Как компании зарабатывают деньги. Производство полиэтилена

ПАО «Нижнекамскнефтехим»
Предыдущие статьи:
Как компании зарабатывают деньги. Пиролиз и производство этилена
В 1895 г. полиэтилен случайно получился при опытах немецкого химика Ганса фон Пехмана с чистым диазометаном. Ни у кого не нашлось достаточно безрассудства, чтобы пытаться работать со взрывоопасным и токсичным диазометаном в более широких масштабах, чем лабораторные, так что реакция оставалась где-то в подстрочных примечаниях к научным текстам, пока в 1933 г. британский химик Реджинальд Гибсон и британско-канадский физик Эрик Фосетт из компании Imperial Chemical Industries (ныне входит в AkzoNobel) не попробовали осуществить при высокой температуре и высоком давлении реакцию между газообразным этиленом CH2=CH2 и бензальдегидом C6H5CHO. Белый воскообразный полимер, который у них получился, весь состоит, как выяснилось, из длинных цепочек звеньев -CH2- полимеризованного этилена. Материал обладал хорошей плавкостью и высокой сопротивляемостью действию растворителей и других химикатов, поэтому исследователи решили, что он может принести много пользы.
Однако им никак не удавалось добиться, чтобы реакция была стабильно воспроизводимой. Лишь в 1937 г. британский химик Майкл Перрин из той же Imperial Chemical Industries сумел подобрать для этого оптимальные условия. Как выяснилось, первые случайные успехи объяснялись наличием следовых количеств кислорода в реакционной смеси. Молекулы кислорода распадались на так называемые свободные радикалы, инициировавшие полимеризацию. Позже для инициирования стали применять специальные свободнорадикальные вещества-инициаторы при более мягких условиях.
В 1939 г. человечество осуществило первый промышленный синтез полиэтилена высокого давления (ПЭВД, или полиэтилен низкой плотности) — процесс был основан на открытиях химиков из Imperial Chemical Industries. В 1952 году немецкому ученому Карлу Циглеру удалось применить для синтеза полиэтилена так называемые металлокомплексные катализаторы, что позволило проводить реакцию почти при атмосферном давлении и невысокой температуре — так был изобретён полиэтилен низкого давления (ПЭНД, или полиэтилен высокой плотности).
ПАО «Нижнекамскнефтехим» производит пять марок полиэтилена низкой плотности и одну марку полиэтилена высокой плотности, производство осуществляется на Заводе пластиков на установке 2009 года. Для производства в качестве мономера используют этилен собственного производства, а также некоторую долю бутена и гексена — олефинов, выделяемых из продуктов пиролиза а также при газофракционировании и дегидрировании ШФЛУ или разделении бутан-бутиленовой фракции.

Гранулы полиэтилена. Фото «Реальное время»
Поскольку полиэтилен низкой плотности более крупнотоннажный продукт для Нижнекамскнефтехима, рассмотрим подробнее именно его производство. Найти конкретные фотки с производства Нижнекамскнефтехима трудновато, поэтому в основном статью проиллюстрирую изображениями аналогичного производства «Сибура» на Томскнефтехиме — аппараты в Нижнекамске похожие, только поновее, да и компания теперь одна и та же.
Из парка хранения этилен насосами по трубопроводам перекачивается в цех полимеризации. Как правило, на заводах этот цех стараются располагать по соседству с комплексом пиролиза, чтобы снизить дистанцию транспорта этилена.
ПЭВД получается из этилена при высоком давлении, а в качестве инициатора могут использоваться как обычный кислород, так и специальные добавки (органические пероксиды). Поэтому на первом этапе в сырьевой этилен в определенных концентрациях вводят кислород (если именно он используется в качестве инициатора), а также смешивают его с непрореагировавшим этиленом, ранее уже введенным в реакцию. Эта операция осуществляется в емкостях, которые носят название ресиверов. Второй задачей ресиверов является сглаживание возможных скачков давления газа перед подачей на следующие технологические операции.

Ресиверы на производстве ПЭВД (Томскнефтехим). Фото ПАО «СИБУР»
Для проведения реакции полимеризации давление этилена следует увеличить до очень существенных значений — более 2000 атмосфер. Поэтому второй технологической операцией, которую претерпевает этилен, является компримирование. Производство ПЭВД оснащено собственным участком компримирования, который, как и в составе комплекса пиролиза, расположен в отдельном здании. Как и в случае компримирования пирогаза на комплексе пиролиза, требуемое давление этилена достигается в несколько стадий на компрессорных аппаратах промежуточного и реакционного давления.

