Разработка технологии и аппаратурного оформления непрерывного процесса эмульсионной полимеризации акриловых мономеров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Букин, Александр Александрович

• Букин, Александр Александрович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Букин, Александр Александрович

Наименование раздела Стр.

ВВЕДЕНИЕ

1. ЭМУЛЬСИОННАЯ ПОЛИМЕРИЗАЦИЯ АКРИЛАТОВ И ЕЁ ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

1.1 Классификация эмульсионных систем

1.2 Классификация методов проведения процесса эмульсионной полимеризации

1.3 Полимеризация акрилатов в эмульсии

1.4 Аппаратурное оформление периодических, полунепрерывных и непрерывных процессов эмульсионной полимеризации

1.5 Гидродинамика движения жидкости и эффекты смешения в аппарате с гладким цилиндрическим ротором

2 ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ И МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Теоретические предпосылки к выбранному методу получения акриловых эмульсий

2.2 Постановка задачи и выбор методики проведения эксперимента

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

3.1 Выбор рабочей смеси

3.2 Определение диапазонов рабочих параметров системы

3.3 Оценка эффективности РРП по устойчивости первичной эмульсии

3.4 Оценка зависимости выхода ПЧ и ПМЧ от параметров системы

3.5 Оценка эффективности работы роторного реактора -полимеризатора

3.6 Оценка параметров получаемого латекса

4 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЭМУЛЬСИОННОЙ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ ПРИ СТУПЕНЧАТОМ ДОЗИРОВАНИИ КОМПОНЕНТОВ

4.1 Математическое описание процесса

4.2 Математическая модель процесса эмульсионной полимеризации при ступенчатом дозировании компонентов

4.3 Проверка адекватности математической модели

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка технологии и аппаратурного оформления непрерывного процесса эмульсионной полимеризации акриловых мономеров»

В промышленности в очень широком ассортименте используются акриловые латексы и полимеры, получаемые на их основе, причем диапазон их применения постоянно расширяется. Полученные эмульсионной полимеризацией латексы используются, например, для производства разнообразнейших клеёв, покрытий с широким спектром свойств, в химической промышленности. Полимеры, полученные на основе таких латексов, используются в космической технике, биотехнологии, медицине. Учитывая, что эмульсионная полимеризация как метод получения латексов и полимеров очень удобен и экономически выгоден по сравнению с большинством других методов, становится понятно, почему интерес к эмульсионной полимеризации не только не ослабевает, но и постоянно возрастает как в нашей стране, так и за рубежом. Изучаются и разрабатываются новые направления эмульсионной полимеризации, например ионная, радиационно - инициированная, полимеризация в неводных средах и др. Широко применяется сополимеризация с функциональнозамещенными мономерами, ассортимент которых растет с каждым годом. Меняя соотношения мономеров при сополимеризации, можно получать продукты, обладающие комплексом ценных физико-механических свойств, благодаря которым эти продукты нашли широкое применение в автомобильной, строительной, текстильной, кожевенной, электротехнической и многих других отраслях промышленности. Разрабатывается технология получения монодисперсных латексов с регулируемой величиной частиц.

Производные акриловых кислот используются для пленкообразующей основы в различных отраслях промышленности. Одни из них образуют мягкие, эластичные полимеры, другие - обеспечивают высокую прочность и жесткость, третьи - способствуют образованию термореактивных композиций, характеризующихся нерастворимостью и исключительной долговечностью. Кроме того, они обладают прозрачностью, свето- и атмосферостойкостью, а так же химической стойкостью.

В промышленности широко распространен метод полимеризации акрилатов в эмульсии.

