القائمة

البحث عن المنتج

لغة

يشارك

الصفحة الرئيسية / أخبار / أخبار الصناعة / كيف يتم تصنيع البولي إيثيلين عالي الكثافة؟ شرح إنتاج HDPE
أخبار الصناعة

كيف يتم تصنيع البولي إيثيلين عالي الكثافة؟ شرح إنتاج HDPE

محتوى

كيف يتم تصنيع البولي إيثيلين عالي الكثافة: الإجابة المباشرة

يتم إنتاج البولي إيثيلين عالي الكثافة (البولي إثيلين عالي الكثافة) عن طريق بلمرة غاز الإيثيلين تحت ضغط منخفض باستخدام محفز زيغلر ناتا أو الكروم (فيليبس) أو الميتالوسين، الذي يربط آلاف مونومرات الإيثيلين في سلاسل جزيئية طويلة ومستقيمة مع القليل من التفرع. إن هيكل السلسلة المستقيمة هذا هو ما يمنح HDPE كثافته المميزة التي تتراوح من 0.941 إلى 0.965 جم / سم 3 وصلابته ومقاومته الكيميائية وقوته. يتم إنتاج مادة خام الإيثيلين نفسها أولاً عن طريق تكسير سوائل الغاز الطبيعي بالبخار أو النفتا، ثم يتم تنقيتها قبل أن تصل إلى المفاعل. من هناك، يمر الراتنج عبر البلمرة، وتفريغ الغاز، والمركب الإضافي، والبثق، والتكوير قبل أن يصبح المادة الخام التي تحولها القوالب والبثق إلى أنابيب وزجاجات وأغشية وخزانات.

تهيمن ثلاث عمليات صناعية على إنتاج HDPE الحالي: بلمرة طور الملاط، بلمرة طور الغاز، وبلمرة المحلول. تغير كل طريقة ظروف المفاعل، لكن الكيمياء الأساسية هي نفس تفاعل البلمرة التنسيقي الذي تم تسويقه لأول مرة بواسطة كارل زيغلر وجوليو ناتا في الخمسينيات. يستعرض الجزء المتبقي من هذه المقالة كل مرحلة من هذه العملية بالتفصيل، ويقارن HDPE بعائلات البوليمر الأخرى بما في ذلك مادة البولي أميد 66 ، ويجيب على الأسئلة الفنية الأكثر شيوعًا التي يطرحها المشترون والمهندسون حول إنتاج راتنجات HDPE.

الخطوة الأولى: إنتاج مادة خام الإيثيلين

قبل أن تتشكل أي سلسلة بوليمر، يجب عزل غاز الإيثيلين الخام بدرجة نقاء عالية، عادة ما تكون أعلى من 99.9 بالمائة. ويحقق المنتجون ذلك من خلال التكسير بالبخار، وهي عملية يتم فيها تسخين المواد الخام الهيدروكربونية مثل الإيثان أو البروبان أو النافتا إلى درجة حرارة تتراوح بين 750 و950 درجة مئوية داخل أفران أنبوبية لجزء من الثانية. تعمل الحرارة الشديدة على كسر سلاسل الكربون الطويلة في المادة الخام إلى جزيئات أوليفين أصغر، حيث يشكل الإيثيلين أكبر تيار إنتاج منفرد.

تكسير خيارات المواد الخام

وينتج عن التكسير المعتمد على الإيثان، وهو شائع في أمريكا الشمالية بسبب إمدادات الغاز الصخري، تيار إيثيلين أنظف مع عدد أقل من المنتجات الثانوية الثقيلة. وينتج التكسير القائم على النفتا، وهو أكثر شيوعا في آسيا وأوروبا، قائمة أوسع من المنتجات المشتركة مثل البروبيلين والبوتادين إلى جانب الإيثيلين، مما يغير اقتصاديات المصنع بشكل عام.

تنقية قبل البلمرة

بعد التكسير، يتحرك تيار الغاز عبر سلسلة من أبراج الضغط والتبريد والتقطير التي تفصل الإيثيلين عن الميثان والهيدروجين والبروبيلين والأجزاء الأثقل. تتم إزالة الشوائب النادرة مثل الأسيتيلين وأول أكسيد الكربون ومركبات الكبريت في هذه المرحلة لأنه حتى أجزاء قليلة في المليون يمكن أن تسمم المحفز المستخدم لاحقًا في البلمرة. يعد قطار التنقية هذا واحدًا من أكثر الأجزاء كثيفة رأس المال في مصنع متكامل لـ HDPE، وهو السبب الذي يجعل معظم منتجي HDPE الكبار يبنون مفاعلاتهم بجوار وحدة التكسير بدلاً من شحن الإيثيلين لمسافات طويلة.

أنظمة المحفز التي تحدد هيكل HDPE

المحفز هو المتغير الأكبر الذي يفصل HDPE عن درجات البولي إيثيلين الأخرى. ونظرًا لأن الإيثيلين يتبلمر دون أي مساعدة تقريبًا من الحرارة أو الضغط وحده، فإن الأمر يتطلب وجود محفز لتنسيق وحدات المونومر والتحكم في كيفية نمو السلسلة. يتم استخدام ثلاث عائلات محفزة تجاريًا اليوم.

