Petrokemiallinen teollisuus
Muovit

Öljynjalostuksen luonnollisena jatkoteollisuutena on jalostamon yhteyteen rakennettu petrokemian teollisuus. Suomessa Neste valmistaa petrokemian tehtaillaan eteeniä, butadieeniä, propeenia, bentseeniä, kumeenia, fenolia ja asetonia. Näistä eteeni ja propeeni menevät yhtiön muovitehtaille, jotka valmistavat niistä muovia.

Nesteellä on myös polystyreeni- sekä polyesteri- ja pehmitintehdas. Ne sijaitsevat muovitehtaan lähellä Porvoon tuotantolaitoksilla. Nesteellä on polystyreenitehdas myös Kokemäellä.

Petrokemian tehtailla on syöttöaineena muun muassa jalostamolta saatava teollisuusbensiini. Se kuumennetaan uuneissa, jolloin sen kemiallinen rakenne muuttuu hiilivetymolekyylien pilkkoutuessa. Tämän jälkeen erotellaan prosessiteknisin keinoin eri hiilivedyt, kuten eteeni, butadieeni, propeeni ja bentseeni. Propeenista ja bentseenistä tehdään petrokemian tehtailla kumeenia ja siitä edelleen fenolia ja asetonia. Fenolia käytetään liimojen valmistukseen ja eristevillojen sideaineena. Asetonia puolestaan käytetään liuotinaineena.

Eteeni on tärkeä muovien raaka-aine. Se jalostetaan Nesteen muovitehtailla joko polyeteeniksi (LDPE) tai polyvinyylikloridiksi (PVC). Propeeni puolestaan jalostetaan polypropeeniksi. Nämä ovat kolme yleisintä polymeerityyppiä. Tärkeimmät käyttökohteet ovat pakkaukset, rakentaminen, sähkötarvikkeet, kuljetus ja kodinkoneet. Polystyreenitehtaan tuotteita ovat eristys- ja pakkausmuovit. Polyesterihartseista tehdään esimerkiksi lujitemuovituotteita.
Tuotantoketju raakaöljysta muoveiksi.jpg (563033 bytes)

Muovit

1910-luvun alussa kemistien onnistui yhdistää kemian rakennusosaset jättiläismolekyyleiksi. Keksittiin aineita, joita ei luonnossa ole alunperin esiintynyt: muovit. Ensimmäinen muovi, bakeliitti, valmistettiin fenolista ja formaldehydistä. Muoviteollisuuden nykyinen raaka-aine on useimmiten öljy. Öljystä valmistetaan orgaanisia kemikaaleja, esim. eteeniä ja styreeniä, ja niistä vuorostaan muodostetaan polymeerejä tai makromolekyylejä.

Sana muovi on yleisnimi. Polyfenoli, polyamidi (nailon), polyeteeni ja polyvinyylikloridi ovat esimerkkejä polymeereistä, joista jokaisella on omat ominaisuutensa. Muovien ominaisuuksia voidaan muunnella paljon monipuolisemmin kuin perinteisten materiaalien kuten puun tai raudan. Siksi muoveille on löydetty monia käyttöalueita.

Muoveista muotoillaan ja valmistetaan monenlaisia tuotteita: pakkauksia, kaapelieristeitä, vesijohtoputkia, maaleja, liimoja, laminoituja levyjä, autonosia yms.

Muovien käsittely tapahtuu tavallisesti suhteellisen matalassa lämpötilassa ja vähällä energialla. Jotkin muovit kestävät hyvin mekaanista kulutusta, toiset taas korkeita lämpötiloja. Muovi ei myöskään ruostu.

Erilaiset raaka-ainetavarat, kuten malmit ja öljy, eivät lopu yhtäkkisesti, mutta tulee yhä vaikeammaksi ja kalliimmaksi löytää uusia raaka-aine-esiintymiä, joita kannattaa hyödyntää. Muovit voivat osittain korvata muita niukoiksi ja kalliiksi käyneitä raaka-aineita. Muoveista on tullut välttämättömiä mm. rakennus-, konepaja- ja pakkausteollisuudessa. Muoviala kehittyy jatkuvasti. Erityisesti etsitään uusia tapoja yhdistää muovia ja tavanomaisempia materiaaleja, kuten muovia ja erilaisia metalleja, muovia ja puuta tai muovia ja kuituja.

Muovit ovat orgaanisia aineita ja siis pääasiassa hiilen yhdisteitä. Niitä on saatavana sekä kiinteinä että nestemäisinä eri käyttötarkoituksiin. Muovit voidaan jakaa ryhmiin joko fysikaalisten ominaisuuksien (kertamuovit, kestomuovit) tai kemiallisten ominaisuuksien perusteella. Kemiallinen jako on tarkempi, ja se perustuu polymeerien rakenteeseen.

