ما هو مفاعل الراتنج: الأنواع وميزات التصميم والتطبيقات

الإجابة على السؤال الأساسي:ما هو مفاعل الراتنج؟مفاعل الراتنج هو وعاء ذو سترة، ومحرك، وعادة ما يكون من الفولاذ المقاوم للصدأ، حيث يتم بناء المونومرات في سلاسل بوليمرية عن طريق البلمرة بالتكثيف أو البلمرة بالإضافة لإنتاج راتنجات الألكيد، والبوليستر، والأكريليك، والإيبوكسي، أو البولي يوريثان. تعتمد نافذة التشغيل بالكامل على العائلة. راتنجات الألكيد والبوليستر هي بلمرات بالتكثيف تُجرى عند 190-260 درجة مئوية وتُزيل الماء، لذا يحتاج الوعاء إلى عمود تجزئة لفصل الماء عن الجليكول المتطاير. راتنجات الأكريليك هي بلمرات بالجذور الحرة تُجرى عند 80-140 درجة مئوية تحت الارتداد، لذا يحتاج الوعاء إلى مكثف كبير مُصمم لحرارة الذروة المنبعثة. تُبنى راتنجات الإيبوكسي عند 150-200 درجة مئوية، وتُصنع مستحلبات البولي يوريثان عند 50-90 درجة مئوية تليها انقلاب الطور. هناك ثلاث ميزات عالمية: نقل الحرارة عبر سترة أو ملف نصف أنبوبي قادر على التسخين والتبريد، والتحريك مُصمم لملف اللزوجة بدلاً من المنتج النهائي، وغطاء غاز خامل لمنع الأكسدة وتكون اللون.

1. عائلات الراتنج وما يتطلبه كل منها من المفاعل

تغطي خمس عائلات معظم إنتاج الراتنج، ويفرض كل منها مجموعة مميزة من المتطلبات:

• راتنجات الألكيد:تُصنع الألكيدات من بوليول، وحمض ثنائي الكربوكسيل أو أنهيدريد، وحمض دهني أو زيت، وهي العمود الفقري لطلاءات الزخرفة والصناعية المذابة في المذيبات. غالبًا ما تكون الخطوة الأولى هي تحلل الكحول، حيث يتم تبادل الإستر للزيت مع الجلسرين أو البنتا إريثريتول عند 230-250 درجة مئوية في وجود محفز مثل هيدروكسيد الليثيوم أو أكسيد الرصاص، ويجب أن تجتاز الدفعة اختبار تحمل الميثانول أو الإيثانول لتأكيد أن الزيت قد تفاعل بالكامل قبل شحن الحمض. تجرى البلمرة بالتكثيف اللاحقة عند 220-260 درجة مئوية، وتُزيل الماء وتخفض قيمة الحمض إلى 5-25 ملغم KOH/غ اعتمادًا على ما إذا كانت الدرجة زيتية طويلة أو متوسطة أو قصيرة. نظرًا لأن درجة الحرارة مرتفعة والمواد الخام هي زيوت غير مشبعة، فإن غطاء الغاز الخامل ضروري، ويجب تصميم الوعاء بعمود يُعيد البوليول المتطاير مع إزالة الماء.
• البوليسترات المشبعة وغير المشبعة:تتشارك البوليسترات المشبعة للطلاءات وطلاءات المسحوق، والبوليسترات غير المشبعة للمركبات، في نفس كيمياء البلمرة بالتكثيف عند 190-220 درجة مئوية ولكنها تختلف في المواد الخام وما يحدث بعد ذلك. تستخدم الدرجات غير المشبعة أنهيدريد الماليك لإدخال روابط مزدوجة تفاعلية وتُخفف في الستايرين بعد التفاعل، لذا يجب أن يتبع المفاعل وعاء تخفيف مع التحكم الخاص به في التبريد والمثبط. تُخفف الدرجات المشبعة في مذيب أو تُفرغ كصلب لطلاء المسحوق. في كلتا الحالتين، يتم تحديد نقطة النهاية بواسطة قيمة الحمض واللزوجة، وكلاهما يُقاس بالقرب من نهاية الدفعة على فترات، وفي كلتا الحالتين، يحدد العمود الموجود على مخرج البخار فقدان الجليكول وبالتالي كل من التكلفة ووقت الدورة.
• راتنجات الأكريليك والفينيل:تُصنع راتنجات الأكريليك عن طريق بلمرة الجذور الحرة للأكريلات والميثاكريلات والستايرين في مذيب عند 80-140 درجة مئوية تحت الارتداد، باستخدام بادئ بيروكسيد أو آزو. تُطلق الكيمياء 60-80 كيلوجول لكل مول من المونومر وتخضع لتأثير الهلام، لذا يُشغل المفاعل شبه دفعة، ويُغذى المونومر والبادئ على مدى 2-6 ساعات، وتُزال الحرارة إلى حد كبير كحرارة كامنة للمذيب المرتد، وهو ذاتي التنظيم. لذلك يجب تصميم المكثف لحمل البخار الأقصى، وليس المتوسط، ويجب أن يكون خط البخار والنظام بأكمله خاملًا ومُصنفًا للمذيب القابل للاشتعال. يتم تحديد نقطة النهاية بواسطة التحويل واللزوجة أو المحتوى غير المتطاير، ويتم عادةً ترشيح المنتج قبل مغادرته المفاعل.
• راتنجات الإيبوكسي والبولي يوريثان:تُصنع راتنجات الإيبوكسي عن طريق تفاعل البيسفينول أ مع الإبيكلوروهيدرين في وجود مادة قلوية عند 150-200 درجة مئوية، يليه الغسيل لإزالة الملح والتجريد لإزالة الإبيكلوروهيدرين غير المتفاعل؛ لذلك يجب أن يتعامل المفاعل مع خليط أكّال، ثنائي الطور، يحتوي على أملاح، ويتبعه خطوة غسيل وخطوة تجريد. تُصنع مستحلبات البولي يوريثان عند 50-90 درجة مئوية عن طريق بناء بادئ نهائي للإيزوسيانات ثم تشتيته في الماء مع استطالة السلسلة، لذا يجب أن يتعامل المفاعل مع ذروة لزوجة حادة عند انقلاب الطور، ويستبعد الرطوبة بشكل صارم لأن الماء يتفاعل مع الإيزوسيانات، ويُفرغ ثاني أكسيد الكربون الناتج عن هذا التفاعل الجانبي. تتطلب كلتا العائلتين تحكمًا أكثر صرامة في درجة الحرارة من أنظمة البلمرة بالتكثيف، لأن التفاعلات أسرع والتفاعلات الجانبية أقل تساهلاً.

