Co to jest reaktor akrylowy: chemia polimeryzacji, projektowanie i kontrola

Co to jest reaktor akrylowy: Chemia polimeryzacyjna, projektowanie i sterowanie

Odpowiedź na podstawowe pytanie:Co to jest reaktor akrylowy?Reaktor akrylowy to naczynie mieszane, w którym monomery akrylowe i metakrylowe, takie jak kwas akrylowy, akrylan butylowy,metylometakrylat i styren polimeryzowane są mechanizmem wolnych rodników w żywice akryloweReakcja jest silnie egzotermiczna, uwalniając 60-80 kJ na mol monomeru, co stanowi około 700-1100 kJ na kilogram monomeru,i to ciepło musi być usuwane nieprzerwanie lub partii przyspieszyDominują trzy trasy: polimeryzacja emulsji w wodzie odbywa się w temperaturze 60-90°C do zawartości ciał stałych 40-60% i wytwarza lateks do powlekania, klejenia i tkanin.Polimeryzacja roztworu w rozpuszczalniku odbywa się w temperaturze 80-140°C w warunkach refluksu i daje żywice do powłok przemysłowychW trakcie procesu przemieszczania się lub zawieszenia jest cieplej, w temperaturze od 100 do 180°C.zakończenie spowalnia, podczas gdy rozprzestrzenianie się trwa, więc szybkość i uwalnianie ciepła gwałtownie przyspieszają, chyba że reaktor jest do tego zaprojektowany.

1Chemia polimeryzacji, która dyktuje projekt reaktora.

Cztery czynniki chemiczne określają mechanizm i konstrukcję każdego reaktora akrylowego:

• Kinetyka wolnych rodników i wybór inicjatora:Polimeryzacja akrylowa następuje poprzez inicjowanie, propagację i zakończenie, przy czym szybkość jest proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego stężenia inicjatora i stężenia monomeru.Inicjatory wybierane są według temperatury ich rozkładu, wyrażone jako okres półtrwania: persulfany, takie jak persulfat amonu lub potasu, są stosowane w emulsji w temperaturze 60-90°C, związki azowe, takie jak AIBN, w roztworze w temperaturze 60-80°C,i nadtlenków, takich jak nadtlenek benzoolu lub perbenzoan tert-butylowy pokrywają się w temperaturze 90-140°CPary redoksowe, zwykle persulfat z bisulfitem lub solą żelazną, wytwarzają rodniki w temperaturze 30-60°C i umożliwiają wytwarzanie polimeru o wysokiej masie cząsteczkowej w niskich temperaturach.Ponieważ koncentracja inicjatora kontroluje szybkość i masę cząsteczkową, a ponieważ rozkład zależy wykładniczo od temperatury, system inicjatora i pasma regulacji temperatury muszą być zaprojektowane razem, a nie niezależnie.
• Efekt żelu Trommsdorffa:To jest największe zagrożenie reaktorów akrylowych.rosnące łańcuchy polimerowe zwiększają lepkość medium tak bardzo, że kontrolowany dyfuzją krok końcowy między dwoma dużymi rodnikami dramatycznie spowalniaTermination spada, stężenie rodników wzrasta, a zarówno szybkość, jak i uwalnianie ciepła przyspieszają w pozytywnej pętli sprzężenia zwrotnego.Temperatura rośnieJeśli system usuwania ciepła nie jest dostosowany do tego szczytu, partia ucieka, a w najgorszym przypadku reaktor musi zostać zrzucony lub urządzenie reliefowe podniesione.Odpowiedzi projektowe są pół-partię monomeru, który utrzymuje natychmiastową konwersję niską, stopniowy profil dodawania inicjatora, hojna kapacita osłony i odpływu oraz blokada, która automatycznie zatrzymuje podawanie i stosuje pełne chłodzenie w wysokiej temperaturze.
• Kontrola masy molekularnej i przeniesienie łańcucha:Wartość produktu określa się przede wszystkim masą cząsteczkową, która jest kontrolowana przez stosunek rozprzestrzeniania się do przeniesienia i zakończenia łańcucha.zazwyczaj merkaptany, takie jak n-dodecyl merkaptan lub tioglikolatyPonieważ środek przenoszący łańcuch jest zużywany szybciej niż monomer w operacji partiowej,jest podawany wraz z monomerem, aby utrzymać stały stosunek i wąski rozkład masy molekularnejRozkład masy cząsteczkowej, wyrażony jako wskaźnik wielodyspersji, wynosi zazwyczaj 2-5 dla akryli o wolnych rodzinach i wpływa zarówno na właściwości mechaniczne, jak i na lepkość produktu końcowego.Wyższe stężenie inicjatora i wyższa temperatura, zarówno niższa masa cząsteczkowa, więc kontrolowanie temperatury w zakresie 1-2°C w całej partii zapewnia spójność klasy.
• Tlen, inhibitory i stabilność monomerów:Monomery akrylowe są przechowywane i obsługiwane za pomocą inhibitora polimeryzacji, najczęściej MEHQ w temperaturze 10-200 ppm, który jest skuteczny tylko w obecności rozpuszczonego tlenu.To tworzy paradoks operacyjny.: tlen zapobiega polymeryzacji w magazynie, ale hamuje zamierzoną reakcję w reaktorze.Dlatego rośliny oczyszczają ładunek monomerowy azotem, aby pozbyć się rozpuszczonego tlenu przed rozpoczęciem, a reaktor musi być przez cały czas inertyzowany, ponieważ wprowadzenie tlenu podczas partii powoduje okres indukcji, po którym następuje nieprzewidywalny egzoterm.powyżej około 90°C podlega dodaniu Michaela do tworzenia dimeru i wyższych oligomerów, która jest egzotermiczna i samouszpieszczająca się, dlatego kwas akrylowy nie może być podgrzany nigdy powyżej około 80-90°C bez inhibitora polimeryzacji i ścisłych ograniczeń czasu pobytu.

