Τι είναι ένας ακρυλικός αντιδραστήρας: Χημεία Πολυμερισμού, Σχεδιασμός και Έλεγχος

Τι είναι ένας ακρυλικός αντιδραστήρας: Χημεία Πολυμερισμού, Σχεδιασμός και Έλεγχος

Απαντώντας στην βασική ερώτηση:Τι είναι ένας ακρυλικός αντιδραστήρας;Ένας ακρυλικός αντιδραστήρας είναι ένα δοχείο αναμειγνύσεως στο οποίο ακρυλικά και μετακρυλικά μονομερή όπως το ακρυλικό οξύ, το βουτυλικό ακρυλικό,το μεθυλομεθακρυλικό και το στυρίνιο πολυμερίζονται με μηχανισμό ελεύθερων ριζών σε ακρυλικές ρητίνεςΗ αντίδραση είναι έντονα εξωθερμική, με απελευθέρωση 60-80 kJ ανά mol μονομερίου, που είναι περίπου 700-1,100 kJ ανά κιλό μονομερίου,και αυτή η θερμότητα πρέπει να αφαιρείται συνεχώς ή η παρτίδα θα επιταχυνθείΗ πολυμερίωση των γαλακτωμάτων σε νερό πραγματοποιείται σε θερμοκρασία 60-90 °C με περιεκτικότητα σε στερεά υλικά 40-60% και παράγει λατέξ για επίστρωση, συγκολλητικά και υφάσματα.Η πολυμερισμός διαλύματος σε διαλύτη πραγματοποιείται στους 80-140 °C υπό ανάστροφο και παράγει ρητίνες για βιομηχανικές επικαλύψειςΟι διαδρομές χύδην ή αναστολής είναι θερμότερες, στους 100-180°C. Ο βασικός περιορισμός σχεδιασμού είναι το φαινόμενο τζελ Τρόμσντορφ: καθώς η μετατροπή αυξάνεται και η ιξώδης κατάσταση αυξάνεται, η θερμοκρασία του τζελ αυξάνεται.η λήξη επιβραδύνεται ενώ η διάδοση συνεχίζεται, έτσι ώστε η ταχύτητα και η απελευθέρωση θερμότητας να επιταχύνονται απότομα εκτός αν ο αντιδραστήρας έχει σχεδιαστεί γι' αυτό.

1Η Χημεία της Πολυμερισμού που υπαγορεύει το σχέδιο του αντιδραστήρα

Τέσσερα χημικά γεγονότα καθορίζουν τον μηχανικό σχεδιασμό και τον έλεγχο κάθε ακρυλικού αντιδραστήρα:

