СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗООЛЕФИН-ДИОЛЕФИНОВОГО КАУЧУКА И АППАРАТ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
PROCEDURE FOR PRODUCTION OF ISOOLEFIN-DIOLEFIN RUBBER AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Область техники
Данное изобретение относится к способам получения изоолефин-диолефинового каучука и к аппаратам для их осуществления. Более конкретно, оно относится к способам и аппаратам для получения изоолефин-диолефинового каучука, к способам и аппаратам для выделения изоолефин-диолефинового каучука из суспензии каучука и к способам и аппаратам для выпуска и/или перепуска суспензии каучука из реактора для получения изоолефин-диолефинового каучука.
Предпосылки создания изобретения
Изоолефин-диолефиовые каучуки, например бутилкаучук и галогенбутилкаучуки, получаемые из бутилкаучука (например, хлорбутилкаучук и бромбутилкаучук), широко используются в ряде применений, например при изготовлении шин. В коммерческих масштабах изоолефин-диолефиновый каучук обычно получают в соответствии со способом суспензионной сополимеризации изоолефина (например, изобутилена) и диолефина (например, изопрена) в присутствии катализатора (например, катализатора, относящегося по типу к катализаторам Фриделя-Крафтса) в жидкой неводной реакционной среде (например, содержащей разбавитель, такой как алкилгалогенид) при температуре ниже -90°С в реакторе непрерывного действия с получением суспензии либо взвеси мелких «твердых частиц» каучука в реакционной среде. Температура реакции может быть и более высокой при использовании специализированных катализаторов.
Коммерческий аппарат включает, помимо прочих элементов, реакционный сосуд, в котором в непрерывном режиме проводят реакцию, испарительный резервуар для выпаривания жидкой реакционной среды и других летучих компонентов из каучука, который образуется в ходе реакции, и линию выпуска для перепуска суспензии каучука из реакционного сосуда в испарительный резервуар. Испарительный резервуар обычно представляет собой емкость, содержащую нагреваемую, перемешиваемую воду, в которую производят выпуск каучука с получением крошки, которая суспендирована в воде. Испарительный резервуар продувают водяным паром для выдерживания температуры и удаления летучей остаточной реакционной среды. В обычно используемых способах за испарительным резервуаром обычно следуют один или несколько дегазаторов для дополнительного удаления остатков до приемлемого уровня. Компоненты реакции обычно загружают в реакционный сосуд в виде двух независимых исходных потоков - смешанного исходного потока, содержащего мономеры совместно с разбавителем, и исходного потока катализатора, содержащего катализатор.
Одна проблема, с которой сталкиваются в таком способе, заключается в накоплении каучука на внутренних поверхностях реакционного сосуда и линии выпуска, что может привести к обрастанию и значительному времени простоя, необходимому для устранения обрастания. Такое накопление возникает вследствие «клейкости» изоолефин-диолефиновых каучуков, таких как бутилкаучук. Для того чтобы уменьшить риск возникновения данной проблемы, в реакционном сосуде и линии выпуска выдерживают относительно высокие скорости потоков. Линию выпуска, кроме того, оборудуют рубашкой, обогреваемой водяным паром, и, как представляется, это приводит к образованию парового слоя на внутренней поверхности линии выпуска, который играет роль смазочной пленки.
В дополнение к этому у современных коммерческих аппаратов желательно увеличить общий коэффициент полезного действия по энергии. В настоящее время охлажденную суспензию каучука, покидающую реакционный сосуд, перепускают непосредственно в испарительный резервуар через линию выпуска. В испарительном резервуаре проводят выпаривание жидкой реакционной среды, в том числе летучих компонентов, таких как непрореагировавшие мономеры и тому подобное. Для того чтобы переведенные в парообразное состояние компоненты направить на рецикл, в части технологического процесса проводят конденсацию данных паров и охлаждение жидкости обратно до температуры проведения реакции. Для этого требуются значительные затраты энергии. Для уменьшения количества энергии, затрачиваемой на охлаждение исходных и/или направляемых на рецикл компонентов реакционной смеси, было бы желательно улавливать энергию, связанную с холодной жидкой реакционной средой, выпускаемой из реакционного сосуда.
Публикация международной заявки WO 93/21241 авторов Bruzzone et al., опубликованная 28 октября 1993 года, описывает способ получения бутилкаучука. Полимеризацию изобутилена совместно с изопреном проводили при относительно высокой температуре -50°С в присутствии специальных катализаторов. Реактор включал вертикальный цилиндрический реакционный сосуд с куполообразными днищами, вертикальный одношнековый экструдер (то есть разгрузочный шнек), связанный с реакционным сосудом, и горизонтальный двухшнековый дегазирующий испаритель, соединенный с разгрузочным шнеком. Вертикальный экструдер транспортировал вверх и прессовал твердый полимер, содержащийся в суспензии, и «отжимал» жидкость из суспензии, давая ей возможность стекать вниз (то есть обратно) в направлении реакционного сосуда. Таким образом, ценную реакционную среду, в том числе и непрореагировавшие мономеры, при температуре реакции возвращали в реакционный сосуд для последующей утилизации. Остаточную реакционную среду, в том числе остаточные мономеры, выпаривали в горизонтальном шнековом дегазирующем испарителе и подавали в виде газа в теплообменник для охлаждения до температуры полимеризации перед повторным введением в реакционный сосуд в виде жидкости.
Несмотря на то что способ, описанный в публикации WO 93/21241, делает возможным направление на рецикл некоторой части реакционной среды, перегоняя ее обратно в реакционный сосуд, ему присущи несколько недостатков. Во-первых, разгрузочный шнек представляет собой одношнековый экструдер, которому свойственно обрастание, и поэтому маловероятно, что он будет продолжать функционировать в течение целесообразного периода времени. Во-вторых, жидкую реакционную среду перегоняют обратно в реакционный сосуд под действием силы тяжести без предварительного отбора отводного потока и, таким образом, без предоставления возможности очистки жидкой реакционной среды либо возможности использования охлажденной реакционной среды для других целей по охлаждению, если непосредственный возврат реакционной среды в реакционный сосуд будет оказывать негативное воздействие на процесс полимеризации. Отсутствие возможности очистки жидкой реакционной среды может в результате привести к критическому накоплению примесей, которые, вероятно, в результате станут причиной уменьшения эффективности катализатора и/или получения низкомолекулярного полимера. Последнее может повлечь за собой обрастание и последующий простой для очистки реактора. Невозможность утилизации охлажденной жидкой реакционной среды для других целей по охлаждению уменьшает гибкость выбора в способе рекуперации энергии. В-третьих, использование шнекового дегазатора для выпаривания остаточной реакционной среды и мономеров не эффективно с точки зрения затрат в сравнении с использованием испарительного резервуара.
Патент Великобритании 589,045 (патент '045), выданный компании Standard Oil Development Company 10 июня 1947 года, описывает способ низкотемпературной полимеризации олефинов. Патент '045 указывает на то, что охлажденную суспензию транспортируют из реакционного сосуда в вибрационное сито для проведения операции процеживания либо фильтрования. Кроме того, он указывает на то, что извлеченную охлажденную жидкость затем отправляют на рецикл обратно в зону реакции. Остаточную реакционную среду и каучук, образованный в ходе реакции, транспортируют от вибрационного сита в испарительный барабан, где выпаривают непрореагировавшие мономеры и остаточную реакционную среду.
