CC BY
89
УДК 541.64:532.72
ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ДИСПЕРСНЫЙ СОСТАВ СУСПЕНЗИИ АНТИАГЛОМЕРАТОРА ДЛЯ СИНТЕТИЧЕСКИХ КАУЧУКОВ НА ОСНОВЕ СТЕАРАТА КАЛЬЦИЯ
© Ю. В. Морозов1, В. З. Мингалеев2*, В. П. Захаров3, И. Ш. Насыров1
1ЗАО «Синтез-Каучук»
Россия, Республика Башкортостан, 453110 г. Стерлитамак, ул. Техническая, 14.
Тел.: +7 (3473) 29 45 45.
2Институт органической химии УНЦ РАН Россия, Республика Башкортостан, 450054 г. Уфа, проспект Октября, 71.
Тел.: +7 (347) 235 55 60.
E-mail: mingaleevvz@rambler. ru 3Башкирский государственный университет Россия, Республика Башкортостан, 450074 г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32.
Тел.: +7 (347) 273 66 08.
Исследовано динамика изменения размеров частиц суспензии стерарата кальция в процессе ее приготовления при различных способах перемешивания. Установлено, что диспергирование частиц завершается за 2.5 часа с образованием фракции со средним диаметром 5.7 мкм. Интенсивное гидродинамическое воздействие на суспензию обеспечивает формирование фракции частиц с диаметром 2 мкм. Дальнейшее приготовления суспензии при медленном перемешивании приводит к агрегации частиц.
Ключевые слова: антиагломератор, трубчатые турбулентные реакторы, производство
синтетических каучуков
В производстве синтетических каучуков методом растворной полимеризации на стадии выделения полимера из раствора методом водной дегазации используются антиагломераторы, которые за счет создания структурно-механического барьера препятствуют слипанию полимерной крошки. Это облегчает выделение из продуктов синтеза непрореагировавшего мономера и остатков растворителя. В качестве антиагломератора в производстве синтетических каучуков главным образом используется мелкодисперсная разбавленная водная суспензия стеарата кальция. Обычно [1], стеарат кальция на стадию дегазации подается свежеприготовленным при взаимодействии в потоке водных растворов стеарата калия и хлористого кальция. Целесообразность организации синтеза антиагломератора в таком виде обусловлена тем, что реакция ионного обмена протекает с высокой скоростью и образованием частиц твердой фазы. Разбавление исходных реагентов и проведение реакции в высокоскоростном потоке способствует получению суспензии мелких частиц с высокой антиагломерирующей способностью. Недостатками этого способа является сложность дозирования исходных реагентов, что способствует превышению содержания в готовом продукте остатков стеарата калия (стеариновой кислоты), а также значительное количество сточных вод, содержащих ионы хлора. Повысить технологичность работы с антиагломератором в производстве синтетического каучука позволяет использование готового порошка стеарата кальция, доступного в настоящее время на рынке химических товаров. Ключевой стадией в этом случае является приготовление водной суспензии из порошка и диспергирование частиц непосредственно перед использованием на стадии дегазации.
В работе [2] показано, что эффективно воздействовать на дисперсность водных растворов свежеприготовленного стеарата кальция удается за счет циркуляции через трубчатый турбулентный аппарат диф-фузор-конфузорной конструкции [3].
Целью настоящей работы являлось изучение закономерностей гидродинамического воздействия на частицы водной суспензии стеарата кальция, приготовленной из сухого порошка. Интенсификация турбулентного смешения в этом случае достигается за счет прохождения суспензии через трубчатый турбулентный аппарат диффузор-конфузор-ной конструкции.
Водную суспензию стеарата кальция с массовой концентрацией 4.5 % готовили из порошка в присутствии эмульгатора (полиоксиэтиленовый эфир алкилфенола ОП-10) и силиконового масла (ПМС-200) при pH = 11 и температуре 80 ± 1 °С. Изучение закономерностей гидродинамического воздействия на частицы водной суспензии стеарата кальция проводили при сравнении двух методов синтеза. Метод 1. Исходные компоненты смешивали с водой в колбе при постоянном перемешивании механической мешалкой. Метод 2. На стадии приготовления водного раствора проводили кратковременное (в течение 2-3 с) гидродинамическое воздействие на частицы антиагломератора в трубчатом турбулентном аппарате диффузор-конфузор-ного типа [2]. После чего формирование суспензии осуществляли в условиях, аналогичных методу 1. Определение размеров частиц суспензии выполнено методом лазерной дифракции на приборе 8аИ-7101 (длина волны лазера 375 нм).
Водная суспензия стеарата кальция, приготовленная из порошка (метод 1), в начальный момент
* автор, ответственный за переписку
ISSN 1998-4812
Вестник Башкирского университета. 2011. Т. 16. №4
1153
(формирование в течение 10 минут) представлена частицами, распределение по размеру которых имеет бимодальный вид (рис. 1). На кривой распределения выделяются максимумы, соответствующие средним диаметрам 5.7 и 18 мкм. По мере перемешивания суспензии происходит снижение количества частиц крупной фракции со средним диаметром 18 мкм за счет увеличения доли мелких частиц с диаметром 5.7 мкм. При длительности приготовления суспензии свыше 2.5 часов распределение части по размерам практически мономодально.
