Промышленное производство полиэтилена низкого давления

Содержание Введение

1. Технико-экономическое обоснование метода производства полиэтилена низкого давления (ПНД)

1.1 Патентный поиск

1.2 Описание существующего производства

1.3 Выбор и обоснование технологии проектируемого производства

1.4 Сравнительный анализ и выбор оборудования

1.5 Размещение объекта и его обоснование

1.6 Проектное предложение

2. Технологическая часть

2.1 Характеристика производимой продукции

2.2 Характеристика сырья

2.3 Операционное описание технологического процесса

2.3.1 Реакторный узел

2.3.2 Узел подачи катализатора

2.3.3 Узел выгрузки продукта

2.3.4 Узел подавления реакции

2.3.5 Термическое обезвреживание газоотходов

2.4 Теоретические основы производства

2.5 Расчет материального баланса производства гомополимера этилена марки 276

2.6 Расчет количества сырья необходимого для выполнения суточной, часовой, годовой программ и расчет количества оборудования

2.7 Тепловой расчет

2.8 Механический расчет

2.8.1 Расчет обечайки

2.8.2 Расчет эллиптического днища

2.8.3 Расчет полусферического днища

2.8.4 Расчет конической обечайки

2.9 Энерготехнологические ресурсы

2.10 Устройство и описание основного аппарата

2.11 Технологический контроль производства

2.12 Перечень основного оборудования

3. Автоматизация и автоматизированные системы управления

4. Строительно-монтажная часть

5. Безопасность жизнедеятельности

5.1 Характеристика объекта

5.2 Характеристика веществ применяемых на объекте

5.3Категорирование помещений по взрывопожарной опасности

5.4 Перечень опасных и вредных факторов, присущих объекту

5.5 Метеоусловия на производственной площадке

5.6 Разработка защитных мероприятий

5.7 Расчет освещения объекта

6. Мероприятия по предупреждению и устранению чрезвычайных происшествий и гражданской обороне

7. Экологическая оценка проекта

8. Экономическая оценка проекта

9. Стандартизация Заключение Перечень принятых терминов Список использованных источников Приложение, А Приложение Б Введение [1,2,3]

Промышленное производство полиэтилена низкого давления является одним из самых молодых направлений полимерной химии. Полиэтилен низкого давления — это недорогой, экологически чистый продукт.

С момента открытия новых ионно-координационных катализаторов оно развивается исключительно высокими темпами. Высокие темпы роста производства полиэтилена низкого давления связаны с непрерывно растущими потребностями в этом материале, что объясняется весьма ценным комплексом свойств полиэтилена низкого давления: высокой прочностью, стойкостью к растрескиванию в агрессивных средах, теплостойкостью, морозостойкостью, малым удельным весом, способностью пропускать ультрафиолетовые лучи и поглощать радиоактивные излучения, хорошими диэлектрическими свойствами, хорошей перерабатываемостью в изделия различными методами.

Основные мощности по производству полиэтилена сосредоточены в США, Европе и Японии, но наблюдается перенос производства в станы Персидского Залива и Северной Африки. В США крупными фирмами-производителями являются «Юсай», «Юнион Карбайд», «Доу», в Японии — «Мицубиши Юкка».

Производство полиэтилена низкого давления основано на жидкофазном методе полимеризации этилена в суспензии (АО «Куйбышевнефтеоргсинтез») и на газофазном методе полимеризации этилена на базе оборудования фирмы «Си Джей Би» (Великобритания) по методу фирмы «Юнион Карбайд» (США) (ОАО «Казаньоргсинтез»).

Наиболее крупными потребителями полиэтилена низкого давления являются сельское хозяйство (производство труб и шлангов для полива, обогрева и орошения, производства тары и пленки для теплиц), водное хозяйство и мелиорация (для изготовления изделий санитарно-безнапорных труб), строительная индустрия (для изготовления изделий санитарно-технического назначения, труб и изоляция магистральных газопроводов), пищевая промышленность (для изготовления пленок и тары) и кабельная промышленность.

Использование полиэтилена низкого давления в народном хозяйстве наряду с высокой экономической эффективностью способствует техническому прогрессу — уменьшению веса изделия, увеличение срока их службы, снижение трудоемкости изготовления и т. д.

1. Технико-экономическое обоснование метода производства полиэтилена низкого давления (ПНД)

1.1 Патентный поиск Для проведения патентных исследований определяется предмет поиска по теме дипломного проекта, подлежащий исследованию.

Предмет поиска: «производство полиэтилена низкого давления».

Поиск проводиться по отечественному патентному фонду библиотеки КГТУ и национальной библиотеки РТ.

Глубина поиска (не менее 5 лет), начиная с текущего года и вглубь без пробелов.

Источником информации об отечественных изобретениях является бюллетень РФ «Изобретения. Полезные модели» и информационно-поисковая система Интернет сайт www. fips.ru.

Классификационные индексы предмета поиска определяются по Международной Патентной Классификации МПК: С, В, А, G.

Целью патентных исследований является установление уровня развития техники и анализ применимости прогрессивных решений в дипломном проекте.

Для составления полного списка изобретений, имеющих отношение к теме поиска, используются текущие и годовые систематические указатели к официальному бюллетеню.

Номера охранных документов, имеющих отношение к теме поиска, заносят в таблицу 1.1.

Таблица 1.1

Номера охранных документов

Анализ отобранных изобретений.

