Технология производства полипропилена

Полипропилен – пластмасса, из которой делают посуду, контейнеры, водопроводные трубы, мебель, волокна и много чего еще. Он исключительно стоек химический.

По химической стойкости он близок к более дешевому полиэтилену. Но при этом он прочнее и гораздо более стоек к нагреванию. В мире его уже производят больше 60 миллионов тонн в год. И объемы производства постоянно растут.

Производство полипропилена оказалось сложной научной задачей, которая была решена только в начале 1960-х годов, когда Карл Циглер открыл, а Джулио Натто применил специальные титан-содержащие катализаторы. Их так и называют, катализаторы Циглера-Натто. В чем же была проблема? Дело в том, что полипропилен образуется полимеризацией пропена. К концу цепи присоединяются новые молекулы пропена.

При этом они могут присоединиться либо голова к хвосту, либо голова к голове. Если они будут присоединяться как попало, то образующиеся молекулы плохо связываются друг с другом и вместо прочного пластика получится липкая масса. Но и это еще не все. Даже если новые молекулы пропена присоединяются голова к хвосту, метильные группы могут смотреть в одну сторону от цепи, а могут в разные.

Если метильные группы смотрят в одну сторону, то такой полипропилен называется изотактическим. Если метильные группы строго чередуются, то такой полипропилен называется синдиотактическим. Цепь изотактического полипропилена закручивается в спираль, и эти спирали хорошо укладываются в кристаллическую решетку. Поэтому изотактический полипропилен наиболее прочен.

Изотактические полимеры образуются на катализаторах циглеронатты, смеси хлорида титана с триэтилалюминием. На атоме алюминия есть пустая орбиталь, а на атоме титана две пустых орбитали. Между этими двумя молекулами образуются хитрые связи, которые не проходят в школьной программе. Один атом хлора, имеющий несколько неподеленных пар, подставляет одну на атом титана, а другую на атом алюминия.

Получается трехцентровая четырехэлектронная связь алюминий-хлор-титан. А между атомами алюминия-титана и углерода этильной группы образуется трехцентровая двухэлектронная связь. Если рядом оказывается молекула пропена, то она своими π-электронами садится на пустую орбиталь атома титана.

И прямо около атома титана пропен присоединяется к этильной группе, и образующаяся цепочка проскальзывает к атому алюминия, образуя хитрую трехцентровую двухэлектронную связь. На освободившуюся пустую орбиталь титана садится новая молекула пропена. Причем сесть она может только хвостом к нарастающей цепочке, потому что для метильной группы рядом с цепочкой места нет.

В результате цепочка нарастает. Причем поскольку молекула пропена может присоединиться к атому титана только одной стороной, все метильные группы оказываются с одной стороны цепочки. Как же этот процесс реализуется в промышленной установке? Пропен полимеризуют в этом реакторе. Процесс протекает при температуре около 60 градусов и давлении в 20 атмосфер.

При этих условиях пропен в реакторе остается жидким. Пропен под давлением поступает в этот сепаратор. В его нижней части находится жидкий пропен, а в верхней газообразный. Из сепаратора пропен поступает в реактор. Жидкий пропен поступает снизу, газообразный сверху. Кроме пропена, в реактор подают катализатор, который хранится в этом небольшом помещении. Чем меньше катализатора, тем длиннее получаются цепи полипропилена, но тем медленнее идет процесс.

В любом случае масса катализатора в тысячи раз меньше, чем масса получаемого полипропилена. Содержимое реактора перемешивается. Потихоньку происходит полимеризация, и на дне скапливается порошок полимера. Периодически этот порошок вместе с жидким пропеном отдувают через трубу. С потоком испаряющегося пропена порошок летит на рукавный фильтр, где и задерживается, а пропен возвращают в реактор.

Дальше нужно отделить порошок от оставшегося пропена и нейтрализовать в нем катализатор. Это делают на продувочной колонне, где снизу поступает влажный азот, а сверху порошок полимера. Пропен отделяют от азота на специальных мембранах, через которые проходят молекулы азота, но не проходят более крупные молекулы пропена. Его отправляют обратно в реактор, а азот снова на продувку. Порошок полипропилена электризуется и пылит. Чтобы этого избежать, его гранулируют.

Делают это в некоем подобии мясорубки. В ней порошок подогревают электронагревателями, и он плавится. Порошок всыпается в этот бункер, откуда поступает наш шнек. Порошок движется внутри экструдера, там разогревается и плавится. Расплав выходит через отверстия фильеры в воду, где застывает. Охлажденная масса нарезается такими ножами.

Полученные гранулы вместе с потоком воды уносятся наверх в центрифугу. В центрифуге отделяется вода. Почти сухие гранулы полипропилена поступают на вибросита, где сортируются по размерам. Вы думаете, это все? Нет. Свойства полипропилена по потоку несколько непостоянны, а заказчики требуют постоянства свойств в больших партиях. Чтобы этого добиться, гранулы тщательно перемешивают в гомогенизаторе.

Специальный поток воздуха уносит гранулы из гомогенизатора и разносит по силосным хранилищам. Там гранулы хранятся, пока не придет время их фасовать. Тогда к нижней части силосного хранилища подъезжает фасовочная машина. Процесс происходит очень быстро. За пару секунд специальный дозатор заполняет мешок 25 килограммами гранул. В соседнем помещении специальный автомат складывает мешки на палеты. Палеты отправляются на склад.

Три стадии получения полипропилена

Таким образом, получение полипропилена состоит из трех стадий – полимеризации, отдувки порошка, гранулирования порошка. Казалось бы, на первый взгляд все просто. Однако, чтобы продукт был чистым, свойства продукта постоянными, а производство энергетически и экологически эффективным, требуется использовать множество ухищрений, запускать много дополнительных процессов и устанавливать разное вспомогательное оборудование.

Поэтому даже такой простой на первый взгляд процесс требует весьма сложного оснащения. Например в день на Тобольской площадке компания «Сибур» производит больше тысячи тонн полипропилена. Это около 20 железнодорожных вагонов. Производство и потребление полипропилена растет даже в таком сложном году как 2024 й. При этом оно практически не требует людей, но требует сырья и площадей, которых в России хватает. Именно поэтому специалисты СИМПЛЕКС уверены, что производство полипропилена и других пластиков можно считать точкой роста для российской экономики.