научная статья по теме МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИНТЕЗА БУТАДИЕНОВОГО КАУЧУКА НА ЛИТИЙОРГАНИЧЕСКОЙ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ В РЕАКТОРЕ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИНТЕЗА БУТАДИЕНОВОГО КАУЧУКА НА ЛИТИЙОРГАНИЧЕСКОЙ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ В РЕАКТОРЕ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2011, том 45, № 4, с. 378-385

УДК 541.64:542.952:546.657

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИНТЕЗА БУТАДИЕНОВОГО КАУЧУКА НА ЛИТИЙОРГАНИЧЕСКОЙ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ В РЕАКТОРЕ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

© 2011 г. Г. А. Аминова, Г. В. Мануйко, Э. В. Гарифуллина, В. В. Бронская, Т. В. Игнашина,

Г. С. Дьяконов, А. И. Исмагилова

Казанский государственный технологический университет a_guzel@mail.ru Поступила в редакцию 10.12.2009 г.

Предложена математическая модель синтеза бутадиенового каучука на литийорганической каталитической системе в реакторе периодического действия в присутствии модификатора и с добавлением толуола в растворитель. На основе развитой модели идентифицирован механизм процесса и определены константы скоростей элементарных стадий.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время при прогнозировании физико-механических свойств, молекулярно-массовых характеристик, природы каталитического комплекса определяющее значение приобретает математическое моделирование. Новые диеновые полимеры и сополимеры с высоким содержанием виниль-ных групп, такие, например, как 1,2-полибута-диен, 3,4-полиизопрен и другие, являются перспективными материалами для шинной промышленности и производства многих других промышленных и потребительских изделий. Такие полимеры получить с обычными литийорга-ническими инициаторами не удается. Для этих целей используют модификаторы. Механизм каталитического действия модифицированных инициаторов практически не изучен.

В результате развития исследований в области ионной полимеризации непредельных соединений в настоящее время получено много новых сведений о природе активных центров [1—5], которые изменяют интерпретацию ряда известных фактов и создают основу для появления новых концепций. Важнейшим является представление о полицентро-вости каталитических систем. Данная проблема в настоящее время приобретает большое значение. От единичных примеров существования различных ти-

пов активных центров в некоторых каталитических системах исследователи теперь подошли к пониманию того, что только в исключительных случаях каталитические системы могут рассматриваться как состоящие из активных центров только одного вида.

Целью настоящей работы является математическое моделирование процесса синтеза бутадиенового каучука на литийорганической каталитической системе в реакторе периодического действия с учетом двухцентровости системы и передачи цепи на полимер, а также взаимного перехода активных центров двух типов с сохранением равновесия между ними.

МЕХАНИЗМ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ

Для объяснения поведения систем на основе модифицированных инициаторов естественно предположить протекание обменных реакций между активными центрами.

Согласно современным представлениям о структуре и механизме формирования активных центров литийорганической каталитической системы в присутствии модификатора, процесс инициирования активных центров и обмена активностью можно представить следующим образом:

ВиЫ + ЯОМа

Ви—Ы

Ка-о-я:

Ви№ + ЯОЫ

Ви-СН2-СИ=СИ-СН9—П + ЯОМа

2

Ви-СН2-СН=СН-СН2-Ка + Я'ОП

2

Активный центр с Ы

Активный центр с №

где ЯОМа — алкоголят натрия, ЯОЫ — алкоголят лития. Далее БиЫ и Би№ будем обозначать Ме.

к

2

к

Поэтому предполагается, что в системе одновременно могут существовать как минимум два типа активных центров, между которыми протекает обмен, который можно представить следующей схемой:

Я2(1)

Проведение расчетов молекулярно-массовых характеристик и последующее сравнение расчетных кривых с экспериментальными позволяют выявить истинный механизм роста цепи, в частности, установить, протекает ли процесс на одном или нескольких типах активных центров, определить роль обменных реакций и оценить кинетические константы.

