способ выделения термопластов из их растворов

Формула изобретения

СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ ТЕРМОПЛАСТОВ ИЗ ИХ РАСТВОРОВ в гидрофобных растворителях путем смешения раствора термопласта с горячей водой, имеющей температуру не ниже температуры кипения азеотропной смеси растворителя и воды, в смесителе, отличающийся тем, что сначала горячую воду перемешивают до достижения скорости ее движения 3 - 10 м/с, затем в нее подают раствор термопласта со скоростью истечения 0,5 - 2,5 м/с, смешение продолжают до образования суспензии сформировавшихся частиц термопласта в воде и суспензию подают на досушку от растворителя в аппарат смесительного типа, в котором поддерживается температура не ниже температуры кипения азеотропной смеси растворителя и воды.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии полимеров. Может быть использовано в производстве полимеров, полученных в результате синтеза в виде растворов в гидрофобных растворителях с последующим выделением готового продукта в твердом состоянии или для получения порошкообразных или зернистых форм термопластов.

В предлагаемом изобретении рассматривается процесс выделения термопластов, основанный на контакте растворов полимеров в гидрофобных растворителях, например метиленхлориде (МХ), хлорбензоле (ХБ) или смеси метиленхлорида и хлорбензола с горячей водой.

Известен способ выделения полимеров из их растворов в органических растворителях, например, поликарбонатов из растворов в МХ или полистирола из раствора в толуоле, при котором испарение органического растворителя осуществляется путем нагрева смеси раствора полимера с водой до температуры на 10-30^оС выше температуры кипения органического растворителя [1]

Смешение и выделение происходит одновременно в аппарате емкостного типа с использованием импеллерной мешалки со скоростью от 10 до 70 футов/с.

При накоплении в аппарате требуемого количества частиц подача раствора полимера прекращается на 1-10 мин для подсушки образовавшихся частиц, после чего подача раствора полимера возобновляется.

Способ имеет ряд недостатков. Одним из них является задержка и накопление высажденного продукта в аппарате. При этом продукт гидролизуется, его качество ухудшается.

Этот способ не обеспечивает непрерывности процесса при циклической подаче раствора полимера на высаждение. Кроме того, общая производительность за счет необходимости остановок на очистку аппарата от нежелательных накоплений продукта и связанных с этим дорогостоящих потерь весьма низкая.

Известен непрерывный двухступенчатый процесс высаждения термопластов из их растворов в органических растворителях, в том числе поликарбонатов из их растворов в МХ, согласно которому процесс осуществляется следующим образом: 20%-ный раствор ПК в МХ подается в сопло, в котором он контактирует с острым паром. Частично высажденный полимер поступает в первый смеситель с горячей водой. После него суспензия проходит через модификатор размеров и поступает во второй смеситель с горячей водой через теплообменник. Во второй смеситель дополнительно подается пар. Температура в смесителях поддерживается от 45 до 120^оС, давление от 0,1 до 2-х атм. [2]

Главным недостатком способа является использование пара для высаждения. При этом образуются жесткие структуры полимера с регулируемым гранулометрическим составом порошков, что требует дополнительного измельчения в модификаторе размеров и приводит к значительным затратам мощности и низкой производительности. Кроме того, после модификатора образуется большое количество мелких пылевидных частиц, которые затрудняют дальнейший процесс сушки и переработки порошка. Перечисленные недостатки способа требуют значительных энергозатрат и усложняют аппаратурное оформление процесса.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ получения порошкообразного поликарбоната, описанный в [3]

Сущность этого способа заключается в том, что раствор поликарбоната в гидрофобном растворителе смешивают в смесителе с перемешивающим устройством нережущего характера в турбулентном режиме при скорости вращения мешалки от 200 до 700 об/мин с горячей водой при температуре не ниже температуры кипения азеотропной смеси растворителя с водой. После образования порошка поликарбоната готовый продукт выгружают из аппарата. Концентрация исходного раствора поликарбоната составляет 5-17 мас. Температура в смесителе поддерживается в пределах 60-83^оС. Соотношение раствор полимера: горячая вода от 0,2 до 1 об.

