Краткие сведения и технологическая схема производства полиэтилена

Производство полиэтилена осповаио па проведении реакции полимеризации этилена. Данный процесс может протекать при низком (0,2—0,5 МПа), среднем и высоком (100—300 МПа) давлениях. При низком давлении реакция полимеризации протекает при температурах 60—105° С, а нрц высоком — при 160—310° С. Реакция полимеризации является высокоэндотермической с выделением •тепла: (3,35—3,5)• 10° Дж на 1 кг образовавшегося полиэтилена. Процесс полимеризации этилена может носить неустойчивый характер, и поэтому необходимо строго соблюдать тепловой режим, так как при повышении температуры выше критической происходит термическое разложение этилена. Последнее требует аварийной остановки технологических агрегатов.

На протекание реакции полимеризации этилена оказывает влияние ряд факторов. Влияние давления состоит в том, что при увеличении его возрастает плотность этилена. Это приводит к увеличению вязкости смеси полиэтилен—этилен и скорости полимеризации. В качестве инициатора полимеризации этилена при высоком давлении применяют молекулярный кислород и органические перекиси. С повышением температуры увеличивается скорость распада инициатора и скорость полимеризации. Давление этилена и количество используемого инициатора влияют на температуру.

В промышленных условиях процесс полимеризации этилена ведут в автоклавных и трубчатых реакторах. Трубчатый реактор представляет собой аппарат идеального вытеснения. В нем реакционная смесь движется в одном направлении. Для увеличения степени превращения этилена в полиэтилен применяют многозонные реакторы. На рис. 4.1 показано изменение температуры и степень превращения этилена в полиэтилен но длине реакционной трубки. Изменение температуры свидетельствует о наличии зон предварительного нагрева и максимальных температур.

Производительность установки и качество получаемого полиэтилена зависят от давления и температуры в реакторе, концентраций этилена, инициатора и примесей, а также ряда конструктивных параметров.

На промышленных установках контроль качества вырабатываемой продукции осуществляют по набору показателей, отражающих различные свойства полимера. Такими показателями являются: плотность, показатель текучести расплава, степень помутнения, степень загрязненности [9). Тогда в соответствии с ГОСТ-ом 11645—73 показатель текучести расплава определяют в лабораторных условиях с помощью иластомера.

Основными технологическими стадиями производства являются: «сжатие газообразного этилена до рабочего давления, которое обеспечивается компрессорами; синтез полиэтилена в реакторе полимеризации этилена; разделение непрореагировавшего этиле- па от полиэтилена в отделителях.

Изменение температуры (1) и степени превращения этилена в полиэтилен (2) по длнпе трубчатого реактора

Рис. 4.1. Изменение температуры (1) и степени превращения этилена в полиэтилен (2) по длнпе трубчатого реактора

Технологическая схема производства полиэтилена методом высокого давления в трубчатом_ реакторе

Рис. 4.2. Технологическая схема производства полиэтилена методом высокого давления в трубчатом_ реакторе

1 — буферная емкость; 2 — участок смешивания этилена с кислородом; 3 — компрессоры- первого каскада; 4 — регулятор соотношения; 5,6 — компрессоры второго каскада; 7, 8 — подшреватели; 9 первая зона реактора; 10 — вторая зона реактора; 11, 12 — холодильники; 13, 14 отделители; 15 — гранулятор

Технологическая схема производства ПЭВД в трубчатом реакторе представлена на рис. 4.2. Входной поток этилена поступает в -буферную емкость 7, где смешивается с возвратным потоком этилена низкого давления. Из буферной емкости 7 смешанный этилен выходит двумя потоками. Первый, поступая на участок 2 смешивания с инициатором — кислородом, подается к компрессорам первого каскада 3 и далее разделяется на два потока при помощи регулятора соотношения 4. Регулятор соотношения обеспечивает заданную концентрацию инициатора — кислорода в обоих исходных потоках реакционной смеси. Второй поток, выходящий из буферной емкости 7, после сжатия до промежуточного давления компрессорами первого каскада 3 смешивается с возвратным потоком этилена промежуточного давления и разделяется на два равных потока. Исходные потоки реакционной смеси подаются к компрессорам второго каскада 5 и в, которые создают рабочее давление. Далее реакционная смесь нагревается в подогревателях 7 и 8 перегретой водой, а затем поступает в трубчатый полимери- зационный реактор. Реактор состоит из двух зон О и 10. На входе в каждую из зон реактора в реакционную смесь вводится второй инициатор — смесь органических перекисей, которая имеет более низкую температуру разложения по сравнению с кислородом. В рубашке реактора противотоком циркулирует перегретая вода. Выходящая из второй зоны реактора смесь этилена и полиэтилена поступает в холодильники 77, 12 и далее в отделители промежуточного 13 и низкого 14 давления. В отделителях непрореагирэвав- ший этилен выделяется из смеси. Расплав полиэтилена поступает в гранулятор 15. Приготовленный полиэтилен в виде гранул направляется для дальнейшей переработки или отгружается потребителям. Возвратные потоки этилена подаются в исходную смесь. В цикл возвратного газа низкого давления подается модификатор — пропан. Для контроля за качеством продукции, в частности для определения показателя текучести расплава, используют полиэтилен после гранулирования.

