способ получения полимерной серы

Формула изобретения

Способ получения полимерной серы, включающий нагрев серы выше температуры ее плавления, введение модификаторов, перемешивание реакционной массы в турбулентном режиме, отличающийся тем, что перемешивание реакционной массы в турбулентном режиме ведут с наложением гидроакустического поля с частотой колебаний 15 Гц - 20 кГц с возвратом части реакционной массы на перемешивание, проводимое с наложением гидроакустического поля, и подачей другой части в реактор, где осуществляют перемешивание реакционной массы с растворителем в ламинарном режиме с внутренним теплотводом, после чего полученный продукт охлаждают.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к химической технологии переработки серосодержащих материалов, в частности к способам получения полимерной серы с высокой термостабильностью, используемой в том числе в шинной промышленности.

Известен способ получения полимерной серы путем экстракции растворимой серы и внедрения в полимерную серу стабилизирующей добавки - триацетонамина в количестве 0,01-0,5 мас.% (А.С. SU 1483835, опубл. 20.05.1996).

К недостаткам указанного способа следует отнести трудоемкость процесса и сложность обеспечения непрерывности процесса.

Наиболее близким по технической сути является способ получения полимерной серы (пат. Ru №2154602, кл. С 01 В 17/00, С 04 В 28/36, опубл. 05.01.99), в котором серу и модификатор (нефтяной остаток) обрабатывают вращающимся электромагнитным полем при температуре 140-160°С в течение 5-20 с. Смешивание реакционной смеси обеспечивается за счет интенсивного перемещения под действием электромагнитного поля ферромагнитных иголок. Модификатор перед подачей в серу может предварительно обрабатываться в таких же условиях.

Недостатками способа является периодичность процесса, невысокая степень конверсии и низкая производительность процесса.

Задачей настоящего изобретения является повышение выхода целевого продукта при минимальных затратах и обеспечение непрерывности процесса с высокой производительностью.

Поставленная задача достигается способом получения полимерной серы, включающим нагрев серы выше температуры ее плавления, введение модификаторов, перемешивание реакционной массы в турбулентном режиме. Перемешивание реакционной массы ведут с наложением гидроакустического поля с частотой колебаний 15 Гц - 20 кГц и возвратом части реакционной массы на перемешивание, проводимое с наложением гидроакустического поля, подачу другой части в реактор, где осуществляют перемешивание реакционной массы с растворителем в ламинарном режиме с внутреннем теплоотводом, после чего полученный продукт охлаждают.

Реакция разрыва восьмичленного цикла серы и образование полимерной серы обычно происходят при температурах значительно выше ее температуры плавления и ее могут осуществлять в присутствии модификаторов. Неэффективное и длительное смешение реакционной массы вызывает значительный подъем температуры за счет высокого экзотермического эффекта и образование набора низкокачественных продуктов, вплоть до сетчатых.

Ведение процесса, в котором реакционная смесь (сера и модификаторы) интенсивно смешивается и одновременно на реакционную смесь накладывается внешнее высокоэнергетическое воздействие, может обеспечить быстрое разрушение циклов и полимеризацию серы.

Под действием акустических колебаний в жидкости может возникнуть кавитация, которая сопровождается нарушением сплошности жидкости, связанное с образованием, ростом, осцилированием и схлопыванием парогазовых пузырьков в жидкости. Нарушение сплошности возникает при достижении некой пороговой частоты звуковых колебаний и во многом связана со свойствами обрабатываемой жидкости, например вязкостью, поэтому пороговая частота размыта и находится в широком диапазоне. Энергия волн расходуется на образование кавитационных пузырьков, образование микропотоков, нагревание жидкой среды, образование фонтана. Энергия схлопывания пузырьков расходуется на излучение ударных волн, на локальный нагрев газа, содержащегося в пузырьке, на образование атомов и свободных радикалов, сонолюминисценцию, диссоциированных и ионизированных молекул и создание шума. При схлопывании пузырька достигается давление до 10⁷ Па, а температура до 3000°С. Кавитационное воздействие, возникшее в реакционной массе, приводит к возбуждению, ионизации и другим факторами, инициирующим физические и химические процессы.

При очень высоких частотах акустических волн 10-15 МГц возникновение кавитации затруднено.

Как видно из сравнения существенных признаков прототипа и заявляемого способа существенные признаки отсутствуют в прототипе, что говорит о "новизне" предложенного технического решения. "Промышленная применимость" подтверждается работой устройств заявляемого процесса, как описано ниже.

На чертеже изображена схема установки процесса получения полимерной серы.

