в соответствии с назначением и видом перерабатываемого сырья. Технологическая цепочка представлена следующим оборудованием:

один или несколько экструдеров-грануляторов;
машина для резки;
загрузчики, работающие на основе вакуума;
насосы, оснащенные фильтрами для расплавов;
вибросита;
ванны для охлаждения;
транспортеры;
бункера для подачи сырьевой массы;
мельницы.

Покупка нового основного оборудования для производства полиэтилена может стать в пределах 120-200 тысяч долларов.Новое отечественное оборудование будет стоить меньше в два раза.

Как организовать завод по производству полиэтилена

Всякий производственный бизнес начинается с разработки бизнес-плана.

Составление бизнес-плана

Цель бизнес-плана – предоставление общей информации об авторе проекта, описание продукции, которую он собирается производить. Также должна быть раскрыты задачи проекта, в подробностях должна быть описана технология производства продукции.

Если эта технология является новой, то в бизнес-плане должны быть представлены заключения соответствующих органов об ее безопасности для окружающей среды и здоровья людей.

Помещение

Промышленное производство, каковым является выпуск полиэтилена, следует размещать в производственной зоне населенного пункта. Для производственного помещения существуют определенные санитарные и технические требования. Площадь помещения не должна быть меньше 100 кв. метров, высота его не должна быть ниже 10 метров. В производственных цехах должна быть противопожарная защита и хорошая вентиляция.

Оформление документов

Прежде всего, необходимо зарегистрировать свое предприятие. Это может быть ИП или ООО . Также необходимо получить разрешительные документы в таких инстанциях:

городская администрация;
пожарная, экологическая и санитарно-эпидемиологическая службы;
электронадзор.

Расчет затрат

Сначала производится расчет доходов от производства продукции:

сколько затрачивается в среднем на производство определенного объема продукции;
какова ее рыночная стоимость;
каков размер дохода.

стоимость разрешительных документов;
подготовка помещения;
закупка оборудования;
закупка сырья.

Ежемесячные расходы:

оплата труда работникам;
оплата аренды помещения;
налоги и коммунальные услуги.

Рентабельность бизнеса

При стабильной работе предприятия и при хорошем стартовом капитале на приобретение оборудования, этот бизнес окупается через 12-14 месяцев. Через год стабильной работы, затраты на оборудование могут полностью окупиться и завод станет приносить чистую прибыль.

Этилен. Этилен -- химическое соединение, описываемое формулой С2H4, бесцветный газ со слабым запахом. Является простейшим алкеном (олефином). Содержит двойную связь и поэтому относится к ненасыщенным соединениям, обладает высокой реакционной способностью. В природе этилен практически не встречается. В незначительных количествах образуется в тканях растений и животных как промежуточный продукт обмена веществ. Играет чрезвычайно важную роль в промышленности, самое производимое органическое соединение в мире.

В настоящее время основным источником получения этилена является пиролиз газообразных и жидких предельных углеводородов: этана, пропана и бензинов прямой перегонки нефти.

Свойства этилена:

Химическая формула Н2С=СН2

Молекулярная масса 28,05

Состояние - газообразное

Температура плавления 103,8 К (-169,2°С)

Температура кипения 169,3 К (-103,7°С)

Плотность при нормальных условиях 1,26 кг/м 3

Плотность жидкого этилена при 163,2 К (-109,8°С) - 610 кг/м 3

Температура воспламеняемости 728 К (455°С)

Чистота этилена. Для полимеризации этилен должен быть тщательно очищен от примесей. Примеси к этилену делятся на две основные группы - инертные и активные. Инертная примесь, присутствующая в заметном количестве, например 5-10%, снижает концентрацию этилена на значительную величину, если учесть малую сжимаемость этилена.

Активные примеси к этилену, например соединения винильного типа, обычно сополимеризуются с этиленом, изменяют свойства образующегося полимера и влияют на скорость полимеризации.

В зависимости от содержания примесей техническими условиями предусматривается выпуск трех марок сжиженного этилена: А, Б и В. Этилен марки А и Б используется для производства полиэтилена и окиси этилена. Этилен марки В - для производства других органических продуктов. Этилен сжиженный должен соответствовать требованиям и нормам.

Катализаторы (инициаторы). В качестве катализаторов полимеризации этилена используют главным образом молекулярный кислород и органические перекиси. Из перекисей в промышленности наибольшее применение нашли перекись ди-трет-бутила, трет-бутилпербензоата и др. Эффект действия инициатора зависит от степени и скорости его разложения при данной температуре и от способности образовавшихся радикалов вступать в реакции с мономером.

Другим фактором, характеризующим инициатор, является содержание активного кислорода, т.е. теоретический процент активного кислорода в чистой перекиси.

В сухом виде перекиси взрывоопасны, растворы их в органических растворителях более стабильны и менее взрывоопасны. Хранение инициаторов должно проводиться в определенных температурных условиях.

Ниже описаны основные свойства наиболее распространенных перекисных инициаторов.

Перекись ди-трет-бутила (С8Н18О2)

Температура применения 513-553 К (240-280°С)

Молекулярная масса 146,2

Жидкость, плотность 793 кг/м 3

Температура кипения при 0,1 МПа - 463 К (190°С)

Перекись нерастворима в воде, растворима в большинствеорганических растворителей

Температура хранения 298 К (20°С).

Трет-бутилпербензоат (С11Н14О3)

Температура применения 453-513 К (180-240°С)

Молекулярная масса 194

Жидкость, плотность при 293 К (20°С) - 1040 кг/м 3

Температура кипения при 0,1 МПа - 397 К (124°С)

Температура хранения 293 К (20°С).

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.