(11) Номер публикации -2 289 593;

(22) Дата подачи заявки — 2002.08.07;

(72) АвторыБерхальтер К., Шикеранц В., Дюк Ж.;

(73) Патентообладатель — Базелль Полиолефине ГмбХ;

(54) Название — Оптимизация удаления тепла в газовом процессе с псевдоожиженным слоем.

(56) Реферат Изобретение относится к способу получения полиэтилена из этилена в газовой фазе в реакторе с псевдоожиженным слоем. Способ получения полиэтилена включает стадии

· гидрирования, в которой подаваемый этилен, содержащий примеси, реагирует с водородом с удалением примесей;

· стадию полимеризации, в которой этилен, покидающий первую стадию, реагирует в газовой фазе в реакторе с псевдоожиженным слоем с образованием полиэтилена.

Технический результат — снижение капитальных и энергетических затрат, достижение высоких выходов продукта за 1 проход в единицу времени.

(11) Номер публикации — 2 006 127 647;

(22) Дата подачи заявки — 2004.12.15;

(71) Заявители — Юнивейшн технолоджиз, ллс;

(72) Авторы — Хаджерти Р. О., Муле М. Э., Агапиоу А. К., Куо Ч., Гуди М. Г., Хусейн Д. Ф., Паннелл Р., Шуль Д. Ф.;

(54) Название — Способ устранения образования отложений в газовых реакторах.

(56) Реферат Изобретение относится к способу введения в реакторную систему стабилизирующей работу добавки в количестве, которое предотвращает или устраняет образование отложений полимера. Получаемого реакцией полимеризации олефина, где реакцию полимеризации проводят в реакторной системе, которая включает реактор с псевдоожиженным слоем, зону уноса, средство подачи катализатора для введения каталитической системы, способной образовывать полимер, средство подачи стабилизирующей работу добавки для введения стабилизирующей работу добавки независимо от каталитической смеси, средство мониторинга уровней электростатической активности в зоне уноса.

Технический результат — предотвращение или устранение образование отложений полимера.

(11) Номер публикации — 2 005 123 719;

(22) Дата подачи заявки — 2003.12.05;

(71) Заявители — Юнивейшн технолоджиз, ллс;

(72) Авторы — Канн Д. К., Чжан М., Севалльос-Кандау Х.Ф., Мурхаус Д., Зилкер Д., Эйписетч М., Гуди М. Г.;

(74) Патентный поверенный — Веселицкая И. А;

(54) Название — Получение полиэтилена с широким молекулярно-массовым распределением.

(56) Реферат Изобретение относится к способу получения полиэтилена из этилена в газовой фазе в реакторе с псевдоожиженным слоем. Способ получения полиэтилена включающий стадии контактирования этилена в полимеризационных условиях с каталитической системой, которая представляет собой нанесенный на носитель хромовый катализатор, включающий оксид хрома, содержащий диоксид кремния носитель, включающий диоксид кремния, выбранный из группы, включающей диоксид кремния, обладающий удельным объемом пор от примерно 1,1 до примерно 1,8 см³/г и удельной площадью поверхности от примерно 245 до примерно 375 м²/г. Полученный полимер имеет широкое молекулярно-массовое распределение.

(11) Номер публикации — 2 289 591;

(22) Дата подачи заявки — 2005.09.30;

(72) Авторы — Баулин А. А, Кудряшов В. Н., Поташкин А. Ф., Сугоняко В. Г., Бобров Б. Н., Акланов В.А.

(73) Патентообладатель — ОАО «Казаньоргсинтез»;

(54) Название — Способ получения полиэтилена низкого давления.

(56) Реферат Изобретение относится к технологии получения полиолефинов, а именно к синтезу полимеров этилена на модифицированных оксиднохромовых катализаторах по методу низкого давления в газофазном реакторе с псевдоожиженном слоем. Описан способ получения полиэтилена низкого давления непрерывной газофазной полимеризацией этилена в реакторе с псевдоожижающей решеткой с использованием катализатора, содержащего оксид хрома, модифицирующий оксид, фтор и диоксид кремния в качестве носителя, с подачей в реактор ниже псевдоожижающей решетки газообразной реакционной смеси, содержащей этилен, водород и азот. Технический эффект — повышение выхода полиэтилена низкого давления с единицы массы используемого катализатора, снижение расходной нормы катализатора в производстве полиэтилена низкого давления при сохранении постоянства показателей качества синтезируемого полимера.

(11) Номер публикации — 2 258 606;

(22) Дата подачи заявки — 2004.04.01;

(72) Авторы — Балашов М. М., Чистов В. И., Рыжов В.В.

(73) Патентообладатель — Московский государственный университет инженерной экологии;

(54) Название — Устройство для переработки термопластического материала.

(56) Реферат Изобретение относится к переработке вторичных полимерных материалов, в частности отходов полиэтилена низкого давления. Устройство для переработки термопластичного материала содержит корпус с загрузочной зоной и выходными каналами, размещенные в стенке корпуса нагреватели и расположенный в полости корпуса рабочий орган в виде зацепляющихся зубчатых валков, два из которых являются загрузочными. Зона загрузки ограничена валками и поверхностью корпуса, расположенной вдоль образующей валков.