Эмульсионная полимеризация (ЭП) технически представляет собой проведение полимеризации мономера в дисперсной среде (обычно в воде), приводящее к образованию дисперсии полимера с частицами коллоидной степени дисперсности. При этом обязательными компонентами кроме мономера (составляющего ЗОч-бО %), является дисперсионная среда, инициатор (чаще всего растворимый в дисперсионной среде) и эмульгатор в количестве 1 - 5% (по объему) от дисперсионной среды. В качестве эмульгаторов используются поверхностно-активные вещества (ПАВ), ионогенные и неионогенные, обеспечивающие стабильность исходной эмульсии мономера и образующейся дисперсии полимера. Они, как правило, находятся в агрегированном состоянии в виде мицелл размером ¿/«10 9 м. Молекулярная растворимость ПАВ в воде менее 0,1 %, что соответствует критической концентрации мицелообразования (ККМ).

В процессе ЭП образуются полимерно-мономерные частицы (ПМЧ), в которых в основном протекает процесс полимеризации. К концу полимеризации ПМЧ превращаются в латексные частицы со средним размером с1 « \0-7м, а система в латексно - водную дисперсию полимера.

ЭП акрилатов имеет по сравнению с другими методами проведения полимеризации ряд кинетических и технологических преимуществ, которые и обусловливают её широкое распространение [1].

1. Возможность проведения полимеризации с высокими скоростями с получением полимера большой молекулярной массы.

2. Несложная регулировка скоростей реакции инициирования, обрыва и передачи цепи, что определяет возможность проведения реакции с большими скоростями при относительно низких температурах (6(к-85°С).

3. Уменьшение пожароопасности процесса в связи с использованием воды в качестве дисперсной среды.

4. Относительная простота технологического оформления процесса.

5. Возможность получения высококонцентрированных латексов со сравнительно малой вязкостью (в противоположность растворам полимеров вязкость латексов не зависит от молекулярной массы, а определяется размером и концентрацией латексных частиц), что значительно облегчает перемещение и транспортировку продукта.

Наряду с этим ЭП имеет и ряд недостатков:

1. Необходимость введения дополнительной операции для отделения полимера, если латекс не используется в качестве готового продукта.

2. Неизбежное загрязнение полимера остатками эмульгатора и другими ингредиентами системы.

3. Образование некоторого количества коагулюма, что приводит к определенным потерям сырья и вызывает необходимость периодической чистки реакционной аппаратуры.

Практическая реализация ЭП в промышленности обычно производится периодическим или полунепрерывным способами, которые описаны ниже (п. 1.2). Непрерывный процесс ЭП в промышленности до сих пор распространения не получил в связи с большими техническими трудностями его реализации. В литературе описаны опытные реакторы непрерывного действия (РНД), обычно представляющие собой емкость-реактор с мешалкой пропеллерного или лопастного типа с патрубками для ввода реагентов и вывода готового продукта [1, 2, 13, 14]. Реального применения на производстве ни один из этих аппаратов не получил в связи с очень неустойчивой работой. В работах Елисеевой В.И., Павлова Н.В., Жукова Н.П. [15-17] обоснована возможность практической реализации непрерывного метода получения акриловых латексов в производстве на основе роторно-пленочного аппарата.

Научная новизна. Разработана технологическая схема, реализующая применяемый в периодическом процессе способ "придачи" по непрерывной технологии производства акриловых латексов, основанная на разделении процесса на две стадии.

Предложен и обоснован способ дозированной подачи углеводородной фазы в реакционную систему при непрерывном проведении процесса на стадиях образования и роста полимер-мономерных частиц с учётом активности компонентов.

Экспериментально получены зависимости, связывающие температуру в роторном реакторе-полимеризаторе, время пребывания и количество ступеней дозирования углеводородной фазы с устойчивостью к расслоению полимеризующейся системы, степенью конверсии и размером получаемых частиц.

Разработана математическая модель формирования частиц в зазоре роторного реактора-полимеризатора при ступенчатом дозировании углеводородной фазы.