Для того чтобы предотвратить попадание водяного пара из испарительного резервуара на вибрационное сито и, таким образом, загрязнение реакционной среды, патент '045 предлагает усложненную систему, в которой поток уплотняющего газа создает положительное давление в направлении от вибрационного сита к испарительному резервуару. Такая система непрактична, поскольку уплотняющий газ будет перемешиваться с шлемовыми парами из испарительного резервуара. Последующая стадия разделения будет привносить в способ значительные затраты. Кроме того, патент '045 требует, чтобы вибрационное сито было охлаждено до температуры реакции, чего будет очень трудно добиться на практике. Кроме того, в сфере получения бутилкаучука опытным путем установлено, что «твердая фаза» бутилкаучука, получаемая в ходе химической реакции, присутствует в виде мелких и относительно мягких частиц, которые склонны к агломерированию. Кроме того, в сфере получения бутилкаучука практикой установлено, что бутилкаучук обладает «клейкостью» даже при температурах реакции, в противоположность утверждениям, сделанным в патенте '045. Поэтому специалист в данной области должен ожидать при осуществлении способа возникновения крупной проблемы, связанной с обрастанием вибрационного сита. Таким образом, вибрационное сито не представляется удовлетворительным устройством для выделения бутилкаучука из реакционной среды. И действительно, аппарат и способ с просеиванием либо фильтрованием, описанные в патенте '045, ни в какой форме не используются в настоящее время в промышленности получения бутилкаучука, почти что 60 лет спустя после выдачи патента '045, что свидетельствует о непрактичности и общей недостаточной пригодности технологии, описанной в патенте '045. Наконец, патент '045 требует, чтобы охлажденная суспензия каучука, получаемая в реакционном сосуде, содержала бы от 1 до 10 мас.% каучука. В настоящее время реакторы по синтезу бутилкаучука обычно функционируют с получением суспензий каучука, характеризующихся уровнем содержания каучука в диапазоне, приблизительно соответствующем 25 мас.%. Упомянутые выше проблемы с использованием вибрационного сита, в особенности проблема обрастания, будут усугубляться в аппаратах, где в реакторе получают суспензии каучука, характеризующиеся уровнем содержания каучука, превышающим 10 мас.%.
Патент США 4,714,747 (патент '747) автора Bruzzone, выданный 22 декабря 1987 года, описывает способ получения бутилкаучука. Саму реакцию с получением бутилкаучука проводят в самоочищающемся двухшнековом экструдере. Суспензию каучука, полученную в реакционном экструдере, транспортируют в вертикальный разгрузочный шнек, который выводит жидкую реакционную среду из суспензии и позволяет ей стечь обратно в реакционный экструдер, обеспечивая возможность выведения газообразной смеси мономер-растворитель через линию выпуска пара в верхней части разгрузочного шнека. Фаза каучука поступает в нагретый двухшнековый аппарат для удаления растворителя в нижней части разгрузочного шнека.
Способу и аппарату, описанным в патенте '747, присущи несколько недостатков. Во-первых, способ основан на испарительном охлаждении реакционной среды для отвода тепла полимеризации. Поэтому он применим только к полимеризации с получением бутилкаучука, проходящей при повышенной температуре (то есть, от -20 до +150°С), которая будет идти, только если будут доступны подходящие высокотемпературные катализаторы. Обычно используемые температуры реакции слишком уж низки для использования испарительного охлаждения для обычных реакционных сред, а обычно используемые катализаторы при повышенных температурах не будут позволять получать полимер с приемлемой молекулярной массой. Во-вторых, жидкая реакционная среда перетекает обратно в реакционный экструдер под действием силы тяжести без предварительного отбора отводного потока, таким образом, без предоставления возможности очистки жидкой реакционной среды. Отсутствие возможности очистки жидкой реакционной среды может в результате привести к критическому накоплению примесей, что, вероятно, в результате приведет к уменьшению эффективности катализатора и/или получению низкомолекулярного полимера. В-третьих, использование разгрузочного шнека и шнекового дегазатора для выпаривания остаточных реакционной среды и мономеров неэффективно в сравнении с использованием испарительного резервуара. В-четвертых, реакцию проводят в двухшнековом экструдере, а не в обычном реакционном сосуде для получения бутилкаучука. Для того чтобы эффективно вместить поступающие компоненты реакции, вместимость у такого реакционного экструдера должна быть большой. Создание шнекового экструдера такого размера требует больших капитальных затрат, что, таким образом, значительно увеличивает стоимость аппарата.
В работе, озаглавленной “Extruder Isolation of Polymers and Elastomers from Latex Emulsions”, by Carl Hagberg, представленной на международной конференции “the International Latex Conference” July 22, 1998, описывается работающая при комнатной температуре система выделения твердых полимеров из латексных эмульсий. Система использует двухшнековый экструдер с вращающимися в противоположных направлениях, не находящимися в зацеплении шнеками для непрерывных промывания, водоотделения и высушивания латексных частиц из латексной эмульсии. Для удаления воды из процесса система дополнительно включает один либо несколько механических фильтров, включающих двухшнековые экструдеры с вращающимися в противоположных направлениях шнеками с полным зацеплением.
Аппарат и способ от Hagberg пригодны для выделения латексных частиц из эмульсии латекс/вода при температурах окружающей среды, что представляет собой совершенно другую область техники по сравнению с суспензионными полимеризациями изоолефина-диолефина. Суспензионную полимеризацию изоолефина-диолефина проводят при низкой температуре в неводной среде в сочетании с использованием испарительного резервуара для удаления реакционной среды, в то время как латексный способ от Hagberg реализуют при намного более высокой температуре в водной среде без использования испарительного резервуара. Конструкция двухшнекового экструдера с не находящимися в зацеплении шнеками от Hagberg пригодна для транспортирования каучука в латексной системе, но не для транспортирования каучука в изоолефин-диолефиновой системе, в частности, вследствие большей остроты проблемы с обрастанием в изоолефин-диолефиновых системах.
Патент Великобритании 561,324 (патент '324), выданный компании Standard Oil and Development Company 15 мая 1944 года, описывает способ низкотемпературной полимеризации для получения бутилкаучука. Продукт полимеризации подвергают пластикации по мере того, как он образуется, и транспортируют в экструдер. Реакционную среду в основном выпаривают в пластикаторах. После этого каучук проходит в экструдер, где остаточную реакционную среду, в том числе остаточные мономеры, удаляют в виде пара. Реакционную среду в виде пара направляют на рецикл, для чего требуется ее охлаждение перед подачей в реакционный сосуд. Данный способ также использует испарительное охлаждение, но для достижения желательной низкой рабочей температуры добавляют низкокипящий компонент (этилен).
Краткое изложение изобретения
Предлагается способ получения изоолефин-диолефинового каучука, включающий: проведение реакции изоолефина и диолефина в жидкой неводной реакционной среде в реакционном сосуде при температуре в диапазоне от -110°С до -50°С с получением изоолефин-диолефинового каучука в суспензии; отжимание суспензии в зоне сепарации для отделения, по меньшей мере, части жидкой неводной реакционной среды от изоолефин-диолефинового каучука; транспортирование отводного потока в виде выделенной жидкой неводной реакционной среды и транспортирование оставшейся суспензии в зону переработки суспензии.
Кроме того, предлагается аппарат для получения изоолефин-диолефинового каучука, включающий: реакционный сосуд для получения суспензии изоолефин-диолефинового каучука в жидкой неводной реакционной среде при температуре в диапазоне от -110°С до -50°С; отжимающий сепаратор, через текучую среду сообщающийся с реакционным сосудом, для отделения от каучука, по меньшей мере, части жидкой неводной реакционной среды; резервуар для переработки суспензии, через текучую среду сообщающийся с отжимающим сепаратором, для приема оставшейся суспензии; и устройство для транспортирования, через текучую среду сообщающееся с отжимающим сепаратором в точке, расположенной между реакционным сосудом и резервуаром для переработки суспензии, для транспортирования отводного потока в виде выделенной жидкой неводной реакционной среды.