Kertamuovit

Kertamuovien valmistusvaiheessa keskeytetään reaktio siten, että tuote jää vielä suhteellisen pienimolekyyliseksi, jolloin se on lämmössä pehmenevää kiinteää tai nestemäistä.

Toisessa vaiheessa joko pelkästään lämmön tai eräiden lisäaineiden, ns. kovettimien, avulla saadaan aikaan lopullisen muovin syntyminen. Tällaisen muovin molekyyli on erittäin suuri, verkkoutunut avaruusmolekyyli, eikä tuotetta saada enää lämmön avulla pehmenemään, vaan riittävästi kuumennettaessa se alkaa hajota alkuaineikseen.

Kestomuovit

Kestomuovit muodostuvat pitkistä joko haarautuneista tai haarautumattomista ns. lankamolekyyleistä. Ne ovat kemiallisesti tyydyttyneitä eivätkä verkkoudu jatkokäsittelyssä lämmön vaikutuksesta, joskin ne pehmenevät muuttuen vähitellen viskoosiksi nesteeksi. Koska pitkät molekyyliketjut ovat kietoutuneet toisiinsa, ei kestomuoveilla ole selvää sulamispistettä, vaan puhutaan niiden pehmenemispisteestä.

Muovien rakenne

Makromolekyylit voivat olla kolmiulotteisia ketjumolekyylejä tai haarautuneita ketjumolekyylejä.
Eteenin polymerointi.jpg (155115 bytes)

Muovien molekyylipainot, jotka riippuvat polymeroitumisasteesta, voivat olla aina 107-luokkaa. Molekyylirunko on tavallisesti muodostunut hiiliatomeista, joiden lisäksi runkoatomeina voi esiintyä happi, typpi, rikki ja pii. Molekyylin pääteryhmällä on vähän merkitystä polymeerin mekaanisiin ominaisuuksiin.

Korkeapainepolyeteeni, LDPE

Nesteen korkeapainepolyeteenin valmistusprosessin pääraaka-aine on eteenikaasu, joka tulee Nesteeltä n. 15 bar:n paineessa kompressoriin, jossa paine nostetaan 40 bar:iin. Primäärikompressori nostaa kaasun paineen 280 bar:iin, jonka jälkeen kaasuvirtaan lisätään valmistettavan polyeteenilaadun vaatimat lisäaineet, ns. modifikaattorit ja ko-monomeerikomponentit. Sekundäärikompressorissa nostetaan edelleen kaasun

paine n. 2400 bar:iin, jossa paineessa kaasu syötetään reaktoriin. Reaktion aikaansaamiseksi kaasuvirtaan lisätään tarpeelliset katalysaattorit.
Korkeapainepolyeteenin valmistus.jpg (495098 bytes)

Reaktorissa n. 15 % siihen tulevasta kaasusta muodostuu polyeteeniksi. Erotettu sula polymeeri johdetaan matalapaine-erottimeen, jossa normaalipaineessa loppu kaasu erotetaan ja pumpataan kompressorilla joko polyeteeniyksikön kaasukierron alkuun tai puhdistettavaksi Nesteen eteenilaitokselle. Matalapaine-erottimesta sula polymeeri johdetaan suulakepuristimeen, jossa se rakeistetaan. Suulakepuristimessa polymeeriin lisätään sen teknisten ominaisuuksien parantamiseksi tarvittavia lisäaineita. Rakeistettu muovi puhalletaan kuivauksen jälkeen siilovarastoon analysointia ja pakkausta varten.

Korkeapainepolyeteenistä valmistetaan pääasiassa

Korkeapainepolyeteenia voidaan valmistaa myös mustaksi ja valkoiseksi värjättyjä laatuja.

Polyvinyylikloridi, PVC

Polyvinyylikloridia valmistetaan vinyylimonomeeristä , joka on valmistettu eteenistä ja kloorista suorakloorauksella ja oksikloorauksella.