2Konfiguracja reaktora i strategia usuwania ciepła

Konfiguracja jest zgodna z trasą i wymaganiami dotyczącymi usuwania ciepła, które są prawdziwym czynnikiem decydującym o wielkości:

• Reaktor emulsji półpartiowej:Standardowa konfiguracja dla wodnego lateksu akrylowego: zbiornik mieszany o pojemności 5-60 m3 w stali nierdzewnej 316L,z przedemulgowaną paszą monomerową i oddzielnymi strumieniami paszy inicjatora dodawanymi przez 2-6 godzinCiepło jest usuwane przez płaszcz, przez odpływ wody i monomeru przez kondensator nad głową oraz przez czułe ciepło samego chłodzenia.Ponieważ monomer jest karmiony, a nie ładowany od razu., natychmiastowe niereagowane stężenie monomeru w cząstkach jest ograniczone,który utrzymuje szczytowe uwalnianie ciepła w zakresie pojemności płaszcza i jednocześnie pozwala operatorowi kontrolować skład cząstek, a tym samym profil temperatury przejścia szklanego przez cząstkiWielkość cząstek, zazwyczaj 80-500 nm, zależy od czynnika powierzchniowo czynnego i ładunku początkowego, a reaktor musi zapewnić wystarczającą obcięcie, aby utrzymać stabilność lateksu bez powodowania krzepnięcia lub tworzenia się żwirów.
• Reaktor polimeryzacji roztworu z refluksem:W przypadku żywic powleczonych rozpuszczalnikami i polimerów klejących reaktor działa w temperaturze 80-140°C w warunkach refluksu przy ciśnieniu atmosferycznym lub nieznacznie podwyższonym.i ciepło polimeryzacji jest usuwane jako ciepło ukryte rozpuszczalnika refluksującego, który jest niezwykle skutecznym i samoregulującym się mechanizmem chłodzenia: wraz z przyspieszeniem egzotermia, więcej rozpuszczalnika wrze, więcej ciepła zostaje usunięte, a temperatura jest utrzymywana w punkcie wrzenia.Reaktor musi być dostosowany do obciążenia parą przy maksymalnej szybkości, z kondensatorem i dekanterem do powrotu do fazy rozpuszczalnika, a cały system musi być inertyzowany i oceniony pod kątem łatwopalnego rozpuszczalnika.Produkt jest rozpuszczany jako 40-70% roztwór i może być dalej odcięty w celu podniesienia masy stałej lub zmniejszenia pozostałości monomeru.
• Reaktory ciągłe: CSTR Kaskadowe, pętlowe i rurkowe:Akrylowe materiały o dużej objętości przechodzą na ciągłą pracę.,co ma znaczenie, ponieważ rozkład czasu pobytu bezpośrednio poszerza rozkład masy molekularnej i składu kopolimeru.gdzie zawartość krąży przez zewnętrzną powłokę i wymiennik ciepła rury lub płyty przy dużej prędkości, rozwiązują problem usuwania ciepła przy wysokiej lepkości i są szeroko stosowane do wysokiej stałości i polimeryzacji masowej;pompę cyrkulacyjną i wymiennik muszą być dostosowane do maksymalnej lepkości i skłonności do skażenia polimeruRakietowe i statyczne reaktory mikserskie zapewniają najkrótszy rozkład czasu pobytu i najlepsze usuwanie ciepła na jednostkę objętości i są stosowane do polimeryzacji o bardzo wysokiej prędkości,ale są nietolerancyjne do skażenia i wszelkich zaburzeń żywienia, które mogłyby żelować linię.
• Odgrzewanie, przyrządy i bezpieczeństwo:Najwyższy współczynnik uwalniania ciepła oblicza się z maksymalnej prędkości konwersji pod wpływem żelu, a płaszcz,Pojemność pętli zewnętrznej i odtoku razem musi ją przekroczyć z marginesemPonieważ lepkość wzrasta w trakcie partii, współczynnik boku kurtki spada, a ściana filmie zatęża, więc projekt musi użyć końcowej wiśkości partii, a nie początkowej.Instrumenty obejmują wiele niezależnych czujników temperatury, alarm o wysokim napięciu, który zatrzymuje podawanie monomeru i inicjatora i otwiera pełne chłodzenie, oraz układ obniżania ciśnienia, który został skonstruowany w oparciu o metodologię DIERS dla przypadków ucieczki,ponieważ polimeryzacja akrylowa jest systemem gazowym i hartowanym z obciążeniem parą z wrzącego rozpuszczalnika lub wodyWiele zakładów dodaje zbiornik z zimną wodą lub środkiem tłumiącym lub system wtrysku inhibitora jako ostatnią warstwę ochrony.

