Akrilik Reaktör Nedir: Polimerizasyon Kimyası, Tasarımı ve Kontrolü

Akrilik Reaktör Nedir: Polimerizasyon Kimyası, Tasarımı ve Kontrolü

Temel soruya cevap vermek için:Akrilik reaktör nedir?Akrilik reaktör, akrilik ve metakrilik monomerlerin akrilik asit, butil akrilat,Metil metakrilat ve stirol serbest radikal mekanizması ile akrilik reçine haline polimerize edilir, emülsiyonlar veya elastomerler. Reaksiyon güçlü bir egzotermiktir ve monomer mol başına 60-80 kJ serbest bırakır, bu da yaklaşık 700-1,100 kJ'dir.Ve bu ısı sürekli olarak çıkarılmalıdır yoksa parti hızlanacaktır.Suyun emülsiyon polimerizasyonu, 60-90 °C'de 40-60% katı madde içeriğine kadar çalışır ve kaplamalar, yapıştırıcılar ve tekstiller için lateks üretir.Çözücüde çözeltinin polimerizasyonu geri akış altında 80-140 °C'de çalışır ve endüstriyel kaplamalar için reçine verirToplu veya süspansiyon yolları, 100-180°C'de daha sıcak çalışır.yayılmaya devam ederken sonlandırma yavaşlar, bu yüzden reaktör bunun için tasarlanmadığı sürece hız ve ısı salınımı keskin bir şekilde hızlanır.

1Reaktör tasarımını belirleyen polimerizasyon kimyası

Her akrilik reaktörün mekanik ve kontrol tasarımını belirleyen dört kimyasal gerçek vardır:

• Serbest radikal kinetiği ve başlatıcı seçimi:Akrilik polimerizasyon, başlangıç, yayılma ve sonlandırma yoluyla, başlangıç konsantrasyonunun kareköküne ve monomer konsantrasyonuna orantılı bir hızla gerçekleşir.Başlatıcılar parçalanma sıcaklıklarına göre seçilir., yarılanma süresi olarak ifade edilir: Amonyum veya potasyum persülfat gibi persülfatlar emülsiyonda 60-90 °C'de, AIBN gibi azo bileşikleri çözeltide 60-80 °C'de kullanılır,ve benzoil peroksit veya tert-butil perbenzoat gibi peroksitler 90-140°C arasında kaplanırRedox çiftleri, tipik olarak bir bisülfit veya bir demir tuzu ile persülfat, 30-60 °C'de radikaller üretir ve düşük sıcaklıklarda yüksek moleküler ağırlıklı polimerin üretilmesini sağlar.Çünkü başlangıç konsantrasyonu hem hızı hem de moleküler ağırlığı kontrol eder., ve parçalanma katlanarak ısıya bağlı olduğundan, başlatıcı sistemi ve sıcaklık kontrol bandı bağımsız olarak değil birlikte tasarlanmalıdır.