2. ميزات التصميم المشتركة لكل مفاعل راتنج

أربع ميزات تظهر على جميع مفاعلات الراتنج، والخطأ فيها هو ما يحد من معظم المصانع:

• نقل الحرارة الذي يعمل في كلا الاتجاهين:يجب على مفاعل الراتنج تسخين شحنة باردة إلى 200 درجة مئوية أو أكثر، ثم إزالة حرارة انبعاث كبيرة، ثم تبريد الدفعة للتفريغ، ويجب أن يقوم بهذه الأمور الثلاثة بشكل موثوق. البخار كافٍ حتى حوالي 180 درجة مئوية عند ضغط اقتصادي، وفوق ذلك يلزم سائل نقل حرارة متداول، عادةً زيت حراري أو خليط أوتكتيكي من ثنائي الفينيل وأكسيد ثنائي الفينيل، ويجب أن تكون السترة مُصنفة لضغط السائل، وهذا هو السبب في تفضيل الملفات نصف الأنبوبية والسترات ذات النقش على السترات البسيطة في الأوعية الأكبر. التبريد هو الواجب الأصعب، لأن معامل نقل الحرارة ينخفض مع ارتفاع اللزوجة ولأن فرق درجة الحرارة المتاح لمياه التبريد صغير بالقرب من نهاية التبريد. الاستجابة العملية هي تصميم السترة بناءً على اللزوجة في نهاية التفاعل بدلاً من البداية، وتوفير حلقة تداول خارجية عبر مبادل حراري للأوعية الأكبر.
• التحريك المتطابق مع ملف اللزوجة:تتغير لزوجة دفعة الراتنج بمقدار اثنين إلى أربعة أضعاف خلال الدورة، ويجب أن يعمل المحرك في كل نقطة. في بداية الدفعة تكون المحتويات رقيقة والمتطلب هو المزج الشامل ونقل الحرارة، لذا فإن التوربين ذو الشفرة المائلة، أو الهيدروفويل، أو التوربين والمرساة المدمجين يعمل بشكل جيد. مع نمو السلسلة وارتفاع اللزوجة، يزداد سمك طبقة الجدار وينهار نقل الحرارة، لذا يلزم مرساة ذات خلوص جداري قريب من 10-30 ملم، أو شريط حلزوني، لتجديد السطح. عند لزوجات عالية جدًا لبعض أنظمة البوليستر والإيبوكسي، لا يمكن لآلة واحدة تغطية النطاق ويتم استخدام ترتيب متحد المحور، ومشتت عالي السرعة على عمود واحد ومرساة بطيئة على عمود آخر. نظرًا لأن اللزوجة في نهاية التفاعل هي حالة التصميم، يجب أن يكون المحرك وعلبة التروس مُصنفة للتشغيل بكامل الحمل عند هذه اللزوجة، بما في ذلك بدء التشغيل بعد توقف.
