ما هو مفاعل الأكريليك: كيمياء البلمرة والتصميم والتحكم

ما هو مفاعل أكريليك: كيمياء البوليمرة، التصميم والتحكم

الإجابة على السؤال الأساسي:ما هو مفاعل أكريليك؟المفاعل الأكريليك هو وعاء محفز حيث أحادي أكريليك وميثاكريليك مثل حمض الأكريليك، أكريلات البوتيل،الميثيل ميتاكريلات والستيرين يتم تعديله بواسطة آلية الجذور الحرة إلى الراتنجات الأكريليكية، والبثباتات أو المستثمرات. يكون التفاعل خارجيًا قويًا ، حيث يطلق 60-80 كيلو جيه لكل مول من المونومر ، وهو ما يعادل حوالي 700-1100 كيلو جيه لكل كيلوغرام من المونومر ،ويجب إزالة هذه الحرارة باستمرار أو أن دفعة سوف تتسارعثلاثة طرق مهيمنة. يتحول البوليمر في الماء عند 60-90 درجة مئوية إلى محتوى صلب من 40-60٪ و ينتج اللاتكس للطلاء واللصاقات والمنسوجات.البوليمر في محلول يعمل عند 80-140 درجة مئوية في ظل ارتداد وتعطى الراتنجات للطلاء الصناعي. الطرق السائبة أو التعليق تعمل بشكل أكثر سخونة، عند 100-180 درجة مئوية.التوقف يتباطأ بينما يستمر التكاثر، لذا فإن معدل و إطلاق الحرارة تتسارع بشكل حاد ما لم يتم تصميم المفاعل لذلك.

1كيمياء البوليمرة التي تملي تصميم المفاعل

أربع حقائق كيميائية تحدد التصميم الميكانيكي والتحكم في كل مفاعل أكريليك:

• حركية الجذور الحرة واختيار المبدعيتقدم البوليمرزة الأكريلية من خلال البدء والتكاثر والانتهاء ، مع معدل متناسب مع الجذر التربيعي لتركيز البداية وتركيز المونومر.يتم اختيار المبدعين حسب درجة حرارة تحللهم، والتي يتم التعبير عنها بأنها نصف عمر: تستخدم البرسولفات مثل أمونيوم أو بورسولفات البوتاسيوم عند 60-90 درجة مئوية في المستحلبة ، المركبات الأزوية مثل AIBN في محلول 60-80 درجة مئوية ،والبيروكسيدات مثل بيروكسيد البنزويل أو بيربنزوات الترت-بوتيل تغطي 90-140 درجة مئويةأزواج ريدوكس، عادة ما تكون بريسولفات مع بيسولفيت أو ملح حديدي، تولد الجذور عند 30-60 درجة مئوية وتسمح بتوليد بوليمر ذو وزن جزيئي عالي في درجات حرارة منخفضة.لأن تركيز البداية يتحكم في كل من السرعة والوزن الجزيئي، ولأن التفكك يعتمد على درجة الحرارة بشكل كبير ، يجب تصميم نظام البدء ومجموعة التحكم في درجة الحرارة معًا بدلاً من بشكل مستقل.
• تأثير هلام ترومسدورفهذا هو الخطر المحدد للمفاعلات الأكريليكية عند التحويل فوق حوالي 30-50٪تزيد سلاسل البوليمر المتزايدة من لزجة الوسيط لدرجة أن خطوة الانتهاء المسيطر عليها بالانتشار بين اثنين من الجذور الكبيرة تبطئ بشكل كبير، في حين أن جزيء المونومر الصغير لا يزال قادرًا على الانتشار والانتشار. ينخفض التوقف ، وترتفع تركيز الجذور ، ويتسارع كل من معدل الإفراج عن الحرارة في حلقة ردود فعل إيجابية.ارتفاع درجات الحرارة، مما يسرع تفكك المشغل بشكل أكبر. ما لم يتم تحديد حجم نظام إزالة الحرارة لهذا الذروة ، تهرب المجموعة ، وفي أسوأ الأحوال يجب أن يتم إلقاء المفاعل أو رفع جهاز الإغاثة.استجابات التصميم هي تغذية مونومر شبه دفعة التي تبقي التحويل الفوري منخفضة، ملف تعديل إضافة المبدئ المرحلي، مع قدرة سخية على الرد، وقفل يمنع تلقائيًا التغذية ويطبق التبريد الكامل عند درجة حرارة عالية.
• تحكم الوزن الجزيئي ونقل السلسلة:يتم تحديد نوع المنتج في المقام الأول من خلال الوزن الجزيئي الذي يتم التحكم به من قبل نسبة الانتشار إلى نقل السلسلة وإنهاء.عادةً المركبتان مثل n-dodecyl mercaptan أو thioglycolates، يتم إضافتها في 0.05-2٪ من حيث الوزن لتغطية السلاسل النامية وانخفاض الوزن الجزيئي بشكل متوقع.يتم تغذيتها مع المونومر للحفاظ على النسبة ثابتة وتوزيع الوزن الجزيئي ضيقتوزيع الوزن الجزيئي، المعبّر عنه كمؤشر التشتت المتعدد، يمتد عادةً من 2 إلى 5 لأكريليك الجذور الحرة ويؤثر على كل من الخصائص الميكانيكية ولزوجة المنتج النهائي.ارتفاع تركيز البداية وارتفاع درجة الحرارة كلاهما وزن جزيئي أقل، لذلك التحكم في درجة الحرارة ضمن 1-2 درجة مئوية عبر دفعة هو ما يوفر الثبات الصف.
• الأكسجين والمثبطين واستقرار المونومر:يتم تخزين المونومرات الأكريلية ومعالجتها بمثبط للكيمياء ، وعادة ما يكون MEHQ عند 10-200 جزء في المليون ، والذي يكون فعالًا فقط في وجود الأكسجين المذاب.هذا يخلق مفارقة عملية: الأكسجين يمنع التعدين في التخزين لكنه يمنع التفاعل المقصود في المفاعل.وبالتالي فإن النباتات تنظف الشحنة المونومرية بالنيتروجين لتجريد الأكسجين المذاب قبل البدء، ويجب أن يكون المفاعل غير فعال طوال الوقت ، حيث أن دخول الأكسجين خلال الدفعة يسبب فترة إدخال تليها حرارة خارجية لا يمكن التنبؤ بها. يقدم حمض الأكريليك خطرا ثانيا:فوق حوالي 90 درجة مئوية فإنه يخضع لزيادة مايكل لتشكيل ثنائي وأعلى أوليغوميرات، والذي هو الحرارة الخارجية والسرعة الذاتية، لذلك لا ينبغي أبدا تسخين حمض الأكريليك السائبة فوق حوالي 80-90 درجة مئوية دون مثبط البوليمرة وقيود وقت الإقامة صارمة.

2تكوينات المفاعل واستراتيجية إزالة الحرارة

يتبع التكوين المسار ومتطلبات إزالة الحرارة ، وهي عامل الحجم الحقيقي:

• مفاعل إيمولسيون نصف دفعة:التكوين القياسي لللاطكس الأكريلي المنتشر بالماء: وعاء محفز مغطى بمساحة 5-60 متر مكعب من الفولاذ المقاوم للصدأ 316L ،مع تغذية مونومرية مستحلبة مسبقًا وتدفقات تغذية مبدئية منفصلة تضاف على مدى ساعتين إلى ست ساعاتيتم إزالة الحرارة بواسطة السترة ، عن طريق تدفق الماء والمونومر من خلال مكثف فوقي ، والحرارة الحساسة من تغذية البرد نفسها.لأن المونومر يتم تغذيته بدلا من شحنه في وقت واحد، تركيز المونومر غير المتفاعل الفوري في الجسيمات محدود،الذي يحافظ على ذروة إطلاق الحرارة داخل سعة السترة ويسمح في الوقت نفسه للمشغل بالتحكم في تكوين الجسيمات وبالتالي ملف تعريف درجة حرارة الانتقال الزجاجي عبر الجسيماتيتم تحديد حجم الجسيمات ، عادة 80-500 نانومتر ، بواسطة عامل السطح والشحنة الأولية ، ويجب أن يوفر المفاعل قشرًا كافًا للحفاظ على استقرار اللاتكس دون التسبب في التخثر أو تكوين الحصى.
• مفاعل البوليمرزة بالحلول مع تدفق:بالنسبة لراتنجات الطلاء المحمولة بالمذيب والبوليمرات اللاصقة ، يعمل المفاعل عند 80-140 درجة مئوية تحت تدفق داخلي في ضغط جوي أو مرتفع قليلاً. يعيد المكثف الرأسي المذيب ،و يتم إزالة حرارة البوليمرزة كحرارة خفية للمذيب العائم، وهي آلية تبريد فعالة للغاية وتنظم نفسها: مع تسارع الحرارة الخارجية ، يغلي المزيد من المذيب ، ويتم إزالة المزيد من الحرارة ، ويتم الحفاظ على درجة الحرارة عند نقطة الغليان.يجب أن يكون حجم المفاعل لتحميل البخار عند سرعة الذروة، مع مكثف ومركز لإعادة مرحلة المذيب ، ويجب أن يكون النظام بأكمله معتادًا ومتميزًا للمذيب القابل للاشتعال.يتم تفريغ المنتج كمحلول من 40-70٪ ويمكن إزالة المزيد من المواد الصلبة أو تقليل المونومر المتبقي.
• مفاعلات متواصلة: CSTR Cascade، Loop و Tubular:تتحرك أكريليات السلع ذات الحجم الكبير إلى التشغيل المستمر. سلسلة من ثلاثة إلى ستة مفاعلات خزان مستمرة في سلسلة تقترب من تدفق القابس وتعطي توزيعًا ضيقًا للوقت,الذي يهم لأن وقت الإقامة ينتشر بشكل مباشر يوسع الوزن الجزيئي وتوزيعات تكوين البوليمر المشترك.حيث يتم توزيع المحتوى من خلال غلاف خارجي ومبادل حرارة أنبوب أو لوحة بسرعة عالية، تحل مشكلة إزالة الحرارة عند اللزوجة العالية ويتم استخدامها على نطاق واسع للصلبات العالية والكثير من البوليمرات ؛يجب تحديد حجم مضخة الدورة الدموية والمبادل لذروة اللزوجة والإحساس بالتلوث في البوليمرتوفر مفاعلات الخلاط الأنبوبية والستاتية أقصر توزيع للوقت الإقامة وأفضل إزالة للحرارة لكل وحدة حجماً، وتستخدم للكيمياء عالية جداً،لكنّهم لا يتسامحون مع التلوث و أيّ إزعاج في الغذاء يمكن أن يسبب الجلّ للخطّ.
• إزالة الحرارة والأجهزة والسلامة:أياً كان التكوين، فإن ميزان الحرارة هو التصميم. يتم حساب معدل تحرير الحرارة القصوى من معدل التحويل الأقصى تحت تأثير الجيل،يجب أن تتجاوز طاقة الحلقة الخارجية و القدرة الارتدادية معًالأن اللزوجة ترتفع من خلال المجموعة، ينخفض معامل الجانب سترة والفيلم الجدار سميكة، لذلك يجب على التصميم استخدام نهاية اللزوجة من المجموعة، وليس الأولية.الأجهزة تشمل أجهزة استشعار درجة حرارة متعددة مستقلة، إنذار عالية الارتفاع الذي يوقف تغذية المونومر والمبدع وفتح التبريد الكامل، ونظام تخفيف الضغط مقاس باستخدام منهجية DIERS للحالة الهاربة،حيث أن البوليمرزة الأكريلية هي نظام غازي ومتألم مع حمولة بخار من المذيب المغلي أو الماءالعديد من المصانع تضيف خزان التخلص يحتوي على ماء بارد أو عامل إطفاء، أو نظام حقن مثبط، كطبقة الحماية النهائية.

طرق البوليمرة الأكريلية مصفوفة المقارنة

الأسئلة الشائعة (FAQ)

س: لماذا يكون إزالة الحرارة هو العامل المحدد في مفاعل أكريليك؟

ج: لأن التفاعل يطلق 60-80 كيلو جيه لكل مول من المونومير، أي ما يعادل حوالي 700-1100 كيلو جيه لكل كيلوغرام، ولأن معدل الإفراج ليس ثابت.تأثير الجل يعني أنه مع مرور التحول 30-50٪ وارتفاع اللزوجة، ينتهي الانتشار يصبح محدود، ويرتفع عدد الجذور، ويتسارع معدل الإفراج عن الحرارة الذروة يمكن أن يكون من 2 إلى 5 أضعاف المتوسط،وتحدث في اللحظة التي يكون فيها معامل الجانب الجاكت في أسوأ حالاته لأن المجموعة أكثر لزجةلذلك فإن المفاعل ذو الحجم المتوسط سوف ينفذ في نهاية المجموعة. التصميم الصحيح يحدد معدل الذروة، ويستخدم اللزوجة في نهاية المجموعة لمعامل نقل الحرارة،وتوفر عدة مسارات إزالة مستقلة، عادة سترة، الحلقة الخارجية والارتداد، بحيث لا يكون هناك فشل واحد يسبب فقدان السيطرة.

