एक ऐक्रेलिक रिएक्टर क्या हैः पॉलिमराइजेशन केमिस्ट्री, डिजाइन और नियंत्रण

एक्रेलिक रिएक्टर क्या है: पोलीमराइजेशन केमिस्ट्री, डिजाइन और नियंत्रण

मुख्य प्रश्न का उत्तर: एक्रेलिक रिएक्टर क्या है? एक एक्रेलिक रिएक्टर एक हिलाया हुआ बर्तन है जिसमें एक्रेलिक और मेथैक्रेलिक मोनोमर जैसे एक्रेलिक एसिड, ब्यूटाइल एक्रिलेट, मिथाइल मेथैक्रिलेट और स्टाइरीन को मुक्त कण तंत्र द्वारा एक्रेलिक रेजिन, इमल्शन या इलास्टोमर्स में पोलीमराइज़ किया जाता है। प्रतिक्रिया अत्यधिक ऊष्माक्षेपी होती है, प्रति मोल मोनोमर 60-80 kJ जारी करती है, जो प्रति किलोग्राम मोनोमर लगभग 700-1,100 kJ है, और इस गर्मी को लगातार हटाया जाना चाहिए या बैच तेज हो जाएगा। तीन मार्ग हावी हैं। पानी में इमल्शन पोलीमराइजेशन 60-90 डिग्री सेल्सियस पर 40-60% की ठोस सामग्री तक चलता है और कोटिंग्स, चिपकने वाले और वस्त्रों के लिए लेटेक्स का उत्पादन करता है। विलायक में घोल पोलीमराइजेशन 80-140 डिग्री सेल्सियस पर रिफ्लक्स के तहत चलता है और औद्योगिक कोटिंग्स के लिए रेजिन देता है। बल्क या सस्पेंशन मार्ग गर्म चलते हैं, 100-180 डिग्री सेल्सियस पर। शासी डिजाइन बाधा ट्रोम्सडॉर्फ जेल प्रभाव है: जैसे-जैसे रूपांतरण बढ़ता है और चिपचिपाहट बढ़ती है, समाप्ति धीमी हो जाती है जबकि प्रसार जारी रहता है, इसलिए दर और गर्मी रिलीज तेज हो जाती है जब तक कि रिएक्टर इसके लिए डिज़ाइन न किया गया हो।

1. पोलीमराइजेशन केमिस्ट्री जो रिएक्टर डिजाइन को निर्धारित करती है

चार रासायनिक तथ्य हर एक्रेलिक रिएक्टर के यांत्रिक और नियंत्रण डिजाइन को निर्धारित करते हैं:

• मुक्त कण कैनेटीक्स और इनिशिएटर विकल्प: एक्रेलिक पोलीमराइजेशन इनिशिएशन, प्रोपेगेशन और टर्मिनेशन के माध्यम से आगे बढ़ता है, जिसमें दर इनिशिएटर एकाग्रता के वर्गमूल और मोनोमर एकाग्रता के समानुपाती होती है। इनिशिएटर को उनके अपघटन तापमान द्वारा चुना जाता है, जिसे अर्ध-जीवन के रूप में व्यक्त किया जाता है: इमल्शन में 60-90 डिग्री सेल्सियस पर अमोनियम या पोटेशियम परसल्फेट जैसे परसल्फेट का उपयोग किया जाता है, एआईबीएन जैसे एज़ो यौगिक समाधान में 60-80 डिग्री सेल्सियस के लिए उपयुक्त होते हैं, और बेंज़ोयल पेरोक्साइड या तृतीयक-ब्यूटाइल परबेंजोएट जैसे पेरोक्साइड 90-140 डिग्री सेल्सियस को कवर करते हैं। रेडॉक्स जोड़े, आमतौर पर एक बिसल्फाइट या फेरस नमक के साथ परसल्फेट, 30-60 डिग्री सेल्सियस पर रेडिकल उत्पन्न करते हैं और उच्च आणविक भार वाले पॉलिमर के कम तापमान उत्पादन की अनुमति देते हैं। क्योंकि इनिशिएटर एकाग्रता दर और आणविक भार दोनों को नियंत्रित करती है, और क्योंकि अपघटन तापमान पर घातीय रूप से निर्भर करता है, इनिशिएटर प्रणाली और तापमान नियंत्रण बैंड को स्वतंत्र रूप से बजाय एक साथ डिजाइन किया जाना चाहिए।
• ट्रोम्सडॉर्फ जेल प्रभाव: यह एक्रेलिक रिएक्टरों का परिभाषित खतरा है। लगभग 30-50% से ऊपर रूपांतरण पर, बढ़ती पॉलिमर श्रृंखलाएं माध्यम की चिपचिपाहट को इतना बढ़ा देती हैं कि दो बड़े रेडिकल के बीच प्रसार-नियंत्रित समाप्ति चरण नाटकीय रूप से धीमा हो जाता है, जबकि छोटा मोनोमर अणु अभी भी प्रसार और प्रसार कर सकता है। समाप्ति गिरती है, रेडिकल एकाग्रता बढ़ती है, और दर और गर्मी रिलीज दोनों एक सकारात्मक प्रतिक्रिया लूप में तेज हो जाते हैं। तापमान बढ़ता है, जो इनिशिएटर अपघटन को और तेज करता है। जब तक गर्मी हटाने की प्रणाली इस शिखर के लिए आकार की न हो, बैच भाग जाता है, और सबसे खराब स्थिति में रिएक्टर को डंप करना पड़ता है या राहत उपकरण उठाना पड़ता है। डिजाइन प्रतिक्रियाएं एक अर्ध-बैच मोनोमर फीड हैं जो तात्कालिक रूपांतरण को कम रखती है, एक चरणबद्ध इनिशिएटर जोड़ प्रोफ़ाइल, उदार जैकेट और रिफ्लक्स क्षमता, और एक इंटरलॉक जो उच्च तापमान पर स्वचालित रूप से फीड को रोकता है और पूर्ण शीतलन लागू करता है।
• आणविक भार नियंत्रण और श्रृंखला स्थानांतरण: उत्पाद ग्रेड मुख्य रूप से आणविक भार द्वारा परिभाषित किया जाता है, जिसे प्रसार से श्रृंखला स्थानांतरण और समाप्ति के अनुपात द्वारा नियंत्रित किया जाता है। श्रृंखला स्थानांतरण एजेंट, आमतौर पर एन-डोडेसिल मर्कैप्टन या थायोग्लाइकोलेट्स जैसे मर्कैप्टन, को बढ़ती श्रृंखलाओं को कैप करने और आणविक भार को अनुमानित रूप से कम करने के लिए वजन के 0.05-2% पर जोड़ा जाता है। क्योंकि श्रृंखला स्थानांतरण एजेंट बैच ऑपरेशन में मोनोमर की तुलना में तेजी से खपत होता है, इसे अनुपात को स्थिर रखने और आणविक भार वितरण को संकीर्ण रखने के लिए मोनोमर के साथ खिलाया जाता है। आणविक भार वितरण, जिसे पॉलीडिस्पर्सिटी इंडेक्स के रूप में व्यक्त किया जाता है, आमतौर पर मुक्त कण एक्रेलिक्स के लिए 2-5 चलता है और अंतिम उत्पाद के यांत्रिक गुणों और चिपचिपाहट दोनों को प्रभावित करता है। उच्च इनिशिएटर एकाग्रता और उच्च तापमान दोनों आणविक भार को कम करते हैं, इसलिए बैच में 1-2 डिग्री सेल्सियस के भीतर तापमान को नियंत्रित करना वह है जो ग्रेड स्थिरता प्रदान करता है।
• ऑक्सीजन, अवरोधक और मोनोमर स्थिरता: एक्रेलिक मोनोमर को पोलीमराइजेशन इनहिबिटर के साथ संग्रहीत और संभाला जाता है, सबसे आम तौर पर 10-200 पीपीएम पर एमईएचक्यू, जो केवल घुली हुई ऑक्सीजन की उपस्थिति में प्रभावी होता है। यह एक परिचालन विरोधाभास पैदा करता है: ऑक्सीजन भंडारण में अनियंत्रित पोलीमराइजेशन को रोकता है लेकिन रिएक्टर में इच्छित प्रतिक्रिया को रोकता है। इसलिए संयंत्र नाइट्रोजन के साथ मोनोमर चार्ज को शुद्ध करते हैं ताकि शुरू करने से पहले घुली हुई ऑक्सीजन को हटा दिया जा सके, और रिएक्टर को पूरे समय निष्क्रिय किया जाना चाहिए, क्योंकि बैच के दौरान ऑक्सीजन का प्रवेश एक प्रेरण अवधि के बाद एक अप्रत्याशित एक्सोथर्म का कारण बनता है। एक्रेलिक एसिड एक दूसरा खतरा प्रस्तुत करता है: लगभग 90 डिग्री सेल्सियस से ऊपर यह एक डाइमर और उच्च ओलिगोमर्स बनाने के लिए माइकल जोड़ से गुजरता है, जो ऊष्माक्षेपी और स्व-तेज होता है, इसलिए बल्क एक्रेलिक एसिड को कभी भी पोलीमराइजेशन इनहिबिटर और सख्त निवास समय सीमा के बिना लगभग 80-90 डिग्री सेल्सियस से ऊपर गर्म नहीं किया जाना चाहिए।

