Tiểu luận công nghệ tổng hợp hợp chất trung gian Đề tài sản xuất hdpe

Tổng hợp hóa dầu chính là một ngành công nghiệp sản xuất ra các vật liệu Polymerbằng cách sử dụng các nguồn nguyên liệu từ than đá, dầu thô và khí thiên nhiên.. - Ngành y tế cũng tích cự

Cấu trúc HDPE

Hình 1 Cấu trúc của HDPE [5]

HDPE là một polyme được tổng hợp từ etylen, có cấu trúc mạch thẳng, rất ít mạch nhánh,chỉ có 0,5-3 nhánh metyl trên 1000 nguyên tử Cacbon.

Tính chất vật lý

HDPE có tỷ trọng d = 0,940-0.965 (g/cm 3 ), khối lượng mol MW = 10 3 – 10 7 (g/mol), độ tinh thể 55-95%, nhiệt độ nóng chảy 125 – 145 o C

Không dẫn điện, không dẫn nhiệt, thích hợp sản xuất các loại vật liệu cách điện, chai, thùng chứa, dây thừng,…

Tính chất hóa học

Phân tử HDPE không phân cực, khiến nó không hòa tan trong nước và các dung môi như ancol no, glyxerin, aceton ngay cả ở nhiệt độ cao Nó cũng hòa tan kém trong toluen, xylen và dầu khoáng Đặc biệt, HDPE có cấu trúc cacbon bão hòa, do đó tính chất hóa học của nó tương đồng với parafin.

 Thế halogen, thế các tác nhân khác (HNO3, H2SO4)

 Oxi hóa hoàn toàn và không hoàn toàn

Cấu trúc tinh thể của HDPE cho phép nó đạt được tỷ trọng cao, với độ tinh thể càng lớn thì tỷ trọng càng cao, dẫn đến tính chất hóa học ổn định hơn.

2 ỨNG DỤNG VÀ TÌNH HÌNH SẢN XUẤT, PHÁT TRIỂN

Ứng dụng thực tế của nhựa HDPE

HDPE (Polyethylene mật độ cao) sở hữu nhiều tính chất cơ lý vượt trội và đặc tính hữu ích, giúp nó trở thành vật liệu có tính ứng dụng cao trong thực tiễn.

 Làm các dụng cụ trong sinh hoạt hằng ngày như: thớt, kệ, đem lót, tấm lót sàn…

 Sử dụng trong ứng dụng đóng gói bao gồm thùng, khay, các loại chai nhựa, nắp đóng gói thực phẩm.

 Làm ống dẫn tưới tiêu trong nông nghiệp.

 Làm các loại đồ chơi cho trẻ em vì nó không độc hại và khả năng chống được tia cực tím.

 Nhờ độ bền kéo cao, HDPE được sử dụng rộng rãi trong dây thừng, lưới đánh cá, lưới dùng trong công nghiệp, vải công nghiệp và trang trí,…

 Dùng làm ống cấp thoát nước thải tại các khu đô thị và công nghiệp

 Ống nhựa xoắn HDPE là vật liệu để bảo vệ cáp điện và cáp viễn thông.

 Ống nhựa HDPE dung trong công nghiệp khí và gas.

 Thùng HDPE dung để chứa hóa chất nhờ tính kháng dung môi cao.

- Ngành y tế cũng tích cực ứng dụng vật liệu này để làm quần áo y tế dùng một lần từ nhựa HDPE.

Hạt nhựa HDPE không chỉ được ứng dụng rộng rãi trong đời sống và công nghiệp mà còn đóng vai trò quan trọng như phụ gia trong sản xuất chất hóa học Loại nhựa này thường được sử dụng để tạo ra các hạt hút ẩm, hạt giống tạo màu, chất độn, hạt tăng giai và chất chống tia cực tím, góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm.

Ưu và nhược điểm của HDPE

- Ưu điểm nổi trội của nhựa HDPE:

Nhựa HDPE có ưu điểm nổi bật là khả năng tái chế kết hợp với các hợp chất khác, giúp giảm thiểu lượng chất thải nhựa ra môi trường Điều này không chỉ góp phần bảo vệ môi trường mà còn tiết kiệm đến 50% chi phí sản xuất nhựa hàng năm.