На с. 161 даны основные технологические пара метр л протекания процесса. К параметрам состояния отнесены распределение и толщина полимерных пленок, образующихся на стенках реакционных трубок в процессе эксплуатации реакторов. Полимерные пленки оказывают существенное влияние на теплопередачу между реакционной смесью и теплоносителем в рубашке реактора. В свою очередь тепловой режим определяет стабильность работы технологического агрегата и качество получаемой продукции.

Безусловно, перечисленные параметры крайне упрощают представление о процессах, протекающих при производстве ПЭВД, и не учитывают множества физико-химических эффектов и особенностей технологии, но достаточно ясно отражают основные процессы, происходящие в технологических агрегатах.

Одним из вопросов, который возникает при анализе и автоматизации технологического процесса получения полиэтилена, является определение влияния технологических параметров на каУправляющие параметры

Парзметры сосгояния

Распределение температур

в первой зоне во второй зоне Перепад давлений в первой зоне во второй зоне

Распределение концентраций компонентов смеси

в первой зоне во второй зопс

Распределение и толщина пленок полиэтилена

в перлон зоне во второй зоне

Выходные параметры

Степень превращения этилена в полиэтилен

Плотность

Показатель текучести расплава

Степень

загрязненности

помутненпя

Качество пленок, изготавливаемых из полученного полиэтилена

Максимальная температура смеси в первой зоне во второй зоне

Нагрузка на установку по этилену

Расход инициатора — кислорода

Распределение потока, содержащего кислород, по зонам реактора

Давление на входе в реактор

Температура смеси на входе в первую зону бокового потока на выходе из подогревателя

Расход иерекисного инициатора

в первой зоне во второй зоне

Расход модификатора — пропана

Температура теплопосителя на входе в рубашку первой зоны второй зоны

чество вырабатываемой продукции. В проведенных исследованиях [2, б, 9, 15] качество полиэтилена оценивалось показателем текучести расплава. Перечислим основные результаты, интересующие пас. Па показатель текучести расплава влияют давление, содержание кислорода и максимальная температура в реакторе, что определено в работе 19]. Авторами работы [15] установлена зависимость показателя текучести расплава от расхода инициаторов и модификаторов, а также температуры теплоносителя в рубашке реактора. Авторы работы [2] выбрали в качестве информативных переменных давление и расход кислорода, а автор работы [6] установил, что на показатель текучести расплава существенно влияет температура, при которой наблюдается наибольший градиент распределения температур по длине реактора (так называемая температура горячей точки). Указанные работы не охватывают всех исследований в данном направлении, но показывают, что различные факторы по-разному влияют на показатель текучести расплава и нс совпадают при переходе от одного технологического агрегата к другому. Видимо, это определяется условиями функционирования систем в каждом конкретном случае.

При изучении работы промышленного двухзонпого трубчатого реактора для производства полиэтилена был проведен статистический анализ для выявления наиболее значимых факторов, влияющих на показатель текучести расплава [16]. Анализировалась работа трубчатого реактора с рабочим давлением порядка 230 МПа, в котором для инициирования реакции полимеризации использовались перекисный инициатор и кислород. Сбор экспериментальных данных был осуществлен с помощью АСУ.

В качестве входных переменных были выбраны нагрузка на установку по этилену, расходы кислорода и перекнсных инициаторов, давлние, температуры на входе в обе зоны реактора. Приняты в рассмотрение следующие параметры состояния: концентрация модификатора длин полимерных цепей, перепады давлений по зонам, распределение температур по длине реактора, разность температур теплоносителя на входе и выходе из рубашки реактора, уровни в отделителях низкого и промежуточного давления. Статистической обработке было подвергнуто 1065 измерений в 62 точках замера. Периоды времени пуска и остановки реактора, а также время перехода с выпуска одной марки полиэтилена на выпуск другой были исключены.

