МНОГОКОМПОНЕНТНАЯ КАТАЛИТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА, СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ И СПОСОБ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ ИЗОПРЕНА С ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕМ
MULTICOMPONENT CATALYTIC SYSTEM, METHOD FOR ITS PRODUCTION AND METHOD FOR ISOPRENE POLYMERIZATION WITH ITS APPLICATION

Настоящее изобретение касается каталитической системы на основе соли редкоземельного элемента, специально приспособленной для 1,4-цис-стереоспецифической полимеризации изопрена, а также способа синтеза полиизопрена с высоким содержанием 1,4-цис-звеньев с применением этой каталитической системы.
Синтез полиизопрена с высоким содержанием 1,4-цис-звеньев в промышленном масштабе представляет собой исключительно важный вызов для шинной промышленности, так как эти полимеры, модифицированные или не модифицированные, обладают характеристиками, подобными характеристикам натурального каучука.
Цепная полимеризация с применением координационного катализа представляет собой химическую суть получения синтетических полиизопренов с высоким содержанием 1,4-цис-звеньев. Обычно используют многокомпонентную каталитическую систему на основе редкоземельного металла, содержащую, по меньшей мере:
- соль одного или нескольких редкоземельных металлов фосфорорганической кислоты или органической карбоновой кислоты,
- углеводородный растворитель, обычно, циклогексан или метилциклогексан,
- алкилирующий агент, обычно, представляющий собой триалкилалюминий или гидрид диалкилалюминия, и, возможно,
- сопряженный диеновый мономер для предварительного формования, в основном, бутадиен, и/или
- донор галогена.
Такие каталитические системы описаны, в частности, в международных заявках на изобретение WO 02/38635, WO 02/38636, WO 03/097708, WO 02/48218 A1, WO 2006133757 А1 и WO 2007045417 на имя фирмы-заявителя.
Чтобы снизить затраты на изготовление, кажется выгодным осуществлять полимеризацию изопрена в присутствии летучего алифатического углеводородного растворителя. Под таковым подразумевают алифатический углеводородный растворитель, температура кипения которого ниже 40°С при атмосферном давлении. В самом деле, в результате будут иметь промышленный способ, менее дорогой с точки зрения энергозатрат, так как удаление летучего растворителя на стадии выделения синтезированного полимера облегчается из-за его низкой температуры кипения.
В процессах, обычно непрерывных, используемых на промышленных установках, растворитель полимеризации обычно извлекают в конце синтеза и направляют его для повторного использования в начале процесса. В этом контексте, основным неудобством каталитических систем, обычно используемых для синтеза полиизопрена, является то, что их получают и растворяют в алифатическом углеводородном растворителе, содержащем по меньшей мере 6 атомов углерода, таком как циклогексан или метилциклогексан, как описано в документах WO 02/38635 или WO 02/48218 А1. Удаление таких растворителей, которые в продолжении документа мы будем назвать «тяжелыми», требует значительных температур экстракции, намного выше температуры кипения летучего растворителя полимеризации. Кроме того, согласно используемому промышленному способу и его конфигурации, использование каталитической системы, полученной в тяжелом растворителе, будет приводить к получению смеси тяжелого растворителя и легкого растворителя в способе, затем, обычно, к накоплению тяжелого растворителя, приносимого катализатором в летучий растворитель полимеризации. Следствием этого будет дорогая дополнительная стадия разделения летучего и тяжелого растворителей, чтобы иметь возможность продолжать осуществлять полимеризацию в летучем растворителе, согласно указанному выше преимуществу.
Использование бутадиена в качестве мономера для предварительного формования каталитической системы широко распространено, в том числе для синтеза полиизопрена, как это описано, в частности, в документах WO 02/38635 или WO 02/48218 А1. С точки зрения полимеризации изопрена в алифатическом углеводородном растворителе в промышленном масштабе, авторы изобретения показали, что предварительно сформованные каталитические системы на основе бутадиена, полученные согласно указанным выше патентным документам, нерастворимы в летучих растворителях, в частности, в летучих алканах, которые являются коммерчески наиболее доступными. Эта нерастворимость способствует обрастанию промышленных установок, используемых для получения многокомпонентных каталитических систем, а также линий нагнетания катализатора в реактор полимеризации, что приводит к дорогим последствиям, связанным с остановкой промышленной установки, чисткой и повторным запуском.
Таким образом, оказалось, что уменьшение издержек производства за счет применения летучего растворителя при полимеризации изопрена в промышленном масштабе не гарантировано. В самом деле, каталитические системы, обычно используемые для синтеза полиизопрена, не позволяют сохранить экономическую выгоду синтеза в летучем растворителе.
Объектом изобретения является разработка способа синтеза полиизопрена с высоким содержанием 1,4-цис-звеньев, улучшенного по сравнению с применяемыми классическими способами, в частности, с уменьшенными издержками производства, который будет пригоден для применения в промышленном масштабе.
Другим объектом настоящего изобретения является разработка каталитической системы, приспособленной, в частности, к такому способу синтеза, сохраняющей уровень стереоспецифичности для получения высокого содержания 1,4-цис-звеньев и каталитическую активность, по меньшей мере, эквивалентные каталитическим системам известного уровня техники.
Эти цели достигаются тем, что фирма-заявитель предложила новую многокомпонентную каталитическую систему на основе редкоземельного элемента, приспособленную для синтеза полиизопрена в летучем растворителе в промышленном масштабе. Изобретение позволяет таким образом предложить способ синтеза полиизопрена с высоким содержанием 1,4-цис-звеньев, обладающий экономическим преимуществом, которое обеспечивается применением летучего растворителя полимеризации. Применение новой каталитической системы в способе согласно изобретению позволяет избежать засорения промышленных установок для получения катализаторов и линий, используемых для инжектирования катализаторов в реактор полимеризации. Применение новой каталитической системы в способе согласно изобретению позволяет также снизить энергозатраты способа.
Особенность этой каталитической системы заключается в том, что ее получают в летучем растворителе, в котором она является полностью растворимой. Ее применение позволяет значительно уменьшить себестоимость производства, избегая согласно некоторым вариантам какой-либо дополнительной стадии очистки растворителя, повторно используемого в способе, а также энергетические затраты, так как нет необходимости избыточного потребления пара во время выделения полиизопрена. Кроме того, она позволяет сохранить высокую каталитическую активность, сохраняя при этом важнейшие характеристики синтезируемого диенового эластомера, в частности, высокую 1,4-цис-стереоспецифичность. Точнее, применение этой каталитической системы для полимеризации изопрена дает возможность синтеза, с каталитической активностью, по меньшей мере, эквивалентной активности, наблюдаемой с каталитическими системами известного уровня техники, полиизопренов, имеющих содержание 1,4-цис-звеньев по меньшей мере 96%.
Итак, первым объектом изобретения является многокомпонентная каталитическая система на основе, по меньшей мере:
- изопрена, в качестве мономера для предварительного формования,
- металлической соли одного или нескольких редкоземельных металлов фосфорорганической кислоты или карбоновой кислоты;
- инертного летучего углеводородного растворителя,
3
- алкилирующего агента, представляющего собой триалкилалюминий формулы AlR, в которой R обозначает алкильный радикал, содержащий, предпочтительно, от 1 до 10 атомов углерода,
- донора галогена, представляющего собой галогенид алкилалюминия;
причем эта каталитическая система содержит редкоземельный металл или редкоземельные металлы в концентрации, равной или больше 0,005 моль/л.
