Lò phản ứng nhựa là gì: Loại, tính năng thiết kế và ứng dụng

Trả lời câu hỏi cốt lõi:Lò phản ứng nhựa là gì?Lò phản ứng nhựa là một bình bằng thép không gỉ có vỏ bọc, khuấy trộn, trong đó các monome được tạo thành chuỗi polymer bằng quá trình polycondensation hoặc trùng hợp bổ sung để sản xuất nhựa alkyd, polyester, acrylic, epoxy hoặc polyurethane. Cửa sổ hoạt động phụ thuộc hoàn toàn vào gia đình. Nhựa alkyd và polyester là các chất đa ngưng tụ chạy ở nhiệt độ 190-260°C để loại bỏ nước, vì vậy bình chứa cần có cột phân đoạn để tách nước khỏi glycol dễ bay hơi. Nhựa acrylic là phản ứng trùng hợp gốc tự do ở nhiệt độ 80-140°C trong điều kiện hồi lưu, vì vậy bình chứa cần một thiết bị ngưng tụ lớn có kích thước để giải phóng nhiệt tối đa. Nhựa epoxy được chế tạo ở nhiệt độ 150-200°C và phân tán polyurethane ở 50-90°C, sau đó là đảo pha. Ba tính năng phổ biến: truyền nhiệt qua vỏ bọc hoặc cuộn nửa ống có khả năng vừa làm nóng vừa làm mát, kích thước khuấy trộn phù hợp với thông số độ nhớt chứ không phải sản phẩm cuối cùng và lớp phủ khí trơ để ngăn chặn quá trình oxy hóa và hình thành màu.

1. Các họ nhựa và yêu cầu của mỗi lò phản ứng

Năm họ bao trùm hầu hết hoạt động sản xuất nhựa và mỗi họ đặt ra một bộ yêu cầu riêng biệt:

• Nhựa kiềm:Alkyd được làm từ polyol, axit dibasic hoặc anhydrit và axit béo hoặc dầu, và là đặc tính của lớp phủ trang trí và công nghiệp gốc dung môi. Bước đầu tiên thường là quá trình rượu hóa, trong đó dầu được chuyển hóa bằng glycerol hoặc pentaerythritol ở 230-250°C với sự có mặt của chất xúc tác như lithium hydroxit hoặc oxit chì, và lô phải vượt qua thử nghiệm dung nạp metanol hoặc etanol để xác nhận rằng dầu đã phản ứng hoàn toàn trước khi nạp axit. Quá trình đa ngưng tụ tiếp theo diễn ra ở nhiệt độ 220-260°C, loại bỏ nước và giảm chỉ số axit xuống 5-25 mg KOH/g tùy thuộc vào loại dầu dài, trung bình hay ngắn. Do nhiệt độ cao và nguyên liệu thô là dầu chưa bão hòa nên cần phải có một tấm chăn khí trơ và bình phải được thiết kế có cột thu hồi polyol dễ bay hơi trong khi loại bỏ nước.
• Polyesters bão hòa và không bão hòa:Polyeste bão hòa cho lớp phủ và sơn tĩnh điện, và polyester không bão hòa cho vật liệu tổng hợp, có chung đặc tính hóa học polycondensation ở 190-220°C nhưng khác nhau về nguyên liệu thô và những gì xảy ra tiếp theo. Các loại không bão hòa sử dụng anhydrit maleic để tạo liên kết đôi phản ứng và được pha loãng trong styren sau phản ứng, do đó, sau phản ứng, lò phản ứng phải có bình pha loãng có bộ phận làm mát và kiểm soát chất ức chế riêng. Các lớp bão hòa được pha loãng trong dung môi hoặc được thải ra dưới dạng chất rắn để sơn tĩnh điện. Trong cả hai trường hợp, điểm cuối được thiết lập theo giá trị axit và độ nhớt, cả hai đều được đo ở gần cuối mẻ trong các khoảng thời gian và trong cả hai trường hợp, cột trên cửa thoát hơi là yếu tố xác định tổn thất glycol và do đó cả chi phí và thời gian chu kỳ.
• Nhựa Acrylic và Vinyl:Nhựa acrylic được tạo ra bằng cách trùng hợp gốc tự do của acrylat, methacrylate và styrene trong dung môi ở nhiệt độ 80-140°C dưới điều kiện hồi lưu, sử dụng chất khơi mào peroxide hoặc azo. Quá trình hóa học giải phóng 60-80 kJ trên mỗi mol monome và chịu tác dụng của hiệu ứng gel, do đó lò phản ứng được chạy bán mẻ, cung cấp monome và chất khơi mào trong 2-6 giờ, và nhiệt được loại bỏ phần lớn dưới dạng nhiệt ẩn của dung môi hồi lưu, có khả năng tự điều chỉnh. Do đó, thiết bị ngưng tụ phải có kích thước phù hợp với tải hơi cao nhất chứ không phải mức trung bình, đồng thời đường dẫn hơi và toàn bộ hệ thống phải được làm trơ và định mức cho dung môi dễ cháy. Điểm cuối được thiết lập bằng cách chuyển đổi và độ nhớt hoặc theo hàm lượng không bay hơi và sản phẩm thường được lọc trước khi rời khỏi lò phản ứng.
• Nhựa Epoxy và Polyurethane:Nhựa epoxy được tạo ra bằng cách cho bisphenol A phản ứng với epichlorohydrin với sự có mặt của chất ăn da ở 150-200°C, sau đó được rửa để loại bỏ muối và bằng cách tước để loại bỏ epichlorohydrin không phản ứng; do đó, lò phản ứng phải xử lý hỗn hợp hai pha có chứa muối ăn mòn và sau đó là bước rửa và loại bỏ. Quá trình phân tán polyurethane được thực hiện ở 50-90°C bằng cách tạo ra chất chuẩn bị kết thúc bằng isocyanate và sau đó phân tán nó trong nước bằng cách kéo dài chuỗi, do đó, lò phản ứng phải xử lý đỉnh độ nhớt rõ rệt khi đảo pha, loại trừ độ ẩm một cách nghiêm ngặt vì nước phản ứng với isocyanate và thoát khí carbon dioxide được tạo ra bởi phản ứng phụ đó. Cả hai họ đều yêu cầu kiểm soát nhiệt độ chặt chẽ hơn so với hệ thống đa ngưng tụ, vì phản ứng diễn ra nhanh hơn và phản ứng phụ ít ổn định hơn.

2. Đặc điểm thiết kế chung cho mọi lò phản ứng nhựa

Bốn đặc điểm xuất hiện trên tất cả các lò phản ứng nhựa và việc sử dụng sai chúng là điều hạn chế hầu hết các nhà máy:

• Truyền nhiệt hoạt động theo cả hai hướng:Một lò phản ứng nhựa phải làm nóng chất tích điện lạnh đến 200°C trở lên, sau đó loại bỏ một lượng tỏa nhiệt lớn, sau đó làm nguội mẻ để xả và nó phải thực hiện cả ba điều này một cách đáng tin cậy. Hơi nước có đủ nhiệt độ lên tới khoảng 180°C ở áp suất kinh tế, trên đó cần có chất lỏng truyền nhiệt tuần hoàn, điển hình là dầu nhiệt hoặc biphenyl-diphenyl oxit eutectic, và áo khoác phải được định mức theo áp suất chất lỏng, đó là lý do tại sao cuộn nửa ống và áo khoác lúm đồng tiền được ưa thích hơn áo khoác đơn giản trên các tàu lớn hơn. Làm mát là nhiệm vụ khó khăn hơn vì hệ số truyền nhiệt giảm khi độ nhớt tăng và do chênh lệch nhiệt độ sẵn có của nước làm mát là nhỏ ở gần cuối quá trình làm mát. Giải pháp thực tế là định cỡ lớp vỏ theo độ nhớt ở cuối phản ứng thay vì ở đầu phản ứng và cung cấp một vòng tuần hoàn bên ngoài thông qua bộ trao đổi nhiệt cho các bình lớn nhất.
• Kích thích phù hợp với hồ sơ độ nhớt:Độ nhớt của mẻ nhựa thay đổi từ hai đến bốn bậc độ lớn trong chu kỳ và máy khuấy phải hoạt động ở mọi điểm. Ở giai đoạn đầu mẻ sản phẩm rất mỏng và yêu cầu là trộn số lượng lớn và truyền nhiệt, do đó, tuabin cánh nghiêng, tàu cánh ngầm hoặc tuabin kết hợp và neo hoạt động tốt. Khi dây xích phát triển và độ nhớt tăng lên, lớp màng tường dày lên và quá trình truyền nhiệt giảm xuống, do đó, cần có một mỏ neo có khoảng hở tường gần 10-30 mm hoặc một dải ruy băng xoắn ốc để làm mới bề mặt. Ở độ nhớt rất cao của một số hệ thống polyester và epoxy, một máy đơn lẻ không thể đáp ứng được phạm vi hoạt động và bố trí đồng trục, bộ phân tán tốc độ cao trên một trục và neo chậm trên trục khác được sử dụng. Bởi vì độ nhớt ở cuối phản ứng là trường hợp thiết kế nên bộ truyền động và hộp số phải có kích thước phù hợp để hoạt động đầy tải ở độ nhớt đó, bao gồm cả việc khởi động sau khi dừng.
• Hệ thống hơi: Cột, bình ngưng và chân không:Đối với nhựa ngưng tụ, hệ thống hơi không phải là một phụ kiện mà là một phần xác định tốc độ của quy trình. Nước phải được loại bỏ liên tục để trọng lượng phân tử tăng lên, nhưng hơi thoát ra ở 200-260°C rất giàu glycol hoặc polyol, đắt tiền và không được thất thoát. Một cột được đóng gói hoặc xếp thành khay gồm ba đến sáu giai đoạn lý thuyết trên cửa thoát hơi