Достоверность значений каждого из измерений была проверена сравнением их с максимально и минимально возможными значениями, а также по скорости изменения экспериментальных данных. Результаты измерений в текущий момент времени сравнивались с данными измерений в предыдущий момент времени. Эта разность сопоставлялась с априорно известной 'скоростью изменения параметров. Недостоверные результаты измерений заменялись значениями, которые получены линейной интерполяцией соседних измерений.

На основании полученных экспериментальных данных были вычислены средние значения и. дисперсии рассматриваемых технологических параметров. Анализ полученных дисперсий для измеренных температур показал, что наибольшая дисперсия наблюдается у температуры в каждой из зон реактора, которая совпадает с координатой горячей точки. Данный вывод соответствует результатам исследований, выполненных ранее [3, 6, 13].

На этапе статистического анализа была проведена классификация технологических параметров по степени их влияния на показатель текучести расплава. Это было достигнуто применением метода фильтра поиска, который позволяет оценивать спектральную мощность измсрспий показателя текучести расплава и ее коррелированную составляющую, вызванную дисперсией рассматриваемой входной перемеппой [17, 18).

Оценка степени связи между технологическими параметрами и показателем текучести расплава у выполнена вычислением коррелированной составляющей спектральной мощности выходного сигнала S„ но рассматриваемому каналу, которая определялась взаимной спектральной мощностью по каналу ху и спектральной мощностью выходного сигнала у. По спектральным мощностям оценивались дисперсия выходного сигнала у и коррелированная составляющая дисперсии выходного сигнала по каналу ху. Далее вычислялась доля коррелированной дисперсии ак, которая чем больше, тем больше степень связи между технологическим параметром х и показателем текучести расплава полиэтилена у.

Проведенный статистический анализ входных и выходных сигТаблица 4.1. Доли коррелированной дисперсии показателя текучести расплава по различным каналам

Входные параметры и параметры состояния

Доля коррелированной дисперсии

Входные параметры и параметры состояния

Доля коррелированной дисперсии

Давление на входе

Температура смеси на

в реактор

0,28

выходе пз второй зоны

0,40

Перепад давлений

Расход кислорода

в первой зопе

0,29

в первой зоне

0,35

во второй зоне

0,26

во второй зоие

0,38

в реакторе

0,27

Расход иерекисного

Температура смеси

инициатора

на входе в первую зону

0,27

в первой зопе

0,27

Максимальная температура

во второй зоне

0,28

в первой зопе

0,46

Копценрация модификд-

Температура смеси

тора

0,28

на выходе

Нагрузка на установку

из первой зоны

0,32

но этилену

0,27

иа входе во вторую зону

0,29

Площадь

0,37

Максимальная температура

Пло-цадь St

0,46

во второй зоне

0,53

налов позволил выявить наиболее значимые факторы, влияющие на показатель качества 11ЭВД. Результаты вычислений спектральной мощности и дисперсии показателя текучести расплава показали, что только расходы кислорода обеих зон реактора влияют на показатель текучести расплава. Наряду с этим было выявлено, что влияние расхода модификатора длин полимерных цепей, а также давления было незначительным. Однако в отличие от указанных входных переменных параметры состояния оказывают большее влияние на показатель текучести расплава. Относительно малое влияние входных переменных на качество вырабатываемого полиэтилена объясняется тем, что в процессе эксплуатации технологической линии эти переменные были стабилизированы и их изменения незначительны. Доли коррелированной дисперсии показателя текучести расплава по различным каналам приведепы в табл. 4.1.

Для параметров состояния доли коррелированной дисперсии показателя текучести расплава различны. Наибольшие значения доли коррелированной дисперсии максимальных температур в цервой хх и второй х2 зонах реактора. При этом доля коррелированной дисперсии для второй зоны выше. Учитывая, что хх и х2 значительно коррелированы между собой, в качестве информативной переменной принята максимальная температура х2 во второй зопе реактора.

Другими характеристиками состояния системы, которые коррелированы с показателем текучести расплава, являются величины площади под кривой распределения температур по длине реактора: Sx — площадь под кривой распределения температур в первой зоне, S2 — во второй зоне. В соответствии с изложенным в качестве информативных переменных, характеризующих состояние системы, выбраны параметры х2 и ?2, которые наибольшим образом влияют на показатель текучести расплава.

Выявленные факторы, оказывающие наибольшее влияние на показатель текучести расплава ПЭВД, используются в качестве входных переменых при синтезе математической модели для прогнозирования и управления показателем текучести расплава [8, 10].

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >