ПЛАСТИФИКАТОРЫ ДЛЯ ПОЛИМЕРОВ

Очистка

В зависимости от технологии получения эфиры содержат от 5. до 20% (масс.) летучих примесей. К ним относятся избыточные реагенты (алифатические спирты, фенолы, крезолы), увлекающие агенты (бензол, толуол, циклогексан и др.), следы реакционной воды или хлористого водорода, а также низкомолекулярные побоч­ные продукты реакции.

Для удаления этих примесей разработаны различные техноло­гические приемы: прямая отгонка при атмосферном давлении, под вакуумом или в присутствии увлекающих агентов (инертного газа, . органического растворителя, острого перегретого водяного пара), фракционная перегонка, ректификация.

Основным методом удаления летучих примесей является пря­мая отгонка. Поскольку температура кипения большинства пла - , стификаторов на несколько сот градусов выше температуры кипе - ' ния летучих примесей и парциальное давление пара пластифика-

S8 тора в условиях отгонки пренебрежимо мало, то кинетически процесс отгонки идентичен выпариванию [95]. В конденсате со­держится лишь небольшое количество пластификатора за счет ме-^ ханического уноса.

Процесс выпаривания проводят при атмосферном давлении или ' под вакуумом. Низкокипящие органические растворители, а также избыточные метанол и этанол легко отгоняются при атмосферном давлении и температуре, не превышающей 130—140 °С. Спирты с С4 и выше отгоняют только под вакуумом.

Понижение температуры отгонки может достигаться за счет введения в реакционную смесь увлекающего агента (носителя). Если отгоняемый компонент плохо растворим в воде, то в качест­ве увлекающего агента используют острый перегретый водяной пар. Такой способ отгонки летучих широко применяется при полу­чении диэфирных пластификаторов [165, 206—209], триалкил - и алкиларилфосфатов [210] и полиэфирных пластификаторов мето­дом конденсационной теломеризации [108].

Установка периодического действия для отгонки летучих с острым перегретым паром включает кубовый аппарат с рубашкой для обогрева и барботером для подачи острого пара. Барботером чаще всего служит спиральная перфорированная трубка. Посколь­ку по длине барботера давление пара уменьшается, то для его равномерного распределения по сечению отгонного аппарата от­верстия в барботере выполняются переменного диаметра, который постепенно увеличивается по мере удаления от входного отверстия.

Острый перегретый водяной пар можно подавать в нижнюю часть выносного теплообменника [59]. При этом достигается эф­фективное смешение пара и эфира-сырца при развитом турбулент­ном режиме течения в сравнительно узком сечении теплообменни­ка, а также повышение температуры в теплообменнике (на 20— 30 °С) по сравнению с температурой в отгонном аппарате.

Эффективное удаление летучих примесей из пластификаторов острым паром обеспечивается в отгонных колпачковых тарельча­тых колоннах непрерывного действия, в нижнюю часть которых йодается пар, а в верхнюю — обрабатываемый продукт. Конст­рукция, принцип действия и метод расчета отгонных колонн под­робно описаны в литературе [211]. Этот процесс имеет то преиму­щество перед периодической отгонкой с водяным паром, что одна и та же порция пара, поднимающегося по колонне, многократно используется на последовательных тарелках, каждый раз отпари­вая дополнительную порцию детучих примесей из стекающего про­тивотоком пластификатора. В настоящее время отгонными тарель­чатыми колоннами оборудованы почти все действующие агрегаты непрерывного действия для синтеза диэфирных пластификаторов.

Для сокращения расхода острого пара фирмой «Меле-Безонс» (Франция) разработан способ непрерывной отгонки летучих от пластификаторов на нескольких последовательно расположенных колоннах при постепенном понижении давления от атмосферного

Или избыточного в первой колонне до остаточного 1,33—5,32 кПа в последней [209]. Дополнительное снижение расхода острого па­ра и уменьшение потерь целевого продукта обеспечиваются в том случае, если паровую фазу с последней колонны, содержащую во­дяной пар. с небольшим количеством летучих веществ, не конден­сировать, а подавать в нижнюю часть предыдущей колонны вме­сте с порцией свежего острого пара [207].

