Co to jest reaktor żywiczny: typy, cechy konstrukcyjne i zastosowania

Odpowiadając na główne pytanie:Co to jest reaktor żywiczny?Reaktor żywiczny to naczynie z płaszczem, z mieszaniem, zwykle ze stali nierdzewnej, w którym monomery są wbudowane w łańcuchy polimerowe w drodze polikondensacji lub polimeryzacji addycyjnej w celu wytworzenia żywic alkidowych, poliestrowych, akrylowych, epoksydowych lub poliuretanowych. Okno operacyjne zależy całkowicie od rodziny. Żywice alkidowe i poliestrowe to polikondensacje prowadzone w temperaturze 190–260°C, które eliminują wodę, dlatego naczynie wymaga kolumny frakcjonującej w celu oddzielenia wody od lotnego glikolu. Żywice akrylowe to polimeryzacja wolnorodnikowa, działająca w temperaturze 80-140°C pod chłodnicą zwrotną, więc naczynie wymaga dużego skraplacza o wymiarach zapewniających szczytowe uwalnianie ciepła. Żywice epoksydowe buduje się w temperaturze 150-200°C, a dyspersje poliuretanowe w temperaturze 50-90°C, po czym następuje inwersja faz. Trzy cechy są uniwersalne: przenoszenie ciepła przez płaszcz lub wężownicę półrurową zdolną zarówno do ogrzewania, jak i chłodzenia, mieszanie dostosowane do profilu lepkości, a nie do produktu końcowego, oraz płaszcz z gazu obojętnego zapobiegający utlenianiu i tworzeniu się zabarwienia.

1. Rodziny żywic i wymagania poszczególnych reaktorów

Pięć rodzin zajmuje się większością produkcji żywicy, a każda z nich narzuca odrębny zestaw wymagań:

• Żywice alkidowe:Alkidy powstają z poliolu, kwasu lub bezwodnika dwuzasadowego oraz kwasu tłuszczowego lub oleju i są podstawą rozpuszczalnikowych powłok dekoracyjnych i przemysłowych. Pierwszym etapem jest często alkoholiza, podczas której olej jest transestryfikowany gliceryną lub pentaerytrytolem w temperaturze 230–250°C w obecności katalizatora, takiego jak wodorotlenek litu lub tlenek ołowiu, a partia musi przejść test tolerancji na metanol lub etanol, aby potwierdzić, że olej w pełni przereagował przed dodaniem kwasu. Następna polikondensacja przebiega w temperaturze 220–260°C, eliminując wodę i obniżając liczbę kwasową do 5–25 mg KOH/g, w zależności od tego, czy jest to olej długi, średni czy krótki. Ponieważ temperatura jest wysoka, a surowcami są oleje nienasycone, niezbędna jest warstwa gazu obojętnego, a naczynie musi być zaprojektowane z kolumną, która zawraca lotny poliol podczas usuwania wody.
• Nasycone i nienasycone poliestry:Nasycone poliestry do powłok i powłok proszkowych oraz nienasycone poliestry do kompozytów mają tę samą chemię polikondensacji w temperaturze 190–220°C, ale różnią się pod względem surowców i tego, co dzieje się później. Gatunki nienasycone wykorzystują bezwodnik maleinowy do wprowadzenia reaktywnych wiązań podwójnych i są rozcieńczane w styrenie po reakcji, więc za reaktorem musi znajdować się naczynie do rozcieńczania z własnym chłodzeniem i kontrolą inhibitora. Nasycone gatunki rozcieńcza się w rozpuszczalniku lub odprowadza jako substancję stałą do malowania proszkowego. W obu przypadkach punkt końcowy jest ustalany na podstawie liczby kwasowej i lepkości, obu pomiarów mierzonych w odstępach pod koniec partii, a w obu przypadkach kolumna na wylocie pary decyduje o utracie glikolu, a zatem zarówno o koszcie, jak i czasie cyklu.
• Żywice akrylowe i winylowe:Żywice akrylowe powstają w wyniku wolnorodnikowej polimeryzacji akrylanów, metakrylanów i styrenu w rozpuszczalniku w temperaturze 80-140°C pod chłodnicą zwrotną, z zastosowaniem inicjatora nadtlenkowego lub azowego. Reakcje chemiczne uwalniają 60–80 kJ na mol monomeru i podlegają efektowi żelowemu, więc reaktor pracuje w trybie półokresowym, zasilając monomer i inicjator przez 2–6 godzin, a ciepło jest usuwane głównie w postaci ciepła utajonego rozpuszczalnika wrzącego, który jest samoregulujący. Dlatego też skraplacz musi być dobrany pod kątem szczytowego obciążenia oparami, a nie średniego, a przewód oparów i cały system muszą być zobojętnione i przystosowane do obecności palnego rozpuszczalnika. Punkt końcowy ustala się na podstawie konwersji i lepkości lub zawartości substancji nielotnych, a produkt jest zwykle filtrowany przed opuszczeniem reaktora.
• Żywice epoksydowe i poliuretanowe:Żywice epoksydowe wytwarza się w wyniku reakcji bisfenolu A z epichlorohydryną w obecności zasady w temperaturze 150–200°C, a następnie przemywania w celu usunięcia soli i odpędzania w celu usunięcia nieprzereagowanej epichlorohydryny. dlatego reaktor musi obsługiwać żrącą, dwufazową mieszaninę zawierającą sól, po czym następuje etap przemywania i odpędzania. Dyspersje poliuretanowe wytwarza się w temperaturze 50–90°C poprzez zbudowanie prepolimeru zakończonego izocyjanianem, a następnie zdyspergowanie go w wodzie z przedłużeniem łańcucha, więc reaktor musi wytrzymać ostry pik lepkości przy inwersji faz, rygorystycznie wykluczać wilgoć, ponieważ woda reaguje z izocyjanianem, i odprowadzać dwutlenek węgla wytwarzany w tej reakcji ubocznej. Obie rodziny wymagają ściślejszej kontroli temperatury niż systemy polikondensacyjne, ponieważ reakcje są szybsze, a reakcje uboczne są mniej wybaczające.

2. Cechy konstrukcyjne wspólne dla każdego reaktora żywicznego

We wszystkich reaktorach żywicznych pojawiają się cztery funkcje, a błędne ich podanie jest tym, co ogranicza większość zakładów:

• Przenikanie ciepła działające w obu kierunkach:Reaktor żywiczny musi ogrzać zimny wsad do temperatury 200°C lub więcej, następnie usunąć dużą reakcję egzotermiczną, a następnie schłodzić wsad przed wyładowaniem, przy czym wszystkie trzy elementy muszą działać niezawodnie. Para jest wystarczająca do temperatury około 180°C pod ciśnieniem ekonomicznym, powyżej której wymagany jest krążący płyn przenoszący ciepło, zazwyczaj olej termiczny lub eutektyk tlenku bifenylu i difenylu, a płaszcz musi być przystosowany do ciśnienia płynu, dlatego też wężownice półrurowe i płaszcze z wgłębieniami są preferowane w porównaniu z prostymi płaszczami na większych statkach. Chłodzenie jest trudniejszym zadaniem, ponieważ współczynnik przenikania ciepła spada wraz ze wzrostem lepkości, a dostępna różnica temperatur w stosunku do wody chłodzącej jest niewielka pod koniec schładzania. Praktyczną reakcją jest dobranie rozmiaru płaszcza do lepkości na końcu reakcji, a nie na początku, oraz zapewnienie zewnętrznej pętli cyrkulacyjnej przez wymiennik ciepła w przypadku największych zbiorników.
• Mieszanie dopasowane do profilu lepkości:Lepkość partii żywicy zmienia się w trakcie cyklu o dwa do czterech rzędów wielkości, a mieszadło musi pracować w każdym punkcie. Na początku partii zawartość jest rzadka, a wymaganiem jest mieszanie w masie i przenoszenie ciepła, dlatego dobrze sprawdza się turbina z łopatkami skośnymi, wodolot lub kombinacja turbiny i kotwicy. W miarę wzrostu łańcucha i wzrostu lepkości folia ścienna gęstnieje, a przenoszenie ciepła zanika, dlatego do odnowienia powierzchni potrzebna jest kotwa o małym odstępie od ściany 10-30 mm lub spiralna wstęga. Przy bardzo wysokich lepkościach niektórych systemów poliestrowych i epoksydowych pojedyncza maszyna nie jest w stanie pokryć całego zakresu i stosuje się układ współosiowy, czyli szybki dyspergator na jednym wale i powolna kotwa na drugim. Ponieważ w przypadku projektowym przyjęto lepkość na końcu reakcji, napęd i przekładnię należy dobrać do pracy przy pełnym obciążeniu przy tej lepkości, łącznie z rozruchem po zatrzymaniu.
• System parowy: Kolumna, skraplacz i próżnia:W przypadku żywic kondensacyjnych system parowy nie jest dodatkiem, ale częścią procesu determinującą szybkość. Wodę należy usuwać w sposób ciągły, aby masa cząsteczkowa wzrosła, ale para opuszczająca się w temperaturze 200–260°C jest bogata w glikol lub poliol, co jest drogie i nie można go utracić. Wypełniona lub półkowa kolumna złożona z trzech do sześciu teoretycznych stopni na