ما هو مفاعل البوليستر: عملية التكثيف المتعدد، التصميم والتطبيقات

الإجابة على السؤال الأساسي:ما هو مفاعل البوليستر؟مفاعل البوليستر هو مفاعل ساخن ومتحركحاوية عالية الفراغ التي يتم فيها تحويل حمض التيرفتاليك النقي والمونويثيلين غليكول أولاً إلى أوليغومير ثم إلى بولي إيثيلين تيريفثلات من الوزن الجزيئي التجاريتتبع العملية ثلاث مراحل. التأثير في الحمض عند 240-270 درجة مئوية و 0.2-3 بار يتفاعل مع الجليكول لتشكيل ثنائي هيدروكسي إيثيل تيريفثلات والماء.والذي يتم إزالته من خلال عمود تحلل. التكثيف المسبق في 270-280 درجة مئوية تحت 20-50 mbar يبني السلسلة إلى لزجة جوهرية حوالي 0.2-0.35 ديلول / غرام مع إزالة الجليكول. الانتهاء في 275-290 درجة مئوية تحت 0.5-2 mbar يأخذها إلى الهدف، 0.55-0.65 ديلول/غ في الألياف و 0.72-0.85 ديلول/غ في راتنج الزجاجات. التحدي الهندسي المحدد هو أن التكثيف المتعدد هو تفاعل توازن،لذلك يتم الحصول على الوزن الجزيئي فقط عن طريق إزالة إيثيلين غليكول من ذوبان يرتفع لزجة إلى 200-500 Pa·s، مما يجعل تجديد السطح وسلامة الفراغ من عوامل التصميم الحاسمة.

1كيمياء التفاعل وتصميم المسرح

ثلاث تفاعلات تتم في تسلسل، وكل منها تحتاج إلى بيئة مفاعل مختلفة:

• الاصطناع والتحويل إلى الاصطناع:في طريق الاستحضر المباشر ، يتفاعل حمض التريفثاليك النقي مع المونو إيثيلين غليكول عند 240-270 درجة مئوية و 0.2-3 بار للحصول على ثنائي هيدروكسي إيثيل تريفثلات والماء.لا يذوب PTA في الجليكول بمعدل مفيد، لذا فإن التفاعل يقتصر في البداية على الواجهة الصلبة السائلة ويجب على المفاعل الحفاظ على خليط متجانس ومتحرك جيدًا.مع تقدم التحويل ، يصبح ذوبان الأوليغومير مرحلة مستمرة ويتوقف الذوبان عن الحديتم إزالة الماء كبخار مع الجليكول ، ويعيد عمود التجزئة الخارجي أو المثبت على العمود الجليكول إلى المفاعل أثناء أخذ الماء فوق الرأس ،وهو أمر ضروري لأن نسبة الغليكول إلى الحمض، عادة 1.1-2.0في الطريق القديم لتحويل الترانسستير، يتم تفاعل ديميثيل تيريفثلات مع الجليكول لتحرير الميثانول.وبينما هذا الطريق يعطي منتج أكثر نظافة تم استبدالها إلى حد كبير عن طريق الإستريفية المباشرة على تكلفة.
• التحكم في التكثيف المتجدد للذوبان:المرحلة الثانية هي التكثيف المتعاقب: تتجمع مجموعتان هيدروكسيلية لتشكيل رابط إستر وتطلق إيثيلين غليكول. لأن ثابت التوازن قريب من الوحدة،يحدد طول السلسلة الذي يتم تحقيقه بالكامل تقريباً بمدى إزالة الجليكول بالكامل، وهذا هو السبب في أن الضغط ينخفض تدريجياً من 20-50 mbar في المحرك المسبق إلى 0.5-2 mbar في المحرك النهائي.يتم الحد من الإزالة عن طريق انتشار الجليكول من ذوبان يصبح أكثر لزجة تدريجياً، لذلك يجب على المفاعل أن يجدد باستمرار سطح الذوبان: هذا هو السبب في أن المنتهي هو وعاء أفقي مع حلقة قرص دوار أو محرك قفص يرفع الذوبان إلى أفلام رقيقة ،بدلاً من خزان مضغوطمع نمو السلسلة ، ترتفع لزجة الذوبان من أقل من 1 Pa · s إلى 200-500 Pa · s ، ويتم استخدام الزخامة الداخلية كوسيلة على الإنترنت للوزن الجزيئي.
• المحفز والمنتجات الثانوية ونوعية المنتج:يتطلب التكثيف الكثيف محفزاً، عادةً ثلث أكسيد الأنتيمون عند 150-300 جزء في المليون كالمنتيمون،على الرغم من أن المحفزات القائمة على التيتانيوم تستخدم بشكل متزايد بسبب قيود الأنتيمون في تطبيقات الاتصال مع الأغذية والمشروباتيستخدم الديثيلين غليكول من تفاعل الغليكول مع نفسه ويتم الاحتفاظ به أقل من 1.0-1.5٪.لأن كل وحدة مدمجة في السلسلة تخفض نقطة الانصهار والاستقرار الحراري؛ ارتفاع نسبة الجليكول إلى الحمض وارتفاع درجات الحرارة يزيد من تشكيله. يتشكل الأسيتالدهيد عن طريق التدهور الحراري أثناء معالجة الذوبان ويجب أن يكون أقل من 1 ppm في نوع الزجاجة ،لأنه يلوث طعم المياه المعبأة؛ يتم تقليصه إلى أدنى حد من خلال درجات حرارة التشطيب المنخفضة ، ووقت الإقامة القصير ، وفي العديد من النباتات من خلال مرحلة تعدين متعدد الحالات الصلبة التي تزيلها مع زيادة اللزوجة الجوهرية.
• التكثيف المتعدد في الحالة الصلبة والتشطيب:عندما تكون الزجاجة أو الجودة التقنية مطلوبةتتبلور رقائق مرحلة الذوبان عند 140-180 درجة مئوية ثم يتم الاحتفاظ بها في مفاعل بوليكوندنسة في الحالة الصلبة عند 200-230 درجة مئوية تحت النيتروجين أو الفراغ لمدة 8-30 ساعةلأن التفاعل يحدث في المرحلة الصلبة ، فإن درجة الحرارة منخفضة بما فيه الكفاية بحيث يكون التدهور الحراري ضئيلًا ، لذلك يمكن رفع اللزوجة الداخلية من حوالي 0.6 إلى 0.75-0.85 ديلو لتر/غ بينما يقل محتوى الأسيتالدهيد عن 1 جزء في المئةالمفاعل هو صوامع عمودية عالية أو سرير متحرك مستمر مع تدفق النيتروجين الذي يتم التحكم به بعناية، ومتغيرات التحكم الحرجة الثانية هي توحيد درجة الحرارة عبر السرير،لأن النقاط الساخنة تسبب الغليان وتشكيل الكتل، وإزالة الجليكول الناتج ، والذي يتطلب تجفيف النيتروجين وتنقيته قبل إعادة التداول.

2التصميم الميكانيكي لمفاعل البوليستر

أربعة قرارات ميكانيكية تحدد ما إذا كان خط البوليستر يصل إلى اللزوجة المصممة ويحافظ عليها:

• اختيار المحرك حسب مرحلة اللزوجة:يمتد قطار المفاعل على خمسة أوضاع من الكبر في اللزوجة، لذلك لا يعمل محرك واحد طوال الوقت.تستخدم مراحل الإستير والسبقية الكثافة الحرارية وعاءً عموديًا مع توربينة أو مرساة مشتركة ومثارة توربينات، لأن الذوبان رقيقة وخلط السائبة ونقل الكتلة الغازية السائلة أكثر أهمية.وعاء أسطواني أفقي مع مجموعة حلقة قرص دوارة، حيث تغرق الحلقات أو الأقراص في الذوبان وتحمله كفيلم يستنزف مرة أخرى تحت الجاذبية ، أو تصميم قفص مع شبكة من القضبان التي تولد مساحة كبيرة من فيلم رقيق.يتم الاحتفاظ بفارق الجدار إلى 10-30 ملم، ويجب أن يكون العمود مدعومًا بمحامل داخلية أو مصممًا لنسبة كبيرة من الطول إلى القطر دون انحناء. يمكن أن تتجاوز قوة القيادة على جهاز التشطيب الكبير 100-200 كيلوواط ،ويجب أن يحافظ الختم على فراغ كامل عند درجة حرارة 290 درجة مئوية.
• نظام الفراغ واستعادة الجليكول:تحقيق 0.5-2 mbar في المنهج يتطلب نظام فراغ متعدد المراحل ، عادةً مكثف رش لإخراج الجليكول والجزيئات الأوليغومرية ، تليها طائرات بخار مع مكثفات متبادلة ،وغالبا مضخة حلقة السائل كمرحلة نهائيةالحمل البخار ليس فقط الجليكول ولكن أيضا منتجات التدهور والغوليومر مدفوعة، لذلك مكثف الرذاذ أمر ضروري:يستخدم رشاش الجليكول المبرد في الدورة لتكثيف وغسل البخار قبل أن يصل إلى المخرجات، وإذا كان أقل حجماً أو ارتفعت درجة حرارة الجليكول ، فإن الودائع الأوليغومر في فوهات المخرج ويتدهور الفراغ بشكل مطرد خلال الحملة.لأن الضغط المطلق يحدد مباشرة الوزن الجزيئي، تقوم المصانع بتثبيت قياس فراغ عبر الإنترنت في منفذ بخار المفاعل وتعامل مع الاتجاه المتزايد كإنذار لجودة المنتج بدلاً من قضية الصيانة.
• التدفئة، وتوحيد درجة الحرارة ووقت الإقامة:يتم تسخين ذوبان البوليستر بواسطة سائل نقل الحرارة المتداول، عادةً ما يكون خليطًا من أكسيد البيفينيل-ديفينيلمن خلال سترة وفي العديد من التصاميم من خلال الملفات الداخلية أو من خلال عمود المحرك والقراصين نفسها، وهي الطريقة الأكثر فعالية لتوصيل الحرارة إلى فيلم لزج. يجب أن تكون درجة الحرارة متساوية ضمن 1-2 درجة مئوية،لأن معدل التفاعل يعتمد بشدة على درجة الحرارة ويتسارع التدهور الحراري فوق حوالي 290-300 درجة مئوية؛ نقطة ساخنة كل من خفض اللزوجة من خلال انشطار السلسلة ويزيد من محتوى الأستاديلهيد و إستر الفينيل مجموعة نهاية. وقت الإقامة في التشطيب عادة ما يكون 60-180 دقيقة،وأمور التوزيع: المواد التي تبقى لفترة طويلة جداً تتحلل، لذلك يفضل التصميم الأفقي مع سلسلة من الحجرات أو السدود، والتي تقترب من تدفق القابس، على حجم واحد مضاعف.
• المواد، الختم و سلامة الفراغ:يذوب البوليستر وأبخرته ليسوا يآكلون بقوة، لذا فإن المادة القياسية هي 316L من الفولاذ المقاوم للصدأ لحاويات الإستريفيكيشن و 304L أو 316L للنهاية،مع أسطح عالية الجودة ملموسة بالكهرباء أو ملموسة ميكانيكياً على مناطق اتصال المنتج للحد من تكوين الجيل وتحلل الجدارالخطر الحقيقي هو دخول الهواء: عند درجة حرارة 290 درجة مئوية، فإن الأكسجين الذي يدخل من خلال شراع متسرب، أو سدادة عمود أو جذع صمام يسبب تدهورًا أكسديًا سريعًا وتصفر وتشكيل هلام.كما أنها تحمل نظام الفراغ مع النيتروجين التي يجب على المخرجات التعاملاستجابات التصميم هي بناء مصفح بالكامل على خدمة الفراغ ، أو غشامات معدنية أو أغطية فلورية عالية درجة الحرارة ، واختبار تسرب الهيليوم إلى أقل من 1 × 10 ^-6 mbar·L / s قبل التشغيل ،والتحقق المستمر من اتجاه الأكسجين أو الضغط على نظام الفراغ.

مصفوفة مقارنة مراحل مفاعل البوليستر

الأسئلة الشائعة (FAQ)

س: لماذا يحتاج مفاعل البوليستر إلى فراغ عميق؟

الجواب: لأن التكثيف المتعدد هو تفاعل توازن قابل للعكس يطلق إيثيلين غليكول، و ثابت التوازن قريب من واحد.وبالتالي فإن طول السلسلة التي يمكن تحقيقها يتم تحديدها بالكامل تقريبًا من خلال كيفية إزالة الجليكول تمامًا من الذوبان، مما يعني أن الضغط الجزئي للجليكول فوق الذوبان يجب أن يكون منخفضًا جدًا. في الممارسة العملية يتطلب هذا ضغوطًا مطلقة تصل إلى 0.5-2 mbar في المنتهى للوصول إلى اللزوجة الجوهرية للقنينة من 0هناك سبب حركي ثان: مع إطالة السلاسل ، يرتفع لزجة الذوبان إلى 200-500 Pa · ويتحول انتشار الجليكول من الذوبان إلى الخطوة الحد من السرعة ،حتى الفراغ المثالي لا فائدة منه إلا إذا كان المفاعل يجدد باستمرار سطح الذوبانولهذا السبب يجب تصميم عمق الفراغ وتجديد السطح معًا، ولهذا السبب يظهر تسرب الهواء الصغير أو مكثف الرذاذ الساخن على الفور كخفض في اللزوجة الجوهرية.