В присутствии модификатора М-3 полимеризация бутадиена на литийорганической каталитической системе протекает без индукционного периода и характеризуется первым порядком реакции по концентрациям мономера и катализатора, поэтому инициирование будет предполагаться мгновенным.

Анионный механизм полимеризации имеет две особенности. Первая — это "живой" характер расту-

щих цепей. Вторая особенность заключается в возможности регулирования стереоизомерного внедрения каждой очередной молекулы мономера. Хотя гомогенные системы анионной полимеризации, по-видимому, лишь в малой степени осуществляют регулирование стереоизомерного строения асимметрического атома углерода (тактичность полимера) или вовсе не способны к этому, с их помощью все же можно контролировать геометрическую изомерию звеньев полидиена.

Интенсивные исследования реакции полимеризации диенов в присутствии лития показали, что на микростуктуру цепи влияет не только природа щелочного металла, но и растворитель. Доля 1,4-зве-ньев в цепи полимера оказывается максимальной для лития и убывает по мере возрастания электроположительности щелочного металла; полярные растворители (например, простые эфиры, амины) приводят к повышению содержания боковых ви-нильных групп в полимерной цепи, особенно в случае лития. Поэтому рост цепи можно представить следующим образом:

„СН

Р„~СН2-СИ=СИ-СИ9-Ме Р„-СН9-СН Ме СН

*2

Ри + х-СЩ—СН=СН_СН2—Ме

2

Ри + х-СН^С^Ме

СН м

СН2

к

2

к

Повышение содержания боковых винильных групп в полимерной цепи приводит к тому, что вероятность протекания передачи цепи на полимер значительно увеличивается. Это приводит к образованию разветвленных макромолекул, что в свою

очередь положительно сказывается на физико-механических характеристиках получаемого каучука, таких как вязкость и хладотекучесть, поэтому важно включить реакцию передачи цепи на полимер в кинетическую схему:

1.4-звено

1.2-звено

Р-СН2—СН= СН—СН2_Ме + Р~СН2—СН=СН-СН2-С;Н -СН2-Р

сН

II

СН2

Ме

Р~СН2—СН=СН-СН2-С-СН2~Р + Р-СН2—СН=СН-СН3

СН

СН

2

СН2-СН-СН=СН2-Ме

Р-СН2—СН= СН— СН2-СН— СН2-Р

СН

II

СН2

к

tp

Для предотвращения гелеобразования в полиме-ризационную систему вводится толуол. При взаимодействии толуола с "живущей" полимерной цепью в присутствии модификатора протекает реакция передачи цепи на толуол: собственно передача

P~CH2—CH=CH-CH2-Me + CH3

Кт

-P~CH2—CH=CH~CH3 + CH2Me

реинициирование

+C4H6

CH2Me

kt

CH2-CH2-CH=CH-CH2-Me

!2

2

2

+ СН2=СН-СН=СН2 —1^ Р~СН=СН-СН=СН2 + + СН2=СН-СН2-СН2-Ме

Для механизма процесса полимеризации бутадиена на литийорганическом катализаторе в присутствии модификатора предложена следующая кинетическая схема:

1) инициирование: на центрах первого типа

10 + M —— на центрах второго типа 10 + M —— 2) рост цепи:

R(1, 0, 1),

(0, 1, 1); ^ R(i, j, l +1)

реинициирование

T * +M —^—> R (1, 0, 1),

T * +M —R (0, 1, 1) ;

4) передача цепи на мономер:

R(i, j, l) + M ———R(i - 1, j, l) + R(1, 0, 1),

R(, j, l) + M ——R(, j - 1, l) + R(0, 1, 1);

5) передача цепи на полимер:

R (i, j, l) + R (i ', j ', l ') ^

^ R (i +1, j, l) + R (i -1, j l ')

kt.p1 - i ' - l

kt.p1

i - l '

R (( -1, j, l) + R (i '+1, j l ') R (i, j, l) + R (i ', j ', l ') ^ ktP2 - r~1 ) R (i, j + 1, l) + R (i ', j -1, l ) R (i, j -1, l) + R ((', j '+1, l ')'

j - г

6) обмен между активными центрами:

Также для описания процесса полимеризации бутадиена под действием литийорганической каталитической системы в присутствии модификатора была рассмотрена передача цепи на мономер:

P~CH2—CH=CH-CH2—Me +

Я (, у, /) + м—

Я (, у, /) + м ———— Я (, у, / + 1)

3) передача цепи на толуол: собственно передача, проходящая на центрах первого типа

Я (, у, /) + Т ——и— Я ( - 1, у, /) + Т*,

передача, проходящая на центрах второго типа

Я(, у, /) + Т ——и—Я(, у - 1, /) + Т*,

Я(, у, /)<===*Я( -1, у + 1, /),

где /0 — концентрация инициатора, М — концентрация мономера, Т — концентрация толуола, к — константы скорости соответствующих реакций, Я (г, у, /) — концентрация макромолекул с ^активными центрами первого типа, у'-активными центрами второго типа и I — мономерными звеньями.

Впервые в кинетическую схему полимеризации бутадиена на модифицированной литийсодержа-щей каталитической системе включены, помимо обычных реакций инициирования и роста цепи, реакции передачи цепи на мономер, толуол, полимер и обмена активностью между центрами.

Процесс полимеризации бутадиена в гексано-вом растворителе с добавкой толуола в присутствии катализатора осуществляется в полимеризаторе периодического действия с рубашкой. Полимеризатор снабжен специальной мешалкой для перемешивания реакционной массы и очистки внутренних поверхностей от пленки полимера.

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

Несмотря на различный вид реакций обмена, дифференциальные уравнения, описывающие изменение со временем концентраций макромолекул первого и второго типа для предложенных вариантов обмена, могут быть представлены в сходной форме. Тогда, согласно кинетической схеме, система уравнений, описывающих изменение во времени концентраций мономера, толуола и растущих цепей, для периодического изотермического процесса примет вид

^М = - (-( + —р2 (1 -ст))М/„ м| т = 0 = м0 (1) а т 1

= - (Т1а + Кт1 (1 -а))П о

а т

Т т = 0 = Т0 (2) и с помощью производящей функции

О^МО ^м дк <''• *>

ат р1

- .^М

дЛ (', у, I)

д(

+ 1к1.р1<у1о [(' - 1, у, I) - Я(', у, /)] + + ¡Кр 2(1 - а)Iо [, у - 1, /) - Д(', у, ¡)] +

+ (£,р1(Мо - М) + + к,^ х

X [[ + 1Щ' + 1, у, ¡) - 'Д(', у, ¡)] +

+ &.р2(Мо - М) + КтгМ + к Т 2Т) х

X [(/ + 1)Д(', у +1, ¡) - уД(', у, I)] +

+ (к,.т1Мк + к,тТ) а1о 5'Д5 ¿оЭД +

+ (к1.т 2Мк + 2Т) (1 - а)1о51>о51№ +

+ М [(у' + 1)Я(' -1, у + 1, ¡) - уЯ(', у, ¡)] + + к2В [(' + 1)Я(' + 1, у - 1, ¡) - 'Щ, у, ¡)]

(3)

у,

',у = о, 1, 2, ... , о < I < да ; = о = (а!о515 у, о + (1 - а)!о5о5;, 1)5(0,

где а — мольная доля активных центров первого типа.

Уравнение (1) описывает изменение концентра-

ции мономера во времени. Поскольку

к

к,.т1 К

1.т1

4)1

к

!.т 2

р2

Т2

кр1 кр

^ = I о(1 - х)( ка + к 2(1 -а))

а т

: = о

= а о

д, р, х) = ^ / ^ д' |ехр(-рг)г, у (г)Ог,

' = о

у = о

о

система уравнений (3) может быть сведена к одному уравнению относительно функции Ш:

дГ ( дГ , , дГ - = —ЯР I 5-+ А д-

дх V дд

+ Х-р!0х

1 — х

х (1 — 5) дГ + (1 — д) д£ +

др

1 — х

+

У ,.р1х 1 — х

У

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком