راکتور اکریلیک چیست: شیمی پلیمریزاسیون، طراحی و کنترل

یک راکتور آکریلیک چیست: شیمی پلیمریزاسیون، طراحی و کنترل

جواب دادن به سوال اصلي:رآکتور آکریلیک چیست؟یک راکتور آکریلیک یک ظرف مخلوط شده است که در آن مونومرهای آکریلیک و متاکریلیک مانند اسید آکریلیک، بوتیل آکریلات،متیل متاکریلات و استیرین با مکانیزم رادیکال های آزاد به رزین های آکریلیک پلیمری می شوندواکنش به شدت exothermic است، آزاد کردن 60-80 kJ در هر مول از مونومر که تقریبا 700-1100 kJ در هر کیلوگرم از مونومر است،و این گرما باید به طور مداوم حذف شود وگرنه دسته شتاب خواهد کردسه مسیر غالب است: پلیمریزاسیون امولسیون در آب در درجه 60 تا 90 درجه سانتیگراد تا 40 تا 60 درصد مواد جامد و تولید لاتکس برای پوشش، چسب و پارچه.پلیمریزاسیون محلول در محلول در درجه 80-140 درجه سانتیگراد تحت رفلکس انجام می شود و رزین برای پوشش های صنعتی را می دهدمسیرهای عمده یا تعلیق در درجه حرارت 100-180 درجه سانتیگراد گرم تر می شوند. محدودیت طراحی حاکم بر اثر ژل ترومسدورف است: به عنوان تبدیل افزایش می یابد و لزوم افزایش می یابد،پایان دادن به سرعت کاهش می یابد در حالی که تکثیر ادامه می یابد، بنابراین سرعت و انتشار گرما به شدت افزایش می یابد مگر اینکه راکتور برای آن طراحی شده باشد.

1پلیمریزاسیون شیمی که طراحی راکتور را تعیین می کند

چهار واقعیت شیمیایی طراحی مکانیکی و کنترل هر راکتور آکریلیک را تعیین می کنند:

• حرکات رادیکال های آزاد و انتخاب شروع کننده:پلیمریزاسیون آکریلیک از طریق آغاز، تکثیر و پایان، با نرخ متناسب با ریشه مربع غلظت آغازگر و غلظت مونومر انجام می شود.شروع کننده ها با توجه به دمای تجزیه انتخاب می شوند، به صورت نیمه عمر بیان شده است: پرسولفات هایی مانند آمونیم یا پرسولفات پتاسیم در 60 تا 90 درجه سانتیگراد در امولسیون استفاده می شوند، ترکیبات آزو مانند AIBN در محلول 60-80 درجه سانتیگراد استفاده می شوند.و پروکسیدها مانند پروکسید بنزول یا tert-butyl perbenzoate پوشش 90-140°Cجفت های ردوکس، که معمولاً پرسولفات با بی سولفیت یا نمک آهن هستند، رادیکال ها را در ۳۰ تا ۶۰ درجه سانتیگراد تولید می کنند و تولید پلیمری با وزن مولکولی بالا را در دمای پایین امکان پذیر می کنند.چون غلظت شروع کننده هم سرعت و هم وزن مولکولی را کنترل می کند، و از آنجا که تجزیه به طور نمایی به درجه حرارت وابسته است، سیستم آغازگر و باند کنترل درجه حرارت باید به جای مستقل، با هم طراحی شوند.
• اثر ژل ترامزدورف:این خطری است که در رآکتورهای آکریلیک وجود داردزنجیره های پلیمری رو به رشد، لزوم محیط را به قدری افزایش می دهند که مرحله پایان بندی کنترل شده توسط پخش بین دو رادیکال بزرگ به طور چشمگیری کاهش می یابد.، در حالی که مولکول کوچک مونومر هنوز می تواند پخش و گسترش یابد. پایان کاهش می یابد، غلظت رادیکال افزایش می یابد و هر دو سرعت و انتشار گرما در یک حلقه بازخورد مثبت شتاب می یابد.دماي بالا مياد، که تجزیه را بیشتر تسریع می کند. مگر اینکه سیستم حذف گرما برای این اوج اندازه گیری شود، دسته از آن فرار می کند و در بدترین حالت، راکتور باید رها شود یا دستگاه کمک را بالا ببرد.پاسخ های طراحی یک تغذیه مونومر نیمه دسته ای است که تبدیل فوری را پایین نگه می دارد، یک پروفایل اضافه کردن شروع مرحله ای، پوشش سخاوتمندانه و ظرفیت بازگشت، و یک قفل که به طور خودکار تغذیه را متوقف می کند و خنک کننده کامل را در دمای بالا اعمال می کند.
• کنترل وزن مولکولی و انتقال زنجیره ای:درجه محصول در درجه اول با وزن مولکولی تعریف می شود که توسط نسبت تکثیر به انتقال زنجیره و پایان کنترل می شود.معمولاً مرکپتان ها مانند n-دودسیل مرکپتان یا تیوگلیکولاتاز آنجا که عامل انتقال زنجیره سریعتر از مونومر در عملیات دسته مصرف می شود،آن را همراه با مونومر تغذیه می شود تا نسبت ثابت و توزیع وزن مولکولی باریک باشدتوزیع وزن مولکولی، که به عنوان شاخص پلی دیسپرسیتی بیان می شود، به طور معمول برای رادیکال های آزاد اکریلیک 2-5 است و بر خواص مکانیکی و لزگی محصول نهایی تأثیر می گذارد.غلظت شروع کننده بالاتر و دمای بالاتر هر دو وزن مولکولی پایین تر، بنابراین کنترل دمای در حدود 1-2 درجه سانتیگراد در سراسر یک دسته است که باعث ثبات درجه می شود.
• اکسیژن، مهار کننده ها و ثبات مونومر:مونومرهای آکریلیک با یک مهار کننده پلیمریزاسیون، معمولا MEHQ در 10-200 ppm، که تنها در حضور اکسیژن محلول موثر است، ذخیره و دستکاری می شوند.این یک پارادوکس عملیاتی ایجاد می کند: اکسیژن از پلیمریزاسیون در ذخیره سازی جلوگیری می کند اما واکنش مورد نظر را در راکتور مهار می کند.بنابراین گیاهان بار مونومر را با نیتروژن پاک می کنند تا قبل از شروع، و رآکتور باید در تمام طول آن بی اثر باشد، زیرا ورود اکسیژن در طول دسته باعث یک دوره تحرک و پس از آن یک اگزوترم غیر قابل پیش بینی می شود.بالاتر از حدود 90 درجه سانتیگراد آن را تحت اضافه شدن مایکل برای تشکیل یک دیمر و الیگومرهای بالاتر، که exothermic و خود شتاب دهنده است، بنابراین اسید آکریلیک عمده هرگز نباید بیش از حدود 80-90 ° C بدون مهار کننده پلیمر سازی و محدودیت های سخت گیرانه زمان اقامت گرم شود.

2پیکربندی راکتور و استراتژی حذف گرما

پیکربندی مسیر و نیاز به حذف گرما را دنبال می کند که عامل اصلی اندازه گیری است:

• رآکتور امولسیون نیمه دسته:پیکربندی استاندارد برای لاتکس آکریلیک آب: یک ظرف مخلوط شده با ژاکت 5 تا 60 متر کیوب از فولاد ضد زنگ 316L،با یک خوراک مونومری پیش از جذب و جریان های تغذیه ی ابتدایی جداگانه که در طول 2 تا 6 ساعت اضافه می شوندگرما توسط ژاکت، از طریق بازگشت آب و مونومر از طریق یک تهویه کننده فوقانی و از طریق گرما حساس خود تغذیه سرد حذف می شود.چون مونومر به جای اینکه به طور همزمان شارژ شود تغذیه می شود.، غلظت مونومر لحظه ای بدون واکنش در ذرات محدود است،که حداکثر انتشار گرما را در ظرفیت ژاکت نگه می دارد و به طور همزمان به اپراتور اجازه می دهد ترکیب ذرات را کنترل کند و از این رو مشخصات دمای انتقال شیشه ای در سراسر ذراتاندازه ذرات، به طور معمول 80-500 نانومتر، توسط ماده سطح فعال و بار اولیه تنظیم می شود و راکتور باید برش کافی را برای حفظ لاتکس پایدار بدون ایجاد انعقادی یا تشکیل خرد فراهم کند.
• راکتور پلیمر سازی محلول با رفلکس:برای رزین های پوشش دهنده و پلیمرهای چسبنده، راکتور در 80-140 °C تحت فشار هوا یا کمی بالا می رود. یک تهویه کننده عمودی حلال را باز می گرداند،و گرمای پلیمریزاسیون به عنوان گرمای پنهان حلال برگشت دهنده حذف می شود، که یک مکانیسم خنک کننده بسیار موثر و خود تنظیم کننده است: به عنوان exotherm تسریع می شود، محلول بیشتر جوش می دهد، گرما بیشتر حذف می شود، و دمای در نقطه جوش نگه داشته می شود.راکتور باید برای بار بخار در سرعت اوج اندازه گیری شود، با یک تهویه کننده و یک دکانتر برای بازگشت به فاز محلول، و کل سیستم باید بی اثر و برای محلول قابل اشتعال باشد.محصول به صورت محلول ۴۰-۷۰٪ تخلیه می شود و ممکن است برای افزایش جامد یا کاهش مونومر باقی مانده بیشتر جدا شود..
• راکتورهای مستمر: CSTR Cascade، Loop و Tubular:اکریلیک های کالایی حجم بالا به عملیات مستمر حرکت می کنند. یک زنجیر از سه تا شش راکتور مخزن مخلوط مداوم در سری جریان پلاگ را نزدیک می کند و توزیع زمان اقامت را محدود می کند,که مهم است زیرا زمان اقامت به طور مستقیم وزن مولکولی و توزیع ترکیبات کوپلیمر را گسترش می دهد.که محتوای آن از طریق یک پوسته خارجی و یک مبادله گرما لوله یا صفحه با سرعت بالا گردش می کند.، مشکل حذف گرما را در لزوم بالا حل می کنند و به طور گسترده ای برای جامد های بالا و پلیمریزاسیون عمده استفاده می شوند؛پمپ گردش و مبادله کننده باید با توجه به اوج لزوم و تمایل به آلودگی پلیمر اندازه گیری شوند.رآکتورهای مخلوط کننده لوله ای و ایستاتیک کمترین توزیع زمان اقامت و بهترین حذف گرما در هر واحد حجم را ارائه می دهند و برای پلیمریزاسیون های بسیار سریع استفاده می شوند.اما آن ها به آلودگی و هر گونه اختلال تغذیه ای که می تواند خط را ژل کند، تحمل نمی کنند..
• حذف گرما، ابزار و ایمنی:هر گونه سازگاری که باشد، تعادل حرارتی طراحی شده است. حداکثر میزان انتشار گرما از حداکثر نرخ تبدیل تحت اثر ژل محاسبه می شود، و ژاکت،ظرفیت حلقه خارجی و ظرفیت بازگشت به هم باید با حاشیه از آن بیشتر باشد.از آنجا که واسکوزیتی از طریق دسته افزایش می یابد، ضریب سمت ژاکت کاهش می یابد و فیلم دیواری ضخیم می شود، بنابراین طراحی باید از واسکوزیتی آخر دسته استفاده کند، نه اولیه.ابزار شامل چند سنسور درجه حرارت مستقل است، یک آژیر بالا که تغذیه مونومر و شروع کننده را متوقف می کند و خنک کننده کامل را باز می کند و یک سیستم کاهش فشار با استفاده از روش DIERS برای پرونده فرار،از آنجایی که پلیمر سازی آکریلیک یک سیستم گازی و تند کننده با بار بخار از محلول جوش یا آب استبسیاری از کارخانه ها یک مخزن تخلیه حاوی آب سرد یا یک عامل خاموش کننده، یا یک سیستم تزریق مهار کننده، به عنوان لایه حفاظت نهایی اضافه می کنند.

مسیرهای پلیمریزاسیون آکریلیک ماتریس مقایسه

سوالات متداول (FAQ)

س: چرا حذف گرما عامل محدود کننده در یک راکتور آکریلیک است؟

ج: چون واکنش از هر مول مونومر ۶۰ تا ۸۰ کیلوژت آزاد می کند، معادل تقریباً ۷۰۰ تا ۱۱۰۰ کیلوژت در هر کیلوگرم، و به این دلیل که میزان آزاد شدن ثابت نیست.اثر ژل به این معنی است که به عنوان تبدیل 30-50 درصد می گذرد و لزوم بالا می رود، اتمام انتشار محدود می شود، جمعیت رادیکال افزایش می یابد و سرعت آن تسریع می شود.و در لحظه ای رخ می دهد که ضریب سمت ژاکت در بدترین حالت خود قرار دارد زیرا دسته ای از بیش از حد چسبنده است.بنابراین یک راکتور با اندازه متوسط در پایان دسته از کار می رود. طراحی صحیح نرخ اوج را شناسایی می کند، از ویسکوزیته پایان دسته برای ضریب انتقال گرما استفاده می کند،و چندین مسیر مستقل حذف را فراهم می کند، به طور معمول ژاکت، حلقه خارجی و ریفلکس، به طوری که هیچ خرابی تک باعث از دست دادن کنترل نمی شود.