 Khả năng chống va đập của HDPE gần như đứng đầu trong các loại nhựa hóa học.

 Mặc dù sở hữu khối lượng khá nhẹ nhưng sức bền của HDPE có thể chịu được sự tác động từ trọng lực khá lớn.

 Chịu được các hóa chất mạnh, không bị ăn mòn, có khả năng chống nấm mốc, côn trùng hay các loại gặm nhấm phá hoại.

 Độ linh hoặc dẻo dai cao cho phép tạo thành nhiều hình dạng khác nhau theo ý muốn của người tiêu dùng

 Khả năng chống cháy cực cao, có thể chịu đựng ở nhiệt độ lên đến 327 o C (gấp

2 lần so với các vật liệu thông thường khác).

 Giá thành của nhựa HDPE được đánh giá là cực rẻ vì thế nó sở hữu tính ứng dụng cao

- Nhược điểm của nhựa HDPE

 Khi nhiệt độ thay đổi đột ngột, các liên kết bền trong nhựa sẽ bị phá vỡ và dẫn đến tình trạng bị nứt.

 Độ bóng thấp vì thế khi có sự va chạm, nhựa HDPE sẽ bị sướt

 Khi vượt quá ngưỡng chịu nhiệt, nhựa HDPE bắt đầu nóng chảy và tạo mùi hôi khó chịu.

Tình hình sản xuất

Nhựa HDPE chiếm 17% thị phần nhựa theo khối lượng

Hình 2 Thị phần nhựa theo khối lượng

Theo thống kê trong giai đoạn từ 2016-2026, thị trường HDPE đạt 45 triệu tấn vào năm

2020 và tốc độ tăng trưởng kép hằng năm CAGR (Compounded annual growth rate) vào khoảng 5% [7]

Năm 2020, dịch Covid-19 đã gây ra tác động nghiêm trọng đến tốc độ tăng trưởng của HDPE, đặc biệt là trong ngành xây dựng, nơi tiêu thụ HDPE lớn nhưng lại bị đình trệ Mặc dù thương mại điện tử và nhu cầu về sản phẩm chăm sóc sức khỏe gia tăng, dẫn đến nhu cầu HDPE tăng cao, nhưng việc các nhà máy đóng cửa đã ảnh hưởng tiêu cực đến tổng tiêu thụ HDPE.

Khu vực Châu Á-Thái Bình Dương hiện đang dẫn đầu thế giới về thị trường HDPE, với tỷ trọng lớn và tốc độ tăng trưởng hàng năm (CAGR) ấn tượng Trung Quốc đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển mạnh mẽ này.

Hình 3 Tốc độ phát triển thị trường HDPE theo khu vực[12]

2.3.2.1 Sơ lược chuỗi giá trị ngành nhựa tại Việt Nam [7]

Ngành nhựa Việt Nam cũng như các quốc gia khác trên thế giới, bao gồm hai phần chính là thượng nguồn (Upstream) và hạ nguồn (Downstream)

Ngành nhựa bắt đầu từ các doanh nghiệp lọc hóa dầu và hóa chất, chuyên chuyển đổi nguyên liệu hóa thạch thành hạt nhựa nguyên liệu.

Hạ nguồn của ngành nhựa là quá trình mà các nhà sản xuất chuyển đổi hạt nhựa nguyên liệu thành các sản phẩm nhựa Ngành nhựa hạ nguồn có thể được phân chia thành bốn mảng chính: nhựa bao bì, nhựa xây dựng, nhựa dân dụng và nhựa kỹ thuật.

Thượng nguồn và hạ nguồn ngành nhựa phát triển không tương xứng – Nguyên liệu nhựa nguyên sinh phụ thuộc phần lớn vào nhập khẩu.