Кроме того, предлагается аппарат для получения изоолефин-диолефинового каучука, включающий: реакционный сосуд для получения изоолефин-диолефинового каучука в жидкой неводной реакционной среде при температуре в диапазоне от -110°С до -50°С и самоочищающийся двухшнековый транспортер со шнеками с полным зацеплением, через текучую среду сообщающийся с реакционным сосудом, для перепуска каучука из реакционного сосуда в резервуар для переработки суспензии.
И, кроме того, предлагается устройство для выпуска для перепуска суспензии изоолефин-диолефинового каучука, имеющей температуру в диапазоне от -110°С до -50°С, из реакционного сосуда в резервуар для переработки суспензии, включающее: цилиндр, имеющий первый конец и второй конец; впускное отверстие, расположенное поблизости от первого конца, для приема каучука в цилиндр; выпускное отверстие, расположенное поблизости от второго конца, для выпуска каучука из цилиндра; комплект вращающихся в одном направлении шнеков с полным зацеплением внутри цилиндра, имеющих обратные нарезки у второго конца за выпускным отверстием; и устройство для вращения шнеков.
Способы и аппараты настоящего изобретения выгодным образом уменьшают засорение в устройстве для выпуска, что уменьшает время простоя, связанное с таким засорением. Кроме того, способы и аппараты настоящего изобретения делают возможным в реакционной системе извлечение вещества реакции и рекуперацию энергии, тем самым увеличивая стоимостную эффективность. В способах настоящего изобретения потребление энергии может быть уменьшено приблизительно на целых 30% и, возможно, больше.
В соответствии с настоящим изобретением аппарат для получения изоолефин-диолефиновых каучуков включает реакционный сосуд, резервуар для переработки суспензии и самоочищающееся устройство для выпуска между реакционным сосудом и резервуаром для переработки суспензии для перепуска суспензии каучука из реакционного сосуда в резервуар для переработки суспензии. Реакционный сосуд, самоочищающееся устройство для выпуска и резервуар для переработки суспензии могут быть встроены в обычный в других отношениях способ получения изоолефин-диолефинового каучука.
Реакционным сосудом может быть любая емкость, подходящая для получения, в особенности получения в непрерывном режиме, изоолефин-диолефиновых каучуков. Реакционный сосуд должен быть способен выдерживать подходящую температуру реакции, обычно в диапазоне от -110°С до -50°С. Охлаждение обычно достигается в результате испарения жидкого этилена, находящегося вне реакционного сосуда. Для предварительного охлаждения исходных потоков, подаваемых в реакционный сосуд, может быть использована отправляемая на рецикл охлажденная жидкая реакционная среда. В качестве альтернативы предварительному охлаждению исходных потоков либо в сочетании с ним направляемую на рецикл охлажденную жидкую реакционную среду можно использовать для содействия конденсации сжатых паров этилена, доводя их температуру до более близкой к температуре реакции. Реакционный сосуд обычно оснащен выпускным отверстием, через текучую среду сообщающимся с устройством для выпуска, для выпуска суспензии каучука из реакционного сосуда. Суспензия каучука, полученная в реакционном сосуде, содержит часть, образуемую высоковязким каучуком, и часть, образуемую более низковязкой жидкой реакционной средой.
В первом аспекте функция самоочищающегося устройства для выпуска заключается в транспортировании суспензии каучука из реакционного сосуда в резервуар для переработки суспензии. Самоочищающаяся структура транспортера исключает необходимость использования других способов предотвращения прилипания каучука к внутренним поверхностям устройства для выпуска, например не требуется рубашка, обогреваемая водяным паром.
Во втором аспекте устройство для выпуска также может играть роль и отжимающего сепаратора для отделения высоковязкого каучука, по меньшей мере, от некоторой части более низковязкой реакционной среды. Как это обсуждается ниже, отделение каучука от реакционной среды делает возможным как извлечение вещества реакционной среды, так и рекуперацию энергии, связанной с низкой температурой реакционной среды.
Самоочищающимся устройством для выпуска может быть любое подходящее самоочищающееся устройство для транспортирования суспензии каучука из реакционного сосуда в резервуар для переработки суспензии. В одном варианте реализации самоочищающееся устройство для выпуска представляет собой самоочищающийся шнековый транспортер, предпочтительно самоочищающийся двухшнековый транспортер, более предпочтительно самоочищающийся двухшнековый транспортер со шнеками с полным зацеплением, еще более предпочтительно самоочищающийся двухшнековый транспортер с вращающимися в одном направлении шнеками с полным зацеплением, а даже еще более предпочтительно самоочищающийся двухшнековый экструдер с вращающимися в одном направлении шнеками с полным зацеплением. Конструкции с вращающимися в одном направлении двумя шнеками с полным зацеплением в общем случае более эффективны в отношении транспортирования материала в сравнении с конструкциями с полным зацеплением и вращением в противоположных направлениях. В последнем случае каучук подвергается тому, что по существу представляет собой действие измельчения в промежутке между гребнем нарезки одного шнека и впадиной другого, что приводит к высокому потреблению энергии и проведению нетребуемой переработки каучука.
В случае устройства для выпуска, включающего комплект вращающихся в одном направлении шнеков с полным зацеплением, например самоочищающийся двухшнековый экструдер с вращающимися в одном направлении шнеками с полным зацеплением, устройство для выпуска содержит комплект шнеков с полным зацеплением внутри цилиндра. Предпочтительная конструкция представляет собой устройство для выпуска, функционирующее по способу, обратному тому, который используется в обычном способе экструдирования. Шнеки можно скомпоновать так, чтобы они отбирали бы суспензию каучука из реакционного сосуда, предпочтительно в верхней части реакционного сосуда, с подачей через впускное отверстие в цилиндр, а после этого транспортировали бы суспензию в резервуар для переработки суспензии. Выпуск в резервуар для переработки суспензии можно осуществить по любому подходящему способу, например при использовании выпускного отверстия (либо серии выпускных отверстий) в цилиндре, предпочтительно обращенного вниз, в резервуар для переработки суспензии.
Кроме того, на стороне резервуара для переработки суспензии, противоположной реакционному сосуду, могут быть расположены уплотнения для валов шнеков и устройства для вращения шнеков (например, привод, включающий двигатель и редуктор), расположенные за уплотнением. Секция шнеков с обратной нарезкой может быть расположена в цилиндре за выпускным отверстием (либо серией выпускных отверстий), обеспечивая для суспензии возможность выпуска в резервуар для переработки суспензии через выпускное отверстие (либо серию выпускных отверстий) и непопадание ее на уплотнение. Данная компоновка делает возможным расположение уплотнений и устройств для вращения шнеков вне низкотемпературной области реактора, что делает значительно более простым выбор конструкции и материалов. Устройство для нейтрализации температурных деформаций, вызванных различием температур в холодном реакторе и теплом резервуаре для переработки суспензии, можно вставить между устройством для выпуска и резервуаром для переработки суспензии. Примерами такого устройства для нейтрализации температурных деформаций являются подвижный фланец либо сильфонный компенсатор. Для специалиста в данной области будет очевидно, что для выпуска суспензии каучука из шнеков в резервуар для переработки суспензии возможно использование также и других конструкций.
Резервуаром для переработки суспензии может быть любая емкость, подходящая для последующей переработки суспензии каучука. В установке для получения бутилкаучука резервуаром для переработки суспензии может быть испарительный резервуар. В применениях, в которых каучук необходимо галогенировать и в которых каучук должен присутствовать в форме раствора, устройство для выпуска может быть оснащено впускным отверстием для растворителя, так чтобы для начала процесса растворения можно было бы ввести необходимый растворитель. Кроме того, выпуск будет происходить не в испарительный резервуар, содержащий нагретую воду, а в резервуар для растворения, который позволит полностью растворить каучук и выпарить остаточную летучую реакционную среду.