Поверхность, которая проходит через ребра загрузочной зоны корпуса, примыкающие к загрузочным валкам, расположена на расстоянии от плоскости, проходящей через оси загрузочных валков меньшим их радиуса. Отсутствие части корпуса, покрывающего загрузочные валки, дает возможность подавать в загрузочную зону вторсырье, габариты которого превышают размеры самой установки. Конфигурация загрузочной зоны обеспечивает возможность переработки крупногабаритных материалов, а также улучшает условия эксплуатации.

(11) Номер публикации — 2001 114 204;

(22) Дата подачи заявки — 1999.10.14;

(71) Заявители — Истман кемикал компании;

(72) Авторы — Форд Р. Р., Стюарт Р.К.

(74) Патентный поверенный — Лебедева Н.Г.

(54) Название — Способ полимеризации олефинов.

(56) Реферат Изобретение относиться к способу полимеризации олефинов, включающий контактирование в условиях полимеризации олефинов с катализатором Циглера-Натта, с образование полимера. Технический эффект — повышение выхода полиэтилена низкого давления.

(11) Номер публикации — 2 240 330;

(22) Дата подачи заявки — 2000.03.23;

(72) Авторы — Файндт Х. Я., Биттерлих Ш., Эфертц К., Хеккер М.

(73) Патентообладатель — Базелль Полиолефине ГмбХ;

(74) Патентный поверенный — Томская Е.В.

(54) Название — Способ выделения олефинов из установок для получения полиолефинов.

(56) Реферат Изобретение относится к области газофазной полимеризации. Описан способ выделения олефинов из содержащей один или несколько олефинов, инертный газ и катализаторный яд газовой смеси, причем газовая смесь подается в разделительный блок и разделяется на олефин и инертный газ. Способ данного изобретения отличается тем, что до или после разделительного блока присоединена аппаратура для удаления катализаторного яда. Олефины выделяют при этом из газовой смеси, образующейся при каталитической газофазной полимеризации для получения полиолефинов в виде отходящего газа. Технический результат: способ позволяет регенерацию олефинов из отходящего газа и их повторное введение в реакционную смесь.

Патентные исследования по фонду изобретений показали, что тема разработана достаточно хорошо. Однако внимание разработчиков к исследуемой теме неравномерно по годам. Пик изобретательской активности приходиться на 2002;2006. Для анализа отобрано 7 изобретений, именующих непосредственное отношение к исследуемой теме. В них разработаны способ оптимизации удаления тепла в газовом процессе с псевдоожиженным слоем, устранения образования отложений в газовых реакторах, получение полиэтилена с широким молекулярно-массовым распределением, устройство для переработки термопластического материала, способ полимеризации олефинов, способ получения полиэтилена низкого давления, способ выделения олефинов из установок для получения полиолефинов, при этом решаются задачи проведения газофазной полимеризации в псевдоожиненном слое с точки зрения экономии капитальных вложений, путем сокращения времени простоя на чистку реактора от отложений, сокращения энергетических затрат, достижения высокого выхода продукта.

1.2 Описание существующего производства [4]

Производство полиэтилена низкого давления ОАО «Казаньоргсинтез» введено в эксплуатацию в 1983 году. Проектная мощность производства по порошку составляет 192 563,4 т/год, в том числе:

— гомополимера — 59 842,4 т/год

— сополимера с бутеном-1 — 123 039 т/год

— сополимера с пропиленом — 9692 т/год Производство состоит из трех технологических линий полимеризации, которые обеспечивает сырьем одна технологическая линия очистки сырья.

Получение полиэтилена низкого давления (гомополимера и сополимера с пропиленом и бутеном-1) осуществляется газофазным методом при температуре 90 °C — 112 °C и давлении (17−19) кгс/см² (1,7- 1,9 МПа) с применением в качестве катализатора хроморганических соединений, нанесенных на силикатную основу.

Сырье, используемое в производстве полиэтилена (этилен, водород, азот), проходит предварительную очистку.

Разработчик технологического процесса фирма «Юнион Карбайд» (США).

Производство полиэтилена низкого давления относится к первой категории по технико-экономическому уровню.

Производство реконструкции не подвергалось.

1.3 Выбор и оценка существующего метода производства [1,2,5]

В настоящее время существуют три основных промышленных метода производства полиэтилена:

· радикальная полимеризация этилена при высоком давлении

· полимеризация на гетерогенных каталитических системах при низком давлении

· полимеризация при среднем давлении.

При выборе метода производства полиэтилена основываются на их сравнительной характеристики.

Высокое давление процесса делает производство опасным с точки зрения промышленной безопасности.

По сравнению с полиэтиленом высокого давления полиэтилен низкого давления имеет более высокую температуру плавления, большую прочность, жесткость. Полиэтилен низкого давления проявляет большую стойкость к действию растворителей, масел и жиров чем полиэтилен высокого давления. Он имеет модуль изгиба при 20єС в 2,5 раза выше, чем модуль упругости полиэтилена высокого давления.

Для данного проекта выбрано производство полиэтилена низкого давления.

В промышленности полиэтилен низкого давления (ПНД) получают ионной и ионно-координационной полимеризацией в газовой и жидкой фазе.

При выборе метода производства полиэтилена низкого давления основываются на их сравнительной характеристике.

Получение полиэтилена в газовой фазе, где в отличии от производства полиэтилена в жидкой фазе не применяются органические растворители, позволяет исключить из технологического процесса стадии выделения и промывки полимера. Таким образом, технологическая схема газофазного метода значительно упрощается. Вывод готового продукта, то есть разгрузка порошка, происходит непосредственно из реакторов. Так как количество катализатора, расходуемого на единицу веса полимера мало, удалять остатки катализатора после процесса полимеризации из полимера не требуется.

