Приложение автоматизация процесса полимеризации бутадиена и альфаметилстирола
1 Описание технологического процесса
Полимеризация – химический процесс превращения множества простых молекул в сложную крупную молекулу нового по своим свойствам вещества, называемого полимером. Полимеризацию двух или нескольких разнородных молекул исходных веществ называют совместной полимеризацией (сополимеризацией).
Общую формулу процесса сополимеризации двух неоднородных по своему строению веществ А и Б можно выразить следующим образом:
nА
+ nБ
(АБ)n
молекулы молекулы молекула
одного другого совместного
мономера мономера полимера
Для получения синтетического каучука на производстве применяется процесс сополимеризации бутадиена и α-метилстирола в эмульсиях. В технологическом отношении процесс полимеризации в эмульсиях представляет большие возможности в осуществлении непрерывного метода полимеризации.
Реакцию сополимеризации бутадиена и α-метилстирола можно выразить следующим уравнением:
сополимер
(бутадиен-стирольный каучук)
Эмульсией называется взвесь очень мелких капелек одной жидкости в другой. Практически нерастворимый в воде бутадиен образует с ней эмульсию при интенсивном и продолжительном смешении. Процесс полимеризации бутадиена и его гомологов в эмульсиях приводит к образованию синтетических латексов – систем, дисперсной фазой которых является каучук, а дисперсионной средой – вода, содержащая растворенные в ней вещества (эмульгаторы и пр.). Латекс, полученный таким образом, содержит всего 17 – 18 % полимера.
Соотношение количеств углеводородной и водной фаз в эмульсии обычно устанавливают от 1: 1, до 1: 2 (т.е. на 100 вес.ч. мономера берут 100 – 200 вес.ч. воды).
Синтетический латекс, полученный полимеризацией в эмульсиях, по своему внешнему виду и основным свойствам аналогичен натуральному. Он представляет собой более или менее вязкую жидкость коллоидного строения, от белого до желтого и красноватого цвета.
Устойчивость эмульсии, т.е. время, в течение которого эмульсия сохраняется без расслоения, зависит от величины частиц мономеров (бутадиена и стирола), распределенных в дисперсионной среде (воде). Чем мельче эти частицы, тем устойчивее система.
На рассматриваемом производстве применяется непрерывный метод полимеризации. Это приводит к увеличению среднего размера частиц в латексах, что связано с уменьшением числа активных центров и, следовательно, частиц в латексе.
Для придания эмульсии устойчивости, быстрого проведения в ней реакции полимеризации и получения полимера нужных свойств, в рецептуру эмульсионной полимеризации вводят составные части, каждая из которых играет определенную роль. Эти компоненты следующие:
Эмульсионная, или дисперсионная среда. Такой средой является вода, очищенная от минеральных примесей («умягченная»). Количество воды составляет 60 – 80% от массы всей эмульсии.
Основной мономер (основная дисперсная фаза – бутадиен). Основной мономер определяет количество полимера. Количество основного мономера составляет 15 – 30% от массы всей эмульсии.
Вспомогательный мономер – вещество, вводимое в эмульсию для сополимеризации с основным мономером (альфаметилстирол). Количество вспомогательного мономера составляет 5 – 15% от массы эмульсии.
Эмульгатор – вещество, придающее эмульсии стойкость. Это соли жирных кислот и диспропорционированной канифоли (дрезинат). Эмульгаторы применяют в количестве 0,7 – 0,8 % от массы получаемого полимера. Опыт показывает, что чем выше концентрация эмульгатора, тем быстрее проходит процесс полимеризации.
Стабилизатор – вещество, предотвращающее преждевременное расслоение эмульсии (животный клей, крахмал, желатин). Количество их составляет 2 – 5% от массы полимера в латексе.
Возбудитель (инициатор) – вещество, дающее при распаде свободные радикалы, образующие активные центры полимеризации (2 – 5% -ная эмульсия гидроперекиси изопропилбензола). Количество возбудителя составляет 0,1 – 1,0% от массы полимера в латексе.
Активатор – компонент эмульсии, роль которого состоит во взаимодействии с окислителем для выделения свободных радикалов, служащих активными центрами полимеризации. Активаторами служат вещества с восстановительными свойствами (железо-трилон-ронгалтового комплекса). Количество активатора составляет десятые доли процента от содержания полимера в латексе.
Регулятор – добавка, приводящая к получению полимера нужной средней пластичности (дихлорэтан, четыреххлористый углерод). Количество регулятора в эмульсии составляет 2 – 5% от массы образующегося полимера.
Буфер – вещество, поддерживающее определенную кислотность эмульсии (регулирует рН эмульсии). В качестве буфера применяются различные соли (углекислые, фосфорнокислые). Количество их составляет 2 – 4% от массы образующегося полимера.
На последующих стадиях процесса в систему могут также входить прерыватели реакции полимеризации (ингибиторы), и противостарители (антиоксиданты).