Устройство для выпуска также может играть роль и отжимающего сепаратора, в особенности, если желательно извлечение охлажденной жидкой реакционной среды. Предпочтительно такой отжимающий сепаратор является самоочищающимся. Отжимание «представляет собой выделение жидкости из двухфазной системы твердая фаза - жидкая фаза в результате проведения сжатия в условиях, которые делают возможным отвод жидкой фазы при сохранении твердой фазы между сжимающими поверхностями. Отжимание отличается от фильтрования тем, что давление прикладывается в результате перемещения двух фиксирующих положение стенок, а не в результате накачивания насосом материала в фиксированное пространство» (Perry's Chemical Engineers' Handbook, Sixth Edition, McGraw-Hill Inc. (1984) p.19-103). Может быть использован любой подходящий отжимающий сепаратор. Отжимание и отжимающие сепараторы описываются в работе Perry's Chemical Engineers' Handbook, Sixth Edition, McGraw-Hill Inc. (1984) p.19-103 to 19-107, описание которой включается в настоящий документ путем ссылки. Предпочтительны шнековые сепараторы, более предпочтительны шнековые экструдеры, еще более предпочтительны двухшнековые экструдеры. В особенности предпочтителен двухшнековый экструдер со шнеками с полным зацеплением, например двухшнековый экструдер с вращающимися в одном направлении шнеками с полным зацеплением либо двухшнековый экструдер с вращающимися в противоположных направлениях шнеками с полным зацеплением. Более предпочтителен двухшнековый экструдер с вращающимися в одном направлении шнеками с полным зацеплением, поскольку он более эффективен, потребляет меньше энергии и в меньшей степени подвергает каучук действию измельчения.
В случае, когда отжимающий сепаратор представляет собой двухшнековый экструдер с вращающимися в одном направлении шнеками с полным зацеплением, предпочтительная компоновка будет близка к той геометрии, которая описывалась выше для комплекта вращающихся в одном направлении шнеков с полным зацеплением, используемого исключительно для транспортирования каучука из реакционного сосуда в испарительный резервуар, но будет более сложной, чем она. В случае использования в качестве отжимающего сепаратора двухшнековый экструдер с вращающимися в одном направлении шнеками с полным зацеплением может включать первую секцию, в которой геометрия шнеков спроектирована для транспортирования полного потока суспензии каучука из реакционного сосуда. В некоторой позиции по длине шнека геометрия может измениться, так что шнеки станут иметь вместимость, достаточную для транспортирования только каучуковой части, при этом каучук будет находиться в набухшем состоянии вследствие поглощения жидкой реакционной среды. Таким образом, из суспензии каучука отжимают жидкую реакционную среду, тем самым осуществляя отделение от каучука, по меньшей мере, части жидкой реакционной среды. Изменения геометрии, например, могут включать, помимо прочего, изменения шага нарезки, хода нарезки и длины рабочей поверхности нарезки. Каучуковую часть после этого выпускают в резервуар для переработки суспензии, например, через выпускное отверстие (либо выпускные отверстия), как это описывалось выше.
Устройство для транспортирования, через текучую среду сообщающееся с отжимающим сепаратором в точке (либо точках) между реакционным сосудом и резервуаром для переработки суспензии, можно использовать для транспортирования отводного потока в виде выделенной жидкой реакционной среды от отжимающего сепаратора. Транспортирование отводного потока в виде выделенной жидкой реакционной среды обеспечивает широкий ассортимент возможностей по извлечению и/или направлению на рецикл. Например:
Вся жидкая реакционная среда либо ее часть могут быть направлены на рецикл обратно в реакционный сосуд. При возвращении данной охлажденной среды в реакционный сосуд соответствующим образом уменьшается количество свежего исходного сырья, подаваемого в реакционный сосуд, поэтому для охлаждения данного потока исходного сырья требуется меньше энергии. Однако свежее исходное сырье, в действительности, должно характеризоваться более высоким уровнем содержания мономеров для компенсации истощения уровня содержания мономеров в реакционной среде, которая будет возвращена. Кроме того, значительно уменьшится нагрузка на систему рецикла паров в установке, в особенности в отношении необходимости удаления воды из паров, направляемых на рецикл из испарительного резервуара.
Вся жидкая реакционная среда либо ее часть могут быть подвергнуты стадии очистки перед их отправлением на рецикл обратно в реакционный сосуд, что уменьшит вероятность загрязнения и уменьшит накопление в реакционном сосуде отравляющих примесей для реакции полимеризации. Очистку можно провести, например, путем фильтрования, путем использования адсорбентов (например, молекулярных сит, алюмосиликатов), путем комбинирования данных двух способов и так далее. Очистку жидкой реакционной среды можно провести для того, чтобы, например, удалить накопленные побочные продукты реакции, отделить остатки катализатора от сепарационного потока и так далее. Вся очищенная реакционная среда либо часть ее могут быть направлены на рецикл обратно в реакционный сосуд.
Энергию жидкой реакционной среды можно рекуперировать различными способами. Например:
а. Жидкую реакционную среду можно транспортировать в отдельный теплообменник для охлаждения исходных потоков, образуемых одним либо несколькими компонентами реакционной смеси, в особенности для охлаждения потока смешанного исходного сырья.
b. Жидкую реакционную среду можно использовать для содействия охлаждению реакционного сосуда, например, в результате ее транспортирования в теплообменник для содействия конденсации сжатого хладагента для реактора (например, паров этилена), доводя температуру хладагента до более близкой к температуре реакции.
с. Жидкую реакционную среду можно направить на рецикл обратно в реакционный сосуд, как это упоминалось ранее.
d. Устройство для транспортирования само может быть использовано в качестве теплообменника для охлаждения исходных потоков, поступающих в реактор.
Может быть использована любая комбинация описанных выше вариантов, и специалист в данной области легко сможет определить другие способы, при помощи которых выделенную жидкую реакционную среду можно будет использовать для уменьшения общих затрат при реализации способа.
Устройством для транспортирования может быть любое подходящее устройство для транспортирования отводного потока в виде выделенной жидкой реакционной среды. Им может быть простой трубопровод, трубопровод с фильтром, насос, их комбинация и тому подобное. В одном варианте реализации устройство для транспортирования представляет собой механический фильтр. Механический фильтр в выгодном случае обеспечивает дополнительное отделение жидкой реакционной среды от каучуковой части суспензии каучука, в дополнение к выполнению роли устройства для транспортирования для выделенной жидкой реакционной среды. В одном варианте реализации механический фильтр представляет собой шнековый транспортер, например двухшнековый экструдер с вращающимися в противоположных направлениях шнеками с полным зацеплением либо двухшнековый экструдер с вращающимися в одном направлении шнеками с полным зацеплением. Механический фильтр может обеспечить прохождение через себя жидкой реакционной среды при отводе каучука обратно в отжимающий сепаратор. Предпочтительно устройство для транспортирования представляет собой двухшнековый экструдер с вращающимися в противоположных направлениях шнеками с полным зацеплением, где шнеки функционируют таким образом, чтобы перетолкнуть фазу высоковязкого каучука обратно в отжимающий сепаратор, в то время как просвет выше нарезок шнеков и между шнеками таков, что он дает возможность прохождения сквозь него более низковязкой жидкой реакционной среды.
