Файл: Полиэтилен сырье, получение полиэтилена при низком давлении, свойства и применение.docx

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Химический факультет

Кафедра высокомолекулярных соединений и общей химической технологии
ОТЧЕТ по

учебной практике
НА ТЕМУ

«Полиэтилен – сырье, получение полиэтилена при низком давлении, свойства и применение»

Выполнил: студент

1 курса группы ХТ-2

Семакина Е.С.
Уфа – 2022 г.

Содержание

Введение

Полимерами называют высокомолекулярные вещества, молекулы которых состоят из многократно повторяющихся элементарных звеньев одинаковой структуры. Эти элементарные звенья соединены между собой ковалентными связями в длинные цепи различного строения (линейные, разветвленные) или же образуют жесткие и пластичные пространственные решетки. Молекулы полимерных соединений, состоящие из очень большого числа элементарных звеньев, называют макромолекулами.

Промышленной производство полиэтилена низкого давления (ПНД) является одним из самых молодых направлений полимерной химии. С момента открытия (1954 г.) новых ионно-координационных катализаторов оно развивается исключительно высокими темпами.

Высокие темпы роста производства ПНД связаны с непрерывно растущими потребностями в этом материале, что объясняется весьма ценным комплексом свойств ПНД: 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. Благодаря такому сочетанию свойств ПНД находит широкое применение в химической, нефтяной, электротехнической, угольной, авиационной, деревообрабатывающей, легкой и пищевой промышленности, тяжелом и транспортном машиностроении, медицине, сельском хозяйстве, станко-, приборо- и судостроении и др. Использование ПНД в народном хозяйстве наряду с высокой экономической эффективностью способствует техническому прогрессу – уменьшению веса изделий, увеличению срока их службы, снижению трудоемкости изготовления и т. д.

---

Промышленное производство ПНД развивается не только по масштабам. Непрерывно совершенствуется его технология, ассортимент и качество выпускаемой продукции. Все это непрерывно связано с достижениями в области металлорганического катализа.

Первые открытые Циглером и Натта каталитические системы в условиях, предложенных для применения, были малоактивными. Для поведения полимеризации этилена и пропилена в среде углеводородных растворителей требовались высокие концентрации катализаторов, причем их фактическое использование было крайне низким (менее 10 %), основная часть катализатора оставалась в полимере. Для очистки полимера от остатков катализатора проводились трудоемкие операции промывок с использованием спирта. Промывные агенты смешивались с углеводородным растворителем, в котором осуществлялась полимеризация; поэтому требовалась весьма сложная система регенерации растворителей для возвращения их в производственный цикл. Однако несмотря на относительно громоздкую технологическую схему первых производств ПНД, мощности их с каждым годом наращивались, а спрос на новый материал непрерывно возрастал.

После освоения в промышленности первых, сравнительно малоактивных катализаторов, начались работы по их модификации, подбору более эффективных систем, упрощению схем производства ПНД. Этому способствовали теоретические исследования кинетики и механизма действия катализаторов Циглера – Натта. Появились десятки тысяч патентов на различные каталитические системы, отличающиеся по составу, но действующие по тому же механизму.

Разработка высокоактивных катализаторов позволила внести существенные усовершенствования в технологическую схему, создать новые промышленные процессы. С использованием этих процессов строятся новые заводы и реконструируются действующие производства. Одновременно ведутся интенсивные поиски путей дальнейшего усовершенствования катализаторов и оптимизации условий их применения.

Технологические процессы производства ПНД отличаются значительным разнообразием, причем развитие производства определяется его непрерывным усовершенствованием.

Говоря о ПНД, нельзя забывать, что это название подразумевает широкий ассортимент марок, различающихся не только по молекулярной массе, ММР, плотности, но и по составу; 50–70 % выпускаемой продукции представляет собой не гомополимеры, а сополимеры этилена с различными мономерами.

---

1 Общие характеристики полиэтилена

Полиэтилен – [-CH₂-CH₂-]_n представляет собой простейший карбоцепной полимер, мономером которого является алифатический непредельный углеводород олефинового ряда – этилен. Полиэтилен является термопластичным синтетическим неполярным полимером, относящимся к обширной группе конструкционных материалов, свойства и назначение которых определяются условиями синтеза.

Полиэтилен характеризуется молекулярной массой от 20 тыс. до 3 млн., которая определяется способом получения материала. Вещество обладает высокой химической стойкостью, плохо проводит тепло и электричество.

Полиэтилен является одним из распространенных полимеров. Обычно он белого цвета, но если его растянуть и сделать тонким, то станет прозрачным. Полиэтилен бывает разным. Два основных его типа: ПВД (полиэтилен высокого давления) и ПНД (полиэтилен низкого давления).

ПНД представляет собой молекулярные клетки с высокой степенью связей, у него большая плотность. Поэтому его также можно называть полиэтиленом высокой плотности. И, наоборот, ПВД – это сильноразветвлённая молекула, обладает низкой плотностью.

Обозначения этих марок выглядят так:

HDPE – полиэтилен высокой плотности (полиэтилен низкого давления);

LDPE – полиэтилен низкой плотности (полиэтилен высокого давления).

2 Технологические процессы производства полиэтилена низкого давления

2.1 Сырье

Сырьем для производства полиэтилена служит этилен – C₂H₄ – бесцветный газ, представляющий простейший непредельный углеводород класса олеолефинов.

Для получения небольших количеств этилена с высокой степенью чистоты применяют метод дегидрации этилового спирта при температуре 300-400 ºС в присутствии Al₂O₃

C₂H₅OH → C₂H₄ + H₂O

Этот метод прост, но требует большого количества ценного химического сырья – этилового спирта, поэтому в настоящее время для получения полиэтилена используют нефтяные и попутные газы. В связи с этим все новые промышленные установки для производства полиэтилена проектируют и строят на основе использования этилена нефтяных и попутных газов.

Нефтяные газы образуются в процессе крекинга при 400-450 ºС и пиролиза нефти при 700 ºС и содержат кроме этилена водород, метан, этан, пропан, пропилен, бутан, изобутилен и т.д. Попутные газы, выделяющиеся при добыче нефти и содержащие в основном парафиновые углеводороды: метан, этан, пропан, бутан и т.д., подвергаются высокотемпературному крекингу, в результате чего превращаются в этилен с достаточно высоким выходом.

---

Для выделения концентрированного этилена из газовых смесей применяют следующие методы:

а) ректификационный (глубокого охлаждения) – газовая смесь сжимается под давлением и при охлаждении от -100 ºС до -118 ºС разгоняется на ректификационных колоннах на отдельные фракции (рисунок 1);



Рисунок 1. Схема получения этилена ректификационным методом.

1 – компрессорная установка; 2 – адсорбционно-отпарная колонна; 3 – регенерационная колонна; 4 – осушительные колонны; 5 – этиленовая колонна; 6 – пропан-пропиленовая колонна

б) адсорбционно-ректификационный – из исходной смеси предварительно адсорбируют растворителями все компоненты, кроме метана и водорода, а затем производится ректификация адсорбированных компонентов. Этот метод дает возможность ограничиться температурами от -20 ºС до -30 ºС (рисунок 2);



Рисунок 2. Схема получения этилена адсорбционно-ректификационным методом.

1 – компрессор; 2 – осушительные колонны; 3 – метановая колонна; 4 – этиленовая колонна; 5 – этановая колонна; 6 – пропан-пропиленовая колонна

в) адсорбционно-десорбционный (гиперсорбция) – разделение смеси газов в непрерывно движущемся слое гранулированного адсорбента.

Концентрация получаемого этилена составляет не менее 97–98 %. Для полимеризации требуется этилен, в котором не допускается никаких примесей, кроме незначительного количества парафиновых углеводородов (этана и пропана). Особенно недопустимы примеси ацетилена и кислорода, поэтому полученный этилен подвергают очистке, например, методом селективного гидрирования. В настоящее время достигаемая степень очистки составляет 99,99 %. Практически для получения полиэтилена применяют этилен следующего состава (% по объему): этилен – 99,6; ацетилен – 0,001–0,003; двуокись углерода – 0,05; окись углерода – 0,05; кислород – 0,001; водород и предельные углеводороды – 0,3–04; пропилен – 0,03.

Чистый этилен имеет следующую физико-химическую характеристику: температуру кипения – 103,8 ºС, плавления – 169,2 ºС; плотность при температуре кипения – 570 кг/м³; показатель преломления n_D = 1,363 ( при t = - 100 ºС); критическую температуру – 9,7 ºС; критическое давление – 5,09 МПа; запах – слабоэфирный; объемную массу газообразного этилена при 0 ºС – 1,260 кг/м³; при 25 ºС – 1,200 кг/м³; при давлении 10 МПа – 3,319 кг/м

---

³, при 140 МПа – 5,575 кг/м³; теплоемкость при 0,1 МПа – 1,63 кДж/кг׺С; при 30 МПа – 2,50 кДж/кг׺С; пределы взрывчатости с воздухом: нижний – 3-3,5 %, верхний – 16-29 %, обладает наркотическим действием.

2.2 Получение полиэтилена при низком давлении в среде органического растворителя

Сырьем для получения полиэтилена методом низкого давления служит очищенный этилен и смешанный металлоорганический катализатор – триэтилалюминий и четыреххлористый титан. Вместо триэтилалюминия могут применяться также диэтилалюминийхлорид, этилалюминийхлорид и триизобутилалюминий.

Триэтилалюминий получают в две стадии. При взаимодействии алюминия с хлористым или бромистым этилом получают промежуточный продукт – сесквигалоид:

2Al + 3C₂H₅X → Al₂(C₂H₅)₃X₃,

где Х – галоид (Cl или Br)

Действием металлического натрия на сесквигалоид получают триэтилалюминий:

Al₂(C₂H₅)₃X₃ + 3Na → Al₂(C₂H₅)₃ + 3NaCl + Al

Процесс получения может быть периодическим или непрерывным.

Триэтилалюминий – бесцветная прозрачная жидкость плотностью 840 кг/м³, температурой кипения 194ºС. На воздухе самовоспламеняется. При взаимодействии с водой, спиртами и другими веществами взрывается. Ядовитое вещество, вызывает отравление и ожоги.

Четыреххлористый титан – жидкость с резким запахом, плотностью 1730 кг/м³, температурой плавления 23ºС и кипения 136ºС.

2.2.1 Механизм полимеризации этилена

Полимеризация этилена при низком давлении происходит по анионному механизму по следующей схеме:

1) активация катализатора (образование катализаторного комплекса)

2Al(C₂H₅)₃ + 2TiCl₄ → 2Al(C₂H₅)₂Cl + 2TiCl₃ + C₂H₄ + C₂H₆

Комплекс

2) рост цепи – выпавший из раствора порошок треххлористого титана адсорбирует на поверхности хлорэтилалюминий, создавая очаги активации; мономерные звенья присоединяются к катализаторному комплексу, образуя растущую цепь путем внедрения этилена между атомом алюминия и алкилом

C ₂H₅ CH₂ – CH₂ – C₂H₅

(

---