• Κινητική των ελεύθερων ριζών και επιλογή του αρχιστή:Η ακρυλική πολυμερισμός διεξάγεται μέσω της έναρξης, της διάδοσης και της λήξης, με ρυθμό ανάλογο με την τετραγωνική ρίζα της συγκέντρωσης του αρχιστή και της συγκέντρωσης του μονομερίου.Οι αρχιστές επιλέγονται με βάση τη θερμοκρασία αποσύνθεσής τους, που εκφράζεται ως χρόνος ημιζωής: τα υπερήφατα όπως το αμμώνιο ή το υπερήφατο καλίου χρησιμοποιούνται σε θερμοκρασία 60-90°C σε γαλακτωματοποιημένο διάλυμα, οι αζοσυνθέσεις όπως το AIBN σε θερμοκρασία 60-80°C σε διάλυμα,και υπεροξείδια όπως το υπεροξείδιο του βενζοίλου ή το τερτ-βουτυλοπερβενζοϊκό νάτριο καλύπτονται κατά 90-140°CΤα ζευγάρια ρεδοξίνης, που συνήθως περιστρέφονται με βισουλφίτη ή σιδηρούχο αλάτι, παράγουν ριζικές σε θερμοκρασία 30-60°C και επιτρέπουν την παραγωγή πολυμερούς υψηλού μοριακού βάρους σε χαμηλές θερμοκρασίες.Επειδή η συγκέντρωση του αρχηγού ελέγχει τόσο την ταχύτητα όσο και το μοριακό βάρος, και επειδή η αποσύνθεση εξαρτάται εκθετικά από τη θερμοκρασία, το σύστημα εκκίνησης και η ζώνη ελέγχου θερμοκρασίας πρέπει να σχεδιάζονται μαζί και όχι ανεξάρτητα.
• Η επίδραση του τζελ Τρόμσντορφ:Αυτό είναι το καθοριστικό κίνδυνο των ακρυλικών αντιδραστήρων.Οι αυξανόμενες αλυσίδες πολυμερών αυξάνουν την ιξώδες του μέσου τόσο πολύ που το στάδιο τερματισμού μεταξύ δύο μεγάλων ριζών επιβραδύνεται δραματικάΟ τερματισμός μειώνεται, η συγκέντρωση των ριζών αυξάνεται και τόσο ο ρυθμός όσο και η απελευθέρωση θερμότητας επιταχύνονται σε έναν θετικό κύκλο ανατροφοδότησης.Η θερμοκρασία ανεβαίνει.Αν το σύστημα απομάκρυνσης θερμότητας δεν είναι προσαρμοσμένο σε αυτή την κορυφή, η παρτίδα διαφεύγει και, στην χειρότερη περίπτωση, ο αντιδραστήρας πρέπει να απορριφθεί ή η συσκευή ανακούφισης να ανυψωθεί.Οι απαντήσεις σχεδιασμού είναι ημι-παρτίδα μονομερή τροφοδοσία που διατηρεί τη στιγμιαία μετατροπή χαμηλή, ένα σταδιακό προφίλ πρόσθεσης εκκινητή, γενναιόδωρο κάλυμμα και ικανότητα ανάκαμψης, και ένα κλειδί που σταματά αυτόματα την τροφοδοσία και εφαρμόζει πλήρη ψύξη σε υψηλή θερμοκρασία.
• Ελέγχος μοριακού βάρους και μεταφορά αλυσίδας:Η ποιότητα του προϊόντος καθορίζεται κυρίως από το μοριακό βάρος, το οποίο ελέγχεται από την αναλογία πολλαπλασιασμού προς τη μεταφορά και τον τερματισμό της αλυσίδας.συνήθως μερκαπτάνες όπως η n-δοδεκυλική μερκαπτάνη ή τα θιογλυκολάταΤο μέσο μεταφοράς αλυσίδας καταναλώνεται γρηγορότερα από το μονομερές κατά τη λειτουργία των παρτίδων.τροφοδοτείται μαζί με το μονομερές ώστε να διατηρείται σταθερή η αναλογία και να είναι στενή η κατανομή του μοριακού βάρουςΗ κατανομή του μοριακού βάρους, εκφραζόμενη ως δείκτης πολυδιάσπασης, κυμαίνεται συνήθως από 2 έως 5 για τα ελεύθερα ακρίλια και επηρεάζει τόσο τις μηχανικές ιδιότητες όσο και την ιξώδες του τελικού προϊόντος.Η υψηλότερη συγκέντρωση και η υψηλότερη θερμοκρασία, και τα δύο με χαμηλότερο μοριακό βάρος, έτσι ώστε ο έλεγχος της θερμοκρασίας εντός 1-2 ° C σε μια παρτίδα είναι αυτό που παρέχει σταθερότητα ποιότητας.
• Οξυγόνο, αναστολείς και σταθερότητα μονομερών:Τα ακρυλικά μονομερή αποθηκεύονται και χειρίζονται με έναν αναστολέα πολυμερισμού, συνήθως MEHQ σε 10-200 ppm, ο οποίος είναι αποτελεσματικός μόνο παρουσία διαλυμένου οξυγόνου.Αυτό δημιουργεί ένα επιχειρησιακό παράδοξοΤο οξυγόνο εμποδίζει την ανεξέλεγκτη πολυμερίσση στην αποθήκευση αλλά αναστέλλει την αναμενόμενη αντίδραση στον αντιδραστήρα.Ως εκ τούτου, τα φυτά καθαρίζουν το μονομερές φορτίο με άζωτο για να αφαιρέσουν το διαλυμένο οξυγόνο πριν ξεκινήσουν τηνΤο ακρυλικό οξύ παρουσιάζει έναν δεύτερο κίνδυνο:Πάνω από περίπου 90 °C υποβάλλεται σε πρόσθεση Michael για να σχηματίσει ένα διμέριο και υψηλότερα ολιγομερή.Το ακρυλικό οξύ δεν πρέπει ποτέ να θερμαίνεται πάνω από τους 80-90 °C χωρίς αναστολέα πολυμερισμού και αυστηρά όρια χρόνου διαμονής.