2. रिएक्टर विन्यास और गर्मी हटाने की रणनीति

विन्यास मार्ग और गर्मी हटाने की आवश्यकता का अनुसरण करता है, जो वास्तविक आकार का चालक है:

• सेमी-बैच इमल्शन रिएक्टर: पानी आधारित एक्रेलिक लेटेक्स के लिए मानक विन्यास: 316L स्टेनलेस स्टील में 5-60 एम 3 का जैकेटेड हिलाया हुआ बर्तन, एक पूर्व-इमल्सीफाइड मोनोमर फीड और 2-6 घंटे से अधिक समय तक जोड़े गए अलग इनिशिएटर फीड स्ट्रीम के साथ। गर्मी जैकेट द्वारा, ओवरहेड कंडेनसर के माध्यम से पानी और मोनोमर के रिफ्लक्स द्वारा, और ठंडे फीड की संवेदी गर्मी द्वारा हटाई जाती है। क्योंकि मोनोमर को एक बार में चार्ज करने के बजाय खिलाया जाता है, कणों में तात्कालिक बिना प्रतिक्रिया वाला मोनोमर एकाग्रता सीमित होता है, जो जैकेट क्षमता के भीतर चरम गर्मी रिलीज को रखता है और साथ ही ऑपरेटर को कण संरचना को नियंत्रित करने और इस प्रकार कण के पार ग्लास संक्रमण तापमान प्रोफ़ाइल को नियंत्रित करने की अनुमति देता है। कण आकार, आमतौर पर 80-500 एनएम, सर्फेक्टेंट और प्रारंभिक चार्ज द्वारा निर्धारित किया जाता है, और रिएक्टर को लेटेक्स को जमावट या ग्रिट गठन का कारण बने बिना स्थिर रखने के लिए पर्याप्त कतरनी प्रदान करनी चाहिए।
• रिफ्लक्स के साथ घोल पोलीमराइजेशन रिएक्टर: विलायक-आधारित कोटिंग रेजिन और चिपकने वाले पॉलिमर के लिए, रिएक्टर वायुमंडलीय या थोड़ा ऊंचा दबाव पर रिफ्लक्स के तहत 80-140 डिग्री सेल्सियस पर चलता है। एक ऊर्ध्वाधर कंडेनसर विलायक लौटाता है, और पोलीमराइजेशन की गर्मी को रिफ्लक्सिंग विलायक की अव्यक्त गर्मी के रूप में हटाया जाता है, जो एक अत्यंत प्रभावी और स्व-विनियमन शीतलन तंत्र है: जैसे-जैसे एक्सोथर्म तेज होता है, अधिक विलायक उबलता है, अधिक गर्मी हटाई जाती है, और तापमान क्वथनांक पर रखा जाता है। रिएक्टर को चरम दर पर वाष्प भार के लिए आकार दिया जाना चाहिए, एक कंडेनसर और विलायक चरण को वापस करने के लिए एक डिकेंटर के साथ, और पूरे सिस्टम को ज्वलनशील विलायक के लिए निष्क्रिय और रेटेड होना चाहिए। उत्पाद को 40-70% समाधान के रूप में छुट्टी दे दी जाती है और ठोस बढ़ाने या अवशिष्ट मोनोमर को कम करने के लिए आगे स्ट्रिप किया जा सकता है।
• निरंतर रिएक्टर: सीटीआर कैस्केड, लूप और ट्यूबलर: उच्च मात्रा वाले कमोडिटी एक्रेलिक्स निरंतर संचालन में चले जाते हैं। श्रृंखला में तीन से छह निरंतर हिलाया हुआ टैंक रिएक्टरों का एक कैस्केड प्लग प्रवाह का अनुमान लगाता है और एक संकीर्ण निवास समय वितरण देता है, जो मायने रखता है क्योंकि निवास समय प्रसार सीधे आणविक भार और कोपॉलिमर संरचना वितरण को चौड़ा करता है। लूप रिएक्टर, जहां सामग्री को उच्च वेग पर बाहरी शेल और ट्यूब या प्लेट हीट एक्सचेंजर के माध्यम से परिचालित किया जाता है, उच्च चिपचिपाहट पर गर्मी हटाने की समस्या को हल करते हैं और उच्च-ठोस और बल्क पोलीमराइजेशन के लिए व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं; परिसंचरण पंप और एक्सचेंजर को चरम चिपचिपाहट और पॉलिमर कीfouling प्रवृत्ति के लिए आकार दिया जाना चाहिए। ट्यूबलर और स्टेटिक मिक्सर रिएक्टर सबसे संकीर्ण निवास समय वितरण और प्रति मात्रा सबसे अच्छी गर्मी हटाने देते हैं, और बहुत उच्च दर पोलीमराइजेशन के लिए उपयोग किए जाते हैं, लेकिन वेfouling और किसी भी फीड व्यवधान के प्रति असहिष्णु हैं जो लाइन को जेल कर सकता है।
• गर्मी हटाना, इंस्ट्रूमेंटेशन और सुरक्षा: विन्यास चाहे जो भी हो, गर्मी संतुलन डिजाइन है। चरम गर्मी रिलीज दर की गणना जेल प्रभाव के तहत अधिकतम रूपांतरण दर से की जाती है, और जैकेट, बाहरी लूप और रिफ्लक्स क्षमता को मिलकर मार्जिन के साथ इसे पार करना चाहिए। क्योंकि बैच के माध्यम से चिपचिपाहट बढ़ती है, जैकेट साइड गुणांक गिरता है और दीवार फिल्म मोटी हो जाती है, इसलिए डिजाइन को प्रारंभिक के बजाय अंत-बैच चिपचिपाहट का उपयोग करना चाहिए। इंस्ट्रूमेंटेशन में कई स्वतंत्र तापमान सेंसर, एक उच्च-उच्च अलार्म शामिल है जो मोनोमर और इनिशिएटर फीड को रोकता है और पूर्ण शीतलन खोलता है, और डीआईईआरएस पद्धति का उपयोग करके रनवे मामले के लिए आकार की एक दबाव राहत प्रणाली, क्योंकि एक्रेलिक पोलीमराइजेशन एक गैसीय और टेम्परिंग प्रणाली है जिसमें उबलते विलायक या पानी से वाष्प भार होता है। कई संयंत्र सुरक्षा की अंतिम परत के रूप में ठंडे पानी या शमन एजेंट वाले डंप टैंक, या इनहिबिटर इंजेक्शन प्रणाली जोड़ते हैं।