Недостатками данного способа являются:

значительный разброс размеров получаемых частиц, наличие большого количества (до 50%) мелких частиц, затрудняющих дальнейшую переработку полимера;

значительные энергозатраты, связанные с необходимостью поддержания высоких температур в смесителе (преимущественно 82-83^оС),

невозможность использования высококонцентрированных растворов полимеров (выше 17 мас.) из-за образования крупных комков полимеров, требующих дополнительного дробления;

значительные потери растворителя и горячей воды, являющиеся отходами производства;

сложность аппаратурного оформления, связанная с необходимостью проведения процесса по периодическому способу.

Сущность изобретения состоит в том, что выделяют термопласты из их растворов в гидрофобных растворителях путем смешения раствора полимера с горячей водой, имеющей температуру не ниже температуры кипения азеотропной смеси растворителя и воды в смесителе, снабженном перемешивающим устройством, передающим количество движения за счет тангенциального напряжения в направлении, перпендикулярном направлению движения мешалки. Перед смешением горячую воду перемешивают до достижения скорости ее движения от 3 до 10 м/с, после чего в нее подают раствор термопласта со скоростью истечения от 0,5 до 2,5 м/с до образования суспензии сформировавшихся частиц термопласта в воде, которую затем передают на досушку от растворителя в аппарат смесительного типа, в котором поддерживается температура не ниже температуры кипения азеотропной смеси растворителя и воды. Концентрация исходного раствора полимера 20-30 мас. За скорость движения воды принимают усредненную скорость движения воды в аппарате.

Целью изобретения является:

снижение энергозатрат;

улучшение качественных характеристик порошков (насыпной вес, регулируемый гранулометрический состав),

снижение потерь растворителя и горячей воды,

создание экологически чистого безотходного процесса;

упрощение аппаратурного оформления процесса;

возможность использования высококонцентрированных растворов без ухудшения качества порошка;

универсализация процесса, т.е. возможность выделения полимеров различного строения от кристаллического до аморфного.

Это достигается тем, что перед смешением горячую воду перемешивают до достижения скорости ее движения 3-10 м/с, после чего в нее подают раствор термопласта со скоростью истечения 0,5-2,5 м/с до образования суспензии сформировавшихся частиц термопласта в воде и последующей доосушкой сформировавшихся частиц от растворителя в аппарате смесительного типа в котором поддерживается температура не ниже температуры кипения азеотропной смеси растворителя и воды.

Процесс выделения термопластов из растворов может проводиться как непрерывно, так и периодически. Однако последнее экономически нецелесообразно, что будет проиллюстрировано примером.

При работе в непрерывном режиме перед первым пуском аппараты (первый, в котором происходит смешение и образование суспензии сформировавшихся частиц термопласта в воде; второй, в котором происходит доосушка суспензии, передаваемой из первого аппарата до остаточного содержания растворителя 2,5-4,9%) заполняются водой, включается обогрев аппаратов и перемешивающие устройства. При достижении заданной температуры в аппаратах и скорости движения вращающейся воды в первом аппарате 3-10 м/с начинают подачу раствора термопласта со скоростью истечения 0,5-2,5 м/с в первый аппарат. Причем вода в процессе высаждения циркулирует по контуру первый аппарат второй аппарат-фильтр-насос-первый аппарат. Для компенсации потерь (вода выводится с высажденным полимером, удаляется с азеотропом растворитель-вода, теряется за счет естественных потерь) в систему возвращается конденсат со стадии сушки порошка и добавляется свежая вода. Заявленные скорости движения воды и скорости истечения раствора термопласта при указанном типе перемешивающего устройства обеспечивают формирование в первом аппарате частиц заданного размера, откуда их вместе с потоком циркулирующей воды передают на доосушку от растворителя в аппарат смесительного типа, в котором поддерживается температура не ниже температуры кипения азеотропной смеси растворителя и воды, и далее на фильтр, откуда вода насосом подается снова в первый аппарат, а отфильтрованный порошок поступает в сушилку. Вода и растворитель, отгоняемые на стадии сушки, возвращаются в процесс. Отгоняемая из аппаратов азеотропная смесь растворитель вода поступает в холодильник, откуда после разделения фаз растворитель отбирается для дальнейшего использования.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами (1-16).

