聚乙烯生产工艺总结

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Basell公司开发了MZCR生产工艺,采用一个包括提升管、气固离器和向下流的竖管的流化床环管反应器。设计概念与流化催化裂化(FCC)相近,是将催化裂化技术应用于其现有的单区循环反应器,如下图所示。
由于上升段和下降段具有不同的反应温度、压力,以及不同浓度的氢气和共聚单体的浓度,导致两区有不同分子量的聚合物生成。再通过不断混合,形成宽分子量分布的产物。多层洋葱结构是通过在两区内多次循环Tt/T循而形成的。
Sphrilene工艺:Spherilene工艺最通用的设计是采用两台气相反应器串联这种方案可以满足产品分布较宽的需要。只采用Avant Z系列催化剂,不需切换其他催化剂,就可生产全部范围的线性PE系列产品。
聚乙烯生产技术及其催化剂的研究进展
当代典型的P E生产工艺有以下几种:(1)巴塞尔公司气相法Spheri l ene工艺;(2)北欧化工公司北星(Bors t a r)工艺;(3)BP公司气相法I nn o v en e工艺;(4)埃克森美孚公司管式和釜式反应工艺;(5)三井化学公司低压浆液法CX工艺;(6)雪佛龙-菲利浦斯公司双回路反应器LPE工艺;(7)Univa t ion公司低压气相法Unipol工艺;(8)Stami carbon公司Compact工艺;(9)巴塞尔聚烯烃公司Host al en工艺;(10)埃尼化学公司高压法工艺;(11)Stami carbon公司高压法工艺;(1 2)巴塞尔公司高压法Lu p o -t ech工艺;(13)诺瓦化学公司Scl air t ech工艺。
BP低压气相工艺:与Unipol非常相似。均采用冷凝态技术。只是冷凝液送入流化床的方式稍有不同。BP的方法是先将冷凝液与循环物流分离,然后用置于流化床内的喷嘴雾化,将其送入流态化床层。Unipol则不进行分离,冷凝液随循环物流一起进入流化床反应器。诱导冷凝和超冷凝技术所使用的惰性冷凝剂可以是异戊烷或己烷,选择的依据主要取决于原料来源和价格。
此工艺生产聚丙烯技术占世界生产总能力的37%。
美国Montell公司开始研究MZCR技术,97年获得专利授权,98年中试,02年8月basell公司进行聚丙烯spheripol工艺改造,进行MZCR工业化,16Wt/a,02年10月公开MZCR工艺,注册商标为spherizone。我们可以努力将此技术运用到聚乙烯生产上来。
高密度聚乙烯技术进展
HDPE简介
1953年低压合成HDPE,与LDPE、LLDPE比较,HDPE支链化程度最小,分子能紧密地堆砌,密度最大(0. 941~0. 965 gPcm3 ) ,结晶度高。HDPE目前是世界生产能力和需求量位居第三大类的聚烯烃品种,其主要用于薄膜、吹塑、管材等
技术进展
催化剂
工业生产中主要使用Ti系Z-N催化剂、Cr系催化剂。
超高分子量PE(UHWPE)
分子量长度是高密度聚乙烯的10-20倍,分子量达到100-600万。因分子量高而具有其他塑料无可比拟的优异的耐冲击、耐磨损、自润滑性、耐化学腐蚀等性能。
世界聚乙烯技术的最新进展
气相法工艺:Univation公司的Unipol工艺、BP公司的Innovene工艺和Basell公司的Spherilene工艺。气相法工艺由于流程较短、投资较低、生产灵活等特点发展较快,目前的生产能力约占世界聚乙烯总生产能力的34%,新建的LLDPE装置近70%采用气相法技术。
basell:hostalen技术三井油化公司:CX技术很相似的工艺
浆液法连续工艺:操作温度压力低;采用并联及串联不同形式生产单、双峰产品;原料要求不高
问题:细粉问题和低聚物生成量高,装置安全生产周期短
2.环管反应器工艺(Cr系催化剂异丁烷反应介质)
Phillips:Phillips工艺(单环管) INNOS:Innovene S工艺(双环管)
(5)反应器可以按比例放大满足大型生产装置的需要。
