Технология производства и переработки полиэтилена

    Технологический процесс производства полиэтилена состоит из следующих основных стадий: приготовление катализатора, полимеризация этилена, выделение, промывка и сушка порошка полимера.

    Катализаторный  комплекс Al(C₂H₅)₂Cl TiCl₄ приготавливают смешением растворов диэтилалюминийхлорида и тетрахлорида титана в бензине, подаваемых в смеситель 1 при 20 - 25°С. Его выдерживают в течение 15 мин, а затем разбавляют бензином до концентрации 1г/л в разбавителе 2. Готовая суспензия катализатора поступает в промежуточную ёмкость 3, откуда дозирующими насосами непрерывно подаётся в реактор 4. Тут же непрерывно вводится смесь этилена с водородом (регулятором молекулярной массы). Полимеризацию проводят при 70 – 80°С и давлении 0,15 – 0,2 МПа. Конверсия этилена достигает 98%. Концентрация полиэтилена в суспензии в бензине составляет примерно 100 г/л. Производительность реактора 55 – 60 кг/(м³·ч).

    Теплота реакции полимеризации этилена  отводится из верхней части реактора путём испарения бензина и  уноса части этилена. Пары бензина, охлажденные и сконденсированные в скруббере с помощью холодного бензина, возвращаются снизу в реактор 4, а охлаждённый этилен подаётся вместе со свежим этиленом. Количество подаваемого свежего этилена определяется давлением в реакторе, которое поддерживают в пределах 0,15 – 0,20 МПа.

    Суспензия полиэтилена в бензине из реактора 4поступает в центрифугу непрерывного действия 5. Отжатый полимер переводят в аппарат 6, в котором при 50 – 70°С и перемешивании мешалкой с частотой вращения 1,5 об/с обрабатывают смесью изопропилового спирта с бензином с целью разложения остатка катализатора..

    Разложение  наиболее опасных и реакционноспособных  алюминийорганических соединений спиртами происходит по схеме: 

    Al(C₂H₅)₃+3ROH → Al(OR)₃+3C₂H₆

    Al(C₂H₅)₂Cl+3ROH → Al(OR)₃+2C₂H₆+HCl 

    Трёххлористый титан взаимодействует со спиртами с образованием алкоксихлоридов  титана: 

    TiCl₃+ROH → Ti(OR)Cl₂+HCl 

    Образующиеся  в результате разложения катализатора продукты растворяются в спиртах  и в спирто-бензиновых смесях.

    Суспензию полиэтилена вновь центрифугируют в центрифуге 7. Спирто-бензиновую смесь после нейтрализации направляют на регенерацию, а пасту полиэтилена промывают в аппарате 8 свежей порцией спирто-бензиновой смеси. Окончательную промывку проводят в центрифуге 9. Отмытый порошок полиэтилена сушат горячим азотом в «кипящем» слое в сушилке 10 до содержания летучих не более 0,2% и затем подают на «усреднение» и гранулирование.

    Воспроизводимость процесса обеспечивается автоматическим регулированием постоянства состава  и структуры катализатора, а также концентрации раствора и температуры реакции.

    Основной  аппарат – реактор объёмом 10 – 40 м³ – представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат из нержавеющей стали, в нижней части которого расположено барботирующее устройство. Перемешивание реакционной массы проводится этиленом, подаваемым через барботеры. При этом часть этилена растворяется в бензине и превращается в полимер род влиянием катализатора. В этом процессе наряду с высокомолекулярным полиэтиленом образуется часть низкомолекулярного полимера (до 10%), так называемого воска, который растворяется в бензине.

    Регенерация бензина или смеси бензина  с изопропиловым спиртом заключается  в отделении от мелких частичек полиэтилена, нейтрализаций соляной кислоты, отгонке летучих (бензина, изопропилового спирта), их разделении и сушке. 
 

    

    Рис. 3 

    Схема производства полиэтилена  высокой плотности  при низком давлении под влиянием четырёххлористого  титана и диэтилалюминийхлорида:

    1 – смеситель; 2 – разбавитель; 3 –  промежуточная ёмкость; 4 – реактор; 5, 7, 9 – центрифуги непрерывного действия; 6, 8 – аппараты для промывки; 10 – сушилка.  
 

    Описанный метод полимеризации этилена  в присутствии катализатора Циглера–Натта, несмотря на ряд положительных сторон, всё же обладает существенными недостатками: огнеопасностью, невозможностью регенерации применяемого катализатора и необходимостью тщательного удаления следов катализатора, снижающих свето-, термостойкость и диэлектрические свойства полиэтилена. В этом процессе применяются большие количества бензина и изопропилового спирта, регенерация которых является многостадийной и сложной.

    Особенностью  полимеризации этилена при низком давлении является образование полимера в присутствии катализаторов, получающихся по реакции между соединениями переходных элементов IV – VIII групп (катализаторов) и соединений типа гидридов или металлалкинов, способных образовывать гидрид-ионы или карбанионы (сокатализаторов).