• Trommsdorff Jeli Etkisi:Bu, akrilik reaktörlerin belirleyici tehlikesi.Büyüyen polimer zincirleri ortamın viskozitesini o kadar arttırır ki, iki büyük radikal arasındaki difüzyon kontrolü ile sonlandırma adımı çarpıcı bir şekilde yavaşlar., küçük monomer molekülü hala yayılabilir ve yayılabilir. Bitiş düşer, radikal konsantrasyonu yükselir ve hem hız hem de ısı salınımı pozitif bir geri bildirim döngüsünde hızlanır.Sıcaklık yükseliyor.Eğer ısı çıkarma sistemi bu zirveye göre boyutlandırılmadıkça, parti kaçıyor ve en kötü durumda reaktör atılmalı veya yardım cihazı kaldırılmalıdır.Tasarım yanıtları anlık dönüşüm düşük tutar bir yarı parti monomer besleme vardır, aşamalı bir başlangıç ekleme profili, cömert bir ceket ve geri akış kapasitesi ve otomatik olarak beslemeyi durduran ve yüksek sıcaklıkta tam soğutma uygulayan bir kilit.
• Moleküler ağırlık kontrolü ve zincir transfer:Ürün sınıfı, öncelikle yayılma oranı ile zincir aktarımı ve bitiş oranı ile kontrol edilen moleküler ağırlıkla tanımlanır.Genellikle n-dodecil merkaptan veya tioglikolatlar gibi merkaptanlar, büyüme zincirlerini kapatmak ve öngörülebilir olarak daha düşük moleküler ağırlık elde etmek için ağırlık açısından% 0.05-2 eklenir.oranı sabit ve moleküler ağırlık dağılımını dar tutmak için monomerle birlikte beslenirPolydispersity endeksi olarak ifade edilen moleküler ağırlık dağılımı, genellikle serbest radikal akrilikler için 2-5 arasında değişir ve hem mekanik özellikleri hem de nihai ürünün viskozisitesini etkiler.Daha yüksek başlatıcı konsantrasyonu ve daha yüksek sıcaklık hem de daha düşük moleküler ağırlık, bu yüzden bir parti boyunca 1-2 ° C'nin içinde sıcaklığı kontrol etmek, kalite tutarlılığını sağlayan şeydir.
• Oksijen, inhibitörler ve monomer istikrarı:Akrilik monomerler polimerizasyon inhibitörü ile depolanır ve ele alınır, en yaygın olarak 10-200 ppm'de MEHQ, sadece çözünmüş oksijen varlığında etkilidir.Bu, operasyonel bir paradoks yaratıyor.: oksijen depolama sırasında kaçak polimerizasyonu engeller, ancak reaktördeki amaçlanan reaksiyonu engeller.Bu nedenle bitkiler monomer yükünü azotla temizler ve çözünmüş oksijeni çıkarır.Akrilik asit ikinci bir tehlikeyi ortaya koyar:Yaklaşık 90°C'den yukarıda bir dimer ve daha yüksek oligomer oluşturmak için Michael eklenmesine maruz kalır.Bu nedenle, polimerizasyon inhibitörü ve sıkı kalış süresi sınırları olmadan toplu akrilik asit asla yaklaşık 80-90°C'nin üzerinde ısıtılmamalıdır.

