Способ получения карбоксиметилцеллюлозы
Изобретение относится к получению низковязкой натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы, которую используют в качестве агента стабилизации буровых растворов в нефте- и газодобывающих производствах. Измельченную целлюлозу обрабатывают в реакторе раствором NaOH в присутствии в реакционной смеси арабиногалактана. Полученную щелочную целлюлозу обрабатывают монохлоруксусной кислотой, ее натриевой солью или их смесью, с получением карбоксиметилцеллюлозы, которую выгружают, сушат и измельчают. Способ позволяет упростить процесс получения карбоксиметилцеллюлозы, снизить расход щелочи и обеспечить возможность регулирования степени замещения и вязкости, без изменения режима процесса. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 6 пр.
Изобретение относится к технологиям получения низковязкой натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы, которую используют во многих отраслях промышленности, в частности, в качестве агента стабилизации буровых растворов в нефте- и газодобывающих производствах.
Известен способ получения низковязкой карбоксиметилцеллюлозы, включающий обработку целлюлозы щелочью и карбоксиметилирующим агентом - натриевой солью монохлоруксусной кислоты, дополнительную обработку целлюлозы соединением металла, выбранного из группы, содержащей марганец, кобальт, никель и ванадий, выдерживание реакционной смеси при комнатной температуре в течение 16-72 ч для дозревания продукта, проявляющегося в снижении вязкости смеси, нагревание ее до 60°C с целью стабилизации продукта, нейтрализацию смеси уксусной кислотой, промывку водным раствором этанола, высушивание (US, пат. №2517835, С08В 11/12, опубл. 08.08.1950 г.)
Недостатками способа являются его большая длительность, многооперационность, необходимость использования соединений металлов, большой расход уксусной кислоты на нейтрализацию массы и этанола на ее промывку.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является способ получения карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ), включающий обработку (мерсеризацию) измельченной целлюлозы в течение 1 ч десятикратным количеством 20-30%-ного водного раствора гидроксида натрия, отжим щелочной целлюлозы, ее измельчение в течение 1 часа, обработку в течение 2 ч при 80°C монохлоруксусной кислотой (МХУК) или смесью этой кислоты с ее натриевой солью, при мольном соотношении целлюлоза: МХУК, равном 1:1,1-1,2, с получением карбоксиметилированного продукта, очистку его раствором этанола, обработку деструктурирующим агентом - перекисью водорода в количестве 0,3-10% от массы КМЦ в течение 5-10 мин, отжим и сушку при 60-140°C в течение 30-60 мин (а.с. №859374, С08В 11/12, опубл. 30.08.81 г.). Конечный продукт имеет степень замещения 0,64, вязкость 2%-ного водного раствора 30-240 сП, в зависимости от условий обработки продукта после карбоксиметилирования.
Недостатками способа являются сложность процесса, большой расход щелочи, необходимость использования перекиси водорода и этилового спирта.
Новыми техническими результатами от использования предлагаемого изобретения являются упрощение процесса, снижение расхода щелочи, исключение использования перекиси водорода и этилового спирта, обеспечение возможности регулирования степени замещения и вязкости без изменения режима процесса.
Указанные результаты достигаются тем, что в способе получения карбоксиметилцеллюлозы, включающем обработку в реакторе измельченной целлюлозы 20-23%-ным раствором NaOH с получением щелочной целлюлозы, обработку ее монохлоруксусной кислотой, ее натриевой солью или их смесью с расходом реагента 1,1 мас.ч. на 1 мас.ч. волокна при перемешивании в течение 1 часа, с получением карбоксиметилцеллюлозы, ее выгрузку, сушку, измельчение, согласно изобретению целлюлозу обрабатывают раствором NaOH при его двухкратном расходе, при этом обработку щелочью проводят в присутствии арабиногалактана в количестве 5-20% от массы целлюлозы, который вводят в смесь в виде водного экстракта, образующегося при переработке сибирской лиственницы, а полученную карбоксиметилцеллюлозу используют в качестве функциональной добавки в буровые растворы.
Способ осуществляют следующим образом. Сульфитную или сульфатную целлюлозу из хвойных пород древесины со степенью полимеризации 1100 измельчают с получением дисперсии. Готовят раствор NaOH с концентрацией, например, 30%. Водной экстракцией лиственничной щепы готовят раствор арабиногалактана (АГ). При необходимости его концентрируют методом ультрафильтрации до концентрации, например, 26%. В реактор-смеситель подают дисперсию целлюлозы и заданное количество раствора АГ и затем при перемешивании заданное количество раствора NaOH. Обработку целлюлозы раствором NaOH проводят при комнатной температуре в течение 0,5-2 ч с получением щелочной целлюлозы. Затем в смеситель добавляют в заданном количестве монохлоруксусную кислоту, ее натриевую соль или их смесь. Обработку (карбоксиметилирование) проводят 1-2 ч при температуре 50°C и затем продукт выгружают из смесителя, высушивают известным способом, измельчают и получают продукт в товарном виде.
