Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 11
1.1. Способы проведения полимеризации при получении водорастворимых полимеров на основе акриламида 11
1.2 Аппаратурно-технологическое оформление процессов синтеза полимеров акрилового ряда 20
1.3. Математическое моделирование тепло- и массопереноса в процессе сушки 33
1.3.1. Дифференциальные уравнения тепло- и массопереноса 33
1.3.2. Основные закономерности массопереноса 35
1.3.3. Внешний тепломассообмен 40
1.4. Выводы по литературному обзору и постановка задачи исследований 43
Глава 2. Математическое моделирование процесса сушки полиакриламидного геля 45
2.1. Математическое моделирование процесса сушки форполимера акриламида 46
2.2. Математическое моделирование процесса сушки полиакриламидного геля содержащего сульфат аммония 54
2.3. Математическая модель сушки полиакриламидного геля, содержащего сульфат аммония, в терморадиационной сушилке 68
Глава 3. Экспериментальные исследования процесса получения сухого полиакриламида 73
3.1. Исследование процесса синтеза полиакриламидного геля 73
3.2. Исследование процесса синерезиса полиакриламидного геля 82
3.3. Исследование процесса сушки полиакриламидного геля 86
3.3.1 Исследование кинетики сушки 86
3.3.2. Исследование кинетики выноса сульфата аммония из материала 90
3.4. Определение параметров математической модели процесса сушки геля полиакриламида 97
3.4.1. Определение коэффициента влагопроводности 97
3.4.2. Определение парциального давления водяных паров у поверхности материала 100
3.4.3. Определение коэффициента теплоотдачи 103
Глава 4. Аппаратурно - технологическое оформление и методика расчета процесса производства полиакриламида в сухой выпускной форме 107
4.1. Аппаратурно - технологическое оформление процесса производства сухого полиакриламида 107
4.2. Методика расчета сушильной камеры 114
4.3. Методика расчета термостатирующей камеры 118
4.4. Получение полиакриламида в сухой форме на пилотной установке 120
Выводы 124
Список литературы 125
Приложения 135
- Аппаратурно-технологическое оформление процессов синтеза полимеров акрилового ряда
- Математическое моделирование процесса сушки полиакриламидного геля содержащего сульфат аммония
- Определение параметров математической модели процесса сушки геля полиакриламида
- Получение полиакриламида в сухой форме на пилотной установке
Введение к работе
Водорастворимые (со)полимеры на основе акриламида находят широкое применение в различных областях техники и технологии [1]. Они используются как высокоэффективные флокулянты для очистки природных и сточных вод, как добавки в качестве связующего вещества в бумажную массу, что улучшает структуру и свойства бумажного листа и поверхности бумаги. Сополимеры на основе акриламида находят применение в качестве селективного флокулянта при добычи и обогащении руд и регенерации ценных полезных ископаемых. Одно из важнейших применений водорастворимые полимеры акриламида получили в нефтедобывающей промышленности в качестве стабилизаторов буровых растворов, структурообразователей почв с целью укрепления стенок скважины, загустителей закачиваемой в пласт воды, что способствует лучшему вытеснению нефти из пористых слоев. Полимеры акриламида применяются как добавки к воде для уменьшения гидравлического сопротивления, возникающего при ее перемещении, что используется в пожарной технике для увеличения дальнобойности выброса струи из брандспойтов, на флоте для повышения скорости движения судов и подводных лодок, в нефте- и газодобывающей промышленности для ускорения бурения скважин, для снижения энергозатрат при перекачки суспензий по трубопроводам и т.д.
Растущие потребности в водорастворимых полимерах акрилового ряда обуславливают интерес исследователей к проблеме синтеза этих соединений, что в итоге позволяет решать задачи повышения производительности оборудования предприятий, специализирующихся на их выпуске, поиска путей улучшения качества готовой продукции, разработки новых высокоэффективных технологических процессов синтеза этих веществ.
Наиболее распространенным способом получения полиакриламида является гомогенная полимеризация акриламида в его водном растворе, полученном сернокислотной гидратацией акрилонитрила. По данной технологии готовая продукция представляет собой 6-8 %-й полиакриламид-
гель, содержащий в значительных количествах или сульфат аммония, или сульфат натрия. Полимеризация проводится в емкостных реакторах с рубашкой и мешалкой по радикальному механизму с использованием инициирующей системы персульфат аммония - сульфит натрия.
Преимуществами данной технологии является простота технологического оборудования и организации процесса, экологически чистый способ синтеза мономера и проведения процесса полимеризации, низкие энергозатраты. Недостатками данной схемы является низкое содержание основного вещества в продукте, значительное количество примесей в виде сульфата аммония или сульфата натрия, высокая адгезионная способность полиакриламид-геля.
Сухой полиакриламид обладает рядом преимуществ по сравнению с продукцией, получаемой в виде гелей, наиболее важными из которых являются экономичность транспортировки и простота эксплуатации. Для удаления влаги из полиакриламидной массы используются сушилки различных типов: барабанные, ленточные, сушилки с кипящим слоем и т. п. Качество готовой продукции в значительной степени зависит от особенностей проведения процесса сушки: способа подвода тепла, структуры и формы обрабатываемого материала, организации движения потоков материала и сушильного агента.
Данная работа включает в себя экспериментальные и теоретические
исследования процессов, осуществляемых с целью получения сухого
водорастворимого полиакриламида, обладающего требуемыми
потребительскими свойствами, из водного раствора акриламида, полученного сернокислотной гидратацией акрилонитрила.
Объект исследования: трехкомпонентные растворы акриламид - сульфат аммония - вода и полиакриламидный гель.
Цель работы. Разработка энергосберегающего технологического процесса получения водорастворимого полиакриламида в сухой выпускной форме из трехкомпонентных растворов акриламид - сульфат аммония - вода.
Научная новизна.
Исследовано влияние концентрации инициаторов и температуры на скорость протекания процесса полимеризации в трехкомпонентных растворах акриламид - сульфат аммония - вода и на молекулярную массу образующегося полимера.
Обнаружено явление синерезиса полимерного геля, полученного при полимеризации акриламида в трехкомпонентных растворах повышенных концентраций, и описаны его закономерности.
Выполнено экспериментальное исследование процесса сушки полиакриламидного геля, сопровождающегося выносом водорастворимой соли на поверхность материала, позволившее выявить и описать его кинетические закономерности.
Разработана математическая модель процесса сушки полимерного геля, содержащего водорастворимое вещество.
Практическая ценность.
Разработан энергосберегающий процесс получения водорастворимого полиакриламида в сухой выпускной форме, включающий новую технологическую операцию - синерезис полиакриламидного геля.
Выявлены значения режимно-технологических параметров процесса получения водорастворимого полиакриламида в сухой выпускной форме с требуемым комплексом свойств.
Разработаны методика расчета оборудования для обезвоживания полиакриламидного геля и программное обеспечение для ее реализации.
Предложено аппаратурно-технологическое оформление непрерывного процесса получения сухого водорастворимого полиакриламида из трехкомпонентного раствора акриламид - сульфат аммония - вода.
Выполнен расчет установки непрерывного действия для получения полиакриламидного коагулянта.
6. Разработанные методика расчета и программное обеспечение приняты к использованию в ЗАО "Дзержинская химическая компания", г.Дзержинск.
Автор защищает.
Технологию синтеза полиакриламида в трехкомпонентных водных растворах с получением продукта в твердой выпускной форме.
Результаты экспериментальных исследований процессов синтеза, синерезиса и сушки полиакриламидного геля.
Математическую модель процесса сушки полимерного геля, сопровождающегося выносом водорастворимого вещества на поверхность материала.
Результаты численного эксперимента по моделированию процесса сушки полиакриламидного геля в сушильной камере с радиационно-конвективным подводом теплоты.
Публикации.
Материалы, изложенные в диссертации, нашли отражение в 10 опубликованных печатных работах.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 141 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков и 2 таблицы. Список литературы включает 92 наименования.
Аппаратурно-технологическое оформление процессов синтеза полимеров акрилового ряда
Создание и выбор аппаратурно-технологического оформления находится в прямой зависимости от способов синтеза (со)полимеров.
Исторически первым, наиболее простым и экологически чистым методом получения акриламидных полимеров является гомогенная полимеризация акриламида в водных растворах. Полимеры, синтезируемые этим методом, получают в виде гелей с различной концентрацией полимера. В случае необходимости сухой полимер из них можно выделить осаждением органическими растворителями, сушкой предварительно измельченного геля или азеотропной отгонкой воды с органическими растворителями. В большинстве случаев стадия выделения полимера отсутствует, и гели полиакриламида используют как товарный продукт.
