СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА КАТИОННОГО КРАХМАЛА
METHOD OF PRODUCING CATIONIC STARCH

Изобретение относится к способу производства катионного крахмала и может быть использовано в целлюлозно-бумажной промышленности, в которой применяется катионный крахмал.
Известен способ производства ксантогената катионного крахмала в качестве добавки при производстве бумаги [US 4093510, 06.06.1978], первый этап которого подразумевает алкилирование крахмала, включающее внесение в суспензию крахмала сульфата натрия, растворов гидроксида натрия и 3-хлор-2-гидроксипропилтриметиламмония хлорида, выдерживание реакционной смеси в течение 6 часов при температуре 55°C и отделение готового продукта.
Данный способ характеризуется невысокой эффективностью использования алкилирующего реагента - 3-хлор-2-гидроксипропилтриметиламмония хлорида (63%), а также необходимостью дополнительного внесения антиклейстеризатора - сульфата натрия для поддержания достаточно высокой температуры выдерживания реакционной смеси.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ получения катионного крахмала [ЕР 0542236, 19.05.1993], включающий введение в нагретую до 44,6°C суспензию крахмала предварительно приготовленной в процессе подачи смеси 3-хлор-2-гидроксипропилтриметиламмония хлорида и гидроксида натрия, выдерживание реакционной смеси в течение 20 часов при 43,5°C, нейтрализацию, фильтрование, промывку и сушку готового продукта.
Недостатком данного способа является большая длительность его осуществления вследствие сравнительно невысокого уровня температуры выдерживания реакционной смеси.
Общим недостатком всех известных способов получения катионных крахмалов является образование значительных объемов сточных вод, образующихся при фильтровании суспензии полученного катионного крахмала. Указанные сточные воды отличатся высокими концентрациями растворимых солей, содержат часть алкилирующего реагента (в частности, 3-хлор-2-гидроксипропилтриметиламмония хлорида), непрореагировавшего с крахмалом, а также продукты гидролиза алкилирующего реагента (в частности, 2,3-дигидроксипропилтриметиламмония хлорид).
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в сокращении расхода реагентов и времени на производство катионного крахмала, повышении эффективности использования алкилирующего реагента, а также в снижении загрязнения окружающей среды.
Это достигается тем, что в способе производства катионного крахмала, включающем введение в водную суспензию крахмала предварительно приготовленной в процессе подачи смеси 3-хлор-2-гидроксипропилтриметиламмония хлорида и гидроксида натрия, нагревание и выдерживание реакционной смеси, нейтрализацию, фильтрование, промывку и сушку готового продукта, в отличие от прототипа для приготовления суспензии крахмала используют воды, полученные при фильтровании катионного крахмала предыдущего цикла производства, и в зависимости от количества циклов возврата ее нагревание осуществляют до температуры 45-55°С и длительность ее выдерживания устанавливают в пределах 6-8 часов.
Возврат с оборотными водами непрореагировавшей части алкилирующего реагента в реакционную смесь позволяет увеличить эффективность его использования. В каждом производственном цикле алкилирования крахмала при взаимодействии 3-хлор-2-гидроксипропилтриметиламмония хлорида и гидроксида натрия, а также при нейтрализации суспензии соляной кислотой образуется хлорид натрия, массовая доля которого достигает 1,3% от массы реакционной смеси. Таким образом, в результате использования оборотной воды концентрация хлорида натрия в каждом последующем цикле увеличивается на 1,3%. Постепенное накопление хлорида натрия, выполняющего роль антиклейстеризатора, позволяет увеличивать температуру выдерживания реакционной смеси, достигая уровня 55°C при массовой доле хлорида натрия 10% и выше. Соответственно можно уменьшить длительность осуществления процесса до 6-8 часов при сохранении максимального уровня эффективности использования алкилирующего реагента. Помимо этого организация замкнутого водооборота позволяет резко уменьшить количество образующихся сточных вод, подлежащих очистке.
Способ осуществляют следующим образом.
