جستجو در تالارهای گفتگو

[TABLE] [TR] [TD=width: 5%]نام تجهیز :[/TD] [TD=class: data]راكتور پلیمریزاسیون (Polymerization reactor)[/TD] [/TR] [TR] [TD=class: data, colspan: 2] واكنشهای پلیمریزاسیون با توجه به تنوع تولیدشان از استفاده كننده های عمده راكتورها به شمار می روند. البته ساختار كلی راكتورها تفاوت چندانی با راكتورهای سایر مواد ندارد: اما با توجه به اهمیت این واكنشها، مطالبی در این مورد بیان می شود. انواع راكتورهای پلیمریزاسیون [/TD] [/TR] [/TABLE] [TABLE] [TR] [TD=width: 5%]نام تجهیز :[/TD] [TD=class: data]راكتور پلیمریزاسیون (Polymerization reactor)[/TD] [/TR] [TR] [TD=class: data, colspan: 2] واكنشهای پلیمریزاسیون با توجه به تنوع تولیدشان از استفاده كننده های عمده راكتورها به شمار می روند. البته ساختار كلی راكتورها تفاوت چندانی با راكتورهای سایر مواد ندارد: اما با توجه به اهمیت این واكنشها، مطالبی در این مورد بیان می شود. انواع راكتورهای پلیمریزاسیون راكتورهای متنوعی برای انجام واكنشهای پلیمریزاسیون بكار میروند. این راكتورها و كاریرد آن در جدول زیر آورده شده است. تعاریف و بیان تفاوتها در راكتورهای ناپیوسته (Batch Reactors) تمامی اجزاء مخلوط واكنش به راكتور وارد می شوند و تا پایان واكنش در راكتور باقی می مانند. معمولاً در ابتدای پلیمریزاسیون در راكتورهای ناپیوسته یك گرم كن وجود دارد كه طی آن دمای مخلوط به دمای لازم برای شروع واكنش افزایش داده می شود. سپس واكنش پلیمریزاسیون شروع شده و به علت گرمازایی قابل توجه آن دمای مخلوط واكنش می تواند افزایش یابد به همین دلیل در راكتورهای ناپیوسته باید قابلیت گرم و سرد كردن سریع و كافی و همچنین سیستم كنترل درجه حرارت موثر پیش بینی گردد. فرایندهای ناپیوسته برای پلیمریزاسیون با درجه تبدیل بالا مناسب است. از طرف دیگر این سیستمها برای بروز انفجار حرارتی مستعد هستند. فرایندهای ناپیوسته عمدتاً در زمینه پلیمریزاسیون رادیكالی به كار می روند. راكتور نیمه ناپیوسته (Semi Continuous Reactors) یا (Semi Batch): در راكتورهای نیمه پیوسته مواد برخی از مواد واكنش كننده ممكن است به تدریج به راكتور اضافه شوند . یا آنكه محصولات جانبی تولید شده در طی واكنش از راكتور خارج گردند. در بسیاری از پلیمریزاسیونهای رادیكالی معمول است كه منومر، حلال و یا شروع كننده را به منظور حفظ درجه حرارت و افزایش سرعت تولید به تدریج به راكتور اضافه می كنند . اضافه كردن تدریجی كومنومر در كوپلیمریزاسیون نیز وقتی كه اختلاف فعالیت منومرها زیاد است از جمله كاربردهای این فرایند است. در پلیمریزاسیونهای نیمه پیوسته ممكن است كه تمامی مواد واكنش كننده در ابتدای واكنش به راكتور اضافه گردند ولی قبل از تشكیل محصولات جانبی ، باید از راكتور خارج شو ند. پلیمریزاسیونهای مرحله ای از این نوع سیستمها هستند. تبخیر محصولات جانبی یك عامل موثر در جذب حرارت واكنش است كه در برخی از موارد می تواند به قدری شدید باشند كه باعث افت دمای واكنش گردد . در این حالت برای جبران حرارت از دست رفته حتی ممكن