sẽ trả lại glycol trong khi truyền nước phía trên đến thiết bị ngưng tụ và thiết bị thu, tại đó nước được đo vì tốc độ thu thập của nó là chỉ báo thời gian thực tốt nhất về tiến trình phản ứng. Nhiều quy trình kết thúc trong điều kiện chân không 400-700 mbar để loại bỏ phần nước cuối cùng mà không làm tăng nhiệt độ, vì vậy bình, cột và máy thu đều phải được định mức ở mức chân không hoàn toàn và hệ thống chân không phải có kích thước phù hợp với tải nước tại điểm lớn nhất.
• Vật liệu, chăn và làm sạch:Thép không gỉ 316L là tiêu chuẩn vì các chất phản ứng có tính axit nhẹ và do ô nhiễm sắt gây ra màu sắc, điều này rất quan trọng đối với các lớp phủ trong suốt cũng như các lớp màu trắng và phấn nhạt. Các mối hàn được mài nhẵn và bình bị động; bề mặt bên trong thường được đánh bóng xuống dưới 0,8 micromet Ra để giảm việc tạo màng và giúp việc vệ sinh dễ dàng hơn. Một lớp khí trơ chứa nitơ được áp dụng xuyên suốt, vì oxy ở 200-260°C gây ra quá trình oxy hóa, làm sẫm màu và, trong các hệ thống chưa bão hòa, tạo gel sớm. Làm sạch giữa các sản phẩm là hạn chế tiềm ẩn trong một nhà máy đa sản phẩm: một thùng không thể được làm sạch nhanh chóng sẽ mất 20-40% thời gian ngừng sản xuất, vì vậy các thiết kế ưu tiên cấu trúc không có kẽ hở, van đáy gắn phẳng, bóng phun để làm sạch tại chỗ và, khi bảng sản phẩm cho phép, dành riêng các thùng chứa bằng loại nhựa.

Ma trận yêu cầu về họ nhựa và lò phản ứng

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

Hỏi: Sự khác biệt giữa lò phản ứng nhựa và lò phản ứng hóa học tiêu chuẩn là gì?

Trả lời: Lò phản ứng nhựa là một lò phản ứng hóa học được tối ưu hóa cho một vấn đề cụ thể: xây dựng chuỗi polymer trong khi độ nhớt tăng theo bậc độ lớn và trong các hệ thống ngưng tụ, liên tục loại bỏ sản phẩm phụ phân tử nhỏ. So với lò phản ứng đa năng, nó có ba đặc điểm khác biệt. Một hệ thống hơi có cột phân đoạn, vì nhựa ngưng tụ phải loại bỏ nước trong khi vẫn giữ lại glycol dễ bay hơi; một lò phản ứng chung không có yêu cầu như vậy. Truyền nhiệt có kích thước phụ thuộc vào độ nhớt cuối mẻ thay vì ban đầu, vì hệ số vỏ giảm khi dây chuyền phát triển; và các thiết bị khuấy, chẳng hạn như neo và băng xoắn ốc, được chọn để làm mới tường trong môi trường nhớt thay vì trộn hỗn loạn số lượng lớn. Lò phản ứng nhựa cũng thường hoạt động dưới lớp phủ nitơ và sau đó là trong chân không, và chúng được làm bằng thép không gỉ với bề mặt được đánh bóng vì màu sắc là thông số kỹ thuật.

