Wat is een harsreactor: typen, ontwerpkenmerken en toepassingen

Het beantwoorden van de kernvraag:Wat is een harsreactor?Een harsreactor is een geroerd, meestal roestvrijstalen vat met een mantel waarin monomeren door polycondensatie of additiepolymerisatie in polymeerketens worden ingebouwd om alkyd-, polyester-, acryl-, epoxy- of polyurethaanharsen te produceren. Het operatievenster is volledig afhankelijk van het gezin. Alkyd- en polyesterharsen zijn polycondensaties die bij 190-260°C worden uitgevoerd en waarbij water wordt geëlimineerd. Daarom heeft het vat een fractioneringskolom nodig om water van vluchtige glycol te scheiden. Acrylharsen zijn vrije radicaalpolymerisaties die bij 80-140°C onder reflux worden uitgevoerd, dus het vat heeft een grote condensor nodig die geschikt is voor de piekwarmteafgifte. Epoxyharsen worden opgebouwd bij 150-200°C, en polyurethaandispersies bij 50-90°C gevolgd door fase-inversie. Drie kenmerken zijn universeel: warmteoverdracht via een mantel of halfpipe-spiraal die zowel kan verwarmen als afkoelen, roerwerk dat is afgestemd op het viscositeitsprofiel in plaats van op het eindproduct, en een inerte gasdeken om oxidatie en kleurvorming te voorkomen.

1. De harsfamilies en wat ze allemaal van de reactor eisen

Vijf families bestrijken de meeste harsproductie, en elke familie stelt een aantal specifieke eisen:

• Alkydharsen:Alkyden worden gemaakt van een polyol, een dibasisch zuur of anhydride en een vetzuur of olie, en zijn het werkpaard van decoratieve en industriële coatings op oplosmiddelbasis. De eerste stap is vaak alcoholyse, waarbij de olie wordt omgeësterd met glycerol of pentaerythritol bij 230-250 ° C in aanwezigheid van een katalysator zoals lithiumhydroxide of loodoxide, en de batch moet een methanol- of ethanoltolerantietest doorstaan ​​om te bevestigen dat de olie volledig heeft gereageerd voordat het zuur wordt toegevoegd. De daaropvolgende polycondensatie vindt plaats bij 220-260°C, waarbij water wordt geëlimineerd en de zuurwaarde wordt verlaagd tot 5-25 mg KOH/g, afhankelijk van of de kwaliteit lange, middellange of korte olie is. Omdat de temperatuur hoog is en de grondstoffen onverzadigde oliën zijn, is een inerte gasdeken essentieel en moet het vat worden ontworpen met een kolom die vluchtige polyol retourneert terwijl water wordt verwijderd.
• Verzadigde en onverzadigde polyesters:Verzadigde polyesters voor coatings en poedercoatings, en onverzadigde polyesters voor composieten, delen dezelfde polycondensatiechemie bij 190-220°C, maar verschillen qua grondstoffen en wat er daarna gebeurt. De onverzadigde soorten gebruiken maleïnezuuranhydride om reactieve dubbele bindingen te introduceren en worden na de reactie verdund in styreen, dus de reactor moet worden gevolgd door een verdunningsvat met zijn eigen koeling en remmercontrole. De verzadigde soorten worden verdund in oplosmiddel of als vaste stof afgevoerd voor poedercoating. In beide gevallen wordt het eindpunt bepaald door de zuurwaarde en de viscositeit, beide met tussenpozen gemeten aan het einde van de batch, en in beide gevallen bepaalt de kolom aan de dampuitlaat het glycolverlies en dus zowel de kosten als de cyclustijd.
• Acryl- en vinylharsen:Acrylharsen worden gemaakt door vrije radicaalpolymerisatie van acrylaten, methacrylaten en styreen in oplosmiddel bij 80-140°C onder reflux, met behulp van een peroxide- of azo-initiator. Bij de chemie komt 60-80 kJ per mol monomeer vrij en is onderhevig aan het geleffect, dus de reactor wordt semi-batch uitgevoerd, waarbij monomeer en initiator gedurende 2-6 uur worden toegevoerd, en de warmte wordt grotendeels verwijderd als de latente warmte van het refluxende oplosmiddel, dat zelfregulerend is. De condensor moet daarom worden gedimensioneerd voor de maximale dampbelasting, niet voor het gemiddelde, en de dampleiding en het hele systeem moeten inert zijn en geschikt zijn voor het ontvlambare oplosmiddel. Het eindpunt wordt bepaald door de conversie en door de viscositeit of door de niet-vluchtige inhoud, en het product wordt gewoonlijk gefilterd voordat het de reactor verlaat.
• Epoxy- en polyurethaanharsen:Epoxyharsen worden gemaakt door bisfenol A te laten reageren met epichloorhydrine in aanwezigheid van bijtende middelen bij 150-200°C, gevolgd door wassen om zout te verwijderen en door strippen om niet-gereageerd epichloorhydrine te verwijderen; de reactor moet daarom een ​​corrosief, tweefasig, zouthoudend mengsel verwerken en wordt gevolgd door een was- en een stripstap. Polyurethaandispersies worden gemaakt bij 50-90°C door een prepolymeer met isocyanaat-eindgroepen te bouwen en dit vervolgens in water met ketenverlenging te dispergeren, dus de reactor moet een scherpe viscositeitspiek bij fase-inversie aankunnen, vocht rigoureus uitsluiten omdat water reageert met isocyanaat, en het kooldioxide afblazen dat door die nevenreactie wordt geproduceerd. Beide families vereisen een strengere temperatuurbeheersing dan polycondensatiesystemen, omdat de reacties sneller zijn en de nevenreacties minder vergevingsgezind.

