Что такое реактор для производства пигментов: синтез, диспергирование и проектирование процесса

Ответ на основной вопрос: Что такое реактор для производства пигментов? Реактор для производства пигментов — это емкость с мешалкой, в которой органический или неорганический пигмент либо химически синтезируется, либо физически диспергируется в носителе, и большинство установок выполняют обе функции. Синтез включает азосочетание, при котором диазониевая соль реагирует с сочетающимся компонентом при температуре 0-5°C и контролируемом pH 4-7 для построения хромофора, и образование фталоцианина, которое вместо этого требует 180-220°C в высококипящем растворителе. Диспергирование — это физическая операция, при которой агломераты разрушаются до целевого размера частиц 0,1-1 микрометра с использованием высокоскоростного диспергатора, работающего со скоростью вращения лопастей 15-30 м/с. Следовательно, реактор должен охватывать необычно широкий диапазон: криогенное сочетание на одном конце, горячий синтез на другом и высокоэнергетическое диспергирование между ними, поэтому установки для производства пигментов обычно используют несколько специализированных емкостей, а не одну универсальную машину.

1. Два класса задач, которые должен выполнять реактор для производства пигментов

Синтез и диспергирование предъявляют почти противоположные требования, и их смешивание в одной емкости является наиболее частой причиной проблем с качеством:

• Азосочетание и низкотемпературный синтез: Азопигменты, на долю которых приходится примерно половина всех органических пигментов, производятся путем диазотирования первичного ароматического амина нитритом натрия и соляной кислотой при температуре 0-5°C, а затем сочетания полученной диазониевой соли с нафтолом, ацетоацетанилидом или пиразолоном. Оба этапа строго ограничены. Диазониевые соли разлагаются выше примерно 5-10°C с выделением азота и образованием смолистых побочных продуктов, поэтому емкость нуждается в рубашке с охлажденным рассолом или гликолем достаточной мощности для поглощения экзотермического эффекта диазотирования. Скорость сочетания регулируется pH, который должен поддерживаться в узком диапазоне, обычно 4-7, путем одновременного добавления кислоты или щелочи, поскольку неправильный pH просто приводит к неправильному положению сочетания на кольце и, следовательно, к неправильному оттенку. Форма кристаллов и размер частиц, которые определяют красящую способность и прозрачность, устанавливаются здесь и не могут быть легко исправлены позже.
• Фталоцианин и высокотемпературный синтез: Синие и зеленые фталоцианины меди производятся путем реакции фталевого ангидрида или фталонитрила с солью меди и мочевиной или источником азота при температуре 180-220°C в высококипящем растворителе, таком как алкилбензол или трихлорбензол, с катализатором на основе молибдена или молибдата аммония. Реактор представляет собой нагреваемую емкость под давлением с обратным холодильником и системой рекуперации растворителя, и он должен работать с гетерогенной смесью, которая становится очень густой по мере протекания реакции, требуя мощной якорной или спирально-ленточной мешалки. После синтеза сырой пигмент подвергается кислотной обработке или измельчению с солью для развития пигментной формы, поскольку продукт, полученный непосредственно после синтеза, представляет собой грубый, непигментный кристалл. Этот маршрут требует больших капитальных и энергетических затрат, а системы рекуперации растворителя и очистки отходящих газов доминируют на установке, а не сам реактор.
• Высокоскоростное диспергирование и деагломерация: Пигмент в том виде, в котором он производится, поступает в виде агломератов размером 10-100 микрометров, и достижимая сила цвета, блеск и прозрачность зависят от их разрушения до первичных частиц размером 0,05-1 микрометра. Диспергирование проводится в три этапа. Предварительное смешивание смачивает поверхность пигмента раствором смолы или поверхностно-активным веществом, вытесняя захваченный воздух и воду. Деагломерация применяет интенсивное сдвиговое усилие, обычно с помощью диспергатора ротор-статор, скорость вращения лопастей которого достигает 15-30 м/с, или с помощью шаровой мельницы для самых тонких сортов. Затем разбавление разбавляет концентрат до конечной рецептуры при мягком перемешивании, поскольку дальнейшее сдвиговое усилие на этом этапе может повредить уже сформированную дисперсию или вызвать ее повторную агломерацию. Температура должна контролироваться на протяжении всего процесса, поскольку энергозатраты велики, а многие органические пигменты чувствительны к температуре.
• Отделка: Фильтрация, промывка и сушка: То, что следует за реактором, определяет конечный пигмент в той же степени, что и реактор. Суспензия пигмента фильтруется на фильтр-прессе, нутч-фильтре или вакуумном роторном фильтре и промывается для удаления солей, что критически важно, поскольку остаточный электролит вызывает флокуляцию в готовом покрытии и снижает блеск. Прессованный пирог, обычно с содержанием твердых веществ 25-45%, затем сушится в полочной, лопастной или распылительной сушилке, а условия сушки определяют конечную твердость частиц: пересушивание приводит к образованию твердых агломератов, которые не могут быть разрушены никаким количеством диспергирования. Некоторые пигменты подвергаются поверхностной обработке, покрывая частицы диоксидом кремния, оксидом алюминия или органическим модификатором для улучшения диспергируемости, атмосферостойкости или реологии. На протяжении всего процесса выгрузка из реактора должна быть постоянной по содержанию твердых веществ и размеру частиц, иначе оборудование последующих стадий не может быть оптимизировано.

