Расчет и проектирование производства полиэтилена полимеризацией этилена в газовой фазе на хроморганическом катализаторе производительностью 60000 тонн в го

РЕФЕРАТ ПОЛИЭТИЛЕН, ЭТИЛЕН, ВОДОРОД, ХРОМООРГАНИЧЕСКИЙ КАТАЛИЗАТОР, СИНТЕЗ, РЕАКЦИЯ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ, ГАЗОФАЗНЫЙ МЕТОД, РЕАКТОР, КОЖУХОТРУБЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК Цель проекта: рассчитать и спроектировать производство полиэтилена полимеризацией этилена в газовой фазе на хроморганическом катализаторе производительностью 60 000 тонн в год.

Была проанализирована современная периодическая литература, сделано описание и обоснование выбора производства полиэтилена.

В расчетно-пояснительной записке приведены описание технологической схемы производства, сырья и требований к нему, произведены расчет материального баланса, тепловой и механический расчеты основного аппарата, определено количество основного оборудования. Разработаны мероприятия по охране труда и технике безопасности.

ПЕРЕЧЕНЬ СЛОВ, СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ ПЭНД — полиэтилен низкого давления ПЭВД — полиэтилен высокого давления ПЭВП—полиэтилен высокой плотности КИПиА — контрольно-измерительные приборы и автоматика АСУТП— автоматизированная система управления технологическим процессом СВМПЭ—сверхвысокомолекулярный полиэтилен ПТР—показатель текучести расплава ХН — холодильник с неподвижными трубными решетками ПДК—предельно допустимая концентрация

ВВЕДЕНИЕ

Промышленное производство полиолефинов и их композиций, имеющее 70-летнюю историю, демонстрирует весьма высокие темпы развития. Особое значение для России имеют полиэтилены, которые в силу исторических традиций доминировали на рынке.

Полиэтилен является наиболее распространенным и популярным термопластичным материалом в мире. Он используется в промышленности с 1940 года (ПЭВД) и с 1956 года (ПЭНД). Полиэтилен является одним из основных видов сырья для производства пленок, тары, труб, профилей, различных изделий, используемых для упаковки пищевых продуктов, флаконов для жидких моющих средств, игрушек.

Полиэтилены обладают уникальной комбинацией свойств: достаточной жесткостью и гибкостью, высокой ударной прочностью, стойкостью к низкотемпературному растрескиванию (от минус 45 °C до минус 60°С), эластичностью. Полиэтиленам свойственна химическая стойкость ко многим органическим и неорганическим веществам, а также высокая устойчивость к пропусканию паров влаги. Материал является диэлектриком, хорошо окрашивается.

Как и ряд других полиолефинов, полиэтилен относится к полимерам общетехнического назначения. Потребителями этих материалов, преимущественно, являются: стройиндустрия, сельское хозяйство, мебельная и деревообрабатывающая промышленность, автомобилестроение, общее машиностроение, электросвязь.

Мировое производство полиэтилена составляет около 55 млн. тонн в год.

Универсальность в применении, широкий диапазон потребительских свойств — все это предопределяет высокие темпы мирового роста производства и потребления — 6−8% в год [1]

Увеличение объема продаж, повышение конкурентоспособности продукции осуществляется за счёт повышения качества выпускаемых изделий, концентрации производства на выпуске наиболее рентабельных видов продукции, разработке плана мероприятий по реконструкции действующих на предприятии производств, согласно которому будут осуществляться работы по техническому перевооружению, модернизации и реконструкции основных фондов. 1]

1. АНАЛИТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Историческая справка о методах получения и использования продукта Первое промышленное производство полиэтилена организовано в 40-ые годы и проводилось в жестких условиях при давлении более 1000 атм. И при температуре 200 °C в присутствии небольшого количества инициаторов. В качестве инициатора использовался кислород или перекисные органические соединения. По режиму получения он был назван ПЭВД.

В 1954 — 1955 гг. были разработаны процессы полимеризации при низком среднем давлении. Полимеризация при атмосферном или небольшом давлении осуществляется с использованием комплексных металлоорганических катализаторов (метод Циглера).

Вскоре после открытия Циглера были опубликованы промышленные варианты получения полиэтилена при небольшом давлении (3, 5−7 МПа) в среде углеводородного растворителя в присутствии весьма простых катализаторов — окислов металлов (окислов ванадия, хрома, нанесенных на окись алюминия или силикагель) [2]

В настоящее время существуют следующие методы производства ПЭНД высокой плотности):

— в суспензии при температуре до 95 °C в среде органического растворителя (гексан, бензинидр.) в присутствии комплексных металлорганических катализаторов;

— в газовой фазе при температуре 100 °C с использованием металлорганических катализаторов на носителях.

По суспензионному методу ПЭНД получают полимеризацией этилена в органическом растворителе непрерывным методом при давлении 0, 15 — 0.5 МПа и температуре 70 — 80 °C в присутствии комплексных металл органических соединений, состоящих из четыреххлористого титана и алкилов алюминия (триэтили триизобутилалюминия, диэтилалюминийхлорида). 2]

Промышленное получение полиэтилена по методу с триэтилалюминием и четыреххлористым титаном осложняется склонностью катализатора к самовоспламенению на воздухе и разложению в присутствии даже неколичеств кислорода или влаги. Поэтому исходный этилен должен быть пo возможности освобожден от этих примесей. Сама реакция полимеризации проводится в условиях исключающих попадание в реакционные аппаратывоздуха.