مقارنة عائلات المحفزات المستخدمة في إنتاج HDPE التجاري
نوع المحفز درجة حرارة المفاعل النموذجية توزيع الوزن الجزيئي عملية مشتركة
زيجلر ناتا (كلوريد التيتانيوم) 70 إلى 90 درجة مئوية واسعة الطين، المرحلة الغازية
فيليبس (أكسيد الكروم على السيليكا) 85 إلى 110 درجة مئوية واسعة to bimodal حلقة الطين
الميتالوسين (موقع واحد) 60 إلى 85 درجة مئوية ضيق المرحلة الغازية، الحل

تظل محفزات زيجلر-ناتا هي الأكثر استخدامًا على نطاق واسع لأنها غير مكلفة وتمنح المنتجين المرونة لضبط الكثافة والوزن الجزيئي عن طريق ضبط مستويات الهيدروجين وتغذية المونومر. تنتج محفزات فيليبس، التي طورها روبرت بانكس وجون هوجان في شركة فيليبس بتروليوم في عام 1951، مادة HDPE عالية الصلابة بشكل خاص وهي العمود الفقري لمعظم راتنجات الأنابيب. توفر محفزات الميتالوسين، التي تم تسويقها تجاريًا بدءًا من التسعينيات، بنية سلسلة أكثر اتساقًا، وهي مفضلة للاستخدام في الأفلام والتطبيقات المتخصصة حيث يكون الاتساق أكثر أهمية من التكلفة الخام.

بلمرة طور الملاط: طريقة المفاعل الحلقي

تعد بلمرة الملاط هي الطريق التجاري الأكثر شيوعًا لـ HDPE. يتم تغذية الإيثيلين، وهو مادة مخففة هيدروكربونية مثل الأيزوبيوتان، والهيدروجين، والمحفز بشكل مستمر إلى مفاعل على شكل حلقة. عند حدوث البلمرة، تتشكل جزيئات HDPE الصلبة وتبقى معلقة في المادة المخففة السائلة، ولهذا السبب تسمى العملية بالملاط.

  1. يتم ضخ الإيثيلين والمواد المخففة في المفاعل الحلقي مع المحفز، وإذا كانت هناك حاجة إلى درجة بوليمر مشترك، يتم ضخ كمية صغيرة من المونومر المشترك مثل 1-هكسين.
  2. يتم قياس غاز الهيدروجين للتحكم في طول السلسلة، حيث ينهي الهيدروجين سلاسل البوليمر المتنامية من خلال تفاعلات نقل السلسلة.
  3. يتم التفاعل عند درجة حرارة 85 إلى 110 درجة مئوية تقريبًا وضغط من 30 إلى 45 بار، مع تدوير الملاط بشكل مستمر بواسطة مضخة محورية.
  4. تقوم أرجل الترسيب بسحب الملاط المركز بشكل دوري، والذي ينتقل بعد ذلك إلى خزانات الوميض حيث يتم فصل المادة المخففة لاستعادتها وإعادة استخدامها.
  5. يتم تجفيف مسحوق HDPE المتبقي، والذي يسمى أحيانًا الزغب، وإرساله إلى التركيب.

تحظى المفاعلات الحلقية بتقدير كبير لأن قطارًا واحدًا يمكنه إنتاج آلاف الأطنان يوميًا مع فترات إقامة أقل من ساعتين، ولأن التصميمات الحديثة تسمح بإنتاج الراتنج ثنائي النسق عن طريق تشغيل مفاعلين متتاليين، أحدهما ينتج سلاسل ذات وزن جزيئي منخفض والآخر ينتج سلاسل ذات وزن جزيئي مرتفع، والتي يتم مزجها في الموقع لإعطاء راتنج الأنابيب مقاومة استثنائية لنمو الشقوق البطيئة.

بلمرة الطور الغازي

تتخطى بلمرة الطور الغازي المادة المخففة السائلة بالكامل. يتم إدخال غاز الإيثيلين والهيدروجين والمحفز إلى مفاعل ذو طبقة مميعة حيث يتم الاحتفاظ بحبيبات البوليمر المتنامية معلقة بواسطة التدفق التصاعدي للغاز المعاد تدويره. مع استمرار التفاعل، تنمو الحبيبات من جزيئات محفزة بحجم ميكرون إلى كريات يتراوح عرضها من 500 إلى 1000 ميكرون تقريبًا.

لماذا يختار المنتجون مرحلة الغاز

تتجنب محطات الطور الغازي معدات الاسترداد المخففة، مما يقلل من تكلفة رأس المال ويزيل فئة من انبعاثات المركبات العضوية المتطايرة. تتعامل العملية أيضًا مع نطاق واسع من الكثافة، مما يسمح لمجموعة مفاعل واحدة بالتبديل بين درجات البولي إيثيلين عالي الكثافة (HDPE) ودرجات البولي إيثيلين الخطي منخفض الكثافة عن طريق ضبط نسبة المونومر. تتم إدارة التبريد عن طريق إعادة تدوير الغاز غير المتفاعل من خلال مبادل حراري خارجي، حيث أن الطبقة المميعة نفسها لديها قدرة محدودة على تبديد حرارة تفاعل البلمرة الطاردة للحرارة.

بلمرة الحل

في بلمرة المحلول، يتم إذابة الإيثيلين والمحفز في مذيب هيدروكربون مثل الهكسان الحلقي عند درجات حرارة أعلى من نقطة انصهار البوليمر، عادةً من 130 إلى 250 درجة مئوية. نظرًا لأن البوليمر يظل مذابًا بدلاً من الترسيب كمادة صلبة، فإن التحكم في التفاعل واللزوجة يختلف بشكل كبير عن طرق الملاط أو الطور الغازي.

تتم عمليات المحاليل عند درجة حرارة أعلى ووقت بقاء أقصر، وغالبًا ما يكون أقل من خمس دقائق، مما يجعلها مناسبة تمامًا للدرجات المتخصصة والمحفزة بالميتالوسين حيث تكون الأولوية للتحكم الدقيق في الوزن الجزيئي. بعد البلمرة، يتم تفريغ المذيب تحت التفريغ وإعادة تدويره، ويتم إرسال البوليمر المنصهر مباشرة إلى التكوير دون خطوة تجفيف منفصلة.

