راکتور رزین چیست: انواع، ویژگی‌های طراحی و کاربردها

پاسخ به سوال اصلی: راکتور رزین چیست؟ راکتور رزین یک مخزن با روکش، همزن‌دار، معمولاً از جنس فولاد ضد زنگ است که در آن مونومرها با استفاده از پلیمریزاسیون تراکمی یا پلیمریزاسیون افزایشی به زنجیره‌های پلیمری تبدیل می‌شوند تا رزین‌های آلکید، پلی‌استر، اکریلیک، اپوکسی یا پلی‌اورتان تولید کنند. پنجره عملیاتی کاملاً به خانواده رزین بستگی دارد. رزین‌های آلکید و پلی‌استر پلیمریزاسیون‌های تراکمی هستند که در دمای ۱۹۰-۲۶۰ درجه سانتی‌گراد انجام می‌شوند و آب را حذف می‌کنند، بنابراین مخزن به یک ستون تقطیر برای جداسازی آب از گلیکول فرار نیاز دارد. رزین‌های اکریلیک پلیمریزاسیون‌های رادیکال آزاد هستند که در دمای ۸۰-۱۴۰ درجه سانتی‌گراد تحت رفلاکس انجام می‌شوند، بنابراین مخزن به یک کندانسور بزرگ با ابعاد مناسب برای حداکثر گرمای آزاد شده نیاز دارد. رزین‌های اپوکسی در دمای ۱۵۰-۲۰۰ درجه سانتی‌گراد ساخته می‌شوند و پراکندگی‌های پلی‌اورتان در دمای ۵۰-۹۰ درجه سانتی‌گراد و سپس وارونگی فاز انجام می‌شوند. سه ویژگی جهانی وجود دارد: انتقال حرارت از طریق روکش یا کویل نیمه لوله که قادر به گرمایش و سرمایش است، همزن با ابعاد مناسب برای پروفیل ویسکوزیته به جای محصول نهایی، و پوشش گاز بی‌اثر برای جلوگیری از اکسیداسیون و تشکیل رنگ.

۱. خانواده‌های رزین و آنچه هر کدام از راکتور می‌خواهند

پنج خانواده بیشتر تولید رزین را پوشش می‌دهند و هر کدام مجموعه‌ای متمایز از الزامات را تحمیل می‌کنند:

• رزین‌های آلکید: آلکیدها از یک پلی‌ال، یک اسید یا انیدرید دوپایه و یک اسید چرب یا روغن ساخته می‌شوند و ستون فقرات پوشش‌های تزئینی و صنعتی مبتنی بر حلال هستند. اولین مرحله اغلب الکولیز است، که در آن روغن در حضور کاتالیزوری مانند هیدروکسید لیتیوم یا اکسید سرب در دمای ۲۳۰-۲۵۰ درجه سانتی‌گراد با گلیسرول یا پنتا اریتریتول ترانس استریفیه می‌شود و دسته باید از آزمون تحمل متانول یا اتانول عبور کند تا تأیید شود که روغن قبل از شارژ اسید کاملاً واکنش داده است. پلیمریزاسیون تراکمی بعدی در دمای ۲۲۰-۲۶۰ درجه سانتی‌گراد انجام می‌شود، آب را حذف می‌کند و مقدار اسید را بسته به اینکه درجه روغن بلند، متوسط یا کوتاه باشد، به ۵-۲۵ میلی‌گرم KOH/g کاهش می‌دهد. از آنجایی که دما بالا است و مواد اولیه روغن‌های غیراشباع هستند، پوشش گاز بی‌اثر ضروری است و مخزن باید با ستونی طراحی شود که پلی‌ال فرار را برگرداند و در عین حال آب را حذف کند.
• پلی‌استرهای اشباع و غیراشباع: پلی‌استرهای اشباع برای پوشش‌ها و پوشش‌های پودری، و پلی‌استرهای غیراشباع برای کامپوزیت‌ها، شیمی پلیمریزاسیون تراکمی یکسانی را در دمای ۱۹۰-۲۲0 درجه سانتی‌گراد دارند اما در مواد اولیه و آنچه در ادامه اتفاق می‌افتد، متفاوت هستند. گرید‌های غیراشباع از انیدرید مالئیک برای معرفی پیوندهای دوگانه واکنش‌پذیر استفاده می‌کنند و پس از واکنش در استایرن رقیق می‌شوند، بنابراین راکتور باید با یک مخزن رقیق‌سازی با کنترل خنک‌کننده و بازدارنده مخصوص به خود دنبال شود. گرید‌های اشباع در حلال رقیق می‌شوند یا به صورت جامد برای پوشش پودری تخلیه می‌شوند. در هر دو مورد، نقطه پایانی با مقدار اسید و ویسکوزیته تعیین می‌شود، که هر دو در نزدیکی پایان دسته در فواصل زمانی اندازه‌گیری می‌شوند، و در هر دو مورد، ستون روی خروجی بخار همان چیزی است که اتلاف گلیکول و در نتیجه هم هزینه و هم زمان چرخه را تعیین می‌کند.
• رزین‌های اکریلیک و وینیل: رزین‌های اکریلیک با پلیمریزاسیون رادیکال آزاد اکریلات‌ها، متاکریلات‌ها و استایرن در حلال در دمای ۸۰-۱۴۰ درجه سانتی‌گراد تحت رفلاکس، با استفاده از آغازگر پراکسید یا آزو ساخته می‌شوند. این شیمی ۶۰-۸۰ کیلوژول در مول مونومر آزاد می‌کند و تحت تأثیر اثر ژل قرار می‌گیرد، بنابراین راکتور به صورت نیمه دسته‌ای اجرا می‌شود و مونومر و آغازگر را در طول ۲-۶ ساعت تغذیه می‌کند و گرما عمدتاً به صورت گرمای نهان حلال در حال رفلاکس که خود تنظیم‌کننده است، حذف می‌شود. بنابراین کندانسور باید برای حداکثر بار بخار، نه میانگین، ابعاد‌بندی شود و خط بخار و کل سیستم باید بی‌اثر شده و برای حلال قابل اشتعال رتبه‌بندی شوند. نقطه پایانی با تبدیل و ویسکوزیته یا محتوای جامد تعیین می‌شود و محصول معمولاً قبل از خروج از راکتور فیلتر می‌شود.
• رزین‌های اپوکسی و پلی‌اورتان: رزین‌های اپوکسی با واکنش بیسفنول A با اپی‌کلروهیدرین در حضور سود سوزآور در دمای ۱۵۰-۲۰۰ درجه سانتی‌گراد ساخته می‌شوند، سپس شستشو برای حذف نمک و سپس تقطیر برای حذف اپی‌کلروهیدرین واکنش نداده؛ بنابراین راکتور باید با مخلوطی خورنده، دو فازی و حاوی نمک سروکار داشته باشد و با یک مرحله شستشو و یک مرحله تقطیر دنبال می‌شود. پراکندگی‌های پلی‌اورتان در دمای ۵۰-۹۰ درجه سانتی‌گراد با ساخت یک پیش‌پلیمر با پایان ایزوسیانات و سپس پراکنده کردن آن در آب با کشش زنجیره ساخته می‌شوند، بنابراین راکتور باید با یک اوج ویسکوزیته شدید در وارونگی فاز سروکار داشته باشد، رطوبت را به شدت حذف کند زیرا آب با ایزوسیانات واکنش می‌دهد و دی‌اکسید کربن تولید شده توسط آن واکنش جانبی را تخلیه کند. هر دو خانواده به کنترل دمای دقیق‌تری نسبت به سیستم‌های پلیمریزاسیون تراکمی نیاز دارند، زیرا واکنش‌ها سریع‌تر هستند و واکنش‌های جانبی کمتر قابل تحمل هستند.