Конструкция основного аппарата не сложна. Это обычный аппарат сциркуляцией реакционной массы при помощи специального насоса. Важным условием полимеризации является интенсивный отвод тепла реакции. Этодостигается при помощи холодильников, установленных внутри или внереактора. Для очистки от следов катализаторов и остатков растворителя полиэтилен центрифугируют, а затем промывают спиртом, водой.

Обращение в производстве больших количеств углеводородных растворителей? один из основных недостатков суспензионного промышленного способа производства ПЭНД. При проведении полимеризации этилена в среде углеводородного растворителя после достижения максимальной скорости процесса происходит довольно быстрое ее снижение, что обычно связывают с уменьшением активности катализатора и ростом диффузионных торможений по мере повышения вязкости суспензии полимера. Существенным недостатком также является невозможность регенерации применяемого катализатора и необходимость 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. 3]

Проведение полимеризации этилена в газовой фазе накомплексных металлорганических катализаторах позволяет существенно упростить и усовершенствовать технологию производства ПЭНД в результате исключения или существенного сокращения расхода растворителя, исключения операций промывки и сушки полимера, а также регенерации растворителя. Исключениестадии промывки полимера в газофазном процессе достигается за счетмаксимального использования катализатора.

В отсутствие растворителя мономер беспрепятственно проникает в поры частиц, вследствие чего полимеризация этилена в газовой фазе протекает со скоростью в 4−5 раз превышающей скорость полимеризации в растворителе, при этом в 2−3 раза увеличивается насыпная плотность полимера, а также уменьшается его пористость и удельная поверхность.

Отличительнойособенностью газофазного процесса являетсяэффективность каталитической системы. 3]

Так при давлении 0, 13 МПа выходполиэтилена в случае газофазной полимеризации почти в 10 раз выше, чем выход полимера на той же системе при полимеризации в среде растворителя. Зольность такого полимера без дополнительной промывки не превышает 0, 02%.Применение газофазного метода производства ПЭНД способствует упрощению технологической схемы, более рациональному использованию реагентов, сокращению расходных коэффициентов, резкому снижению объема сточных вод производства, резкому снижению объема сточных вод производства. Исключение растворителя при газофазной полимеризации этилена усложняет теплосъем реакции. Однако при проведении процесса под давлением не ниже 1МПа сам этилен является хорошим теплоотводящим агентом при условии его циркуляции через выносные холодильники. Добавка водорода в качестве регулятора молекулярной массы полимера значительно улучшает условия теплосъема.

Известны и были внедрены в промышленность и другие способы производства полиэтилена. Например, длительное время использовалась технология получения полиэтилена высокой плотности (960 — 970 кг/м3) при среднем давлении.

ПЭВП при среднем давлении получают полимеризацией этилена в органическом растворителе (бензин, циклогексан, ксилол и др.) непрерывным методом при давлении 3, 5−4МПа и температуре 130 — 150°Св присутствии окислохромового катализатора.

Получение полиэтилена при среднем давлении имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами. К ним относятся: проведение процесса при умеренном давлении, доступность и малая токсичность катализатора, возможность его многократного использования после регенерации, относительная простота регенерации растворителя. Благодаря использованию растворителя достигается хороший отвод тепла, равномерное распределение катализатора и облегчается отделение полимера от катализатора. 3]

К недостаткам способа относится необходимость тщательной очистки полиэтилена от остатков катализатора, приводящая к усложнению процесса, применение больших количеств растворителя, выбросы паров растворителя в атмосферу при сушке порошка и регенерации катализатора, вызывающие загрязнение окружающей среды.

1.2 Патентные исследования Для проведения патентных исследований определяется предмет поиска по теме дипломного проекта.

Предмет поиска? Полимеризация этилена методом высокого давления?.

Поиск проводится по отечественному патентному фонду библиотеки КГТУ, Национальной библиотеки РТ и в интернете www.fips.ru на сайте Роспатент. Глубина поиска 16 лет, начиная с 2012 года и в глубь без пробелов Источником информации об отечественных изобретениях является официальный бюллетень изобретений РФ. 5]

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

Номера охранных документов, имеющих отношение к теме поиска заносятся в табл. 1.

Таблица 1 — Список охранных документов

После предварительного ознакомления с сущностью изобретений, проводится отбор изобретений, с указанием их краткой технической характеристики. [5]

1) № 2 007 149 512

15.05.2006

10.07.2009

C08F210/16

Однокатализаторные полиэтилены низкой, средней и высокой плотности.

SU 1 406 480 A1, 30.06.1988. SU 255 631 A1, 28.10.1969.SU 763 749 A1, 15.09.1980.SU 1 560 957 A1, 30.04.1990.RU 2 230 309 C2, 10.06.2004.RU 2 229 703 C1, 27.05.2004.SU 515 976 A1, 30.05.1976.

КольбРайнер (US), СульДжонФ. (US)

Изобретение относится к областиполучения высокомолекулярного водорастворимого катионоактивного полиэлектролита. Описан способ получения водорастворимого полимерного катионита путем полимеризации диметилдиаллиламмонийхлорида в присутствии радикалобразующего инициатора, в качестве инициатора сначала используют персульфат калия или персульфат аммония и продолжают в присутствии перекиси водорода, отличающийся тем, что процесс полимеризации осуществляют при рН реакционной массы 2−5, показатель рН поддерживают добавлением перед началом полимеризации раствора серной или фосфорной кислот и дозированием раствора гидроксида натрия или калия в ходе процесса полимеризации, процесс полимеризации инициируют перекисью водорода при остаточном содержании мономера 23−30 мас.% в реакционной массе, общее количество инициатора берут в количестве 1, 1−1, 6% от веса мономера; в случае использования серной кислоты для поддержания рН реакционной массы процесс полимеризации осуществляют в присутствии комплексообразователя «Трилон Б», взятого в количестве 0, 08−0, 1% от веса мономера. Технический результатполучение водорастворимого полиэлектролита, используемого в качестве флокулянта, с остаточным содержанием мономера в целевом продукте менее 0, 5%. 1 табл., 17 прим.

