К изопентану и изопрену предъявляются высокие требования по чистоте продукта. Это объясняется тем, что большинство примесей, сопутствующих изопрену и изопентану, существенно влияют на кинетику полимеризации и микроструктуру образующего полимера. Например, при содержании воды в системе более 0,001% полимеризация протекает с большим индукционным периодом и резко увеличивается содержание геля в полимере. Димеры изопрена влияют главным образом на микроструктуру полимера, а изобутилен снижает скорость полимеризации. Присутствие циклопентадиена в количестве 0,001% резко снижает скорость полимеризации и молекулярный вес полимера, а при содержании 0,1% циклопентадиена происходит полное отравление катализатора. Углеводороды ацетиленового ряда и диеновые углеводороды приводят к увеличению индукционного периода и существенному снижению скорости полимеризации.
Полимеризация изопрена с титановыми катализаторами проводится в изопентане, вязкость растворов полимера в котором минимальна. Осушенная изопентан-изопреновая фракция подпитывается изопреном до его содержания 12—15% и подается в холодильник 1 (рис.8), охлаждаемый испаряющимся при температуре - 20 °С пропаном. Модифицированный каталитический комплекс (до 1 % в расчете на изопрен) подается на полимеризацию с помощью специального дозирующего устройства, регулирующего автоматически подачу катализатора в зависимости от вязкости полимеризата, через холодильник 2.
Предполагается, что при полимеризации изопрена в присутствии катализаторов Циглера-Натта протекают три элементарные реакции:
1. Зарождение активных центров полимеризации при взаимодействии активных центров катализатора с мономером:
TiCl3*(iC4H9) AlCl + iC5H8 ® TiCl3(iC4H9)(iC5H8)nAl(iC4H9)Cl
2. Рост полимерных цепей при взаимодействии активных центров полимеризации с мономером:
TiCl3(iC4H9)(iC5H8)nAl(iC4H9)Cl+iC5H8®TiC13(iC5H8)+I(iC4H9)Al(iC4H9)Cl
3. Обрыв роста полимерных цепей:
TiCl3(iC5H8)n+I(iC4H9)Al(iC4H9)Cl®TiCl3 + (iC4H9)(iC5H8)n + IAl(iC4H9)Cl
Активным центром полимеризации является не комплекс, а соединение,которое образуется после присоединения первой молекулы мономера - на это указывает наличие индукционного периода при полимеризации изопрена.
Полимеризация изопрена осуществляется в батарее, состоящей из двух последовательно соединенных полимеризаторов 31 и З2 объемом 20 м3. При использовании двухкомпонентного каталитического комплекса полимеризация осуществляется в батарее из 4—6 аналогичных аппаратов. Полимеризаторами служат аппараты с мешалками, снабженными лопастями и скребками, обеспечивающими интенсивное равномерное перемешивание во всем объеме полимеризатора и непрерывную очистку поверхности теплообмена, что необходимо для достижения высокого коэффициента теплопередачи. Съем теплоты, выделяющейся при полимеризации изопрена (удельная теплота реакции полимеризации 1050 кДж/кг) осуществляется через рубашку полимеризатора, охлаждаемую рассолом. Температуру полимеризации повышают по ходу процесса с 45 ± 5 °С в полимеризаторе Зг до 55 ± 5 °С в полимеризаторе З2, что обеспечивает конверсию изопрена 85 - 90% при достаточно низкой вязкости полимеризата. Известен также метод охлаждения реакционной массы за счет частичного испарения растворителя и мономера. Давление в полимеризаторах 1 — 1,2 МПа.
Назначение этой технологической стадии заключается в обрыве реакции полимеризации при достижении заданной конверсии и превращение компонентов катализатора в соединения, которые не вызывают при дальнейшей обработке полимеризата вторичных процессов (деструкции и структурирования), приводящих к снижению качества изопренового каучука.
По окончании процесса полимеризации производится дезактивация (разрушение) каталитического комплекса и заправка полимеризата антиоксидантами (стабилизация полимера).
Процесс дезактивации катализатора проводят в основном двумя способами:
1. Разрушение каталитического комплекса, не переводя переходной металл (Ti3) в неактивную форму с последующей отмывкой полимеризата.
2. Дезактивация катализатора за счет его перевода в неактивную форму.
