راكتور پليمريزاسيون (Polymerization reactor)

[spow 44197]

واكنشهاي پليمريزاسيون با توجه به تنوع توليدشان از استفاده كننده هاي عمده راكتورها به شمار مي روند.

البته ساختار كلي راكتورها تفاوت چنداني با راكتورهاي ساير مواد ندارد: اما با توجه به اهميت اين واكنشها، مطالبي در اين مورد بيان مي شود.

انواع راكتورهاي پليمريزاسيون

راكتورهاي متنوعي براي انجام واكنشهاي پليمريزاسيون بكار ميروند. اين راكتورها و كاريرد آن در جدول زير آورده شده است.

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

تعاريف و بيان تفاوتها

در راكتورهاي ناپيوسته (Batch Reactors) تمامي اجزاء مخلوط واكنش به راكتور وارد مي شوند و تا پايان واكنش در راكتور باقي مي مانند. معمولاً در ابتداي پليمريزاسيون در راكتورهاي ناپيوسته يك گرم كن وجود دارد كه طي آن دماي مخلوط به دماي لازم براي شروع واكنش افزايش داده مي شود. سپس واكنش پليمريزاسيون شروع شده و به علت گرمازايي قابل توجه آن دماي مخلوط واكنش مي تواند افزايش يابد به همين دليل در راكتورهاي ناپيوسته بايد قابليت گرم و سرد كردن سريع و كافي و همچنين سيستم كنترل درجه حرارت موثر پيش بيني گردد.

فرايندهاي ناپيوسته براي پليمريزاسيون با درجه تبديل بالا مناسب است. از طرف ديگر اين سيستمها براي بروز انفجار حرارتي مستعد هستند. فرايندهاي ناپيوسته عمدتاً در زمينه پليمريزاسيون راديكالي به كار مي روند.

راكتور نيمه ناپيوسته (Semi Continuous Reactors) يا (Semi Batch): در راكتورهاي نيمه پيوسته مواد برخي از مواد واكنش كننده ممكن است به تدريج به راكتور اضافه شوند . يا آنكه محصولات جانبي توليد شده در طي واكنش از راكتور خارج گردند. در بسياري از پليمريزاسيونهاي راديكالي معمول است كه منومر، حلال و يا شروع كننده را به منظور حفظ درجه حرارت و افزايش سرعت توليد به تدريج به راكتور اضافه مي كنند . اضافه كردن تدريجي كومنومر در كوپليمريزاسيون نيز وقتي كه اختلاف فعاليت منومرها زياد است از جمله كاربردهاي اين فرايند است. در پليمريزاسيونهاي نيمه پيوسته ممكن است كه تمامي مواد واكنش كننده در ابتداي واكنش به راكتور اضافه گردند ولي قبل از تشكيل محصولات جانبي ، بايد از راكتور خارج شو ند. پليمريزاسيونهاي مرحله اي از اين نوع سيستمها هستند. تبخير محصولات جانبي يك عامل موثر در جذب حرارت واكنش است كه در برخي از موارد مي تواند به قدري شديد باشند كه باعث افت دماي واكنش گردد . در اين حالت براي جبران حرارت از دست رفته حتي ممكن است نياز به حرارت دهي نيز باشد . راكتورهايي كه براي فرايند نيمه پيوسته مورد استفاده قرار مي گيرند مشابه با راكتورهاي ناپيوسته است با اين تفاوت كه امكان افزايش مداوم مواد اوليه به آن و يا خروج محصولات جانبي از آن پيش بيني شده است.

[spow 44197]

در راكتورهاي پيوسته(Continuous Reactors) مواد واكنش دهنده با شدت جريان ثابت به درون راكتور رانده شده و محصولات نيز به طور مداوم از راكتور خارج مي گردند.

