способ полимеризации

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ мономеров в среде расплава или раствора, включающий подачу исходной смеси мономеров и инициатора в реакционную зону цилиндрической формы, инициирование реакции и вывод продукта, отличающийся тем, что исходную смесь мономеров и инициатор подают осевым потоком вдоль оси реактора, трансформируя ее в осесимметричный радиальный поток, выводят продукт из реакционной зоны перпендикулярно оси реактора с выгрузкой его из реактора осевым потоком, причем реакционная зона принимает стационарную цилиндрическую форму за счет образования в ней стоячей самоподдерживающейся волны полимеризации.

Описание изобретения к патенту

Изобретение касается получения полимеров полимеризацией мономеров в растворе или расплаве и может быть использовано для получения полиметилметакрилата, полимеров и сополимеров акриловой кислоты, полиэтилена среднего давления и других полимеров для широкого и специального применения их в качестве изделий бытового и технического назначения.

Известен способ и устройство для проведения периодической полимеризации виниловых мономеров, содержащих нитрильные и аминные группы, а также акрилатов в среде разбавителя в устройстве, состоящем из набора отдельных секций, собранных на горизонтальной станине по типу фильтр-пресса [1]

Недостатками способа являются его низкая производительность и периодичность действий.

Известен cпособ получения полимеров в водной среде в присутствии водорастворимых инициаторов при давлении 1-30 кг/см², температуре 10-150^оС жидких или газообразных мономеров типа сложных виниловых эфиров, акрилатов, акриловой кислоты или стирола [2]

Недостатком этого способа является повышенная экологическая опасность, связанная с загрязнением воды и необходимостью ее очистки, что требует больших энергетических затрат.

Наиболее близким к предлагаемому является способ полимеризации мономеров в среде расплава или раствора, включающий подачу исходной смеси мономеров и инициатора в реакционную зону цилиндрической формы, инициирование реакции и вывод продукта [3]

При этом способе процесс полимеризации осуществляется в аппарате, снабженном перемешивающим механизмом, вал которого расположен параллельно направлению потока, а также множеством отверстий для подвода исходных соединений и отвода полимера. Перемешивание полимеризующейся смеси происходит только в радиальном направлении. Перемешивание в направлении потока практически отсутствует. Перемешивающее устройство функционирует от поршневой системы.

К недостаткам этого способа можно отнести следующее:

необходимость затраты энергии на вращение перемешивающего устройства;

необходимость создания специальных способов герметизации вала мешалки.

Цель изобретения увеличение эффективности удельной производительности процесса и повышение качества полимера.

Для этого исходную смесь мономеров и инициатор подают осевым потоком вдоль оси реактора, трансформируя ее в осесимметричный радиальный поток, выводят продукт из реакционной зоны перпендикулярно к оси реактора с выгрузкой его из реактора осевым потоком, причем реакционная зона принимает стационарную цилиндрическую форму за счет образования в ней стоячей самоподдерживающей волны полимеризации.

Способ осуществляется следующим образом.

Исходную смесь мономеров и инициатора с постоянным расходом G_m G/(C_o C_t) и температурой То направляют в реактор с цилиндрической боковой поверхностью осевым потоком вдоль оси реактора через входной канал в центре плоской верхней крышки. Внутри реактора осевой поток трансформируется в осесимметричный радиальный поток. Это достигается тем, что реакционную зону внутри реактора ограничивают цилиндром с боковой перфорированной поверхностью радиуом R_n и неперфорированными двумя основаниями цилиндра. Верхним основанием цилиндра служит верхняя крышка реактора с каналом для входного потока. Для более равномерного распределения жидкости по высоте цилиндрической зоны вдоль оси реактора может быть расположена перфорированная цилиндрическая трубка, являющаяся продолжением входного канала в верхней крышке реактора.