В одном варианте реализации резервуар для переработки суспензии представляет собой испарительный резервуар (либо испарительный барабан, как его можно назвать). Испарительный резервуар в общем случае представляет собой большой резервуар, вмещающий в нижней части слой воды, предпочтительно горячей воды. Воду в испарительном резервуаре можно нагревать, например, с использованием водяного пара. Суспензия каучука, выпускаемая из устройства для выпуска, падает в воду, где происходит выпаривание реакционной среды и остаточных мономеров, при этом каучук остается в виде суспензии крупных частиц в горячей воде. При необходимости, для разрушения потока суспензии, когда он будет выходить из устройства для выпуска, могут быть использованы струи водяного пара. Каучук из устройства для выпуска можно выгружать в любое место в испарительном резервуаре, хотя в общем случае предпочитается производить выпуск каучука поблизости от середины поверхности горизонтального поперечного сечения резервуара для того, чтобы уменьшить вероятность прилипания каучука к сторонам испарительного резервуара.
В общем случае изоолефин-диолефиновые каучуки известны из предшествующего уровня техники. Такие каучуки, помимо прочего, включают, например, бутилкаучук (IIR (изобутиленизопреновый каучук)), бромбутилкаучук (BIIR (бромированный изобутиленизопреновый каучук)), хлорбутилкаучук (CIIR (хлорированный изобутиленизопреновый каучук)). Бутилкаучук может быть получен в результате проведения суспензионной сополимеризации мономера (например, изобутилена (97-99,5 мас.%)) с небольшими количествами изопрена (3,0-0,5 мас.%) в жидкой неводной реакционной среде, содержащей катализатор. Для изменения свойств каучука могут быть использованы другие сомономеры либо термономеры. Реакцию полимеризации проводят предпочтительно в реакторе непрерывного действия при температуре в диапазоне от приблизительно -110°С до -50°С, например от приблизительно -110°С до -70°С, либо от приблизительно -100°С до -90°С. Каучук, полученный в реакции, в общем случае будет нерастворим в реакционной среде, и он будет образовывать суспензию (взвесь) тонкодисперсных частиц в реакционной среде. Несмотря на то, что говорится, что каучук присутствует в виде твердой фазы, либо в форме частиц, специалисту в данной области понятно, что твердая фаза, либо частицы такого каучука являются очень мягкими, набухшими в результате поглощения жидкостей, так что они могут сформировать высоковязкую фазу. Галогенбутилкаучуки (например, хлорбутилкаучук и бромбутилкаучук) могут быть получены в результате галогенирования бутилкаучука по такому способу, который в общем случае известен специалисту в данной области.
Может быть использована любая подходящая жидкая неводная реакционная среда, например алкилгалогениды, сульфурилхлорид и тому подобное. Предпочтительны алкилгалогениды, в особенности метилхлорид. Может быть использован любой подходящий катализатор, например катализаторы Фриделя-Крафтса, синтетические катализаторы и тому подобное. Предпочтительным катализатором является хлорид алюминия. Температура находится в диапазоне от приблизительно -110°С до -50°С, например, от приблизительно -110°С до -70°С, либо от приблизительно -100°С до -90°С. Способ в общем случае проводят в области давления окружающей среды, например в диапазоне приблизительно от 0,7 атм до 1,2 атм.
Уровень содержания каучука в суспензии каучука, полученной в реакционном сосуде, в идеальном случае является максимально возможно высоким для того, чтобы уменьшить необходимость направления реакционной среды на рецикл. Однако в общем случае существует практический предел для уровня содержания каучука в суспензии, поступающей из реакционного сосуда. В общем случае уровень содержания каучука в суспензии составляет приблизительно 10-40 мас.%. Уровень содержания каучука может находиться в диапазоне приблизительно 20-30 мас.%, либо приблизительно составлять 25 мас.%. Размер «частиц» каучука может варьироваться в значительных пределах, но обычно он имеет порядок приблизительно 20 микрон. Может произойти агломерирование частиц, что увеличит размер частиц, в особенности в ходе последующей переработки суспензии.
Если рецикл не проводят, то тогда суспензию каучука, полученную в реакционном сосуде, транспортируют в зону переработки суспензии при помощи устройства для выпуска, как это описывалось выше. Если рецикл жидкой реакционной среды и/или рекуперацию энергии проводят, то тогда суспензия каучука, покидающая реакционный сосуд, поступает в самоочищающуюся зону сепарации, где производят отжимание суспензии для отделения от каучука, по меньшей мере, части жидкой неводной реакционной среды. Выделенную жидкую реакционную среду транспортируют в виде отводного потока. Оставшуюся суспензию, содержащую остаточную жидкую реакционную среду и каучук, транспортируют в зону переработки суспензии. Примеры аппаратов для отжимания суспензии каучука и для транспортирования отводного потока в виде выделенной реакционной среды были описаны ранее.
В одном варианте реализации зона переработки суспензии может находиться в испарительном резервуаре. В испарительном резервуаре суспензия каучука вступает в контакт с горячей водой, и происходит выпаривание жидкой реакционной среды, в том числе и непрореагировавших мономеров, при этом каучук остается в виде суспензии крупных частиц в горячей воде. На данной стадии к суспензии каучука можно добавить небольшие количества вещества, препятствующего агломерированию, и стабилизатора для предотвращения последующего агломерирования частиц суспензии и защиты каучука от деструкции в ходе последующей переработки. Для нейтрализации остатков катализатора можно добавить основание, например гидроксид натрия. Перешедшую в парообразное состояние реакционную среду, в том числе непрореагировавшие мономеры, удаляют из испарительного резервуара и после этого высушивают, сжимают (охлаждают) и очищают перед направлением на рецикл обратно в реакционный сосуд.
Последующие переработка и элементы аппаратов в способе получения изоолефин-диолефинового каучука являются традиционными и хорошо известны специалисту в данной области, и их можно использовать в сочетании с описанными в настоящем документе аппаратами и способами настоящего изобретения.
Краткое описание чертежей
Для того чтобы изобретение было бы более понятно, далее подробно будут описаны его предпочтительные варианты реализации путем примеров со ссылкой на сопровождающие чертежи, в которых:
Фигура 1 представляет собой схематическую диаграмму способа получения бутилкаучука предшествующего уровня техники;
Фигура 2 представляет собой схематическую диаграмму первого варианта реализации аппарата, соответствующего настоящему изобретению, в котором в качестве системы для выпуска из реактора для получения бутилкаучука в испарительный резервуар используют самоочищающийся двухшнековый экструдер с вращающимися в одном с направлении шнеками с полным зацеплением;
Фигура 3А представляет собой горизонтальную проекцию секции шнеков в самоочищающемся двухшнековом экструдере с вращающимися в одном направлении шнеками с полным зацеплением;
Фигура 3В представляет собой последовательность боковых проекций поперечных сечений шнеков фигуры 3А при нескольких положениях при вращении;
Фигура 4 представляет собой схематическую диаграмму второго варианта реализации аппарата, соответствующего настоящему изобретению, в котором двухшнековый экструдер с вращающимися в противоположном направлении шнеками с полным зацеплением используется в качестве механического фильтра в сочетании с системой для выпуска в виде самоочищающегося двухшнекового экструдера с вращающимися в одном направлении шнеками с полным зацеплением;
Фигура 5 представляет собой схематическую диаграмму одного варианта реализации способа получения бутилкаучука в соответствии с настоящим изобретением, в котором жидкую реакционную среду направляют на рецикл обратно в реактор; и
Фигура 6 представляет собой схематическую диаграмму еще одного варианта реализации способа получения бутилкаучука в соответствии с настоящим изобретением, в котором энергию жидкой реакционной среды используют для охлаждения потока смешанного исходного сырья.