پس از راه اندازي يك راكتور پيوسته، راكتور پس از عبور از يك حالت انتقالي به يك شرايط پايدار مي رسد. در اين شرايط شدت حرارت زائي سيستم نيز به مقدار ثابتي مي رسد. فرايندهاي مداوم عمليات آسان تر و هزينه كمتري دارد و هنگامي كه ظرفيت توليد بالا باشد مورد استفاده قرار مي گيرند. در موارد خاص پليمريزاسيون در راكتورهاي ناپيوسته كه داراي انعطاف پذيري بيشتري براي توليد پليمرهايي با درجا ت تبديل مختلف هستند، انجام مي گيرد.

فرايندهاي پيوسته در راكتورهاي همزن دار (Continuous Stirred Tank Reactors ,CSTR) و راكتورهاي لوله اي (Tubular Reactor) قابل انجام است. راكتورهاي همزن دار پيوسته مشابه با راكتورهاي ناپيوسته هستند با اين تفاوت كه امكان ورود مداوم مواد اوليه به آنها و خروج محصول نهايي از آنها پيش بيني شده است.در شكل نمونه اي از راكتور همزن دار را مشاهده مي كنيد.

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

شكل 18 - شمايي از راكتور لوله اي

از راكتورهاي همزن دار پيوسته به صورت سري (Cascade) در صنعت براي پليمريزاسيون امولسيوني مثل وينيل كلرايد و وينيل استات استفاده مي گردد. در راكتورهاي لوله اي به منظور جذب حرارت آزاد شده، قطر راكتور همواره كوچك اختيار مي شود.در شكل زير نمونه اي از اين نوع را مي بينيد.

انجام فرايندهاي مختلف پليمريزاسيون در راكتورهاي پليمريزاسيون

شكل 19 – راكتور CSTR

تكنولوژي پليمريزاسيون جرمي براي پليمريزاسيونهاي با رشد مرحله اي، مرسوم است، زيرا به واسطه كمي انرژي آزاد شده، جذب حرارت به سهولت انجام مي پذيرد. به علت پايين بودن ويسكوزيته تا درجات تبديل بالا، اختلاط نيز به نحو موثري قابل انجام است . حرارت آزاد شده قابل توجه و افزايش سريع ويسكوزيته در پليمريزاسيون با رشد زنجيري، كارايي تكنولوژي جرمي را براي اين نوع مكانيسم پليمريزاسيون كاهش مي دهد .زيرا بر خلاف حالت قبل، افزايش سريع ويسكوزيته و در نتيجه عدم امكان كنترل درجه حرارت، دستيابي به درجات تبديل بالا را مقدور نمي سازد. محلول پليمريزاسيون جرمي از درجه خلوص بالايي برخوردار بوده و عمليات تخليص كمتري را مي طلبد. انجام پليمريزاسيون در حضور يك حلال از مشكلات انتقال حرارت و اختلاط مي كاهد. پليمر و منومر در داخل حلال محلول هستند . علاوه بر اين ويسكوزيته كمتر سبب بهبود اختلاط و كارايي شروع كننده مي گردد. مهمترين نقطه ضعف اين روش هزينه جداسازي حلال و بازيابي آن است . ويسكوزيته سيستم پليمريزاسيون تعليقي در طول واكنش نسبتاً ثابت باقي مانده و عمدتاً به وسيله ويسكوزيته فاز مداوم(آب) تعيين مي گردد.

اغلب پليمرها داراي دانسيته بيشتري نسبت به منومرهاي خود هستند. به اين جهت در پليمريزاسيون تعليقي سيستم اختلاط بايد به گونه اي انتخاب گردد كه در ابتدا منومرهاي از سطح به زير كشيده شده و در داخل فاز آبي پراكنده شوند و در انتها از ته نشيني ذرات جامد پليمري جلوگيري به عمل آورده و آنها را به طور يكنواخت در داخل فاز پيوسته پراكنده سازد. فاز پيوسته به عنوان عامل انتقال حرارت عمل نموده و در نتيجه كنترل درجه حرارت در اين فرايند ساده تر از نوع جرمي است. چسبندگي و رسوب پليمر نيز به مراتب كمتر از فرايند جرمي مشاهده مي شود. پليمريزاسيون تعليقي به عنوان مرحله دوم فرايند جرمي نيز قابليت كاربرد دارد(مانند فرايند توليد پلي استيرن مقاوم). زيرا معمولاً ادامه پليمريزاسيون تا رسيدن به درجه تبديل نهايي توسط فرايند تعليقي انجام مي گيرد. پس از پايان پليمريزاسيون، دانه هاي پليمري از طريق سانتريفوژ جدا و خشك مي گردند.

