способ получения солей металлов жирных кислот с₈-с₂₂ (металлических мыл)

Формула изобретения

1. Способ получения солей металлов жирных кислот С₈-С₂₂ (металлических мыл) на основе водных растворов солей металлов, карбоновых кислот и щелочного агента при их взаимодействии при нагревании, отличающийся тем, что процесс проводят путем введения соответствующих кислот в нагретый водный раствор солей металлов и нагревание осуществляют до температуры плавления или предплавления кислоты, после чего в полученную суспензию или эмульсию расплава жирных кислот в водном растворе солей металлов вводят при указанной температуре щелочной агент и процесс проводят при молярном соотношении соль кислота щелочной агент, соответственно 1 n n (n + 0,4), где n целое число, равное заряду соответствующего катиона металла.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве щелочного агента используют едкий натр или едкое кали.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что процесс проводят при 40 - 100^oС.

4. Способ по пп.1 3, отличающийся тем, что процесс проводят при температуре ниже температуры плавления соответствующего металлического мыла на 5 90^oС.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к химической промышленности, конкретно к способу получения солей металлов жирных кислот С₈-С₂₂, в дальнейшем - металлических мыл, которые применяются в промышленности в качестве технологически активных добавок в производстве шин и резино-технических изделий, комплексных стабилизаторов ПВХ, в производстве искусственных кож, линолеума, граммпластинок, писчей бумаги, при таблетировании витаминов и лекарственных препаратов, для производства кабельных пластикатов, в парфюмерно-косметической промышленности.

Известны многочисленные способы получения солей металлов жирных кислот. Их можно разбить на две группы: способы, основанные на обменных процессах между натриевыми или калиевыми (щелочными) мылами и солями соответствующих металлов (например, патент Японии N 429692, С 07 С 53/126, 51/41, 1989; Малоотходный способ получения стеарата кальция, Гаврикова М.А. Тархова Т.Г. Дегтярева Е.Ю. Скрипко Л.А. "Синтез и исследование эффективных химикатов для полимерных материалов". Тезисы докладов к 8 Всесоюзной научно-технической конференции, Тамбов, сентябрь 1986, с.51-52) и способы, основанные на взаимодействии оксидов или гидроксидов металлов с жирными кислотами в присутствии воды, катализаторов, растворителей и пр, (Патент ФРГ N 4019167.2, С 07 С 51/41, С 10 М 105/24, 1990).

Недостатками первой группы способов являются сложность и громоздкость технологической схемы производства, большой расход воды (более 40 м³ на 1 т продукта) и энергоресурсов, трудоемкость и длительность процесса из-за низкой фильтруемости целевого продукта, низкий выход продукта из-за большого пылеуноса при сушке.

К недостаткам второй группы способов следует отнести низкое качество металлических мыл из-за неполной реакции между оксидом или гидроксидом металла и жирными кислотами (ЖК), обусловленной кинетическими затруднениями, применением сложного и энергоемкого оборудования, применением катализаторов и растворителей.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ получения металлических мыл путем взаимодействия водного раствора мыла щелочного металла с растворами солей магния, кальция, бария, стронция, цинка, кадмия, кобальта, алюминия и др. при 70-90^oС. Полученный продукт отмывают, отфильтровывают и сушат в сушилке типа "кипящий слой" (Патент Японии N 429692, С 07 С 53/126, 51/41- прототип).

Недостатки данного способа следующие: низкий выход продукта с единицы технологического оборудования; громоздкость технологической схемы стадия варки щелочного мыла, термической обработки пульпы, отмывки декантацией; мерники и напорные емкости, системы перекачки, большое количество трубопроводов; большой расход деминерализованной и оборотной воды (40 м³/т), энергоресурсов: пара (13 гигакаллорий, электроэнергии (1530 кВтч/т); длительность процесса из-за многочисленных обработок, отмывок и фильтраций; низкий выход целевого продукта (70-80%) из-за больших потерь при отмывках и фильтрациях, большого пылеуноса при сушке, так как после фильтрации продукт содержит большое количество воды, что вызывает необходимость поддерживать давление пара в сушилке "кипящего слоя" 8 атм.

Целью предлагаемого технического решения является увеличение выхода продукта с единицы технологического оборудования в 2-3 раза за счет увеличения концентрации реагирующих веществ; сокращение технологической схемы производства и единиц технологического оборудования (реакторы центробежные насосы, промежуточные емкости) в 4 раза; уменьшение расхода воды с 41₃ до 18-20³ м³ на 1 т продукта, то есть в 2-2,5 раза; уменьшение расхода энергоресурсов: пара в 2-2,5 раза, электроэнергии в 3-3,5 раза; сокращение длительности процесса в 6-7 раз; исключение из технологического процесса операции подготовки, синтеза и использования щелочных мыл (стеарата натрия); улучшение экологической обстановки производства за счет исключения в сточных водах непрореагировавших щелочных мыл.

Поставленная цель достигается введением сухих (маслообразных) жирных кислот (ЖК) с С₈-С₂₂ или одной из них в зависимости от поставленной цели в один из водных растворов хлоридов, или нитратов, или других водорастворимых солей, или их смесей в зависимости от поставленной цели, нагреванием смеси до 60-96^oС, обработкой смеси горячим раствором едкого натра или другого щелочного агента (60-70 или 85-100^oС),выдержкой реакционной смеси при температуре синтеза 660-100^oС в течение 20-40 мин.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известных изменением порядка введения компонентов в реакционную смесь, исключением стадии приготовления и использования щелочных мыл как одного из реагентов, последующей нейтрализацией щелочью смеси раствора водорастворимой соли металла и ЖК, сокращением времени синтеза до 2 ч. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна".

Сущность изобретения заключается в том, что образующаяся при введении жирных кислот в соответствующий водный раствор соли металла и дальнейшем нагревании смеси до 60-100^oС кислота, состав которой зависит от состава исходной соли металла, нейтрализуется раствором щелочи. В первоначальный момент скорость этого процесса невелика, затем процесс приобретает лавинообразный характер, и реакция образования соответствующего металлического мыла заканчивается в течение 15-20 мин. В свою очередь ускоряется процесс отмывки и фильтрации, а также сушки за счет укрупнения частиц мыла в предлагаемой системе. Такая совокупность признаков для получения металлических мыл в научно-технической и патентной литературе не выявлена, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию изобретения "существенные отличия".

Более подробно техническое решение иллюстрируется примерами, подтверждающими возможность осуществления с получением положительного эффекта при использовании всей совокупности признаков изобретения.

Пример 1. Раствор хлорида кальция концентрацией 300 г/л (2,7 моль/л) в количестве 6,0 л заливают в реактор емкостью 62,0 л, затем добавляют деминерализованную воду в количестве 11,0 л, перемешивают и нагревают до 90^oС, в люк реактора загружают 9,5 кг стеариновой кислоты С₁₇Н₃₅СООН (эквимолекулярное соотношение СаСl₂ ЖК 1:2). Смесь перемешивают до расплавления кислоты и далее нагревают до 90-100^oС. При достижении заданной температуры в реакционную смесь добавляют раствор едкого натра, подогретый до температуры синтеза концентрацией 80 г/л (2 моль/л), в количестве 16,7 л (эквимолекулярное соотношение СаСl₂ ЖК NaOH 1:2:2). После перемешивания в течение 15 мин в суспензию добавляют 20,0 л деминерализованной воды и, не выключая подогрева, еще перемешивают в течение 10 мин. После этого пульпу самотеком подают на барабанный вращающийся вакуум-фильтр БОК-3 или аналогичный со встроенным устройством для интенсивной отмывки. Отфильтрованный осадок стеарата кальция срезается ножом с БОК-3 и подается в сушилку "кипящего слоя".

Пример 2. Раствор нитрата кальция концентрацией 410 г/л (2,5 моль/л) в количестве 6,0 л заливают в реактор емкостью 62,0 л, затем добавляют деминерализованную воду в количестве 11,0 л, перемешивают и нагревают до 70^oС, в люк реактора загружают 8,534 кг стеариновой кислоты С₁₅Н₃₅СООН (эквимолекулярное соотношение Са(NO₃)₂ ЖК 1:2). Смесь перемешивают и добавляют подогретый до 70^oС раствор едкого натра концентрацией 80 г/л в количестве 18,8 л (эквимолекулярное соотношение Са(NO₃)₂ ЖК NaOH 1:2:2,4). Дальнейшую обработку пульпы проводят по примеру 1.

