СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ ПОЛИМЕРА ИЗ РАСТВОРА Российский патент 1997 года по МПК B29B15/00 C08F6/12 

Изобретение относится к технологии получения полимерных материалов, а именно: к способам выделения полимеров из растворов и суспензий. Преимущественно изобретение предназначено для извлечения тонкодисперсного полиамида из спиртового раствора.

Известен способ выделения полимеров и сополимеров на основе акриламида, при котором измельченный гель полимера, содержащий 60-95% основного вещества, сушится горячим воздухом при 50-70^oC. Гель перед сушкой может быть заморожен и обработан сульфатом натрия (US, патент N 3 714 136, 360-89.7, опубл. 1973).

Однако в данном способе происходит загрязнение вещества балластной примесью до 40-50% при поверхностной обработке сульфатом натрия; возникает необходимость использования специальной криогенной техники для замораживания, а также низка эффективность процесса сушки, обусловленная увеличением термического сопротивления поверхности обработанных частиц и продолжительности стадии их нагрева.

Известен способ выделения полимера из раствора, при котором нагревают раствор полимера в герметичном объеме до температуры, не превышающей 160^oC, выделяют твердую фазу путем диспергирования раствора полимера, затем сушат частицы полимера и осуществляют рекуперацию вторичных паров (Шейн В.С. и др. Процессы, технология и аппаратурное оформление дегазации стереорегулярных каучуков. М. ЦНИИТЭнефтехим, 1977, с. 19-20, рис. 7).

Однако в известном способе низка интенсивность процесса при выделении полимера из раствора, обладающего высокой скрытой теплотой парообразования.

Техническим результатом данного способа является интенсификация процесса извлечения полимера при обеспечении его экологической чистоты.

Для достижения технического результата в способе выделения полимера из раствора, при котором нагревают раствор полимера в герметичном объеме до температуры, не превышающей 160^oC, выделяют твердую фазу путем диспергирования раствора полимера, затем сушат частицы полимера и осуществляют рекуперацию вторичных паров, согласно изобретению раствор полимера диспергируют при сбросе давления с начального, величину которого определяют по формуле:

где:
P_н, P_а начальное и атмосферное давления, кПа;
x_i массовая концентрация компонента раствора, кг/кг;
μ_i молекулярный вес компонента, кг/кмоль;
T температура раствора, ^oC;
A_i, B_i эмпирические коэффициенты в уравнении Антуана,
до атмосферного, а сушку частиц полимера осуществляют при их транспортировании на стадию окончательной обработки в среде перегретого пара при температуре 140-150^oC.

На чертеже изображена схема установки для извлечения тонкодисперсного полиамида из спиртового раствора.

Установка содержит вакуум-фильтр 1, приемную емкость 2, камеру 3, циклон 4, конденсатор 5, электрический калорифер 6 и вентилятор 7.

Емкость 2 снабжена паровой рубашкой 8, манометром 9 и сообщена с камерой 3 при помощи вентиля 10 и струйной форсунки 11 типа "коническое сопло".

Конденсатор 5 представляет собой теплообменник с пленочным режимом течения охлаждающей жидкости по поверхностям контактных элементов. В качестве охлаждающей жидкости используется вода.

Выход конденсатора по конденсату и охлаждающей жидкости сообщен с патрубком 12 подачи суспензии в вакуум-фильтр 1, а выход по энергоносителю с патрубком 13 подачи теплоносителя в камеру 3, что обеспечивает замкнутый цикл циркуляции сушильного агента и безотходное производство готового продукта.

Емкость 2, камера 3, циклон 4 и трубопроводы, соединяющие аппараты, теплоизолированы.

Способ осуществляется следующим образом. После высаждения полиамида из спиртового раствора добавлением воды суспензию подают через патрубок 12 в вакуум-фильтр 1. В вакуум-фильтре 1 под действием разности давлений отфильтровывают свободную жидкость, высоковлажный осадок направляют в емкость 2, а фильтрат сливают в сборник.