Từ năm 2010 đến 2017, năng lực sản xuất nguyên liệu nhựa nguyên sinh của ngành nhựa Việt Nam chỉ đáp ứng khoảng 20% nhu cầu của các nhà sản xuất hạ nguồn, mặc dù nhu cầu nguyên liệu nhựa trong nước tăng trưởng trung bình 10,8% mỗi năm Tăng trưởng cung nguyên liệu nhựa trong nước chỉ đạt 2,7%, cho thấy sự chênh lệch lớn giữa cung và cầu Nguyên nhân chính là do thượng nguồn ngành nhựa chưa phát triển đủ do thiếu vốn đầu tư, với yêu cầu vốn lớn trong cả đầu tư ban đầu và vốn lưu động trong quá trình vận hành.

Năm 2018, nguồn cung nguyên liệu nhựa nguyên sinh tại Việt Nam được cải thiện đáng kể nhờ vào sự hoạt động của nhà máy lọc hóa dầu Nghi Sơn, với sản phẩm chính là polypropylene (PP) và công suất thiết kế đạt 370.000 tấn/năm Điều này đã nâng tổng năng lực sản xuất nguyên liệu nhựa trong nước lên 1,1 triệu tấn/năm Tuy nhiên, nhu cầu nguyên liệu nhựa nguyên sinh trong năm 2018 ước tính đạt 6,3 triệu tấn/năm, do đó, nguồn cung từ nhà máy Nghi Sơn chỉ đáp ứng khoảng 18% nhu cầu tiêu thụ nội địa.

Trong giai đoạn 2017-2022, thị trường nguyên liệu nhựa tại Việt Nam đã có sự cải thiện đáng kể, mặc dù vẫn còn phụ thuộc nhiều vào nguồn nhập khẩu Dự báo nhu cầu nguyên liệu nhựa sẽ tăng trưởng trung bình 6,6% mỗi năm trong giai đoạn này Sự phát triển của các nhà máy hóa dầu trong tương lai có khả năng nâng cao năng lực sản xuất nguyên liệu nhựa trong nước.

Nguyên liệu nhựa nguyên sinh sản xuất kém đa dạng, các nhà máy hóa dầu tập trung tại phía Nam.

Hình 4 Cơ cấu nguyên liệu nhựa nguyên sinh sản xuất theo sản phẩm

Hiện nay, ngành nhựa Việt Nam chỉ sản xuất được 4 loại nguyên liệu chính là PVC, PP, PET và PS, trong đó PVC chiếm 51% năng lực sản xuất Đáng chú ý, hạ nguồn ngành nhựa hàng năm sử dụng tới 30 loại nguyên liệu nhựa nguyên sinh khác nhau, chủ yếu phụ thuộc vào nhập khẩu.

Mỗi năm, có 30 loại nguyên liệu nhựa nhập khẩu, trong đó PE là nguyên liệu quan trọng nhất PE không chỉ là loại nhựa phổ biến nhất trên thế giới mà còn là thành phần thiết yếu trong ngành nhựa bao bì tại Việt Nam Tuy nhiên, thượng nguồn ngành nhựa Việt Nam hiện chưa đủ khả năng sản xuất loại nguyên liệu này, điều này dẫn đến những tác động tiêu cực đối với lĩnh vực bao bì nhựa.

Nhập khẩu nguyên liệu nhựa của Việt Nam liên tục tăng

Khối lượng nguyên liệu nhựa nhập khẩu của ngành nhựa Việt Nam đã tăng trưởng liên tục từ năm 2011 đến 2017, với ước tính đạt 5 triệu tấn và giá trị lên tới 7,2 tỷ USD vào năm 2017 Tăng trưởng bình quân hàng năm của khối lượng và giá trị nguyên liệu nhập khẩu lần lượt đạt 11,5% và 7,8% Sự gia tăng này phản ánh việc ngành nhựa thượng nguồn chưa phát triển đủ để đáp ứng nhu cầu nhanh chóng của phân khúc hạ nguồn Dự báo, ngành nhựa Việt Nam sẽ tiếp tục phụ thuộc vào nguyên liệu nhập khẩu trong tương lai, do các dự án hóa dầu mới vẫn chưa đáp ứng đủ nhu cầu tiêu thụ trong nước.