Для полимеризации акриламида в разбавленных водных растворах используют реактор, представляющий собой емкостной аппарат с рубашкой и мешалкой. Полимеризацию начинают при 20-25 С. По мере протекания реакции температура достигает 35-45 С. После окончания синтеза реакционная масса выдавливается из реактора.
Получение полимеров периодическим методом в среде растворителей имеет существенные недостатки: многостадийность процессов, большое число ручных операций. Наиболее экономичным в этом отношении является процесс получения полимеров в концентрированном водном растворе по непрерывной схеме при практически полном отсутствии отходов.
(Со)полимеризацию акриламида в высококонцентрированных водных растворах можно проводить в тонких слоях, нанесенных на стальную пластинку или движущуюся ленту. Для уменьшения адгезии полимера к подложке в исходный реакционный раствор добавляют поверхностно-активные вещества, пропанол-2, глицерин и плохо совмещающиеся с полиакриламидом полиэфиры или предварительно покрывают стальную ленту пленкой на основе фторсодержащих полимеров. Инициирование полимеризации осуществляется вещественными инициаторами, у- и ультрафиолетовым излучением.
Разработан способ получения сополимера натриевой соли и амида метакриловой кислоты на плосколенточной установке непрерывного действия [19 - 20]. Процесс включает стадии смешения компонентов, полимеризации, сушки и упаковывания. Исходные компоненты смешиваются при 60 С и непрерывно поступают в зазор, образованный двумя бесконечными металлическими лентами, покрытыми полимерным материалом, и двумя бесконечными прокладками, установленными на краях лент. Металлические ленты перемещаются в одном направлении с одинаковой скоростью между зон обогрева. Одновременная подача двух непрерывных полимерных уплотнений в зазор между металлическими лентами транспортеров обеспечивает их контакт с противоположными лентами транспортеров с образованием герметичной полости, объем которой регулируется с помощью специальных устройств. В зоне нагрева происходит полимеризация исходной мономерной смеси с образованием стекловидного листа. После выхода из плосколенточной установки полимерный лист разрезается продольными и поперечными дисковыми ножами на гранулы, поступающие затем в комбинированную сушилку непрерывного действия.
При проведении фотоинициируемой полимеризации водный раствор акриламида, освобожденный от кислорода, содержащий фотосенсибилизатор и другие необходимые добавки, пропускают через колонный аппарат, охлаждаемый снаружи водой. В зоне, облучаемой ртутной лампой, раствор движется в виде слоя небольшой толщины в течение «15 мин. Реакционная смесь при этом приобретает консистенцию пластичной пленки, которая может быть пропущена через вторую зону облучения, после чего ее измельчают и сушат. Получаемые таким образом полиакриламид и сополимеры акриламида хорошо растворяются и имеют низкое содержание остаточного мономера.
Для получения (со)полимеров акриламида и его производных в концентрированных водных растворах можно использовать герметичный цилиндрический аппарат, снабженный поршнем, перемещающимся вдоль оси аппарата [21]. Образующийся полимер выдавливается поршнем из реактора и затем поступает на дробление и сушку. Основным недостатком конструкции является налипание материала на поршень.
Процесс с радиационным инициированием является разновидностью гомогенной полимеризации акриламида в концентрированных водных растворах, осуществимой в промышленных условиях. Получение хорошо растворимых в воде и обладающих хорошими эксплуатационными свойствами полимеров достигается путем введения в реакционную смесь различных добавок (аммиака, гидроксидов щелочных металлов, солей, аминов и др.). Главным достоинством метода является возможность регулирования скорости инициирования по ходу реакции, а, следовательно, скорости процесса в целом и молекулярной массы полимера. Причины, препятствующие широкому внедрению метода, заключаются в усложнении аппаратурного оформления и необходимости радиационной защиты.