Установка включает емкость 1 с рубашкой обогрева, трубопровод 2, устройства 3 смешения и генерации гидроакустических полей, емкости 4 и 5 для модификаторов, трубопроводы 6, 7, и 8, реактор 9, насос 10 отвода части полимерной серы, патрубок 11 ввода растворителя, патрубок 12 отвода растворителя.

Процесс проводят следующим образом.

Из емкости 1 с рубашкой обогрева расплав серы самотеком попадает по трубопроводу 2 в устройство 3. Из емкости 4 и 5 модификаторы по трубопроводу поступают в устройство 3. В устройстве 3 смешения и генерации гидроакустических полей, вводимые компоненты многократно смешивают в условиях турбулентного потока и образующуюся реакционную массу при движении в специальных средствах неоднократно подвергают гидроакустическим воздействиям разной частоты.

Из устройства 3 часть реакционной массы по трубопроводу 7 возвращают в устройство 3 для повторной обработки гидроакустическими полями совместно с новой порцией реакционной массы. Другая часть реакционной массы поступает по трубопроводам 6 и 8 в реактор 9 с мешалкой. В трубопроводе 8 реакционная смесь, движущаяся в турбулентном режиме, охлаждается через стенку (наружный теплоотвод) перед подачей в реактор 9. В реакторе 9 нагретая реакционная масса смешивается с растворителем, подводимым через патрубок 11. Растворитель испаряется и при этом происходит внутренний теплоотвод от реакционной массы. Газообразный растворитель отводится через патрубок 12 реактора 9. Жидкий продукт с пониженной температурой насосом отводится из реактора на охлаждение.

Предлагаемое изобретение подтверждается следующими примерами.

Пример 1. Из емкости объемом 150 литров расплав серы с температурой 160°С поступает в центробежный насос, оборудованной гидроакустической приставкой, производительностью 0,6 м³/час и числом оборотов ротора 3000 в минуту. Одновременно в насос подают подогретый до температуры 80°С раствор диафена ФП (ТУ 6.14817-80) и минеральное масло ПН- 6 (ОСТ 38.01132-77) в суммарном количестве 4% от количества серы. Из насоса 2/3 реакционной массы подают на рециркуляцию, а оставшуюся 1/3 части в реактор с объемом 200 л с мешалкой и рубашкой. Трубопровод, по которому реакционная масса движется в турбулентном режиме, охлаждают через рубашку. Реактор в нижней части объема оборудован системой подвода и распределения растворителя (толуол), а на крышке реактора патрубком отвода паровой фазы. Реакционную массу при перемешивании (число оборотов мешалки 85 об/мин) растворяют в растворителе. Температуру реакционной массы понижают с 180 до 140°С внутренним теплоотводом за счет испарения толуола по объему реактора, в котором реакционная масса движется в ламинарном режиме.

Далее реакционную массу насосом подают на фильтрацию и охлаждение с одновременным диспергированием полученного продукта. Полученная полимерная сера представляет собой твердые частицы размером от 0,2 до 4 мм.

Результаты опытов приведены в таблице 1.

Пример 2. Условия проведения опытов приведены в примере 1. Различие заключается в том, что в реактор не подают в растворитель. Результаты приведены в таблице 1.

Пример 3. Условия проведения опытов приведены в примере 1.

Различие заключается в том, что центробежный насос, имея те же параметры, не имеет гидроакустическую приставку.

Результаты опытов приведены в таблице 1.

Пример 4. Условия приведены в примере 2. Различия заключаются в том, что после центробежного насоса реакционную массу в количестве 0,3 л помещают в электромагнитную коллоидную мельницу с ферромагнитными иголками размером 0 2 мм и длиной 10 мм. Реакционную массу обрабатывают в мельнице 30 мин и быстро охлаждают. Результаты приведены в таблице 1.

Таблица 1
Опыт, №	% нерастворимой серы
1	65
2	48
3	9
4	33

Анализ полученных результатов показывает, что наложение гидроакустических полей на реакционную массу в режиме интенсивного перемешивания обеспечивает выход конечного продукта до 65%. Это достигается при использовании спектра гидроакустических полей, которые находятся в интервале 15 Гц - 20 кГц и неоднократном прохождении реакционной массы через гидроакустическое воздействие (пример 1).

Исключение теплотвода от реакционной массы в условиях ламинарного потока в реакторе приводит к снижению выхода продукта до 48% (пример 2).

Исключение гидроакустического воздействия на реакционную массу при интенсивном перемешивании желаемых результатов не приносит (пример 3 и 4). В используемых технологиях эффективность воздействия на серу явно недостаточна.

В данном способе нет ограничений по непрерывности процесса, его производительности и достижения высокого содержания полимерной серы в конечном продукте. Процесс простой, неэнергоемкий и дешевый в реализации.