[석유화학] 합성수지 'LDPE, HDPE, PP' 주요 생산 공정 - 1편 (Feat. 폴리에틸렌)

Intro

 

주로 플라스틱 제품 제조에 사용되는 합성수지에는 LDPE, HDPE, PP, PS, ABS, PVC 등 있습니다. 1편에서는 LDPE, HDPE, PP 제품에 대한 주요 생산 공정에 대해 알아보겠습니다. 각 공정별 개요, 원료, 공정, 기술선으로 나누어 정리하였습니다.

 

기초유분, 중간원료의 주요 생산 공정이 공굼하시다면 아래를 확인해 주세요.

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폴리에틸렌(PE) 제조 공정

√ 다양한 결정 구조를 가진 가볍고 내구성이 뛰어난 열가소성 수지

√ 폴리에틸렌의 상업적 제조 공정은 제조회사에 따라 차이가 있으나 근본적인 공정은 대동소이함

√ 에틸렌의 중합으로 폴리에틸렌을 제조하며, 고압법, 저압법, 중압법으로 3가지가 있음

√ 폴리올레핀 계열의 폴리머에 속하며, 밀도와 분기에 따라 분류됨 (LDPE, LLDPE, HDPE, UHMWPE, PEX or XLPE)

 

01 고압법

- 가스사의 정제된 에틸렌을 1000기압 이상으로 압축 후 반응기에 투입

- 미량의 공기촉매를 사용하게 되면 낮은 밀도를 가진 LDPE가 생성

- 고압상태에서 반응속도가 매우 빠르고 반응기 내에서 대류시간이 짧음

- 반응의 중합율은 10~25%로 낮고 결정화된 부분도 65%밖에 되지 않음

- 결정화도가 낮기 때문에 가공성, 유연성, 투명성이 우수

 

02 저압법

- 상압에서 사염화티타늄과 삼에틸알루미늄 촉매를 넣어 반응하는 방법

- 고압법으로 제조되던 폴리에틸렌은 촉매가 개발되면서 비교적 낮은 압력에서도 제조 가능하게 됨

- 이 공정을 사용하면 밀도가 높은 HDPE가 생성

- 고압법보다 낮은 압력으로 반응이 진행되기 때문에 반응시간이 길어 중합율은 50%, 결정화된 부분도 86%로 높아짐

- 결정화도가 높기 때문에 투명성이 낮고 기계적 강도는 우수

 

03 중압법

- 고압법과 저압법의 중간

- 고압법보다는 낮은 30~100기압 사이의 압력으로 공정이 진행 (스탠다드법과 필립스법)

- 스탠다드법은 금속산화물을 촉매로 이용하고 필립스법은 산화크롬을 촉매로 이용

- 이 반응으로 LDPE보다 선형인 LLDPE가 생성

- LLDPE는 LDPE과 HDPE 사이의 물성을 지니고 있지만 강인성과 투명성의 균형이 좋으며, 내열성도 우수

 

LDPE 제조 공정

01 개요

- 에틸렌을 고압하에서 중합시킨 제품

- 밀도는 0.91~0.94G/CM3 범위

- 투명성 내충격성, 내후성, 연신성이 우수하며 인장강도 및 수분흡수는 낮음

- 주요 용도로는 농업용필름, 전선피복 등으로 사용되며, 수도 호스, 용기 뚜껑 등에 사용

- 발포제와 가공하여 가전제품 포장의 충격 방지 폼으로 사용

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02 원료

- 에틸렌 (Ethylene)

 

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03 공정

- 자유 라디칼 중합 공정을 통해 고압(1000-3000 bar, 80-300℃)에서 생산

- 원료 에틸렌은 1차 압축기에서 압축, 2차 압축기에 의해 약 2,000ATM 의 반응 압력까지 압력을 높여 냉각기로 적정 온도까지 냉각 후 반응기로 투입