Другим объектом изобретения является способ получения указанной многокомпонентный каталитической системы.
Объектом изобретения является также способ синтеза полиизопрена с высоким содержанием 1,4-цис-звеньев полимеризацией в летучем растворителе, по меньшей мере, изопрена в присутствии указанной многокомпонентной каталитической системы.
Под выражением «на основе …», используемым для определения компонентов каталитической системы, подразумевают смесь этих компонентов или продукт реакции части и всей совокупности этих компонентов.
С другой стороны, любой интервал величин, обозначаемый выражением «между а и б» представляет собой область величин, изменяющихся в диапазоне от больше а до меньше б (то есть крайние значения а и б исключены), в то время как любой интервал величин, обозначаемый выражением «от а до б», обозначает область величин, изменяющихся от а до б (то есть, включающую крайние значения а и б).
Таким образом, первый предмет изобретения представляет собой многокомпонентную каталитическую систему на основе, по меньшей мере:
- изопрена, в качестве мономера для предварительного формования,
- металлической соли редкоземельного элемента фосфорорганической кислоты или металлической соли редкоземельного металла карбоновой кислоты;
- инертного углеводородного растворителя, насыщенного или ненасыщенного, температура кипения которого меньше 40°С при атмосферном давлении;
3
- алкилирующего агента, представляющего собой триалкилалюминий формулы AlR, в которой R обозначает алкильный радикал, содержащий, предпочтительно, от 1 до 10 атомов углерода, выбранный из триметилалюминия, триэтилалюминия, три-н-пропилалюминия, триизопропилалюминия, три-н-бутилалюминия, три-трет-бутилалюминия, три-н-пентилалюминия, три-н-гексилалюминия, три-н-октилалюминия, три-циклогексилалюминия, и
- донора галогена, представляющего собой галогенид алкилалюминия, алкильный радикал которого содержит, предпочтительно, от 1 до 8 атомов углерода;
причем эта каталитическая система содержит редкоземельный металл в концентрации, равной или больше 0,005 моль/л.
Итак, первым элементом, являющимся составной частью многокомпонентной каталитической системы согласно изобретению, является изопрен, в качестве мономера для предварительного формования.
Отмечают, что молярное отношение (изопрен для предварительного формования/соль редкоземельного элемента) может иметь величину, изменяющуюся в диапазоне от 5 до 100, предпочтительно, от 10 до 90, более предпочтительно, от 15 до 70 и даже от 25 до 50.
Вторым элементом, являющимся составной частью многокомпонентной каталитической системы согласно изобретению, является металлическая соль редкоземельного(ых) элемента(ов). Под редкоземельным металлом подразумевают любой элемент семейства лантанидов, или иттрий, или скандий. В качестве предпочтительного, редкоземельный элемент представляет собой элемент семейства лантанидов, более предпочтительно, неодим.
В качестве металлической соли редкоземельного элемента, используемой в этой каталитической системе, можно предпочтительно использовать:
- согласно первому варианту изобретения: соль редкоземельного элемента фосфорорганической кислоты, или
- согласно второму варианту изобретения: соль редкоземельного элемента карбоновой кислоты.
1
10
6
12
7
22
Когда соль редкоземельного элемента представляет собой соль редкоземельного элемента фосфорорганической кислоты, или органофосфат редкоземельного элемента, он может представлять собой сложный диэфир фосфорной кислоты общей формулы (R'О)(R''О)РО(ОН), в которой R' и R'', одинаковые или разные, представляют собой (C-С)алкил, насыщенный или ненасыщенный, (С-С)арил или (С-С)алкиларил. Среди этих сложных диэфиров фосфорной кислоты, R' и R'', одинаковые или разные, представляют собой, предпочтительно, радикал н-бутил, изобутил, н-пентил, изопентил, 2,2-диметилгексил, 1-этилгексил, 2-этилгексил, толил, олеил или линолеил. Среди этих органофосфатов бис(2-этилгексил)фосфат является предпочтительным.
В качестве соли можно также использовать смесь нескольких металлических солей редкоземельного(ых) элемента(ов) фосфорорганической кислоты.
В качестве металлической соли редкоземельного(ых) элемента(ов) фосфорорганической кислоты, используемой согласно изобретению, в качестве предпочтительной можно назвать трис[бис(2-этилгексил)фосфат]неодима.
Соль редкоземельного(ых) элемента(ов) фосфорорганической кислоты может, согласно одному варианту, быть использована в форме раствора в алифатическом или циклоалифатическом углеводородном растворителе, предпочтительно, идентичном растворителю каталитической системы. В качестве соли редкоземельного(ых) элемента(ов) фосфорорганической кислоты можно, например, использовать органофосфат редкоземельного элемента, коммерчески доступный или синтезированный согласно изобретению, описанному в международной заявке WO 2009083480 А1. Согласно предпочтительному осуществлению этого варианта изобретения, раствор соли редкоземельного(ых) элемента(ов) фосфорорганической кислоты содержит, кроме фосфорорганической кислоты, оставшейся после получения соли, органическую или минеральную кислоту с рКа при 25°С меньше 2,5, такую как описанную в заявке на патент фирмы-заявителя WO 10/133608.
Когда металлическая соль редкоземельного элемента представляет собой карбоксилат, это может быть карбоксилат алифатической карбоновой кислоты, линейной или разветвленной, содержащей от 6 до 20 атомов углерода в линейной цепи, или ароматических карбоновых кислот, содержащих одно или несколько ароматических колец, замещенных или не замещенных. В качестве примера можно назвать неодеканоат (версатат), 2-этилгексаноат, октоат, гексаноат, линейные или разветвленные, или нафтенаты. Замещенные или не замещенные. Среди карбоксилатов, 2-этилгексаноат и неодеканоат являются предпочтительными.
Равным образом, в качестве соли можно также использовать смесь нескольких металлических солей редкоземельного(ых) металла(ов) карбоновой кислоты.
В качестве металлических солей редкоземельного металла карбоновой кислоты, используемых в каталитической системе согласно изобретению, можно назвать, в качестве предпочтительных, органокарбоксилаты неодима, предпочтительно, трис[2-этилгексаноат]неодима или трис[версатат]неодима.
Согласно предпочтительному варианту изобретения, металлическая соль редкоземельного элемента представляет собой редкоземельный элемент фосфорорганической кислоты, или органофосфат редкоземельного элемента. В самом деле, согласно этому варианту, можно достигнуть высокой каталитической активности, используя более низкие содержания алкилирующего агента, чем с карбоксилатом редкоземельного элемента, или начиная с низких отношений (алкилирующий агент/соль редкоземельного(ых) элемента(ов)), самое большее, 30, даже, самое большее, 15 и даже, самое большее, 10, предпочтительно, от 4 до 10. Это низкое потребление алкилирующего агента вносит свой вклад в уменьшение затрат при применении изобретения.
Соль редкоземельного(ых) элемента(ов) может быть получена самим по себе известным способом.
Каталитическая система согласно изобретению содержит редкоземельный металл в концентрации, равной или больше 0,005 моль/л. Предпочтительно, концентрация редкоземельного металла в каталитической системе имеет величину, изменяющуюся в интервале от 0,010 моль/л до 0,1 моль/л, более предпочтительно, изменяющуюся в интервале от 0,02 моль/л до 0,08 моль/л.