2. Ontwerpkenmerken die elke harsreactor gemeen hebben

Alle harsreactoren hebben vier kenmerken, en als ze fout zijn, zijn dat de beperkingen van de meeste planten:

• Warmteoverdracht die in beide richtingen werkt:Een harsreactor moet een koude lading verwarmen tot 200°C of meer, vervolgens een grote exotherm verwijderen en vervolgens de batch afkoelen om te worden afgevoerd, en dit moet alle drie op betrouwbare wijze gebeuren. Stoom is voldoende tot ongeveer 180 ° C bij economische druk, waarboven een circulerende warmteoverdrachtsvloeistof, doorgaans een thermische olie of een bifenyl-difenyloxide-eutektisch middel, vereist is, en de mantel moet geschikt zijn voor de vloeistofdruk. Daarom hebben halfpipe-spiralen en kuiltjesmantels de voorkeur boven eenvoudige mantels op grotere schepen. Koelen is de zwaardere taak, omdat de warmteoverdrachtscoëfficiënt daalt naarmate de viscositeit stijgt en omdat het beschikbare temperatuurverschil met het koelwater klein is aan het einde van de afkoeling. De praktische oplossing is om de mantel aan het einde van de reactie af te stemmen op de viscositeit in plaats van aan het begin, en om voor de grootste vaten een externe circulatielus via een warmtewisselaar te creëren.
• Roeren afgestemd op het viscositeitsprofiel:De viscositeit van een harsbatch verandert tijdens de cyclus met twee tot vier ordes van grootte, en het roerwerk moet op elk punt werken. In het begin van de batch is de inhoud dun en is bulkmenging en warmteoverdracht vereist, dus een turbine met schuine schoepen, een draagvleugelboot of een gecombineerde turbine en anker werkt goed. Naarmate de ketting groeit en de viscositeit stijgt, wordt de wandfilm dikker en neemt de warmteoverdracht af. Daarom is een anker met een nauwe wandafstand van 10-30 mm, of een spiraalvormig lint, nodig om het oppervlak te vernieuwen. Bij de zeer hoge viscositeiten van sommige polyester- en epoxysystemen kan één enkele machine het bereik niet dekken en wordt een coaxiale opstelling gebruikt, een snelle dispergeerinrichting op de ene as en een langzaam anker op de andere. Omdat de viscositeit aan het einde van de reactie het ontwerpscenario is, moeten de aandrijving en de versnellingsbak gedimensioneerd zijn voor werking bij volledige belasting bij die viscositeit, inclusief het opstarten na stilstand.
• Dampsysteem: kolom, condensor en vacuüm:Bij condensatieharsen is het dampsysteem geen accessoire, maar het snelheidsbepalende onderdeel van het proces. Water moet continu worden verwijderd om het molecuulgewicht te laten stijgen, maar de damp die bij 200-260°C achterblijft, is rijk aan glycol of polyol, wat duur is en niet verloren mag gaan. Een gepakte of schotelvormige kolom van drie tot zes theoretische trappen op de dampuitlaat retourneert de glycol terwijl water naar een condensor en een ontvanger wordt geleid, waar het water wordt gemeten omdat de verzamelsnelheid de beste realtime indicator is van de voortgang van de reactie. Veel processen eindigen onder een vacuüm van 400-700 mbar om het laatste water weg te drijven zonder de temperatuur te verhogen. Het vat, de kolom en de ontvanger moeten dus allemaal geschikt zijn voor volledig vacuüm, en het vacuümsysteem moet geschikt zijn voor de waterbelasting op het punt waar deze het grootst is.
• Materialen, deken en reiniging:316L roestvrij staal is de standaard omdat de reactanten licht zuur zijn en omdat ijzerverontreiniging kleur veroorzaakt, wat van belang is bij heldere coatings en bij witte en pastelkleuren. Lasnaden worden gladgeslepen en het vat gepassiveerd; interne oppervlakken worden vaak gepolijst tot minder dan 0,8 micrometer Ra om filmvorming te verminderen en het schoonmaken gemakkelijker te maken. Er wordt overal een inerte gasdeken van stikstof aangebracht, omdat zuurstof bij 200-260°C oxidatie, verdonkering en, in onverzadigde systemen, voortijdige gelering veroorzaakt. Het reinigen tussen producten is de verborgen beperking in een fabriek met meerdere producten: een vat dat niet snel kan worden gereinigd, is 20-40% van zijn tijd buiten productie, dus ontwerpen geven de voorkeur aan spleetvrije constructies, verzonken gemonteerde bodemkleppen, sproeibollen voor clean-in-place en, waar de productlei dit toelaat, inzet van vaten per harsfamilie.