2. Διαμορφώσεις αντιδραστήρων και στρατηγική αφαίρεσης θερμότητας

Η διαμόρφωση ακολουθεί τη διαδρομή και την απαίτηση απομάκρυνσης της θερμότητας, η οποία είναι ο πραγματικός παράγοντας μεγέθους:

• Αντιδραστήρας ημιπαρτίδας με γαλακτωματοποιητικό:Η τυποποιημένη διαμόρφωση για το ακρυλικό λατέξ υδροφόρου τύπου: ένα δοχείο αναμειγνύσεως με μανδύα από 5 έως 60 m3 σε ανοξείδωτο χάλυβα 316L,με προεξαρτισμένη μονομερή τροφή και ξεχωριστές ροές τροφίμων εκκίνησης που προστίθενται επί 2-6 ώρεςΗ θερμότητα απομακρύνεται από το μανδύα, από την ανάκαμψη νερού και μονομερίου μέσω ενός υπερυψωμένου συμπυκνωτή και από την αισθητή θερμότητα της ίδιας της ψυχρής τροφοδοσίας.Επειδή το μονομερές τροφοδοτείται αντί να φορτίζεται όλα μαζί, η στιγμιαία συγκέντρωση μη αντιδρούμενων μονομερών στα σωματίδια είναι περιορισμένη,το οποίο διατηρεί τη μέγιστη απελευθέρωση θερμότητας εντός της χωρητικότητας του μπουφάν και ταυτόχρονα επιτρέπει στον χειριστή να ελέγχει τη σύνθεση των σωματιδίων και, ως εκ τούτου, το προφίλ θερμοκρασίας μετάβασης του γυαλιού σε όλα τα σωματίδιαΤο μέγεθος των σωματιδίων, συνήθως 80-500 nm, καθορίζεται από το επιφανειακά δραστικό και το αρχικό φορτίο, και ο αντιδραστήρας πρέπει να παρέχει επαρκή κοπή για να διατηρήσει σταθερό το λατέξ χωρίς να προκαλεί πήξη ή σχηματισμό άμμου.
• Αντιδραστήρας πολυμερισμού διαλύματος με ρεφλουξία:Για τις ρητίνες επικάλυψης που μεταφέρονται με διαλύτες και τα κολλητικά πολυμερή, ο αντιδραστήρας λειτουργεί στους 80-140 °C υπό ανάρροφη πίεση σε ατμοσφαιρική ή ελαφρώς αυξημένη πίεση.και η θερμότητα της πολυμερισμού αφαιρείται ως η λανθάνουσα θερμότητα του απορροφητικού διαλύτη, που είναι ένας εξαιρετικά αποτελεσματικός και αυτορρυθμιζόμενος μηχανισμός ψύξης: καθώς η εξωθερμία επιταχύνεται, περισσότεροι διαλύτες βράζουν, περισσότερη θερμότητα απομακρύνεται και η θερμοκρασία διατηρείται στο σημείο βρασμού.Ο αντιδραστήρας πρέπει να είναι μεγέθους για το φορτίο ατμού στο μέγιστο ρυθμό, με συμπυκνωτή και δεκαντήρα για την επιστροφή της φάσης διαλύτη, και το σύνολο του συστήματος πρέπει να είναι αδρανές και να έχει χαρακτηριστική για τον εύφλεκτο διαλύτη.Το προϊόν απελευθερώνεται ως διάλυμα 40-70% και μπορεί να απομακρυνθεί περαιτέρω για την αύξηση των στερεών ουσιών ή τη μείωση των υπολειμμάτων μονομερούς.
• Συνεχείς αντιδραστήρες: CSTR Cascade, Loop και Tubular:Μια κατάρρευση τριών έως έξι συνεχών αντιδραστήρων δεξαμενής αναμειγνύσεων σε σειρά προσεγγίζει τη ροή του πλέγματος και παρέχει στενή κατανομή χρόνου διαμονής,Η διάχυση του χρόνου διαμονής διευρύνει άμεσα το μοριακό βάρος και την κατανομή της σύνθεσης των συμπολυμερών.όπου το περιεχόμενο κυκλοφορεί μέσω εξωτερικού κελύφους και θερμοανταλλάκτη σωλήνα ή πλάκας με υψηλή ταχύτητα, λύνουν το πρόβλημα απομάκρυνσης της θερμότητας σε υψηλή ιξώδες και χρησιμοποιούνται ευρέως για υψηλή στερεά και χύδην πολυμερισμού.η αντλία κυκλοφορίας και ο ανταλλάκτης πρέπει να έχουν το μέγεθος της μέγιστης ιξώδους και της τάσης μόλυνσης του πολυμερούςΟι σωληνωτοί και στατικοί αντιδραστήρες αναμειγνυτών παρέχουν τη μικρότερη κατανομή χρόνου διαμονής και την καλύτερη απομάκρυνση θερμότητας ανά μονάδα όγκου και χρησιμοποιούνται για πολύ υψηλή ταχύτητα πολυμερισμών,Αλλά είναι ανυπόφορα για μόλυνση και για οποιαδήποτε διαταραχή τροφής που θα μπορούσε να γέλιο της γραμμής.
• Απομάκρυνση της θερμότητας, οργάνωση και ασφάλεια:Όποια και αν είναι η διαμόρφωση, η θερμική ισορροπία είναι ο σχεδιασμός.Η εξωτερική ικανότητα κυκλώματος και η ικανότητα ανάποδου πρέπει να την υπερβαίνουν από κοινού με περιθώριο.Επειδή η ιξώδεςτητα αυξάνεται μέσω της παρτίδας, ο συντελεστής πλευράς του μπουφάν μειώνεται και το τοίχωμα πυκνώνει, έτσι ώστε το σχέδιο πρέπει να χρησιμοποιεί την ιξώδητητα του τέλους της παρτίδας, όχι την αρχική.Η οργάνωση περιλαμβάνει πολλαπλούς ανεξάρτητους αισθητήρες θερμοκρασίας, ένας συναγερμός υψηλής έντασης που σταματά την τροφοδοσία του μονομερή και του αρχιστήρα και ανοίγει την πλήρη ψύξη, και ένα σύστημα ελάφρυνσης πίεσης μεγέθους που χρησιμοποιεί τη μεθοδολογία DIERS για την περίπτωση διαφυγής,δεδομένου ότι η ακρυλική πολυμερίωση είναι ένα αέρια και θερμαντικό σύστημα με φορτίο ατμού από το βραστό διαλύτη ή το νερόΠολλά εργοστάσια προσθέτουν μια δεξαμενή απορρίψεως που περιέχει κρύο νερό ή ένα μέσο σβήσισης ή ένα σύστημα ένεσης αναστολέα, ως το τελευταίο στρώμα προστασίας.