Изобретение относится к области химии полимеров и может быть использовано приполучении на основе диметилдиалллиламмонийхлорида водорастворимых катионоактивных полиэлектролитов (пэ), используемых в качестве флокулянтов.

Известен способ получения высокоразветвленного водорастворимого полиэлектролита [Патент RU № 2 062 274, кл. C08 °F 226/02, опубл. 20.06.1996] путем полимеризации диметилдиаллиламмонийхлорида (ДМДААХ) со сшивающими сомономерами в присутствии перекисного инициатора в количестве 1−2 моль на 1 моль ДМДААХ. Процесс полимеризации проводят при добавлении перекисного инициатора со скоростью (3, 2−8, 3)· 10−4моль/ч на 1 моль ДМДААХ, при этом в начале полимеризации добавляют сомономер, содержащий три аллильные группы, затем после достижения 30−90%-ной конверсии ДМДААХ вводят сомономер, содержащий четыре и более аллильныхгрупп. Способ обеспечивает получение высокоразветвленного ПЭ с высокой молекулярной массой, достижение степени конверсии мономеров 95, 5−98, 7%.

Недостатками способа являются сложность технологического оформления процесса, связанная с необходимостью использования сомономеров, содержащих различное количество аллильных групп, и получение целевого продукта с относительно высоким содержанием остаточного мономера (до 4, 5%). 5]

2) 2 005 130 303

30.09.2005

30.09.2005

20.12.2006

C08F2/34 (2006.01)

C08F4/24(2006.01)

Способ получения полиэтилена низкого давления.

RU 2 100 374 C1, 27.12.1997. US 4 011 382, 08.03.1977.US 6 372 867 В1, 16.04.2002.CN 1 485 350 A, 31.03.2004.RU 2 154 069 С2, 10.08.2000. RU 2 050 364 C1, 20.12.1995.

Изобретение относится к технологии получения полиолефинов, а именно к синтезу сополимеров этилена на модифицированных оксиднохромовыхкатализаторахв по методу низкиздавленийреакторе с псевдоожиженном слоем.

Описан способ получения полиэтилена низкого давления непрерывной газофазной сополимеризацией этилена сб-олефином 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, б-олефин, водород и азот, и корректировкой состава циркулирующей газовой смеси до заданного состава подачей дополнительных количеств этилена, б-олефина, водорода и азота, при содержании азота в количестве 30−50% от общего объема газообразной реакционной смеси. Подачу дополнительного количества азота в реактор осуществляют непрерывно отдельным потоком выше псевдоожижающей решетки на уровне ввода катализатора, причем используют катализатор, содержащий оксид восстановленного хрома в форме Cr2+, оксид алюминия в качестве модифицирующего оксида, образованный из предшественника — алкоксиалюмоксана, и носитель — диоксид кремния, содержащий фтор, введенный на стадии предварительной сушки носителя. 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. 3 табл., 1 ил

3) 2 255 095

2 004 106 884/04

09.03.2004

27.06.2005

МПКC08F110/02

МПКC08F2/38

МПКC08F2/02

Способ получения полиэтилена. Изобретение относится к технологии производства полиэтилена методом радикальной полимеризации в массе при высоком давлении в однозонном автоклавном реакторе и может быть использовано в химической и нефтехимической промышленности. Описан способ получения полиэтилена, включающий подачу этилена в однозонный автоклавный реактор с перемешивающим устройством и полимеризацию его в массе при давлении 140−230 МПа и температуре 210−265°С в присутствии агента передачи цепи — изопропилового спирта, инициирование реакции полимеризации органическими пероксидами, подаваемыми в виде растворов в органическом растворителе в верхнюю и нижнюю части реактора, и последующее двухступенчатое отделение полученного полиэтилена от непрореагировавшего этилена в системах рециклов высокого и низкого давлений, при этом в качестве агента передачи цепи используют смесь изопропилового спирта с гликолями, содержащими в молекуле 2−5 атомов углерода, или с их производными — полигликолями с молекулярной массой (ММ) не более 3000 при массовом соотношении изопропилового спирта и гликоля или полигликоля, равном 1:(0, 05−0, 25). Технический результат заключается в улучшении прочностных и оптических свойств получаемого полимера, уменьшении массовой доли (менее 0, 65%) в нем экстрагируемых веществ, при осуществлении процесса полимеризации этилена в однозонном автоклавном реакторе; в уменьшении интенсивности газоотделения при переработке полученного полиэтилена и в увеличении растяжимости изготовленной из него пленки. [5]

4) 93 010 052

27.04.1996

93 010 052/05

26.02.1993

27.04.1996

МПКC08F110/02

Способ автоматического управления непрерывным процессом полимеризации этилена.

