Che cos'è un reattore in resina: tipi, caratteristiche di progettazione e applicazioni

Rispondere alla domanda principale:Cos'è un reattore a resina?Un reattore di resina è un recipiente incamiciato, agitato, solitamente in acciaio inossidabile, in cui i monomeri vengono incorporati in catene polimeriche mediante policondensazione o polimerizzazione per addizione per produrre resine alchidiche, poliestere, acriliche, epossidiche o poliuretaniche. La finestra operativa dipende interamente dalla famiglia. Le resine alchidiche e poliestere sono policondensazioni eseguite a 190-260°C che eliminano l'acqua, quindi il recipiente necessita di una colonna di frazionamento per separare l'acqua dal glicole volatile. Le resine acriliche sono polimerizzazioni a radicali liberi eseguite a 80-140°C sotto riflusso, quindi il recipiente necessita di un condensatore di grandi dimensioni per il picco di rilascio di calore. Le resine epossidiche vengono prodotte a 150-200°C e le dispersioni poliuretaniche a 50-90°C seguite da inversione di fase. Tre caratteristiche sono universali: trasferimento di calore attraverso una camicia o una serpentina half-pipe in grado sia di riscaldare che di raffreddare, l'agitazione dimensionata per il profilo di viscosità piuttosto che per il prodotto finale e una copertura di gas inerte per prevenire l'ossidazione e la formazione di colore.

1. Le famiglie di resine e ciò che ciascuna richiede al reattore

Cinque famiglie coprono la maggior parte della produzione di resina e ciascuna impone una serie distinta di requisiti:

• Resine alchidiche:Gli alchidi sono costituiti da un poliolo, un acido dibasico o un'anidride e un acido grasso o un olio e sono il cavallo di battaglia dei rivestimenti industriali e decorativi a base solvente. Il primo passaggio è spesso l'alcolisi, in cui l'olio viene transesterificato con glicerolo o pentaeritritolo a 230-250°C in presenza di un catalizzatore come idrossido di litio o ossido di piombo, e il lotto deve superare un test di tolleranza al metanolo o all'etanolo per confermare che l'olio ha reagito completamente prima che l'acido venga caricato. La successiva policondensazione avviene a 220-260°C, eliminando l'acqua e portando il numero di acidità fino a 5-25 mg KOH/g a seconda che la gradazione sia di olio lungo, medio o corto. Poiché la temperatura è elevata e le materie prime sono oli insaturi, è essenziale una copertura di gas inerte e il recipiente deve essere progettato con una colonna che restituisce poliolo volatile rimuovendo l'acqua.
• Poliesteri saturi e insaturi:I poliesteri saturi per rivestimenti e vernici in polvere, e i poliesteri insaturi per compositi, condividono la stessa chimica di policondensazione a 190-220°C ma divergono nelle materie prime e in ciò che accade dopo. I gradi insaturi utilizzano l'anidride maleica per introdurre doppi legami reattivi e vengono diluiti in stirene dopo la reazione, quindi il reattore deve essere seguito da un recipiente di diluizione con il proprio raffreddamento e controllo dell'inibitore. I gradi saturi vengono diluiti in solvente o scaricati come solidi per la verniciatura a polvere. In entrambi i casi il punto finale è fissato dall'indice di acidità e dalla viscosità, entrambi misurati a intervalli verso la fine del lotto, e in entrambi i casi la colonna sull'uscita del vapore è ciò che determina la perdita di glicole e quindi sia il costo che il tempo di ciclo.
• Resine Acriliche e Viniliche:Le resine acriliche sono prodotte mediante polimerizzazione a radicali liberi di acrilati, metacrilati e stirene in solvente a 80-140°C sotto riflusso, utilizzando un perossido o un iniziatore azoico. La chimica rilascia 60-80 kJ per mole di monomero ed è soggetta all'effetto gel, quindi il reattore viene eseguito in semi-batch, alimentando monomero e iniziatore per 2-6 ore, e il calore viene rimosso in gran parte come calore latente del solvente a riflusso, che è autoregolante. Il condensatore deve quindi essere dimensionato per il carico di vapore di picco, non per quello medio, e la linea del vapore e l'intero sistema devono essere inerti e adeguati al solvente infiammabile. Il punto finale è fissato dalla conversione e dalla viscosità o dal contenuto non volatile, e il prodotto viene solitamente filtrato prima che lasci il reattore.
• Resine epossidiche e poliuretaniche:Le resine epossidiche vengono prodotte facendo reagire il bisfenolo A con epicloridrina in presenza di sostanza caustica a 150-200°C, seguito da lavaggio per rimuovere il sale e strippaggio per rimuovere l'epicloridrina non reagita; il reattore deve quindi trattare una miscela corrosiva, bifasica, contenente sali ed è seguito da una fase di lavaggio e da una fase di strippaggio. Le dispersioni di poliuretano vengono prodotte a 50-90°C costruendo un prepolimero a terminazione di isocianato e quindi disperdendolo in acqua con estensione della catena, quindi il reattore deve gestire un forte picco di viscosità all'inversione di fase, escludere rigorosamente l'umidità poiché l'acqua reagisce con l'isocianato e scaricare l'anidride carbonica prodotta da quella reazione laterale. Entrambe le famiglie richiedono un controllo della temperatura più rigoroso rispetto ai sistemi a policondensazione, perché le reazioni sono più veloci e le reazioni collaterali sono meno tolleranti.

