超高壓聚乙烯壓縮機的潤滑

劉功德，王莉

(中國石油大連潤滑油研究開發(fā)中心，遼寧 大連 116032)

0 引言

聚乙烯(PE)是通用合成樹脂中應(yīng)用最廣泛的品種，其產(chǎn)量約占塑料總產(chǎn)量的1/4。根據(jù)制備工藝及產(chǎn)品性能的差異，聚乙烯(PE)產(chǎn)品已形成高壓低密度聚乙烯(LDPE)、線型低密度聚乙烯(LLDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)及超高分子量聚乙烯(UHMWPE)等產(chǎn)品。高壓低密度聚乙烯 (LDPE)具有密度低、透明性好、絕緣性好及無毒、無味等優(yōu)點，主要用于農(nóng)膜(棚膜、地膜)、包裝膜、收縮膜、透明膜、絕緣料、電纜護套及日用品等，并可作為電視、雷達(dá)等的高頻絕緣材料。

1 聚乙烯(PE)生產(chǎn)工藝

長期以來，聚乙烯生產(chǎn)一直是多種工藝并存。對低密度聚乙烯(LDPE)主要有管式法及釜式法工藝，對LLDPE、HDPE及UHMWPE類聚乙烯，主要有淤漿法/溶液法/氣相法等工藝，不同聚乙烯的生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品特性見表1。

表1 不同聚乙烯的生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品特性

表1(續(xù))

1933年(英)ICI公司超高壓反應(yīng)研究組在高溫高壓下制得白色蠟狀聚乙烯，并將其應(yīng)用作為高頻絕緣材料，在1939年建成l00 t/a的中試裝置，實現(xiàn)了高壓法工業(yè)生產(chǎn)聚乙烯。1942年出現(xiàn)了高壓釜式法生產(chǎn)聚乙烯，1943年美國杜邦(Du ont)公司和UCC公司開發(fā)了管式反應(yīng)器法。至今為止，工業(yè)上仍然是采用這兩種方法來生產(chǎn)高壓低密度聚乙烯(LDPE)，生產(chǎn)能力也幾乎相等。管式法反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，制造和維修方便，能承受較高的壓力。釜式法反應(yīng)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修安裝都比較困難[1-2]。管式法與釜式法生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品特點比較見表2。

表2 管式法及釜式法工藝比較

圖1為管式法高壓聚乙烯生產(chǎn)工藝示意圖。乙烯與低壓循環(huán)氣在前段渦輪壓縮機壓縮至25～30 MPa，再經(jīng)后段往復(fù)超高壓壓縮機壓縮至反應(yīng)壓力(250～320 MPa)，并預(yù)熱引發(fā)劑(催化劑),聚合反應(yīng)產(chǎn)生的熱量可使最高溫度達(dá)到330 ℃，經(jīng)反應(yīng)器冷卻段冷卻后再添加引發(fā)劑聚合。在反復(fù)放熱-冷卻后，抽出反應(yīng)產(chǎn)物在高壓分離器中分離出聚合物和未反應(yīng)的乙烯。聚合物經(jīng)后處理即成產(chǎn)品。目前，乙烯單程轉(zhuǎn)化率已從初期的8%～15%提高到24%～30%。

至今為止，各種管式法工藝的基本流程大體上與上述工藝相同。然而，由于采用了不同的聚合反應(yīng)器的進料點,分子量調(diào)節(jié)劑、引發(fā)劑及其不同的注入部位,及由于助劑注入方法、產(chǎn)品的處理、返回乙烯的量和送出部位的不同，也就形成了各種不同特點的工藝。國內(nèi)主要高壓低密度聚乙烯生產(chǎn)工藝見表3。

圖1 管式法高壓聚乙烯生產(chǎn)工藝[3]

生產(chǎn)企業(yè) 生產(chǎn)能力/萬t·a-1技術(shù)來源 投產(chǎn)時間/年蘭州石化公司4.3英國ICI 釜式法1971蘭州石化公司20德國Basell公司管式法2006大慶石油化工總廠6伊姆豪森管式法1986大慶石油化工總廠20德國Basell公司管式法2005燕山石油化工公司18日本住友化學(xué)釜式法1976燕山石油化工公司20EXXON化學(xué)管式法1976上海石化股份有限公司7.8日本三菱油化管式法1976上海石化股份有限公司8日本三菱油化管式法1992茂名石化公司10美國匡騰公司管式法1996茂名石化公司25管式法2007齊魯石油化工公司14荷蘭DSM管式法1998

2 超高壓乙烯壓縮機的潤滑

在高壓低密度聚乙烯的生產(chǎn)過程中，乙烯與低壓循環(huán)氣在前段渦輪壓縮機壓縮至25～30 MPa，再經(jīng)后段往復(fù)超高壓壓縮機壓縮至反應(yīng)壓力(250～320 MPa)，其中高壓往復(fù)式壓縮機是其工藝核心，對往復(fù)式壓縮機氣缸潤滑油的要求很高，要求潤滑油品在極高壓力下仍具有足夠的流動性及減摩抗磨能力，同時，油品還必須具有熱氧化安定性、材料相容性及食品安全性等方面的要求。

