способ непрерывного получения галогенированных эластомеров и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ непрерывного получения галогенированного эластомера, включающий подачу галогенирующего агента в непрерывный поток раствора эластомера, которые смешиваются и взаимодействуют с получением галогенированного эластомера, нейтрализацию галогенированного эластомера посредством нейтрализующей среды и, по меньшей мере, одну его промывку посредством промывочной среды, отличающийся тем, что галогенирование, нейтрализацию и промывку осуществляют в реакторе, снабженном статическими и динамическими средствами, обеспечивающими турбулентное движение с явлением инверсии и с последовательным отводом избытка галогенирующего агента и отстоя промывочной и нейтрализующей сред из галогенированного эластомера.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что подачу галогенирующего агента, промывочной и нейтрализующей сред осуществляют прямотоком.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве эластомера используют бутиловый, изопреновый, бутадиеновый, бутадиенстирольный каучук, тройной сополимер этилена и пропилена.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве галогенирующего агента используют хлор, бром, йод, соединения, которые выделяют хлор, бром, йод, и/или их смеси.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что галогенирующий агент вводят в раствор эластомера в таком количестве, что в галогенированном эластомере его содержится не менее 0,7 мас.%.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что хлор перед подачей в раствор эластомера разбавляют инертным газом, например, азотом в соотношении 1:0,8-12.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что бром и йод или их смеси перед подачей в раствор эластомера предварительно разбавляют в органическом растворителе, используемом для растворения эластомера.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что в непрерывном потоке раствора эластомера поддерживают температуру не ниже 8°С в процессе галогенирования, промывки и нейтрализации.

9. Устройство для непрерывного получения галогенированного эластомера, включающее реакторы галогенирования, промывки и нейтрализации, отличающееся тем, что каждый из реакторов снабжен статическими и динамическими средствами обеспечения турбулентности с явлением инверсии, причем после каждого реактора установлена емкость для отвода отстоя промывочной и нейтрализующей сред и избытка галогенирующего агента из галогенированного эластомера.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что статические средства включают, по меньшей мере, три секции, каждая из которых состоит из конфузора, выполненного в виде сужающегося усеченного конуса, диффузора, выполненного в виде расширяющегося усеченного конуса, и цилиндрической части, последовательно и соосно соединенных между собой, при этом статические средства размещены внутри корпуса реактора.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что секции жестко связаны между собой и образуют корпус реактора.

12. Устройство по п.10 или 11, отличающееся тем, что угол наклона усеченных конусов конфузора и диффузора составляет 10-80°.

13. Устройство по п.10 или 11, отличающееся тем, что высота каждой секции составляет 1,5-4 диаметров ее цилиндрической части.

14. Устройство по п.10 или 11, отличающееся тем, что диаметр соединительной части конфузора и диффузора в 1,25-2,7 раза меньше диаметра цилиндрической части.

15. Устройство по п.10, отличающееся тем, что статические средства выполнены из пористого тела с порозностью 0,10-0,85.

16. Устройство по п.15, отличающееся тем, что пористое тело выполнено, по меньшей мере, из одного слоя сферических, эллиптических, цилиндрических тел, сетки, тканого или нетканого материалов или их комбинации.

17. Устройство по п.9, отличающееся тем, что динамические средства представляют собой заслонку, размещенную внутри корпуса реактора, перекрывающую не более 0,85 его поперечного сечения, при этом заслонка выполнена с возможностью вращения относительно оси корпуса реактора.

18. Устройство по п.9, отличающееся тем, что динамические средства представляют собой лопасти, расположенные несимметрично относительно друг друга с возможностью вращения внутри корпуса реактора.

19. Устройство по п.17, отличающееся тем, что динамические средства выполнены в штуцере для ввода или отвода галогенирующего агента, промывочной и нейтрализующей сред.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу непрерывного получения галогенированных эластомеров и к устройству для его осуществления, которое может быть использовано в нефтехимической промышленности.

Уровень техники

Известен способ получения галоидированного бутилкаучука, в котором осуществляют гетерофазное галоидирование бутилкаучука газообразными галогенами в инертном по отношению к ним растворителе с последующей нейтрализацией реакционной смеси водными растворами гидроокисей или карбонатов щелочных металлов, промывку раствора галоидированного бутилкаучука водой, выделение его из раствора и сушку. При этом реакционную смесь разделяют на газовый и жидкостный потоки непосредственно после окончания процесса галоидирования, а затем проводят раздельную нейтрализацию потоков (А.С. № 1065428, кл. C 08 F 210/12, C 08 F 8/22, 07.01.1984).

Описанный способ касается преимущественно только одной стадии разделения реакционной смеси на газовую и жидкую среды в периодическом процессе получения галоидированного бутилкаучука.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является непрерывный способ галогенирования эластомеров, в котором галогенирующий агент вводят в раствор ненасыщенного эластомера в органическом растворителе, галогенирующий агент смешивают с непрерывным потоком раствора эластомера при растворении галогенирующего агента и его взаимодействии с эластомером в этом непрерывном потоке. При этом непрерывный поток раствора эластомера поддерживается в турбулентном движении без явления инверсии течения в процессе протекания реакции между галогенирующим агентом и эластомером. (РСТ/ЕР 93/03552, кл. C 08 F 8/22, 10.12.93).