Кроме того, отсутствие в процессе растворителя делает производство менее опасным с точки зрения промышленной безопасности и экологичности процесса.

При получении полиэтилена в газовой фазе теплосъем осуществляется самим этиленом, который циркулирует через выносные холодильники. Для предотвращения уноса частиц полимера с потоком газа предусмотрена специальная конструкция реактора — то есть не требуется специальных аппаратов для отделения полимера от теплоотводящего агента, как в случае производства полиэтилена низкого давления в жидкой фазе.

Упрощение технологической схемы за счет применения газофазного метода стало возможным благодаря разработке высокоэффективных хроморганических катализаторов, применение которых позволило получать широкий ассортимент марок полиэтилена с плотностью 940−960 кг/м³ и как с узким, так и с широким молекулярно-массовым распределением.

Кроме того, газофазный метод производства выгоден и с экономической точки зрения. Во-первых, за счет упрощения технологической схемы снижается себестоимость продукта. Во-вторых, такой способ производства приводит к более рациональному использованию реагентов. В третьих поскольку резко снижается объем сточных вод, уменьшаются затраты на их очистку.

На основании сравнительных данных для данного проекта взято производство полиэтилена низкого давления в газовой фазе.

В таблице 1.2 представлены показатели ведущих фирм по производству полиэтилена низкого давления различными методами.

Таблица 1.2

Показатели ведущих фирм по производству полиэтилена низкого давления различными методами

Выводы: из приведенной таблицы видно, что единый метод производства, на которой ориентировались бы фирмы, отсутствует. Все ведущие фирмы имеют производство полиэтилена высокой плотности с технологией производства собственной разработки.

Все методы производства обеспечивают выпуск качественной продукции, которая имеет, сбыт на мировом рынке.

На основании приведенных в таблице технических характеристик методов производства следует, что метод газофазной полимеризации выгодно отличается от метода жидкофазной полимеризации. При газофазной полимеризации резко сокращается расходы воды и пара.

1.4 Сравнительный анализ и выбор оборудования Реактор фирмы Юнион Карбайд (США) предназначен для проведения газофазной полимеризации в псевдоожиженном слое, представляет собой цилиндрический сосуд с расширенной верхней частью. Расширенная верхняя часть предотвращает унос псевдоожиженных частиц полиэтилена за счет снижения скорости газового потока. Внутри реактора на уровне нижнего фланца встроена решетка, которая служит для удержания слоя порошка полиэтилена. Решетка имеет 1360 отверстий диаметром 14,3 мм. Эти отверстия прикрыты металлическими уголками, которые предотвращают попадание порошка полиэтилена под решетку и улучшают распределение газа. Под решеткой установлен отбойный зонт, который служит для более равномерного распределения газа.

Для очистки внутренней поверхности, а также для проведения внутреннего осмотра реактора оборудован четырьмя люками-лазами. Каждый люк-лаз имеет вставной стакан, необходимый для сглаживания внутренней поверхности реактора и предотвращения скопления порошка полиэтилена в полости люка-лаза, его спекания и образования агломерата.

Для контроля температуры по всей высоте реактора предусмотрены датчики температуры, регистрирующие температуру зон на многоточечном самописце. Предусмотрены также термокарманы для проведения контрольных замеров температуры в различных точках реактора.

Реактор фирмы (Amaco США) для газофазной полимеризации имеет грушевидную форму, которая предотвращается унос псевдоожиженных частиц за счет снижения скорости газового потока. В нижней части реактора имеется распределительная решетка, диаметр отверстий решетки равен 19,5 мм количество 1000 штук.

Для очистки внутренней поверхности, а также для проведения внутреннего осмотра реактора оборудован люками-лазами.

Для контроля температуры по всей высоте реактора предусмотрены датчики температуры. Предусмотрены также термокарманы для проведения контрольных замеров температуры в различных точках реактора.

В производстве полиэтилена низкого давления для охлаждения циркуляционного газа можно использовать как воздушный холодильник, так и водяной. Воздушный холодильник имеет ряд преимуществ таких как экономия охлаждающей воды, уменьшение количества сточных вод, значительные сокращения затрат труда на чистку аппарата ввиду отсутствия накипи и отложения солей, уменьшение расходов связанных с организацией оборотного водоснабжения технологических установок. Водяной холодильник так же имеет ряд преимущества, по сравнению с воздушным холодильником он имеет более высокий КПД, малые размеры (компактен), охлаждение не зависит от климатических условий. Для проектируемого производства я выбираю водяной холодильник.

На основании сравнительных данных для данного проекта взят реактор фирмы «Юнион Карбайд», т.к. отверстия распределительной решетки имеют меньший диаметр, чем в реакторе фирмы, что улучшает распределение газа. Эти отверстия прикрыты уголками, что отсутствует в конструкции реактора фирмы. Для проектируемого производства я выбираю водяной холодильник, Данный холодильник имеет более высокий КПД, малый размер (компактен), охлаждение не зависит от климатических условий и более безопасен для ремонтной бригады, так как находится на отметке 0.000 в отличие от воздушного холодильника который находится на самой высокой отметке и является весьма опасным и сложным для поднятия необходимого ремонтного оборудования.