س: ما هي اللزوجة الداخلية ولماذا تهم؟

الجواب: اللزوجة الداخلية هي مقياس لحجم الهيدرو ديناميكي للبوليمر في محلول،يتم تحديدها عن طريق قياس وقت تدفق محلول البوليمر المخفف في مقياس لزجة الشعيرات الدموية واستقطابها إلى تركيز صفرإنه النوع المعتاد في الصناعة للوزن الجزيئي لـ PET لأنه سريع ويمكن إعادة إنتاجه ويرتبط مباشرة بالخصائص المهمة: قوة الذوبان والصمود والصلابة.القيم العادية هي 0.55-0.65 ديلو لتر/غ في الخيوط النسيجية والألياف اللاصقة، 0.62-0.70 ديلو لتر/غ في الأفلام والخيوط التقنية، و 0.72-0.85 ديلو لتر/غ في راتش الزجاجة وألياف الإطارات،حيث يعطي الوزن الجزيئي الأعلى القوة الميكانيكية ومقاومة الشقوق الضغطية اللازمةيتم قياس اللزوجة الداخلية عبر الإنترنت أو كل بضع ساعات في المصنع ، وهي المتغير الرئيسي للسيطرة: يقوم المشغلون بتعديل درجة حرارة الانتهاء ،مستوى الفراغ ووقت الإقامة للحفاظ عليه داخل نطاق حوالي زائد أو ناقص 0.01-0.02 ديلول/غرام

س: ما هو الفرق بين مفاعل البوليستر ومفاعل البوليمرة القياسي؟

الجواب: هناك ثلاثة خصائص تميزها. إنها تكثيف بدلاً من إضافة البوليمرة،يتم إنشاؤها باستمرار ويجب إزالتها تحت الفراغ حتى يتم إجراء التفاعل على الإطلاق؛ مفاعل إضافة مثل الذي يستخدم للأكريليك أو البولي إيثيلين لا يولد منتجاً ثانوياً وبدلاً من ذلك يجب أن يزيل حرارة خارجية كبيرة. يعمل في درجة حرارة أعلى بكثير،240-290 درجة مئوية مقابل 60-140 درجة مئوية لمعظم الأنظمة الأكريلية والفينيلوالذي يجلب التدهور الحراري، وتشكيل الأسيتالدهيد والختم في درجة حرارة عالية في التصميممن سمك رقيق إلى ذوبان 500 باس، لذلك يجب على مفاعل التشطيب استخدام التحريك الذي يولد الفيلم بدلاً من الخلط الكلي ، ويتطلب التفريغ مضخة عجلة وتوصيل تدفق بدلاً من صمام بسيط.

س: ما الذي يسبب البوليستر الخاطئ وكيف يتم تصحيحه؟

الجواب: المشاكل الأربع الأكثر شيوعًا يمكن تعقيبها إلى أسباب محددة:وقت إقامة قصير جداً أو درجة حرارة إتمام منخفضةيتم تصحيحه عن طريق استعادة الفراغ، ورفع درجة الحرارة ضمن حدود أو إبطاء معدل الإنجاز.من نسبة غليكول إلى حمض مفرطة أو من درجة حرارة الإستيرالية المفرطةيتم تصحيحه عن طريق ضبط النسبة المولية إلى 1.1-1.3 وخفض درجة حرارة الإستير.من التدهور الحراري في الطلاء النهائي أو في صب الحقن اللاحقويتم تصحيحه عن طريق خفض درجة حرارة الذوبان، وتقليل وقت الإقامة وإضافة التكثيف المتعدد في الحالة الصلبة.من البوليمر المتدهور الذي يتم الاحتفاظ به على جدار الوعاء حيث يتدهور حراريًا على مدى أيام، والتي يتم تصحيحها عن طريق تحسين مسح الجدران، وبرق السطوح التي تتصل والتنظيف في جدول محدد.