Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ФОРПОЛИМЕРИЗАЦИИ МОНОДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ

Изобретение относится к технологии производства полимерных гранул, используемых для получения ионообменных смол.

Производство монодисперсных сополимерных частиц включает стадии генерации монодисперсных капель и проведения суспензионной полимеризации, которая проводится в два этапа: предварительная полимеризация монокапель в водной дисперсионной среде и окончательная полимеризация в отдельном аппарате с получением моносферических гранул.

Известен способ проведения суспензионной полимеризации (патент США 4870143, С08F 2/20, С08F 12/08, опубл. 26.09.1989), который выполняется на установке, содержащей каплеобразующее устройство, в которое через линию подачи подается мономерная жидкость и через отверстия фильеры с образованием капель равного размера вводится в водную дисперсионную среду, введенную в устройство через свою линию подачи; реактор колонного типа с коническими верхней и нижней частями, содержащий входное отверстие в верхней части для введения и формирования потока вниз водной дисперсионной среды и выходное отверстие в нижней части для ее вывода, линию циркуляции, подсоединенную к выходному отверстию для выведения водной дисперсионной среды и циркуляции ее во входное отверстие, линию подачи суспензии жидких капель мономера в водной дисперсионной среде, подсоединенную к линии циркуляции в верхней части, и линию выведения образуемых полимерных частиц в водной дисперсионной среде. В таком устройстве процесс суспензионной полимеризации осуществляется в одном аппарате за счет наличия линии циркуляции.

Наиболее близким аналогом заявленного решения является способ производства полимерных монодисперсных частиц, известный из патента Российской Федерации №2315061, опубликованного 20.01.2008, включающий проведение предварительной полимеризации путем введения в реактор полученных жидких капель мономера в водной дисперсионной среде, проведения полимеризации в псевдоожиженном слое с получением суспензии частично полимеризованных капель мономера в водной дисперсионной среде до степени, когда капли уже не могут сливаться или разбиваться.

Недостатком данного способа является: изменение размеров капель в процессе форполимеризации. Главными причинами этого изменения являются слияние капель или разделение капли на две и более. Оба явления происходят при слишком сильном перемешивании. Уменьшение доли капель в перемешиваемой эмульсии увеличивает расстояние между ними и снижает вероятность их столкновения. Слияние наступает также и в застойных, плохо перемешиваемых зонах реактора. Вязкость концентрированных эмульсий очень сильно растет с увеличением доли капель. Это способствует образованию застойных зон и байпасных потоков в слое капель. Особо надо отметить, что распад капель и дальнейшее их слияние происходит при растягивании капли силами поверхностного натяжения на границе раздела жидкой и газовой фаз.

Причины возникновения указанных недостатков устраняются в процессе осуществления способа форполимеризации монодисперсных капель, включающего подачу эмульсии монодисперсных капель в реактор, перемешивание эмульсии до достижения точки желатинизации и передачу прошедших форполимеризацию капель на дальнейшую обработку, причем согласно изобретению вначале осуществляют подачу стабилизатора в реактор, содержащий корпус, оснащенный входом и выходом для введения и вывода эмульсии, средство для циркуляции раствора стабилизатора, средство для перемешивания эмульсии, представляющее собой тихоходную комбинированную мешалку, расположенную в верхних 2/3 реактора, с тремя группами перемешивающих органов различной формы и диаметра, расположенных в различных плоскостях, причем центральный вал мешалки, после первой группы перемешивающих органов выполнен с диаметром большим, чем до нее, конусную крышку, в верхней части которой размещен сальниковый узел средства перемешивания, выполненный в виде соединенной с конусной крышкой реактора трубы, внутри которой размещен вал средства для перемешивания и содержащей два штуцера, первый - для подачи раствора стабилизатора и второй - для сообщения с атмосферой, при этом первый штуцер расположен ниже относительно второго, а в зоне указанных штуцеров вал мешалки установлен с зазором со стенками трубы сальникового узла, при этом поверхности корпуса, крышки и мешалки, контактирующие с эмульсией, выполнены из материала, препятствующего налипанию монодисперсных капель, стабилизатор подают в реактор при включенной мешалке до момента, когда он заполнит реактор и поступит в систему циркуляции стабилизатора, затем в реактор подают эмульсию монодисперсных капель, вытесняющую избыточный объем стабилизатора в систему циркуляции, до окончания заполнения реактора эмульсией начинают его нагрев до температуры, не превышающей 65°С, для сокращения времени выхода на температуру форполимеризации, при этом расход стабилизатора, подаваемого через верхнюю зону реактора, определяют исходя из условия образования равномерно кипящего взвешенного слоя монодисперсных капель, находящегося на расстоянии 500-700 мм выше дна реактора, расположение слоя монодисперсных капель контролируют при помощи емкостного датчика, в соответствии с показаниями которого изменяют расход стабилизатора, далее повышают температуру реактора до 75°-80° и осуществляют форполимеризацию при одновременном мягком перемешивании до достижения «точки желатинизации», после чего, без отключения мешалки, циркуляцию стабилизатора прекращают, после того как капли собираются в верхней части реактора, сливают избыточный стабилизатор, а затем достигшие упругого состояния капли перемещают в полимеризатор для завершения процесса получения гранул одинакового размера.

Изобретение поясняется прилагаемыми чертежами.

На фиг.1 изображен общий вид реактора для форполимеризации.

На фиг.2 изображено средство для перемешивания.

На фиг.3 изображена конструкция сальникового узла.

Реактор содержит корпус 1, оснащенный, по меньшей мере одним, входом 2 для введения эмульсии монодисперсных капель в водном растворе стабилизатора, выходом 3 для вывода эмульсии, содержащей монодисперсные капли, достигшие упругого состояния, расположенным в нижней части корпуса, средство для циркуляции раствора стабилизатора (не показано), средство для перемешивания эмульсии 4. Корпус выполнен в виде цилиндрической емкости с конусной крышкой 5, имеющей угол при вершине 60°, в верхней части которой размещен сальниковый узел 6 средства для перемешивания, выполненный в виде соединенной с конусной крышкой реактора трубы 7, внутри которой размещен вал 8 средства для перемешивания и содержащей два штуцера, первый 9 - для подачи раствора стабилизатора и второй 10 - для сообщения с атмосферой, причем первый штуцер расположен ниже относительно второго, при этом в зоне указанных штуцеров вал средства для перемешивания установлен с зазором 11 со стенками трубы сальникового узла, а само средство для перемешивания представляет собой тихоходную комбинированную мешалку, расположенную в верхних 2/3 реактора, с тремя группами перемешивающих органов 12 различной формы и диаметра, расположенных в различных плоскостях обеспечивающими мягкое перемешивание с сохранением размера капель и размешивание байпасных потоков и застойных зон. Центральный вал 13 мешалки, для предотвращения образования центральной застойной зоны, после первой группы перемешивающих органов выполнен с диаметром большим, чем до нее. Поверхности корпуса, крышки и мешалки, контактирующие с эмульсией монодисперсных капель, выполнены из материала, препятствующего налипанию монодисперсных капель. Для поддержания рабочей температуры корпус реактора снабжен обогревательным элементом 14. В качестве материала, препятствующего налипанию монодисперсных капель, может быть использована эмаль.

Форполимеризация осуществляется в предложенном реакторе до достижения каплями упругого состояния следующим образом.

Раствор стабилизатора - кульминала из растворителя кульминала с помощью насосов подается в верхнюю часть реактора (форполимеризатора) 1 в количестве 5 м³ с температурой 5-25°С. Перед заполнением у реактора включается мешалка 4. Когда форполимеризатор будет заполнен, избыток кульминала переливается через гидрозатвор в циркуляционный аппарат. Эмульсия капель смеси мономеров из генератора капель в течение 6 часов поступает в верхнюю часть форполимеризатора. Сюда же через штуцер 9 подается раствор кульминала, циркулирующий с помощью насоса. Капли смеси мономеров легче водного раствора кульминала. Раствор кульминала проходит сверху вниз через слой капель, стремящихся всплыть, что обеспечивает создание взвешенного слоя капель. Необходимым условием образования равномерно кипящего взвешенного слоя является поддержание расхода раствора кульминала в пределах от 2 до 10 м³/час. При увеличении расхода взвешенный слой капель расширяется и наоборот. Расход поддерживается на таком уровне, чтобы при окончании заполнения и нагрева слой эмульсии был максимально раздвинут по высоте, но при этом его нижняя граница должна находиться на расстоянии 500-700 мм выше дна форполимеризатора, но не менее 300 мм. Уровень нижней границы слоя эмульсии измеряется емкостным датчиком и регулируется изменением расхода раствора кульминала в верхнюю зону аппарата.

Нагрев необходимо начинать за 1-1,5 часа до окончания заполнения форполимеризатора эмульсией для сокращения времени выхода на температуру форполимеризации, но не выше 65°С. Нагрев осуществляется с помощью горячей воды, которая подается в обогревательный элемент 14 реактора. Нагрев до 75-80°С осуществляется только после заполнения форполимеризатора эмульсией. Форполимеризация проводится при температуре от 75 до 80°С в течение 30-90 минут.

В процессе нагрева и выдержки оптическая плотность эмульсионной среды раствора кульминала повышается. Это происходит в результате полимеризации стирола частично растворенного в водном растворе кульминала. С этого момента эмульсионную среду можно классифицировать как маточник. "Точка желатинизации" определяется путем отбора пробы капель через трубку (не показана), установленную на выходе 3 из реактора.

После прохождения точки желатинизации циркуляция маточника через форполимеризатор останавливается, а мешалка 4 продолжает работать. Капли собираются в верхней зоне форполимеризатора в течение 20 минут. Затем сливается 1,8 м³ маточника для того, чтобы объем суспензии форполимера уменьшить до 2 м³, и он не мог переполнить рабочий объем полимеризатора, установленного далее по технологической линии. Суспензия форполимера через выход 3 форполимеризатора сливается в полимеризатор. Для обмывки стенок и мешалки подается 0,4 м³ маточника через узел сальника 6 и вход 2 в верхней части форполимеризатора.

Сополимеры, производимые по данной технологии и с использованием предлагаемой аппаратуры, применяются для производства ионообменных смол (как катионитов, так и анионитов), обладающих повышенными свойствами по прочности гранул в условиях эксплуатации и низким гидравлическим сопротивлением фильтрации.

Обеспечивая равномерную скорость фильтрации по всему сечению, фильтры, загруженные монодисперсными ионитами, имеют повышенную на 20% сорбционную емкость до проскока и сокращают расход регенерирующих веществ также на 20% по сравнению с фильтрами, загруженными полидисперсными ионообменными смолами.