П р и м е р 1. Исходный раствор: поликарбонат (ПК) с молекулярной массой 35000, полученный на основе бисфенола А и фосгена в виде 20%-го раствора в метиленхлориде (МХ).

В аппараты смесительного типа емкостью 40 л закачивается по 20 л воды. Включается обогрев и перемешивающие устройства. При достижении в аппаратах температуры 49^оС (что выше на 10,9^оС температуры кипения азеотропной смеси МХ-вода) включают насос для циркуляции горячей воды в системе.

При достижении скорости движения вращающейся воды в первом аппарате 3 м/с начинают подачу раствора ПК в первый аппарат со скоростью истечения 2,5 м/с, отношение скорости движения воды к скорости истечения раствора ПК 1,2.

Азеотропная смесь МХ-вода отгоняется из аппаратов в холодильник, где конденсируется и собирается в отстойник. Суспензия порошка ПК с водой отводится во второй аппарат смесительного типа, где доосушивается при температуре 55^оС до содержания растворителя 4,5% а затем на фильтр, откуда вода возвращается в первый аппарат, а порошок в сушилку.

Свойства готового продукта и другие показатели по всем примерам представлены в таблице.

П р и м е р 2. Аналогично примеру 1, но скорость движения воды 5 м/с, скорость истечения раствора ПК в МХ 0,5 м/с, отношение скорости движения воды к скорости истечения раствора составляет 10. Температура в первом аппарате поддерживается 51^оС, во втором 57^оС.

П р и м е р 3. Аналогично примеру 1, но используют 25%-ный раствор ПК в МХ, скорость движения вращающейся воды 10 м/с, скорость истечения раствора ПК в МХ 0,5 м/с, отношение скорости движения воды к скорости истечения раствора составляет 20. Температура в первом аппарате поддерживается 53^оС, во втором 59^оС.

П р и м е р 4. Аналогично примеру 1, но используют 30%-ный раствор ПК в МХ. Скорость движения вращающейся воды 10 м/с, скорость истечения раствора ПК в МХ 0,5 м/с, отношение скорости движения воды к скорости истечения раствора составляет 20. Температура в первом аппарате поддерживается 49^оС, во втором аппарате 55^оС.

П р и м е р 5. Исходный раствор поликарбонатсилоксан (ПКС) продукт сополиконденсации олигокарбоната с концевыми гидроксильными группами и бисхлорформиатолигосилоксана в виде 20%-го раствора в МХ.

Выделение проводят аналогично примеру 1, но скорость движения вращающейся воды 10 м/с, скорость истечения раствора ПКС 1 м/с, отношение скорости движения воды к скорости истечения раствора составляет 10. Температура в первом аппарате поддерживается 49^оС, во втором аппарате 55^оС.

П р и м е р 6. Исходный раствор высокомолекулярный ПК (ВМПК), полученный на основе бисфенола А и фосгена с молекулярной массой выше 100000, в виде 20%-ного раствора в МХ. Выделение проводят аналогично примеру 1. Температура в первом аппарате поддерживается на уровне 53^оС, во втором аппарате 59^оС.

П р и м е р 7. Исходный раствор ПК с молекулярной массой 35 000 в виде 20% -ного раствора в хлорбензоле. Выделение проводят аналогично примеру 1. Температура в первом аппарате поддерживалась на уровне 95^оС, во втором аппарате 97^оС.

П р и м е р 8. Исходный раствор полисульфон (ПСФ), полученный на основе бисфенола А и 4,4-дихлордифенилсульфона в виде 20%-ного раствора в хлорбензоле. Выделение проводят аналогично примеру 1, температуры в аппаратах поддерживаются аналогично примеру 7.

П р и м е р 9. Исходный раствор полиэфиркарбонат, полученный в виде 20% -ного раствора в метиленхлориде. Выделение проводят аналогично примеру 1.

П р и м е р 10. Исходный раствор-поликарбонат, полученный на основе тетрабромдифенилолпропана (ТБДФП) в виде 20%-ного раствора в метиленхлориде. Выделение проводят аналогично примеру 1.

