Получение полиэтилена

Министерство образования  и науки Украины

Национальный технический университет  Украины

«Киевский политехнический институт»

 

Кафедра экологии и технологии растительных полимеров

 

 

Курсовая работа

 

по курсу «Химия древесины и  синтетических полимеров»

по теме: «Получение полиэтилена»

 

                                 Выполнил:

                                                    студент ІІ-го курса

                                      группы ЛЦ-81

                                    Габ С.В.

                                  Проверил:

                                                          доцент кафедры  Е иТРП

                                     Барбаш В.А.

 

 

 

                                                                  Дата: «___» _____________2009

 

 

                                                                 Подпись :___________________

 

СОДЕРЖАНИЕ:

1.ВВЕДЕНИЕ

2.ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ  И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОМЫШЛЕННОГО  ПРОИЗВОДСТВА ПОЛИЭТИЛЕНА.

3.ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА  ПОЛИЭТИЛЕНА. 

4.ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИСХОДНЫХ ВЕЩЕСТВ И РЕАКЦИОННЫХ СМЕСЕЙ.

      4.1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИСХОДНЫХ ПРОДУКТАХ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ПРИ СИНТЕЗЕ ПЭ.

           4.1.1. Этилен.

           4.1.2. Модификаторы — агенты передачи  цепи.

           4.1.3. Инициаторы.

    4.2. РАСТВОРИМОСТЬ ЭТИЛЕНА В ПОЛИЭТИЛЕНЕ.

    4.3. СЖИМАЕМОСТЬ  РАСТВОРОВ ЭТИЛЕНА В ПОЛИЭТИЛЕНЕ 

В ГОМОГЕННОЙ ОБЛАСТИ.

   4.4. ВЯЗКОСТЬ РАСТВОРА  ЭТИЛЕНА В ПОЛИЭТИЛЕНЕ.

5.УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ  ПОЛИМЕРИЗАЦИИ ЭТИЛЕНА.

   5.1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ  ПОСТРОЕНИЯ АСУ УСТАНОВОК ПО ПРОИЗВОДСТВУ ПОЛИЭТИЛЕНА.

  5.2. ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ  СИСТЕМЫ.

6.СТРУКТУРА И СВОЙСТВА  ПОЛИЭТИЛЕНА.

  6.1. КОРОТКОЦЕПНАЯ  РАЗВЕТВЛЕННОСТЬ.

  6.2. НЕНАСЫЩЕННЫЕ ГРУППЫ.

  6.3. ДЛИННОЦЕПНАЯ РАЗВЕТВЛЕННОСТЬ.

7.СВОЙСТВА ПОЛИЭТИЛЕНА

    7.1. ФИЗИКОМЕХАНИЧЕСКИЕ  И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА.

    7.2. ХИМИЧЕСКИЕ  СВОЙСТВА.

8.ВЫВОДЫ.

9.СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ  ЛИТЕРАТУРЫ.

 

 

 

 

 

 

 

 

        

 

 

 

1.ВВЕДЕНИЕ:

В настоящее время  в мировой промышленности существуют четыре метода производства полиэтилена: один метод при высоком давлении и три — при низком давлении.

Производство полиэтилена  при высоком давлении осуществляется полимеризацией этилена в массе  по свободно-радикальному механизму в интервале давлений 150—350 МПа.

Разновидностью процесса производства полиэтилена при высоком давлении является производство так называемого линейного полиэтилена низкой плотности (ЛПЭНП), представляющего собой сополимер этилена с высшими а-олефинами. Один из способов получения ЛПЭНП (наряду с сополимеризацией при низком давлении) - сополимеризация в массе при высоком давлении, протекающая по ионно-координационному механизму.

Производство полиэтилена  при низком давлении осуществляется полимеризацией этилена по ионно-координационному механизму при давлении 2—4 МПа  в суспензии, в растворе или в  газовой фазе.

Раньше (до середины 60-х годов) в промышленности при высоком давлении получали только полиэтилен низкой плотности (917—925 кг/м³), _ч а при низком давлении — только полиэтилен высокой плотности (950— 970 кг/м³). Поэтому правомерна была номенклатура — полиэтилен высокого давления (ПЭВД), или полиэтилен низкой плотности (ПЭНП), и соответственно полиэтилен низкого давления (ПЭНД), или полиэтилен высокой плотности (ПЭВП).

При совершенствовании  технологических процессов производства полиэтилена при высоком и низком давлении в результате сополимеризации с различными высшими а-олефинами, применения новых эффективных катализаторов достигнута возможность получения полимера с полным диапазоном плотностей (910-970 кг/м³) как при высоком, так и при низком давлении. И поскольку границы по плотности для ПЭВД и ПЭНД больше не существует, не следует называть ПЭВД полиэтиленом низкой плотности, а ПЭНД - полиэтиленом высокой плотности.

