Сравнение и выбор технологии по производству полиэтилена. Исходное сырье для полиэтиленовой пленки

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.

Как получают полиэтилен низкого давления?

Синтез данного материала стал возможен только после открытия катализатора Циглера – Натты. Эти два выдающихся химика конкурировали друг с другом, и их исследовательские команды независимо и почти одновременно смогли получить металлорганические катализаторы, запустившие настоящую революцию в синтезе полимеров.

В целом гранулы ПНД синтезируются следующим образом:

В реактор загружается раствор этилена в гексане. Это наиболее распространенный и экономически оправданный способ, хотя возможна полимеризация суспензии и газовой фазы.
Раствор разогревается до температуры от 160 до 2500 градусов под давлением до 5,3 Мпа, чаще всего даже менее 1 Мпа. На 10 – 15 минут раствор контактирует с катализатором.
Спустя 15 минут полимеризация происходит, однако чистый полимер нужно выделить из раствора, очистив его от примесей. Этот процесс происходит в испарителе, а затем – в сепараторе.
Финальный этап – грануляция. Формируются гранулы округлой формы, пропариваются водяным паром, остывают и ссыпаются в специальную тару.

В результате добывается готовый к дальнейшей переработки материал. Отметим, что для достижения нужных характеристик могут добавляться дополнительные присадки.

Особенности технологии полиэтилена высокого давления

В свою очередь ПВД получают без катализатора, а температурные параметры существенно отличаются. Для полимеризации используется газ этилен, он подается в автоклавный или трубчатый реактор и разогревается до температуры 300 градусов. Добавляется инициатор – кислород и органические пероксиды.

С помощь компрессора нагнетается давление около 25 Мпа, после чего сырье перемещается во вторую часть реактора, где давление увеличивается до 130 – 250 Мпа, а температура снижается ориентировочно до 190 градусов. В результате запускается радикальный механизм полимеризации. После прохождения реакции сырье очищается от остатков этилена, гранулируется и упаковывается.

Полиэтилен является наиболее дешевым неполярным синтетическим полимером, который относится к классу полиолефинов. Полиэтилен- это твердое белое вещество, имеющее сероватый оттенок.

Первым полимеризацию этилена стал изучать в 1873 году русский химик Бутлеров. А вот попытку осуществить ее попытался в 1884 году химик-органик Густавсон.

Технология производства полиэтилена + видео как делают

Производством полиэтилена занимаются все крупные компании нефтехимической промышленности. Главным сырьем, из которого получают полиэтилен, является этилен. Производство осуществляется при низком, среднем и высоком давлениях. Как правило, он выпускается в гранулах, которые имеют диаметр от 2 до 5 миллиметров, иногда в виде порошка. На сегодняшний день известны четыре основных способа производства полиэтилена. В результате, получают: полиэтилен высокого давления, полиэтилен низкого давления, полиэтилен среднего давления, а также линейный полиэтилен высокого давления. Давайте рассмотрим, как осуществляется производство ПДВ.

Полиэтилен высокого давления образуется при высоком давлении в результате полимеризации этилена в автоклаве или в трубчатом реакторе. Полимеризация в реакторе осуществляется по радикальному механизму под воздействием кислорода, органических пероксидов, ими являются лаурил, бензоил или их смесей. Этилен смешивают с инициатором, затем нагревают до 700 градусов и сжимают компрессором до 25 мегапаскаль. После этого он поступает в первую часть реактора, в которой его нагревают до 1800 градусов, а потом во вторую часть реактора для осуществления полимеризации, которая происходит при температуре в пределах от 190 до 300 градусов и давлении от 130 до 250 мегапаскаль. Всего этилен находится в реакторе не более 100 секунд. Степень его превращения составляет 25 процентов. Она зависит от типа и количества инициатора. Из полученного полиэтилена удаляется тот этилен, который не прореагировал, после чего продукт охлаждают и упаковывают.