Этиленовый компрессор (Томскнефтехим). Фото ПАО «СИБУР»
С компрессоров реакционного давления этилен после подогрева подается в реактор. Сегодня большинство реакторов полимеризации этилена при высоком давлении представляют собой трубопровод протяженностью 1 – 3 км, для компактности уложенный в слои. Стенки трубопровода выполняются из стали оружейных марок, чтобы выдерживать высокие давление и температуру. Поскольку реакция полимеризации этилена является экзотермической, то есть протекает с выделением большого количества тепла, требуется постоянный отвод его излишков от реактора. Это достигается за счет рубашки, окружающей трубу реактора по всей его длине, по которой под давлением циркулирует перегретая до 180—200ºС вода. Очевидно, что при обычных условиях воду нельзя нагреть до 180–200ºС — она раньше выкипит. Поэтому воду доводят до нужной температуры под давлением: как мы уже знаем, при повышении давления температура кипения вещества увеличивается. В реакционной зоне поддерживается, таким образом, температура в 300—320ºС.
Реактор делится на 3 зоны, в начало каждой из них с компрессора реакционного давления подается сырьевой этилен. Также в начало каждой зоны вводят инициаторы в том случае, если ими выступают синтетические вещества, например органические пероксиды.
Поскольку в реакторе получения ПЭВД применяются очень высокие давления и температуры, этот объект является потенциально очень опасным. Поэтому уложенный в слои реактор обычно обносят по периметру защитным экраном из железобетона, который призван снизить возможный ущерб при взрыве или другом негативном развитии аварийных событий.

Реактор полимеризации этилена высокого давления. Хорошо виден защитный экран (Томскнефтехим). Фото ПАО «СИБУР»
Полиэтилен образуется в реакторе в виде расплава и растекается вдоль стенок. Этот расплав вместе с частью непрореагировавшего этилена периодически выпускается из реактора с помощью быстродействующего клапана. Давление в этой этилен-полиэтиленовой смеси после выхода из реактора падает до 250 – 300 атмосфер. Для разделения она подается на так называемый сепаратор промежуточного давления, который представляет собой емкостной аппарат, куда подается поток этилена и капелек расплава полиэтилена и встречает на своем пути сетчатую перегородку. Поток этилена уходит верхом (этот поток имеет название возвратного газа высокого давления, ВГВД), а вниз стекает полиэтилен.
Понятно, что эффективность разделения на этом первом этапе невысока: отходящий этилен уносит с собой так называемый низкомолекулярный полиэтилен — полимер, имеющий относительно короткие молекулярные цепи, а потому особого товарного значения не имеющий. В свою очередь, стекающие вниз аппарата капли полиэтилена уносят растворенный в них остаточный этилен.
Поэтому оба этих потока (ВГВД и расплав полиэтилена) отправляются на дополнительную очистку. ВГВД ступенчато охлаждается и отделяется от низкомолекулярного полиэтилена, после чего вновь отправляется в реакцию, смешиваясь со свежим этиленом из хранилищ.

Теплообменные аппараты, через которые проходит ВГВД (Томскнефтехим). Фото ПАО «СИБУР»
В свою очередь, расплав полиэтилена поступает на второй сепаратор. Рабочее давление этого аппарата ниже, поэтому из капелек расплава выкипают дополнительные порции этилена, который собирается и также после охлаждения и очистки от низкомолекулярного полиэтилена отправляется вновь в реакцию (этот поток носит название возвратного газа низкого давления, ВГНД).
Все последующие операции с полимером связаны с его чисткой, сушкой, превращением в привычные гранулы, упаковкой и отгрузкой. Как правило, все эти операции выполняются в одном отдельно стоящем здании. С сепаратора низкого давления туда приходит расплав полиэтилена, после чего отправляется на экструдер. Этот аппарат по принципу своего действия очень похож на привычную мясорубку: вращающимся шнеком (то есть винтом с широким ходом зубцов) расплав полимера подается к решетке с многочисленными отверстиями, через которые полиэтилен продавливается в виде длинных тонких нитей. Они охлаждаются водой, а затем нити ножами режутся на гранулы.

