O que é um reator de resina: tipos, recursos de design e aplicações

Respondendo à questão central:O que é um reator de resina?Um reator de resina é um recipiente encamisado, agitado, geralmente de aço inoxidável, no qual monômeros são construídos em cadeias poliméricas por policondensação ou polimerização por adição para produzir resinas alquídicas, poliéster, acrílicas, epóxi ou poliuretano. A janela operacional depende inteiramente da família. As resinas alquídicas e de poliéster são policondensações executadas a 190-260°C que eliminam a água, portanto o recipiente precisa de uma coluna de fracionamento para separar a água do glicol volátil. As resinas acrílicas são polimerizações de radicais livres executadas a 80-140°C sob refluxo, portanto o recipiente precisa de um condensador grande dimensionado para o pico de liberação de calor. As resinas epóxi são construídas a 150-200°C e as dispersões de poliuretano a 50-90°C seguidas de inversão de fase. Três recursos são universais: transferência de calor através de uma camisa ou bobina half-pipe capaz de aquecer e resfriar, agitação dimensionada para o perfil de viscosidade e não para o produto final, e uma manta de gás inerte para evitar oxidação e formação de cor.

1. As famílias de resinas e o que cada uma exige do reator

Cinco famílias cobrem a maior parte da produção de resina e cada uma impõe um conjunto distinto de requisitos:

• Resinas Alquídicas:Os alquídicos são feitos de um poliol, um ácido dibásico ou anidrido e um ácido graxo ou óleo, e são o carro-chefe dos revestimentos decorativos e industriais à base de solvente. A primeira etapa é frequentemente a alcoólise, na qual o óleo é transesterificado com glicerol ou pentaeritritol a 230-250°C na presença de um catalisador como hidróxido de lítio ou óxido de chumbo, e o lote deve passar por um teste de tolerância ao metanol ou etanol para confirmar que o óleo reagiu completamente antes que o ácido seja carregado. A policondensação subsequente ocorre a 220-260°C, eliminando a água e reduzindo o índice de acidez para 5-25 mg KOH/g, dependendo se o grau é de óleo longo, médio ou curto. Como a temperatura é alta e as matérias-primas são óleos insaturados, uma manta de gás inerte é essencial, e o recipiente deve ser projetado com uma coluna que retorne o poliol volátil enquanto remove a água.
• Poliésteres saturados e insaturados:Os poliésteres saturados para revestimentos e revestimentos em pó, e os poliésteres insaturados para compósitos, partilham a mesma química de policondensação a 190-220°C, mas divergem nas matérias-primas e no que acontece a seguir. Os graus insaturados utilizam anidrido maleico para introduzir ligações duplas reativas e são diluídos em estireno após a reação, portanto o reator deve ser seguido por um recipiente de diluição com resfriamento próprio e controle de inibidor. Os graus saturados são diluídos em solvente ou descarregados como um sólido para revestimento em pó. Em ambos os casos, o ponto final é definido pelo índice de acidez e pela viscosidade, ambos medidos próximo ao final do lote em intervalos, e em ambos os casos a coluna na saída de vapor é o que determina a perda de glicol e, portanto, tanto o custo quanto o tempo de ciclo.
• Resinas acrílicas e vinílicas:As resinas acrílicas são produzidas por polimerização radicalar de acrilatos, metacrilatos e estireno em solvente a 80-140°C sob refluxo, usando um peróxido ou iniciador azo. A química libera 60-80 kJ por mol de monômero e está sujeita ao efeito gel, de modo que o reator funciona semi-lote, alimentando monômero e iniciador durante 2-6 horas, e o calor é removido em grande parte como o calor latente do solvente em refluxo, que é autorregulado. O condensador deve, portanto, ser dimensionado para o pico de carga de vapor, não para a média, e a linha de vapor e todo o sistema devem ser inertizados e classificados para o solvente inflamável. O ponto final é definido pela conversão e pela viscosidade ou pelo conteúdo não volátil, e o produto geralmente é filtrado antes de sair do reator.
• Resinas Epóxi e Poliuretano:As resinas epóxi são produzidas pela reação do bisfenol A com epicloridrina na presença de soda cáustica a 150-200°C, seguida de lavagem para remover o sal e de remoção para remover a epicloridrina que não reagiu; o reator deve, portanto, lidar com uma mistura corrosiva, bifásica, contendo sal e é seguido por uma etapa de lavagem e remoção. As dispersões de poliuretano são feitas a 50-90°C construindo um pré-polímero terminado em isocianato e depois dispersando-o em água com extensão de cadeia, de modo que o reator deve lidar com um pico acentuado de viscosidade na inversão de fase, excluir rigorosamente a umidade, uma vez que a água reage com o isocianato, e liberar o dióxido de carbono produzido por essa reação secundária. Ambas as famílias exigem um controle de temperatura mais rígido do que os sistemas de policondensação, porque as reações são mais rápidas e as reações secundárias são menos tolerantes.