Οδοι πολυμερισμού ακρυλικού

Συχνές ερωτήσεις (FAQ)

Ε: Γιατί η απομάκρυνση της θερμότητας είναι ο περιοριστικός παράγοντας σε έναν ακρυλικό αντιδραστήρα;

Α: Επειδή η αντίδραση απελευθερώνει 60-80 kJ ανά mol μονομερίου, ισοδύναμο με περίπου 700-1,100 kJ ανά κιλό, και επειδή ο ρυθμός απελευθέρωσης δεν είναι σταθερός.Το φαινόμενο του τζελ σημαίνει ότι καθώς η μετατροπή περνά το 30-50% και η ιξώδεςτητα ανεβαίνειΗ μέγιστη απελευθέρωση θερμότητας μπορεί να είναι δύο έως πέντε φορές μεγαλύτερη από τον μέσο όρο.Και συμβαίνει τη στιγμή που ο συντελεστής της πλευράς του μπουφάν είναι ο χειρότερος, επειδή η παρτίδα είναι πιο ιξώδης.Ο σωστός σχεδιασμός προσδιορίζει το μέγιστο ρυθμό, χρησιμοποιεί την ιξώδες του τέλους της παρτίδας για τον συντελεστή μεταφοράς θερμότητας,και παρέχει αρκετές ανεξάρτητες διαδρομές αφαίρεσης, συνήθως σακάκι, εξωτερικό βρόχο και ανάστροφο, έτσι ώστε καμία απώλεια ελέγχου να μην προκαλείται από μία μόνο βλάβη.