Описанный способ не обеспечивает получение эластомера необходимого качества из-за неравномерности распределения галогенирующего агента с инертным газом в растворе эластомера. Это обусловлено трудностью достижения турбулентного движения в реакторе-колонне при атмосферном давлении по всей высоте колонны даже при наличии статических или динамических средств.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для галогенирования эластомеров, содержащее реакторы галогенирования, нейтрализации и промывки. (РСТ/ЕР 93/03552, кл. C 08 F 8/22, 10.12.93).

Однако в известном устройстве при избыточном количестве газовой смеси и относительно вязком растворе эластомера осуществляется недостаточно быстрое и равномерное смешение указанных компонентов, так как газ или газовая смесь при прохождении статических средств, выполненных в виде редких препятствий, таких как кольца Рашига, стремятся перемещаться по пути с наименьшим сопротивлением. Учитывая большую подвижность газа в вязкой жидкой среде, он будет образовывать коридоры движения и тем самым ухудшать эффективность галогенирования эластомера.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является разработка способа и устройства, обеспечивающих непрерывное галогенирование эластомеров для получения однородного высококачественного продукта.

Дополнительной задачей настоящего изобретения является осуществление галогенирования, нейтрализации и промывки в реакторе, снабженном статическими и динамическими средствами, обеспечивающими турбулентное движение с явлением инверсии.

Поставленная задача решается посредством способа непрерывного получения галогенированного эластомера, включающего подачу галогенирующего агента в непрерывный поток раствора эластомера, которые смешиваются и взаимодействуют с получением галогенированного эластомера, нейтрализацию галогенированного эластомера посредством нейтрализующей среды и, по меньшей мере, одну его промывку посредством промывочной среды, причем галогенирование, нейтрализацию и промывку осуществляют в реакторе, снабженном статическими и динамическими средствами, обеспечивающими турбулентное движение с явлением инверсии и с последовательным отводом избытка галогенирующего агента и отстоя промывочной и нейтрализующей сред из галогенированного эластомера.

При этом в качестве эластомера используют бутиловый, изопреновый, бутадиеновый, бутадиенстирольный каучук, тройной сополимер этилена и пропилена.

Подачу галогенирующего агента, промывочной и нейтрализующей сред осуществляют прямотоком, причем в качестве галогенирующего агента используют хлор, бром, йод, соединения, которые выделяют хлор, бром, йод и/или их смеси.

Галогенирующий агент вводят в раствор эластомера в таком количестве, что в галогенированном эластомере его содержится не менее 0,7 мас.%. При этом хлор перед подачей в раствор эластомера разбавляют инертным газом, например азотом, в отношении 1:0,8-12, а бром и йод или их смеси перед подачей в раствор эластомера предварительно разбавляют в органическом растворителе, используемом для растворения эластомера.

Предпочтительно в непрерывном потоке раствора эластомера поддерживают температуру не ниже 8°С в процессе галогенирования, промывки и нейтрализации.

Заявляемый способ осуществляют в устройстве для непрерывного получения галогенированного эластомера, включающем реакторы галогенирования, промывки и нейтрализации, при этом каждый из реакторов снабжен статическими и динамическими средствами обеспечения турбулентности с явлением инверсии, причем после каждого реактора установлена емкость для отвода избытка галогенирующего агента и отстоя промывочной и нейтрализующей сред из галогенированного эластомера.

Статические средства турбулентности включают, по меньшей мере, три секции, каждая из которых состоит из конфузора, выполненного в виде сужающегося усеченного конуса, диффузора, выполненного в виде расширяющегося усеченного конуса, и цилиндрической части, последовательно и соосно соединенных между собой, при этом статические средства размещены внутри корпуса реактора.

Указанные секции могут быть жестко связаны между собой, образуя корпус реактора.

Предпочтительно, чтобы угол наклона усеченных конусов конфузора и диффузора составлял не менее 10° и не более 80°, высота каждой секции составляла 1,5-4 диаметра цилиндрической части, а диаметр соединительной части конфузора и диффузора был в 1,25-2,7 раза меньше диаметра цилиндрической части.

Статические средства могут быть выполнены из пористого тела с порозностью 0,10-0,85, которые выполнены, по меньшей мере, из одного слоя сферических, эллиптических, цилиндрических тел, сетки, тканого или нетканого материалов или их комбинации.

Динамические средства могут представлять собой заслонку, размещенную внутри корпуса реактора, перекрывающую не более 0,85 его поперечного сечения, при этом заслонка выполнена с возможностью вращения относительно оси корпуса реактора.

Динамические средства могут представлять собой лопасти, расположенные несимметрично относительно друг друга с возможностью вращения внутри корпуса реактора.

Динамические средства могут быть выполнены в штуцере для ввода или отвода галогенирующего агента, промывочной и нейтрализующей сред.