5
5
Другим составляющим элементом каталитической системы согласно изобретению является инертный углеводородный растворитель, насыщенный или ненасыщенный, температура кипения которого меньше 40°С при атмосферном давлении. Особенно подходящими являются легкие алифатические или алициклические углеводородные растворители, содержащие, самое большее, пять атомов углерода. В этом качестве, можно назвать легкие С-алканы, такие как н-пентан, 2-метилбутан, 2,2-диметилпропан или смесь этих растворителей. Можно также назвать другие С-углеводородные растворители, инертные, ненасыщенные, алифатического типа, такие как 1-пентен, 2-пентен, 2-метил-1-бутен, 3-метил-1-бутен, 2-метил-2-бутен или смесь этих растворителей.
В качестве предпочтительного, инертным углеводородным растворителем, температура кипения которого меньше 40°С при атмосферном давлении, является алкан, более предпочтительно, н-пентан. В самом деле, алканы являются коммерчески легко доступными, гарантируя, таким образом, постоянство качества и состава растворителя, а также низкую себестоимость.
Согласно особенно выгодному осуществлению изобретения, растворитель каталитической системы идентичен летучему растворителю полимеризации. В самом деле, это осуществление позволяет уменьшить затраты производства, так как оно не нуждается в дополнительной дорогостоящей стадии разделения растворителей и уменьшает число устройств для хранения. Согласно этому варианту, растворитель, имеющий температуру кипения меньше 40°С, позволяет осуществить энергетически менее затратный промышленный способ, так как удаление летучего растворителя, как только полиизопрен синтезирован, облегчается его низкой температурой кипения.
1
10
Другим составляющим элементом многокомпоненнтой каталитической системы согласно изобретению является алкилирующий агент. Этот алкилирующий агент представляет собой триалкилалюминий, алкильный радикал которого представляет собой (C-C)алкил. Таким образом, согласно изобретению, алкилирующий агент выбирают из триметилалюминия, триэтилалюминия, три-н-пропилалюминия, триизопропилалюминия, три-н-бутилалюминия, три-трет-бутилалюминия, три-н-пентилалюминия, три-н-гексилалюминия, три-н-октилалюминия, трициклогексилалюминия.
Согласно изобретению, выбор этих алкилирующих агентов дает возможность располагать каталитической системой в форме гомогенного и прозрачного раствора. Отсутствие нерастворимых частиц сильно способствует уменьшению затрат, минимизируя, и даже подавляя вклад каталитической системы в образование осадков в установке и ее забивание. В самом деле, использование в непрерывном способе мутного катализатора приводит со временем к засорению трубопровода для ввода каталитической системы и производственной установки, и, в конце концов, к закупорке некоторых трубопроводов или к нарушению работы некоторых устройств, таких как устройства контроля расхода, фильтры, клапаны, вентили и другие насосы. Повторяющийся проход негомогенного вещества может приводить к засорению этих устройств и к закупорке некоторых трубопроводов и, в конце концов, к остановке производственной линии, которые обычно влекут за собой увеличение издержек производства при осуществлении непрерывного способа.
Было показано, что триизобутилалюминий не способствует достижению целей уменьшения стоимости изобретения, и, следовательно, он исключен из алкилирующих агентов.
Согласно предпочтительному способу осуществления, алкилирующий агент представляет собой триоктилалюминий.
Согласно изобретению, отмечают, что молярное отношение (алкилирующий агент/соль редкоземельного(ых) элемента(ов)) в указанной каталитической системе, предпочтительно, имеет величину, изменяющуюся в интервале от 2 до 50, предпочтительно, от 3 до 30, более предпочтительно, от 4 до 15.
Последним составляющим элементом многокомпонентной каталитической системы согласно изобретению является донор галогена. Среди этих веществ можно назвать галогены алкилалюминия. В этом качестве можно назвать моногалогениды и дигалогениды алкилалюминия и их смеси, в частности, хлорид диэтилалюминия, бромид диэтилалюминия и дихлорид этилалюминия. Предпочитают, в частности, хлорид диэтилалюминия.
Соответственно способу согласно изобретению, отмечают, что молярное отношение (донор галогена/соль редкоземельного(ых) элемента(ов)) может иметь величину, изменяющуюся в интервале от 0,5 до 5, предпочтительно, от 2 до 3,8, более предпочтительно, от 2,5 до 3,2.
Способы осуществления изобретения представляют собой комбинации различных аспектов, описанных выше, в частности, комбинации предпочтительных аспектов. Итак, способом осуществления изобретения является многокомпонентная каталитическая система, такая как определенная выше, которая удовлетворяет, по меньшей мере, одному из четырех следующих условий:
- соль редкоземельного(ых) элемента(ов) представляет собой органофосфат неодима, предпочтительно, трис[бис(2-этилгексил)фосфат]неодима;
- инертный углеводородный растворитель представляет собой алкан, предпочтительно, н-пентан;
- алкилирующий агент представляет собой триоктилалюминий; и
- донор галогена представляет собой галогенид алкилалюминия, предпочтительно, хлорид диэтилалюминия.
Другим объектом изобретения является получение каталитической системы, описанной выше. Каталитическая система согласно изобретению может быть предварительно сформована до указанной реакции полимеризации, то есть контактированием всей совокупности различных компонентов каталитической системы между собой, в том числе изопрена для предварительного формования, в одну или несколько стадий, в течение заданного времени, обычно, находящегося в интервале от 0 до 120 минут при температуре, изменяющейся в интервале от 10°С до 80°С, затем, одновременно или последовательно, предварительным формованием каталитической системы в течение времени, находящегося в интервале от 0 до 120 минут при температуре, изменяющейся в интервале от 10°С до 80°С. Под предварительным формованием подразумевают галогенирование добавлением донора галогена и созревание каталитической системы. Затем, полученную каталитическую систему приводят в контакт с полимеризуемым изопреном в летучем растворителе.
Предварительно сформованная каталитическая система согласно изобретению может быть получена прерывистым образом. Равным образом, она может быть получена непрерывно, согласно способу, описанному в международной заявке на изобретение WO-A-2007/045417.
Согласно одному варианту изобретения, получение каталитической системы включает в себя стадию алкилирования, или стадию алкилирования соли редкоземельного(ых) элемента(ов), в присутствии или в отсутствие изопрена для предварительного формования, перед приведением в контакт с донором галогена, стадия галогенирования. Стадия алкилирования протекает при контролируемой температуре, изменяющейся в интервале от 25°С до 80°С, предпочтительно, от 25°С до 35°С в течение минимального характеристического времени по меньшей мере 5 мин, которое, предпочтительно, изменяется в интервале от 10 до 60 мин, предпочтительно, от 10 до 20 мин.
Этот вариант является особенно предпочтительным при непрерывном получении каталитической системы, согласно которому стадию алкилирования осуществляют в реакторе алкилирования, предусмотренном для этой цели. Для осуществления этого варианта алкилирующий агент выбирают, предпочтительно, из триметилалюминия, триэтилалюминия, три-н-пропилалюминия, триизопропилалюминия, три-н-бутилалюминия, три-трет-бутилалюминия, три-н-пентилалюминия, три-н-гексилалюминия, три-н-октилалюминия, трициклогексилалюминия, предпочтительно, три-н-октилалюминия. Таким образом, характер раствора перед галогенированием каталитической системы позволяет избежать любого явления засорения реактора алкилирования и нагнетающего трубопровода в реакторе галогенирования, неисправимого, в частности, в непрерывном процессе.