Ε: Ποια είναι η διαφορά μεταξύ της παρτίδας, της ημιπαρτίδας και της συνεχούς πολυμερισμού ακρυλικού;

Α: Κατά τη λειτουργία των παρτίδων, όλα τα μονομερή, ο αρχιστής και το μέσο φορτίζονται στην αρχή, γεγονός που παρέχει το απλούστερο δοχείο, αλλά τον χειρότερο έλεγχο: ο ρυθμός είναι υψηλότερος στην αρχή,η επίδραση του τζελ παράγει ισχυρή εξώθερμη κορυφή, και η σύνθεση του συμπολυμερούς παρασύρεται μέσω της παρτίδας επειδή το πιο αντιδραστικό μονομερές καταναλώνεται πρώτα.το οποίο είναι το βιομηχανικό πρότυπο για τα ακρυλικά με γαλακτωματοποιητικά και διαλύματα, το μονομερές και ο εκκινητής τροφοδοτούνται επί 2-6 ώρες, έτσι ώστε η στιγμιαία μετατροπή να διατηρείται χαμηλή, η απελευθέρωση θερμότητας να κατανέμεται ομοιόμορφα,και η τροφοδοσία με ένα μείγμα μονομερών μεταβαλλόμενης σύνθεσης επιτρέπει στον κατασκευαστή να σχεδιάσει τη σύνθεση του συμπολυμερούς και τη δομή των σωματιδίωνΗ συνεχής λειτουργία σε καταρράκτη CSTR ή σε κυκλικό κύκλο παρέχει την καλύτερη συνέπεια και το χαμηλότερο κόστος ανά τόνο σε μεγάλο όγκο, αλλά απαιτεί σταθερή ποιότητα τροφής.εκτεταμένη οργάνωση και μακρά εκκίνηση και μεταβατική αλλαγή βαθμού.

Ε: Πώς ελέγχεται το μοριακό βάρος σε έναν ακρυλικό αντιδραστήρα;

Α: Χρησιμοποιούνται τρεις μοχλούς, και συνήθως συνδυάζονται.επειδή η αποσύνθεση του αρχιστή εξαρτάται εκθετικά από αυτό και η υψηλότερη θερμοκρασία παράγει περισσότερες ρίζες και μικρότερες αλυσίδεςΗ μεταφορά της αλυσίδας, συνήθως μια mercaptan στο 0,05-2% κατά βάρος, που τερματίζει μια αλυσίδα ανάπτυξης και ξεκινά μια νέα,μειώνει το μοριακό βάρος προβλέψιμαΕπειδή καταναλώνεται γρηγορότερα από το μονομερές, τροφοδοτείται για να διατηρηθεί σταθερή η αναλογία.που καθορίζει τη ροή των ριζών και επομένως τον αριθμό των αλυσίδων που αυξάνονται ταυτόχροναΤο αποτέλεσμα ελέγχεται με τη μέτρηση της ιξώδους του διαλύματος του προϊόντος ή του λατέξ και με χρωματογραφία διείσδυσης με τζελ για το μοριακό βάρος και την πολυδιασκορπισμό.με τη βρόχο ανατροφοδότησης που προσαρμόζει το προφίλ τροφής σε επόμενες παρτίδες.

Ε: Ποια είναι τα κοινά προβλήματα λειτουργίας σε έναν ακρυλικό αντιδραστήρα;

Α: Πέντε επαναλαμβανόμενες. Εξώθερμη απόδραση από το φαινόμενο του τζελ, που προκαλείται από υπερβολικά γρήγορη τροφοδοσία μονομερών, αποτυχημένο αναμειγνυτικό, βρώμικο μπουφάν ή πολύ υψηλό φορτίο εκκινητή.από υπερβολική κοπή, ανεπαρκής επιφανειοδραστικός παράγοντας, ηλεκτρολυτικό σοκ ή υπερβολικά γρήγορη τροφοδοσία, η οποία εμφανίζεται ως φιλτραρίσιμα στερεά και υποβαθμισμένο προϊόν.που επιδεινώνεται από την λειτουργία κοντά στην θερμοκρασία σχηματισμού φιλμ του πολυμερούς και απαιτεί τακτικό καθαρισμό και μια ομαλή ηλεκτροφωτισμένη ή γυάλινη επιφάνειαΜειονεκτικό μονομερές άνω των προδιαγραφών, συνήθως 100-1000 ppm, το οποίο απαιτεί απομάκρυνση μετά την πολυμετρίαση ή χημικό βήμα καταδίωξης με πρόσθετο εκκινητή ή ζευγάρι απομάκρυνσης οξειδωτικών αντιδραστηρίων.Και εισροή οξυγόνου, το οποίο προκαλεί μια απρόβλεπτη περίοδο επαγωγής και στη συνέχεια μια καθυστερημένη εξωθερμία που πιάνει τον χειριστή απροσδόκητα.