高密度聚乙烯制备工艺及应用研究

呼嘉楠，徐锦权，薛彬彬

（陕西延长中煤榆林能源化工有限公司，陕西延安 717100）

随着乙烯聚合制成高密度聚乙烯（HDPE）在20世纪60年代的出现，高密度聚乙烯研制工作已经获得一定的进步，结合当前应用实际情况，主要是淤浆法、溶液法和气相法等三种制备工艺技术。高密度聚乙烯分子由于具有良好的耐化学腐蚀、硬度较强等特点，特别适用于电缆覆盖层、管材等领域，同时，聚乙烯所呈现出不吸水、无毒等性质，也被应用在食品包装领域中。本文结合高密度聚乙烯制备发展情况的论述，探讨了其在我国的主要应用情况。

1 高密度聚乙烯制备工艺的技术

1.1 气相聚合法制备高密度聚乙烯

在采用气相聚合法制备高密度聚乙烯的过程中，是借助于低压气相流化反应器，选择铬系催化剂，能满足在85～110℃的工况环境下进行相应的聚合反应。从这个角度来看，这项工艺技术主要体现出压力较低、成本较低、便于维护等特点。缺点则是对于原料纯度往往有着较高的要求，则应通过精制相关的原料。优势则具有较高的转化率，适应于工业生产的要求，能实现相应的总利用率超过98.5%。同时，这种工艺下，还能进行回收未参加反应的乙烯而进行下步使用。相比而言，其并没有淤浆法应用广泛，主要应用的领域则是涉及相应的通讯电缆及高强度薄膜等范围。在今后的工艺研发中，则应致力于大规模的商业化应用。

1.2 淤浆法制备高密度聚乙烯

淤浆法则是体现出乙烯和脂肪烃类溶剂混合的特点，并能选择钛系或者铬系催化剂，选择在工况为低温、低压状况的聚合反应。这方面的工艺技术较为成熟，并且具有最为广泛的应用空间。结合相应的反应器的情况，可以涉及环管反应器、搅拌釜式反应器等类型。其中，后者是Hoechst公司发明并优化，能有效实现并联化的双反应期，也能结合实际需求来进行串联应用，其中，第一反应器中涉及催化器、氢气和乙烯，并要求能满足聚合反应的条件，这样就可以实现通过淤浆的形式在己烷中，所以称为淤浆法制备工艺。其特点主要表现在对于原料纯度要求不高，流程较为简单，可结合实际需求来选择相应的串联及并联方式，这样能满足相应的单峰或者是双峰高密度聚乙烯的生产要求，同时，能有效结合实际需求来进行产品牌号的切换处理。另外一种则是环管反应器工艺，其中最为典型的代表则是Philips工艺，借助于铬系催化剂的作用，再进行必要的活化处理，方可实现原料乙烯于氢气等混合注入反应器的过程，经过必要的催化作用，而从实现聚乙烯的生成。这种方式体现出成本较低，流程较为简单，容易进行输送，但往往对原料纯度有较高的要求。

1.3 溶液聚合法制备高密度聚乙烯

在应用溶液聚合法的过程中，则是能够在160～200℃工况的溶剂中进行乙烯的溶解，并借助于催化剂来实现聚合反应。其中，主要选择ZN系列的催化剂。相比于淤浆法来说，体现出较为相似的工艺特点，并没有太高要求的原料纯度，不需要特殊精制预料情况。考虑到反应器停留时间较短，能有效实现产品系列的切换要求。

2 典型公司的高密度聚乙烯生产工艺分析

2.1 Univation研发Unipol 聚乙烯工艺

Unipol 聚乙烯工艺属于气相流动床反应器的范畴，是Univation公司所提出，借助于冷凝技术的优势满足实现高中低密度聚乙烯的生产要求。具体来说，其工艺方法具有较为全面的灵活性。同时，考虑到工艺流程往往较为简洁，这样并没有涉及相应的溶剂脱除等内容，往往能体现出一定的优势，所涉及的投资成本也较低。随着不断的发展，公司正在重点进行双峰产品的开发，并逐步将相应的系列化产品应用在实践中。

2.2 INEOS研发Innovene S工艺

对于Innovene S工艺属于双环管反应器的范畴，在不同产品的情况下，应考虑到反应器的不同存在着形式的差异化问题。针对单峰类普通产品来说，往往都是在第一环管后并没有通过处理，这样就能够实现满足第二环管反应器内继续反应的要求。结合双峰类产品的特点，相比而言其应重视第一环管中的处理，并通过有效的中央处理方式来保障满足第二环管内的反应要求。在此环节，相应的物料的循环动力则是借助于轴流泵的作用，这种方式往往电能消耗较低，但依然在稀释剂的分离及回收方面存在着不足之处。所以，这种方式往往意味着更多的蒸汽量的损耗。总体来看，这种工艺在相关的双峰产品具有明显的优势。