Изобретение относится к автоматизации процессов полимеризации, в частности к способу управления процессом полимеризации этилена по методу высокого давления в присутствии инициаторов радикального типа. Способ автоматического управления непрерывным процессом полимеризации этилена в автоклавном реакторе по методу высокого давления в присутствии инициаторов радикального типа заключается в стабилизации температурного режима при заданном давлении этилена. Для повышения точности регулирования температурного режима в автоклавных реакторах и уменьшения количества используемых дорогостоящих инициаторов-пероксидов, для уменьшения количества экстрагируемых веществ в полимере при выходе на стационарный режим устанавливают программный по времени расход инициатора — раствораорганического пероксида, по достижении заданного максимальногорасхода раствора пероксида и установления заданной температурыпроцесса осуществляют плавную программную по времени увеличивающуюся подачу кислорода до заданного максимального значенияс одновременным плавным снижением расхода раствора пероксида до 50 — 70% от заданного максимального расхода и поддерживают установившийся стационарный температурный режим автоматическим изменением расхода раствора пероксида в зависимости от величины отклонения температуры от заданной, сохраняя неизменным заданный максимальный расход кислорода. [5]

Патентные исследования по фонду изобретений показали, что тема разработана достаточно хорошо. Всего найдено 15 изобретений за последние 16 лет, из них для анализа отобрано 4, имеющих непосредственное отношение к исследуемой теме. В них рассмотрена технология производства полиэтилена низкого давления газофазным методом в реакторе. При этом решаются задачи достижения высокой конверсии этилена, получение полиэтилена более высокого качества путем правильного дозирования инициаторов процесса.

Аналогом рассматриваемой темы в дипломном проекте является: патент № 2 005 130 303 «Способ получения полиэтилена низкого давления».

В реакторе под температурой 100 °C происходит синтез полиэтилена низкого давления. Также как описано в патенте, использование газофазного метода приводит к повышению 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.

1.3 Выбор и обоснование метода производства За основу дипломного проекта принята технология производства гомополимера высокой плотности марки 276 (выдувная марка) методом газофазной полимеризации в присутствии хроморганического катализатора хромоцен на силикагеле). По этой технологии этилен непрерывно подается в реактор с псевдоожиженным слоем мелкодисперсного полимера. Газовый поток проходит через этот слой и выводится из реактора в верхней его части. Сухой свободно сыпучий порошок периодически отводится через газовую камеру, обеспечивая поддержание псевдоожиженного слоя на заданном уровне. Общая степень конверсии этилена в полимер составляет 97%. На завершающей стадии процесса синтеза к полимеру добавляют стабилизаторы, антистатики и другие добавки в соответствии с рецептурой.

Общие преимущества:

простота (нет жидких углеводородов);

высокая производительность;

низкие оперативные и инвестиционные затраты.

Недостатки:

—длительное время пребывания в реакторе из-за необходимости балансировать производительность катализатора, теплои массообмен;

—длительность транспортировки продукции по технологической нитке.

Полимеризация этилена протекает по ионно-координационному механизму. Рост цепи происходит через предварительную координацию этилена на восстановленном ионе хрома с образованием р-комплекса:

Обрыв цепи осуществляется за счет переноса реакции к водороду по связи Cr-С:

и т.д. 6]

Для получения полиэтилена газофазным методом применяются катализаторы S-9 (хромоцен на силикагеле) и S-2 (силилхромат на силикагеле).

Силилхромат — бис (трифенилсилиокси) хромат [(C6H5)3SiO2]2CrO2, восстановленный алюминий алкилом и нанесенный на активированный силикагель.

Хромоцен — дициклопентадиенилхромат нанесенный на активированный силикагель.

Активность катализатора в процессе полимеризации определяется чистотой хромоорганических компонентов, удельной поверхностью носителя, объемом пор и их средним диаметром, а также температурой дегидратации носителя и условиями взаимодействия хромоорганического соединения с носителем. Хромоцен приобретает активность в результате хемосорбции на силикагеле.

Технологические основы производства Процесс полимеризации этилена проводится в реакторе с (псевдоожиженным слоем под давлением 1, 6 — 2, 0 МПа и температуре 90 -100°С.

Реактор в нижней части имеет перфорированную решётку для равномерного распределения подаваемого этилена, а в верхней части расширенную зону, предназначенную для снижения скорости газа и улавливания основной массы частиц полимера. Псевдоожиженный слой в реакторе создаётся при помощи компрессора циркуляционного газа, который подаёт газ со скоростью 320 000- 800 000 кг/час.

Расход циркуляционного газа Расход циркуляционного газа является одним из критических параметров для функционирования псевдоожиженного слоя в реакторе. Он непосредственно определяет степень перемешивания слоя и количество тепла, удаляемого из реакционной системы.

Предпочтительно работать при высоком объемном расходе (с максимально возможным давлением), поскольку это улучшает перемешивание и процесс теплопередачи, что в свою очередь позволяет увеличивать производительность реактора. Верхний предел расхода газа ограничен величиной уноса, поскольку выносимые с газом мельчайшие частицы полиэтилена имеют тенденцию забивать трубчатый теплообменник или распределительную решетку.

Влияние давления Давление в реакторе оказывает малое влияние на увеличение плотности продукта, но ПТР имеет тенденцию к возрастанию с увеличением давления. ПТР полимера регулируется изменением соотношения водород — этилен. При увеличении соотношения увеличивается ПТР, плотность.

Повышение давления вызывает резкое увеличение скорости реакции полимеризации. Изучение влияния давления на процесс полимеризации этилена показало, что при температуре 90 °C и времени полимеризации один час образование полимера наблюдается при давлении не менее 0, 7 МПа. Повышение давления до 2, 1 МПа увеличивает выход полимера в 8−10 раз. Если давление повысить до 2, 8 МПа и более, скорость увеличивается настолько, что контроль температуры вызывает большие затруднения.

Влияние температуры Реактор обычно работает при максимально возможной высокой температуре, обеспечивающий лучший теплообмен и увеличение скорости реакции. Значение максимально допустимой температуры зависит от значения предельных характеристик требуемых для продукта (индекс расплава, плотность, зольность и т. д.).

Оптимальная температура полимеризации 70 — 80 °C; при дальнейшем ее повышении резко снижается скорость процесса из-за разложения катализатора.