目前，超高壓壓縮機用油主要有聚醚(PAG)型及白油型兩種，其中PAG因其獨特的黏壓特性，在極高壓力下仍具有足夠的流動性，其使用壓力遠(yuǎn)高于白油型產(chǎn)品。超高壓乙烯壓縮機油典型數(shù)據(jù)見表4。

表4 兩類超高壓乙烯壓縮機油典型數(shù)據(jù)

PAG(也稱為聚亞烷基二醇，簡稱聚醚，英文全稱為Polyalkylene glycols)是由環(huán)氧化合物及其衍生物共聚或均聚而成的主鏈中含有醚鍵結(jié)構(gòu)的高分子聚合物，其主要結(jié)構(gòu)單元由環(huán)氧乙烷(EO)、環(huán)氧丙烷(PO)、環(huán)氧丁烷(BO)或四氫呋喃(THF)等組成。由于含有豐富的醚鍵和柔性鏈結(jié)構(gòu)，PAG具有黏度指數(shù)高、傾點低、無毒等優(yōu)勢；醚鍵結(jié)構(gòu)也使PAG具有良好的親水性、減磨特性、極壓特性、熱穩(wěn)定性、清凈性和密封件適應(yīng)性等特性，同時，PAG(聚醚)油具有較小的烴溶解性能、抗烴類氣體稀釋強、抗液態(tài)烴的沖洗性能好及黏壓系數(shù)小等優(yōu)點，特別能在極高壓力下仍能保持一定的流動性，確保氣缸、環(huán)組的潤滑。

由于LDPE主要用于制造食品保鮮膜、農(nóng)用膜等生活必須品，用做LDPE生產(chǎn)的超高壓壓縮機油還必須滿足食品安全方面的要求。FDA/NSF H1是美國食品藥物管理局/美國國家衛(wèi)生基金會食品級潤滑劑認(rèn)證，適用于食品生產(chǎn)、制作、包裝、處理、運輸、貯存等機器設(shè)備中，具有偶然與食品接觸的可能性，是安全無害的潤滑油。布克哈德壓縮機(Burckhardt Compression AG)有限公司是世界最大的往復(fù)式壓縮機制造商之一，是高壓聚乙烯生產(chǎn)工藝中超高壓壓縮機的主要供應(yīng)商。獲得FDA/NSF H1及Burckhardt認(rèn)證是實現(xiàn)油品在該領(lǐng)域應(yīng)用的基本條件。

3 昆侖超高壓乙烯壓縮油的開發(fā)

中國石油是高壓低密度聚乙烯的主要供應(yīng)商之一，有穩(wěn)定的超高壓乙烯壓縮機油的使用需求。昆侖KCH270超高壓乙烯壓縮機油以特殊結(jié)構(gòu)的聚醚(PAG)合成基礎(chǔ)油及多功能添加劑組合而成，具有高壓下流動性能好、油膜強度高、承載能力強、熱氧化安定性好及滿足食品安全性要求等特點，也通過了Burckhardt(布克哈德)及FDA/NSF H1食品安全認(rèn)證，適用于超高壓乙烯壓縮機的潤滑。合理的潤滑及潤滑劑質(zhì)量是確保超高壓乙烯壓縮機高效運行及生產(chǎn)安全的重要因素。KCH270不同溫度下的黏度-壓力關(guān)系如圖2所示，在350 MPa的高壓情況下，油品仍呈現(xiàn)良好的流動性，確保對摩擦副的潤滑。

圖2 KCH270不同溫度下的黏度-壓力關(guān)系

4 結(jié)論

高壓低密度聚乙烯(LDPE)主要由管式法及釜式法兩種工藝生產(chǎn)，國內(nèi)以高壓管式法為主。管式法工藝的反應(yīng)壓力在300 MPa以上，對往復(fù)式壓縮機氣缸的潤滑是確保正常生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。工業(yè)界在用的壓縮機油主要有聚醚(PAG)型及白油型兩類，但聚醚(PAG)型產(chǎn)品因其黏度指數(shù)高、黏-壓特性好及潤滑性突出等優(yōu)點，適合在更高的壓力下使用。

參考文獻：

[1] 鄒盛歐.管式法高壓聚乙烯生產(chǎn)技術(shù)[J].廣東化工，1994(3):18-21.

[2] 徐青.低密度聚乙烯工藝的比較[J].合成樹脂及塑料，1999，16(4):57-60.

[3] 張學(xué)智,徐向明,牛來平.高壓低密度聚乙烯反應(yīng)器黏壁的原因及處理方法[J].石化技術(shù)與應(yīng)用，2008，26(3):260-263.

[4] 呂國林，張明.聚乙烯生產(chǎn)技術(shù)比較與選擇[J].石化技術(shù)與應(yīng)用，2003，21(3):190-195.

[5] 張德生.蘭州石化分公司新建高壓聚乙烯裝置工藝流程及特點[J].石化技術(shù)與應(yīng)用，2007，25(5):455-460.