RU2780510C2 - Installation for alkyd resin synthesis - Google Patents

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: invention relates to synthesis of alkyd resins – the base of alkyd varnish; it can be used in chemical and varnish industry for different technological processes. The invention concerns an installation for alkyd resin synthesis and contains sequentially installed reactor, film heaters, circulation pump for pumping vegetable oil from the reactor through film heaters and returning it to the reactor. The reactor through an azeotropic mixture water-xylene is connected to a vertical heat-exchanger-refrigerator, which through a condensed flow of partial xylene condensation is connected to the reactor, and through the azeotropic mixture – to a horizontal heat-exchanger-refrigerator connected to a separation vessel, which through the xylene flow is connected to the reactor. A heated mixture is additionally installed in the installation, connected to the reactor, intended for loading of bulk reagents: pentaerythritol at the first stage of transesterification, phthalic and maleic anhydrides at the second stage of polycondensation.

EFFECT: stable operation of an installation for alkyd resin synthesis.

1 cl, 1 dwg

Description

Установка предназначена для синтеза алкидных смол - основы алкидных лаков, и может быть использована в химической и лакокрасочной промышленности для проведения различных технологических процессов.The unit is designed for the synthesis of alkyd resins - the basis of alkyd varnishes, and can be used in the chemical and paint industries for various technological processes.

Подробное описание рабочей установки и технологии производства алкидных смол - основы алкидных лаков приводится в журнале «Лакокрасочные материалы» №7-8/2007 г., стр. 64-71, «Технология как фактор эффективности лакокрасочных производств», Б.Б. Кудрявцев, ЗАО «Лакма-Имекс». Рассматривается двухстадийный способ синтеза алкидных смол, первая стадия - стадия переэтерификации и вторая стадия - стадия поликонденсации. Синтез проводится в одном реакторе. На первой стадии в реактор загружают рецептурное количество растительного масла, нагревают его до температуры 160°С, затем нагрев отключают и вручную загружают в реактор через загрузочный люк рецептурное количество пентаэритрита. Товарная форма пентаэритрита - гранулы либо хлопья. Загрузка пентаэритрита производится при температуре 160°С, чтобы избежать аварийной ситуации, потому, что при более высокой температуре пентаэритрит возгоняется, через загрузочный люк пары попадают в атмосферу а так же конденсируется в теплообменниках, что ухудшает тепломассопередачу, дестабилизирует процесс синтеза. После загрузки пентаэритрита люк реактора закрывают, систему герметизируют, включают нагрев реактора, температуру в реакторе поднимают до 230-240°С. Выдерживают реакционную массу при этой температуре до завершения реакции переэтерификации.A detailed description of the working installation and production technology of alkyd resins - the basis of alkyd varnishes is given in the journal "Paints and varnishes" No. 7-8 / 2007, pp. 64-71, "Technology as a factor in the efficiency of paint and varnish production", B.B. Kudryavtsev, ZAO Lakma-Imeks. A two-stage method for the synthesis of alkyd resins is considered, the first stage is the transesterification stage and the second stage is the polycondensation stage. Synthesis is carried out in one reactor. At the first stage, the recipe amount of vegetable oil is loaded into the reactor, it is heated to a temperature of 160°C, then the heating is turned off and the recipe amount of pentaerythritol is manually loaded into the reactor through the loading hatch. Commodity form of pentaerythritol - granules or flakes. Loading of pentaerythritol is carried out at a temperature of 160°C in order to avoid an emergency, because at a higher temperature pentaerythritol sublimates, vapors enter the atmosphere through the loading hatch and also condenses in heat exchangers, which worsens heat and mass transfer, destabilizes the synthesis process. After loading the pentaerythritol, the reactor hatch is closed, the system is sealed, the reactor is heated, the temperature in the reactor is raised to 230-240°C. Maintain the reaction mass at this temperature until the completion of the transesterification reaction.