Одним из способов проведения процесса в высококонцентрированных растворах акриламида является его осуществление в адиабатическом режиме. В этом случае повышение температуры синтеза при высоких конверсиях способствует снижению вязкости и увеличению подвижности макромолекул, что в благоприятных условиях ограничивает действие диффузионного фактора, интенсифицирует протекание реакций передачи цепи на низкомолекулярные компоненты реакционной смеси и обеспечивает сохранение растворимости получающихся концентрированных гелей. (Со)полимеризацию акриламида в адиабатическом режиме проводят в 20-35 %-ных водных растворах в реакторе из нержавеющей стали с мешалкой. Для уменьшения адгезии полимера к стенкам и улучшения выгрузки полимера внутреннюю поверхность реактора полируют или покрывают синтетическими материалами и смазками (силиконовое и вазелиновое масла, полиэфирный воск, парафин и высшие алифатические кислоты), кроме того, возможно введение в реакционную смесь 0,1-5 % полиэтиленгликоля, солей жирных кислот или 0,2-2 % от акриламида сульфата аммония. Можно проводить адиабатическую полимеризацию акриламида в 20-30 %-ных растворах в мешках из синтетического материала.
Поскольку в условиях адиабатической полимеризации температура реакционной массы может достигать 100 С и более, и полимер выдерживается при этом длительное время (до 20 ч), для предотвращения гидролиза полимера процесс проводят в присутствии солей аммония и аминов, моно-, ди- и триэтаноламинов и др. С этой же целью иногда полимеризацию начинают при низкой температуре- 10 С, или после достижения максимальной температуры раствор полимера резко охлаждают, выгружая в лед.
В настоящее время обширные исследования проводятся в области фронтальной полимеризации. Полимеризация в адиабатическом режиме или в условиях распространения фронта тепловых волн является наиболее простым способом формования изделий различной геометрии непосредственно в ходе синтеза полимера и путем получения полимерных композитов с необходимыми свойствами. Идея автоволновых процессов в применении к полимеризации была впервые продемонстрирована в работе [22] на примере радикальной полимеризации метилметакрилата при повышенном давлении. При проведении фронтальных процессов в условиях распространения тепловой волны плоский фронт превращения создает наиболее благоприятные условия для получения монолитных изделий.
Математическое моделирование процесса сушки полиакриламидного геля содержащего сульфат аммония
При сушке полиакриламида, синтезированного из водного раствора мономера, содержащего сульфат аммония, наблюдается кристаллизация последнего на поверхности материала [60 - 61]. На основании анализа результатов экспериментальных исследований принята следующая физическая картина процесса. Полиакриламидный гель представляет собой полимерную матрицу, заполненную раствором сульфата аммония. За счет испарения влаги с поверхности, возникает градиент концентрации раствора сульфата аммония внутри полимерной матрицы и как следствие движение раствора из внутренних слоев к поверхности материала. Поскольку в окружающую газовую среду переходит только один компонент раствора (вода в виде водных паров), концентрация растворенного вещества в поверхностном слое увеличивается. Вследствие этого возникает диффузионный поток водорастворимого компонента, направление которого противоположно потоку влаги. В определенный момент времени в поверхностном слое материала образуется пересыщенный раствор, из которого начинает выделяться кристаллическая фаза. При составлении математической модели принималось допущение о том, что кристаллизация протекает только на поверхности материала, так как образование пересыщенного раствора во внутренних слоях полимера наблюдалось только при глубокой сушке, что не входило в задачу исследований.
Целью моделирования является изучение эволюции параметров процесса и выявление условий, при которых на поверхность выносится максимальное количество вещества. Уравнение переноса массы и теплоты имеют вид:
Перенос влаги внутри материала характеризуется уравнением (2.23). Уравнение (2.24) описывает перенос водорастворимого вещества к полимерной матрице. Первое слагаемое правой части характеризует изменение концентрации вещества вследствие молекулярной диффузии, а второе слагаемое изменение концентрации вследствие спутного движения молекул соли и растворителя (воды), то есть обусловлено перемещением раствора. Уравнение (2.25) характеризует перенос теплоты внутри материала. Здесь U - влагосодержание материала, кг вл./кг полимера; С - концентрация водорастворимого вещества (А); кг А/кг полимера; t - температура С; R -полутолщина образца; Du, Dc, at, коэффициенты влагопроводности, диффузии компонента А и температуропроводности, соответственно (м /с); Эта система уравнений решается при следующих условиях: Начальные условия: Условия симметрии:
Здесь Pc - парциальное давление водяных паров в окружающей среде; Івл, JA, q- массовые потоки влаги с поверхности и выносимого на поверхность вещества, тепловой поток; Ф(АУ) - функция Хэвисайда; AY=Y(R, т)-УнаС(и11, т)); Р, а - коэффициенты массоотдачи и теплоотдачи; X - коэффициент теплопроводности.