است نیاز به حرارت دهی نیز باشد . راكتورهایی كه برای فرایند نیمه پیوسته مورد استفاده قرار می گیرند مشابه با راكتورهای ناپیوسته است با این تفاوت كه امكان افزایش مداوم مواد اولیه به آن و یا خروج محصولات جانبی از آن پیش بینی شده است. در راكتورهای پیوسته(Continuous Reactors) مواد واكنش دهنده با شدت جریان ثابت به درون راكتور رانده شده و محصولات نیز به طور مداوم از راكتور خارج می گردند. پس از راه اندازی یك راكتور پیوسته، راكتور پس از عبور از یك حالت انتقالی به یك شرایط پایدار می رسد. در این شرایط شدت حرارت زائی سیستم نیز به مقدار ثابتی می رسد. فرایندهای مداوم عملیات آسان تر و هزینه كمتری دارد و هنگامی كه ظرفیت تولید بالا باشد مورد استفاده قرار می گیرند. در موارد خاص پلیمریزاسیون در راكتورهای ناپیوسته كه دارای انعطاف پذیری بیشتری برای تولید پلیمرهایی با درجا ت تبدیل مختلف هستند، انجام می گیرد. فرایندهای پیوسته در راكتورهای همزن دار (Continuous Stirred Tank Reactors ,CSTR) و راكتورهای لوله ای (Tubular Reactor) قابل انجام است. راكتورهای همزن دار پیوسته مشابه با راكتورهای ناپیوسته هستند با این تفاوت كه امكان ورود مداوم مواد اولیه به آنها و خروج محصول نهایی از آنها پیش بینی شده است.در شكل نمونه ای از راكتور همزن دار را مشاهده می كنید. شكل 18 - شمایی از راكتور لوله ای از راكتورهای همزن دار پیوسته به صورت سری (Cascade) در صنعت برای پلیمریزاسیون امولسیونی مثل وینیل كلراید و وینیل استات استفاده می گردد. در راكتورهای لوله ای به منظور جذب حرارت آزاد شده، قطر راكتور همواره كوچك اختیار می شود.در شكل زیر نمونه ای از این نوع را می بینید. انجام فرایندهای مختلف پلیمریزاسیون در راكتورهای پلیمریزاسیون شكل 19 – راكتور CSTR تكنولوژی پلیمریزاسیون جرمی برای پلیمریزاسیونهای با رشد مرحله ای، مرسوم است، زیرا به واسطه كمی انرژی آزاد شده، جذب حرارت به سهولت انجام می پذیرد. به علت پایین بودن ویسكوزیته تا درجات تبدیل بالا، اختلاط نیز به نحو موثری قابل انجام است . حرارت آزاد شده قابل توجه و افزایش سریع ویسكوزیته در پلیمریزاسیون با رشد زنجیری، كارایی تكنولوژی جرمی را برای این نوع مكانیسم پلیمریزاسیون كاهش می دهد .زیرا بر خلاف حالت قبل، افزایش سریع ویسكوزیته و در نتیجه عدم امكان كنترل درجه حرارت، دستیابی به درجات تبدیل بالا را مقدور نمی سازد. محلول پلیمریزاسیون جرمی از درجه خلوص بالایی برخوردار بوده و عملیات تخلیص كمتری را می طلبد. انجام پلیمریزاسیون در حضور یك حلال از مشكلات انتقال حرارت و اختلاط می كاهد. پلیمر و منومر در داخل حلال محلول هستند . علاوه بر این ویسكوزیته كمتر سبب بهبود اختلاط و كارایی شروع كننده می گردد. مهمترین نقطه ضعف این روش هزینه جداسازی حلال و بازیابی آن است . ویسكوزیته سیستم پلیمریزاسیون تعلیقی در طول واكنش نسبتاً ثابت باقی مانده و عمدتاً به وسیله ویسكوزیته فاز مداوم(آب) تعیین می گردد. اغلب پلیمرها دارای دانسیته بیشتری نسبت به منومرهای خود هستند. به این جهت در پلیمریزاسیون تعلیقی سیستم