Замкнутая реакционная зона (в стационарном режиме) принимает стационарную цилиндрическую форму за счет образования в ней стоячей самоподдерживающей волны полимеризации. Стоячая волна полимеризации представляет собой область (слой), в которой проходит реакция полимеризации. Условно в этой области можно выделить два слоя (подслоя). В первом (по ходу движения среды) слое преобладает процесс нагрева исходной смеси теплом полимеризации, выделившимся во втором слое. В этом втором слое происходит основная часть химической реакции и выделение тепла полимеризации. Границу между двумя слоями можно назвать фронтом волны. В стоячей волне область, состоящая из двух указанных слоев, неподвижна, а среда двигается через эту область, причем скорость движения среды равна скорости движения волны по неподвижной среде.

Поскольку зона реакции, представляющая собой стоячую волну, практически не касается стенок реактора (за исключением торцов реакционного объема), то полимер получается чистым, что улучшает его качество. Концентрация области прохождения реакции в стоячую волну существенно увеличивает удельную производительность реактора. Радиальное движение реакционной смеси в реакторе характеризуется, при постоянном расходе, уменьшением скорости движения среды вдоль радиуса, достигая на оси реактора теоретически бесконечные значения скорости, а практически больших скоростей среды. Это приводит к тому, что при постоянных заданных температурах на входе и выходе из реактора и, следовательно, заданной скорости распространения фронта волны по неподвижной среде существует радиус, на котором скорости среды и скорость фронта волны будут равны. Это и будет в реакторе местом расположения стоячей волны полимеризации. Возможные колебания расхода или входной температуры приведут к небольшому сдвигу волны вдоль радиуса на новое стационарное место. Таким образом, процесс по предлагаемому способу обладает свойством саморегулирования, что повышает надежность его в работе и в свою очередь улучшает качество полимера.

Величины скорости волны полимеризации и ее характерной протяженности (l) сложным образом зависят от кинематических и режимных параметров процесса и могут быть определены для данной реакционной смеси или экспериментально, или теоретически.

Соотношение между начальной Т_о и конечной Т₊ температурами в волне полимеризации определяется из закона сохранения энергии

Т₊ Т_о (C_о + C₊) Q/C_р, где С_о начальная концентрация мономера;

С₊ конечная концентрация мономера;

Q удельный тепловой эффект реакции полимеризации;

C_р теплоемкость смеси.

Для заданной производительности реактора G и известной скорости фронта волны и можно найти необходимую поверхность фронта в реакторе

S где плотность среды.

Очевидно площадь поверхности цилиндра зависит от двух величин: радиуса R и высоты Н. Для повышения удельной производительности необходимо выбрать такие размеры R и Н, чтобы объем реакционной зоны был при заданной S минимальным.

Исходя из этого условия, находит соотношение между высотой поверхности S и ее радиусом

H R где R (S/)^1/2

Радиус перфорированной поверхности R_n определяем с запасом

R_п R + l.

Стоячая самоподдерживающая волна полимеризации по форме приближается к цилиндрической поверхности радиуса.

Стационарноcть режима достигается равенством (по абсолютной величине) скорости движения фронта полимеризации к оси цилиндра и скорости движения реакционной среды от оси цилиндра в месте расположения фронта на радиусе R. После прохождения реакционной смеси через стоячую волну полимеризации (толщина волны, как правило, намного меньше габаритов реактора), смесь, содержащую полимер, направляют через перфорированную поверхность, ограничивающую реакционную зону, в коллектор, образованный этой перфорированной поверхностью и корпусом реактора. Корпус коллектора, который одновременно является корпусом реактора, должен быть теплоизолирован для создания адиабатических условий проведения процесса. После прохождения через коллектор, представляющий собой зазор между двумя соосными цилиндрическими поверхностями, полимерную смесь выводят из реактора осевым потоком через выходное отверстие в нижней части реактора.

При проведении этим способом полимеризации мономеров в растворе или расплаве полностью исключены перемешивание среды и соответственно затраты на вращение перемешивающих устройств, а также необходимость создания устройств уплотнения вала мешалки.

Предлагаемый способ также позволяет исключить возможность полимеризации мономера и разложения инициатора до достижения зоны реакции, так как при этом способе они предварительно не проходят через горячую зону реакции. Кроме того, за счет лучшей организации подачи реагентов улучшается гидродинамика процесса, все это приводит к увеличению производительности реактора и улучшению качества полимера.