1.5 Обоснование места размещения объекта Площадка строительства расположена в северо-западном промышленном узле города Казани.

Проектируемое производство расположено на резервной территории ОАО «Казаньоргсинтез» в 26 квартале, которая расположена на не пригодных для сельского хозяйства землях. Целесообразность производства диктуется благоприятным сочетанием условий для увеличения мощности установки:

— сырьевая база — производство по получению этилена;

— электроэнергия — рядом находится ТЭЦ-3;

— наличие высококвалифицированных кадров, возможность пополнения новыми работниками и специалистами из ГПТУ и КГТУ.

Район строительства производства относиться ко II климатическому району. Рельеф площадки относительно ровный, с небольшим уклоном.

Также город Казань является крупным железнодорожным узлом, что дает возможность бесперебойного вывоза готовой продукции по железной дороге, проложенной к ОАО «Казаньоргсинтез».

1.6 Проектное предложение Предлагаемый дипломный проект включает в себя проектное предложение, которое должно быть рассмотрено как с позиции технологии, технической возможности реализации, так и с позиции экономики, охраны труда и экологии и т. д.

Дана оценка проектного предложения с общеинженерных позиций.

Дипломный проект включает в себя проектное предложение, выгодно отличающего проектируемое производство от действующего аналога.

1) Замена воздушного холодильника на водяной нам дает:

· эффективность теплосъема У внедряемого водяного холодильника теплосъем гораздо эффективнее чем у воздушного холодильника, достигается это за счет циркуляции холодной воды в нем.

· независимость от климатических условий (времени года) В настоящее время на предприятии «Казаньоргсинтез» идет прямая зависимость от климатических условий, при использовании воздушного холодильника. При внедрении водяного холодильника мы избегаем этой зависимости.

· стабильность температуры в редакторе Благодаря внедрению водяного холодильника достигается стабильность температуры в реакторе при использовании же воздушного холодильника идут температурные перепады.

· безопасность эксплуатации Водяной холодильник значительно безопасней, чем воздушный. При запуске реактора при использовании воздушного холодильника необходимо производить закрытие лопастей (длина лопасти 3 метра) так же при этом необходимо проконтролировать полностью ли покинут опасный участок личным составом в целях избежание травм.

· простота эксплуатации и ремонта Ремонт водяного холодильника производить значительно легче и безопасней, чем воздушного холодильника. Водяной холодильник более прост по своей конструкции и эксплуатации, так как он находится на отметке 0.000, он очень удобен для ремонта и наблюдения за ним. Воздушный холодильник размещен на самой высокой отметке, что доставляет массу сложностей для поднятия ремонтного инструмента ремонтной бригаде.

Экономическая оценка проектного предложения приведена в разделе «Экономическая оценка проектных предложений».

2. Технологическая часть

2.1 Характеристика производимой продукции [3]

Производимая продукция это полиэтилен марки 276.

Полиэтилен низкого давления порошкообразный представляет собой порошок белого цвета (твердый высокомолекулярный продукт), полученный в газовой фазе с применением хроморганических соединений в качестве катализатора.

Химическая формула — (-СН₂-)_n-, где n-средняя степень полимеризации.

Он обладает высокими механическими свойствами.

Плотность полиэтилена является мерой кристалличности, а так же степени разветвленности макромолекулы полиэтилена.

Повышение плотности вызывает повышение сопротивления разрыву, твердости, химической стойкости, температуры размягчения и предела текучести, но приводит к понижению вязкости при изгибе и сопротивления растеканию под напряжением.

Свойства полиэтилена марки 276 приведены в таблице Таблица Свойства полиэтилена марки 276

В готовые изделия порошкообразный полиэтилен перерабатывается методом экструзии, выдувания и литья под давлением.

В зависимости от свойств полиэтилен используется для производства труб, пленок, листов, моноволокна, тонкои толстостенных изделий различного габарита (сиденья, ведра, бачки, контейнеры).

2.2 Характеристика сырья [3]

Характеристика основного сырья приведена в таблице 2.1.

Таблица2.1

Характеристика основного сырья

Характеристика вспомогательного сырья приведена в таблице 2.2

Таблица 2.2

Характеристика вспомогательного сырья

2.3 Операционное описание технологического процесса [3]

2.3.1 Реакторный узел Полимеризация Реакция полимеризации осуществляется в реакторе поз.1, представляющем собой вертикальный цилиндрический аппарат с расширенной верхней частью. Объем — 539 м³.Диаметр нижней части реактора 4,4 м, верхняя часть грушевидной формы расширена до 7,3 м, что предотвращает унос частиц из псевдоожиженного слоя за счет снижения скорости газового потока. В нижней части реактора находится распределительная решетка, отверстия в которой прикрыты металлическими уголками, необходимыми для исключения попадания порошка полиэтилена под решетку и улучшения распределения газа.

Псевдоожиженный слой порошка полимера создается непрерывной подачей циркуляционного газа через распределительную решетку в реактор. Большая часть мелких частиц полимера, захваченных циркуляционным газом из псевдоожиженного слоя, осаждается в верхней расширенной части реактора и возвращается в слой.

Давление в реакторе поз.1 поддерживается на заданном уровне путем изменения степени открытия клапана, установленного на линии подачи свежего этилена. При превышении давления избыток газа сбрасывается через клапан на факел.