    Скорость  полимеризации этилена и свойства получаемого полиэтилена зависят  от концентрации и активности катализатора, температуры и давления процесса. Оптимальная температура полимеризации 70 – 80°С; при дальнейшем её повышении резко снижается скорость процесса из-за разложения катализатора. Увеличение давления выше 0,5 МПа приводит к значительному ускорению процесса, что затрудняет теплосъём и поддержание заданного режима.

    Для регулирования показателя текучести  расплава и молекулярной массы полимера в реакционную среду вводят водород, простые эфиры и другие добавки. 

      

  Блок-схема  технологического процесса

  

  

  

  

    

  

  

  

  

  

    
 

  

  

  

  

  

  

    

  

  

    

  Рис. 4 

    1 – очистка от механических  примесей; 2 – полимеризация непрореагированного  этилена; 3 – промывка этилена; 4 –  выдавливание и грануляция полиэтилена.  
 
 
 
 

    II. ДИНАМИКА ТРУДОЗАТРАТ, ПРИ РАЗВИТИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ПОЛИЭТИЛЕНА  

    Производство  полиэтилена, как и производство другой продукции, связано с затратами  живого и прошлого труда. При изучении динамики трудозатрат выделяют два варианта развития: ограниченный и неограниченный. Для того чтобы определить вариант развития необходимо построить графики затрат живого, прошлого и совокупного труда: 

    Т_ж=1250/(33t²+550);     Т_п=0,006t²+0,1 

    Зададим произвольные значения t, чтобы построить графики: 

Таблица 3 

График 1 

    Исходя  из графика 1 следует, что уменьшение затрат живого труда происходит за счёт увеличения затрат прошлого труда. Следовательно, данный вариант развития – ограниченный, характер развития – трудосберегающий, вид развития – рационалистический.

    Так как мы имеем дело с ограниченным вариантом развития, то необходимо вычислить экономический предел накопления. Для этого существуют три способа.

    Графический способ: его суть заключается в нахождении по графику точки минимума функции Т_с. Однако для более точного нахождения предела накопления воспользуемся аналитическим способом (Т_с’(t)=0):

        

                                                   Т_с(t)=Т_ж(t)+Т_п(t)                                         (2.1) 

    Подставляя  значения в формулу (2.1) получим:

    Т_с(t)=(1250/(33t²+550))+0,006t²+0,1;

    Т_с’=Т_ж’+Т_п’;

    Т_с’(t)=-82500t/(33t²+550)²+0,012t;

    T_c’(t)=0;

    -82500t/(33t²+550)²+0,012t=0;

    82500t/(33t²+550)²=0,012t;

    (33t²+550)²=6875000;

    33t²+550=2622,022;

    33t²=2072,022;

    t=7,9239.

    Таким образом, t=7,9239 – экономический предел накопления; Т_п(t)=0,006·7,9239²+0,1; Т_п(t)=0,4767 руб(затрат труда)/руб(прибыли).

    Математический способ: так как точка пересечения графиков функций Т_ж(t) и Т_п(t) не совпадает с точкой минимума графика функции Т_с(t),то этот способ можно не учитывать.

    Для определения типа отдачи от дополнительных затрат прошлого труда необходимо выразить Т_ж через Т_п: 

                                                       Т_ж=f(Т_п)                                              (2.2)       

    Т_п=0,006t²+0,1;

    0,006t²=Т_п-0,1;

    t=(Т_п-0,1/0,006)^1/2;

    Подставим значение t в формулу (2.2):

    Т_ж=1250/(33(Т_п-0,1/0,006)+550);

    Т_ж=1250/((33Т_п-3,3/0,006)+550);

    Т_ж=1250/(33Т_п/0,006);

    Т_ж=1250/5500Т_п;

    Т_ж=5/22Т_п;

    Т_ж’=-5/22Т_п²;

    |Т_ж’|=5/22Т_п².

    Так как при увеличении Т_п уменьшается Т_ж, значит в данном случае реализуется убывающий тип отдачи от дополнительных затрат прошлого труда. 
 

    III. УРОВЕНЬ ТЕХНОЛОГИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА ПОЛИЭТИЛЕНА. 

    Описанная во главе II динамика трудозатрат показывает, что мы имеем дело с ограниченным вариантом развития, который обеспечивается рационалистическим видом развития, связанным с уменьшением затрат живого труда за счёт увеличения затрат прошлого труда. Для написания данного раздела воспользуемся формулой: 

                                                                                                       (3.1) 

    где L – производительность труда; У – уровень технологии; В – технологическая вооружённость. Все параметры в данной формуле можно представить через Т_ж и Т_п: 

                                                        L=1/Т_ж,                                              (3.2) 

                                                         В=Т_п/Т_ж                                             (3.3) 

    Из  формулы (3.2) имеем (при t=3):

    L=(33t²+550)/1250;

    L=(33·3²+550)/1250;

    L=847/1250;

    L=0,6776 (руб. з.ж./руб. приб.)

    Из  формулы (3.3) имеем (при t=3):

    В=(0,006t²+0,1)/(1250/(33t²+550));