۲. ویژگی‌های طراحی مشترک در هر راکتور رزین

چهار ویژگی در تمام راکتورهای رزین وجود دارد و اشتباه در آن‌ها محدود کننده اکثر کارخانه‌ها است:

• انتقال حرارت که در هر دو جهت کار می‌کند: یک راکتور رزین باید یک شارژ سرد را تا ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد یا بیشتر گرم کند، سپس یک گرمای آزاد شده بزرگ را حذف کند، سپس دسته را برای تخلیه خنک کند، و باید هر سه کار را به طور قابل اعتماد انجام دهد. بخار تا حدود ۱۸۰ درجه سانتی‌گراد در فشار اقتصادی کافی است، بالاتر از آن یک سیال انتقال حرارت در گردش، معمولاً یک روغن حرارتی یا یک یوتکتیک ایزوپروپیل/دی‌فنیل اکسید، مورد نیاز است و روکش باید برای فشار سیال رتبه‌بندی شود، به همین دلیل کویل‌های نیمه لوله و روکش‌های فرورفته نسبت به روکش‌های ساده در مخازن بزرگتر ترجیح داده می‌شوند. خنک‌کاری وظیفه سخت‌تری است، زیرا ضریب انتقال حرارت با افزایش ویسکوزیته کاهش می‌یابد و زیرا اختلاف دمای موجود با آب خنک‌کننده در نزدیکی پایان خنک‌کاری کم است. پاسخ عملی این است که روکش را بر اساس ویسکوزیته در پایان واکنش به جای ابتدا ابعاد‌بندی کنیم و یک حلقه گردش خارجی از طریق یک مبدل حرارتی برای بزرگترین مخازن فراهم کنیم.
• همزن متناسب با پروفیل ویسکوزیته: ویسکوزیته یک دسته رزین در طول چرخه دو تا چهار مرتبه بزرگی تغییر می‌کند و همزن باید در هر نقطه کار کند. در اوایل دسته، محتویات رقیق هستند و نیاز به اختلاط حجمی و انتقال حرارت است، بنابراین یک توربین پره شیب‌دار، یک هیدروفویل یا یک توربین و لنگر ترکیبی به خوبی کار می‌کند. با رشد زنجیره و افزایش ویسکوزیته، فیلم دیواره ضخیم می‌شود و انتقال حرارت فرو می‌ریزد، بنابراین یک لنگر با فاصله کم از دیواره ۱۰-۳۰ میلی‌متر، یا یک روبان مارپیچ، برای تجدید سطح مورد نیاز است. در ویسکوزیته‌های بسیار بالای برخی سیستم‌های پلی‌استر و اپوکسی، یک دستگاه واحد نمی‌تواند محدوده را پوشش دهد و از آرایش هم‌محور، یک دیسپرسر با سرعت بالا روی یک شفت و یک لنگر با سرعت پایین روی شفت دیگر استفاده می‌شود. از آنجایی که ویسکوزیته در پایان واکنش مورد طراحی است، درایو و گیربکس باید برای عملکرد کامل در آن ویسکوزیته، از جمله راه‌اندازی پس از توقف، ابعاد‌بندی شوند.
• سیستم بخار: ستون، کندانسور و خلاء: برای رزین‌های تراکمی، سیستم بخار یک لوازم جانبی نیست بلکه بخش تعیین کننده سرعت فرآیند است. آب باید به طور مداوم برای افزایش وزن مولکولی حذف شود، اما بخار خروجی در دمای ۲۰۰-۲۶۰ درجه سانتی‌گراد غنی از گلیکول یا پلی‌ال است که گران است و نباید از دست برود. یک ستون بسته‌بندی شده یا سینی‌دار با سه تا شش مرحله تئوری روی خروجی بخار، گلیکول را برمی‌گرداند در حالی که آب را به سمت بالا به کندانسور و گیرنده هدایت می‌کند، جایی که آب اندازه‌گیری می‌شود زیرا نرخ جمع‌آوری آن بهترین شاخص زمان واقعی پیشرفت واکنش است. بسیاری از فرآیندها تحت خلاء ۴۰۰-۷۰۰ میلی‌بار به پایان می‌رسند تا آخرین قطرات آب بدون افزایش دما خارج شوند، بنابراین مخزن، ستون و گیرنده باید همگی برای خلاء کامل رتبه‌بندی شوند و سیستم خلاء باید برای بار آب در نقطه‌ای که بیشترین مقدار را دارد، ابعاد‌بندی شود.
• مواد، پوشش و تمیز کردن: فولاد ضد زنگ ۳۱۶L استاندارد است زیرا واکنش‌دهنده‌ها کمی اسیدی هستند و آلودگی آهن باعث رنگ می‌شود که در پوشش‌های شفاف و گرید‌های سفید و پاستلی اهمیت دارد. جوش‌ها صاف می‌شوند و مخزن غیرفعال می‌شود؛ سطوح داخلی اغلب تا زیر ۰.۸ میکرومتر Ra صیقل داده می‌شوند تا فیلم‌سازی کاهش یابد و تمیز کردن آسان‌تر شود. یک پوشش گاز بی‌اثر نیتروژن در سراسر آن اعمال می‌شود، زیرا اکسیژن در دمای ۲۰۰-۲۶۰ درجه سانتی‌گراد باعث اکسیداسیون، تیرگی و در سیستم‌های غیراشباع، ژل شدن زودرس می‌شود. تمیز کردن بین محصولات محدودیت پنهان در یک کارخانه چند محصولی است: مخزنی که به سرعت تمیز نمی‌شود ۲۰-۴۰٪ از زمان خود را خارج از تولید می‌گذراند، بنابراین طرح‌ها از ساختار بدون شکاف، شیرهای پایین‌دست نصب شده به صورت هم‌سطح، توپ‌های اسپری برای تمیز کردن در محل و در صورت اجازه دادن به خط تولید، اختصاص مخازن بر اساس خانواده رزین، حمایت می‌کنند.

