Технический обзор: технология оборудования для удаления летучих компонентов 

Удаление летучих компонентов — это технологический процесс отделения низкомолекулярных компонентов из полимерной системы. В производстве полимеров удаление летучих компонентов является незаменимой ключевой единичной операцией: ее цель — удалить из расплавов или растворов полимеров непрореагировавшие мономеры, растворители и другие летучие примеси, чтобы улучшить свойства полимера, обеспечить регенерацию мономеров и растворителей, выполнить экологические требования, устранить запах и повысить степень полимеризации. Для удаления летучих компонентов из полимеров характерны высокая вязкость, малые коэффициенты диффузии и резко неидеальное фазовое равновесие; условия ведения процесса жесткие, а энергопотребление стадии обычно составляет 60–70% от энергопотребления всей технологической схемы, поэтому технологическая сложность крайне высока.

ООО «Шанхай DODGEN по химической технологии» (далее — DODGEN) многие годы специализируется на процессах разделения полимеров и успешно разработало и довело до промышленного внедрения технологию оборудования DSXL для удаления летучих компонентов. Технологическая схема сочетает высокоэффективный теплообмен со статическим смешением и вакуумное оборудование для удаления летучих компонентов, обеспечивая эффективные и энергоэкономичные решения для PLA, POE, PMMA, COC, PCL и ряда других полимеров; технология уже успешно подтверждена в нескольких крупных промышленных проектах.

1) Технологический принцип: высокоэффективный теплообменник DSXL + вакуумное оборудование для удаления летучих компонентов

В основе технологии оборудования DSXL для удаления летучих компонентов лежит кожухотрубный теплообменник, оснащенный высокоэффективными смешивающими внутренними элементами типа DSXL. Полимер движется по трубному пространству, а теплоноситель (термомасло или пар) — по межтрубному пространству. Встроенные в трубы смешивающие элементы DSXL в условиях ламинарного течения принудительно обновляют поверхность контакта полимерного потока и непрерывно направляют материал к стенке трубы. Это принципиально меняет параболическое распределение скорости и температуры, характерное для традиционных теплообменников, обеспечивает равномерный и точный нагрев полимера, устраняет локальный перегрев и длительное пребывание при высокой температуре, а также существенно снижает риск изменения цвета и деградации продукта.

После нагрева в теплообменнике DSXL до целевой температуры полимер через распределитель равномерно поступает в вакуумное оборудование для удаления летучих компонентов. В условиях глубокого вакуума материал падает в виде стренг, что увеличивает удельную поверхность полимера и обеспечивает испарительное флеш-удаление летучих компонентов. Растяжение или разрыв в процессе падения формирует новые поверхности; летучие вещества быстро выходят из объема полимера и отводятся вакуумной системой. Обработанный полимер собирается в нижней части оборудования и выгружается насосом. В зависимости от типа и содержания летучих компонентов в исходном сырье, а также с учетом требований к показателям полимерного продукта, может быть предусмотрена каскадная система из 1–3 последовательно соединенных ступеней, позволяющая поэтапно снизить содержание летучих веществ до целевой спецификации.

2) Технологические особенности и ключевые преимущества

Отсутствие движущихся частей и значительное снижение потребления электроэнергии: в качестве теплоносителя используется термомасло или пар, поэтому не требуется электропривод для пленкообразующего или смешивающего механизма. Потребление электроэнергии оборудованием составляет примерно 1/10 от схемы с двухшнековым экструдером, что дает заметное преимущество по эксплуатационным затратам при длительной непрерывной работе.

Сохранение морфологии полимера и предотвращение деградации: технология эффективно исключает механическое повреждение полимерных цепей под действием высокого сдвига и особенно подходит для сдвигочувствительных полимеров, таких как PLA, COC, PO и др. В результате продукт отличается чистым цветом и узким молекулярно-массовым распределением.

Эффективный и равномерный теплообмен, предотвращение коксования и закупорки: внутренние элементы DSXL принудительно обновляют поверхность контакта, исключают застойные зоны и обеспечивают равномерный нагрев полимера. При длительной эксплуатации отсутствуют риски закоксовывания и засорения, что поддерживает долгосрочную стабильную работу оборудования.

Широкий диапазон применимой вязкости: оборудование способно обрабатывать материалы с вязкостью до 8000 Па·с, подходит как для низковязких полимерных растворов, так и для высоковязких расплавов, охватывая термопластичные материалы и эластомеры.

Низкое содержание остаточных летучих компонентов: за счет многоступенчатого каскадирования и усиленного вакуумного режима содержание летучих веществ на выходе может быть снижено до уровня десятков или сотен ppm, что соответствует требованиям к качеству широкого спектра высокотехнологичных полимерных продуктов.

