FI112871B - Menetelmä hartsihappojen saippuoimiseksi - Google Patents

Description

1 112871

Menetelmä hartsihappojen saippuoimiseksi Tämä keksintö koskee menetelmää hartsihappojen saippuoimiseksi.

5

Hartsihapot, varsinkin mäntyöljyn hartsihapot, saatetaan vesiliukoiseen muotoon saippuoimalla ne Na-, K- tai NH3- emäksillä, -hydroksideilla tai -karbonaateilla. Näin saatuja saippuoita käytetään laajalti liimana, esimerkiksi paperin pintaliimana, selluloosan valmistuksen apuaineena sekä asvalttien lisäaineina ja betonimassan 10 lisäaineina ja edelleen painoväreissä ja vastaavissa tuotteissa.

Hartsihapot saippuoituvat luonnollisesti pintareaktion kautta, jota varten sanotut hartsihapot on saatettava emulsiomuotoon voimakkaalla sekoituksella korotetussa lämpötilassa.

15

Abietiinihappo erityisesti muodostaa sellaisen suolan Na-emäksen kanssa, jossa suolassa on kolme vapaata abietiinihappomolekyyliä ja yksi Na-suolaabietiinihap-pomolekyyli, joka yhdistesuola on veteen liukenematon ja saostuu pois hartsihappojen suolojen seoksesta. Englantilainen patenttijulkaisu 552,642 käsittelee tämän 20 ongelman poistamista. Mainitun patentin mukaan sanottua yhdistettä lämmitetään korotetussa lämpötilassa (250 - 350° C) lisäalkalin kanssa riittävä aika.

• · * rs i US patentti 3,943,117 käsittelee hartsihappojen saippuoitumista mäntyöljypiestä, : ' ·.. jossa käytetään apuaineena pientä määrää vesilukoista kationista amiinia ja joka : ” -'25 saippuoiminen saadaan aikaan 80-174° C lämpötilassa ja käyttäen ylimäärin alka- lia.

I · US patentti 4,605,445 käsittelee paperin pintaliimayhdistettä, jossa liima I. saippu-' ' oitu hartsi saadaan pysymään saostumattomana alhaisessakin lämpötilassa, kun •; · *30 saippuointi suoritetaan niin, että sen yhteydessä lisätään aldehydiä ja ureaa.

\..: Teollisesti mäntyöljystä saatujen hartsihappojen saippuoiminen suoritetaan tyypilli- ; : ‘: sesti niin, että nestemäiseen hartsihappoon sekoitetaan ns jäännöstislettä ja esi- : merkiksi natrium- tai kaliumhydroksidia ja kuuma vettä sekä ekvivalenttimäärä ja 2 112871 hieman yli sanottua alkalia ja pumpataan sanottu seos tehosekoittimen eli disper-gaattorin lävitse sitä seuraavaan reaktioastiaan, jossa sitä sekoitetaan noin 100° C lämpötilassa riittävä aika, jotta saippuoituminen olisi täydellistä ja jossa tuotteessa on ylimäärä alkalia eli noin 0,1 p-%. Tämän jälkeen seos jäähdytetään nopeasti ja 5 pumpataan isohkoon varastosäiliöön. Edellinen prosessi yleensä tehdään panok-sittain.

Panosprosessi vaatii isommat varastotilat, enemmän automatiikkaa tai prosessin hallintatyötä kuin jatkuvatoiminen prosessi. Tehosekoittimien eli dispergaattoreiden 10 kehittyessä on havaittu, että saippuoimisprosessi voidaan saattaa jatkuvatoimiseksi varsin yksinkertaisella menetelmällä. Sanotussa saippuoitumisprosessissa erityisesti hartsihapoille on se ongelma, että jos saippuoitumien ei ole edennyt niin, että se on täydellistä tai lähes täydellistä, alkaa jäähdytyslämmönvaihdin tukkeutua ja menettää lämmönsiirtokykynsä, kun sen jäähdytyspinnoille alkaa saostua saip-15 puoitumatonta hartsihappoa.