ПВД производят в виде как неокрашенных, так и окрашенных гранул. Производство полиэтилена низкого давления осуществляется по трем основным технологиям. Первой является полимеризация, которая происходит в суспензии. Второй является полимеризация, происходящая в растворе. Таким раствором служит гексан. Третьей является газофазная полимеризация. Наиболее распространенным способом считается полимеризация в растворе. Полимеризация в растворе осуществляется в температурном промежутке от 160 до 2500 градусов и давлении от 3,4 до 5,3 мегапаскалей. Контакт с катализатором осуществляется примерно на протяжении 10-15 минут. Выделяется полиэтилен из раствора в результате удаления растворителя. Прежде всего, в испарителе, а после этого в сепараторе и в вакуумной камере гранулятора. Гранулированный полиэтилен пропаривается водяным паром.

ПНД производится в виде как неокрашенных, так и окрашенных гранул, а иногда и в порошке. Производство полиэтилена среднего давления осуществляется в результате полимеризации этилена в растворе. Полиэтилен среднего давления получается при температуре примерно150 градусов, давлении не более 4 мегапаскаль, а также при наличии катализатора. ПСД из раствора выпадает в виде хлопьев. Продукт, полученный вышеописанным образом, отличается средневесовым молекулярным весом не более 400 тысяч, степенью кристалличности не более 90 процентов. Производство линейного полиэтилена высокого давления осуществляется при помощи химической модификации ПВД. Процесс происходит при температуре 150 градусов и примерно 30-40 атмосферах. Линейный полиэтилен низкой плотности по своей структуре напоминает полиэтилен высокой плотности, однако он отличается более длинными и многочисленными боковыми ответвлениями. Производство линейного полиэтилена выполняется двумя способами: первым является газофазная полимеризация, вторым способом служит полимеризация в жидкой фазе. Она в настоящее время самая популярная. Что касается производства линейного полиэтилена вторым способом, то оно осуществляется в реакторе со сжиженным слоем. В реактор подается этилен, полимер же в свою очередь отводят непрерывно. Однако постоянно сохраняется в реакторе уровень сжиженного слоя. Процесс происходит при температуре около ста градусов, давлении от 689 до 2068 кН/м2. Эффективность данного способа полимеризации в жидкой фазе ниже, чем у газофазного.

Видео как делают:

Стоит отметить, что данному способу характерны и свои плюсы, а именно: размер установки намного меньше, чем у оборудования для газофазной полимеризации, и гораздо ниже капиталовложения. Практически аналогичным является способ в реакторе с устройством для перемешивания с применением циглеровских катализаторов. При этом образуется максимальный выход. Не так давно для производства линейного полиэтилена стали использовать технологию, в результате которой применяются металлоценовые катализаторы. Такая технология дает возможность получить более высокую молекулярную массу полимера, благодаря чему возрастает прочность изделия. ПВД, ПНД, ПСД и ЛПВД отличаются друг от друга, как по своей структуре, так и по свойствам, соответственно, и используются они для решения различных задач. Кроме вышеперечисленных способов полимеризации этилена имеются и иные, только в промышленности они распространения не получили.

В истории науки некоторые открытия происходили случайно, а востребованные сегодня материалы часто являлись побочным продуктом какого-либо опыта. Совершенно случайно были открыты анилиновые красители для ткани, давшие впоследствии экономический и технический прорыв в легкой промышленности. Похожая история произошла и с полиэтиленом.

Открытие материала

Первый случай получения полиэтилена произошел в 1898 году. В ходе разогревания диамезотана химик немецкого происхождения Ганс фон Пехман обнаружил не дне пробирки странный осадок. Материал был достаточно плотным и напоминал воск, коллеги ученого назвали его полиметиллином. Дальше случайности у этой группы ученых дело не пошло, результат был почти забыт, интереса ни у кого не возникло. Но все же идея повисла в воздухе, требуя прагматичного подхода. Так и случилось, через тридцать с лишком лет полиэтилен был вновь открыт как случайный продукт неудачного эксперимента.

Англичане подхватывают и выигрывают

Современный материал полиэтилен появился на свет в лаборатории английской компании Imperial Chemical Industries. Э. Фоссет и Р. Джибсон проводили эксперименты с участием газов высокого и низкого давления и заметили, что один из узлов техники, в которой проводились опыты, покрылся неизвестным восковидным веществом. Заинтересовавшись побочным эффектом, они совершили несколько попыток получить вещество, но безуспешно.