سوال: تفاوت بین پلیمریزاسیون یک دسته، نیمه دسته و پلیمریزاسیون آکریلیک مستمر چیست؟

ج: در عملیات دسته تمام مونومر، آغازگر و رسانه در آغاز شارژ می شوند، که ساده ترین ظرف را می دهد اما بدترین کنترل: نرخ در ابتدا بالاتر است،اثر ژل باعث افزایش شدید گرمای خارجی می شود.، و ترکیب کپولیمر از طریق دسته حرکت می کند زیرا مونومر واکنش پذیرتر ابتدا مصرف می شود.که استاندارد صنعت برای امولسیون و آکریلیک محلول است، مونومر و شروع کننده در طول 2-6 ساعت تغذیه می شوند، بنابراین تبدیل فوری کم نگه داشته می شود، انتشار گرما به طور مساوی توزیع می شود،و تغذیه یک مخلوط مونومر از تغییر ترکیب اجازه می دهد تا تولید کننده مهندسی ترکیبات کوپلیمر و ساختار ذرات- کار مداوم در یک CSTR Cascade یا یک حلقه بهترین سازگاری و کمترین هزینه در هر تن را در حجم بالا فراهم می کند، اما نیاز به کیفیت تغذیه ثابت دارد.ابزار گسترده و شروع طولانی و تغییر درجه گذرا.

س: وزن مولکولی در یک راکتور آکریلیک چگونه کنترل می شود؟

جواب: از سه اهرم استفاده می شود و معمولاً ترکیب می شوند.چون تجزیه ی شروع کننده به صورت نمایی به آن وابسته است و دمای بالاتر رادیکال های بیشتری و زنجیره های کوتاه تری تولید می کند.؛ نگه داشتن دسته در حدود 1-2 ° C چیزی است که باعث می شود تولید مجدد درجه به درجه ممکن است. عامل انتقال زنجیره ای، معمولا یک mercaptan در 0.05-2٪ در وزن، که یک زنجیره رشد را پایان می دهد و یک زنجیره جدید را آغاز می کند،کاهش وزن مولکولی قابل پیش بینیچون سریعتر از مونومر مصرف می شود، برای حفظ نسبت ثابت تغذیه می شود. و غلظت آغازگر،که جریان رادیکال و بنابراین تعداد زنجیره های در حال رشد همزمان تنظیم می کندنتیجه با اندازه گیری واسکوسیت محلول محصول یا لاتکس و کروماتوگرافی نفوذ ژل برای وزن مولکولی و پلی دیسپرسیتی کنترل می شود.با حلقه بازخورد تنظیم مشخصات تغذیه در دسته های بعدی.

سوال: مشکلات رایج در یک راکتور آکریلیک چیست؟

جواب: پنج بار تکرار شد. اگزوترم فرار از اثر ژل، ناشی از یک تغذیه بیش از حد سریع مونومر، یک تحریک کننده شکست خورده، یک جاکت آلوده یا یک بارگذاری شروع کننده بیش از حد بالااز برش بیش از حد، کمبود سطح فعال، شوک الکترولیت یا تغذیه بیش از حد سریع، که به عنوان مواد جامد قابل فیلتر و محصول کاهش یافته نشان می دهد.که با کار کردن در نزدیکی دمای فیلم سازی پلیمر تشدید می شود و نیاز به تمیز کردن منظم و یک سطح صاف الکتروپولیس شده یا شیشه ای داردمونومر باقی مانده بالاتر از مشخصات، به طور معمول 100-1000 ppm، که نیاز به یک مرحله پاکسازی پس از پلیمریزاسیون یا مرحله تعقیب شیمیایی با شروع کننده اضافی یا یک جفت پاک کننده ردوکس دارد.و ورود اکسيژن، که باعث ایجاد یک دوره تحرک غیر قابل پیش بینی و سپس یک exotherm به تاخیر افتاده است که اپراتور را غافلگیر می کند.