Практическая ценность. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать аппаратурную схему на основе модифицированной конструкции роторного аппарата, выбрать тепловой и кинетический режим для процесса непрерывного получения акриловых латексов. Разработанную установку можно рекомендовать к практическому внедрению на производстве. 7

Автор защищает:

1.новую технологическую схему непрерывного процесса производства акриловых латексов, основанную на разделении процесса на две стадии;

2.вариант ступенчатого дозирования углеводородной фазы в реакционную систему в непрерывном процессе, учитывающий активность мономеров;

3.методику и результаты экспериментальных исследований зависимости устойчивости полимеризующейся системы, степени конверсии и размера частиц от температуры в роторном реакторе-полимеризаторе и режима подачи УГФ;

4.математическую модель формирования частиц в зазоре реактора-полимеризатора при ступенчатом дозировании углеводородной фазы.

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Букин, Александр Александрович

5. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

1. Разработана новая конструктивная схема аппарата для непрерывного производства акриловых латексов и система подачи компонентов в реакционную систему.

2. На изготовленной лабораторной установке апробирован и отработан новый способ дозирования реагентов в реакционную систему в непрерывном процессе получения акриловых латексов.

3. Разработана и апробирована методика исследований при новом способе дозирования реагентов в реакционную систему.

4. Разработана • математическая модель непрерывного процесса в роторно-плёночном аппарате с многоточечным дозированием компонентов.

5. Даны рекомендации по практическому применению разработанной конструктивной схемы аппарата для непрерывного процесса производства акриловых латексов в промышленном производстве. Рекомендуемая аппаратурная схема представлена на рис. 5.1. Работает она следующим образом. Из ёмкости с УГФ плунжерными насосами 2 смесь реагентов подаётся в четыре точки роторного реактора-полимеризатора (РРП) 3. При этом одна из точек расположена в днище реактора. Вторая точка на 1/4 высоты реактора. Третья точка на 2/4 высоты реактора. Четвёртая точка на 3/4 высоты реактора. При этом в днище подаётся 2/5 объёма УГФ, а в остальные 3 точки по 1/5 объёма УГФ. Из ёмкости с ВФ (водной фазой) 4 реагенты подаются плунжерным насосом 5 в днище РРП. Из верхнего торца РРП рабочая смесь поступает в каскад смесителей ёмкостного типа 6 с относительно тихоходными мешалками. Процесс дозревания латекса в них проходит по общепринятой в настоящее время в промышленности технологии. После дозревания в смесителях готовый продукт поступает в накопительную ёмкость 7. Тепловые режимы в реакторе и смесителях поддерживаются теплоносителем 9 через рубашки обогрева 8.

Пример расчёта технологических размеров роторнего реактора-полимеризатора для блока непрерывной эмульсионной полимеризации приведён в приложении Д.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Букин, Александр Александрович, 2000 год

1. Елисеева В.И., Иванов С.С., Кучанов С.И., Лебедев A.B. Эмульсионная полимеризация и её применение в промышленности. М.: Химия, 1976. 240 с.

2. Елисеева В.И. Полимерные дисперсии. М.: Химия, 1981. 295 с.

3. Плановский А.Н., Николоев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. Изд. 3-е перераб. и дополненное. - М.: Химия, 1987. 493 с.

4. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии -М: Химия, 1973. 754 с.

5. Марек О., Томка М. Акриловые полимеры. М.: Химия, 1966. 320 с.

6. Медведев С.С. Кинетика и механизм образования макромолекул,- М.: Наука, 1968. 286 с.

7. Хомиковский М.П., Заболотская Е.В., Медведев С.С. // Труды 6-й конференции по высокомолекулярным соединениям. М.: АН СССР.

8. Ткаченко Г.В., Хомиковский П.М., / Коллоидный журнал, 1951, т. 13, с. 217 -225 .

9. Николаев А.Ф. Синтетические полимеры и пластические массы на их основе. Изд. 3-е, испр. и доп., - М - Л: Химия, 1979. 678 с.

10. Голдинг Б. Химия и технология полимерных материалов. Изд. ин. лит. -М., 1963. 667 с.