После завершения стадии переэтерификации проводят вторую стадию - стадию поликонденсации, для чего обогрев реактора отключают, реакционную массу охлаждают до температуры 160°С и загружают рецептурное количество фталевого и малеинового ангидридов. Ангидриды загружают через загрузочный люк реактора порционно по 12-15 кг во избежание сильного вспенивания, при этом температура в реакторе падает до 150°С. Загружают также рецептурное количество ксилола - 3% от массы загрузки реактора. После загрузки реагентов загрузочный люк закрывают, установку герметизируют и включают нагрев реактора. Нагрев реактора продолжается до достижения реакционной массой температуры 230-240°С. Выдерживают реакционную массу при этой температуре до завершения процесса поликонденсации.After completion of the transesterification stage, the second stage is carried out - the stage of polycondensation, for which the heating of the reactor is turned off, the reaction mass is cooled to a temperature of 160°C and the prescription amount of phthalic and maleic anhydrides is loaded. Anhydrides are loaded through the loading hatch of the reactor in portions of 12-15 kg to avoid strong foaming, while the temperature in the reactor drops to 150°C. Download also prescription amount of xylene - 3% by weight of the load of the reactor. After loading the reagents, the loading hatch is closed, the installation is sealed, and the heating of the reactor is turned on. Heating of the reactor continues until the reaction mass reaches a temperature of 230-240°C. Maintain the reaction mass at this temperature until the completion of the polycondensation process.

Установка принято нами за прототип.We took the installation as a prototype.

Недостатком существующей установки является то, что при проведении синтеза алкидных смол приходится дважды охлаждать реакционную массу в реакторе: на первой стадии - стадии переэтерификации - от температуры 230-240°С до температуры 160°С для загрузки пентаэритрита и на второй стадии - стадии поликонденсации - от температуры 230-240°С до температуры 160°С для загрузки фталевого и малеинового ангидридов и ксилола, а затем дважды поднимать температуру реакционной массы от 150-160°С до 230-240°С и выдерживать массу при этой температуре до завершения стадии. Для этого приходится дважды разгерметизировать установку, при этом в окружающую среду попадают испарения реагентов, ксилола, промежуточных продуктов реакции, аппаратчики проводят загрузку вручную в неблагоприятной среде с точки зрения техники безопасности, при загрузке возможны ошибки аппаратчиков, приводящие к выбросам реакционной массы из реактора через открытый люк. Реагенты загружаются один раз, сразу все рецептурное количество. Мешалка реактора смешивает все реагенты в гетерогенную смесь, и при ошибке аппаратчика возможно протекание реакции во всем объеме реактора, что может привести к аварийному выбросу. Чтобы исключить отмеченные недостатки предлагается изменить схему загрузки реагентов, загружать их в реактор в расплавленном состоянии при температуре 200-210°С, не охлаждая реакционную массу, на первой стадии - пентаэритрит - в реакционную массу с температурой 230-240°С, на второй стадии - фталевый и малеиновый ангидриды - в реакционную массу с температурой 230-240°С. Для этого предложено изменить конструкцию установки, дополнить ее обогреваемой емкостью, в которой будут расплавлены и из которой будут поступать в реактор на первой стадии - пентаэритрит, на второй стадии - фталевый и малеиновый ангидриды. Загрузка из дополнительной емкости в реактор будет производиться постепенно, равномерными порциями, обеспечивая плавное протекание синтеза алкидных смол. Дополнительная емкость обогревается высокотемпературным органическим теплоносителем (ВОТ), температура расплавленных реагентов поддерживается в пределах 200-210°С. В процессе поликонденсации образуется реакционная вода, из-за чего процесс становится обратимым, поэтому в реактор вводится ксилол, образующий с водой азеотропную смесь, с помощью которой из зоны реакции удаляется образующаяся реакционная вода, чтобы реакция поликонденсации стала необратимой. Температура кипения азеотропной смеси (116 -120)°С ниже, чем температура кипения ксилола (150°С), что позволяет обеспечить отвод из реактора азеотропной смеси, а затем разделение ее в теплообменниках-холодильниках и разделительном сосуде на ксилол и воду. После разделения вода сливается в отстойника ксилол возвращается в реактор, поддерживая необходимое стехиометрическое соотношение.The disadvantage of the existing installation is that during the synthesis of alkyd resins, it is necessary to cool the reaction mass in the reactor twice: at the first stage - the transesterification stage - from a temperature of 230-240 ° C to a temperature of 160 ° C to load pentaerythritol and at the second stage - the polycondensation stage - from a temperature of 230-240°C to a temperature of 160°C to load phthalic and maleic anhydrides and xylene, and then twice raise the temperature of the reaction mass from 150-160°C to 230-240°C and maintain the mass at this temperature until the completion of the stage. To do this, it is necessary to depressurize the installation twice, while evaporation of reagents, xylene, reaction intermediates gets into the environment, the operators carry out manual loading in an unfavorable environment from the point of view of safety, during loading, operator errors are possible, leading to emissions of the reaction mass from the reactor through the open Luke. Reagents are loaded once, at once the entire prescription amount. The reactor stirrer mixes all the reagents into a heterogeneous mixture, and if the operator makes a mistake, the reaction can occur throughout the entire volume of the reactor, which can lead to an accidental release. To eliminate the noted shortcomings, it is proposed to change the loading scheme of the reagents, load them into the reactor in a molten state at a temperature of 200-210°C, without cooling the reaction mass, at the first stage - pentaerythritol - into the reaction mass at a temperature of 230-240°C, at the second stage - phthalic and maleic anhydrides - into the reaction mass with a temperature of 230-240°C. To this end, it is proposed to change the design of the installation, to supplement it with a heated container, in which pentaerythritol will be melted and from which pentaerythritol will enter the reactor at the first stage, and phthalic and maleic anhydrides at the second stage. Loading from the additional vessel into the reactor will be carried out gradually, in uniform portions, ensuring a smooth flow of the synthesis of alkyd resins. The additional container is heated by a high-temperature organic coolant (HOT), the temperature of the molten reagents is maintained within 200-210°C. In the process of polycondensation, reaction water is formed, due to which the process becomes reversible, therefore xylene is introduced into the reactor, which forms an azeotropic mixture with water, with the help of which the formed reaction water is removed from the reaction zone so that the polycondensation reaction becomes irreversible. The boiling point of the azeotropic mixture (116 -120)°C is lower than the boiling point of xylene (150°C), which makes it possible to remove the azeotropic mixture from the reactor, and then separate it in heat exchangers-refrigerators and a separating vessel into xylene and water. After separation, the water is drained into the settler and the xylene is returned to the reactor, maintaining the required stoichiometric ratio.