Низкие затраты на обслуживание и стабильная эксплуатация: благодаря минимальному числу движущихся частей снижается риск утечек и уменьшается объем текущего обслуживания, а совокупные эксплуатационные расходы существенно ниже, чем у шнекового оборудования для удаления летучих компонентов.

Гибкая производительность и простое масштабирование: одна установка может обеспечить значительную производительность без необходимости параллельной установки нескольких аппаратов. Оборудование занимает небольшую площадь, а логика масштабирования при расширении мощностей проста и понятна.

3) Сравнение технологических схем

Сравнение технологии оборудования DSXL DODGEN для удаления летучих компонентов с основными рыночными решениями приведено ниже.

Параметр сравнения: сдвиговое воздействие на полимер. Оборудование DSXL для удаления летучих компонентов: отсутствие сдвига, сохранение морфологии полимера. Двухшнековый экструдер: чрезвычайно высокое сдвиговое воздействие, высокий риск деградации. Тонкопленочный испаритель: сдвиг присутствует, его уровень умеренный.

Параметр сравнения: движущиеся части. Оборудование DSXL для удаления летучих компонентов: движущихся частей нет, низкое энергопотребление и минимальное обслуживание. Двухшнековый экструдер: приводится электродвигателем, энергопотребление высокое. Тонкопленочный испаритель: пленкообразование обеспечивается электроприводом, уплотнения подвержены утечкам.

Параметр сравнения: изготовление оборудования. Оборудование DSXL для удаления летучих компонентов: конструкция проста, стоимость ниже. Двухшнековый экструдер: высокая сложность изготовления и высокая стоимость. Тонкопленочный испаритель: включает мешалку, стоимость средняя.

Параметр сравнения: применимый диапазон вязкости. Оборудование DSXL для удаления летучих компонентов: 0,01–8000 Па·с. Двухшнековый экструдер: высоковязкие системы, но при сильном сдвиге. Тонкопленочный испаритель: низкая и средняя вязкость.

Параметр сравнения: способ нагрева. Оборудование DSXL для удаления летучих компонентов: термомасло или пар. Двухшнековый экструдер: преимущественно электрический нагрев с высоким энергопотреблением. Тонкопленочный испаритель: термомасло или пар.

Параметр сравнения: масштабируемость. Оборудование DSXL для удаления летучих компонентов: одна установка легко масштабируется. Двухшнековый экструдер: ограничен габаритами оборудования. Тонкопленочный испаритель: также ограничен габаритами оборудования.

Параметр сравнения: содержание остаточных летучих компонентов. Оборудование DSXL для удаления летучих компонентов: может достигать уровня десятков ppm. Двухшнековый экструдер: эффективность удаления летучих компонентов относительно ниже. Тонкопленочный испаритель: остаточное содержание летучих компонентов относительно выше.

Параметр сравнения: затраты на обслуживание. Оборудование DSXL для удаления летучих компонентов: низкие, движущихся частей мало. Двухшнековый экструдер: высокие, движущихся частей много. Тонкопленочный испаритель: средние.

4) Возможности DODGEN по проектированию многоступенчатых систем DSXL для удаления летучих компонентов

DODGEN обладает полным инженерным потенциалом для реализации систем удаления летучих компонентов: технологическое моделирование, гидравлические расчеты, механическое проектирование, изготовление внутренних устройств, комплексная интеграция установки, пусконаладка и ввод в эксплуатацию. Компания предоставляет услуги формата «под ключ».

5) Широкий охват полимерных применений

Технология оборудования DSXL DODGEN для удаления летучих компонентов успешно применяется в различных полимерных системах. Типовые области применения приведены ниже.

Полимер: полимолочная кислота (PLA). Основной удаляемый летучий компонент: мономер лактид. Концентрация летучих компонентов на выходе (справочно): ~3000 ppm.

Полимер: полиолефиновый эластомер (POE). Основные удаляемые летучие компоненты: растворители н-гексан/гептан. Концентрация летучих компонентов на выходе (справочно): ~200 ppm.

Полимер: полиметилметакрилат (PMMA). Основные удаляемые летучие компоненты: мономеры MMA и MA. Концентрация летучих компонентов на выходе (справочно): ~5000 ppm.

Полимер: циклоолефиновый сополимер (COC). Основные удаляемые летучие компоненты: мономеры, циклогексан и др. Концентрация летучих компонентов на выходе (справочно): ~200 ppm.

Полимер: поликапролактон (PCL). Основной удаляемый летучий компонент: мономер ε-капролактон. Концентрация летучих компонентов на выходе (справочно): ~4000 ppm.

