Курсовая работа "Промышленное производство полиэтилена низкого давления или высокой плотности"

ВВЕДЕНИЕ

Промышленное производство полиэтилена низкого давления или высокой плотности является одним из самых молодых направлений полимерной химии. Полиэтилен низкого давления – это недорогой, экологически чистый продукт.

В 2010 году на ОАО «Газпром нефтехим Салават» начато производство полиэтилена высокой плотности (ПЭВП) суспензионным методом «Хостален», где процесс происходит при низком давлении.

Проектная мощность ПЭВП – 120 тыс. т/год.

Дальнейшие задачи производства: учитывая потребности рынка, увеличение мощности производства до 200 тыс. т/год и достижение проектных норм по расходу сырья, материалов и катализаторов. А также дальнейшее расширение марочного ассортимента (трубных, бимодальных, пленочных марок полиэтилена высокой плотности).

Для достижения этих задач в настоящее время проводится оптимизирование работы оборудования для улучшения технико-экономических показателей работы производства ПЭВП.

Данный дипломный проект направлен на поиск технических решений по совершенствованию работы установки ПЭВП.

Достижение указанной цели требует решения следующих задач:

– анализ литературных источников с целью поиска возможных путей решения рассматриваемой проблемы;

– обоснование принятых технических решений соответствующими технологическими и механическими расчетами;

– разработка мероприятий по монтажу и ремонту оборудования;

– разработка мероприятий по обеспечению промышленной и технологической безопасности и экологии при внедрении предлагаемых технических решений.

Решению поставленных задач посвящены соответствующие разделы дипломного проекта.

1 Литературный обзор

1.1 Способы получения полиэтилена

В настоящее время промышленное производство полиэтилена осуществляется тремя методами [1]:

– полимеризацией этилена при давлении 120 – 200 МПа в присутствии небольших количеств кислорода в качестве катализатора;

– полимеризацией этилена при низком давлении (0,05 – 0,6 МПа) с использованием комплексных металлоорганических катализаторов;

– полимеризацией этилена при среднем давлении (3,5 – 7 МПа) в углеводородных растворителях в присутствии катализатора (окись хрома).

В промышленности ПЭПН при высоком давлении получают непрерывным методом путем полимеризации этилена в трубчатом реакторе или в автоклаве.

Полиэтилен среднего давления (ПСД) получают в промышленности при среднем давлении путем полимеризации этилена в растворе. ПСД образуется при: температуре 150 °С; давление до 4 МПа; наличие катализатора (Циглера–Натта). ПСД из раствора выпадает в виде хлопьев.

В настоящее время для производства полиэтилена низкого давления используют два основных метода – суспензионный и газофазный.

По суспензионному методу полимеризацию ведут в присутствии катализаторов Циглера-Натты – комплексные металлоорганические соединения, состоящие из четыреххлористого титана и алкилов алюминия (триэтил- и триизобутилалюминия, диэтилалюминийхлорида).

Газофазным методом получают ПЭ в виде гомополимера или сополимера с небольшими добавками второго мономера. Отличительной особенностью процесса является то, что использование различных каталитических систем позволяет получать полимер с различной шириной молекулярно-массового распределения, различными молекулярной массой и показателем текучести расплава, с более широким, чем у суспензионного ПЭ, диапазоном по плотности (от 943 до 965 кг/м³).

1.2 Обзор методов смешения и конструкций смесителей

В настоящее время для смешения сыпучих гранулированных материалов используются гравитационные смесители и широко применяются в различных производствах химической, горнорудной, пищевой промышленности, в сельском хозяйстве, в производстве строительных материалов и в других отраслях промышленного производства.

В зависимости от особенностей производства, смесители, входящие в состав этого производства, могут быть периодического или непрерывного действия. Они могут иметь различные способы воздействия на смесь (центробежные, барабанные, вибрационные, червячно-лопастные, лопастные центробежного действия, а так же гравитационные и пневматические) [2]:

– гравитационное смешение с использованием стационарных бункерных установок, где смешиваемый материал движется под действием сил гравитации, многократно циркулируя в системе бункеров и перераспределяясь в объеме всей партии смеси;

– гравитационно-инерционное смешение с использованием вращающихся барабанов (барабанные смесители);

– вибрационное смешение с использованием различных вибрирующих устройств (лотков, труб и т.д.);

– смешение за счет принудительного воздействия на смесь различных движущихся механизмов (лопастей, шнеков, винтов и др.);

– пневматическое смешение за счет псевдоожижения материала под действием газа (воздуха).

Вышеизложенные способы, кроме первого, для смешения материала требуют значительных внешних энергозатрат, а также вызывают разрушение частиц материала и его пыление в процессе смешения. Последнее обстоятельство затрудняет, а в ряде случаев исключает использование указанных способов для смешения гранулированных материалов.

Общим недостатком всех указанных способов является также и то, что для формирования крупных партий материала требуется отдельно смесительное и отдельно накопительное оборудование, а также громоздкая система транспортных средств.

Гравитационные смесители имеют наименьшие затраты энергии на получение качественной смеси. Поэтому их можно отнести к энергосберегающим машинам, и они имеют широкое применение в различных производствах.

На рисунке 1.1 представлен простой по конструкции гравитационный смеситель объемом 1,6 м³, предназначенный для непрерывного смешения сухих гранулированных материалов любой насыпной массы с размером до 5 мм [3].

1 – цилиндрический корпус, 2 – крышка, 3 – патрубок подачи сыпучих потоков,
4 – отбойно-распределительный конус, 5 – патрубок выхода воздуха,
6, 7 – уголковые решетки, 8 – центральная пневмоциркуляционная труба,
9 – коническое днище,10 – сопло для подачи сжатого воздуха (или инертного
газа), 11 – выгрузочный патрубок

Рисунок 1.1 – Гравитационно-решетчатый смеситель с пневмоциркуляцией

Данный смеситель имеет цилиндрический корпус, установленный вертикально на четырех опорах, приваренных к цилиндрической части корпуса. Корпус имеет коническое днище и крышку. Внутри корпуса расположены решетки, установленные с определенным шагом по высоте; при этом каждая последующая решетка повернута на 90° по отношению к предыдущей. Каждая решетка изготовлена из уголков, размещенных на определенном расстоянии друг от друга. Это расстояние должно быть больше размера смешиваемых частиц. Уголковые профили в решетке устанавливаются углами навстречу движущемуся материалу.

По оси смесителя установлена циркуляционная труба, по которой перемещаются смешиваемые материалы за счет эжекции, создаваемой внизу днища соплом, в которое подается газ под низким давлением. За счет многократного подъема смешиваемого материала по циркуляционной трубе происходит хорошее перераспределение смешиваемых компонентов во всем объеме смесителя. Выгрузка готового продукта осуществляется через разгрузочный штуцер внизу конического днища смесителя [2, 3].

Аппарат работает следующим образом. Потоки сыпучих материалов для смешения подают дозаторами в патрубок 3, откуда они высыпаются на отбойно-распределительный конус 4, из которого попадают на верхнюю уголковую решетку 6, где происходит деление потоков и их смешение в радиальном направлении.

Следующее перераспределение потоков в пространстве происходит за счет ударов о наклонные плоскости уголков решеток 7.

Интенсификация процесса смешения происходит за счет уменьшения застойных зон в кольцевом зазоре между корпусом смесителя и секциями блоков распределительных решеток 7 за счет крепления блоков решеток на центральной пневмоциркуляционной трубе 8. По центральной пневмоциркуляционной трубе 8 осуществляет подъем смешанного материала из конического днища 9 в верхнюю часть смесителя. Частицы сыпучего материала ударяются об отбойно-распределительный конус 4, разлетаются по радиусу, падают на решетку 6 и затем опускаются вниз через решетки 7 (рисунок 1.2).

Воздух отделяется от частиц сыпучего материала и через патрубок 5 выходит из аппарата. Таким образом, повторяется необходимое число циклов смеше-

Рисунок 1.2 – Конструкция уголковой распределительной решетки

ния на блоках ударно–распределительных решеток 6–7. Дополнительное смешение происходит за счет применения винтового среза нижней (заборной) части трубы 8.

Материалы хорошо смешиваются в результате многократного деления и последующего соединения на распределительных решетках потока компонентов при его движении сверху вниз под действием гравитационных сил.

Достоинствами пневматических смесителей являются: короткий цикл смешения компонентов, отсутствие вращающихся механических устройств, простота конструкции, малая истираемость гранул за цикл смешения.

Гравитационный смеситель, представленный на рисунке 1.3, состоит из вертикального корпуса, на внутренних стенках которого по высоте закреплены наклонные пересыпные пластины, при этом, одна из наклонных пересыпных пластин установлена в средней части вертикального корпуса и выполнена перфорированной.

Над верхними наклонными пересыпными пластинами установлены подпружиненные распределительные пластины, на боковых стенках вертикального корпуса установлены патрубки подвода и отвода воздуха, а под патрубком отвода воздуха установлен отбойный элемент [4, 5].

Наличие патрубков подвода и отвода воздуха, а также перфораций в наклонной пластине позволяет продувать воздухом движущиеся по пластине

Рисунок 1.3 – Гравитационный смеситель

сыпучие материалы. В результате этого на пластине образуется псевдоожиженный слой, в котором исходные сыпучие материалы интенсивно перемешиваются. При работе с сыпучими материалами повышенной влажности можно подавать в аппарат горячий воздух и подсушивать материал, что снижает вероятность его налипания на стенках вертикального корпуса, наклонных пластинах и повышает надежность работы смесителя. Подпружиненные распределительные пластины над верхними наклонными пересыпными пластинами служат для равномерного распределения исходных сыпучих материалов по всей ширине аппарата, что позволяет снизить вероятность появления застойных зон при работе смесителя и повысить эффективность смешивания. Наличие отбойного элемента под патрубком отвода воздуха предотвращает унос смешиваемых материалов из аппарата вместе с воздухом.

Недостатками данного гравитационного смесителя являются отсутствие равномерного распределения смешиваемых материалов по всему рабочему объему аппарата, налипание материала в застойных зонах на стенки корпуса в случае смешивания материалов повышенной влажности и за счет этого невысокая эффективность смешивания и низкая надежность работы.

При проведении технологических процессов получения полиэтилена приходится усреднять или смешивать гранулированный или зернистый сыпучий полиэтилен с использованием больших объемов материала. Поэтому для смешивания гранулированного или зернистого полиэтилена могут быть использованы вертикальные гравитационные смесители, схема которого представлена на рисунке 1.4 [5, 6].

1 – корпус; 2 – трубы питающие; 3, 4 – ребра; 5 – камера приемная;
6, 7, 8, 9 – штуцеры; 10 – люки; 11, 12 – указатели уровня; 13 – лапы опорные

Рисунок 1.4 – Смеситель гравитационный трубчатый

В смесителе данной конструкции при смешивании гранулированных или зернистых материалов, они выпускаются через отверстия в стенках вертикальных цилиндрических труб, причем эти отверстия расположены в определенном порядке и по всей высоте труб. Нижние концы труб собраны в приемной камере, которая прикреплена к днищу емкости и снабжена разгрузочным штуцером.

После заполнения смесителя материалом, который следует смешать (усреднить), производится его опорожнение, при этом материал равномерно из всего объема загрузки через питающие отверстия в стенках труб поступает во внутрь труб, и по ним опускается в приемную камеру, где отдельные потоки материала сливаются в один общий поток. Усредненный материал через штуцер в камере выводится из смесителя. Для получения наилучшей эффективности работы гравитационного смесителя необходимо, чтобы производительность (пропускная способность) отверстий на боковых поверхностях вертикальных труб была максимальной.

1.3 Патентная проработка

Проведена патентная проработка по теме дипломного проекта. Результаты патентной проработки представлены в таблице приложения А.