اختلاط در پليمريزاسيون امولسيوني نسبت به پليمر يزاسيون تعليقي از اهميت كمتري برخوردار است و عمدتاً جهت تسهيل انتقال حرارت طراحي مي شود . كاربرد زياذ امولسيفاير در پليمريزاسيون امولسيوني، جداسازي آن را در پايان واكنش دشوار مي سازد . به همين سبب معمولاً از فرايندهاي امولسيوني در جايي استفاده مي شود كه در شكل نهايي مصرف به صورت لاتكس يا امولسيون باشد(مانند امولسيون نهايي اكريليك). در صورت لزوم استفاده از پليمر خالص، محلول پليمريزاسيون ابتدا منعقد و سپس دانه هاي پليمر به كمك ***** جدا و خشك مي گردد.

مقايسه انواع تكنولوژي هاي پليمريزاسيون و معايب (Fail)

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

 

بررسي مشكلات فرايند پليمريزاسيون

مشكلات توليد صنعتي پليمرها با توليد تركيبات آلي با وزن ملكولي كم بسيار متفاوت است. در اينجا برخي از مهمترين ويژگي هاي واكنش هاي پليمريزاسيون مورد بحث قرار مي گيرند.

[spow 44197]

افزايش ويسكوزيته

يكي از مهمترين مشكلات واكنش هاي پليمريزاسيون، افزايش شديد ويسكوزيته با پيشرفت واكنش است .در حقيقت بخش عمده مشكلات در مهندسي فرايند هاي پليمريزاسيون بازتابي از افزايش ويسكوزيته است و علم نوبنياد ” مهندسي واكنش هاي پليمريزاسيون” نيز چيزي جز چگونگي خنثي نمودن اثر افزايش ويسكوزيته در چارچوب مهندسي شيمي نيست.

در پليمريزاسيون زنجيري به محض شروع واكنش، پليمرهاي با وزن ملكولي بالا توليد مي شود . تغييرات وزن ملكولي با درجه تبديل نسبتاً كم است. از اين رو افزايش ويسكوزيته به واسطه افزايش ميزان پليمر در مخلوط واكنش صورت مي گيرد. در پليمريزاسيون مرحله اي تنها اليگومرها تا درجات تبديل بالا وجود دارند و تنها بعد از آن وزن مولكولي پليمر به طور ناگهاني و به شدت افزايش مي يابد . ويسكوزيته محلول در حال واكنش نيز تا مراحل پاياني واكنش نسبتاً كم است و سپس به طور ناگهاني افزايش مي يابد. بنابراين عامل افزايش ويسكوزيته تا مراحل پاياني واكنش، ميزان پليمر در مخلوط واكنش است. در حاليكه در مراحل پاياني افزايش درجه پليمريزاسيون يا به عبارت ديگر وزن ملكولي پليمر سبب اف زايش ويسكوزيته مي شود كه اثرات آن به مراتب شديدتر است.

افزايش ويسكوزيته در سيستم هاي همگن به مراتب شديدتر از ناهمگن است . افزايش ويسكوزيته در پليمريزاسيونهاي جرمي و محلول تا106برابر نيز تخمين زده مي شود. در حاليكه در پليمريزاسيون امولسيوني كه به واسطه امولسيفايرهايي با وزن ملكولي كم تثبيت م يشود، ويسكوزيته به طور متوسط تا 103 برابر افزايش نشان مي دهد. افزايش ويسكوزيته در پليمريزاسيون تعليقي مشهود نيست و ويسكوزيته آن به وسيله فاز آب ديكته مي شود.

از مهمترين اثرات افزايش ويسكوزيته كاهش ضريب نفوذ ملكولي و ضريب انتقال جرم است . كاهش ضريب نفوذ ملكولي باعث كاهش تحرك ماكروراديكال هاي در حال واكنش شده و در نتيجه از وقوع واكنش پايان جلوگيري به عمل مي آورد كه اين امر پديده اثر ژل را به دنبال دارد . بروز اثر ژل باعث افزايش ناگهاني و شديد سرعت واكنش مي گردد. به موازات افزايش سرعت واكنش،از يك طرف شدت آزادسازي حرارت آهنگ صعودي پيدا مي كند و از طرف ديگر توان مكانيكي همزن افزايش مي يابد .در نتيجه كاهش توان سرمايشي راكتور كاهش مي يابد .اين موضوع منجر به بروز مشكلاتي در كنترل و پايداري راكتور پليمريزاسيون مي گردد. در ناحيه اي كه توليد ژل زياد مي شود، انرژي آزاد شده به اندازه اي است كه حالت انفجاري به سيستم مي دهد. در بسياري از واحدهاي صنعتي وقايع مصيبت باري به واسطه خارج شدن كنترل واكنش پليمريزاسيون به دليل عدم موفقيت در جذب حرارت آزاد شده گزارش شده است . به همين دليل طراحي دقيق راكتور و سيستم كنترل آن در فرايندهاي پليمريزاسيون از اهميت خاص برخوردار است.

حرارت زايي

بسياري از واكنش هاي پليمريزاسيون با پيشرفت واكنش مقدار قابل توجهي انرژي از خود آزاد مي كنند .

علاوه بر اين، انرژي مكانيكي لازم براي اختلاط نيز در ويسكوزيته بالا تبديل به انرژي گرمايي مي شود . جذب انرژي آزاد شده در پليمريزاسيونهاي با درجه خلوص بالا به واسطه افزايش ويسكوزيته ، چسبندگي پليمر به سطوح انتقال حرارت و تغييرات فاز در طي واكنش، از مهمترين دشواري هاي مهندسي واكنش هاي پليمريزاسيون است.

طراحي راكتور

واكنشهاي پليمريزاسيون به ميزان قابل توجهي انرژي آزاد مي كنند. در واكنشهاي مواد با وزن مولكولي كم بالاترين شدت حرارت در ابتداي واكنش كه در آن غلظت مواد واكنش كننده حداكثر است رخ مي دهد . در حاليكه در واكنشهاي پليمريزاسيون به ويژه نوع جرمي آن به علت وقو ع اثر ژل و افرايش ناگهاني سرعت واكنش نقطه اوج آزادسازي حرارت در اواسط واكنش رخ مي دهد . متوسط مقدار حرارت آزاد شده و همچنين حداكثر مقدار آن همسو با درجه حرارت و مقدار شروع كننده تغيير ميكند . مقاديرحرارت و به ويژه حرارت ماكزيمم در پليمريزاسيون متيل متاكريلات به مراتب بيشتر از پليمريزاسيون استيرن است . اين اختلاف ريشه در وجوذ اثرژل قوي در پليمريزاسيون متيل متاكريلات نسبت به استيرن دارد. در مورد متيل متاكريلات اثر ژل در اوايل واكنش رخ ميدهد. از اين رو حرارت آزاد شده داراي يك نقطه اوج كاملاً متمايز است. در حاليكه اثر ژل در مورداستيرن در اواسط واكنش به وقوع ميپيوندد يعني در جايي كه سرعت واكنش پليمريزاسيون به واسطه مصرف مونومر و شروع كننده بسيار كم شده است. بنابراين ممكن است كه حتي اثر ژل نيز قادر به افزايش سرعت واكنش تا مرز مقادير اوليه آن نباشد.