Распределения концентраций и температуры по толщине материала в начальный момент времени полагаются равномерными. Соотношения (2.27) являются условиями симметрии полей влагосодержания, концентрации соли и температуры.
В граничном условии (2.28) для уравнения (2.23) левая часть представляет собой удельный поток влаги со стороны материала к поверхности, а правая удельный поток с поверхности в окружающую среду (рис.2.2.1).
В граничном условии (2.29) для уравнения (2.24) первый член левой части характеризует диффузионный поток соли из поверхностного слоя в глубь материала, обусловленный градиентом концентрации соли в полимерной матрице. Второй член левой части представляет собой поток соли, обусловленный движением раствора к поверхности. Правая часть характеризует поток соли переходящий в кристаллическую фазу. Функция Хэвисайда определена следующим образом:
Переход соли в кристаллическую фазу на поверхности материала учитывается в граничном условии только при наличии пресыщенного раствора у поверхности ( АУ 0).
Относительная массовая концентрация растворенного вещества у поверхности материала: C(R,x) YHac(t(R,t)) - концентрация насыщенного раствора при температуре поверхности материала.
Парциальное давление водяных паров над поверхностью полимера определялось по формуле: где Рн.п. - давление насыщенных паров воды при температуре поверхности материала.
Коэффициент, учитывающий понижение давления паров воды над поверхностью материала по сравнению с давлением насыщенных паров вследствие уменьшения влагосодержания поверхностного слоя U(R,T), определялся по формуле: где Унач. - содержание соли в полимере в начальный момент времени, [юг соли/кг полимера]. Коэффициент влагопроводности вычисляется по эмпирической формуле:
Решение данной системы уравнений проводим методом конечных разностей. На первом этапе осуществляем дискретизацию искомых функций и независимых аргументов в пределах рассматриваемой области их изменения.
Определение параметров математической модели процесса сушки геля полиакриламида
Для определения вязкости бралась навеска полученного полимера, и готовился 0,25%-ный водный раствор. С помощью вискозиметра ВГГЖ-2 (с подвешенным уровнем) измерялось время истечения раствора, а затем рассчитывалась вязкость.
На рисунках 3.1.1. - 3.1.5. представлены результаты опытов по исследованию процесса полимеризации с инициирующей системой ПСА-СН в виде кривых, характеризующих зависимости время перехода реакционной массы в каучукоподобное состояние и вязкости 0,25%-ного раствора от значений режимных параметров. На рис. 3.1.1. приведены зависимости времени перехода реакционной массы в высокоэластичное состояние (в изотермических условиях t = 25 С) и вязкости 0,25%-ного раствора от концентрации сульфита натрия (СН) при фиксированной концентрации персульфата аммония СШПСА-0,00085 моль/л. Концентрация СН варьировалась от 0,00031 до 0,0039 моль/л. Из анализа этих кривых следует, что увеличение концентрации СН с 0,00031 до 0,0013 моль/л приводит к уменьшению времени процесса полимеризации в 2,3 раза (с 960 до 420 секунд). При этом вязкость несколько возрастает. Дальнейшее увеличение концентрации СН с 0,0013 до 0,0039 моль/л не приводит к существенному ускорению процесса. Вместе с тем вязкость монотонно снижается. Полученные данные позволяют рекомендовать мольное соотношение инициаторов 1:1.
На рис. 3.1.2. приведены зависимости времени перехода реакционной массы в высокоэластичное состояние (в изотермических условиях Н25 С) и вязкости от общей концентрации инициаторов при их мольном соотношении 1:1.
Анализ данных этого графика показывает, что увеличение общей концентрации инициаторов с 0,0013 до 0,0021 моль/л приводит к уменьшению длительности процесса в 2,6 раза. При этом вязкость раствора уменьшается с 4,8 до 4,37 сСт. Причем увеличение общей концентрации инициаторов свыше 0,0017 моль/л не существенно влияет на длительность процесса и на уменьшение вязкости раствора. Таким образом, увеличение общей концентрации инициаторов свыше 0,0017 моль/л не рационально. Графики рисунков 3.1.3. - 3.1.5. характеризуют влияние температуры на длительность процесса и вязкость получаемого полимера. Концентрация ПСА в опытах имела значение 0,00085 моль/л, а СН - 0,0039 моль/л. На рис. 3.1.3. изображена зависимость времени перехода реакционной массы в высокоэластичное состояние от температуры процесса при фиксированных концентрациях инициаторов. График показывает, что увеличение температуры с 18 до 35 С приводит к уменьшению времени с 370 до 280 секунд.