Скорость подачи катализатора Скорость подачи катализатора является важным параметром. Для достижения требуемой производительности необходима подача необходимого количества катализатора.

Увеличение скорости подачи катализатора до создания устойчивого протекания реакции немедленно приводит к ускорению процесса полимеризации этилена в полиэтилен. В результате этого, давление в реакторе снижается, что требует подачи большего количества мономера. Это также потребует увеличения производительности систем выгрузки продукта для поддержания постоянной высоты уровня слоя.

1.4 Внесенные изменения в сравнении с аналогом и обоснование изменения вносимых в проект На проектируемом производстве, по сравнению с аналогом на ОАО «Казаньоргсинтез», произведена замена воздушного теплообменника более эффективным водяным холодильником типа ХН.

2. Расчетно-технологическая часть

2.1 Описание технологического процесса Производство ПЭНД ведется на одной технологической линии непрерывным методом. Схема технологической линии приведена в приложении А.

В ее состав входят следующие узлы:

В состав каждой технологической линии входят следующие узлы:

— реакторный узел, включая узел компримирования и охлаждения циркуляционного газа;

— узел подачи катализатора;

— узел выгрузки продукта;

— узел подавления реакции.

Реакторный узел.

Реакция полимеризации осуществляется в реакторе P, представляющий собой вертикальный аппарат объемом 539 м³. Диаметр нижней части реактора 4, 4 м, верхняя часть расширена до 7, 3 м, что предотвращает унос псевдоожиженных частиц за счет снижения скорости газового потока.

В нижнюю часть реактора встроена распределительная решетка, отверстия ее прикрыты металлическими уголками, которые исключают попадание порошка под решетку и улучшают распределение газа.

Для осуществления реакции полимеризации реактор перед пуском должен быть заполнен предварительно порошком полиэтилена (60тонн) из продувочной емкости Е3 или из силосов.

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 отделяется в верхней расширенной части реактора и возвращается назад в слой. 3]

Процесс полимеризации идет при температуре 100? С давление не более 1, 9МПа, расходе циркуляционного газа 520 000 кг/ч и высоте псевдоожиженного слоя не более 11, 5 м. Производительность реактора регулируется скоростью подачи катализатора путем изменения скорости вращения ротора питателя П1.

Давление в реакторе Р поддерживается на заданном уровне контуром автоматического регулирования путем изменения степени открытия клапана 3, установленного на линии подачи свежего этилена в реактор. При превышении давления избыток газа сбрасывается через клапан в уравнительную емкость Е4. Для контроля температуры по всей высоте реактора Р предусмотрены датчики температуры, регистрирующие температуру зоны на многоточечном самописце.

Заданный уровень псевдоожиженного слоя в реакторе поддерживается контуром автоматического регулирования, управляющего выгрузкой порошка из реактора Р в разгрузочные емкости Е2.

Для охлаждения циркуляционного газа на линии нагнетания компрессора К предусмотрен холодильник Т, представляющий собой кожухотрубчатый теплообменник типа ХН, в качестве хладогента в котором используется оборотная вода. Охлажденный до температуры 63? С циркуляционный газ после введения в него необходимого количества водорода смешивается со свежим этиленом и поступает в реактор Р. 3]

Для предотвращения забивки порошком полиэтилена штуцеров реактора и примыкающих к ним трубопроводов предусмотрена постоянная продувка их свежим этиленом:

— линии выгрузки порошка из реактора;

— линии ввода катализатора в реактор;

— штуцер предохранительного клапана;

— штуцер факельной линии реактора.

Узел подачи катализатора.

Катализатор из отделения приготовления катализатора пневмотранспортом подается в резервуар для катализатора Е1. На технологическую линию предусмотрена 2 резервуара Е1.

Крупные частицы катализатора остаются на полотне сетки и удаляются продувкой перед операцией загрузки, а просеянный катализатор поступает в питатель П1, состоящий из бункера и роторного дозатора с вертикальной осью.

Производительность роторного дозатора регулируется дистанционно изменением числа оборотов двигателя постоянного тока.

Регулировка обеспечивает скорость вращения вала дозатора от 0, 09 до 2, 1 об/мин, что соответствует скорости подачи катализатора 240−5950 г/час (при насыпной плотности катализатора 320кг/м3). Катализатор после дозатора подхватывается потоком азота высокой частоты давлением не более 3, 1МПа и подается в реактор Р. 3]

Узел выгрузки продукта.

Выгрузка порошка из реактора Р производится переодически, при этом часть псевдоожиженного слоя порошка выгружается в разгрузочные емкости Е2.

На одну технологическую линию предусмотрены по 2 разгрузочные емкости Е2 объемом 4, 2 м³ каждая.

Операцией выгрузки порошка из реактора Р управляет логическая система, которая при превышении заданного уровня слоя порошка по производит очередной цикл выгрузки.

За один цикл выгрузки в разгрузочную емкость Е2 поступает ?880кг порошка и ?70кг циркуляционного газа.

Из емкости Е2 ?90% газа через фильтр сдувается в уравнительные емкости Е4 объемом 100 м³ каждая и далее поступает на установку газоразделения или сбрасывается на факел. 3]

Фильтр оборудован металлокерамическими элементами предохраняющими систему возвратного газа от попадания в нее порошка полимера. После снижения давления в разгрузочной Е2 порошок выгружается в продувочную емкость Е3, при этом газ поступающий с порошком сбрасывается на факел через рукавный фильтр.

Рукавный фильтр имеющий цилиндрические войлочные элементы, защищает коллектор факела от попадания в него порошка полимера.