• نظام البخار: العمود، المكثف، والفراغ:بالنسبة لراتنجات التكثيف، فإن نظام البخار ليس ملحقًا بل هو الجزء المحدد لمعدل العملية. يجب إزالة الماء باستمرار لزيادة الوزن الجزيئي، ولكن البخار الخارج عند 200-260 درجة مئوية غني بالجليكول أو البوليول، وهو باهظ الثمن ويجب عدم فقده. يعيد عمود مُعبأ أو ذو صوانٍ من ثلاث إلى ست مراحل نظرية على مخرج البخار الجليكول مع تمرير الماء إلى المكثف والمستقبل، حيث يتم قياس الماء لأن معدل جمعه هو أفضل مؤشر في الوقت الفعلي لتقدم التفاعل. تنتهي العديد من العمليات تحت فراغ من 400-700 ملي بار لدفع آخر قطرة من الماء دون رفع درجة الحرارة، لذا يجب أن يكون الوعاء والعمود والمستقبل مُصنفة بالكامل للفراغ، ويجب أن يكون نظام الفراغ مُصممًا لحمل الماء عند النقطة التي يكون فيها أكبر.
• المواد، والبطانية، والتنظيف:الفولاذ المقاوم للصدأ 316L هو المعيار لأن المواد المتفاعلة حمضية بشكل معتدل ولأن تلوث الحديد يسبب اللون، وهو أمر مهم في الطلاءات الشفافة والدرجات البيضاء والباستيل. تُصقل اللحامات ويُخمل الوعاء؛ غالبًا ما تُصقل الأسطح الداخلية إلى أقل من 0.8 ميكرومتر Ra لتقليل التغليف وتسهيل التنظيف. يتم تطبيق غطاء غاز خامل من النيتروجين طوال الوقت، حيث يتسبب الأكسجين عند 200-260 درجة مئوية في الأكسدة والتغميق، وفي الأنظمة غير المشبعة، التجلط المبكر. التنظيف بين المنتجات هو القيد المخفي في مصنع متعدد المنتجات: الوعاء الذي لا يمكن تنظيفه بسرعة يقضي 20-40٪ من وقته خارج الإنتاج، لذا تفضل التصاميم البناء الخالي من الشقوق، وصمامات سفلية مُركبة بشكل مسطح، وكرات رش للتنظيف في المكان، وحيث تسمح قائمة المنتجات، بتخصيص الأوعية حسب عائلة الراتنج.

مصفوفة عائلات الراتنج ومتطلبات المفاعل

أسئلة متكررة (FAQ)

س: ما الفرق بين مفاعل الراتنج ومفاعل كيميائي قياسي؟

ج: مفاعل الراتنج هو مفاعل كيميائي مُحسّن لمشكلة واحدة محددة: بناء سلسلة بوليمرية مع ارتفاع اللزوجة بأوامر من الحجم، وفي أنظمة التكثيف، إزالة منتج ثانوي صغير الجزيء باستمرار. مقارنة بمفاعل للأغراض العامة، فإنه يتميز بثلاث ميزات مميزة. نظام بخار مع عمود تجزئة، لأن راتنجات التكثيف يجب أن تزيل الماء مع الاحتفاظ بالجليكول المتطاير؛ لا يوجد لدى المفاعل العام مثل هذا المتطلب. نقل الحرارة مُصمم بناءً على لزوجة نهاية الدفعة بدلاً من البداية، لأن معامل السترة ينهار مع نمو السلسلة؛ والمحركات، مثل المراسي والأشرطة الحلزونية، مختارة لتجديد الجدار في الخدمة اللزجة بدلاً من المزج المضطرب الشامل. تعمل مفاعلات الراتنج أيضًا بشكل شائع تحت غطاء نيتروجين ولاحقًا تحت فراغ، وهي من الفولاذ المقاوم للصدأ مع أسطح مصقولة لأن اللون هو معلمة مواصفات.