wylocie pary zawraca glikol, przepuszczając wodę od góry do skraplacza i odbiornika, gdzie dokonuje się pomiaru wody, ponieważ szybkość jej zbierania jest najlepszym wskaźnikiem postępu reakcji w czasie rzeczywistym. Wiele procesów kończy się pod próżnią o wartości 400–700 mbar, aby usunąć resztę wody bez podnoszenia temperatury, zatem naczynie, kolumna i odbiornik muszą być przystosowane do pracy w pełnej próżni, a system próżniowy musi być dobrany pod kątem obciążenia wodą w punkcie, w którym jest ono największe.
• Materiały, pokrycie i czyszczenie:Standardem jest stal nierdzewna 316L, ponieważ reagenty są lekko kwaśne, a zanieczyszczenie żelazem powoduje kolor, który ma znaczenie w przypadku powłok przezroczystych oraz gatunków białych i pastelowych. Spoiny są szlifowane na gładko, a naczynie pasywowane; powierzchnie wewnętrzne są często polerowane do wartości Ra poniżej 0,8 mikrometra, aby ograniczyć powstawanie osadów i ułatwić czyszczenie. W całości stosowana jest osłona gazu obojętnego złożona z azotu, ponieważ tlen w temperaturze 200-260°C powoduje utlenianie, ciemnienie i, w układach nienasyconych, przedwczesne żelowanie. Czyszczenie pomiędzy produktami to ukryte ograniczenie w zakładzie wytwarzającym wiele produktów: zbiornik, którego nie można szybko oczyścić, spędza 20–40% czasu poza produkcją, dlatego w projektach preferowana jest konstrukcja pozbawiona szczelin, montowane podtynkowo zawory denne, kule natryskowe do czyszczenia na miejscu oraz, jeśli pozwala na to specyfikacja produktu, dedykowanie zbiorników według rodziny żywic.

Rodziny żywic i macierz wymagań reaktora

Często zadawane pytania (FAQ)

P: Jaka jest różnica między reaktorem żywicznym a standardowym reaktorem chemicznym?

Odp.: Reaktor żywiczny to reaktor chemiczny zoptymalizowany pod kątem jednego konkretnego problemu: budowania łańcucha polimerowego przy wzroście lepkości o rzędy wielkości oraz, w układach kondensacyjnych, ciągłego usuwania małocząsteczkowych produktów ubocznych. W porównaniu z reaktorem ogólnego przeznaczenia ma trzy charakterystyczne cechy. Układ parowy z kolumną frakcjonującą, ponieważ żywice kondensacyjne muszą usuwać wodę, zatrzymując lotny glikol; reaktor ogólny nie ma takiego wymogu. Przenikanie ciepła dobiera się raczej na podstawie lepkości na końcu partii, a nie początkowej, ponieważ współczynnik płaszcza maleje wraz ze wzrostem łańcucha; oraz mieszadła, takie jak kotwy i spiralne wstęgi, wybrane do odnawiania ścian w środowisku lepkim, a nie do mieszania turbulentnego w masie. Reaktory żywiczne również powszechnie działają w atmosferze azotu, a później w próżni i są wykonane ze stali nierdzewnej z polerowanymi powierzchniami, ponieważ kolor jest parametrem specyfikacji.