Известно устройство для возврата ксилола в реактор - патент РФ №158497, в котором не создается опасных локальных концентраций ксилола в реакторе, исключается человеческий фактор, автоматически поддерживается необходимое стехиометрическое соотношение концентрации ксилол - реагенты.A device for returning xylene to the reactor is known - RF patent No. 158497, in which dangerous local concentrations of xylene in the reactor are not created, the human factor is excluded, the necessary stoichiometric ratio of the concentration of xylene - reagents is automatically maintained.

Задачей полезной модели является обеспечение равномерной работы установки без необходимости снижения температуры реакционной массы для загрузки сыпучих реагентов, а затем повышения температуры реакционной массы для проведения синтеза алкидной смолы.The objective of the utility model is to ensure uniform operation of the installation without the need to lower the temperature of the reaction mass to load bulk reagents, and then increase the temperature of the reaction mass to carry out the synthesis of alkyd resin.

Технический результат достигается, а поставленная задача решается за счет установки дополнительной емкости, обогреваемой ВОТ, в которой сыпучие компоненты -пентаэритрит, фталевый и малеиновый ангидриды, расплавляют, подогревают до температуры 200-210°С, а затем в нужный момент загружают в реактор, в котором температура реакционной массы достигла 230-240°С.The technical result is achieved, and the task is solved by installing an additional tank heated by the BOT, in which the bulk components - pentaerythritol, phthalic and maleic anhydrides, are melted, heated to a temperature of 200-210 ° C, and then loaded into the reactor at the right time, into in which the temperature of the reaction mass reached 230-240°C.