Для очистки фильтра в него переодически подается обратным ходом технический азот. Временем продувки управляет таймер, включающий подачу технологического азота в виде коротких импульсов по очереди в каждый ряд рукавов. В продувочную емкость Е3 для продувки порошка полимера от этилена непрерывно подается технический азот в количестве ?480кг/час.

Выгрузка порошка из продувочной емкости Е3 осуществляется роторным питателем П2 в линию пневмотранспорта к силосам отделения хранения порошка. 3]

Из технологической линии порошок направляется в любой из 16 силосов, а также в реактор Р при помощи напрвляющих клапанов.

Транспортировка порошка производится азотом с помощью газодувок.

Производительность лини пневмотранспорта 32 т/час.

Узел подавления реакции.

В аварийных ситуациях:

— превышение заданной рабочей температуры в реакторе Р на 5? С;

— снижение расхода циркуляционного газа ниже 400 000 кг/час вызовет введение катализаторного яда — окиси углерода для прерывания реакции полимеризации.

Реакторный узел снабжен 8ю баллонами Б объемом 40л каждый с окисью углерода. При превышении температуры в реакторе Р окись углерода вводится в низ реактора и распределяется по всему слою порошка вместе с циркуляционным газом.

При снижении расхода циркуляционного газа закрывается клапан на линии циркуляционного газа после реактора и в верхнюю часть вводится окись углерода, проходит через весь слой низходящим потоком и сбрасывается на факел. 8]

2.2 Техническая характеристика сырья полуфабрикатов и продукта Характеристика исходного сырья, материалов и полупродукта представлена в таблице 2

Таблица 2 — характеристика сырья, материалов и продуктов [8]

Производимая продукция — полиэтилен низкого давления марки 276 (выдувная марка) — представляет собой порошок белого цвета. Размер частиц 0, 3−1, 2 мм. Температура плавления 120 — 130 °C.

Полиэтилен этой марки должен соответствовать требованиям СТП 6−05−0-11−83 попоказателям приведенным по таблице 2.2

Механические свойства изделий из полиэтилена низкого давления, в основном, определяются ПТР и плотностью полимера. ПТР является приближенной мерой молекулярной массы полимера и изменение его величины обратно пропорционально изменению молекулярной массы.

Со снижением ПТР (увеличением молекулярной массы) у твердого полимера повышаются сопротивление разрыву, ударная прочность и сопротивление растрескиванию под напряжением, полиэтилен с низким ПТР с большим трудом поддается выдавливанию, штамповке или формовке, но дает готовые изделия высокой прочности. Плотность полиэтилена является мерой кристалличности, а также разветвленности твердого продукта.

Таблица 3. — Нормы и физико-химические показатели полиэтилена марки 276[8]

Повышение плотности вызывает рост сопротивления разрыву, твердости, химической стойкости, температуры размягчения и предела текучести, но приводит к понижению вязкостной прочности, текучести при изгибе и сопротивления растрескиванию под напряжением.

В зависимости от свойств полиэтилен марки 276 после стабилизации соответствующими добавками используется для производства флаконов, для косметики, парфюмерии, бытовой химии, канистр, бочек, баков и цистерн.

2.3 Расчет материального баланса производства ПЭНД газофазным методом Технологическая схема производства:

где 1 — 5 — фазы производства, ВП, БВП — возвратные, безвозвратные потери Расчет проводим в электронной таблице MSExcel на 1000 кг готового продукта, начиная с последней фазы до первой, по формуле:

xi = 100*xi+1/(100-аi-bi),

где xi — масса вещества на фазе i,

xi+1 — масса вещества на фазе i+1

ai, bi — потери (ВП, БВП) на фазе i

Таблица 4.? Материальный баланс производства ПЭНД газофазным методом

Таблица 5? Расходные коэффициенты основных компонентов

2.4 Выбор и технологический расчет основного оборудования Рассчитаем количество реакторов необходимое для обеспечения заданной производительности расчет оборудования производится по формуле где G-производительность оборудования

т/год

g-производительность аппарата

т/ч

k-коэффициент потерь

T-эффективное время работы

T1-календарное время

дней

T2-время на текущий ремонт

дней Т3-время на капитальный ремонт

дней Т4-время на остановочный ремонт

n — количество смен

?=коэффициент использования оборудования

t — продолжительность смены

часов

2.5 Тепловой расчет производства Целью теплового расчета является определение количества тепла подводимого к реактору и отводимого от реактора.

Составим уравнение теплового баланса:

Ql+Q2=Q3,

где Q1 — количество тепла, подводимого к реактору с циркуляционным газом, КДж/ч;

Q2 -количество тепла, выделяющееся при реакции полимеризации, КДж/ч;

Q3 — количество тепла, уносимого из реактора, КДж/ч.

Приход тепла в реактор.

1) С циркуляционным газом Зная расход газа и процентное содержание компонентов в нем (50% - этилен, 45, 6% - азот, 4, 4% - водород) [8], рассчитаем приход тепла с циркуляционным газом, как сумму теплот приносимых с каждым из веществ:

Q1 := Qэтилен + Qводород + Qазот где кг/ч — количество этилена, поступающего в реактор с циркуляционным газом;

(К).

КДж/(кг· К) — теплоемкость этилена, поступающего в реактор при температуре 63 °C [9]

КДж/ч где кг/ч — количество водорода, поступающего в реактор с циркуляционным газом;

КДж/(кг· К) — теплоемкость водорода, поступающего в реактор при температуре 63 °C. 9]

КДж/ч.

Где кг/ч — количество азота, поступающего в реактор с циркуляционным газом;

КДж/(кг· К) — теплоемкость азота, поступающего в реактор при температуре 63 °C. 9]

КДж/ч.

По формуле КДж/ч.