من مسحوق المفاعل إلى الحبيبات النهائية: التركيب والبثق

بغض النظر عن تكنولوجيا المفاعل المستخدمة، فإن البولي إيثيلين عالي الكثافة الخام الذي يغادر مرحلة البلمرة يكون عبارة عن مسحوق ناعم أو حبيبات، وليس الحبيبات الموحدة التي يشتريها القائمون على التشكيل. يعمل التشطيب على تحويل راتنجات المفاعلات إلى حبيبات مستقرة ومحمية من المواد المضافة وجاهزة للبثق أو النفخ أو القولبة بالحقن.

المركب الإضافي

يتم مزج مضادات الأكسدة، عادةً المثبتات الفينولية والفوسفيتية، في البداية لمنع التدهور الحراري أثناء معالجة الذوبان. تتم إضافة مثبتات الأشعة فوق البنفسجية، وأسود الكربون، والملونات، وعوامل الانزلاق أو منع الانسداد اعتمادًا على التطبيق المستهدف. عادةً ما يتلقى HDPE من فئة الأنابيب 2 إلى 2.5 بالمائة من تحميل أسود الكربون خصيصًا لمقاومة الأشعة فوق البنفسجية في التركيبات الخارجية.

تذوب النتوء والتكوير

يتم تغذية المسحوق والمواد المضافة في جهاز بثق مزدوج اللولب، حيث يقوم القص الميكانيكي وتسخين البرميل بإذابة الراتنج بشكل متجانس، عادةً ما بين 200 و260 درجة مئوية اعتمادًا على الدرجة. يتم دفع البوليمر المنصهر من خلال لوحة القالب إلى خيوط، والتي يتم تبريدها في حمام مائي وتقطيعها إلى كريات موحدة بواسطة قاطعة دوارة. تقوم فرق الجودة بأخذ عينات من الكريات بشكل مستمر لمعرفة مؤشر تدفق الذوبان والكثافة ومحتوى الهلام قبل إطلاق دفعة الإنتاج.

معلمات اختبار الجودة

تم فحص مواصفات الإصدار النموذجية على مجموعات حبيبات HDPE النهائية
الملكية طريقة الاختبار النطاق النموذجي
الكثافة أستم D792 0.941 إلى 0.965 جم/سم3
مؤشر تدفق الذوبان أستم D1238 0.05 إلى 40 جم/10 دقائق
قوة الشد عند العائد أستم D638 20 إلى 32 ميجا باسكال
مقاومة الإجهاد البيئي أستم D1693 100 إلى 5000 ساعة

لماذا يتحكم هيكل السلسلة في الكثافة والأداء

يكتسب HDPE اسمه لأن سلاسله الجزيئية تتجمع بشكل وثيق معًا. على عكس البولي إيثيلين منخفض الكثافة، الذي يتكون من تشعبات ثقيلة تمنع السلاسل من الاصطفاف، فإن سلاسل HDPE لها عدد قليل جدًا من الفروع الجانبية، وأحيانًا أقل من 5 فروع لكل 1000 ذرة كربون. يتيح ذلك للسلاسل أن تتبلور في مناطق مرتبة بإحكام، وتصل التبلور في البولي إيثيلين عالي الكثافة (HDPE) التجاري عادة إلى 60 إلى 80 بالمائة، مقارنة بـ 40 إلى 50 بالمائة في البولي إيثيلين منخفض الكثافة (LDPE).

تترجم البلورة الأعلى مباشرة إلى مكاسب أداء قابلة للقياس: قوة شد أكبر، وصلابة أعلى يتم قياسها كمعامل انثناء، ومقاومة كيميائية أفضل ضد المذيبات والوقود، ونقطة تليين أعلى. وتتمثل المقايضة في انخفاض المرونة وانخفاض الوضوح مقارنة بالبولي إيثيلين المتفرع، ولهذا السبب يهيمن HDPE على التطبيقات التي تحتاج إلى الصلابة، مثل الأنابيب والبراميل والمكونات الهيكلية، في حين يهيمن LDPE وLLDPE على الأفلام المرنة.

HDPE مقابل اللدائن الهندسية مثل البولياميد 66

كثيرًا ما يقوم المشترون الذين يستوردون مكونات الأجزاء الصناعية أو السيارات بمقارنة HDPE باللدائن الحرارية الهندسية مثل مادة البولي أميد 66، وتسمى أيضًا النايلون 66 أو PA66 ، لأن كلاهما عبارة عن بوليمرات شبه بلورية ولكنهما يخدمان أغلفة أداء مختلفة تمامًا. يتم إنتاج مادة البولي أميد 66 من خلال تفاعل بلمرة تكثيف منفصل بين سداسي ميثيلين ديامين وحمض الأديبيك، مما يشكل روابط أميد على طول العمود الفقري، وهو غير مرتبط كيميائيًا ببلمرة التنسيق المستخدمة لصنع HDPE من الإيثيلين.

مقارنة الخصائص بين HDPE ومادة البولي أميد 66 في الدرجات الشاغرة النموذجية
الملكية HDPE مادة البولي أميد 66
الكثافة 0.941 إلى 0.965 جم/سم3 1.13 إلى 1.15 جم/سم3
قوة الشد 20 إلى 32 ميجا باسكال 75 إلى 85 ميجا باسكال
نقطة الانصهار 125 إلى 135 درجة مئوية 255 إلى 265 ج
امتصاص الرطوبة لا يكاد يذكر 2.5 إلى 3 بالمائة عند التشبع
حالة الاستخدام النموذجي الأنابيب والحاويات والأفلام التروس والمحامل والموصلات

الوجبات الجاهزة العملية للمشترين واضحة ومباشرة. يتم اختيار HDPE عندما يحتاج الجزء إلى مقاومة كيميائية، وتكلفة منخفضة، وعدم مبالاة بالرطوبة، وصلابة التأثير في الظروف الباردة، بينما يتم اختيار مادة البولي أميد 66 عندما يحتاج الجزء إلى مقاومة عالية للحرارة، ومقاومة التآكل، وقوة تحمل عند درجة حرارة مرتفعة، مثل مكونات السيارات الموجودة أسفل غطاء المحرك أو التروس التي تعمل ضد المعدن. تقوم بعض الشركات المصنعة بمزج أو تعزيز مادة البولي أميد 66 مع الألياف الزجاجية لسد فجوة الصلابة بشكل أكبر، ولكن كيمياء الراتنج الأساسية، وبالتالي طريق التصنيع، تظل مختلفة بشكل أساسي عن HDPE.