س: ما هو الفرق بين البوليمرة الاكريليكية المتواصلة والشرائح والشرائح النصفية؟

ج: في عملية الدفعة يتم شحن جميع المونومر والمبتدئ والوسيط في البداية، مما يعطي أبسط وعاء ولكن أسوأ التحكم: معدل أعلى في البداية،يؤدي تأثير الجل إلى ذروة حرارة خارجية قوية، وتتحرك تركيبة الكوبوليمر عبر الشحنة لأن المونومر الأكثر تفاعلاً يستهلك أولاً. في عملية الشحنة النصفية ،الذي هو المعيار الصناعي للمستحلبات والحلول الأكريليكية، يتم تغذية المونومر والمبدع على مدى ساعتين إلى ست ساعات ، وبالتالي يتم الحفاظ على التحويل الفوري منخفضًا ، ويتم توزيع حرارة الإفراج بالتساوي ،وتغذية خليط من المونومرات من تغيير التكوين يسمح للمصنع هندسة تكوين البوليمر والبنية الجسيمية- التشغيل المستمر في سلسلة CSTR أو حلقة يعطي أفضل اتساق وأدنى تكلفة للطن في حجم كبير ولكن يتطلب جودة تغذية ثابتة،أجهزة واسعة والبدء الطويل وتغيير الدرجة.

س: كيف يتم التحكم في الوزن الجزيئي في مفاعل أكريليك؟

الجواب: يتم استخدام ثلاثة رافعات، ويتم دمجها عادةً.لأن تفكك البداية يعتمد عليه بشكل كبير و ارتفاع درجة الحرارة ينتج المزيد من الجذور و سلاسل أقصر؛ الحفاظ على دفعة ضمن 1-2 درجة مئوية هو ما يجعل من الممكن إعادة إنتاج الدرجة إلى الدرجة. عامل نقل السلسلة ، عادة ما يكون مركبتان عند 0.05-2٪ في الوزن ، والذي ينهي سلسلة نمو ويبدأ واحدة جديدة ،خفض الوزن الجزيئي بشكل متوقع؛ لأنه يستهلك أسرع من المونومر، فإنه يتم إطعامها لإبقاء النسبة ثابتة.الذي يحدد تدفق الجذور وبالتالي عدد السلاسل التي تنمو في وقت واحديتم مراقبة النتيجة عن طريق قياس لزجة محلول المنتج أو اللاتكس و بواسطة الكروماتوجرافي من خلال دخول الجل للحصول على الوزن الجزيئي و التشتت متعددمع حلقة التغذية الراجعة التي تقوم بتعديل ملامح الغذاء على الدفعات اللاحقة.

س: ما هي مشاكل التشغيل الشائعة في مفاعل أكريليك؟

الجواب: خمسة تكرارية، حرارة خارجية هاربة من تأثير الجيل، بسبب تغذية سريعة جداً للمونومير، محرك فاشل، سترة ملوثة أو شحنة مبكرة مرتفعة جداًمن القطع المفرط، عدم كفاية المواد النشطة السطحيّة، صدمة الكهربائيّة أو تغذية سريعة جداً، والتي تظهر كمواد صلبة قابلة للتصفية ومنتج متدهور.الذي يزداد سوءًا عند التشغيل بالقرب من درجة حرارة تشكيل فيلم البوليمر ويتطلب تنظيفًا منتظمًا ولوحة صافية ملموسة بالكهرباء أو زجاجية. المونومر المتبقي فوق المواصفات ، عادة 100-1000 جزء في المئة ، والذي يتطلب إزالة ما بعد البوليمرة أو خطوة مطاردة كيميائية مع مبدع إضافي أو زوج استئصال ريدوكس.و دخول الأكسجين، الذي يسبب فترة إدخال لا يمكن التنبؤ بها ثم تأخير الحرارة الخارجية التي تلتقط المشغل بمفاجأة.