2. Проектирование реактора для производства пигментов с целью обеспечения постоянства цвета

Три проектных решения определяют, сможет ли установка попасть в нужный оттенок и удерживать его от партии к партии:

• Выбор мешалки в зависимости от задачи: Ни одна мешалка не подходит для всех задач производства пигментов. Диазотирование и сочетание требуют импеллера с низким сдвигом и высоким потоком, обычно с наклонной лопастью или гидрофойлом, поскольку цель состоит в быстром объемном смешивании кислоты, нитрита и сочетающегося компонента и оперативном отводе экзотермического тепла к стенке рубашки, а не в сдвиге. Высокотемпературный синтез фталоцианина требует якорной или спирально-ленточной мешалки со скребками для стенок, поскольку масса загустевает, а пристеночная пленка доминирует в теплопередаче. Диспергирование требует противоположного: ротор-статор с высоким сдвигом, дисковая мешалка или коаксиальная комбинация высокоскоростного диспергатора с медленным якорем, который поддерживает движение всей партии. Указание производительности по скорости вращения лопастей, а не по оборотам в минуту, имеет решающее значение, поскольку одна и та же скорость вращения вала в большой емкости дает гораздо более низкую скорость вращения лопастей и гораздо более слабое диспергирование.
• Точность контроля температуры и pH: Цвет определяется формой кристаллов и размером частиц, и оба являются функциями температуры и pH во время реакции. Диазотирование проводится при температуре 0-5°C, а сочетание — в пределах нескольких градусов от целевого значения, поскольку повышение всего на 3-5°C изменяет кристаллическую структуру и, следовательно, оттенок и прозрачность. Это требует емкости с рубашкой, охлажденным рассолом или гликолем, большой площади и системы управления, которая предвосхищает экзотермический эффект, регулируя подачу реагента, а не реагируя на повышение температуры после его возникновения. pH должен поддерживаться в пределах примерно плюс-минус 0,2 единицы во время сочетания, что требует быстро реагирующего, хорошо расположенного датчика, дозирующего насоса с широким диапазоном регулирования и точки добавления, расположенной в зоне высокой турбулентности рядом с импеллером, а не на поверхности жидкости, где смешивание займет много секунд.
• Материалы, очистка и перекрестное загрязнение: На установках для производства пигментов в одном и том же оборудовании производится много цветов, и основной риск для качества — это перенос из предыдущей партии. Нержавеющая сталь, обычно 316L с полированной или электрополированной отделкой, является стандартной, поскольку она легко чистится и не содержит железа, которое изменяет оттенок многих органических пигментов. Сталь со стеклянным покрытием используется там, где химия является кислотной или хлорированной, как при работе с диазониевыми соединениями, хотя она имеет худшую теплопередачу. Конструкция для очистки означает отсутствие застойных зон, щелей на валу мешалки или перегородках, полный дренаж и либо систему безразборной мойки с распылительными шарами, либо, для небольших установок, конструкцию, позволяющую быструю ручную очистку. Многие производители выделяют емкости по цветовым семействам, разделяя желтые, красные и синие, поскольку даже тщательная очистка не может удалить каждый след из канавки прокладки.