Hỏi: Tại sao cần có cột phân đoạn trên lò phản ứng nhựa?

Trả lời: Bởi vì hơi thoát ra khỏi lò phản ứng ngưng tụ ở 190-260°C không phải là nước tinh khiết. Glycol và polyol như propylene glycol, ethylene glycol và glycerol dễ bay hơi ở nhiệt độ phản ứng, còn propylene glycol sôi ở 188°C, do đó một phần lớn hơi là nguyên liệu thô có giá trị không được phép thất thoát. Cột, thường có ba đến sáu giai đoạn đóng gói lý thuyết hoặc một vài khay, tách nước, đi qua thiết bị ngưng tụ và bình thu, từ glycol, nước chảy ngược trở lại lò phản ứng. Không có nó, mức tiêu thụ glycol tăng lên đáng kể, tỷ lệ mol của điện tích trôi đi, trọng lượng phân tử và giá trị axit không còn phù hợp với công thức và sản phẩm không đạt tiêu chuẩn kỹ thuật. Cột cũng xác định thời gian chu kỳ, vì nó đặt tốc độ loại bỏ nước ở nhiệt độ nhất định, đó là lý do tại sao tình trạng cột và tỷ lệ hồi lưu được kiểm tra bất cứ khi nào một mẻ chạy dài.

Hỏi: Điểm cuối của một mẻ nhựa được xác định như thế nào?

Đáp: Bằng cách phân tích chứ không phải theo thời gian, và xét nghiệm cụ thể tùy thuộc vào từng gia đình. Đối với các loại nhựa ngưng tụ như alkyd và polyester, xét nghiệm sơ bộ là giá trị axit, miligam KOH cần thiết để trung hòa một gam nhựa, giảm xuống chỉ tiêu 5-25 đối với alkyd và 15-35 đối với polyester chưa bão hòa; nó được đo bằng cách chuẩn độ một mẫu mỗi một đến hai giờ gần cuối mẻ. Độ nhớt được đo song song, trên nhựa nguyên chất hoặc trên dung dịch có hàm lượng chất rắn xác định, vì nó xác nhận trọng lượng phân tử ngụ ý bởi giá trị axit. Đối với các loại nhựa bổ sung như acrylic, các thử nghiệm là hàm lượng hoặc độ chuyển hóa không bay hơi, cộng với độ nhớt. Trong mọi trường hợp, tốc độ thay đổi cũng quan trọng như giá trị: phản ứng chậm lại khi gần hoàn thành và đường cong phẳng cảnh báo người vận hành rằng điểm kết thúc đang ở gần.

Hỏi: Các vấn đề vận hành phổ biến nhất trong lò phản ứng nhựa là gì?

A: Năm lần tái diễn. Sự tạo gel trong bình, do phản ứng quá mức, do mất chất ức chế trong hệ thống chưa bão hòa hoặc do vật liệu được giữ trên thành nóng nơi nó bị polyme hóa trong nhiều giờ; nó được ngăn chặn bằng cách dừng phân tích, bằng cách khuấy cạo trên tường và bằng cách đánh bóng các bề mặt tiếp xúc. Sự hình thành màu sắc, do oxy xâm nhập ở nhiệt độ 200-260°C, đó là lý do tại sao lớp phủ nitơ và độ kín của bình chứa lại quan trọng; nó được chẩn đoán bằng cách kiểm tra dòng chảy của chăn và hàm lượng oxy của khí thoát ra. Làm bẩn và tạo màng trên tường và ở bề mặt hơi-lỏng, tạo ra các hạt gel xuất hiện dưới dạng đốm trên lớp phủ hoàn thiện; nó được quản lý bằng cách bao phủ lớp áo trên mức chất lỏng và theo lịch làm sạch xác định. Các vấn đề về loại bỏ nước, từ cột bị tắc nghẽn hoặc bị ngập nước hoặc hệ thống chân không bị lỗi, xuất hiện dưới dạng các đợt không đạt được giá trị axit. Và độ nhớt bị mất đi, khi phản ứng diễn ra xa hơn dự định và sản phẩm không thể được thải ra hoặc pha loãng.