Около 60% ПЭВД расходуется  для изготовления пленок. Использование для этой цели ПЭНД НП потребовало бы замены всего парка зкструзионного оборудования, применяемого для производства пленок, и существенного повышения расхода электроэнергии в процессе переработки из-за более высокой температуры плавления ПЭНД НП. К тому же повышенная жесткость пленок из ПЭНД НП (в зависимости от применяемых сомономеров) ограничивает их использование в ряде областей применения.

ПЭВД имеет целый  ряд преимуществ по применению в  тех областях, где требуется высокая  прозрачность и чистота материала, поскольку не содержит остатков катализаторов. Более эффективен ПЭВД для изготовления толстостенных эластичных изделий (например, оболочек для кабельной изоляции).

Кроме того, только по методу синтеза при высоком давлении можно получать в промышленности сополимеры этилена с полярными мономерами (с винилацетатом, акриловыми соединениями и др.).

Таким образом, ПЭВД должен использоваться для многих областей применения и заменять его на ПЭНД НП можно лишь частично.

При выборе метода производства полиэтилена необходимо провести сравнение технико-экономических показателей каждого метода; в конечном счете, определяющими являются два показателя — капитальные вложения и себестоимость продукции.

Ряд зарубежных фирм, которые  занимаются экономическими вопросами в области пластмасс, провели сравнение и анализ технико-экономических показателей указанных выше четырех методов промышленного производства полиэтилена. Аналогичные исследования были проведены и нами. При сравнении для получения корректных выводов принимались технологические линии одинаковой производительности, приведенные к одной географической точке.

В результате сравнения  было показано, что для установок  одинаковой единичной мощности при современном уровне технического оснащения капитальные вложения для каждого из методов близки и различаются не более чем на 5 %. Что касается эксплуатационных расходов, то разница в себестоимости для каждого из методов еще меньше, чем для капитальных вложений. Основную долю затрат в производстве полиэтилена по любому из методов составляют стоимость сырья и затраты на содержание и ремонт оборудования.

Таким образом, технико-экономические  показатели всех промышленных методов производства полиэтилена близки и не могут быть решающим фактором при выборе технологии для создания новых производств.

Резюмируя, можно сказать, что в мировом производстве полиэтилена будут существовать и развиваться все методы производства, включая и синтез при высоком давлении. В настоящее время ПЭВД является наиболее крупнотоннажным полимером из всех полиолефинов. Мощность производства ПЭВД составила в 1985 г. около 14 млн. т или 50 % от общего производства полиэтилена.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ  И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОМЫШЛЕННОГО  ПРОИЗВОДСТВА ПОЛИЭТИЛЕНА

Первый полиэтилен в  промышленном масштабе был получен немногим более 50 лет назад. В 1983 г. был отмечен „золотой юбилей" промышленного производства этого простого, но очень ценного полимера, без существования которого трудно представить многие современные технические достижения. Несмотря на кажущуюся „простоту" полимера, организации первого промышленного производства предшествовала большая работа ученых. Еще в прошлом веке проводились исследования по синтезу полимера из простейшего непредельного углеводорода — этилена. Русскому химику Г. Г. Густавсону в 1884 г. удалось осуществить полимеризацию этилена при каталитическом воздействии хлорида и бромида алюминия при температуре 100 °С. При этом впервые были получены жидкие маслообразные низкомолекулярные полимеры этилена. Аналогичные низкомолекулярные полимеры получали позднее по реакции Орлова при каталитическом гидрировании оксида углерода и в ряде других реакций.

На протяжении последующих 50 лет изучением процесса полимеризации этилена занимались многие ученые в разных странах мирз. Были опробованы различные условия процесса синтеза полимера и большое число различных катализаторов и инициаторов, которые могли бы способствовать увеличению скорости процесса полимеризации и повышению молекулярной массы полимера. В частности, проводили синтез при повышенном (насколько позволяли технические средства того времени) давлении. Однако при давлении до 10 МПа удалось получить лишь жидкие полимеры с молекулярной массой в пределах 100—500, которые находили применение в технике в качестве синтетических смазочных масел. Эти масла Производились во время второй мировой войны в Германии в промышленном масштабе. Только с развитием техники высоких давлений, т. е. при разработке и создании устройств для подъема давления и аппаратуры для проведения процесса полимеризации при высоком давлении, удалось получить высокомолекулярный полиэтилен.

Работы английских ученых П. В. Бриджмена и Д. Б. Кенента  по влиянию высоких давлений в интервале 120—2000 МПа на химические реакции послужили для исследователей фирмы „Ай-Си-Ай" основой проведения работ по полимеризации этилена под высоким давлением. В опытах по взаимодействию бензальдегида и этилена при давлении 140 МПа и температуре 170 °С они в марте 1933 г. впервые наблюдали образование твердого полиэтилена. Опыты с этиленом без бензальдегида постоянно приводили к термическому разложению этилена с образованием водорода, метана и углерода. В дальнейшем после проведения работ по улучшению аппаратуры в декабре 1935 г. эксперименты были продолжены. Уже в первом опыте с применением автоклава вместимостью 0,08 л при температуре 180 °С был получен полиэтилен. Использованный зтилен случайно содержал кислород в таком количестве, которое необходимо для инициирования процесса полимеризации, но еще не приводит к разложению реакционной массы.