ماتریس خانواده‌های رزین و الزامات راکتور

سوالات متداول (FAQ)

س: تفاوت بین راکتور رزین و راکتور شیمیایی استاندارد چیست؟

پاسخ: راکتور رزین یک راکتور شیمیایی است که برای یک مشکل خاص بهینه شده است: ساخت زنجیره پلیمری در حالی که ویسکوزیته به ترتیب بزرگی افزایش می‌یابد و در سیستم‌های تراکمی، حذف مداوم یک محصول جانبی با مولکول کوچک. در مقایسه با یک راکتور چند منظوره، سه ویژگی متمایز دارد. یک سیستم بخار با ستون تقطیر، زیرا رزین‌های تراکمی باید آب را حذف کنند و در عین حال گلیکول فرار را حفظ کنند؛ یک راکتور عمومی چنین نیازی ندارد. انتقال حرارت بر اساس ویسکوزیته پایان دسته به جای اولیه ابعاد‌بندی شده است، زیرا ضریب روکش با رشد زنجیره فرو می‌ریزد؛ و همزن‌ها، مانند لنگرها و روبان‌های مارپیچ، برای تجدید دیواره در سرویس ویسکوز به جای اختلاط آشفته حجمی انتخاب می‌شوند. راکتورهای رزین همچنین معمولاً تحت پوشش نیتروژن و بعداً تحت خلاء کار می‌کنند و از فولاد ضد زنگ با سطوح صیقلی ساخته شده‌اند زیرا رنگ یک پارامتر مشخصه است.