11. П.Елисеева В.И., Жаркова Н.Г., Чубарова A.B. / Высокомолекулярные соединения. 1965, т. 7 , с. 156 - 162.

12. Елисеева В.И. и др. / Высокомолекулярные соединения. 1973, 15А, № 9, с. 1931 - 1935.

13. Fitch R.M., Watson R.C. J.Coll, Interface Sei, 1979, v. 68, № 1.

14. Green R.K., Gonzales R.A., Poehlein G.W. Jn: Emulsion Polimerization ACS Symposium, Ser. 24. Washington, 1976, p. 341-358.

15. Жуков Н.П., Павлов Н.В., Елисеева В.И. / Коллоидный журнал, 1977, т. 39, №5, с. 841 846.

16. Жуков Н.П., Павлов Н.В., Елисеева В.И. / Коллоидный журнал, 1979, т.41, №4, с. 654 660.

17. Жуков Н.П. // Канд. дис. МХТИ им. Д.И. Менделева, 1980.

18. Юрженко А.И., Минц С.М. ДАН СССР, 1946, т. 47, №2, с. 106-108.

19. Harkins W.D. J. Amer. Chem. Soc., 1947, vol. 69, p. 522 - 599.

20. Fitch R.M., Tsai Ch. H. - Jn: Polymer Colloids / Ed. Dy R.M. Fitch, New York - London, Plenum Press, 1971, p. 73 - 102, 103 - 106.

21. Гранжан В.A. ЖВХО им. Д.И. Менделеева, 1969, т. 14, с. 223.

22. Smith W.V., Ewart R H. Jn: Chem. Phys., 1948, vol. 16, p. 592 -599.

23. Taylor G.J. Phil. Trans., 1923, v. A223, p. 289 - 305.

24. Олевский В.M., Ручинский В.Р. Роторно-плёночные тепло- и массообменные аппараты. М.: Химия, 1984. 240 с.

25. Kaus J., Elgar Е. ASME, 1958, v. 80, №3, p. 753 - 760.

26. Astill K.N. ASME, 1964, v. 86, №3, p. 383 - 389.

27. Мальцев B.B. / Вестник электропромышленности, 1959, №6, с. 17-20.

28. Donnely R.J. Proc. Rog. Soc., 1965, v. 283, №13, p. 509 - 519.

29. Donnely R.J., Tanner D.J. Proc. Rog. Soc., 1965, v. A283, №13, p. 520-530.

30. Donnely R.J., Schwarz K.W., Roberts R.H. Proc. Rog. Soc., 1965, v. A283, №13, p. 531 - 541.

31. Appel D.W. -Tappi, 1959, v. 42, №9, p. 767 771.

32. Алимов P.3. ДАН СССР, 1964, т. 157, №6, с. 1314 - 1316.

33. Yutara Yamada Bull. ASME, 1962, v. 5, №18, p. 302 - 308.

34. Yutara Yamada Bull. ASME, 1962, v. 5, №20, p. 634 - 640.

35. Бутешова Г.В. Оборудование для эмульсионного способа получения полимеров (патентный обзор). НИИ Химии и Технологии Полимеров, Джержинск, 1974. 138 с.

36. Кузнецов В.А., Хачатурова Л.Р., Дорохова Е.А., Алексеев A.B. / Коллоидный журнал, 1984, т. 56, №4, с. 787 790.

37. Седакова Л.И., Грицкова И.А., Устинова З.М., Соловьёва Т.С. / Коллоидный журнал, 1977, т. 36, №2, с.391 -395.

38. Жданов A.A., Жестков A.B., Жиженков В.В., Жильцов В.В., Жирнов П.В. / Высокомолекулярные соединения, 1986, №10, с. 2198.

39. Иржак В.И. / Высокомолекулярные соединения, 1975, №3, с. 529.

40. Елисеева В.И., Мамадалиев А., Зуйков A.B. / Высокомолекулярные соединения, 1976, №6, с. 1141.

41. Луховицкий В.И., Листратов В.И. / Высокомолекулярные соединения, 1977, №10, с. 2344.

42. Ошмян В.Г., Берлин A.A., Вольфсон С.А. / Высокомолекулярные соединения, 1977, №12, с. 2780.

43. Картавых В.П., Баранцевич E.H., Лавров В.А., Иванчев С.С. / Высокомолекулярные соединения, 1980, №6, с. 1203.

44. Луховицкий В.И. / Высокомолекулярные соединения, 1987, №6, с. 1123.

45. Грицкова И.А., Мамонова Е.Б., Симакова Г.А., Зубов В.П. / Высокомолекулярные соединения, 1990, №1, с. 14.

46. Луховицкий В.И., Поликарпов В.В., Крылова Л.А. / Высокомолекулярные соединения, 1993, №5, с. 499.

47. Бирштейн Т.М., Бирюков В.П., Битюрин Н.М., Зубов В.П., Логинов М.Б. / Высокомолекулярные соединения, 1981, №8, с. 1702.

48. Павлов Н.В., Жуков Н.П., Штефан В.Н., Герасимова A.C. а.с. №732284.

49. Патент США № 3506628, 260 83.7, опублик. 1970.

50. Патент США № 3506628, 260 29.6, опублик. 1967.

51. Силинг М.И., Равер А.Е., Булгакова М.А., Матюхина О.С., Марычева Г.Ф. Проблемы математического моделирования реакций синтеза полимеров. / Пластические массы, 1980, №7, с. 9.

52. Глейзер Р.Г., Файдель Г.И., Шатхан Ф.А. Моделирование промышленной установки блочной полимеризации стирола непрерывного действия. / Пластические массы , 1975, №7, с. 15.

53. Туницкий H.H., Каминский В.А., Тимашев С.Ф. Методы физико -химической кинетики. М.: Химия, 1972. 548 с.

54. Иванов В.А., Каменьщиков А.Ф., Гранов В.Ф., Каминский В.А., Бунэ Е.В. Математическое моделирование процесса полимеризации акриламида в концентрированных водных растворах. / Высокомолекулярные соединения, 1992, №9, с. 15.

55. Stockmayer W.H. Jn Polym. Sei., 24, р. 314 - 325.

56. Математическая энциклопедия // Гл. Ред. Виноградов И.М. М.: Советская Энциклопедия, в 6 т., 1984.

57. Трейбал Р. Жидкостная экстракция. М.: Химия, 1966. 493 с.

58. Самарский A.A. Введение в численные методы. М.: Наука, 1987. 639 с.

59. Калиткин H.H. Численные методы. М.: Наука, 1978. 512 с.

60. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы. М.: Наука, 1987. 672 с.

61. Тагер А.А Физико химия полимеров. - М.: Госхимиздат, 1973. 431 с.

62. Круглова В.А., Шубин A.A., Липин А.Г. Математическая модель процесса сополимеризации метакрилата натрия с метакриламидом в аппарате с кипящим слоем. // Межвузовский сборник науч. тр. Гетерогенные процессы химической технологии, Иваново, 1990.

63. Вэйлас С. Химическая кинетика и расчёты промышленных реакторов. -М.: Химия, 1977. 380 с.

64. Кленин В.И., Колниботчук Н. К. Механизм процессов плёнкообразования из полимерных растворов и дисперсий. М.:Наука, 1968. 276 с.

65. Кленин В.И. / Лакокрасочные материалы и их приминение. №4, 1972.

66. Торопцева A.M., Белгородская К.В., Бондаренко В.М. Лабораторный практикум по химии и технологии высокомолекулярных соединений. М.: Наука, 1972. 372 с.

67. Шерман Ф. Эмульсии, перевод с англ. п/р д.т.н. Абрамзона A.A. М.: Химия, 1967. 448 с.

68. Саутин С.Н. Планирование эксперимента в химии и химической технологии. Л.: Химия, 1975. 475 с.

69. Хикс Ч. Основные принципы планирования эксперимента, пер. с англ. Голиковой Т.П., Коваленко Е.Г., Микешиной Н.Г. М.: Мир, 1967. 290 с.

70. П/р проф. Куриленко О.Д. Краткий справочник по химии. Киев: Наукова думка, 1976. 582 с.

71. Кассандрова О.Н., Лебедев В.В. Обработка результатов наблюдений М.: Наука, 1970. 427 с.

72. Хомиковский П.М. / Успехи химии, 1958, т. 27, № 9, с. 1029; 1959, т.28, № 4, с. 547.

73. П/р Елисеевой В.И. Полимеризационные плёнкообразователи. М.: Химия, 1971. 238 с.

74. Медведев С.С. Кинетика и механизм превращения макромолекул. -М.: Наука, 1968. 286 с.

75. Медведев С.С. / Проблемы физической химии. вып. 1, 1958.

76. Ребиндер П.А. Предисловие к русскому изданию книги Клейтона В. Эмульсии. изд-во иностр. лит., 1969. 198 с.

77. Зонтаг Г., Штренге К. Коагуляция и устойчивость дисперсных систем. -пер. с нем. п/р Усьярова О.Г. Л.: Химия, 1983. 346 с.

78. Нейман Р.Э. Мономеры, полимеризация, латексы. -изд. Воронежского Государственного Университета, 1972. 315 с.

79. Пейзнер А.Б. / Лакокрасочные материалы и их применение. 1961, № 2.

80. Левич В.Г. Физико химическая гидродинамика. - М.: АН СССР, 1952.

81. Кочин Н.Е., Кибель И.А., Розе Н.В. Теоретическая гидромеханика. М.: Физматгиз, 1963. 477 с.

82. O'Toole J.T. Jn: Appl. Polym. Sei., 1965, v. 3, p. 1291 1297.

83. Писмен Л.М., Кучанов С. И. / Высокомолекулярные соединения. 1971, т. 13, с. 1055 - 1065.

84. Шейнкер А.Л., Медведев С.С. ДАН СССР, 1954, т. 97, с. 111 - 114.

85. Gardon J.I. Jn: Polymer Sei., 1968, А 1, v. 6, р. 623 - 641 ;1971, v. 9, р. 2763 -2773; 1968, v. 6, р. 665.

86. Robb I.D. Jn: Polymer Sei. ,1969, А 1, v. 7, p. 417 - 428.

87. Alexander A.E. Jn: Oil. Col. Chem. Assoc., 1966, v. 49, p. 187 194.

88. Schenkel J.H., Kitchener J.A. Trans. Faraday Soc.,1960, v.56, p.161-170.

89. Елисеева В.И., Бакаева T.B. / Высокомолекулярные соединения. А 1969, т. 11, с. 2186 -2190.

90. Елисеева В.И., Зуйков A.B., Лавров С.В. / Высокомолекулярные соединения. А, 1976, т. 18 , № 3, с. 648 - 652.

91. Зуйков A.B., Василенко А.И. / Коллоидный журнал, XXXVII, 1975, с. 640.

92. Paxton Th Jn: Colloid Int. Sei., 1969, v. 31, № 1, p. 19 30.

93. Brodnyan E. T. , Kelly J.I. Jn : Polymer Sei. ,1969, A-l , v. 27 , p. 263-273.

94. Yeliseyeva V.l. Faserforsch. Und Text. , 1977, № 5 , p. 209 214.

95. Криаян Т.П., Маргаритова М.Ф.,Медведев С.С. / Высокомолекулярные соединения. А, 1976, т. 18, № 3, с. 648 - 652.

96. Harkins W.J. Jn: Polymer Sei .,1958, v. 5, р. 217 231.