اختلاط باید به گونه ای انتخاب گردد كه در ابتدا منومرهای از سطح به زیر كشیده شده و در داخل فاز آبی پراكنده شوند و در انتها از ته نشینی ذرات جامد پلیمری جلوگیری به عمل آورده و آنها را به طور یكنواخت در داخل فاز پیوسته پراكنده سازد. فاز پیوسته به عنوان عامل انتقال حرارت عمل نموده و در نتیجه كنترل درجه حرارت در این فرایند ساده تر از نوع جرمی است. چسبندگی و رسوب پلیمر نیز به مراتب كمتر از فرایند جرمی مشاهده می شود. پلیمریزاسیون تعلیقی به عنوان مرحله دوم فرایند جرمی نیز قابلیت كاربرد دارد(مانند فرایند تولید پلی استیرن مقاوم). زیرا معمولاً ادامه پلیمریزاسیون تا رسیدن به درجه تبدیل نهایی توسط فرایند تعلیقی انجام می گیرد. پس از پایان پلیمریزاسیون، دانه های پلیمری از طریق سانتریفوژ جدا و خشك می گردند. اختلاط در پلیمریزاسیون امولسیونی نسبت به پلیمر یزاسیون تعلیقی از اهمیت كمتری برخوردار است و عمدتاً جهت تسهیل انتقال حرارت طراحی می شود . كاربرد زیاذ امولسیفایر در پلیمریزاسیون امولسیونی، جداسازی آن را در پایان واكنش دشوار می سازد . به همین سبب معمولاً از فرایندهای امولسیونی در جایی استفاده می شود كه در شكل نهایی مصرف به صورت لاتكس یا امولسیون باشد(مانند امولسیون نهایی اكریلیك). در صورت لزوم استفاده از پلیمر خالص، محلول پلیمریزاسیون ابتدا منعقد و سپس دانه های پلیمر به كمك ***** جدا و خشك می گردد. مقایسه انواع تكنولوژی های پلیمریزاسیون و معایب (Fail) بررسی مشكلات فرایند پلیمریزاسیون مشكلات تولید صنعتی پلیمرها با تولید تركیبات آلی با وزن ملكولی كم بسیار متفاوت است. در اینجا برخی از مهمترین ویژگی های واكنش های پلیمریزاسیون مورد بحث قرار می گیرند. افزایش ویسكوزیته یكی از مهمترین مشكلات واكنش های پلیمریزاسیون، افزایش شدید ویسكوزیته با پیشرفت واكنش است .در حقیقت بخش عمده مشكلات در مهندسی فرایند های پلیمریزاسیون بازتابی از افزایش ویسكوزیته است و علم نوبنیاد ” مهندسی واكنش های پلیمریزاسیون” نیز چیزی جز چگونگی خنثی نمودن اثر افزایش ویسكوزیته در چارچوب مهندسی شیمی نیست. در پلیمریزاسیون زنجیری به محض شروع واكنش، پلیمرهای با وزن ملكولی بالا تولید می شود . تغییرات وزن ملكولی با درجه تبدیل نسبتاً كم است. از این رو افزایش ویسكوزیته به واسطه افزایش میزان پلیمر در مخلوط واكنش صورت می گیرد. در پلیمریزاسیون مرحله ای تنها الیگومرها تا درجات تبدیل بالا وجود دارند و تنها بعد از آن وزن مولكولی پلیمر به طور ناگهانی و به شدت افزایش می یابد . ویسكوزیته محلول در حال واكنش نیز تا مراحل پایانی واكنش نسبتاً كم است و سپس به طور ناگهانی افزایش می یابد. بنابراین عامل افزایش ویسكوزیته تا مراحل پایانی واكنش، میزان پلیمر در مخلوط واكنش است. در حالیكه در مراحل پایانی افزایش درجه پلیمریزاسیون یا به عبارت دیگر وزن ملكولی پلیمر سبب اف زایش ویسكوزیته می شود كه اثرات آن به مراتب شدیدتر است. افزایش ویسكوزیته در سیستم های همگن به مراتب شدیدتر از ناهمگن است . افزایش ویسكوزیته در پلیمریزاسیونهای جرمی و محلول تا106برابر نیز