Согласно первому порядку добавления компонентов предварительно сформованной каталитической системы согласно изобретению, их добавляют следующим образом: на первой стадии добавляют в растворитель каталитической системы согласно изобретению алкилирующий агент, типа триалкилалюминия; на второй стадии затем добавляют соль редкоземельного(ых) элемента(ов); затем, на третьей стадии, добавляют изопрен для предварительного формования и на последней стадии добавляют донор галогена.
Согласно второму порядку добавления компонентов предварительно формируемой каталитической системы согласно изобретению, их добавляют следующим образом: на первой стадии добавляют в растворитель каталитической системы соль редкоземельного(ых) элемента(ов)/ на второй стадии добавляют алкилирующий агент, типа триалкилалюминия; затем, на третьей стадии, добавляют изопрен для предварительного формования и на последней стадии - вещество, являющееся донором галогена.
Согласно другому порядку добавления компонентов предварительно формируемой каталитической системы согласно изобретению, их добавляют следующим образом: на первой стадии добавляют соль редкоземельного(ых) элемента(ов) в растворитель каталитической системы, на второй стадии добавляют изопрен для предварительного формования; затем, на третьей стадии, добавляют алкилирующий агент, типа триалкилалюминия, и на последней стадии - вещество, являющееся донором галогена.
В качестве примера, изопрен для предварительного формования, раствор соли редкоземельного элемента и алкилирующий агент приводят в контакт в растворителе каталитической системы при 30°С в течение 15 минут, затем к предыдущим компонентам добавляют донор галогена и контактируют при 60°С в течение 50 минут, затем полученный раствор каталитической системы добавляют к полимеризуемому мономеру, растворенному в летучем растворителе полимеризации.
Другим объектом изобретения является способ получения полиизопрена с высоким содержанием 1,4-цис-звеньев с применением каталитической системы, описанной выше.
Этот способ согласно изобретению заключается во введении в реакцию в присутствии каталитической системы, описанной выше, полимеризуемого(ых) мономера или мономеров с получением полиизопрена, который может представлять собой любой гомополимер или сополимер, полученный гомополимеризацией изопрена или сополимеризацией изопрена с по меньшей мере одним другим сопряженным диеновым мономером, содержащим от 4 до 12 атомов углерода. В качестве сопряженного диенового мономера подходит, в частности, 1,3-бутадиен. Предпочтительно, указанный полиизопрен выбирают в группе, образованной синтетическими полиизопренами (СИ) (IR) и сополимерами бутадиена с изопреном (БИС) (BIR).
Полиизопрены, синтезированные согласно изобретению имеют, в изопреновой части, высокое молярное содержание 1,4-цис-звеньев, больше 96%, которое может достигать значений больше 97% с молярным содержанием 1,4-транс-звеньев меньше 1,6%.
Полимеризация может быть осуществлена самим по себе известным способом, непрерывно или периодически. Обычно, полимеризацию осуществляют при температурах, находящихся в интервале от 30°С до 100°С, предпочтительно, от 0°С до 100°С. Температура может поддерживаться постоянной в течение всего процесса, или может быть переменной, сообразно намеченным характеристикам синтезируемого эластомера.
Процесс полимеризации может быть осуществлен в растворе, в более или менее концентрированной или в разбавленной среде. Можно также рассматривать применение каталитической системы согласно изобретению для полимеризации в массе изопрена, или в отсутствие растворителя полимеризации.
С целью снижения энергозатрат промышленного способа получения полиизопрена, когда полимеризация осуществляется в растворе, полимеризацию осуществляют в присутствии инертного летучего углеводородного растворителя, то есть имеющего температуру кипения меньше 40°С, который может представлять собой, например, алифатический или алициклический углеводород, содержащий самое большее 5 атомов углерода. В самом деле, стадия выделения синтезированного полимера облегчается его низкой температурой кипения. В этом качестве, можно назвать легкие С5-алканы, такие как н-пентан, 2-метилбутан, 2,2-диметилпропан, или смеси этих растворителей. Можно также назвать другие инертные С5-углеводородные растворители, ненасыщенные, алифатического типа, такие как 1-пентен, 2-пентен, 2-метилбут-1-ен, 3-метилбут-1-ен, 2-метилбут-2-ен или смесь этих растворителей. В качестве растворителя полимеризации предпочитают использовать алкан, более предпочтительно, н-пентан.
Особенно выгодно, когда растворитель полимеризации идентичен растворителю каталитической системы по причинам снижения затрат, указанным выше, по отношению к растворителю каталитической системы.
Согласно варианту, особенно выгодному для промышленного применения, процесс полимеризации изопрена проводят непрерывно в очень концентрированной среде (в массе и полумассе). Говорят о полимеризации в очень концентрированной среде, когда количество растворителя составляет от 0% до 70% по отношению к общей массе мономера(ов) и растворителя. Количество растворителя может быть, например, по меньшей мере 10% масс., даже по меньшей мере 30% масс. и самое большее 60% масс., даже самое большее 55% масс. от общей массы мономера(ов) и растворителя.
Согласно этому варианту, полимеризацию проводят до достижения степени конверсии по меньшей мере 60% в пределах первой трети реакционного объема реактора полимеризации, рассчитанного таким образом, что стандартное отклонение функции распределения времени пребывания в указанном реакторе будет больше среднего времени пребывания, деленного на 2√3. Среду полимеризации перемешивают за счет непрерывного движения по меньшей мере одного перемешивающего движущегося тела вокруг оси вращения.
Эта предельная степень конверсии 60%, связанная со специфической характеристикой функции распределения времени пребывания, является, в рамках этого варианта непрерывной полимеризации изопрена в очень концентрированной среде, необходимой для того, чтобы ослабить образование пены и устранить явление вспучивания реакционной среды. В самом деле, ниже 60% и без удовлетворения условия относительно функции распределения времени пребывания согласно изобретению, наблюдают образование пузырьков, которое быстро приводит к неконтролируемому вспучиванию реакционной среды. Чтобы достигнуть этой необходимой степени конверсии по меньшей мере 60%, специалисты в данной области располагают множеством рычагов или технических средств, которые можно заставить изменяться во множестве комбинаций. Среди этих различных технических рычагов можно назвать температуру реакции, концентрацию мономера в реакционной среде, концентрацию катализатора или инициатора полимеризации в реакционной среде, среднее время пребывания …. Средства осуществления для достижения по меньшей мере 60%-ной конверсии в пределах первой трети реакционного объема реактора полимеризации доступны специалистам в данной области. Простая инструкция для достижения минимального предела конверсии, в данном случае, по меньшей мере, 60% в пределах первой трети реакционного объема реактора полимеризации, заключается в определении комбинаций средств, которые должны быть применены для осуществления этой инструкции.
i
r
Степень конверсии может быть определена различными способами, известными специалистам в данной области. Например, степень конверсии может быть определена, исходя из измерения, проведенного на образце, отобранном в пределах первой трети реакционного объема реактора полимеризации, например, методом газовой хроматографии (ГХ) (CPG). Измеряют концентрацию остаточного(ых) мономера(ов) (неконвертированного(ых)) в образце. По разности между концентрацией мономера или мономеров, введенного(ых) в реактор полимеризации (C) и концентрацией остаточного(ых) мономера(ов) в отобранном образце (C), определяют степень конверсии в массовых процентах как:
где:
Х% масс.: степень конверсии в массовых процентах;
i
C: концентрация мономера или мономеров, введенных в реактор полимеризации;
r
C: концентрация остаточного мономера или остаточных мономеров, измеренная в отобранном образце.