В реакторе готовят суспензию крахмала, используя при этом оборотные воды, полученные при фильтровании катионного крахмала предыдущего цикла производства. В суспензию вводят предварительно приготовленную в процессе подачи смесь 3-хлор-2-гидроксипропилтриметиламмония хлорида и гидроксида натрия. Полученную реакционную смесь выдерживают при значениях температуры и длительности, установленных в зависимости от содержания в ней хлорида натрия (таблица 1).
Таблица 1
Зависимость условий выдерживания реакционной смеси от содержания хлорида натрия
Массовая доля NaCl в реакционной смеси, %
Условия выдерживания реакционной смеси
температура, °C
длительность, ч
менее 5
45
8
5-10
50
7
свыше 10
55
6
Затем реакционную смесь нейтрализуют раствором соляной кислоты, фильтруют, готовый продукт отмывают и сушат.
Пример осуществления известного способа производства катионного крахмала.
В лабораторном реакторе готовили 40%-ную суспензию кукурузного крахмала, содержавшую 1000 г сухого кукурузного крахмала. Суспензию нагревали при перемешивании до температуры 44,6°C. Затем в смеситель одновременно подавали 92 мл 65%-ного раствора 3-хлор-2-гидроксипропилтриметиламмония хлорида и 94 мл 20%-ного раствора гидроксида натрия с таким расчетом, чтобы последующее введение в суспензию образующегося на этом этапе 2,3-эпоксипропилтриметиламмония хлорида происходило спустя 4-7 секунд после образования. Смесь выдерживали при перемешивании в течение 20 часов при температуре 43,5°C в термостате, после чего в суспензию подавали 10%-ный раствор соляной кислоты до рН 8. Затем крахмал подавали на фильтрацию, промывку и сушку до заданного содержания влаги. Содержание связанного азота - 0,33%. Значение степени использования 3-хлор-2-гидроксипропилтриметиламмония хлорида в реакции алкилирования крахмала - 63,88%.
Пример осуществления заявляемого способа производства катионного крахмала.
В лабораторном реакторе готовили 40%-ную суспензию кукурузного крахмала, содержавшую 1000 г сухого кукурузного крахмала. Затем в смеситель одновременно подавали 92 мл 65%-ного раствора 3-хлор-2-гидроксипропилтриметиламмония хлорида и 94 мл 20%-ного раствора гидроксида натрия с таким расчетом, чтобы последующее введение в суспензию образующегося на этом этапе 2,3-эпоксипропилтриметиламмония хлорида происходило спустя 4-7 секунд после образования. Смесь выдерживали, перемешивая, в течение 8 часов при температуре 45°C в термостате, после чего в суспензию подавали 10%-ный раствор соляной кислоты до рН 8. Затем крахмал подавали на фильтрацию, промывку и сушку до заданного содержания влаги.
Описанный способ был воспроизведен еще 8 раз. При этом для приготовления суспензии крахмала использовали оборотные воды, полученные при фильтровании катионного крахмала предыдущего цикла. Содержание хлорида натрия в реакционной смеси, условия ее выдерживания, а также содержание связанного азота в катионном крахмале (ω) и полученные степени использования 3-хлор-2-гидроксипропилтриметиламмония хлорида (η) при проведении всех девяти опытов приведены в таблице 2.
Таблица 2
Условия и результаты осуществления заявляемого способа
№
Массовая доля NaCl в реакционной смеси, %
Условия выдерживания реакционной смеси
ω, %
η, %
температура, °C
длительность, ч
1
0,8
45
8
0,4
77,4
2
2,1
45
8
0,415
80,34
3
3,4
45
8
0,421
81,5
4
4,7
45
8
0,426
82,47
5
6,0
50
7
0,43
83,24
6
7,3
50
7
0,436
84,4
7
8,6
50
7
0,441
85,37
8
9,9
50
7
0,445
86,15
9
11,2
55
6
0,451
87,3
Технический результат изобретения заключается в сокращении длительности процесса производства катионного крахмала до 6-8 часов за счет увеличения температуры выдерживания реакционной смеси до 45-55°C без дополнительного внесения антиклейстеризаторов, повышении степени использования применяемого алкилирующего реагента (3-хлор-2-гидроксипропилтриметиламмония хлорида) на 30% за счет возвращения непрореагировавшей его части в суспензию крахмала, а также в снижении загрязнения окружающей среды за счет создания системы замкнутого водооборота.