एक्रेलिक पोलीमराइजेशन मार्ग तुलना मैट्रिक्स

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न (एफएक्यू)

प्र: एक्रेलिक रिएक्टर में गर्मी हटाना सीमित कारक क्यों है?

उ: क्योंकि प्रतिक्रिया प्रति मोल मोनोमर 60-80 kJ जारी करती है, जो लगभग 700-1,100 kJ प्रति किलोग्राम के बराबर है, और क्योंकि रिलीज दर स्थिर नहीं है। जेल प्रभाव का मतलब है कि जैसे-जैसे रूपांतरण 30-50% से गुजरता है और चिपचिपाहट बढ़ती है, समाप्ति प्रसार सीमित हो जाती है, रेडिकल आबादी बढ़ती है, और दर तेज हो जाती है। चरम गर्मी रिलीज औसत से दो से पांच गुना हो सकती है, और यह उस क्षण पर होती है जब जैकेट साइड गुणांक अपने सबसे खराब स्थिति में होता है क्योंकि बैच सबसे चिपचिपा होता है। इसलिए औसत ड्यूटी पर आकार का एक रिएक्टर बैच के अंत में भाग जाएगा। सही डिजाइन चरम दर की पहचान करता है, गर्मी हस्तांतरण गुणांक के लिए अंत-बैच चिपचिपाहट का उपयोग करता है, और कई स्वतंत्र हटाने वाले पथ प्रदान करता है, आमतौर पर जैकेट, बाहरी लूप और रिफ्लक्स, ताकि कोई एकल विफलता नियंत्रण के नुकसान का कारण न बने।

प्र: बैच, सेमी-बैच और निरंतर एक्रेलिक पोलीमराइजेशन के बीच क्या अंतर है?

