浅析全密度聚乙烯装置生产工艺

浅析全密度聚乙烯装置生产工艺

赵延新 ,范洪伟

大庆石化公司塑料厂全密度二车间

摘  要：聚乙烯的应用在当前时期的发展速度日益加快，为了充分应对我国各行业对于聚乙烯的应用需求，同时提升我国聚乙烯生产在国际上的竞争力，近年来，我国研究人员逐步加强了对于聚乙烯的研究，尤其是加强了对于全密度的聚乙烯的重视。本文便是以全密度的聚乙烯作为主题，着重探讨了目前开展进行全密度的聚乙烯生产工作所应用的工艺状况。

关键词：全密度聚乙烯装置；工艺特点；工艺原理

一、引言

聚乙烯（PE）主要包括低密度聚乙烯（LDPE）、线性低密度聚乙烯（LLDPE）、高密度聚乙烯（HDPE）及一些具有特殊性能的产品。由于LLDPE的分子结构与HDPE相似，也是呈线型，在生产工艺上与HDPE有部分相同之处，因此，可利用许多新设计的装置，通过改变进料组成和工艺参数生产0.910～0.970 g/cm3的全密度聚乙烯（简称LLDPE/HDPE swing units）。全密度聚乙烯装置多数是以生产LLDPE为主，兼生产HDPE牌号的产品，具有相当大的灵活性及市场应变能力，因此全密度聚乙烯装置发展得很快，成为PE生产装置的一个发展趋势。

二、工艺特点

全密度聚乙烯装置主要由原料精制系统、聚合反应系统、树脂脱气和排放气回收系统、造粒系统、风送系统及产品储存、包装系统等组成。具有以下特点：

2.1工艺简单

聚合反应在较低温度、压力下进行，其工艺流程较短。高催化活性和准确的分子量的控制，可始终如一地生产出高质量树脂，使系统兼有稳定性和灵活性。

2.2产品灵活

根据市场的需要，较易调节产品质量和产量。在生产能力不变的情况下，用单一的反应器可生产出各种不同密度的聚乙烯产品。

2.3操作方便

流化床反应系统是UNIPOL聚乙烯工艺的核心，反应器可以在50-110％负荷下操作而不影响产品质量，操作弹性大，产品均匀，操作和控制简便。

2.4经济性强

UNIPOL聚乙烯工艺流程短，设备简单，大多数设备采用碳钢，装置布置紧凑，占地面积小，从而大大降低了操作、维修和建设费用。

2.5安全性可靠

UNIPOL聚乙烯工艺所需原料相对无毒，适中的操作条件，无需反应溶剂，从而减少了溶剂回收系统和可燃液态烃处理带来的危险。流化床反应动力学具有自减活效应，消除了失控情况下设备超压的危险性。

三、工艺原理

全密度聚乙烯装置的主要原辅料除乙烯和氢气外，还有共聚单体1-丁烯、1-己烯以及诱导冷凝剂异戊烷。乙烯、1-丁烯、氢气分别来自上游装置，经管道输送到本装置。1-己烯有两个来源，外购部分在线型车间储存，管输至本装置；原料1-己烯也可以使用化工二厂所产1-己烯，经管输至本装置。异戊烷需要外购，在储运罐区储存，经管道输送到本装置。

乙烯是生产聚乙烯的主要原料。聚乙烯树脂是乙烯分子在聚合反应器中发生聚合反应形成长链分子而组成的聚合物。己烯或丁烯用作共聚单体以使聚合链出现分支，并影响聚合物的性能。氢气在聚合反应中用作链终止剂以控制聚合物分子的分子量，并影响聚合物的性能。氮气是一种惰性气体，用作吹扫气体来脱除产品中夹带的烃类气体，在正常操作中和设备维修准备中用于吹扫设备。异戊烷作为诱导冷凝剂用于反应器冷凝模式操作。

3.1原料精制系统

原料精制系统主要有乙烯精制、1-丁烯/1-己烯精制、氮气精制、异戊烷精制、T2储存压送等工艺过程。目的是将来自界区外的各原料中的杂质脱除，以达到聚合反应的原料质量条件。

3.1.11-丁烯/1-己烯精制

1-丁烯/1-己烯脱气是采用精馏操作，利用不同物质在同一温度下，饱和蒸汽压不同的原理，将1-丁烯/1-己烯中的轻组分（如CO2、O2、CO、甲基叔丁基醚等）脱除；1-丁烯/1-己烯是利用分子筛吸附原理脱除微量水，分子筛（多孔材料）具有比较发达的孔网（称为孔状结构），这种孔状结构由较大的细孔(大孔隙)和较小细孔(微孔隙)组成。如果气体有两种杂质，一种杂质的分子比另一种大些，假定分子不能进入直径等于或小于分子直径的孔中，而只能进入直径大于分子直径的孔中，则小分子杂质被吸附，1-丁烯/1-己烯中的水就是这样被选择性吸附剂13XPG脱除的。