PE là nguyên liệu được nhập khẩu nhiều nhất

Năm 2017, Việt Nam ước tính nhập khẩu 1,5 triệu tấn polyethylene (PE) với giá trị khoảng 1,9 tỷ USD, chiếm 31% về khối lượng và 26% về giá trị trong tổng cơ cấu nguyên liệu nhập khẩu của ngành nhựa Nguyên nhân chủ yếu là do ngành nhựa Việt Nam hiện chưa sản xuất được nguyên liệu PE, dẫn đến sự phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn nhập khẩu.

Nguyên liệu nhựa Việt Nam chủ yếu được nhập từ Ả rập xê út và Hàn Quốc

Nguyên liệu nhựa của Việt Nam chủ yếu được nhập khẩu từ các quốc gia trong khu vực Đông Á như Hàn Quốc, Trung Quốc và Nhật Bản để giảm thiểu chi phí vận chuyển Tuy nhiên, Ả Rập Xê Út cũng đóng góp một tỷ trọng lớn trong cơ cấu nguyên liệu nhập khẩu của Việt Nam, nhờ vào lợi thế về chi phí sản xuất polyethylene (PE) Điều này khiến Ả Rập Xê Út trở thành nguồn cung cấp chính cho lượng PE, loại nguyên liệu nhựa chiếm tỷ trọng lớn nhất trong tổng nhập khẩu của Việt Nam.

Tổ hợp hóa dầu Long Sơn sẽ là cơ sở sản xuất hạt nhựa HDPE đầu tiên tại Việt Nam, dự kiến đi vào hoạt động trong nửa đầu năm 2023.

Nhà máy Hóa dầu, một trong hai nhà máy vệ tinh quan trọng của nhà máy lọc dầu Long Sơn, có diện tích 250 ha và vốn đầu tư khoảng 1,6 tỷ USD Nhà máy sử dụng hai loại phụ phẩm etylen và potylen từ nhà máy lọc dầu làm nguyên liệu Công suất dự kiến của nhà máy đạt khoảng 950.000 tấn etylen, 400.000 tấn PP, 450.000 tấn HDPE và 500.000 tấn LDPE mỗi năm Công nghệ sản xuất HDPE áp dụng quy trình của Mitsui Chemical-CX.

Tổ hợp hóa dầu Long Sơn, khi hoàn thành, sẽ cung cấp khoảng 65% nhu cầu hạt nhựa PE, góp phần ổn định nguồn nguyên liệu cho ngành công nghiệp hóa dầu trong nước.

HDPE được sản xuất bằng phương pháp trùng hợp và đơn phân tử chính cấu tạo nên HDPE là Ethylene.

Figure 4: Các nguồn thu nhận olefin

Có thể thấy rằng, các nguồn để thu Ethylene trong công nghiệp chủ yếu là:

- Quá trình chuyển hóa Metanol (công nghệ MTO)

Sản xuất Etylene từ quá trình Steam cracking

Quá trình sản xuất ethylene sử dụng cracking nhiệt Sự chuyển hóa hóa của nguyên liệu dưới tác dụng của nhiệt là quá trình rất phức tạp.

Quá trình cracking nhiệt diễn ra theo cơ chế gốc tự do, tạo ra một lượng lớn etylen Sản phẩm thu được từ quá trình này ít nhánh và có ít khả năng phản ứng đồng phân hóa, đồng thời khó thu được sản phẩm vòng, điều này rất có lợi cho việc sản xuất etylen.

Nhiệt động học của quá trình

- Phản ứng cracking (cắt liên kết C-C) tạo thành một paraffin và một olefin

- Phản ứng dehydro hóa (cắt liên kết C-H) tạo thành olefin và hydro

Năng lượng liên kết của C-C là 345 kJ/mol, thấp hơn so với năng lượng liên kết của C-H là 413 kJ/mol Do đó, trong quá trình nhiệt phân các hydrocacbon no, phản ứng sẽ ưu tiên cắt đứt liên kết C-C trước.

Các phản ứng này có tính chất thu nhiệt mạnh và làm tăng thể tích, vì vậy chúng thích hợp với điều kiện nhiệt độ cao (cần cung cấp nhiệt cho phản ứng), áp suất thấp (để pha loãng bằng hơi nước) và thời gian phản ứng ngắn nhằm giảm thiểu các phản ứng phụ.

