Устройство для полимеризации изопрена в массе
Владельцы патента RU 2617411:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" (RU)
Федеральное государственное унитарное предприятие "Ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт синтетического каучука имени академика С.В. Лебедева" (RU)
Изобретение относится к производству синтетических каучуков. Описано устройство для полимеризации изопрена в массе в неподвижном слое реакционной смеси в виде малообъемных ячеек. Ячейки выполнены в теле охлаждаемой технологической платформы. Ячейки имеют форму цилиндра большого диаметра и малой высоты. Высота слоя реакционной смеси в ячейке не превышает 3 мм. Технический результат - получение продукта с более высокими качественными показателями. 1 ил., 2 табл., 2 пр.
Изобретение относится к производству синтетических каучуков.
В настоящее время основным методом получения диеновых каучуков является полимеризация в растворе. Между тем несомненными преимуществами обладает полимеризация в массе (блочная полимеризация), при реализации которой достигается максимальная концентрация мономера, т.е. максимальная скорость процесса, и зачастую максимальная степень полимеризации. Кроме того, в силу отсутствия разбавителей при полимеризации в массе обеспечивается максимальная чистота готового продукта и исключается необходимость в аппаратуре для их рецикла. Поскольку следующие за растворной полимеризацией процессы и их аппаратурное оформление составляют 80% металлоемкости и 70% энергоемкости всей технологической цепочки, очевидно, что полимеризация в массе принципиально представляет собой наиболее экономичную технологию.
Тем не менее полимеризация изопрена в массе до сих пор расценивается как бесперспективная технология. К причинам такого состояния вопроса относят очень высокие значения вязкости реакционной среды, исключающие применение перемешивающих устройств, а также затрудненный в условиях очень высокой скорости протекающей экзотермической реакции теплоотвод из объема аппарата.
Известны способ и устройство для получения изопреновых полимеров и сополимеров в отсутствие (или практически в отсутствие) растворителей (см. Патент США 4696984, 1987). В качестве устройства для осуществления процесса полимеризации изопрена в массе в этом литературном источнике сообщается об использовании традиционных реакторов с мешалками - при умеренных значениях конверсии (50-60%). Для достижения более высокой конверсии рекомендуется использовать экструдеры с самоочищающимися мешалками (шнеками). При этом конкретные значения конверсии и вязкости среды в патенте не приводятся. Между тем известно, что применение каких-либо перемешивающих устройств возможно лишь до значений вязкости среды, не превышающих 103 Па⋅с. При конверсии 60-70% вязкость реакционной смеси синтезируемого полиизопрена составляет величину по крайней мере на порядок выше.
Известен способ синтеза полиизопрена, характеризующийся высоким уровнем содержания транс-1,4-звеньев, и устройство для его осуществления (см. патент CN 200610043556.4, RU 2395528, МПК C08F 136/08). В описании этого изобретения сообщается об использовании большого объема мономера, при котором невозможно обеспечить необходимый теплоотвод из зоны реакции. В результате недостаточного теплоотвода рост температуры приобретает неконтролируемый характер, а готовый продукт получается некондиционным по качеству. Устройство для осуществления процесса полимеризации представляет собой реактор с мешалкой в виде ленточной винтовой лопасти. При конверсиях выше 60% данный аппарат становится неработоспособным из-за резкого возрастания вязкости среды.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство для осуществления каталитического процесса полимеризации изопрена в массе в неподвижном слое реакционной смеси в виде малообъемных ячеек полусферической формы, выполненных в теле охлаждаемой технологической платформы, в частности на конвейерной ленте (см. Патент RU №2563844, МПК C08F 136/08, C08F 136/04). Недостатком данного устройства является неоднородность свойств синтезируемого полимера, проявляющая себя уже при полимеризации в ячейках малого размера. В частности, установлено [Елфимов В.В., Юленец Ю.П., Марков А.В. и др. Математическая модель процесса полимеризации изопрена в массе // Каучук и резина, 2015. - №4. - С. 38-41], что даже в ячейке радиусом rо=10 мм условия полимеризации изопрена в массе существенно отличаются от изотермических, в результате чего конечный продукт получается разнородным по качеству, а время процесса завышенным. Кроме того, при превышении значения rо=10 мм температура реакционной смеси во всех тепловых режимах, т.е. при любых значениях температуры стенки ячейки Tст, оказывается выше максимально допустимой (, где 
). Это отрицательно сказывается на свойствах синтезируемого полиизопрена, так как полимеризация диенов весьма чувствительна к повышенным температурам.
В силу указанных причин при сопоставлении показателей работы заявляемого устройства с устройством-прототипом характерный размер (радиус ячейки) полусферической формы выбран равным 10 мм.