2Reaktör yapılandırmaları ve ısı çıkarma stratejisi

Yapılandırma, gerçek boyutlandırma sürücüsü olan rota ve ısı çıkarma gereksinimini takip eder:

• Yarım parti emülsiyon reaktörü:Su içi akrilik lateks için standart konfigürasyon: 316L paslanmaz çelikten 5-60 m3'lik bir kafesli karıştırılmış kap,2-6 saat boyunca eklenen önceden emülsiyonlanmış bir monomer yem ve ayrı başlangıç besleme akışları ileSıcaklık, ceket tarafından, su ve monomerin bir üst kondansörden geri akışı ve soğuk beslemenin kendisinin algılanan ısısı ile uzaklaştırılır.Çünkü monomer aynı anda şarj edilmek yerine beslenir.Parçacıklardaki anlık tepki göstermeyen monomer konsantrasyonu sınırlıdır.Ceket kapasitesinde en yüksek ısı salınımını tutar ve aynı zamanda operatörün parçacık bileşimini ve dolayısıyla parçacık boyunca cam geçiş sıcaklık profilini kontrol etmesini sağlarParçacık boyutu, tipik olarak 80-500 nm, yüzey aktif maddesi ve başlangıç yükü ile belirlenir ve reaktör, pıhtılaşmaya veya çamur oluşumuna neden olmadan lateksi istikrarlı tutmak için yeterli kesme sağlamalıdır.
• Refluşlu çözeltme polimerizasyon reaktörü:Solvent taşıyan kaplama reçinleri ve yapışkan polimerler için reaktör, atmosferik veya hafifçe yükseltilmiş basınçta geri akış altında 80-140 °C'de çalışır.ve polimerizasyon ısısı geri akış çözücü latent ısısı olarak kaldırılır, son derece etkili ve kendi kendini düzenleyen bir soğutma mekanizmasıdır: egzoterm hızlandıkça, daha fazla çözücü kaynar, daha fazla ısı çıkarılır ve sıcaklık kaynama noktasında tutulur.Reaktörün büyüklüğü en yüksek hızdaki buhar yükü için ayarlanmalıdır., çözücü fazını geri getirmek için bir kondansör ve bir dekanter ile ve tüm sistem inert edilmeli ve yanıcı çözücü için değerlendirilmelidir.Ürün, %40-70 çözeltisi olarak boşaltılır ve katı maddeleri yükseltmek veya kalıntı monomeri azaltmak için daha fazla soyulabilir..
• Devamlı reaktörler: CSTR Kaskad, Loop ve Tubular:Yüksek hacimli emtia akrilikleri sürekli çalışmaya geçiyor. Seride üç ila altı sürekli karıştırılmış tank reaktöründen oluşan bir kaskad, fiş akışına yaklaşıyor ve dar bir ikamet süresi dağıtımı veriyor,Bu çok önemli çünkü yaşam süresi yayılması doğrudan moleküler ağırlık ve kopolymer bileşim dağılımlarını genişletir.İçeriği yüksek hızda dış bir kabuk ve boru veya plaka ısı değiştiricisi ile dolaşırken, yüksek viskozitede ısı çıkarma problemini çözüyor ve yüksek katı maddeler ve toplu polimerizasyon için yaygın olarak kullanılıyor;Dolaşım pompası ve değişken, polimerin en yüksek viskozitesine ve kirlenme eğilimine göre ölçülmelidir.Tüplü ve statik karıştırıcı reaktörleri, en dar kalış zaman dağılımını ve birim hacme en iyi ısı uzaklaştırmasını sağlar ve çok yüksek hızlı polimerizasyonlar için kullanılır.Ama kirlenmeye ve hattı gelleştirebilecek herhangi bir besleme bozukluğuna karşı hoşgörüsüzler..
• Sıcaklık kaldırma, cihazlama ve güvenlik:Herhangi bir yapılandırma olursa olsun, ısı dengesi tasarımıdır.Dış döngü ve geri akış kapasitesi birlikte, sınırla bunu aşmalıdır.Çünkü viskozite parti boyunca yükselir, ceket kenar katsayısı düşer ve duvar filmi kalınlaşır, bu nedenle tasarım başlangıçta değil, parti sonundaki viskoziteyi kullanmalıdır.Enstrümanlandırma, birden fazla bağımsız sıcaklık sensörü içerir., monomer ve başlangıç beslemesini durduran ve tam soğutma açan yüksek sesli bir alarm ve kaçak durum için DIERS metodolojisi kullanılarak boyutlandırılmış bir basınç azaltma sistemi,Akrilik polimerizasyon, kaynar çözücü veya sudan buhar yükü ile gazlı ve ısıtma sistemidir.Birçok bitki, son koruma katmanı olarak soğuk su veya bir söndürme maddesi içeren bir döküm tankı veya bir inhibitör enjeksiyon sistemi ekler.

Akrilik polimerizasyon yolları karşılaştırma matrisi

Sıkça Sorulan Sorular (FAQ)

S: Akrilik reaktörde ısı giderimi neden sınırlayıcı faktördür?

Cevap: Çünkü reaksiyon monomer mol başına 60-80 kJ serbest bırakır, bu da yaklaşık 700-1,100 kJ kilogram başına eşdeğerdir ve serbest bırakma hızı sabit değildir.Gel etkisi, dönüşümün %30 ila %50'sini geçmesi ve viskozitenin yükselmesiyle, sonlandırma difüzyonu sınırlı hale gelir, radikal popülasyonu yükselir ve hız hızlanır.Ve bu, ceket kenar katsayısının en kötü olduğu anda oluşur çünkü parti en viskozdur.. Ortalama bir görev boyutunda bir reaktör bu nedenle parti sonunda kaçar. Doğru tasarım, zirve hızını belirler, ısı transferi katsayısı için parti sonu viskozitesini kullanır,ve birkaç bağımsız kaldırma yolu sağlar, tipik olarak ceket, dış döngü ve reflüs, böylece tek bir arıza kontrol kaybına neden olmaz.