Phản ứng xảy ra theo cơ chế chuỗi gốc rất phức tạp Quá trình khơi mào xảy ra do quá trình cắt liên kết C-C tạo thành gốc tự do.

Sản xuất Etylene từ quá trình chuyển hóa Metanol (Công nghệ MTO)

Phản ứng tổng của quá trình: Methanol  Ethylene + Propylene + Nước

Cơ chế phản ứng bắt đầu bằng việc methanol bị tách nước, tạo ra hợp chất trung gian Di-Methyl Ether (DME), nằm trong trạng thái cân bằng với hỗn hợp DME – H2O trên chất xúc tác H-ZSM-5 hoặc SAPO-34 Tại vị trí tâm axit trung bình của xúc tác, hỗn hợp này sẽ được chuyển hóa thành các olefins nhẹ như ethylene và propylene, trong đó nước là sản phẩm phụ.

CH3OH + CH3OCH3 → Olefins nhẹ + H2O

Hiện nay, một số hãng hàng đầu trong phát triển công nghệ MTO bao gồm Exxon Mobil, DICP với công nghệ DMTO, Honeywell UOP và Sinopec Đặc biệt, công nghệ UOP đang được sử dụng phổ biến nhất trên toàn cầu.

4 HÓA HỌC CỦA QUÁ TRÌNH

Phản ứng polyme hóa

Phản ứng tỏa nhiệt mạnh cần được kiểm soát nhiệt độ để ngăn ngừa các phản ứng phụ, như sự phân hủy etilen (phản ứng thu nhiệt) dẫn đến việc tạo ra cacbon, metan và hydro.

Xúc tác

Xúc tác Chromox Fillips (CrO x /SiO 2 /Al 2 O 3 )

Xúc tác được tổng hợp bằng cách ngâm tẩm Crom oxit lên Silica-Alumina và nung trong không khí khô ở nhiệt độ từ 400 đến 800 độ C, tạo ra chất tiền xúc tác Các chất này có thể được khử bằng CO để đạt trạng thái hoạt động, do đó xúc tác này được gọi là "Chromox" (CrOx) với hoạt tính cao và đã được cấp phép bởi hãng Philips.

Chất xúc tác này dễ mất hoạt tính với không khí, độ ẩm và các chất phân cực.

Hình 5: Quá trình hình thành xúc tác Crom oixit và polyme hóa

Xúc tác Ziegler-Natta: TiCl 4 /(Al(C 2 H 5 ) 3 )

Cơ chế chuỗi gốc: 3 giai đoạn (khơi mào, phát triển mạch, tắt mạch), ngoài ra có thêm giai đoạn hoạt hóa xúc tác ban đầu [5]

Hợp chất Titanium Chlorid có cấu trúc tinh thể với nguyên tử trung tâm Ti có khả năng liên kết tối đa với 6 phối trí Trong trạng thái ban đầu, Ti có 5 phối trí và 1 AO trống Khi tương tác với AlEt3, gốc Et- của AlEt3 tấn công vào vị trí AO trống, đồng thời ion Cl- của Titanium Chlorid tách ra và tương tác với Al3+, dẫn đến sự hình thành ClAlEt2, trong khi hợp chất Titanium vẫn giữ lại 1 AO trống.

Eitylen, với liên kết pi giàu mật độ điện tử, sẽ tương tác với AO trống của phức Titan, dẫn đến sự hình thành liên kết Ti-C Khi các điện tử trên liên kết π được sử dụng để tạo thành liên kết, liên kết π sẽ chuyển đổi thành liên kết σ.

Gốc Et - chuyển dịch lại vị trí C của etilen vừa tham gia liên kết, tạo -CH2-CH2-C2H5 Phức Titan lúc này lại có 1AO trống

Tiếp tục lại có các phân tử Etylen tấn công vào AO trống, lặp lại quy trình trên, tạo thành Polyetylen mạch dài hơn.

Giai đoạn phát triển mạch tiếp tục cho đến khi thu được sản phẩm HDPE có cấu trúc, tỷ trọng mong muốn thì dừng lại.