उ: बैच ऑपरेशन में सभी मोनोमर, इनिशिएटर और माध्यम को शुरुआत में चार्ज किया जाता है, जो सबसे सरल बर्तन देता है लेकिन सबसे खराब नियंत्रण: दर शुरुआत में सबसे अधिक होती है, जेल प्रभाव एक मजबूत एक्सोथर्म शिखर उत्पन्न करता है, और कोपॉलिमर संरचना बैच के माध्यम से बहती है क्योंकि अधिक प्रतिक्रियाशील मोनोमर पहले खपत होता है। सेमी-बैच ऑपरेशन में, जो इमल्शन और घोल एक्रेलिक्स के लिए उद्योग मानक है, मोनोमर और इनिशिएटर को 2-6 घंटे से अधिक समय तक खिलाया जाता है, इसलिए तात्कालिक रूपांतरण कम रखा जाता है, गर्मी रिलीज समान रूप से फैलती है, और बदलते संरचना के मोनोमर मिश्रण को खिलाने से निर्माता को कोपॉलिमर संरचना और कण संरचना को इंजीनियर करने की अनुमति मिलती है। सीटीआर कैस्केड या लूप में निरंतर संचालन उच्च मात्रा में सर्वोत्तम स्थिरता और प्रति टन सबसे कम लागत देता है, लेकिन स्थिर फीड गुणवत्ता, व्यापक इंस्ट्रूमेंटेशन और एक लंबे स्टार्ट-अप और ग्रेड परिवर्तन क्षण की आवश्यकता होती है।

प्र: एक्रेलिक रिएक्टर में आणविक भार कैसे नियंत्रित किया जाता है?

उ: तीन लीवर का उपयोग किया जाता है, और उन्हें सामान्य रूप से जोड़ा जाता है। तापमान, क्योंकि इनिशिएटर अपघटन इस पर घातीय रूप से निर्भर करता है और उच्च तापमान अधिक रेडिकल और छोटी श्रृंखलाएं उत्पन्न करता है; बैच को 1-2 डिग्री सेल्सियस के भीतर रखना वह है जो ग्रेड-टू-ग्रेड पुनरुत्पादकता को संभव बनाता है। श्रृंखला स्थानांतरण एजेंट, आमतौर पर 0.05-2 wt% पर एक मर्कैप्टन, जो एक बढ़ती श्रृंखला को समाप्त करता है और एक नई शुरू करता है, आणविक भार को अनुमानित रूप से कम करता है; क्योंकि यह मोनोमर की तुलना में तेजी से खपत होता है, इसे अनुपात को स्थिर रखने के लिए सह-खिलाया जाता है। और इनिशिएटर एकाग्रता, जो रेडिकल प्रवाह और इसलिए एक साथ बढ़ती श्रृंखलाओं की संख्या निर्धारित करती है। परिणाम को उत्पाद समाधान या लेटेक्स की चिपचिपाहट को मापकर और आणविक भार और पॉलीडिस्पर्सिटी के लिए जेल पारगमन क्रोमैटोग्राफी द्वारा मॉनिटर किया जाता है, जिसमें फीडबैक लूप बाद के बैचों पर फीड प्रोफ़ाइल को समायोजित करता है।

प्र: एक्रेलिक रिएक्टर में सामान्य संचालन समस्याएं क्या हैं?

उ: पांच बार-बार होती हैं। जेल प्रभाव से अनियंत्रित एक्सोथर्म, एक बहुत तेज मोनोमर फीड, एक विफल आंदोलनकारी, एक दूषित जैकेट या एक बहुत अधिक इनिशिएटर चार्ज के कारण। इमल्शन में जमावट और ग्रिट का निर्माण, अत्यधिक कतरनी, अपर्याप्त सर्फेक्टेंट, इलेक्ट्रोलाइट शॉक या बहुत तेज फीड से, जो फिल्टर करने योग्य ठोस और डाउनग्रेडेड उत्पाद के रूप में दिखाई देता है। बर्तन की दीवार और इम्पेलर परfouling और पॉलिमर का निर्माण, जो पॉलिमर के फिल्म बनाने वाले तापमान के पास संचालन से बढ़ जाता है और नियमित सफाई और एक चिकनी इलेक्ट्रोपॉलिश या ग्लास-लाइनेड सतह की आवश्यकता होती है। विनिर्देश से ऊपर अवशिष्ट मोनोमर, आमतौर पर 100-1,000 पीपीएम, जिसके लिए अतिरिक्त इनिशिएटर या रेडॉक्स स्कैवेंजिंग जोड़ी के साथ पोस्ट-पोलीमराइजेशन स्ट्रिपिंग या रासायनिक चेज़ चरण की आवश्यकता होती है। और ऑक्सीजन का प्रवेश, जो एक अप्रत्याशित प्रेरण अवधि और फिर एक विलंबित एक्सोथर्म का कारण बनता है जो ऑपरेटर को आश्चर्यचकित करता है।