График зависимости вязкости 0,25%-ного раствора полимера от температуры проведения полимеризации, приведенный на рисунке 3.1.4, свидетельствует о негативном влиянии увеличения температуры на важнейший показатель качества - вязкость продукта. Вязкость уменьшается с 2 до 1,8 сСт.
На рис 3.1.5. приведена зависимость вязкости 0,25%-ного раствора, приготовленного из навески полимера взятого после сушки, от температуры процесса полимеризации.
Сравнение зависимостей на рис. 3.1.4. и 3.1.5. позволяет говорить о том, что величина молекулярной массы полимера определяется условиями проведения синтеза в реакторе. Характер влияния температуры синтеза на вязкость 0,25%-ного водного раствора высушенных образцов остается тем же что и до сушки. Однако процесс полимеризации продолжает протекать и во время сушки образцов.
Таким образом, исходя из вышеизложенного, можно сказать, что оптимальными значениями параметров проведения процесса полимеризации являются следующие: мольное соотношение инициаторов 1: 1; общая концентрация инициаторов 0,0017 моль/л (или СтпсА=Сшсн=0,00085 моль/л); температура t=25 С.
Одним из важных показателей качества готового продукта в сухой выпускной форме является время его растворения в воде. Образцы сухого полиакриламида полученного полимеризацией, инициируемой окислительно-восстановительной системой ПСА-СН, обладали низкой скоростью растворения, что объясняется реакциями сшивки, протекающими в ходе полимеризации. С целью получения сухого полиакриламида, обладающего удовлетворительной скоростью растворения, проведено исследование процесса полимеризации акриламида, инициируемого окислительно-восстановительной системой персульфат калия - гидросульфит натрия (ПСК-ГСН) а также одним персульфатом калия.
На рисунке 3.1.6 представлены результаты эксперимента по полимеризации акриламида в водном растворе, содержащем сульфат аммония с использованием в качестве инициатора ПСК при температуре процесса 45 С.
Из графиков рисунка 3.1.6 видно, что вязкость 0,25%-ного раствора полиакриламида, полученного в данном эксперименте, возрастает незначительно с уменьшением концентрации персульфата калия в реакционной массе до значения 0,0017 моль/л. При дальнейшем уменьшении содержания ПСК в реакционной массе наблюдается резкое повышения вязкости 0,25%-ного раствора полиакриламида с 2,18 сСт до 2,719 сСт. При уменьшении концентрации ПСК с 0,0044 до 0,00089 моль/л время образования каучукоподобной массы повышается с 360 до 540 секунд. При концентрации ПСК, понижающейся с 0,00089 моль/л до 0,000445 моль/л, наблюдается резкое возрастание времени образования каучукоподобной массы с 540 до 1020 сек. Из анализа графиков можно заключить, что для инициирования реакции полимеризации целесообразное количество ПСК в реакционной массе должно иметь значение, близкое 0,00089 моль/л.
На рисунке 3.1.7 представлены результаты исследования полимеризации акриламида с использованием инициирующей системы ПСК-ГСН при температуре проведения процесса 30 С. При проведении опытов концентрация ПСК фиксировалась и имела значение 0,00089 моль/л. Концентрация ГСН варьировалась от 4,15 10" до 8,88 10-4 моль/л.
Получение полиакриламида в сухой форме на пилотной установке
Схема непрерывного процесса получения сухого полиакриламида. 1 - смеситель; 2-форполимеризатор; 3-шнековый экструдер; 4- термостатирующая камера; 5- сушильная камера; 6-дробилка; 7-вибросито; 8-вентилятор; 9-конденсатор; 10-накопители инициаторов; 11 дозируюшие насосы; 12-емкость раствора акриламида
Стадия разделения смеси полимера и сульфата аммония осуществляется методом грохочения. Таким образом, данная стадия позволяет понизить содержание сульфата аммония в полимерном продукте.
Остановимся наиболее подробно на стадиях полимеризации, синерезиса и сушки полиакриламидного геля, так как их исследованию посвящена данная работа. На рисунке 4.1.2 представлена схема установки непрерывного действия для получения сухого полиакриламида. Составными элементами установки являются: смеситель позиция 1, емкостной реактор позиция 2, шнековый экструдер позиция 3, термостатирующая камера позиция 4, сушильная камера позиция 5.