Интенсификацию смешения взаимодействующих компонентов осуществляют посредством создания турбулентного потока. Турбулентный поток характеризуется числом Рейнольдса Re от 2500 и выше и обеспечивает образование вихрей различного масштаба (макро- и микромасштабная турбулентность - макро- и микровихри), в результате чего осуществляют быстрое и полное смешение однородных жидкостей или в случае разнородных жидкостей или жидкости и газа - образование тонкой эмульсии. Чем выше турбулентность, тем выше интенсивность смешения и больше площадь межфазной поверхности в эмульсии. При этом резко сокращается время на смешение взаимодействующих сред. Турбулентность потока возникает при преодолении локального сопротивления движению потока при достижении определенных скоростей движения. Возникающие макро- и микровихри в условиях отсутствия сопротивления превращаются в микровихри и затем в ламинарный поток. Это обусловлено диссипацией турбулентной энергии за счет потерь на трение и вихреобразование в потоке.

В случае наличия непрерывных локальных сопротивлений, турбулентное движение осуществляется без явления инверсии, т.е. непрерывно с одинаковыми показателями уровня турбулентности.

Турбулентное движение с явлением инверсии достигается двумя путями. Первый - путем создания на пути потока прерывистого локального сопротивления, при котором возникающие макро- и микровихри в результате потерь на трение и вихреобразование превращаются в микровихри и затухают, а затем вновь возникают при преодолении очередного локального сопротивления и т.д. Второй - путем наложения пульсации на турбулентный поток. В этом случае турбулентность будет генерироваться за счет изменения скорости или расхода, обеспечивая турбулентное движение с явлением инверсии.

Турбулентное движение с явлением инверсии может быть получено при движении через статические средства турбулентности, например, конфузор-диффузорные секции или пористые тела. При последовательном расположении конфузор-диффузорных секций возникающие при движении потока с достаточной скоростью макро- и микровихри образуют турбулентность, которая постепенно гасится и вновь возникает на последующем средстве турбулентности.

Одновременно использование динамических средств турбулентности, например, в виде заслонки или лопастей с несимметричным расположением на валу, выполненных с возможностью вращения, создают условия наложения пульсации скорости или расхода на турбулентное движение. Это обеспечивает повышение частоты инверсионных явлений и повышает интенсивность процесса смешения и взаимодействия смешиваемых компонентов, учитывая вязкость раствора эластомера.

В качестве эластомеров можно использовать соединения, имеющие двойную связь в основной цепи мономерного остатка. Поэтому круг используемых эластомеров достаточно широк, к ним могут относиться: изопреновый, бутиловый, бутадиеновый, бутадиен-стирольный, тройной сополимер этилена и пропилена. Другие эластомеры в силу различия в молекулярной массе, межмолекулярного взаимодействия и других показателей могут иметь высокие значения по вязкости и другим свойствам, что снижает сухой остаток эластомера в растворе и создает другие технологические трудности.

Галогенирующие агенты в газообразном и жидком состоянии или их смеси вводятся в раствор эластомера в количестве, достаточном для присоединения к двойной связи эластомера, обеспечивающей содержание в нем галогена не менее 0,7 мас.%. Время галогенирования в вышеуказанных условиях составляет несколько десятков секунд.

Наблюдается некоторое различие протекания процесса галогенирования в газожидкостной смеси и в растворе.

Особенностью галогенирования раствора эластомера газообразным хлором связано с использованием большого объема инертной газообразной среды, например азота в отношении 1:0,8-12.

Учитывая, что объем газообразной среды, участвующий в процессе, может значительно превосходить объем раствора эластомера, пористые тела в реакторе галогенирования должны иметь необходимую порозность для исключения проскока газообразной среды через реактор.

Взаимодействие галогена и раствора эластомера во многом зависит от фазового состояния галогена. В случае газообразного фазового состояния необходимо быстро создать тонкую газожидкостную эмульсию и поддерживать и интенсивно перемешивать ее по всей высоте реактора галогенирования. При этом интенсивное перемешивание тонкой эмульсии обеспечивает поддержание развитой межфазной поверхности эмульсии и интенсивную химическую реакцию присоединения хлора.

В случае использования галогена, его смеси или его соединения в виде раствора интенсификация химической реакции присоединения галогена к эластомеру обусловлена интенсивностью смешения в турбулентном потоке. Учитывая достаточную вязкость раствора эластомера, стабильная турбулентность потока по высоте реактора достигается при наложении на поток пульсации по расходу или скорости, т.е. обеспечение турбулентного движения с явлением инверсии.

Последующие операции основной и дополнительной промывок, нейтрализации и стабилизации галогенированного эластомера проводят также при турбулентном движении потока с явлением инверсии.

Галогенированный эластомер подвергают основной промывке посредством подачи промывочной среды (воды) прямотоком в поток галогенированного эластомера. Такую промывку осуществляют для растворения в промывочной среде солевых и других примесей.

Учитывая разную природу жидкостей и их несовместимость, для обеспечения интенсивного и быстрого растворения содержащихся в растворе галогенированного эластомера солевых и других примесей необходимо создать турбулентный поток. При этом с учетом достаточной вязкости раствора галогенированного эластомера на турбулентный поток, создаваемый статическими средствами турбулентности, накладываются пульсации, создаваемые динамическими средствами турбулентности.

Динамические средства турбулентности представляют собой лопасти с их несимметричным расположением на валу, выполненном с возможностью вращения. Тем самым создаются условия турбулентного движения смешиваемого потока с явлением инверсии. В результате нарушается сплошность потока и быстро образуется тонкая эмульсия, на межфазной поверхности которой происходит массообменный процесс. Интенсивность массообменного процесса во многом определяется площадью межфазной поверхности и ее обновлением при прохождении по высоте реактора.