Montell公司的Spherilene生产工艺能够生产双峰聚乙烯树脂,它使用多个串联的流化床气相反应器,催化剂为齐格勒-纳塔催化剂。使用3个反应器的串联系统(小型环式加上2个气相反应器)用来生产多峰产品具有优点,即它所用的催化剂能够优化其产品性能和一种催化剂体系(齐格勒-纳塔)能够生产全部的LLDPE/ HDPE产品。
环管反应器工艺特点:设备较少,投资成本低;细粉少和颗粒形态好。原料要求高
气相聚合法
典型代表:DOW化学公司的univation技术和INNOS公司的innovene技术
工艺特点:操作温度、压力低;可生产全密度聚乙烯;催化剂体系包括Ti,Cr系;茂金属催化剂;原料需要精制;不需要溶剂。
溶液聚合法
典型代表:NOVA公司的sclairtech工艺、DOW工艺和DSM公司的Compact工艺。
3.产量比传统工艺高两成,允许在高压下操作,比传统反应器经济,为发挥催化剂最佳性能创造条件。
4.聚合物结构均匀(多层洋葱结构),改善聚合物性能,如刚性,耐热性,熔体强度,柔软度以及密封性能等等。
关于MZCR的思考:
1阻隔流体的选择,可能使用一种以上的阻隔流体
2此体系对催化剂不敏感,所以切换催化剂体系不会遇到麻烦。催化剂可任意选择。可用于生产不同种类的聚烯烃。是否可以考虑添加多种催化剂,以实现产品多样性要求。
Modeling小结:
1.沿着下降段,单体和氢气浓度均降低。
2.下降段中,低气速生成低分子量产品;低循环比可以生产宽分子量分布的聚合物,但降低气速和固体循环比会降低产率。
3.固体循环流量增加,PSD变得平滑、高固体循环流速下,系统行为像CSTR,而低循环流速时,系统行为像PFR。
4.下降段中,气速增加,MWD和PI随之增加;固体循环流速减少,MWD,PI增加。随着气体流速增加和固体循环流量减少,就有单体浓度增大,固体粒子停留时间延长,使得分子量和多孔性指数增加。
Unipol工艺:目前该工艺是世界应用最广的聚乙烯工艺,约占全球聚乙烯总生产能力的25%。该工艺的核心是用气相流化床反应器生产质量非常均匀的产品,与其他工艺相比,减少了共混后的处理装置。。采用Univation公司的间接冷却反应器技术可以在冷凝液含量很少或不增加进入反应器的冷凝液含量的情况下,间接提高反应器的撤热能力,还可以通过调节换热导管的冷凝液温度和速度来控制反应器的冷却程度,减少了聚合物粘壁现象,使工艺条件变得越来越宽容,对冷凝液的操作方法也越来越多。
Borstar生产工艺主要特点:
(1)在第1阶段使用淤浆法的反应器可以使开车阶段稳定、品种更换的过渡期缩短;
(2)在第1个反应器中使用超临界丙烷稀释剂可以生成极低相对分子质量树脂;
(3)在第1阶段,从聚合物中完全分离出单体(丙烷稀释剂采用闪蒸的方法除去)可以使第2阶段的聚合在独立的反应条件下进行;
(4)在第2阶段使用气相法的反应器可以生产不同性能的产品,而且产品中挥发性的烃含量较低;
生长机理不同:生长的聚合物粒子在不同的环境中连续循环,每经过一次循环,就生成一层同一种或不同种的聚合物,最终可形成多层的洋葱结构,如图1.2b所示。
MZCR的特点:
1.设计简单,无内部机械构件,投资少
2.高效的移热能力和低能耗:上升段可靠过冷气体或部分冷凝气体移热,而且MZCR的操作气速可以大于带出气速,移热能力增加;下降段主要通过固体循环或输入液相单体或惰性介质来移去反应热。
高活性的催化剂能完全发挥MZCR的特点。
MZCR modeling I. II
I:讨论没有加内部阻隔气体时的情况,下降管顶部的浓度和上升段末端条件一样。
因为氢浓度不变,而单体浓度减小,(单体被消耗)则不同分子量聚合物在下降管中生成。
惰性气体存在限制了反应速率,维持分压,也移走了部分反应热。单体和惰性气体比不能太大,否则聚合物结焦黏壁。
催化剂流率越大,降低了聚合物的平均分子量。(单体竞争活性位)
增加惰性气体,降低了聚合物分子量。
上升段高气速导致各段低的气体消耗量,但气速对分子量影响不大。
上升段的孔隙率降低,导致高的单体消耗速率,但增加不大。
生产工艺
HDPE的生产技术主要有:浆液聚合、气相聚合和溶液聚合。
浆液聚合法
