§ 10. Полимеризация этилена

Рабочий газ, содержащий модификатор (пропан) и инициатор (кислород), сжатый компрессором до давления (2300-2950) кгс/см² (230-295 МПа), двумя потоками ("горячий" и "холодный") поступает через буферные емкости на полимеризацию.

Обе буферные емкости соединены друг с другом с целью выравнивания давления нагнетания 2-ой ступени компрессора и для изменения соотношения между "горячим" и "холодным" потоками.

"Горячий поток" поступает в теплообменник типа "труба в трубе", так называемую зону подогрева, где нагревается до температуры инициирования реакции полимеризации (170-200) °С.

Для разогрева этилена в теплообменник – подогреватель подается перегретая вода из второго контура зоны реакции с температурой 245⁰С. Подача воды ведется противотоком. После подогревателя вода возвращается на станцию горячей воды в емкость зоны реакции.

Поскольку температура начала реакции 180º С достигается уже в подогревателе и "вялотекущая" полимеризация начинается в 50 метрах от входа в подогреватель. Для контроля за началом реакции и для гарантированного управления технологическим процессом через каждые 50 метров установлены термопары температурного контроля.

Нагретый газ из теплообменника поступает в реактор трубчатого типа, который подразделяется на зону реакции и зону охлаждения. Зона реакции в свою очередь подразделяется на 4 зоны, в зависимости от распределения перегретой воды, циркулирующей в рубашке реактора. Перегретая вода в зонах реакции и охлаждения циркулирует в рубашке противотоком и подается отдельными контурами со станции горячей воды.

Перегретая вода контура зоны реакции перед реактором разделяется на два потока и поступает в рубашки 2, 3 секторов зоны реакции.

Вода из третьего сектора зоны реакции направляется в рубашку первого сектора, а выходящая вода из второго сектора поступает в рубашку подогревателя, четвертый сектор зоны реакции подключен к зоне охлаждения.

Полимеризация этилена является экзотермическим процессом, при получении 1 кг полиэтилена выделяется около 800 ккал. тепла. Часть тепла снимается горячей водой путем теплопередачи через стенку реактора. С целью увеличения степени превращения этилена в полиэтилен (конверсии) другая часть тепла снимается введением холодного этилена в разных точках по длине реактора.

"Холодный" поток этилена после компрессора 2-ого каскада поступает в теплообменник типа " труба в трубе", где охлаждается оборотной водой до температуры (20-50) °С и подаётся в реактор тремя регулируемыми боковыми вводами.

Реакция полимеризации протекает в реакторе при давлении до 2300-2900 кгс/см² (230-290 МПа) и температуре до 295 °С. Давление по длине реактора замеряется тензометрическими датчиками.

В данной работе представлено оборудование для производства полиэтилена высокого давления (низкой плотности), метод которой основан на полимеризации этилена в трубчатом реакторе при давлении до 2500 кгс/см (250 МПа) и температурах до 295°С с применением кислорода в качестве инициатора реакции полимеризации.

Реактор - аппарат, в котором протекает процесс полимеризации этилена,- бывает двух типов: трубчатый и автоклавный с перемешивающим устройством.

Трубчатый реактор состоит из прямых отрезков труб, соединенных между собой калачами (коленами). Трубы и калачи изготовляются из специальных высококачественных, жароупорных сталей и оборудованы рубашками для циркуляции воды. Рубашки соединены между собой последовательно. Длина реактора и диаметр труб могут быть разными. В частности, в промышленности действуют реакторы, имеющие длину 350 м при диаметре труб 0,034 м, т. е. отношение диаметра к длине 1:10 000. Количество тепла, которое можно отвести при помощи рубашки, сравнительно невелико, так как коэффициент теплопередачи мал вследствие большой толщины стенок реактора. Поверхность реактора лимитируется конструктивными размерами.

Давление в реакторе регулируется главным регулятором РIRCASД 501, который управляет клапаном Рv501, находящимся на выходе из реактора.

Температура в реакторе замеряется в 48 точках.

Конверсия этилена определяется технологическими параметрами процесса и варьирует в пределах (13-22) %. Образовавшийся полиэтилен в смеси с непрореагировавшим этиленом проходит через зону охлаждения реактора и через клапан Рv 501 дросселируется до давления 325 кгс/см² (32,5 МПа), а затем поступает в отделитель высокого давления (ОВД), где происходит отделение полиэтилена от непрореагированного газа.

В случаях нарушения технологического режима или сбоя в работе систем автоматического регулирования возможно возникновение процесса разложения полиэтилена в реакторе или ОВД. При этом полиэтилен разлагается на следующие компоненты:

С₂Н₄ → СН₄ + С

С₂Н₄ → 2С + 2Н₂

Эти реакции протекают с большими скоростями и сопровождаются резким завышением температуры и давления в аппаратах. Поэтому для защиты реактора и ОВД от разложений предусмотрена система блокировок (аварийные программы) - А-1 по ОВД; А-II; А-III; Д - по реактору, которые срабатывают при завышении параметров процесса выше допустимых. При этом процесс полимеризации прекращается и содержимое реактора и ОВД через аварийные клапаны сбрасывается в факельную систему.

Факельная система разделяется на системы высокого и низкого давлений. Факельная система предназначена для сброса газа при срабатывании аварийных программ, а также для сброса газа при продувках аппаратов и трубопроводов во время подготовки оборудования к пуску и останову на ремонт.

Факельная система высокого давления для каждой технологической нитки включает в себя: факельные трубопроводы, факельные горшки, факельный коллектор  700 мм с отсекающей электрозадвижкой, позволяющей отсекать факельную систему одной нитки от другой при ремонте.

После электрозадвижек оба коллектора  700 мм объединяются в один  1020 мм, протяженностью 2600 м до факельного ствола. Коллектор  1020 мм переходит в  400 мм на расстоянии 50 м от факельного ствола. С целью поддержания в факельном трубопроводе постоянного избыточного давления и ликвидации возможного образования вакуума предусмотрена подача этана в коллектор  1020. Количество подаваемого этана регулируется, в зависимости от количества сдувок этилена с каждой нитки, регулятором расхода с записью показаний на ИВС по низкому расходу. Этан подается из этанопровода предприятия.

Кроме того, при снижении расхода продувочных газов ниже 300 кг/ч в факельный коллектор предусмотрена автоматическая подача азота. В случае понижения избыточного давления в факельном трубопроводе ниже 15 мм вод. ст. (150 Па) или завышения давления выше 1,0 кгс/см² (0,1 МПа) на щите управления срабатывают звуковая и световая сигнализации.

На расстоянии 5 м от факельного ствола в коллектор высокого давления  400 мм врезается факельный коллектор низкого давления  200 мм.

Факельная система низкого давления представляет собой разветвленную сеть трубопроводов от отсекающей арматуры на оборудовании до общего факельного коллектора низкого давления  200 мм протяженностью 2600 м. Факельный коллектор низкого давления используется для опорожнения и продувок системы через ручные вентили, а также в него направляются выбросы с предохранительного клапана на буферной емкости. Факельная установка предназначена для сжигания технологических сбросов и служит для защиты атмосферы предприятия и окружающей территории.