2. Caratteristiche di progettazione comuni a ogni reattore in resina

Quattro caratteristiche compaiono su tutti i reattori a resina e sbagliarle è ciò che limita la maggior parte degli impianti:

• Trasferimento di calore che funziona in entrambe le direzioni:Un reattore di resina deve riscaldare una carica fredda a 200°C o più, quindi rimuovere una grande esotermia, quindi raffreddare il lotto per lo scarico e deve fare tutte e tre le cose in modo affidabile. Il vapore è adeguato fino a circa 180°C a pressione economica, al di sopra della quale è richiesto un fluido di trasferimento del calore circolante, tipicamente un olio termico o un eutettico bifenil-difenilossido, e la camicia deve essere dimensionata per la pressione del fluido, motivo per cui le serpentine a semitubo e le camicie alveolate sono preferite rispetto alle camicie semplici su recipienti più grandi. Il raffreddamento è il compito più difficile, perché il coefficiente di trasferimento del calore diminuisce all'aumentare della viscosità e perché la differenza di temperatura disponibile rispetto all'acqua di raffreddamento è piccola verso la fine del raffreddamento. La risposta pratica è dimensionare la camicia in base alla viscosità alla fine della reazione anziché all'inizio e fornire un circuito di circolazione esterno attraverso uno scambiatore di calore per i recipienti più grandi.
• Agitazione adattata al profilo di viscosità:La viscosità di un lotto di resina cambia da due a quattro ordini di grandezza durante il ciclo e l'agitatore deve funzionare in ogni punto. All'inizio del lotto il contenuto è sottile e il requisito è la miscelazione e il trasferimento di calore in massa, quindi una turbina a pale inclinate, un aliscafo o una combinazione turbina e ancora funzionano bene. Man mano che la catena cresce e la viscosità aumenta, la pellicola della parete si ispessisce e il trasferimento di calore collassa, quindi è necessario un ancoraggio con una distanza dalla parete ridotta di 10-30 mm, o un nastro elicoidale, per rinnovare la superficie. Alle viscosità molto elevate di alcuni sistemi poliestere ed epossidici, una singola macchina non può coprire l'intervallo e viene utilizzata una disposizione coassiale, un dispersore ad alta velocità su un albero e un ancoraggio lento su un altro. Poiché la viscosità alla fine della reazione è il caso di progettazione, l'azionamento e il riduttore devono essere dimensionati per il funzionamento a pieno carico a quella viscosità, compreso l'avvio dopo un arresto.
• Sistema vapore: colonna, condensatore e vuoto:Per le resine a condensazione, il sistema di vapore non è un accessorio ma la parte determinante della velocità del processo. Perché il peso molecolare aumenti, l'acqua deve essere rimossa continuamente, ma il vapore in uscita a 200-260°C è ricco di glicole o poliolo, che sono costosi e non devono andare dispersi. Una colonna impaccata o a piatti da tre a sei stadi teorici all'uscita del vapore restituisce il glicole mentre fa passare l'acqua in alto verso un condensatore e un ricevitore, dove l'acqua viene misurata perché la sua velocità di raccolta è il miglior indicatore in tempo reale dell'avanzamento della reazione. Molti processi terminano sotto vuoto di 400-700 mbar per eliminare l'ultima acqua senza aumentare la temperatura, quindi il recipiente, la colonna e il ricevitore devono essere tutti dimensionati per il vuoto completo e il sistema del vuoto deve essere dimensionato per il carico d'acqua nel punto in cui è maggiore.
• Materiali, Coperta e Pulizia:L'acciaio inossidabile 316L è lo standard perché i reagenti sono leggermente acidi e perché la contaminazione da ferro provoca il colore, che è importante nei rivestimenti trasparenti e nei gradi bianco e pastello. Le saldature sono levigate e il recipiente è passivato; le superfici interne sono spesso lucidate fino a meno di 0,8 micrometri Ra per ridurre la formazione di film e facilitare la pulizia. Viene applicata una coltre di gas inerte di azoto, poiché l'ossigeno a 200-260°C provoca ossidazione, imbrunimento e, nei sistemi insaturi, gelificazione prematura. La pulizia tra un prodotto e l'altro è il vincolo nascosto in un impianto multiprodotto: un recipiente che non può essere pulito rapidamente trascorre il 20-40% del suo tempo fuori produzione, quindi i progetti privilegiano la costruzione senza fessure, valvole di fondo montate a incasso, sfere di spruzzatura per il clean-in-place e, dove la gamma di prodotti lo consente, la dedizione dei recipienti per famiglia di resina.