Các giai đoạn trên được tổng hợp lại trên hình sau:

Hình 5 Hoạt hóa xúc tác Ziegler-Natta và phản ứng Polyme hóa

Xúc tác Metallonce

Cấu trúc của xúc tác

Trong đó, M= Ti (Titanium), Zr (Zirconium), hoặc Hf (Hafnium).

Xúc tác phức Zr được ưa chuộng nhờ vào tính ổn định và hoạt tính cao ở nhiệt độ cao, vượt trội hơn so với Ti và Hf Các phức có phối trí X là halogen thường thể hiện hoạt tính cao hơn so với alkyl, đặc biệt là -CH3 Thay đổi vị trí các ligan cyclopentadienyl có thể dẫn đến sự cải thiện đáng kể trong hoạt tính của xúc tác.

Có tới 10.000 loại cấu trúc xúc tác Metallonce, và việc kiểm soát cấu trúc xúc tác cho phép điều khiển và dự đoán phân tử khối (MW) cũng như các tính chất cơ nhiệt của polymer thu được.

Xúc tác có thể hoạt động trong cả phản ứng đồng thể và dị thể Với khả năng hòa tan trong hydrocacbon, hoạt tính của xúc tác trong phản ứng đồng thể cao gấp nhiều lần.

10000 lần sao với xúc tác ZN dị thể Hoạt tính của xúc tác Zr khi có mặt MAO(metallocene/methylaluminoxane) có thể lên đến 40000 (kgPE/gZr.h).

MAO được hình thành bằng cách thủy phân một phần TMA( Trimetylaluminium) Phản ứng tỏa nhiệt mạnh

Cơ chế chuỗi gốc: 3 giai đoạn (khơi mào, phát triển mạch, tắt mạch), ngoài ra có thêm giai đoạn hoạt hóa xúc tác ban đầu.

Figure 6: Hoạt hóa xúc tác Metallonce

Gốc Me trong MAO sẽ tấn công, thay thế từng gốc Cl - bằng Me trong phức xúc tác Sau đó 1 gốc Me bị tách ra, tạo 1 AO trống.

Etilen, với liên kết đôi và mật độ điện tử cao, sẽ tấn công vào vị trí orbital nguyên tử trống Các điện tử từ liên kết π sẽ tham gia vào việc hình thành liên kết M-C, dẫn đến việc chuyển đổi từ liên kết đôi sang liên kết đơn Kết quả là, gốc Me sẽ dịch chuyển đến vị trí carbon của etilen, tạo ra một orbital nguyên tử trống mới.

Tiếp tục các phân tử Etilen lại tương tác vào AO trống, tạo polyme mạch dài hơn.

Phản ứng cho đến khi đạt được cấu trúc, MW yêu cầu.

Tổng hợp giai đoạn hoạt hóa xúc tác và cơ chế phản ứng

Nhu cầu xúc tác

Theo thống kê toàn cầu năm 2007, nhu cầu xúc tác cho quá trình sản xuất HDPE chiếm tỷ lệ lớn nhất, lên tới 53% trong phân loại theo sản phẩm hình thành.

Theo báo cáo của “industryARC”, xúc tác Ziegler-Natta chiếm 44% thị trường xúc tác vào năm 2021 và là loại xúc tác phổ biến nhất trong sản xuất HDPE và LLDPE, hai sản phẩm này chiếm 80% tổng sản phẩm polyetilen Xúc tác metallocene đứng thứ hai trong việc sản xuất LLDPE và HDPE Dự báo trong tương lai, xúc tác Ziegler-Natta sẽ tiếp tục tăng trưởng, thúc đẩy thị trường xúc tác polyethylene nhờ khả năng tạo ra các polyme đa dạng với phân tử khối khác nhau.

Phản ứng tổng hợp polyethylene (PEs), đặc biệt là HDPE, bao gồm hai loại: phản ứng xúc tác đồng thể và dị thể Trong phản ứng xúc tác dị thể, HDPE được hình thành dưới dạng hạt ở nhiệt độ dưới điểm nóng chảy, có thể phân bố trong pha lỏng hoặc pha khí Khi ở pha lỏng, quá trình tạo huyền phù diễn ra trong thiết bị Slurry loop reactor, trong khi ở pha khí, các hạt rắn được thổi mạnh trong thiết bị tầng sôi, tạo ra trạng thái giả sôi Đối với phản ứng xúc tác đồng thể, quá trình diễn ra trong thiết bị thùng khuấy, cho phép phản ứng trong nhiều thiết bị liên tiếp nhằm kiểm soát nhiệt độ, tăng độ chuyển hóa và đạt được PEs với các đặc tính mong muốn.