Puhdas vinyylikloridi johdetaan jaksottaisena prosessina PVC-yksikköön. PVC-yksikkö tuottaa suspensio- ja sekapolymeerejä, ja jakautuu osiin, jotka ovat polymerointi, suspensiokuivaus, ja vinyylikloridin talteenotto.
Vinyylikloridin valmistus ja polymerointi.jpg (269451 bytes)

Vinyylikloridin polymerointi tapahtuu tuotteen laadun mukaan määräytyvässä suhteellisen matalassa paineessa ja lämpötilassa. Polymerointireaktion käynnistämiseksi on dispersioon lisättävä initiaattori, jona tavallisesti toimii orgaaninen peroksidi. Reaktiokierron alussa seoksen lämpötilaa nostetaan, jolloin peroksidi hajaantuu tuottaen vapaita radikaaleja. Samalla alkaa polymerointireaktio, joka on voimakkaasti eksoterminen. Voimakkaan sekoituksen ja reaktorin kaksoisvaipassa kulkevan jäähdytysveden avulla voidaan reaktioseoksen lämpötila pitää halutulla tasolla. Reaktion päätyttyä suoritetaan kaasunpoisto suspensiopolymeereille erillisessä kaasunpoistoreaktorissa. Reagoimaton monomeeri johdetaan talteenottoysikköön, jossa se nesteytetään, puhdistetaan ja palautetaan polymerointiin.
Polyvinyylikloridin valmistus.jpg (285102 bytes)

Suspensiopolymeerit kuivataan sentrifuugeissa ja rumpukuivaimessa. Lopputuotteiden laatua voidaan suuresti vaihdella lisäaineiden ja reaktio-olosuhteiden avulla.

PVC:stä tehdään mm.

Polystyreeni

Polystryreeniä valmistetaan suspensiopolymerointimetodin avulla panosreaktoreissa. Suspensiopolymeroinnissa monomeeri sekoitetaan vesifaasiin, ja polymeeri saadaan ulos pieninä, tietynkokoisina helminä. Polymeroitaessa lisätään öljyliukoisia katalyyttejä ja säädetään lämpötila määrätyn ohjelman mukaisesti. Polymerointi etenee pisaroissa vesifaasin toimiessa lämmönsiirtoaineena.
Styreenin polymerointi.jpg (186992 bytes)

Iskunkestävän polystyreenin valmistusprosessi alkaa liuottamalla synteettistä kumia styreenimonomeriin. Kumiliuos polymeroidaan termisesti tiettyyn konversiovaiheeseen ennen kuin se siirretään suspensioreaktoriin, missä siihen lisätään pehmitin ja öljyliukoiset katalyytit. Pisarakoko säädetään n. 0,2 mm:ksi, mikä aikaansaa sopivan suspension. Täydellisen polymeroitumisen jälkeen reaktorin sisältö tyhjennetään puskusäiliöön, minkä jälkeen lietteestä poistetaan jatkuvasti vettä linkoamalla. Rakeet kuivataan kuumalla ilmalla ja kuljetetaan lisäaineiden sekoitukseen, puristukseen ja rakeistukseen.
Iskunkestävän polystyreenin valmistus.jpg (398608 bytes)

Yleiskäyttöpolystyreeniä valmistetaan samoin kuin iskunkestävää styreeniä. Koska tuotteen on oltava kristallinkirkasta, käytetään omaa kuivaus- ja puristuslinjaa likaantumisen estämiseksi.

Solumuovipolystyreenin valmistus alkaa myös suspensioreaktorista. Haluttu keskimääräinen raekoko on n. 1 mm. Raekokoa valvotaan tarkkaan ensimmäisten 2 - 3 polymerointitunnin aikana. Osittain polymeroidut rakeet kyllästetään pentaanilla, minkä jälkeen polymerointi suoritetaan loppuun.

Lingonnan ja kuivaamisen jälkeen rakeet kuljetetaan seulottavaksi eri raekokoluokkiin, ja lopuksi ne päällystetään erikoisaineilla käyttöominaisuuksien parantamiseksi.

Polystyreenimuovia käytetään elintarvikepakkausten ja astioiden valmistamiseen. Vaahdotetulla solupolystyreenillä on hyvä lämmöneristyskyky ja sitä voidaan käyttää myös kellukkeissa ja pehmusteissa.

Polypropeeni

Petrokemian tehtailta tulevasta propeenista poistetaan rikkiyhdisteet ja vesi. Puhdistettu propeeni sekoitetaan kierrätyspropeenin kanssa syöttösäiliössä ja pumpataan reaktoreille.

Esipolymeroinnin jälkeen varsinainen polymerointi tapahtuu kahdessa isossa loopreaktorissa, jotka toimivat sarjassa. Nestemäistä propeenia syötetään molempiin reaktoreihin. Reaktio tapahtuu 70 ºC:n lämpötilassa ja noin 35 bar:n paineessa.

Polymeroinnin jälkeen tapahtuu kaasunpoisto, monomeerin talteenotto, polymeerin höyrykäsittely ja kuivaus sekä lisäaineistus ja ekstrudointi.

Polypropeenista valmistetaan pääasiassa