Аппарат грануляции полиэтилена (Томскнефтехим). Фото ПАО «СИБУР»
Поскольку гранулы образуются во влажной среде, они требуют осушки. Поэтому пневмотранспортом (гранулы двигаются по трубопроводам в сильном потоке воздуха) они направляются на сушильные аппараты, после чего загружаются в один или несколько бункеров, которые носят название анализных. Это высокие и узкие цилиндрические емкости, в нижней части которых предусмотрен клапан для забора образцов получившегося материала. Бункеры носят такое название, потому что их главная задача — промежуточное хранение полиэтилена на период исследования его свойств. Отобранные пробы отправляются в заводскую лабораторию, где устанавливаются четкие параметры получившейся партии. Если в режиме работы реактора произошли какие-то сбои и получившийся продукт не отвечает требованиям стандартов или запросам заказчика, из анализаторных бункеров партию перегружают в хранилище некондиционного продукта. Если же параметры материала удовлетворяют тем или иным требованиям, партия из анализаторного бункера перегружается в так называемый бункер-смеситель. Дело в том, что при работе реактора полимеризации возможны незначительные периодические отклонения от заданного режима работы (эти отклонения обычно носят случайный характер и почти не поддаются контролю). Если бы партии, накапливаемые в анализаторных бункерах, не перемешивались, то получалось бы, что по всей высоте бункеров свойства материала незначительно изменялись, что недопустимо. Задача бункера-смесителя — перемешать слои и добиться равномерного статистического распределения свойств полиэтилена во всем объеме для получения однородной по параметрам партии.
Из бункера-смесителя полиэтилен отправляется в товарные бункеры. На всех заводах их обычно несколько — для того, чтобы была возможность раздельного хранения партий различных марок и свойств, которые определяются режимом работы реактора. Из товарных бункеров полиэтилен или отправляется на фасовку.

Башни слева -- товарные бункеры полиэтилена высокого давления. Фото ПАО «Нижнекамскнефтехим»
Расфасованный продукт отправляется на склад. Обычно он локализован таким образом, чтобы из одного помещения была возможна погрузка упакованного материала как на железнодорожный транспорт — для этого к складу подходит ветка, — так и на автомобильный транспорт — для этого склад должен быть снабжен своего рода «причалами», к которым автофура может подъехать кормой для более удобной погрузки.

Михалыч дал стране нижнекамского полиэтилену. Расфасованный полиэтилен складируется на деревянные поддоны для удобства работы вилочных погрузчиков. Фото РИА Новости
Теперь о цифрах. Производственная мощность ПАО «Нижнекамскнефтехим» по полиэтилену составляет около 230 тыс. тонн/год. Это установка средней производительности, годовые объёмы больше, чем у таких производителей как «Уфаоргсинтез» (Башнефть), «Газпром нефтехим Салават» (Газпром), «Ангарский завод полимеров» (Роснефть), но меньше чем на предприятиях «Запсибнефтехим», «Томскнефтехим», «Казаньоргсинтез» (все — Сибур), «Ставролен» (Лукойл). Согласно отчёту 2020, Нижнекамскнефтехим продаёт в России и странах СНГ около 99% выпускаемого полиэтилена.
Всего в России производится около 3,4 млн. тонн/год полиэтилена. Почти треть всех объемов полиэтилена в России идет на изготовление пленок, еще около 1/5 — на выпуск тары и упаковки (разнообразные емкости для бытовой химии, канистры, бочки, мешки и пакеты и т. п.), порядка 17 % — на выпуск труб и деталей для трубопроводов. Четвертое место в этом рейтинге занимает производство товаров из группы «для культурно-бытового назначения»: игрушек, изделий для домашнего хозяйства, быта и т. п. Исторически первое направление использования полиэтилена — кабельная изоляция — откатилось на 6-е место: на эти цели расходуется менее 8 %. Около 10 % полиэтилена идет на изготовления изоляции для металлических труб, например водопроводных. На изделия и детали производственного назначения идет лишь менее 5 % полимера.
Мировое производство полиэтилена составляет около 80 млн. тонн/год. Крупными мировыми производителями полиэтилена являются: Chevron Phillips Chemical Company (США) — крупнейший производитель с долей рынка около 22%, LyondellBasell (США), Sabic Saudi Basic Industries Corp. (Саудовская Аравия), Mitsubishi Chemical Corporation (Япония).
Средняя цена на полиэтилен в 2021 году составляла 144000 руб/т, к апрелю 2022 цены поднялись до 184000 руб/т (+28%). Если в 2021 году ПАО «Нижнекамскнефтехим» удалось реализовать 230 тыс. тонн полиэтилена (как в 2020), то это принесло 33,12 млрд. рублей выручки или 13% выручки от реализации продукции компании по РСБУ 2021.