Предпочтительно, эта степень конверсии в первой трети реактора полимеризации составляет по меньшей мере 70%, более предпочтительно, от 80% до 100% при увеличенной производительности.
Другая характеристика, необходимая для этого выгодного варианта, касается условий течения в реакторе во время реакции полимеризации. Описание этих течений функцией распределения времени пребывания таково, что стандартное отклонение функции распределения времени пребывания больше среднего времени пребывания, деленного на 2√3. В частности, стандартное отклонение функции распределения времени пребывания больше среднего времени пребывания, деленного на 2. Функция распределения времени пребывания в реакторе полимеризации может быть определена способом, самим по себе известным специалистам в данной области. Например, она может быть определена моделированием экспериментальных точек, полученных измерением методом газовой хроматографии изменений концентрации индикатора на выходе из реактора, вслед за очень быстрым введением этого индикатора, согласно импульсному способу введения инертного химического продукта соответственно принципу, описанному в книге Jacques Villermaux, Genie de la reaction chimique: conception et fonctionnement des reacteurs. Editors.1993, TEC & DOC - LAVOISIER, Page 170-172. Комбинация этих двух, характеристики конверсии и течения, позволяет иметь в своем распоряжении способ синтеза, в очень концентрированной среде, возможно, в присутствии летучего растворителя и непрерывный, полиизопрена, обладающий увеличенной производительностью и замечательной гибкостью, благодаря отсутствию вспучивания.
Всегда, согласно этому выгодному варианту, реактор полимеризации снабжен газовой фазой и оборудован по меньшей мере одним перемешивающим движущимся средством и устройством для выгрузки. Перемешивающее средство обеспечивает непрерывное перемешивание реакционной среды. Оно может быть переменной формы и приспособлено к технологии реактора. В продаже может быть найдено множество типов таких средств. В качестве примера, перемешивающее средство может представлять собой лопасть сигма-типа (или Z-образной формы), или лопасть другого типа, такого как описанного в книге David В. Todd, Mixing of Highly Viscous Fluids, Polymers, and Pastes, in Handbook of Industrial Mixing: Science and Practice, E.L. Paul, V.A. Ateimo-Obeng, and S.M. Kresta, Editors. 2004, John Wiley and Sons. Page 998, Page 1021.
Согласно предпочтительным конфигурациям, реактор полимеризации по технологии представляет собой, в частности, смеситель с Z-образными рычагами. Под технологией смесителя с Z-образными рычагами подразумевают, в частности, смеситель или мешалку, образованную резервуаром, снабженным двумя Z-образными рычагами, каждый из которых независимо, или не независимо, приводится в движение вокруг оси вращения, предпочтительно, горизонтальной. Оба Z-образных рычага в таком случае, предпочтительно, приводятся во вращение в противоположных направлениях таким образом, чтобы подкачивать устройство для опорожнения в днище резервуара.
В качестве примера, этот реактор согласно изобретению поставляется в продажу под различными наименованиями, такими как:
- смесители с лопастями сигма-типа с разгрузочным шнеком, или на английском «sigma blades mixer-discharge screw type», поставляемые в продажу фирмой Battagion SPA,
- смесители-экструдеры или на английском "extrusion-kneader", поставляемые в продажу фирмой Aachener Misch- und Knetmaschinenfabrik Peter Kupper GmbH & Co. KG,
- двойные Z-образные смесители с экструзионным шнеком или на английском "double-z-kneader with extrusion screw", поставляемые в продажу фирмой Hermann Linden Maschinenfabrik GmbH & Co. KG.,
- экструзионные смесители или на английском "mixer extruders", поставляемые в продажу фирмой Aaron Process Equipment Company.
Реактор полимеризации снабжен газовой фазой, дающей возможность удаления тепла полимеризации за счет испарения части реакционной среды. Объемное отношение газовой фазы к реакционной среде зависит от типа используемого реактора и его определение доступно специалистам в данной области. Реактор полимеризации снабжен также разгрузочным устройством, полностью или частично интегрированным в реактор полимеризации, таким как устройство для извлечения с зубчатой передачей или винтового типа, расположенное в днище или на боковой поверхности реактора.
По окончании стадии непрерывной полимеризации процесс может быть продолжен самим по себе известным способом.
Согласно одному способу осуществления изобретения, непрерывный способ полимеризации включает в себя стадии непрерывного способа получения каталитической системы, в частности, такого как описанный в патентном документе WO-A-2007/045417 во всех его аспектах, предпочтительных или не предпочтительных, в частности, стадию алкилирования перед галогенированием и состариванием.
Согласно другим вариантам осуществления способа каталитической полимеризации согласно изобретению, можно вводить в реактор полимеризации,
3
2
n
3-n
независимо от введения каталитической системы, используемой для реакции полимеризации, заданное дополнительное количество по меньшей мере одного соединения алкилалюминия формул AlR или HAlR или R''AlR', в которых R, R' и R'' обозначают алкильную группу, содержащую от 1 до 20 атомов углерода, насыщенную или ненасыщенную, предпочтительно, от одного до двенадцати атомов углерода, n - целое число от 1 до 3 включительно и Н обозначает атом водорода. Такие варианты описаны, в частности, в документах WO 2006133757, ЕР 1845118, WO 10/069511, WO 10/069805. Введение осуществляют в реактор полимеризации, когда он действует в периодическом режиме, или в установку полимеризации, когда она функционирует непрерывно, сдвинутым по времени по отношению к каталитической системе, используемой для реакции полимеризации, то есть, не в то же самое время и, следовательно, либо перед, либо после, либо частично перед и частично после по отношению к введению каталитической системы, используемой для инициирования реакции полимеризации.
Согласно выгодному осуществлению этого варианта способа полимеризации, алкилалюминиевое соединение отличается от триалкилалюминиевого соединения, используемого для получения каталитической системы.
Согласно другому осуществлению этого варианта способа полимеризации, алкилалюминиевое соединение идентично триалкилалюминиевому соединению, используемому для получения каталитической системы.
В качестве алкилалюминиевого соединения можно назвать такие алкилалюминиевые соединения, как:
- триалкилалюминиевые соединения, такие как, например, триметилалюминий, триэтилалюминий, три-н-пропилалюминий, триизопропилалюминий, три-н-бутилалюминий, три-трет-бутилалюминий, триизобутилалюминий, три-н-пентилалюминий, три-н-гексилалюминий, трициклогексилалюминий, предпочтительно, триизобутилалюминий или
- гидриды диалкилалюминия, такие как, например, гидрид диэтилалюминия, гидрид диизопропилалюминия, гидрид ди-н-пропилалюминия, гидрид диизобутилалюминия, гидрид ди-н-октилалюминия, гидрид ди-н-бутилалюминия, предпочтительно, гидрид диизобутилалюминия.
Благоприятно, молярное отношение (соединение диалкилалюминия, добавляемое со сдвигом по времени) триалкилалюминий в каталитической системе) изменяется от 1/20 до 50/1, предпочтительно, изменяется от 1/15 до 30/1, более предпочтительно, от 1/10 до 20/1.