درجات HDPE الشائعة وكيفية ضبط التصنيع لتناسبها

لا يتم تصنيع كل راتنجات HDPE بنفس الطريقة على الرغم من مشاركة كيمياء البلمرة الأساسية. يقوم المنتجون بضبط اختيار المحفز، ونسبة الهيدروجين، ونوع المونومر، وتكوين المفاعل للوصول إلى درجات مستهدفة مختلفة.

درجة صب النفخ

يحتاج راتينج النفخ للزجاجات والبراميل إلى توزيع واسع للوزن الجزيئي وقوة ذوبان عالية حتى لا يتدلى الباريسون قبل إغلاق القالب. يأتي هذا عادةً من محفز Ziegler-Natta الذي يتم تشغيله في مفاعل حلقة واحدة بجرعات هيدروجين معتدلة.

درجة الأنابيب (PE80 وPE100)

يتطلب راتينج الأنابيب مقاومة استثنائية لإبطاء نمو الشقوق على مدى فترة خدمة يمكن أن تتجاوز 50 عامًا تحت الأرض. إن راتينج الأنابيب PE100 الحديث دائمًا ما يكون ثنائي النسق، ويتم تصنيعه في مفاعلين متسلسلين حيث تقوم المرحلة الأولى ببناء سلاسل ذات وزن جزيئي منخفض من أجل قابلية المعالجة والمرحلة الثانية تبني سلاسل وزن جزيئي عالية من أجل قوة طويلة المدى.

حقن صب الصف

تفضل درجات صب الحقن توزيعًا أضيق للوزن الجزيئي ومؤشر تدفق ذوبان أعلى، غالبًا في نطاق 5 إلى 40 جم / 10 دقائق، وبالتالي يملأ الراتينج تجاويف القالب المعقدة بسرعة دون تزييفها.

درجة الفيلم

يتم تصنيع راتنج فيلم HDPE، المستخدم في أكياس البقالة وبطانات التغليف، في كثير من الأحيان عن طريق بلمرة الطور الغازي مع جزء صغير من الكونومر لموازنة الصلابة مع مقاومة التمزق، مما يعطي إحساسًا بالتجعد والوضوح العالي النموذجي لأكياس التسوق HDPE.

تاريخ موجز لكيفية ظهور تصنيع HDPE

لم يظهر HDPE بين عشية وضحاها. لقد نشأ مسار التصنيع الخاص بها من اكتشافين متوازيين في أوائل الخمسينيات من القرن الماضي أدى إلى تغيير صناعة البلاستيك بأكملها. في عام 1953، وجد كارل زيجلر في معهد ماكس بلانك في ألمانيا أن بعض مركبات التيتانيوم والألمنيوم يمكنها بلمرة الإيثيلين عند ضغط منخفض ودرجة حرارة الغرفة، وهو أمر كان يُعتقد سابقًا أنه مستحيل بدون ضغط شديد. في نفس العام، في شركة فيليبس بتروليوم في الولايات المتحدة، اكتشف الكيميائيان روبرت بانكس وجون هوجان بشكل مستقل أن أكسيد الكروم المدعوم بالسيليكا يمكن أن يحقق نتيجة مماثلة. تم تسويق كلا الاكتشافين تجاريًا في غضون بضع سنوات، وبحلول أواخر الخمسينيات من القرن العشرين، كانت أول مصانع البولي إيثيلين عالي الكثافة (HDPE) التي تستخدم تقنية ملاط ​​المفاعل الحلقي تعمل على نطاق صناعي.

تقاسم زيجلر جائزة نوبل في الكيمياء عام 1963 مع جوليو ناتا، الذي أثبت عمله في توسيع نطاق الكيمياء المحفزة إلى مادة البولي بروبيلين أنه لا يقل أهمية. لا يزال طريق الضغط المنخفض الذي افتتحته هاتان العائلتان المحفزتان، بعد مرور أكثر من سبعين عامًا، هو الأساس لكل مصنع من مصانع HDPE العاملة اليوم، على الرغم من أن المفاعلات وأنظمة التحكم وتركيبات المحفزات قد تم تنقيحها عدة مرات. تمثل المحفزات الميتالوسينية، التي تم تسويقها تجاريًا على نطاق واسع بدءًا من التسعينيات، أحدث قفزة كبيرة في تكنولوجيا المحفزات، مما يمنح المنتجين تحكمًا في موقع واحد في بنية السلسلة التي لا يمكن لمحفزات زيجلر ناتا ولا فيليبس مضاهاتها.

هندسة المفاعلات: كيف يتحكم المنتجون في الحرارة والضغط ووقت الإقامة

تعتبر بلمرة الإيثيلين طاردة للحرارة بقوة، حيث تطلق ما يقرب من 3.5 ميجا جول لكل كيلوجرام من البوليمر المتكون. تعد إدارة هذا الحمل الحراري بأمان، مع الحفاظ على سير التفاعل بمعدل ثابت، أحد التحديات الهندسية المركزية في إنتاج HDPE، بغض النظر عن مسار العملية الذي يستخدمه المصنع.