Tämän keksinnön tarkoituksena on aikaansaada edullinen jatkuvatoiminen prosessi ja sen käyttämiseen tarvittava laitteisto niin, että ongelmia lämmönvaihtimen kanssa ei enää tule.

20

Edellä mainitut ja muut tämän keksinnön hyvät puolet ja edut on aikaansaatu siten . : ’: kuin esitetään tunnusomaiseksi oheisissa patenttivaatimuksissa.

• '·· Keksinnön tarkemmaksi kuvaamiseksi viitataan myös oheiseen periaatteelliseen :" :25 kuvioon, jossa esitetään eräs toimiva kokonaisuus keksinnön hyödyntämiseksi.

1 · · · ‘ On yleisesti tunnettua, että kemiallinen reaktion ja sitä edeltävä fysikaalinen diffuu-sioprosessi ovat suoraan verrannollisia aineensiirtopinta-alaan ja eksponentiaali-’., ‘ sesti verrannollisia lämpötilaan ja suoraan verrannollisia (yleensä) konsentraatio-;’30 eroihin.

• · * Pinta-ala aineensiirrolle puolestaan on kääntäen verrannollinen pisarakokoon, pyritään siis pieneen tai riittävän pieneen pisarakokoon. Emulgoitaessa kahta faasia toisiinsa saadaan maksimi pisarakoko laskettua tunnetun Kolmogorovin , 112871

O

turbulenssiyhtälön mukaan seuraavasta kaavasta : (1) (UMV^/E)* 5 josta edelleen voidaan johtaa seuraava käytännön yhtälö 320 (nd + nc) (2) dmax= ------------------------- v/y(i9nd + i6nc)nc 10 joissa V= kinemaattinen viskositeetti, E = m2/m3 eli energia / tilavuusyksikkö v = m/s eli kehänopeusero roottorin ja staattorin välillä, y = roottorin ja staattorin välys metreinä 15 o = pintajännitys ja η= dynaaminen viskositeetti.

Edellisestä voidaan myös johtaa ns. dimensioton viipymäaika; v/y x t, joka tämän keksinnön mukaan on edullisesti >40000. Esimerkiksi kehänopeuserolla 28 m/s, välyksellä 2 mm ja fysikaalisella viipymäajalla 3 s saadaan dimensiottoman viipy-20 mäajan arvoksi 42000.

Tämän keksinnön mukaisesti on nyt yllättäen havaittu, sekä edellisten yhtälöiden ':nojalla että kokeellisesti, että saippuoituminen voidaan suorittaa jatkuvatoimisesti : ‘ · · varsin pienellä viipymäajalla ja ilman suurta sekoitustilavuutta.

•" 25

Edelleen on keksinnön mukaisesti havaittu, että mäntyöljyn lisäys, jolla saadaan • > ' · · · * viskositeettiä alennettua lähes puoleen pelkän sulan hartsihapposeoksen viskosi teetistä, edesauttaa sanottuja pyrkimyksiä selvitä ilman pitkäaikaista sekoitusta erillisessä sekoitussäiliössä.

1; · * 30 .1.: Vielä tämän keksinnön mukaan sekoitetaan ensiksi korotetussa lämpötilassa sula ; ·' hartsihappo ja mäntyöljy keskenään, niin että mäntyöljyä sekoitetaan 5-50 % v : hartsihapon määrästä ja sanottu sekoitus pumpataan edullisesti staattisen sekoitti- :,1 : men lävitse yhdessä veden ja tarvittavan alkalin kanssa dispergaattoriin noin 100° 4 112871 C lämpötilassa. Dispergaattorista kuuma liuos jatkaa putkea pitkin lämmönvaihtimeen, jonne saapuessaan seos ei enää ole dispersio vaan täysin saippuoitunut liuos.

5 Dispergaattori on hyvin tehokas ja näin ollen muodostuvan dispersion pisarakoko pienenee ja samalla sen reaktiopinta-ala suurenee. On edullista päästä varsin pieneen pisarakokoon, esimerkiksi alle 5 pm pisarakokoon tai jopa alle 3 pm pisa-rakokoon.