Статические средства турбулентности представляют собой конфузор-диффузорную секцию. Конфузор представляет собой сужающийся усеченный конус, а диффузор - расширяющийся усеченный конус, которые соединены вместе по наименьшему диаметру. К диффузору по наибольшему диаметру присоединена цилиндрическая часть. Соединение этих элементов представляет собой конфузор-диффузорную секцию. Ее длина составляет 1,5-4,0 диаметра цилиндрической части.

Выбор длины секции обусловлен тем, что образовавшиеся в результате сжатия и расширения макро- и микровихри в результате диссипации энергии турбулентности претерпевают инверсию уменьшаются и затухают, но не до конца, а сохраняют турбулентность до воздействия следующей конфузор-диффузорной секции.

Диаметр конфузора и диффузора в месте соединения в 1,25-2,7 раза меньше диаметра цилиндрической части. Такой выбор размеров связан с тем, что небольшое различие в диаметрах обеспечивает незначительные перепады сопротивления и слабую турбулентность потока, а большое различие в диаметрах, хотя и обеспечивает сильную турбулентность потока, но создает значительные сопротивления движению, а отсюда технологические сложности.

Угол наклона сужающегося конфузора и расширяющегося диффузора относительно оси секции в реакторе составляет 10-80°. Угол наклона также связан с условиями турбулентности потока. Небольшой угол, меньше 10°, не обеспечивает турбулентности потока, а больший угол, больше 80°, создает застойные зоны, отрицательно влияющие на турбулентность потока.

Количество секций в корпусе реактора должно быть, по меньшей мере, три. Выбор такого количества секций обусловлен природой смешиваемых сред, условиями их взаимодействия между собой. Для некоторых стадий, например введения стабилизатора, достаточно трех секций, а для других стадий, например галогенирования, необходимо иметь большее число секций, при этом секции должны быть распределены по всей высоте реактора.

Конфузор-диффузорные секции могут быть установлены в корпусе реактора последовательно, причем оси секций совпадают с осью корпуса реактора. Конфузор-диффузорные секции могут быть жестко связаны между собой, образуя корпус реактора.

Достижение турбулентности потока возможно посредством размещения внутри корпуса реактора пористого тела с порозностью 0,10-0,85. Это обусловлено тем, что пористое тело можно рассматривать как множество локальных сопротивлений движению потока, где на локальном сопротивлении осуществляется образование макро- и микровихрей, которые при перемещении к следующему затухают - инверсируют - и вновь образуются и т.д. Размещение пористого тела внутри корпуса реактора может быть любое: сплошное, периодическое, локальное.

Пористое тело может быть выполнено из разных материалов, например, сферических, эллиптических, цилиндрических полых и сплошных тел, сетки, решетки, тканого и нетканого материалов и их комбинации. Колебание порозности (соотношение свободной и общей площади сечения) может составлять 0,10-0,85, обеспечивая таким образом турбулентность движения потока с явлением инверсии.

Каждый реактор снабжен не только статическими средствами турбулентности, но и динамическими средствами турбулентности. Использование динамических средств турбулентности связано с тем, что вязкость раствора эластомера и полученного галогенированного эластомера, а также создание непрерывного потока по высоте реактора - задача чрезвычайно трудная в условиях производства. Решить ее можно посредством наложения на поток пульсации по скорости или расходу. В этом случае задача достижения турбулентного движения с явлением инверсии упрощается.

Для этого внутри корпуса реактора установлена заслонка, которая при вращении на валу перекрывает не более 0,85 его поперечного сечения. Таким образом создается пульсация по расходу. Возможно использование других динамических средств турбулентности, которые представляют собой лопасти, расположенные несимметрично относительно друг друга. При вращении вала лопасти создают пульсацию по скорости, которая накладывается на турбулентный поток, и обеспечивают явление инверсии.

Следует отметить, что в некоторых случаях технологически неудобно или невозможно устанавливать динамические средства турбулентности, например заслонки, лопастные мешалки и другие средства, внутри корпуса реактора. В таких случаях их можно разместить в штуцерах ввода или отвода галогенирующего агента, промывочной и нейтрализующей сред.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами, где

на Фиг.1 показано устройство для непрерывного получения галогенированного эластомера;

на Фиг.2 показаны статические средства турбулентности;

на Фиг.3 показан корпус реактора, выполненный из жестко связанных соосных частей;

на Фиг.4 показана часть реактора, снабженного статическими средствами;

на Фиг.5 показана часть корпуса реактора с динамическими средствами.

Предпочтительный вариант осуществления изобретения

На Фиг.1 изображено устройство для непрерывного получения галогенированного эластомера. Оно включает реактор 1 галогенирования, емкость 2 для отвода избытка галогенирующего агента из галогенированного эластомера, насос 3 для подачи раствора галогенированного эластомера, реактор 4 основной промывки, емкость 5 для отвода отстоя промывочной среды, реактор 6 нейтрализации, емкость 7 для отвода отстоя нейтрализующей среды, реактор 8 дополнительной промывки, емкость 9 для отвода воды и реактор 10 стабилизации.