На основании проведенного анализа установлено, что во время смешения частицы сыпучих материалов подвергаются действию различно направленных сил, а движение частиц является результирующим эффектом сложения этих сил и, что механизм смешения зависит от устройства смесителя и способа проведения процесса. На смешение сыпучих материалов влияют многие факторы, связанные не только с характеристиками смешиваемых компонентов, но и с конструкцией смесителя, технологическим режимом процесса и т. д.

На основании проведенного анализа эффективности существующих методов смешения сыпучих гранулированных материалов, и, учитывая их недостатки, можно сделать вывод, что перспективным представляется использование для смешения сыпучих материалов (порошка полиэтилена) гравитационных смесителей выполненных из ряда вертикальных труб, размещенных в корпусе смесительной камеры равномерно по диаметру камеры.

Особенностью выбранного смесителя является наличие в трубах отверстий круглой формы с определенным шагом по высоте труб.

2 Обоснование выбора темы проекта

В настоящее время на установке производства полиэтилена высокой плотности (ПЭВП), полученный порошок полиэтилена после узла осушки и очистки пневмотранспортом подается в силосы порошка Б-2401 A/B/C.

Силосы порошка служат буферными емкостями между экструзией и полимеризацией и предотвращают остановку узла полимеризации в случае остановки экструдера EX5101. Силосы также используются для хранения некондиционного порошка, который получается при переходе с изготовления одной марки полиэтилена на другую марку. Объем силосов порошка Б-2401 A/B/C рассчитан таким образом, что при эксплуатации установки с расчетной мощностью время пребывания продукта в силосе составляет 10-12 часов. При нормальном режиме работы в два из трех силосов порошка Б-2401A, Б,C поступает продукт, отвечающий техническим требованиям, а в третий силос – некондиционный продукт (полученный при переходе с одной марки полиэтилена на другую). При нормальном режиме работы установки один или два из трех силосов могут оставаться не загруженными.

Предлагается для сокращения времени смешения при переходе с одной марки полиэтилена на другую, некондиционный порошок смешивать в силосе
Е-2401, предназначенном для хранения некондиционного продукта, за счет установки смесительной камеры.

Смесительную камеру предлагается изготовить из ряда цилиндрических вертикальных труб, в стенках которых выполнить отверстия для входа порошка при смешивании, при этом отверстия располагать в определенном порядке и по всей высоте труб.

После заполнения смесителя порошком, производят его опорожнение, при этом порошок равномерно из всего объема загрузки, через питающие отверстия, в стенках труб, поступает внутрь труб. Затем по этим трубам опускается в прием-ную камеру, где отдельные потоки порошка сливаются в один общий поток. Усредненный порошок через штуцер в силосе выводится из смесителя.

В настоящее время на установке для охлаждения азота, используемого для транспортировки порошка ПЭВП, применяется холодильник азота позиция
Х-2204. Корпусхолодильника азота Х-2204, согласно проекту, изготовлен из стали марки 304 SA 240. Трубный пучок холодильника – из стали марки Тр304 SA 312.

Стали12Х18Н10Т и Тр304 SA 312 относятся к хромоникелевым сталям. Но в составе сталиТр304 SA 312 отсутствует Ti поэтому в процессе эксплуатации холодильника азота Х-2204 из-за присутствия в циркулирующем азоте небольшого количества соляной кислоты, образующейся при взаимодействии триэтилалюминия и тетрахлоридатитана с той влагой, которая имеется в азоте, произошла коррозия трубок трубного пучка, что привело к выходу из строя холодильника.

Предлагается трубный пучок выполнить из стали 12Х18Н10Т, которая обеспечивает высокую коррозионную устойчивость к соляной кислоте при высоких температурах, что обеспечивает повышенную надежность и более продолжительный срок эксплуатации теплообменника.

Замена марки материала труб трубного пучка со стали Тр304 SA 312 на сталь 12Х18Н10Т позволит значительно увеличить временной период выхода из строя охладителя азота.

На основании вышесказанного можно сформулировать тему дипломного проекта в следующей редакции: «Проект модернизации установки производства полиэтилена низкого давления».