Hình 7 Thiết bị phản ứng vòng loop

Áp suất thiết bị p < 600 psi, t < 120 o C, đường kính 1,5-2 ft, chiều dài 300-500 ft Thời gian lưu 7000 ft 3 , thời gian lưu < 3h

Hình 9 Thiết bị phản ứng CSTR – dung môi propylen

Hình 10 Hệ thiết bị phản ứng CSTR nối tiếp

Áp suất thiết bị 30-100 atm, thời gian lưu 5-10 phút

Các thiết bị phản ứng xúc tác dị thể như vòng loop và tầng sôi dễ dàng tách PEs sau phản ứng, nhưng có độ chuyển hóa thấp trong một chu kỳ, đòi hỏi phải khuấy trộn mạnh mẽ và tuần hoàn, dẫn đến thời gian lưu lớn Ngược lại, thiết bị phản ứng xúc tác đồng thể cho phép chuyển hóa dễ dàng hơn, giảm thời gian lưu và nâng cao năng suất Tuy nhiên, quá trình tách và tinh chế sản phẩm trong CSTR lại phức tạp và tốn kém hơn.

Công nghệ Borstar

Phạm vi áp dụng: sản xuất LLDPE, MDPE, HDPE

Công nghệ này được thương mại hóa lần đầu tiên tại Phần Lan vào năm 1995, sử dụng thiết bị phản ứng vòng loop và thiết bị phản ứng pha khí Sản phẩm PEs thu được có khối lượng riêng từ 918 đến 970 kg/m³ và chỉ số nóng chảy MF nằm trong khoảng từ 0,1 đến 100.

Xúc tác được trộn với propan lỏng và đưa vào thiết bị polyme hóa sơ cấp Sau đó, hỗn hợp này sẽ được chuyển vào thiết bị phản ứng vòng loop cùng với etilen và hydro, nơi mà quá trình tuần hoàn diễn ra nhiều lần Quá trình này giúp tăng độ chuyển hóa và tạo ra polyme có tỷ trọng lớn Thiết bị được thiết kế để sản xuất các sản phẩm PEs khác nhau, hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ từ 75-100 độ C và áp suất 55-65 bar.

Sau phản ứng, dòng propan cùng các chất chưa phản ứng sẽ được tuần hoàn trở lại thiết bị phản ứng vòng loop Polymes và xúc tác ở dạng rắn sẽ được tách ra và chuyển sang thiết bị phản ứng tầng sôi nhằm tăng phân tử khối và độ bền cho polyme Dòng khí tuần hoàn từ đỉnh thiết bị phản ứng tầng sôi sẽ được nén, bổ sung thêm etilen và hydro, sau đó thổi từ dưới lên để khuấy trộn đồng đều hạt polyme và hạt xúc tác.

Sau khi phản ứng diễn ra trong thiết bị phản ứng vòng loop, sản phẩm có thể được lấy ra hoặc chuyển tiếp sang thiết bị tầng sôi Tỷ lệ sản phẩm trong từng thiết bị được điều chỉnh nhằm đáp ứng nhu cầu sản xuất Sản phẩm, sau khi loại bỏ hydrocacbon dư, sẽ được tạo viên và bảo quản cho các quá trình sản xuất nhựa tiếp theo.

Công nghệ INNOVENE S

Công nghệ INNOVEN S là công nghệ HDPE hàng đầu trên thị trường, với doanh số vượt 2,3 triệu tấn sản phẩm tính đến năm 2010 Hệ thống phản ứng trong công nghệ này sử dụng thiết bị vòng loop đối xứng dọc, cho phép pha phản ứng ở dạng huyền phù.