П р и м е р 11. (контрольный). Процесс проводят аналогично примеру 1, но скорость движения вращающейся воды 3 м/с, скорость истечения раствора ПК 6 м/с, отношение скорости движения воды к скорости истечения раствора составляет 0,5. Полученный продукт представляет собой крупные комки, непригодные для дальнейшей переработки и забивающие узел выгрузки суспензии.

П р и м е р 12 (контрольный). Процесс проводят аналогично примеру 1, но скорость движения вращающейся воды 10 м/c, скорость истечения раствора ПК 0,4 м/с, отношение скорости движения воды к скорости истечения раствора составляет 25. Полученный продукт представляет собой пылевидные частицы с маленьким насыпным весом, затрудняющие дальнейшую переработку.

П р и м е р 13 (контрольный). Пример проводят аналогично примеру 1, но скорость движения вращающейся воды 2 м/с, скорость истечения раствора ПК 1м/с, соотношение скоростей составляет 2:1. Полученный продукт представляет собой очень крупные частицы с низким насыпным весом.

П р и м е р 14 (контрольный). Пример проводят аналогично примеру 1, но скорость движения вращающейся воды 12 м/с, скорость истечения раствора ПК 2,5 м/с, соотношение скоростей составляет 4,8:1. Неоправданно возрастают энергозатраты на процесс.

П р и м е р 15 (контрольный). Процесс проводят в одном аппарате. Используется 10% -ный раствор поликарбоната в метиленхлориде. Суспензия порошка с водой непрерывно выводится на фильтр. Скорость движения вращающейся воды 10 м/с, скорость истечения раствора ПК-0,5 м/с. Соотношение скоростей составляет 20: 1. Для получения продукта, чьи характеристики сравнимы с характеристиками порошка, получаемого в каскаде из двух аппаратов, температуру процесса приходилось увеличивать по отношению к оптимальной, а скорость подачи раствора уменьшать, что значительно увеличило энергозатраты на 1 кг высажденного порошка. При больших скоростях подачи раствора и меньших температурах наблюдался неконтролируемый рост размеров частиц из-за их слипания, чего можно избежать, останавливая подачу раствора и тем самым переходя на периодическую схему работы, недостатки которой были описаны выше. Но даже при температуре 60-65^оС и скорости подачи раствора 0,3 м/с образующиеся частицы содержат 25-30 мас. метиленхлорида, что приводит к их слипанию во время транспортировки и фильтрации и создает дополнительные нагрузки на стадию сушки.

П р и м е р 16 (по прототипу). Исходный раствор поликарбонат в виде 15% -ного раствора в метиленхлориде. Процесс проводят следующим образом. Высадитель емкостью 5 л заполняется водой, включается обогрев. По достижении температуры в высадителе 83^оС включается мешалка со скоростью 400 об/мин и начинается подача раствора ПК со скоростью 4 мл/мин. Количество поданного на высаждение раствора ПК 5 л. Полученный продукт представляет собой мелкие частицы с малым насыпным весом, затрудняющие дальнейшую переработку. Кроме того, процесс требует значительных энергозатрат, связанных с необходимостью поддержания в аппарате высоких температур. По указанному способу невозможно выделять полимеры из растворов выше 17,5%-ной концентрации, что также повышает энергозатраты.

Как следует из таблицы и описания, поставленные перед изобретением задачи достигнуты. Разработан непрерывный, экономичный с точки зрения энергозатрат, необходимых на получение и дальнейшую переработку термопластов, процесс выделения их из растворов в гидрофобных растворителях.

Предложенный способ позволяет свести потери растворителя за счет организации циркуляции с 2% по прототипу до 0,2-0,5% потери воды с 0,1 л на 1 кг термопласта до 0,02-0,06 на кг термопласта, что позволяет говорить о создании экологически чистого безотходного производства.

Данный процесс легко контролируется, автоматизируется и масштабируется, что позволяет сделать вывод о его простоте и надежности.

Выделенные по предложенному способу термопласты характеризуются высоким насыпным весом, регулируемым гранулометрическим составом, что позволяет перерабатывать его в изделия без предварительного гранулирования.

В процессе возможно использование высококонцентрированных растворов до 30 мас. в сравнении с 17,5 мас. по прототипу.

Разработан универсальный процесс, позволяющий выделять термопласты из растворов полимеров различного строения, от кристаллического до аморфного.