Описание предпочтительных вариантов реализации
2
4
6
6
10
6
12
6
14
16
16
18
20
16
17
19
2
16
22
24
28
30
32
32
34
34
36
34
38
На фигуре 1 изображается коммерческий способ полного получения бутилкаучука предшествующего уровня техники. Исходный поток , образуемый мономерами изобутиленом и изопреном, смешанными с метилхлоридом, и исходный поток  катализатора хлорида алюминия, растворенного в метилхлориде, непрерывно загружают в реактор для получения бутилкаучука при температуре ниже приблизительно -90°С. Изобутилен и изопрен сополимеризуются при температуре ниже приблизительно -90°С в присутствии катализатора с образованием суспензии (взвеси) бутилкаучука в метилхлориде и остаточных мономерах. Содержимое реактора  охлаждают в результате испарения жидкого этилена в системе охлаждения . Для уменьшения образования отложений каучука на внутренних поверхностях реактора суспензию бутилкаучука в реакторе  подвергают воздействию высоких скоростей потока с использованием крыльчатки . Суспензию каучука с концентрацией каучука, приблизительно равной 25 мас.%, выпускают из верхней части реактора  через линию выпуска с обогреваемой водяным паром рубашкой в испарительный резервуар . В нижней части испарительного резервуара  находится слой горячей воды  при температуре, равной приблизительно 75°С, непрерывно обогреваемый потоком водяного пара, поступающего через линию . Когда охлажденная суспензия каучука вступает в контакт с горячей водой, метилхлорид и остаточные изобутилен и изопрен переходят в парообразное состояние, в то время как бутилкаучук образует суспензию крупных частиц в горячей воде. Газообразные метилхлорид, изобутилен и изопрен отбирают из верхней части испарительного резервуара  вместе с водяным паром. После этого пары подвергают воздействию нескольких стадий переработки , в том числе высушиванию, сжатию и очистке, с получением основной массы в виде очищенной жидкости, которую отправляют на рецикл через линию  в поток исходного сырья . В горячую воду в испарительном резервуаре  загружают поток вещества, препятствующего агломерированию, (0,4-1,0 мас.%, в расчете на каучук, в виде смеси стеариновой кислоты и стеарата цинка) и стабилизатора (0,02-0,15 мас.% алкилированного дифениламина, алкилированного фениламина, алкилированного фенола, либо алкилированного фенилфосфита). Для нейтрализации остатков катализатора в горячую воду также загружают и поток гидроксида натрия . Суспензию крупных частиц каучука отделяют от основного количества воды  в результате процеживания на водоотделительном сите, а после этого последовательно подают на водоотделительный экструдер  и осушающий экструдер , где отжимают основное количество остаточной воды. В некоторых случаях после испарительного резервуара возможно использование одного либо нескольких дополнительных дегазаторов для дополнительного удаления остаточных летучих веществ перед отправлением каучука на водоотделительное сито. После выхода из осушающего экструдера  горячий сжатый каучук под действием водяного пара, образованного из остаточной воды, которая была нагрета под давлением, взрывается, превращаясь в рыхлую пористую крошку . Крошку  охлаждают, а остаточной воде дают возможность испариться на транспортере . После этого крошку  подают в упаковочные прессы , где ее спрессовывают в кипы, обертывают полиэтиленом в оберточной машине и складывают в штабеля для транспортирования.
50
55
56
57
58
59
55
55
60
58
55
60
63а
63b
62
60
61
50
55
65
56
58
60
58
56
66
66
На фигуре 2 изображена схематическая диаграмма первого варианта реализации аппарата, соответствующего настоящему изобретению. Аппарат предусматривает простую выгрузку суспензии каучука из реактора для получения бутилкаучука в испарительный резервуар. Реактор для получения бутилкаучука  через текучую среду сообщается с самоочищающимся двухшнековым экструдером с вращающимися в одном направлении шнеками с полным зацеплением , который включает пару шнеков , цилиндр , отверстие  в нижней части цилиндра и модуль привода , включающий двигатель и редуктор для вращения шнеков. Экструдер  для упрощения его изготовления может быть изготовлен посекционно и собран в единый модуль. Экструдер  проходит через испарительный резервуар  таким образом, что отверстие  располагается поблизости от середины испарительного резервуара. Экструдер  монтируют на испарительном резервуаре  с использованием сильфонных компенсаторов , , применяемых для нейтрализации температурных деформаций в аппарате. Уплотнения вращающихся валов  (показано только одно) для каждого шнека располагаются там, где валы шнеков выходят из испарительного резервуара, и они используются для предотвращения протечек паров либо доступа воздуха. Замкнутая верхняя часть испарительного резервуара  оснащена выпускным отверстием для линии газа , через которое из испарительного резервуара отбирают газообразный метилхлорид и газообразные остаточные мономеры изобутилен и изопрен. Суспензию каучука выпускают из верхней части реактора  и транспортируют через экструдер  с использованием набора нарезок  с уклоном, обеспечивающим перемещение суспензии в экструдере. Самоочищающее действие вращающихся в одном направлении шнеков с полным зацеплением предотвращает прилипание каучука к поверхностям внутри экструдера, тем самым предотвращая засорение экструдера. При достижении отверстия  суспензия каучука выпадает в испарительный резервуар  и вступает в контакт с горячей водой (не показана) в нижней части испарительного резервуара, в результате чего метилхлорид и остаточные мономеры изобутилен и изопрен переходят в парообразное состояние. Для предотвращения проскакивания суспензии каучука мимо отверстия  шнеки  включают комплект обратных нарезок  за отверстием. Обратные нарезки  имеют уклон, обеспечивающий выталкивание суспензии каучука обратно в экструдер и на выпуск через отверстие.
100
102
101
120
122
121
Для дополнительного описания пары вращающихся в одном направлении шнеков с полным зацеплением дается ссылка на фигуры 3А и 3В. Фигура 3А представляет собой горизонтальную проекцию секции шнеков, с использованием которых суспензию каучука транспортируют вдоль экструдера. Первый шнек  включает один либо несколько рабочих каналов, один из которых обозначен ссылочным номером , и первый комплект нарезок, при этом одна из нарезок обозначена ссылочным номером. Второй шнек  включает один либо несколько рабочих каналов, один из которых обозначен как, и второй комплект нарезок, при этом одна из нарезок обозначена ссылочным номером. В данном варианте реализации продемонстрирована двухзаходная конструкция. Подобное же действие можно получить и при использовании шнеков, имеющих один заход либо несколько заходов - более двух.
А-А
Два шнека находятся в зацеплении таким образом, что когда они вращаются, гребень одной нарезки на одном из шнеков очищает один из рабочих каналов другого шнека. Вращательное движение двух шнеков синхронизовано зубчатой передачей привода шнеков. Два комплекта нарезок находятся в полном зацеплении, так что гребень одной нарезки на одном комплекте нарезок очищает поверхность соседней нарезки на втором комплекте нарезок. Когда шнеки вращаются, в определенной осевой позиции очищающее действие поочередно проводится для первого и второго комплектов нарезок. Это более ясно можно видеть на фигуре 3В, которая представляет собой последовательность боковых проекций поперечных сечений двух шнеков фигуры 3А, полученных при сечении по плоскости  при нескольких различных положениях при вращении, то есть 0°, 15°, 33°, 45°, 57°, 65°, 90°, 105°, 125°, 135°, 147°, 155° и 180°. Из последующего обсуждения станет очевидно, что ссылочные номера, которыми обозначено любое одно положение при вращении, соответствующим образом также будут применимы и к другим положениям при вращении.