إزالة الحرارة في المفاعلات الحلقية

تعتمد مفاعلات الحلقة الملاطية على تصميم أنبوب مغلف حيث يتدفق ماء التبريد حول الجزء الخارجي من الحلقة بينما يدور ملاط الإيثيلين والمخفف والمحفز بسرعة عالية في الداخل، مدفوعًا بمضخة تدفق محورية. هذا الدوران المستمر، غالبًا بسرعات تتجاوز 6 أمتار في الثانية، يحافظ على المادة المخففة على اتصال وثيق بجدران المفاعل المبرد بحيث يتم نقل الحرارة بعيدًا بشكل مستمر بدلاً من السماح بتكوين البقع الساخنة، والتي قد تؤدي إلى نمو غير متساوٍ للبوليمر أو تلوث المفاعل.

إزالة الحرارة في مفاعلات الطبقة المميعة

لا يمكن لمفاعلات الطبقة المميعة ذات الطور الغازي الاعتماد على الغلاف وحده لأن حجم الغاز المتفاعل كبير بالنسبة إلى مساحة جدار الوعاء. وبدلاً من ذلك، يتم سحب الغاز غير المتفاعل بشكل مستمر من أعلى الطبقة، ويتم تبريده في مبادل حراري خارجي، ثم ضغطه، ثم إعادة إدخاله في الأسفل، وذلك لتسييل جزيئات الراتينج وإبعاد الحرارة عن النظام. يعد معدل تدفق الغاز المعاد تدويره واحدًا من أكثر المتغيرات التي تتم مراقبتها عن كثب على شاشة غرفة التحكم، لأن التدفق القليل جدًا قد يؤدي إلى انهيار القاعدة بينما يمكن أن يؤدي التدفق الزائد إلى حمل الجسيمات الدقيقة إلى خارج المفاعل.

التحكم في الضغط ووقت الإقامة

تعمل مفاعلات الملاط عادة ما بين 30 و45 بار، ومفاعلات الطور الغازي بين 20 و25 بار، ومفاعلات المحاليل تصل إلى 150 بار للحفاظ على البوليمر مذابًا عند درجة حرارة مرتفعة. يتم ضبط وقت الإقامة، أي مدة بقاء جزيئات الإيثيلين وسلاسل النمو داخل المفاعل قبل سحبها، عن طريق ضبط معدلات التغذية ومعدلات السحب، ويؤثر بشكل مباشر على متوسط ​​الوزن الجزيئي ومقدار المونومر غير المتفاعل المتبقي في تيار المنتج المتجه إلى تفريغ الغاز.

كيمياء الكونومر: لماذا تغير نسبة صغيرة كل شيء

ينتج بوليمر الإيثيلين المتجانس أعلى كثافة وأقسى درجات HDPE، لكن العديد من الراتنجات التجارية تتضمن كمية صغيرة من مونومر ألفا أوليفين، عادة ما بين 0.5 و4 مول في المائة، مبلمر إلى جانب الإيثيلين. يعد اختيار الصيغة الفردية هذا أحد أهم الروافع التي يمتلكها المنتجون لتصميم سلوك الراتنج النهائي.

كومونومرات ألفا أوليفين الشائعة المستخدمة في درجات البوليمر المشترك HDPE
كومونومر قدم فرع التأثير على الراتنج
1- البيوتين سلسلة جانبية من الإيثيل يحسن المرونة، ويكسب التأثير المعتدل
1-الهكسين سلسلة جانبية بوتيل أفضل توازن بين الصلابة ومقاومة التشقق الناتج عن الإجهاد، وهو شائع في درجة الأنابيب
1-أوكتين سلسلة جانبية هيكسيل صلابة أعلى عند درجات الحرارة المنخفضة، وتستخدم في الأفلام المتميزة

الفروع القصيرة التي تقدمها هذه الكومونومرات تقاطع العمود الفقري المستقيم لـ HDPE بما يكفي لتقليل التبلور قليلاً وخفض الكثافة إلى الطرف الأدنى من نطاق HDPE، مع تحسين مقاومة التشقق الناتج عن الإجهاد البيئي بشكل كبير، وهي الخاصية التي تحدد مدى جودة مقاومة الجزء النهائي للتشقق عند تعرضه لمواد كيميائية معينة تحت ضغط ميكانيكي مع مرور الوقت. يعتمد منتجو راتنجات الأنابيب بشكل خاص على البلمرة المشتركة 1-هكسين لأن الأنابيب يجب أن تقاوم نمو الشقوق البطيء طوال فترة الخدمة التي يتوقع المنظمون أن تتجاوز خمسين عامًا تحت الأرض.

توزيع الوزن الجزيئي وتكنولوجيا المفاعل الثنائي

يحكي متوسط الوزن الجزيئي جزءًا فقط من قصة كيفية تصرف راتينج HDPE. يمكن لراتنجتين لهما نفس متوسط ​​الوزن الجزيئي أن تتم معالجتهما وأداءهما بشكل مختلف تمامًا اعتمادًا على كيفية توزيع هذا الوزن عبر مجموعة السلاسل، وهو ما يصفه منتجو الخاصية باستخدام توزيع الوزن الجزيئي، وغالبًا ما يتم اختصاره إلى MWD.

لماذا يساعد التوزيع على نطاق واسع

يحتوي الراتينج ذو التوزيع الواسع أو ثنائي النسق على كل من السلاسل القصيرة، التي تخفض لزوجة الذوبان وتجعل من السهل بثق الراتينج أو تشكيله، والسلاسل الطويلة، التي توفر القوة الميكانيكية والمتانة والمقاومة لنمو الشقوق البطيء بمجرد أن يكون الجزء في الخدمة. إن محاولة تحقيق كلا الخاصيتين من مجموعة واحدة ذات وزن جزيئي ضيق أمر صعب لأن اللزوجة المنخفضة والقوة العالية عادةً ما تجذبان في اتجاهين متعاكسين.