2) Тепло, выделяющееся при реакции полимеризации гдеКДж/кг — удельная теплота реакции полимеризации,

кг/ч — масса порошка полиэтилена.

КДж/ч.

Общий приход тепла в реактор

?КДж/ч.

Расход тепла в реакторе.

Унос тепла из реактора осуществляется с циркуляционным газом, идущим на компримирование и охлаждение, и с порошком полиэтилена, который выгружается в емкость. Вместе с порошком из реактора уходит 413, 94 кг/ч циркуляционного газа (47, 6% - этилен, 51, 6% - азот, 0, 8% - водород) .Тогда

Q3:=Qэтилен1 + Qводород1 + Qaзот1 + Qпэ Этилен, поступающий в реактор с циркуляционным газом, расходуется на образование порошка в количестве 8770 кг/ч, учитывая расходный коэффициент этилена, получим

кг/ч.

Количество этилена, уходящего из реактора с циркуляционным газом кг/ч.

Изменением других компонентов можно пренебречь, т.к. они очень малы по сравнению с количеством циркуляционного газа.

где кг/ч — количество этилена, уходящего из реактора с порошком;

КДж/(кгК) — теплоемкость этилена, уходящего с порошком при температуре 100 °C (К).

КДж/ч.

Где кг/ч — количество водорода, уходящего из реактора с порошком;

КДж/(кг· К) — теплоемкость водорода, уходящего с порошком при температуре 100 °C.

КДж/ч.

гдекг/ч — количество азота, уходящего из реактора с порошком;

КДж/(кг· К) — теплоемкость азота, уходящего с порошком при температуре 100 °C.

КДж/ч.

где КДж/(кг· К) — теплоемкость порошка полиэтилена, уходящего из реактора при температуре 100 °C.

КДж/ч.

Общий расход тепла в реакторе

?КДж/ч.

Составим таблицу теплового баланса [10]

Таблица 6.? Тепловой баланс реактора полимеризации этилена

2.6 Выбор и обоснование схемы автоматизации технологического процесса Внедрение АСУ является наиболее прогрессивным направлением в области автоматизации. При большом расстоянии между технологическими аппаратами и щитами управления целесообразно применять электрические средства автоматизации. Химические производства относятся к числу взрывопожароопасных, и автоматизация осуществляется на основе использования взрывозащищенных средств автоматизации с использованием контроллеров и персональных компьютеров.

Контроллер — многофункциональное программируемое средство организации измерительных каналов. ПК обрабатывает по заложенной в нём программе информацию, поступившую от датчиков. Высвечивает на табло значения измеренных параметров. ПК применяется во-первых, для облегчения работы оператора, т.к. за короткий промежуток времени обрабатывает большое количество информации; во-вторых может выполнять роль «советчика», при котором ЭВМ рекомендует оператору оптимальные знания режимных параметров процесса.

Иерархическая структура АСУТП включает в себя [12]:

— 1- й уровень полевого КИП;

— 2 -й уровень — станции управления процессом;

— Зй уровень оперативного персонала, базирующийся на инженерных инстанциях операторов технологического процесса.

1-й уровень АСУТП реализован на базе датчиков и исполнительных механизмов. На уровне 1 частично применяются датчики интеллектуальной серии, и на них выполняются функции опроса и шкалирования измеряемых сигналов с передачей информации по протоколу HART.

Технические средства 2, 3 уровней размещаются в помещении операторной. Станции управления процессом реализованы на базе контроллера РСУ, которая собирает информацию, вырабатывает регулирующие воздействия и контроллера ПАЗ, позволяющей контролировать нарушения в ходе технологического процесса, осуществлять защиту и блокировку аппаратов и вырабатывать защитные воздействия.

Функции РСУ и ПАЗ выполняют программируемые контроллер.

Контроллеры выполняют следующие функции [12]:

— воспринимают аналоговые, дискретные электрические унифицированные сигналы;

— измеряют и нормируют принятые сигналы;

— выполняют программную обработку сигналов с первичных преобразователей и формируют аналоговые и дискретные управляющие сигналы;

— отображают информацию на экране;

— правляются при помощи стандартной клавиатуры.

З-й уровень АСУТП представлен автоматизированными рабочими местами оператора-технолога и оператора-инженера. Обеспечивается ведение базы данных, визуализация состояния технологического оборудования, обработка данных, формирование и печать отчетных документов, ручное дистанционное управление технологическим оборудованием. Станции оснащены современными ПК.

Информация с контрольно-измерительных приборов и датчиков в виде аналоговых и дискретных сигналов поступает с 1 уровня на технические средства 2 уровня, на которых реализуются в автоматическом режиме функции сбора, первичной обработки информации, регулирования, блокировок. Информация, необходимая для контроля и управления технологическими процессами, поступает от контроллеров на 3-й уровень — операторские станции и станции главных специалистов. Cхема «Структура АСУТП», представленная ниже в упрощённом виде, демонстрирует связи между уровнями[12].

Диалог оператора с системой управления осуществляется с использованием цветного дисплея, клавиатуры и манипулятора «мышь». На операторской станции сконфигурирован пользовательский интерфейс для взаимодействия оператора с системой. Для вызова необходимой информации оператору достаточно при помощи «мыши» выбрать на экране надпись или изображение какого-либо объекта и одной или двумя манипуляциями вывести на экран необходимую информацию. Клавиатура также может быть использована для получения необходимой информации. Кроме этого при помощи клавиатуры производится ввод текстовой и цифровой информации. Сообщения о нарушениях предупредительных и предаварийных границ для аналоговых параметров, действиях операторов по управлению технологическими процессами регистрируются и выводятся на печать по запросу оператора.