100
120
100
104
105
106
107
108
109
110
111
113
114
115
116
100
120
100
120
115
105
116
Если еще раз обратиться к фигуре 3В, то можно видеть, что поперечное сечение каждого шнека в общем случае включает три участка. Ссылка будет делаться на первый шнек , однако подобное описание также может быть использовано и для второго шнека . Если обратиться к положению при вращении 0°, то первый шнек  включает два коротких цилиндрических участка , , которые образуют нарезки, далее в теоретически правильном профиле еще два цилиндрических участка , , которые образуют впадины, и четыре в общем случае эллиптических участка , , , , которые образуют остальные участки рабочих каналов. На практике для удобства изготовления геометрия, в действительности, отличается от того, что теоретически правильно, но это представляет собой незначительный недостаток до тех пор, пока отклонение невелико. Если обратиться к положениям при вращении 33°, то видно, что имеются четыре точки перехода , , ,  между цилиндрическими участками нарезки и эллиптическими участками. Направление вращения шнеков показано стрелками внутри двух шнеков  и . В ходе вращения от положения при вращении 0° до положения при вращении 90° нижняя нарезка первого шнека  очищает рабочий канал второго шнека . Очищающее действие можно рассматривать как прохождение через три фазы. В первой фазе от 0° до 33° точка  на первом шнеке очищает рабочий канал второго шнека. Во второй фазе от 33° до 57° цилиндрический участок  на первом шнеке очищает впадину второго шнека. В третьей фазе от 57° до 90° точка  на первом шнеке очищает рабочий канал второго шнека.
120
100
113
114
104
100
120
А-А
Очевидно, что в ходе вращения от положения при вращении 90° до положения при вращении 180° верхняя нарезка на втором шнеке  очищает рабочий канал первого шнека  способом, подобным тому, что было описано выше. Также очевидно, что вращение между 180° и 270° и между 270° и 360° будет характеризоваться подобными картинами. Например, в ходе вращения между 180° и 270° точки ,  и цилиндрический участок  первого шнека  будут очищать рабочий канал второго шнека . Таким образом, цикл вращения шнеков на 360° можно рассматривать как четыре цикла по 90°, в которых первый и второй шнеки поочередно очищают друг друга. Тот же самый тип самоочищающего действия можно наблюдать в любом поперечном сечении  по всей длине шнеков.
Как указывалось ранее, гребни нарезки имеют цилиндрическую форму. Их диаметр таков, чтобы обеспечить просвет внутри цилиндрических участков цилиндра, и должна быть предусмотрена достаточная ширина, так чтобы обеспечить наличие соответствующей несущей поверхности для успешного проведения механической операции.
250
255
256
257
258
259
255
255
260
258
255
260
263а
263b
262
260
261
255
270
На фигуре 4 изображена схематическая диаграмма второго варианта реализации аппарата, соответствующего настоящему изобретению. Аппарат предусматривает как выпуск суспензии каучука из реактора для получения бутилкаучука в испарительный резервуар, так и отделение от каучука, по меньшей мере, части жидкой реакционной среды. Реактор для получения бутилкаучука  через текучую среду сообщается с самоочищающимся двухшнековым экструдером с вращающимися в одном направлении шнеками с полным зацеплением , который включает пару шнеков , цилиндр , отверстие  в нижней части цилиндра и модуль привода , включающий двигатель и редуктор для вращения шнеков. Экструдер  для облегчения его изготовления может быть изготовлен посекционно и собран в единый модуль. Экструдер  проходит через испарительный резервуар  таким образом, что отверстие  располагается поблизости от середины испарительного резервуара. Экструдер  монтируют на испарительном резервуаре  с использованием сильфонных компенсаторов , , применяемых для нейтрализации температурных деформаций в аппарате. Уплотнения вращающихся валов  (показано только одно) для каждого шнека располагаются там, где валы шнеков выходят из испарительного резервуара, и они используются для предотвращения протечек паров либо доступа воздуха. Замкнутая верхняя часть испарительного резервуара  оснащена выпускным отверстием для линии газа , через которое из испарительного резервуара отбирают газообразный метилхлорид и газообразные остаточные мономеры изобутилен и изопрен. Через текучую среду с экструдером  сообщается механический фильтр в виде двухшнекового экструдера с вращающимися в противоположном направлении шнеками с полным зацеплением .
250
255
265
265
267
255
258
265
268
256
Суспензию каучука выпускают из верхней части реактора  и транспортируют через экструдер  с использованием набора нарезок  с уклоном, обеспечивающим перемещение суспензии в экструдере, и с интервалом, обеспечивающим отжимание суспензии таким образом, чтобы фаза высоковязкого каучука транспортировалась бы дальше вдоль экструдера, в то время как низковязкая жидкая реакционная среда могла бы перетекать обратно через рабочие каналы шнеков. Рабочие каналы шнеков в двухшнековом экструдере с вращающимися в одном направлении шнеками с полным зацеплением описывают спиралевидную траекторию потока, по которой жидкая реакционная среда может оттекать обратно через экструдер. Комплект нарезок  может включать первую зону , в которой нарезки отстоят друг от друга на относительно большие интервалы для того, чтобы вместить относительно большой объем жидкой реакционной среды, протекающей через экструдер . Далее вдоль экструдера в направлении отверстия  комплект нарезок  включает вторую зону , в которой нарезки отстоят друг от друга на меньший интервал. Изменение шага нарезки в результате приводит к созданию градиента давления, в результате чего за счет отжимания происходит отделение жидкой реакционной среды. Таким образом, в экструдере осуществляется разделение между каучуком и реакционной средой. Самоочищающее действие вращающихся в одном направлении шнеков с полным зацеплением предотвращает прилипание каучука к поверхностям внутри экструдера, тем самым предотвращая засорение экструдера.
267
255
270
270
276,
277
278
279
270
255
270
270
255
270
270
278
В определенной точке на протяжении первой зоны  с двухшнековым экструдером с вращающимися в одном направлении шнеками  через текучую среду сообщается устройство для транспортирования, реализованное в варианте механического фильтра в виде двухшнекового экструдера с вращающимися в противоположных направлениях шнеками с полным зацеплением , например экструдера Mech Filt™ от компании NFM/Welding Engineers Inc. (Массильон, Огайо, США). Двухшнековый экструдер с вращающимися в противоположных направлениях шнеками включает пару шнековцилиндр , выпускное отверстие  в боку цилиндра и модуль привода , включающий двигатель и редуктор для вращения шнеков. Шнеки двухшнекового экструдера с вращающимися в противоположных направлениях шнеками  спроектированы для выталкивания каучука обратно в двухшнековый экструдер с вращающимися в одном направлении шнеками . Однако поскольку у двухшнекового экструдера с вращающимися в противоположных направлениях шнеками  просветы между шнеками и между нарезками шнеков и цилиндром меньше, низковязкая жидкость способна проходить вверх через экструдер , тогда как каучук этого сделать не может. Таким образом, каучук остается внутри экструдера , и он не может его покинуть через экструдер . Отделенную жидкую реакционную среду транспортируют в виде отводного потока и выпускают из двухшнекового экструдера с вращающимися в противоположных направлениях шнеками  через выпускное отверстие .
255
258
260
258
256
266
266
255
258
Каучук и остаточная жидкая реакционная среда, которые продолжали перемещаться через двухшнековый экструдер с вращающимися в одном направлении шнеками , в конечном счете достигают отверстия , выпадают в испарительный резервуар  и вступают в контакт с горячей водой (не показана) в нижней части испарительного резервуара, в результате чего метилхлорид и остаточные мономеры изобутилен и изопрен переходят в парообразное состояние. Для предотвращения проскакивания каучука мимо отверстия  шнеки  включают комплект обратных нарезок  за отверстием. Обратные нарезки  спроектированы для обеспечивания выталкивания суспензии каучука обратно в экструдер и на выпуск через отверстие .