إنتاج ثنائي المفاعل

الحل السائد هو تشغيل مفاعلين بلمرة على التوالي، وفي أغلب الأحيان مفاعلين حلقيين. تتم جرعات المفاعل الأول بتركيز عالي من الهيدروجين لإنتاج سلاسل قصيرة ذات وزن جزيئي منخفض تحافظ على ارتفاع تدفق الذوبان. ثم يتدفق الملاط النهائي جزئيًا إلى مفاعل ثانٍ يحتوي على القليل من الهيدروجين الإضافي أو لا يحتوي على أي هيدروجين على الإطلاق، حيث تنمو سلاسل أطول بكثير وتتشابك ماديًا مع المادة المنتجة بالفعل في المرحلة الأولى. والنتيجة، بمجرد مزجها، هي مجموعة كريات واحدة تحتوي على مزيج حميم من طولي السلسلة، مما يحقق مزيجًا من قابلية المعالجة والقوة طويلة المدى التي لا يمكن لأي مفاعل أن يحققها بمفرده. يعد هذا النهج الثنائي الآن هو التقنية القياسية وراء راتنجات أنابيب الضغط PE100 وPE100-RC التي يتم بيعها عالميًا.

القدرة الإنتاجية العالمية للـHDPE والاتجاهات الإقليمية

يتم إنتاج البولي إيثيلين عالي الكثافة (HDPE) على نطاق صناعي في كل قارة تتمتع ببنية تحتية كبيرة للبتروكيماويات، وقد تغيرت جغرافية الإنتاج بشكل كبير خلال العقد الماضي. توسعت القدرة الإنتاجية في أمريكا الشمالية بسرعة خلال العقد الأول من القرن الحادي والعشرين على خلفية مواد خام الإيثان المشتقة من الصخر الزيتي منخفضة التكلفة، مما أعطى منتجي ساحل الخليج ميزة التكلفة الهيكلية لتكسير الإيثيلين القائم على الإيثان. وفي الوقت نفسه، قامت الصين ببناء قدرة جديدة هائلة، سواء من وحدات التكسير التقليدية القائمة على النفتا أو من طرق تحويل الفحم إلى الأوليفينات ومن الميثانول إلى الأوليفينات الأقل اعتماداً على النفط المستورد.

لا يزال الشرق الأوسط يتمتع بميزة التكلفة المتجذرة في الوصول إلى الغاز الطبيعي المصاحب غير المكلف من إنتاج النفط، ودعم المجمعات المتكاملة الكبيرة التي تجمع بين تكسير الإيثيلين مع HDPE، وLLDPE، ووحدات مشتقة أخرى في موقع واحد. وعلى النقيض من ذلك، واجهت أوروبا ارتفاع تكاليف الطاقة في السنوات الأخيرة، الأمر الذي ضغط على اقتصاديات المفاعلات الأقدم والأصغر حجما ودفع بعض المنتجين الإقليميين إلى توحيد أو تحويل القدرة نحو الدرجات المتخصصة والمحتوى المعاد تدويره حيث تكون هوامش الربح أقل اعتمادا على تكلفة المواد الخام وحدها.

الضوابط البيئية والسلامة داخل مصنع HDPE

نظرًا لأن الإيثيلين قابل للاشتعال والمواد المخففة المستخدمة في عمليات الملاط عبارة عن هيدروكربونات متطايرة، فقد تم تصميم مصانع HDPE بطبقات متعددة من الاحتواء والمراقبة. تعمل حلقات المفاعل وخزانات الفلاش كأنظمة مغلقة تحت ضغط إيجابي، مع وجود أجهزة استشعار مستمرة للكشف عن الغاز موضوعة حول نقاط التسرب المحتملة مثل أختام المضخة، والشفاه، وتعبئة الصمامات.

إدارة الانبعاثات

يتم ضغط المونومر المخفف وغير المتفاعل الذي يتم استرداده أثناء الوميض وتفريغ الغاز وإعادة تدويره مرة أخرى في العملية بدلاً من تنفيسه، وذلك لأسباب اقتصادية ولتقليل انبعاثات المركبات العضوية المتطايرة. تقوم المحطات الحديثة بتوجيه أي غاز تنفيس متبقي من خلال أنظمة التوهج أو المؤكسدات الحرارية بحيث يتم حرق الهيدروكربونات بدلاً من إطلاقها دون معالجة في الغلاف الجوي.

معالجة مياه الصرف الصحي والمنتجات الثانوية الصلبة

يتم الاحتفاظ بدوائر مياه التبريد منفصلة عن تيارات العملية لتجنب التلوث الهيدروكربوني، ويتم معالجة أي مياه معالجة تتلامس مع الراتنج أو المادة المخففة من خلال فصل الزيت عن الماء والمعالجة البيولوجية قبل التصريف. يتم جمع بقايا المحفز وأي حبيبات بوليمر غير مطابقة للمواصفات يتم إنشاؤها أثناء بدء التشغيل أو التحولات الصفية، حيثما أمكن، إعادة معالجتها في تطبيقات ذات درجة أقل بدلاً من إرسالها إلى مكب النفايات.

حيث تظهر خيارات التصنيع في منتجات HDPE النهائية

إن قرارات المفاعل والمحفز التي تم اتخاذها قبل أشهر في مصنع للراتنجات هي في النهاية ما يحدد كيفية أداء منتج HDPE النهائي في الحقل. يربط التفصيل التالي أسواقًا نهائية محددة بخيارات الإنتاج التي تجعلها ممكنة.

أنابيب الضغط وتوزيع الغاز

تعتمد كل من أنابيب المياه البلدية وأنابيب توزيع الغاز الطبيعي على راتينج PE100 ثنائي النمط الذي يتم إنتاجه من خلال تقنية المفاعل الحلقي ثنائي المرحلة، لأن هذه التطبيقات تتطلب عقودًا من الخدمة الخالية من الشقوق في ظل ضغط داخلي مستمر وإجهاد التربة.