При отгонке летучих примесей от пластификаторов иногда вме­сто острого перегретого водяного пара применяют инертные газы (азот, диоксид углерода и др.) [109, 212—214]. Отгонка в токе неконденсирующегося инертного газа позволяет значительно боль­ше понизить температуру испарения разделяемой смеси, чем при отгонке с острым перегретым паром. Вместе с тем присутствие инертного газа в парах, поднимающихся из куба, приводит к рез­кому уменьшению коэффициента теплоотдачи в конденсаторах-хо­лодильниках и соответственно к возрастанию необходимой поверх­ности теплообмена. Кроме того, конденсация парогазовых смесей часто сопровождается туманообразованием, что вызывает замет­ный унос отгоняемого летучего компонента с отходящими газами. Отмеченные недостатки в значительной степени ограничивают про­мышленное применение инертных газов для отгонки летучих ком­понентов от пластификаторов.

По экономическим соображениям избыточный спирт и другие летучие компоненты, как правило, выделяют из пластификатора в две стадии — вначале основное количество летучих отгоняют под вакуумом, а затем оставшийся спирт — с каким-нибудь увлекаю­щим агентом. В присутствии амфотерных катализаторов или в от­сутствие катализатора при проведении процесса при температуре около 200 °С, основную массу избыточного спирта рекомендуется отгонять сразу по завершении синтеза мгновенным испарением [215]. Экспериментально установлено, что при начальном содер­жании спирта в эфире-сырце около 20% (масс.) и температуре синтеза 180—210 °С таким способом можно отогнать из системы до 75% избыточного спирта [64, 85]. Эффект достигается за счет резкого снижения давления с 54,5—47,9 до 5,4—2,7 кПа. При ис­парении спирта и следов воды происходит охлаждение эфира-сыр­ца до 160—170 °С, т. е. до температуры, при которой обычно отго­няют летучие вещества с острым паром. Поэтому отгонку летучих мгновенным испарением можно проводить без подвода тепла изв­не за счет подачи реакционной смеси через дросселирующий вен­тиль в испарительную камеру.

При синтезе на кислых катализаторах нагрев реакционной смеси до температуры выше 130—140°С из-за возможности ухуд­шения цвета целевого продукта допускается только после нейтра­лизации кислого катализатора. Поэтому выпаривание избыточного спирта по завершении синтеза непосредственно из эфиризатора, целесообразно в случае получения пластификаторов из спиртов с числом углеродных атомов не более четырех. Другие спирты от­гоняют от эфира после нейтрализации и промывки. В периодиче­ском производстве, например ди (2-этилгексил) фталата, реакцион­ную смесь нагревают до 160—170 °С и постепенно углубляют ва­куум. При этом от эфира-сырца отгоняется часть избыточного спирта. После прекращения его выделения через реакционную массу барботируют острый перегретый пар.

В непрерывных производствах рекомендуется применять двух - стадийную отгонку летучих веществ с использованием на первой стадии мгновенного испарения [208]. Однако в отличие от процес­сов на амфотерных катализаторах и без катализатора из-за слиш­ком низкой температуры эфира-сырца, поступающего со стадии промывки (менее 100°С), в схему дополнительно включают подо­греватель.

Поскольку одноатомные алифатические спирты с числом угле­родных атомов более трех образуют с водой азеотропную смесь с температурой кипения ниже 100 °С, то избыточный спирт можно отогнать от пластификатора азеотропной отгонкой водой. Стадию отгонки в этом случае обычно совмещают с нейтрализацией [201, 203]. Водный раствор щелочного агента добавляют в реакционную смесь при температуре, превышающей 100 °С (т. е. пластификатор после завершения синтеза не охлаждают). Вода в данном случае является не только увлекающим агентом, но и теплоагентом сме­шения. За счет вскипания воды температура реакционной массы быстро понижается до температуры кипения соответствующей азеотропной смеси. В дальнейшем азеотропная отгонка спирта проводится с подводом тепла извне. Для поддержания необходи­мой для нейтрализации концентрации воды выкипающую во время азеотропной отгонки воду рекомендуется после конденсации и от­деления во флорентийском сосуде от спирта возвращать в нейтра­лизатор [182]. По экономическим соображениям в процессе ней­трализации целесообразно отгонять до 50% избыточного спирта, а остальной спирт отгонять описанным выше способом с острым пе­регретым паром [176, 182].

В последние годы для отгонки летучих веществ в производст­ве пластификаторов все чаще применяют роторно-пленочные ис­парители. Подробный обзор конструкций, а также основы гидро­динамики, тепло - и массообмена в этих аппаратах приведены в литературе [216]. В производстве пластификаторов применяют два типа роторно-пленочных испарителей — с лопастным ротором, об­разующим зазор с теплообменной поверхностью, и с размазываю­щим ротором. Испаритель первого типа, фирмы «Лува» показан на рис. 2.12. Он имеет обогреваемый с помощью рубашки 1 вер­тикальный цилиндрический корпус 2, внутри которого вращается сварной пустотелый ротор 6 с четырьмя лопастями. Зазор между лопастями и стенкой аппарата составляет 0,4—1,5 мм. Для работы под вакуумом на валу ротора делается двойное торцевое уплот­нение, что позволяет эксплуатировать аппарат при остаточном давлении до 0,1 кПа.