2.3 BASELL研发的低压淤浆法赫斯特工艺

针对赫斯特工艺来说，其属于搅拌釜式反应器的范畴，这种的方式中不同产品，则应结合实际的反应釜操作方式予以必要的优化调整。其中，单峰普通产品的运行，选择两台反应釜并联与串联的运行方案；通过并联或者串联等方式都可以适用于单峰宽分子量产品；通过两台反应器串联的方式来生产双峰产品。针对排放气来说，则进一步利用压缩进行去火炬。这种工艺措施总体的压力、温度等参数较低，工艺实现条件较为容易满足。其中，具体来看，合成温度控制在85℃，反应压力则是为1 000kPa，所涉及的生产操作往往较为容易，投资成本也能有效降低。主要是充分利用所研发的连续搅拌釜淤浆聚合工艺，主要涉及外循环、两个反应器等，能满足相应的合成双峰产品的要求。相应的合成产品具有较高的质量性能，符合相应的管材标准要求。其相应的分子质量分布及共聚物分布则能保障满足有效的配合，并能体现出较好的性能指标。但在具体的应用实践中，应注意反应中存在蜡沉浮在反应器器壁的问题。如果不加以重视，则会造成其长时间运行存在困难。

2.4 三种工艺对比分析

2.4.1 原料对比

针对上述三种工艺方式进行对比分析，从原料的角度来看，特别是从原料纯度的角度分析，Hostalen工艺对其具有最低的要求，其他两种工艺措施往往具有较高的要求。从这个方面分析，Hostalen工艺技术并没有涉及原料精制等问题，具有比较低的成本。其他两种工艺技术则涉及己烯-1 生产高附加值的产品。从这个角度分析，经过对比，Hostalen则具有较低的成本。

2.4.2 工艺参数对比

经过相应的工艺参数的对比分析，其中，Unipol工艺仅仅采用1 个反应器，这样往往就会涉及比较低的催化剂应用效率；而在其他两种工艺技术环节所涉及的共聚单体则是丁烯和己烯，原料成本往往比较低；总体来看，三种工艺参数较为温和，总体上的Unipol工艺具有比较广的产品密度，满足系列化的不同规格产品要求，体现出较强的市场适应性。

2.4.3 单耗、能耗对比

通过上述三种工艺技术方法的对比分析，这三种工艺的能耗中，Hostalen工艺最高，Innovene S的单耗最低。从这个角度来看，主要是考虑到Innovene S选择双环管工艺，所涉及的反应器体积比较小，这样在较短的运行环节则会存在着较少的过渡料，而对于Hostalen工艺来说，由于过程中存在着蜡产生的问题，定期清理则意味着较高的单耗。从系统能耗来看，Innovene S工艺大型设备较少，相应的精制单元并没有太多设备，这样整体的系统能耗较低；Hostalen工艺则涉及周期化的停工问题，造成总体能耗偏高。

3 高密度聚乙烯的主要应用

考虑到高密度聚乙烯在应用实践中体现出较好的性能，在工业管材、食品包装以及汽车构件方面有着一定的应用。

结合具体的管材应用方面，则是在燃气管领域应用中有着广阔的前景。从这个角度来看，正是由于高密度聚乙烯材料具有良好的性能特点，从而在相关涉及的领域具有广泛的应用。首先，其具有较强的耐腐蚀性，相比而言，高密度聚乙烯管材不存在着传统铸铁管的电化学腐蚀问题，其具有比较好的抗氧化腐蚀能力，这样就可以全面有效控制燃气系统的维修成本。同时，其质量较轻，这样能更好地适应于相应的工程项目的实际要求，能有效控制运输及安装成本。

结合当前的应用情况来看，高密度聚乙烯往往具有较为广泛的应用规模，能符合注塑、中空吹塑及薄膜制品的要求。当前，其最大的发展领域集中于注塑料方面，大约占到高密度聚乙烯消费三成左右的比例，特别是涉及化工行业、包装行业、建筑行业的配件、包装盖、包装桶等方面应用；另外，中空吹塑件也大约具有20%左右的应用量。其中，在进行中空吹塑件的分析过程中，大部分集中于中小型产品，其能适用于汽车领域范围，相应的大型座椅、汽车油箱等范围。比如，上海金菲公司则是满足于摩托油箱、汽车油箱的产品开发，并能获得良好的应用效果。薄膜制品在发展过程中，则更加重视高分子薄膜制品的开发，并经过技术的发展而提出了不同的高密度聚乙烯薄膜制品的方案，借助于高密度聚乙烯材料的薄膜比来说，相比而言，其具有更加优异的性能，且结构厚度比较小，适用于相应的包装行业中。结合实际来看，薄膜制品大都是通过进口渠道，总体上我国高密度薄膜制品行业的竞争力偏低，这也是意味着应加强这方面的科研投入，以便更好地促进薄膜制品业的健康发展。同时，高密度聚乙烯应用在防渗透膜的领域中也具有一定的有效性，其最为主要的优势主要体现防腐蚀性能强，这样在地下则不会被破坏，具有比较长的使用寿命。可能尽管前期具有比较大投资，但能体现出良好的环保效果，这是其发展的必然趋势所在。

4 结语

结合当前高密度聚乙烯的应用情况，其具有较为优异的性能，在诸多工业领域中有着较为广泛的应用。结合高密度聚乙烯制备工艺的技术进行全方位的论述，可以重点对于其所涉及的催化剂进行研究，并能加强相应的工艺技术优化。针对这项工艺的反应控制来说，则应结合改性实现材料不同性能的实际情况，旨在全面提升材料的综合性能水平，从而保障高密度聚乙烯具有更为广泛的应用空间，更好地符合时代发展的要求。