Предлагаемая установка синтеза алкидных смол содержит последовательно установленные реактор, пленочные подогреватели, циркуляционный насос для прокачивания растительного масла из реактора через пленочные подогреватели и возвращения его в реактор, реактор азеотропной смесью вода-ксилол соединен с вертикальным теплообменником-холодильником, который конденсированным потоком частичной конденсации ксилола соединен с реактором, а азеотропной смесью с горизонтальным теплообменником-холодильником, соединенным с разделительным сосудом, который потоком ксилола соединен с реактором, при этом установка дополнительно снабжена обогреваемой емкостью, соединенной с реактором, которая предназначена для загрузки сыпучих реагентов: на первой стадии (стадии переэтерификации) - пентаэритрита, на второй стадии (стадии поликонденсации) -фталевого и малеинового ангидридов.The proposed installation for the synthesis of alkyd resins contains a reactor installed in series, film heaters, a circulation pump for pumping vegetable oil from the reactor through film heaters and returning it to the reactor, the reactor is connected by an azeotropic water-xylene mixture to a vertical heat exchanger-refrigerator, which is connected by a condensed flow of partial condensation of xylene with a reactor, and an azeotropic mixture with a horizontal heat exchanger-cooler connected to a separating vessel, which is connected to the reactor by a xylene flow, while the plant is additionally equipped with a heated tank connected to the reactor, which is designed to load bulk reagents: at the first stage (transesterification stage) - pentaerythritol, at the second stage (polycondensation stage) - phthalic and maleic anhydrides.

Установка синтеза алкидных смол иллюстрируется графическими материалами. На рисунке приведена схема установки:The installation for the synthesis of alkyd resins is illustrated by graphic materials. The figure shows the installation diagram:

Установка синтеза алкидных смол содержит последовательно установленные: реактор 1, дополнительная обогреваемая емкость 2, циркуляционный насос 3, выносные пленочные подогреватели 4 и 5, вертикальный теплообменник-холодильник 6, горизонтальный теплообменник-холодильник 7, разделительный сосуд 8.The plant for the synthesis of alkyd resins contains the following installed in series: reactor 1, additional heated tank 2, circulation pump 3, remote film heaters 4 and 5, vertical heat exchanger-cooler 6, horizontal heat exchanger-cooler 7, separation vessel 8.