Harsfamilies en reactorvereistenmatrix

Veelgestelde vragen (FAQ)

Vraag: Wat is het verschil tussen een harsreactor en een standaard chemische reactor?

A: Een harsreactor is een chemische reactor die is geoptimaliseerd voor één specifiek probleem: het bouwen van een polymeerketen terwijl de viscositeit met ordes van grootte stijgt, en, in condensatiesystemen, het continu verwijderen van een bijproduct van kleine moleculen. Vergeleken met een reactor voor algemeen gebruik heeft deze drie onderscheidende kenmerken. Een dampsysteem met een fractioneerkolom, omdat condensatieharsen water moeten verwijderen terwijl vluchtige glycol wordt vastgehouden; een algemene reactor heeft een dergelijke vereiste niet. De warmteoverdracht wordt bepaald op basis van de end-of-batch-viscositeit in plaats van op de initiële viscositeit, omdat de mantelcoëfficiënt instort naarmate de ketting groeit; en roerders, zoals ankers en spiraalvormige linten, gekozen voor wandvernieuwing bij viskeuze toepassingen in plaats van voor turbulente menging in bulk. Harsreactoren werken gewoonlijk ook onder een stikstofdeken en later onder vacuüm, en ze zijn van roestvrij staal met gepolijste oppervlakken omdat kleur een specificatieparameter is.

Vraag: Waarom is een fractioneringskolom nodig op een harsreactor?

A: Omdat de damp die een polycondensatiereactor bij 190-260°C verlaat, geen zuiver water is. Glycolen en polyolen zoals propyleenglycol, ethyleenglycol en glycerol zijn vluchtig bij reactietemperatuur, waarbij propyleenglycol kookt bij 188°C, dus een groot deel van de damp is waardevolle grondstof die niet verloren mag gaan. De kolom, doorgaans drie tot zes theoretische pakkingstadia of een paar bakken, scheidt water, dat naar de condensor en de ontvanger gaat, van glycol, dat terugvloeit naar de reactor. Zonder dit stijgt het glycolverbruik aanzienlijk, de molaire verhouding van de lading verandert, het molecuulgewicht en de zuurwaarde komen niet langer overeen met het recept en het product voldoet niet aan de specificaties. De kolom bepaalt ook de cyclustijd, omdat deze bepaalt hoe snel water kan worden verwijderd bij een bepaalde temperatuur. Daarom worden de kolomconditie en de refluxverhouding gecontroleerd wanneer een batch lang doorloopt.

Vraag: Hoe wordt het eindpunt van een harsbatch bepaald?

A: Door analyse in plaats van door tijd, en de specifieke test hangt af van het gezin. Voor condensatieharsen zoals alkyden en polyesters is de primaire test de zuurwaarde, het aantal milligram KOH dat nodig is om één gram hars te neutraliseren, en daalt naar een streefwaarde van 5-25 voor alkyden en 15-35 voor onverzadigde polyesters; deze wordt gemeten door elke één tot twee uur tegen het einde van de batch een monster te titreren. De viscositeit wordt parallel gemeten, hetzij op de zuivere hars, hetzij op een oplossing met een gedefinieerd gehalte aan vaste stoffen, omdat dit het molecuulgewicht bevestigt dat wordt geïmpliceerd door de zuurwaarde. Voor additieharsen zoals acrylaten zijn de tests het niet-vluchtige gehalte of de conversie, plus viscositeit. In elk geval is de snelheid van de verandering net zo belangrijk als de waarde: de reactie vertraagt ​​naarmate deze zijn voltooiing nadert, en een afvlakkende curve waarschuwt de operator dat het eindpunt nabij is.

Vraag: Wat zijn de meest voorkomende bedrijfsproblemen in een harsreactor?

A: Vijf komen terug. Gelvorming in het vat, door overreactie, door verlies van remmer in onverzadigde systemen, of door materiaal dat op de hete wand wordt vastgehouden waar het urenlang polymeriseert; dit wordt voorkomen door te stoppen bij de analyse, door tegen de muur te schrapen en door de contactoppervlakken te polijsten. Kleurvorming door het binnendringen van zuurstof bij 200-260°C, daarom zijn de stikstofdeken en de lekdichtheid van het vat van belang; De diagnose wordt gesteld door de dekenstroom en het zuurstofgehalte van het ontluchtingsgas te controleren. Vervuiling en filmvorming op de wand en op het grensvlak tussen damp en vloeistof, waardoor geldeeltjes ontstaan ​​die als vlekjes in de uiteindelijke coating zichtbaar zijn; het wordt beheerd door een manteldekking boven het vloeistofniveau en door een gedefinieerd reinigingsschema. Problemen met de waterverwijdering, door een vervuilde of overstroomde kolom of een defect vacuümsysteem, die zich voordoen als batches die de zuurwaarde niet bereiken. En viscositeitstoename, waarbij de reactie verder gaat dan bedoeld en het product niet kan worden geloosd of verdund.