Матрица сравнения задач реактора для производства пигментов

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В: Какова разница между синтезом пигмента и диспергированием пигмента?

О: Синтез создает молекулу пигмента и его кристаллическую структуру посредством химической реакции, в то время как диспергирование разрушает физические агломераты уже существующего пигмента. При синтезе азопигмент строится путем диазотирования и сочетания при температуре 0-5°C, а условия определяют форму кристаллов, размер частиц и, следовательно, оттенок, прозрачность и стойкость; ошибка здесь не может быть исправлена на последующих стадиях. При диспергировании химия не происходит: энергия применяется для разделения слипшихся частиц, чтобы пигмент развил свою полную красящую способность и блеск. Именно поэтому один и тот же порошок пигмента может давать очень разные результаты в разных рецептурах, и почему установка нуждается как в хорошо контролируемой реакционной емкости, так и в отдельной стадии высокоскоростного диспергирования, а не в попытке сделать и то, и другое в одной машине.

В: Почему азосочетание должно проводиться при температуре ниже 5°C?

О: Потому что диазониевый интермедиат термически нестабилен. Диазониевые соли быстро разлагаются выше примерно 5-10°C с выделением азота и образованием фенольных смол и других окрашенных побочных продуктов; это разложение потребляет реагент, который должен сочетаться, поэтому выход падает, а побочные продукты загрязняют пигмент и тускнеют оттенок. Низкая температура также влияет на результат, который имеет наибольшее коммерческое значение: форма кристаллов и распределение частиц по размерам, образующиеся во время сочетания, определяют красящую способность, прозрачность и реологию готового пигмента, и оба чувствительны к скорости образования и роста зародышей, которая, в свою очередь, зависит от температуры. По этой причине реактор нуждается в специальной мощности охлажденного рассола или гликоля, рассчитанной на экзотермический эффект диазотирования, а не только на охлаждение до температуры окружающей среды.

В: Как измерить полноту диспергирования пигмента?

О: Используются три метода в совокупности. Прибор для измерения тонкости помола по Хегману, или гринд-ометр, дает быструю оценку непосредственно на производстве, проводя дисперсию по конической канавке и отмечая, где впервые появляются частицы; покрытия обычно требуют от 5 до 7 по шкале Хегмана, что соответствует максимальному размеру частиц ниже примерно 15-25 микрометров. Лазерная дифракция дает полное распределение частиц по размерам и используется там, где целевым показателем является определенный d50 или d90, обычно 0,1-1 микрометр для высокоэффективных пигментов. А измерение цвета, сравнение красящей способности и оттенка со стандартом с помощью спектрофотометра, является окончательным тестом, потому что возможно получить приемлемое значение размера частиц и при этом не развить полный цвет. Хорошей практикой является сначала провести вытяжку, затем подтвердить размер частиц, а затем выпустить партию по цвету.

В: Что вызывает вариацию оттенка от партии к партии в реакторе для производства пигментов?

О: Большинство вариаций вызваны пятью причинами. Дрейф температуры во время сочетания, поскольку даже несколько градусов изменяют кристаллическую структуру и оттенок; это наиболее распространенная причина. Дрейф pH, поскольку положение сочетания на ароматическом кольце зависит от pH, и сдвиг на пол-единицы может привести к образованию другого изомера с другим цветом. Вариация сырья, особенно чистоты и содержания изомеров в сочетающемся компоненте, поэтому входящее сырье квалифицируется по температуре плавления и содержанию, а не принимается только по сертификату. Скорость добавления и энергия перемешивания, которые контролируют локальную пересыщенность и, следовательно, нуклеацию и размер частиц. И перенос или загрязнение из предыдущей партии, поэтому цветовые семейства часто разделяются по емкостям, и проверка чистоты имеет такое же значение, как и сама реакция.