Отмечают, что добавление алкилалюминия перед полимеризацией позволяет избавиться от флуктуаций во времени примесей, обязанных растворителям и мономерам, инжектируемым на входе линии, и не наносит вреда, из-за этих флуктуаций, активности каталитической системы. Этот вариант осуществления изобретения позволяет таким образом минимизировать дисперсию характеристик полученного эластомера. Согласно некоторым способам осуществления, количество указанного алкилалюминиевого соединения, предварительно вводимого в контакт с полимеризуемым(и) мономером(ами), по меньшей мере изопреном, изменяется в диапазоне от 10 до 5000 микромолей на 100 г полимеризуемого(ых) мономера(ов), в зависимости от количества примесей, присутствующих в среде полимеризации, таких как примеси, происходящие из рециркулируемых растворителей.
Считают, что комбинация добавления алкилалюминиевого соединения перед полимеризацией и непрерывного варианта осуществления способа синтеза полиизопрена в очень концентрированной среде, описанного выше, представляет собой особенно выгодный вариант промышленного осуществления непрерывного способа.
Этот особенно выгодный вариант может быть скомбинирован с совокупностью вариантов и способов осуществления, предпочтительных или нет, описанных выше в связи с составом и получением каталитической системы.
Выгодно и в сравнении со способом, применяющим каталитическую систему, такую, как описанная, например, в документах WO-A-02/38636, WO-A-03/097708 и WO-A-2007045417, способ согласно изобретению позволяет получить с эквивалентной каталитической активностью полиизопрен, отличающийся высоким содержанием 1,4-цис-звеньев, все еще сохраняя преимущества полимеризации в летучем растворителе.
Этот эластомер может, например, представлять собой полиизопрен (СИ) или сополимер бутадиена и изопрена (БИС).
Отмечают, что каталитические системы, используемые в способе согласно изобретению, позволяют, в частности, получать гомополимеры изопрена (СИ) с содержанием 1,4-цис-звеньев (измерено количественным определением методом ИК-спектроскопии в ближней ИК-области БИК (NIR), объяснено ниже), которое составляет больше 96, и даже по меньшей мере 97%, что может быть квалифицировано, как высокое содержание 1,4-цис-звеньев.
Характеристики настоящего изобретения, указанные выше, а также другие, станут более понятны при чтении следующего описания нескольких примеров осуществления изобретения, приведенных для иллюстрации и неограничивающих объем патентной охраны изобретения.
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ
Определение микроструктуры полученных полиизопренов
13
Использовали методику количественного определения, называемую «ближней инфракрасной» (БИК). Данная методика представляет собой косвенный метод, прибегающий к «контрольным» эластомерам, микроструктура которых была исследована методом ЯМР С. Использовали количественное соотношение (закон Ламберта-Бера), существующее между распределением мономеров в эластомере и формой его спектра в БИК. Эту методику осуществляли в две стадии:
1) Калибровка:
- приступали к регистрации соответствующих спектров «контрольных» эластомеров.
- Устанавливали математическую модель, связывающую микроструктуру с данным спектром, и это при помощи метода PLS-регрессии (Partial Least Squares), основанного на факториальном анализе спектральных данных. Два следующих документа углубленно излагают теорию и применение этого метода анализа данных со «многими переменными»:
P. GELADI et B.R. KOWALSKI
"Partial Least Squares regression: a tutorial", Analytica Chimica Acta, vol. 185, 1-17 (1986).
M. TENENHAUS
"La regression PLS - Theorie et pratique"
Paris, Editions Technip (1998).
2) Измерение:
- приступали к регистрации спектра образца.
- Осуществляли расчет микроструктуры.
Определение молекулярно-массового распределения полученных полиизопренов методом гель-проникающей хроматографии (ГПХ) (SEC)
а) Принцип измерения:
гель-проникающая хроматография или ГПХ (size exclusion chromatography) позволяет разделять макромолекулы в растворе по их размеру, пропуская раствор через колонки, заполненные пористым гелем. Макромолекулы разделяются по их гидродинамическому объему, при этом наиболее объемные молекулы элюируются первыми.
n
w
w
n
Не являясь абсолютным методом, ГПХ позволяет постичь молекулярно-массовое распределение полимера. Исходя из эталонных коммерческих продуктов, могут быть определены различные среднечисленные (M) и среднемассовые (M) молекулярные массы и вычислен коэффициент полимолекулярности (Ip=M/M), рассчитанный по калибровке, называемой MOORE.
b) Получение полимера:
не требуется специальной обработки образца полимера перед анализом. Его просто растворяли в тетрагидрофуране в концентрации приблизительно 1 г/л.
c) Анализ методом ГПХ
Случай c1) Используемый прибор представлял собой хроматографическую цепочку «WATERS alliance». Элюирующим растворителем являлся тетрагидрофуран, расход 1 мл/мин, температура системы 35°С и продолжительность анализа - 30 мин. Использовали комплект из двух колонок WATERS с коммерческим названием «STYRAGEL НТ6Е».
Инжектируемый объем раствора образца полимера составлял 100 мкл. Детектором являлся дифференциальный рефрактометр «WATERS 2140», программным средством для обработки хроматографических данных являлась система «WATERS MILLENIUM».
Случай с2) Используемый прибор представлял собой хроматограф «WATERS alliance». Элюирующим растворителем являлся тетрагидрофуран, расход 0,7 мл/мин, температура системы 35°С и продолжительность анализа - 90 мин. Использовали комплект из четырех последовательно соединенных колонок WATERS с коммерческими названиями «STYRAGEL HMW7», «STYRAGEL HMW6E» и две колонки «STYRAGEL НТ6Е».
Инжектируемый объем раствора образца полимера составлял 100 мкл. Детектором являлся дифференциальный рефрактометр «WATERS модели R132X», программным средством для обработки хроматографических данных являлась система «WATERS MILLENIUM».
Определение характеристической вязкости
хар
Характеристическую вязкость η измеряли при 25°С при концентрации 0,1 г/дл в толуоле, и она характеризовала макроструктуру эластомера
Вязкость вычисляли по формуле
1
2
в которой η - характеристическая вязкость (дл/г) С - концентрация полимера в толуоле (г/дл), T - время истечения раствора полимера (сотая минуты) и Т - время истечения толуола (сотая минуты).
ПРИМЕРЫ
Определения сокращений, использованных в тексте
Nd = неодим
Bd = бутадиен
Isop = изопрен
МСН = метилциклогексан
HDiBa = гидрид диизобутилалюминия
ТОА = триоктилалюминий
CDEA = хлорид диэтилалюминия
TiBA = триизобутилалюминий
Синтез дискретных «контрольных» катализаторов, полученных в «тяжелом» растворителе
Контрольный катализатор представляет собой систему Nd/Bd/HDiBA/CDEA согласно изобретению WO-A-02/38636 на имя фирмы-заявителя. С целью получения этого контрольного катализатора соль фосфат неодима в порошкообразном состоянии вводили в склянку "Steinie", предварительно вымытую и высушенную. Затем эту склянку закрывали при помощи каучуковой перегородки и перфорированной капсулы. Затем соль подвергали барботированию азотом в течение 10 мин с целью придания реакционной среде инертности. Затем осуществляли следующие последовательные стадии:
Первая стадия сольватации
Растворитель, представляющий собой МСН, предварительно перегнанный, очищенный на оксидах алюминия и барботированный азотом, вводили в склянку "Steinie". С целью формирования геля, продолжительность и температура контактирования этого растворителя с солью неодима составляли 10 ч при комнатной температуре.
Вторая стадия добавления мономера
Затем в склянку "Steinie" при комнатной температуре вводили бутадиен, предварительно очищенный на оксидах алюминия и барботированный азотом. Этот мономер будет служить для предварительного формования катализатора во время стадии старения.