Синтезировать полимер удалось М. Перрину, сотруднику той же компании, через два года. Именно он создал технологию, послужившую основой для промышленного производства полиэтилена. В дальнейшем свойства и качества материала изменялись лишь с помощью применения различных катализаторов. Массовое производство полиэтилена началось в 1938 году, а запатентован он был в 1936 году.

Сырье

Полиэтилен - это твердый полимер белого цвета. Относится к классу органических соединений. Из чего делают полиэтилен? Сырьем для его получения является газ этилен. Газ полимеризуют при высоком и низком давлении, на выходе получают гранулы сырья для дальнейшего использования. Для некоторых технологических процессов полиэтилен производится в виде порошка.

Основные виды

На сегодняшний день полимер выпускается двух основных марок ПВД и ПНП. Материал, изготовленный при среднем давлении относительного новое изобретение, но в перспективе количество выпускаемого продукта будет неизменно расти в связи с улучшающимися характеристиками и широким полем для применения.

Для коммерческого использования производят следующие виды материала (классы):

Низкой плотности или другое название - высокого давления (ПЭВД, ПВД).
Высокой плотности, или низкого давления (ПЭНП, ПНП).
Линейный полиэтилен, или полиэтилен среднего давления.

Также существуют другие виды полиэтилена, каждый из которых имеет свои свойства и сферу применения. В гранулированный полимер в процессе производства добавляются различные красители, позволяющие получить черный полиэтилен, красный или любого другого цвета.

ПВД

Производством полиэтилена занимается химическая промышленность. Газ этилен - основной элемент (из чего делают полиэтилен), но не единственный, требующийся для получения материала.

Температура нагревания составляет до 120 °С.
Режим давления до 4 МПа.
Стимулятор процесса - катализатор (Циглера-Натта, смесь хлорида титана с мелаллоорганическим соединением).

Процесс сопровождается выпадением полиэтилена в виде хлопьев, которые потом проходят процесс отделения от раствора с последующей грануляцией.

Этот вид полиэтилена характеризуется более высокой плотностью, устойчивостью к нагреванию и разрыву. Сферой применения являются различные виды упаковочных пленок, в том числе для фасовки горячих материалов/продуктов. Из гранулированного сырья этого типа полимера изготавливают детали для крупногабаритных машин методом литья, изоляционные материалы, трубы повышенной прочности, товары народного потребления и пр.

Полиэтилен низкого давления

Производство ПНП имеет три способа. Большинство предприятий использует метод «суспензионной полимеризации». Процесс получения ПНП происходит с участием суспензии и постоянном перемешивании исходного сырья, для запуска процесса требуется катализатор.

Вторым по распространенности способом производства является полимеризация в растворе под воздействием температуры и участии катализатора. Метод не слишком эффективен, поскольку в процессе полимеризации катализатор вступает в реакцию, и конечный полимер теряет часть своих качеств.

Последним из способов производства ПНП является газофазная полимеризация, она почти ушла в прошлое, но иногда встречается на отдельных предприятиях. Процесс происходит с помощью смешивания газовых фаз сырья под воздействием диффузии. Конечный полимер получается с неоднородной структурой и плотностью, что сказывается на качестве готового продукта.

Производство происходит при следующем режиме:

Температура поддерживается на уровне от 120°C до 150°C.
Давление не должно превышать 2 МПа.
Катализаторы процесса полимеризации (Циглера-Натта, смесь хлорида титана с мелаллоорганическим соединением).

Материал такого способа изготовления характеризуется жесткостью, высокой плотностью, малой эластичностью. Поэтому сферой его применения является промышленность. Технический полиэтилен применяется для изготовления крупногабаритных емкостей с повышенными характеристикам прочности. Востребован в строительной сфере, химической промышленности, для производства ТНП он почти не применяется.

Свойства

Полиэтилен устойчив к воздействию воды, ко многим видам растворителей, кислотам не вступает в реакцию с солями. При горении выделяется запах парафина, наблюдается свечение голубого оттенка, огонь слабый. Разложение происходит при воздействии азотной кислоты, хлора и фтора в газообразном или жидком состоянии. При старении, которое происходит на воздухе, в материале образуются поперечные связи между цепями молекул, что делает материал хрупким, крошащимся.