Famiglie di resine e matrice dei requisiti dei reattori

Domande frequenti (FAQ)

D: Qual è la differenza tra un reattore in resina e un reattore chimico standard?

R: Un reattore in resina è un reattore chimico ottimizzato per un problema specifico: costruire una catena polimerica mentre la viscosità aumenta di ordini di grandezza e, nei sistemi di condensazione, rimuovere continuamente un sottoprodotto di piccole molecole. Rispetto ad un reattore di uso generale presenta tre caratteristiche distintive. Un sistema a vapore con colonna di frazionamento, perché le resine di condensazione devono rimuovere l'acqua trattenendo il glicole volatile; un reattore generale non ha tale requisito. Il trasferimento di calore è dimensionato sulla viscosità di fine batch piuttosto che su quella iniziale, perché il coefficiente di camicia collassa man mano che la catena cresce; e agitatori, come ancore e nastri elicoidali, scelti per il rinnovamento delle pareti in servizio viscoso piuttosto che per la miscelazione turbolenta in massa. Anche i reattori in resina funzionano comunemente sotto copertura di azoto e successivamente sotto vuoto e sono in acciaio inossidabile con superfici lucide perché il colore è un parametro di specifica.

D: Perché è necessaria una colonna di frazionamento su un reattore a resina?

R: Perché il vapore che esce da un reattore di policondensazione a 190-260°C non è acqua pura. Glicoli e polioli come glicole propilenico, glicole etilenico e glicerolo sono volatili alla temperatura di reazione, con il glicole propilenico che bolle a 188°C, quindi una grande frazione del vapore è una materia prima preziosa che non deve essere persa. La colonna, tipicamente da tre a sei stadi teorici di impaccamento o alcuni vassoi, separa l'acqua, che passa in testa al condensatore e al ricevitore, dal glicole, che rifluisce nel reattore. Senza di esso, il consumo di glicole aumenta sostanzialmente, il rapporto molare della deriva della carica, il peso molecolare e l'indice di acidità non corrispondono più alla ricetta e il prodotto non è conforme alle specifiche. La colonna determina anche la durata del ciclo, poiché imposta la velocità con cui l'acqua può essere rimossa a una determinata temperatura, motivo per cui le condizioni della colonna e il rapporto di riflusso vengono controllati ogni volta che un batch funziona a lungo.

D: Come viene determinato il punto finale di un lotto di resina?

R: Dall'analisi piuttosto che dal tempo, e il test specifico dipende dalla famiglia. Per le resine di condensazione come alchidiche e poliesteri, il test principale è l'indice di acidità, i milligrammi di KOH necessari per neutralizzare un grammo di resina, scendendo a un target di 5-25 per gli alchidici e 15-35 per i poliesteri insaturi; viene misurato titolando un campione ogni una o due ore verso la fine del lotto. La viscosità viene misurata in parallelo, sia sulla resina pura che su una soluzione con un contenuto di solidi definito, poiché conferma il peso molecolare implicito nell'indice di acidità. Per le resine di addizione come le acriliche, i test riguardano il contenuto non volatile o la conversione, più la viscosità. In ogni caso la velocità di variazione conta tanto quanto il valore: la reazione rallenta man mano che si avvicina al completamento e una curva che si appiattisce avverte l'operatore che il punto finale è vicino.

D: Quali sono i problemi operativi più comuni in un reattore a resina?

R: Cinque si ripetono. Gelificazione nel recipiente, da reazione eccessiva, da perdita di inibitore in sistemi insaturi o da materiale trattenuto sulla parete calda dove polimerizza per ore; si previene sospendendo l'analisi, raschiando l'agitazione delle pareti e lucidando le superfici di contatto. Formazione del colore, dall'ingresso di ossigeno a 200-260°C, motivo per cui sono importanti la coltre di azoto e la tenuta del recipiente; la diagnosi viene effettuata controllando il flusso del mantello e il contenuto di ossigeno del gas di sfiato. Incrostazioni e pellicole sulla parete e all'interfaccia vapore-liquido, con produzione di particelle di gel che si presentano come granelli nel rivestimento finito; è gestita dalla copertura della camicia sopra il livello del liquido e da un programma di pulizia definito. Problemi di rimozione dell'acqua, da una colonna sporca o allagata o da un sistema del vuoto guasto, che si manifestano come lotti che non raggiungono il valore di acidità. E la viscosità fuori controllo, dove la reazione va oltre il previsto e il prodotto non può essere scaricato o diluito.