تخمین زده می شود. در حالیكه در پلیمریزاسیون امولسیونی كه به واسطه امولسیفایرهایی با وزن ملكولی كم تثبیت م یشود، ویسكوزیته به طور متوسط تا 103 برابر افزایش نشان می دهد. افزایش ویسكوزیته در پلیمریزاسیون تعلیقی مشهود نیست و ویسكوزیته آن به وسیله فاز آب دیكته می شود. از مهمترین اثرات افزایش ویسكوزیته كاهش ضریب نفوذ ملكولی و ضریب انتقال جرم است . كاهش ضریب نفوذ ملكولی باعث كاهش تحرك ماكرورادیكال های در حال واكنش شده و در نتیجه از وقوع واكنش پایان جلوگیری به عمل می آورد كه این امر پدیده اثر ژل را به دنبال دارد . بروز اثر ژل باعث افزایش ناگهانی و شدید سرعت واكنش می گردد. به موازات افزایش سرعت واكنش،از یك طرف شدت آزادسازی حرارت آهنگ صعودی پیدا می كند و از طرف دیگر توان مكانیكی همزن افزایش می یابد .در نتیجه كاهش توان سرمایشی راكتور كاهش می یابد .این موضوع منجر به بروز مشكلاتی در كنترل و پایداری راكتور پلیمریزاسیون می گردد. در ناحیه ای كه تولید ژل زیاد می شود، انرژی آزاد شده به اندازه ای است كه حالت انفجاری به سیستم می دهد. در بسیاری از واحدهای صنعتی وقایع مصیبت باری به واسطه خارج شدن كنترل واكنش پلیمریزاسیون به دلیل عدم موفقیت در جذب حرارت آزاد شده گزارش شده است . به همین دلیل طراحی دقیق راكتور و سیستم كنترل آن در فرایندهای پلیمریزاسیون از اهمیت خاص برخوردار است. حرارت زایی بسیاری از واكنش های پلیمریزاسیون با پیشرفت واكنش مقدار قابل توجهی انرژی از خود آزاد می كنند . علاوه بر این، انرژی مكانیكی لازم برای اختلاط نیز در ویسكوزیته بالا تبدیل به انرژی گرمایی می شود . جذب انرژی آزاد شده در پلیمریزاسیونهای با درجه خلوص بالا به واسطه افزایش ویسكوزیته ، چسبندگی پلیمر به سطوح انتقال حرارت و تغییرات فاز در طی واكنش، از مهمترین دشواری های مهندسی واكنش های پلیمریزاسیون است. طراحی راكتور واكنشهای پلیمریزاسیون به میزان قابل توجهی انرژی آزاد می كنند. در واكنشهای مواد با وزن مولكولی كم بالاترین شدت حرارت در ابتدای واكنش كه در آن غلظت مواد واكنش كننده حداكثر است رخ می دهد . در حالیكه در واكنشهای پلیمریزاسیون به ویژه نوع جرمی آن به علت وقو ع اثر ژل و افرایش ناگهانی سرعت واكنش نقطه اوج آزادسازی حرارت در اواسط واكنش رخ می دهد . متوسط مقدار حرارت آزاد شده و همچنین حداكثر مقدار آن همسو با درجه حرارت و مقدار شروع كننده تغییر میكند . مقادیرحرارت و به ویژه حرارت ماكزیمم در پلیمریزاسیون متیل متاكریلات به مراتب بیشتر از پلیمریزاسیون استیرن است . این اختلاف ریشه در وجوذ اثرژل قوی در پلیمریزاسیون متیل متاكریلات نسبت به استیرن دارد. در مورد متیل متاكریلات اثر ژل در اوایل واكنش رخ میدهد. از این رو حرارت آزاد شده دارای یك نقطه اوج كاملاً متمایز است. در حالیكه اثر ژل در مورداستیرن در اواسط واكنش به وقوع میپیوندد یعنی در جایی كه سرعت واكنش پلیمریزاسیون به واسطه مصرف مونومر و شروع كننده بسیار كم شده است. بنابراین ممكن است كه حتی اثر ژل نیز قادر به افزایش سرعت واكنش تا مرز مقادیر اولیه آن نباشد. [/TD] [/TR] [/TABLE]