Полимер: сополимер стирола и малеинового ангидрида (SMA). Основной удаляемый летучий компонент: растворитель бутанон. Концентрация летучих компонентов на выходе (справочно): ~2%.

Полимер: полиоксиметилен (POM). Основной удаляемый летучий компонент: триоксан. Концентрация летучих компонентов на выходе (справочно): ~80 ppm.

Кейс 1: проект по полимолочной кислоте (PLA) для Anhui Fengyuan Group

Удаление летучего мономера лактида

Anhui Fengyuan Group Co., Ltd. является одним из крупнейших производителей полимолочной кислоты (PLA) в Китае, а масштаб ее бизнеса по PLA входит в число ведущих в мире.

Производство полимолочной кислоты основано на технологии полимеризации лактида с раскрытием цикла. После полимеризации продукт содержит определенное количество остаточного мономера лактида, который должен быть удален до нормативного уровня на стадии удаления летучих компонентов, прежде чем материал сможет перейти к последующим операциям гранулирования, прядения и другим этапам переработки. Мономер лактида имеет относительно высокую температуру кипения, а вязкость полимера велика, что предъявляет жесткие требования к процессу удаления летучих компонентов.

Опираясь на технологию оборудования DSXL для удаления летучих компонентов, DODGEN предоставила для этого проекта крупномасштабную промышленную систему удаления летучих компонентов. Двухступенчатая каскадная схема эффективно удаляет остаточный лактид из PLA. Оборудование использует нагрев термомаслом и не вызывает повреждения материала высоким сдвигом; продукт PLA отличается чистым цветом и равномерным молекулярно-массовым распределением, полностью соответствуя требованиям последующих процессов прядения и производства пленочных марок.

Кейс 2: пилотный проект удаления летучих компонентов из поликапролактона (PCL) для Hunan Juren Chemical

Hunan Juren Chemical New Materials Technology Co., Ltd. является одним из китайских предприятий, раньше других начавших промышленную проработку PCL.

Производство PCL основано на полимеризации ε-капролактона с раскрытием цикла. Полимеризационный продукт содержит определенное количество остаточного мономера, который необходимо удалить на стадии удаления летучих компонентов. Температура кипения ε-капролактона составляет примерно 205 °C, а вязкость полимера PCL находится на среднем уровне; поэтому к контролю температуры и времени пребывания продукта в процессе удаления летучих компонентов предъявляются повышенные требования.

Для пилотной установки PCL компании Juren DODGEN поставила двухступенчатую систему оборудования DSXL для удаления летучих компонентов: полимер движется по трубному пространству, а термомасло — по межтрубному пространству. Смешивающие элементы DSXL обеспечивают равномерный нагрев, а в сочетании с вакуумным удалением летучих компонентов эффективно удаляют остаточный мономер ε-капролактон. Установка успешно работает, качество продукта достигло проектных показателей, а для последующего промышленного масштабирования PCL были накоплены ценные инженерные данные и операционный опыт, что способствует развитию локализованного производства PCL в Китае.

Кейс 3: инженерная практика удаления летучих компонентов из полиолефинового эластомера (POE)

POE производится методом растворной полимеризации. После завершения полимеризации продукт содержит большое количество растворителя (н-гексан или гептан, содержание может превышать 80%) и небольшое количество сомономера. Удаление летучих компонентов является ключевой стадией разделения полимера и растворителя, поэтому к эффективности удаления растворителя и чистоте продукта предъявляются строгие требования. POE относится к эластомерам, чувствителен к сдвигу и склонен к слипанию, что значительно усложняет выбор оборудования для удаления летучих компонентов.

Благодаря накопленному опыту применения технологии DSXL для удаления летучих компонентов в области высоковязких и сдвигочувствительных полимеров DODGEN обеспечивает более эффективное решение: по сравнению со змеевиковым теплообменником DSR теплообменник DSXL DODGEN имеет более высокий коэффициент теплопередачи и более короткое время пребывания материала, благодаря чему продукт POE менее склонен к пожелтению. Смешивающие элементы в трубном пространстве принудительно обновляют поверхность контакта и исключают застойные зоны; высоковязкий расплав POE при длительной эксплуатации не закоксовывается и не вызывает закупорки, что повышает стабильность оборудования.

DODGEN уже предоставила решения по системам удаления летучих компонентов для нескольких проектов POE; масштабы реализации охватывают как пилотные установки производительностью несколько сотен тонн в год, так и промышленные установки мощностью десятки тысяч тонн. Среди проектов — Lanhai New Materials (Tongzhouwan) Co., Ltd., Beioyi (Shandong) New Materials Co., Ltd., Quzhou Xingchuan New Materials Technology Co., Ltd. и другие.