حاويات مصبوبة بالنفخ

تستخدم أباريق الحليب، وزجاجات المنظفات، والبراميل الصناعية راتينج توزيع الوزن الجزيئي واسع النطاق أحادي النمط من عمليات الملاط المحفز Ziegler-Natta أو عمليات الطور الغازي، والتي تم اختيارها لقوة ذوبان عالية تمنع البارسون الساخن من التخفيف بشكل غير متساو أثناء دورة النفخ.

الأغشية الأرضية والصفائح الهيكلية الكبيرة

تتطلب بطانات مدافن النفايات وبطانات البرك مقاومة عالية بشكل استثنائي للتشققات والإجهاد البيئي وصلابة للثقب، مما يدفع المنتجين نحو درجات البوليمر المشترك 1-هكسين أو 1-أوكتين مع كثافة يتم التحكم فيها بعناية بالقرب من الطرف الأدنى من نطاق HDPE.

تغليف الأسلاك والكابلات

تستخدم الاتصالات السلكية واللاسلكية وكابلات الطاقة تحت الأرض HDPE الذي يتم تقييمه لخصائص العزل الكهربائي ومقاومته لدخول الرطوبة، ويتم صياغته عادةً باستخدام أسود الكربون للحماية من الأشعة فوق البنفسجية أثناء فترة الخدمة الطويلة في الهواء الطلق أو المدفونة، على غرار ممارسة التركيب على مستوى الأنابيب.

إلى أين يتجه تصنيع HDPE بعد ذلك؟

تعمل العديد من التطورات على إعادة تشكيل كيفية إنتاج HDPE خلال السنوات القادمة. يتم دمج تكنولوجيا إعادة التدوير المتقدمة أو الكيميائية، التي تعمل على تحلل النفايات البلاستيكية بعد الاستهلاك مرة أخرى إلى زيت الانحلال الحراري أو الهيدروكربونات المستردة من مجموعة الإيثيلين، في قائمة المواد الأولية لبعض المنتجين بحيث يمكن للإيثيلين المعاد تدويره أن يدخل نفس المفرقعات البخارية المستخدمة في المواد الخام الأحفورية البكر، مما ينتج عنه HDPE متطابق كيميائيًا مع مطالبة موثقة بالمحتوى المعاد تدويره.

إن الإيثيلين الحيوي، الذي يتم إنتاجه عن طريق تجفيف الإيثانول المشتق من قصب السكر أو الكتلة الحيوية الأخرى، يستخدم بالفعل تجاريا على نطاق محدود لصنع ما تسميه الصناعة HDPE الأخضر أو ​​الحيوي، والذي يتطابق جزيئيا مع HDPE التقليدي ولكنه يحمل بصمة كربونية أقل مرتبطة بمصادر المواد الخام المتجددة. إن رقمنة التحكم في المفاعل، بما في ذلك برامج التحكم المتقدمة في العمليات وأجهزة الاستشعار المضمنة التي تقدر مؤشر الذوبان والكثافة في الوقت الفعلي تقريبًا بدلاً من انتظار الاختبارات المعملية، تعمل أيضًا على تقليل الإنتاج غير المواصفات ومساعدة المصانع على الانتقال بين الدرجات بشكل أسرع، مما يؤدي إلى تحسين الإنتاجية وكفاءة الطاقة عبر خط الإنتاج.

اعتبارات الاستدامة وإعادة التدوير في الإنتاج الحالي

يحمل HDPE رمز تعريف الراتنج رقم 2 وهو أحد أكثر أنواع البلاستيك المعاد تدويره على نطاق واسع لأن خصائص ذوبانه تصمد أمام إعادة المعالجة بشكل جيد نسبيًا مقارنة بالبوليمرات الأكثر حساسية للحرارة. تحولت استثمارات المنتجين مؤخرًا نحو تيارات إعادة التدوير الميكانيكية التي تمزج HDPE بعد الاستهلاك، بشكل أساسي من أباريق الحليب وزجاجات المنظفات، مرة أخرى إلى إمدادات الكريات الجديدة بنسب يمكن أن تصل إلى 25 إلى 100 بالمائة من المحتوى المعاد تدويره اعتمادًا على التطبيق.

إن إعادة التدوير الكيميائي، حيث يتم تفكيك HDPE مرة أخرى إلى الإيثيلين أو الهيدروكربونات ذات مجموعة النافثا من خلال الانحلال الحراري، تتوسع كطريق تكميلي للتيارات البلاستيكية الملوثة أو المختلطة التي لا تستطيع إعادة التدوير الميكانيكية التعامل معها اقتصاديًا. أعلن العديد من كبار منتجي الراتينج عن توسيع قدرات إعادة التدوير المتقدمة، مع حصة متزايدة من درجات HDPE الدائرية المعتمدة التي تدخل سلاسل توريد الأنابيب والتغليف والسيارات حيث يلتزم أصحاب العلامات التجارية بأهداف المحتوى المعاد تدويره.

الأسئلة المتداولة

ما هي المواد الخام المصنوعة من HDPE؟

يتم تصنيع HDPE من غاز الإيثيلين، المشتق من تكسير سوائل الغاز الطبيعي بالبخار مثل الإيثان أو النافتا من تكرير النفط الخام.

ما المحفز المستخدم لصنع HDPE؟

يستخدم المنتجون محفزات زيجلر-ناتا، أو محفزات أكسيد الكروم من فيليبس، أو محفزات الميتالوسين، مع الاختيار الذي يؤثر على توزيع الوزن الجزيئي، والتحكم في الكثافة، والتطبيق النهائي الذي تم تصميم الراتينج من أجله.