Рисунок 1 — Схема структуры АСУТП Выход аналогового параметра за допустимые границы, сигнализация, нарушение связи с объектами по какому-либо из каналов связи отображается на операторской станции звуковой сигнализацией и цветовым отображением изменений на мнемосхемах. Информация, выводимая оператору на экран монитора по его запросу, может иметь различные виды[12]:

— обобщенная мнемосхема, представляющая весь объект автоматизации. С этой мнемосхемы можно перейти на подробную мнемосхему любого узла, выбрав его на экране курсором;

— мнемосхемы отдельных узлов, отображающие часть технологической цепочки с индикацией величин аналоговых сигналов;

— оперативные тренды, показывающие состояние параметра;

— исторические тренды, позволяющие отслеживать состояние аналогового параметра за длительные периоды (смена, сутки, месяц);

— панели контроля и управления аналоговыми регуляторами;

— аварийные и технологические сообщения.

При выборе контроллера решающими факторами являются:

— надежность модулей ввода/вывода;

— скорость обработки и передачи информации;

— широкий ассортимент модулей;

— простота программирования;

— распространенность интерфейса связи с ЭВМ.

Этим условиям удовлетворяет контроллеры фирмы MooreProductsCompany, также контроллеры AllenBradleySLC 5/04 корпорации Rockwell (семейство SLC 500 малых программируемых контроллеров), контроллеры YS 170 YOKOGAWA и контроллеры серии TREI-Multi (и, разумеется, ряд наших отечественных контроллеров).

В данном проекте использованы контроллеры фирмы MooreProductsCompany: контроллер APACS+ (подсистема РСУ), контроллере QUADLOG (подсистема ПАЗ).

Контроллер APACS+ управляет работой отдельных агрегатов (30−50 контуров регулирования), технологических участков (150 контуров регулирования), цехов с непрерывными и периодическими процессами. Контроллер QUADLOG имеет также несколько модулей. Стандартный аналоговый модуль (SAM) входит в семейство модулей ввода/вывода. Он предназначен для подключения аналоговых и дискретных сигналов. Модуль SAM обеспечивает высокую пропускную способность для стандартных сигналов ввода/вывода (аналоговые входные сигналы (4−20) мА, аналоговые выходные сигналы (4−20) или (0−20) мА, а также дискретные входы и выходы). К модулю SAM можно подключить до 32 каналов. Каждый канал может быть сконфигурирован для работы с аналоговым входом (4−20) мА, аналоговым выходом (4−20) мА или (0−20) мА, дискретным входом или дискретным выходом. Стандартный дискретный модуль (SDM) имеет 32 канала ввода/вывода, каждый из них может быть сконфигурирован как дискретный вход/выход, дискретный импульсный выход. Модуль позволяет управлять работой электродвигателя, отсечного канала.

Контроллер QUDLOG обеспечивает: повышенные характеристики безопасности, отказоустойчивости и защиты выходов; высокий уровень готовности системы; отказоустойчивость. Система QUDLOG полностью интегрирована с системой управления технологическими процессами APACS+. Это позволяет использовать один операторский интерфейс и средства программирования, что устраняет необходимость дополнительных усилий при установке, конфигурировании, обслуживании и обучении персонала, а также при организации связи систем управления безопасностью и технологическими процессами.

Таблица 7 — Регулируемые параметры

Таблица 8 — Вид автоматизации

Схема 1: САР температуры целевого продукта (63°С) на выходе из теплообменника Т1.

Температура целевого продукта на выходе из теплообменника Т1 поддерживается на уровне 100°С изменением подачи хладагента. Текущая температура целевого продукта воспринимается интеллектуальным датчиком Метран-281- Exia НСХ K. Выходной сигнал (4−20)mA/HART. Цифровой сигнал с датчика поступает на контроллер РСУ APACS+, где текущее значение температуры целевого продукта высвечивается, затем сравнивается с введенным туда заданным значением. При наличии рассогласования регулирующее воздействие с контроллера в виде (4−20) мА идет на регулирующий клапан. В результате изменения подачи хладагента будет изменяться и температура целевого продукта, пока ее значение не достигнет заданного значения. Цифровой сигнал с датчика поступает также на вход ПК, где значение температуры может быть распечатано и использовано по назначению (например, для построения графика изменения измеряемой величины во времени). Заданное значение температуры целевого продукта может быть при необходимости изменено с клавиатуры ПК. Погрешность канала измерения составляет 0, 5 °C. 12].

Схема 2: САР избыточного давления газа в трубопроводе

Изменяя расход компонента А, добиваемся заданной величины давления компонента в трубопроводе. Интеллектуальный датчик избыточного давления Метран -100-ДИ (Модель1162, Код МП 2, Вн; выходной сигнал 4−20 mA/HART; диапазон измеряемых давлений 1, 0−16 МПа) преобразует текущее значение давления газа (жидкости) в сигнал 4−20 mA/HART. Цифровой сигнал с датчика поступает на контроллер РСУ APACS+, где текущее значение давления газа (жидкости) высвечивается и сравнивается с введенным туда заданным значением 3, 1 МПа. При отклонении измеренного значения давления от заданного контроллер РСУ вырабатывает регулирующее воздействие, которое воздействует на клапан на линии подачи компонента А. В результате давление газа (жидкости) в трубопроводе будет заданным. Цифровой сигнал поступает также на вход ПК, где значение давления может быть распечатано и использовано по назначению (например, для построения графика изменения этой величины). Величина заданного значения давления в программе контроллера РСУ при необходимости может быть изменена с клавиатуры ПК. Погрешность цифрового канала измерения составляет 0, 1%.