Рис. 1. Распределение частиц суспензии стеарата кальция по диаметрам. Метод 1 - пунктирная линия, метод 2 -сплошная линия.
Однократная циркуляция суспензии через трубчатый турбулентный аппарат диффузор-конфузорной конструкции (метод 2) также способствует формированию бимодального распределения частиц по размерам. Однако в этом случае наряду с пиком в области 5.7 мкм формируется мелкодисперсная фракция с диаметром части порядка 2 мкм, которой не наблюдается в исходной суспензии. Отличительной особенностью изменения дисперсного состава частиц, подвергнутых однократному воздействию в трубчатом турбулентном аппарате, является последовательный переход фракции с диаметром 2 мкм в более крупную фракцию с диаметром 5.7 мкм.
Для количественной оценки динамики изменения содержания каждой фракции частиц суспензии выполнено разделение дифференциального распределения частиц по размерам на элементарные функции, соответствующие более узкому диапазону диаметров. Выбор аппроксимирующей функции с оптимальным набором параметров проведен по методу наименьших квадратов. Наиболее оптимальная аппроксимация каждого максимума достигается при использовании распределения Вейбулла:
\ к-1 / ,\к
где: d - диаметр частиц суспензии (мкм), X, k - параметры распределения. Отличительной особенностью этого распределения является его сводимость к экспоненциальному распределению, что дает возможность учесть характерный «шлейф» мелких частиц.
Вычисление площади соответствующего пика на кривой распределения частиц суспензии по размерам проводили путем численного интегрирования найденных аппроксимирующих функций по формуле Симпсона [4], с последующим нормированием найденных значений к единице. Очевидно, что площадь соответствующего пика 8 численно равна доле частиц суспензии с определенным диаметром (рис. 2).
F (d) =
k і d
Я{ я
ехр -
Ъ ч
Рис. 2. Изменение доли частиц суспензии стеарата кальция с наиболее вероятными диаметрами 5.7 мкм (1, 3), 18 мкм (2) и 2 мкм (4) от времени ее формирования. Метод 1 - пунктирная линия, метод 2 - сплошная линия.
При формировании суспензии по методу 2 доля частиц с наиболее вероятным диаметром 2 мкм снижается, при этом содержание частиц с диаметром 5.7 мкм постепенно приближается к величине, характерной для метода 1 (рис. 2).
Анализ изменения дисперсного состава в зависимости от длительности формирования суспензии и гидродинамического воздействия в трубчатом турбулентном аппарате диффузор-конфузорной конструкции свидетельствует о том, что наиболее устойчивые частицы в условиях медленного перемешивания представляют фракцию со средним диаметром 5.7 мкм. Несмотря на то, что гидродинамическое воздействие приводит к существенному дроблению частиц стеарата кальция и смещению кривой распределения в области малых размеров, дальнейшее формирование суспензии при медленном перемешивании сопровождается агрегацией частиц, с образованием фракции, наиболее вероятный диаметр которой оценивается в 5.7 мкм. Об этом свидетельствует изменение площади пиков при ё = 2 и 5.7 мкм (рис. 2).
Таким образом, показано, что в процессе приготовления водной суспензии антиагломератора
для синтетических каучуков из порошка стеарата кальция происходит диспергирование частиц, которое завершается за 2.5 часа с образованием фракции со средним диаметром 5.7 мкм. Интенсивное гидродинамическое воздействии на суспензию при ее однократной циркуляции через трубчатый турбулентный аппарат обеспечивает формирование фракции диаметром 2 мкм (до 80%). В процессе дальнейшего приготовления суспензии при медленном перемешивании наблюдается агрегация частиц. Полученные результаты позволяют разработать технологический способ приготовления ан-тиагломератора в производстве синтетических кау-чуков с гидродинамическим воздействием в турбулентном аппарате диффузор-конфузорной конст-
рукции на водную суспензию из порошкообразного товарного стеарата кальция.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Президента РФ МД-3178.2011.8 и рФфИ (проект № 11-03-97017).
ЛИТЕРАТУРА
1. Кирпичников П. А., Береснев В. В., Попова Л. М. Альбом технологических схем основных производств промышленности синтетического каучука. Л: Химия, 1986. 224 с.
2. Захаров В. П. Синтез антиагломератора для синтетических каучуков на основе стеарата кальция в трубчатых аппаратах // Журнал прикладной химии. 2006. Т. 79. .№11. С. 1865-1869.
3. Захаров В П., Берлин А. А., Монаков Ю. Б., Деберде-ев Р. Я. Физико-химические основы протекания быстрых жидкофазных процессов. М.: Наука, 2008. 348 с.
4. Поршнев С. В. Вычислительная математика. СПб.: БХВ-Петербург, 2004. 304 с.
Поступила в редакцию 25.04.2011 г.
