Введение к работе
Актуальность работы
Синтез бутилкаучука - продукта катионной сополимеризации изобутилена с изопреном - в настоящее время реализуется при низких температурах (163 -г-173 K) в реакторах смешения. Следует отметить, что катионная сополимеризация изобутилена с изопреном протекает с большой скоростью в ограниченном реакционном объеме в виде факела с неравномерным распределением температур и концентраций компонентов реакционной массы. Время протекания элементарных реакций инициирования и роста цепей при катионной сополимеризации изобутилена с изопреном значительно меньше времени, необходимого для гомогенизации реакционной массы. Кроме того, низкомолекулярные фракции бутилкаучука налипают на охлаждающие поверхности реактора, что приводит к снижению коэффициента теплопередачи и уменьшению времени работы реактора.
В связи с этим, перспективной становится разработка более эффективных, чем существующие в настоящее время, технологических реализаций процесса синтеза бутилкаучука в промышленности. Процесс синтеза бутилкаучука относится к кинетически быстрым процессам (константы скоростей реакций инициирования и роста цепей составляют порядка 10 л/(мольс) при температурах около 200 K). Последнее поколение реакторов для проведения кинетически быстрых полимеризационных и сополимеризационных процессов - это трубчатые турбулентные реакторы, разработка которых проводилась в рамках исследований академика А.А. Берлина, Ю.А. Прочухана, Г.Г. Алексаняна, В.П. Захарова и др.
Поэтому актуальность работы обусловлена проведением исследований, направленных на изучение особенностей реализации процесса синтеза бутилкаучука в трубчатом турбулентном реакторе.
Цель работы
Цель работы - установление теоретических закономерностей процесса синтеза бутилкаучука в трубчатом турбулентном реакторе.
Для достижения поставленной цели в диссертации были решены следующие задачи.
-
Разработка кинетической модели процесса синтеза бутилкаучука (катализатор - трихлорид алюминия, растворитель - метилхлорид1). Проверка адекватности модели.
-
Определение температурных зависимостей неизвестных констант скоростей элементарных реакций процесса синтеза бутилкаучука в рамках разработанной кинетической модели.
-
Разработка теоретического описания взаимосвязанных процессов химического превращения и теплообмена с учетом гидродинамики в трубчатом турбулент-
1 Выбор в качестве катализатора и растворителя трихлорида алюминия и метилхлорида, соответственно, обусловлен использованием этих веществ в промышленном синтезе бутилкаучука. При описании выполненных исследований здесь и далее имеется в виду, что в процессе катионной со-полимеризации изобутилена с изопреном катализатором является трихлорид алюминия, растворителем – метилхлорид.
ном реакторе для синтеза бутилкаучука. Проверка адекватности разработанного теоретического описания.
4. Оценка влияния физических (температурное поле в реакторе, средняя скорость движения реакционной массы), химических (поля концентраций компонентов реакционной массы) и конструктивных (геометрия трубчатого турбулентного реактора) факторов на молекулярно-массовые характеристики и определяемые ими свойства бутилкаучука и полимерных материалов на его основе.
Научная новизна
-
В рамках кинетического подхода разработана адекватная модель кинетики синтеза бутилкаучука.
-
При решении обратной кинетической задачи определены температурные зависимости неизвестных констант скоростей элементарных реакций процесса синтеза бутилкаучука.
-
На основе теории цепей Маркова аналитически выведена зависимость среднечисленной молекулярной массы бутилкаучука от констант элементарных реакций и концентраций реагентов. При помощи выведенной зависимости определялись константы скоростей реакций передачи и обрыва цепей на одном из этапов решения обратной кинетической задачи.
-
Разработано адекватное теоретическое описание взаимосвязанных процессов химического превращения и теплообмена с учетом гидродинамики при синтезе бутилкаучука в трубчатом турбулентном реакторе. С использованием разработанного теоретического описания проведена оценка влияния средней скорости движения реакционной массы, гидродинамических условий, концентрационного и температурного полей в трубчатом турбулентном реакторе на молекулярно-массовые характеристики и определяемые ими свойства (вязкость по Муни, разрушающее напряжение при растяжении) бутилкаучука и серных вулканизатов на его основе (содержание серы 2% масс.).
Практическая значимость работы
Материалы работы могут:
-
найти практическое применение при проектировании производства бутил-каучука на основе трубчатых турбулентных реакторов цилиндрического (рассматриваемого в данной работе) и диффузор-конфузорного типов (в этом случае полученные теоретические закономерности фактически остаются неизменными, но усложняются граничные условия в зависимости от числа и размеров секций);
-
использоваться как научный фундамент экспертной системы технологического процесса, которая позволит оценивать влияние физических, химических и конструктивных факторов на молекулярно-массовые характеристики и определяемые ими свойства бутилкаучука и серных вулканизатов на его основе.
Достоверность научных положений и результатов работы
Достоверность научных положений и результатов работы обусловлена их согласованием с результатами известных экспериментальных исследований.
Личный вклад
Автору принадлежит решающая роль в выборе методов исследований и проведении всех теоретических работ по решению поставленных задач, интерпретации результатов, формулировке выводов и подготовке публикаций.
Апробация результатов
Результаты работы были представлены на: Международной конференции «Композит-2013» (Саратов, 2013), IV Международной школе-конференции для аспирантов и молодых ученых (Уфа, 2013), IV Международной конференции «Biomaterials And Nanobiomaterials: Recent Advances Safety-Toxicology and Ecology Issues» (Heraclion, 2013), Всероссийской научной конференции, посвященной 50-летию Башкирского государственного университета (Уфа, 2013).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 14 статей, в том числе 5 статей в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК для размещения материалов диссертаций; 9 статей в сборниках трудов конференций.
Структура и объем работы
Диссертация изложена на 155 страницах, содержит 27 рисунков и 5 таблиц, состоит из введения, четырех глав, заключения, основных результатов и выводов, списка литературы, насчитывающего 144 наименования.