10 Tähän päästään, kun dispergaattorin parametrit on niin valittu, että yhtälön (2) mukaan toteutuu se seikka, että aineensiirto on ehtinyt dispergaattorin ja viipymä-putken yhteisessä viipymäajassa kokonaan tapahtua saippuoitumisreaktiota varten.

15 Oheinen kuva selvittää erästä vaihtoehtoa prosessijärjestelyiksi. Niinpä, vain pääpiirteet mainitaksemme, hartsi jonka lämpötila on reaktion kannalta riittävä, esimerkiksi yli 150°C, otetaan varastosäiliöstä 1 ja pumpataan eteenpäin käyttämällä pumppua 2. Kanavien 8 ja 9 kautta syötetään mukaan lämmintä vettä, esimerkiksi noin 45 - 65°C lämpötilassa ja vastaavasti lämmintä alkalia, kuten 20 NaOH:ta noin 30 - 40°C lämpötilassa. Kokonaisseoksen lämpötila laskee tämän johdosta. Syöttösuhteiden ja määrien säätämiseen käytetään kaaviollisesti esitet-. *: *: tyjä säätäjiä 7,10 ja 3. Virtaus jatkuu dispergaattoriin 4, jossa edellä esitettyjen : ': toimintaperiaatteiden mukaisesti tapahtuu voimakas dispersion muodostuminen ja : · · saippuoitumisreaktio on nopea ja voimakas. Dispergaattorista lähtevä virtausputki :" -’25 12 sisältää sopivassa kohdassa mahdollisesti venttiilin 11, jota on mahdollista, : : turbulenssin luomiseksi putkessa, kuristaa. Tästä eteenpäin on jäähdytin 5, jonka • . · jälkeen valmis täysin saippuoitunut liuos siirretään varastosäiliöön 6. Tässä vaiheessa saippuan lämpötila on esimerkiksi alle 65°C.

; ' 30 Tässä keksinnössä on olennainen merkitys dispergaattorin 4 kierrosluvun säädöllä yhtälön (2) osoittaman toimintatavan mukaisesti. Reaktiota voidaan säätää edullisesti edellisen lisäksi myös niin, että dispergaattoria 4 virtaussuunnassa seuraava venttiili 11 on vain osittain auki, kuten edellä mainittiinkin, joten tästä syntyvä / : painehäviö antaa saippuoitumisreaktiota kiihdyttävän turbulentin virtauksen.

112871 5

Saippuoitumisreaktion täydellisyyteen vaikuttaa myös se, että dispergaattorin 4 jälkeen käytetään suhteellisen pitkää ja lämpöeristettyä putkea 12, jonka tuoma lisäviipymäaika on edullinen reaktion kannalta.

5 Eräs edullinen tapa tarkkailla saippuoitumisreaktiota on mitata jäähdyttimen poisto-veden lämpötilaa. Nimittäin, jos saippuoitumisreaktio ei ole mennyt loppuun asti, jäähdyttimeen 5 alkaa saostua materiaalia, joka alentaa jäähdytystehoa ja luonnollisesti nostaa jäähdyttimestä ulosvirtaavan jäähdytysnesteen lämpötilaa.

10 Koska on edullista, että dispergoitavan ja saippuoitavan hartsin sulaviskositeetti on riittävän alhainen, hoidetaan tämä esimerkiksi niin, että hartsiin sekoitetaan ennen saippuoitumisreaktiota kiintoaineista vapaaksi suodatettua raakamäntyöljyä tai jäännöstislettä 5-50% sulaseoksen kokonaismäärästä. Toisaalta sulavis-kositeettia voidaan alentaa myös sekoittamalla hartsiin ennen saippuoitumisreak-15 tiota joko veteen liukenematonta kemikaalia tai sellaista hartsin liuotinta, joka voidaan vesiliuoksesta helposti tislata pois ja palauttaa uudelleen pehmittimeksi tai erottaa selkeyttämällä saippuoitumisreaktion jälkeen.

