Một lò phản ứng acrylic là gì: hóa học, thiết kế và kiểm soát polymerization

Một lò phản ứng acrylic là gì: hóa học, thiết kế và kiểm soát polymerization

Trả lời câu hỏi chính:Một lò phản ứng acrylic là gì?Một lò phản ứng acrylic là một thùng hỗn hợp trong đó acrylic và methacrylic monomer như axit acrylic, butyl acrylate,methyl methacrylate và styrene được phân phối bằng một cơ chế gốc tự do thành nhựa acrylicPhản ứng là mạnh exothermic, giải phóng 60-80 kJ mỗi mol monomer, khoảng 700-1,100 kJ mỗi kg monomer,và nhiệt này phải được loại bỏ liên tục hoặc lô sẽ tăng tốcBa con đường chiếm ưu thế. Polymerization emulsion trong nước chạy ở nhiệt độ 60-90 ° C đến hàm lượng chất rắn 40-60% và tạo ra mủ cao su cho lớp phủ, chất kết dính và dệt may.Polymerization dung dịch trong dung môi chạy ở nhiệt độ 80-140 °C dưới reflux và tạo ra nhựa cho lớp phủ công nghiệpCác đường bọc hoặc treo chạy nóng hơn, ở 100-180 ° C. Các hạn chế thiết kế chính là hiệu ứng gel Trommsdorff: khi chuyển đổi tăng và độ nhớt tăng,kết thúc chậm lại trong khi phổ biến tiếp tục, vì vậy tốc độ và nhiệt giải phóng tăng nhanh trừ khi lò phản ứng được thiết kế cho nó.

1. Hóa học đa phân hóa quyết định thiết kế lò phản ứng

Bốn thực tế hóa học quyết định thiết kế cơ khí và điều khiển của mỗi lò phản ứng acrylic:

• Động học gốc tự do và sự lựa chọn của người khởi xướng:Polymerization acrylic tiến hành thông qua bắt đầu, phổ biến và kết thúc, với tốc độ tỷ lệ thuận với gốc vuông của nồng độ bắt đầu và nồng độ monomer.Các chất khởi tạo được lựa chọn theo nhiệt độ phân hủy của chúng, được thể hiện dưới dạng thời gian bán hủy: persulfat như ammonium hoặc potassium persulfate được sử dụng ở nhiệt độ 60-90 °C trong dung dịch, các hợp chất azo như AIBN phù hợp với 60-80 °C trong dung dịch,và peroxide như benzoyl peroxide hoặc tert-butyl perbenzoate bao phủ 90-140 °CCác cặp redox, thường là persulphate với bisulphite hoặc muối sắt, tạo ra các gốc ở nhiệt độ 30-60 °C và cho phép sản xuất polymer trọng lượng phân tử cao ở nhiệt độ thấp.Bởi vì nồng độ khởi động kiểm soát cả tốc độ và trọng lượng phân tử, và vì phân hủy phụ thuộc theo nhiệt độ theo cấp số nhân, hệ thống khởi động và băng tần điều khiển nhiệt độ phải được thiết kế cùng nhau chứ không phải độc lập.
• Hiệu ứng Gel Trommsdorff:Đây là nguy cơ xác định của lò phản ứng acrylic.các chuỗi polymer phát triển làm tăng độ nhớt của môi trường đến mức bước kết thúc được kiểm soát phân tán giữa hai gốc lớn chậm lại đáng kể, trong khi phân tử monomer nhỏ vẫn có thể khuếch tán và lan rộng. Kết thúc giảm, nồng độ gốc tăng, và cả tốc độ và giải phóng nhiệt tăng tốc trong một vòng phản hồi tích cực.Nhiệt độ tăng lênNếu hệ thống loại bỏ nhiệt không được kích thước cho đỉnh này, lô sẽ chạy ra, và trong trường hợp tồi tệ nhất, lò phản ứng phải được vứt hoặc thiết bị cứu trợ được nâng lên.Các phản ứng thiết kế là một phân nửa lô thức ăn monomer mà giữ cho chuyển đổi tức thời thấp, một hồ sơ bổ sung khởi động theo giai đoạn, áo khoác hào phóng và dung lượng trào ngược, và một khóa liên kết tự động dừng nguồn cấp và áp dụng làm mát đầy đủ ở nhiệt độ cao.
• Kiểm soát trọng lượng phân tử và chuyển chuỗi:Các loại sản phẩm được xác định chủ yếu bởi trọng lượng phân tử, được kiểm soát bởi tỷ lệ phổ biến để chuyển chuỗi và kết thúc.thường là mercaptan như n-dodecyl mercaptan hoặc thioglycolates, được thêm vào 0,05-2% theo trọng lượng để cap chuỗi phát triển và trọng lượng phân tử thấp hơn dự đoán.nó được cung cấp cùng với monomer để giữ tỷ lệ không đổi và phân phối trọng lượng phân tử hẹpPhân phối trọng lượng phân tử, được thể hiện dưới dạng chỉ số đa phân tán, thường là 2-5 cho acrylic gốc tự do và ảnh hưởng đến cả tính chất cơ học và độ nhớt của sản phẩm cuối cùng.Nồng độ khởi tạo cao hơn và nhiệt độ cao hơn cả hai đều có trọng lượng phân tử thấp hơn, vì vậy kiểm soát nhiệt độ trong vòng 1-2 ° C trên một lô là điều mang lại sự nhất quán chất lượng.
• Oxy, Inhibitors và Monomer Stability:Acrylic monomer được lưu trữ và xử lý bằng một chất ức chế phân phối, thường là MEHQ ở 10-200 ppm, chỉ có hiệu quả trong sự hiện diện của oxy hòa tan.Điều này tạo ra một nghịch lý hoạt động: oxy ngăn chặn quá trình phân phân trong kho nhưng ức chế phản ứng dự định trong lò phản ứng.Vì vậy, thực vật thanh lọc điện tích monomer với nitơ để loại bỏ oxy hòa tan trước khi bắt đầu, và lò phản ứng phải được inert toàn bộ, vì oxy vào trong lô gây ra một thời gian cảm ứng theo sau là một exotherm không thể đoán trước.trên khoảng 90 ° C nó trải qua Michael bổ sung để tạo thành một dimer và cao hơn oligomers, là exothermic và tự tăng tốc, do đó axit acrylic không bao giờ được làm nóng trên khoảng 80-90 ° C mà không có chất ức chế polymerization và giới hạn thời gian cư trú nghiêm ngặt.

2. cấu hình lò phản ứng và chiến lược loại bỏ nhiệt

Cấu hình theo đường dẫn và yêu cầu loại bỏ nhiệt, đó là động lực kích thước thực sự:

• Phân tích phản ứng emulsion bán lô:Cấu hình tiêu chuẩn cho mủ latex acrylic trên mặt nước: một thùng hỗn hợp có lớp vỏ 5-60 m3 bằng thép không gỉ 316L,với một thức ăn monomer đã được xịt trước và các luồng thức ăn khởi đầu riêng biệt được thêm vào trong 2-6 giờNhiệt được loại bỏ bởi áo khoác, bằng cách rút nước và monomer qua một bộ ngưng tụ trên cao, và bằng nhiệt cảm nhận của chính nguồn cung cấp lạnh.Bởi vì monomer được nuôi thay vì sạc tất cả cùng một lúc, nồng độ monomer không phản ứng ngay lập tức trong các hạt bị giới hạn,mà giữ cho nhiệt độ cao nhất được giải phóng trong dung lượng áo khoác và đồng thời cho phép người vận hành kiểm soát thành phần hạt và do đó hồ sơ nhiệt độ chuyển đổi thủy tinh qua hạtKích thước hạt, thường là 80-500 nm, được thiết lập bởi chất hoạt bề mặt và điện tích ban đầu, và lò phản ứng phải cung cấp đủ cắt để giữ cho latex ổn định mà không gây đông hoặc hình thành sỏi.
• Các lò phản ứng phân phối dung dịch với dòng chảy ngược:Đối với nhựa lớp phủ được mang dung môi và polyme dính, lò phản ứng hoạt động ở nhiệt độ 80-140 °C dưới trạng thái trào ngược ở áp suất khí quyển hoặc tăng nhẹ.và nhiệt polymerization được loại bỏ dưới dạng nhiệt tiềm ẩn của dung môi trào ngược, đó là một cơ chế làm mát cực kỳ hiệu quả và tự điều chỉnh: khi nhiệt ngoài tăng tốc, nhiều dung môi sôi hơn, nhiều nhiệt hơn được loại bỏ và nhiệt độ được giữ ở điểm sôi.Các lò phản ứng phải được kích thước cho tải lượng hơi tại tốc độ đỉnh, với một chất ngưng tụ và một bình để trở lại giai đoạn dung môi, và toàn bộ hệ thống phải bị trói và được đánh giá đối với dung môi dễ cháy.Sản phẩm được xả dưới dạng dung dịch 40-70% và có thể được tẩy sạch để tăng chất rắn hoặc giảm monomer còn lại.
• Các lò phản ứng liên tục: CSTR Cascade, Loop và Tube:Một chuỗi ba đến sáu lò phản ứng bơm hỗn hợp liên tục theo chuỗi gần như dòng chảy của phích cắm và cung cấp phân phối thời gian cư trú hẹp,Điều này quan trọng bởi vì thời gian cư trú trải rộng trực tiếp mở rộng trọng lượng phân tử và sự phân bố thành phần copolymer.trong đó nội dung được lưu thông qua vỏ bên ngoài và máy trao đổi nhiệt ống hoặc tấm với tốc độ cao, giải quyết vấn đề loại bỏ nhiệt ở độ nhớt cao và được sử dụng rộng rãi cho chất rắn cao và phân phối đa dạng;bơm lưu thông và bộ trao đổi phải có kích thước cho độ nhớt đỉnh và xu hướng bẩn của polymeCác lò phản ứng hỗn hợp ống và tĩnh cung cấp phân phối thời gian cư trú hẹp nhất và loại bỏ nhiệt tốt nhất trên mỗi đơn vị khối lượng và được sử dụng cho các polymerizations tốc độ rất cao,nhưng họ không dung nạp của bẩn và của bất kỳ sự xáo trộn thức ăn mà có thể gel dòng.
• Loại bỏ nhiệt, thiết bị và an toàn:Bất kể cấu hình, cân bằng nhiệt là thiết kế. tốc độ giải phóng nhiệt đỉnh được tính từ tốc độ chuyển đổi tối đa dưới hiệu ứng gel, và áo khoác,Khả năng vòng lặp bên ngoài và khâu ngược cùng nhau phải vượt quá nó với biênBởi vì độ nhớt tăng qua lô, hệ số mặt áo khoác giảm và phim tường dày hơn, vì vậy thiết kế phải sử dụng độ nhớt cuối lô, không phải ban đầu.Thiết bị bao gồm nhiều cảm biến nhiệt độ độc lập, một báo động cao cao ngăn chặn nguồn cung cấp monomer và khởi tạo và mở làm mát hoàn toàn, và một hệ thống giảm áp suất có kích thước sử dụng phương pháp DIERS cho trường hợp chạy trốn,vì acrylic polymerization là một hệ thống khí và làm nóng với tải lượng hơi từ dung môi sôi hoặc nước sôiNhiều nhà máy thêm một bể đổ chứa nước lạnh hoặc một chất làm tắt, hoặc một hệ thống tiêm chất ức chế, như lớp bảo vệ cuối cùng.

Đường polymerization acrylic Ma trận so sánh

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

Hỏi: Tại sao việc loại bỏ nhiệt là yếu tố hạn chế trong lò phản ứng acrylic?

A: Bởi vì phản ứng giải phóng 60-80 kJ mỗi mol monomer, tương đương với khoảng 700-1,100 kJ mỗi kg, và bởi vì tốc độ giải phóng không liên tục.Hiệu ứng gel có nghĩa là khi chuyển đổi vượt qua 30-50% và độ nhớt leo lên, kết thúc trở nên lan truyền hạn chế, dân số gốc tăng lên, và tốc độ tăng tốc.và nó xảy ra tại thời điểm đó các hệ số mặt áo khoác là ở mức tồi tệ nhất vì lô là nhất nhớtMột lò phản ứng có kích thước công việc trung bình do đó sẽ chạy ra ở cuối lô. thiết kế chính xác xác định tốc độ đỉnh, sử dụng độ nhớt cuối lô cho hệ số chuyển nhiệt,và cung cấp một số con đường loại bỏ độc lập, thường là áo khoác, vòng lặp bên ngoài và trào ngược, để không có lỗi duy nhất gây mất kiểm soát.

Q: Sự khác biệt giữa lô, bán lô và polymerization acrylic liên tục là gì?

A: Trong hoạt động hàng loạt, tất cả các monomer, khởi tạo và môi trường được sạc vào lúc bắt đầu, điều này cho phép bình đơn giản nhất nhưng kiểm soát tồi tệ nhất: tốc độ cao nhất ở đầu,hiệu ứng gel tạo ra một đỉnh nhiệt ngoài mạnh, và thành phần copolymer trôi qua lô vì monomer phản ứng nhiều hơn được tiêu thụ đầu tiên.là tiêu chuẩn công nghiệp cho nhũ dầu và axrilic dung dịch, monomer và khởi tạo được cung cấp trong 2-6 giờ, do đó chuyển đổi tức thời được giữ thấp, giải phóng nhiệt được phân bố đồng đều,và cho ăn một hỗn hợp monomer của thành phần thay đổi cho phép nhà sản xuất kỹ thuật thành phần copolymer và cấu trúc hạtHoạt động liên tục trong một thác CSTR hoặc một vòng lặp cung cấp sự nhất quán tốt nhất và chi phí thấp nhất mỗi tấn ở khối lượng lớn, nhưng đòi hỏi chất lượng thức ăn ổn định,thiết bị thiết bị rộng rãi và một khởi động dài và thay đổi lớp tạm thời.

Hỏi: Trọng lượng phân tử được kiểm soát như thế nào trong lò phản ứng acrylic?

A: Ba đòn bẩy được sử dụng, và chúng thường được kết hợp.bởi vì sự phân hủy khởi đầu phụ thuộc theo cấp số nhân và nhiệt độ cao hơn tạo ra nhiều gốc và chuỗi ngắn hơn; giữ lô trong vòng 1-2 ° C là điều làm cho khả năng tái tạo từ lớp sang lớp có thể.giảm trọng lượng phân tử theo cách dự đoán; vì nó được tiêu thụ nhanh hơn so với monomer, nó được đồng cấp để giữ cho tỷ lệ ổn định.mà thiết lập dòng chảy gốc và do đó số lượng chuỗi tăng đồng thờiKết quả được theo dõi bằng cách đo độ nhớt của dung dịch sản phẩm hoặc latex và bằng chromatography thâm nhập gel cho trọng lượng phân tử và đa phân tán,với vòng lặp phản hồi điều chỉnh hồ sơ thức ăn cho các lô tiếp theo.

Q: Những vấn đề vận hành phổ biến trong một lò phản ứng acrylic là gì?

Đáp: 5 lần tái phát. xuất nhiệt thoát khỏi hiệu ứng gel, gây ra bởi một nguồn cung cấp monomer quá nhanh, một bộ khuấy trộn thất bại, một áo khoác bị ô nhiễm hoặc một khoản phí khởi động quá cao.do cắt quá mức, chất hoạt bề mặt không đủ, sốc điện giải hoặc cấp quá nhanh, hiển thị dưới dạng chất rắn có thể lọc và sản phẩm xuống cấp.bị làm trầm trọng hơn khi hoạt động gần nhiệt độ hình thành màng của polyme và đòi hỏi phải làm sạch thường xuyên và bề mặt được sơn điện hoặc thủy tinh mịn. Monomer dư thừa trên thông số kỹ thuật, thường là 100-1000 ppm, đòi hỏi một bước loại bỏ sau polymerization hoặc bước theo đuổi hóa học với chất khởi tạo bổ sung hoặc một cặp tẩy xả redox.Và sự xâm nhập oxy, gây ra một thời gian cảm ứng không thể đoán trước và sau đó là một sự trễ xuất nhiệt khiến người vận hành bất ngờ.