- 생산되는 제품에 따라 반응 압력, 온도, 촉매의 양을 조절하여 반응기 내 교반기로 교반하여 중합을 진행시킴

- 반응기에서 부분적으로 중합된 후 폴리머 혼합물 형태로 반응기 하부에서 고압 분리기로 보내짐

- 고압분리기에서 중합체와 미반응 에틸렌이 분리되고 분리된 미반응 에틸렌은 냉각기로 냉각되어 2차 압축기로 순환

- 중합체는 고압분리기 하부에서 저압분리기로 보내지며, 저압분리기에서 회수된 미반응 에틸렌은 1차 압축기로 순환

- 저압분리기에서 정제된 중합체는 압축기 호퍼에서 용융된 상태로 압출기 이송, 팔레트화 후 냉각, 건조, 포장 공정을 거처 출하

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출처 - 한화솔루션

 

04 기술선

- ExxonMobil : Autocalve, tubular

- Lyondell Basel : Lupotech T, Tubular / Lupotech A, Autoclave

- Polineri Europe : Autoclave, Tubular

- Mitubishi : Autoclave

- Slmin carves : Autoclave

 

HDPE 제조 공정

01 개요

- 에틸렌을 중,저압의 중합방법으로 제조 (LDPE 대비 낮은 가지 사슬 구조)

- 밀도는 0.94~0.97G/CM3 범위

- 높은 인장강도를 가지며, 충격강도, 연신성, 유연성이 우수

- 주요 용도로는 전선피복, 파이프, 용기, 식기제, 고성능 필름, 완구제, 플라스틱 용기(전자레인지 용) 등에 사용

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02 원료

- 에틸렌 (Ethylene)

- 촉매 (3가지) : Ziegler-Natta Organometallic catalyst (aluminum alkyl 혼합), Phillips type (무기물, 실리카 기반 크롬옥사이드 촉매), 메탈로센 촉매

 

03 공정

- 촉매제조(조제) → 중합반응 → 분리/건조 → 정제 → 제립/저장/출하

- 70~300℃ 의 온도 및 10-80 bar의 압력에서 제조

 

[간단히 요약]

- 에틸렌 중합 : 에틸렌 가스는 촉매를 사용하여 중합, 긴 사슬 폴리머 분자의 형성을 개시

- 고압중합 : 고압중합 공정을 사용하여 생산하며 이 방법은 결정 구조를 갖는 고밀도 중합체 생성

- 용융 압출 : 폴리머가 용융되어 시트, 파이프 또는 용기와 같은 원하는 모양으로 압출

- 냉각 및 응고 : 압출된 재료는 빠르게 냉각, 응고되어 형태 유지

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출처 - 한국산업안전공단

 

04 기술선

- Solution : DSM, DOW, DUPONT 제조 공법이 있으며, 반응 조건이 고온고압이나 체류시간이 짧아 소규모 반응기 사용이 가능, 저분자량 제품 생산에 적합

- Slurry : Phillips, Solvay, Hoechst, Mitsui, Chisso 등 다양한 공법이 잇으며, 우수한 물성의 제품을 넓은 범위로 생산 가능

- GAS : UCC, BP 등이 있으며, 용매 관련 공정이 생략되어 투자비, 운전비용 절감되나 중합 열제거가 다소 까다로움

 

PP 제조 공정

01 개요

- 프로필렌을 중합하여 제조하는 합성수지

- 경량 엔지니어링 플라스틱 중 하나

- 밀도는 0.895~0.92G/CM3 범위 (PE 대비 낮음)

- 환경호르몬을 배출하지 않아 플라스틱 중에서 가장 안전하다고 여겨지는 소재

- 인장강도, 충격강도, 전기적 특성, 내구성 등이 우수

- 주요 용도로는 음식물 포장 용기, 필름, 섬유, 자동차 부품, 건축 및 건설자재 등으로 다방면에 사용

- HOMO PP, BLOCK PP, RANDOM PP, TER PP 로 분류됨

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출처 - 한화토탈에너지스

 

02 원료

- 중합용 프로필렌 (Propylene)