此法是生产HDPE主要方法,工艺成熟,生产技术主要有Hostalen、Phillips、Innovene S、Equistar、Borieas、CX、Equistar等。
1.搅拌釜式浆液聚合(Z-N催化剂己烷溶剂,双釜聚合工艺)
工艺特点:原料要求低;反应停留时间短,产品切换快;采用溶剂,转化率高。
双峰高密度聚乙烯
双峰PE中高相对分子质量成分可赋予其良好的力学性能和耐环境应力开裂性能,而低相对分子质量成分起到润滑作用,改善其加工性能。因此,双峰PE与单峰产品相比,有更好的力学性能、耐环境应力开裂性能及良好的加工性能,综合性能优异。
Borealis公司开发出生产双峰PE的独特Borstar工艺,于1995年在芬兰首次建成一套20万t/ a的生产装置并投入运行,可生产HDPE、LLDPE、MDPE等多种牌号的产品。其生产设备主要由独特的淤浆环管反应器和特制的流化床气相反应器串联而成,整个工艺过程高度灵活, PE分子质量及其分布易于控制。该工艺采用齐格勒-纳塔催化剂,产品密度为918~970 kg/m3 ,熔体流动速率(MFR)为0. 02~100 g/10 min。在环管反应器中使用超临界丙烷作为稀释剂,可以生产构成双峰PE中低分子质量峰的聚合物,而在气相反应器内生产出构成高分子质量峰的聚合物,并可以根据要求调节分子质量的分布。Borstar双峰PE工艺采用两个反应器单独操作,可根据需要来控制分子质量的分布。
目前,双峰HDPE的生产工艺主要有Borealis公司的Borstar工艺、Basell公司的Hostalen工艺、Spherilene工艺INNOS公司的Innovene S工艺、三井公司的CX工艺和Evolue工艺、NOVA公司的Sclalrtech工艺、DOW公司的UnipolⅡ工艺等、双峰HDPE主要应用于管材薄膜、中空产品等。
世界聚乙烯工业现状及生产工艺新进展
双峰技术
生产双峰PE有熔融共混、反应器串联、在单一反应器中使用双金属催化剂或混合催化剂等方法。目前生产商主要采用串联反应器方法,主要代表有Univation公司的UnipolⅡ工艺,Basell公司反应器串联的气相Spherilene工艺, Borealis公司的Borstar工艺,以及Phillip s、Mitsui、Basell、Solvay等公司开发的淤浆法串联反应器生产工艺等。
近年来,Univation公司致力于单反应器双峰HDPE技术的开发,已经开发出2种Prodigy双峰催化剂,并完成了5次工业试验。该技术采用经济的单一流化催化反应器和双峰催化剂,投资和生产成本比串联反应器节约35%~40%。由于该反应器生产双峰HDPE主要依靠催化剂技术,很容易在现有的气相反应器中实施,因此有可能占据双峰HDPE更大的市场份额。
Univation公司还开发出Unipol - II生产工艺,增加了第二个聚合反应器,生产双峰LLDPE /HDPE树脂,并建成了30万t/ a的2个反应器串联的气相法生产装置。高分子质量的共聚物在第一个反应器中生成,低分子质量的共聚物在第二个反应器中生成。调节烯烃和氢的数量可以获得所需要的产品。
双峰聚乙烯的发展概况
Spherilene工艺的特点与其他聚烯烃生产技术基本相似,其关键是催化剂技术。
Spherilene生产工艺的一个主要优点是在整个运行中没有采用任何冷凝方式而获得很高的产率。高产量与聚合过程的总停留时间有关,大约为2. 5 h ,比其他的气相法生产工艺的停留时间要短。另一个优点是由于轻质烃代替氮气在系统中用做稀释剂。这改进了传热效果,改进了聚合物高产量时的热稳定性(即减少了局部过热的可能性)。
模型讨论了聚合物产量、PSD、分子量和多分散指数PI(粒径分布宽度的度量).
粒径分布:主要由停留时间决定。
多分散指数:随着固体循环流量的减小而增加。
然而,固体循环量减小,聚合物范围变大,均匀性降低,因此需控制循环量以平衡MWD和产物均匀性。
最佳固体循环流量主要取决于催化剂特性。分子量和多分散指数均随着活性增加而增加。
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