Третья стадия алкилирования
Затем в склянку "Steinie" в качестве алкилирующего агента соли неодима вводили HDiBa в растворе в МСН в концентрации приблизительно 1 моль/л. Продолжительность алкилирования составляла 15 мин. Температура реакции алкилирования была равна 30°С.
Четвертая стадия галогенирования
Затем в склянку "Steinie" в качестве донора галогена вводили CDEA в растворе в МСН в концентрации приблизительно 0,5 моль/л. Температуру реакционной среды поддерживали равной 60°С.
Пятая стадия старения
Полученную таким образом смесь состаривали, поддерживая температуру 60°С в течение 50 мин.
Полученный каталитический раствор в конце концов хранили в атмосфере азота при температуре, находящейся в интервале от -15°С до -5°С.
Катализаторы характеризуются их каталитической формулой, которая дается в форме Nd/Мономер/Алкилирующий агент/Галогенирующий агент в молярных отношениях, индексированных по отношению к соли неодима. В примерах, их концентрация по неодиму составляла 0,02 моль/л.
Синтез дискретных катализаторов согласно изобретению, полученных в летучем растворителе
Катализаторы согласно изобретению отвечали формуле Nd/Isop/TOA/CDEA и были растворены в н-пентане.
С целью получения этого катализатора соль фосфат неодима в порошкообразном состоянии вводили в склянку "Steinie", предварительно вымытую и высушенную. Затем эту склянку закрывали при помощи каучуковой перегородки и перфорированной капсулы. Затем соль подвергали барботированию азотом в течение 10 мин с целью придания реакционной среде инертности. Затем осуществляли следующие последовательные стадии:
Первая стадия сольватации
Растворитель, представляющий собой н-пентан, предварительно очищенный на оксидах алюминия и барботированный азотом, вводили в склянку "Steinie". С целью формирования геля, продолжительность и температура контактирования этого растворителя с солью неодима составляли 10 ч при комнатной температуре.
Вторая стадия добавления мономера
Затем в склянку "Steinie" при комнатной температуре вводили изопрен, предварительно очищенный на оксидах алюминия и барботированный азотом. Этот мономер будет служить для предварительного формования катализатора во время стадии старения.
Третья стадия алкилирования
Затем в склянку "Steinie" в качестве алкилирующего агента соли неодима вводили ТОА в растворе в н-пентане в концентрации приблизительно 1 моль/л. Продолжительность алкилирования составляла 15 мин. Температура реакции алкилирования была равна 30°С.
Четвертая стадия галогенирования
Затем в склянку "Steinie" в качестве донора галогена вводили CDEA в растворе в н-пентане в концентрации приблизительно 0,5 моль/л. Температуру реакционной среды поддерживали равной 60°С.
Пятая стадия старения
Полученную таким образом смесь состаривали, поддерживая температуру 60°С в течение 50 мин.
Полученный каталитический раствор в конце концов хранили в атмосфере азота при температуре, находящейся в интервале от -15°С до -5°С.
Катализаторы характеризуются их каталитической формулой, которая дается в форме Nd/Мономер/Алкилирующий агент/Галогенирующий агент в молярных отношениях, индексированных по отношению к соли неодима. В примерах, концентрация дискретных катализаторов по неодиму составляла 0,02 моль/л.
Другие катализаторы описаны в примерах и в таблице(ах) 1-3, следующих ниже и отличающихся по природе различных компонентов и по растворителю, в которых они приготовлены. Методика получения этих других катализаторов идентична методикам, описанным выше.
Характер, в частности, растворимость различных полученных каталитических растворов, была оценена визуально. Гомогенные катализаторы затем испытывали в полимеризации изопрена, согласно методикам, описанным ниже.
Последовательная методика прерывистых полимеризаций
Полимеризацию осуществляли для этих примеров в склянках "Steinie" объемом 250 мл, герметичность которых обеспечивалась совокупностью типа «прокладка-просверленная капсула», которая позволяла вводить реагенты при помощи шприцов. Полимеризацию осуществляли при массовом отношении Растворитель/Мономер в инертной атмосфере азота равном 5,8. Ее осуществляли при перемешивании и с поддерживанием температуры в терморегулируемом баке с водой.
Полимеризуемый диеновый мономер (то есть изопрен), а также растворитель полимеризации (н-пентан) предварительно очищали на оксиде алюминия и барботировали азотом.
В склянку "Steinie" объемом 250 мл, предварительно продутую азотом, вводили 88 мл (55 г) н-пентана, к которым добавляли 9,5 г изопрена. Алкилалюминий, предварительно добавленный к среде полимеризации, возможно, вводят затем при помощи шприца в форме раствора в н-пентане концентрацией около 0,2 моль/л с получением катализатора с характеристиками, указанными в таблицах, следующих ниже. Затем склянку выдерживают в течение определенного времени при перемешивании при температуре 50°С. Затем, чтобы остановить реакцию, добавляют 1 мл метанола, затем, наконец, добавляют 1 мл раствора N-1,3-диметилбутил-N'-фенил-парафенилендиамина с концентрацией 20 г/л, предназначенный для предотвращения окисления полиизопрена.
Последовательная методика непрерывных полимеризаций
Непрерывную полимеризацию осуществляли на линии, содержащей реактор с газовой фазой с двумя Z-образными стержнями общим объемом 150 литров, снабженный приспособлением для выгрузки с разгрузочным шнеком и шестеренчатым насосом.
Изопрен и н-пентан предварительно смешивали в динамическом смесителе выше реактора полимеризации. Изопрен инжектировали в смеситель с производительностью 9,28 кг/ч, а пентан - с производительностью 10,84 кг/ч. Раствор алкилалюминия в н-пентане с концентрацией 0,3 моль/л также вводили в динамический смеситель. Смесь из этих трех потоков, полученную на выходе из динамического смесителя, инжектировали непосредственно в реактор. Катализатор вводили в виде обособленного и независимого потока непосредственно в реактор. Концентрация мономера на входе в реактор составляла приблизительно 45% масс. Давление газовой фазы регулировали на уровне 0,5 бар.
Среднее время пребывания реакции составляло 80 минут.
Разгрузочный шнек давал возможность перемещать продукт реакции к шестеренчатому насосу.
0,5 чем (чем: массовых частей на 100 масс. частей изопренового мономера) N-1,3-диметилбутил-N'-фенил-парафенилендиамина, выполняющего роль стопора и антиоксиданта, инжектировали на выходе реактора выше шестеренчатого насоса.
Шестеренчатый насос перемещал пасту эластомеров к гранулятору под водой. Производительность перемещения шестеренчатым насосом была равна сумме производительностей потоков, входящих в реактор, к которой добавлялись расходы стопора и антиоксиданта. Процесс продолжался затем самим по себе известным образом, путем разделения и выделения полученного диенового эластомера.
Не наблюдали какого-либо явления вспучивания.
Измеренная конверсия на предварительно отобранном образце, в пределе первой трети объема реактора, составляла 77%. Величину конверсии устанавливали на основе измерения методом ГПХ (CPG) количества изопрена в предварительно отобранном образце. Остаточный изопрен в предварительно отобранном образце был количественно определен на уровне 10% масс.
Потоки характеризовались распределением по времени пребывания, приведенным на фигуре 1.