Для контроля температуры по всей высоте реактора поз.1 предусмотрены датчики температуры, регистрирующие температуру зон на многоточечном самописце. Предусмотрены также термокарманы для проведения контрольных замеров температуры в различных точках реактора. Для охлаждения циркуляционного газа на линии нагнетания компрессора поз.10 предусмотрен воздушный холодильник поз.4, имеющий шесть вентиляторов: три на стороне входа газа, три на стороне выхода газа. Вентиляторы, установленные на входе, имеют постоянный угол наклона лопастей у вентиляторов, установленных на выходе, угол наклона лопастей изменяется.

Производительность реактора регулируется количеством подаваемого катализатора путем изменения скорости вращения ротора питателя поз.6.

Охлажденный до температуры не более 112 °C циркуляционный газ после введения в него необходимых количеств водорода смешивается со свежим этиленом и поступает в реактор поз.1.

Процесс полимеризации идет при температуре 90−112°С, давлении не более 19 кгс/см², расходе циркуляционного газа 400 000−640 000 кг/ч и высоте псевдоожиженного слоя не более 12,0 м. Для предотвращения забивки порошком полиэтилена предусмотрена постоянная продувка свежим этиленом линии выгрузки порошка из реактора, линии ввода катализатора в реактор, штуцера предохранительного клапана, штуцера факельной линии реактора, штуцеров ввода азотнокислородной смеси в реактор.

Технологической схемой предусмотрена подача в реакторную систему азота высокого давления для опрессовки и продувки после ремонта.

2.3.2 Узел подачи катализатора Катализатор из емкости поз.11, находящейся в отделении приготовления катализаторов, пневмотранспортом подается в резервуар для катализатора поз.5. Количество поданного катализатора контролируется по весам поз.12. На каждую технологическую нитку предусмотрены два резервуара поз.5. Катализатор из резервуара поз.5 просеивается через сетку и поступает в питатель поз.6, состоящий из бункера и роторного дозатора. Катализатор после дозатора поступает в секцию подхвата и потоком азота высокой чистоты с расходом не менее 5 кг/ч и давлением не более 31 кгс/см² подается в реактор поз.1. Технологической схемой предусмотрена возможность возврата катализатора из резервуара поз.5 и питателя поз.6 в емкость поз.11. Возврат катализатора производится при остановке питателя на ремонт. Также возврат катализатора производится в случае неактивного катализатора и при переходе с одного типа катализатора на другой.

2.3.3 Узел выгрузки продукта Выгрузка продукта из реактора поз.1 производится периодически, при этом часть псевдоожиженного слоя порошка выгружается в одну из двух емкостей для выгрузки продукта поз.2 объемом 4,2 м³ каждая.

За один цикл выгрузки в емкость для выгрузки продукта поз.2 поступает от 900 до 1200 кг порошка и 65 70 кг циркуляционного газа. Количество выгруженного порошка зависит от насыпной плотности порошка и от остаточного давления в емкости для выгрузки продукта. Из емкости поз.2 — 90% газа через металлокерамический фильтр поз.7 сдувается в уравнительные емкости поз.9 или на факел. Очистка фильтра поз.7 проводится обратным потоком газа при выгрузке порошка из емкости поз.2 в продувочную емкость. После снижения давления в емкости поз.2 до 5 кгс/см² порошок выгружается в продувочную емкость поз.3, при этом газ, поступающий с порошком, сбрасывается на факел через рукавный фильтр поз.8. Рукавный фильтр поз.8, имеющий 36 цилиндрических войлочных элементов, защищает коллектор факела от попадания в него порошка. Выгрузка порошка из продувочной емкости осуществляется роторным питателем поз.13 в линию пневмотранспорта к силосам поз.14 отделения хранения порошка. Из любой технологической линии порошок направляется в любой из 16 силосов, а также в реакторы поз.1 при помощи направляющихся клапанов поз.15, 16, 17. Транспортировка порошка производится азотом с помощью газодувок поз.18. Транспортирующий азот из силосов поз.14 проходит через фильтры поз.19, холодильники поз.20 и поступает на всос газодувки поз.18.

Уравнительные емкости поз.9, установленные на линии сдувки этилена из емкости для выгрузки продукта поз.2, объемом 100 м³ каждая предназначены для сглаживания пульсаций при периодической выгрузке порошка из реактора поз.1. Давление в уравнительной емкости поз.9 (3 кгс/см²) поддерживается путем изменения степени открытия клапана на линии сброса сдувочного газа на факел.

2.3.4 Узел подавления реакции Подавление процесса полимеризации необходимо в случаях, связанных с увеличением температуры процесса полимеризации, т.к. при этом происходит размягчение (спекание) порошка полиэтилена, образование кома, листов и т. д. Образовавшийся ком вызывает нарушение псевдоожижения и, как следствие, нарушение съема тепла потоком циркуляционного газа. Этот процесс идет до образования сплошного монолита во всем объеме реактора.

Температура размягчения порошка полиэтилена лежит в интервале 120−130°С. В аварийных ситуациях (при повышении температуры в реакторе на 5 °C выше заданной, при низком расходе циркуляционного газа, остановке циркуляционного компрессора поз.10) в реакторную систему вводится для подавления реакции полимеризации каталитический яд — азотнокислородная смесь.

Реакторный узел снабжен восемью баллонами объемом 40 л каждый. При повышении температуры в реакторе выше, чем на 5 °C от заданной, каталитический яд вводится вниз реактора и распределяется по всему слою порошка вместе с потоком циркуляционного газа.