P: Dlaczego kolumna frakcjonująca jest potrzebna w reaktorze żywicznym?

Odp.: Ponieważ para opuszczająca reaktor polikondensacji w temperaturze 190-260°C nie jest czystą wodą. Glikole i poliole, takie jak glikol propylenowy, glikol etylenowy i glicerol, są lotne w temperaturze reakcji, a glikol propylenowy wrze w temperaturze 188°C, dlatego duża część oparów to cenny surowiec, którego nie można stracić. Kolumna, zwykle składająca się z trzech do sześciu teoretycznych stopni wypełnienia lub kilku półek, oddziela wodę, która przepływa od góry do skraplacza i odbiornika, od glikolu, który powraca z powrotem do reaktora. Bez tego zużycie glikolu znacznie wzrasta, stosunek molowy ładunku dryfuje, masa cząsteczkowa i liczba kwasowa nie odpowiadają już recepturze, a produkt jest niezgodny ze specyfikacją. Kolumna określa również czas cyklu, ponieważ określa, jak szybko można usunąć wodę w danej temperaturze, dlatego też stan kolumny i współczynnik powrotu są sprawdzane za każdym razem, gdy partia trwa długo.

P: Jak określa się punkt końcowy partii żywicy?

Odp.: Raczej na podstawie analizy niż czasu, a konkretny test zależy od rodziny. W przypadku żywic kondensacyjnych, takich jak alkidy i poliestry, podstawowym testem jest liczba kwasowa, czyli miligramy KOH potrzebne do zneutralizowania jednego grama żywicy, osiągające docelowy poziom 5–25 dla alkidów i 15–35 dla nienasyconych poliestrów; mierzy się go poprzez miareczkowanie próbki co jedną do dwóch godzin pod koniec partii. Lepkość mierzy się równolegle albo na czystej żywicy, albo na roztworze o określonej zawartości substancji stałych, ponieważ potwierdza to masę cząsteczkową wynikającą z liczby kwasowej. W przypadku żywic addycyjnych, takich jak akryle, bada się zawartość substancji nielotnych lub konwersję oraz lepkość. W każdym przypadku szybkość zmian ma takie samo znaczenie jak wartość: reakcja zwalnia w miarę zbliżania się do końca, a spłaszczająca się krzywa ostrzega operatora, że ​​punkt końcowy jest blisko.

P: Jakie są najczęstsze problemy operacyjne w reaktorze żywicowym?

O: Pięć się powtarza. Żelowanie w naczyniu w wyniku nadmiernej reakcji, utraty inhibitora w układach nienasyconych lub materiału utrzymywanego na gorącej ściance, gdzie polimeryzuje przez wiele godzin; Można temu zapobiec, zatrzymując się na analizie, mieszając przez skrobanie ścian i polerując powierzchnie kontaktowe. Tworzenie się zabarwienia na skutek wnikania tlenu w temperaturze 200–260°C, dlatego ma znaczenie warstwa azotu i szczelność naczynia; diagnozuje się go poprzez sprawdzenie przepływu koca i zawartości tlenu w gazie odlotowym. Zanieczyszczanie i nalot na ścianie oraz na granicy faz para-ciecz, powodujący powstawanie cząstek żelu widocznych jako plamki na gotowej powłoce; zarządza się nim poprzez pokrycie płaszcza powyżej poziomu cieczy i zdefiniowany harmonogram czyszczenia. Problemy z usuwaniem wody z zanieczyszczonej lub zalanej kolumny lub z uszkodzonego systemu próżniowego, które objawiają się partiami, które nie osiągną wartości kwasowej. Oraz niekontrolowana lepkość, gdy reakcja przebiega dalej niż zamierzono i produktu nie można wylać ani rozcieńczyć.