우수한 물성 조합—습기 및 화학적 저항성, 뛰어난 인장 강도, 높은 유연성—덕분에 LDPE(Low-Density Polyethylene, 저밀도 폴리에틸렌)의 수요는 지속적으로 증가하고 있습니다. LDPE는 이제 일상생활에서 필수적인 소재로 자리 잡았으며, 견고한 포장재를 통해 식품을 안전하게 보호하고 냉장고까지 운반하는 역할을 합니다. LDPE는 최대 3,200 bar 의 압력, 300 °C 의 온도 및 촉매제 첨가 조건에서 가스 상태의 에틸렌을 과열 중합(열중합)하여 과립형 폴리에틸렌으로 변환하는 방식으로 생산됩니다.
제작 과정은 다음 5단계로 진행됩니다:
- 다단계 압축/압력 생성
- 개시제를 첨가한 중합
- 냉각 및 다단계 분리
- 압출 및 건조
- 가스 제거, 보관 및 포장
여기에 시각화된 튜브 반응기 공정 외에도 오토클레이브 반응기 공정이 대안으로 사용되며, 두 공정 모두 다양한 형태의 WIKA 측정 기술 솔루션을 활용합니다.
일관된 품질로 높은 생산량을 달성하기 위해 운영자는 각 플랜트 섹션에서 압력, 온도, 유량, 레벨 등 몇 가지 중요한 공정 매개 변수를 유지해야 합니다.
다단 저압 및 고압 컴프레서
기체 상태의 신선한 에틸렌은 재활용된 에틸렌과 혼합하고 개시제를 첨가하면서 가스를 250 ~ 300 bar로 압축합니다. 그런 다음 하이퍼 컴프레서를 사용하여 공정 압력을 여러 단계에 걸쳐 1,800 ... 3,200 bar까지 증가시킵니다. 필요한 최종 압력은 각 리액터(반응기) 개념에 따라 결정됩니다. 압축 과정에서 발생하는 열은 고압 인터쿨러를 사용하여 체계적으로 제거됩니다.
원하는 중합이 시작되고 제어된 방식으로 진행되도록 하려면 각 단계의 매체 온도와 매체 압력을 정확하게 일치시켜야 합니다. 특히 빠르게 반응하는 온도 센서와 압력 센서는 사용자가 컴프레서와 냉각기를 안전하고 효율적으로 모니터링하는 데 도움이 됩니다. 센서의 특수 설계는 최대 6,000 bar의 압력을 견딜 수 있습니다.
높은 진동 저항성을 가진 온도 센서는 전체적으로 심한 스트레스를 받는 컴프레서의 정확한 베어링 온도를 모니터링합니다.
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중합 반응기
예열기에서 원하는 매체 온도를 정확하게 설정한 후, 중합화는 고압 튜브ㅜ에서 여러 단계로 진행됩니다. 이 반응기는 길이가 최대 4,000미에 달하며, 압력은 1,800 ... 3,200 bar, 온도는 180 ... 320 °C 사이를 갖습니다.
여러 개의 촉매(공중합체)를 선택적으로 추가하여, 서로 다른 온도 수준의 여러 튜브 구간에서 장쇄(동시에 널리 분지된) 폴리에틸렌 폴리머를 개별 단량체로부터 생산합니다. 최종 제품의 원하는 품질은 성분과 양을 정밀하게 투여하여 구체적으로 조정할 수 있습니다. 정밀하게 제어되는 고압 사출 펌프의 압력 모니터링은 매우 중요한 역할을 합니다.
마찬가지로 튜브형 반응기의 입구와 출구에서 매체 압력과 매체 온도는 특히 반응 속도가 빠른 센서로 모니터링됩니다. 이 센서는 2,500 bar, 4,000 bar, 6,000 bar에서 최대 15,000 bar의 압력 범위에서 사용할 수 있습니다.
진공 브레이징, X-ray 및 고압 테스트와 같은 고압에 적합한 제조 및 테스트 프로세스는 WIKA의 확립된 프로세스의 일부입니다. 반면에 오토클레이브 반응기에서는 여러 지점에서 반응기 내부의 매개 변수를 직접 측정합니다.
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고압 및 저압 분리기
중합 후 LDPE 매체 스트림은 약 300 bar로 감압되어 냉각됩니다. 그런 다음 고압 분리기는 반응하지 않은 에틸렌 가스 성분에서 원하는 폴리머 용융물을 분리합니다. 약 60 %는 단일 사이클에서 전환되지 않고 재활용 가스로 압축기로 반환됩니다.
저압 분리기에서는 냉각 오일과 왁스 성분의 추가 분리가 이루어집니다. 분리를 지속적이고 정확하게 모니터링하고 데드 스페이스 내에 매체가 침전되는 것을 방지하기 위해, 많은 LDPE 플랜트에서는 600바까지 압력 등급을 가진 튜브형 다이어프램 씰과 스마트 압력 변환기로 구성된 플러시 장착형 공정 송신기 솔루션이 사용됩니다.
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압출 및 건조
압출기에서 폴리머 용융물은 작고 단단한 과립형 펠릿으로 가공됩니다. 압출 과정 중에는 남아있는 에틸렌 가스 성분이 분리되며, 플라스틱을 이후 용도에 최적으로 맞추기 위해 색소, UV 안정제, 정전기 방지제 또는 난연제와 같은 다양한 첨가제가 추가됩니다.
일정한 접촉 압력을 가진 베이오넷 스프링 온도 센서는 가열 온도를 모니터링하는 데 사용됩니다. 후속 공정 단계에서는 원하는 잔류 수분 함량에 따라 열풍 건조 시스템 또는 제습 시스템을 사용하여 펠릿의 수분을 최소 잔류 수분으로 줄입니다.
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가스 제거 및 보관
LDPE 펠릿은 벌크 재료로 운송되거나 원하는 용기에 포장될 때까지 높은 사일로에 보관됩니다. 내부에 폭발 가능성이 있는 가스 혼합물이 축적되는 것을 방지하기 위해 일반적으로 퍼징 가스로 질소를 여러 지점에 주입하여 LDPE 펠릿의 탈기체 성분을 제어된 방식으로 제거합니다.
정상적인 퓨즈 흐름은 미터 런 또는 차압 변환기가 장착된 컴팩트 측정 오리피스를 사용하여 정확하게 모니터링되며, 시스템의 지속적인 안전에 기여합니다.
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