По результатам работ  английских ученых И. В. Фоусетта, Р. О. Джиб- сона, М. В. Перрина, Д. Г. Патона и  И. Д. Вильямсона 4 февраля 1936 г. был получен  патент 471590 (Англия) на способ полимеризации  этилена в твердый полимер  при давлении свыше 50 МПа (по меньшей мере 150 МПа) при температуре от 100 до 400 °С с использованием в качестве инициатора небольшого количества кислорода. При данных и подобных условиях полимеризации образуются полимеры с областью температуры плавления 115—120 °С и плотностью около 918 кг/м³. Исследования показали, что молекулярные цепи полимера являются разветвленными.

Организация промышленного  производства полиэтилена была связана с большими трудностями. Недостаточное знание условий синтеза полиэтилена часто приводило к термическому распаду („взрыву") реакционной массы.

Первые тонны полиэтилена  были получены в 1938 г. на маленькой опытной  установке. Промышленная установка  мощностью несколько сотен тонн полиэтилена в год была введена  в эксплуатацию в 1939 г. в г. Виннингтоне (Англия). Однако этого производства с начала второй мировой войны оказалось недостаточно и прежде всего для обеспечения потребности в изоляции высокочастотных кабелей. В 1941 г. фирма „Ай-Си-Ай" передала американским фирмам „Дюпон" и „Юнион Кар- байд" лицензию на процесс получения полиэтилена. На основе этой лицензии упомянутые американские фирмы разработали собственные процессы на довольно высоком для того времени техническом уровне и в 1943 г. начали промышленное производство полиэтилена. После прекращения действия патента „Ай-Си-Ай" во многих индустриально развитых странах были разработаны еще более совершенные технологические процессы и созданы крупнотоннажные промышленные технологические линии.

В Германии на фирме БАСФ в процессе исследований открыли, что при давлении 50 МПа можно полимеризовать этилен в растворе или в эмульсии. С использованием органических пероксидов в качестве инициаторов уже при давлении 4 МПа получали воскообразный полиэтилен с низкой молекулярной массой. Для промышленного производства по непрерывной схеме этих продуктов, а также для получения продуктов полимеризации в массе на фирме БАСФ во время второй мировой войны было разработано техническое оснащение для проведения полимеризации при высоком давлении. После войны фирма БАСФ (ФРГ) для организации промышленного производства полиэтилена приобрела лицензию у фирмы „Ай-Си-Ай", так как ее собственные разработки по методу высокого давления подпадали под права патента фирмы „Ай-Си-Ай", которыми было защищено применение высокого давления в производстве полиэтилена. На этой основе фирма БАСФ разработала собственный процесс с применением трубчатого реактора, лицензию на который в дальнейшем продала во многие страны. Была также проведена полимеризация этилена при экстремально высоких давлениях (1000 МПа). При этом образуется полиэтилен, по молекулярной структуре и свойствам подобный ПЭНД.

В тот же период, когда  проводились исследования в Англии по получению полиэтилена при высоком давлении, независимо от английских ученых высокомолекулярный полиэтилен при давлении 200—300 МПа и температуре 180-200 °С получил советский ученый А. И. Динцес. По результатам этой разработки автору в 1939 г. было выдано авторское свидетельство на способ получения полиэтилена.

Первая опытно-промышленная установка полимеризации этилена в СССР была создана в 1946 г. Синтез полимера осуществлялся в реакторе автоклавного типа вместимостью 25 л, этилен подавался двухступенчатым компрессором с механическим приводом. Разработанный на основе опытных работ на этой установке технологический процесс в 1952 г. был внедрен на Охтинском химическом комбинате (ОХК) в Ленинграде. Качество полученного полиэтилена было довольно низким и для улучшения физико-механических показателей полиэтилена (в частности, относительного удлинения и морозостойкости) его смешивали с полиизобутиленом. Такая композиция имела уже практическое значение.

В 1951 г. на ОХК начала действовать  первая непрерывная полупромышленная установка с трубчатым реактором вместимостью 0,02 м³.

В 1959 г. на Свердловском заводе пластмасс была введена в эксплуатацию промышленная установка по производству полиэтилена с применением отечественных реакторов трубчатого типа, а в 1960 г. аналогичная установка начала выпускать полиэтилен на Уфимском заводе синтетического спирта.

В 1952—1953 гг. в ЦИАТИМе  был разработан процесс полимеризации  этилена в реакторе автоклавного типа вместимостью 0,025 м³ с перемешивающим устройством. Производительность этого реактора была низкой вследствие низкой производительности компрессоров.