Ein guter Mix aus positiven Materialeigenschaften – Feuchtigkeits- und Chemikalienbeständigkeit, beste Zugfestigkeit bei gleichzeitig hoher Flexibilität – sorgen für eine kontinuierlich steigende Nachfrage. Im menschlichen Alltag ist LDPE (Low-Density Polyethylen) heute ein fester Bestandteil und garantiert durch solide Verpackungen den sicheren Transport von Lebensmitteln bis hin in den häuslichen Kühlschrank. Unter Drücken von bis zu 3.200 bar, Temperaturen bis zu 300 °C und Zuführung von Katalysatoren findet die thermische Polymerisierung und Umwandlung des gasförmigen Ethylens in Polyethylen in granularer Form statt.
Der Herstellungsprozess vollzieht sich in 5 Schritten:
- Mehrstufige Komprimierung/Druckerzeugung
- Polymerisation unter Zuführung von Initatoren
- Kühlung und mehrstufige Separation
- Extrusion und Trockung
- Entgasung, Lagerung und Verpacken
Neben dem hier visualisierten Röhren-Reaktor-Verfahren kommt alternativ das Autoklaven-Reaktor-Verfahren zum Einsatz, in welchem ebenfalls WIKA-Messtechniklösungen in vielfältiger Form eingesetzt werden.
Um einen gleichmäßig hohen Durchsatz bei konstanter Qualität zu erzielen, sind die Betreiber auf das Einhalten mehrerer kritischer Prozessparameter – Druck, Temperatur, Durchfluss, Füllstand – in den jeweiligen Anlagenteilen angewiesen.
Mehrstufige Niederdruck- und Hochdruckkompressoren
In gasförmiger Form wird frisches Ethylen mit recyceltem Ethylen vermengt und unter Beidosierung von Initiatoren erfolgt die Komprimierung des Gases auf 250 ... 300 bar. Anschließend wird der Prozessdruck in mehren Schritten mittels des Hyperkompressors auf 1.800 ... 3.200 bar gesteigert. Der benötigte Enddruck wird durch das jeweilige Reaktorkonzept bestimmt. Die während der Verdichtung entstehende Wärme wird mittels Hochdruckzwischenkühlern gezielt abgeführt.
Um sicherzustellen, dass die gewünschte Polymerisation kontrolliert gestartet wird und abläuft, müssen Medientemperatur und Mediendruck an jeder Stufe genau aufeinader abgestimmt sein. Besonders schnell ansprechende Temperatursensoren und Drucksensoren unterstützen die Anwender dabei, Kompressoren und Kühler sicher und effizient zu überwachen. Das spezielle Design der Sensoren kann Drücken bis zu 6.000 bar standhalten.
Hochvibrationsbeständige Temperatursensoren überwachen die korrekte Lagertemperatur am durchgehend stark beanspruchten Kompressor.
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Polymerisations-Reaktoren
Nachdem im Vorheizer die gewünschte Medien-Soll-Temperatur genau eingestellt wurde, findet im teils bis 4.000 Meter langen tubularen Hochdruckrohrreaktor die Polymerisation bei Drücken zwischen 1.800 ... 3.200 bar und Temperaturen zwischen 180 ... 320 °C in mehreren Schritten statt.
Durch das gezielte Beidosieren mehrer Katalysatoren (Ko-Monomere) in mehreren aufeinanderfolgenden tubularen Abschnitten mit unterschiedlichem Temperaturlevel entstehen aus einzelnen Monomeren langkettige und gleichzeitig weitverzweigte Polyethylen-Polymere. Durch genau dosierte Zusammensetzung und Menge kann die gewünschte Güte des Endprodukts gezielt eingestellt werden. Die Drucküberwachung der eng geregelten Hochdruckinjektionspumpe spielt eine kritische Rolle.
Gleichermaßen werden Mediendruck und Medientemperatur am Eingang und Ausgang des Röhren-Reaktors mit besonders schnell ansprechenden Sensoren überwacht. Sie sind in Druckstufen von 2.500 bar, 4000 bar, 6.000 bar bis hin zu 15.000 bar verfügbar.
Auf Hochdruck abgestimmte Fertigungs- und Prüfverfahren wie beispielsweise Vakuumlöten, Röntgen- und Hochdruckprüfungen gehören zum etablierten Verfahren bei WIKA. Im Autoklaven-Reaktor werden dagegen die Parameter an mehreren Stellen direkt im Reaktor gemessen.
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Hochdruck- und Niederdruck-Separatoren
Im Anschluss an die Polymerisierung wird der LDPE-Medienstrom auf rund 300 bar dekomprimiert und heruntergekühlt. Der Hochdruckseparator trennt die gewünschten Polymerschmelze von den nicht reagierten Ethylen-Gasanteilen. Ca. 60 % werden in einem Zyklus nicht konvertiert und als Recyclegas zum Kompressor zurückgeführt.
Im Niederdruckseparator erfolgt die weitere Abscheidung von Kühlöl und Wachsanteilen. Um die Abscheidung dauerhaft korrekt zu überwachen und ein mögliches Ablagern des Mediums in Toträumen zu verhindern, kommt in vielen LDPE-Anlagen an dieser Stelle die frontbündige Drucktransmitterlösung, bestehend aus Tubusdruckmittler und smarten Drucktransmittern, mit Druckstufen bis 600 bar zum Einsatz.
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Extrusion und Trocknung
In einem Extruder wird die Polymerschmelze in kleine granulare Festkörper-Pellets verarbeitet. Während des Extrudierverfahrens werden die restlichen Ethylengasbestandteile abgeschieden und verschiedene Additive, wie zum Beispiel Färbemittel, UV-Stabilisatoren, antistatische oder brandhemmende Zusätze hinzugefügt, um den Kunststoff für die späteren Einsatzwecke optimal anzupassen.
Zur Überwachung der Heiztemperatur kommen bajonettgefederte Temperatursensoren mit konstantem Anpressdruck zum Einsatz. Im anschließenden Prozessschritt wird die Feuchte der Pellets in Abhängigkeit des gewünschten Restfeuchteanteils mittels Heißlufttrockensysteme oder Entfeuchtungssystemen auf minimale Restfeuchte reduziert.
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Entgasung und Lagerung
Bis zum Weitertransport als Schüttgut, oder zur Absackung in gewünschte Gebinde, werden die LDPE-Pellets in hohen Silos gelagert. Um im Inneren die Ansammlung eines möglichen explosiven Gasgemischs zu verhindern, wird an mehreren Stellen meist Stickstoff als Spülgas eingeblasen um die ausgasenden Anteile der LDPE-Pellets kontrolliert abzuführen.
Der konstante Spülstrom wird wahlweise mittels Messstrecke oder Kompaktmessblende mit montiertem Differenzdrucktransmitter exakt überwacht und trägt somit zur dauerhaften Sicherheit in der Anlage bei.
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