Установка синтеза алкидных смол работает следующим образом: в реактор 1 загружают рецептурное количество растительного масла, включают нагрев реактора 1, нагрев выносных пленочных подогревателей 4 и 5, включают мешалку реактора 1 и циркуляционный насос 3, который прокачивает растительное масло из реактора 1 через выносные пленочные подогреватели 4 и 5, где масло дополнительно подогревается, и возвращается в реактор. Нагрев продолжают до тех пор, пока температура масла в реакторе 1 достигнет 230°С. Параллельно с этим в емкость 2 загружают рецептурное количество пентаэритрита. Закрывают загрузочный люк, емкость герметизируют, подключают к емкости избыточное давление азота, включают обогрев ВОТ. Нагрев емкости 2 продолжают до тех пор, пока пентаэритрит расплавится и его температура достигнет 200-210°С. Процесс обогрева необходимо вести таким образом, чтобы достижение температуры растительного масла в реакторе до 230°С произошло одновременно с достижением температуры пентаэритрита до 210°С. Затем пентаэритрит через сливное устройство из емкости 2 равномерно, небольшими порциями загружают в реактор 1, в глубину слоя реакционной массы. Во время загрузки обогрев емкости 2 отключают. По мере опорожнения емкости 2 азот заполняет освобождающееся пространство, препятствуя проникновению кислорода воздуха в горячую емкость 2, предупреждая возможное возгорание. После загрузки пентаэритрита выравнивают температуру в реакторе 1, доводят ее до рабочего значения 230-240°С и выдерживают ее до завершения первой стадии синтеза алкидных смол - стадии переэтерификации. После выгрузки пентаэритрита из емкости 2 ее охлаждают до температуры 140-150°С. Производят загрузку в емкость 2 фталевого и малеинового ангидридов. После загрузки сыпучих продуктов закрывают загрузочный люк, герметизируют емкость 2, подключают к емкости избыточное давление азота, включают нагрев ВОТ. Нагрев емкости 2 продолжают до тех пор, пока фталевый и малеиновый ангидриды расплавятся и нагреются до температуры 210°С. Необходимо так провести нагрев, чтобы температура 210°С была достигнута к завершению первой стадии синтеза алкидных смол - стадии переэтерификации. Когда, по лабораторным данным, стадия переэтерификации будет закончена, приступают к проведению второй стадии - стадии поликонденсации. Для этого, из емкости 2 расплавленные ангидриды через сливное устройство равномерно, небольшими порциями, загружают в реактор 1, в глубину слоя реакционной массы. Обогрев емкости 2 во время загрузки ангидридов отключают. По мере опорожнения емкости 2 азот заполняет освобождающийся объем, препятствуя проникновению кислорода воздуха в горячую емкость 2. После загрузки ангидридов в реактор 1 температуру в реакторе выравнивают, доводят ее до рабочего значения 230-240°С, и выдерживают ее до завершения второй стадии синтеза алкидных смол - стадии поликонденсации.The plant for the synthesis of alkyd resins works as follows: a prescription amount of vegetable oil is loaded into the reactor 1, heating of the reactor 1 is turned on, heating of the remote film heaters 4 and 5, the stirrer of the reactor 1 and the circulation pump 3 are turned on, which pumps the vegetable oil from the reactor 1 through the remote film heaters 4 and 5, where the oil is additionally heated and returned to the reactor. Heating is continued until the temperature of the oil in the reactor 1 reaches 230°C. In parallel with this, a prescription amount of pentaerythritol is loaded into container 2. The loading hatch is closed, the container is sealed, excess nitrogen pressure is connected to the container, and the HOT heating is turned on. The heating of the container 2 is continued until the pentaerythritol melts and its temperature reaches 200-210°C. The heating process must be carried out in such a way that reaching the temperature of vegetable oil in the reactor up to 230°C occurred simultaneously with reaching the temperature of pentaerythritol up to 210°C. Then pentaerythritol through the drain device from the tank 2 evenly, in small portions is loaded into the reactor 1, into the depth of the layer of the reaction mass. During loading, the heating of the container 2 is turned off. As the container 2 is emptied, nitrogen fills the vacated space, preventing the penetration of atmospheric oxygen into the hot container 2, preventing possible ignition. After loading pentaerythritol equalize the temperature in the reactor 1, bring it to a working value of 230-240°and maintain it until the completion of the first stage of the synthesis of alkyd resins - the stage of transesterification. After unloading pentaerythritol from the tank 2 it is cooled to a temperature of 140-150°C. 2 phthalic and maleic anhydrides are loaded into the container. After loading bulk products, the loading hatch is closed, container 2 is sealed, excess nitrogen pressure is connected to the container, and the HOT heating is turned on. The heating of the container 2 is continued until the phthalic and maleic anhydrides melt and heat up to a temperature of 210°C. It is necessary to conduct heating in such a way that the temperature of 210°C is reached by the end of the first stage of the synthesis of alkyd resins - the stage of transesterification. When, according to laboratory data, the stage of interesterification is completed, proceed to the second stage - the stage of polycondensation. To do this, molten anhydrides from vessel 2 are uniformly, in small portions, loaded through a drain device into reactor 1, into the depth of the reaction mass layer. The heating of the container 2 during the loading of anhydrides is turned off. As container 2 is emptied, nitrogen fills the vacated volume, preventing the penetration of atmospheric oxygen into hot container 2. After loading anhydrides into reactor 1, the temperature in the reactor is equalized, brought to a working value of 230-240 ° C, and maintained until the completion of the second stage of the synthesis of alkyd resins - stages of polycondensation.

