CC BY
93
УДК 691.175.5/.8
Зиле Е.А., Белозерский А.Ю., Савинков С.В.
ПРОИЗВОДСТВО ПОЛИЭТИЛЕНА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ИЗ ПЛАСТИКОВЫХ ОТХОДОВ
Зиле Елизавета Андресовна, студентка 4 курса факультета цифровых технологий и химического инжиниринга, email: elzile25@gmail.com;
Белозерский Андрей Юрьевич, д.э.н., профессор кафедры логистики и экономической информатики. Савинков Сергей Валериевич, к.т.н., доцент кафедры логистики и экономической информатики. Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская площадь, д. 9
В настоящей работе проанализирована технологическая схема производства полиэтилена высокого давления из пластиковых отходов. Данный метод является новым подходом к решению экологической проблемы загрязнения планеты мусором и его утилизацией. Технологическая система относится к ряду инновационных, так как из мусора предлагается получать синтез-газ, путем ферментирования с помощью бактерий синтезировать этанол, дегидратировать его, получая этилен, на конечном этапе синтезировать полиэтилен реакцией полимеризации в трубчатом реакторе.
Ключевые слова: полиэтилен высокого давления, отходы, ферментация, трубчатый реактор, органические пероксиды, бактерии, экономика замкнутого цикла.
HIGH PRESSURE POLYETHYLENE PRODUCTION FROM PLASTIC WASTE
Zile Elizaveta Andresovna, Belozersky Andrey Yuryevich, Savinkov Sergey Valerievich D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
In the present work, the technological scheme of the production of high-pressure polyethylene from plastic waste is analyzed. This method is a new approach to solving the environmental problem ofpollution of the planet with garbage and its disposal. The technological system belongs to a number of innovative ones, since it is proposed to produce synthesis gas from garbage, synthesize ethanol using fermentation using bacteria, dehydrate it to obtain ethylene, and, at the final stage, synthesize polyethylene by a polymerization reaction in a tubular reactor.
Key words: high pressure polyethylene, waste, fermentation, tubular reactor, organic peroxides, bacteria, circular economy.
Полиэтилен высокого давления (ПЭВД) является одним из крупнотоннажных по производству полимеров в мире. Его применяют для изготовления продукции технического и хозяйственного назначения, пленок, изолирующих материалов. Он обладает такими свойствами как эластичность, упругость, пластичность, что объясняется его сильно разветвленной молекулярной структурой.
На сегодняшний день ПЭВД производят в трубчатых реакторах при повышенном давлении. Такой реактор является аппаратом типа «труба в трубе» (модель идеального вытеснения), где по внутренним трубам проходит сырье, а по внешним -горячий теплоноситель, в качестве него используется перегретая вода. В качестве сырья используется этилен (чистота 99,9% [1]) и различные инициаторы, например, кислород, пероксиды. Синтез происходит по реакции (1) свободнорадикальной полимеризации этилена. Режим: температура 200-320 °С, давление 150-350 МПа [1].
п СН2=СН2 = (-СН2-СН2-)п - АН (1) Технология (рис. 1) делится на 5 стадий: 1. Смешение этилена с возвратным газом и кислородом. Газовая смесь этилена и кислорода образуется при взаимодействии свежего этилена из хранилища 1 и возвратного этилена из отделителя низкого давления 8, которые подаются в смеситель 2, куда поступает молекулярный кислород.
2. Двухстадийное сжатие газовой смеси. Данная газовая смесь сжимается в компрессоре первого каскада 3, смешивается в смесителе 4 с возвратным этиленом из отделителя высокого давления 7 и сжимается в компрессоре второго каскада 5 до давления 150 - 300 МПа.
3. Полимеризация этилена. Газовая смесь этилена высокого давления подаётся в трубчатый реактор полимеризации 6. У этого реактора имеется три зоны: первая — зона подогрева этилена от 70 до 180 °С, вторая — зона дополнительного подогрева и полимеризации и третья — зона охлаждения. Для нагревания этилена и отвода избыточного тепла используют перегретую воду с температурой 190 °С для первой зоны, 225 °С для второй зоны и 200 °С для третьей зоны. Необходимо отметить, что для повышения степени конверсии дополнительно вводится сжатый этилен во вторую зону данного реактора, благодаря чему в разы увеличивается производительность установки.
4. Разделение полимера и непрореагировавшего этилена. Из реактора полиэтилен вместе с непрореагировавшим этиленом под давлением 25 МПа поступает в отделитель высокого давления 7, где происходит разделение за счет разности плотностей этилена и полиэтилена. Непрореагировавший этилен из отделителя высокого давления поступает в систему охлаждения
(холодильник 11) и направляется в смеситель 4. Из холодильника производится отвод выпадающего воскового масла. Расплав полиэтилена из отделителя 7 подаётся в отделитель низкого давления 8, в котором под давлением 1522 Па отделяется остаток. После охлаждения в холодильнике 14 остаточный этилен поступает на смешение со свежим этиленом на первую стадию. Из второго холодильника также производится отвод воскового масла, которое поступает в дальнейшем на утилизацию или используется для нагрева реактора. 5. Грануляция полимера. Грануляция расплава полиэтилена происходит следующим образом. Он
поступает в гранулятор 9, где продавливается через фильтры, режется и в виде гранул поступает на дальнейшие стадии переработки.
В целях борьбы за экологию, и учитывая колоссальное количество неутилизируемого пластикового мусора, была разработана технологическая схема производства ПЭВД из отходов различных пластиков (рис.2). Такой метод является новым подходом к решению экологических проблем, связанных с управлением и утилизацией отходов. Преимуществом данного метода является то, что в качестве сырья используются неподлежащие вторичной переработке отходы.
Рис. 1. Принципиальная технологическая схема производства ПЭВД
Рис. 2. Принципиальная технологическая схема производства ПЭВД из отходов
Технологический процесс делится на пять этапов:
1. Блок газификации. На этом этапе поступающие отходы подвергаются термическому преобразованию в синтез-газ. В реактор подается сырье, кислород, смесь нагревается до 1000 °C [2]. После проведения реакций смесь подвергается ряду этапов очистки, на выходе синтез-газ поступает в хранилище при температуре 30 °C.
2. Блок очистки синтез-газа. Газ сжимается до 16 бар, нагревается до 180 °C, далее он поступает в реактор гидролиза, куда параллельно вводится пар среднего давления, чтобы преобразовать побочное вещество COS в H2S и CO2 по реакции (2) [2]. Сульфид серы удаляется с помощью окислительно-восстановительной реакции, превращаясь в серу, которая впоследствии удаляется в адсорбционной башне.
COS + H2O = H2S + CO2 (2)
3. Блок ферментации. Подаваемый в реактор ферментации синтез-газ (CO и H2) является субстратом для микробного метаболизма. Именно анаэробные ацетогенные бактерии рода Clostridium являются катализатором реакции синтеза этанола [2]. Получившуюся после реакции смесь подвергается разделению на продукт и побочные продукты. Этанол отправляется в хранилище, побочные продукты отправляются в печь блока газификации, чтобы уменьшить потребности в энергии.
4. Блок производства и очистки этилена. Этилен получается из спирта по реакции дегидратации (3). Смесь этанола и воды сжимается, поступает на каскад из трех реакторов дегидратации. Используемый для реакции катализатор Al2O3 способствует проведению и других побочных реакций (4)-(7). Удаляются остатки воды и этанола в отделителях вспышки и ректификационных колонных. После того, как продукт прошел каскад очистительных установок, чистота этилена устанавливается на значении 99,96% [2].
C2H5OH = C2H4 + H2O (3) 2 C2H5OH = (C2H5)2O + H2O (4)
C2H5OH = CH3COH + H2 (5) C2H5OH + 2H2 = 2CH4 + H2O (6) C2H5OH + H2 = C2H6 + H2O (7)
5. Блок производства ПЭВД. Производство ПЭВД соответствует описанному выше. Уточнением является то, что в качестве инициаторов предлагается использовать смесь органических
пероксидов, которые дают больший выход продукта. Очищенный от примесей ПЭВД далее поступает на экструзию, где применяется введение различных добавок для улучшения физико-химических свойств.
Пластический мусор содержит 47,3% масс. углерода, 7,1% масс. водорода, 0,4% масс. азота, 14% масс. кислорода, 1,5 % масс. хлора, 9% масс. воды и 20,5% масс. золы [2].
Смесь газов после блока газификации содержит 41,7% мол. водорода, 43,66% мол. CO, 5,64% мол. CO2, 4,39% мол. азота, 4,03% мол. воды [2].
Использование отходов в химической промышленности, а не утилизация их на мусоросжигательных заводах является грамотным подходом для устойчивого развития. Данная технология отличается более низкими показателями выбросов CO2 в атмосферу из-за углеродного закрепления в продуктах. Замена углеводородного сырья в виде этилена на отходы является более экологичным подходом. Такая система производит 0,24 тонны ПЭВД на одну тонну отходов, этанола -
0.41.на одну тонну отходов [2]. Сам этанол может использоваться как готовый продукт, так и как полусырье для дальнейших органических синтезов.
Газификация отходов является очень выгодным мероприятием, ведь именно в данном случае выходная газовая смесь содержит большое количество синтез-газа. Его можно применять не только для дальнейшего синтеза этанола, но и для синтеза метанола, аммиака и различных синтезов по Фишеру-Тропшу.
С экономической точки зрения именно на таких химико-технологических системах (ХТС) не происходит трата средств на закупку сырья, так как производству еще и платят за приемку пластиковых отходов. Подобные ХТС отвечают стандартам экономики замкнутого цикла, поскольку они используют отходы, сокращая углеводный след при производстве различных полимеров.
Список литературы
1. А.В. Поляков, Ф.И. Дунтов, А.Э. Софиев и др. Полиэтилен высокого давления. Научно-технические основы промышленного синтеза - Л.: Химия, 1988. -200 с.
2. Claudia S., Gaetano I., Annarita S. Production of low-density poly-ethylene (LDPE) from chemical recycling of plastic waste: Process analysis, Journal of Cleaner Production, 2020