Технический результат от использования заявляемого устройства заключается в получении конечного продукта с более высокими качественными показателями.
Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для осуществления каталитического процесса полимеризации изопрена в массе в неподвижном слое реакционной смеси в виде малообъемных ячеек, выполненных в теле охлаждаемой технологической платформы, ячейки имеют форму цилиндра большого диаметра и малой высоты, а высота слоя реакционной смеси в ячейке не превышает 3 мм.
Внутри охлаждаемой проточной водой технологической платформы 1 выполнены углубления (ячейки) цилиндрической формы. Диаметр ячеек D значительно превышает их высоту (глубину). Высота h слоя реакционной смеси в ячейке (позиция 2 на Фиг. 1) не превышает 3 мм.
Пример 1. Проводили полимеризацию изопрена ([М]о=10 моль/л) в массе в присутствии каталитической системы на основе бис-(2-этилгексил) фосфата неодима ([Nd]=2⋅10-4 моль/л) в ячейке полусферической формы и в ячейке цилиндрической формы большого диаметра и малой высоты, выполненных в теле технологической платформы. Тепловые режимы реакторов (ячеек) обеспечивались регулированием температуры воды, прокачиваемой через «рубашку» технологической платформы. Показатели процесса полимеризации сведены в таблицу 1.
В таблице 1 обозначено: Tст - температура стенки ячейки; Tmax - максимальная температура реакционной смеси; T - локальная температура реакционной смеси; τ - текущее время; Uср - средняя конверсия (степень превращения мономера в полимер: 
, где [М]о, [М] - соответственно начальная и текущая концентрации изопрена в реакционной смеси); 
- средняя по высоте слоя за время полимеризации температура; x - текущая по высоте слоя координата; h - высота слоя в ячейке; Mn, Mw - соответственно среднечисленная и среднемассовая молекулярная масса полиизопрена; [η] - характеристическая вязкость раствора полиизопрена в толуоле.
Сравнительная таблица показателей процесса полимеризации изопрена в массе в устройствах различной конструкции
Из данных таблицы 1 следует, что применение заявляемого устройства по сравнению с устройством-прототипом обеспечивает более высокие качественные характеристики полимера, достигаемые в том числе при одинаковых максимальных температурах полимеризации (Tmax=100°C). Синтезированный полиизопрен отличается более высокой 1,4-цис-специфичностью. Достигнутый эффект обусловлен реализацией в заявляемом устройстве более близких к изотермическим условий полимеризации, обеспечивающих дополнительно сокращение временной продолжительности процесса. Так, время полимеризации изопрена до конверсии 90% в ячейке полусферической формы даже при большей максимальной температуре (Tmax=130°C) значительно превышает время полимеризации в ячейке заявляемой конструкции при Tmax=100°C.
Оптимальное значение высоты слоя реакционной смеси (h=3 мм) в заявляемом устройстве установлено следующим образом.
Пример 2. Проводили полимеризацию изопрена ([М]о=10 моль/л) в массе в присутствии каталитической системы на основе бис-(2-этилгексил) фосфата неодима ([Nd]=2⋅10-4 моль/л) в ячейке цилиндрической формы диаметром 0,3 м, выполненной в теле охлаждаемой проточной водой технологической платформы при различных значениях высоты слоя реакционной смеси. Сравнительные показатели процесса при Tmax=100°C и конверсии мономера Ucp=0,9 сведены в таблицу 2.
Как и следовало ожидать, наиболее близкие к изотермическим условия полимеризации 
и соответственно наибольшая равномерность свойств синтезируемого полиизопрена обеспечиваются при минимальной высоте слоя h=2 мм. Однако относительная производительность устройства оказывается максимальной при высоте слоя h=3 мм, которое является оптимальным.
Относительная производительность устройства определялась следующим образом: 
, где h - высота слоя; τо - время полимеризации при минимальной высоте слоя (h=hо=2 мм); τ - время полимеризации при высоте слоя h; Gh - производительность устройства при высоте слоя h; Gо - производительность устройства при минимальной высоте слоя (hо=2 мм).
Полиизопрен, полученный полимеризацией изопрена в массе в реакторе заявляемой конструкции при высоте слоя смеси 3 мм, отличается высокими техническими показателями - таблица 1. Таким образом, в рассматриваемом случае показатель изотермичности (R=0,77) обеспечивает одновременно максимальную производительность оборудования и высокое качество продукции.
Устройство для осуществления каталитического процесса полимеризации изопрена в массе в неподвижном слое реакционной смеси в виде малообъемных ячеек, выполненных в теле охлаждаемой технологической платформы, отличающееся тем, что ячейки имеют форму цилиндра большого диаметра и малой высоты, а высота слоя реакционной смеси в ячейке не превышает 3 мм.