Первый способ основан на химическом взаимодействии метанола (метилового спирта) с компонентами каталитического комплекса. Химическая реакция в этом случае проходит в соответствии с уравнением реакции:
TiCl3 + CH3OH ® TiCl3* CH3OH
Al(iC4H9)2Cl + 2CH3 OH ® AlCl(OCH3)2 + 2C4H10
При отмывке полимера водой от продуктов разрушения каталитического комплекса полученные алкоголяты гидролизуются:
TiCl3*CH3OH + 6H2O ® TiCl3*6Н2О + CH3OH
AlCl(OCH3)2 + H2O ® AlOCl + 2CH3OH
При втором способе происходит комплексообразование с соединениями Ti3+ аминных соединений, содержащих в составе применяемых антиоксидантов (ДФФД,ВТС-60) и с дальнейшим восстановлением титана до TiCl в присутствии HCl. При последующей отмывке полимеризата соединения Ti и Cl вымываются водой.
 |
Рис. 8 Схема полимеризации, дезактивации, отмывки полимеризата и стабилизации каучука при получении СКИ-3:
1,2 — холодильники; 31, 32 — полимеризаторы; 4, 7, 10, 13 — интенсивные смесители; 5— аппарат с мешалкой; 6,9, 12 — насосы; 8, 11 — отстойники.I — изопентан; II — изопрен; III — каталитический комплекс; IV — пропан; V - рассол;VI — этилен; VII — стоппер; VIII — обессоленная вода; IX - суспензия стабилизатора; Х — полимеризат на дегазацию; XI — вода на отпарку органических соединений.
Для дезактивации катализатора применяются соединения, реагирующие с компонентами катализатора с образованием растворимых в воде продуктов, — алифатические спирты, кислоты, амины и др. В промышленности для этой цели чаще всего используют метиловый спирт, который можно регенерировать из отмывной воды, или воду. Смешение полимеризата с дезактиватором (стоппером) осуществляется в интенсивном смесителе 4 (рис.8). Для обеспечения полной конверсии активных компонентов катализатора стоппер подается в значительном избытке по сравнению со стехиометрическим количеством.
Из интенсивного смесителя 4 полимеризат поступает в аппарат с мешалкой 5, где в течение 15—20 мин завершается процесс дезактивации катализатора. Этот же аппарат одновременно служит емкостью, в которой осуществляется снижение давления в системе. Полимеризат из емкости 5 насосом 6 подается в интенсивный смеситель 7 на смешение с циркуляционной водой, подаваемой из отстойника 8 насосом 9, и расслаивается в отстойнике 8. Частично отмытый от продуктов дезактивации полимеризат направляется в интенсивный смеситель 10, куда подается умягченная вода. Смесь расслаивается в отстойнике 11. Отмытый полимеризат подается в интенсивный смеситель 13 на смешение со стабилизатором, который подается в виде углеводородного раствора или водной суспензии, и направляется на дегазацию. Продукты дезактивации каталитического комплекса выводятся насосами 9 и 12 на химическую очистку.
В качестве стабилизаторов для каучука СКИ-3 используют соединения аминного и фенольного типа: смесь N-фенил-р-нафтиламина (нафтам-2) и N,N'-дифенил-п-фенилендиамина (ДФФДА) в соотношении 1: 1 при дозировке 0,6 -0,8% в расчете на каучук; для получения светлых марок каучука 2,6-ди-трет-бутил-4-метилфенол (ионол).
Рис. 9. Схема дезактивации катализатора и отмывки полимеризата:
1,4,8 — интенсивные смесители; 2 — аппарат с мешалкой; 3, 7, 9, 10 — насосы; 5 — отстойник; 6 — промывная колонна.
I — полимеризат; II — растворитель; III — стоппер; IV — подкисленная вода; V — полимеризат на дегазацию; VI — вода на отпарку органических соединений; VII — суспензия стабилизатора.
В некоторых производствах СКИ-3 для обеспечения более полной отмывки полимеризата от водорастворимых продуктов используют роторную промывную колонну, имеющую 7 турбинных мешалок на общем валу и 8 отстойных зон. По этой схеме полимеризат поступает в интенсивный смеситель 1 (рис. 9) на разрушение каталитического комплекса, куда подается и стоппер, чаще всего метиловый спирт.
Из интенсивного смесителя 1 полимеризат переводится в аппарат с мешалкой 2, где смесь полимеризата со стоппером выдерживается 15-20 мин. Этот же аппарат одновременно служит промежуточной емкостью. Полимеризат из емкости 2 насосом 3 подается в интенсивный смеситель 4, куда насосом 7 из куба промывной колонны 6 вводится часть промывной воды. Смесь полимеризата с водой поступает в отстойник 5, где разделяется на два слоя. Нижний водный слой насосом 10 выводится из системы, а верхний слой, представляющий собой частично отмытый полимеризат, поступает в промывную колонну б, в которой полимеризат окончательно отмывается от продуктов разложения каталитического комплекса. Для промывки применяется смесь возратной воды из системы дегазации и частично умягченной обескислороженной воды, подкисляемой соляной кислотой до рН 3.
Отмытый полимеризат отводится из верха колонны 6 в интенсивный смеситель 8, куда насосом 9 подается водная суспензия стабилизатора. Полимеризат, заправленный стабилизатором, поступает в отстойник-усреднитель.