2.3.5 Термическое обезвреживание газоотходов Факельная установка служит для сжигания газообразных отходов, поступающих из различных отделений цеха. В состав факельных газов входят следующие компоненты: этилен, водород, азот, изопентан, б-бутилен, пропилен, четыреххлористый углерод, толуол, гептан. Температура газов, сбрасываемых на факел, не более 130єС. Факельные газы проходят через сепараторы, где отделяются от углеводородного конденсата (в основном изопентана) и от уносимого вместе с газом порошка полиэтилена. Из сепараторов жидкие углеводороды периодически перекачиваются насосами на печь сжигания. Жидкость, сконденсированная в молекулярном затворе по трубопроводу с теплоспутником отводиться на всас насосов. Факельные газы поступают в ствол, проходят через затвор и сжигаются на выходе из ствола факела.

Для обеспечения бездымного горения в пламя впрыскивают через форсунки водяной пар с давлением не менее 1,0 МПа. При залповых выбросах газов на факел до 1 665 000 кг/час происходит неполное сгорание углеводородов.

Для исключения проникновения воздуха в факельный ствол и образования в нем взрывоопасных смесей в нижнюю часть подается топливный газ. Обеспечение непрерывного сгорания газов осуществляется дежурными горелками, которые зажигаются от генератора пламени. Топливный газ и сжатый воздух проходят через редукторы и, смешиваясь в смесителе генератора, образуют горючую смесь, которая воспламеняется электрической свечой.

Из генератора пламя по трем трубопроводам поступает к трем дежурным горелкам.

2.4 Теоретические основы производства [1,2,4]

Полиэтилен низкого давления (НД) получают полимеризацией этилена в газовой фазе при давлении 2,2 МПа и температуре 100—105°С в присутствии хроморганических катализаторов на силикатных носителях. Наибольшее распространение получила каталитическая система: хромоцен — дициклопентадиенилхромат нанесенный на активированный силикагель.

CH = CH CH = CH

CH — Cr — CH

CH = CH CH = CH

Активность катализатора в процессе полимеризации определяется чистотой хроморганических компонентов, удельной поверхностью носителя, объемом пор и их средним диаметром, а также температурой дегидратации носителя и условиями взаимодействия хроморганического соединения с носителем.

Хромоцен приобретает активность в результате хемосорбции на силикагеле. Рост полимерной цепи происходит по связи согласно общепринятому механизму Циглера-Натта.

Каталитическая активность бис (трифенилсилил) хромата, нанесенного на SiO2, значительно возрастает при обработке его алкилалюминием, например диэтилалюминийэтоксидом [A1(C₂H₅)₂OC₂H₅].

Технологический процесс состоит из стадий очистки газов, приготовления катализатора, полимеризации этилена, компаундирования (стабилизации и грануляции), расфасовки и упаковки готового продукта.

Тонкая очистка этилена и других газов проводится для предотвращения отравления катализатора и получения полиэтилена с заданными свойствами. Приготовление катализатора включает активацию силикатного носителя, получение хроморганических компонентов (хромацена и силилхромата), нанесение 6% хромацена и 6% силилхромата на активированный носитель — силикагель. Процесс осуществляется в среде изопентана.

От условий проведения активации силикагеля зависит содержание в нем гидроксильных групп, за счет взаимодействия с которыми образуется химическая связь хромоцена с носителем. Для предотвращения образования циклических структур содержание гидроксильных групп в носителе должно быть минимальным. Это достигается дегидратацией силикагеля при высоких температурах (600—800 °С). Активацию силикагеля-носителя при высоких температурах проводят в кипящем слое, создаваемом осушенным воздухом с последующей заменой воздуха азотом. Активированный силикагель получают в виде порошка.

При получении хромацена сначала синтезируют циклопентадиенил натрия путем взаимодействия циклопентадиена с металлическим натрием в среде осушенного тетрагидрофурана при 5−10°С и отдувкой выделяющегося водорода азотом. Затем при 40 °C в реактор вводят трихлорид хрома. При повышении температуры до 60 °C образуется хромоцен. Далее проводят замещение тетрагидрофурана на толуол (подачей в зону реакции осушенного толуола). Содержимое реактора охлаждают до 30 °C. Жидкий 5%-ный раствор хромоцена поступает в отделение нанесения хромоцена на силикатный носитель.

Силилхромат получают взаимодействием трифенилсиланола и триоксида хрома при 60 °C в среде тетрахлорида углерода в присутствии сульфата магния для поглощения выделяющейся воды. Реакционную массу фильтруют для отделения непрореагировавшего триоксида хрома магния.

Для кристаллизации силилхромата содержимое реактора упаривают и при 70 °C растворяют в гептане. При охлаждении раствора до 36 °C выпадают кристаллы силилхромата, которые высушивают при 60 °C и подвергают дроблению для получения порошка.

Для нанесения хроморганических компонентов на силикатный носитель, активированный диоксид кремния подают в смеситель, в который дозируют очищенный изопентан, силилхромат и раствор диэтилалюминийэтоксида в изопентане либо раствор хромоцена и тетрагидрофуран. Очищенный и высушенный катализатор в виде порошка выгружают в емкость, из которой пневмотранспортом передают в реактор полимеризации.

Применение хроморганических катализаторов позволяет получать полиэтилен с плотностью 940−965кг/м³ как с узким, так и широким молекулярно-массовым распределением, который перерабатывается в изделия всеми существующими способами.

