ПВХ повсюду. Он есть в трубах под раковиной, в напольном покрытии под ногами и в изоляции, которой обмотаны электрические кабели. При мировом производстве в 60 миллионов метрических тонн в год ПВХ занимает третье место в мире по объему производства пластика.
Большинство людей, не задумываясь, покупают изделия из ПВХ. Им неинтересно, как этот материал превращается из сырья в белый порошок, из которого производители изготавливают трубы, оконные рамы и медицинские трубки.
Понимание процесса производства ПВХ-смолы меняет ситуацию. Независимо от того, являетесь ли вы специалистом по закупкам, оценивающим поставщиков, или просто интересуетесь промышленной химией, знание производственного процесса дает вам реальное преимущество.
Какие сырьевые материалы используются для производства ПВХ-смолы?
ПВХ изготавливается всего из двух основных компонентов: хлора и углерода.
- Хлор (57% ПВХ) Получают из обычной поваренной соли. Производители пропускают электричество через соленую воду в процессе, называемом электролизом, получая чистый газообразный хлор, готовый к химическим реакциям.
- Углерод (43% ПВХ) Получают из нефти или природного газа. Нефтеперерабатывающие заводы извлекают этилен, основной углеводород, путем термического крекинга сырой нефти или сжиженного природного газа.
Представьте, что вы печете хлеб. Вам нужна мука и вода в определенных пропорциях. Для ПВХ необходимы хлор и углерод в точном соотношении 57-43.
Такой двухкомпонентный подход делает ПВХ уникальным среди пластмасс. В то время как полиэтилен и полипропилен полностью зависят от нефти, ПВХ получает более половины своего веса из соли. Это каменная соль — та самая, которую используют для посыпки обледенелых тротуаров.
Как шаг за шагом изготавливается ПВХ-смола?
Производство ПВХ проходит пять различных этапов. На каждом этапе сырье подвергается дальнейшей обработке, пока не получится знакомый белый порошок.
Шаг 1: Производство дихлорида этилена (ДЭХ)
Дихлорид этилена является первым строительным блоком. Производители получают его путем соединения хлора с этиленом в больших реакторах.
Для достижения этой цели используются два метода. Прямое хлорирование предполагает смешивание чистого газообразного хлора с этиленом при умеренных температурах. Оксихлорирование предполагает рециркуляцию хлористого водорода (побочного продукта последующих стадий) с этиленом и кислородом.
Большинство предприятий используют оба метода параллельно. Оксихлорирование позволяет улавливать и повторно использовать материалы, которые в противном случае были бы выброшены. Хорошо спроектированное предприятие практически ничего не теряет.
Получающийся EDC представляет собой бесцветную жидкость. На вид он невзрачен, но содержит все атомы, необходимые для построения цепей ПВХ.
Шаг 2: Создание мономера винилхлорида (VCM)
Термический крекинг превращает EDC в мономер винилхлорида, основной строительный блок ПВХ.
Представьте, что вы разбиваете яйцо, чтобы достать то, что внутри. Разбивание EDC происходит аналогично. Производители нагревают EDC до экстремальных температур — от 480°C до 510°C — под давлением 20-22 бар. В этих условиях молекулы EDC расщепляются.
Каждая молекула EDC распадается на одну молекулу винилхлорида и одну молекулу хлористого водорода. Винилхлорид переходит в ПВХ. Хлористый водород возвращается к этапу 1 для оксихлорирования. Ничего не пропадает зря.
В крекинговой печи за каждый проход преобразуется лишь около 50% EDC. Непрореагировавший EDC повторно проходит через печь.
Сам по себе VCM представляет собой бесцветный газ со слегка сладковатым запахом. Это мономер — единственная единица, которая будет соединяться тысячами раз, образуя полимерные цепи ПВХ.
Шаг 3: Полимеризация VCM в ПВХ-смолу
Вся магия происходит в процессе полимеризации. Отдельные молекулы VCM соединяются в длинные цепочки, образуя собственно полимер ПВХ.