Пример 3. Раствор хлорида кальция концентрацией 300 г/л (2,7 моль/л) в количестве 6,0 л заливают в реактор, емкостью 62,0 л, затем добавляют деминерализованную воду в количестве 11,0 л, перемешивают и нагревают до температуры 60^oС, в люк реактора загружают 8,314 кг пальмитиновой кислоты С₁₇Н₃₅СООН (эквимолекулярное соотношение СаСl₂ ЖК 1:2). Если берут смесь жирных кислот, то эквимолекулярные количества СЖК рассчитывают по средней молекулярной массе и кислотному числу. Смесь перемешивают и добавляют подогретый до 60^oС раствор едкого натра или другого щелочного агента таким образом, чтобы соотношение СаСl₂ (ЖК,СКЖ) щелочной агент равнялось 1:2:2,2. Дальнейшую обработку пульпы проводят по примеру 1.

Примеры 4-16. Раствор любой водорастворимой соли металла (Zn,Mg,Cd,Ba, Pb,Sr,Co,Ti,Sn,Ni,Al,Mn,Zr и т.д.) концентрацией 2,5-2,7 моль/л в количестве 6,0 л заливают в реактор емкостью 62,0 л, затем добавляют деминерализованную воду в количестве 11-12 л, перемешивают и нагревают до температуры плавления или предплавления (на 5-10^oС меньше температуры плавления) выбранного сырья (ЖК или СЖК). Затем в люк реактора загружают эквимолекулярное количество ЖК или СЖК в зависимости от выбранного катиона двухзарядного, трехзарядного, четырехзарядного и др. катиона (1:2; 1:3; 1:4 и т.д.). Смесь при перемешивании нагревают до температуры плавления или предплавления кислоты (или смеси кислот). При достижении заданной температуры 40-100^oС в реакционную смесь добавляют подогретый до температуры 40-100^oС раствор едкого натра или другого щелочного агента концентрацией 80-100 г/л (2-2,5 моль/л) в количестве, обеспечивающим соотношения: для двухосновных катионов- (ЖК или СЖК) 1:2: 2,2-2,4, для трехосновных катионов- (ЖК или СЖК) 1:3:3,2-3,4, для четырехосновных катионов- (ЖК или СЖК) 1:4:4,2-4,4 и т.д. Дальнейшую обработку пульпы проводят по примеру 1. Режимы синтеза металлических мыл по примерам 4-16 приведены в таблице.

Как показали эксперименты, соотношение металл: ЖК должно быть строго эквивалентным, так как изменение соотношения ведет к избыточному содержанию ЖК или к избыточному содержанию соли соответствующего металла в маточных растворах. Количество щелочного агента должно составлять от 2 до 2,4 в эквивалентных соотношениях для двухзарядных катионов, от 3 до 3,4 в эквивалентных соотношениях для трехзарядных катионов, от 4 до 4,4 в эквивалентных соотношениях для четырехзарядных катионов и т.д.

Уменьшение содержания щелочного агента (меньше указанных величин) ведет к загрязнению целевого продукта и маточных растворов избыточной ЖК, увеличение содержания щелочного агента (больше указанных величин) ведет к неоправданному расходу щелочи и загрязнению маточных растворов щелочным агентом, что ухудшает экологическую обстановку стоков.

Температура синтеза металлических мыл должна быть ниже на 5-90^oС температуры плавления последних, так как при охлаждении суспензии образуется холодный плав, который не проходит через вентиль, скатывается с фильтра и не отмывается от маточных растворов.

Технико-экономические преимущества заявляемого технического решения заключаются в возможности использования предлагаемой технологии для получения соответствующих металлических мыл с целью удешевления продукции, значительной экономии энергоресурсов, увеличения выхода продукта, сокращения накладных расходов, улучшения экологической обстановки производства.

Испытания соответствующих металлических мыл показатели высокий уровень их качества, превышающий требования действующих технических условий.

Согласно данным рентгенофазового анализа металлические мыла, полученные по заявляемому способу обладают хорошо выраженной кристаллической структурой, кроме аморфизированного алюминиевого мыла, не содержат свободных жирных кислот и других побочных продуктов.