س: لماذا يلزم وجود عمود تجزئة على مفاعل الراتنج؟

ج: لأن البخار الخارج من مفاعل البلمرة بالتكثيف عند 190-260 درجة مئوية ليس ماءً نقيًا. الجليكولات والبوليولات مثل البروبيلين جليكول، والإيثيلين جليكول، والجلسرين متطايرة عند درجة حرارة التفاعل، حيث يغلي البروبيلين جليكول عند 188 درجة مئوية، لذا فإن جزءًا كبيرًا من البخار هو مادة خام قيمة يجب عدم فقدانها. يفصل العمود، عادةً ثلاث إلى ست مراحل نظرية من التعبئة أو بضع صوانٍ، الماء، الذي يمر إلى الأعلى إلى المكثف والمستقبل، عن الجليكول، الذي يرتد مرة أخرى إلى المفاعل. بدونه، يزداد استهلاك الجليكول بشكل كبير، وتنحرف النسبة المولية للشحنة، ولا تتطابق الوزن الجزيئي وقيمة الحمض مع الوصفة، ويكون المنتج خارج المواصفات. يحدد العمود أيضًا وقت الدورة، حيث يحدد مدى سرعة إزالة الماء عند درجة حرارة معينة، وهذا هو سبب فحص حالة العمود ونسبة الارتداد كلما طالت مدة الدفعة.

س: كيف يتم تحديد نقطة نهاية دفعة الراتنج؟

ج: عن طريق التحليل بدلاً من الوقت، ويعتمد الاختبار المحدد على العائلة. بالنسبة لراتنجات التكثيف مثل الألكيدات والبوليسترات، فإن الاختبار الأساسي هو قيمة الحمض، وهي مليغرامات KOH اللازمة لمعادلة جرام واحد من الراتنج، وتنخفض إلى هدف 5-25 للألكيدات و 15-35 للبوليسترات غير المشبعة؛ يتم قياسها عن طريق معايرة عينة كل ساعة إلى ساعتين بالقرب من نهاية الدفعة. يتم قياس اللزوجة بالتوازي، إما على الراتنج النقي أو على محلول بمحتوى صلب محدد، حيث يؤكد الوزن الجزيئي الذي تشير إليه قيمة الحمض. بالنسبة لراتنجات الإضافة مثل الأكريليك، فإن الاختبارات هي المحتوى غير المتطاير أو التحويل، بالإضافة إلى اللزوجة. في كل حالة، فإن معدل التغيير مهم بقدر القيمة: يتباطأ التفاعل مع اقترابه من الاكتمال، ويحذر منحنى التسوية المشغل من أن نقطة النهاية قريبة.

س: ما هي مشاكل التشغيل الأكثر شيوعًا في مفاعل الراتنج؟

ج: خمس مشاكل تتكرر. التجلط في الوعاء، بسبب الإفراط في التفاعل، أو بسبب فقدان المثبط في الأنظمة غير المشبعة، أو بسبب المواد المحتجزة على الجدار الساخن حيث تتفاعل بالبوليمرات لساعات؛ يتم منع ذلك عن طريق التوقف عند التحليل، والتحريك بكاشطات الجدار، وتلميع أسطح التلامس. تكون اللون، بسبب دخول الأكسجين عند 200-260 درجة مئوية، وهذا هو سبب أهمية غطاء النيتروجين وإحكام إغلاق الوعاء؛ يتم تشخيصه عن طريق فحص تدفق الغطاء ومحتوى الأكسجين في غاز العادم. التلوث والترسب على الجدار وعند واجهة البخار والسائل، مما ينتج جزيئات هلامية تظهر كبقع في الطلاء النهائي؛ يتم التعامل مع ذلك عن طريق تغطية السترة فوق مستوى السائل وجدول تنظيف محدد. مشاكل إزالة الماء، بسبب عمود ملوث أو غارق أو نظام فراغ فاشل، والتي تظهر كدفعات لا تصل إلى قيمة الحمض. وهروب اللزوجة، حيث يذهب التفاعل أبعد من المقصود ولا يمكن تفريغ المنتج أو تخفيفه.