Рис. 2.12. Схема роторно-пленочного испарителя фирмы «Лува»: 1 — рубашка; 2 — корпус; 3 — штуцер для вывода готового продукта; 4, S — верхняя и нижняя опоры ротора; 6 — ротор.

Исходный продукт поступает в верхнюю часть аппарата и лопастями распределяет­ся по теплообменной поверхности, образуя на ней жидкостную пленку. Окружная ско­рость вращения лопастей достигает 12 м/с. Внутренний диаметр изготавливаемых ап­паратов— от 0,15 до 0,85 м, поверхность нагрева — от 0,5 до 16 м2.

Под действием силы тяжести пластифи­катор стекает вниз, выделяя летучие ком­поненты. Толщина пленки жидкости и ско­рость ее движения в определенных преде­лах могут регулироваться изменением ско­рости вращения ротора. Образующийся пар проходит вдоль аппарата вверх, освобождается в каплеотбойнике от капель пластификатора и направляется на конденсацию; про­дукт отводится через штуцер в днище аппарата.

Производительность аппаратов типа «Лува» при отгонке лег­колетучих компонентов из органических жидкостей составляет 200—600 кг/(ч-м2), а при дистилляции органических жидкостей — 200—400 кг/(ч-м2). Температура в аппарате может регулировать­ся в пределах 10—300°С. Время пребывания в аппарате в зави­симости от свойств перерабатываемого продукта и режима пере­работки колеблется от нескольких секунд до нескольких минут.

Одним из первых роторно-пленочиых аппаратов с размазываю­щим ротором является испаритель типа «Самбэй» западногерман­ской фирмы «Сомесрейтер Мюллер Шуе» [217]. Принципиальное отличие этого аппарата от аппарата типа «Лува» состоит в при­менении ротора с шарнирно-закрепленными на валу лопастями. При вращении лопасти, прижимаясь к поверхности корпуса под действием центробежной силы, размазывают по ней жидкую пленку.

Эксплуатационные характеристики испарителей различной конструкции почти одинаковые. Однако аппараты с шарнирно-за­крепленными лопастями не - пригодны для переработки осмоляю - щихся композиций, так как в этом случае шарниры покрываются смолой и лопасти теряют подвижность.

Роторно-пленочные испарители, несмотря на сложность конст­рукции и сравнительно высокую стоимость, успешно конкурируют с отгонными аппаратами других типов. Они могут применяться в производстве пластификаторов для отгонки фенолов, крезолов и, т. п. от фосфорсодержащих пластификаторов, т. е. в тех случаях, когда применение острого пара для отгонки летучих веществ не
допускается, а также для упаривания сточных вод. Как правило, роторно-пленочные испарители могут заменять традиционные от­гонные колонны, работающие с острым перегретым паром, и по­зволяют получать целевой продукт с такой же температурой вспышки. Однако обработка эфира острым перегретым водяным паром после отгонки летучих веществ на роторно-пленочном испа­рителе все же необходима для устранения специфического запаха. Поэтому целесообразно использовать на стадии отгонки летучих продуктов комбинацию этих аппаратов [59].

При получении триарилфосфатов избыточные фенолы или кре­золи отгоняют от целевого продукта фракционной перегонкой. Ее проводят путем постепенного испарения жидкости, находящейся в перегонном кубе. В ходе отгонки содержание низкокипящего ком­понента в кубовой жидкости уменьшается. Одновременно изме­няется и состав дистиллята, который обедняется низкокипящим компонентом. В связи с этим отбирают несколько фракций дистил­лята различного состава. Поскольку в отличие от ректификации перегонкой нельзя разделить смесь на чистые компоненты, то при перегонке отбирают промежуточную фракцию, которую возвра­щают на повторную обработку.

Разработан ректификационный способ фракционирования три - арилфосфата-сырца, в котором до 90% реакционной смеси испаря­ют при 220—320 °С и остаточном давлении 0,25—1,33 кПа, при­чем высококипящие примеси и катализатор остаются в кубе. Пары направляют в среднюю часть-ректификационной колонны. Из куба колонны отбирают целевой продукт, а сверху колонны — крезолы или фенолы. Температура и давление в нижней части колонны равны 250—300°С и 0,5—1,33 кПа соответственно, а в верхней части колонны — 60—200 °С и 0,25—0,5 кПа [94].