Каждый реактор снабжен статическими и динамическими средствами турбулентности одновременно. Статические средства турбулентности конфузор-диффузорного типа показаны на Фиг.2. Корпус 11 реактора имеет фланец 12. Внутри корпуса 11 выполнены цилиндрическая часть 13, конфузор 14 и диффузор 15. Элементы конструкции 13-15 вместе составляют конфузор-диффузорную секцию. Количество секций внутри корпуса 11 реактора должно быть не менее трех.

На Фиг.3 показан корпус 11 реактора, который выполнен из соосных и жестко связанных цилиндрической части 13, конфузора 14 и диффузора 15 и представляет собой трубу переменного диаметра. Угол наклона усеченного конуса конфузора , а угол наклона усеченного конуса диффузора . Длина конфузор-диффузорнои секции L, длина цилиндрической части секции l_ц, длина конфузора и диффузора l_к и l_д соответственно. D_ц - диаметр внутренней поверхности цилиндрической части секции, a d_к - диаметр в месте соединения конфузора и диффузора.

На Фиг.4 показана часть корпуса реактора, снабженного одновременно двумя типами статических средств турбулентности - конфузор-диффузорнои секцией (цилиндрическая часть 13, конфузор 14 и диффузор 15) и пористыми телами 16 и 17. Пористые тела 16 и 17 отличаются порозностью. Порозность - объемная доля пор в теле, равная отношению объема пор к общему объему тела.

В цилиндрической части одной из конфузор-диффузорных секций выполнена на валу 18 заслонка 19, которая представляет собой динамические средства турбулентности. Заслонка выполнена с возможностью вращения, периодически частично перекрывая площадь поперечного сечения корпуса реактора.

На Фиг.5 показана часть корпуса 11 реактора, в котором в цилиндрической части 13 конфузор-диффузорнои секции выполнен вал 20, на котором установлены несимметрично лопасти 21. Лопасти 21 выполнены с возможностью вращения на валу.

Подачу и перемешивание взаимодействующих компонентов осуществляют или в самом реакторе, или до реактора в патрубках подачи. Отвод смеси компонентов производят через один отводной патрубок, расположенный по существу вдоль оси корпуса реактора.

Емкости 5, 7 и 9 для отвода отстоя промывочной и нейтрализующей сред представляют собой сосуды, объем каждого из которых превышает объемную часовую производительность устройства. Материалы реакторов, емкостей, насосов и соединительных трубопроводов выбираются из условия их антикоррозионной стойкости в применяемых средах. Три реактора 1, 4 и 6 или часть их корпуса и емкость 5 для отвода избытка нейтрализующей среды могут иметь теплообменные рубашки.

Установка работает следующим образом. Эластомер в углеводородном растворителе и галогенирующий агент в газообразном или жидком виде подают в реактор 1 галогенирования под избыточным давлением. В результате движения газожидкостной смеси или смешиваемых жидкостей внутри корпуса реактора 1 под непрерывным одновременным действием статических и динамических средств турбулентности поток приобретает турбулентность с явлением инверсии. В результате образования макро- и микровихрей и их периодического спада и нарастания (турбулентность с явлением инверсии) обеспечивают присоединение галогена, равномерно распределенного по всему объему раствора эластомера в условиях непрерывного интенсивного перемешивания. Процесс присоединения осуществляют преимущественно в кинетической области в течение нескольких десятков секунд. Температура реакционной смеси поддерживается не ниже 8°С.

Образовавшийся галогенированный эластомер, степень галогенирования которого зависит от количества подаваемого галогенирующего агента на единицу массы эластомера, подается в емкость 2 для отвода избытка галогенирующего агента в жидком или газообразном виде в зависимости от типа галогена.

Раствор образовавшегося галогенированного эластомера посредством насоса 3 подают в реактор 4 основной промывки, в который одновременно подают воду. В этом реакторе 4 под действием статических и динамических средств турбулентности подаваемый раствор галогенированного эластомера и промывочная вода приобретают турбулентное движение потока с явлением инверсии. Возникает нарушение сплошности среды и образуется тонкая водно-органическая эмульсия с постоянно обновляющейся межфазной поверхностью. В результате этого из раствора галогенированного эластомера удаляются в воду соли металлов и другие примеси.

Эмульсия подается в емкость 5 для отстаивания и разделения на органическую и водную среды. Водную среду, имеющую рН меньше 6, отводят в химзагрязненную канализацию. Промытый раствор галогенированного эластомера посредством насоса 3 подается в реактор 6 нейтрализации. В реактор 6 подается нейтрализующий 0,1-0,7% водный раствор щелочей, например натриевой или калиевой.

Поток галогенированного эластомера и нейтрализующей среды приобретает в реакторе турбулентное движение с явлением инверсии. В результате образуется тонкая водно-органическая эмульсия с постоянно обновляющейся межфазной поверхностью. Учитывая интенсивность перемешивания взаимодействующих сред, процесс нейтрализации осуществляется сравнительно быстро. Отношение объема раствора на нейтрализацию к объему раствора галогенированного эластомера составляет примерно 1:1. Затем эмульсия подается в емкость 7 для отвода нейтрализующей среды, в которой она разделяется на отдельные среды и отстаивается, а промывочная среда отводится в химзагрязненную канализацию.