Dispergaattorin 4 tyyppi on edullisesti sellainen, että siinä on useampia peräkkäi-20 siä dispergointivyöhykkeitä, esimerkiksi ainakin kolme vyöhykettä. Tällä tavalla luonnollisesti dispergointitehokkuus on keksinnön tarkoitukseen riittävä. Disper-,' ‘ gointivyöhykkeellä tässä tarkoitetaan staattorin ja roottorin tai kahden eri no-’ ” peudella tai eri suuntiin pyörivän roottorin välistä leikkausvyöhykettä.

...25 Dispergaattoriin 4 materiaali syötetään sisään edullisesti keskeltä ja poistetaan * · kehältä. Edullisesti dispergaattorin 4 roottorin ja staattorin välys pienenee kohti ,,,,: kehää mentäessä. Tälle löytyy perusteensa Vermeulen yhtälöstä, jota viskositeetti ,···. yleensä noudattaa: Ϊ. 30 (3) n = nc (1 + 2,5 <&[(nd + 2/srg/ (nd + nc)] ‘ jossa c=jatkuva vaihe, d = disperssi vaihe ja Φ = disperssivaiheen tilavuusosuus kokonaisdispersiossa.

6 112871 Tämän kaavan mukaan tehon tarve alenee viskositeetin alentuessa ja näin voidaan kohtuullisella teholla varmistaa reaktion loppuun saattaminen.

Claims (9)

1. Menetelmä hartsihapon/happojen saippuoimiseksi veteen liukenevaan muotoon jatkuvatoimisella tavalla lisäämällä alkalia ja vettä ja käyttämällä dispergaattoria, 5 tunnettu siitä, että dispergaattorin (4) teho, viipymäaika ja dispergaattorin roottorin ja staattorin välykset ja kierrosluku ovat sellaiset, että hartsin tai hartsi- ja pehmi-tinaineseoksen pisarakoko hartsivaiheessa saavuttaa alle 5 pm koon ja että menetelmä suoritetaan yhtäjaksoisena prosessina siitä välillä tuotteita poistamatta.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että dispersion dimensioton viipymäaika ylittää arvon 40000.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hartsi tai pehmitetty hartsiseos lämmitetään niin kuumaksi, että hartsin pisarakoko dispergaatto- 15 rissa (4) on alle 3 pm.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että dispergaatto-rissa (4) käytetään ainakin kolmea peräkkäistä dispergointivyöhykettä.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että laitteeseen menetelmän suorittamiseksi lisätään dispergointilaitteen (4) jälkeinen venttiili (11) ja että venttiiliä (11) kuristetaan hyödyntämään dispergaattorin aiheuttama paineen ": nousu sekoittavan turbulenssin aiheuttamiseksi virtaukseen.

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että saippuoitumisreaktion täydellisyyttä tarkkaillaan/säädetään jäähdytyslämmönvaihti-mesta (5) poistuvan jäähdytysnesteen lämpötilalla.

7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 30 dispergoitavaan ja saippuoitavaan hartsiin sekoitetaan, sen sulaviskositeetin alentamiseksi, mäntyöljyä tai muuta viskositeettia alentavaa ainetta.

7 112871

8. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että dispergoitavaan ja saippuoitavaan hartsiin sekoitetaan, sen sulaviskositeetin alen- 112871 tamiseksi, kiintoaineista vapaaksi suodatettua raakamäntyöljyä tai jäännöstislettä 5-50 % määrässä sulaseoksen kokonaismäärästä.

9. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 5 dispergoitavaan ja saippuoitavaan hartsiin sekoitetaan, sen sulaviskositeetin alentamiseksi, joko veteen liukenematonta kemikaalia tai sellaista hartsin liuotinta, joka voidaan vesiliuoksesta helposti tislata pois ja palauttaa uudelleen pehmitti-meksi tai erottaa selkeyttämällä saippuoitumisreaktion jälkeen. 9 112871