Способ получения порошкообразных полимеров акриламида

 

Изобретение относится к химии высокомолекулярных соединений, а именно к получению полимеров акриламида в порошкообразной форме. Способ по изобретению включает полимеризацию акриламида в концентрированных водных растворах под действием химических инициаторов в присутствии 0,01 - 7,5 мас.% карбоната или бикарбоната натрия, или калия, или аммония и антиадгезионной добавки - алкилбензолсульфоната натрия в количестве 0,002 - 0,01 мас.%. Снижение адгезии полимера позволяет исключить налипание полимера на поверхность оборудования, а также исключить образование агломератов на стадии сушки, вследствие чего увеличивается выход продукта и производительность процесса. 1 табл.

Изобретение относится к химии высокомолекулярных соединений, а именно к получению порошкообразных полимеров акриламида, которые могут использоваться в качестве флокулянта в различных производственных процессах, загустителей воды для нефтедобычи.

Одним из способов получения порошкообразных полимеров является радикальная полимеризация акриламида в концентрированных водных растворах под действием химических инициаторов с последующим измельчением гелеобразного полимера, сушкой и дроблением сухих гранул полученного полимера.

Как правило, получаемый на стадии полимеризации 20 30%-ый гелеобразный резиноподобный полимер липкий, вследствие чего возникают трудности выгрузки полимера из реактора полимеризации. Из-за повышенной эластичности и клеящей способности образуются заметные отложения полимера на стенках реактора полимеризации и на поверхности аппаратов технологического процесса переработки гелеобразного резиноподобного полимера в целевой порошкообразный продукт: на стадиях измельчения и сушки это приводит к существенному уменьшению выхода продукта. Более того, получаемые полимерные частицы на стадии измельчения гелеобразного блока при сушке значительно слипаются, образуя агломераты, так что продолжительность сушки увеличивается в несколько раз, уменьшая производительность процесса получения порошкообразных продуктов. После сушки полученные крупные полимерные гранулы подвергают дроблению для получения частиц заданного размера, вследствие механических нагрузок наблюдается механодеструкция макромолекул полимера ухудшается качество полученного продукта.

Известны способы получения порошкообразных акриловых полимеров без потерь продукта на поверхности технологического оборудования путем полимеризации акриламида или акриловых мономеров в концентрированных водных растворах в реакторе полимеризации со специальным фторпластовым покрытием, исключающим налипание полимера на стенки реактора [1] или сушкой гелеобразного полимера в форме агрегированных частиц горячим воздухом в сушильном аппарате с хромированными деталями, исключающими налипание полимера на поверхность сушильного устройства [2] Выход целевого продукта высокий. Однако, производительность процесса сравнительно низкая из-за увеличения продолжительности процесса измельчения эластичного высокомолекулярного гелеобразного полимера через фильеры с малым размером отверстий (менее 3 мм) и увеличения продолжительности процесса сушки агломератов, образующихся из-за высокой адгезионной способности полимера при слипании гелеобразных частиц друг с другом. При дроблении крупных агломерированных гранул полимера наблюдается потеря вязкостных свойств из-за механодеструкции макромолекул полимера, в результате уменьшается эффективность применения порошкообразного полимера. К тому же, требуется изготовление специального оборудования реактора полимеризации с фторпластовым покрытием и сушильного устройства с хромированными деталями.

Известен способ получения порошкообразных полимеров при полимеризации акриловых мономеров в концентрированных водных растворах в реакторе полимеризации, поверхность которого обработана различными специальными веществами, уменьшающими адгезию полимера к стенкам реактора. Внутреннюю поверхность реактора покрывают слоем антиадгезионной добавки, не смешивающейся с полимером, силиконовым или вазелиновым маслом, или стеариновой или лауриновой кислотой [3] Получают на стадии полимеризации гелеобразный высоковязкий полимер с удовлетворительными адгезионными свойствами, позволяющими проводить выгрузку полимера под силой тяжести собственного веса как через днище реактора, так и через верх опрокинутого на 90^o реактора с высоким выходом продукта.

Однако выход полимера уменьшается на стадии сушки гелеобразных частиц полимера за счет отложения его на поверхности сушильного устройства. Продолжительность сушки увеличивается за счет агломерации частиц полимера, ухудшается качество порошкообразного продукта в результате механодеструкции на стадии дробления.

Более эффективным и простым в технологическом решении вопроса получения порошкообразных полимеров является введение специальных антиадгезионных добавок в реакционную мономерную смесь перед полимеризацией, позволяющих получать промежуточный продукт гелеобразный полимер с удовлетворительными структурно-механическими свойствами: низкими эластичностью и адгезией к поверхности технологического оборудования. Так, известен способ получения порошкообразного полиакриламида путем радикальной полимеризации акриламида в концентрированных водных растворах в присутствии антиадгезионной добавки - сульфата аммония в количестве 0,2 2% (от массы акриламида) [4] Полученный гелеобразный полиакриламид в присутствии данной неорганической соли - (NH₄)₂SO₄ не осаждается на поверхности реактора полимеризации.

Однако на стадии сушки полученных гелеобразных полимерных частиц происходит их агломерация и адгезия к поверхности сушильного устройства. В результате выход продукта (порошкообразного полиакриламида) составляет 90% время сушки при 65^oС 16 ч.

Наиболее близким по технической сущности является способ получения порошкообразных акриловых сополимеров путем полимеризации акриламида в присутствии карбонатов щелочных металлов [5] Полимеризацию проводят в водных растворах акриламида с массовой долей 5 20% под действием инициаторов. Используют 10 67% (к массе акриламида) карбонатов щелочных металлов, например карбоната натрия. В качестве инициаторов используют пероксиды, гидропероксиды, персульфаты щелочных металлов. Полимеризацию проводят при температуре 20 55^oС. Полученный в присутствии карбонатов щелочных металлов гелеобразный полиакриламид не липнет к поверхности реактора полимеризации. Выделение целевого продукта порошкообразного частично гидролизованного полиакриламида проводят известным приемом измельчением и сушкой гелеобразных полимерных частиц, например в барабанной сушилке.

Однако при сушке гелеобразные полимерные частицы слипаются в агломераты и налипают на поверхность сушильного устройства. В результате выход целевого продукта составляет 90% (от расчетного количества), а время сушки при 65^oС увеличивается до 16 ч.

Способ по настоящему изобретению обеспечивает уменьшение адгезии полимера, что позволяет исключить налипание полимера на поверхность технологического оборудования не только на стадии полимеризации, но и на стадиях выделения порошкообразного продукта, а также исключить образование агломератов при слипании гелеобразных частиц на стадии сушки, вследствие чего увеличивается выход продукта и производительность процесса.

Способ получения порошкообразного полимера акриламида включает полимеризацию акриламида в концентрированных водных растворах под действием химических инициаторов в присутствии 0,01 7,5 мас. карбоната или бикарбоната натрия, или калия, или аммония и антиадгезионной добавки - алкилбензолсульфоната натрия (ТУ 6-01-1001-75 и 6-01-0161283-34-89), препарат сульфонол в количестве 0,002 0,01 мас. Реакционную смесь обескислороживают продувкой азотом и вводят водные растворы инициаторов. Начальная температура полимеризации 10-40^oС, температура полимеризации изменяется от 10 до 100^oС, время полимеризации до 6 10 ч. После окончания полимеризации открывают днище реактора (в виде выдвижного шибера) и через несколько минут из реактора под действием собственной силы тяжести гелеобразный полимерный блок, имеющий форму реактора полимеризации, извлекается. Выделение целевого продукта осуществляют грубым измельчением полимерного блока на куски размером 20х20х70 мм (например, на устройстве типа "гильотины"), измельчением кусков на измельчителе, имеющем на выходе решетку с размером отверстий 2 10 мм (например, на измельчителе типа "мясорубки"), сушкой гелеобразных полимерных частиц (например, в сушилке типа " непрерывной ленты" горячим воздухом при 40 70^oС), дроблением сухих полимерных гранул до заданного размера 1,5 мм (например, на дисковой дробилке).

В качестве инициаторов применяют: пероксиды, гидропероксиды, азосоединения, редокскатализаторы, инициирующие окислительно-восстановительные системы, включающие персульфаты, гидросульфиты, метабисульфиты аммония, калия, натрия, ионы металлов переменной валентности (например, Fe, Cu) и т.д. составляющие 0,003 0,1% (от массы акриламида).

Эффективность предлагаемого способа получения порошкообразных полимеров акриламида оценивают по выходу целевого продукта, по продолжительности сушки гелеобразных частиц полимера.

Выход целевого продукта (в 100%-ом исчислении от расчетного количества) рассчитывают, определив вес сухого полимера и содержание в нем основного вещества (нелетучих веществ).

Продолжительность стадии сушки определяют при сушке гелеобразных полимерных частиц, полученных при измельчении при прохождении через фильеру с размером отверстий 2 мм, при 65^oС при постоянной скорости подачи горячего воздуха. Сушку заканчивают после достижения влажности продукта менее 10 мас. Чем меньше время сушки, тем меньше агломерация частиц, следовательно, достигается решение задачи уменьшения адгезионных свойств полимера.

Отличительными признаками является дополнительное введение перед полимеризацией в концентрированный водный раствор акриламида 0,002 0,01 мас. алкилбензолсульфоната натрия и содержание карбонатов или бикарбонатов щелочных металлов или аммония.

При использовании алкилбензолсульфоната натрия менее 0,002 мас. получают порошкообразные полимеры акриламида с низким выходом продукта (менее 90%), с низкой производительностью процесса (время сушки увеличивается до 10 ч).

При использовании алкилбензолсульфоната натрия более 0,01 мас. нежелательно из-за значительного пенообразования в мономерной реакционной смеси при достижении желаемого результата в предлагаемом способе получения порошкообразных полимеров акриламида.

При использовании карбонатов или бикарбонатов щелочных металлов или аммония менее 0,01% получают порошкообразный полиакриламид с низким выходом продукта (менее 80%) из-за налипания гелеобразного полимера на стенки реактора полимеризации, с низкой производительностью (из-за возможности измельчения гелеобразного полимера при прохождении через фильеру с размером отверстий более 3 мм) и увеличением времени сушки более крупных гранул в 2 раза (до 10 ч).

Использование карбонатов или бикарбонатов щелочных металлов или аммония более 7,6 мас. нецелесообразно, так как желаемый результат достигнут: порошкообразный полимер акриламида получают с высоким выходом продукта (более 96% ), с высокой производительностью процесса (время сушки 8 ч) и с максимальной степенью гидролиза.

Изобретение иллюстрируют следующие примеры.

Пример 1 (по прототипу). В реактор, снабженный мешалкой, барботером для продувки азота, вводят 3200 мл 50%-ного раствора акриламида, 3000 мл дистиллированной воды, 1760 г 10%-ного раствора карбоната натрия (0,1 моль на 1 моль акриламида) или, соответственно, 20 мас. акриламида и 2,2 мас. карбоната натрия. Продувают реакционную смесь азотом 30 мин и вводят обескислороженные растворы персульфата калия (0,003% от массы акриламида) и метабисульфита натрия (0,015% от массы акриламида). Начальная температура полимеризации 25^oC. После 2-х ч полимеризации температура достигает 84^oС. Полученный гелеобразный полимерный блок легко извлекают через днище реактора, режут на куски размером 20х20х70 мм, затем измельчают в измельчителе, имеющем на выходе решетку с размером отверстий 2 мм, на гелеобразные полимерные частицы с размером 2х5х10 мм. Полученные полимерные частицы сушат в сушильном устройстве типа ленточной сушилки горячим воздухом при 65^oС, контролируя время сушки. Сухие гранулы дробят на механической ротационной дробилке до частиц заданного размера (менее 1,4 мм). Полученный порошкообразный полимер взвешивают. Определяют содержание влаги в отобранной пробе порошкообразного полимера.

Результаты испытаний в процессе получения порошкообразных полимеров акриламида представлены в таблице.

Пример 2. В реактор, снабженный мешалкой, барботером для продувки азота, вводят 3200 мл 50%-ного раствора акриламида (20 мас.), 3000 мл дистиллированной воды, 1760 г 10%-ного раствора карбоната натрия (2,2 мас. или 0,1 моль на 1 моль акриламида), 100 мл 0,25%-ного раствора алкилбензолсульфоната натрия (0,003 мас.). Продувают смесь азотом 30 мин и вводят обескислороженные растворы персульфата калия и метабисульфита натрия (0,03 и 0,015% от массы акриламида, соответственно). Начальная температура полимеризации 25^oС. После 2-х ч полимеризации температура достигает 84^oС. Полученный гелеобразный полимерный блок извлекают через днище реактора (он выпадает под собственной силой тяжести), измельчают аналогично примеру 1 и сушат горячим воздухом при 65^oС, контролируя время сушки. Полученные сухие гранулы дробят до заданного размера. Порошкообразный полимер взвешивают, определяют содержание в нем основного вещества.

Результаты испытаний приведены в таблице.

Пример 3. Аналогично примеру 2 полимеризуют акриламид в реакционной смеси, полученной смешением 4800 мл 50%-ного раствора акриламида (30 мас.), 9,6 г 10% -ого раствора карбоната аммония (0,01 мас. или 0,005 моль на 1 моль акриламида), 60 мл 0,25% -ого раствора (0,002 мас.) алкилбензолсульфоната натрия, 3100 мл дистиллированной воды в присутствии 0,007% (к массе акриламида) персульфата калия и 0,005% (к массе акриламида) метабисульфита натрия. Температура полимеризации за 1,5 ч изменяется от 25 до 100^oС.

Аналогично примеру 1 выделяют порошкообразный полиакриламид путем измельчения и сушки гелеобразных полимерных частиц и дробления сухих гранул. Определяют содержание основного вещества и взвешивают полученный порошкообразный полиакриламид.

Результаты испытаний получения порошкообразного полиакриламида приведены в таблице.

Пример 4. Аналогично примеру 2 полимеризуют акриламид в реакционной смеси, полученной смешением 4000 мл 50%-ого раствора акриламида (25 мас.), 2240 г 20%-ого раствора карбоната калия (5,6 мас. или 0,3 моля на 1 моль акриламида), 200 мл 0,25%-ого раствора алкилбензолсульфоната натрия (0,006 мас.), 1600 мл дистиллированной воды, 0,04% от акриламида персульфата натрия и 0,025 от акриламида метабисульфита натрия. Температура реакционной массы в течение 10 ч полимеризации изменяется от 25 до 84^oС.

Аналогично примеру 1 выделяют порошкообразный полимер путем сушки измельченных гелеобразных полимерных частиц при 65^oС, контролируя время сушки, с последующим дроблением сухих полимерных гранул. Полученный порошкообразный полиакриламид взвешивают и определяют в нем содержание основного вещества.

Результаты проведенных испытаний по получению порошкообразных полимеров акриламида приведены в таблице.

Пример 5. Аналогично примеру 2 полимеризуют акриламид в реакционной смеси, полученной смешением 3200 мл 50%-ого раствора акриламида (20 мас.), 100 г 10% -ого раствора бикарбоната натрия и 1900 г 20%-ого раствора карбоната натрия (суммарно 7,5 мас. или 0,5 моля на 1 моль акриламида), 320 мл 0,25% -ого раствора алкилбензолсульфоната натрия (0,01 мас.), 1500 мл дистиллированной воды, в присутствии 0,07% от массы акриламида персульфата калия и 0,05% от массы акриламида метабисульфита натрия. Температура реакционной смеси в течение 8 ч полимеризации изменяется от 25 до 75^oС.

Аналогично примеру 1 выделяют порошкообразный продукт путем сушки измельченных гелеобразных полимерных частиц при 65^oС, контролируя время сушки, с последующим дроблением сухих гранул полимера. Полученный порошкообразный продукт взвешивают и определяют в нем содержание основного вещества.

Результаты испытаний получения порошкообразных полимеров акриламида приведены в таблице.

Формула изобретения

Способ получения порошкообразных полимеров акриламида радикальной полимеризацией акриламида в концентрированном водном растворе в присутствии солей одно- и двузамещенной угольной кислоты и химического инициатора, измельчением полученного гелеобразного полимера и сушкой с последующим дроблением, отличающийся тем, что в качестве солей одно- и двузамещенной угольной кислоты используют карбонат или бикарбонат натрия, калия или аммония в количестве 0,01 7,50 мас. и в раствор дополнительно вводят алкилбензолсульфонат натрия в количестве 0,002 0,010 мас.

РИСУНКИ

Рисунок 1