По данной схеме растворы акриламида и компонентов инициирующей системы с помощью насосов (поз. 11) непрерывно подаются в смеситель (поз.1) и далее в емкостной реактор конической формы (поз.2) снабженный шнековой мешалкой и рубашкой. В нем осуществляется предварительная полимеризация до сиропообразного состояния реакционной среды. Для прогрева реакционной массы до температуры проведения полимеризации, а также для отвода выделяющейся в ходе реакции теплоты в рубашку емкостного реактора подается теплоноситель.
Емкостной реактор установлен непосредственно на фланце входного штуцера шнекового полимеризатора (поз.З). Шнековый полимеризатор представляет собой аппарат (рис. 4.1.3), в корпусе которого расположены два полых вала (4) с винтовой нарезкой, находящихся в зацеплении друг с другом. Реакционная масса, имеющая состояние вязко-текучей жидкости через штуцер (7) перемещается из емкостного аппарата в корпус шнекового полимеризатора, захватывается витками шнеков и транспортируется к выходу аппарата, оснащенному фильерой (6) с отверстиями круглого сечения, что позволяет придать гелю форму стренгов круглого сечения. Температурный режим в шнековом полимеризаторе поддерживается посредством отвода выделяющейся теплоты реакции полимеризации к теплоносителю (вода), циркулирующему через рубашку охлаждения (5) и внутри валов шнеков. Вследствие протекания процесса полимеризации реакционная масса переходит в гелеобразное состояние.
Из фильеры шнекового полимеризатора стренги направляются в камеру (поз.4), где протекает процесс синерезиса. Выделяющийся из геля раствор сульфата аммония скапливается в нижней части камеры и выводится через штуцер. Транспортировка материала в камере (поз.4) осуществляется с помощью цепного транспортера.
Далее жгуты полимерного материала направляются в сушильную камеру (поз.5) с радиационно-конвективным подводом теплоты. В камере смонтированы наружное и внутреннее транспортирующие устройства (рис.4.1.4), представляющие собой цепные транспортеры. Каждый из указанных транспортеров выполнен из двух бесконечных цепей, соединенных между собой роликами. Причем на роликах внутреннего транспортера закреплена бесконечная стальная лента.
Жгуты подхватываются роликами верхнего транспортера. Поддержание стренгов материала осуществляется бесконечной стальной лентой внутреннего транспортера, как при их движении, так и при их обрыве.
Теплота к стренгам материала подводится инфракрасными лучами от трубчатых термоэлектронагревателей, которые устанавливаются над и под движущимся пучком стренгов материала, а также от нагретого воздуха, движущегося вдоль камеры противотоком к материалу. Высушенный материал режется на части и поступает в измельчитель (поз.6).
Смесь частиц полиакриламида и сульфата аммония направляется для разделения на вибросито (поз.7). Мелкокристаллический сульфат аммония проваливается через отверстия сита, а более крупные (1-2 мм) частицы полиакриламида остаются на сите и выводятся как надситочный продукт.
Влажный, горячий воздух из сушильной камеры (поз.5) проходит через камеру (поз.4) и с помощью вентилятора (поз.8) направляется в конденсатор
На рисунке 4.1.5 показано изменение состава полиакриламидного геля по мере осуществления стадий технологического процесса. В ходе полимеризации и экструзии реакционная масса имеет состав раствора, получающегося на стадии нейтрализации сульфоакриламида аммиачной водой (гистограмма 1).
В ходе синерезиса (гистограмма 2) из полиакриламидного геля удаляется часть раствора сульфата аммония, вследствие чего увеличивается массовая доля полимера в геле. На стадии синерезиса возможно удалить до 62% влаги от ее первоначального количества и до 53% сульфата аммония от его первоначального количества.
На стадии сушки (гистограмма 3) из полимерного геля удаляется часть влаги до регламентированного влагосодержания, а также определенное количество сульфата аммония за счет чего повышается массовая доля полиакриламида. В ходе сушки, по данным, представленным на гистограмме, удаляется 34% влаги и 22% сульфата аммония.
Из анализа приведенных на рисунке результатов можно заключить, что основная часть влаги и сульфата аммония удаляется на стадии синерезиса, причем без тепловых затрат на испарение влаги, что определяет преимущество организации технологического процесса, включающего стадию синерезиса.