Как было сказано выше, на стадии поликонденсации образуется реакционная вода, из-за чего процесс является обратимым и, чтобы реакция была необратимой, необходимо удалять реакционную воду из реактора. Для этого применяется ксилол, образующий с реакционной водой азеотропную смесь. Азеотропная смесь вода-ксилол испаряется и из реактора 1 поступает в вертикальный теплообменник-холодильник 6, где происходит частичная конденсация ксилола, который стекает обратно в реактор 1, затем азеотропная смесь поступает в горизонтальный теплообменник-холодильник 7, где происходит конденсация паров воды и оставшегося ксилола, конденсат поступает в разделительный сосуд 8 и разделяется: в нижней части находится вода, а в верхней части - ксилол. Ксилол сливается из верхней части разделительного сосуда 8 в реактор 1, восстанавливая стехиометрическое соотношение реагентов. Так обеспечивается устойчивая работа установки синтеза алкидных смол, в результате которой производится качественный продукт для производства алкидных лаков.As mentioned above, reaction water is formed at the polycondensation stage, due to which the process is reversible and, in order for the reaction to be irreversible, it is necessary to remove the reaction water from the reactor. For this, xylene is used, which forms an azeotropic mixture with the reaction water. The azeotropic mixture of water-xylene evaporates and from the reactor 1 enters the vertical heat exchanger-cooler 6, where partial condensation of xylene occurs, which flows back into the reactor 1, then the azeotropic mixture enters the horizontal heat exchanger-cooler 7, where the water vapor and the remaining xylene condense , the condensate enters the separation vessel 8 and is separated: in the lower part there is water, and in the upper part - xylene. Xylene is drained from the top of separation vessel 8 into reactor 1, restoring the stoichiometric ratio of the reactants. This ensures stable operation of the plant for the synthesis of alkyd resins, as a result of which a high-quality product is produced for the production of alkyd varnishes.

Достоинствами предложения являются следующее:The advantages of the proposal are the following:

1. Не требуется дважды охлаждать установку, а затем нагревать ее до рабочей температуры, затрачивая на это большое количество времени и электроэнергии;1. It is not required to cool the unit twice and then heat it up to operating temperature, spending a lot of time and energy on this;

2. Не требуется дважды разгерметизировать установку для загрузки сыпучих реагентов, что улучшает экологическую ситуацию и технику безопасности;2. It is not required to depressurize the installation for loading bulk reagents twice, which improves the environmental situation and safety;

3. Минимизируется человеческий фактор в обслуживании установки;3. The human factor in the maintenance of the installation is minimized;

4. Значительно сокращается рабочее время синтеза алкидных смол, экономятся энергоресурсы, снижается себестоимость продукции;4. The working time of the synthesis of alkyd resins is significantly reduced, energy resources are saved, and the cost of production is reduced;

5. За счет стабильного протекания процесса синтеза алкидных смол получается продукция высокого качества.5. Due to the stable flow of the process of synthesis of alkyd resins, high quality products are obtained.

Таким образом, поставленная задача решена.Thus, the task is solved.

Claims (1)

Установка синтеза алкидных смол содержит последовательно установленные реактор, пленочные подогреватели, циркуляционный насос для прокачивания растительного масла из реактора через пленочные подогреватели и возвращения его в реактор, реактор азеотропной смесью вода-ксилол соединен с вертикальным теплообменником-холодильником, который конденсированным потоком частичной конденсации ксилола соединен с реактором, а азеотропной смесью - с горизонтальным теплообменником-холодильником, соединенным с разделительным сосудом, который потоком ксилола соединен с реактором, отличающаяся тем, что дополнительно установлена обогреваемая емкость, соединенная с реактором, предназначенная для загрузки сыпучих реагентов: на первой стадии, стадии переэтерификации - пентаэритрита, на второй стадии, стадии поликонденсации, - фталевого и малеинового ангидридов.The plant for the synthesis of alkyd resins contains a reactor installed in series, film heaters, a circulation pump for pumping vegetable oil from the reactor through film heaters and returning it to the reactor, the reactor is connected by an azeotropic water-xylene mixture to a vertical heat exchanger-refrigerator, which is connected by a condensed flow of partial condensation of xylene to reactor, and the azeotropic mixture - with a horizontal heat exchanger-refrigerator connected to a separating vessel, which is connected to the reactor by a xylene flow, characterized in that an additional heated tank is installed, connected to the reactor, designed to load bulk reagents: at the first stage, the stage of transesterification - pentaerythritol, at the second stage, the stage of polycondensation, - phthalic and maleic anhydrides.

Images