Производство полиакрилонитрила

Акрилонитрил в присутствии инициаторов легко вступает в редакцию полимеризации, сопровождающуюся выделением 73,3 кДж/моль тепла.

В качестве инициаторов применяют пероксиды, азо- и диазосоединения, а также элементоорганические соединения [1, С. 132].

Кислород ингибирует полимеризацию акрилонитрила, поэтому процесс проводят в среде азота. Скорость реакции значительно возрастает в присутствии следов ионов меди или железа.

При полимеризации акрилонитрила используют также окислительно-восстановительные системы. Чаще всего применяют персульфат аммония с тиосульфатом или гидросульфитом натрия, что позволяет проводить реакцию при более низких температурах и получать полимер с более высокой молекулярной массой.

В промышленности полиакрилонитрил получают радикальной полимеризацией акрилонитрила в гетерогенных или гомогенных условиях. Производство полиакрилонитрила может быть осуществлено как периодическим, так и непрерывным методами.

Непрерывный технологический процесс получения полиакрилонитрила состоит из стадий приготовления растворов, полимеризации акрилонитрила, демономеризации дисперсии и конденсации акрилонитрила, фильтрации, промывки и сушки полимера.

полиакрилонитрил химический карбоцепный

Таблица 2 Нормы загрузки компонентов

Полимеризация проводиться при различных температурах: зона 1  30–32°С, зона 2  35–37°С, зона 3  25–30°С.

Полимеризацию акрилонитрила проводят в реакторе непрерывного действия в водной среде в присутствии окислительно-восстановительной инициирующей системы из персульфата калия и метагидросульфита натрия. Степень превращения мономера в полимер равна 80–85%.

Рисунок 1 Схема процесса производства полиакрилонитрила: 1 – полимеризатор; 2, 6, 7 – напорные емкости; 3 – смеситель; 4, 5 – аппараты для растворения инициатора; 8 – промежуточная емкость; 9 – колонна демономеризации – 10 – холодильник кожух отрубный; 11 – отстойник; 12 – сборник дисперсии полимера; 13, 15 – барабанные фильтры; 14 – репульпатор; 16 – сушилка с кипящим слоем

НАК подается из напорной емкости 2 в смесительный аппарат 3. Водные растворы персульфата калия и метагидросульфита натрия готовят в аппаратах для растворения 4, 5, из которых они самотеком поступают в емкости 6, 7, а затем дозируются в аппарат 3.

Полученная дисперсия поступает в промежуточную емкость 8, а затем в колонну 9 для отделения непрореагировавшего акрилонитрила (демономеризации) путем отгонки. Демономеризация проводится при 50–60 °С и остаточном давлении 6,6–20,0 кПа.

Пары акрилонитрила и воды конденсируются в холодильнике 10. Конденсат поступает в отстойник 11, в котором он разделяется на два слоя: верхний слой – акрилонитрил, нижний слой – 7%-ный раствор акрилонитрила в воде.

Дисперсия полимера, из которой выделен акрилонитрил, из аппарата 9 поступает в сборник 12, откуда периодически насосом подается на вакуум-барабанный фильтр 13 для отделения полимера от маточного раствора. Полимер с барабана срезается ножом и попадает на транспортный желоб. Сюда же одновременно подается вода для смывания полимера в репульпатор 14. В аппарате 14 полимер отмывается от остатков мономера и инициатора. Из репульпатора пульпа подается на вакуум-барабанный фильтр 15. После фильтрации полимер с влажностью 80% сушат в сушилке с кипящим слоем 16 до содержания влаги 0,7–1,5% [1, С. 134].

Гетерофазная полимеризация акрилонитрила характеризуется самоускорением (примерно до степени превращения 20% при 60°С), которое обусловлено захватом макрорадикалов, выпадающим в осадок полимером. Эффективные скорости роста захваченных макрорадикалов зависят от температуры и степени экранирования активного центра свернутыми цепями, препятствующими диффузии акрилонитрила и других реагентов в твердую фазу.

Особенность гетерофазной полимеризации – увеличение молекулярной массы полиакрилонитрила с возрастанием степени превращения. Этот факт обусловлен захватом твердой фазой макрорадикалов, которые при температуре ниже 60°С не гибнут. Гетерофазная полимеризация акрилонитрила чувствительна к перемешиванию, центрифугированию, так как в этих условиях возрастает числе столкновений глобул и, следовательно, скорость обрыва цепи. Кислород в небольшом количестве способствует увеличению скорости полимеризации вследствие дополнительного образования перекисей и гидроперекисей акрилонитрила, служащих инициаторами. В присутствии большого количества кислорода процесс ингибируется и в пределе может прерваться. Поэтому полимеризацию с перемешиванием проводят в атмосфере инертного газа при охлаждении реактора в изотермических условиях.