2. Características de projeto comuns a todos os reatores de resina

Quatro características aparecem em todos os reatores de resina, e errar é o que limita a maioria das plantas:

• Transferência de calor que funciona em ambas as direções:Um reator de resina deve aquecer uma carga fria a 200°C ou mais, depois remover uma grande exotérmica, depois resfriar o lote para descarga, e deve fazer todos os três de forma confiável. O vapor é adequado até cerca de 180°C à pressão econômica, acima da qual é necessário um fluido de transferência de calor circulante, normalmente um óleo térmico ou um eutético de óxido de bifenil-difenila, e a camisa deve ser classificada para a pressão do fluido, razão pela qual as bobinas de meio tubo e as camisas de covinha são preferidas às camisas simples em vasos maiores. O resfriamento é a tarefa mais difícil, porque o coeficiente de transferência de calor cai à medida que a viscosidade aumenta e porque a diferença de temperatura disponível para a água de resfriamento é pequena perto do final do resfriamento. A resposta prática é dimensionar a camisa de acordo com a viscosidade no final da reação, e não no início, e fornecer um circuito de circulação externo através de um trocador de calor para os recipientes maiores.
• Agitação compatível com o perfil de viscosidade:A viscosidade de um lote de resina muda de duas a quatro ordens de grandeza durante o ciclo, e o agitador deve funcionar em todos os pontos. No início do lote, o conteúdo é ralo e o requisito é a mistura em massa e a transferência de calor; portanto, uma turbina de pás inclinadas, um hidrofólio ou uma turbina e âncora combinadas funcionam bem. À medida que a corrente cresce e a viscosidade aumenta, a película da parede torna-se mais espessa e a transferência de calor entra em colapso, pelo que é necessária uma âncora com uma folga estreita na parede de 10-30 mm, ou uma fita helicoidal, para renovar a superfície. Nas viscosidades muito altas de alguns sistemas de poliéster e epóxi, uma única máquina não consegue cobrir a faixa e é usado um arranjo coaxial, um dispersor de alta velocidade em um eixo e uma âncora lenta em outro. Como a viscosidade no final da reação é o caso do projeto, o acionamento e a caixa de engrenagens devem ser dimensionados para operação em plena carga nessa viscosidade, incluindo a partida após uma parada.
• Sistema de Vapor: Coluna, Condensador e Vácuo:Para resinas de condensação, o sistema de vapor não é um acessório, mas a parte determinante da taxa do processo. A água deve ser removida continuamente para que o peso molecular aumente, mas o vapor que sai a 200-260°C é rico em glicol ou poliol, que é caro e não deve ser perdido. Uma coluna empacotada ou em bandeja de três a seis estágios teóricos na saída de vapor retorna o glicol enquanto passa a água para um condensador e um receptor, onde a água é medida porque sua taxa de coleta é o melhor indicador em tempo real do progresso da reação. Muitos processos terminam sob vácuo de 400-700 mbar para eliminar o resto da água sem aumentar a temperatura, portanto, o recipiente, a coluna e o receptor devem ser classificados para vácuo total, e o sistema de vácuo deve ser dimensionado para a carga de água no ponto onde ela for maior.
• Materiais, Cobertura e Limpeza:O aço inoxidável 316L é o padrão porque os reagentes são levemente ácidos e porque a contaminação por ferro causa cor, o que é importante em revestimentos transparentes e em tipos brancos e pastéis. As soldas são retificadas e o recipiente é passivado; as superfícies internas são frequentemente polidas abaixo de 0,8 micrômetros Ra para reduzir a formação de película e facilitar a limpeza. Uma manta de gás inerte de nitrogênio é aplicada por toda parte, uma vez que o oxigênio a 200-260°C causa oxidação, escurecimento e, em sistemas insaturados, gelificação prematura. A limpeza entre produtos é a restrição oculta em uma fábrica de múltiplos produtos: um recipiente que não pode ser limpo rapidamente passa de 20 a 40% do seu tempo fora de produção, portanto, os projetos favorecem a construção sem fendas, válvulas de fundo embutidas, esferas de spray para limpeza no local e, onde a ardósia do produto permitir, dedicação dos recipientes por família de resina.