Etilen và các comonome như 1-hexene hoặc 1-buten được đưa vào thiết bị phản ứng, trong khi isobutan hoặc hexan được sử dụng làm chất pha loãng để tạo ra hệ huyền phù và mang xúc tác Xúc tác trong công nghệ này có thể là Ziegler Natta hoặc Chromox Để điều chỉnh phân tử khối của HDPE, hydro được bổ sung cùng với dòng nguyên liệu.

Thiết bị phản ứng được thiết kế với các ống lớn lắp ráp theo hình vòng loop thẳng đứng, có thành làm bằng thép Cacbon Thiết bị sử dụng nước để làm mát bên ngoài, giúp duy trì nhiệt độ phản ứng ổn định trong khoảng 75 o C đến 110 o C Áp suất hoạt động của thiết bị dao động từ 25 đến 40 bars, với độ chuyển hóa etylen trung bình đạt 98%.

PEs được hình thành dưới dạng hạt và phân bố trong pha lỏng, sau đó hỗn hợp được rút ra từ đáy thiết bị vòng loop và chuyển sang tháp tách Polyme thu được ở đáy tháp tách, trong khi phần lỏng được tuần hoàn trở lại thiết bị phản ứng Để loại bỏ hydrocacbon dư, dòng khí Nito được thổi ngược dòng Sản phẩm HDPE được vận chuyển bằng khí nén đến Silo chứa hoặc bồn chứa cấp liệu cho quá trình sản xuất tiếp theo Công nghệ này mang lại nhiều ưu điểm đáng kể.

- Chi phí đầu tư thấp (ít thiết bị)

- Chi phí vận hành thấp

- Vận tốc tuần hoàn lớn nên hạn chế bám bẩn lên thành thiết bị và giảm số lần dừng hệ thống để làm sạch thiết bị

- Dễ dàng vận hành, an toàn

Công nghệ SCLAIRTECH

Quy trình sản xuất LLDPE, MDPE, HDPE tại nhà máy SCLAIRTECH là giải pháp hiệu quả nhất để điều chỉnh sản phẩm PEs theo nhu cầu thị trường Nhà máy đầu tiên được xây dựng vào năm 1960 tại Canada, trong khi nhà máy mới nhất được khánh thành tại Ấn Độ vào năm 2010 Hiện nay, trên toàn thế giới có 12 nhà máy áp dụng công nghệ này.

Phản ứng trong pha lỏng diễn ra khi etilen và comonome (1-buten, 1-octen hoặc cả hai) được hòa tan trong dung môi và bơm vào thiết bị phản ứng với thời gian lưu không quá 2 phút Dung môi không chỉ tạo dung dịch phản ứng mà còn giúp tách nhiệt tỏa ra trong quá trình phản ứng Sau khi phản ứng, hỗn hợp bao gồm các hạt PE và dung môi, trong khi các monome chưa phản ứng được làm lạnh và đưa vào tháp tách Pha lỏng thu được ở đỉnh tháp sẽ được tuần hoàn trở lại, bổ sung comonome và tiếp tục quá trình phản ứng Polyme thu được ở đáy tháp sẽ được chuyển đến máy đùn và máy ép viên, trước khi đến các quy trình sản xuất tiếp theo.

PEs thu được từ quá trình trên có tỷ trọng 0,905-0,965, chỉ số nóng chảy MFI từ 0,2-150, phân bố trọng lượng phân tử trong khoảng rộng Ưu điểm:

Sản phẩm từ quy trình này mang lại chất lượng vượt trội và tính đồng nhất cao, đáp ứng tốt nhu cầu của phân khúc sản phẩm cao cấp.

Công nghệ SCLAIRTECH cho phép thay đổi sản phẩm một cách dễ dàng, phù hợp với hầu hết các loại sản phẩm PEs Điều này mang lại hiệu quả kinh tế đặc biệt cho các nhà sản xuất, giúp họ tiếp cận và phục vụ nhiều phân khúc thị trường khác nhau.

Công nghệ UNIPOL

Phạm vi áp dụng: Công nghệ UNIPOL tạo các sản phẩm đa dạng nhất: LLDPE, MDPE, HDPE với phân bố khối lượng phân tử khác nhau

Công nghệ sử dụng thiết bị phản ứng pha khí ở áp suất thấp (