Скорость гетерофазной полимеризации акрилонитрила v определяется суммой скоростей R_s (в водном растворе акрилонитрила) и R_g (на глобулах полиакрилонитрила):

где k_р и k _р – константы скоростей роста соответственно в водном растворе акрилонитрила и на глобулах полиакрилонитрила; [М] – концентрация акрилонитрила в водном растворе; [М]_адс – эффективная концентрация акрилонитрила, адсорбированного на глобулах; [М'_р]– концентрация свободных радикалов в растворе; [р^-] – концентрация глобул в реакционной смеси.

Добавки Cu₂O, Ni₂O, MgO, A1₂O₃, SiO₂ к жидкому акрилонитрилу при -78°C или к твердому акрилонитрилу при -196°С сенсибилизируют полимеризацию и повышают скорость процесса. Акрилонитрил быстро полимеризуется в твердой фазе (степень превращения ~100%) в присутствии сильно измельченного катализатора (метод молекулярных пучков); процесс особенно интенсивен при -160°С и -130°С (точки фазовых переходов); при этом может иметь место взрывная полимеризация [6, С. 47].

Процесс полимеризации акрилонитрила непрерывным методом осуществляется в реакторе с мешалкой, в который непрерывно вводят акрилонитрил, водные растворы персульфата аммония, восстановителя-активатора, например бисульфита или тиосульфата натрия, и из которого непрерывно выводят суспензию полимера.

Радиационная полимеризация акрилонитрила под действием -лучей (⁶⁰Со) и рентгеновских лучей, а также быстрых электронов может протекать как по радикальному, так и по анионному механизму в зависимости от температуры реакционной среды (жидкая или твердая фаза).

В жидкой фазе акрилонитрила полимеризуется с самоускорением из-за радиолиза образующегося поли акрилонитрила и, следовательно, повышенного выхода радикалов. Скорость (и) такого процесса (в массе) при обрыве цепи рекомбинацией определяется выражением:

v=k*I ^0,8,

где к – константа скорости роста; I – мощность дозы (17,2–430 мка/кг, или 4–100 р/мин). Энергии активации в интервале температур от -83 (т. пл.) до -116°С (твердая фаза), от -83 до 0 ^СС (жидкая фаза) и от 20 до 50 °С равны соответственно 0; 12,6 и 62,8 кДж/моль (0; 3 и 15 ккал / моль). При воздействии -лучей наблюдается пост-эффект.

Производство полиакрилонитрила может осуществляться в водных растворах минеральных солей – гомогенная полимеризация.

Гомогенную полимеризацию акрилонитрила можно проводить в водных растворах солей NaCNS, Ca (CNS)₂, ZnCl₂+CaCl₂ или MgCl₂, Mg(ClО₄)₂.Гомогенная полимеризация акрилонитрила в органических растворителях (диметилформамид, диметилацетамид) в присутствии динитрила азодиизомасляной кислоты возможна лишь при высоких концентрациях мономера в растворе до 25% [5, С. 46].

Скорость гомогенной полимеризации акрилонитрила определяется выражением:

где k_и, k_p, k₀ – константы скорости соответственно инициирования, роста и обрыва; [I] – концентрация инициатора (или мощность дозы радиации); [М] -, концентрация мономера.

Процесс проводят непрерывным способом в аппарате, снабженном мешалкой, системой обогрева и охлаждения, при 79–80,5 °С и атмосферном давлении. В реактор, содержащий 50,5%-ный водный раствор роданида натрия, вводят смесь 92% акрилонитрила, 6% метилакрилата, 1% итаконовой кислоты, 0,1% инициатора – динитрила азобисизомасляной кислоты и другие добавки, способствующие регулированию роста цепи. Реакционная смесь непрерывно подается в аппарат снизу, а раствор полимера отводится сверху. Продолжительность полимеризации 1–1,5 ч. Конверсия мономера составляет около 78% [1, С. 135].

При получении полиакрилонитрила в среде органического растворителя (лаковый метод) полимеризации протекает в условиях, при которых мономер и образующийся полимер находятся в растворе. В качестве растворителей применяют диметилформамид (в большинстве случаев), диметилацетамид, -пирролидон и этиленкарбонат. Инициатором обычно служит окислительно-восстановительная система, состоящая из гидропероксида кумола и триэтаноламина. Наличие в полимере группы – CN, понижающей электронную плотность двойной связи, способствует каталитической полимеризации акрилонитрила по анионному механизму.

Технологический режим и аппаратурное оформление процесса мало отличаются от таковых при полимеризации акрилонитрила в водном растворе солей.

Полиакрилонитрил получается в виде лака, который используют в качестве прядильного раствора для получения волокна. При необходимости из полиакрилонитрила можно выделить твердый порошкообразный полимер.

Полимеризация акрилонитрила в массе, или в блоке, имеет ограниченное применение в промышленности и используется главным образом для получения сополимеров акрилонитрила с другими мономерами. В результате блочной полимеризации полиакрилонитрил получается в виде твердого порошка [1, С. 135].