Famílias de resinas e matriz de requisitos de reatores

Perguntas frequentes (FAQ)

P: Qual é a diferença entre um reator de resina e um reator químico padrão?

R: Um reator de resina é um reator químico otimizado para um problema específico: construir uma cadeia polimérica enquanto a viscosidade aumenta em ordens de grandeza e, em sistemas de condensação, remover continuamente um subproduto de pequena molécula. Comparado com um reator de uso geral, ele possui três características distintas. Um sistema de vapor com coluna de fracionamento, porque as resinas de condensação devem remover a água enquanto retêm o glicol volátil; um reator geral não possui tal exigência. A transferência de calor é dimensionada com base na viscosidade do final do lote e não na inicial, porque o coeficiente de camisa entra em colapso à medida que a cadeia cresce; e agitadores, como âncoras e fitas helicoidais, escolhidos para renovação de paredes em serviços viscosos, em vez de misturas turbulentas em massa. Os reatores de resina também comumente operam sob manta de nitrogênio e posteriormente sob vácuo, e são de aço inoxidável com superfícies polidas porque a cor é um parâmetro de especificação.

P: Por que é necessária uma coluna de fracionamento em um reator de resina?

R: Porque o vapor que sai de um reator de policondensação a 190-260°C não é água pura. Glicóis e polióis como propilenoglicol, etilenoglicol e glicerol são voláteis à temperatura de reação, com o propilenoglicol fervendo a 188°C, portanto, uma grande fração do vapor é uma matéria-prima valiosa que não deve ser perdida. A coluna, normalmente de três a seis estágios teóricos de empacotamento ou algumas bandejas, separa a água, que passa por cima para o condensador e receptor, do glicol, que reflui de volta ao reator. Sem ele, o consumo de glicol aumenta substancialmente, a proporção molar da carga varia, o peso molecular e o índice de acidez não correspondem mais à receita e o produto fica fora das especificações. A coluna também determina o tempo do ciclo, pois define a rapidez com que a água pode ser removida em uma determinada temperatura, razão pela qual a condição da coluna e a taxa de refluxo são verificadas sempre que um lote demora muito.

P: Como é determinado o ponto final de um lote de resina?

R: Por análise e não por tempo, e o teste específico depende da família. Para resinas de condensação como alquídicas e poliésteres, o teste primário é o valor ácido, os miligramas de KOH necessários para neutralizar um grama de resina, caindo para uma meta de 5-25 para alquídicas e 15-35 para poliésteres insaturados; é medido titulando uma amostra a cada uma ou duas horas perto do final do lote. A viscosidade é medida em paralelo, seja na resina pura ou em uma solução com teor de sólidos definido, pois confirma o peso molecular implícito no índice de acidez. Para resinas de adição, como as acrílicas, os testes são de conteúdo não volátil ou conversão, mais viscosidade. Em todos os casos, a taxa de mudança é tão importante quanto o valor: a reação diminui à medida que se aproxima da conclusão e uma curva achatada avisa o operador que o ponto final está próximo.

P: Quais são os problemas operacionais mais comuns em um reator de resina?

R: Cinco são recorrentes. Gelificação no recipiente, por reação excessiva, por perda de inibidor em sistemas insaturados ou por material retido na parede quente onde polimeriza ao longo de horas; isso é evitado pela parada na análise, pela agitação da raspagem das paredes e pelo polimento das superfícies de contato. Formação de cor, a partir da entrada de oxigênio a 200-260°C, razão pela qual a manta de nitrogênio e a estanqueidade do recipiente são importantes; é diagnosticado verificando o fluxo da manta e o conteúdo de oxigênio do gás de ventilação. Incrustação e formação de película na parede e na interface vapor-líquido, produzindo partículas de gel que aparecem como manchas no revestimento acabado; é gerenciado pela cobertura da camisa acima do nível do líquido e por um cronograma de limpeza definido. Problemas de remoção de água, de uma coluna suja ou inundada ou de um sistema de vácuo com falha, que aparecem como lotes que não atingirão o valor ácido. E fuga de viscosidade, onde a reação vai além do pretendido e o produto não pode ser descarregado ou diluído.