物理吸附是一个放热反应，当温度越高，分子筛的吸附能力越差，所以当干燥的热氮气通过含有水的分子筛时，分子筛中的水分子解析，分子筛得到再生。

由于1-丁烯/1-己烯的吸附热大，在干燥床再生后重新投入使用前，必须使用严格控制乙烯浓度的氮气进行预负荷，用乙烯代替1-丁烯/1-己烯，带走大量的吸附热，避免干燥床吸附1-丁烯/1-己烯时产生高温，造成对设备和催化剂的损害。

3.1.2氮气精制

氮气脱氧是利用UT2000作为脱氧催化剂。氮气脱水是利用13XPG分子筛吸附，脱水原理同1-丁烯/1-己烯脱水的原理。UT2000需要定期再生，再生是通过一定浓度的氢气将催化剂中氧化铜还原成单质铜，从而得到再生。脱水是物理吸附，这是一个放热反应，当温度越高，分子筛的吸附能力越差，所以当干燥的热氮气通过含有水的分子筛13XPG时，水分子从分子筛中解析，分子筛得到再生。由于铜暴露于空气中将自燃，引起铜的氧化放热反应。

因此，打开氮气脱氧床之前，用N2和空气的混合物氧化床层。控制催化剂氧化时要特别小心，先用含2％和5％空气的N2来氧化床层，然后再用100％的空气氧化床层。

3.1.3异戊烷精制

异戊烷脱气是利用精馏的原理，利用不同物质在同一温度下，饱和蒸汽压不同的原理，将异戊烷中的轻组分（如CO2、O2、CO等）脱除。异戊烷脱水原理同1-丁烯/1-己烯脱水原理相同。

3.1.4乙烯精制

乙烯脱氧是用UT2000作为脱氧催化剂。脱除氧是通过催化剂被氧化来实现的。UT2000需要定期再生是通过氢气将催化剂中氧化铜还原成单质铜，从而得到再生。乙烯脱一氧化碳是在含有CuO催化剂polymax300作用下，使CO转变成CO2，当催化剂中氧化铜被还原成单质铜的时候需要进行再生。再生的时候，是有控制地将被还原的铜重新氧化，从而使催化剂床层得到再生。

3.2聚合反应系统

聚合反应机理属于阴离子配位聚合。乙烯单体是具有π-π共轭体系的烯烃类单体，处于络合状态的钛铝活性中心，使乙烯单体双键上的电子云密度减少，从而打开乙烯双键，使乙烯单体不断在钛铝活性中心处聚合反应，聚合反应是放热反应过程。

均聚型聚乙烯分子结构为线型排列，有较少或几乎没有短支链，结晶度较高，因此有较高的密度。在共聚合反应中，引入共聚单体1-丁烯、1-己烯等α-烯烃，增加了分子支链数量和支链长度，降低了分子结晶度和产品密度。

3.3树脂脱气和排放气回收系统

树脂净化时间随以下的操作而提高：

1）提高产率；

2）提高PPB的压力；

3）提高溶解烃类的分子量；

4）增大树脂粒尺寸；

5）降低净化气流量；

6）降低PPB中的停留时间；

7）降低扩散速率。

回收过程通过逐级压缩冷却的过程，使回收气体中的可凝组分（共聚单体、ICA）被冷凝，并回收重新使用。

3.4挤压造粒系统

聚乙烯树脂与不同类型添加剂混合，经过高温（200—300℃）加热，达到熔融状态，在双螺杆挤压机和齿轮泵的作用下，通过模板进行水下造粒。

造粒的主要目的有：

1）加入各类添加剂，改进产品性能；

2）便于产品包装运输；

3）提高产品质量。

3.5风送系统

掺混过程通过不同的重力沉降速度，使不同时段的产品均匀掺混，降低产品分散性，提高产品性能。

四、结束语

全密度聚乙烯的生产工艺包括溶液法、淤浆法和气相法。通过改变进料组成和工艺参数，可以灵活地生产0.910～0.970 g/cm3的全密度聚乙烯，成为目前聚乙烯生产工艺技术的一个发展趋势。其代表工艺主要有Sclairtech工艺、Dowlex工艺、Compact工艺、CX工艺、双环管反应器工艺、Unipol工艺、Innovene G工艺、Spherilene工艺和Borstar工艺。Unipol气相工艺由于流程短、装置占地面积小、设备投资小、操作条件温和、生产单耗和环境污染小等优点，现已成为聚乙烯生产的主流技术。