هل إنتاج HDPE تفاعل كيميائي؟

نعم. يتشكل HDPE من خلال البلمرة التنسيقية، حيث يفتح المحفز الرابطة المزدوجة بين الكربون والكربون في كل مونومر إيثيلين ويضيفها إلى سلسلة بوليمر متنامية، وهي آلية مختلفة جوهريًا عن تفاعل التكثيف المستخدم لصنع مادة البولي أميد 66.

ما هو الفرق بين تصنيع HDPE و LDPE؟

يتم إنتاج البولي إثيلين المنخفض الكثافة (LDPE) من خلال بلمرة الجذور الحرة عند ضغط مرتفع جدًا، غالبًا ما يزيد عن 1500 بار، مما يؤدي إلى إنشاء سلاسل متفرعة بشكل كبير. يتم إنتاج البولي إيثيلين عالي الكثافة (HDPE) عند ضغط أقل بكثير، عادة أقل من 50 بار، باستخدام محفز ينتج سلاسل مستقيمة ومتفرعة إلى الحد الأدنى.

هل يمكن معالجة HDPE وPolyamide 66 على نفس الجهاز؟

ليس عادة. يتطلب البولي أميد 66 درجات حرارة معالجة أعلى من 270 درجة مئوية ويجب تجفيفه مسبقًا بسبب طبيعته الاسترطابية، بينما يعالج البولي أميد HDPE أقل بكثير من 260 درجة مئوية ولا يتطلب التجفيف، لذلك يقوم معظم المصنعين بتشغيلها على معدات منفصلة ومخصصة.

ما المدة التي تستغرقها عملية إنتاج HDPE من الإيثيلين إلى الحبيبات؟

يتراوح وقت بقاء البلمرة من بضع دقائق في عمليات المحاليل إلى ساعة أو ساعتين في مفاعلات حلقة الملاط، مع وقت إضافي لتفريغ الغازات والتركيب والتكوير، وبذلك تصل الدورة الكاملة إلى عدة ساعات لكل دفعة إنتاج في مصنع مستمر.

لماذا HDPE مقاوم للمواد الكيميائية؟

إن بلورتها العالية وعمودها الفقري الهيدروكربوني غير القطبي لا يترك سوى مواقع قليلة للأحماض أو القواعد أو المذيبات للهجوم، ولهذا السبب تستخدم حاويات HDPE على نطاق واسع لتخزين المواد الكيميائية ونقلها.

ما هو HDPE ثنائي النسق ولماذا يهم لتطبيقات الأنابيب؟

يتم إنتاج Bimodal HDPE في مفاعلين متصلين على التوالي، ويجمع بين جزء منخفض الوزن الجزيئي لسهولة المعالجة مع جزء عالي الوزن الجزيئي للحصول على قوة طويلة المدى، ولهذا السبب يتم تصنيع جميع راتنجات أنابيب الضغط الحديثة تقريبًا بهذه الطريقة بدلاً من مفاعل واحد.

هل يؤدي إنتاج HDPE إلى انبعاثات خطيرة؟

تعمل مصانع HDPE الحديثة على استعادة وإعادة تدوير الإيثيلين غير المتفاعل والمواد المخففة بدلاً من تنفيسه، وتوجيه الغاز المتبقي من خلال الشعلات أو المؤكسدات الحرارية، مما يحافظ على انبعاثات المركبات العضوية المتطايرة أقل بكثير من المستويات المرتبطة بتصميمات المصانع القديمة والأقل تكاملاً.

كيف يتم دمج HDPE المعاد تدويره مرة أخرى في الإنتاج الجديد؟

يتم فرز HDPE بعد الاستهلاك، والذي يتم الحصول عليه غالبًا من أباريق الحليب وزجاجات المنظفات، وغسله، وإعادة معالجته ميكانيكيًا على شكل حبيبات، ثم يتم مزجه مع الراتنج البكر بنسب تتراوح من جزء صغير إلى محتوى معاد تدويره بالكامل اعتمادًا على متطلبات الخاصية الميكانيكية للمنتج النهائي.

ما الفرق بين HDPE وPolyamide 66 من حيث طريقة تصنيعهما؟

تم تصنيع البولي إيثيلين عالي الكثافة (HDPE) من خلال بلمرة إضافية لمونومر واحد، وهو الإيثيلين، باستخدام محفز معدني، في حين تم تصنيع مادة البولي أميد 66 من خلال بلمرة التكثيف لمونمرين مختلفين، هما سداسي ميثيلين ديامين وحمض الأديبيك، اللذين يطلقان الماء كمنتج ثانوي ويتطلبان تصميمًا مختلفًا تمامًا للمفاعل واستراتيجية التحكم في العملية.

لماذا تستخدم بعض درجات HDPE غاز الهيدروجين أثناء الإنتاج؟

يعمل الهيدروجين كعامل نقل سلسلة ينهي سلسلة البوليمر المتنامية في وقت أبكر مما ينبغي، مما يمنح المنتجين تحكمًا دقيقًا في متوسط ​​الوزن الجزيئي، وبالتالي مؤشر تدفق الذوبان للراتنج النهائي.

هل يمكن لتصنيع HDPE إنتاج ألوان ودرجات مختلفة من مصنع واحد؟

نعم. ينتج مفاعل البلمرة الأساسي عادةً راتنجًا طبيعيًا غير ملون، ويتم إدخال الملونات وأسود الكربون والمواد المضافة الأخرى في اتجاه مجرى النهر أثناء التركيب والبثق، مما يسمح لمجموعة مفاعل واحدة بتزويد العديد من الدرجات والألوان النهائية المختلفة من عمود فقري بوليمر واحد.

السابق:كيف يعمل صب الحقن؟ دليل العمليات والموادالتالي:كيف يتم تحضير النايلون؟ شرح عملية إنتاج النايلون 66

المنتجات الساخنة