Szlaki polimeryzacji akrylowej Matryca porównawcza

Często zadawane pytania (FAQ)

P: Dlaczego usunięcie ciepła jest ograniczającym czynnikiem w reaktorze akrylowym?

Odpowiedź: Ponieważ reakcja uwalnia 60-80 kJ na mol monomeru, co odpowiada około 700-1100 kJ na kilogram, a szybkość uwalniania nie jest stała.Efekt żelu oznacza, że w miarę przejścia konwersji 30-50% i wzrostu lepkości, zakończenie staje się ograniczoną dyfuzją, populacja rodników rośnie, a szybkość przyspiesza.i występuje w momencie, gdy współczynnik boku kurtki jest najgorszy, ponieważ partia jest najbardziej lepkaWłaściwy projekt określa prędkość szczytową, wykorzystuje lepkość końcową partii dla współczynnika przenoszenia ciepła,i zapewnia kilka niezależnych ścieżek usuwania, zazwyczaj płaszcza, zewnętrzna pętla i refluksu, tak aby żadna pojedyncza awaria nie powodowała utraty kontroli.

P: Jaka jest różnica między partią, półpartią i ciągłym polimeryzacją akrylową?

A: W operacji serii wszystkie monomery, inicjatory i medium są ładowane na początku, co daje najprostszy zbiornik, ale najgorszą kontrolę: szybkość jest najwyższa na początku,efekt żelu powoduje silny szczyt egzotermiczny, a kompozycja kopolimeru przemieszcza się przez partię, ponieważ najpierw zużywa się bardziej reaktywny monomer.który jest standardem przemysłowym dla emulsji i roztworów akrylowych, monomer i inicjator są podawane przez 2-6 godzin, więc natychmiastowa konwersja jest utrzymywana na niskim poziomie, uwalnianie ciepła jest równomiernie rozłożone,i podawanie monomerowej mieszaniny o zmieniającym się składzie pozwala producentowi zaprojektować kompozycję kopolimeru i strukturę cząstek. ciągła eksploatacja w kaskadzie CSTR lub pętli zapewnia najlepszą spójność i najniższy koszt za tonę przy dużej objętości, ale wymaga stałej jakości paszy,rozbudowana instrumentacja i długi czas uruchamiania i zmiany klasy.

P: Jak kontrolowana jest masa cząsteczkowa w reaktorze akrylowym?

Odpowiedź: Używa się trzech dźwigni, które zazwyczaj są połączone.Ponieważ rozkład inicjatora jest od niego zależny, a wyższa temperatura wytwarza więcej rodników i krótsze łańcuchy.Czynnik przenoszący łańcuch, zwykle merkaptan o 0,05-2% masy, który kończy łańcuch wzrostu i rozpoczyna nowy,zmniejszenie masy molekularnej w sposób przewidywalnyPonieważ jest zużywany szybciej niż monomer, jest współpokazywany, aby utrzymać stały stosunek.który ustala przepływ rodników, a zatem liczbę łańcuchów rosnących jednocześnieWynik jest monitorowany poprzez pomiar lepkości roztworu produktu lub lateksu oraz chromatografię permeacyjną żelową w celu określenia masy cząsteczkowej i wielodispersji.z pętlą sprzężenia zwrotnego dostosowującą profil paszy w kolejnych partiach.

P: Jakie są typowe problemy operacyjne reaktora akrylowego?

Odpowiedź: pięć powtarzających się. powodowane przez nadmiernie szybkie podawanie monomeru, nieprawidłowy agitator, skażoną kurtkę lub zbyt wysoki ładunek inicjatora.z powodu nadmiernego obcięcia, niewystarczający czynnik powierzchniowy, szok elektrolitowy lub zbyt szybkie podawanie, które pojawia się w postaci filtrujących się ciał stałych i produktu zredukowanego.który pogarsza się w wyniku pracy w pobliżu temperatury kształtowania folii polimeru i wymaga regularnego czyszczenia oraz gładkiej powierzchni elektropolitykowanej lub szklanejPozostałe monomery powyżej specyfikacji, zazwyczaj 100-1000 ppm, co wymaga odcięcia po polimeryzacji lub stopnia chemicznego prześladowania z dodatkowym inicjatorem lub parą redukcyjną.I tlen wchodzi., co powoduje nieprzewidywalny okres indukcji, a następnie opóźniony egzoterm, który zaskakuje operatora.