Полимеризация протекает по ионно-координационному механизму.

Рост цепи осуществляется по связи катализатор-углерод.

— СН₂-СН₂-Кт + п (С₂ Н₄) > (С₂ Н₄)п-СН₂-СН₂-Кт, где Кт-катализатор Обрыв цепи осуществляется за счет переноса реакции к водороду, а так же мономеру или сополимеру.

— (С₂ Н₄)п-СН₂-СН₂-Кт + Н₂ > (С₂Н₄)п-СН₂-СН₃ + Кт-Н

— (С₂ Н₄)п-СН₂-СН₂-Кт + СН₂=СН₂ > (С₂ Н₄)-СН=СН₂ + Кт-СН₂-СН₃

Для получения гомополимера газофазным методом применяют катализатор «S-9» (хромоцен на силикагеле).

Катализатор «S-9» применяется для получения гомополимера. Показатель текучести расплава (ПТР) гомополимера этилена регулируется изменением соотношения водород/этилен. При увеличении соотношения увеличивается ПТР, плотность, отношение потоков расплава (КСС).

При увеличении содержания хрома в катализаторе ПТР так же возрастает, поэтому при замене катализатора с низким содержанием хрома на катализатор с более высокой концентрацией хрома необходимо заблаговременно начать понижать концентрацию водорода в циркуляционном газе.

Получаемый полимер на катализаторе «S-9» имеет узкий разброс ММР.

2.5 Расчет материального баланса процесса производства полиэтилена марки 276

Концентрация реагентов в процессе получения полиэтилена марки 276 приведена в таблице 2.3.

Таблица 2.3

Концентрация реагентов в процессе получения полиэтилена марки 276.

Схема материальных потоков представлена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 Схема материальных потоков

1 стадияполимеризация; 2 стадиявыгрузка продукта 1-я стадия; 3 стадия — выгрузка продукта 2-я стадия; В — водород; В=0,32 кг; К — катализатор; К=0,32 кг; А — азот; А=1,38 кг; П1-П3 — потери на соответствующих стадиях; П1=1,4; П2=3%; П3=1,55%; Пр1-Пр3 — продукты на соответствующих стадиях; Пр3 готовый продукт; Пр3=1000 кг;

Расчет ведем с последней стадии

3 стадия.

Количество продукта полученного на второй стадии находим по формуле Пр3 = Пр3 + П3; 100% = Пр3 + 1,55%, отсюда следует что Пр3 = 98,45%;

Пр3 = 1000 кг;

} П3 = 15,74 кг;

Пр2 = 1000 + 15,74 = 1015,74 кг;

2 стадия Количество продукта полученного на первой стадии находим по формуле Пр1 = Пр2 + П2;

100% = Пр3 + 3%, отсюда следует что Пр2 = 97%;

Пр2 = 1015,74;

} П2 = 31,41 кг;

Пр1 = 1015,74+31,41 = 1047,15 кг;

2 стадия Количество этилена и азота находим по формуле, А + Э = Пр1-В-К-А + П1;

А + Э = 1047,15 — 0,32 — 0,32 — 1,38 + П1;

А + Э = 1045,13 + П1;

100% = 1045,13 + 1,4%;

} П1 = 14,84 кг;

А + Э = 1047,15 + 14,84 = 1059,97 кг;

Полученные результаты сведем в таблицу 2.4.

Таблица 2.4

Материальный баланс процесса получения полиэтилена в расчете на 1 тонну продукта

2.6 Расчет количества сырья необходимого для выполнения суточной, часовой, годовой программ и расчет количества оборудования [6]

Цель расчета — определить количество сырья необходимого для выполнения суточной, часовой, годовой программ и определить необходимое количество оборудования для производства полиэтилена марки 276.

Исходные данные [2]

Годовая производительность цеха = 198 000 тонн/год;

Производительность реактора = 8770 кг/час = 8,77 тонн/час;

Треж — режимный фонд времени = 7600 часов = 317 дней;

Трем = 400 часов = 17 дней;

Расчет количества сырья необходимого для выполнения суточной, часовой и годовой программ Найдем суточную производительность цеха по формуле

тонн/сутки;

N — годовая производительность цеха;

Треж — режимный фонд времени;

тонн/сутки;

Суточный расход сырья, используемого для получения полиэтилена марки 276.

Этилен = 615,14*1,06 = 652,0484 тонн/сутки;

Водород = 615,14*0.32 = 0,197 тонн/сутки;

Катализатор = 615,14*0.32 =0,197 тонн/сутки;

Часовой расход сырья, используемого для получения полиэтилена марки 276.

Этилен = 652,0484/24 =27,17 тонн/час;

Водород = 0,197/24 =0,0082 тонн/час;

Катализатор = 0.197/24 = 0.0082 тонн/час;

Годовой расход сырья, используемого для получения полиэтилена марки 276.

Этилен = 198 000*1,06 = 206 700 тонн/год;

Водород = 198 000*0.32 = 62,4 тонн/год;

Катализатор = 198 000*0.32 = 62,4 тонн/год;

Результаты расчета сведем в таблицу 2.5

Таблица 2.5

Расчет количества оборудования Определим необходимое количество реакторов для производства полиэтилена марки 276 по формуле

шт. [6 c.37];

Gс — суточная производительность цеха по полиэтилену марки 276, тонн/сутки;