Экспериментальные точки, дававшие возможность установить это распределение по времени пребывания, были получены, измеряя методом газовой хроматографии изменения концентрации индикатора после очень быстрого введения согласно импульсному способу введения инертного химического продукта сообразно принципу, описанному в книге Jacques Villermaux, Genie de la reactionchimique : CONCEPTIONET FONCTIONNEMENT DES REACTEURS. Editors. 1993, TEC & DOC - LAVOISIER, Page 170-172. Экспериментальные точки происходили из отборов проб, которые осуществляли на выходе из реактора на конце разгрузочного шнека.
Моделирование этих экспериментальных точек гамма-распределением позволяет определить изменение функции Е распределения времени пребывания.
Гамма-распределение для моделирования функции Е распределения времени пребывания является следующим:
где:
Г (k): гамма-функция от k;
k: константа;
0
t: среднее время пребывания, или 80 минут;
t: время пребывания.
2
0
Дисперсия этой функции распределения времени пребывания равна k*t.
Подгонка функции к экспериментальным точкам позволяет определить параметр k, который равен 1,22.
0
Отсюда вычисляют стандартное отклонение функции распределения времени пребывания, которое равно 88,4, что больше среднего времени пребывания, деленного на 2√3, или t/2√3=80/2√3=23,1.
Представление испытаний
В таблице 1 представлена растворимость в летучих алканах различных катализаторов согласно их каталитической формуле. Они были получены периодически согласно методике, описанной перед этим.
*: Визуальная оценка: (1) прозрачный гомогенный; (2) мутный/непрозрачный, присутствие твердых частиц; (3) гетерогенный и с разделением фаз при комнатной температуре
Катализаторы на основе бутадиена
Опыты 1 и 2 представляют собой контрольные катализаторы. В этих примерах катализаторы А и В формулы Nd/Bd/HDiBA/CDEA были синтезированы в МСН соответственно согласно изобретению, описанному в WO 02/38636 и WO 2003/097708 на имя фирмы-заявителя. В этих условиях синтеза полученные катализаторы были гомогенными и прозрачными.
Опыты 3-5 показывают, что применение н-пентана в качестве растворителя для приготовления каталитической системы формулы Nd/Bd/HDiBA/CDEA не позволяет получить гомогенные катализаторы, даже изменяя количество сопряженного диена, используемого для предварительного формования, то есть длину форполимера.
Опыты 6 и 7 показывают, что применение изопентана в качестве растворителя для приготовления каталитической системы формулы Nd/Bd/HDiBA/CDEA не позволяет получить гомогенные катализаторы, даже изменяя количество сопряженного диена, используемого для предварительного формования, то есть длину форполимера.
3
Опыты 8 и 9 показывают, что применение н-пентана в качестве растворителя для приготовления каталитической системы формулы Nd/Bd/AlR/CDEA не позволяет получить гомогенные катализаторы, даже изменяя природу алкилирующего агента (замена гидрида диалкилалюминия на триалкилалюминий).
2
3
Следовательно, нельзя растворить катализатор формулы Nd/Bd/HAlR или AlR/CDEA в летучем алкане, температура кипения которого меньше 40°С при атмосферном давлении, таком как С5-алканы.
Катализаторы на основе изопрена
Опыты 10 и 11 показывают, что замена бутадиена на изопрен в предварительно сформованной каталитической системе формулы Nd/Bd/HDiBA/CDEA позволяет получить гомогенный и прозрачный катализатор.
3
Опыты 12-16 показывают, что сообразно природе алкилирующего агента систематически невозможно получить предварительно сформованную каталитическую систему типа Nd/Isop/AlR/CDEA, которая была бы гомогенной и прозрачной.
В последующих примерах гомогенные и растворимые катализаторы, полученные выше, были использованы в дискретной полимеризации изопрена согласно методике, описанной перед этим. Результаты представлены в таблице 2.
мкмольсм : мкмоль на 100 г полимеризуемого мономера
* (=) каталитическая активность согласуется с контрольным катализатором; (-) активность, пониженная по отношению к контрольному катализатору.
Опыты 17 и 18 представляют собой контрольные опыты, осуществленные с катализатором А формулы Nd/Bd/HDiBA/CDEA синтезированном в МСН согласно изобретению WO 02/38636 и WO 2003/097708 на имя фирмы-заявителя. В отличие от опыта 17, в среду полимеризации перед инжектированием катализатора для опыта 18 предварительно добавляли алкилалюминий, согласно изобретению WO 2006133757 Ф1 на имя фирмы-заявителя.
Сравнение опытов 18 и 21 показывает, что применение изопрена в качестве мономера для предварительного формования в каталитической системе Nd/мономер/HDiBA/CDEA не позволяет получить катализатор, такой же активный, как контрольный катализатор Nd/Bd/HDiBA/CDEA, синтезированный согласно изобретению WO 02/38636 на имя фирмы-заявителя.
Сравнение опытов 18 и 21 показывает, что увеличение отношения HDiBA/Nd в катализаторах формулы Nd/Isop/HDiBA/CDEA не позволяет значительно увеличить активность и, следовательно, не позволяет получить активность, подобную активности контрольного катализатора формулы Nd/Bd/HDiBA/CDEA (опыт 18).
Сравнение опытов 30 и 17, а также опытов 31 и 18 показывает, что сочетание изопрена и ТОА приводит к получению катализаторов формулы Nd/Isop/TOA/CDEA с активностью, по меньшей мере, эквивалентной активности контрольного катализатора Nd/Bd/HDiBA/CDEA, синтезированного согласно изобретению WO-A-02/38636 на имя фирмы-заявителя.
В таблице 3 представлены результаты исследований макроструктуры и микроструктуры полиизопренов, полученных во время дискретных полимеризаций, представленных в таблице 2.
НО : не определяется, или меньше 1,6% мол.
Сравнение опытов 17 и 18 показывает, что с контрольным катализатором формулы Nd/Bd/HDiBA/CDEA, синтезированным согласно изобретению WO-A-02/38636 на имя фирмы-заявителя, предварительное добавление HDiBA в реакционную среду позволяет понизить вязкость и, следовательно, молекулярные массы синтезируемого полиизопрена.
Сравнение опытов 23 и 25 показывает, что с катализатором формулы Nd/Isop/TOA/CDEA предварительное добавление TIBA в переменных количествах в среду полимеризации позволяет изменять вязкость и, следовательно, молекулярные массы синтезируемого полиизопрена.
Сравнение опытов 30 и 31 показывает, что с катализатором формулы Nd/Isop/TOA/CDEA предварительное добавление HDiBA в реакционную среду позволяет понизить вязкость и, следовательно, молекулярные массы синтезируемого полиизопрена.
Однако констатируют, из опытов 27-29, что увеличение содержания предварительно добавленного ТОА не оказывает никакого воздействия на вязкость полиизопрена, синтезируемого с катализатором формулы Nd/Isop/TOA/CDEA, или на кинетику полимеризации.
Гомогенные катализаторы, испытанные перед этим, могут быть синтезированы дискретно или непрерывно. Равным образом, они могут быть вовлечены в непрерывную или дискретную полимеризацию изопрена.
В таблице 4 представлена непрерывная полимеризация изопрена, осуществленная по методике, описанной выше, выполненная с катализатором формулы Nd/Isop/TOA/CDEA, также синтезированным непрерывно в концентрации 0,04 моль/л по методике, описанной в документе на изобретение WO 2007045417 А1.
НО : не определяется, или меньше 1,6% мол.