Следующие примеры иллюстрируют возможности предлагаемого способа.
Пример 1. Листовую целлюлозу измельчают в роторном измельчителе. 104,4 г измельченной целлюлозы загружают в смеситель типа Вернера-Пфляйдерера, затем при включенной мешалке в аппарат через форсунку медленно подают 215,4 г 23%-ного раствора NaOH и 19,3 г 26%-ного экстракта АГ, смесь при комнатной температуре выдерживают при перемешивании в течение 1 часа и получают щелочную целлюлозу. Далее в аппарат при перемешивании добавляют 114,3 г монохлоруксусной кислоты, температуру повышают до 50°C и смесь выдерживают в этих условиях в течение 1 часа. Затем реакционную массу выгружают, сушат в полочной сушилке при 80°C до остаточной влажности 7,6%, определяют выход продукта, измельчают до заданного размера частиц.
Пример 2. В отличие от примера 1, концентрация щелочи равна 20%, при щелочной обработке добавляют 32,8 г экстракта АГ, а карбоксиметилирование проводят натриевой солью монохлоруксусной кислоты в течение 1,5 ч.
Пример 3. В отличие от примера 1, при щелочной обработке добавляют 49,2 г экстракта АГ, а карбоксиметилирование проводят смесью монохлоруксусной кислоты м ее натриевой соли при их мольном соотношении 1:1 в течение 2 ч.
Пример 4. В отличие от примера 1, при щелочной обработке добавляют 76,9 г экстракта АГ.
Пример 5. В отличие от примера 1, КМЦ получают без добавления АГ.
Пример 6. В отличие от примера 1, процесс ведут по аналогу, то есть без добавления АГ, при расходе щелочного раствора 1000 г, щелочную целлюлозу отжимают и обрабатывают монохлоруксусной кислотой при 80°C в течение 2 ч. Далее продукт очищают этинолом, отжимают, обрабатывают в течение 5 мин перекисью водорода при ее расходе 3% от массы КМЦ, выгружают из аппарата и высушивают.
Данные таблицы показывают, что введения АГ на стадии получения щелочной целлюлозы (мерсеризации) позволяет регулировать степень полимеризации и вязкость водных растворов КМЦ. Испытания полученных образцов КМЦ в качестве добавок в буровые растворы показывают их высокую эффективность.
| Таблица. | ||||||
| Характеристики образцов КМЦ, полученных по примерам | ||||||
| Условия приготовления и показатели КМЦ | Примеры | |||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
| АГ экстракт 26%, г/100 г целлюлозы | 19,3 | 32,8 | 49,2 | 76,9 | 0 | 0 |
| % АГ от целлюлозы | 5,0 | 8,5 | 12,8 | 20,0 | 0 | 0 |
| Массовая доля воды, % | 7,6 | 9,1 | 9,5 | 8,0 | 10,1 | 8,3 |
| Степень замещения по карбоксиметильным группам (С.З.) | 0,84 | 0,86 | 0,86 | 0,84 | 0,84 | 0,64 |
| Массовая доля основного вещества в абсолютно сухом техническом продукте, % | 56 | 54 | 55 | 55 | 55 | 42 |
| Динамическая вязкость по Хепплеру водного раствора с масс. долей 2% при температуре 25°C, мПа·с | 43 | 42 | 35 | 30 | 46 | 48 |
| Растворимость в воде в пересчете на абсолютно сухой технический продукт, % | 99,8 | 99,8 | 99,8 | 99,8 | 99,8 | 99,9 |
| Водородный показатель водного раствора с массовой долей 1%, ед. pH | 11,3 | 11,0 | 11,2 | 11,1 | 11,2 | 7,1 |
| Показатель статической фильтрации глинистого бурового раствора с массовой долей КМЦ 2%, см3/30 мин | 10 | 11 | 11 | 12 | 11 | 11 |
| Степень полимеризации | 650 | 580 | 570 | 470 | 660 | 520 |
1. Способ получения карбоксиметилцеллюлозы, включающий обработку в реакторе измельченной целлюлозы 20-23%-ным раствором NaOH с получением щелочной целлюлозы, обработку ее монохлоруксусной кислотой, ее натриевой солью или их смесью, с расходом реагента 1,1 мас.ч. на 1 мас.ч. волокна при перемешивании в течение 1 ч, с получением карбоксиметилцеллюлозы, ее выгрузку, сушку, измельчение, отличающийся тем, что целлюлозу обрабатывают раствором NaOH при его двухкратном расходе, при этом обработку щелочью проводят в присутствии арабиногалактана в количестве 5-20% от массы целлюлозы.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что арабиногалактан вводят в смесь в виде водного экстракта, образующегося при переработке древесины лиственницы.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что полученную карбоксиметилцеллюлозу используют в качестве функциональной добавки в буровые растворы.