س: چرا ستون تقطیر روی راکتور رزین مورد نیاز است؟

پاسخ: زیرا بخار خروجی از راکتور پلیمریزاسیون تراکمی در دمای ۱۹۰-۲۶۰ درجه سانتی‌گراد آب خالص نیست. گلیکول‌ها و پلی‌ال‌ها مانند پروپیلن گلیکول، اتیلن گلیکول و گلیسرول در دمای واکنش فرار هستند، با پروپیلن گلیکول که در دمای ۱۸۸ درجه سانتی‌گراد می‌جوشد، بنابراین بخش بزرگی از بخار ماده اولیه ارزشمندی است که نباید از دست برود. ستون، معمولاً سه تا شش مرحله تئوری بسته‌بندی یا چند سینی، آب را که به سمت بالا به کندانسور و گیرنده می‌رود، از گلیکول جدا می‌کند که به راکتور رفلاکس می‌شود. بدون آن، مصرف گلیکول به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد، نسبت مولی شارژ منحرف می‌شود، وزن مولکولی و مقدار اسید دیگر با دستور پخت مطابقت ندارد و محصول خارج از مشخصات است. ستون همچنین زمان چرخه را تعیین می‌کند، زیرا سرعت حذف آب را در دمای معین تعیین می‌کند، به همین دلیل وضعیت ستون و نسبت رفلاکس هر بار که یک دسته طولانی می‌شود، بررسی می‌شود.

س: نقطه پایانی یک دسته رزین چگونه تعیین می‌شود؟

پاسخ: با تجزیه و تحلیل به جای زمان، و آزمون خاص به خانواده بستگی دارد. برای رزین‌های تراکمی مانند آلکیدها و پلی‌استرها، آزمون اصلی مقدار اسید است، میلی‌گرم KOH مورد نیاز برای خنثی کردن یک گرم رزین، که به هدف ۵-۲۵ برای آلکیدها و ۱۵-۳۵ برای پلی‌استرهای غیراشباع کاهش می‌یابد؛ این با تیتراسیون نمونه هر یک تا دو ساعت در نزدیکی پایان دسته اندازه‌گیری می‌شود. ویسکوزیته به صورت موازی، چه روی رزین خالص و چه روی محلول با محتوای جامد تعریف شده، اندازه‌گیری می‌شود، زیرا وزن مولکولی ضمنی توسط مقدار اسید را تأیید می‌کند. برای رزین‌های افزایشی مانند اکریلیک‌ها، آزمون‌ها محتوای جامد یا تبدیل، به علاوه ویسکوزیته هستند. در هر مورد، سرعت تغییر به اندازه مقدار مهم است: واکنش با نزدیک شدن به تکمیل کند می‌شود و یک منحنی مسطح به اپراتور هشدار می‌دهد که نقطه پایانی نزدیک است.

س: رایج‌ترین مشکلات عملیاتی در راکتور رزین چیست؟

پاسخ: پنج مورد تکرار می‌شوند. ژل شدن در مخزن، ناشی از واکنش بیش از حد، از دست دادن بازدارنده در سیستم‌های غیراشباع، یا از مواد باقی‌مانده روی دیواره داغ که ساعت‌ها پلیمریزه می‌شود؛ این با توقف بر اساس تجزیه و تحلیل، همزن دیواره‌تراش و صیقل دادن سطوح تماس جلوگیری می‌شود. تشکیل رنگ، ناشی از ورود اکسیژن در دمای ۲۰۰-۲۶۰ درجه سانتی‌گراد، به همین دلیل پوشش نیتروژن و نشت‌ناپذیری مخزن مهم هستند؛ این با بررسی جریان پوشش و محتوای اکسیژن گاز خروجی تشخیص داده می‌شود. گرفتگی و فیلم‌سازی روی دیواره و در سطح بخار-مایع، تولید ذرات ژل که به صورت لکه‌هایی در پوشش نهایی ظاهر می‌شوند؛ این با پوشش روکش بالاتر از سطح مایع و یک برنامه تمیز کردن تعریف شده مدیریت می‌شود. مشکلات حذف آب، ناشی از ستون گرفته یا سیلان کرده یا سیستم خلاء معیوب، که به صورت دسته‌هایی که به مقدار اسید نمی‌رسند، ظاهر می‌شوند. و فرار ویسکوزیته، که در آن واکنش بیش از حد انتظار پیش می‌رود و محصول قابل تخلیه یا رقیق شدن نیست.