Нейтрализованный раствор галогенированного эластомера из емкости 7 посредством насоса 3 подают в реактор 8 для дополнительной промывки водой. Промывку осуществляют в условиях турбулентного движения потока с явлением инверсии, которая обеспечивает образование тонкой водно-органической эмульсии, а также быстрой и полной промывки галогенированного эластомера. Эмульсию подают в емкость 9 для отвода воды, где она разрушается, отстаивается и разделяется на водную и органическую среды. Вода из емкости 9 после предварительной очистки может подаваться для основной промывки в реактор 4 или в канализацию.

Окончательно промытый раствор галогенированного эластомера из емкости 9 посредством насоса 3 подается в реактор 10, в который вводят раствор стабилизатора. Растворитель стабилизатора является аналогичным растворителю эластомера. Взаимодействующие потоки в условиях турбулентного движения с явлением инверсии быстро смешиваются по объему, обеспечивая равномерное распределение стабилизатора в растворе галогенированного эластомера. Из реактора 10 раствор стабилизированного галогенированного эластомера подается на дальнейшую обработку: крошкообразование, дегазацию и брикетирование.

Способ непрерывного получения галогенированного эластомера осуществляют в устройстве для непрерывного получения галогенированного эластомера.

Пример 1

В реактор диаметром 50 мм, футерованный изнутри фторопластом толщиной 1,5 мм, и высотой 3000 мм подают снизу 13% раствор бутилкаучука марки БК 2080, с вязкостью по Муни (125°С) 54-58, непредельностью (количество двойных связей) 1,9-2,2 мол.%, в нефрасе (растворителе) ТУ 38.1011228-90, под давлением 0,16 МПа. Подача раствора БК в количестве 400 л/час (сухой остаток 34,3 кг/час) при температуре 30°С осуществляется шестеренчатым насосом Ш-8-25 (ГОСТ 12222-66). Газообразный хлор (ГОСТ 6718-86) в смеси с обезвоженным азотом (ГОСТ 9293-74) в отношении 1-5,5 через боковой штуцер в нижней части трубчатого реактора подается через решетку. Подача хлор-азотной смеси (ХАС) осуществляется посредством регулятора с давлением на выходе 0,23 МПа при объемном расходе 1680 л/час ХАС (хлора - 280 л/час, азота - 1400 л/час), что составляет мольное соотношение хлора к двойной связи, равной 1,2.

Внутри корпуса реактора над решеткой размещена перепутанная металлическая стружка из металла - хостелой, коррозионностойкого в данной среде, высотой 30 мм с порозностью 0,5. Сверху стружка накрыта сеткой, имеющей диаметр проволоки с покрытием 0,4 мм и квадратной ячейкой с шагом 3 мм. Выше сетки на высоте корпуса реактора закреплены конфузор-диффузорные секции, имеющие следующие размеры: цилиндрическая часть с внутренним диаметром 41 мм и высотой 120 мм, конфузор-диффузор с минимальным диаметром 22 мм и углом наклона образующих усеченных конусов 45°. Количество секций 15. Цилиндрическая часть шестой секции имеет 2 сквозных отверстия, расположенных по диаметру и совпадающих с отверстиями в корпусе реактора и защитном покрытии, через которые внутри корпуса закреплены заслонка и вал. Заслонка с валом и подшипники с уплотнениями имеют антикоррозионную защиту. Уплотнения обеспечивают герметичность корпуса реактора. Заслонка выполнена с электромеханическим приводом. Число оборотов заслонки составляет 10 об/мин. Заслонка обеспечивает наибольшее перекрытие поперечного сечения реактора 0,8 по внутреннему диаметру цилиндрической обечайки конфузор-диффузионной секции.

Анализ газожидкостной смеси, взятой через пробоотборник при выходе из трубчатого реактора, свидетельствует о том, что выходящая смесь имеет молочно-белый цвет, указывающий на образование тонкой эмульсии.

Выходящая из трубчатого реактора эмульсия поступает в емкость для отвода избытка галогенирующего агента объемом 6,3 м, в которой газожидкостная эмульсия разрушается, а газообразные непрореагировавший хлор и инертный азот отводят через систему нейтрализации хлора.

Раствор хлорированного бутилкаучука, имеющего рН 2-3, из емкости для отвода посредством насоса (плунжерного) HD-1000×16 подают в реактор, аналогичный вышеописанному реактору. Диаметр реактора 50 мм, высота 1500 мм. Внутри реактора выполнена антикоррозионная защита. Реактор снабжен пористым телом высотой 120 мм из металлической стружки и сетки с антикоррозионной защитой, порозность которого составляет 0,15. Далее установлено 10 конфузор-диффузорных секций. На входе в корпус реактора между входным патрубком корпуса и патрубком для отвода галогенированного эластомера и промывочной воды установлена заслонка, выполненная с возможностью герметизации и вращения на валу. Число оборотов заслонки 10 об/мин. Соответственно при перемещении галогенированного бутилкаучука и промывочной воды в реакторе возникает турбулентное движение потока с явлением инверсии, под действием которой среды смешиваются, и образуется водно-органическая эмульсия. Эмульсия после реактора поступает в емкость для отвода промывочной среды объемом 6,3 м, в которой она разрушается и отстаивается. Промывочная среда, содержащая соли металлов и примеси, с рН 4 удаляется в химзагрязненную канализацию.

Раствор галогенированного эластомера посредством насоса HD-1000×16 вновь подается в реактор, аналогичный вышеописанному, в который вводится нейтрализующий 0,4% водный раствор щелочи NaOH. Отношение объема подаваемого нейтрализующего раствора к объему галогенированного бутилкаучука составляет 1:1, а температура составляет 30-35°С.

Образовавшаяся смесь в виде водно-органической эмульсии подается из реактора в емкость для отвода отстоя нейтрализующей среды объемом 6,3 м, в которой эмульсия разрушается и разделяется. Отслоившаяся вода с рН 10-11 отводится в химзагрязненную канализацию, а нейтрализованный раствор галогенированного бутилкаучука с рН 7-8 посредством насоса Ш-8-25 подается в трубчатый реактор, выполненный из нержавеющей стали. Особенностью этого реактора является то, что элементы конфузор-диффузорных секций, соосно и жестко связанные между собой, являются составными частями корпуса. Внутренний диаметр цилиндрической части 50 мм, высота 130 мм. Наименьший диаметр конфузор-диффузорной секции 22 мм, угол наклона образующей конфузора и диффузора составляет 55°. Количество конфузор-диффузорных секций 8. Между входным патрубком корпуса и патрубком отвода раствора галогенированного эластомера и промывочной среды для дополнительной промывки установлены на валу лопасти с несимметричным расположением относительно друг друга. Система подшипников скольжения и герметизации обеспечивает герметичность узла. Число оборотов вала с лопастями 80 об/мин. Количество лопастей 3, расположенных по диаметру вала под углом 90° друг относительно друга. Четвертая лопасть отсутствует. Образовавшаяся при дополнительной промывке водно-органическая смесь поступает в емкость для отвода промывочной среды объемом 6,3 м³, в которой эмульсия разрушается, а промывочная среда и раствор галогенированного эластомера разделяются. Промывочная среда собирается и после обработки подается на основную промывку, а раствор галогенированного эластомера посредством насоса Ш-8-25 подается в реактор из нержавеющей стали, аналогичный трубчатому реактору, используемому на предыдущей стадии дополнительной промывки, снабженный несимметричными лопастями, в который по специальному патрубку вводят 10% раствор стабилизатора Иргонокс 1010 (фирма Ciba) в нефрасе (ТУ 38.1011228-90) в объеме 1 л/час посредством дозировочного насоса HD 2,5 10/100 (ОСТ 26-06-2003-77). Таким образом, при создании необходимых условий для перемещения смешиваемых потоков достигается равномерное распределение стабилизатора в объеме галогенированного бутилкаучука.

Стабилизированный раствор галогенированного бутилкаучука подается на дальнейшую обработку. Характеристики полученного бутилкаучука представлены в таблице, опыт 1.

Пример 2

Условия приведены в примере 1. В качестве галогенирующего агента используется бром (ГОСТ 454-76) в растворе нефраса (ТУ 38.1011228-90) из расчета 4,8 мас.%, брома на эластомер, т.е. на 400 л/час раствора бутилкаучука приходится 22 л/час раствора брома. Свойства полученного бромбутилкаучука приведены в таблице, опыт 2.

Пример 3

Условия приведены в примере 1. В качестве галогенирующего агента используется газообразный хлор (ГОСТ 6718-86), предварительно растворенный в нефрасе (ТУ 38.1011228-90) из расчета 12 мас.%, хлора на эластомер, т.е. на 400 л/час раствора бутилкаучука приходится 10,6 л/час раствора хлора. Свойства полученного хлорбутилкаучука приведены в таблице, опыт 3.

Пример 4

Условия приведены в примере 1. Вместо бутилкаучука используют 10% раствор тройного этилен-пропиленового каучука с соотношением этилен/пропилен 68/32, с содержанием дициклопентадиена 5,8 мас.%, вязкостью по Муни (125°С) - 48 по ТУ 2294-022-05766801-94. Хлор-азотная смесь в отношении 1-4,5 подается в количестве из расчета 3% масс, хлора на полимер. Свойства хлорированного каучука приведены в таблице, опыт 4.

Пример 5

Условия приведены в примере 1. В качестве галогенирующего агента используют гидрохлорид натрия (ГОСТ 11086-76) в виде 10% водного раствора. Количество водного раствора составляет 10,3 л/час (1,03 кг/час гипохлорида). В реакторе-хлораторе в условиях турбулентного движения с инверсией потока образуется водно-органическая эмульсия, при этом хлор выделяется в атомарном виде и взаимодействует с эластомером (бутилкаучуком) с образованием хлорбутилкаучука. Свойства хлорбутилкаучука приведены в таблице, опыт 5.

Пример 6

Условия приведены в примере 1. В качестве галогенирующего агента используют хлор:бром:нефрас в соотношении 1-1,8-3,5 соответственно. Свойства полученного хлорбромбутилкаучука приведены в таблице, опыт 6.

Пример 7

Технологическая схема выполнена вокруг реактора объемом 1,5 м³ с перемешивающим устройством, имеющим число оборотов 122 об/мин. В реактор заливается 400 л 13% раствора бутилкаучука (параметры технологического процесса, дозировка и материалы аналогичны примеру 1) и подается смесь хлора:азота в отношении 1-2, при этом при перемешивании в течение 6 часов проводят хлорирование. Затем продувают реактор азотом и осуществляют основную промывку водой. Время операции 30-40 мин, после этого перемешивающее устройство останавливают, вода отслаивается и отводится. В галогенированный бутилкаучук вводят нейтрализующий раствор и вновь перемешивают в течение 30-40 мин. Затем перемешивание останавливается, нейтрализующий раствор отслаивается и отводится из реактора. При перемешивании вновь подают воду для дополнительной промывки. Время промывки 30-40 мин. Далее вновь происходит отслаивание воды и ее отвод. В промытый раствор галогенированного бутилкаучука вводят раствор стабилизатора и осуществляют перемешивание в течение 20-30 мин. Стабилизированный продукт подают на дальнейшую обработку. Результаты показателей полученного хлорбутилкаучука приведены в таблице, опыт 7 (партия 1) и 8 (партия 2).

Пример 8

Условия приведены в примере 1. Операцию хлорирования бутилкаучука осуществляют в реакторе диаметром 50 мм и высотой 3000 мм, футерованном изнутри фторопластом толщиной 1,5 мм.

Внутри реактора над решеткой установлены кольца Рашига с наружным диаметром 20 мм, внутренним диаметром 15 мм и высотой 20 мм. Высота насыпного слоя 100 мм, ориентировочно 4-5 рядов. Операции основной промывки, нейтрализации, дополнительной промывки и стабилизации хлорированного бутилкаучука осуществляют, как в примере 7.

Анализ пробы смеси визуально указывает на наличие газовых включений в объеме раствора хлорбутилкаучука (отсутствие эмульсии) (опыт 9).

При заполнении кольцами Рашига 2/3 высоты реактора (опыт 10) проба, взятая после реактора, показывает только на отдельные газовые включения в объеме раствора хлорбутилкаучука (отсутствие эмульсии). Результаты показателей полученного хлорбутилкаучука приведены в таблице, опыты 9 и 10.

Анализ технологических свойств и свойств полученного галогенированного эластомера показывает, что способ непрерывного получения галогенированного эластомера в условиях турбулентности с явлением инверсии является более стабильным, о чем указывает разброс по содержанию галогена в эластомере, легкость его получения во времени и стабильность содержания галогена в эластомере, незначительные падения молекулярной массы при достаточном содержании галогена в эластомере. Все это достигается благодаря созданию режима турбулентного движения взаимодействующих потоков с явлением инверсии.

Смена вида галогена (опыт 1 и 2), его агрегатного состояния (опыт 2-4), их смеси (опыт 6), использование веществ, выделяющих галоген (гипохлорид, опыт 5) по существу не влияют на полученный результат. Процесс является стабильным во времени и из стандартизованных показателей свойств галогенированного каучука будет возможным только при большом сбое подачи взаимодействующих сред.

Опыты 7 и 8, выполненные по классической технологии, показывают длительность способа получения галогенированного эластомера, опасность протекания деструкционных процессов в эластомере под влиянием неравномерного распределения галогена по его объему, недостаточность галогенирования эластомера и т.д. Разные опыты 7 и 8 (партии 1 и 2) имеют значительный разброс показателей по свойствам галогенированного эластомера.

В опытах 9 и 10 галогенирование осуществляется, как в прототипе, в условиях турбулентного движения без явления инверсии. Эксперименты показали, что создание турбулентности посредством статических или динамических средств турбулентности в колонне, например, одного слоя колец Рашига, не обеспечивают турбулентность движения по высоте колонны. В случае установки колец Рашига на 2/3 высоты колонны (опыт 10) создается большое сопротивление движению взаимодействующих сред, и в этом случае сложно обеспечить турбулентное движение без явления инверсии. В этом случае турбулентность быстро исчезает по высоте колонны ввиду сопротивления движению, а поток приобретает ламинарное движение. Это подтверждается внешним видом смеси газа и хлорированного эластомера, газ находится в виде отдельных крупных пузырьков в растворе хлорбутилкаучука, т.е. образование газожидкостной эмульсии на выходе из колонны не наблюдается, несмотря на то что имеет место операция хлорирования. Обращается внимание на тот факт, что в опыте 10 степень хлорирования ниже, чем в опыте 9. Можно предположить, что поток в опыте 10 является более ламинированным, чем в опыте 9.

Таким образом, получение галогенированного эластомера непрерывным способом в условиях турбулентного движения с явлением инверсии открывает новые возможности интенсификации всех стадий способа. Создаются предпосылки создания многотоннажного производства по энерго- и ресурсосберегающей технологии.

Это обусловлено интенсификацией всех стадий способа, например галогенирование завершается за несколько десятков секунд вместо нескольких часов, использованием малогабаритного компактного и дешевого оборудования, интенсификацией трубчатых реакторов.

Строительно-монтажные работы являются малоемкими и не требуют значительных капитальных вложений.

Промышленная применимость

Настоящее изобретение может быть использовано в производстве резинотехнических изделий, клеев, красок, антикоррозионных покрытий, применяемых в авиации, машиностроении, медицине, в быту и т.д.