После заполнения емкости 2 продуктом проводят ее герметизацию, подают пар в паровую рубашку 8 и нагревают полиамид до температуры 150-160^oC.

В замкнутом объеме емкости 2 устанавливается равновесие между паровой и жидкой фазами раствора при температуре нагрева, а давление паров рассчитывается по уравнению (1) в зависимости от концентрации спиртового раствора.

Нижний предел диапазона температур нагрева (150^oC) обусловлен необходимой тепловой энергией, способной обеспечить термомеханическое разделение жидкой и твердой фаз при диспергировании раствора. При температурах ниже 150^oC тепловой энергии раствора недостаточно для более мелкого дробления капель суспензия после диспергирования. В этом случае удаление жидкости происходит при ее испарении с поверхности капель, размер которых определяется диаметром отверстия сопла форсунки.

Верхний предел 160^oC влияет на структурные изменения полимера. Повышение температуры приводит к термодеструкции полиамида (образованию устойчивых макромолекул пониженной молекулярной массы).

Открывают вентиль 10 и нагретый раствор под давлением поступает на форсунку 11, с помощью которой распыляется в камере 3. Диспергированные частицы раствора за счет аккумулированного тепла претерпевают дополнительное термомеханическое дробление, приводящее к обезвоживанию частиц полиамида и мгновенному испарению капель жидкости.

В камеру 3 подают сушильный агент, нагретый в калорифере 6 до температуры 140-150^oC, который перегревает пары испарившейся жидкости. Частицы полиамида, взаимодействуя с перегретым паром при транспортировке в циклон 4, сушатся до требуемого конечного влагосодержания.

Нижний предел диапазона температур 140^oC обусловлен интенсивностью сушки в режиме пневмотранспорта и возможностью конденсации паров высококипящего компонента спиртового раствора (воды) на внутренней поверхности камеры 3, пневмотрубы и циклона 4.

Верхний диапазон температур 150^oC определяется свойствами полиамида. Снижение влагосодержания в процессе сушки может привести к его плавлению при повышении температуры.

В теплоизолированном циклоне 4 порошок полиамида отделяется от парогазового потока и направляется на стадии окончательной обработки. Парогазовый поток из циклона 4 поступает в конденсатор 5, где пары раствора конденсируются, взаимодействуя с пленкой охлаждающей жидкости, орошающей поверхности контакта фаз. Одновременно с конденсацией паров осуществляется жидкостная очистка газового потока от унесенных из циклона частиц полиамида. Из конденсатора 5 охлаждающая жидкость и конденсат с порошком полиамида поступает в вакуум-фильтр 1 через патрубок 12.

Газовый поток из конденсатора 5 нагнетается вентилятором 7 через калорифер 5 и патрубок 13 в камеру 3.

При сушке в среде перегретого пара исключается возможность взаимодействия порошка полиамида с кислородом воздуха, что обеспечивает высокие качественные характеристики продукта при высоких температурных режимах.

Организация процесса в замкнутом цикле по сушильному агенту, а также безотходное производство по готовому продукту обеспечивает способу экологическую чистоту.

В конкретном случае способ может быть осуществлен следующим образом. Порошок полиамида в спиртовом растворе с начальным влагосодержанием более 10 кг/кг поступает на стадию фильтрования в вакуум-фильтр 1. Концентрация этилового спирта в растворе составляет 0,5 кг/кг, концентрация воды 0,5 кг/кг.

После стадии фильтрации осадок, имеющий влагосодержание 2,5-3,0 кг/кг, загружают в емкость 2 и нагревают до температуры 160^oC. Давление паров, рассчитанное по формуле (1), составляет:

где
P_а атмосферное давление, P_а 100 кПа;
x₁ массовая концентрация этилового спирта в растворе, x₁= 0,5 кг/кг;
μ₁ молекулярный вес этилового спирта, μ₁ 46 кг/кмоль;
x₂- массовая концентрация воды в растворе, x₂ 0,5 кг/кг;
μ₂ молекулярный вес воды, μ₂ 18 кг/кмоль;
A₁, B₁ эмпирические коэффициенты в уравнении Антуана для этилового спирта, A₁ 19,35, B₁ 5165,82;
A₂, B₂ эмпирические коэффициенты в уравнении Антуана для воды, A₂ 18,92, B₂ 5298,31;
T температура нагрева раствора, T 160^oC (433 K).