 

03 공정

- 정제공정, 반응공정, 제립공정, 포장공정, 출하 순으로 구성

 

1. 정제공정

- 공장으로 원료가 투입 될 때, 원료(에틸렌, 프로필렌)의 불순물을 제거하기 위한 공정

** 불순물: 아세틸렌, 산소, 수분 등 - 원료 중에 포함되어 있는 촉매독을 제거후 반응기에 공급하기 위함

** 촉매독: 일산화탄소, 이산화탄소, 산소, 수분, 황화수소 등

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출처 - GS칼텍스 홈페이지

 

2. 반응공정 (발열반응)

- 반응기는 라이센서마다 다름. UCC에서 개발한 Unipol 프로세스는 기상중합 공정

** 기상중합공정은 기상의 프로필렌과 고체 촉매가 직접적인 접촉에 의해서 반응함

** 기상 중합 공정이라 반응을 상대적으로 액상공정에 비해 조절하기 어려움으로 분자량 분포도가 넓음

** 온도, 압력, 조성 등을 통한 물성 조절 변수가 다양해서 전체적인 운전이 어려움

** 기상반응기에서는 유동화가 내부에서 일어나서 반응속도가 액상반응기에 비해서 빠르며, 열전달이 용이함

 

3. 제립공정

- 1단계 : 반응기에서 생성된 Powder 상태의 폴리프로필렌은 Degasing/Purge 단계를 거쳐 제립공정에 Feed 되어 첨가제와 혼합하고 용융, 절단, 고형화되어 Pellet 상태로 생산

- 2단계 : Pelleting 공정은 Feed 되는 Resin 과 첨과제를 혼합하고 용융시키며, Mixing과 Extrusion 기능을 갖음

- 3단계 : 첨가제는 Feed Resin과 함께 연속 혼합기(LCM)로 주입. 혼합기 배출 압력에 따라 Melt Pump 속도를 조절. Melt Pump를 통해 가압된 고압의 Resin은 Screen Pack에서 이물질이 제거되어 Dieplate Channel로 들어감. 용융물은 Steam으로 가열된 Dieplate를 통해 사출되고, 회전칼에 의해 수중에서 Pellet화 됨

- 4단계 : 탈수에 의해 물은 제거 된 후 PCW Tank로 회수되어 재생됨. 원심 건조기에서 Pellet는 건조되어 제품 Bin에 이송

 

4. 포장

- 저장 사일로로 이송된 폴리프로필렌을 고객사의 요구에 맞게 25kg bag부터 1톤 bag까지 다양하게 포장함

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출처 - GS칼텍스 홈페이지

 

5. 출하

- 수출용 컨테이너 20ft에서는 25kg이 14톤 또는 16톤 / 40ft는 25 bag 22톤

- 고차계군 출고 →  요청서접수 → 전표작성 →  상차 →  전표접수 및 영차 계근 → 계량표/품질보증서/고객전표 발급

 

04 기술선

- ExxonMobil : Autocalve, tubular

- Lyondell Basel : Lupotech T, Tubular / Lupotech A, Autoclave

- Polineri Europe : Autoclave, Tubular

- Mitubishi : Autoclave

- Slmin carves : Autoclave

 

END

 

플라스틱 제품 제조에 사용되는 합성수지 중 1편에서는 LDPE, HDPE, PP 제품에 대한 주요 생산 공정에 대해 알아보았습니다. 각 공정별 개요, 원료, 공정, 기술선으로 나누어 정리하였으며 2편에서는 PS, ABS, PVC 제품에 대한 주요 생산 공정에 대해 알아보겠습니다.

 

LDPE, HDPE, PP 에 대한 용도와 특성, 생산 공정에 대해 조금이나마 이해와 도움이 되셨기를 바랍니다.

 

 

※ 본 내용들은 다양한 사이트에서 내용을 발췌하여 개인 공부용으로 정리했으며, 제조사별 공정 내용이 다를 수 있는 점 참고 하시길 바랍니다.