S: Toplu, yarı toplu ve sürekli akrilik polimerizasyon arasındaki fark nedir?

A: Toplu işlemde tüm monomer, inisiyatör ve ortam başlangıçta şarj edilir, bu da en basit kapı ancak en kötü kontrolü verir: hız başlangıçta en yüksektir,Gel etkisi güçlü bir egzoterm zirve üretir., ve kopolymer kompozisyonu parti boyunca sürüklenir, çünkü daha reaktif monomer önce tüketilir.Emülsiyon ve çözeltme akrilikleri için endüstri standardı olan, monomer ve inisiyatif 2-6 saat boyunca beslenir, böylece anlık dönüşüm düşük tutulur, ısı salınımı eşit şekilde dağılır,ve değişen kompozisyonun monomer karışımını beslemek, üreticinin kopolymer kompozisyonunu ve parçacık yapısını tasarlamasına izin verir.CSTR kaskadında veya bir döngüde sürekli çalışma, yüksek hacimde en iyi tutarlılığı ve en düşük tona maliyeti sağlar, ancak istikrarlı besin kalitesini gerektirir.Geniş bir enstrümanlama ve uzun bir başlangıç ve sınıf değişimi geçici.

S: Akrilik bir reaktörde moleküler ağırlık nasıl kontrol edilir?

A: Üç kaldıraç kullanılır ve bunlar normalde birleştirilir.Çünkü başlatıcı parçalanma ona katlanarak bağlıdır ve daha yüksek sıcaklık daha fazla radikal ve daha kısa zincir üretir.Çizgi transfer ajanı, genellikle bir büyüme zincirini sonlandıran ve yeni bir zincir başlatan 0.05-2% ağırlıkta bir merkaptan,moleküler ağırlığı öngörülebilir bir şekilde düşürürMonomerden daha hızlı tüketildiği için oranı sabit tutmak için birlikte beslenir.Radikal akışını belirleyen ve bu nedenle zincir sayısı aynı anda büyüyenSonuç, ürün çözeltisinin veya lateksin viskozitesini ölçerek ve moleküler ağırlık ve polydispersity için jel permeasyon kromatografisi ile izlenir.Sonraki partilerde besleme profilini ayarlayan geri bildirim döngüsü ile.

S: Akrilik reaktördeki yaygın çalışma sorunları nelerdir?

A: Beş tekrarlı, gel etkisinden kaynaklanan kaçak egzoterma, aşırı hızlı bir monomer beslemesi, arızalı bir karıştırıcı, kirlenmiş bir ceket veya çok yüksek bir başlangıç yükü nedeniyle oluşan.Aşırı kesimden., yetersiz yüzey aktif maddesi, elektrolit şoku veya filtre edilebilir katı maddeler ve düşük kaliteli ürün olarak ortaya çıkan çok hızlı bir besleme.Polimerin film oluşturma sıcaklığına yakın çalışmasıyla daha da kötüleşen ve düzenli temizlik ve yumuşak bir elektropolis veya cam kaplama yüzeyi gerektirenSpesifikasyonun üstündeki kalıntı monomer, tipik olarak 100-1,000 ppm, bu da ek bir başlangıç veya bir redoks temizleme çifti ile polimerizasyon sonrası bir çıkarma veya kimyasal kovuşturma aşamasını gerektirir.Ve oksijen girişi., bu da öngörülemeyen bir indüksiyon süresine ve daha sonra operatörü şaşırtan gecikmiş bir egzoterm'e neden olur.