300
318
320
301
320
321
312
302
302
303
305
306
310
315
316
317
318
320
300
310
311
312
302
305
Фигура 5 изображает один вариант реализации способа получения бутилкаучука в соответствии с настоящим изобретением, в котором жидкую реакционную среду направляют на рецикл обратно в реактор для получения бутилкаучука. Свежее исходное сырье  совместно с отправленными на рецикл веществами  поступает в систему для хранения и смешивания , которая функционирует при температуре, близкой к температуре окружающей среды. Смешанное исходное сырье , включающее мономеры изобутилен и изопрен в жидком метилхлориде в соотношениях, требуемых в соответствии со способом, транспортируют из системы для хранения и смешивания  в охладитель для исходного сырья , где смешанное исходное сырье охлаждают до менее чем приблизительно -90°С. После охлаждения смешанное исходное сырье объединяют с охлажденной выделенной жидкой реакционной средой из линии  с получением потока объединенного исходного сырья . Охлажденный поток объединенного исходного сырья  и охлажденный (ниже приблизительно -90°С) исходный поток катализатора , образуемый катализатором хлоридом алюминия в жидком метилхлориде, непрерывно подают в реактор , в котором полимеризация протекает при температуре, обычно выдерживаемой в диапазоне от приблизительно -90°С до приблизительно -98°С при помощи системы охлаждения , использующей испарение жидкого этилена. Суспензию каучука, полученную в ходе полимеризации, транспортируют в самоочищающийся двухшнековый экструдер с вращающимися в одном направлении шнеками с полным зацеплением , где в результате отжимания фазу каучука отделяют от жидкой реакционной среды. Остаточные метилхлорид и мономеры выпаривают из каучука в испарительном резервуаре под действием горячей воды при температуре, приблизительно равной 75°С. Пары метилхлорида и мономеров транспортируют через линию  и подвергают воздействию нескольких стадий переработки , в том числе высушиванию, сжатию и очистке, получая основную массу вещества в виде очищенной жидкости, которую отправляют на рецикл через линию  в систему для хранения и смешивания , где ее смешивают со свежим исходным сырьем . Охлажденную выделенную жидкую реакционную среду транспортируют в виде отводного потока из двухшнекового экструдера с вращающимися в одном направлении шнеками с полным зацеплением  под действием двухшнекового экструдера с вращающимися в противоположных направлениях шнеками с полным зацеплением , после этого транспортируют через линию  для объединения со смешанным исходным сырьем, получая поток объединенного исходного сырья , который поступает в реактор . Направление охлажденной жидкой реакционной среды на рецикл в результате приводит к меньшему потреблению энергии при охлаждении пониженного количества смешанного исходного сырья. Специалисту в данной области известны и другие признаки способа.
400
418
420
401
420
422
421
402
402
403
405
406
410
415
416
417
418
420
410
411
412
422
405
421
423
Фигура 6 изображает еще один вариант реализации способа получения бутилкаучука в соответствии с настоящим изобретением, в котором энергию холодной жидкой реакционной среды используют для охлаждения смешанного исходного сырья, образованного метилхлоридом и мономерами. Свежее исходное сырье  совместно с направленными на рецикл веществами  поступает в систему для хранения и смешивания , которая функционирует вблизи температуры окружающей среды. Смешанное исходное сырье , включающее мономеры изобутилен и изопрен в жидком метилхлориде в соотношениях, требуемых в соответствии со способом, транспортируют из системы для хранения и смешивания  в предварительный теплообменник , а после этого в конечный охладитель , где смешанное исходное сырье охлаждают до менее чем приблизительно -90°С с получением охлажденного потока смешанного исходного сырья . Охлажденный поток смешанного исходного сырья  и охлажденный (ниже приблизительно -90°С) исходный поток катализатора , образуемый катализатором хлоридом алюминия в метилхлориде, непрерывно подают в реактор , в котором полимеризация протекает при температуре, обычно выдерживаемой в диапазоне от приблизительно -90°С до приблизительно -98°С при помощи системы охлаждения , использующей испарение жидкого этилена. Суспензию каучука, полученную в ходе полимеризации, транспортируют в самоочищающийся двухшнековый экструдер с вращающимися в одном направлении шнеками с полным зацеплением , где в результате отжимания фазу каучука отделяют от жидкой реакционной среды. Остаточные метилхлорид и мономеры выпаривают из каучука в испарительном резервуаре под действием горячей воды при температуре, приблизительно равной 75°С. Пары метилхлорида и мономеров транспортируют через линию  и подвергают воздействию нескольких стадий переработки , в том числе высушиванию, сжатию и очистке, получая основную массу вещества в виде очищенной жидкости, которую направляют на рецикл через линию  в систему для хранения и смешивания . Холодную выделенную жидкую реакционную среду транспортируют в виде отводного потока из двухшнекового экструдера с вращающимися в одном направлении шнеками с полным зацеплением  под действием двухшнекового экструдера с вращающимися в противоположных направлениях шнеками с полным зацеплением  и транспортируют через линию  в предварительный теплообменник  для обеспечения существенного охлаждения смешанного исходного сырья. Таким образом, для охлаждения смешанного исходного сырья до того, как оно поступит в реактор , в теплообменнике, использующем жидкий этилен и выступающем в роли конечного охладителя , будет требоваться меньше энергии. После использования для содействия охлаждению смешанного исходного сырья выделенную жидкую реакционную среду транспортируют через линию  в испарительный резервуар, где летучие компоненты (например, метилхлорид и мономеры) переводят в парообразное состояние и направляют на рецикл так, как это было описано выше, тогда как нелетучие компоненты (например, олигомеры и низкомолекулярные полимерные компоненты) становятся частью каучука. Специалисту в данной области известны и другие признаки способа.
Способы настоящего изобретения можно использовать в промышленных либо полупромышленных (пилотных) масштабах, однако некоторые условия технологического процесса могут быть различными для реализации способа в промышленном и полупромышленном масштабах. В промышленном масштабе пропускная способность реактора может составлять величину порядка 12000 кг/час, в то время как в полупромышленном масштабе пропускная способность может быть равна приблизительно 8 кг/час. В смешанном исходном сырье соотношение между количествами метилхлорида и мономеров может составлять приблизительно 69:31 в промышленном масштабе, тогда как в полупромышленном масштабе данное соотношение может быть приблизительно равно 82:18. Концентрации метилхлорида, остаточных мономеров и каучука при выпуске из реактора в промышленном масштабе могут определяться соотношением, представляющим собой приблизительно 69:6:25 соответственно, в то время как в реакторе в полупромышленном масштабе данное соотношение может приблизительно составлять 82:6:12 соответственно.
Там, где жидкую реакционную среду отделяют от каучука в отжимающем сепараторе (например, в двухшнековом экструдере с вращающимися в одном направлении шнеками с полным зацеплением), концентрация твердой фазы на выпуске из экструдера может составлять приблизительно 68 мас.% как в промышленном, так и в полупромышленном масштабах. Поэтому в промышленном масштабе количество жидкости, отделяемой для направления на рецикл, может составлять приблизительно 84%, тогда как в полупромышленном масштабе количество жидкости, отделяемой для направления на рецикл, может быть равно приблизительно 94%. При условии, что количество жидкости, отделяемой для направления на рецикл, в промышленном масштабе может составлять приблизительно 84%, полное количество тепла, отводимое при охлаждении, в промышленном способе настоящего изобретения будет составлять приблизительно 70% от количества в обычно используемом промышленном способе. В случае варианта реализации, продемонстрированного на фигуре 5, дополнительная экономия возникает из уменьшения количества выпаренной реакционной среды, направленной на рецикл из испарительного резервуара.
Двухшнековый экструдер с вращающимися в одном направлении шнеками с полным зацеплением, в особенности подходящий для полупромышленного масштаба, может иметь 2-заходную конструкцию, характеризующуюся ходом нарезки, приблизительно равным 38 мм, диаметром шнека, приблизительно равным 24 мм, длиной экструдера, приблизительно равной 36 диаметрам, и скоростью вращения, приблизительно равной 100 об/мин.
Таким образом, при наличии конкретно описанного изобретения специалисту в данной области должно быть очевидно, что могут быть выполнены различные модификации, которые включаются в объем изобретения, представленного далее формулой изобретения.