Примерно 80% мирового производства ПВХ осуществляется методом суспензионной полимеризации. Это наиболее распространенный метод.
Процесс начинается с того, что операторы закачивают сжиженный VCM в большой реактор, заполненный водой. Они добавляют суспендирующие агенты и химические инициаторы. Затем они герметизируют реактор и нагревают его до 40-60°C под давлением в несколько бар.
Внутри реактора крошечные капли VCM плавают в воде, подобно каплям масла в заправке для салата. Инициаторы запускают цепную реакцию. Молекулы VCM начинают соединяться друг с другом, образуя все более длинные полимерные цепи. Каждая капля превращается в крошечную частицу ПВХ.
Представьте, что вы соединяете блоки LEGO. Каждая молекула VCM присоединяется к растущей цепочке, создавая нечто гораздо большее, чем ее отдельные части. Одна цепочка ПВХ может содержать тысячи связанных между собой мономерных единиц.
Реакция длится несколько часов. Когда степень превращения достигает примерно 90%, операторы останавливают процесс. Теперь реактор содержит суспензию частиц ПВХ, взвешенных в воде.
На долю эмульсионной полимеризации приходится еще 12% производства. Она позволяет получать гораздо более мелкие частицы для специализированных применений, таких как покрытия и синтетическая кожа. На долю объемной полимеризации приходится оставшиеся 8%, что позволяет получать высокочистую смолу без воды.
Шаг 4: Восстановление и очистка
Не весь винилхлорид превращается в ПВХ. Около 10% остается непрореагировавшим, и его переработка важна для безопасности и экономики.
Операторы перекачивают полимерную суспензию в продувочный резервуар под более низким давлением. Большая часть непрореагировавшего VCM испаряется в виде газа и улавливается для повторного использования. Затем суспензия проходит через дополнительные отгонные колонны, которые удаляют оставшиеся следы VCM.
Извлеченный VCM возвращается в реактор полимеризации. Очищенная суспензия поступает на сушку.
Шаг 5: Сушка и отделка
На заключительном этапе влажная ПВХ-суспензия превращается в сухой белый порошок, который и приобретают покупатели.
Центрифуги вращают суспензию на высокой скорости, отделяя большую часть воды от частиц ПВХ. В результате влажный осадок все еще содержит некоторое количество влаги.
В сушилках мгновенного действия и циклонных сушилках влажный осадок обдувается горячим воздухом. Влага быстро испаряется. Целевое содержание влаги составляет 0.2-0.3%. Более высокое содержание влаги приведет к проблемам в процессе обработки смолы. Более низкое содержание влаги – это пустая трата энергии.
На ситах высушенный порошок сортируют по размеру частиц. Частицы ПВХ в суспензии обычно имеют диаметр 50-200 микрометров — примерно толщину человеческого волоса.
В результате получается сыпучий белый порошок без запаха. По внешнему виду он почти как мука. Это ПВХ-смола, готовая к компаундированию и переработке в готовые изделия.
Что происходит после производства ПВХ-смолы?
Сама по себе ПВХ-смола хрупкая и нестабильная. Ей требуется дополнительная обработка, прежде чем она станет пригодным для использования материалом.
- компаундирование Добавляет стабилизаторы, смазочные материалы и другие присадки. Термостабилизаторы предотвращают деградацию в процессе обработки. Пластификаторы делают жесткий ПВХ гибким.Пигменты придают цвет.
- Обработка Придание композиту формы готового изделия. Экструзия проталкивает материал через фильеры для создания труб, профилей и листов. Литье под давлением заполняет формы для изготовления фитингов и соединителей. Каландрирование позволяет производить тонкие пленки и напольные покрытия.
- Тестирование качества гарантирует соответствие конечной продукции техническим требованиям. Стандарты ASTM регулируют все аспекты, от прочности на разрыв до огнестойкости.
Этап компаундирования демонстрирует универсальность ПВХ. Из одной и той же базовой смолы можно изготовить жесткие водосточные трубы или мягкие медицинские трубки, в зависимости от выбранных добавок.