Потребительские качества

Полиэтилен - уникальный материал, привычный в быту и производстве. Вряд ли рядовой потребитель, сможет определить с каким количеством предметов из него он сталкивается ежедневно. В мировом выпуске полимеров полиэтилен занимает львиную долю рынка - 31% от общего валового продукта.

В зависимости от того, из чего сделан полиэтилен и технологии производства, определяются его качества. Этот материал соединяет порой противоположные показатели: гибкость и прочность, пластичность и твердость, сильное растяжение и устойчивость к разрыву, устойчивость к агрессивным средам и биологическим агентам. В быту мы используем пакеты различной плотности, одноразовую посуду, полиэтиленовые крышки, детали бытовых приборов и многое другое.

Области применения

Применение изделий из полиэтилена не имеет ограничений, любая отрасль промышленности или человеческой деятельности сопровождается этим материалом:

Наибольшее распространение полимер получил в изготовлении упаковочных материалов. На эту часть применения приходится около 35% всего производимого сырья. Такое использование оправдано грязеооталкивающими свойствами, отсутствием среды для возникновения грибкового поражения и жизнедеятельности микроорганизмов. Одна из удачных находок - рукав полиэтиленовый, имеющий широкое применение. Варьируя по собственному усмотрению длину, пользователь ограничен лишь шириной упаковки.
Помня, из чего сделан полиэтилен, становится понятным, почему он получил распространение как один из лучших изоляционных материалов. Одним из его востребованных в этой сфере качеств стало отсутствие электропроводимости. Также незаменимы его свойства водоотталкивания, что нашло применение в производстве гидроизоляционных материалов.
Устойчивость к разрушительной силе воды, как растворителя, позволяет изготавливать трубы из полиэтилена для бытовых и промышленных потребителей.
В строительной отрасли используются шумоизолирующие качества полиэтилена, его низкая теплопроводность. Эти свойства пригодились при изготовлении на его основе материалов для утепления жилых и промышленных объектов. Полиэтилен технический используется для изоляции тепловых трасс, в машиностроении и пр.
Не менее устойчив материал к агрессивным средам химической промышленности, трубы из полиэтилена применяются в лабораториях и химических производствах.
В медицине полиэтилен полезен в виде перевязочных материалов, протезов конечностей, используют его в стоматологии и т.д.

Способы переработки

В зависимости от того каким способом было переработано гранулированное сырье, будет зависеть какой марки полиэтилен будет получен. Распространенные способы:

Экструзия (выдавливание). Применяется для упаковочных и других видов пленок, листового материала для строительства и отделки, изготовления кабелей, производится рукав полиэтиленовый и прочие изделия.
Литье, способом. В основном используется для изготовления упаковочных материалов, боксов и т.д.
Экструзионно-выдувной, ротационный. С помощью этого способа получают объемные емкости, крупногабаритную тару, сосуды.
Армирование. По определенной технологии в формируемую массу полиэтилена закладываются усиливающие элементы (металл), что позволяет получить строительный материал повышенной прочности, но с меньшей стоимостью.

Из чего делают полиэтилен, кроме основных составляющих веществ? Обязательным является катализатор процесса и добавки, меняющие свойства, качества готового материала.

Вторичная переработка

Стойкость полиэтилена - это его плюс в качестве потребительского товара и его минус, как одного из главных загрязняющих окружающую среду факторов. На сегодняшний день важным становится переработка отходов - рециклинг. Все марки полиэтилена могут быть утилизированы и повторно превращены в гранулированное сырье, из которого можно делать множество востребованных товаров народного и промышленного потребления.

Полиэтиленовые крышки, пакеты, бутылки будут разлагаться на свалке не одну сотню лет, а накопленные отходы отравляют природные жизненно важные ресурсы. Мировая практика демонстрирует рост количества перерабатывающих полиэтилен предприятий. Собирая фактически мусор, в таких компаниях проводят его санацию, дробят. Таким образом, происходит экономия ресурсов, охрана окружающей среды и производство востребованной продукции.