При начальном давлении в емкости P_н 1,53 мПа осуществляется сброс давления до атмосферного P_д 100 кПа в камеру 3, где раствор диспергируется на капли диаметром d_k 0,5-1,0 мм. За счет термомеханического дробления происходит разделение жидкой и твердой фаз, в результате чего диаметр капель изменяется до величины d_k 80-110 мкм, а жидкость испаряется.

Температура кипения спиртового раствора при концентрации легколетучего компонента 0,5 кг/кг и атмосферном давлении составляет t_k 80^oC (Коган В.Б. Фридман, В. Ш, Каферов В.В. Равновесно между жидкостью и паром. Справочное пособие, ч. 1. М. -Л. Наука, 1966, с. 278-279). Теплота парообразования этилового спирта составляет r_ф1712,3 кДж/кг, а воды - r_ф2 2149,5 кДж/кг. Раствор этилового спирта относится к жидкостям с высокой теплотой парообразования, поэтому обеспечить требуемую величину влагосъема при диспергировании не удается. Для этого раствор необходимо нагреть до высокой температуры, что невозможно ввиду термодеструкция полимера.

Влагосодержание частиц полиамида после стадии диспергирования составляет 0,7-0,8 кг/кг.

В камеру 3 подают нагретый до температуры 150^oC сушильный агент, которым перегревает образующиеся при диспергировании пары раствора и обеспечивает сушку частиц полиамида в режиме пневмотранспорта до влагосодержания 0,01 кг/кг.

В циклоне 4 парогазовый поток и твердую фазу разделяют. Парогазовый поток поступает в конденсатор 5, орошаемый водой с температурой 15-18^oC, а порошок полиамида с размерами 60-100 мкм на стадии дальнейшей обработки.

Таким образом, проведение процесса извлечения порошкообразного полиамида из спиртового раствора, обладающего высокой теплотой парообразования, по сравнению с известным способом позволяет интенсифицировать процесс удаления влаги до требуемого конечного значения за счет сушки мелкодисперсной твердой фазы в среде перегретого пара без ухудшения качественных характеристик продукта.

Использование: при выделении полимеров из растворов и суспензий. Сущность изобретения: нагревают раствор полимера (РП) в герметичном объеме до температуры, не превышающей 160^oC, выделяют твердую фазу путем диспергирования РП при сборе давления с начального до атмосферного. Величину начального давления определяют по формуле: , где P_н, P_а - начальное и атмосферное давления, кПа; x_i - массовая концентрация компонента раствора, кг/кг; μ_i - молекулярный вес компонента, кг/кмоль; T - температура раствора, ^oC; A_i, B_i - эмпирические коэффициенты в уравнении Антуана. Затем сушат частицы полимера и осуществляют рекуперацию вторичных паров. Сушку частиц полимера осуществляют при их транспортировании на стадию окончательной обработки в среде перегретого пара при температуре 140-150^oC. 1 ил.

Способ выделения полимера из раствора, при котором нагревают раствор полимера в герметичном объеме до температуры, не превышающей 160^oС, выделяют твердую фазу путем диспергирования раствора полимера, затем сушат частицы полимера и осуществляют рекуперацию вторичных паров, отличающийся тем, что раствор полимера диспергируют при сбросе давления с начального, величину которого определяют по формуле

где P_н, P_а начальное и атмосферное давления, кПа;
x_i массовая концентрация компонента раствора, кг/кг;
μ_i - молекулярный вес компонента, кг/кмоль;
T температура раствора, ^oС;
A_i, B_i эмпирические коэффициенты в уравнении Антуана,
до атмосферного, а сушку частиц полимера осуществляют при их транспортировании на стадию окончательной обработки в среде перегретого пара при 140 150^oС.